本發(fā)明涉及一種新型熱超導(dǎo)相變儲能散熱裝置，屬于新型能源、節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域，用于多種品位熱能的儲存和再利用。

技術(shù)背景

近年來，可再生能源（太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等）利用、廢熱余熱回收利用等越來越受到世界各國的重視和推廣，但是這些能源技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，迫切需要開發(fā)設(shè)計(jì)高效率、低成本的儲能裝置，用來調(diào)整熱能供應(yīng)與用戶端之間的不一致，熱能的貯存及釋放是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

由于太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等可再生新能源固有的不穩(wěn)定性或不連續(xù)性，其規(guī)?；l(fā)展勢必會對整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來顯著影響，所以必須有儲能技術(shù)作為支撐。儲能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)能源的平穩(wěn)輸出，很大程度上緩解了新能源應(yīng)用過程的波動性和隨機(jī)性的問題。

儲能技術(shù)中，早期利用相變材料(Phase Change Materials, PCM) 進(jìn)行儲熱，PCM在溶化過程中以潛熱的形式吸收和儲存熱能，能夠在熱源的熱量有效散發(fā)到周圍空氣之前將其及時移除和儲存。從這個意義上來說，PCM充當(dāng)了能量緩沖區(qū)的角色。但因其導(dǎo)熱性較差的原因，其發(fā)展受到限制。利用熱超管傳輸能量和填充金屬絲網(wǎng)或高孔隙率金屬泡沫相變儲能材料為儲能介質(zhì)，具有吸收能量容量大、熱傳導(dǎo)性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種發(fā)展?jié)摿^大的儲能技術(shù)?；谏鲜鎏匦裕@種結(jié)合熱超導(dǎo)技術(shù)和高性能儲能材料的能源管理技術(shù)，非常適用于廣泛存在的具有周期性或脈沖性特點(diǎn)的能源利用系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)低級不穩(wěn)定熱源的有效利用，主要問題為熱源的輸入和輸出控制，熱源出現(xiàn)質(zhì)或量的周期性波動或不穩(wěn)定運(yùn)行時產(chǎn)生過多或過少熱量，過多的熱量將導(dǎo)致用戶（熱阱）溫度過高（過低），進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，有效消除波動熱源過?；蛱澣睙崃亢陀脩舳耍嶷澹┬枨蟮淖兓且豁?xiàng)非常重要而有意義的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有熱容大、儲熱速率快、可逆性強(qiáng)、使用壽命長、環(huán)境穩(wěn)定性好的熱超導(dǎo)相變儲能換熱器。

技術(shù)解決方案：

本發(fā)明包括：熱超導(dǎo)管、儲能材料容器，保溫外殼，所述保溫外殼中部設(shè)有中心孔，所述熱超導(dǎo)管包括；吸熱翅片組、相變材料容器和散熱翅片組，散熱翅片組焊接于熱超導(dǎo)管的上端；儲能材料容器置于保溫外殼內(nèi)，并沿中心孔焊接于熱超導(dǎo)管中部，與熱超導(dǎo)管之間形成密閉空間；吸熱翅片組焊接于熱超導(dǎo)管的下端；相變材料容器腔體間設(shè)置金屬絲網(wǎng)或大孔徑泡沫金屬，保溫外殼上下頂蓋分別設(shè)置充裝管，用于充入相變儲能材料和放出更換儲能材料。

所述熱超導(dǎo)管由內(nèi)壁設(shè)有毛細(xì)結(jié)構(gòu)的封閉金屬管，及在真空狀態(tài)下充入一定量的工作流體制成，熱量從高溫端到低溫端的傳遞依靠充入的工作流體的蒸發(fā)和冷凝來實(shí)現(xiàn)，工作流體依靠毛細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力來傳輸。

本發(fā)明主要具有以下特點(diǎn)：

1．本發(fā)明為儲能與換熱單元，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域需要，任意組合儲能換熱單元數(shù)，集成氣-氣、氣-液、液-液加熱或冷卻裝置；

2．相變儲能材料，成本低廉，可靠性好，無毒無污染，環(huán)境友好，使用溫度范圍寬，可以組合不同溫度的相變材料，平衡熱源溫度大幅波動；

3．適合于間歇式或波動熱源，既能調(diào)節(jié)溫度，也能調(diào)節(jié)能量輸出；

4．儲能速度快，效率高，容量大；

5．相變儲能材料和熱超導(dǎo)裝置，溫度適用范圍廣，可在30℃-150 ℃范圍內(nèi)使用，可廣泛應(yīng)用于低溫余熱回收、太陽能采暖、低溫太陽能熱發(fā)電、設(shè)施農(nóng)業(yè)加溫等領(lǐng)域；

6、裝置可以雙向傳熱和儲熱，當(dāng)高溫?zé)嵩醋優(yōu)榈蜏貢r，儲能單元也可以向熱源端輸出熱量，可用于恒溫環(huán)境要求應(yīng)用。

發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)

1、吸熱-儲熱-散熱一體單元：本發(fā)明裝置利用熱超導(dǎo)管的特性，巧妙設(shè)計(jì)能量吸收、相變儲能和散熱三段為一體，形成一個整體的超導(dǎo)換熱儲能裝置。熱超導(dǎo)管貫穿于裝置的吸熱段、儲熱段和散熱段，通過相變儲能材料調(diào)節(jié)使用溫度和熱流量，實(shí)現(xiàn)過程中不穩(wěn)定熱源吸收到均勻穩(wěn)定輸出。

2、能量利用效率高：熱超導(dǎo)管的超低熱阻，使得垂直方向熱傳導(dǎo)效率極高，溫差損失很??；軸向熱超導(dǎo)管結(jié)合徑向金屬絲網(wǎng)強(qiáng)化傳熱，能量儲存和釋放損失非常小，裝置整體能量利用效率很高。

3、縱向熱超導(dǎo)性：開發(fā)的熱超導(dǎo)管有效導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)5000-20000 W/m·K，任何材料無法達(dá)到。

4、超級儲能材料：相變儲能材料，儲能量大，熱超導(dǎo)管與金屬絲網(wǎng)組合，彌補(bǔ)該類材料導(dǎo)熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，整個儲能單元溫度場均勻分布，熱量儲存和釋放速率快。

5、低溫適用性：開發(fā)的熱超導(dǎo)管與相變材料組合，最佳相變材料溫度30℃-250 ℃之間，非常適合于低溫?zé)嵩吹脑倮谩?/p>

6、散熱速率可控：根據(jù)應(yīng)用場合對加熱溫度和速率的要求，儲能過程可以將不穩(wěn)定熱源所產(chǎn)生的熱量有效地吸收和儲存，完全可以控制裝置的散熱速率及輸出溫度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置示意圖；

圖2 為圖1的剖面圖；

圖3 為圖1的一種實(shí)施方式圖；

圖4 為圖3的剖面圖；

圖5 為圖1的第二種實(shí)施方式圖；

圖6 為圖5的剖面圖；

圖7 為圖1的第三種實(shí)施方式圖；

圖8 為圖7的剖面圖。

具體實(shí)施方式：

熱超導(dǎo)相變儲能換熱器包括熱超導(dǎo)管1、散熱翅片組2、金屬外殼容器3、相變儲能材料4、金屬絲網(wǎng)5、吸熱翅片組10以儲能材料容器3外的保溫外殼9。以潛熱較高的固-液相變材料作為儲能材料，具有使用溫度范圍廣、儲熱能力大、使用壽命長、成本低、無毒無害無污染、釋放能量密度大且可控制熱量儲放等特點(diǎn)。

熱超導(dǎo)管1沿中心貫穿于散熱翅片組2、相變材料容器3和吸熱翅片組10。散熱翅片組2焊接于熱超導(dǎo)管1的上端；儲能材料容器3沿中心孔焊接于熱超導(dǎo)管1中部，與熱超導(dǎo)管1之間形成密閉空間；吸熱翅片組10焊接于熱超導(dǎo)管1的下端。相變材料容器3腔體間設(shè)置金屬絲網(wǎng)5（或大孔徑泡沫金屬）強(qiáng)化傳熱元件，儲能材料容器3上的保溫外殼9上、下頂蓋分別設(shè)置充裝管11，用于充入相變儲能材料4和放出更換儲能材料。

熱超導(dǎo)管1是由內(nèi)壁設(shè)有毛細(xì)結(jié)構(gòu)6的封閉金屬管，在真空狀態(tài)下充入一定量的液體工質(zhì)7而制成。熱量從高溫端到低溫端的傳遞依靠充入的液體工質(zhì)7的蒸發(fā)和冷凝來實(shí)現(xiàn)，液相工質(zhì)7依靠毛細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)力來傳輸。裝置具有將熱量從高溫到低溫雙向傳遞的特點(diǎn)。

熱超導(dǎo)相變儲能換熱器吸熱端和散熱端，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以設(shè)計(jì)成光滑管面，也可以焊接翅片組，增加傳熱面積和強(qiáng)化傳熱。

熱超導(dǎo)相變儲能換熱器的工作原理是：當(dāng)不穩(wěn)定熱源流經(jīng)熱超導(dǎo)管1下部的吸熱段時，管外翅片組10吸收熱量傳導(dǎo)給熱超導(dǎo)管1中的液體工質(zhì)7蒸發(fā)成為氣相工質(zhì)8，在氣相通道內(nèi)流向儲能單元熱管段和散熱端，部分能量儲存于相變儲能材料4中，部分在散熱端2用于加熱流經(jīng)氣體或液體。在儲能單元熱管段和散熱端冷凝的液體在熱管內(nèi)毛細(xì)力的作用下，返回加熱段。

當(dāng)熱源的能量大于散熱端輸出能量，多余部分通過熱超導(dǎo)管傳輸給相變儲能材料，儲存起來；當(dāng)熱源的能量小于散熱端輸出能量，不足部分通過熱超導(dǎo)管由相變儲能材料輸出到散熱端，實(shí)現(xiàn)能量平衡調(diào)節(jié)使用。

熱超導(dǎo)管1將熱量傳輸給與之接觸的相變儲能材料4，均勻設(shè)置于儲能材料中的金屬絲網(wǎng)5或大孔隙率金屬泡沫大大增強(qiáng)熱流在材料中的傳導(dǎo)速率，彌補(bǔ)相變儲能材料導(dǎo)熱系數(shù)小的缺點(diǎn)，整個儲能單元內(nèi)溫度場均勻分布，能量儲存大，超導(dǎo)速率，儲存和釋放速率快。儲能單元的儲能量主要由相變材料的相變潛熱決定。

當(dāng)發(fā)明裝置的散熱端設(shè)定控制溫度,而加熱段熱源溫度波動不穩(wěn)定，固體儲能裝置自動平衡溫度和能量輸出與輸入。當(dāng)加熱段溫度過高時，熱量將快速存儲于相變儲能材料中，為散熱端提供過熱保護(hù)作用；當(dāng)加熱段溫度變低或熱量供給不足時，相變儲能材料向散熱端輸出熱量，使其溫度和熱流波動控制在一定范圍，平衡輸入和輸出的變化。

本發(fā)明針對工業(yè)加工過程余熱、可再生能源（太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿龋?、生物質(zhì)能源、空氣能等用于低溫發(fā)電、物料烘干干燥、鍋爐、采暖供熱等存在的溫度和熱流量隨時間變化而產(chǎn)生的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性，開發(fā)設(shè)計(jì)熱超導(dǎo)相變儲能換熱裝置。該發(fā)明整合熱超導(dǎo)傳熱和大容量相變材料技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速存儲和釋放以及超大容量存儲，提高可再生能源和余熱的利用效率和平衡使用。

裝置設(shè)計(jì)（用于太陽能中高溫干燥的熱超導(dǎo)相變儲能換熱器）：

儲能器外形尺寸：φ200x400mm，主要?dú)んw材料：AL6063；外加高性能保溫材料；

儲能材料：BT-XBL70石蠟相變儲能型材；

熱超導(dǎo)管：φ20x2300mm，主要材料：C1100或AL6063，其中：

加熱段尺寸：φ20x240mm，翅片：30-φ70mm；

集熱段尺寸：φ20x1660mm，裸管無翅片；

技術(shù)性能參數(shù)：

裝置總儲能量：2.5-5.0GJ

熱源溫度：50-150 ℃

縱向?qū)嵯禂?shù)：5000-20000 W/m·K

儲熱性能衰減：0%；

使用溫度范圍：35-120 ℃；

加熱速率：200~1000W@空氣/單體傳熱單元。

2# 裝置設(shè)計(jì)（用于間斷性余熱回收加熱流體的儲能加熱器）：

儲能器外形尺寸：φ150x400mm，主要?dú)んw材料：SUS304；外加高性能保溫材料；

儲能材料：BT-XBY150結(jié)晶水鹽類；

熱超導(dǎo)管：φ25x1600mm，主要材料：SUS316L，其中：

散熱段尺寸：φ25x200mm，無翅片；

吸熱段尺寸：φ25x1000mm，翅片：100- φ50mm；

技術(shù)性能參數(shù)：

裝置總儲能量：6.0GJ

熱源溫度：100-350 ℃

縱向?qū)嵯禂?shù)：5000-20000 W/m K

儲熱性能衰減：0%；

使用溫度范圍：80-300 ℃；

加熱速率：600~5000W@水/儲熱換熱單元。