[發明專利]不規則雪花式翅片相變蓄熱裝置

在審

• 申請號: 202210732368.1
• 申請日: 2022-06-24
• 公開（公告）號: CN115289889A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 杜軍;任繁;鄭詩雨;褚緒;邵震宇;余夏欣
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: F28D20/02
• 分類號: F28D20/02;F28F1/40
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種不規則雪花式翅片相變蓄熱裝置，包括HTF流道、蓄熱裝置內管殼體、不規則雪花狀結構翅片、PCM蓄熱材料和蓄熱裝置外殼，所述蓄熱裝置內管殼體中空形成HTF流道，外部連接有不規則雪花狀結構翅片，所述不規則雪花狀結構翅片外側套有蓄熱裝置外殼，不規則雪花狀結構翅片和蓄熱裝置外殼形成的空隙里填充PCM蓄熱材料，HTF的熱量通過不規則雪花狀結構翅片快速傳遞給PCM蓄熱材料，利用相變潛熱儲存熱能，之后再利用儲存的熱能進行后序換熱。本發明結構簡單、加工方便、成本低廉，在PCM蓄熱材料和內管殼體之間加不規則雪花狀翅片，強化了冷熱流體與相變材料之間的換熱過程，從而實現了冷流體、熱流體與固液相變材料三者之間的高效換熱。

技術領域

本發明涉及一種相變蓄熱裝置，尤其涉及一種高效換熱的不規則雪花式翅片臥式相變蓄熱裝置。

背景技術

針對能源緊缺與全球經濟快速發展顯示出來的矛盾，發展儲能行業具有廣闊的應用前景，相變蓄熱是通過利用PCM的潛熱將人類從事生產和生活中的余熱儲存起來，例如太陽能、谷電和工業余熱等，然后在不同空間或不同時間中將其釋放以實現移峰填谷的作用，這將會減少能源的浪費。相變蓄熱技術由于其價格低廉，遍布廣泛的PCM材料而作為余熱回收技術的重點發展對象，相變材料按照其屬性可分為有機材料、無機材料和復合材料，在選擇合適的PCM材料時應重點考慮它的潛熱和相變溫度等性質，套管潛熱蓄能技術(LHTES)是目前潛熱蓄能中最常見的技術，在潛熱蓄熱系統中，由于PCM的導熱性能很差，如何改進裝置結構改善PCM的熔化性能，將HTF中的熱量快速、高效的儲存到PCM中實現高效換熱一直都是研究的一個熱點。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供一種高效換熱的不規則雪花式翅片臥式相變蓄熱裝置。

技術方案：本發明裝置包括HTF流道、蓄熱裝置內管殼體、不規則雪花狀結構翅片、PCM蓄熱材料和蓄熱裝置外殼，所述蓄熱裝置內管殼體中空形成HTF流道，外部連接有不規則雪花狀結構翅片，所述不規則雪花狀結構翅片外側套有蓄熱裝置外殼，不規則雪花狀結構翅片和蓄熱裝置外殼形成的空隙里填充PCM蓄熱材料，HTF的熱量通過不規則雪花狀結構翅片快速傳遞給PCM蓄熱材料，PCM蓄熱材料熔化，利用相變潛熱儲存熱能，之后再利用儲存的熱能進行后序換熱。

進一步地，所述不規則雪花狀結構翅片共有8塊縱向翅片，根據PCM蓄熱材料熔化時自然對流的性質，利用翅片分布角度α對LHTES的下部區域進行合理加密，通過單因素優化法得到LHTES各項熱力學指標最優時的最佳翅片分布角α。

進一步地，利用響應面法對分布角度為α的最優外形不規則雪花翅片狀的套管進行翅片幾何尺寸優化，得到LHTES各項熱力學指標最優時的翅片長度H，翅片厚度m，翅片分叉角度θ，進而得到蓄熱量公式和熔化時間公式：

蓄熱量＝725.63+2.12H-18.46m-0.5955θ-4.56Hm-1.74Hθ+0.7162mθ+7.42H²+5.43m²+5.01θ²

熔化時間＝195.5-47.01H-18.93m+12.04θ+15.33Hm+1.9Hθ-3.88mθ+21.9H²+8.92m²+8.35θ²。

進一步地，所述相變潛熱儲存能量的評價模型如下：

用熔化率f表示已熔化的PCM體積占總PCM體積的比例：

式中v_PCM為PCM總體積，λ為PCM在不同階段的液相率，A為PCM底面面積；

儲熱單元的理論儲熱總量Q_PCM包括PCM和殼體儲熱量，由于殼體所占的比例很小可以忽略不計，根據PCM的熔化特性，儲熱量分為固態顯熱、潛熱和液態顯熱儲熱量三部分，可以表示為：