CN108753264B - 相变储能型太阳能干燥器及其相变储能层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变储能型太阳能干燥器及其相变储能层制备方法，相变储能型太阳能干燥器包括干燥室、出风管、风机、支架和吸热储能装置，吸热储能装置包括外壳、玻璃盖板、吸热板、保温层、肋片和相变储能层，保温层与吸热板之间有相变储能层。复合相变储能层制备方法包括：a、将可膨胀石墨粉干燥去除水分，再置于微波炉中膨胀得膨胀石墨；b、将石蜡放入水浴加热至完全熔化，将膨胀石墨搅拌加热；c、将石蜡‑膨胀石墨复合相变材料倒入模具中刮平压实。本发明在吸热板上增加了V型阵列排列的泡沫金属矩形肋片，对空气的流动边界产生扰流，减小了空气阻力损失，强化了吸热板吸收太阳能热以及与空气的对流换热。
Description
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，具体为相变储能型太阳能干燥器及其相变储能层制备方法。
背景技术
现有太阳能干燥设备的主要包括太阳能集热器型、太阳能温室型、太阳能温室-集热器型干燥器，其主要原理是利用太阳能温室或太阳能集热器加热空气，对物料进行干燥。现有太阳能干燥设备的优点在于节能环保，利用了太阳能这一可再生能源。现有太阳能干燥设备的缺点在于空气与吸热板间换热系数低，集热器热损失较大，另外大部分平板式太阳能集热器不能实现夜间连续干燥，特别是在阴雨天气太阳能不足的情况下，设备干燥问题无法解决，设备加热空气直接排空，没有考虑热回收问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种换热效率高的相变储能型太阳能干燥器，本发明的另一目的是提供一种相变储能层制备方法。
技术方案：本发明所述的一种相变储能型太阳能干燥器，包括干燥室、出风管、风机、支架和吸热储能装置，吸热储能装置通过出风管与干燥室相连，吸热储能装置包括外壳、玻璃盖板、吸热板、保温层、肋片和相变储能层，外壳与玻璃盖板围合成一个封闭空间，外壳内侧有保温层，保温层与吸热板之间有相变储能层，在有阳光时能吸热储能，夜晚或阴雨天气时能放热加热空气，克服了太阳能间歇性的缺点，吸热板上设置肋片。
肋片采用V型阵列排列方式，对空气的流动边界层产生扰流作用，进一步强化了吸热板的辐射换热以及与空气的对流换热。吸热板纵向每隔100mm-150mm横向设置肋片，强化相变层与吸热板间传热性能。肋片由泡沫金属材料制成。泡沫金属材料为泡沫铝或泡沫铜。相变储能层由石蜡-膨胀石墨复合相变材料制成，石蜡的质量分数为80％-90％。肋片底部通过高温熔制方法与吸热板表面结合为一体，将泡沫金属肋片底部加热至660℃以上，与熔化的金属粉末结合，再放于常温冷却。吸热板上覆盖有0.2mm-0.3mm的太阳能选择性吸收涂层。太阳能选择性吸收涂层为黑铬电镀涂层、黑镍电镀涂层或磁控溅射真空镀膜。
本发明所述的复合相变储能层制备方法，包括以下步骤：a、将10-20wt％的可膨胀石墨粉用容器装在鼓风干燥箱中，在100-120℃下干燥18-24h以去除水分，再置于功率为800W-1000W的微波炉中膨胀12-20s，即得膨胀石墨；b、将80-90wt％的石蜡放入60-70℃的水浴环境中，加热至完全熔化，将膨胀石墨搅拌加热1-1.5h，即得石蜡-膨胀石墨复合相变材料；c、将石蜡-膨胀石墨复合相变材料倒入模具中刮平压实，得到相变储能层。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明在吸热板上增加了V型阵列排列的泡沫金属矩形肋片，对空气的流动边界层产生扰流作用，且泡沫金属多孔结构使得空气能通过肋片层，减小了因肋片扰流产生的空气阻力损失，强化了吸热板吸收太阳能热以及与空气的对流换热；本发明在吸热板下铺有石蜡-膨胀石墨复合相变材料，相比与传统储能材料，石蜡-膨胀石墨复合相变材料传热性能好，定形效果好，储能时间短，在有阳光时能吸热储能，夜晚或阴雨天气时能放热加热空气，克服了太阳能间歇性的缺点；本发明采用的温室型干燥室三面透光，可以吸收太阳辐射能，增加了干燥室内的干燥温度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的吸热储能装置5的结构示意图。
图3是本发明的吸热板8的结构示意图。
图4是本发明的相变储能层11的结构示意图。
具体实施方式
如图1，支架4上倾斜固定吸热储能装置5，吸热储能装置5通过出风管2与干燥室1相连，吸热储能装置5的底部设置风机3，风机3优选为直流风机3，直流风机3将吸热储能装置5内的气体吹向干燥室1，干燥室1内有出风口，干燥室1底部有固定支架4。
如图2，吸热储能装置5包括外壳6、玻璃盖板7、吸热板8、保温层9、肋片10和相变储能层11，外壳6与玻璃盖板7围合成一个封闭空间，外壳6长1000-2000mm，宽400-1000mm，高度为50-80mm，外壳6内侧有保温层9，保温层9与吸热板8之间有相变储能层11，在有阳光时能吸热储能，夜晚或阴雨天气时能放热加热空气，克服了太阳能间歇性的缺点，吸热板8纵向每隔100mm-150mm横向设置肋片10，肋片10长度和宽度依据集热器实际大小设置，厚度为1-3mm，强化相变层与吸热板8间传热性能。肋片10底部通过高温熔制方法与吸热板8表面结合为一体，将泡沫金属肋片10底部加热至660℃以上，与熔化的金属粉末结合，再放于常温冷却。吸热板8选用金属铝，其厚度为1mm，长宽与吸热储能装置5一致。玻璃盖板7优选为双层玻璃盖板7，使用的是低铁布纹钢化玻璃，其厚度为2-5mm，长宽与吸热储能装置5一致。玻璃干燥温室采用四面(顶面、正面、两侧面)透光设计，环境空气由下向上穿过干燥室1。
如图3，吸热板8上的肋片10采用V型阵列排列方式，一方面增加肋片10扰流作用，强化传热，其空气对流换热的Nu数提高约3.9倍，集热器传热系数提高3.1倍；另一方面由于泡沫金属的多孔结构能让空气顺利通过，可减少因肋片10扰流而产生的阻力损失，相比于普通金属肋片10，空气阻力损失减少20％以上。表1是空气流量在80m3/h时不同结构的吸热储能装置5空气传热性能参数，由表1可见，空气对流换热的Nu数提高约3.9倍，其阻力系数减少21.2％，泡沫金属肋片10强化了吸热储能装置5对空气的传热效果。
表1空气流量在80m3/h时不同结构的吸热储能装置空气传热性能参数
吸热板8上覆盖有0.2mm-0.3mm的太阳能选择性吸收涂层。太阳能选择性吸收涂层为黑铬电镀涂层、黑镍电镀涂层或磁控溅射真空镀膜，其太阳能吸收率为0.93-0.97。矩形的肋片10由泡沫金属材料制成，泡沫金属材料为泡沫铝或泡沫铜，可采用孔隙剂造孔、气相沉积、电化学沉积等方法进行制备，其孔隙直径D为100μm-1mm。多孔的泡沫金属材料表面采用化学氧化法进行改性处理，具体选用氢氧化钠和过硫酸钾的混合溶液对泡沫金属进行浸泡，从而提高其换热性能。
如图4，相变储能层11由石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料制成，石蜡12的质量分数为80％-90％。传统石蜡12相变材料的热导率为0.276W/mK，而石蜡12质量分数为80％的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料热导率达到9.795W/mK，相比与纯石蜡12提高了34.5倍。同样大小的实验材料模块中心温度从25℃升高到71℃并达到与系统温度平衡时，石蜡12需要5600s而石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料只需要1700s，储能所需时间可减少69.7％以上，且其定形效果好，可克服储能过程中液态石蜡12泄露的问题。
实施例一
复合相变材料的制备方法是：按照化学计量比将20wt％的可膨胀石墨13粉用容器装置于鼓风干燥箱中，在100℃下干燥18h去除其中的水分，取干燥好的可膨胀石墨13粉于容器中，置于功率为800W的微波炉中膨胀12s左右即得膨胀石墨13。根据要配置的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的质量比例，将80wt％石蜡12放入60℃的水浴环境中，加热至完全熔化，然后把石墨倒入容器中，搅拌加热1h，即制备出石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料。最后将复合材料倒入模具中刮平压实，得到相变材料板块。
实施例二
复合相变材料的制备方法是：按照化学计量比将10wt％的可膨胀石墨13粉用容器装置于鼓风干燥箱中，在120℃下干燥24h去除其中的水分，取干燥好的可膨胀石墨13粉于容器中，置于功率为1000W的微波炉中膨胀20s左右即得膨胀石墨13。根据要配置的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的质量比例，将90wt％的石蜡12放入70℃的水浴环境中，加热至完全熔化，然后把石墨倒入容器中，搅拌加热1.5h，即制备出石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料。最后将复合材料倒入模具中刮平压实，得到相变材料板块。
实施例三
复合相变材料的制备方法是：按照化学计量比将15wt％的可膨胀石墨13粉用容器装置于鼓风干燥箱中，在110℃下干燥20h去除其中的水分，取干燥好的可膨胀石墨13粉于容器中，置于功率为900W的微波炉中膨胀15s左右即得膨胀石墨13。根据要配置的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的质量比例，将85wt％的石蜡12放入65℃的水浴环境中，加热至完全熔化，然后把石墨倒入容器中，搅拌加热1.2h，即制备出石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料。最后将复合材料倒入模具中刮平压实，得到相变材料板块。
实施例四
复合相变材料的制备方法是：按照化学计量比将18wt％的可膨胀石墨13粉用容器装置于鼓风干燥箱中，在105℃下干燥19h去除其中的水分，取干燥好的可膨胀石墨13粉于容器中，置于功率为850W的微波炉中膨胀13s左右即得膨胀石墨13。根据要配置的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的质量比例，将82wt％的石蜡12放入62℃的水浴环境中，加热至完全熔化，然后把石墨倒入容器中，搅拌加热1.5h，即制备出石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料。最后将复合材料倒入模具中刮平压实，得到相变材料板块。
实施例五
复合相变材料的制备方法是：按照化学计量比将12wt％的可膨胀石墨13粉用容器装置于鼓风干燥箱中，在118℃下干燥22h去除其中的水分，取干燥好的可膨胀石墨13粉于容器中，置于功率为950W的微波炉中膨胀18s左右即得膨胀石墨13。根据要配置的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的质量比例，将88wt％的石蜡12放入68℃的水浴环境中，加热至完全熔化，然后把石墨倒入容器中，搅拌加热1h，即制备出石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料。最后将复合材料倒入模具中刮平压实，得到相变材料板块。
实施例六
复合相变材料的制备方法是：按照化学计量比将10wt％的可膨胀石墨13粉用容器装置于鼓风干燥箱中，在100℃下干燥18h去除其中的水分，取干燥好的可膨胀石墨13粉于容器中，置于功率为800W的微波炉中膨胀12s左右即得膨胀石墨13。根据要配置的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的质量比例，将90wt％的石蜡12放入60℃的水浴环境中，加热至完全熔化，然后把石墨倒入容器中，搅拌加热1h，即制备出石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料。最后将复合材料倒入模具中刮平压实，得到相变材料板块。
表2材料导热率测试结果
对实施例一和实施例六制得的复合相变材料进行导热率性能测试，其结果如表2：80wt％和90wt％的石蜡12-膨胀石墨13复合相变材料的导热率相比于纯石蜡12，提高了22.3-35.4倍，储能时间减少48.0％-69.7％，放热时间减少65.3％-80.2％。储能层横向设置金属矩形肋片10，在有阳光时能吸热储能，夜晚或阴雨天气时能放热加热空气，克服了太阳能间歇性的缺点。
Claims (6)
1.一种相变储能型太阳能干燥器，包括干燥室(1)、出风管(2)、风机(3)、支架(4)和吸热储能装置(5)，所述吸热储能装置(5)通过出风管(2)与干燥室(1)相连，其特征在于：所述吸热储能装置(5)包括外壳(6)、玻璃盖板(7)、吸热板(8)、保温层(9)、肋片(10)和相变储能层(11)，所述外壳(6)与玻璃盖板(7)围合成一个封闭空间，所述外壳(6)内侧有保温层(9)，所述保温层(9)与吸热板(8)之间有相变储能层(11)，所述吸热板(8)上设置肋片(10)；
所述肋片(10)采用V型阵列排列方式；所述肋片(10)由泡沫金属材料制成；
所述泡沫金属材料为泡沫铝或泡沫铜；
所述相变储能层(11)由石蜡(12)-膨胀石墨(13)复合相变材料制成，所述石蜡(12)的质量分数为80% -90%。
2.根据权利要求1所述的相变储能型太阳能干燥器，其特征在于：所述吸热板(8)纵向每隔100mm -150mm横向设置肋片(10)。
3.根据权利要求1所述的相变储能型太阳能干燥器，其特征在于：所述肋片(10)底部通过高温熔制方法与吸热板(8)表面结合为一体，将泡沫金属肋片(10)底部加热至660℃以上，与熔化的金属粉末结合，再放于常温冷却。
4.根据权利要求1所述的相变储能型太阳能干燥器，其特征在于：所述吸热板(8)上覆盖有0.2mm-0.3mm的太阳能选择性吸收涂层。
5.根据权利要求4所述的相变储能型太阳能干燥器，其特征在于：所述太阳能选择性吸收涂层为黑铬电镀涂层、黑镍电镀涂层或磁控溅射真空镀膜。
6.根据权利要求1所述的相变储能型太阳能干燥器，其特征在于：所述石蜡(12)-膨胀石墨(13)复合相变储能层的制备方法包括以下步骤：
（a）将10-20wt%的可膨胀石墨(13)粉用容器装在鼓风干燥箱中，在100-120℃下干燥18-24h，再置于功率为800W-1000W的微波炉中膨胀12-20s，即得膨胀石墨(13)；
（b）将80-90wt%的石蜡(12)放入60-70℃的水浴环境中，加热至完全熔化，将膨胀石墨(13)搅拌加热1-1.5h，即得石蜡(12)-膨胀石墨(13)复合相变材料；
（c）将石蜡(12)-膨胀石墨(13)复合相变材料倒入模具中刮平压实，得到相变储能层(11)。
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