[发明专利]用于储热系统的热交换器

说明书

技术领域

本发明涉及使用一种相变材料的储热系统的热交换器。

背景技术

聚光太阳热技术(Concentrating thermal solar technology)在于使用太阳辐射来对直接或间接地充当热力循环中的热源的流体进行加热。聚光或多或少地导致高温，使得或多或少地取得良好地热力转换效率。

为了使聚光太阳能装置对于发电更具吸引力，就要求高温储热系统将过剩的热能储存起来并且例如当光照减少时可利用这些热能。

目前已研发了太阳能直接蒸汽发电装置(Direct steam generation solar power)，其产生的蒸汽被输送至涡轮机并且借此发电。当产生的蒸汽流量多于标称的涡轮机流量时，过剩量的蒸汽被储存在储热系统中。当产生的蒸汽流量少于标称的涡轮机流量，蒸汽被从储存装置中取出以供给涡轮机。

储热系统看起来尤其在意利用相变材料来储存热量以及将该热量从储存装置中取出。此处考虑的直接储存系统包括：管束和穿过相变材料的管，热传递流体在所述管束中循环，潜热在热输送流体和相变材料之间交换。管配置有翅片，以便增大交换表面区域。

因为能量以潜热的形式储存在相变材料中，相变材料能够在几乎恒定的温度下对大量能量进行交换。这在需要储存热输送流体(例如，水)的潜能时尤其重要，因为在相似的温度下发生相变的两种流体之间的热交换能够显著增加储存周期的效率。

相变材料所具有的缺点在于具有不良的热传导系数，例如在NaNO₃的情况下，平均的热传导系数为大约0.5W/mK，此值为典型的热传导不良材料或甚至绝热材料。

相变材料的低的热传导系数是对交换器的成本和性能产生主要影响的因素，因为热输送流体和相变材料之间大多数热交换的主要通过固相中的传导进行，这意味着相变材料的最大厚度相当小以避免减小交换效率；对于NaNO₃而言的最大厚度为大约10mm到20mm。对于这种数量级的厚度，如果相变材料将在纯态(pure state)下被使用，则交换器必须具有非常大的交换区域。

在具有相变材料的储存系统的情况下，热输送流体处于高压下。因此，出于成本价格的原因，优选地减少交换管的数量，这与大的热交换表面区域的使用正相反。

已有的建议是，可将金属结构散布在相变材料中以改善相变材料的热传导性。但是产生了热循环下金属结构分布稳定性的问题，并且尤其是控制相变材料基体(matrix)和热输送流体管之间的热接触的问题。

翅片被添加到管的外表面上，以便增加管和相变材料之间的热交换区域。使用了两种几何结构的翅片，即，径向延伸的翅片以及沿着管纵向延伸的翅片。

同样已经观察到钢管和铝制翅片的制造在技术上是合适的，因为确保了对在管中循环的热输送流体的高压的抗性并且同时提供了比全部为钢管和钢翅片更低的成本价格。翅片于是被添加到管上，必须取得良好的接触以获得高效的热交换。另一方面，由于使用了具有显著不同热膨胀系数的两种材料，使得这两种材料之间存在不同程度的膨胀。

此外，相变材料在相变期间的体积变化对翅片具有机械作用力。对于NaNO₃，其体积变化为大约11％。

不同的膨胀效果和相变材料的体积变化可对管和翅片之间的热接触的稳定性以及组件的热机械耐用性(thermomechanical durability)造成主要影响。

如上所述，存在纵向翅片，在热交换器中应用相变材料是非常有用的，因为相变材料能够允许在相变之后进行对相变材料的体积变化的更为简单的补偿。

管通常卷曲(crimped)在形成纵向翅片的挤制铝材(extruded aluminium)的内部。这种结构对两种材料之间的不同的热膨胀效果非常敏感。具有纵向翅片的管的寿命也随之缩短。

例如，在管具有径向翅片的情况下，所述翅片可通过橄榄切割(olive-cutting)卷曲到管上，或可径向挤压在管上，这些管在工作温度方面具有限制。

安装有径向翅片的管，所述径向翅片实际上围绕管螺旋缠绕并且嵌入在管的基部中，并且这些翅片被称为G型翅片。这种结构允许使用高的工作温度，例如高至400-450℃，并且减小了分离的风险。另一方面，限制了翅片的外径和管的直径的比值，这导致使用大量的管来取得足够的交换区域，因此成本价格很高。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于储热系统的热交换器，该热交换器提供了高温下的机械强度并且具有比现有储存系统更低的成本价格。