CN105627804A - 一种模块化相变储热供热单元及其制造方法 - Google Patents

一种模块化相变储热供热单元及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模块化相变储热供热单元及其制造方法，模块化相变储热供热单元由储热基体、金属翅片板及金属外壳构成，储热基体上下两侧各有一块金属翅片板，金属外壳将储热基体与两块金属翅片板包裹起来，成为独立的储热供热单元，所述储热基体由定形复合相变材料和插在定形复合相变材料内的铜管构成，所述铜管内为水流通道，所述金属翅片板的间隙为空气通道。与现有技术相比，本发明所得的储热基体，因铜管与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。本发明所得到的模块化储热供热单元，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，可用于开发具有储热功能的新型室内换热末端。

Description

一种模块化相变储热供热单元及其制造方法
技术领域
本发明涉及热能储存技术领域，尤其是涉及一种基于有机物/膨胀石墨复合相变材料的模块化相变储热供热单元及其制造方法。
背景技术
当今，随着社会的发展，人们对于能源的需求量越来越大，能源利用过程中付出的金钱成本与环境成本也越来越高。2014年，建筑能耗总量在我国能源消费总量中的份额已超30％，而暖通空调能耗约占建筑能耗的50％，因此暖通空调的节能是建筑节能的重点。另外，我国既有建筑中仅有1％为节能建筑，节能空间巨大。我国有着丰富的太阳能资源，全国平均的年总辐射量约为1500千瓦时/平方米。从资源总量的角度而言，中国绝大部分地区都适合太阳能的开发利用。另外，去年以来，越来越多的城市鼓励全面推行居民用电峰谷电价，鼓励居民用户参与电力移峰填谷。以上海为例，峰时段(6-22时)电价为0.617元/kWh，谷时段(22时-次日6时)电价为0.307元/kWh，可见，如果将谷时段的电能以热能的形式储存起来在峰时段使用，可以产生巨大的经济效益。然而，太阳能和低谷电能都存在时间上不连续性的特征，怎样充分利用它们成为广泛关注的问题。能量储存技术可以解决能量利用与需求在时间、空间上不匹配的矛盾。因此，为了充分利用太阳能和低谷电能，必须考虑能量储存技术。然而，潜热储存技术中所用相变材料导热系数较小以及换热器换热效率较低，成为限制潜热储存技术广泛应用的最大障碍。将相变材料与一些添加剂膨胀石墨结合制备成定型的复合相变材料，在一定程度上解决了相变材料导热系数低的问题，复合材料内部导热系数大大增加了，并且具有储能密度高、结构简单、无毒害、无腐蚀、质量轻、相变时无液体泄漏、性能稳定等优点。
目前，传统的室内换热末端包括散热片、风机盘管等均不具备储热功能，只能实现能量在空间上的转移，并不能实现能量在时间上转移。将相变储能材料与其结合，开发具有热能储存功能换热末端，可实现太阳能及低谷电能的充分利用。这种具有储热功能的换热末端是未来节能型建筑的发展趋势，有望替代传统的换热末端。
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换热系数高、结构简单的基于有机物/膨胀石墨复合相变材料的模块化相变储热供热单元及其制造方法。可将一定数量的该储热供热单元组装成具有一定热容量的储热供热装置，该装置以太阳能和低谷电能为能量来源，可以实现同时供热水和暖气的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种模块化相变储热供热单元，由储热基体、金属翅片板及金属外壳构成，储热基体上下两侧各有一块金属翅片板，金属外壳将储热基体与两块金属翅片板包裹起来，成为独立的储热供热单元，所述储热基体由定形复合相变材料和插在定形复合相变材料内的铜管构成，所述铜管内为水流通道，所述金属翅片板的间隙为空气通道，储热后可以实现供热水、供暖气的目的。
优选地，所述定形复合相变材料由有机物和膨胀石墨复合而成，其中有机物所占质量百分比为50％-80％。所述有机物为相变温度为55-85℃范围内的饱和脂肪酸或直链烷烃。所述定形复合相变材料的相变潜热为100-180J/g，导热系数为18-30W/mK。
优选地，所述铜管均匀布置在定形复合相变材料中，且二者紧密接触，所述铜管的根数(n)与所述储热基体在垂直于铜管轴线的截面上长(L)、高(H)关系满足：n＝L/H。所述储热基体的两端，铜管长度各留出不小于20mm的余量，以便焊接铜管弯头。
优选地，所述金属翅片板为平板翅片，平板面积与其所接触的储热基体上侧或下侧表面积相同。所述金属翅片板的翅片厚度为1-3mm，翅片间空气通道宽度为2-5mm，且翅片均匀分布。
优选地，所述金属外壳起到包裹作用，厚度为0.2-0.5mm，与金属翅片板非固定连接，所述储热基体与金属翅片板均为水平放置，所述金属外壳内部空间高度比储热基体加上两块金属翅片板的总高度大一定的间隙距离(优选为2-5mm)，以便为储热过程中相变材料熔化造成的复合相变材料体积膨胀提供空间。
上述模块化相变储热供热单元的制造方法，包括以下步骤：
(1)将可膨胀石墨粉干燥后置于600℃温度下膨化15分钟，制备膨胀石墨；
(2)将饱和脂肪酸或直链烷烃在室温下放入粉碎机粉碎，得到有机物粉末；
(3)将步骤(1)制备的膨胀石墨与步骤(2)制备的有机物粉末混匀后在高于有机物相变温度16-24℃(优选为20℃)的环境下进行吸附1-2小时得到复合相变材料；
(4)将步骤(3)中得到的复合相变材料倒入已经放置铜管的模具中，在低于有机物相变温度6-14℃(优选为10℃)的环境中沿着与铜管轴线方向压缩复合相变材料，压缩后，铜管与复合相变材料紧密接触，所述复合材料具有一定的密度；
(5)打开模具，即得到储热基体；
(6)将得到的储热基体与金属翅片板组合后使用金属外壳包装起来，制得模块化相变储热供热单元。
将一定数量的模块化相变储热供热单元组装成具有一定热容量的储热供热装置。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明所得的储热基体，因铜管与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。
2、本发明可通过控制储热基体的体积，进而得到具有储热能力可量化的储热供热单元模块，将一定数量的储热供热单元模块串联即可满足一定的储热要求。
3、本发明所得到的模块化储热供热单元，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，可用于开发具有储热功能的新型室内换热末端。
4、本发明所得到的模块化储热放热单元结构简单，制造成本较低。
附图说明
图1为本发明模块化相变储热供热单元结构示意图；
图2为金属翅片板结构示意图；
图3为储热基体结构示意图；
图4为金属外壳结构示意图。
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。
实施例1
一种模块化相变储热供热单元，如图1-4所示，由储热基体、上金属翅片板2、下金属翅片板5及金属外壳1构成，储热基体上下两侧各有一块上金属翅片板2与下金属翅片板5，金属外壳1将储热基体与两块金属翅片板包裹起来，成为独立的储热供热单元，其中，储热基体由定形复合相变材料3和插在定形复合相变材料3内的铜管4构成，铜管4内为水流通道，金属翅片板的间隙为空气通道，储热后可以实现供热水、供暖气的目的。
本实施例中，定形复合相变材料由有机物和膨胀石墨复合而成，其中有机物所占质量百分比为80％。有机物为硬脂酸(相变温度约69℃)。复合相变材料的相变潜热为164J/g，导热系数为18W/mK。加热储热单元到90℃后无液体泄漏。
本实施例中，铜管均匀布置在定形复合相变材料中，且二者紧密接触，铜管的根数(n)与储热基体在垂直于铜管轴线的截面上长(L)、高(H)关系满足：n＝L/H。储热基体的两端，铜管长度各留出不小于20mm的余量，以便焊接铜管弯头。
本实施例中，金属翅片板为平板翅片，平板面积与其所接触的储热基体上侧或下侧表面积相同。金属翅片板的翅片厚度为2mm，翅片间空气通道宽度为3mm，且翅片均匀分布。
本实施例中，金属外壳起到包裹作用，厚度为0.4mm，与金属翅片板非固定连接，储热基体与金属翅片板均为水平放置，金属外壳内部空间高度比储热基体加上两块金属翅片板的总高度大一定的间隙距离(为2-5mm)，以便为储热过程中相变材料熔化造成的复合相变材料体积膨胀提供空间。在沿铜管轴线方向上，上金属翅片板2、下金属翅片板5和金属外壳1长度比复合相变材料3的长度大5mm左右。
上述模块化相变储热供热单元的制造方法，包括以下步骤：
(1)将可膨胀石墨粉干燥后置于600℃温度下膨化15分钟，制备膨胀石墨；
(2)将硬脂酸(相变温度约69℃)在室温下放入粉碎机粉碎成粉末；
(3)将步骤(1)制备的膨胀石墨与步骤(2)制备的硬脂酸粉末以质量比1:4混匀后在90℃的环境下进行吸附2小时得到硬脂酸/膨胀石墨复合相变材料；
(4)将步骤(3)中得到的复合相变材料倒入已经放置铜管的特定模具，在60℃的环境中沿着与铜管轴线方向平行的方向压缩复合相变材料，控制其密度约为900kg/m3；
(5)打开模具，即得到储热基体；
(6)将得到的储热基体与金属翅片板组合后使用金属外壳包装起来，制得模块化相变储热供热单元。
将一定数量的模块化相变储热供热单元组装成具有一定热容量的储热供热装置。
实施例2
一种模块化相变储热供热单元，如图1-4所示，由储热基体、上金属翅片板2、下金属翅片板5及金属外壳1构成，储热基体上下两侧各有一块上金属翅片板2与下金属翅片板5，金属外壳1将储热基体与两块金属翅片板包裹起来，成为独立的储热供热单元，其中，储热基体由定形复合相变材料3和插在定形复合相变材料3内的铜管4构成，铜管4内为水流通道，金属翅片板的间隙为空气通道，储热后可以实现供热水、供暖气的目的。
本实施例中，定形复合相变材料由有机物和膨胀石墨复合而成，其中有机物所占质量百分比为50％。有机物为相变温度为54℃的肉豆蔻酸。定形复合相变材料的相变潜热为100J/g，导热系数为18W/mK。
本实施例中，铜管均匀布置在定形复合相变材料中，且二者紧密接触，铜管的根数(n)与储热基体在垂直于铜管轴线的截面上长(L)、高(H)关系满足：n＝L/H。储热基体的两端，铜管长度各留出不小于20mm的余量，以便焊接铜管弯头。
本实施例中，金属翅片板为平板翅片，平板面积与其所接触的储热基体上侧或下侧表面积相同。金属翅片板的翅片厚度为1mm，翅片间空气通道宽度为2mm，且翅片均匀分布。
本实施例中，金属外壳起到包裹作用，厚度为0.2mm，与金属翅片板非固定连接，储热基体与金属翅片板均为水平放置，金属外壳内部空间高度比储热基体加上两块金属翅片板的总高度大一定的间隙距离(为2mm)，以便为储热过程中相变材料熔化造成的复合相变材料体积膨胀提供空间。
上述模块化相变储热供热单元的制造方法，包括以下步骤：
(1)将可膨胀石墨粉干燥后置于600℃温度下膨化15分钟，制备膨胀石墨；
(2)将饱和脂肪酸或直链烷烃在室温下放入粉碎机粉碎，得到有机物粉末；
(3)将步骤(1)制备的膨胀石墨与步骤(2)制备的有机物粉末混匀后在高于有机物相变温度16℃的环境下进行吸附2小时得到复合相变材料；
(4)将步骤(3)中得到的复合相变材料倒入已经放置铜管的模具中，在低于有机物相变温度6℃的环境中沿着与铜管轴线方向压缩复合相变材料，压缩后，铜管与复合相变材料紧密接触，所述复合材料具有一定的密度；
(5)打开模具，即得到储热基体；
(6)将得到的储热基体与金属翅片板组合后使用金属外壳包装起来，制得模块化相变储热供热单元。
将一定数量的模块化相变储热供热单元组装成具有一定热容量的储热供热装置。
实施例3
一种模块化相变储热供热单元，如图1-4所示，由储热基体、上金属翅片板2、下金属翅片板5及金属外壳1构成，储热基体上下两侧各有一块上金属翅片板2与下金属翅片板5，金属外壳1将储热基体与两块金属翅片板包裹起来，成为独立的储热供热单元，其中，储热基体由定形复合相变材料3和插在定形复合相变材料3内的铜管4构成，铜管4内为水流通道，金属翅片板的间隙为空气通道，储热后可以实现供热水、供暖气的目的。
本实施例中，定形复合相变材料由有机物和膨胀石墨复合而成，其中有机物所占质量百分比为80％。有机物为相变温度为63℃的正二十八烷。定形复合相变材料的相变潜热为180J/g，导热系数为30W/mK。
本实施例中，铜管均匀布置在定形复合相变材料中，且二者紧密接触，铜管的根数(n)与储热基体在垂直于铜管轴线的截面上长(L)、高(H)关系满足：n＝L/H。储热基体的两端，铜管长度各留出不小于20mm的余量，以便焊接铜管弯头。
本实施例中，金属翅片板为平板翅片，平板面积与其所接触的储热基体上侧或下侧表面积相同。金属翅片板的翅片厚度为3mm，翅片间空气通道宽度为5mm，且翅片均匀分布。
本实施例中，金属外壳起到包裹作用，厚度为0.5mm，与金属翅片板非固定连接，储热基体与金属翅片板均为水平放置，金属外壳内部空间高度比储热基体加上两块金属翅片板的总高度大一定的间隙距离(为5mm)，以便为储热过程中相变材料熔化造成的复合相变材料体积膨胀提供空间。
上述模块化相变储热供热单元的制造方法，包括以下步骤：
(1)将可膨胀石墨粉干燥后置于600℃温度下膨化15分钟，制备膨胀石墨；
(2)将饱和脂肪酸或直链烷烃在室温下放入粉碎机粉碎，得到有机物粉末；
(3)将步骤(1)制备的膨胀石墨与步骤(2)制备的有机物粉末混匀后在高于有机物相变温度24℃的环境下进行吸附1小时得到复合相变材料；
(4)将步骤(3)中得到的复合相变材料倒入已经放置铜管的模具中，在低于有机物相变温度14℃的环境中沿着与铜管轴线方向压缩复合相变材料，压缩后，铜管与复合相变材料紧密接触，所述复合材料具有一定的密度；
(5)打开模具，即得到储热基体；
(6)将得到的储热基体与金属翅片板组合后使用金属外壳包装起来，制得模块化相变储热供热单元。
将一定数量的模块化相变储热供热单元组装成具有一定热容量的储热供热装置。
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)

1.一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，由储热基体、金属翅片板及金属外壳构成，储热基体上下两侧各有一块金属翅片板，金属外壳将储热基体与两块金属翅片板包裹起来，成为独立的储热供热单元，所述储热基体由定形复合相变材料和插在定形复合相变材料内的铜管构成，所述铜管内为水流通道，所述金属翅片板的间隙为空气通道。
2.根据权利要求1所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述定形复合相变材料由有机物和膨胀石墨复合而成，其中有机物所占质量百分比为50％-80％。
3.根据权利要求2所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述有机物为相变温度为55-85℃范围内的饱和脂肪酸或直链烷烃。
4.根据权利要求1所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述定形复合相变材料的相变潜热为100-180J/g，导热系数为18-30W/mK。
5.根据权利要求1所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述铜管均匀布置在定形复合相变材料中，且二者紧密接触，所述铜管的根数(n)与所述储热基体在垂直于铜管轴线的截面上长(L)、高(H)关系满足：n＝L/H。
6.根据权利要求1所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述金属翅片板为平板翅片，平板面积与其所接触的储热基体上侧或下侧表面积相同。
7.根据权利要求1所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述金属翅片板的翅片厚度为1-3mm，翅片间空气通道宽度为2-5mm，且翅片均匀分布。
8.根据权利要求1所述的一种模块化相变储热供热单元，其特征在于，所述储热基体与金属翅片板均为水平放置，所述金属外壳内部空间高度比储热基体加上两块金属翅片板的总高度大一定的间隙距离。
9.一种如权利要求1～8中任一项所述的模块化相变储热供热单元的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将可膨胀石墨粉干燥后膨化，制备膨胀石墨；
(2)将饱和脂肪酸或直链烷烃在室温下放入粉碎机粉碎，得到有机物粉末；
(3)将步骤(1)制备的膨胀石墨与步骤(2)制备的有机物粉末混匀后在高于有机物相变温度的环境下进行吸附1-2小时得到复合相变材料；
(4)将步骤(3)中得到的复合相变材料倒入已经放置铜管的模具中，在低于有机物相变温度的环境中沿着与铜管轴线方向压缩复合相变材料；
(5)打开模具，即得到储热基体；
(6)将得到的储热基体与金属翅片板组合后使用金属外壳包装起来，制得模块化相变储热供热单元。
10.根据权利要求9所述的一种模块化相变储热供热单元的制造方法，其特征在于，将一定数量的模块化相变储热供热单元组装成具有一定热容量的储热供热装置。
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