CN105157098A - 利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，包括太阳能集热器和空气换热器，太阳能集热器和空气换热器之间通过两条循环管路连通成密闭系统，在密闭系统内部充注可以液相和气相相互转化的相变流体作为热量的传输介质。本发明利用相变材料作为热量的传输介质，换热效率远远高于水和空气，可以实现“即热”，能够快速实现太阳能集热器至空气换热器之间的热量传递，同时传热介质能量密度高，输送储热介质的管道体积小方便安装，尤其是适合空间较狭小的建筑比如住宅、层高较低的建筑，同时具有结构简单、不拍冻、不结垢、寿命长、能量利用率高、可靠性好等特点。

Description

利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能采暖装置，具体的说涉及一种利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，可广泛应用于建筑、农业温室以及工业干燥加热等设施，属于太阳能热能利用和蓄热技术领域。
背景技术
我国太阳能资源丰富，尤其是北方的太阳能受天气影响较小，资源尤其丰富。目前我国很大一部分的建筑采暖仍然依靠化石类燃料或者电能，依靠太阳能的装置很少。太阳能热能的应用还是以太阳能热水器为主。以水作为传热介质的太阳能热水器，提温慢、承压能力差，不适合作为采暖热源。
申请号为200810046815.8的专利文献，提出了一种利用气体作为传热介质的太阳能蓄热装置。包括储热室壳体、保温材料、金属管道、支撑架、进气管、出气管、储热室门；储热室壳体由储热室外壁和储热室内壁组成，储热室门与储热室内壁围成密封的储热空间；进气管与出气管非对称设置在储热室壳体上，进气管、出气管分别与储热空间相通；储热空间内至少设有一层支撑架，支撑架与储热室内壁固定连接，支撑架上放置有金属管道，金属管道内封装有蓄热材料；储热空间内的传热介质为气体。
该装置结构简单，成本低，但换热效率不高、传热介质能量密度低。
申请号为201310516925.7的专利文献，提出了一种利用气体作为传热介质的太阳能采暖装置。该装置的吸热体由若干根紧密排列的金属管组成，所述金属管内部填充了相变蓄热介质，外表面镀有选择性吸收涂层，可以吸收和储存太阳能。太阳能蓄热采暖装置外部接有风机，可以使空气从进风口流入，经过储热体加热，并进入室内供暖。该装置外加风机，使空气强制流过储热体吸热，可以迅速提高室内温度；储热体管道紧密排列，内部相变储热介质可以充分从管壁上吸热，提高了储热效率。
但是这些装置存在换热效率不高、传热介质能量密度低以及风道在建筑中不便布置。目前的太阳能采暖装置还有种种不足。
发明内容
本发明要解决的问题是为了提高太阳能换热效率，提高传热介质能量密度，提供一种利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，具有换热效率高、安装方便的优点。
为了解决上述问题本发明采用以下技术方案：
一种利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，包括太阳能集热器和空气换热器，太阳能集热器和空气换热器之间通过两条循环管路连通成密闭系统，在密闭系统内部充注可以液相和气相相互转化的相变流体作为热量的传输介质。该相变流体，可以是氟利昂，也可以是其他类似物质。
以下是本发明对上述方案的进一步优化：
其中一条循环管路上安装有液体泵和储液器，太阳能集热器包括一壳体，所述壳体内设置有若干个外敷吸热涂料的集热板，相邻的外敷吸热涂料的集热板之间通过换热介质通道首尾相连通，壳体上朝向太阳的一侧设置有透平光板。
空气换热器相对的位置设置有风扇。
工作时，首先液体泵开始工作，推动液态的相变介质通过管道进入太阳能集热器。太阳能集热器的外敷吸热涂料的集热板吸收太阳能转化为热能，热能通过传热加热太阳能集热器内的相变介质使其汽化变成气体。该气体通过管道进入空气换热器，与空气换热器外的空气强制换热放出热量冷凝为液体。空气换热器外的空气吸收热量后实现采暖功能，该液体通过储液器再进入液体泵完成一个循环。
另一种优化：另一条循环管路上安装蓄热器，蓄热器为相变蓄热器。蓄热器与太阳能集热器之间安装有蓄热器进口阀门；蓄热器的一侧并联连接有蓄热器旁通管路，在该管路上安装有蓄热器旁通管阀门。
空气换热器的空气流通通道上设置有电加热器。
液体泵与太阳能集热器之间安装有太阳能集热器进口阀门，液体泵和太阳能集热器进口阀门之间的循环管路与蓄热器进口阀门和太阳能集热器之间的循环管路之间通过太阳能集热器旁通管路连通，在该管路上安装有太阳能集热器旁通管阀门。
该装置工作时分为太阳能采暖模式、蓄热模式和蓄热采暖模式。
有太阳光照时，进入太阳能采暖模式：太阳能集热器进口阀门打开，太阳能集热器旁通管阀门关闭，蓄热器进口阀门关闭，蓄热器旁通管阀门打开，液体泵工作，风扇工作。
液体泵推动液态的相变介质通过管道进入太阳能集热器。太阳能集热器的外敷吸热涂料的集热板吸收太阳能转化为热能，热能通过传热加热太阳能集热器内的相变介质使其汽化变成气体。该气体通过管道进入空气换热器，与空气换热器外的空气强制换热放出热量液化为液体。该液体通过储液器再进入液体泵完成一个循环。
若空气换热器外的空气吸收热量后仍不能达到所需要的温度，电加热器工作进一步加热空气，实现采暖功能。
当所控制的空气温度加热到设定值时，进入蓄热模式，风扇停止工作，蓄热器进口阀门打开，蓄热器旁通管阀门关闭。液体泵推动液态的相变介质通过管道进入太阳能集热器。太阳能集热器的吸热涂层吸收太阳能转化为热能，热能通过传热加热太阳能集热器内的相变介质使其汽化变成气体。该气体通过管道进入蓄热器，与蓄热器的储热介质换热放出热量液化为液体。该液体通过空气换热器再进入液体泵完成一个循环。
白天通过一段时间的蓄热，在晚间或是没有阳光时，进入蓄热采暖模式。太阳能集热器进口阀门关闭，太阳能集热器旁通管阀门打开，蓄热器进口阀门打开，蓄热器旁通管阀门关闭。液体泵推动液态的相变介质通过管道进入蓄热器。蓄热器内的储热介质放出热能，热能通过传热加热相变介质使其汽化变成气体。
该气体通过管道进入空气换热器，与空气强制换热放出热量液化为液体。该液体通过储液器再进入液体泵完成一个循环。若空气吸收热量后仍不能达到所需要的温度，电加热器工作进一步加热空气，实现采暖功能。
另一种优化：
在空气换热器的进出口处安装旁通管，旁通管上安装空气换热器旁通管阀门；在空气换热器的进口处增加空气换热器进口阀门，蓄热模式时，空气换热器旁通管阀门打开，空气换热器进口阀门关闭，相变换热介质不再通过空气换热器。
本发明利用相变材料作为热量的传输介质，换热效率远远高于水和空气，可以实现“即热”—能够快速实现太阳能集热器至空气换热器之间的热量传递，当相变材料采用氟利昂时，取热和放热的对流换热系数为5000-10000w/(m2·k),空气的对流换热系数为40w/(m2·k)左右，同时相变材料传输的能量主要是汽化潜热，热惰性小于水及水溶液，同时传热介质能量密度高，输送储热介质的管道体积小方便安装，尤其是适合空间较狭小的建筑比如住宅、层高较低的建筑，同时具有结构简单、不拍冻、不结垢、寿命长、能量利用率高、可靠性好等特点。本发明可以广泛应用于民用建筑采暖、农业温室大棚以及工业干燥等场合。
为了更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
附图说明
附图1为本发明实施例1的结构示意图；
附图2为本发明实施例1中太阳能集热器的结构示意图；
附图3为本发明实施例2的结构示意图；
附图4为本发明实施例3的结构示意图。
图中：1-壳体；2-透平光板；3-换热介质管道；4-外敷吸热涂料的集热板；5-空气换热器；6-电加热器；7-风扇；8-蓄热器进口阀门；9-蓄热器旁通管阀门；10-太阳能集热器旁通管阀门；11-太阳能集热器；12-液体泵；13-蓄热器；14-储液器；15-太阳能集热器进口阀门；16-空气换热器进口阀门；17-空气换热器旁通管阀门；18-循环管路。
具体实施方式
实施例1，如附图1所示，一种利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，包括太阳能集热器11和空气换热器5，太阳能集热器11和空气换热器5之间通过两条循环管路18连通成密闭系统，在密闭系统内部充注可以液相和气相相互转化的相变流体作为热量的传输介质。该相变流体，可以是氟利昂，也可以是其他类似物质。
所述空气换热器5可以是翅片管换热器，也可以是其他形式的换热器，比如水换热器—壳管式换热器、板式换热器等等。
其中一条循环管路上安装有液体泵12和储液器14。
空气换热器5相对的位置设置有风扇7。
如图2所示，太阳能集热器11包括一壳体1，所述壳体1内设置有若干个外敷吸热涂料的集热板4，相邻的外敷吸热涂料的集热板4之间通过换热介质管道3首尾相连通。
壳体1上朝向太阳的一侧设置有透平光板2，方便太阳光照射到外敷吸热涂料的集热板4上。
工作时，首先液体泵12开始工作，推动液态的相变介质通过管道进入太阳能集热器11。太阳能集热器11的外敷吸热涂料的集热板4吸收太阳能转化为热能，热能通过传热加热太阳能集热器11内的相变介质使其汽化变成气体。该气体通过管道进入空气换热器5，与空气强制换热放出热量液化为液体。翅片管外的空气吸收热量后实现采暖功能，该液体通过储液器14再进入液体泵12完成一个循环。
本发明利用相变材料作为热量的传输介质，换热效率远远高于水和空气，可以实现“即热”—能够快速实现太阳能集热器至空气换热器之间的热量传递，当相变材料采用氟利昂时，取热和放热的对流换热系数为5000-10000w/(m2·k),空气的对流换热系数为40w/(m2·k)左右，同时相变材料传输的能量主要是汽化潜热，热惰性小于水及水溶液，同时传热介质能量密度高，输送储热介质的管道体积小方便安装，尤其是适合空间较狭小的建筑比如住宅、层高较低的建筑，同时具有结构简单、不拍冻、不结垢、寿命长、能量利用率高、可靠性好等特点。本发明可以广泛应用于民用建筑采暖、农业温室大棚以及工业干燥等场合。
本实施例主要描述的是采用空气换热器通过相变换热介质加热空气，也可以采用水换热器加热水、水溶液及其他流体。
实施例2，如附图3所示，上述实施例1中，还可以在没有安装液体泵12的另一条循环管路上安装蓄热器13，蓄热器13可以是相变蓄热器，也可以是其他形式的蓄热器，当是蓄热水箱时还可以提供卫生热水。
蓄热器13与太阳能集热器11之间安装有蓄热器进口阀门8；
蓄热器13的一侧并联连接有蓄热器旁通管路，在该管路上安装有蓄热器旁通管阀门9。
液体泵12与太阳能集热器11之间安装有太阳能集热器进口阀门15。
液体泵12和太阳能集热器进口阀门15之间的循环管路与蓄热器进口阀门8和太阳能集热器11之间的循环管路之间通过太阳能集热器旁通管路连通，在该管路上安装有太阳能集热器旁通管阀门10。
有太阳光照时，进入太阳能采暖模式：太阳能集热器进口阀门15打开，太阳能集热器旁通管阀门10关闭，蓄热器进口阀门8关闭，蓄热器旁通管阀门9打开，液体泵12工作，风扇7工作。
液体泵12推动液态的相变介质通过管道进入太阳能集热器11。太阳能集热器11的外敷吸热涂料的集热板4吸收太阳能转化为热能，热能通过传热加热太阳能集热器11的相变介质使其汽化变成气体。该气体通过管道进入空气换热器5，与翅片管外的空气强制换热放出热量液化为液体。该液体通过储液器14再进入液体泵12完成一个循环。
还可以在空气换热器5的空气流通通道上设置有电加热器6,若翅片管外的空气吸收热量后仍不能达到所需要的温度，电加热器6工作进一步加热空气，实现采暖功能。
当所控制的空气温度加热到设定值时，进入蓄热模式，风扇7停止工作，蓄热器进口阀门8打开，蓄热器旁通管阀门9关闭。液体泵12推动液态的相变介质通过管道进入太阳能集热器11。太阳能集热器11的吸热涂层吸收太阳能转化为热能，热能通过传热加热太阳能集热器11内的相变介质使其汽化变成气体。该气体通过管道进入蓄热器13，与蓄热器的储热介质换热放出热量液化为液体。该液体通过空气换热器5再进入液体泵12完成一个循环。
白天通过一段时间的蓄热，在晚间或是没有阳光时，进入蓄热采暖模式。太阳能集热器进口阀门15关闭，太阳能集热器旁通管阀门10打开，蓄热器进口阀门8打开，蓄热器旁通管阀门9关闭。液体泵12推动液态的相变介质通过管道进入蓄热器13。蓄热器13内的储热介质放出热能，热能通过传热加热相变介质使其汽化变成气体。
该气体通过管道进入空气换热器5，与翅片管外的空气强制换热放出热量液化为液体。该液体通过储液器14再进入液体泵12完成一个循环。若翅片管外的空气吸收热量后仍不能达到所需要的温度，电加热器6工作进一步加热空气，实现采暖功能。
实施例3,如附图4所示，本实施例与实施例2的不同之处在于：在空气换热器5的进出口处增加旁通管，旁通管上安装空气换热器旁通管阀门17；在空气换热器5的进口处增加空气换热器进口阀门16。
工作时，太阳能采暖模式和蓄热采暖模式时本实施例与实施例2相同；
蓄热模式时，本实施例与实施例2不同之处在于：空气换热器旁通管阀门17打开，空气换热器进口阀门16关闭，相变换热介质不再通过空气换热器5。
以上内容是结合具体的优选实施例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，包括太阳能集热器（11）和空气换热器（5），其特征在于：
太阳能集热器（11）和空气换热器（5）之间通过两条循环管路（18）连通成密闭系统，在密闭系统内部充注可以液相和气相相互转化的相变流体作为热量的传输介质。
2.根据权利要求1所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
该装置工作时分为太阳能采暖模式、蓄热模式和蓄热采暖模式。
3.根据权利要求1所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
其中一条循环管路上安装有液体泵（12）和储液器（14）。
4.根据权利要求3所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
另一条循环管路上安装蓄热器（13），蓄热器（13）为相变蓄热器。
5.根据权利要求4所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
蓄热器（13）与太阳能集热器（11）之间安装有蓄热器进口阀门（8）；蓄热器（13）的一侧并联连接有蓄热器旁通管路，在该管路上安装有蓄热器旁通管阀门（9）。
6.根据权利要求1所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
太阳能集热器（11）包括一壳体（1），所述壳体（1）内设置有若干个外敷吸热涂料的集热板（4），相邻的外敷吸热涂料的集热板（4）之间通过换热介质管道（3）首尾相连通，壳体（1）上朝向太阳的一侧设置有透平光板（2）。
7.根据权利要求1所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
空气换热器（5）相对的位置设置有风扇（7）。
8.根据权利要求7所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
空气换热器（5）的空气流通通道上设置有电加热器（6）。
9.根据权利要求4所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
液体泵（12）与太阳能集热器（11）之间安装有太阳能集热器进口阀门（15），液体泵（12）和太阳能集热器进口阀门（15）之间的循环管路与蓄热器进口阀门（8）和太阳能集热器（11）之间的循环管路之间通过太阳能集热器旁通管路连通，在该管路上安装有太阳能集热器旁通管阀门（10）。
10.根据权利要求9所述的利用相变材料作为传热介质的太阳能采暖装置，其特征在于：
在空气换热器（5）的进出口处安装旁通管，旁通管上安装空气换热器旁通管阀门（17）；在空气换热器（5）的进口处增加空气换热器进口阀门（16），蓄热模式时，空气换热器旁通管阀门（17）打开，空气换热器进口阀门（16）关闭，相变换热介质不再通过空气换热器（5）。
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