CN104864596A - 一种相变储能热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相变储能热水器，包括换热器外壳，换热器外壳内有保温材料层，所述保温材料层内是内胆，所述内胆包括内胆外壳，所述内胆内填充有相变材料，相变材料的填充体积占内胆体积的80％-98％，在所述相变材料中埋设有换热盘管，在所述相变材料中均匀分布设置电加热机构，在所述相变材料中设置有温度传感器，相变材料温度传感器和电加热机构电连接至控制器，控制器安装于换热器外壳上。本发明的相变储能热水器结构紧凑、加热均匀、传热性能好、出水效率高。

Description

一种相变储能热水器

技术领域

本发明涉及热水器技术领域，具体涉及一种相变储能热水器。

背景技术

相变储能热水器是利用相变储能材料热焓值高，储能密度大的优点，将电能或热能储存在相变储能热水器相变材料中，需要热水时用自来水通过换热盘管置换出相变材料中储存的热量。相变材料热焓值高的特性决定了相变储能热水器有很多优点，与已有储水式热水器相比，该热水器结构更加小巧，内部储水少、没有死水，可以杜绝结垢现象的发生，电加热相变材料，可以做到电水分离，安全性好。

目前已有的相变热水器，如CN203880936U所述热水器，包含蒸发器、压缩机、节流阀、换热盘管、盘管式热水管等，换热器结构复杂，另外，在相变材料中，需要同时浸埋换热盘管和盘管式热水管两种盘管，二者分别在在蓄、放热过程中走不同介质，因此，与相变材料的接触面积都相对较小，影响相变材料蓄放热效果；CN204084826U中所述电加热元件方式，会使相变材料产生局部过热，其它部位材料蓄热不充分，甚至达不到相变点的问题，影响相变材料储热性能；CN102654308所述热水器用泵循环水加热相变材料，在热水器中需设置水泵和水容器，增加了热水器的复杂性，降低了热水器的空间利用率，另外，相变材料封装在管道外若干个容器中，不利于相变材料的自然对流，影响其传热效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种结构紧凑、加热均匀、传热性能好、出水效率高的相变储能热水器。

本发明的技术方案是：一种相变储能热水器，包括换热器外壳，换热器外壳内有保温材料层，所述保温材料层内是内胆，所述内胆包括内胆外壳，所述内胆内填充有相变材料，相变材料的填充体积占内胆体积的80％-98％，在所述相变材料中埋设有换热盘管，在所述相变材料中均匀分布设置电加热机构，在所述相变材料中安装有相变材料温度传感器，相变材料温度传感器和电加热机构电连接至控制器，控制器安装于换热器外壳上。

本发明的相变储能热水器，进一步包括：所述换热盘管一端连接冷水进水口，一端连接热水出水口，热水出水口处安装有温度传感器，并电连接至控制器。

本发明的相变储能热水器，所述电加热机构可以是电热丝，优选是均匀分布于相变材料中的硅胶电热线、铁氟龙电热线或二者复合材料电热线。

本发明的相变储能热水器，所述电加热机构是均匀缠绕在换热盘管上或缠绕在电热线缠绕架上的电热丝，均匀分布于相变材料中。

本发明的相变储能热水器，所述电热线由电加热机构线出口引出接线。

本发明的相变储能热水器，所述换热盘管是水的流道，由若干组U型管串联或并联组成。所述换热盘管为碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金或复合材料的光管/翅片管。所述翅片管为机械加工或轧制、钎焊或气体保护焊、或高频焊的翅片管，翅片形式为绕片式、镶嵌式、套片式、或串片式。

本发明的相变储能热水器，所述相变材料是可以储存/释放潜热和部分显热的材料。所述相变材料优选是在40-90℃之间的各种相变材料，包括结晶水合盐、金属及合金类、石蜡类、非石蜡有机类、陶瓷基复合材料等相变材料；更优选地，在上述相变材料中加导热增强材料，包括金属材料、石墨、碳纳米管、泡沫材料。

本发明相变储能热水器，所述换热器外壳可以为圆筒形、立方形等各种外形，优选为立方形。

本发明的相变储能热水器，其中换热器外壳作用是封装、固定保温层，固定控制器，及展示产品外观的作用；保温材料层有绝热效果，防止热量散发损失；内胆是热水器的相变储能单元，内含电加热机构、相变材料、换热盘管、温度传感器。相变储能热水器蓄热、放热过程都在内胆中进行；电加热机构提供电能以加热相变材料，均匀缠绕在换热盘管上或缠绕在电热线缠绕架上，均匀放置于相变材料中，使相变材料加热充分、均匀、稳定，不会出现相变材料过热，延长相变材料使用寿命；相变材料可以储存/释放潜热和部分显热，其占内胆体积的80％-98％，为相变材料体积膨胀预留空间；相变材料是在40-90℃之间的各种相变材料，包括结晶水合盐、金属及合金类、石蜡类、非石蜡类有机类、陶瓷基复合材料等相变材料，为提高导热性能，可以在材料中加导热增强材料，如金属材料、石墨、碳纳米管、泡沫材料等；换热盘管是水的流道，由若干组U型管串、并联组成，自来水从冷水进水口进入，热水出水口流出，通过换热盘管与相变材料进行热量交换，带走相变材料中储存的潜热和部分显热；换热盘管材质为碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金光管/翅片管或复合材料翅片管；翅片管制造工艺包括机械加工或轧制、钎焊或气体保护焊、高频焊、绕片式、镶嵌式、套片式、串片式等；热水出口温度传感器，测量热水出水温度，根据该传感器测量值启动电加热机构；相变材料温度传感器用于测量相变材料的温度，控制器根据此温度计控制电加热机构停止。

本发明的优点和取得的技术效果是：

1、电加热机构直接加热相变材料蓄能，提高电能利用率，节能环保。

2、电加热机构单位面积电功率较小，均匀分布于相变材料中，使相变材料可以稳定加热至相变点以上，储存潜热和部分显热，提高了其蓄热量，相变材料不会出现局部过热，提高其使用寿命。

3、将电热线缠绕在缠绕架上，由缠绕架支架固定，在插入到换热盘管的间隙中，加工工艺简单，加热均匀。

4、换热盘管为若干组U型盘管串、并联，均匀埋设在相变材料中，换热盘管与相变材料充分接触，使相变材料中热量能快速、均匀释放。

5、电热线均匀缠绕在换热盘管上，加热时可以先将换热盘管附近的相变材料加热，而相变材料储存显热很少，因此相变材料温度很快可以升至相变点，储存潜热，如果用户需要使用热水较少，只需加热换热盘管周围部分相变材料，冷水通过换热盘管可以带走这部分热量，做到需要多少热量储存多少热量，避免热量的浪费。

6、相变储能热水器采用热焓值大的相变储能材料，储能密度高，因此体积小巧，比市面上相同热水输出量的储热式热水器相比，体积减少约60％～70％。该相变储能热水器结构紧凑，体积小巧，因此外表面积小，减少了热量的散发，更加节能环保。

7、该相变储能热水器可以利用“谷”电的价格优势，在“谷”电期间充热，“峰”电期间放热。

附图说明

图1是本发明实施例1的相变储能热水器的左剖视图；

图2是本发明实施例1的相变储能热水器的正剖视图；

图3是本发明实施例2的相变储能热水器的左剖视图；

图4是本发明实施例2的相变储能热水器的正剖视图；

图5是本发明实施例1、实施例2的相变储能热水器蓄热曲线；

图6是本发明实施例1、实施例2的相变储能热水器放热曲线；

其中图1和图2中：1.换热器外壳；2.保温材料层；3.内胆；4.内胆外壳；5.相变材料；6.换热盘管；7.电加热机构；8.相变材料温度传感器；9.控制器；10.冷水入水口；11.热水出水口；12.出水口温度传感器；13电加热机构线出口；14.电热线缠绕架；15缠绕架支架。

具体实施方式

为进一步说明本发明，结合以下实施例具体说明：

实施例1

一种相变储能热水器，结构详见图1、图2，包括一换热器外壳1，换热器外壳1内有保温材料层2，所述保温材料层内是内胆3，所述内胆3包括内胆外壳4，内填充有相变材料5，相变材料5占内胆3体积的80％-98％，所述相变材料5中埋设有换热盘管6，所述相变材料5中均匀分布设置电加热机构7，所述相变材料5中安装有相变材料温度传感器8，温度传感器8和电加热机构7电连接至控制器9，控制器安装于换热器外壳1上，换热盘管一端连接冷水进水口10，一端连接热水出水口11，热水出水口11安装有温度传感器12，并电连接至控制器9。

电加热机构7是均匀缠绕在换热盘管6上的电热线。电热线由电加热机构线出口13引出接线。电热线包括硅胶电热线、铁氟龙电热线或二者复合材料电热线。

换热盘管6是水的流道，由若干组U型管串联或并联组成。换热盘管为碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金或复合材料的光管/翅片管。

相变材料是在40-90℃之间的各种相变材料，包括结晶水合盐、金属及合金类、石蜡类、非石蜡有机类、陶瓷基复合材料等相变材料；或者在上述相变材料中加导热增强材料，包括金属材料、石墨、碳纳米管、泡沫材料。

上述热水器的工作原理如下：

热水出水口温度传感器12低于设定值时，手动/控制器自动启动电加热机构7加热相变材料5，至温度传感器8温度达到设定值时，相变材料5储存潜热和部分显热，控制器9控制电加热机构7停止加热。需要使用热水时，自来水从冷水进水口10进入，带走相变材料5储存的热量，热水从热水出水口11流出供用户使用，至温度传感器8低于设定值，再启动电加热机构7加热。

由于电加热机构7是电热线，可以均匀缠绕在换热盘管6上，因此，加热时可以先将换热盘管6附近的相变材料5加热，而相变材料5储存显热很少，因此相变材料5温度很快可以升至相变点，储存潜热，如果用户需要使用热水较少，只需加热换热盘管6周围部分相变材料5，冷水通过换热盘管6可以带走这部分热量，做到需要多少热量储存多少热量，避免热量的浪费。

对本热水器的放热效率进行了测试，测试时间：2015年4月1号；测试地点：北京；自来水温度：14℃；启动即热机构，用2kW的电功率将相变储能材料加热至80℃，完全熔化，停止加热，见图5所示；用流量为5L/min，水温为14℃的自来水放热，测试得40℃以上有效得热量大于85％，远远超过电热水器1级能效等级的标准，见图6放热曲线，说明该相变储能热水器的输出热水集中在高品位段，大大提高了热水的利用率，节能效果显著。

实施例2

一种相变储能热水器，结构详见图4、图5，包括一换热器外壳1，换热器外壳1内有保温材料层2，所述保温材料层内是内胆3，所述内胆3包括内胆外壳4，内填充有相变材料5，相变材料5占内胆3体积的80％-98％，所述相变材料5中埋设有换热盘管6，电加热机构7均匀分布于相变材料5中，温度传感器8固定在相变材料5中，温度传感器8和电加热机构7电连接至控制器9，控制器安装于换热器外壳1上，换热盘管一端连接冷水进水口10，一端连接热水出水口11，热水出水口11安装有温度传感器12，并电连接至控制器9。

电加热机构7是均匀缠绕在电热线缠绕架14上的电热线，均匀放置于换热盘管6间，并由缠绕架支架15支撑。电热线由电加热机构线出口13引出接线。电热线缠绕架14在内胆内呈V型螺旋分布。

换热盘管6是水的流道，由若干组U型管串联或并联组成。换热盘管为碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金或复合材料的光管/翅片管。

相变材料是在40-90℃之间的各种相变材料，包括结晶水合盐、金属及合金类、石蜡类、非石蜡有机类、陶瓷基复合材料等相变材料；或者在上述相变材料中加导热增强材料，包括金属材料、石墨、碳纳米管、泡沫材料。

上述热水器的工作原理如下：

热水出水口温度传感器12低于设定值时，手动/控制器自动启动电加热机构7加热相变材料5，至温度传感器8温度达到设定值时，相变材料5储存潜热和部分显热，控制器9控制电加热机构7停止加热。需要使用热水时，自来水从冷水进水口10进入，带走相变材料5储存的热量，热水从热水出水口11流出供用户使用，至温度传感器8低于设定值，再启动电加热机构7加热。

由于电加热机构7是电热线，可以均匀缠绕在电热线缠绕架14上，因此，加工时可以先将电热线缠绕在缠绕架14上，然后插入到换热盘管的间隙中，再由缠绕架支架固定，加工工艺简单，加热均匀。

由于只是改变了电热线的固定方式，不会对相变储能的蓄、放热性能造成影响，相变储能热水器蓄热曲线见图5所示，放热曲线见图6所示。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种相变储能热水器，其特征在于：包括换热器外壳(1)，换热器外壳(1)内有保温材料层(2)，所述保温材料层(2)内是内胆(3)，所述内胆(3)包括内胆外壳(4)，内胆外壳(4)内填充有相变材料(5)，相变材料(5)的填充体积占内胆(3)体积的80％-98％，在所述相变材料(5)中埋设有换热盘管(6)，在所述相变材料(5)中均匀分布设置电加热机构(7)，在所述相变材料(5)中设置有相变材料温度传感器(8)；相变材料温度传感器(8)和电加热机构(7)电连接至控制器(9)，控制器安装于换热器外壳(1)上。

2.根据权利要求1所述的相变储能热水器，其特征在于：所述换热盘管(6)一端连接冷水进水口(10)，一端连接热水出水口(11)，热水出水口(11)处安装有温度传感器(12)，并电连接至控制器(9)。

3.根据权利要求1或2所述的相变储能热水器，其特征在于：所述电加热机构(7)是均匀分布于相变材料中的硅胶电热线、铁氟龙电热线或二者复合材料的电热线。

4.根据权利要求3所述的相变储能热水器，其特征在于：所述电加热机构(7)均匀缠绕在换热盘管(6)上，均匀分布于相变材料中。

5.根据权利要求3所述的相变储能热水器，其特征在于：所述电加热机构(7)均匀缠绕在电热线缠绕架(14)上，由缠绕架支架(15)支撑，均匀分布于相变材料中。

6.根据权利要求3所述的相变储能热水器，其特征在于：所述电热线由电加热机构线出口(13)引出接线。

7.根据权利要求1或2所述的相变储能热水器，其特征在于：所述换热盘管(6)是水的流道，由若干组U型管串联或并联组成。

8.根据权利要求7所述的相变储能热水器，其特征在于：所述换热盘管为碳钢、不锈钢、铝及铝合金、铜及铜合金或复合材料的光管/翅片管；优选地，所述翅片管为机械加工或轧制、钎焊或气体保护焊、或高频焊的翅片管，翅片形式为绕片式、镶嵌式、套片式、或串片式。

9.根据权利要求1或2所述的相变储能热水器，其特征在于：所述相变材料是可以储存/释放潜热和部分显热的材料，控温范围在40-90℃之间，包括结晶水合盐、金属及合金类、石蜡类、非石蜡有机类、陶瓷基复合材料等相变材料；优选地，在上述相变材料中加导热增强材料，包括金属材料、石墨、碳纳米管、泡沫材料。

10.根据权利要求1或2所述的相变储能热水器，其特征在于：所述换热器外壳(1)为圆筒形或立方形。