專利名稱：集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是基于太陽能集熱器的特性與熱泵理論的基礎上，采用以強化換熱技 術為基礎的提出多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器。涉及太陽能利用技術、蓄熱 技術、強化換熱技術和熱泵技術。
背景技術：
能源危機的產生與加劇掀起了世界范圍的節(jié)能熱潮。太陽能以其為清潔能 源、能量巨大的優(yōu)勢得到國內外研究者的普遍青睞。熱泵系統(tǒng)能夠提升熱能，具 有節(jié)能的優(yōu)勢，將太陽能與熱泵系統(tǒng)結合，能夠更進一歩的節(jié)能與合理利用能量， 具有更好的產熱效率。
然而，由于太陽能的不連續(xù)性與天氣依賴型，普通的太陽能熱泵在夜間及連 續(xù)陰雨天無法正常工作，將太陽能熱泵系統(tǒng)與蓄能技術結合起來，能夠很好的解 決系統(tǒng)不能連續(xù)運行的缺點。
潛熱蓄能具有蓄能密度大、溫度變化小等優(yōu)點，引起國內外學者的普遍關注，
并已得到廣泛的應用。目前的蓄能型太陽能熱泵系統(tǒng)多為集熱器、蓄熱器、蒸發(fā) 器分開布置，通過中間換熱介質一通常采用水實現太陽能與蓄能介質間的熱交換， 再一次通過中間換熱介質實現太陽能與蒸發(fā)器或蓄能介質與蒸發(fā)器間的熱量傳 遞。由于兩次使用中間換熱介質，即三次熱交換一太陽能跟水換熱、水與蓄能材 料換熱、水與蒸發(fā)盤管換熱，使得熱損失及制造成本增大，同時由于使用水為集 熱器內的換熱介質，集熱器內溫度較高，集熱損失較大。
集蓄能集熱蒸發(fā)于一體的太陽能熱泵系統(tǒng)采用多功能高效太陽能集熱/熱泵 蒸發(fā)器采用單個裝置解決太陽能吸收、能量儲存與釋放，減少中間換熱環(huán)節(jié)，節(jié) 約制造成本。然而，由于相變過程的復雜性，相變時相變材料與換熱器間的換熱 效率變化大，且絕大多數無機相變材料存在過冷度大、腐蝕金屬管道；有機相變 材料導熱系數低、相變前后體積變化大，使得蓄能介質與熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)/冷凝器 直接換熱的發(fā)展與使用受到限制，通常的蓄能型空調系統(tǒng)采用兩級換熱器，先采 用水等換熱性能良好的介質與蓄能材料進行換熱吸收/釋放能量，然后將升溫/降 溫后的水與蒸發(fā)或冷凝器進行換熱釋放/吸收能量，以保證空調系統(tǒng)的穩(wěn)定與高效 運行。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵系統(tǒng)， 解決傳統(tǒng)的蓄能材料不能與熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器直接換熱的問題，優(yōu)化集蓄能集熱 蒸發(fā)于一體的太陽能熱泵系統(tǒng)的整體性能。
技術方案本發(fā)明的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，包括壓縮機、水 冷冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、水泵、水箱，其特征在于該裝置的壓縮機、水 冷冷凝器的冷媒管、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器串聯連接成一個閉合的回路，水冷冷凝 器水冷管、水泵、水箱串聯連接成一個閉合的回路，其中，蒸發(fā)器采用太陽能集 熱/熱泵蒸發(fā)器。
所述的蒸發(fā)器包括蓄能型集熱蒸發(fā)管、冷媒蒸發(fā)管、漫反射板，蓄能型集熱 蒸發(fā)管有多根平行相間的排列，在蓄能型集熱蒸發(fā)管中設有冷媒蒸發(fā)管，在蓄能 型集熱蒸發(fā)管外的側面設有漫反射板。
所述的蓄能型集熱蒸發(fā)管的外壁是真空集熱管，在真空集熱管的中間設有冷 媒蒸發(fā)管，在真空集熱管與冷媒蒸發(fā)管之間用內部封裝相變材料的膠囊/小桶填 充，在膠囊/小桶與真空集熱管和冷媒蒸發(fā)管之間的空隙處以水填充。
所述的冷媒蒸發(fā)管外套有翅片。所述的各蓄能型集熱蒸發(fā)管束內的冷媒蒸發(fā) 管以并聯的方式相互連接。所使用的內部封裝相變材料的膠囊/小桶是通過溶膠一 凝膠法制作的軟膠囊，或是塑料或金屬制的矩形或球形的小桶。冷媒蒸發(fā)管外套 有翅片形狀為矩形或三角形、梯形，翅片的布置形式采用以螺旋形盤繞在冷媒蒸 發(fā)管上，翅片的材料為銅、鋁、鐵或其合金。
系統(tǒng)工作過程如下真空集熱管吸收太陽能儲存于蓄能介質中或者提供熱量 給熱泵系統(tǒng)中的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器中的制冷劑吸收太陽能或蓄能介質中儲存的熱量 蒸發(fā)后進入壓縮機，經壓縮機加壓升溫后進入冷凝器將釋放給冷卻介質一水，再 經過熱力膨脹閥節(jié)流后進入多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器蒸發(fā)，如此完成一 個循環(huán)。冷凝器中的冷卻水吸熱升溫后提供給生活用熱水或者供暖。
有益效果本發(fā)明的有益效果是
1. 采用膠囊/小桶封裝相變材料，可以防止相變材料相變時由于固液相密度 的變化導致與換熱壁面的分離，使換熱均勻，提高換熱效率。
2. 由于水的導熱與對流換熱性能良好，膠囊/小桶外走水，可以極大的提高 集熱管與相變蓄能材料以及冷媒蒸發(fā)管與相變蓄能材料間的換熱效率。
3. 外加翅片強化換熱，能進一步強化蒸發(fā)盤管與蓄能介質間的熱量傳遞。
4. 該多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器能極大的提高太陽能集熱器、蓄能 介質、熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器間的換熱效率，快速蓄存集熱器吸收的太陽能，提高瞬 時集熱效率，為熱泵系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行提供保障。


圖1是應用該多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器的集熱蓄能蒸發(fā)一體化的
太陽能熱泵系統(tǒng)圖。其中有l(wèi)壓縮機，2水冷冷凝器，3熱力膨脹閥，4多功能 高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器，5蓄能型集熱蒸發(fā)管，12水泵，13水箱。
圖2是蓄能型集熱蒸發(fā)管圖。其中有6冷媒蒸發(fā)管，7水，8漫反射板，9 真空集熱管，10 PCM膠囊/小桶，ll翅片。
圖3是蓄能型集熱蒸發(fā)管的橫向剖面圖。
圖4是放大的蓄能型集熱蒸發(fā)管的縱向剖面示意圖。
具體實施例方式
所述多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器應用于蓄能集熱蒸發(fā)一體化太陽能 熱泵裝置，該一體化裝置由壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥、多功能高效太陽能集 熱/熱泵蒸發(fā)器、水泵、水箱以及連接管道組成，如圖l所示。內布置U型蒸發(fā)盤 管與蓄能材料的真空集熱管平行布置于太陽能集熱板上，真空管下為漫發(fā)射板， 進入真空集熱管束的U型布置冷媒蒸發(fā)管以并聯的方式相連，經過熱力膨脹閥后 的制冷劑管道經過主管分別送至內置蓄能材料的真空集熱管后經過制冷劑出口主 管統(tǒng)一進入壓縮機，再經過水冷冷凝器后與熱力膨脹閥相連，熱力膨脹閥的另一 端置于蓄能型集熱蒸發(fā)管束后的制冷劑出口總管上。
本發(fā)明采用PCM (Phase Change Material)膠囊或小桶封裝相變材料的形式解 決相變蓄能材料相變時體積變化導致PCM跟換熱壁面接觸不良以及PCM與蒸發(fā)器 管道直接接觸時對金屬管道的腐蝕問題(采用無機鹽為相變材料時存在的問題)， 壁面相變材料相變時，由于固液相密度不同，可能會出現固相PCM上浮至液相PCM 之上的情況，采用膠囊或小桶封裝的形式可避免以上情況的發(fā)生，使整個多功能 高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器溫度分布均勻。在PCM膠囊或小桶的空隙處以水填 充，能夠強化整個集熱蓄能蒸發(fā)器的換熱效果，盡快的實現熱量的傳遞，使保證
集熱蓄能蒸發(fā)管內的溫度分布更均勻，從而保證蓄能介質一水和PCM膠囊/小桶與 熱泵系統(tǒng)的冷媒蒸發(fā)管束間的熱量傳遞穩(wěn)定而高效，同時在蒸發(fā)管束外添加翅片， 能進一步強化熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器與蓄能介質間的換熱效率。
該系統(tǒng)減少了傳統(tǒng)的蓄能型太陽能熱泵熱水器系統(tǒng)的多次中間換熱步驟，減 少了熱損失，節(jié)約成本；且由于多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器的使用，降低 了集熱器的瞬時溫度，使太陽能集熱效率升高；同時由于蓄能介質的作用，使熱 泵系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度受外界環(huán)境的影響大大減小，提高熱泵運行效率的同時增強了 熱泵系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
采用膠囊或小桶封裝相變材料(PCM)可以解決相變材料相變時由于固液相密 度的變化而造成的與換熱壁面局部分離引起的換熱不均和換熱效果惡化問題，膠 囊可以采用溶膠/凝膠法制備，也可以采用現成的塑料小桶封裝，目前市面上已有 相關產品；冷媒蒸發(fā)管外的翅片采用螺旋環(huán)繞在蒸發(fā)管外的形式；由于水的熱導 率相對較高，換熱性能良好，在多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器內溫度分布不 均勻時，還能進行對流換熱，加速多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器內溫度分布 的均勻化，因此在真空管集熱器、冷媒蒸發(fā)管與相變膠囊/小桶中間空隙處以水填 充，能極大得提高該多功能集熱/蒸發(fā)器的整體換熱效果，同時水本身也是一種儲 能介質，能儲存一定的顯熱量；真空集熱管下鋪設漫反射板，能增多進入真空管 的太陽能，提高集熱效率，且該技術目前已經成熟，容易實現；熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā) 管以U形布置于真空集熱管中，不同的蓄能型集熱蒸發(fā)管束內冷媒蒸發(fā)管采用并 聯的形式連接，跟串聯方式相比，能使整個多功能高效太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器內 溫度分布更加均勻。
本發(fā)明由壓縮機1、水冷冷凝器2的冷媒管、熱力膨脹閥3、蒸發(fā)器4串聯 連接成一個閉合的回路，水冷冷凝器2水冷管、水泵12、水箱13串聯連接成一 個閉合的回路，其中，蒸發(fā)器4采用太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器由冷媒蒸 發(fā)管6，漫反射板8，真空集熱管9， PCM膠囊/小桶10和翅片11組成。熱泵系統(tǒng) 的冷媒蒸發(fā)管6以U形布置于真空集熱管9中，不同的蓄能型集熱蒸發(fā)管5束內 冷媒蒸發(fā)管6采用并聯的形式連接，冷媒蒸發(fā)管6外布置翅片11，翅片ll形狀 為矩形或三角形、梯形，翅片11的布置形式采用以螺旋形盤繞在冷媒蒸發(fā)管6 上，翅片11的材料為銅、鋁、鐵或其合金。冷媒蒸發(fā)管與真空集熱管中間以膠囊 或小桶封裝的相變材料10填充，中間的空隙處以水7填充。真空集熱管下布置漫 發(fā)射板8，以更高效率的獲取更多的太陽能。所使用的內部封裝相變材料的膠囊/ 小桶是通過溶膠一凝膠法制作的軟膠囊，或是塑料或金屬制的矩形或球形的小桶。
權利要求
1.一種集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，包括壓縮機(1)、水冷冷凝器(2)、熱力膨脹閥(3)、蒸發(fā)器(4)、水泵(12)、水箱(13)，其特征在于該裝置的壓縮機(1)、水冷冷凝器(2)的冷媒管、熱力膨脹閥(3)、蒸發(fā)器(4)串聯連接成一個閉合的回路，水冷冷凝器(2)水冷管、水泵(12)、水箱(13)串聯連接成一個閉合的回路，其中，蒸發(fā)器(4)采用太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器。
2. 根據權利要求1所述的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，其特征在 于所述的蒸發(fā)器(4)包括蓄能型集熱蒸發(fā)管(5)、冷媒蒸發(fā)管(6)、漫反射板(8)， 蓄能型集熱蒸發(fā)管(5)有多根平行相間的排列，在蓄能型集熱蒸發(fā)管(5)中設有冷 媒蒸發(fā)管(6)，在蓄能型集熱蒸發(fā)管(5)外的側面設有漫反射板(8)。
3. 根據權利要求2所述的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，其特征在 于所述的蓄能型集熱蒸發(fā)管(5)的外壁是真空集熱管(9)，在真空集熱管(9)的中間 設有冷媒蒸發(fā)管(6)，在真空集熱管(9)與冷媒蒸發(fā)管(6)之間用內部封裝相變材 料的膠囊/小桶填充，在膠囊/小桶與真空集熱管(9)和冷媒蒸發(fā)管(6)之間的空隙 處以水(7)填充。
4. 根據權利要求2或3所述的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，其特 征在于所述的冷媒蒸發(fā)管(6)外套有翅片(11)。
5. 根據權利要求2所述的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，其特征在 于所述的各蓄能型集熱蒸發(fā)管(5)束內的冷媒蒸發(fā)管(6)以并聯的方式相互連接。
6. 根據權利要求3所述的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，其特征在于 所使用的內部封裝相變材料的膠囊/小桶是通過溶膠一凝膠法制作的軟膠囊，或是 塑料或金屬制的矩形或球形的小桶。
7. 根據權利要求4所述的集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置，其特征在于 冷媒蒸發(fā)管(6)外套有翅片(11)形狀為矩形或三角形、梯形，翅片(ll)的布置形式 采用以螺旋形盤繞在冷媒蒸發(fā)管(6)上，翅片(ll)的材料為銅、鋁、鐵或其合金。
全文摘要
集熱蓄能蒸發(fā)一體化太陽能熱泵裝置集太陽能集熱器、蓄能容器以及熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器于一體，在減少傳統(tǒng)蓄能型太陽能熱泵系統(tǒng)多級中間換熱的熱損失及制造成本基礎上，加快太陽能集熱器集熱效率、增強熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)管內制冷劑與蓄能介質間的換熱效率，從而保證整個蓄能型太陽能熱泵裝置的高效與穩(wěn)定運行。該裝置包括壓縮機(1)、水冷冷凝器(2)、熱力膨脹閥(3)、蒸發(fā)器(4)、水泵(12)、水箱(13)，其中壓縮機(1)、水冷冷凝器(2)的冷媒管、熱力膨脹閥(3)、蒸發(fā)器(4)串聯連接成一個閉合的回路，水冷冷凝器(2)水冷管、水泵(12)、水箱(13)串聯連接成一個閉合的回路，其中，蒸發(fā)器(4)采用太陽能集熱/熱泵蒸發(fā)器。
文檔編號F25B30/02GK101169297SQ20071019006
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月16日 優(yōu)先權日2007年11月16日
發(fā)明者周素娟, 張小松, 彭冬根, 殷勇高 申請人:東南大學