基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置及其系统的制作方法

1.本实用新型涉及节能环保技术领域，是一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置及其系统。


背景技术：

2.在淋浴间内洗澡后用的水都是直接排放至下水道系统，而这部分水的温度实际是比较稳定的，如果无法充分利用的话无疑是一种低品位余热资源的浪费。尤其是北方的大型澡堂以及洗浴中心等，具有开放时间固定、水流量大，排水温度比较稳定等特点，因此大量的低品位余热资源被严重浪费。为了解决这个问题，专利号为“201721913078.8”，名称为“一种利用洗浴冷热水温差发电结构”的实用新型专利中将热水管与淋浴间下水管路连通，然后在热水管的管壁上方设有冷水管，然后在冷水管和热水管之间设置与两者相互接触的温差发电片，温差发电片的表面设有输出电极，然后利用温差发电技术将淋浴间内的余热废水进行利用。
3.但也正是由于淋浴间、大型澡堂以及洗浴中心均存在周期性排放的特点，导致上述发电结构只能在特定时间进行发电，废水余热无法全部利用，也不能用来持续发电。且下水道本身废水排水量大、流速快，热水管路中大排量的水致使管路中部水的温度实际上并没有被充分的利用，且流速过快也导致了废水水温没有与温差发电片充分换热，因此，上述利用洗浴冷热水温差发电结构并没有充分利用洗浴废水的低品位余热。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是解决上述技术问题，提供一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置及其系统，通过在热水管与热电材料之间增设相变材料，实现对余热的有效回收和储存，并持续恒温释放热量，以达到持续放电的目的，达到废水低品位热的利用；同时将热水管与热电材料相接触的管段设置成螺旋缠绕在冷水管外的换热段，减缓废水流速，使废水充分与相变材料接触，提高余热吸收效率。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：本实用新型提供一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置，包括冷水管以及收集余热废水的热水管，所述冷水管包括外壁贴敷有热电材料的发电段，所述热电材料连接有向外输电的导线；所述热水管包括呈螺旋状环绕在所述发电段外壁的换热段，所述发电段和所述换热段之间填充有用于储热和持续放热的相变材料。
6.优选的，所述换热段包括由所述热水管分成的若干根直径小于所述热水管的热水支管，若干根所述热水支管与所述热水管的外壁连通，若干根所述热水支管的直径总和大于所述热水管的直径。
7.优选的，其中一部分所述热水支管与所述热水管的端面中部连通，其余所述热水支管沿所述热水管的周壁均匀分布。
8.优选的，若干根所述热水支管的直径相同。
9.优选的，所述换热段和所述发电段被隔热圆筒包裹在内，所述隔热圆筒内填满微胶囊状的所述相变材料。
10.优选的，所述热电材料为相互串连且阵列在所述发电段的热电芯片。
11.优选的，所述换热段一侧设有与所述导线连接的免维护蓄电池。
12.优选的，所述换热段、发电段以及所述免维护蓄电池外包裹有保护外壳，所述保护外壳内设有将所述换热段和所述免维护蓄电池相互隔开的隔板。
13.本实用新型还提供了一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用系统，采用了上述基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置，所述热水管的进水端和出水端连通在淋浴房的下水管道上，所述冷水管的进水端与所述淋浴房内的自来水管连通，所述冷水管的出水端与淋浴热水器连通。
14.本实用新型还提供了一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用系统，采用了上述基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置，所述热水管的进水端和出水端连通在淋浴房的下水管道上，所述冷水管的进水端与所述淋浴房内的自来水管连通，所述冷水管的出水端与淋浴热水器连通，所述换热段一侧设有与所述导线连接的免维护蓄电池，所述免维护蓄电池与用户用电系统连接。
15.本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：
16.1、通过相变材料吸收热水管内周期流过的废水热量，并将热量储存在相变材料内，然后可以在较长的一段时间内持续进行放热，在将热量传递给热电材料后使热电材料两面产生温差，利用温差发电技术，实现热能向电能的转换。同时热水管的换热段呈螺旋状缠绕在冷水管的发电段，一方面螺旋管段有效减缓废水流速，另一方面增大与相变材料的接触面积，使废水充分与相变材料接触，提高余热吸收效率。
17.2、在换热段，换热管分成的若干根直径小于热水管的热水支管，同时若干根热水支管的直径总和大于热水管的直径，将原本单根热水管内的废水分流进入同样螺旋缠绕在冷水管外侧的热水支管，使原本热水管中部不易换热的部分摊入各热水支管中，增大了与相变材料的换热面积；且由于热水支管直径总和大于热水管的直径，使得每个热水支管内的水不会充的太满，继而保证热水支管内的废水也能充分利用。
18.3、通过将一部分热水支管与热水管的端面的中部连通，从而能够有效的将原本单根热水管中部废水分流，以将原来无法有效利用的中部废水热量充分利用起来；然后其余热水支管沿热水管的周壁均匀分布，有效将热水管侧壁废水分流，以将热水管各部分的水充分进行换热。
19.4、考虑到人体皮肤分泌物、污垢、合成洗涤剂和香料，以及病毒、细菌等对相变材料存在腐蚀作用，因此采用了相变微胶囊技术，即一种运用成膜材料将固体或液体包覆成具有核壳结构微粒的技术，将相变材料微胶囊化，能够很好地避免相变材料被腐蚀性能降低；同时在换热段和发电段以及相变材料外包裹有一层隔热圆筒，能够尽量避免热量散失，进行热量的留存。
20.5、热电材料为相互串连且阵列在发电段的热电芯片，附在冷水管管壁与相变材料之间，热电芯片同时接触冷源、热源产生温差从而开始发电，然后通过导线将电导出，用作它用。
21.6、由于热电转换效率较低，并且考虑到稳定输出的问题，不宜将转换成的电能直
接连通用电器工作，因此在换热段一侧设有与导线连接的免维护蓄电池，通过免维护蓄电池先将电能储存起来，然后通过免维护蓄电池可以稳定持续的供电，避免电器因电压不稳，而减少寿命。
22.7、本系统除了利用低品位热利用装置有效使淋浴室废水资源在一定程度上得到了利用，同时冷水管中自来水经过热电反应后也会一定程度上升温，可以改造室内管道使得经简单加热后的冷水能够直接通入热水器，从而减少淋浴热水器的预热过程；同时也可以直接供给用户，保证了在淋浴时使用期间会有一定量的温水可以使用，不必再使用加热器加热，节省能源。
23.8、本系统不受天气、温度等因素影响，只要有人洗澡，就可以回收利用余热，运行稳定，易于控制且成本较低，在一定程度上解决了浴室废水余热的浪费问题，能够产生良好的经济效益和环境效益，具有较好的推广价值。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为低品位热利用装置的结构示意图。
26.附图标记说明：1、热水管；2、冷水管；3、热水支管；4、热电材料；5、导线；6、隔热圆筒；7、免维护蓄电池；8、保护外壳；9、隔板。
具体实施方式
27.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本实用新型保护的范围。
28.本实施例提供一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用装置，如图1 所示，包括冷水管2以及收集余热废水的热水管1，冷水管2包括外壁贴敷有热电材料4的发电段，热电材料4连接有向外输电的导线5；热水管1包括呈螺旋状环绕在发电段外壁的换热段，发电段和换热段之间填充有用于储热和持续放热的相变材料。热水管1可接通淋浴间、洗浴中心或者工业废水的排水管路，余热废水流入热水管1中，然后流入换热段，在螺旋状的管路的作用下废水流速变慢，废水中的余热传递给热水管1，然后被相变材料所吸收并储存，同时在较长的一段时间内进行持续放热，热量传递给热电材料4后，由于热电材料4贴附在冷水管2上，于是在热电材料4的两面产生温差，利用温差发电的技术，实现热能向电能的转换。相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质，转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。因此，采用相变材料来作为热水管1和冷水管2 之间的储热放热的媒介，可以实现将周期性废水的热量储存起来，然后实现持续发热的目的，从而避免因废水周期性排放，而导致的余热无法充分利用，以及无法持续发电的问题。
29.本实施例中，热电材料4是一种半导体材料，根据塞贝克效应，由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差，因此同时在装置内部两端接触不同温度时，则会在内部回路形成电流，且温差越大产生的电流越强，从而通过在热电材料4的两面产生温差，即可实现热能和电能相互转换。热电材料4的应用不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长。
30.热水管1由于直径较大，往往热水管1中部废水的热量并不能充分利用，因而导致废水热量利用率的不足，而发电效率低下。因此，本实施例中，将换热段处的热水管1分成的若干根螺旋缠绕在冷水管2外侧的热水支管3，若干根热水支管3直接与热水管1的外壁连通，然后通过热水支管3将原本单根的热水管1进行分流，增大与相变材料的接触面积。若干根热水支管3的直径均小于热水管1，且若干根热水支管3的直径总和又大于热水管1的直径，从而保证若干根热水支管3能够完全承接热水管1的水流总量的同时，又不会使废水充满每个热水支管3，以避免热水支管3内部分水仍无法与相变材料充分接触的情况发生。
31.进一步，本实施例中，若干根热水支管3的直径相同，使得每根热水支管 3中的流量相同，从而使每根热水支管3与相变材料换热速率相同，保证相变材料能够均匀的吸热和放热，避免出现局部放热不均的情况发生。
32.进一步，如图1所示，本实施例中，通过管径100mm的热水管1将排水系统中的废水引入装置中，然后通入三根75mm的热水支管3中，热水支管3 以一定倾角螺旋向下。废水从100mm热水管1分流成三根75mm的热水支管 3，根据径流量计算能在一定程度上保证每根热水支管3的水不会完全充满，且在水的张力作用下，废水还能顺着热水支管3管壁向下流，以保证热水支管 3外包裹着的相变材料能够充分吸收废水余热，在吸收余热后相变材料进行相变储存大量潜热提供稳定的温度。
33.进一步，如图1所示，本实施例中，热水管1从换热段的进水端开始分成三个小口径热水支管3后，然后从换热段的出水端再重新聚合成大口径热水管 1。
34.因为废水流速较快，为了更好的将热水管1中部的水分流到热水支管3 中，本实施例中，直接将其中一部分热水支管3与热水管1的端面中部相连通，然后其余热水支管3沿热水管1的周壁均匀分布。
35.本实施例中，热水管1和冷水管2均使用球墨铸铁管，球墨铸铁管具有足够的强度，同时还具有较好的防腐蚀特性，且还具有良好的传热性，以保证废水余热能够有效传递给相变材料。
36.如图1所示，本实施例中，热水管1的换热段和冷水管2的发电段外侧被隔热圆筒6包裹在内，通过隔热圆筒6的隔热作用可以减少相变材料的热量散失，并将热量集中在隔热圆筒6内，以提高相变材料的储热传热效果。同时本实施例中在隔热圆筒6内填满微胶囊状的相变材料，微胶囊状的相变材料是通过运用成膜材料将固体或液体的相变材料包覆成具有核壳结构微粒，将相变材料微胶囊化，从而能够很好地避免相变材料被废水腐蚀出现性能降低的问题。
37.进一步，本实施例中，相变材料采用的相变微胶囊具体参数为：
38.白色粉末或湿饼(70％)状；
39.相变温度为30℃；
40.包裹率为80％～90％；
41.芯材为c20高纯度正构烷烃石蜡；
42.外壳壳材为高分子材料；
43.潜热值为180～195焦耳/克。
44.微胶囊状的相变材料一种微米级核壳结构封装的相变材料，通过微胶囊化将原有的固液相变材料转变成更容易操作的固固粉末材料。相变材料的微胶囊化能显著改善芯材原有的一些缺陷，避免固液相变材料容易泄漏和流失等问题。
45.如图1所示，本实施例中，热电材料4为相互串连且阵列在发电段的热电芯片。阵列的热电芯片的两端通过导线5将电导出，实现浴室余热的回收利用。
46.由于热电转换效率较低，并且考虑到稳定、便捷等方面因素，不宜将转换成的电能直接连通用电器工作，因此如图1所示，在本实施例中，换热段一侧设有与导线5连接的免维护蓄电池7，通过导线5可将工作转化得到的电能传入一侧的免维护蓄电池7中进行存储，将免维护蓄电池7作为本装置与用电器的中间媒介。
47.进一步，本实施例中的免维护蓄电池7选择免维护铅酸蓄电池，免维护铅酸蓄电池的基本特点是使用期间无需加酸加水进行维护，且电池为密封结构，不会漏酸，也不会排酸雾，安全性高、使用寿命长。但需要注意的是免维护蓄电池7并不是绝对意义上的“免维护”，在充放电过程中还是需要注意对蓄电池的保养，保证其使用寿命。主要考虑两个方面，一是不能过充，在电量已经饱和的情况下持续充电会对蓄电池造成损坏；二是不能亏电，长久不用，若亏电存放会使极板硫化，使容量下降，长久不用其会慢慢自行放电直至报废。因此需要设计辅助设施来保护免维护蓄电池7。蓄电池充放电控制器主要用于蓄电池的充、放电控制，为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，还能实现满电量时自动切断充电电流，在回落到某低电量值时恢复充电，从而保护免维护蓄电池7，延长免维护蓄电池7使用寿命。
48.本实施例中，如图1所示，换热段、发电段以及免维护蓄电池7外包裹有保护外壳8，保护外壳8内设有将换热段和免维护蓄电池7相互隔开的隔板9。通过保护外壳8和隔板9，能够有效避免相变材料以及免维护蓄电池7被腐蚀。
49.进一步，本实施例中，保护外壳8和隔板9采用普通的不锈钢材质。
50.本实施例中还提供了一种基于相变储能与热电转化的低品位热利用系统，低品位热利用装置中的热水管1的进水端和出水端均连通在淋浴房的下水管道上，冷水管2的进水端与淋浴房内的自来水管连通，冷水管2的出水端与淋浴热水器连通。淋浴房的余热废水通过下水道流入热水管1中，相变材料接触热水管1的换热段吸热，然后热电材料4接触作为热源的相变材料以及作为冷源的冷水管2后，产生温差并开始发电，装置开始工作，经过这样的过程后，原本作为热源的淋浴室废水资源一定程度上得到了利用。而作为冷源的冷水管2中的自来水经过该效应会一定程度上升温，初步预热后的冷水直接通入淋浴热水器，减少淋浴热水器使用的能量。
51.进一步，本实施例中，可以改造室内管道使得经简单加热后的冷水直接供给给用户，保证了在淋浴时使用期间会有一定量的温水可以使用，不必再使用加热器加热。
52.本实施例中，免维护蓄电池7与用户用电系统连接。当然免维护蓄电池7 将存储的电量除了供给给用户自主使用外，在高校内还可以连接走廊的夜用人体感应灯。到了夜间，夜用人体感应灯的开关打开，只要感应到人走过，蓄电池便会供给到走廊上的人体感应灯
电能，使其能够在夜里照亮走廊的路。
53.本实用新型中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。