專利名稱：一種相變換熱型中溫儲熱器及其制造和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能利用設(shè)備，具體涉及一種相變換熱型中溫儲熱器及其制造和應(yīng)用，屬于能源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能是一種清潔、環(huán)保、高效和永不衰竭的新能源，太陽能熱利用產(chǎn)品市場巨大，所以各個(gè)國家都將太陽能資源利用作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。目前，在太陽能熱利用當(dāng)中，太陽能熱水器的技術(shù)已相對成熟，但是仍然有些不盡如人意的地方。例如，這些熱水器大多都只能提供80度以下的低溫?zé)崴糜谌粘Ｉ睿荒芴峁┕I(yè)所需要的水溫達(dá)到一百多度的高溫空氣或水蒸氣。太陽能空調(diào)系統(tǒng)是太陽能熱利用的一個(gè)極有前途的領(lǐng)域，目前已有很多樣板性工程運(yùn)行，也有大量系統(tǒng)專利提出。為了實(shí)現(xiàn)陰雨天和夜間也能利用太陽能制冷，太陽能空調(diào)系統(tǒng)必須帶有完整的儲熱換熱系統(tǒng)，但目前尚沒有帶有儲熱換熱器的太陽能空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行，其主要原因是現(xiàn)在的太陽能空調(diào)系統(tǒng)的太陽能集熱器只能將水加熱到接近90°C上下，然后熱水直接進(jìn)入溴化鋰吸收式制冷機(jī)，而溴化鋰吸收式制冷機(jī)熱源工質(zhì)的溫度最低為80°C，如果要使用儲熱器的儲熱/放熱過程來為溴化鋰吸收式制冷機(jī)提供熱源工質(zhì)80°C以上的熱水，現(xiàn)有的集熱器或儲熱器都無法完成這一任務(wù)。目前國內(nèi)外雖然已經(jīng)有很多太陽能儲熱技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究、工程技術(shù)開發(fā)和專利，并且使用的儲熱材料也種類繁多，但是他們多集中于太陽能低溫?zé)崴畠幔?00°C至200°C區(qū)間的太陽能儲熱應(yīng)用寥寥無幾。此夕卜，已有的各類儲熱器在結(jié)構(gòu)和儲熱放熱原理方面大致相同一類方法是在致密性的儲熱材料內(nèi)埋設(shè)傳熱管道，通過儲熱材料和管路間導(dǎo)熱方式吸熱/放熱；另一類是將致密性的儲熱材料封閉在各種管道和容器中，管道和容器沉浸在換熱工質(zhì)中。這些儲熱器的性能直接與儲熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，因?yàn)楝F(xiàn)在儲熱材料幾乎都是低導(dǎo)熱系數(shù)材料，雖然已經(jīng)采用各種技術(shù)強(qiáng)化儲熱材料導(dǎo)熱系數(shù)以及改變換熱管道布置方式，但是目前各類儲熱換熱器的換熱性能都不高。對于此類儲熱器，提高儲熱材料導(dǎo)熱系數(shù)現(xiàn)在依然是一個(gè)研究重點(diǎn)。一般的方法是將儲熱材料填充進(jìn)各類泡沫金屬或石墨材料組成一種致密性復(fù)合儲熱材料，這類復(fù)合相變儲熱材料研究和專利目前是儲熱材料技術(shù)專利的主流。在已有的相變換熱儲熱器中，雖然也有利用儲熱器中傳熱介質(zhì)的相變換熱傳遞熱量，但是全部儲熱材料依然是被包裹在密封金屬管道或密封金屬容器中，密封容器沉浸在傳熱介質(zhì)中。儲熱時(shí)，高溫?zé)嵩醇訜醾鳠峤橘|(zhì)(液體)產(chǎn)生池內(nèi)沸騰，熱量通過金屬壁面進(jìn)入儲熱材料，通過儲熱材料整體的導(dǎo)熱在內(nèi)部傳遞熱量。在放熱時(shí)，儲熱材料作為熱源，通過整體材料導(dǎo)熱將熱量通過金屬壁面?zhèn)鬟f到傳熱介質(zhì)液體中，液體蒸發(fā)再將熱量傳遞給冷源工質(zhì)。儲熱材料內(nèi)部導(dǎo)熱依然是主要熱阻。另外，儲熱材料的傳熱面僅僅是金屬包裹容器的壁面表面積。而在本專利究中，相變傳熱介質(zhì)直接和顆粒狀儲熱材料填層接觸，全部顆粒狀儲熱材料的巨大的表面積都是傳熱面，單個(gè)儲熱材料顆粒的體積很小，內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻幾乎可以忽略。
在現(xiàn)有的相關(guān)太陽能集熱儲熱技術(shù)文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)公開號為CN201032291的中國專利，名稱為一種太陽能儲熱單元及其構(gòu)成的整體式太陽能熱水器，其特征在于包括真空集熱管和儲熱組件，儲熱組件設(shè)置在真空集熱管內(nèi)，儲熱組件又包括封閉管、進(jìn)水管和出水管。其儲熱介質(zhì)為水，屬于一種初級的儲熱技術(shù)，但比較有代表性。與其相似的專利中，儲熱材料可以是各種相變材料，如石蠟，石蠟和其他材料的混合物等，如中國專利公開號CN201327216，發(fā)明名稱為復(fù)合能源太陽能相變蓄熱供熱裝置，其主要含有太陽能集熱管、相變蓄熱體，特點(diǎn)是相變蓄熱體置于太陽能集熱管內(nèi)，出水支管置于相變蓄熱體中，進(jìn)水支管置于出水支管內(nèi)。其所采用的是石蠟類低溫固液相變材料。在現(xiàn)有的相關(guān)太陽能空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)中國專利號為200620050140. 0，專利名稱太陽能空調(diào)系統(tǒng)。該專利由雙效吸收式制冷機(jī)和太陽能集熱系統(tǒng)兩大部分組成，而太陽能集熱系統(tǒng)又由太陽能集熱器、太陽能控制組、管路構(gòu)成，太陽能集熱器為桁架上固定拋物面板和設(shè)于拋物境面焦點(diǎn)處的集熱管，集熱管通過管路、太陽能控制組與雙效吸收式制冷機(jī)的高溫發(fā)生器連通。該專利是一種能夠在陰天也能提供較高溫度熱水太陽能空調(diào)系統(tǒng)。中國專利號為200920185550. X，專利名稱太陽能空調(diào)系統(tǒng)。該太陽能空調(diào)系統(tǒng)有采暖和制冷兩部分組成，采暖通過太陽能集熱器提供熱源，由太陽能集熱器直接向室內(nèi)散熱器提供熱水；而制冷由太陽能光伏電板提供太陽能轉(zhuǎn)變的電力，向蒸發(fā)式冷氣機(jī)供電，由蒸發(fā)式冷氣機(jī)供冷。這兩個(gè)專利基本代表了目前太陽能空調(diào)系統(tǒng)的主流技術(shù)，其特點(diǎn)是；集熱器集熱溫度較低，直接提供熱水供給制冷機(jī)，沒有儲熱器或者只象征性地帶有一個(gè)低溫儲熱器。此外，已經(jīng)授權(quán)的、由本申請人持有的中國專利，專利號ZL 200910311344. 3，發(fā)明專利名稱真空管套管組合式兩用型太陽能加熱器，是一種由CPC集熱板和全玻璃真空集熱管組成的中溫太陽能集熱器，該集熱器熱效率高且穩(wěn)定，可以在全年提供120°c以上的水蒸氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種相變換熱型中溫儲熱器，其采用固液相變材料作為儲熱的中間介質(zhì)，并利用該中間介質(zhì)的相變換熱傳遞熱量，從而達(dá)到提高儲熱器換熱能力、延長使用壽命的效果；本發(fā)明還提供一種應(yīng)用所述相變換熱型中溫儲熱器的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)以及一種構(gòu)成所述相變換熱型中溫儲熱器的儲熱材料的制備方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種相變換熱型中溫儲熱器，其為一封閉耐壓容器，包括箱體、多個(gè)圈架、篩網(wǎng)、蓄熱堆積層和換熱管，所述多個(gè)圈架分別水平地固定于所述箱體下部的內(nèi)壁上，所述多個(gè)篩網(wǎng)分別放置于各圈架上，所述蓄熱堆積層分別鋪設(shè)于各篩網(wǎng)上，該蓄熱堆積層由復(fù)合相變儲熱材料和沙?；旌隙?，所述換熱管設(shè)置于箱體上部的內(nèi)腔中，該換熱管的管腔與箱體的內(nèi)部隔絕且與箱體外部相通，其中流動有導(dǎo)熱工質(zhì)。所述的復(fù)合相變儲熱材料為顆粒狀，其由有機(jī)膨潤土與聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比組成，或者由有機(jī)膨潤土與低密度聚乙烯按2 I的質(zhì)量比組成。所述的相變換熱型中溫儲熱器使用水和水蒸氣作為其相變傳熱工質(zhì)，該相變傳熱工質(zhì)直接在顆粒狀復(fù)合相變儲熱材料表面蒸發(fā)或冷凝實(shí)現(xiàn)相變換熱；在儲熱階段，相變換熱型中溫儲熱器是一個(gè)開口流動系統(tǒng)，集熱器提供的水蒸汽流入該相變換熱型中溫儲熱器，通過蓄熱堆積層內(nèi)冷凝放熱，水蒸氣的冷凝潛熱被所述復(fù)合相變儲熱材料吸收儲存；在放熱階段，關(guān)閉所述相變換熱型中溫儲熱器進(jìn)出口閥門，將原來開放式的相變換熱型中溫儲熱器變?yōu)榉忾]空間，所述復(fù)合相變儲熱材料表面附著的水被加熱為水蒸氣，該水蒸氣上升到換熱管表面冷凝，加熱換熱管內(nèi)導(dǎo)熱工質(zhì)，而水蒸氣再次被冷凝成水滴落到蓄熱堆積層內(nèi)；由此循環(huán)往復(fù)完成所述復(fù)合相變儲熱材料和換熱管間的熱傳遞。本發(fā)明的另一技術(shù)方案如下一種用于所述相變換熱型中溫儲熱器的復(fù)合相變儲熱材料的制備方法，其特征在于將有機(jī)膨潤土和聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比配制后放入一有攪拌裝置的加熱容器內(nèi)一邊加熱一邊攪拌，加熱到160°C后保持該溫度攪拌I小時(shí)，使溶解的聚乙烯臘全部被有機(jī)膨潤土吸附，最后得到平均粒徑為3mm的顆粒狀的復(fù)合相變儲熱材料。本發(fā)明的又一技術(shù)方案如下一種由所述的相變換熱型中溫儲熱器構(gòu)成的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)，其包括中溫太陽能集熱器、相變換熱型中溫儲熱器、制冷機(jī)、回水泵、熱水泵和儲水箱，所述的中溫太陽能集熱器為真空管套管組合式兩用型太陽能加熱器，該中溫太陽能集熱器的進(jìn)口通過回水泵與所述儲水箱相連接，并且其出口通過水蒸汽閥門與所述相變換熱型中溫儲熱器相連接，所述儲水箱通過出水閥門與所述相變換熱型中溫儲熱器相連接，所述相變換熱型中溫儲熱器的換熱管一端通過熱水泵與制冷機(jī)相連接，另一端直接與制冷機(jī)相連接。與現(xiàn)有通過致密性儲熱材料導(dǎo)熱換熱的儲熱器相比，本發(fā)明所述的相變換熱型中溫儲熱器吸熱和放熱過程的熱量傳遞是通過儲熱器內(nèi)中間介質(zhì)的相變變化進(jìn)行的，其換熱原理不是儲熱材料的熱傳導(dǎo)，而是通過中間介質(zhì)的相變換熱來傳遞熱量，故而本專利稱之為相變換熱型中溫儲熱器。因此本發(fā)明所述的相變換熱型中溫儲熱器能夠達(dá)到以下有益效果(I)相變換熱方式不僅本身換熱系數(shù)高，而且復(fù)合相變儲熱材料表面整體換熱面積非常大，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的儲熱和放熱效率，儲熱材料與換熱管路之間的溫差可以忽視，兩者之間的傳熱熱阻比傳統(tǒng)導(dǎo)熱型儲熱材料要低2個(gè)數(shù)量級，因此本發(fā)明所述儲熱器的換熱能力十分優(yōu)異。(2)儲熱材料是一種復(fù)合相變材料，以多孔質(zhì)顆粒狀態(tài)放置在儲熱器中，儲熱材料的導(dǎo)熱性能與儲熱/放熱特性無關(guān)，因此儲熱器對儲熱材料的導(dǎo)熱性能沒有特別要求。(3)復(fù)合相變儲熱材料中的聚乙烯臘以納米級尺度被吸附封存在膨潤土的納米插層中，因此在反復(fù)的相變過程中不會出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，從而保證了其長期的重復(fù)性使用壽命。(4)換熱管路安裝隨意，不需任何強(qiáng)化措施，蓄熱堆積層安放更換也十分簡單，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所述的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)是一種綜合高效太陽能真空管集熱和顆粒狀中溫復(fù)合固液相變材料蓄熱/放熱以及相變儲熱換熱器三種技術(shù)為一身的用于全天候運(yùn)行的太陽能空調(diào)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是(I)中溫太陽能集熱器由CPC集熱板和普通的全真空玻璃集熱管組成，能夠提供120°C左右的中溫水蒸氣作為高品質(zhì)熱源工質(zhì)。(2)集熱器的蒸汽工質(zhì)不直接進(jìn)入制冷機(jī)，而是進(jìn)入儲熱器放熱后冷凝為水再流回集熱器，形成一個(gè)回路；而制冷機(jī)工質(zhì)通過換熱管在儲熱器內(nèi)吸熱，形成另一個(gè)回路，因此兩種工質(zhì)在儲熱器中形成相隔離的雙回路，儲熱材料和換熱管路分別處于相變換熱型中溫儲熱器內(nèi)不同的空間而沒有直接接觸。(3)與所述中溫太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)配套的相變換熱型中溫儲熱器能夠在白天提供用于太陽能空調(diào)的120°C水蒸氣，晚上提供110°C左右的水蒸汽，用以加熱制冷機(jī)用熱水，滿足了制冷機(jī)運(yùn)行需要；儲熱器換熱性能的提高使集熱器工質(zhì)的溫度能夠盡可能降低，從而使整個(gè)中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)的太陽能熱利用率有了大幅度提高。


圖1為本發(fā)明的相變換熱型中溫儲熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I中溫太陽能集熱器，2相變換熱型中溫儲熱器，3制冷機(jī)，4回水泵，5熱水泵，6儲水箱，7箱體，8水蒸汽進(jìn)口，9水蒸汽閥門，10出水口，11出水閥門，12換熱管，13換熱管支撐架，14圈架，15篩網(wǎng)，16蓄熱堆積層，17保溫材料，18安全閥，19壓力表，20溫度傳感器，21泄水口，22空氣充氣口，23充氣閥門。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本發(fā)明的技術(shù)方案為前提下給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。請參閱圖1，圖示相變換熱型中溫儲熱器2為一不銹鋼制的封閉耐壓容器，包括箱體7、多個(gè)圈架14、篩網(wǎng)15、蓄熱堆積層16和換熱管12。本實(shí)施例中，所述箱體7為一直徑1. 2m,總高1. 5m，壁厚3mm的不銹鋼圓筒形容器，其外周包裹有保溫材料17 ;該箱體7上方分別設(shè)有依次連接的水蒸汽閥門9和水蒸汽進(jìn)口 8，以及依次連接的壓力表19、溫度傳感器20和安全閥18 ;箱體7下方分別設(shè)有泄水口 21，以及依次連接的出水閥門11和出水口 10 ;所述箱體7的外壁上還設(shè)置有依次連接的進(jìn)氣閥門23和空氣充氣口 22，以便向箱體7內(nèi)部充入氣壓為2個(gè)大氣壓的空氣以形成壓力環(huán)境。所述多個(gè)圈架14為圓環(huán)形，其分別水平地焊接固定于所述箱體7下部的內(nèi)壁上。所述多個(gè)篩網(wǎng)15分別放置于各圈架14上，該篩網(wǎng)15由不銹鋼板和200目的不銹鋼絲網(wǎng)制成。所述蓄熱堆積層16分別鋪設(shè)于各篩網(wǎng)15上，該蓄熱堆積層16是由復(fù)合相變儲熱材料和沙粒混合而成的多孔質(zhì)堆積層，蒸汽和水可以通過絲網(wǎng)，而蓄熱材料卻不會泄露出來；該蓄熱堆積層16厚度約50mm，其層數(shù)根據(jù)需要而定。所述換熱管12設(shè)置于箱體7上部的內(nèi)腔中，通過固定于箱體7內(nèi)壁上的換熱管支撐架13懸置于蓄熱堆積層16的上方；該換熱管12的管腔與箱體7的內(nèi)部隔絕且與箱體7外部相通，其中流動有向制冷機(jī)提供的導(dǎo)熱工質(zhì)；換熱管12管路的形狀、管徑和管路長度可根據(jù)需要設(shè)定。所述的復(fù)合相變儲熱材料為顆粒狀，其相變溫度在110°C，對其導(dǎo)熱性能無特殊要求。本實(shí)施例中，該復(fù)合相變儲熱材料由有機(jī)膨潤土與聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比組成。所述的相變換熱型中溫儲熱器2使用水和水蒸氣作為其相變傳熱工質(zhì)，該相變傳熱工質(zhì)直接在顆粒狀復(fù)合相變儲熱材料表面蒸發(fā)或冷凝實(shí)現(xiàn)相變換熱；在儲熱階段，相變換熱型中溫儲熱器2是一個(gè)開口流動系統(tǒng)，集熱器提供的水蒸汽流入該相變換熱型中溫儲熱器2，通過蓄熱堆積層16內(nèi)冷凝放熱，水蒸氣的冷凝潛熱被所述復(fù)合相變儲熱材料吸收儲存；在放熱階段，關(guān)閉所述相變換熱型中溫儲熱器2的進(jìn)出口閥門，將原來開放式的相變換熱型中溫儲熱器2變?yōu)榉忾]空間，所述復(fù)合相變儲熱材料表面附著的水被加熱為水蒸氣，該水蒸氣上升到換熱管12表面冷凝，加熱換熱管12內(nèi)的導(dǎo)熱工質(zhì)，而水蒸氣再次被冷凝成水滴落到蓄熱堆積層16內(nèi)；由此循環(huán)往復(fù)完成所述復(fù)合相變儲熱材料和換熱管12間的熱傳遞。根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同聚乙烯蠟有不同的熔點(diǎn)和相變潛熱，熔點(diǎn)大致在95°C到118°C之間，如日本產(chǎn)為113°C，韓國產(chǎn)為118°C上下。本專利所用的聚乙烯蠟由國內(nèi)某廠家提供，表I列出了其商品聚乙烯蠟的物性。聚乙烯蠟在與有機(jī)膨潤土組合成復(fù)合相變儲熱材料之后物性幾乎沒有變化。表I聚乙烯臘的物理特性
儲熱材料相變溫度相變焓密度導(dǎo)熱系數(shù)比熱容熔點(diǎn)外觀
0CkJ kgW/(mK) kJ/kg 0C
聚乙烯臘 107-1102100.162,3 107-110 白色粉末有機(jī)膨潤土的物性隨廠家的不同也有較大變化，但對復(fù)合相變儲熱材料的儲熱性能本身影響很小。下面給出某廠家生產(chǎn)的有機(jī)膨潤土的一般物性比熱0.78KJ/(KgK)，導(dǎo)熱系數(shù)O. 83W/ (mK)，密度2g/cm3，表觀粘度24mPas，蒙脫石含量> 95%，白度88，膨脹倍數(shù)23，硬度2.8，粒度/目數(shù)400目，形狀白色精細(xì)粉末，PH值6-7。當(dāng)有機(jī)膨潤土與聚乙烯蠟兩種材料混合后，復(fù)合相變儲熱材料的熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)和相變潛熱幾乎沒有變化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在反復(fù)加熱冷凝3次后，復(fù)合相變儲熱材料的質(zhì)量溢出率(加熱/冷卻后的相變材料質(zhì)量與加熱/冷卻前的相變材料質(zhì)量之比)約為3%，此后繼續(xù)反復(fù)加熱冷卻，質(zhì)量溢出率幾乎為零，顯示了本復(fù)合相變儲熱材料優(yōu)異的可重復(fù)使用性倉泛。上述復(fù)合相變儲熱材料的制備方法如下將有機(jī)膨潤土和聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比配制后放入一有攪拌裝置的加熱容器內(nèi)一邊加熱一邊攪拌，加熱到160°C后保持該溫度攪拌I小時(shí)，使溶解的聚乙烯臘全部被有機(jī)膨潤土吸附，最后得到平均粒徑為3_的顆粒狀的復(fù)合相變儲熱材料。對少量大顆粒材料可以用木榔頭輕輕敲碎，所述加熱溫度和材料混合比例對復(fù)合相變儲熱材料表觀性能影響很大，需要十分注意。所述儲熱材料即需要有一定儲水性同時(shí)又要保證透氣性，由于有機(jī)膨潤土是疏水性材料，因而復(fù)合相變儲熱材料表面是疏水性的。為了增加復(fù)合相變儲熱材料的儲水性和透氣性，將復(fù)合相變儲熱材料和少量細(xì)砂混合后，再次放入加熱容器內(nèi)一邊加熱一邊攪拌，加熱到160°C后保持該溫度攪拌I小時(shí)，絕大部分細(xì)沙將粘附在復(fù)合相變儲熱材料顆粒表面上形成親水表面結(jié)構(gòu)，從而制備成蓄熱堆積層16，實(shí)驗(yàn)測量后得到的蓄熱堆積層16堆放空隙率約為40%。
所述復(fù)合相變儲熱材料也可以由有機(jī)膨潤土與低密度聚乙烯按2 I的質(zhì)量比組成，其制備方法與上述方法類同。所述的相變換熱型中溫儲熱器2的工作原理如下在白天，集熱器提供的水蒸汽溫度(120°C左右)高于復(fù)合相變儲熱材料相變溫度(110°C左右)，一部分水蒸氣在換熱管12外冷凝放熱，從而對管道中流過的制冷用熱水進(jìn)行加熱，熱水在制冷機(jī)中循環(huán)工作；另外大部分水蒸氣在蓄熱堆積層16內(nèi)部冷凝放熱，水蒸氣的冷凝潛熱被復(fù)合相變儲熱材料吸收，復(fù)合相變儲熱材料由固相變?yōu)橐合?。而在夜晚，關(guān)閉相變換熱型中溫儲熱器2的各進(jìn)出口閥門，將原來開放式的相變換熱型中溫儲熱器2變?yōu)榉忾]空間，此時(shí)換熱管12中仍然循環(huán)流動的制冷用熱水不停地從相變換熱型中溫儲熱器2中的水蒸氣冷凝過程中吸熱，相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)水蒸汽不斷持續(xù)被冷凝成水滴，水蒸氣質(zhì)量減少，相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)蒸汽壓力和溫度將逐漸下降到復(fù)合相變儲熱材料的相變溫度(110°C )以下；在此之后復(fù)合相變儲熱材料開始相變放熱(液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài))，顆粒狀復(fù)合相變儲熱材料表面附著的水被加熱為水蒸氣，這些水蒸氣上升到換熱管12表面冷凝，加熱換熱管12內(nèi)的流動熱水(溫度由85°C增加到90°C )，而水蒸氣再次被冷凝成水滴落到蓄熱堆積層16內(nèi)，如此循環(huán)往復(fù)，完成復(fù)合相變儲熱材料和換熱管12間的熱傳遞。這種換熱機(jī)理非常類似于熱管換熱機(jī)理。所述相變換熱型中溫儲熱器2利用熱管換熱特性實(shí)現(xiàn)了非常高的儲熱和放熱效率，其復(fù)合相變儲熱材料和換熱管12之間的傳熱熱阻比儲熱材料導(dǎo)熱換熱方式要低I到2個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，顆粒狀復(fù)合相變儲熱材料充滿水和水蒸氣，相變換熱過程在蓄熱堆積層16內(nèi)各處同時(shí)進(jìn)行，顆粒表面有效傳熱面積非常大，使得相變換熱型中溫儲熱器2的相變傳熱能力非常優(yōu)異，復(fù)合相變儲熱材料與換熱管12之間的溫差幾乎可以忽略，復(fù)合相變儲熱材料顆粒內(nèi)部的溫差也幾乎可以忽略。在相變換熱型中溫儲熱器2的儲熱和放熱過程中，相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)水蒸汽的溫度是不一樣的(儲熱時(shí)水蒸汽溫度大約120°C，放熱時(shí)水蒸汽溫度大約110°C )。而換熱管12內(nèi)熱水溫度要保持穩(wěn)定，因此在白天和晚間要通過調(diào)節(jié)換熱管12管路的回路流量來調(diào)節(jié)換熱管12內(nèi)的水流速，以保證相同的換熱功率。圖2為本發(fā)明的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖示中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)包括中溫太陽能集熱器1、相變換熱型中溫儲熱器2、制冷機(jī)3、回水泵4、熱水泵5和儲水箱6。所述中溫太陽能集熱器I的進(jìn)口通過回水泵4與所述儲水箱6相連接，并且其出口通過水蒸汽閥門9與所述相變換熱型中溫儲熱器2相連接，所述儲水箱6通過出水閥門11與所述相變換熱型中溫儲熱器2相連接，所述相變換熱型中溫儲熱器2的換熱管12—端通過熱水泵5與制冷機(jī)3相連接，另一端直接與制冷機(jī)3相連接。所述的中溫太陽能集熱器I為真空管套管組合式兩用型太陽能加熱器，該真空管套管組合式兩用型太陽能加熱器是已經(jīng)授權(quán)的、由本申請人持有的中國專利(發(fā)明專利名稱；真空管套管組合式兩用型太陽能加熱器，專利號ZL 200910311344. 3)，為一種由CPC集熱板和全玻璃真空集熱管組成的中高溫承壓式集熱器。該集熱器I可以在白天向吸收式空調(diào)制冷機(jī)3提供120°C以上的水蒸汽用做制冷熱源，同時(shí)相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)的復(fù)合相變儲熱材料吸收儲存多余熱量，晚間相變換熱型中溫儲熱器2可以向吸收式空調(diào)制冷機(jī)3提供110°C水蒸汽用做制冷熱源。所述相變換熱型中溫儲熱器2的大小、體積和使用復(fù)合相變儲熱材料的質(zhì)量根據(jù)整個(gè)太陽能空調(diào)系統(tǒng)的功率而定，整體系統(tǒng)可以包括數(shù)個(gè)并聯(lián)的相變換熱型中溫儲熱器2。本實(shí)施例的制冷機(jī)3的功率為7. 5kW，效率O. 75。按白天中溫太陽能集熱器2工作時(shí)間8小時(shí)、晚間工作8小時(shí)計(jì)算，對應(yīng)的中溫太陽能集熱器2的輸出功率大于20kW，其中IOkW直接用于白天制冷，相變換熱型中溫儲熱器2將剩余的熱能儲存起來供晚間8個(gè)小時(shí)工作使用，儲熱量大于384000kJ，所需聚乙烯臘的質(zhì)量約為1500kg。相變換熱型中溫儲熱器2的直徑為1. 2m,總高1. 5m，數(shù)量為5個(gè)相同尺寸的相變換熱型中溫儲熱器2，每個(gè)相變換熱型中溫儲熱器2使用聚乙烯臘300kg，分別鋪設(shè)于10個(gè)篩網(wǎng)，每個(gè)篩網(wǎng)上堆積30kg。復(fù)合相變儲熱材料采用有機(jī)膨潤土和聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比配制，總質(zhì)量接近5000kg,復(fù)合相變儲熱材料的顆粒大小為3mm左右,蓄熱堆積層16的空隙率保持在30% -40%左右，以利于吸收水分和透過蒸汽。制冷機(jī)3的換熱管12以串聯(lián)方式通過每個(gè)相變換熱型中溫儲熱器2，根據(jù)計(jì)算，換熱管12采用內(nèi)徑12mm，總長20m的銅管，即每個(gè)相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)只要2m長換熱管12，一般采用一根U型管即可。熱水泵5的揚(yáng)程為20m，一個(gè)50W小功率水泵就能滿足要求。在整體系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，通過空氣充氣口 22和進(jìn)氣閥門23向相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)充入空氣使相變換熱型中溫儲熱器2和中溫太陽能集熱器I管路壓力達(dá)到2個(gè)大氣壓，以保證水在中溫太陽能集熱器I內(nèi)被加熱到120度左右，沸騰蒸發(fā)為水蒸汽后進(jìn)入相變換熱型中溫儲熱器2，因?yàn)樗羝麥囟缺仨毟哂趶?fù)合相變儲熱材料的相變溫度(IlO0C )，水蒸汽最后才能冷凝成過冷水流回儲水箱6，再被回水泵4打入中溫太陽能集熱器I完成循環(huán)；反之，如果水蒸汽溫度低于復(fù)合相變儲熱材料的相變溫度，水蒸汽將回流到儲水箱6和回水泵4中，從而造成回水泵4堵塞。為避免此情況發(fā)生，實(shí)際復(fù)合相變儲熱材料的置放量應(yīng)比計(jì)算值多一些。所述的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)的工作過程如下在白天相變換熱型中溫儲熱器2儲熱階段，打開回水泵4向中溫太陽能集熱器I供水，太陽輻射能被中溫太陽能集熱器I吸收，加熱中溫太陽能集熱器I管內(nèi)流動的水，過冷水最終在中溫太陽能集熱器I的出口蒸發(fā)為水蒸汽，向相變換熱型中溫儲熱器2提供2個(gè)大氣壓左右，120°C的水蒸汽。然后開啟制冷機(jī)3的供水循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)熱水泵5流量，保證制冷機(jī)3供水溫度在90°C到95°C之間。中溫太陽能集熱器I的水蒸汽進(jìn)入相變換熱型中溫儲熱器2后經(jīng)過換熱管12表面和通過蓄熱堆積層16，一部分水蒸汽與換熱管12內(nèi)的流動熱水進(jìn)行熱交換，在換熱管12表面冷凝成飽和水滴落，大部分水蒸汽通過復(fù)合相變儲熱材料并與之進(jìn)行熱交換，在復(fù)合相變儲熱材料表面冷凝成飽和水。在相變換熱型中溫儲熱器2的最下方蓄熱堆積層16內(nèi)，飽和水放熱變成過冷水，這些過冷水被回水泵4抽回中溫太陽能集熱器I完成集熱器工質(zhì)循環(huán)。過程開始時(shí)調(diào)節(jié)回水泵4的供水流量，使相變換熱型中溫儲熱器2的入口蒸汽溫度略高于相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)壓力所對應(yīng)的水飽和溫度，即水蒸汽應(yīng)達(dá)到干蒸汽程度，此后運(yùn)行時(shí)水蒸汽溫度只要高于復(fù)合相變儲熱材料相變溫度即可。在晚間相變換熱型中溫儲熱器2放熱階段，關(guān)閉相變換熱型中溫儲熱器2的進(jìn)出口閥門形成封閉空間。由于制冷機(jī)3的供水循環(huán)依然在運(yùn)行，制冷機(jī)工質(zhì)仍然在換熱管12內(nèi)流動吸熱，所以相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)的剩余水蒸汽在換熱管12表面不斷冷凝放熱，相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)的水蒸汽質(zhì)量減少，蒸汽壓力下降，對應(yīng)的相變換熱型中溫儲熱器2內(nèi)水蒸汽溫度也不斷下降。在溫度下降到復(fù)合相變儲熱材料的相變溫度(110°C)以下后，復(fù)合相變儲熱材料開始相變放熱，加熱其表面粘附的水變?yōu)?10°C左右的水蒸汽，這些水蒸汽上升后與換熱管12進(jìn)行熱交換，再冷凝成水滴落到蓄熱堆積層16層內(nèi)，如此循環(huán)反復(fù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合相變儲熱材料和換熱管12內(nèi)流動水之間的熱量傳遞。這時(shí)由于水蒸汽與制冷機(jī)3供水溫度之間的溫差減小，傳熱性能降低，因而為了保證制冷機(jī)3供水溫度依然在90°C左右，需要適當(dāng)手動調(diào)節(jié)制冷機(jī)3的水流量。在白天中溫太陽能集熱器I工作時(shí)，相變換熱型中溫儲熱器2進(jìn)出口閥門打開，相變換熱型中溫儲熱器2與中溫太陽能集熱器I加熱管形成一個(gè)循環(huán)流路，流出相變換熱型中溫儲熱器2的熱水用回水泵4泵回中溫太陽能集熱器I。在晚間中溫太陽能集熱器I不工作時(shí)，關(guān)閉相變換熱型中溫儲熱器2進(jìn)出口閥門，使之形成封閉容器。本實(shí)施例中的中溫太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)和與之配套的相變換熱型中溫儲熱器2可在白天提供用于太陽能空調(diào)的120°C水蒸氣，晚上提供110°C左右水蒸汽以加熱制冷機(jī)3用熱水，滿足制冷機(jī)3運(yùn)行需要。所述相變換熱型中溫儲熱器2利用多孔質(zhì)復(fù)合相變儲熱材料的巨大傳熱表面和熱管相變換熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非常高的儲熱和放熱效率，其復(fù)合相變儲熱材料和換熱管12之間的傳熱熱阻比傳統(tǒng)導(dǎo)熱型儲熱材料的要低2個(gè)數(shù)量級，復(fù)合相變儲熱材料和換熱管12管路之間的溫差可以忽略。相變換熱型中溫儲熱器2性能的提高能夠使中溫太陽能集熱器I的工質(zhì)溫度盡量降低，從而大幅度提高整體系統(tǒng)的太陽能熱利用率。
權(quán)利要求
1.一種相變換熱型中溫儲熱器，其特征在于所述中溫儲熱器為一耐壓容器，其包括箱體、多個(gè)圈架、篩網(wǎng)、蓄熱堆積層和換熱管，所述多個(gè)圈架分別水平地固定于所述箱體下部的內(nèi)壁上，所述多個(gè)篩網(wǎng)分別放置于各圈架上，所述蓄熱堆積層分別鋪設(shè)于各篩網(wǎng)上，該蓄熱堆積層由復(fù)合相變儲熱材料和沙?；旌隙桑鰮Q熱管設(shè)置于箱體上部的內(nèi)腔中，該換熱管的管腔與箱體的內(nèi)部隔絕且與箱體外部相通，其中流動有導(dǎo)熱工質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變換熱型中溫儲熱器，其特征在于所述的復(fù)合相變儲熱材料為顆粒狀，其由有機(jī)膨潤土與聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變換熱型中溫儲熱器，其特征在于所述的復(fù)合相變儲熱材料為顆粒狀，其由有機(jī)膨潤土與低密度聚乙烯按2 I的質(zhì)量比組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變換熱型中溫儲熱器，其特征在于使用水和水蒸氣作為所述相變換熱型中溫儲熱器內(nèi)的相變傳熱工質(zhì)，該相變傳熱工質(zhì)直接在顆粒狀復(fù)合相變儲熱材料表面蒸發(fā)或冷凝實(shí)現(xiàn)相變換熱；在儲熱階段，相變換熱型中溫儲熱器是一個(gè)開口流動系統(tǒng)，集熱器提供的水蒸汽流入該相變換熱型中溫儲熱器，通過蓄熱堆積層內(nèi)冷凝放熱，水蒸氣的冷凝潛熱被所述復(fù)合相變儲熱材料吸收儲存；在放熱階段，關(guān)閉所述相變換熱型中溫儲熱器進(jìn)出口閥門，將原來開放式的相變換熱型中溫儲熱器變?yōu)榉忾]空間，所述復(fù)合相變儲熱材料表面附著的水被加熱為水蒸氣，該水蒸氣上升到換熱管表面冷凝，加熱換熱管內(nèi)導(dǎo)熱工質(zhì)，而水蒸氣再次被冷凝成水滴落到蓄熱堆積層內(nèi)；由此循環(huán)往復(fù)完成所述復(fù)合相變儲熱材料和換熱管間的熱傳遞。
5.一種用于權(quán)利要求2所述相變換熱型中溫儲熱器的復(fù)合相變儲熱材料的制備方法，其特征在于將有機(jī)膨潤土和聚乙烯臘按2. 2 I的質(zhì)量比配制后放入一有攪拌裝置的加熱容器內(nèi)一邊加熱一邊攪拌，加熱到160°C后保持該溫度攪拌I小時(shí)，使溶解的聚乙烯臘全部被有機(jī)膨潤土吸附，最后得到平均粒徑為3mm的顆粒狀的復(fù)合相變儲熱材料。
6.一種由權(quán)利要求1所述的相變換熱型中溫儲熱器構(gòu)成的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述的太陽能空調(diào)系統(tǒng)包括中溫太陽能集熱器、相變換熱型中溫儲熱器、制冷機(jī)、回水泵、熱水泵和儲水箱，所述中溫太陽能集熱器的進(jìn)口通過回水泵與所述儲水箱相連接，并且其出口通過水蒸汽閥門與所述相變換熱型中溫儲熱器相連接，所述儲水箱通過出水閥門與所述相變換熱型中溫儲熱器相連接，所述相變換熱型中溫儲熱器的換熱管一端通過熱水泵與制冷機(jī)相連接，另一端直接與制冷機(jī)相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)，其特征在于所述的中溫太陽能集熱器為真空管套管組合式兩用型太陽能加熱器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種相變換熱型中溫儲熱器及其構(gòu)成的中溫太陽能空調(diào)系統(tǒng)，該相變換熱型中溫儲熱器為一封閉耐壓容器，包括箱體、多個(gè)圈架、篩網(wǎng)、蓄熱堆積層和換熱管，多個(gè)圈架分別水平地固定于箱體下部的內(nèi)壁上，多個(gè)篩網(wǎng)分別放置于各圈架上，蓄熱堆積層分別鋪設(shè)于各篩網(wǎng)上，該蓄熱堆積層由復(fù)合相變儲熱材料和沙粒混合而成，換熱管設(shè)置于箱體上部的內(nèi)腔中，該換熱管的管腔與箱體的內(nèi)部隔絕且與箱體外部相通，其中流動有導(dǎo)熱工質(zhì)，所述中溫儲熱器使用水和水蒸氣作為其相變傳熱工質(zhì)，該相變傳熱工質(zhì)直接在顆粒狀復(fù)合相變儲熱材料表面蒸發(fā)或冷凝實(shí)現(xiàn)相變換熱。本發(fā)明具有換熱能力優(yōu)異、太陽能熱利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、制造容易和使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號F24F5/00GK103017368SQ20121055264
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者劉振華, 陳彥君, 趙峰, 肖紅升 申請人:上海交通大學(xué), 桑夏太陽能股份有限公司