[發明專利]一種相變儲熱裝置

有效

• 申請號: 202110156075.9
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112923765B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 李鵬宇;鄧梓龍;王賀
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F28D20/02
• 分類號: F28D20/02;F28D20/00;F28F13/02
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產權代理有限公司 11467
• 代理人: 王斌

本發明公開了一種相變儲熱裝置，包括儲能單元、擾流單元和流體輸運通道，儲能單元由保溫材料、殼體、希爾伯特曲線構型金屬骨架和相變材料組成：保溫材料包裹在殼體外側；希爾伯特曲線構型金屬骨架均勻分布在殼體內部；相變材料均勻填充在殼體與希爾伯特曲線構型金屬骨架之間；擾流體按照陣列均勻貼附在希爾伯特曲線構型金屬骨架的流體一側，擾流體由擾流柱和底板組成，擾流柱按照謝爾賓斯基地毯分形和cantor集分形分布；謝爾賓斯基地毯分形階數及cantor集分形階數相等；流體運輸通道由漸擴入口、換熱通道和漸縮出口組成。本發明能有效增大流體與相變材料的換熱面積，使溫度分布均勻，增加流體湍流度，提高傳熱效率，快速高效的進行儲熱或放熱。

技術領域

本發明涉及一種熱量存儲裝置，具體涉及的是一種為提高換熱效率而設計的具有希爾伯特曲線結構特征的相變儲熱裝置。

背景技術

隨著能源緊缺、環境污染等問題日益嚴峻，發展利用新型節能技術已成為研究的重點。全球每年能源消耗量巨大，與此同時，大量余熱廢熱未加利用而直接排放，造成能源的巨大浪費，因此，對余熱廢熱進行充分的回收利用將顯著節約能源。根據余熱資源在利用過程中能量的轉換與傳遞特點，目前余熱回收技術主要分為熱交換技術、熱功轉換技術和余熱制熱制冷技術，其中熱交換技術中的儲熱法應用最廣。儲熱法又可分為顯熱儲熱和潛熱儲熱，潛熱儲熱方法利用相變材料(PCM)的相變過程實現能量的存儲與釋放，因儲能密度高、設備體積小、熱量輸出恒定、系統運行穩定等優點成為目前常用的節能手段。然而，現有的相變儲熱裝置結構大多采用單管或管束等簡單構型貫穿相變材料，并未考慮相變材料與流體在儲熱空間內的布置以使兩者均勻分布從而獲得更高的換熱效率；并且，多數設備在流道內添加圓肋、直肋或螺旋肋以加強湍流度來提高換熱效果，但是這樣結構單一，換熱效率不高，因此迫切需要一種新型高效的相變儲熱裝置。

希爾伯特曲線是由德國著名數學家希爾伯特(Hilbert)于1891年提出的一種能填充滿一個平面正方形的分形曲線(空間填充曲線)，階數越高，填充越密。這種特征能使曲線均勻的分布在正方形空間內，均勻性優良。將希爾伯特曲線結構應用于儲熱裝置，可以使相變材均勻分布在流體周圍，加快熱量傳遞，提高換熱速率；

粗糙表面具有多尺度、自相似等特點，受此啟發，將謝爾賓斯基地毯與cantor集這兩種特殊的自相似分形幾何結構相結合構成擾流體，作為流道的粗糙表面，可破壞流體的熱邊界層與速度邊界層，加強擾動，強化傳熱。

發明內容

技術問題:本發明所要解決的問題是針對上述現有技術的不足，而提供了一種新型的具有希爾伯特曲線特征構型的相變儲熱裝置，該儲熱裝置能夠使熱量在儲熱空間內快速均勻的傳遞，顯著提高儲熱密度和儲熱效率，使熱量的存儲與釋放過程更高效穩定的進行。

技術方案：

為解決傳統相變儲熱裝置上存在的儲熱效率低、儲熱速度慢的問題，本發明采用的技術方案如下：

一種相變儲熱裝置，包括儲能單元、擾流單元和流體輸運通道，其特征在于：所述儲能單元由保溫材料、殼體、希爾伯特曲線構型金屬骨架和相變材料組成：保溫材料包裹在殼體外側；希爾伯特曲線構型金屬骨架均勻分布在殼體內部；相變材料均勻填充在殼體與希爾伯特曲線構型金屬骨架之間；擾流體按照陣列均勻貼附在希爾伯特曲線構型金屬骨架的流體一側，所述擾流體由擾流柱和底板組成，所述擾流柱按照謝爾賓斯基地毯分形和cantor集分形分布；謝爾賓斯基地毯分形階數及cantor集分形階數相等；流體運輸通道由漸擴入口、換熱通道和漸縮出口組成。本發明綜合希爾伯特曲線、謝爾賓斯基地毯及cantor集分形的優點，設計了一種具有希爾伯特曲線特征的相變儲熱裝置，可實現穩定高效的熱量儲存與釋放。

有益效果：

1.希爾伯特曲線構型金屬骨架均勻密鋪在儲熱空間內，使溫度分布更均勻，又極大的擴展了流體與相變材料的換熱面積，提高傳熱效率；