一種模塊化相變儲熱供熱單元及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱能儲存技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于有機(jī)物/膨脹石墨復(fù)合相變材料的模塊化相變儲熱供熱單元及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)今，隨著社會的發(fā)展，人們對于能源的需求量越來越大，能源利用過程中付出的金錢成本與環(huán)境成本也越來越高。2014年，建筑能耗總量在我國能源消費(fèi)總量中的份額已超30%，而暖通空調(diào)能耗約占建筑能耗的50%，因此暖通空調(diào)的節(jié)能是建筑節(jié)能的重點(diǎn)。另夕卜，我國既有建筑中僅有1%為節(jié)能建筑，節(jié)能空間巨大。我國有著豐富的太陽能資源，全國平均的年總輻射量約為1500千瓦時/平方米。從資源總量的角度而言，中國絕大部分地區(qū)都適合太陽能的開發(fā)利用。另外，去年以來，越來越多的城市鼓勵全面推行居民用電峰谷電價，鼓勵居民用戶參與電力移峰填谷。以上海為例，峰時段(6-22時)電價為0.617元/kWh，谷時段(22時-次日6時)電價為0.307元/kWh，可見，如果將谷時段的電能以熱能的形式儲存起來在峰時段使用，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。然而，太陽能和低谷電能都存在時間上不連續(xù)性的特征，怎樣充分利用它們成為廣泛關(guān)注的問題。能量儲存技術(shù)可以解決能量利用與需求在時間、空間上不匹配的矛盾。因此，為了充分利用太陽能和低谷電能，必須考慮能量儲存技術(shù)。然而，潛熱儲存技術(shù)中所用相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較小以及換熱器換熱效率較低，成為限制潛熱儲存技術(shù)廣泛應(yīng)用的最大障礙。將相變材料與一些添加劑膨脹石墨結(jié)合制備成定型的復(fù)合相變材料，在一定程度上解決了相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問題，復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)大大增加了，并且具有儲能密度高、結(jié)構(gòu)簡單、無毒害、無腐蝕、質(zhì)量輕、相變時無液體泄漏、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]目前，傳統(tǒng)的室內(nèi)換熱末端包括散熱片、風(fēng)機(jī)盤管等均不具備儲熱功能，只能實(shí)現(xiàn)能量在空間上的轉(zhuǎn)移，并不能實(shí)現(xiàn)能量在時間上轉(zhuǎn)移。將相變儲能材料與其結(jié)合，開發(fā)具有熱能儲存功能換熱末端，可實(shí)現(xiàn)太陽能及低谷電能的充分利用。這種具有儲熱功能的換熱末端是未來節(jié)能型建筑的發(fā)展趨勢，有望替代傳統(tǒng)的換熱末端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種換熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單的基于有機(jī)物/膨脹石墨復(fù)合相變材料的模塊化相變儲熱供熱單元及其制造方法。可將一定數(shù)量的該儲熱供熱單元組裝成具有一定熱容量的儲熱供熱裝置，該裝置以太陽能和低谷電能為能量來源，可以實(shí)現(xiàn)同時供熱水和暖氣的目的。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]—種模塊化相變儲熱供熱單元，由儲熱基體、金屬翅片板及金屬外殼構(gòu)成，儲熱基體上下兩側(cè)各有一塊金屬翅片板，金屬外殼將儲熱基體與兩塊金屬翅片板包裹起來，成為獨(dú)立的儲熱供熱單元，所述儲熱基體由定形復(fù)合相變材料和插在定形復(fù)合相變材料內(nèi)的銅管構(gòu)成，所述銅管內(nèi)為水流通道，所述金屬翅片板的間隙為空氣通道，儲熱后可以實(shí)現(xiàn)供熱水、供暖氣的目的。
[0007]優(yōu)選地，所述定形復(fù)合相變材料由有機(jī)物和膨脹石墨復(fù)合而成，其中有機(jī)物所占質(zhì)量百分比為50%-80 %。所述有機(jī)物為相變溫度為55-85°C范圍內(nèi)的飽和脂肪酸或直鏈烷烴。所述定形復(fù)合相變材料的相變潛熱為100-180J/g，導(dǎo)熱系數(shù)為18-30ff/mK。
[0008]優(yōu)選地，所述銅管均勻布置在定形復(fù)合相變材料中，且二者緊密接觸，所述銅管的根數(shù)(η)與所述儲熱基體在垂直于銅管軸線的截面上長(L)、高(H)關(guān)系滿足:n = L/H。所述儲熱基體的兩端，銅管長度各留出不小于20mm的余量，以便焊接銅管彎頭。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬翅片板為平板翅片，平板面積與其所接觸的儲熱基體上側(cè)或下側(cè)表面積相同。所述金屬翅片板的翅片厚度為1-3_，翅片間空氣通道寬度為2-5_，且翅片均勻分布。
[0010]優(yōu)選地，所述金屬外殼起到包裹作用，厚度為0.2-0.5mm，與金屬翅片板非固定連接，所述儲熱基體與金屬翅片板均為水平放置，所述金屬外殼內(nèi)部空間高度比儲熱基體加上兩塊金屬翅片板的總高度大一定的間隙距離(優(yōu)選為2_5mm)，以便為儲熱過程中相變材料熔化造成的復(fù)合相變材料體積膨脹提供空間。
[0011]上述模塊化相變儲熱供熱單元的制造方法，包括以下步驟:
[0012](I)將可膨脹石墨粉干燥后置于600°C溫度下膨化15分鐘，制備膨脹石墨；
[0013](2)將飽和脂肪酸或直鏈烷烴在室溫下放入粉碎機(jī)粉碎，得到有機(jī)物粉末；
[0014](3)將步驟(I)制備的膨脹石墨與步驟(2)制備的有機(jī)物粉末混勻后在高于有機(jī)物相變溫度16_24°C(優(yōu)選為20°C)的環(huán)境下進(jìn)行吸附1-2小時得到復(fù)合相變材料；
[0015](4)將步驟(3)中得到的復(fù)合相變材料倒入已經(jīng)放置銅管的模具中，在低于有機(jī)物相變溫度6_14°C(優(yōu)選為10°C)的環(huán)境中沿著與銅管軸線方向壓縮復(fù)合相變材料，壓縮后，銅管與復(fù)合相變材料緊密接觸，所述復(fù)合材料具有一定的密度；
[0016](5)打開模具，即得到儲熱基體；
[0017](6)將得到的儲熱基體與金屬翅片板組合后使用金屬外殼包裝起來，制得模塊化相變儲熱供熱單元。
[0018]將一定數(shù)量的模塊化相變儲熱供熱單元組裝成具有一定熱容量的儲熱供熱裝置。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0020]1、本發(fā)明所得的儲熱基體，因銅管與復(fù)合相變材料緊密接觸，大大降低了接觸熱阻，具有較高的換熱系數(shù)及換熱效率。
[0021]2、本發(fā)明可通過控制儲熱基體的體積，進(jìn)而得到具有儲熱能力可量化的儲熱供熱單元模塊，將一定數(shù)量的儲熱供熱單元模塊串聯(lián)即可滿足一定的儲熱要求。
[0022]3、本發(fā)明所得到的模塊化儲熱供熱單元，完成一次儲熱后，儲存的熱量既可用于熱水供應(yīng)，又可以用于暖氣供應(yīng)，可用于開發(fā)具有儲熱功能的新型室內(nèi)換熱末端。
[0023]4、本發(fā)明所得到的模塊化儲熱放熱單元結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明模塊化相變儲熱供熱單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為金屬翅片板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為儲熱基體結(jié)構(gòu)不意圖；
[0027]圖4為金屬外殼結(jié)構(gòu)不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0029]實(shí)施例1
[0030]—種模塊化相變儲熱供熱單元，如圖1-4所示，由儲熱基體、上金屬翅片板2、下金屬翅片板5及金屬外殼I構(gòu)成，儲熱基體上下兩側(cè)各有一塊上金屬翅片板2與下金屬翅片板5，金屬外殼I將儲熱基體與兩塊金屬翅片板包裹起來，成為獨(dú)立的儲熱供熱單元，其中，儲熱基體由定形復(fù)合相變材料3和插在定形復(fù)合相變材料3內(nèi)的銅管4構(gòu)成，銅管4內(nèi)為水流通道，金屬翅片板的間隙為空氣通道，儲熱后可以實(shí)現(xiàn)供熱水、供暖氣的目的。
[0031]本實(shí)施例中，定形復(fù)合相變材料由有機(jī)物和膨脹石墨復(fù)合而成，其中有機(jī)物所占質(zhì)量百分比為80%。有機(jī)物為硬脂酸(相變溫度約69°C)。復(fù)合相變材料的相變潛熱為164J/g，導(dǎo)熱系數(shù)為18W/mK。加熱儲熱單元到90°C后無液體泄漏。
[0032]本實(shí)施例中，銅管均勻布置在定形復(fù)合相變材料中，且二者緊密接觸，銅管的根數(shù)(η)與儲熱基體在垂直于銅管軸線的截面上長(L)、高(H)關(guān)系滿足:n = L/H。儲熱基體的兩端，銅管長度各留出不小于20mm的余量，以便焊接銅管彎頭。
[0033]本實(shí)施例中，金屬翅片板為平板翅片，平板面積與其所接觸的儲熱基體上側(cè)或下側(cè)表面積相同。金屬翅片板的翅片厚度為2mm，翅片間空氣通道寬度為3mm，且翅片均勾分布。
[0034]本實(shí)施例中，金屬外殼起到包裹作用，厚度為0.4mm，與金屬翅片板非固定連接，儲熱基體與金屬翅片板均為水平放置，金屬外殼內(nèi)部空間高度比儲熱基體加上兩塊金屬翅片板的總高度大一定的間隙距離(為2-5mm)，以便為儲熱過程中相變材料熔化造成的復(fù)合相變材料體積膨脹提供空間。在沿銅管軸線方向上，上金屬翅片板2、下金屬翅片板5和金屬外殼I長度比復(fù)合相變材料3的長度大5_左右。
[0035]上述模塊化相變儲熱供熱單元的制造方法，包括以下步驟:
[0036](I)將可膨脹石墨粉干燥后置于600°C溫度下膨化15分鐘，制備膨脹石墨；
[0037](2)將硬脂酸(相變溫度約69°C)在室溫下放入粉碎機(jī)粉碎成粉末；
[0038](3)將步驟(I)制備的膨脹石墨與步驟(2)制備的硬脂酸粉末以質(zhì)量比1:4混勻后在90°C的環(huán)境下進(jìn)行吸附2小時得到硬脂酸/膨脹石墨復(fù)合相變材料；
[0039](4)將步驟(3)中得到的復(fù)合相變材料倒入已經(jīng)放置銅管的特定模具，在60°C的環(huán)境中沿著與銅管軸線方向平行的方向壓縮復(fù)合相變材料，控制其密度約為900kg/m3;
[0040](5)打開模具，即得到儲熱基體；
[0041](6)將得到的儲熱基體與金屬翅片板組合后使用金屬外殼包裝起來，制得模塊化相變儲熱供熱單元。
[0042]將一定數(shù)量的模塊化相變儲熱供熱單元組裝成具有一定熱容量的儲熱供熱裝置。
[0043]實(shí)施例2
[0044]—種模塊化相變儲熱供熱單元，如圖1-4所示，由