CN101782284A - 一种用于太阳能热水器的相变蓄热水箱 - Google Patents

一种用于太阳能热水器的相变蓄热水箱 Download PDF

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Abstract

一种用于太阳能热水器的相变蓄热水箱，其特征是具有优异的低温段蓄热能力，能有效改善太阳能热水器在阴天和冬季的工作效率。

Description

一种用于太阳能热水器的相变蓄热水箱
所属技术领域
本发明涉及一种适用于太阳能热水器的相变蓄热水箱，属于环保节能技术领域。
背景技术
水箱是太阳能热水器的重要部件之一，负责储存由太阳能集热器收集的热能。在传统的太阳能热水器水箱中，热能是以水的显热方式储存的，即在给定水箱容积的条件下，水温越高，储存的热量越多。然而，太阳能集热器的工作温度受季节和光照条件影响很大，比如在冬季或阴天时太阳能集热器的工作温度会明显下降，因此会影响到水箱的水温并进而影响到其蓄热能力。传统水箱的这一缺陷已经极大地限制了太阳能热水器的适用范围。
另一方面，相变蓄热材料(Phase Chang Materials，PCM)在过去几十年中已经得到长足的发展。众所周知，任何物质发生相变时都会吸收或释放热量。当一种物质从固态转变为液态时(如冰融化成水)，它会吸收热量。反之，当该物质从液态转化为固态时(如水冻结成冰)，它会释放出等量的热量。因为在此过程中该物质的温度不发生改变，因此相变过程中所释放或吸收的热量称为相变潜热。相变蓄热材料是一种能够伴随着其自身的液-固相变吸收或释放大量热量的物质。目前常见的相变蓄热材料包括石蜡类、脂肪酸类和结晶水合盐。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于太阳能热水器的相变蓄热水箱，其特征是能够在冬季或阴天时改善太阳能热水器的蓄热和供热水能力。
上述目的是通过一安装有一具有合适熔点的相变蓄热材料的水箱来实现的。与传统太阳能热水器水箱一样，太阳能集热器与该水箱内部的贮水进行热交换并将其加热。与传统太阳能热水器水箱不同的是，当该水箱的贮水温度升到相变蓄热材料的熔点时，相变蓄热材料开始融化，吸收贮水提供的热量，并将此热量以相变潜热的方式储存起来。只有当相变蓄热材料完全融化后，贮水温度才会继续升高。水箱开始输出热水并补充冷水后，贮水温度会逐渐下降。当贮水温度降到相变蓄能材料的凝固点时，相变蓄热材料开始凝固并将相变潜热释放给贮水。只有当相变蓄热材料完全凝固后，贮水温度才会继续下降。相变蓄热水箱的蓄热能力是贮水的显热和相变蓄热材料的潜热及显热之和。与传统水箱相比，它在低温段的蓄热能力得到极大的提升，从而令太阳能热水器在阴天和冬季的工作有效性获得改善。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的实施例之一：中心式相变蓄热水箱。
图2是本发明的实施例之二：夹层式相变蓄热水箱。
图3表示相变蓄热水箱的相对蓄热能力与贮水温度之间的关系。
具体实施方式
图1给出本发明的实施例之一，中心式相变蓄热水箱100的示意剖面图。它由金属外壳101、隔热材料102、水箱内胆103，贮水104、相变蓄热材料105、用以盛装相变蓄热材料的金属筒106、玻璃真空管接口107构成。本实施例与传统的适用于真空管和真空管热管太阳能热水器水箱的唯一不同是在其中心部位安装有一支盛装有相变蓄热材料105的金属筒106。因此，它可以无障碍地替代传统水箱被用于真空管和真空管热管太阳能热水器上。
图2给出本发明的实施例之二，夹层式相变蓄热水箱200的示意剖面图。它由金属外壳101、隔热材料102、水箱内胆108，贮水104、相变蓄热材料105、用以盛装相变蓄热材料的夹层金属筒109构成。本实施例与传统的适用于热管分体式太阳能热水器水箱的唯一不同是在其隔热材料和水箱内胆之间安装有一支填充有相变蓄热材料105的夹层金属筒109。因此，它可以无障碍地替代传统水箱被用于热管分体式太阳能热水器上。
实施例之一中的金属筒106或实施例之二中的水箱内胆108可以使用波浪金属板制造以增加贮水和相变蓄热材料之间的换热面积。
相变蓄热材料105可以是熔点处于水箱补水和出水温度之间的石蜡类、脂肪酸类或结晶水合盐类物质。如果使用导热性能较差的石蜡类或脂肪类有机物作为相变蓄热材料105，高导热材料，如金属纤维，应该与相变蓄热材料105一起混合填充到金属筒106或夹层金属筒109中，以提高其综合导热系数。
相变蓄热水箱100或200的工作原理如下：太阳能集热器(未示出)与贮水104进行热交换并将其加热。当贮水104的温度升高到相变蓄热材料105的熔点时，相变蓄热材料105开始融化，吸收贮水104提供的热量，并将此热量以相变潜热的方式储存起来。只有当相变蓄热材料105完全融化后，贮水104的温度才会继续升高。当水箱开始输出热水并补充冷水后，贮水104的温度会逐渐下降。当贮水104的温度降到相变蓄能材料105的凝固点时，相变蓄热材料105开始凝固并将相变潜热释放给贮水104。只有当相变蓄热材料105完全凝固后，贮水104的温度才会继续下降。相变蓄热水箱的蓄热能力是贮水的显热和相变蓄热材料的潜热及显热之和。
以传统水箱的蓄热能力为基数，相变蓄热水箱的相对蓄热能力，QR，可由下式给出：
Q R = 1 + ( C PCM ( T - T 0 ) + L C water ( T - T 0 ) - 1 ) · f
式中，CPCM和Cwater分别是相变蓄热材料和贮水的单位体积等压热容，L是相变蓄热材料的单位体积相变潜热，T是贮水温度，T0是补水温度(相变蓄热材料105的相变温度必须在T和T0之间)，f是相变蓄热材料105的水箱容积分数。令CPCM＝2.1千焦耳/升·度，Cwater＝4.2千焦耳/升·度，L＝150千焦耳/升，T0＝20℃，f＝0.6，代入以上公式得到QR与贮水温度T的关系示于图3。由此可见，相变蓄热水箱具有优异的低温段蓄热能力，因此能有效改善太阳能热水器在阴天和冬季的工作有效性。这一点可以通过下面的例子得到更具体的说明。
考虑两个总容积均为60升的传统水箱和相变蓄热水箱，贮水温度均为40℃，补水温度均为20℃。在把贮水从20℃加热到40℃过程中，传统水箱蓄热5040千焦。在连续补水状态下，该水箱能够输出温度为35℃的热水20升。假设在该相变蓄热水箱的总容积中有60％的空间安装的是潜热为150千焦耳/升，比热为2.1千焦耳/升.度，熔点为36.6℃的相变蓄能材料，其余为水。在把贮水从20℃加热到40℃过程中，该相变蓄能水箱蓄热8928千焦。在连续补水状态下，该水箱能够输出温度为35℃的热水123.7升。在上述条件下，同样容积的相变蓄热水箱的蓄热量和出水量分别比传统水箱高77％和519％，蓄热和供热水能力大大提高。
需要强调指出的是，上面给出的具体实施例仅为方便阐述本发明之工作原理。实施者可以应用本发明之工作原理对上述具体实施例进行多种多样的修改和细节完善。但所有如此产生的实施例变种都属于本发明之工作原理的具体体现，因此亦被包含在本发明之权利要求书中所要求的权利范围内。

Claims (7)

1.一种用于太阳能热水器的相变蓄热水箱，由金属外壳、隔热材料、水箱内胆和相变蓄热材料构成，其特征是具有优异的低温段蓄热能力，能有效改善太阳能热水器在阴天和冬季的工作效率。
2.一种根据权力要求1所述的相变蓄热水箱，其特征是所述相变蓄热材料是熔点处于水箱补水和出水温度之间的石蜡类、脂肪酸类或结晶水和盐类物质。
3.一种根据权力要求1所述的相变蓄热水箱，其特征是所述相变蓄热材料被盛放在位于水箱中心部位的金属筒内，可以替代传统水箱被用于真空管和真空管热管太阳能热水器上。
4.一种根据权力要求1所述的相变蓄热水箱，其特征是所述相变蓄热材料被盛放在位于水箱隔热材料和水箱内胆之间的夹层金属筒内，可以替代传统水箱被用于热管分体式太阳能热水器上。
5.一种根据权力要求1所述的相变蓄热水箱，其特征是通过在所述相变蓄热材料中混合加入诸如金属纤维之类的高导热材料来提高其综合导热系数。
6.一种根据权力要求2所述的相变蓄热水箱，其特征是所述金属筒可以使用波浪金属板制造以增加贮水和相变蓄热材料之间的换热面积。
7.一种根据权力要求3所述的相变蓄热水箱，其特征是所述水箱内胆可以使用波浪金属板制造以增加贮水和相变蓄热材料之间的换热面积。
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