CN108088297A - 一种组装式分区域模块化相变储热器及其制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种组装式分区域模块化相变储热器及其制备，相变储热器包括一个或复数个分区域模块化相变储热组件，分区域模块化相变储热组件包括至少一个相变储热单元，相变储热单元由定形复合相变材料，和插在定形复合相变材料中并露出两端管接头的换热管组成，其中，定形复合相变材料由相变材料和膨胀石墨复合而成，同一分区域模块化相变储热组件的相变储热单元之间的管接头采用卡套连接。与现有技术相比，本发明具有相变过程无液体泄漏、传热能力强、储放热效率高、易组装集成等特点，通过改变储热模块的数量和连接方式可以更好的满足外界用户对不同储热容量和储放热速率的需求，整个储热器节能环保、储放热快、便于组装和维护等。
Description
技术领域
本发明涉及热能存储与利用的技术领域，尤其是涉及一种组装式分区域模块化相变储热器及其制备。
背景技术
随着社会的发展，人们已逐渐认识到，建筑环境对人类的寿命、工作效率、产品质量起着极为重要的作用，对建筑环境的要求也越来越高，这也就意味着越来越多的能源将被投入到建筑环境控制中。
当前建筑能耗总量在我国能源消费总量中的份额正在不断增加，而建筑采暖和热水供应也是建筑节能的重点，是备受关注的研究话题。从资源角度来讲，我国有着极其丰富的太阳能资源，并且绝大部分地区都适合太阳能的开发和利用。另外，电采暖也是当前建筑采暖中的一种重要方法，如果可以将谷时段的电能以热能的形式储存起来在峰时段使用，因为峰谷段电价的不同便可给用户带来很大的经济效益，同时减轻用电高峰电厂的压力。然而，太阳能和低谷电能有着时间上不连续性的特征，如何最大化的有效利用它们成为当前的热点问题。与此同时，工业生产中也存在着大量的工业余热废热没有被利用，而相变储能技术可以很好的解决以上能源供需在时间和空间上不匹配的矛盾。
相变储能技术中普遍存在相变材料导热系数较小和换热器换热效率较低等问题，成为相变储能技术市场化的最大障碍。将相变材料与一些基体材料如膨胀石墨均匀混合制备成的定型定形复合相变材料，其导热系数相比原相变材料大大增加，并且具有储能密度高、结构简单、相变时无液体泄漏、性能稳定、无毒害、无腐蚀、寿命长等优点。
目前，传统的相变储热器普遍存在换热效率低、结构复杂、性能单一和使用寿命短等缺点，将定形复合相变材料制成储热单元，使其模块化生产、连接和组装，开发一种可根据用户需求定制规格且功能多元化的组装式分区域模块化相变储热器，在充分利用太阳能、低谷电能和工业余废热的同时，也可以提供给用户更加便捷和舒适的体验，是未来节能型建筑的发展趋势。
申请号为201310274843.6的发明专利“蓄热模块及蓄热器”，公开了一种储热模块及储热器，该储热模块具有换热效率高的优点，可以使相变储能材料实现一次性融化储能，在常温下相变储能材料可处于稳定过冷态，存储相变能长达一年之久而不会出现自发结晶和分相的现象。该发明还提供一种储热器，包括上述的储热模块，所述储热模块为两个以上，相邻的所述储热模块彼此相连。但该储热模块结构较为复杂，且对容器工艺条件要求较高，一方面不便于生产和维修，另一方面相变材料的稳定性容易受到影响从而降低储热器的工作效率。
申请号为201610098857.0的发明专利“一种模块化相变储热供热单元及其制造方法”，公开了一种模块化相变储热供热单元及其制造方法，该方法所得的储热基体，因铜管与定形复合相变材料紧密接触，大大降低了接触热阻，具有较高的换热系数及换热效率，且完成一次储热后，储存的热量既可用于热水供应，又可以用于暖气供应。但对于储热器而言，适应不同条件下的储放热需求是非常重要的，采用该储热供热单元，无法很好的针对不同热源和不同热量需求进行有效调节，有可能产生热量过剩和供需不匹配等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组装式分区域模块化相变储热器及其制备。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种组装式分区域模块化相变储热器，包括一个或复数个以串联、并联或串并联方式组合的分区域模块化相变储热组件，所述的分区域模块化相变储热组件包括至少一个相变储热单元，所述的相变储热单元由定形复合相变材料，和插在定形复合相变材料中并露出两端管接头的换热管组成，其中，所述的定形复合相变材料由相变材料和膨胀石墨复合而成，同一分区域模块化相变储热组件的相变储热单元之间的管接头采用卡套连接。换热管可采用铜管等。
优选的，所述的相变材料为脂肪酸、直链烷烃、多元醇或水合盐等。相变材料在定形复合相变材料中所占质量百分比可根据传热强化需求进行调整。
优选的，所述的膨胀石墨加热制备温度600～1000℃为宜，所得膨胀石墨体积大于50mL/g为宜。
优选的，所述的分区域模块化相变储热组件采用保温材料包裹，不同的分区域模块化相变储热组件通过金属隔板隔开。
优选的，卡套与管接头组成的连通管路上设有控制阀门，并使得不同的分区域模块化相变储热组件实现串联、并联、串并联、部分利用以及单个分区域模块化相变储热组件独立运作。
组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，优选包括以下步骤：
(1)：将膨胀石墨与相变材料混合均匀，然后均匀吸热，得到定形复合相变材料；
(2)：再将定形复合相变材料倒入内部设定位置已布置好换热管的模具中，沿换热管轴线方向压缩定形复合相变材料成型，得到相变储热单元，并保证其内部换热管与定形复合相变材料紧密接触，且换热管两端露出管接头；
(3)：连接接通相变储热单元中的换热管，使得各相变储热单元之间串联组成分区域模块化相变储热组件；
(4)：利用保温材料包裹分区域模块化相变储热组件，由单个或复数个以串联或并联方式连接并组成所述组装式分区域模块化相变储热器。
优选的，步骤(1)中吸热的温度为高于相变材料相变温度30～50℃的环境，吸热的时间为3-4h。吸热过程为使相变材料完成相变过程，液态相变材料具有一定流动性可以更加充分地被膨胀石墨吸附，吸热时间3-4h是保证所有相变材料充分完成相变过程，使复合材料尽可能的均匀。相变材料能否被膨胀石墨均匀的吸附影响到定形复合相变材料的导热性和热稳定性，如温度过低或时间过短可能导致相变材料相变不完全分布不均。
优选的，步骤(1)中吸热的温度为高于相变材料相变温度40℃。
优选的，步骤(2)中定形复合相变材料的可压密度范围由相变材料自身密度和石墨质量百分比决定，理想密度为在保证热稳定性(相变材料相变时不泄漏)和满足外观需求下可压制的密度为700～1100kg/m3为宜，此时定型复合相变材料的导热和体积储热密度较高。
优选的，步骤(2)中相变储热单元中换热管两端露出的管接头的长度不小于30mm，以便进行卡套连接并给复合相变材料储热后体积膨胀提供空间。
本发明的整个相变储热器可根据相变材料相变温度和应用场所的不同，选择热泵、太阳能、工业余废热、谷电为热源完成储热过程，储存热量可通过风机盘管末端向室内供暖或直接为用户提供不同温度的热水。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)、本发明所得的相变储热单元，定形复合相变材料本身具有较高的导热系数，同时因铜管(即换热管)紧密嵌入在复合相变材料中，接触热阻很小，该模块具有较高的换热系数及换热效率。
2)、本发明可通过控制复合相变材料的体积、密度和配比，得到具有一定储热量和导热系数的相变储热单元和分区域模块化相变储热组件，将一定数量的分区域模块化相变储热组件进行分区域组装即可满足相应的储热放热要求。
3)、本发明所得到的组装式分区域模块化相变储热器，可以通过串联、并联、部分利用以及不同区域独立运作等工作方式完成储热和放热，能更好的满足用户需求，也提高了储放热效率。
4)、本发明所得到的组装式分区域模块化相变储热器适配热源广泛，有着显著的节能效果，储存的热量既可用于热水供应，又可以用于暖气供应。
5)、本发明所得到的组装式分区域模块化相变储热器拆卸组装简单，便于进行结构调整和维护。
附图说明
图1为本发明的相变储热单元的结构示意图；
图2为本发明的组装式分区域模块化相变储热器的流程示意图；
图3为本发明的组装式分区域模块化相变储热器的结构示意图；
图4为本发明的组装式分区域模块化相变储热器工作时的示意图；
图中，1-风机盘管，2-电加热器，3-阀门a，4-分区域模块化相变储热组件，5-阀门b，6-阀门c，7-阀门d，8-阀门e，9-阀门f，10-阀门g，11-阀门h，12-阀门i，13-阀门j，14-阀门k，15-阀门l，16-阀门m，17-阀门n，18-循环水泵，19-定形复合相变材料，20-换热管，21-卡套，22-金属隔板，23-保温材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种组装式分区域模块化相变储热器，包括一个或复数个以串联、并联或串并联方式组合的分区域模块化相变储热组件4，所述的分区域模块化相变储热组件4包括至少一个相变储热单元，所述的相变储热单元由定形复合相变材料19，和插在定形复合相变材料19中并露出两端管接头的换热管20组成，其中，所述的定形复合相变材料19由相变材料和膨胀石墨复合而成，同一分区域模块化相变储热组件4的相变储热单元之间的管接头采用卡套21连接。换热管20可采用铜管等。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的相变材料为脂肪酸、直链烷烃、多元醇或水合盐等。相变材料在定形复合相变材料19中所占质量百分比可根据传热强化需求进行调整。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的膨胀石墨加热制备温度600～1000℃为宜，所得膨胀石墨体积大于50mL/g为宜。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的分区域模块化相变储热组件4采用保温材料23包裹，不同的分区域模块化相变储热组件4通过金属隔板22隔开。
作为本发明的一种优选的实施方式，卡套21与管接头组成的连通管路上设有控制阀门，并使得不同的分区域模块化相变储热组件4实现串联、并联、串并联、部分利用以及单个分区域模块化相变储热组件4独立运作。
组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，优选包括以下步骤：
(1)：将膨胀石墨与相变材料混合均匀，然后均匀吸热，得到定形复合相变材料19；
(2)：再将定形复合相变材料19倒入内部设定位置已布置好换热管20的模具中，沿换热管20轴线方向压缩定形复合相变材料19成型，得到相变储热单元，并保证其内部换热管20与定形复合相变材料19紧密接触，且换热管20两端露出管接头；
(3)：连接接通相变储热单元中的换热管20，使得各相变储热单元之间串联组成分区域模块化相变储热组件4；
(4)：利用保温材料23包裹分区域模块化相变储热组件4，由单个或复数个以串联或并联方式连接并组成所述组装式分区域模块化相变储热器。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(1)中吸热的温度为高于相变材料相变温度30～50℃的环境，吸热的时间为3-4h。吸热过程为使相变材料完成相变过程，液态相变材料具有一定流动性可以更加充分地被膨胀石墨吸附，吸热时间3-4h是保证所有相变材料充分完成相变过程，使复合材料尽可能的均匀。相变材料能否被膨胀石墨均匀的吸附影响到定形复合相变材料19的导热性和热稳定性，如温度过低或时间过短可能导致相变材料相变不完全分布不均。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(1)中吸热的温度为高于相变材料相变温度40℃。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(2)中定形复合相变材料19被压缩至可压密度范围由相变材料自身密度和石墨质量百分比决定，理想密度为在保证热稳定性(相变材料相变时不泄漏)和满足外观需求下可压制的密度为700～1100kg/m3为宜，此时定型复合相变材料的导热和体积储热密度较大。
作为本发明的一种优选的实施方式，步骤(2)中相变储热单元中换热管20两端露出的管接头的长度不小于30mm，以便进行卡套21连接并给复合相变材料储热后体积膨胀提供空间。
实施例1
一种相变储热单元，其结构如图1所示，由定形复合相变材料19和嵌在定形复合相变材料19内的8根换热管20(即铜管)构成，所述铜管内为水流通道。
本实施例中，定形复合相变材料19由硬脂酸(相变温度约68℃)和膨胀石墨复合而成。
本实施例中，8根换热管20均匀嵌入在定形复合相变材料19中，二者紧密接触。储热单元的两端，换热管20各留出了长度30mm的余量，以便进行卡套21连接并给复合相变材料储热后体积膨胀提供空间。
上述相变储热模块的制造方法，包括以下步骤：
(1)将高膨胀度的膨胀石墨与高细度的硬脂酸粉末按一定质量比混合并搅拌均匀后进行加热吸附得到定形复合相变材料19，硬脂酸熔化过程中进行多次搅拌使其受热均匀；
(2)将步骤(1)中得到的定形复合相变材料19倒入内部相应位置已经固定好换热管20的模具中，沿着换热管20轴线方向压缩定形复合相变材料19至其理想密度。
(3)打开模具将储热模块取出，所述的储热模块换热管20和材料紧密接触，尺寸为400*300*150mm(其中沿换热管20方向为长为400mm)，两端各露出30mm的换热管20；
本实施例中，将15块该相变储热单元之间和其内部换热管20接头均使用标准的卡套21进行连接，每三块串联组成一个分区域模块化相变储热组件4，共得到五个分区域模块化相变储热组件4，分区域模块化相变储热组件4按层排列，组装成分区域模块化相变储热器。分区域模块化相变储热组件4之间通过金属隔板22(铝合金板)和保温材料23隔开，铝合金板提供一定的结构强度避免下层储热模块受压后变形，保温材料23则避免了各区域储热模块储放热过程中的相互影响。相变储热器结构如图3所示。
本实施例中，选择谷电为热源完成相变储热器的储热过程，储存热量通过风机盘管1末端向室内供暖。
本实施例中，所述相变储热器中各储热单元之间的串并联控制可通过相应管路的控制阀门的开闭来控制，可以实现串联、并联、部分利用以及不同区域独立运作等功能，工作方式示意图如图4所示。
(1)并联工作模式如下：
储热阶段，打开阀门a 3、阀门b 5、阀门c 6、阀门e 8、阀门f 9、阀门g 10、阀门h11、阀门j 13、阀门l 15、阀门n 17，其余阀门关闭，此时各储热单元之间处于并联状态，打开电加热器2和循环水泵18，通入高温水加热储热单元至相变材料完全熔化后关闭电加热器2、阀门l 15和循环水泵18，完成储热过程。
放热阶段，打开风机盘管1(1个或多个)、阀门k 14和循环水泵18，对室内进行持续供暖至相变储热器中热量完全释放完，关闭风机盘管1、阀门k 14和循环水泵18，放热过程结束。
(2)串联工作模式如下：
储热阶段，打开阀门a 3、阀门d 7、阀门i 12、阀门l 15、阀门n 17，其余阀门关闭，此时各储热单元之间处于串联状态，打开电加热器2和循环水泵18，通入高温水加热储热单元至相变材料完全熔化后关闭电加热器2、阀门l 15和循环水泵18，完成储热过程。
放热阶段，打开风机盘管1(1个或多个)、阀门k 14和循环水泵18，对室内进行持续供暖至相变储热器中热量完全释放完，关闭风机盘管1、阀门k 14和循环水泵18，放热过程结束。
本实施例中，并联工作模式水流量大，总供暖功率较大但房间温升相对较小，适合冷负荷较低时多个房间(即多个风机盘管末端)同时供暖；串联工作模式水流量小，总供暖功率较小但房间温升相对较大，适合冷负荷较大时单个房间(即单个风机盘管末端)供暖。
本实施例中，风机盘管供暖量可以通过改变储热器中循环水流量来调节，也可以通过改变相变储热器工作模式进行调节。
本实施例中，相变储热器工作模式包括但不限于并联工作模式和串联工作模式，例如当阀门a 3、阀门d 7、阀门j 13、阀门k 14、阀门n 17开启，其余阀门关闭时，上三层储热单元串联放热；当阀门f 9、阀门h 11、阀门j 13、阀门k 14、阀门m 16开启，其余阀门关闭时，下两层储热单元串联放热；当阀门a 3、阀门e8、阀门j 13、阀门k 14、阀门n 17开启，其余阀门关闭时，最上层储热单元单独放热；当阀门a 3、阀门b 5、阀门c 6、阀门e 8、阀门j13、阀门k 14、阀门n 17开启，其余阀门关闭时，上三层储热单元并联放热。
本实施例中，相变储热器的总储热量可根据室内冷负荷大小和不同房间供暖需求随时间的变化来合理的选择相变储热器的工作模式。
该相变储热器可根据应用场所的不同，选择热泵、太阳能、工业余废热、谷电为热源完成储热过程，储存热量可通过风机盘管末端向室内供暖或直接为用户提供不同温度的热水，拥有节能环保、储放热快、便于组装和维护等优点。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种组装式分区域模块化相变储热器，其特征在于，包括一个或复数个分区域模块化相变储热组件，所述的分区域模块化相变储热组件包括至少一个相变储热单元，所述的相变储热单元由定形复合相变材料，和插在定形复合相变材料中并露出两端管接头的换热管组成，其中，所述的定形复合相变材料由相变材料和膨胀石墨复合而成，同一分区域模块化相变储热组件的相变储热单元之间的管接头采用卡套连接。
2.根据权利要求1所述的一种组装式分区域模块化相变储热器，其特征在于，所述的相变材料为脂肪酸、直链烷烃、多元醇或水合盐。
3.根据权利要求1所述的一种组装式分区域模块化相变储热器，其特征在于，所述的膨胀石墨的加热制备温度600～1000℃为宜，其膨胀体积大于50mL/g为宜。
4.根据权利要求1所述的一种组装式分区域模块化相变储热器，其特征在于，所述的分区域模块化相变储热组件采用保温材料包裹，不同的分区域模块化相变储热组件通过金属隔板隔开。
5.根据权利要求1所述的一种组装式分区域模块化相变储热器，其特征在于，卡套与管接头组成的连通管路上设有控制阀门，并使得不同的分区域模块化相变储热组件实现串联、并联、串并联、部分利用以及单个分区域模块化相变储热组件独立运作。
6.如权利要求1-5任一所述的组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)：将膨胀石墨与相变材料混合均匀，均匀吸热，得到定形复合相变材料；
(2)：再将定形复合相变材料倒入内部设定位置已布置好换热管的模具中，沿换热管轴线方向压缩定形复合相变材料成型，得到相变储热单元，并保证其内部换热管与定形复合相变材料紧密接触，且换热管两端露出管接头；
(3)：连接接通相变储热单元中的换热管，使得各相变储热单元之间串联组成分区域模块化相变储热组件；
(4)：利用保温材料包裹分区域模块化相变储热组件，由单个或复数个以串联或并联方式连接并组成所述组装式分区域模块化相变储热器。
7.根据权利要求6所述的组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中吸热的温度为高于相变材料相变温度30～50℃的环境，吸热的时间为3-4h。
8.根据权利要求6所述的组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中吸热的温度为高于相变材料相变温度40℃。
9.根据权利要求6所述的组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中定形复合相变材料被压缩至700～1100kg/m3。
10.根据权利要求6所述的组装式分区域模块化相变储热器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中相变储热单元中换热管两端露出的管接头的长度不小于30mm。
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