CN104864626A - 卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，与太阳能制冷装置相连，包括有密封压力容器，该密封压力容器内腔的中部安装有内部封装有相变蓄冷材料的封装铜管，上部安装有供冷工质管路，下部安装有用冷工质管路并容纳有纳米流体构成的相变换热介质，该相变换热介质通过反复相变循环换热起中间传递作用，实现相变蓄冷材料所含冷量的储蓄和释放以及该相变蓄冷材料与供冷工质和用冷工质之间的非直接接触方式的热交换，避免了相变蓄冷材料的封装形状对太阳能蓄冷装置性能的制约。本发明利用纳米流体对装置内的换热表面进行改性处理，使其具有蓄液性能，提高了装置的蓄冷性能、蓄冷效率和热交换效率。

Description

卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能蓄冷装置，具体涉及一种装有相变蓄冷材料和以纳米流体作为相变换热工质的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，属于太阳能蓄冷领域技术领域。
背景技术
众所周知，太阳能是清洁环保的能源，资源丰富，取之不尽，用之不竭，一直是世界各国的科学家能源利用研究的焦点。太阳能在空调领域的应用主要集中在吸收式和吸附式制冷空调系统，除此之外还有太阳能喷射式制冷和太阳能光伏发电驱动电制冷等形式。太阳能制冷的应用很大程度地改善了建筑环境冷却对电网造成的压力，是一个很好的可再生能源利用手段。
太阳能空调的间歇性及易受天气影响等特点是制约其普及应用的主要因素之一。为了减少这一因素带来的影响，可以把太阳能制冷技术与蓄冷技术相结合，在日照充足时利用太阳能制冷并蓄冷，在夜间或日照不足时再供冷给有需求的用户，此举有助于提高系统的稳定性和太阳能利用率，并进一步提高太阳能空调系统运行的灵活性。
与显热蓄冷和传统冰蓄冷相比，相变蓄冷技术因为储能密度大、蓄冷效率高、温度波动小而成为应用研究的热点。将相变蓄冷技术与太阳能空调系统相结合，能够有效改善太阳能制冷系统的运行稳定性，很大程度提高制冷系统的工作效率以及太阳能利用率，改善系统的灵活性，并可使冷量的供给更加均匀恒定以提高用户热舒适度。
现有的常用相变蓄冷的应用方式是将蓄冷材料填充在蓄冷设备中，然后再将其与用冷设备相联接。对于相变蓄冷器而言，较普遍的是将相变蓄冷材料封装起来并制成蓄冷球，密集地堆积在密封罐或开式槽体内，构成冰球蓄冷器。这类蓄冷器主要是通过供冷工质将冷量带入蓄冷器中的蓄冷球，进行冷量的储存，在需要冷量时，再由用冷工质带走冷量。这个过程中发生的相变主要是封装于蓄冷球中的相变蓄冷材料的相变。因此，相变蓄冷材料的导热性、相变特性及传热特性是制约整个蓄冷装置蓄冷效率的主要因素。
在现有的有关蓄冷器的文献中发现：中国专利号：201220005622，专利名称为：整体针翅管式冰蓄冷器，其主要是采用了整体针翅管式盘管作为换热芯体，盘管放置于蓄冷槽内，大幅增大了换热面积，提高了蓄、放冷效率，提高了制冰的效率；中国专利号：200510041577，专利名称为：空调用相变蓄冷器，其包括蓄冷器桶体、相变蓄冷材料、换热管、上集液室和下集液室，蓄冷器桶体内置装有载冷剂的换热管，该发明是利用相变蓄冷材料的相变来完成冷量的储蓄和释放的，蓄、放冷效率高，适用于制冷空调中。上述两个专利说明了目前国内提高蓄冷器蓄冷效率的主要手段，一是提高与供冷工质的接触换热面积；二是利用相变蓄冷材料进行相变蓄冷。然而但是二者对蓄冷效率的提升幅度始终是有限的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对相变蓄冷装置所存在的不足，提出一种卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其不仅采用相变蓄冷材料的相变进行冷量的储蓄和释放，而且采用由纳米流体构成的相变换热介质，对装置内的换热表面进行改性处理，并通过该相变换热介质的反复循环相变实现换热的循环，从而提高装置的蓄冷性能、蓄冷效率和热交换效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，与太阳能制冷装置相连，所述太阳能蓄冷装置采用重力热管结构，包括有密封压力容器，该密封压力容器内腔的中部安装有内部封装有相变蓄冷材料的封装铜管，上部安装有供冷工质管路，下部安装有用冷工质管路并容纳有淹没该用冷工质管路的相变换热介质，所述相变换热介质通过反复相变循环换热起中间传递作用，实现所述相变蓄冷材料所含冷量的储蓄和释放以及该相变蓄冷材料与所述供冷工质管路内供冷工质和用冷工质管路内用冷工质之间的非直接接触方式的热交换，避免所述相变蓄冷材料的封装形状对所述太阳能蓄冷装置的性能的制约。
作为进一步改进，所述的相变换热介质为纳米流体，以制冷剂R123a与氧化铜纳米颗粒按一定配比混合制备而成，在换热过程中所述纳米流体在所述封装铜管表面形成一层薄薄的多孔质沉积层，通过这样的自然改性处理所述封装铜管的表面成为蓄液表面。
作为进一步改进，所述的相变换热介质的制备方法如下：按100:1的质量比将制冷剂R123a与平均直径为20nm～50nm的氧化铜纳米颗粒放置在容器之中，先机械搅拌半小时，再用超声波发生器震荡数小时，当溶液整体呈均匀悬浮状时制备完成。
作为进一步改进，所述的相变换热介质替换为由其他基液与纳米颗粒组成的纳米流体。
作为进一步改进，所述的密封压力容器的内腔中固定设置有开孔的上侧支撑板和下侧支撑板，所述供冷工质管路定位和安装在该上侧支撑板上，所述封装铜管放置于该下侧支撑板上且任意水平堆砌。
作为进一步改进，所述的密封压力容器的外侧包有发泡保温层。
作为进一步改进，所述的封装铜管替换为任意形状的金属容器。
作为进一步改进，所述的密封压力容器为卧式不锈钢耐压筒状容器。
本发明所述太阳能蓄冷装置的工作原理如下，过程一共分为两个阶段：第一阶段是蓄冷阶段，在用冷低谷或日照充足时，由太阳能制冷装置出来的供冷工质沿供冷工质管路进入充满相变换热介质的液体和蒸汽的蓄冷装置，供冷工质的温度低于蓄冷装置内相变换热介质的温度，蓄冷装置中的相变换热介质蒸汽在供冷工质管路表面被冷凝，冷凝蒸汽吸收冷量变为液体滴落在装满液态的相变蓄冷材料的封装铜管表面，部分蒸汽冷凝导致蓄冷装置内相变换热介质的蒸汽的压力和温度降低，这样相变蓄冷材料的温度就高于相变换热介质的温度，滴落在封装铜管表面的液体在封装铜管表面被加热而蒸发，又回流到供冷工质管路表面；如此反复相变循环，供冷工质将冷量传递给相变蓄冷材料，相变蓄冷材料因放热凝固成固态，完成冷量的储蓄；而相变换热介质在此起到一个中间传递的作用。第二阶段是放冷阶段，在用冷高峰或者日照不足的时候，用冷工质沿用冷工质管路进入蓄冷装置，用冷工质管路周围的相变换热介质的液体被加热，发生沸腾换热产生蒸汽，蓄冷装置内相变换热介质的温度和压力同时升高，蒸汽上升并在封装铜管表面又被冷凝变为液滴回落在蓄冷装置底部的液池内，而封装铜管内的相变蓄冷材料熔化并释放冷量；相变换热介质如此反复相变循环，相变蓄冷材料释放冷量被用冷工质带走，而相变换热介质在此同样起到一个中间传递的作用。
由于在蓄冷阶段封装铜管表面必须要有蓄液，因此必须对封装铜管表面进行表面处理。使用纳米流体作为相变换热介质可以在封装铜管表面自然的沉积出有一定机械强度的纳米级多孔质结构蓄液层，同时纳米流体本身也能提高各部分传热器件相变换热能力，达到一举两得的效果。
本发明的有益效果在于：
(1)采用特殊的重力热管式相变换热循环，不同于以往相变蓄冷器中相变仅仅是指相变蓄冷材料的相变，而本发明中的相变更进一步是指相变换热介质的相变，而采用此种通过该相变换热介质的反复循环相变实现的中间传递换热方式，可以使蓄冷装置的相变蓄冷材料采用任意封装方式，相变蓄冷材料(或封装容器)不与供冷工质(或供冷管路)和用冷工质(或用冷管路)直接接触，从而提高了太阳能蓄冷装置的蓄冷效率和热交换效率。
(2)在相变换热介质R123a中添加CuO纳米颗粒和添加剂混合制备成纳米流体，以此纳米流体为换热工质，在换热过程中纳米流体自然的沉积在装有相变蓄冷材料的封装铜管的表面，对表面进行改性处理，使其成为能够储存液体的强湿润性表面，满足了相变换热循环需要，同时也对装置内其他换热表面进行表面改性处理，强化了太阳能蓄冷装置内部各部分换热元件的相变换热。
(3)本太阳能蓄冷装置采用卧式结构，有利于换热工质蒸汽的流动，系统内各部分的温度和压力能够分布更加均匀，并且有利于装置蓄冷性能的提高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为相变蓄冷材料封装铜管的作用效果图。
图3为本发明的实际工作流程图。
图中，
1密封压力容器，2封装铜管，3相变蓄冷材料，4用冷工质管路，5供冷工质管路，6发泡保温层，7不锈钢蒙皮，8支架，9相变换热介质，10排液口，11充液口，12压力传感器，13真空阀。
具体实施方式
本发明所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置与太阳能制冷装置相连，此处省略了对太阳能制冷装置的介绍。所述太阳能蓄冷装置采用了类似于重力热管的特殊热管结构，请参阅图1，其包括密封压力容器1、封装铜管2、相变蓄冷材料3、用冷工质管路4、供冷工质管路5和相变换热介质9；供冷工质管路5内通入供冷工质(低温载冷剂)，用冷工质管路4内通入用冷工质(高温载冷剂)。
本发明通过相变换热介质9的反复相变循环换热起到中间传递作用，实现所述封装铜管2内相变蓄冷材料3所含冷量的储蓄和释放，同时实现该相变蓄冷材料3与所述供冷工质管路5内的供冷工质和该相变蓄冷材料3与所述用冷工质管路4内的用冷工质之间的非直接接触方式的热交换；即相变蓄冷材料3与相变换热介质9发生热交换，相变换热介质9再分别与用冷工质管路4中的用冷工质和供冷工质管路5中的供冷工质发生热交换，最终实现相变蓄冷材料3与供冷工质和用冷工质之间的热交换；这种热交换方式避免了所述相变蓄冷材料3的封装形状等因素对所述太阳能蓄冷装置的性能的制约。
所述的密封压力容器1为卧式不锈钢耐压筒状容器，其内腔的中部安装有内部封装有相变蓄冷材料3的封装铜管2，内腔的上部安装有供冷工质管路5，内腔的下部安装有用冷工质管路4，并且内腔的下部容纳有相变换热介质9，该相变换热介质9淹没所述用冷工质管路4。所述密封压力容器1的具体尺寸和所用相变蓄冷材料3的质量应根据实际所需的蓄冷量而定。
所述密封压力容器1的容器壁上设置有用以补充相变换热介质9的充液口11和用以排泄相变换热介质9的排液口10。所述密封压力容器1的容器壁上还安装有压力传感器12和真空阀13，该压力传感器12是用来监测装置内部的压力变化，以防密封压力容器1漏气带来蓄冷效率的严重下降，该真空阀13与真空泵相连，是用来在装置启动前进行抽真空处理的。
所述的密封压力容器1的外侧包有发泡保温层6，以减少储蓄冷量的损失。在该发泡保温层6的外周包有不锈钢蒙皮7，该不锈钢蒙皮7的外面安装有用于支撑所述密封压力容器1的支架8。
所述的密封压力容器1的内腔中固定焊接有水平的上侧支撑板和下侧支撑板，该上侧支撑板和下侧支撑板设置有开孔。所述供冷工质管路5定位和安装在该上侧支撑板上。一定数量的封装有相变蓄冷材料3的所述封装铜管2水平地任意堆砌放置于该下侧支撑板上，从而在该不锈钢压力容器1中间部位形成一蓄冷区。
所述相变蓄冷材料3封装在所述封装铜管2中，该封装铜管2的尺寸形状可根据具体情况选择，无特殊要求；该相变蓄冷材料3的封装容器不限于封装铜管2，也可以使用其他任意形状的金属容器，如空心金属球等。所述相变蓄冷材料3是符合蓄冷装置使用温度范围的蓄冷材料。本发明所采用的相变蓄冷材料3可以参考下表1，也可根据应用场合的不同和自身需要选择合适的材料。
表1一些相变蓄冷材料的蓄冷性质
材料 熔点(℃) 相变潜热(kJ/kg)
LiClO3·3H2O 8 253
聚乙二醇 8 99.6
棕榈酸异丙酯 10 186
硬酯酸异丙酯 14-18 140-142
相变蓄冷材料3在封装铜管2中的封装方法要注意，根据所选相变蓄冷材料3的熔点，保证其在液态的情况下，将其倒入铜管并充满，然后迅速焊接封口，尽量减少封装管内的空气。
所述用冷工质管路4用于进出用冷工质(高温载冷剂)，供冷工质管路5用于进出供冷工质(载冷剂)，二者为铜管或不锈钢管，并且它们的进出口安装有阀门。
所述的相变换热介质9为纳米流体，以制冷剂R123a与氧化铜纳米颗粒按一定配比混合制备而成。本发明的相变换热介质9的基液选用R123a，这是一种适合本装置工作温度范围的低温热管换热介质，其分子式为CF3CHCl2，沸点为27.8℃，制备成的纳米流体相变换热介质9的沸点也在28℃附近。所述相变换热介质9的制备方法如下：按100:1的质量比将制冷剂R123a与平均直径为20nm～50nm的氧化铜纳米颗粒放置在容器之中，先机械搅拌半小时，再用超声波发生器震荡数小时，当溶液整体呈均匀悬浮状时即为制备完成。
本发明中的相变蓄冷材料3是由铜管进行封装盛放的，而铜管表面的湿润性较差，液膜不能长时期停留在铜管表面上，因而无法完成相变换热循环。本发明利用上述特制的纳米流体对封装铜管2及各类换热管的表面进行改性处理，如图2所示，在换热过程中所述纳米流体在充满相变蓄冷材料3的所述封装铜管2表面形成一层薄薄的多孔质CuO纳米沉积层14，通过这样的自然改性处理，使所述封装铜管2的表面具有蓄液性能，成为蓄液表面。除了对封装铜管2的表面进行改性以外，该纳米流体同样会对供冷工质管路5和用冷工质管路4的表面有所影响，进一步强化其换热性能。因此所述纳米流体既能够作为相变换热介质来完成换热的工作，又对换热管和封装铜管2的表面进行了改性处理，提高了所有换热表面的换热性能。
所述相变换热介质9不限于R123a和氧化铜纳米颗粒组成的纳米流体，也可以使用其他基液与纳米颗粒组成的纳米流体。
本发明所述卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置在应用时需要与太阳能制冷装置并联连接，图3为本发明的实际工作流程图，由太阳能集热器得到的水蒸气或者热水进入制冷机中进行制冷，通过各个阀门的控制，在冷量富余时，由制冷机得到的冷水(供冷工质)通入本太阳能蓄冷装置进行蓄冷工作，在用冷高峰期将冷量释放并输送到需冷场所。
本发明的工作过程如下：请参阅图1，在装置运行之前，在真空阀13处连接真空泵并对所述太阳能蓄冷装置进行抽真空处理，以防止其中的空气对装置的蓄冷效率造成影响。
当处于蓄冷阶段时(冷量富余期间)，与太阳能蓄冷装置上部供冷工质管路相连接的阀门打开，经太阳能空调机组降温后的载冷剂由供冷工质管路5进入太阳能蓄冷装置，吸收热量，蓄冷装置中的相变换热介质9的蒸汽会放热并在封装铜管2的表面冷凝，封装铜管2中的相变蓄冷材料3因放热逐渐凝固，完成冷量的储蓄。
当处于放冷阶段时(冷量不足期间)，用冷工质由用冷工质管路4进入太阳能蓄冷装置，相变换热介质9的液体会吸热并在用冷工质管路4的表面蒸发，封装铜管2内的相变蓄冷材料3会吸热而熔化，相变蓄冷材料3中储蓄的冷量释放出来，高温的载冷剂则变成低温载冷剂，以满足用户的各种用冷需求。

Claims (8)

1.一种卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，与太阳能制冷装置相连，其特征在于：所述太阳能蓄冷装置采用重力热管结构，包括有密封压力容器，该密封压力容器内腔的中部安装有内部封装有相变蓄冷材料的封装铜管，上部安装有供冷工质管路，下部安装有用冷工质管路并容纳有淹没该用冷工质管路的相变换热介质，所述相变换热介质通过反复相变循环换热起中间传递作用，实现所述相变蓄冷材料所含冷量的储蓄和释放以及该相变蓄冷材料与所述供冷工质管路内供冷工质和用冷工质管路内用冷工质之间的非直接接触方式的热交换，避免所述相变蓄冷材料的封装形状对所述太阳能蓄冷装置的性能的制约。
2.根据权利要求1所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的相变换热介质为纳米流体，以制冷剂R123a与氧化铜纳米颗粒按一定配比混合制备而成，在换热过程中所述纳米流体在所述封装铜管表面形成一层薄薄的多孔质沉积层，通过这样的自然改性处理所述封装铜管的表面成为蓄液表面。
3.根据权利要求2所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的相变换热介质的制备方法如下：按100:1的质量比将制冷剂R123a与平均直径为20nm～50nm的氧化铜纳米颗粒放置在容器之中，先机械搅拌半小时，再用超声波发生器震荡数小时，当溶液整体呈均匀悬浮状时制备完成。
4.根据权利要求2所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的相变换热介质替换为由其他基液与纳米颗粒组成的纳米流体。
5.根据权利要求1所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的密封压力容器的内腔中固定设置有开孔的上侧支撑板和下侧支撑板，所述供冷工质管路定位和安装在该上侧支撑板上，所述封装铜管放置于该下侧支撑板上且任意水平堆砌。
6.根据权利要求1所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的密封压力容器的外侧包有发泡保温层。
7.根据权利要求1、2、5或6所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的封装铜管替换为任意形状的金属容器。
8.根据权利要求1所述的卧式重力热管相变换热型太阳能蓄冷装置，其特征在于：所述的密封压力容器为卧式不锈钢耐压筒状容器。
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