本發(fā)明涉及相變儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高效相變儲(chǔ)能封裝體。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今，清潔能源的開發(fā)與利用已成為全球關(guān)注的重點(diǎn)。然而，可再生能源，如風(fēng)能，太陽(yáng)能，潮汐能等新能源往往存在著間歇性與周期性的問題，這使得能源的需求與供應(yīng)不能適時(shí)的匹配。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在能量供應(yīng)充足的情況下儲(chǔ)存多余的能量，然后在能量供應(yīng)不足的情況下釋放出來，是一種有效解決上述能量供需不匹配問題的技術(shù)方案。目前常見的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括顯熱儲(chǔ)能系統(tǒng)及潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)主要利用相變材料的相變潛熱進(jìn)行能量存儲(chǔ)，相比于顯熱蓄能系統(tǒng)，潛熱(相變)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有蓄能密度高，蓄能與釋能過程近似等溫的優(yōu)點(diǎn)。因而，該技術(shù)在太陽(yáng)能熱利用、工業(yè)余熱回收、采暖及空調(diào)等節(jié)能領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。

在相變儲(chǔ)能系統(tǒng)中，堆積床式相變儲(chǔ)能換熱器是一種最為常見的儲(chǔ)能裝置。相變儲(chǔ)能封裝體是該裝置的基本儲(chǔ)能單元，它主要由外部的包覆殼體及填充于內(nèi)部的相變材料組成。其中殼體主要起到傳熱及對(duì)相變材料進(jìn)行隔絕的作用，而相變材料主要起到儲(chǔ)能的作用。實(shí)際應(yīng)用中，大量相變儲(chǔ)能封裝體單元(常見的有球形及柱形封裝)堆積在保溫性能良好的床體中便組成了一個(gè)堆積床式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，傳熱流體流經(jīng)各個(gè)單元及床體組成的孔隙中，并與封裝體內(nèi)部的相變材料進(jìn)行換熱。該裝置的主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能密度高、經(jīng)濟(jì)性好。然而，由于球形或柱形封裝體比表面積較小，因而單位體積的相變材料的換熱面積往往較小，不利于換熱的進(jìn)行。為此，常見的解決方法是減小封裝體的等效直徑，從而使換熱加強(qiáng)，但相應(yīng)地，流動(dòng)阻力會(huì)增加且儲(chǔ)能密度也會(huì)下降。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種高效相變儲(chǔ)能封裝體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高效相變儲(chǔ)能封裝體。

研究發(fā)現(xiàn)人體血液中的紅細(xì)胞是一種高效的氧氣輸運(yùn)單元，同時(shí)紅細(xì)胞結(jié)構(gòu)本身就是一種封裝結(jié)構(gòu)：血紅蛋白包覆于細(xì)胞膜中，其中細(xì)胞膜起到氧氣傳質(zhì)的作用，而血紅蛋白起到氧氣存儲(chǔ)的作用。紅細(xì)胞的高效氧氣輸運(yùn)能力主要得益于其特殊的結(jié)構(gòu)形式：兩面中間凹陷的圓餅狀，中間凹陷較薄,邊緣較厚的結(jié)構(gòu)。經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的生物進(jìn)化過程，這種結(jié)構(gòu)一方面大幅度地提高了紅細(xì)胞的比表面積，從而有效地提高氧氣的存儲(chǔ)與釋放效率；另一方面，它的特殊結(jié)構(gòu)也能盡量減小在血漿中的流動(dòng)阻力，從而使得氧氣輸運(yùn)的效率大幅提高。

本發(fā)明基于仿生學(xué)的原理，提出了一種紅細(xì)胞形態(tài)的相變儲(chǔ)能封裝體，以用于堆積床式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。同時(shí)，由于傳熱傳質(zhì)在原理上的相似性，這樣的一種紅細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)的封裝形式也可以延伸應(yīng)用于包含流動(dòng)及傳熱/傳質(zhì)的應(yīng)用中，如化學(xué)催化反應(yīng)釜及一些污染物吸附器中。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種高效相變儲(chǔ)能封裝體，經(jīng)過大量的試驗(yàn)測(cè)試與模擬分析，確定了該封裝體的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得該封裝體相比于傳統(tǒng)的球形或柱形封裝體的比表面積大幅增加，而其流動(dòng)阻力卻被有效地降低。

在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，一種高效相變儲(chǔ)能封裝體，封裝體整體外觀為紅細(xì)胞形態(tài)，封裝體主要由外層的殼體及填充于內(nèi)部的相變材料兩部分組成。

優(yōu)選地，紅細(xì)胞形態(tài)的封裝體為兩面中間凹的圓餅狀，中心對(duì)稱且軸對(duì)稱，中間凹陷，邊緣為圓環(huán)狀，厚度大于中間凹陷的厚度。

優(yōu)選地，封裝體殼體的外表面光滑無棱角，以降低對(duì)外部流體的摩擦阻力。

優(yōu)選地，封裝體的大小可以根據(jù)實(shí)際的儲(chǔ)能量及儲(chǔ)能速率需求進(jìn)行設(shè)定，中間凹陷厚度：邊緣最大厚度：封裝體直徑滿足1:2:7的尺寸要求。

優(yōu)選地，封裝體中間凹陷內(nèi)側(cè)到封裝體中心距離h，封裝體邊緣處內(nèi)側(cè)到封裝體中心最大半徑l，封裝體中間凹陷處內(nèi)側(cè)半徑r2，封裝體邊緣處內(nèi)側(cè)半徑r1之間需滿足(r2+h)²+(l-r1)²＝(r1+r2)²的關(guān)系。

優(yōu)選地，封裝體殼體的材料可以根據(jù)所選取的相變材料進(jìn)行自由選取，封裝體殼體材料與相變材料之間無化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)熱性能良好。

優(yōu)選地，封裝體中所選的相變材料為固液相變材料。

優(yōu)選地，所述的填充于內(nèi)部的相變材料的相變溫度介于熱源溫度及熱用戶需求溫度之間。

其中，熱源溫度是為相變材料提供可吸取熱量的環(huán)境的溫度；熱用戶需求溫度是根據(jù)熱用戶需求，通過相變材料釋放吸取的熱量后達(dá)到的環(huán)境溫度。

優(yōu)選地，所述的相變材料填充量可根據(jù)固液相變的體積變化來適量填充，以防固液相變過程中的體積膨脹。

優(yōu)選地，含有固液相變儲(chǔ)能材料的封裝體可以應(yīng)用于堆積床式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。

優(yōu)選地，含有固液相變儲(chǔ)能材料的封裝體可以制作儲(chǔ)能單元并延伸應(yīng)用于包含流動(dòng)及傳熱/傳質(zhì)的系統(tǒng)。

技術(shù)效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明是一種高效的相變儲(chǔ)能封裝體，整體外觀呈紅細(xì)胞形狀，內(nèi)部填充固液相變儲(chǔ)能材料，其特殊的結(jié)構(gòu)參數(shù)既保證了換熱的速率，同時(shí)也兼顧降低外部流體的流動(dòng)阻力。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)能的需求，方便的將多個(gè)紅細(xì)胞形相變儲(chǔ)能封裝體單元堆積在一起形成堆積床式相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。同時(shí)，由于傳熱傳質(zhì)在原理上的相似性，這樣的一種紅細(xì)胞形結(jié)構(gòu)的封裝形式也可以延伸應(yīng)用于包含流動(dòng)及傳熱/傳質(zhì)的應(yīng)用中，如化學(xué)催化反應(yīng)釜及一些污染物吸附器中。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的高效相變儲(chǔ)能封裝體的三維模型圖；

圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的高效相變儲(chǔ)能封裝體的剖視圖。

附圖標(biāo)記：1殼體，2相變材料。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例

如圖1、圖2所示，圖1是高效相變儲(chǔ)能封裝體的三維模型圖，整體像一個(gè)紅細(xì)胞，呈兩面中間凹陷的圓餅狀，中間凹陷，邊緣為圓環(huán)狀，厚度大于中間凹陷的厚度，表面光滑，可以降低對(duì)外部流體的摩擦阻力。圖2是高效相變儲(chǔ)能封裝體的剖面圖。從剖面圖中可以看出，該結(jié)構(gòu)是由紅細(xì)胞形態(tài)的殼體1及填充于內(nèi)部的相變材料2組成。而其幾何模型的1/4截面是由邊緣的內(nèi)側(cè)半徑為r1的小圓弧與中間凹陷的內(nèi)側(cè)半徑為r2的大圓弧相切而成，封裝體中間凹陷內(nèi)側(cè)到封裝體中心距離為h，封裝體邊緣處內(nèi)側(cè)到封裝體中心最大半徑為l，以上四個(gè)參數(shù)之間滿足(r2+h)²+(l-r1)²＝(r1+r2)²的關(guān)系。紅細(xì)胞形的封裝體不論是處在中間或者處在邊緣的位置的相變材料2與外壁面距離都較為均衡，平均距離更小，表面積體積比更大，因此會(huì)使換熱更加迅速、均勻。

封裝體的殼體1材料是abs樹脂，其厚度δ為0.5mm。封裝體用3d打印技術(shù)制作。

在實(shí)施例中，如圖2所示，改變h、r2、l以及r1之間的相對(duì)大小可以調(diào)整封裝體的凹陷程度，改變其表面積體積比。通過大量實(shí)驗(yàn)與理論研究，確定了最佳的參數(shù)比例為h:r1:l＝1:2:7。具體的h、r1、r2和l分別為4、8、44和28mm。

在實(shí)施例中，相變材料為癸酸-月桂酸-棕櫚酸共融相變蓄冷材料(摩爾配比為70.7：22.3：7，相變溫度約為15℃，焓值為120kj/kg，導(dǎo)熱系數(shù)為0.145w/m·k)，相變材料占整個(gè)封裝體的90％的體積，合重25.5g，有效相變蓄冷量為3024j。

實(shí)施效果：將該含有相變材料的紅細(xì)胞形封裝體放入水浴中進(jìn)行蓄冷測(cè)試。水浴的溫度從20℃降到7℃，封裝體的相變材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，迅速完成蓄冷過程，封裝體內(nèi)溫度分布較為均勻，結(jié)果表明將本發(fā)明中的高效相變儲(chǔ)能封裝體用于空調(diào)系統(tǒng)后，蓄冷功率較傳統(tǒng)的球形封裝體提高了97.4％。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明為一種高效相變儲(chǔ)能封裝體，有著仿生學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的球形或柱形封裝，本發(fā)明中高效相變儲(chǔ)能封裝體表面積大，儲(chǔ)能率快，且外表面對(duì)于傳熱流體的阻力更小；同時(shí)，具體根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)能需求，方便地將多個(gè)封裝體制作成為儲(chǔ)能單元，堆積在填充床中，滿足不同的使用需求。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。