[發明專利]用于儲熱系統的熱交換器

在審

• 申請號: 201380052516.4
• 申請日: 2013-10-07
• 公開（公告）號: CN104718422A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 馬克·奧爾瑟斯
• 申請（專利權）人: 原子能和替代能源委員會
• 主分類號: F28D20/02
• 分類號: F28D20/02;F28F21/08;F28F1/20;F28F1/22;F28F1/36;F22B1/02;F22B1/00
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 武晨燕;徐川

技術領域

本發明涉及使用一種相變材料的儲熱系統的熱交換器。

背景技術

聚光太陽熱技術(Concentrating?thermal?solar?technology)在于使用太陽輻射來對直接或間接地充當熱力循環中的熱源的流體進行加熱。聚光或多或少地導致高溫，使得或多或少地取得良好地熱力轉換效率。

為了使聚光太陽能裝置對于發電更具吸引力，就要求高溫儲熱系統將過剩的熱能儲存起來并且例如當光照減少時可利用這些熱能。

目前已研發了太陽能直接蒸汽發電裝置(Direct?steam?generation?solar?power)，其產生的蒸汽被輸送至渦輪機并且借此發電。當產生的蒸汽流量多于標稱的渦輪機流量時，過剩量的蒸汽被儲存在儲熱系統中。當產生的蒸汽流量少于標稱的渦輪機流量，蒸汽被從儲存裝置中取出以供給渦輪機。

儲熱系統看起來尤其在意利用相變材料來儲存熱量以及將該熱量從儲存裝置中取出。此處考慮的直接儲存系統包括：管束和穿過相變材料的管，熱傳遞流體在所述管束中循環，潛熱在熱輸送流體和相變材料之間交換。管配置有翅片，以便增大交換表面區域。

因為能量以潛熱的形式儲存在相變材料中，相變材料能夠在幾乎恒定的溫度下對大量能量進行交換。這在需要儲存熱輸送流體(例如，水)的潛能時尤其重要，因為在相似的溫度下發生相變的兩種流體之間的熱交換能夠顯著增加儲存周期的效率。

相變材料所具有的缺點在于具有不良的熱傳導系數，例如在NaNO₃的情況下，平均的熱傳導系數為大約0.5W/mK，此值為典型的熱傳導不良材料或甚至絕熱材料。

相變材料的低的熱傳導系數是對交換器的成本和性能產生主要影響的因素，因為熱輸送流體和相變材料之間大多數熱交換的主要通過固相中的傳導進行，這意味著相變材料的最大厚度相當小以避免減小交換效率；對于NaNO₃而言的最大厚度為大約10mm到20mm。對于這種數量級的厚度，如果相變材料將在純態(pure?state)下被使用，則交換器必須具有非常大的交換區域。

在具有相變材料的儲存系統的情況下，熱輸送流體處于高壓下。因此，出于成本價格的原因，優選地減少交換管的數量，這與大的熱交換表面區域的使用正相反。

已有的建議是，可將金屬結構散布在相變材料中以改善相變材料的熱傳導性。但是產生了熱循環下金屬結構分布穩定性的問題，并且尤其是控制相變材料基體(matrix)和熱輸送流體管之間的熱接觸的問題。

翅片被添加到管的外表面上，以便增加管和相變材料之間的熱交換區域。使用了兩種幾何結構的翅片，即，徑向延伸的翅片以及沿著管縱向延伸的翅片。

同樣已經觀察到鋼管和鋁制翅片的制造在技術上是合適的，因為確保了對在管中循環的熱輸送流體的高壓的抗性并且同時提供了比全部為鋼管和鋼翅片更低的成本價格。翅片于是被添加到管上，必須取得良好的接觸以獲得高效的熱交換。另一方面，由于使用了具有顯著不同熱膨脹系數的兩種材料，使得這兩種材料之間存在不同程度的膨脹。

此外，相變材料在相變期間的體積變化對翅片具有機械作用力。對于NaNO₃，其體積變化為大約11％。

不同的膨脹效果和相變材料的體積變化可對管和翅片之間的熱接觸的穩定性以及組件的熱機械耐用性(thermomechanical?durability)造成主要影響。

如上所述，存在縱向翅片，在熱交換器中應用相變材料是非常有用的，因為相變材料能夠允許在相變之后進行對相變材料的體積變化的更為簡單的補償。

管通常卷曲(crimped)在形成縱向翅片的擠制鋁材(extruded?aluminium)的內部。這種結構對兩種材料之間的不同的熱膨脹效果非常敏感。具有縱向翅片的管的壽命也隨之縮短。

例如，在管具有徑向翅片的情況下，所述翅片可通過橄欖切割(olive-cutting)卷曲到管上，或可徑向擠壓在管上，這些管在工作溫度方面具有限制。

安裝有徑向翅片的管，所述徑向翅片實際上圍繞管螺旋纏繞并且嵌入在管的基部中，并且這些翅片被稱為G型翅片。這種結構允許使用高的工作溫度，例如高至400-450℃，并且減小了分離的風險。另一方面，限制了翅片的外徑和管的直徑的比值，這導致使用大量的管來取得足夠的交換區域，因此成本價格很高。

發明內容

因此，本發明的一個目的是提供一種用于儲熱系統的熱交換器，該熱交換器提供了高溫下的機械強度并且具有比現有儲存系統更低的成本價格。