【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于可再生能源利用领域，具体涉及到的是一种利用主被动结合传热强化技术实现高效传热的快充型热储能装置。
技术介绍
1、地球上拥有丰富的热能资源，例如地热、太阳能、工业余热等，通过收集和利用热能，可以有效提高能源利用效率，降低能源成本。然而，由于热能的供应并不稳定，且热能的收集与利用有着时间和空间上的差异，亟需发展与之相匹配的热储能装置以实现热能的高效应用。
2、在众多储热技术中，使用相变材料的潜热储热技术有着结构紧凑、温度波动小、可适应性广等优点，成为热储能领域最具应用潜力的优选方案。然而，由于相变材料的导热性材料普遍较低，潜热型热储能装置常存在蓄放热效率低下和热应力集中等致命缺陷，严重影响了潜热型热储能装置的能效水平和使用寿命。因而，亟需发展新一代潜热型热储能装置以提升能源系统的热效率和稳定性。
3、需要注意的是，尽管学者们提出了许多被动传热强化技术，包括添加导热增强剂、扩大传热面积以及封装相变材料等，但这些技术无法根本解决热能收集与利用过程中固液相界面远离热源/冷源导致的热阻增加和传热速率衰减的问题。为了解决这一难题，部分学者提出了主动传热强化技术，例如添加弹簧促使固液相界面接近热源。然而，这类传热强化技术仅在储热过程中强化了传热性能，放热过程中的传热性能依旧未能得到进一步改善。此外，普通弹簧在放热过程中保持松弛状态，无法实现可循环的传热强化。因此，现有热储能装置尚未形成高效率的凝固传热模式，进而无法形成周期性的快充-快放。
技术实现思路
1、针
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
3、一种快充型热储能装置，包括换热接头、储热器、中心换热管以及驱动机构；所述换热接头设置在所述中心换热管上端；所述中心换热管可转动的设置在所述储热器的中心轴上；所述驱动机构用于驱动所述中心换热管以所述储热器的中心轴旋转；在所述换热接头上设置有换热流体进口和换热流体出口；换热流体从所述换热接头的流体入口进入，经所述中心换热管与所述储热器进行换热；
4、所述储热器包括保温外壳、功能翅片、刮片以及填充在保温外壳内的相变材料；所述刮片围绕中心换热管呈圆周均匀平行布置且与中心换热管外表面形成一间隙；所述功能翅片布置在所述刮片上；所述功能翅片为形状记忆合金，功能翅片受热向内弯曲变形产生向心力推动固态相变材料迫近中心换热管；
5、在蓄热过程中，所述功能翅片受热向内弯曲变形，推动固态相变材料迫近所述中心换热管以维持高效传热的近距离自发熔化，实现快速存储；在放热过程中，所述中心换热管在驱动机构驱动下旋转，所述刮片将凝固在所述中心换热管上的固态相变材料刮薄，维持液态相变材料与所述中心换热管之间高效传热的近距离力驱凝固，实现快速释放。
6、本专利技术在蓄热过程中，功能翅片受热向内弯曲变形并产生向心力，推动固态的相变材料迫近中心换热管以维持长时间稳定的半主动式自发熔化，从而减小了热源与相变材料之间的热传递热阻。功能翅片选用镍钛形状记忆合金，采用激光选区熔化增材制造技术和冷轧工艺加工成型，具有对温度敏感的自激励热-力耦合响应特性，形状记忆合金具有高温相奥氏体相和低温相马氏体相两种相，当温度高于高温相变态温度后，所述记忆翅片为奥氏体相内弯曲结构，推动固态相变材料迫近所述中心换热管以维持高效传热的近距离自发熔化，当温度低于低温相变态温度后，所述功能翅片会变形为马氏体相矩形片状结构。利用功能翅片这一随温度变化的半主动变形功能，能够实现热储能装置蓄放热过程的循环利用。在蓄热过程中所述中心换热管的换热流体与所述固态相变材料的热阻为：
7、，
8、其中， d2为所述中心换热管的外部管道外径， d1为所述中心换热管的外部管道内径，为所述中心换热管导热率，为所述储热器的内部腔体高度，相比于传统热储能装置存在随蓄热过程进行而逐渐增大的液态相变材料热阻，本专利技术储热装置中心换热管的换热流体与固态相变材料的热阻更小。基于这一工作机理，本专利技术突破了传统热储能装置在蓄热过程传热效率不断下降的弊端，进而使得熔化速率长时间稳定在较高水平。同时，功能翅片具有良好的疲劳寿命，可实现多次循环的快充-快放过程，保证了热储能装置的使用寿命。
9、所述中心换热管和换热接头均为套管式结构，所述换热接头进口对应的内部管道与所述中心换热管的内部管道联通，所述换热接头出口对应的外部管道与所述中心换热管的外部管道联通，所述换热流体从所述换热接头进口进入后通过所述中心换热管的内部管道到达所述中心换热管的底部，进而又通过所述中心换热管内外管道之间的夹层返回所述换热接头内外管道之间的夹层，并最终通过所述换热接头出口流出。
10、设置在每个刮片上的功能翅片为一对，一对功能翅片朝着相反的方向弯曲。
11、所述驱动机构包括电机、驱动轮、同步轮和紧配连接的传动带，所述驱动轮连接所述电机，所述同步轮套接在所述中心换热管与所述换热接头中间。
12、在放热过程中，所述电机可以通过调整转速控制所述中心换热管的旋转，在凝固初期，所述液态相变材料凝固速率较快，为及时刮薄所述固态相变材料，所述中心换热管的转速也较快，随着凝固的持续进行，所述中心换热管的转速逐渐减小直至停止。
13、所述保温外壳的材质采用尼龙、聚苯板、陶瓷中的一种，且所述保温外壳的材质与所述相变材料需满足材料兼容性要求；所述刮片的材料采用高速钢、不锈钢、碳素工具钢中的一种。
14、所述相变材料采用水、石蜡、脂肪酸类、多元醇类、无机盐类中的一种，所述相变材料的相变温度在所述功能翅片的高温相变态温度和低温相变态温度之间，且所述相变材料的填充高度要低于所述保温外壳内部腔体的高度。
15、本专利技术在放热过程中，中心换热管在电机驱动下缓慢旋转，中心换热管与刮片的间隙为1~3mm，当凝固在中心换热管管壁的相变材料的厚度超过此间隙时，刮片会将凝固在转动的中心换热管上的固态相变材料刮薄，维持液态相变材料与中心换热管之间高效传热的力驱凝固，在放热过程中所述中心换热管的换热流体与混合态相变材料的热阻为：
16、，
17、其中，为所述固态相变材料的厚度，且此厚度维持在1~3mm，为所述固态相变材料导热率，相比于传统热储能装置，所述中心换热管的换热流体与所述混合体相变材料的热阻在放热过程的固态相变材料热阻更小。基于这一工作特点，本专利技术突破了传统热储能装置在放热过程传热效率不断下降的弊端，进而使得凝固速率长时间稳定在较高水平。同时，中心换热管的旋转速度可以通过电机进行调控。在凝固初期，相变材料的凝固速度较快，中心换热管的旋转速度也较快，刮片及时将凝固在中心换热管的相变材料刮薄；随着凝固过程的进行，相变材料的凝固速度逐渐降低，中心换热管的旋转速度可以随之降低，从而在刮薄凝固在中心换热管本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种快充型热储能装置，其特征在于：包括换热接头、储热器、中心换热管以及驱动机构；所述换热接头设置在所述中心换热管上端；所述中心换热管可转动的设置在所述储热器的中心轴上；所述驱动机构用于驱动所述中心换热管以所述储热器的中心轴旋转；在所述换热接头上设置有换热流体进口和换热流体出口；换热流体从所述换热接头的流体入口进入，经所述中心换热管与所述储热器进行换热；
2.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述中心换热管和换热接头均为套管式结构，所述换热接头进口对应的内部管道与所述中心换热管的内部管道联通，所述换热接头出口对应的外部管道与所述中心换热管的外部管道联通，所述换热流体从所述换热接头进口进入后通过所述中心换热管的内部管道到达所述中心换热管的底部，进而又通过所述中心换热管内外管道之间的夹层返回所述换热接头内外管道之间的夹层，并最终通过所述换热接头出口流出。
3.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述功能翅片选用镍钛形状记忆合金；镍钛形状记忆合金具有高温相奥氏体相和低温相马氏体相两种相；当温度高于高温相变态温度后，所述记忆
4.根据权利要求3所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述形状记忆合金采用激光选区熔化增材制造技术和冷轧工艺加工成型，具有对温度敏感的自激励热-力耦合响应特性。
5.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述中心换热管与所述刮片的间隙为1~3mm，在放热过程中，所述中心换热管在电机驱动下旋转，当凝固在所述中心换热管管壁的所述相变材料的厚度超过此间隙时，所述刮片会将凝固的所述相变材料刮薄，在放热过程中所述中心换热管的换热流体与混合态相变材料的热阻为：
6.根据权利要求1-5任一所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：设置在每个刮片上的功能翅片为一对，一对功能翅片朝着相反的方向弯曲。
7.根据权利要求1-5任一所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述驱动机构包括电机、驱动轮、同步轮和紧配连接的传动带，所述驱动轮连接所述电机，所述同步轮套接在所述中心换热管与所述换热接头中间。
8.根据权利要求7所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：在放热过程中，所述电机可以通过调整转速控制所述中心换热管的旋转，在凝固初期，所述液态相变材料凝固速率较快，为及时刮薄所述固态相变材料，所述中心换热管的转速也较快，随着凝固的持续进行，所述中心换热管的转速逐渐减小直至停止。
9.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述保温外壳的材质采用尼龙、聚苯板、陶瓷中的一种，且所述保温外壳的材质与所述相变材料需满足材料兼容性要求；所述刮片的材料采用高速钢、不锈钢、碳素工具钢中的一种。
10.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述相变材料采用水、石蜡、脂肪酸类、多元醇类、无机盐类中的一种，所述相变材料的相变温度在所述功能翅片的高温相变态温度和低温相变态温度之间，且所述相变材料的填充高度要低于所述保温外壳内部腔体的高度。
...【技术特征摘要】
1.一种快充型热储能装置，其特征在于：包括换热接头、储热器、中心换热管以及驱动机构；所述换热接头设置在所述中心换热管上端；所述中心换热管可转动的设置在所述储热器的中心轴上；所述驱动机构用于驱动所述中心换热管以所述储热器的中心轴旋转；在所述换热接头上设置有换热流体进口和换热流体出口；换热流体从所述换热接头的流体入口进入，经所述中心换热管与所述储热器进行换热；
2.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述中心换热管和换热接头均为套管式结构，所述换热接头进口对应的内部管道与所述中心换热管的内部管道联通，所述换热接头出口对应的外部管道与所述中心换热管的外部管道联通，所述换热流体从所述换热接头进口进入后通过所述中心换热管的内部管道到达所述中心换热管的底部，进而又通过所述中心换热管内外管道之间的夹层返回所述换热接头内外管道之间的夹层，并最终通过所述换热接头出口流出。
3.根据权利要求1所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述功能翅片选用镍钛形状记忆合金；镍钛形状记忆合金具有高温相奥氏体相和低温相马氏体相两种相；当温度高于高温相变态温度后，所述记忆翅片为奥氏体相内弯曲结构，推动固态相变材料迫近所述中心换热管以维持高效传热的近距离自发熔化；当温度低于低温相变态温度后，所述功能翅片会变形为马氏体相矩形片状结构，且高度略低于所述储热器的内部腔体高度，在蓄热过程中所述中心换热管的换热流体与所述固态相变材料的热阻为：
4.根据权利要求3所述的一种快充型热储能装置，其特征在于：所述形状记忆合金采用激光选区熔化增材制造技术和冷轧工艺加工成型，具有对温度敏感的自激励热-力耦合响应特性。
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【专利技术属性】
技术研发人员：黄永平，张怀卓，陈永平，张程宾，邓梓龙，吴苏晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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