CN1566253A - 高性能相变蓄热材料及其应用技术 - Google Patents

Abstract

本发明不仅涉及一种具有高蓄热能力的相变材料的配方和生产工艺；而且涉及一种能够将该材料蓄热性能发挥出来的应用技术，它集电加热、蓄热、换热、保温于一体具有低谷电蓄热功能的电热供热装置的设计。该材料固态散料为白色晶体，78.5℃熔化为无色液体；附图1所示，技术应用装置呈长方体或圆柱体，主要由导热翅片、加热套管、换热盘管、密封壳体、加料口、温度传感器、控制器等部分组成。可按控制程序实现低谷蓄热、供暖、提供生活热水。适用于工业及民用、公用建筑采暖、供生活热水，可起到移峰填谷、调荷节电、降低费用等作用，有很好的经济效益和社会效益。

Description

高性能相变蓄热材料及其应用技术

所属领域：

本发明不仅涉及一种具有高蓄热能力的相变材料的配方和生产工艺；而且涉及一种能够将该材料蓄热性能发挥出来的应用技术——集电加热、蓄热、换热、保温于一体具有低谷电蓄热功能的电热供热装置的设计。

目前，我国电力工业近几年发展迅速，但电力供应紧张状况并没有得到根本改观，主要表现在：电网负荷率低，系统峰谷差距大，城市生活、商业用电快速增长，工业用电比重相对减少。

这种实况促进了能源综合利用技术的发展，蓄热技术是其最关键技术之一。蓄热技术是指：在用电低谷时段将低价电能转换成热形式的能量储存起来，在用电平、高峰时段释放出来被再利用的技术，以达到调荷节能、削峰填谷、降低电力运营成本、降低用户的能源运行费用、合理高效的使用优质洁净能源等目的。

目前被普遍采用的蓄热技术主要有：常压水蓄热和高温水蓄热、固相高温蓄热。由于水在0℃时的溶解潜热(80cal/g)和100℃时的汽化潜热(539cal/g)等相变潜热都较大，但容积密度(1g/ml)和比热(1cal/g.℃)较小，所以水的潜热、显热蓄热密度小，用水做介质蓄热都是利用显热特性：常压水蓄热和高温水蓄热技术是利用水的温差显热特性，蓄热密度小，蒸汽蓄热是利用水的汽化潜热，虽然汽化热大，但蒸汽密度小，压力高，故相对蓄热密度小；固相高温蓄热是用电加热管将固态成型材料加热到400-700℃，再通过高温换热将蓄存的热量释放出去，其换热装置复杂、压力高、安全性能差，保温难度大，热损失大。为了克服上述供热水装置的种种不足，该发明不仅提供一种特殊的高性能的相变蓄热材料；而且提供一种能够将该材料蓄热性能发挥出来的应用技术——集电加热、蓄热、换热、保温于一体具有低谷电蓄热功能的电热供热装置的设计；还涉及一种具有较高换热能力的经特殊加工处理的紫铜蛇行盘管的设计；一种能够进行快速安装和移动的装置设计；同时还涉及一种能够将加热管通电时产生的热量均匀传递到相变蓄热材料的金属翅片设计；也还涉及一种能够进行全自动控制的温度时间控制器设计。由此设计制造成的一体化高密度相变蓄能用电供暖技术及装置不仅能够独立进行供暖和热水，而且还能通过调温阀进行水温调节；还具有低谷电蓄热功能，大大地降低了初投资和运行费用，提高了安全性和舒适性。从根本上解决了常压水蓄热和高温水蓄热、固相高温蓄热等常规蓄热装置所固有的体积大、压力高、初投资高、使用费用高、安全性能差等问题和缺点。

图1是用本发明的相变蓄热材料的蓄热特性曲线图。

图2是用本发明的相变蓄热材料的放热特性曲线图

图3是供热装置的纵剖面构造图。

图3中：1.外壳，2.保温层，3.换热盘管，4.相变蓄热壳体，5.蓄热腔加强筋，6.相变蓄热材料，7.加热套管，8.导热金属翅片，9.温度传感器，10.电加热管，11.底部金属支撑，12.循环水进口，13.热水出口，14.供水温度调节阀，15.温度时间控制器。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：长方形外壳(1)与相变蓄热壳体(4)通过底部金属支撑(11)和蓄热腔加强筋(5)焊接在一起，在二者之间填充保温层(2)；在相变蓄热壳体内，导热金属翅片并行地垂直穿在加热套管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行于加热套管分布有4根铜管，并用c型弯头穿行连接呈u字蛇形盘管，盘管的两端一个做循环水进口，与变频循环水泵的出口连接，另一个做循环热水出口与供热系统相连，进出口之间并联有供水温度调节阀，加热套管(7)的两端穿过并焊接在相变蓄热壳体(4)的左右两侧金属板上，形成的空腔为蓄热腔，该腔内充满熔点为60-95℃、融解热为50-75kcal/kg的相变蓄热材料(6)，其中心部位设置温度传感器(9)；电加热管(10)穿在加热套管(7)内，通过导线与时间温度控制器(15)电连接；相变蓄热壳体(4)的底部焊接金属支撑架(11)。

本发明的技术应用装置工作原理和工作流程是：

蓄热过程：在用电低谷时段，时间温度控制器(15)控制电加热管(10)通过加热套管(7)加热翅片(8)，再通过均布的翅片(8)扩散传递到相变材料(6)中，相变材料(6)的温度逐渐升高，在未达到相变温度-熔点以前存储显热，相变材料获得足够的热量后，逐渐发生晶格变化----相变潜热，相变结束并达到设定温度时蓄热过程完成。蓄热量为显热(60-95℃)加潜热，合计约为92-95kcal/kg。

释热供暖(热水)过程：电加热管(10)停止加热，其相变材料(6)中所储存的热量通过均布的导热翅片(8)和u字蛇形换热铜盘管(3)传递到水中，将水加热至40-80℃，使用时通过调节供水温度调节阀(14)与循环水或自来水混合之所需供水温度，相变蓄热材料(6)逐渐发生晶格变化----凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度(45-60℃)时，释热过程结束。

边蓄边供工作过程：启动循环泵，打开供水阀门，相变材料(6)中所携带的热量通过均布的导热翅片和换热管传递到水中实现供水，带走相变材料中蓄存的热量使其温度低于设定温度，在时间温度控制器(15)的控制下，启动电加热管(10)，给相变蓄热材料(6)加热蓄能，将剩余部分热量存储到相变蓄热材料(6)中，该相变蓄热材料的固态密度为2.2g/cm³，液态密度为2.14g/cm³，比热为0.84cal/g.k，熔点为79.4℃，熔解热为73.8cal/g，该过程中总蓄热量为92.6cal/g，其中显热18.8cal/g，潜热73.8cal/g。当相变蓄热材料(4)的温度达到90℃时，停止加热，当相变蓄热材料的温度低于60℃时，重新启动电加热管(6)进行补热。以实现用电低谷时段和平段边蓄边供热的需要。

本发明的有益效果是，可以通过高性能相变蓄热材料利用电加热管、加热套管和、导热翅片、换热盘管的传热完成相变材料的蓄热、释热供暖(热水)两种功能，结构紧凑，蓄热密度大、体积小、安全稳定可靠。

本发明的发明人一直从事能源综合利用技术的研究和开发，尤其近几年成功的研制发明了蓄能式电磁开水器、分层蓄热水箱、一体化电加热相变蓄热模块、一体化管道式相变蓄热模块、无内胆高密度相变蓄热供水装置、户式相变蓄热供暖装置、柜式相变蓄热供暖空调等技术，并已获得了以上七项专利，先后担任了4个冰蓄冷工程和11个电锅炉蓄热工程的设计和工程总监，积累了多年的实践经验，加之多项丰富的专业理论知识，在经过多次反复研究和试验的基础上，首先发明了能够分别在7.5℃、12℃、18℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、95℃、140℃、204℃发生相变并具有较大的相变潜能(熔解热)的混合相变材料；在此基础上发明了具有划时代意义的模块化相变蓄热系统、模块化相变蓄冷系统。

本发明目的在于解决上述问题，并力求在蓄能技术及系统集成技术方面有较大的突破，本发明的目的可按下述实施：

下面结合附图和实施例对采用本发明设计制造的新型蓄热电热供暖(热水)装置进一步说明。

图4所示200L无内胆高密度蓄能电热水装置可实现：

1、不需加热的情况下连续供50℃的热水200公斤，其工作原理：

在用电低谷时段，时间温度控制器(15)控制总功率为1。8kW的电加热管(10)通过加热套管(7)和翅片(8)加热相变材料(6)，相变材料(6)的温度逐渐升高，在未达到相变温度-熔点以前存储显热，相变材料获得足够的热量后，达到相变温度-熔点78.5℃，逐渐发生相变储存潜热，相变结束并达到设定温度时蓄热过程完成，断开加热管电源，该过程约需320分钟，其相变材料(6)中(90kg)所储存的总热量为8200kcal；通过均布的导热翅片(8)和u字蛇形换热铜盘管(3)传递到水中，将水加热至40-80℃，使用时将出水口阀门打开，通过调节供水温度调节阀(14)与自来水混合至所需供水温度，相变蓄热材料(6)逐渐发生晶格变化----凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度(45℃)时，由于设计换热温差为5℃，出口水温低于45℃，视为释热完毕，此时总共供水量超过200L。

2、边蓄供边加热的情况下连续供45℃的热水230L，其工作原理：

边蓄供边加热：打开出口供水阀门，相变材料(6)中所携带的热量通过均布的导热翅片和换热管传递到水中实现供水，当带走的热量使相变材料的温度低于设定温度时，在时间温度控制器(15)的控制下，启动电加热管(10)，给相变蓄热材料(6)加热蓄能，将剩余部分热量存储到相变蓄热材料(6)中，该相变蓄热材料的固态密度为2.2g/cm³，液态密度为2.14g/cm³，比热为0.84cal/g.k，熔点为79.4℃，熔解热为73.8cal/g，该过程中总蓄热量为90.6cal/g，其中显热16.8cal/g，潜热73.8cal/g。当相变蓄热材料(4)的温度达到80℃时，停止加热，当相变蓄热材料的温度低于60℃时，重新启动电加热管(6)进行补热，以此实现230L热水供应。

对于供230L热水的蓄热装置，根据《设计规范》，其总热负荷为8100kcal，在用电低谷时段加热管工作5小时即可蓄满，因此该蓄热供水装置加热管(10)总功率应为1800w-2000w，需相变材料(6)90kg，所占容积为0.05m³。

由此可见，用本发明设计的新型以电加热为热源的相变蓄热供热水装置，可实现无内胆、小体积、低谷蓄热，削峰填谷，平衡电网并提高电网的负荷率等效用，同时由于低谷时段的电价较低，也降低了运行费用，同时还降低了初投资。

按照图4所述的实施方式形成的其他类似的技术方案，也均属本适用新型的保护范围。

按照图3所述的实施方式，若把换热盘管的布置方式及外形与结构更换为其他类似的技术方案，也均属本适用新型的保护范围，以上所述乃是本实用新型的具体实施例及所运用的技术原理，若依本实用新型的构想所作的等效改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的范围内，特此说明。

由此可见，本发明以电加热为热源的供热系统中，可实现低谷蓄热，削峰填谷，平衡电网并提高电网的负荷率等效用，同时由于低谷时段的电价较低，也降低了运行费用。

综上所述，本发明是对传统的常规蓄冷系统和蓄热系统的重大改进，在蓄热(冷)系统的结构、运行模式、系统规划设计、蓄能材料推广应用等诸多方面都有重大突破，并对其有一定的指导作用。

以上所述只是本发明的部分具体应用实例及其蓄能机理，若依本发明的构想所做的等效改变和部分应用，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所含盖的精神或原理时，均应在本发明的范围内，特此声明。

Claims (9)

1.本发明涉及一种具有高蓄热能力的相变材料，其特征是：

(1)物理特性：常温下呈灰白色固体，散装料呈白色半透明

   晶体，无嗅，无挥发，密度(ρ)＝2300kg·m^-3，相变温度

   (t_f)＝78.5℃，相变潜热(L)＝292-296kJ·kg^-1，比热容(c_p)＝

   4.5kJ·kg^-1·C^-1，导热系数(λ)＝0.7kJ·m^-1·℃^-1·s^-1。

(2)化学组成：八水钡[Ba(OH)₂·8H₂·O]：90％min；

             一水钡[Ba(OH)₂·H₂·O]：6％max；

             碳酸钡[BaCO₃]：1.0％max；

             水[H₂·O]：3.8％max；

             铁Fe：0.2％max，粒度8ц

(3)生产工艺：将定量八水钡加热融化后继续加热升温至90℃时分

             别顺序加入定量的水、一水钡、铁粉、碳酸钡。

2.本发明涉及一种能够将该材料蓄热性能得以实际应用的技术装置及设计，其特征是：所设计的装置呈长方体或圆柱体，主要由导热翅片、加热套管、换热管或翅片、密封壳体、加料口、温度传感器、控制器等部分组成。在密封壳体内，导热金属翅片并行地垂直穿在加热套管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行于加热套管分布有N根铜管，并用c型弯头穿行连接呈u字蛇形盘管，盘管的两端一个做循环水进口，与变频循环水泵的出口连接，另一个做循环热水出口，与供热系统相连，进出口之间并联有供水温度调节阀；加热套管的两端穿过并焊接在相变蓄热壳体的左右两侧金属板上，形成的空腔充满相变蓄热材料，其中部设置温度传感器；电加热管穿在加热套管内，通过导线与时间温度控制器电连接；相变蓄热壳体的底板外侧焊接金属支撑架。可按控制程序实现低谷蓄热、供暖、提供生活热水。

3.根据权利要求1所述一种具有高蓄热能力的相变材料，其特征是：以八水钡为主要原料，其含量在90％以上，以一水钡、碳酸钡、水、铁粉等为辅助添加剂来保证材料的蓄热性能稳定可靠。

4.根据权利要求1所述一种具有高蓄热能力的相变材料，其特征是：其主要生产工艺是将定量八水钡加热融化后继续加热升温至90℃时分别顺序加入定量的水、一水钡、铁粉、碳酸钡。

5.根据权利要求2所述一种能够将该材料蓄热性能得以实际应用的技术装置及设计，其特征是：相变蓄热壳体内，导热金属翅片并行地垂直穿在加热套管和换热盘管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行于加热套管分布有4根铜管，并用c型弯头穿行连接呈u字蛇形盘管，盘管的两端一个做循环水进口，另一个做循环热水出口，循环水流过时被相变蓄热材料加热。

6.根据权利要求2所述一种能够将该材料蓄热性能得以实际应用的技术装置及设计，其特征是：垂直于加热套管紧配合地穿有数片间距为5-10mm的导热翅片，以增加传热面积和换热能力。

7.根据权利要求2所述一种能够将该材料蓄热性能得以实际应用的技术装置及设计，其特征是：蓄热腔内的相变蓄热材料中设有温度传感器。

8.根据权利要求2所述一种能够将该材料蓄热性能得以实际应用的技术装置及设计，其特征是：蓄热腔内等间距相互平行地布置有加热套管，电加热管穿入加热套管内。

9.根据权利要求2所述一种能够将该材料蓄热性能得以实际应用的技术装置及设计，其特征是：在密封壳体上方左右两侧设有加料口。

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