CN112728789B

CN112728789B - 一种相变蓄热换热一体化水箱

Info

Publication number: CN112728789B
Application number: CN202110069155.0A
Authority: CN
Inventors: 程远达; 吴璠; 张赫男
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-01-19
Also published as: CN112728789A

Abstract

本发明涉及相变储能技术及空气能蓄热保温技术领域，包括用于储水的箱体，箱体外侧设置有相变层，相变层被第一隔板分割为位于两部分，其中位于第一隔板上方的材料为高熔点相变材料，下方的材料为低熔点相变材料；相变层外侧设置有保温层，保温层与相变层之间设置有空气层，空气层内设置有多个相互平行的均流孔板，均流孔板的内侧与相变层连接，外侧与保温层连接，均流孔板上均匀设置有多个导流孔。本发明将两熔点相变材料应用于蓄热水箱，提升了水箱的热分层效果，增强了相变的均匀性，提高了水箱的蓄能密度，保证了水箱的供水能力；增强装置保温性能，降低无效热损失，提高太阳能光热利用效率。

Description

一种相变蓄热换热一体化水箱

技术领域

本发明涉及相变储能技术及空气能蓄热保温技术领域，特别涉及一种相变蓄热换热一体化水箱。

背景技术

提高可再生能源利用率是实现碳中和目标的重要途径之一。在可再生能源利用领域，太阳能光热技术相对成熟，也得到了广泛应用。但太阳辐射受天气、昼夜、季节等因素的制约，具有非连续、不稳定的特点，使得太阳能光热有效利用率受限。蓄热水箱作为太阳能光热利用中的储热部件，具有调节负荷波动及存储热水的作用，可有效改善气象参数对太阳能光热利用的影响。常规蓄热水箱以水作为蓄热介质，存在着储热密度低、体积大的不足。而且，随着蓄热过程的进行，高温水与低温水不断掺混造成水箱进出口温差逐渐降低，与之相连的太阳能集热器进口水温升高，导致太阳能集热器效率降低。

近年来，相变蓄热技术得到了较好的发展，许多研究利用相变材料在近似恒温条件吸收与释放潜热的特点，将相变材料与蓄热水箱结合，一方面提升水箱蓄能密度，减小水箱体积；另一方面降低太阳辐射间断性对太阳能热利用的影响，提高太阳能的有效利用率。现有相变蓄热水箱通常采用单一熔点相变材料，由于水箱内存在垂直方向上的温度分层，当水箱上部相变材料发生相变时，水箱中下部的相变材料往往无法达到熔点。单一熔点相变蓄热水箱存在着相变材料熔化不均匀、不充分的弊端，降低了相变材料的利用率。

因此，对相变蓄热水箱进行合理的设计及优化，提升蓄热密度及蓄放热效率是提高太阳能热利用率的关键。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可应用于太阳能集热系统的相变蓄热换热一体化水箱。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种相变蓄热换热一体化水箱，包括用于储水的箱体，所述箱体外侧设置有相变层，所述相变层被第一隔板分割为位于两部分，其中位于第一隔板上方的材料为高熔点相变材料，下方的材料为低熔点相变材料；所述相变层外侧设置有保温层，所述保温层与相变层之间设置有空气层，所述空气层内设置有多个相互平行的均流孔板，所述均流孔板的内侧与相变层连接，外侧与保温层连接，所述均流孔板上设置有多个导流孔。

所述箱体上方设置有热水进口、用户侧供水口，所述箱体底部设置有热水出口和用户侧回水口，所述热水进口用于连接太阳能集热器水流道出口，所述热水出口用于连接太阳能集热器水流道进口，所述用户侧供水口用于连接用户侧供水管道，所述用户侧回水口用于连接用户侧回水管道。

所述箱体上方设置有检查口，所述箱体底部设置有补水口。

所述相变层内还设置有多个第二隔板，所述第二隔板用于对相变层进行分隔和支撑。

所述箱体为圆柱形，所述第一隔板、第二隔板和均流孔板均为环形。

所述高熔点相变材料为相变温度为55℃的石蜡，所述低熔点相变材料为相变温度为40℃的石蜡。

所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，还包括空气入口和空气出口，所述空气入口设置在空气层底部，用于连接双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的空气流通管道出口，所述空气出口设置在空气层顶部，用于连接双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的空气流通管道入口。

所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，还包括设置在水箱内的电加热器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.相变材料置于水箱箱体外侧的结构形式，一方面，可利用相变材料在近似恒温条件吸收与释放大量潜热的特点，提升水箱蓄能密度，减小水箱体积；另一方面，避免占用箱体内部有效储水容积，提升相变蓄热水箱的供水能力。

2.相变层中，高、低熔点相变材料分别布置于圆柱形箱体外侧的上部与下部，配合辅助电加热器设置于箱体内部上方的结构形式，一方面，提升了换热过程中水箱的分层效果，另一方面，改善了水箱中下部相变材料无法完全熔化的缺陷，使相变材料的潜热得到充分利用。

3.相变层内设置多个隔板，增大了传热面积，使传热过程得到强化，改善了相变材料导热系数偏低对蓄热过程的不利影响。

4.在相变层外侧增设空气层，利用空气导热系数低的特点，增强装置保温性能，降低无效热损失，提高太阳能光热利用效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种相变蓄热换热一体化水箱的整体结构示意图；

图2为图1的剖面示意图；

图3为本发明实施例中箱体结构示意图；

图4为本发明实施例中空气层示意图；

图5为本发明实施例中环形均流孔板的俯视图；

图6为本发明实施例的应用原理图。

图中：1-圆柱形箱体；2-电加热器；3-热水进口；4-检查口；5-用户侧供水口；6-相变层；7-第二隔板；8-第一隔板；9-空气层；10-环形均流孔板；11-空气入口；12-用户侧回水口；13-补水口；14-热水出口；15-空气出口；16-保温层，17为导流孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~4所示，本发明实施例提供了一种相变蓄热换热一体化水箱，包括用于储水的箱体1，所述箱体1外侧设置有相变层6，所述相变层6被第一隔板8分割为两部分，其中位于第一隔板8上方的材料为高熔点相变材料，下方的材料为低熔点相变材料；所述相变层6外侧设置有保温层16，所述保温层16与相变层6之间设置有空气层9，所述空气层9内设置有多个相互平行的均流孔板10，所述均流孔板10的内侧与相变层6连接，外侧与保温层16连接，所述均流孔板10上均匀设置有多个导流孔17。

进一步地，本实施例中，所述箱体1上方设置有热水进口3、用户侧供水口5，所述箱体1底部设置有热水出口14和用户侧回水口12，所述热水进口3用于连接太阳能集热器水流道出口，所述热水出口14用于连接太阳能集热器水流道进口，所述用户侧供水口5用于连接用户侧供水管道，所述用户侧回水口12用于连接用户侧回水管道。通过设置热水出口14和热水进口3，水在水箱及太阳能集热器中循环，完成蓄热过程。通过设置用户侧回水口12和用户侧供水口5，使得水可以在水箱及用户侧循环，完成放热过程。

进一步地，本实施例中，所述箱体1上方设置有检查口4，所述箱体底部设置有补水口13。

进一步地，本实施例中，所述相变层6内还设置有多个第二隔板7，所述第二隔板7用于对相变层6进行分隔和支撑。也就是说，相变层的高熔点相变材料和低熔点相变材料设置在箱体1外壁、所述第一隔板8以及所述第二隔板7之间的空间内。第一隔板8和第二隔板7一方面相当于肋片，起到增大传热面积、强化相变材料换热过程的作用；另一方面，起到分隔、支撑、容纳所述高、低熔点相变材料的作用。具体地，空气层9与相变层6之间，还可以设置隔离层，隔离层用于与箱体1外壁、所述第一隔板8以及所述第二隔板7一起封闭相变层材料。

进一步地，本实施例中，所述箱体1为圆柱形，所述第一隔板8、第二隔板7和均流孔板10均为环形。此外，箱体1也可以为椭圆柱型，所述第一隔板8、第二隔板7和均流孔板10均为椭圆环形。

具体地，本实施例中，所述高、低熔点相变材料的具体相变温度及种类可根据所述相变蓄热换热一体化水箱的应用领域而特定选择。在家用热水领域，所述高熔点相变材料优选为相变温度为55℃的石蜡，所述低熔点相变材料优选为相变温度为40℃的石蜡。在其它领域，也可以根据需求选择高熔点材料和低熔点材料的相变温度。

进一步地，本实施例提供的一种相变蓄热换热一体化水箱，还包括空气入口11和空气出口15，所述空气入口11设置在空气层9底部，用于连接双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的空气流通管道出口，所述空气出口15设置在空气层顶部，用于连接双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的空气流通管道入口。因此，本实施例设置的空气层，一方面可以提高太阳能光热利用效率，增加水箱蓄热量；另一方面，可以增强水箱保温性能，减少水箱无效热损失。均流孔板10上均匀设置有多个用于均布气流的导流孔17，空气由所述空气入口11流入，经各个均流孔板10上的导流孔17向上运动，再由所述空气出口15流出，因此，均流孔板具有便于使空气流量均匀分配，有助于空气的热量均匀稳定地传递给相变材料的作用。如图5所示，本实施例中，导流孔17均匀分布在均流孔板10上，其可以起到均流空气，稳定气流的作用。

进一步地，本实施例提供的一种相变蓄热换热一体化水箱，还包括设置在水箱内的电加热器2。所述电加热器用于在水温不满足用户侧需求时提供热量。

本发明的工作原理如下：

蓄热过程中，来自太阳能集热器的高温水通过热水进口3进入圆柱形箱体1内部，由于高温水的密度小于低温水，高温水集中于圆柱形箱体1上方，相变层6上方对应的高熔点相变材料熔化吸热，低温水集中于圆柱形箱体1下方，对应的低熔点相变材料熔化吸热，低温水经热水出口14流入太阳能集热器，水在水箱与太阳能集热器间循环，完成蓄热过程。随着蓄热循环的进行，高、低熔点相变材料将热量以潜热的形式存储于相变层内。高、低熔点相变材料的设置，改善了单一熔点相变材料熔化不均匀、不充分的缺点，减弱了水箱内部高温水与低温水的掺混，保持了水箱内垂直方向上的热分层效应，提高了相变蓄热效果；放热过程中，用户侧低温回水经用户侧回水口12进入圆柱形箱体1内部，水在水箱与用户侧间循环，完成放热过程。随着放热循环的进行，高熔点相变材料首先凝固放热，将热量传递给水，当水温降低到低熔点时，低熔点相变材料凝固放热，继续将热量传递给水，若水温满足用户需求，则热水由用户侧供水口5进入用户侧供水；若高、低熔点相变材料均完全放热，但水温仍不满足用户需求，则开启电加热器2，将水加热至要求水温。另外，来自于双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的热空气经空气入口11流入设置在高、低熔点相变材料外侧设置空气层9，并由空气出口15经空气流通管道返回双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器中。空气层9内设置的环形的均流孔板10具有导流、均布气流的作用，便于使空气流量均匀分配，有助于空气的热量均匀稳定地传递给相变层6；空气层9的设置利用了空气导热系数低的特点，增强装置保温性能，降低无效热损失，提高太阳能光热利用效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，包括用于储水的箱体（1），所述箱体（1）外侧设置有相变层（6），所述相变层（6）被第一隔板（8）分割为位于两部分，其中位于第一隔板（8）上方的材料为高熔点相变材料，下方的材料为低熔点相变材料；所述相变层（6）外侧设置有保温层（16），所述保温层（16）与相变层（6）之间设置有空气层（9），所述空气层（9）内设置有多个相互平行的均流孔板（10），所述均流孔板（10）的内侧与相变层（6）连接，外侧与保温层（16）连接，所述均流孔板（10）上设置有多个导流孔（17）；所述箱体（1）上方设置有热水进口（3）、用户侧供水口（5），所述箱体（1）底部设置有热水出口（14）和用户侧回水口（12），所述热水进口（3）用于连接太阳能集热器水流道出口，所述热水出口（14）用于连接太阳能集热器水流道进口，所述用户侧供水口（5）用于连接用户侧供水管道，所述用户侧回水口（12）用于连接用户侧回水管道。

2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，所述箱体（1）上方设置有检查口（4），所述箱体底部设置有补水口（13）。

3.根据权利要求1所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，所述相变层（6）内还设置有多个第二隔板（7），所述第二隔板（7）用于对相变层（6）进行分隔和支撑。

4.根据权利要求3所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，所述箱体（1）为圆柱形，所述第一隔板（8）、第二隔板（7）和均流孔板（10）均为环形。

5.根据权利要求1所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，所述高熔点相变材料为相变温度为55℃的石蜡，所述低熔点相变材料为相变温度为40℃的石蜡。

6.根据权利要求1所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，还包括空气入口（11）和空气出口（15），所述空气入口（11）设置在空气层（9）底部，用于连接双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的空气流通管道出口，所述空气出口（15）设置在空气层顶部，用于连接双流体式PV/T组件或空气式太阳能集热器的空气流通管道入口。

7.根据权利要求1所述的一种相变蓄热换热一体化水箱，其特征在于，还包括设置在水箱内的电加热器（2）。