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

技術背景

近年來，可再生能源（太陽能、風能、地熱能、生物質能等）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，但是這些能源技術的應用特點，迫切需要開發(fā)設計高效率、低成本的儲能裝置，用來調整熱能供應與用戶端之間的不一致，熱能的貯存及釋放是極為關鍵的環(huán)節(jié)。

由于太陽能、風能、生物質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)的安全運行帶來顯著影響，所以必須有儲能技術作為支撐。儲能技術可以實現(xiàn)能源的平穩(wěn)輸出，很大程度上緩解了新能源應用過程的波動性和隨機性的問題。

儲能技術中，早期利用相變材料(Phase Change Materials, PCM) 進行儲熱，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充當了能量緩沖區(qū)的角色。但因其導熱性較差的原因，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，具有吸收能量容量大、熱傳導性能好等優(yōu)點，是一種發(fā)展?jié)摿^大的儲能技術?；谏鲜鎏匦裕@種結合熱超導技術和高性能儲能材料的能源管理技術，非常適用于廣泛存在的具有周期性或脈沖性特點的能源利用系統(tǒng)。

實現(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)質或量的周期性波動或不穩(wěn)定運行時產(chǎn)生過多或過少熱量，過多的熱量將導致用戶（熱阱）溫度過高（過低），進而影響系統(tǒng)運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且豁椃浅Ｖ匾幸饬x的工作。

技術實現(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、使用壽命長、環(huán)境穩(wěn)定性好的熱超導相變儲能換熱器。

技術解決方案：

本發(fā)明包括：熱超導管、儲能材料容器，保溫外殼，所述保溫外殼中部設有中心孔，所述熱超導管包括；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管的上端；儲能材料容器置于保溫外殼內，并沿中心孔焊接于熱超導管中部，與熱超導管之間形成密閉空間；吸熱翅片組焊接于熱超導管的下端；相變材料容器腔體間設置金屬絲網(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。

所述熱超導管由內壁設有毛細結構的封閉金屬管，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)和冷凝來實現(xiàn)，工作流體依靠毛細結構產(chǎn)生的毛細力來傳輸。

本發(fā)明主要具有以下特點：

1．本發(fā)明為儲能與換熱單元，根據(jù)應用領域需要，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，既能調節(jié)溫度，也能調節(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裝置，溫度適用范圍廣，可在30℃-150 ℃范圍內使用，可廣泛應用于低溫余熱回收、太陽能采暖、低溫太陽能熱發(fā)電、設施農(nóng)業(yè)加溫等領域；

6、裝置可以雙向傳熱和儲熱，當高溫熱源變?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)境要求應用。

發(fā)明的創(chuàng)新點

1、吸熱-儲熱-散熱一體單元：本發(fā)明裝置利用熱超導管的特性，巧妙設計能量吸收、相變儲能和散熱三段為一體，形成一個整體的超導換熱儲能裝置。熱超導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節(jié)使用溫度和熱流量，實現(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：熱超導管的超低熱阻，使得垂直方向熱傳導效率極高，溫差損失很?。惠S向熱超導管結合徑向金屬絲網(wǎng)強化傳熱，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、縱向熱超導性：開發(fā)的熱超導管有效導熱系數(shù)達5000-20000 W/m·K，任何材料無法達到。

4、超級儲能材料：相變儲能材料，儲能量大，熱超導管與金屬絲網(wǎng)組合，彌補該類材料導熱系數(shù)小的缺點，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，非常適合于低溫熱源的再利用。

6、散熱速率可控：根據(jù)應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的一種實施方式圖；

圖4 為圖3的剖面圖；

圖5 為圖1的第二種實施方式圖；

圖6 為圖5的剖面圖；

圖7 為圖1的第三種實施方式圖；

圖8 為圖7的剖面圖。

具體實施方式：

熱超導相變儲能換熱器包括熱超導管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。

熱超導管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焊接于熱超導管1的上端；儲能材料容器3沿中心孔焊接于熱超導管1中部，與熱超導管1之間形成密閉空間；吸熱翅片組10焊接于熱超導管1的下端。相變材料容器3腔體間設置金屬絲網(wǎng)5（或大孔徑泡沫金屬）強化傳熱元件，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。

熱超導管1是由內壁設有毛細結構6的封閉金屬管，在真空狀態(tài)下充入一定量的液體工質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7的蒸發(fā)和冷凝來實現(xiàn)，液相工質7依靠毛細結構產(chǎn)生的毛細力來傳輸。裝置具有將熱量從高溫到低溫雙向傳遞的特點。

熱超導相變儲能換熱器吸熱端和散熱端，根據(jù)應用領域不同，可以設計成光滑管面，也可以焊接翅片組，增加傳熱面積和強化傳熱。

熱超導相變儲能換熱器的工作原理是：當不穩(wěn)定熱源流經(jīng)熱超導管1下部的吸熱段時，管外翅片組10吸收熱量傳導給熱超導管1中的液體工質7蒸發(fā)成為氣相工質8，在氣相通道內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毛細力的作用下，返回加熱段。

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

熱超導管1將熱量傳輸給與之接觸的相變儲能材料4，均勻設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熱流在材料中的傳導速率，彌補相變儲能材料導熱系數(shù)小的缺點，整個儲能單元內溫度場均勻分布，能量儲存大，超導速率，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。

當發(fā)明裝置的散熱端設定控制溫度,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作用；當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、風能、地熱能等）、生物質能源、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)設計熱超導相變儲能換熱裝置。該發(fā)明整合熱超導傳熱和大容量相變材料技術，實現(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。

裝置設計（用于太陽能中高溫干燥的熱超導相變儲能換熱器）：

儲能器外形尺寸：φ200x400mm，主要殼體材料：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；

技術性能參數(shù)：

裝置總儲能量：2.5-5.0GJ

熱源溫度：50-150 ℃

縱向導熱系數(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# 裝置設計（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，主要殼體材料：SUS304；外加高性能保溫材料；

儲能材料：BT-XBY150結晶水鹽類；

熱超導管：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；

技術性能參數(shù)：

裝置總儲能量：6.0GJ

熱源溫度：100-350 ℃

縱向導熱系數(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。