一种螺旋盘管式相变储热装置

技术领域

本发明属于相变储热技术领域，具体涉及一种螺旋盘管式相变储热装置。

背景技术

储热技术可有效解决用能端与供能端在时间和数量上不匹配的问题，其中相变储热技术具有储热密度高、供热温度稳定等优势，被认为是现阶段最有前景的能量储存技术之一。储热装置是相变储热系统的核心部分，螺旋盘管是一种结构紧凑的换热管，相对于直管而言，螺旋盘管内流体的传热系数更高。目前，现有的螺旋盘管式相变储热装置采用单层螺旋盘管结构或多层螺旋盘管首尾串联的形式，其中单层螺旋盘管结构简单，但其仅适用于装置热容量较小的环境，这是由于在较大热容量下，为了满足换热需求，采用单层螺旋盘管结构时圈数较多，装置流阻过大，此外，单层盘管结构易带来装置内部储热材料温度分布不均匀问题，融化-凝固死区较多。采用多层盘管串联的结构形式可以有效提高装置内部储热材料温度分布均匀性，但仍无法有效解决在大热容量下装置流阻过大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋盘管式相变储热装置，以解决现有多层盘管串联流阻过大的问题。

本发明采用以下技术方案：一种螺旋盘管式相变储热装置，包括：

一防护外壳，其具有内部空腔；

一保温层，布设于防护外壳内，其包括与防护外壳间隔设置的内胆、以及设置在防护外壳与内胆之间的保温材料；

一螺旋盘管式换热管，设置于防护外壳的空腔内部；

其结构具体为：

一上部集箱，为环形或球形集箱，位于防护外壳的空腔的顶部；

一下部集箱，为环形或球形集箱，间隔设置在上部集箱的正下方，且设

置防护外壳空腔的底部；

至少两根换热盘管，均匀、呈环形分布在下部集箱和上部集箱之间，每根换热盘管的一端连接至上部集箱，每根换热盘管的另一端连接至下部集

箱，每根换热盘管的节距相等、长度相等；

多列电加热元件，每列位于两两换热盘管之间，每列包括由上至下分多层均匀布设的电加热元件，每个电加热元件均为水平设置；

相变材料，填充在防护外壳内部、螺旋盘管式换热管的外部。

进一步的，上部集箱连接竖直设置的换热流体出口管，下部集箱连接竖直设置的换热流体进口管。

进一步的，防护外壳内部中心以上位置处布置有一温度测量元件，温度测量元件为带有测温盲管的热电偶。

进一步的，防护外壳具有顶部开口，顶部设置可拆卸盖板8。

进一步的，各个电加热元件通过法兰管座固定在防护外壳的侧壁上。

进一步的，电加热元件的外部设有保温层。

进一步的，换热盘管的直径为10～30mm，管壁厚度为1.5～3.5mm。

进一步的，换热盘管为螺旋上升式或水平围绕式。

进一步的，换热盘管的弯曲半径至少为3～5倍的换热盘管的管直径。

本发明的有益效果是：采用等节距等长度的多组螺旋盘管并联的结构形式，各组换热盘管流阻相等，从而降低换热流体进入各组换热盘管的流量偏差，改善装置内部储热材料在充放热阶段的温度分布均匀性，消除融化-凝固死区，提高装置储放热效率。在大热容量时，采用换热管并联结构，在满足换热面积的条件下，可降低储热装置流阻，减小系统能耗。

附图说明

图1为本发明一种螺旋盘管式相变储热装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明一种螺旋盘管式相变储热装置的螺旋盘管式换热管的结构示意图。

图中，1.换热流体进口管，2.下部集箱，3.换热盘管，4.上部集箱，5.换热流体出口管，6.保温层，7.电加热元件，8.盖板，9.相变储热材料,10.防护外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种螺旋盘管式相变储热装置，如图1-2所示，包括防护外壳10、保温层6、螺旋盘管式换热管、多列电加热元件7和相变材料9。

其中，防护外壳10，其具有内部空腔。保温层6布设于所述防护外壳10内，保温层6包括与所述防护外壳10间隔设置的内胆、以及设置在所述防护外壳10与内胆之间的保温材料。

其中，螺旋盘管式换热管设置于所述防护外壳10的空腔内部。如图3所示，螺旋盘管式换热管包括上部集箱4、下部集箱2、至少两根换热盘管3。其结构具体包括：上部集箱4为环形或球形集箱，且位于所述防护外壳10的空腔的顶部。下部集箱2为环形或球形集箱，并间隔设置在所述上部集箱4的正下方，且悬空设置在所述防护外壳10空腔的底部。至少两根换热盘管3均匀、呈环形分布在下部集箱2和上部集箱4之间，每根换热盘管3的流体进口管分别并联焊接于下部集箱2，每根换热盘管3的流体出口管分别并联焊接于上部集箱4。

每根换热盘管3的节距相等、长度相等。多根等节距等长度的换热盘管3在筒体内均匀分布排列，换热盘管的数量为大于1的自然数。每根换热盘管的直径为10～30mm，换热盘管的管壁厚度为1.5～3.5mm。小管径换热管的耐压强度增加，相对于大管径可减小壁厚，减少换热管耗材量；且采用小管径可以提高换热系数，增强换热效果。但换热管直径过小又会导致流动阻力增加，综合换热效果和流阻情况，换热盘管的直径为10～30mm；在同时考虑导热热阻和换热管耐腐蚀情况下，管壁厚度为1.5～3.5mm。

每根换热盘管3的垂直方向和水平方向分别通过在防护外壳内壁上进行的多点固定，固定方式可以为焊接，或采用U形螺栓套装在换热盘管上，再将U形螺栓通过角钢焊接在防护外壳内壁上。

在一些实施例中，换热盘管3为螺旋上升式或水平围绕式。换热盘管3的弯曲半径至少为3～5倍的换热盘管的管直径。

在各每根换热盘管3的间隙填充相变储热材料9，防护外壳所形成腔体的顶部预留10％的相变储热材料9的体积膨胀空间。

其中，多列电加热元件7中每列电加热元件7位于两两换热盘管3之间，每列电加热元件7包括由上至下分多层均匀布设的电加热元件7，每个电加热元件7均为水平设置。每相邻两组换热盘管3中间设置一列电加热元件7。在一些实施例中，每个电加热元件7的一端通过防护外壳侧壁上的法兰管座支撑固定，电加热元件7另一端通过防护外壳内的支撑管支撑限位。其中，支撑管采用竖直布置或水平布置的不锈钢管，相邻两根不锈钢管连接处采用卡箍固定，不锈钢管的端部与防护外壳的底部或侧壁焊接。

电加热元件7配套有控制装置，可实现加热功率可调，根据谷电时长和用户需求，灵活调整加热功率。电加热元件7的法兰管座外侧包裹保温层，保温层厚度根据相变储热材料的使用温度和装置热损失要求选择。

采用多组小功率电加热元件相对于单根大功率加热元件而言增加了传热表面积，易于分布布置，提高传热的均匀性，改善PCM受热融化出现死区问题。单根小功率电加热元件重量轻，易于布置安装。采用多组小功率加热元件相对于单根大功率加热元件而言更加便于灵活调控加热功率。

其中，相变材料9填充在所述防护外壳10内部、所述螺旋盘管式换热管的外部。根据用热环境温度需求，选取具有适宜相变温度的相变储热材料。例如，当该储热装置用作谷电供暖时，所选相变储热材料的相变温度应在45℃-85℃，可选用结晶水合盐或石蜡。

在一些实施例中，上部集箱4连接竖直设置的换热流体出口管5，所述下部集箱2连接竖直设置的换热流体进口管1。该设置主要是保证换热流体下进上出，流体可以充满换热管道空间，管道中的空气等易随换热流体流向从上部出口排出，保证换热效果。

在一些实施例中，防护外壳10内部中心以上位置处布置有温度测量元件，监控相变储热材料的温度变化情况，防止超温。所述温度测量元件为带有测温盲管的热电偶。温度测量元件为带有测温盲管的热电偶，盲管用于隔离热电偶与相变储热材料的直接接触，防止相变储热材料腐蚀。测温元件应布置在远离换热管束处热阻最大的位置，即位于装置中心偏上的位置，由于该位置的温度是一种螺旋盘管式相变储热装置中相变材料温度变化的最慢的位置，所以，在储热或放热过程中，该处的温度达到预设值，那么整个一种螺旋盘管式相变储热装置的温度即达到预设值。

在一些实施例中，防护外壳10具有顶部开口，顶部设置可拆卸盖板8。防护外壳的内侧壁及底部均设置保温层6，顶部设置可拆卸的盖板8，以降低整体的热损失。

前述的内胆、防护外壳、换热盘管、上下部集箱及换热流体进出口管的管道材料均为不锈钢，换热盘管两个端口分别与上部集箱、下部集箱之间采用焊接密封，换热流体进口管与内胆之间采用焊接密封，换热流体出口管与内胆之间均采用焊接密封，最终固定形成一体式结构。

本发明一种螺旋盘管式相变储热装置的使用方法为：

1、储热过程：根据用热需求开启电加热元件7，因为加热元件7的加热使得其周围的相变储热材料9逐渐升温，并从固态变为液态，加热元件7的电能转化的热能，将以少部分显热和大量潜热的形式储存在相变储热材料9中，该过程为一种螺旋盘管式相变储热装置的储热阶段。在此阶段中，一种螺旋盘管式相变储热装置内部设置的温度测量元件实时监控内部温度变化，当温度升至预定值时，关闭所有电加热元件7，储热过程完成。

2、放热过程：当用户需要取热时，经输送泵升压后的低温传热流体从换热流体进口管1流入下部集箱2，在下部集箱2内进行流体的混合分配，从而将换热流体均匀分配至各组并联的换热盘管3中。储热结束后的高温相变储热材料9将热量经换热盘管3的管壁传热至低温换热流体，经各组螺旋盘管3升温后的换热流体在上部集箱4中汇集，并从换热流体出口管5流出至用户端，该过程为一种螺旋盘管式相变储热装置的放热过程。当一种螺旋盘管式相变储热装置内部设置的温度测量元件显示内部温度已经降至预定值时，关闭换热流体进口管1的流体输送设备，放热过程完成。

本发明的一种螺旋盘管式相变储热装置中，采用等节距等长度的多组螺旋换热盘管并联的结构形式，因为各组并联换热盘管的结构参数完全相同，各组换热盘管3的流阻相等，从而消除了因为各组换热盘管阻力降不同而带来的流量偏差问题，改善一种螺旋盘管式相变储热装置内部储热材料在充放热阶段的温度分布均匀性，消除融化-凝固死区，提高装置储放热效率。

在大热容量时，采用换热盘管并联结构，在满足换热面积的条件下，可降低储热装置流阻，减小系统能耗。将电加热元件内置于一种螺旋盘管式相变储热装置中，主动蓄热被动放热，减少加热元件热损失，提高储热速率，装置集成度高，结构简单，易于加工。该一种螺旋盘管式相变储热装置各组件均采用不锈钢材料，具有较高的耐温耐压与耐腐蚀性能，可以根据实际用热温度来选择理想的相变储热材料，工作温度范围广。