轴向分布式进气蓄热/冷器

技术领域

本发明涉及储能设备技术领域，尤其涉及一种轴向分布式进气蓄热/冷器。

背景技术

蓄热/冷器作为储热储冷技术的核心部件，采用填充床结构进行储热或储冷，具有环保、安全稳定以及成本较低的优势，且易于实现大规模应用。而填充床形式的蓄热/冷器的储能效率、传热性能直接依赖于蓄热/冷器内部换热流体的分布均匀性，因此，保证蓄热/冷器的流场均匀性尤为重要。

现有填充床结构的蓄热/冷器在储能和释能过程中，换热流体沿轴向进入填充床中，与填充床中储能介质进行换热，以实现能量的存储和释放。目前，对于填充床结构的蓄热/冷器的流道设置较为单一，换热流体由填充床一端进入，另一端流出，因而体积较大、储能规模较大的蓄热/冷器，会存在流场分布不均的问题。流场分布不均匀直接影响蓄热/冷器内部温度场，造成填充床内储能介质沿径向方向温度差异较大，填充床的有效容量减小。

发明内容

本发明提供一种轴向分布式进气蓄热/冷器，能够使流场和温度场的分布更加均匀，进而提升了储能特性。

本发明提供一种轴向分布式进气蓄热/冷器，包括壳体，所述壳体的内部设有沿所述壳体的轴向延伸的流体管道，所述流体管道与所述壳体之间形成填充腔室，所述填充腔室内填充有储能介质；在所述流体管道上设有多组流体通孔，每组所述流体通孔均环设于所述流体管道的外周面上，多组所述流体通孔沿所述流体管道的轴向依次间隔布置；所述流体管道通过所述流体通孔与所述填充腔室相连通。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，所述壳体包括筒体、第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖对应设置于所述筒体的两端，在所述第一端盖上设有与所述流体管道的一端连通的第一中心通孔，在所述第二端盖上设有与所述流体管道的另一端连通的第二中心通孔。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，还包括第一管道和第二管道，所述第一管道与所述第一中心通孔相连通，所述第二管道与所述第二中心通孔相连通。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，所述第一管道上设有第一阀门，所述第二管道上设有第二阀门。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，在所述第一端盖上设有多个第一边缘通孔，多个所述第一边缘通孔呈环状布置于所述第一中心通孔的外围，各所述第一边缘通孔均与所述填充腔室相连通；在所述第二端盖上设有多个第二边缘通孔，多个所述第二边缘通孔呈环状布置于所述第二中心通孔的外围，各所述第二边缘通孔均与所述填充腔室相连通。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，还包括第三管道和第四管道，所述第三管道分别与各所述第一边缘通孔相连通，所述第四管道分别与各所述第二边缘通孔相连通。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，所述第三管道上设有第三阀门，所述第四管道上设有第四阀门。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，所述壳体包括壳体内壁和壳体外壁，所述壳体内壁和所述壳体外壁之间设有绝热层；所述绝热层为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水泥层或真空层。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，所述储能介质为固体材料颗粒，或所述储能介质为相变材料封装胶囊颗粒，或所述储能介质为固体材料颗粒和相变材料封装胶囊颗粒的混合颗粒。

根据本发明提供的一种轴向分布式进气蓄热/冷器，所述流体通孔在所述流体管道上的布置方法如下：

获取所述轴向分布式进气蓄热/冷器以及换热流体的基本参数；

基于所述轴向分布式进气蓄热/冷器的基本参数，建立所述轴向分布式进气蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型，其中所述流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布方程为d＝A

通过计算修正雷诺数确定所述轴向分布式进气蓄热/冷器内部的换热流体的流动状态；

采用层流模型或湍流模型，在所述初始物理模型的基础上，改变所述流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布方程中的系数A

对不同物理模型下对应的填充床径向流速分布状态进行比对分析，以流速均匀度作为确定所述流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布的指标,并获取流速均匀度最高的物理模型下对应的所述流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布状态。

本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明提供的轴向分布式进气蓄热/冷器，通过在壳体的内部设置沿壳体轴向延伸的流体管道，使流体管道与壳体之间形成填充腔室，在填充腔室内填充储能介质，通过在流体管道上设置多组流体通孔，使每组流体通孔均环设于流体管道的外周面上，使多组流体通孔沿流体管道的轴向依次间隔布置，流体管道通过流体通孔与填充腔室相连通；当换热流体沿轴向进入流体管道后，能够改变换热流体的流向，使换热流体通过流体管道上的各流体通孔沿径向进入填充腔室中，从而与储能介质直接接触进行换热。由此，本发明提供的轴向分布式进气蓄热/冷器，与现有技术中的换热流体直接沿轴向进入填充床的方式相比，能够避免因入口影响和壁面效应造成的填充床内部流场分布不均以及温度场分布不均的问题，能够使换热流体在填充腔室中分布更为均匀，与填充腔室内的储能介质换热更为充分，进而有效提高了蓄热/冷器的储能特性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的轴向分布式进气蓄热/冷器的结构示意图；

图2是本发明中壳体的结构示意图；

图3是本发明中第一端盖的一种结构示意图；

图4是本发明中第一端盖的另一种结构示意图。

附图标记：

1：流体管道； 2：储能介质； 3：流体通孔；

4：筒体； 5：第一端盖； 6：第二端盖；

7：第一管道； 8：第二管道； 9：第一阀门；

10：第二阀门； 11：第三管道； 12：第四管道；

13：第三阀门； 14：第四阀门； 501：第一中心通孔；

502：第一边缘通孔； 601：第二中心通孔； 602：第二边缘通孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图4描述本发明的轴向分布式进气蓄热/冷器的具体实施例。

本发明实施例的轴向分布式进气蓄热/冷器，包括壳体，壳体的内部设有沿壳体的轴向延伸的流体管道1，流体管道1与壳体之间形成填充腔室，填充腔室内填充有储能介质2。流体管道1上设有多组流体通孔3，多组流体通孔3沿流体管道1的轴向依次间隔布置，且每组流体通孔3均环设于流体管道1的外周面上，也即，每组流体通孔3均处于流体管道1的同一横截面上。流体管道1通过流体通孔3与填充腔室相连通。

也即，当气态的换热流体沿轴向进入流体管道1后，能够通过流体管道1上的流体通孔3改变换热流体的流向，使换热流体通过流体管道1上的各流体通孔3沿径向进入填充腔室中，从而与储能介质2直接接触进行换热。

由此，本发明提供的轴向分布式进气蓄热/冷器，与现有技术中的换热流体直接沿轴向进入填充床的方式相比，能够避免因入口影响和壁面效应造成的填充床内部流场分布不均以及温度场分布不均的问题，能够使换热流体在填充腔室中分布更为均匀，与填充腔室内的储能介质2换热更为充分，进而有效提高了蓄热/冷器的储能特性。

具体来说，根据实际使用需求，可以在壳体的内部设置一个或多个流体管道1。

当设置一个流体管道1时，该流体管道1的轴线应当与壳体的轴向相互重合，也即，流体管道1位于壳体的中轴线上，以确保换热流体经过流体管道1进入填充腔室后，能够使换热流体在填充腔室中分布更为均匀，进而确保与储能介质2换热更为充分。

当设置多个流体管道1时，多个流体管道1均匀布置于壳体内，以确保换热流体经过流体管道1进入填充腔室后，能够使换热流体在填充腔室中分布更为均匀，进而确保与储能介质2换热更为充分。

具体来说，相邻两组的流体通孔3之间交错布置，以使换热流体经过流体管道1进入填充腔室后，能够更加均匀的使分布在填充腔室中，进而与储能介质2换热更加充分。

在本发明的一些实施例中，壳体包括筒体4、第一端盖5和第二端盖6，其中第一端盖5和第二端盖6对应设置于筒体4的两端，在第一端盖5上设有与流体管道1的一端连通的第一中心通孔501，在第二端盖6上设有与流体管道1的另一端连通的第二中心通孔601。通过设置与流体管道1连通的第一中心通孔501和第二中心通孔601，能够使换热流体沿轴向进入流体管道1内，进而通过设置在流体管道1上的流体通孔3使换热流体沿径向进入填充腔室。

具体来说，该轴向分布式进气蓄热/冷器还包括第一管道7和第二管道8，第一管道7与第一中心通孔501相连通，第二管道8与第二中心通孔601相连通。其中，第一管道7上设有第一阀门9，第二管道8上设有第二阀门10，通过第一阀门9和第二阀门10便于对轴向分布式进气蓄热/冷器的工作状态进行灵活控制。

具体来说，在第一端盖5上还设有多个第一边缘通孔502，多个第一边缘通孔502呈环状布置于第一中心通孔501的外围，各第一边缘通孔502均与填充腔室相连通。在第二端盖6上设有多个第二边缘通孔602，多个第二边缘通孔602呈环状布置于第二中心通孔601的外围，各第二边缘通孔602均与填充腔室相连通。通过设置与填充腔室连通的第一边缘通孔502和第二边缘通孔602，能够使换热流体与填充腔室中的储能介质2充分换热后流出填充腔室。

具体来说，各第一边缘通孔502可以为圆形孔，多个圆形孔呈环状均匀布置于第一中心通孔501的外围，如图3所示。相应地，各第二边缘通孔602也可以设置为圆形孔。

具体来说，各第一边缘通孔502还可以为圆弧形孔，各圆弧形孔均朝向第一中心通孔501凹陷设置，且多个圆弧形孔呈环状均匀布置于第一中心通孔501的外围，如图4所示。各第一边缘通孔502的这种结构形式，有利于换热流体更加均匀的流出填充腔室，减少流动阻力。相应地，各第二边缘通孔602也可以设置为圆弧形孔。

具体来说，该轴向分布式进气蓄热/冷器还包括第三管道11和第四管道12，第三管道11分别与各第一边缘通孔502相连通，第四管道12分别与各第二边缘通孔602相连通。其中，第三管道11上设有第三阀门13，第四管道12上设有第四阀门14，通过第三阀门13和第四阀门14，便于对轴向分布式进气蓄热/冷器的工作状态进行灵活控制。

本发明实施例的轴向分布式进气蓄热/冷器，当作为蓄冷器使用时，可以进行储冷和释冷工作；当作为蓄热器使用时，可以进行储热和释热工作。

下面以储冷和释冷过程为例进行具体说明。

在储冷过程中，打开第一阀门9和第四阀门14，同时关闭第二阀门10和第三阀门13，低温换热流体由第一管道7输入，并经过第一端盖5上的第一中心通孔501沿轴向进入流体管道1内，而后通过各流体通孔3改变换热流体的流向，使换热流体沿径向进入填充腔室内，实现与储能介质2直接接触并进行热量交换。复温后的换热流体，沿靠近壳体1的内壁面处向上流向第二端盖6，经第二端盖6上的各第二边缘通孔602流出填充腔室，然后再经过第四管道12输出。在此过程中，储能介质2将冷量传递给换热流体，完成释冷过程。

在释冷过程中，打开第二阀门10和第三阀门13，同时关闭第一阀门9和第四阀门14，常温换热流体由第二管道8输入，并经过第二端盖6上的第二中心通孔601沿轴向进入流体管道1内，而后通过各流体通孔3改变换热流体的流向，使换热流体沿径向进入填充腔室内，实现与储能介质2直接接触并进行热量交换。降温后的换热流体，沿靠近壳体1的内壁面处向下流向第一端盖5，经第一端盖5上的各第一边缘通孔502流出填充腔室，然后再经过第三管道11输出。在此过程中，储能介质2将存储的冷量释放给常温换热流体，完成释冷过程。

储热、释热过程与储冷、释冷的区别在于，换热流体流向相反，即在储热过程中，高温换热流体由第二中心通孔601进入流体管道1，并经过各流体通孔3进入填充腔室，然后再由各第一边缘通孔502流出填充腔室；在释热过程中，常温换热流体由第一中心通孔501进入流体管道1，并经过各流体通孔3进入填充腔室，然后再由各第二边缘通孔602流出填充腔室。

在本发明的一些实施例中，壳体包括壳体内壁和壳体外壁，壳体内壁和壳体外壁之间设有绝热层。其中，根据实际使用需求，绝热层可以为气凝胶毡层、玻璃棉层、岩棉层、膨胀珍珠岩层、发泡水泥层或真空层，从而有效减小能量损失。

在本发明的一些实施例中，填充腔室内填充的储能介质2为固体材料颗粒；或，填充腔室内填充的储能介质2为相变材料封装胶囊颗粒；或，填充腔室内填充的储能介质2为固体材料颗粒和相变材料封装胶囊颗粒的混合颗粒。

进一步来说，流体管道1上设置的各流体通孔3均为圆孔，各流体通孔3的直径大小的设置方法，可以通过理论计算或实验测试获得。

也即，流体通孔3在流体管道1上的布置方法如下：

获取轴向分布式进气蓄热/冷器以及换热流体的基本参数，其中轴向分布式进气蓄热/冷器的基本参数包括填充床的直径、填充床的高度、储能介质2的孔隙率和储能介质2的颗粒直径，换热流体的基本参数包括换热流体的密度、换热流体的比热容、换热流体的导热率、换热流体的进口流量以及换热流体的进口温度。填充腔室内填充储能介质2形成填充床。

基于轴向分布式进气蓄热/冷器的基本参数，建立轴向分布式进气蓄热/冷器的二维轴对称的初始物理模型，其中流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布方程为d＝A

通过计算修正雷诺数Re

采用层流模型或湍流模型，在初始物理模型的基础上，改变流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布方程中的系数A

对不同物理模型下对应的填充床径向流速分布状态进行比对分析，以流速均匀度作为确定流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布的指标,其中以流速均匀度最高的物理模型下对应的流体管道上的流体通孔直径d沿填充床轴向分布为最优分布。其中，流速均匀度通过同平面径向温度的标准差进行表征。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。