CN218937121U - 一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统；所述换热子系统包括储热水箱、所述管路及阀门；电热转换及储热子系统包括至少两个电加热及储热模块，各个电加热及储热模块之间通过所述管道串并联连接，所述管路中设有阀门，通过控制阀门的开关使得各电加热及储热模块形成串并联通路；所述管路贯穿电加热及储热模块；温控子系统用于检测和控制换电加热及储热模块的温度。该系统可以使用外接电源对复合相变材料进行通电，并且实现快速储能及高效使用能量的目的。在外接电源的电压下可以产生热量，热量被该模块以显热及潜热的方式存储起来，具有能量利用效率高、蓄能量大的优点。

Description

一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统

技术领域

本实用新型涉及电能利用技术领域，尤其涉及一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统。

背景技术

电能具有易传输的优点，但同时存在存储成本高的缺点；热能具有易存储但是不易传输的缺点。将电能与热能结合起来能取长补短，大大改善电能在时间和空间分配上的不均匀性，提高能量利用效率，对电网起到移峰填谷的效果。此外，两者相结合还能提高富余电力的消纳能力，解决“弃风弃电”问题；推进风能、电能等清洁能源的应用，实现绿色供暖。因此，电热转换及存储的材料及系统研究对于能量利用方面的优化至关重要。

目前含有电热转换功能的相变蓄热装置，如相变蓄热式电采暖装置、蓄热电锅炉等，采用的是加热元件与储热元件分离的模式。对储热元件的加热是一种间接电加热方式，这会导致加热元件与储热元件之间存在热阻，导致装置蓄放热不及时；此外，从能量转换及传输途径分析来看，间接电加热式的的相变蓄热系统与电加热式相变蓄热系统相比多一个能量传输环节，这导致间接电加热式的的相变蓄热系统热利用效率相对较低。现有的兼具电热转换与相变功能的材料大多只是在材料上做电热转换的研究，实际应用研究开展得少。而且目前已知的实际应用研究集中在电池热管理系统上。

将电能与热能相结合的研究有很多，但大多集中在间接电加热的方式上，即电加热元件与蓄热元件相分离。具体表现为电热膜、发热电缆、电加热棒、电热丝等电加热元件嵌入蓄热元件如相变材料中，当电加热元件发生电热转换时，热能就能通过热传导的方式从电加热元件传递到蓄热元件中，达到电能与热能结合的效果。但是这种间接电加热方式能效较低，传热速率较慢，限制了实际中的应用。

在“相变蓄热电采暖模块的传热性能研究”这一研究中，研究者将电热丝布置在复合相变材料中间，制备得到相变蓄热电采暖模块。研究者对电热丝进行通电加热处理，热量经过传递后被复合相变材料吸收。复合相变材料所吸收的能量用于房间电采暖。该技术存在的不足是：电热丝的加热功率的提升被电热丝与材料组合方式的限制，从而导致加热时间过长，不能满足快速加热的需求。在该研究中，当电阻丝的电热功率为8W时，整个模块加热时间高达8h。而在大功率下，电阻丝存在局部过热的问题。该研究者分析随着电热功率的提升，热源向周围相变材料输送的热量越多，这些超额热量往往无法完全及时地疏散到模块各处，积聚的热量增多会导致电热丝周围温度不断升高，从而导致电热丝局部过热的现象。

实用新型内容

为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统。在该系统中，导电的复合相变材料制备得到的电热转换模块同时具备了储热的功能。在其模块两端的电极片上接上外界电源即可起到加热的效果。该装置结构简单紧凑，且换热子系统中的串并联管路可以进行流道串并联切换，实现调控换热流体流量及温度的效果。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统；

所述换热子系统包括储热水箱、所述管路及阀门；所述电热转换及储热子系统包括至少两个电加热及储热模块，各个电加热及储热模块之间通过所述管路串并联连接，所述管路中设有阀门，通过控制阀门的开关使得各电加热及储热模块形成串并联通路；所述管路贯穿电加热及储热模块；所述温控子系统用于检测和控制换电加热及储热模块的温度。

进一步地，所述温控子系统包括热电偶、与热电偶理解的温度监测模块和温度控制开关，所述热电偶贴于电加热及储热模块表面，所述温度控制开关与温度监测模块连接，根据反馈得到的电加热及储热模块温度控制开关状态，所述温度控制开关与外接电源连接。

进一步地，电热转换及储热子系统与自来水系统之间设置有开关总阀和总泵，开关总阀和总泵串联；通过控制开关总阀、总泵以及相应阀门的开关，使自来水流到需要降温的管路，以降低储热水箱中水温。

进一步地，所述管路采用陶瓷管。

进一步地，每个电加热及储热模块包括电极片，所述电极片与外接电源连接。

进一步地，所述电极片与电加热及储热模块之间用环氧型导电胶粘连。

进一步地，电加热及储热模块的复合相变材料组分为：具有导电导热且吸附相变材料作用的膨胀石墨、具有绝缘且吸附相变材料功能的白炭黑、以及具有相变功能的高焓值相变材料。

进一步地，所述电加热及储热模块外侧作密封保温处理。

进一步地，所述电加热及储热模块通过温度控制开关与外接电源连接。

进一步地，所述高焓值相变材料选用有机相变材料或者无机相变材料。

进一步地，相变材料可以选用有机相变材料以及无机相变材料。有机相变材料如石蜡，无机相变材料如三水醋酸钠及各种水合盐。温度在55℃到75℃的高焓值相变材料均能应用在此装置中。

进一步地，通过材料的不同配比，复合相变材料模块电阻率可在2.3×15^-3Ω·m到4×15^-2Ω·m之间调节，电加热及储热模块的电阻在5.1Ω到2Ω范围内可调。

进一步地，电加热及储热模块中电加热及储热模块热导率可以在1到7W/m·K之间调节。

进一步地，单个模块加热功率可达355W。

进一步地，单个模块储能密度达到246.9kJ/kg，两个模块组合成一个模组后储能量达到495kJ。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

1.现有的电加热元件，如电热膜、发热电缆、电加热棒、电热丝等应用在电热转换相变蓄热装置上，其加热速率一般小于5℃/m55。相比这些加热技术，本实用新型利用复合相变材料作为电热转换材料，加热速率可达到5-25℃/m55。具有快速加热的效果。

2.本实用新型所设计的电热转换相变蓄热装置系统能拓展兼具电热转换与相变功能材料的应用范围，利用换热流体将材料电热转换产生的热能及材料存储的热能及时释放出来，从而将热能应用到生活的方方面面。

3.本实用新型采用的是电加热式相变蓄热系统，材料电热转换产生的能量储存在相变材料中，无需经过能量传输环节即可完成材料的能量存储步骤。由于本装置输入电压小，输入功率密度适宜，电加热及储热模块与换热模块之间使用拥有绝缘性能的陶瓷管，因此本系统在使用上安全性得到保证，有望取代常规的电锅炉。

附图说明

图1是实施例一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统的结构图；

图2是实施例电热转换及储热子系统结构图及尺寸示意图；

图3是实施例两个电加热及储热模块串联组成的电加热及储热模组结构图；

图4是实施例温控子系统示意图；

其中，1-开关总阀，2-总泵，3-第一开关阀，4-第三开关阀，5-第二开关阀，6-第四开关阀，7-第一模块，8-第二模块，9-第五开关阀，15-保温层，11-加热电极片，12-环氧型导电胶，13-电加热及储热模块，15-管路，16-温度控制开关，17-温度监测模块，18-外部电源。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都是本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型的一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统。

所述电热转换及储热子系统包括至少两个电加热及储热模块，各个电加热及储热模块之间通过管道以及开关阀形成串并联连接，通过控制开关阀使得各电加热及储热模块实现串联或者并联的通路；

自来水系统和第一个电热转换及储热子系统之间设置有开关总阀1和总泵2，开关总阀1和总泵2串联。当电热转换及储热子系统之间需要串联连接时，只需打开开关总阀和相应的电加热及储热模块之间的开关阀，启动总泵，换热流体即可在管路中通过相应的电加热及储热模块，最后被储热水箱收集。

每个电加热及储热模块13包括设置在块体两侧的电极片，块体外侧作密封保温处理。电加热及储热模块与外接电源18连接，使用外接电源18对电加热及储热模块进行通电，并且实现快速储能及高效使用能量的目的。

电加热及储热模块具有电阻，在外接电源18的电压下可以产生热量，热量被该模块以显热及潜热的方式存储起来，具有能量利用效率高、蓄能量大的优点。

电加热及储热模块中复合相变材料组分为：具有导电导热且吸附相变材料作用的膨胀石墨、具有绝缘且吸附相变材料功能的白炭黑、以及具有相变功能的高焓值相变材料。

相变材料可以选用有机相变材料以及无机相变材料。有机相变材料如石蜡，无机相变材料如三水醋酸钠及各种水合盐。温度在55℃到75℃的高焓值相变材料均能应用在此装置中。通过材料的不同配比，电加热及储热模块电阻率可在2.3×15^-3Ω·m到4×15^-2Ω·m之间调节，电加热及储热模块的电阻在5.1Ω到2Ω范围内可调。

电加热及储热模块中电加热及储热模块热导率可以在1到7W/m·K之间调节。单个电加热及储热模块加热功率可达355W，储能密度达到246.9kJ/kg，两个模块组合成一个模组后储能量达到495kJ

所述换热子系统包括储热水箱、各个电加热及储热模块之间串并联的管路15及阀门；每个电加热及储热模块内部贯穿有管路15，如图2；所述储热水箱与电热转换及储热子系统的出水口连接。

本实施例的管路采用陶瓷管路，陶瓷管具有导热系数高、绝缘的优点，实现安全且高效换热的目的。

所述温控子系统用于检测的控制换电加热及储热模块的温度。每个电加热及储热模块设置一个温控子系统，每个温控子模块包括热电偶、的温度监测模块和温度控制开关，所述热电偶贴于电加热及储热模块表面，所述温度控制开关与温度监测模块连接，根据反馈得到的电加热及储热模块温度控制开关状态。

温控子系统的核心是温度控制开关。当电加热及储热模块温度达到设置的温度时，温度监测模块将信号反馈给温度控制开关，电路处于断路状态，此时用户可以根据需求将电加热及储热模块之间的管路切换成串联或并联状态，启动总泵，得到温度、流量可调控的换热流体。

本实用新型能较好地解决加热功率受限制的不足。本实用新型所介绍的模块起加热功率可达455W，蓄热时长减小为15m55。由于装置采用对相变材料通电的加热方式，且装置的布管方式有利于较快排出装置内的热能，因此装置能很好避免局部过热的现象。

实施例2

如图1所示，本实用新型的一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统。

在本实施例中，所述换热子系统包括储热水箱、串并联管路及阀门、泵等。电热转换及储热子系统包括两个串并联的电加热及储热模块，定义为第一模块7和第二模块8。换热子系统管路贯穿电加热及储热模块进行换热。自来水系统和电热转换及储热子系统之间设置有开关总阀1和总泵2，开关总阀1和总泵2串联，并且与第一模块7、第二模块8串并联。总泵2与第一模块7之间设置有第一开关阀3，第一模块7与第二模块8之间设置有第二开关阀5。两个旁路分别设置有第三开关阀4和第四开关阀6。

所述电热转换及储热子系统的工作过程如下：

当两个电加热及储热模块需要串联连接时，只需打开开关总阀1、第一开关阀3、第二开关阀5、第五开关阀9，关闭第三开关阀4、第四开关阀6，启动总泵2。换热流体即可在管路中先后通过第一模块7以及第二换模块8，最后被储热水箱收集。

当两个电加热及储热模块需要并联连接时，只需打开开关总阀1，第一开关阀3、第四开关阀6、第三开关阀4、第五开关阀9，关闭第二开关阀5，启动总泵2。换热流体即可在管路中分别通过第一模块7以及第二模块8，最后被储热水箱收集。

当用户需要降低储热水箱里换热流体温度时，只需按照电热转换及储热子系统串联连接时各开关阀的状态操作即可，若电热转换及储热子系统温度较高，则温度较低的自来水流动时需要绕开两个电加热及储热模块，此时只需打开开关总阀1、第三开关阀4、第二开关阀5、第四开关阀6，关闭第一开关阀3、开关阀9，启动总泵2。温度较低的自来水即可补充到储热水箱中，达到降低储热水箱中水温的效果。

在本实用新型其中的一些实施例中，多个电热转换及储热子系统组合成套管式换热系统，每个电加热及储热模块13如图2所示，均包括加热电极片11、保温层15，用于提供一个隔热环境，减少能量损耗。

本实用新型中，电热转换及储热子系统包括至少两个电加热及储热模块13，且每个模块进行串并联连接。当电加热及储热模块温度达到75℃时，利用换热子系统对电加热及储热模块进行换热，同时停止温控子系统的电加热。换热流体，经过管路进行换热。此时可以根据用户需求将管路切换成串联或并联状态，启动总泵，得到温度、流量可调控的换热流体。

在本实用新型其中的一些实施例中，电热转换及储热子系统包括两个电加热及储热模块，在其它实施例中，可以视需求增加电加热及储热模块的数量。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述电加热及储热模块在制备过程中，通过调节膨胀石墨以及白炭黑的比例，从而调节电加热及储热模块的电阻率，以便适应不同应用场景。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述电加热及储热模块由原材料压制并打孔成型，管路通过孔贯穿电加热及储热模块。

在本实用新型其中的一些实施例中，加热电极片与电加热及储热模块之间用环氧型导电胶12粘连。所述加热电极片为铜电极片。

在本实用新型其中的一些实施例中，电加热及储热模块在固定电阻率的情况下，通过调节输入电压从而调节输入功率，最终达到快速蓄热的目的。蓄热完成后，通过调节换热流体的流量，可以最终达到快速放热的目的

如图3所示，所述的电加热及储热模块可以通过串联的方式组合成为电加热及储热模组，且多个模组组合可以拼接成更大的模组，组合好的模组即为电热转换及储热子系统。

实施例3

本实用新型的一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统。

如图4所示，所述温控子模块包括热电偶(K型)、温度监测模块17和温度控制开关16(也称温度控制电路开关)。所述热电偶贴于电加热及储热模块表面的中部位置，用于监测电加热及储热模块的温度。热电偶与温度监测模块的采集端连接，温度监测模块与温度控制开关16的连接，电加热及储热模块通过温度控制开关16与外部电源18连接。所述温度监测模块用于读取热电偶测量得到的温度数据，显示电加热及储热模块的温度情况并将信号反馈给温度控制开关。所述温度控制开关根据反馈得到的电加热及储热模块1温度情况来控制开关状态。若电加热及储热模块的温度高于75℃，则开关处于断开状态，若温度低于75℃，则开关处于闭合状态。此外，温度控制开关还可以人为控制开关状态，以便满足用户需求。

在本实用新型其中的一些实施例中，所述的电加热及储热模块外部由保温棉包裹，减少能量损耗。

综上，本实用新型实例提供的一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，设置两个电加热及储热模块。通过外接电源对两个电加热及储热模块进行电加热。电能通过电热转换方式进行转化，热能存储在该模块中。当温度达到75℃时，温控子系统将信号反馈给温度控制开关，电路处于断路状态，此时可以根据用户需求将管路切换成串联或并联状态，启动总泵，得到温度、流量可调控的换热流体。

本实用新型的系统可以使用外接电源对复合相变材料进行通电，并且实现快速储能及高效使用能量的目的。该系统包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统三部分。电热转换及储热子系统的核心是电加热及储热模块。该模块具有电阻，在外接电源的电压下可以产生热量，热量被该模块以显热及潜热的方式存储起来，具有能量利用效率高、蓄能量大的优点。换热子系统核心是贯穿电加热及储热模块的陶瓷管路以及串并联系统，陶瓷管具有导热系数高、绝缘的优点，实现安全且高效换热的目的。温控子系统的核心是温度控制开关。当电加热及储热模块温度达到设定的温度时，温度监测模块将信号反馈给温度控制开关，电路处于断路状态，此时用户可以根据需求将管路切换成串联或并联状态，启动总泵，得到温度、流量可调控的换热流体。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实用新型中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本实用新型所示的这些实施例，而是要符合与本实用新型所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，其特征在于，包括电热转换及储热子系统、换热子系统、温控子系统；

所述换热子系统包括储热水箱、管路及阀门；所述电热转换及储热子系统包括至少两个电加热及储热模块，各个电加热及储热模块之间通过所述管路串并联连接，所述管路中设有阀门，通过控制阀门的开关使得各电加热及储热模块形成串并联通路；所述管路贯穿电加热及储热模块；所述温控子系统用于检测和控制电热转换电加热及储热模块的温度。

2.根据权利要求1所述一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，其特征在于，所述温控子系统包括热电偶、与热电偶连接的温度监测模块和温度控制开关，所述热电偶贴于电加热及储热模块表面，所述温度控制开关与温度监测模块连接，根据反馈得到的电加热及储热模块温度控制开关状态，所述温度控制开关与外接电源连接。

3.根据权利要求1所述一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，其特征在于，电热转换及储热子系统与自来水系统之间设置有开关总阀和总泵，开关总阀和总泵串联；通过控制开关总阀、总泵以及相应阀门的开关，使自来水流到需要降温的管路，以降低储热水箱中水温。

4.根据权利要求1所述一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，其特征在于，所述管路采用陶瓷管。

5.根据权利要求1所述一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，其特征在于，所述电加热及储热模块外侧作密封保温处理。

6.根据权利要求1～5任一项所述一种对相变材料通电的快速蓄能及供热系统，其特征在于，所述电加热及储热模块通过温度控制开关与外接电源连接。

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