專利名稱：高性能相變蓄熱材料及其應(yīng)用技術(shù)的制作方法
所屬領(lǐng)域本發(fā)明不僅涉及一種具有高蓄熱能力的相變材料的配方和生產(chǎn)工藝；而且涉及一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅馨l(fā)揮出來的應(yīng)用技術(shù)——集電加熱、蓄熱、換熱、保溫于一體具有低谷電蓄熱功能的電熱供熱裝置的設(shè)計。
目前，我國電力工業(yè)近幾年發(fā)展迅速，但電力供應(yīng)緊張狀況并沒有得到根本改觀，主要表現(xiàn)在電網(wǎng)負(fù)荷率低，系統(tǒng)峰谷差距大，城市生活、商業(yè)用電快速增長，工業(yè)用電比重相對減少。
這種實況促進(jìn)了能源綜合利用技術(shù)的發(fā)展，蓄熱技術(shù)是其最關(guān)鍵技術(shù)之一。蓄熱技術(shù)是指在用電低谷時段將低價電能轉(zhuǎn)換成熱形式的能量儲存起來，在用電平、高峰時段釋放出來被再利用的技術(shù)，以達(dá)到調(diào)荷節(jié)能、削峰填谷、降低電力運營成本、降低用戶的能源運行費用、合理高效的使用優(yōu)質(zhì)潔凈能源等目的。
目前被普遍采用的蓄熱技術(shù)主要有常壓水蓄熱和高溫水蓄熱、固相高溫蓄熱。由于水在0℃時的溶解潛熱(80cal/g)和100℃時的汽化潛熱(539cal/g)等相變潛熱都較大，但容積密度(1g/ml)和比熱(1cal/g.℃)較小，所以水的潛熱、顯熱蓄熱密度小，用水做介質(zhì)蓄熱都是利用顯熱特性常壓水蓄熱和高溫水蓄熱技術(shù)是利用水的溫差顯熱特性，蓄熱密度小，蒸汽蓄熱是利用水的汽化潛熱，雖然汽化熱大，但蒸汽密度小，壓力高，故相對蓄熱密度小；固相高溫蓄熱是用電加熱管將固態(tài)成型材料加熱到400-700℃，再通過高溫?fù)Q熱將蓄存的熱量釋放出去，其換熱裝置復(fù)雜、壓力高、安全性能差，保溫難度大，熱損失大。為了克服上述供熱水裝置的種種不足，該發(fā)明不僅提供一種特殊的高性能的相變蓄熱材料；而且提供一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅馨l(fā)揮出來的應(yīng)用技術(shù)——集電加熱、蓄熱、換熱、保溫于一體具有低谷電蓄熱功能的電熱供熱裝置的設(shè)計；還涉及一種具有較高換熱能力的經(jīng)特殊加工處理的紫銅蛇行盤管的設(shè)計；一種能夠進(jìn)行快速安裝和移動的裝置設(shè)計；同時還涉及一種能夠?qū)⒓訜峁芡姇r產(chǎn)生的熱量均勻傳遞到相變蓄熱材料的金屬翅片設(shè)計；也還涉及一種能夠進(jìn)行全自動控制的溫度時間控制器設(shè)計。由此設(shè)計制造成的一體化高密度相變蓄能用電供暖技術(shù)及裝置不僅能夠獨立進(jìn)行供暖和熱水，而且還能通過調(diào)溫閥進(jìn)行水溫調(diào)節(jié)；還具有低谷電蓄熱功能，大大地降低了初投資和運行費用，提高了安全性和舒適性。從根本上解決了常壓水蓄熱和高溫水蓄熱、固相高溫蓄熱等常規(guī)蓄熱裝置所固有的體積大、壓力高、初投資高、使用費用高、安全性能差等問題和缺點。


圖1是用本發(fā)明的相變蓄熱材料的蓄熱特性曲線圖。
圖2是用本發(fā)明的相變蓄熱材料的放熱特性曲線3是供熱裝置的縱剖面構(gòu)造圖。
圖3中1.外殼，2.保溫層，3.換熱盤管，4.相變蓄熱殼體，5.蓄熱腔加強(qiáng)筋，6.相變蓄熱材料，7.加熱套管，8.導(dǎo)熱金屬翅片，9.溫度傳感器，10.電加熱管，11.底部金屬支撐，12.循環(huán)水進(jìn)口，13.熱水出口，14.供水溫度調(diào)節(jié)閥，15.溫度時間控制器。
本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是長方形外殼(1)與相變蓄熱殼體(4)通過底部金屬支撐(11)和蓄熱腔加強(qiáng)筋(5)焊接在一起，在二者之間填充保溫層(2)；在相變蓄熱殼體內(nèi)，導(dǎo)熱金屬翅片并行地垂直穿在加熱套管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行于加熱套管分布有4根銅管，并用c型彎頭穿行連接呈u字蛇形盤管，盤管的兩端一個做循環(huán)水進(jìn)口，與變頻循環(huán)水泵的出口連接，另一個做循環(huán)熱水出口與供熱系統(tǒng)相連，進(jìn)出口之間并聯(lián)有供水溫度調(diào)節(jié)閥，加熱套管(7)的兩端穿過并焊接在相變蓄熱殼體(4)的左右兩側(cè)金屬板上，形成的空腔為蓄熱腔，該腔內(nèi)充滿熔點為60-95℃、融解熱為50-75kcal/kg的相變蓄熱材料(6)，其中心部位設(shè)置溫度傳感器(9)；電加熱管(10)穿在加熱套管(7)內(nèi)，通過導(dǎo)線與時間溫度控制器(15)電連接；相變蓄熱殼體(4)的底部焊接金屬支撐架(11)。
本發(fā)明的技術(shù)應(yīng)用裝置工作原理和工作流程是蓄熱過程在用電低谷時段，時間溫度控制器(15)控制電加熱管(10)通過加熱套管(7)加熱翅片(8)，再通過均布的翅片(8)擴(kuò)散傳遞到相變材料(6)中，相變材料(6)的溫度逐漸升高，在未達(dá)到相變溫度-熔點以前存儲顯熱，相變材料獲得足夠的熱量后，逐漸發(fā)生晶格變化----相變潛熱，相變結(jié)束并達(dá)到設(shè)定溫度時蓄熱過程完成。蓄熱量為顯熱(60-95℃)加潛熱，合計約為92-95kcal/kg。
釋熱供暖(熱水)過程電加熱管(10)停止加熱，其相變材料(6)中所儲存的熱量通過均布的導(dǎo)熱翅片(8)和u字蛇形換熱銅盤管(3)傳遞到水中，將水加熱至40-80℃，使用時通過調(diào)節(jié)供水溫度調(diào)節(jié)閥(14)與循環(huán)水或自來水混合之所需供水溫度，相變蓄熱材料(6)逐漸發(fā)生晶格變化----凝固，釋放所存的潛熱后，其溫度開始下降并釋放顯熱，達(dá)到規(guī)定的溫度(45-60℃)時，釋熱過程結(jié)束。
邊蓄邊供工作過程啟動循環(huán)泵，打開供水閥門，相變材料(6)中所攜帶的熱量通過均布的導(dǎo)熱翅片和換熱管傳遞到水中實現(xiàn)供水，帶走相變材料中蓄存的熱量使其溫度低于設(shè)定溫度，在時間溫度控制器(15)的控制下，啟動電加熱管(10)，給相變蓄熱材料(6)加熱蓄能，將剩余部分熱量存儲到相變蓄熱材料(6)中，該相變蓄熱材料的固態(tài)密度為2.2g/cm3，液態(tài)密度為2.14g/cm3，比熱為0.84cal/g.k，熔點為79.4℃，熔解熱為73.8cal/g，該過程中總蓄熱量為92.6cal/g，其中顯熱18.8cal/g，潛熱73.8cal/g。當(dāng)相變蓄熱材料(4)的溫度達(dá)到90℃時，停止加熱，當(dāng)相變蓄熱材料的溫度低于60℃時，重新啟動電加熱管(6)進(jìn)行補(bǔ)熱。以實現(xiàn)用電低谷時段和平段邊蓄邊供熱的需要。
本發(fā)明的有益效果是，可以通過高性能相變蓄熱材料利用電加熱管、加熱套管和、導(dǎo)熱翅片、換熱盤管的傳熱完成相變材料的蓄熱、釋熱供暖(熱水)兩種功能，結(jié)構(gòu)緊湊，蓄熱密度大、體積小、安全穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的發(fā)明人一直從事能源綜合利用技術(shù)的研究和開發(fā)，尤其近幾年成功的研制發(fā)明了蓄能式電磁開水器、分層蓄熱水箱、一體化電加熱相變蓄熱模塊、一體化管道式相變蓄熱模塊、無內(nèi)膽高密度相變蓄熱供水裝置、戶式相變蓄熱供暖裝置、柜式相變蓄熱供暖空調(diào)等技術(shù)，并已獲得了以上七項專利，先后擔(dān)任了4個冰蓄冷工程和11個電鍋爐蓄熱工程的設(shè)計和工程總監(jiān)，積累了多年的實踐經(jīng)驗，加之多項豐富的專業(yè)理論知識，在經(jīng)過多次反復(fù)研究和試驗的基礎(chǔ)上，首先發(fā)明了能夠分別在7.5℃、12℃、18℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、95℃、140℃、204℃發(fā)生相變并具有較大的相變潛能(熔解熱)的混合相變材料；在此基礎(chǔ)上發(fā)明了具有劃時代意義的模塊化相變蓄熱系統(tǒng)、模塊化相變蓄冷系統(tǒng)。
本發(fā)明目的在于解決上述問題，并力求在蓄能技術(shù)及系統(tǒng)集成技術(shù)方面有較大的突破，本發(fā)明的目的可按下述實施下面結(jié)合附圖和實施例對采用本發(fā)明設(shè)計制造的新型蓄熱電熱供暖(熱水)裝置進(jìn)一步說明。
圖4所示200L無內(nèi)膽高密度蓄能電熱水裝置可實現(xiàn)1、不需加熱的情況下連續(xù)供50℃的熱水200公斤，其工作原理在用電低谷時段，時間溫度控制器(15)控制總功率為1。8kW的電加熱管(10)通過加熱套管(7)和翅片(8)加熱相變材料(6)，相變材料(6)的溫度逐漸升高，在未達(dá)到相變溫度-熔點以前存儲顯熱，相變材料獲得足夠的熱量后，達(dá)到相變溫度-熔點78.5℃，逐漸發(fā)生相變儲存潛熱，相變結(jié)束并達(dá)到設(shè)定溫度時蓄熱過程完成，斷開加熱管電源，該過程約需320分鐘，其相變材料(6)中(90kg)所儲存的總熱量為8200kcal；通過均布的導(dǎo)熱翅片(8)和u字蛇形換熱銅盤管(3)傳遞到水中，將水加熱至40-80℃，使用時將出水口閥門打開，通過調(diào)節(jié)供水溫度調(diào)節(jié)閥(14)與自來水混合至所需供水溫度，相變蓄熱材料(6)逐漸發(fā)生晶格變化----凝固，釋放所存的潛熱后，其溫度開始下降并釋放顯熱，達(dá)到規(guī)定的溫度(45℃)時，由于設(shè)計換熱溫差為5℃，出口水溫低于45℃，視為釋熱完畢，此時總共供水量超過200L。
2、邊蓄供邊加熱的情況下連續(xù)供45℃的熱水230L，其工作原理邊蓄供邊加熱打開出口供水閥門，相變材料(6)中所攜帶的熱量通過均布的導(dǎo)熱翅片和換熱管傳遞到水中實現(xiàn)供水，當(dāng)帶走的熱量使相變材料的溫度低于設(shè)定溫度時，在時間溫度控制器(15)的控制下，啟動電加熱管(10)，給相變蓄熱材料(6)加熱蓄能，將剩余部分熱量存儲到相變蓄熱材料(6)中，該相變蓄熱材料的固態(tài)密度為2.2g/cm3，液態(tài)密度為2.14g/cm3，比熱為0.84cal/g.k，熔點為79.4℃，熔解熱為73.8cal/g，該過程中總蓄熱量為90.6cal/g，其中顯熱16.8cal/g，潛熱73.8cal/g。當(dāng)相變蓄熱材料(4)的溫度達(dá)到80℃時，停止加熱，當(dāng)相變蓄熱材料的溫度低于60℃時，重新啟動電加熱管(6)進(jìn)行補(bǔ)熱，以此實現(xiàn)230L熱水供應(yīng)。
對于供230L熱水的蓄熱裝置，根據(jù)《設(shè)計規(guī)范》，其總熱負(fù)荷為8100kcal，在用電低谷時段加熱管工作5小時即可蓄滿，因此該蓄熱供水裝置加熱管(10)總功率應(yīng)為1800w-2000w，需相變材料(6)90kg，所占容積為0.05m3。
由此可見，用本發(fā)明設(shè)計的新型以電加熱為熱源的相變蓄熱供熱水裝置，可實現(xiàn)無內(nèi)膽、小體積、低谷蓄熱，削峰填谷，平衡電網(wǎng)并提高電網(wǎng)的負(fù)荷率等效用，同時由于低谷時段的電價較低，也降低了運行費用，同時還降低了初投資。
按照圖4所述的實施方式形成的其他類似的技術(shù)方案，也均屬本適用新型的保護(hù)范圍。
按照圖3所述的實施方式，若把換熱盤管的布置方式及外形與結(jié)構(gòu)更換為其他類似的技術(shù)方案，也均屬本適用新型的保護(hù)范圍，以上所述乃是本實用新型的具體實施例及所運用的技術(shù)原理，若依本實用新型的構(gòu)想所作的等效改變，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應(yīng)在本實用新型的范圍內(nèi)，特此說明。
由此可見，本發(fā)明以電加熱為熱源的供熱系統(tǒng)中，可實現(xiàn)低谷蓄熱，削峰填谷，平衡電網(wǎng)并提高電網(wǎng)的負(fù)荷率等效用，同時由于低谷時段的電價較低，也降低了運行費用。
綜上所述，本發(fā)明是對傳統(tǒng)的常規(guī)蓄冷系統(tǒng)和蓄熱系統(tǒng)的重大改進(jìn)，在蓄熱(冷)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運行模式、系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、蓄能材料推廣應(yīng)用等諸多方面都有重大突破，并對其有一定的指導(dǎo)作用。
以上所述只是本發(fā)明的部分具體應(yīng)用實例及其蓄能機(jī)理，若依本發(fā)明的構(gòu)想所做的等效改變和部分應(yīng)用，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所含蓋的精神或原理時，均應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此聲明。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及一種具有高蓄熱能力的相變材料，其特征是(1)物理特性常溫下呈灰白色固體，散裝料呈白色半透明晶體，無嗅，無揮發(fā)，密度(ρ)＝2300kg·m-3，相變溫度(tf)＝78.5℃，相變潛熱(L)＝292-296kJ·kg-1，比熱容(cp)＝4.5kJ·kg-1·C-1，導(dǎo)熱系數(shù)(λ)＝0.7kJ·m-1·℃-1·s-1。(2)化學(xué)組成八水鋇[Ba(OH)2·8H2·O]90％min；一水鋇[Ba(OH)2·H2·O]6％max；碳酸鋇[BaCO3]1.0％max；水[H2·O]3.8％max；鐵Fe0.2％max，粒度8ц(3)生產(chǎn)工藝將定量八水鋇加熱融化后繼續(xù)加熱升溫至90℃時分別順序加入定量的水、一水鋇、鐵粉、碳酸鋇。
2.本發(fā)明涉及一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅艿靡詫嶋H應(yīng)用的技術(shù)裝置及設(shè)計，其特征是所設(shè)計的裝置呈長方體或圓柱體，主要由導(dǎo)熱翅片、加熱套管、換熱管或翅片、密封殼體、加料口、溫度傳感器、控制器等部分組成。在密封殼體內(nèi)，導(dǎo)熱金屬翅片并行地垂直穿在加熱套管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行于加熱套管分布有N根銅管，并用c型彎頭穿行連接呈u字蛇形盤管，盤管的兩端一個做循環(huán)水進(jìn)口，與變頻循環(huán)水泵的出口連接，另一個做循環(huán)熱水出口，與供熱系統(tǒng)相連，進(jìn)出口之間并聯(lián)有供水溫度調(diào)節(jié)閥；加熱套管的兩端穿過并焊接在相變蓄熱殼體的左右兩側(cè)金屬板上，形成的空腔充滿相變蓄熱材料，其中部設(shè)置溫度傳感器；電加熱管穿在加熱套管內(nèi)，通過導(dǎo)線與時間溫度控制器電連接；相變蓄熱殼體的底板外側(cè)焊接金屬支撐架?？砂纯刂瞥绦?qū)崿F(xiàn)低谷蓄熱、供暖、提供生活熱水。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有高蓄熱能力的相變材料，其特征是以八水鋇為主要原料，其含量在90％以上，以一水鋇、碳酸鋇、水、鐵粉等為輔助添加劑來保證材料的蓄熱性能穩(wěn)定可靠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有高蓄熱能力的相變材料，其特征是其主要生產(chǎn)工藝是將定量八水鋇加熱融化后繼續(xù)加熱升溫至90℃時分別順序加入定量的水、一水鋇、鐵粉、碳酸鋇。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅艿靡詫嶋H應(yīng)用的技術(shù)裝置及設(shè)計，其特征是相變蓄熱殼體內(nèi)，導(dǎo)熱金屬翅片并行地垂直穿在加熱套管和換熱盤管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行于加熱套管分布有4根銅管，并用c型彎頭穿行連接呈u字蛇形盤管，盤管的兩端一個做循環(huán)水進(jìn)口，另一個做循環(huán)熱水出口，循環(huán)水流過時被相變蓄熱材料加熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅艿靡詫嶋H應(yīng)用的技術(shù)裝置及設(shè)計，其特征是垂直于加熱套管緊配合地穿有數(shù)片間距為5-10mm的導(dǎo)熱翅片，以增加傳熱面積和換熱能力。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅艿靡詫嶋H應(yīng)用的技術(shù)裝置及設(shè)計，其特征是蓄熱腔內(nèi)的相變蓄熱材料中設(shè)有溫度傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅艿靡詫嶋H應(yīng)用的技術(shù)裝置及設(shè)計，其特征是蓄熱腔內(nèi)等間距相互平行地布置有加熱套管，電加熱管穿入加熱套管內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅艿靡詫嶋H應(yīng)用的技術(shù)裝置及設(shè)計，其特征是在密封殼體上方左右兩側(cè)設(shè)有加料口。
全文摘要
本發(fā)明不僅涉及一種具有高蓄熱能力的相變材料的配方和生產(chǎn)工藝；而且涉及一種能夠?qū)⒃摬牧闲顭嵝阅馨l(fā)揮出來的應(yīng)用技術(shù)，它集電加熱、蓄熱、換熱、保溫于一體具有低谷電蓄熱功能的電熱供熱裝置的設(shè)計。該材料固態(tài)散料為白色晶體，78.5℃熔化為無色液體；附圖1所示，技術(shù)應(yīng)用裝置呈長方體或圓柱體，主要由導(dǎo)熱翅片、加熱套管、換熱盤管、密封殼體、加料口、溫度傳感器、控制器等部分組成?？砂纯刂瞥绦?qū)崿F(xiàn)低谷蓄熱、供暖、提供生活熱水。適用于工業(yè)及民用、公用建筑采暖、供生活熱水，可起到移峰填谷、調(diào)荷節(jié)電、降低費用等作用，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
文檔編號C09K5/06GK1566253SQ03148548
公開日2005年1月19日 申請日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月3日
發(fā)明者王智慧 申請人:王智慧