CN108870514A - 一种高温相变蓄热供暖装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温相变供暖装置，其中包括相变蓄热模块、换热器、保温层。相变蓄热模块，由箱体、电加热装置、相变材料组成。电加热装置安装固定在箱体的空腔内，并内置于相变材料中。本发明装置利用相变材料将用电谷期的电能储存起来，然后在其他的时段输出并提供持续稳定的热水。本发明装置中，换热水管通过套管及保护结构，直接从高温相变材料内部带走蓄存的热量，即避免了腐蚀也避免了换热面温度过高引起的汽化堵塞现象。本发明具有结构简单，控制简便，维修方便，运行能耗低等优点。

Description

一种高温相变蓄热供暖装置

技术领域

本发明涉及相变蓄热节能技术领域，尤其涉及一种具有加热、蓄热、供热水功能的新型相变蓄热供暖装置。

背景技术

在多种储热技术中，固-液相变储热具有储热密度大、体积变化小、过程易控制等优点，因此，利用相变材料(Phase Change Material，即PCM)进行潜热储能的研究受到了世界上多个国家的重视。

蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，是世界范围内的研究热点。

现在大多数的工厂应用的热水供应设备以及北方建筑冬天的供暖系统都以煤为主要能量来源。我国虽然煤资源总量丰富，但是中国人口众多，对煤的需求量也很大。煤为非可再生能源，并非用之不竭，取之不尽。除此之外，煤中含有大量的硫成分，其燃烧会产生二氧化硫，而二氧化硫是酸雨的主要来源，对环境危害十分严重；并且煤的燃烧也会产生大量的二氧化碳、粉尘等物质，前者是导致全球变暖的主要物质，后者则会危害人类身体健康。

而现在家庭、学生宿舍以及公司公寓等使用的热水器大部分为电热水器或是太阳能热水器。电热水器虽然方便，但是水的加热过程需要一段时间，所以在急需热水时十分不便。太阳能热水器则受季节、地域、天气等因素影响，变得十分不稳定。

目前城市供暖的主力军为集中式供暖，但集中式供暖时间和温度不能自己控制，立式的散热片不美观，除供热期外没有热水供应。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单的高温相变蓄热供暖装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种高温相变蓄热供暖装置，该供暖装置主要包括保温层、金属壳体、电加热棒套管、电加热棒、循环水管保护套管、循环水管、相变材料、导热材料、以及隔热材料。所述金属外壳外侧包裹有保温层，金属壳体当中对称插入若干根电加热棒保护套管。所述电加热棒套管内部放入电加热棒，所述电加热棒套管和电加热棒之间的空隙充填满导热材料。所述循环水管保护套管从金属壳体穿过并焊接在金属壳体上，所述循环水管从循环水管保护套管内部经过，所述循环水管与循环水管保护套管之间的间隙用隔热材料进行填充，所述相变材料将金属壳体内部空间填充满。所述电加热棒在用电谷期打开，通过导热材料间接对相变材料进行加热和蓄热，相变材料达到温度后通过隔热材料间接对循环水管内的水进行加热，从而达到供暖换热效果。

本发明所提供的供暖装置通过保护套管和隔热材料把相变材料和换热水管隔开，不直接接触，这样就避免了蓄热材料的腐蚀所带来的危害，同时缓冲了温度变化带来的热应变，并且通过电加热管套管和导热材料把电加热管和相变材料隔开，大大优化了电加热管的使用环境，增加了使用寿命。通过电加热管把廉价的谷期电能储存到相变材料中，再通过循环水管加热循环水把热量带给用户。

优选的，所述电加热棒置于电加热棒套管内，可以阻隔电加热棒与相变材料的直接接触，避免了电加热棒被腐蚀，同时利用填充的导热材料粉末缓冲热应力防止变形，提高寿命，同时也使电加热棒更容易拆卸、更换、回收。

优选的，所述循环水管置于循环水管保护套管内，优化了循环水管的工作环境提高了使用寿命，填充的隔热材料可以有效的控制换热面的温度，从而排除循环水汽化堵塞管道的可能。

作为本发明的优选方案，所述相变材料采用导热性能好、储热密度大、体积变化小的铝硅合金材料。

作为本发明的优选方案，所述隔热材料采用熔点高、不易起化学变化、热稳定性好、隔热效果好的二氧化钛材料。

作为本发明的优选方案，所述导热材料采用化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好的碳化硅材料。

作为本发明的优选方案，为了使供暖装置内的电加热棒套管、循环水管保护套管和金属壳体内部填充得更饱满，尽量减少空隙，本发明所述相变材料、隔热材料和导热材料均采用粉末状材料。

本发明的工作过程和原理是：工作时，电加热棒接通外部电源并产生热量，由于相变材料高温下具有强腐蚀性，所以电加热棒不能和相变材料直接接触，热量需经过电加热棒套管间接的传递给相变材料来蓄积热量，导热材料的填充是为了最大程度上减小电加热棒套管和电加热棒间的接触热阻和缓冲热应变。相变材料吸收热量达到设计工作温度上限之后，切断电加热棒的电源，蓄热停止；相变材料达到工作温度后，循环水管开关打开，由于相变材料工作温度高达500℃以上，为防止腐蚀以及循环水由于换热面温度过高导致汽化进而堵塞管道，故循环水管和相变材料不能直接接触，需隔着隔热材料与循环水管保护套管间接和相变材料进行换热，隔热材料降低循环水管壁面温度，同时缓冲热应变，循环水在循环水管中完成和相变材料的换热后进入供暖系统供热，之后再次回到蓄热装置进行循环加热。该装置采用相变蓄热原理，将换热水管与蓄热模块所统一，利用循环水直接在相变材料内部进行换热，传统的相变供暖装置都是利用空气与相变材料换热之后再和循环水换热，系统过于复杂，难于实施，本发明通过隔热材料和套管，即解决腐蚀问题和热应变问题，还省去了空气与水的换热环节，使得系统更加简单，也从而便于供暖装置的制作与维护。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的高温相变蓄热供暖装置采用高温相变蓄热材料，不同于传统的利用显热供暖，此类相变蓄热材料利用其相态的变化来达到蓄放热的目的，此类高温相变材料具有储热密度大、体积变化小、过程易控制的特点。

(2)本发明所提供的高温相变蓄热供暖装置采用换热水管与蓄热材料分离，这样可以有效的避免大部分相变蓄热材料所具有的腐蚀性，延长系统使用寿命。

(3)本发明所提供的高温相变蓄热供暖装置利用电蓄热，将谷期电能储存在相变材料里，在其他时段拿出来利用，从而合理用电，达到“移峰填谷”的目的。

(4)本发明所提供的高温相变蓄热供暖装置整体结构简单，即容易和已有供暖系统连接，也可和家用热水系统连接，可即供暖又供热水，一举两得。

附图说明

图1是本发明所提供的高温相变蓄热供暖装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的电加热棒套管及内部结构示意图。

图3是本发明所提供的循环水管保护套管及内部结构示意图。

上述附图中的标号说明：

1-保温层，2-金属壳体，3-电加热棒套管，4-电加热棒，5-循环水管保护套管，6-循环水管，7-相变材料，8-导热材料，9-隔热材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图3所示，本实施例公开了一种高温相变蓄热供暖装置，该供暖装置主要包括保温层1、金属壳体2、电加热棒套管3、电加热棒4、循环水管保护套管5、循环水管6、相变材料7、导热材料8、以及隔热材料9。所述金属外壳外侧包裹有保温层1，金属壳体2当中对称插入若干根电加热棒保护套管3。所述电加热棒套管3内部放入电加热棒4，所述电加热棒套管3和电加热棒4之间的空隙充填满导热材料8。所述循环水管保护套管5从金属壳体2穿过并焊接在金属壳体2上，所述循环水管6从循环水管保护套管5内部经过，所述循环水管6与循环水管保护套管5之间的间隙用隔热材料9进行填充，所述相变材料7将金属壳体2内部空间填充满。所述电加热棒4在用电谷期打开，通过导热材料8间接对相变材料7进行加热和蓄热，相变材料7达到温度后通过隔热材料9间接对循环水管6内的水进行加热，从而达到供暖换热效果。

本发明所提供的供暖装置通过保护套管和隔热材料9把相变材料7和换热水管隔开，不直接接触，这样就避免了蓄热材料的腐蚀所带来的危害，同时缓冲了温度变化带来的热应变，并且通过电加热管套管和导热材料8把电加热管和相变材料7隔开，大大优化了电加热管的使用环境，增加了使用寿命。通过电加热管把廉价的谷期电能储存到相变材料7中，再通过循环水管6加热循环水把热量带给用户。

优选的，所述电加热棒4置于电加热棒套管3内，可以阻隔电加热棒4与相变材料7的直接接触，避免了电加热棒4被腐蚀，同时利用填充的导热材料8粉末缓冲热应力防止变形，提高寿命，同时也使电加热棒4更容易拆卸、更换、回收。

优选的，所述循环水管6置于循环水管保护套管5内，优化了循环水管6的工作环境提高了使用寿命，填充的隔热材料9可以有效的控制换热面的温度，从而排除循环水汽化堵塞管道的可能。

作为本发明的优选方案，所述相变材料7采用导热性能好、储热密度大、体积变化小的铝硅合金材料。

作为本发明的优选方案，所述隔热材料9采用熔点高、不易起化学变化、热稳定性好、隔热效果好的二氧化钛材料。

作为本发明的优选方案，所述导热材料8采用化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好的碳化硅材料。

作为本发明的优选方案，为了使供暖装置内的电加热棒套管3、循环水管保护套管5和金属壳体2内部填充得更饱满，尽量减少空隙，本发明所述相变材料7、隔热材料9和导热材料8均采用粉末状材料。

本发明的工作过程和原理是：工作时，电加热棒4接通外部电源并产生热量，由于相变材料7高温下具有强腐蚀性，所以电加热棒4不能和相变材料7直接接触，热量需经过电加热棒套管3间接的传递给相变材料7来蓄积热量，导热材料8的填充是为了最大程度上减小电加热棒套管3和电加热棒4间的接触热阻和缓冲热应变。相变材料7吸收热量达到设计工作温度上限之后，切断电加热棒4的电源，蓄热停止；相变材料7达到工作温度后，循环水管6开关打开，由于相变材料7工作温度高达500℃以上，为防止腐蚀以及循环水由于换热面温度过高导致汽化进而堵塞管道，故循环水管6和相变材料7不能直接接触，需隔着隔热材料9与循环水管保护套管5间接和相变材料7进行换热，隔热材料9降低循环水管6壁面温度，同时缓冲热应变，循环水在循环水管6中完成和相变材料7的换热后进入供暖系统供热，之后再次回到蓄热装置进行循环加热。该装置采用相变蓄热原理，将换热水管与蓄热模块所统一，利用循环水直接在相变材料7内部进行换热，传统的相变供暖装置都是利用空气与相变材料7换热之后再和循环水换热，系统过于复杂，难于实施，本发明通过隔热材料9和套管，即解决腐蚀问题和热应变问题，还省去了空气与水的换热环节，使得系统更加简单，也从而便于供暖装置的制作与维护。

实施例2：

本实施例公开了一种新型相变高温蓄热供暖装置的运行过程，如图1所示由保温层1、金属壳体2、电加热棒套管3、电加热棒4、循环水管保护套管5、循环水管6、相变材料7、导热材料8、隔热材料9组成。金属外壳2外侧包裹有保温层1，金属壳体2当中对称的插入数根电加热棒保护套管3，电加热棒套管3内部放入电加热棒4，电加热棒的数量和功率根据实际设计功率选取。电加热管套管3和电加热棒4之间的空隙充填满导热材料8，导热材料选取导热性能良好的无毒材料，如碳化硅粉末。循环水管保护套管5从穿过并焊接在金属壳体1上，循环水管6从循环水管保护套管5内部经过，循环水管6与循环水管保护套管5之间的间隙用隔热材料9进行填充，隔热材料选取耐高温稳定性强的隔热材料，如二氧化钛粉末。相变材料7只装金属壳体2，相变材料选用储热密度大、体积变化小的金属材料或合金材料，如铝硅合金。用电谷期，电加热棒4电源接通，装置进入充能阶段，把电能转化为热能再储存到相变材料7中去，相变材料7在壳体2被加热并经历相变过程，储存大量的热能。相变材料达到工作温度，外部循环水泵即可开启，循环水从装置的一端进入，在隔热材料9和保护套管5的保护下在装置内部和相变材料进行换热后，从另一端流出。热量从相变材料7传递给循环水，再由循环水通过暖气片等设备传递给室内空气，从而达到取暖的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温相变蓄热供暖装置，其特征在于，包括保温层、金属壳体、电加热棒套管、电加热棒、循环水管保护套管、循环水管、相变材料、导热材料、以及隔热材料；所述金属外壳外侧包裹有保温层，金属壳体当中对称插入若干根电加热棒保护套管；所述电加热棒套管内部放入电加热棒，所述电加热棒套管和电加热棒之间的空隙充填满导热材料；所述循环水管保护套管从金属壳体穿过并焊接在金属壳体上，所述循环水管从循环水管保护套管内部经过，所述循环水管与循环水管保护套管之间的间隙用隔热材料进行填充，所述相变材料将金属壳体内部空间填充满；所述电加热棒在用电谷期打开，通过导热材料间接对相变材料进行加热和蓄热，相变材料达到温度后通过隔热材料间接对循环水管内的水进行加热，从而达到供暖换热效果。

2.根据权利要求1所述的高温相变蓄热供暖装置，其特征在于，所述相变材料采用铝硅合金材料。

3.根据权利要求1所述的高温相变蓄热供暖装置，其特征在于，所述隔热材料采用二氧化钛材料。

4.根据权利要求1所述的高温相变蓄热供暖装置，其特征在于，所述导热材料采用碳化硅材料。

5.根据权利要求1所述的高温相变蓄热供暖装置，其特征在于，所述相变材料、隔热材料和导热材料均采用粉末状材料。