一种基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器

技术领域

本发明属于海洋温差能俘获转换技术领域，具体涉及一种基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器。

背景技术

海洋温差能指存在于海洋表层温水与深层冷水温度差之间的热能，其具有储量大、昼夜波动小，不受潮汐和海浪影响，只稍随季节性波动等优点。近年来，随着固-液相变材料技术的发展，基于固-液相变介质的海洋温差能换热器问世。相比传统采用气-液相变介质的海洋温差能换热器，固-液相变式温差能换热器具有结构紧凑、小型化的优势，适于在中小型水下移动平台中搭载并向平台提供环境能源补充，具有极高的使用价值。

然而，海洋温差能是一种低品位能，能量密度低、海水温度梯度小。当前，基于固-液相变介质的海洋温差能换热器在弱海水温差条件下的换热速率较低，换热过程出现迟滞现象，导致换热过程与平台运动过程难以同步完成，干扰了水下移动平台预设任务的执行。

此外，基于固-液相变介质的海洋温差能换热器采用了单根金属管成型方案，随着换热器长径比的增大，单根金属管成型方案的制造难度、工艺、成本显著增加。当前，换热器装填的相变介质容量固定，无法根据水下移动平台的用能需求灵活调整。

综上，本发明提出一种介质装填容量可扩展、采用内翅片实现增强换热的固-液相变式海洋温差能换热器。本发明对提高固-液相变式海洋温差能换热器的热交换速率，增强使用灵活性具有重要作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器。本发明采用可扩展结构实现固-液相变介质装填容量的按需调整，并降低了换热器金属管的制造成本与难度。本发明采用一体式内翅片组件增强了换热器的热交换能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器，由头部封盖、锁紧螺母、管堵帽、一体式内翅片组件、扩展肋环、承压管、软管、尾部封盖、油路接口、锁紧螺母、密封圈、螺纹孔、密封帽组成；所述头部封盖、尾部封盖、扩展肋环、承压管构成换热器的封闭腔体，头部封盖、尾部封盖分别位于换热器的两端，换热器中部由扩展肋环、承压管交替连接组成；封闭腔体具备双向承压能力，既能承受外部深海水压作用，也能承受腔体内部的液体压力作用；所述密封帽安装于头部封盖中心轴线处的螺纹孔中，用于密封封闭腔体的开孔；所述封闭腔体内设置有软管，所述软管两端分别通过管堵帽和尾部封盖胶连密封用于填充液压油；固-液相变介质灌装在承压管内壁与软管外壁之间；所述管堵帽、尾部封盖周向设置有用于填充密封圈的沟槽；所述锁紧螺母与管堵帽的螺柱旋合，以实现软管在换热器轴线方向的固定；所述一体式内翅片组件镶嵌在承压管内管中。

进一步的，所述密封圈为丁氰橡胶O型圈，分别安装于头部封盖、尾部封盖、扩展肋环的环形光滑沟槽内，以轴向静密封形式密封封闭腔体，防止固-液相变介质泄漏。

进一步的，所述头部封盖、尾部封盖、扩展肋环、承压管由TC4钛合金材料制成；所述头部封盖采用椭圆外形，以减小迎流水阻力的效果；所述尾部封盖设置有油路接口并与水下移动平台的液压蓄能器连通，换热器通过油路接口输出液压油实现海洋温差能俘获转换利用；所述承压管两端外径73mm，长度730mm，具有10:1长径比；中段外径65.4mm，内径60mm尺寸条件下，具备承受1000m深水(10MPa)外部压力、30MPa内部液体压力的能力；承压管内侧为阶梯孔结构，两端依次设置有M68×2的粗牙内螺纹、内径64mm的光滑密封面；所述扩展肋环为对称式构型零件，中段设置有M68×2粗牙外螺纹，扩展肋环外螺纹与承压管端口内螺纹旋合连接。

进一步的，所述承压管在回转轴线方向设置有若干根并由扩展肋环连接实现换热器的长度结构扩展；根据水下移动平台的用能需求，决定连接的承压管数量以及装填的固-液相变介质容量。

进一步的，所述软管由丁氰橡胶材料制成，内径30mm，壁厚1.2mm；所述固-液相变介质为正十六烷和/或正十五烷组成，所述液压油采用HM46牌号液压油。

进一步的，所述一体式内翅片组件由铝合金增材制造方式一次成型制得，外包络直径60mm，长度666mm；其外包络与承压管内管壁相接触；一体式内翅片组件上垂直于回转轴线方向上等间距的设有导热肋，导热肋以中心点环绕排布，导热肋宽度1.5mm，高度8mm；换热器外界浸泡海水温度与换热器内固-液相变介质存在温度差时，在海水与固-液相变介质间形成温压，经承压管、一体式内翅片组件进行热交换。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明采用了扩展肋环沿轴线连接多根承压管方式，实现换热器固-液相变介质装填容量的可扩展，可根据水下移动平台的用能需求灵活调整换热器容量。

2.本发明的承压管采用定值长径比10:1，缩短了承压管的总体长度，降低了承压管加工的工艺难度与成本。

3.本发明采用了一体式内翅片组件，海水与固-液相变介质间经承压管、一体式内翅片组件进行热交换。一体式内翅片组件缩短了内层固-液相变介质与边界温度场的距离，降低了内层固-液相变介质的传热热阻，可强化内层固-液相变介质的热交换速率。

4.本发明一体式内翅片组件采用增材制造方式成型，相比去除式工艺，降低了加工工艺难度与成本。

5本发明软管实现了固-液相变介质与液压油的物理隔离，可防止因两种介质混合所导致的换热器失效，软管使用寿命长，可在固-液相变介质与液压油中长期浸泡使用，提升了换热器的工作可靠性。

6.本发明换热器结构紧凑、集成度高、轻量化，适于在百公斤级中小型海洋无人航行器中集成使用。

7.头部封盖、尾部封盖、扩展肋环、承压管均由TC4钛合金材料制成，具备极强的抗海水腐蚀性与优越的综合力学性能。

8.软管由丁氰橡胶材料制成，可长期浸泡在固-液相变介质、液压油中使用，换热器由软管实现固-液相变介质、液压油的物理隔离。

附图说明

图1为换热器结构示意图；

图2为一体式内翅片组件结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提出了一种基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器，主要包括：头部封盖1、尾部封盖2、扩展肋环3、承压管4、软管5、管堵帽6、带螺纹的密封帽7、锁紧螺母8、密封圈9、一体式内翅片组件10。头部封盖1、尾部封盖2、扩展肋环3、承压管4构成换热器的封闭腔体，头部封盖1、尾部封盖2位于换热器两端，换热器中部由扩展肋环3、承压管4交替连接组成。封闭腔体具备双向承压能力，既可承受外部深海水压作用，也可承受腔体内部的液体压力作用。密封帽7安装于头部封盖1中心轴线处的UNF7/16-20螺纹孔1a中，用于密封封闭腔体的开孔。软管5两端分别与管堵帽6、尾部封盖2固化胶连密封用于填充液压油。管堵帽6、尾部封盖2周向设计有两圈拉毛沟槽用于填充密封橡胶。锁紧螺母8与管堵帽6的螺柱旋合，以实现软管5在换热器轴线方向的固定。密封圈9为丁氰橡胶O型圈，分别安装于头部封盖1、尾部封盖2、扩展肋环3的环形光滑沟槽内，以轴向静密封形式密封封闭腔体，防止固-液相变介质泄漏。

头部封盖1、尾部封盖2、扩展肋环3、承压管4由TC4钛合金材料制成，具备极强的抗海水腐蚀性与优越的综合力学性能。头部封盖1采用椭圆外形，可起到减小迎流水阻力的效果。尾部封盖2设计有油路接口2a并与水下移动平台的液压蓄能器连通，换热器通过油路接口2a输出高压力液压油实现海洋温差能俘获转换利用。承压管4两端外径73mm，长度730mm，具有10:1长径比。承压管4中段外径65.4mm，内径60mm尺寸条件下，具备承受1000m深水(10MPa)外部压力、30MPa内部液体压力的能力。承压管4的管内侧为阶梯孔结构，两端依次设计有M68×2的粗牙内螺纹、内径64mm的光滑密封面。扩展肋环3为对称式构型零件，中段设计有M68×2粗牙外螺纹，扩展肋环3外螺纹与承压管4端口内螺纹旋合连接。多根承压管4在回转轴线方向由扩展肋环3连接可实现换热器的长度结构扩展。根据水下移动平台的用能需求，决定连接的承压管4数量以及装填的固-液相变介质容量。

软管5由丁氰橡胶材料制成，内径30mm，壁厚1.2mm，可长期浸泡在固-液相变介质、液压油中使用。换热器由软管5实现固-液相变介质、液压油的物理隔离。固-液相变介质可为正十六烷、正十五烷或此两种材料的比列混合物。液压油采用HM46牌号液压油。固-液相变介质灌装在承压管4内侧与软管5外侧之间，液压油灌装在软管5内。

如图2所示，一体式内翅片组件由铝合金增材制造方式一次成型制造，外包络直径60mm，长度666mm，镶嵌在承压管内管中，其外包络与承压管内管壁相接触。同时，在垂直于回转轴线方向上形成沿径向由外及内的导热肋，导热肋宽度1.5mm，高度8mm，12条导热肋以中心点环绕排布。换热器外界浸泡海水温度与换热器内固-液相变介质存在温度差时，在海水与固-液相变介质间形成温压，经承压管4、一体式内翅片组件10进行热交换。换热器加装一体式内翅片组件10，缩短了内层固-液相变介质与边界温度场的距离，降低了内层固-液相变介质的传热热阻，可强化内层固-液相变介质的热交换速率。

基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器的具体工作过程如下：

固-液相变介质在与海水的热交换过程中，当海水温度高于固-液相变介质温度时，固-液相变介质则由固态变为液态，固-液相变介质密度减小，体积产生膨胀，同时压缩软管5，软管5中灌装的液压油经油路接口2a输送进水下移动平台。当海水温度低于固-液相变介质温度时，固-液相变介质则由液态变为固态，固-液相变介质密度增大，体积产生收缩，同时软管5膨胀，液压油经油路接口2a返回至软管5中。

本发明的目的是提出一种基于固-液相变介质的容量可扩展内翅片温差能转换器。本发明采用可扩展结构实现固-液相变介质装填容量的按需调整，并降低了换热器金属管的制造成本与难度。本发明采用一体式内翅片组件增强了换热器的热交换能力。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。