一种搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统

1.本发明可涉及海洋温差能回收、利用领域，主要应用于水下无人运载器温差能动力系统的设计制造、小型温差能设备的研发等领域。


背景技术：

2.海洋温差能发电系统可将海洋温差能转化为电能，是水下无人运载器的重要动力系统。相较于常规的使用电池驱动的水下无人运载器，搭载海洋温差能发电系统的水下无人运载器具有寿命长、续航能力强、工作范围广、能量来源可持续等优势。因此，用作水下无人运载器动力装置的海洋温差能发电系统在近几年得到了国内外的广泛研究和关注。
3.借助固液相变材料相变时的体积变化将海洋温差能转化液压油压能、再借助涡轮发电系统将压能转化为电能是海洋温差能发电系统的主要工作原理。在系统中，相变换热器内部充满相变材料和液压油。当水下无人运载器在海面工作时，相变换热器吸收表层高温海水热能，固相相变材料融化、体积膨胀，挤压橡胶油囊内的液压油，提升液压油压能和动能，高压的液压油驱动涡轮带动发电机，最终将温差能转化为电能；当水下无人运载器在温度较低的深海工作时，相变换热器放热，液相相变材料凝固、体积收缩，形成低压，抽动液压油回流，系统回到初始状态。水下无人运载器在海洋表层和深海穿梭一次，相变材料可完成一次相变循环，最终实现能量的“随用随收”。
4.在温差能水下无人运载器中，相变换热器与海水直接接触，是温差能转化为液压能的主要装置，其性能的好坏直接决定着动力系统能量转化效率、能量回收功率。为减少相变材料相变时间，提高系统发电功率，许多研究者提出在相变换热器内加装环形肋片。在实际生产使用过程中，加装肋片的相变换热器具有两个亟需解决的问题：一是环形肋片的加装方式主要为一体化铸造或后期焊接，但一体化铸造加工难度大、造价高；焊接可能会导致原有相变换热器外壳破坏，换热器承压能力降低，水下无人运载器面临着受压变形甚至完全破坏的风险。二是制造完成的相变换热器肋片位置无法调节，外界环境变化时导致肋片对换热的强化作用无法达到最优效果。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术，为了解决加装环状肋片的相变换热器的制造难题，弥补肋片位置无法调节的缺陷。本发明公开一种适用于水下无人运载器的海洋温差能发电系统，并搭载了新型相变换热器，该换热器采用的环肋安装方法，相较于一体化铸造方法、焊接方法，不破坏换热器壁面原有结构与整体强度，且具有操作简便、造价低、后期更换维护成本低的优势；换热器内的螺纹杆可实现换热肋片的轴向位移，优化肋片的强化换热效果，进一步提高换热器的换热性能。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出的一种搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，包括壳体，所述壳体由一水平位置的隔板划分为上下两部分，上部为发电装置，下部为相变换热器，所述相变换热器包括设置在换热器壳体内的橡胶囊，所述橡胶囊的顶部
设有油口，所述橡胶囊内盛有液压油，所述橡胶囊与换热器壳体之间填充有相变材料，所述换热器壳体内设有与换热器中心轴平行的螺纹杆部件；所述螺纹杆部件包括外螺纹套杆，所述外螺纹套杆的上下端分别嵌套有上固定轴和下固定轴，所述上固定轴与所述外螺纹套杆之间设有第一弹簧，所述下固定轴与所述外螺纹套杆之间设有第二弹簧，所述隔板上设有用于固定所述上固定轴的通孔，所述上固定轴设有中心孔，所述换热器壳体的底端设有用于固定所述下固定轴的嵌套孔；所述隔板上设有与所述外螺纹套杆连接的螺纹杆调节器；所述外螺纹套杆上通过螺纹连接间隔的固定有n个与换热器中心轴同轴的环状肋片，所述n个环状肋片的外边缘与所述换热器壳体的内表面接触，所述n个环状肋片的内边缘的圆弧直径按照自上而下依次减小，n个环状肋片的内边缘属于同一圆台侧面；n个环状肋片上均开有若干个导流孔；所述发电装置包括设置在发电装置壳体内的发电机、油囊及其出油管路和回油管路，所述出油管路通过连接管线自所述橡胶囊的油口依次经过第一单向阀、蓄能器、流量控制器和涡轮后连接至所述油囊的油口，所述涡轮与所述发电机相连；所述回油管路通过连接管线自所述油囊的油口依次经过电磁阀和第二单向阀后连接至所述橡胶囊的油口。
7.进一步讲，本发明所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其中：
8.所述螺纹杆调节器包括电动马达、差速器、卷绳器和牵引绳，所述电动马达依次带动所述差速器和卷绳器，所述牵引绳的一端固定在所述卷绳器上，所述牵引绳的另一端穿过所述中心孔后与所述外螺纹套杆固定，所述差速器设有固定器。
9.所述连接管线为不锈钢高压油管。
10.所述蓄能器的压力设定值为20mpa。
11.所述壳体的顶部和底部均为半球壳空间，所述顶部和底部之间为圆筒状空间。
12.所述橡胶囊与换热器中心轴同轴。
13.n个环状肋片为等间距布置。
14.所述环状肋片的肋片数目n、肋片高度、肋片斜度、肋片厚度、肋片间距a、导流孔直径d及数量n的确定：所述肋片数目n由浮标肋片可允许的最大附加质量计算得到；所述肋片高度是指该环状肋片自换热器内壁至肋片内边缘的径向尺寸；位于相变换热器最底部的环状肋片的高度为h
max
＝0.9*l，位于相变换热器最顶部的环状肋片的高度为h
min
＝(0.4～0.8)*h
max
，其中，l为换热器壳体的内壁与橡胶囊的半径差；所述肋片斜度为(h
max-h
min)
:((n-1)*a)；所述肋片厚度为1～5mm；所述导流孔的数量n为6～10个，导流孔直径d为10～20mm。
15.所述相变材料选用相变温度在4～30℃区间内，且相变体积变化率大于8％的材料。优选为正十六烷或是正十五烷。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.(1)本发明提出的海洋温差能发电系统搭载新型相变换热器，换热器制造方法具有创新性，该方法相较于现有的肋片焊接方法，不破坏相变换热器外壳原有结构，不影响相变换热器外壳的机械强度；相比于现有的一体式的铸造方法，本发明公布的环形肋片安装方法工艺简单，制造成本低、后期维护方便。
18.(2)使用本发明公布的通过嵌套孔固定螺纹杆，再通过螺纹杆固定相变肋片的安装方法，对肋片的固定效果好，可有效防止肋片在换热器内部的平动、上下移动和转动。
19.(3)本发明公布的相变换热器肋片中的螺纹孔有利于强化相变材料的对流作用。相比于焊接或一体式设计，对流作用的增强可使相变材料在换热器内的融化、凝固时间缩短9％，温差能发电系统发电功率更高。
20.(4)采用螺纹杆布置安装的肋片，方便拆卸，肋片更换方便，且后期维护成本低。
21.(5)本研究公布的相变换热器的螺纹杆具有伸缩功能，可根据相变换热器的工作环境，适当调整肋片布置间距，使肋片对换热器的强化换热效果持续保持在最优状态，进一步提高换热器的换热性能。
附图说明
22.图1是本发明海洋温差能发电系统结构示意图；
23.图2是图1中所示相变换热器的三维结构示意图；
24.图3是相变换热器中螺纹杆长度调节原理图；
25.图4是相变换热器中螺纹杆与环形肋片的配套三维结构示意图。
26.图中：
27.101-换热器壳体
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102-相变材料
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103-第一环肋
28.104-第二环肋
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105-第三环肋
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106-第四环肋
29.107-橡胶囊
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108-导流孔
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109-螺纹杆部件
30.110-嵌套孔
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111-螺纹杆调节器
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112-隔板
31.113-发电装置壳体
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201-第一单向阀
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202-第二单向阀
32.203-电磁阀
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204-发电机
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205-油囊
33.206-涡轮
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207-流量控制器
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208-蓄能器
34.1-电动马达
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2-差速器
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3-固定器
35.4-上固定轴
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5-第一弹簧
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6-外螺纹套杆
36.7-第二弹簧
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8-下固定轴
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9-螺纹
37.10-牵引绳
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11-卷绳器
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12-中心孔
具体实施方式
38.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
39.本发明提出的一种搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，如图1所示，该系统包括壳体，所述壳体的顶部和底部均为半球壳空间，所述顶部和底部之间为圆筒状空间。所述壳体由一水平位置的隔板102划分为上下两部分，上部为发电装置，下部为相变换热器，所述相变换热器包括设置在换热器壳体101内的橡胶囊107，所述橡胶囊107与换热器中心轴同轴，述橡胶囊107的顶部设有油口，所述橡胶囊107内盛有液压油，所述橡胶囊107与换热器壳体101之间填充有相变材料102，所述相变材料选用相变温度在4～30℃区间内，且相变体积变化率大于8％的材料。本实施例中所述相变材料优选正十六烷或是正十五烷。
40.所述换热器壳体101内设有与换热器中心轴平行的螺纹杆部件109。如图1和图2所示，所述螺纹杆部件109包括外螺纹套杆6，所述外螺纹套杆6的上下端分别嵌套有上固定轴4和下固定轴8，所述上固定轴4与所述外螺纹套杆6之间设有第一弹簧5，所述下固定轴8与
所述外螺纹套杆6之间设有第二弹簧7，所述隔板102上设有用于固定所述上固定轴4的通孔，所述上固定轴4设有中心孔12，所述换热器壳体101的底端设有用于固定所述下固定轴8的嵌套孔110；所述隔板102上设有与所述外螺纹套杆6连接的螺纹杆调节器111。所述螺纹杆调节器111包括电动马达1、差速器2、卷绳器11和牵引绳10，所述电动马达1依次带动所述差速器2和卷绳器11，所述牵引绳10的一端固定在所述卷绳器11上，所述牵引绳10的另一端穿过所述中心孔12后与所述外螺纹套杆6固定，所述差速器2设有固定器3。
41.所述外螺纹套杆6上通过螺纹连接间隔的固定有n个与换热器中心轴同轴的环状肋片，所述n个环状肋片的外边缘与所述换热器壳体101的内表面接触，所述n个环状肋片的内边缘的圆弧直径按照自上而下依次减小，n个环状肋片的内边缘属于同一圆台侧面；n个环状肋片上均开有若干个导流孔108；本实施例中，n个环状肋片为等间距布置。
42.本发明中，所述环状肋片的肋片数目n、肋片高度、肋片斜度、肋片厚度、肋片间距a、导流孔直径d及数量n的确定，如图4所示，包括：
43.(1)肋片数目n由浮标肋片可允许的最大附加质量计算得到；
44.(2)所述肋片高度是指该环状肋片自换热器内壁至肋片内边缘的径向尺寸；
45.(3)位于相变换热器最底部的环状肋片的高度为h
max
＝0.9*l，位于相变换热器最顶部的环状肋片的高度为h
min
＝(0.4～0.8)*h
max
，其中，l为换热器壳体101的内壁与橡胶囊107的半径差；
46.(4)所述肋片斜度为(h
max-h
min)
:((n-1)*a)；
47.(5)所述肋片厚度为1～5mm；
48.(6)所述导流孔的数量n为6～10个，导流孔直径d为10～20mm。
49.本发明中，所述发电装置包括设置在发电装置壳体113内的发电机204、油囊205及其出油管路和回油管路，所述出油管路通过连接管线自所述橡胶囊107的油口依次经过第一单向阀201、蓄能器208、流量控制器207和涡轮206后连接至所述油囊205的油口，所述涡轮206与所述发电机204相连；所述回油管路通过连接管线自所述油囊205的油口依次经过电磁阀203和第二单向阀203后连接至所述橡胶囊107的油口。所述连接管线为不锈钢高压油管。
50.本发明中，液压油的出油管路上各器件的连接顺序为第一单向阀201、蓄能器208、流量控制器207、涡轮206、油囊205。流速较慢的液压油流出橡胶囊107，经第一单向阀201流入蓄能器208内被集中放置，同时蓄能器208还可维持液压油压力。当蓄能器208内的压力达到设定值，流量控制器207打开，液压油流经流量控制器207，带动涡轮206转动，流出涡轮后的液压油压力降低，最后流入油囊205以备回油。涡轮可带动发电机204产生电能，蓄能器的推荐压力设定值推荐位为20mpa。
51.液压油的回油管路上各器件的连接顺序为电磁阀203、第二单向阀202。当相变换热器内的橡胶囊107压力降低时，电磁阀203打开，油囊205内的液压油经电磁阀203、第二单向阀202回流至橡胶囊107。
52.本发明所述的海洋温差能发电系统可以在穿越海洋中的温水层和冷水层，并将海水的温差能转化为电能，现对海洋温差能发电系统的主要工作过程展开详述：
53.(1)相变材料融化及发电过程：初始状态，相变换热器内相变材料102为固相。当温差能发电系统停留于海洋表面时，海水温度较高，相变换热器内的相变材料吸热，由固态变
为液态，体积膨胀，挤压橡胶囊107。橡胶囊107内的液压油升压并流出相变换热器，流经第一单向阀201被暂时储存在蓄能器207内。因液压油的流入，蓄能器压力不断升高。当蓄能器内液压油压力达到设定值，流量控制器207打开，液压油流入涡轮206推动涡轮206旋转，涡轮带动发电机204产生电能，流出涡轮的液压油被暂时储存在油囊205中。
54.(2)相变材料凝固及液压油回流过程：经发电过程后，相变换热器相变材料102为液态。当温差能发电系统悬停在海底时，海水温度较低，相变换热器内的相变材料102放热凝固，由液态变为固态，体积收缩，相变换热器的橡胶囊107内部形成负压，压力低于油囊204，液压油依次流经电磁阀203、第二单向阀202重新流回相变换热器，海洋温差能发电系统回到初始状态。水下无人运载器在海洋表层和深海穿梭一次，相变材料可完成一次相变循环，并利用海洋温差能完成发电。
55.本发明所述的海洋温差能发电系统，其中相变换热器是重要部件，其性能直接影响系统的发电功率和发电效率，本发明公开的相变换热器附带有环形肋片，可增强换热器的换热性能，相变换热器的整体结构如图4所示，该相变换热器，其结构新颖，可解决传统肋片换热器加工难度大、破坏换热器机械强度的问题。现对本发明提出的相变换热器加工制造过程展开详述：
56.(1)螺纹杆部件109，其具体结构如图2所示。螺纹杆部件109为整体中间粗、两端细的多段结构，建议较粗部分的外螺纹套杆6的直径为10～14mm，顶部和底部的上固定轴4和下固定轴8的直径为6～12mm，不同直径大小的螺纹杆相互配合，为了装配和安装弹簧，在外螺纹套杆6的一端或两端设有端盖，在上固定轴5和下固定轴8要设有端部外沿，以安装上固定轴4和第一弹簧5为例，将上固定轴5装入外螺纹套杆6，在上固定轴5与外螺纹套杆6之间的环空内放入第一弹簧5，然后固定外螺纹套杆6上端的端盖即可。通过螺纹杆调节器111及其位于外螺纹套杆6和两端的上下固定轴之间的弹簧作用，可实现外螺纹套杆6的上下移动。外螺纹套杆6长度调节的原理图如图2所示，在相变换热器内部，上固定轴4和下固定轴8分别固定于相变换热器上部隔板102的通孔及换热器壳体101底部的嵌套孔110中。驱动螺纹杆调节器111的电动马达1，依次带动差速器2——卷绳器9——拉动牵引绳10，从而实现外螺纹套杆6的上下移动。同时，上固定轴4和下固定轴8与第二螺纹杆之间分别配置有具备伸缩功能的第一弹簧5和第二弹簧7，实现外螺纹套杆6的回弹。螺纹杆部件109的整体总长度取决于与设计的相变换热器外壳101高度。
57.(2)环形肋片。所述环形肋片的厚度对换热的影响较小，在肋片厚度设计时，仅需满足肋片的强度要求；所述环形肋片在加工时，与换热器壳体101接触的最外沿应尽量设置倒角，倒角厚度建议为0.5mm或1mm；所述环形肋片设有的导流孔108，可以是内螺纹孔，将其中一个螺纹孔与外螺纹套杆6配合，空余螺纹孔起导流作用，可增强换热器内对流强度，强化换热性能；如图3所示，本实施例中，设计了4个环形肋片，自下而上依次为103-第一环肋103、第二环肋104、第三环肋105和第四环肋106，四个环形肋片均通过螺纹连接固定在所述的螺纹杆部件109的外螺纹套杆6上。所有环形肋片和螺纹杆部件109的材质可选择与换热器壳体101相同的金属材料，也可选择导温系数更大的材料，且应考虑不同材料接触时的腐蚀问题。
58.(3)相变换热器外壳101和橡胶囊107。依据相变换热设计要求与设计准则，设计相变换热器，并对设计完成的两头为半球形中间呈圆筒形的整体外壳进行加工，加工并固定
隔板112，加工壳体底部的嵌套孔110。加工对应尺寸的橡胶囊107。
59.(4)组装。依据相变换热器制造要求，将相变换热器的所有肋片安装于螺纹杆部件109上，将螺纹杆部件上下两端的固定轴分别插入隔板112和壳体底部相应的定位孔中。之后放入橡胶囊107，填充相变材料102，最后进行相变换热器的封装。组装完成的相变换热器三维结构示意图如图4所示。
60.本发明中，环形肋片的上下位移应根据相变换热器环境温度的改变进行调节，以确保肋片对相变换热器的强化换热作用始终保持在最优效果。现对环形肋片位置的调节策略进行叙述：
61.(1)当处在冬季或者维度较高的海域时，表层海水温度低，与深层海水间的温差小。此条件不利于相变换热器的换热增强，相变换热器内部的自然对流传热过程弱，导致顶部相变材料相变速度较慢，底部相变材料相变速度快。此时，应启动电动马达1，拉动环形肋片向上移动。
62.(2)当处在夏季或者维度较低的海域时，表层海水温度较高，与深层海水间的温差较大。此条件有利于相变换热器的换热增强，相变换热器内部的自然对流作用更大，导致顶部相变材料相变速度更快，底部相变材料相变速度慢。此时，应关闭固定器3，外螺纹套杆6在第一弹簧5和第二弹簧7的向下位移，带动环形肋片向下移动，直至相变换热器的换热效果达到最优值。
63.尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，例如，肋片位置的具体调节参数取决于对应的相变换热器强化技术优化研究，根据本发明中螺纹杆长度调节原理可采用多段式的外螺纹套杆，进而更加灵活地实现环形肋片位置、间距的调节，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，包括壳体，其特征在于，所述壳体由一水平位置的隔板(102)划分为上下两部分，上部为发电装置，下部为相变换热器，所述相变换热器包括设置在换热器壳体(101)内的橡胶囊(107)，所述橡胶囊(107)的顶部设有油口，所述橡胶囊(107)内盛有液压油，所述橡胶囊(107)与换热器壳体(101)之间填充有相变材料(102)，所述换热器壳体(101)内设有与换热器中心轴平行的螺纹杆部件(109)；所述螺纹杆部件(109)包括外螺纹套杆(6)，所述外螺纹套杆(6)的上下端分别嵌套有上固定轴(4)和下固定轴(8)，所述上固定轴(4)与所述外螺纹套杆(6)之间设有第一弹簧(5)，所述下固定轴(8)与所述外螺纹套杆(6)之间设有第二弹簧(7)，所述隔板(102)上设有用于固定所述上固定轴(4)的通孔，所述上固定轴(4)设有中心孔(12)，所述换热器壳体(101)的底端设有用于固定所述下固定轴(8)的嵌套孔(110)；所述隔板(102)上设有与所述外螺纹套杆(6)连接的螺纹杆调节器(111)；所述外螺纹套杆(6)上通过螺纹连接间隔的固定有n个与换热器中心轴同轴的环状肋片，所述n个环状肋片的外边缘与所述换热器壳体(101)的内表面接触，所述n个环状肋片的内边缘的圆弧直径按照自上而下依次减小，n个环状肋片的内边缘属于同一圆台侧面；n个环状肋片上均开有若干个导流孔(108)；所述发电装置包括设置在发电装置壳体(113)内的发电机(204)、油囊(205)及其出油管路和回油管路，所述出油管路通过连接管线自所述橡胶囊(107)的油口依次经过第一单向阀(201)、蓄能器(208)、流量控制器(207)和涡轮(206)后连接至所述油囊(205)的油口，所述涡轮(206)与所述发电机(204)相连；所述回油管路通过连接管线自所述油囊(205)的油口依次经过电磁阀(203)和第二单向阀(203)后连接至所述橡胶囊(107)的油口。2.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述螺纹杆调节器(111)包括电动马达(1)、差速器(2)、卷绳器(11)和牵引绳(10)，所述电动马达(1)依次带动所述差速器(2)和卷绳器(11)，所述牵引绳(10)的一端固定在所述卷绳器(11)上，所述牵引绳(10)的另一端穿过所述中心孔(12)后与所述外螺纹套杆(6)固定，所述差速器(2)设有固定器(3)。3.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述连接管线为不锈钢高压油管。4.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述蓄能器(208)的压力设定值为20mpa。5.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述壳体的顶部和底部均为半球壳空间，所述顶部和底部之间为圆筒状空间。6.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述橡胶囊(107)与换热器中心轴同轴。7.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，n个环状肋片为等间距布置。8.根据权利要求7所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述环状肋片的肋片数目n、肋片高度、肋片斜度、肋片厚度、肋片间距a、导流孔直径d及数量n的确定：所述肋片数目n由浮标肋片可允许的最大附加质量计算得到；
所述肋片高度是指该环状肋片自换热器内壁至肋片内边缘的径向尺寸；位于相变换热器最底部的环状肋片的高度为h
max
＝0.9*l，位于相变换热器最顶部的环状肋片的高度为h
min
＝(0.4～0.8)*h
max
，其中，l为换热器壳体(101)的内壁与橡胶囊(107)的半径差；所述肋片斜度为(h
max-h
min)
:((n-1)*a)；所述肋片厚度为1～5mm；所述导流孔的数量n为6～10个，导流孔直径d为10～20mm。9.根据权利要求1所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，其特征在于，所述相变材料选用相变温度在4～30℃区间内，且相变体积变化率大于8％的材料。10.根据权利要求9所述的搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，其特征在于，所述相变材料是正十六烷或是正十五烷。

技术总结
本发明公开了一种搭载新型相变换热器的海洋温差能发电系统，包括壳体，壳体内设有发电装置和相变换热器，相变换热器包括设置在换热器壳体内的橡胶囊，橡胶囊与换热器壳体之间填充有相变材料，换热器壳体内设有与换热器中心轴平行的外螺纹套杆，并同轴的固定有N个环状肋片；发电装置包括发电机、油囊及其出油管路和回油管路，出油管路通过连接管线自橡胶囊的油口依次经过第一单向阀、蓄能器、流量控制器和涡轮后连接至油囊的油口，涡轮与发电机相连；回油管路通过连接管线自油囊的油口依次经过电磁阀和第二单向阀后连接至橡胶囊的油口。本发明制造方法简单、造价低、后期维护成本低，提高了换热性能，利用温差能发电，发电功率较高。高。高。


技术研发人员：卫海桥 王士铎 潘家营 李醒飞 徐佳毅 刘烨昊
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/8