[发明专利]一种可自动克服温度不均匀性的相变材料强化换热方法

说明书

技术领域

本发明涉及相变蓄冷/蓄热领域，尤其涉及一种可自动克服温度不均匀性的相变材料强化换热方法。

技术背景

供冷/供热时，用户侧常常可以通过增加蓄冷/蓄热装置，起到调节负荷波动的作用。当采用电力作为驱动能源时，增加蓄冷/蓄热装置还可以充分利用峰谷电价，起到节省运行费用的效果。显热蓄冷/蓄热，蓄冷材料的占地面积很大，实际运用时存在诸多不便。相变蓄冷/蓄热可以充分利用材料的相变潜热(一般是固-液相变)，提高单位体积或质量的蓄能密度，从而达到充分利用有限空间或质量储能的目的。为了便于应用，绝大多数情况下，相变材料都被封装在某种形状的小型容器内(如球形、板状、圆柱形等)。这些灌装了相变材料的小型容器以某种方式堆积在蓄冷槽/蓄热槽内，通过二次流体与冷源/热源进行换热，从而实现蓄冷/蓄热。

然而，在相变蓄冷(液-固相变)或蓄热(固-液相变)过程中，容器内的相变材料与外部的二次流体之间的换热仅能通过容器壁的导热来实现。在容器内部，自然对流只发生在液相中，固相与液相之间的传热主要依靠导热进行，因此很容易出现封装容器内温度不均匀的情况，从而导致相变过程缓慢，进而间接造成蓄冷/蓄热能耗的增加，效率下降。

现有容器内导热强化技术，有的是通过在相变材料中添加金属粉末，增加表观导热系数。但这种方式效果不理想，主要原因是随着相变次数的增加，添加的金属粉末很容易沉淀，即便是将相变材料做成凝胶状也无法克服这一问题。也有通过设置金属棒、条、翅片等方式，来增加导热性。但金属棒、条的直径有限，导热强化的效果不明显；金属翅片给容器封装带来了很大麻烦，效果也不理想。除此之外，只能通过减小封装容器的尺寸，或采用金属容器进行封装，以减少相变时间，但这样做会导致灌装成本的急剧增加，经济性很差。

发明内容

本发明针对球形容器内封装蓄冷/蓄热相变材料在相变过程中出现的温度不均匀性问题，提供一种可自动克服温度不均匀性的相变材料强化换热方法。

为实现相变过程中温度的均匀性，本发明提供一种热管解决方案。即在封装容器内放置一个小型热管，利用热管的高导热性，克服容器内温度分布的不均匀现象。

热管外形结构为圆锥状或橄榄状。这种结构使得热管可以在重力和浮力的作用下保持自然垂直状态，无需额外的固定装置，对封装容器在蓄冷槽/蓄热槽中的堆放方式也无特殊要求。本发明中的热管，有利于克服容器内相变材料在高度方向上冷端和热端的温度不均匀现象。热管工质可根据相变材料的相变温度区间进行筛选，工质的沸腾温度与相变材料的相变温度区间相吻合。热管工质的充注量以不超过50％为宜，密封后的负压状态有利于热管在液相的相变材料中保持悬浮状态。热端与冷端的比例一般可由换热表面积确定。

由于热管很高的导热能力，使得高度方向上的温度更加均匀，可以加快相变过程，因此，可以增大封装容器的尺寸，从而在相同蓄冷/蓄热量的情况下减少封装容器的数量，节省封装成本。

附图说明

图1是本发明中热管导热强化传热的原理图；

图2是本发明的第二种实施方式的示意图。

附图标记说明：1、球形封装容器；2、容器灌装口；3、热管；4、相变材料。

具体实施方式

首先将预制的热管插入球形容器内，热管工质的充注量以不超过50％为宜，在10-40℃范围内的相变材料，对应的可以选择的热管工质有乙醇、丙酮、氟利昂、甲醇、水等。然后灌装相变材料至指定容量(根据体积膨胀率不同而不同，保证球形容器有一定的体积变化裕量)，再根据相变材料及封装要求确定是否需要抽真空，最后对容器进行密封，完成整个封装过程。

蓄冷与蓄热的差别在于利用的相变温度不同，蓄冷时选择相变材料的相变温度较低，蓄热时选择相变材料的相变温度较高。以下仅对固-液相变过程进行说明，不再强调蓄冷或蓄热用途。

下面以两个实施例讲述具体的实施过程。

实施例一

如图1所示，采用圆锥状热管。当相变材料被降温冷却时，发生液-固相变，贴近容器内壁面的液体首先凝固。热管上部为冷端，下部为热端。在热管的作用下，冷端和热端的温度趋于一致，使得容器内热管所对应的区域的相变材料几乎同时发生相变，热管也会被凝固在相变材料中。

同时，由于容器中心的热量被快速的导出，在一定程度上增强了液体的自然对流，使得强化换热的影响区域更大，效果更好。

如图2所示的热管设计，增大了热管影响区域，作用机理相同，但效果更好。

实施例二