一种用于空气能热水器的海泡石基质复合相变材料相变储能箱的制作方法

1.本实用新型涉及空气能热水器领域，尤其涉及一种用于空气能热水器的海泡石基质复合相变材料相变储能箱。


背景技术：

2.空气能热水器采用逆卡诺循环，通过蒸发器中的制冷剂气化吸收空气热能，然后通过压缩机增压升温，再通过冷凝器给水加热，达到实现供给商用和家用热水的目的。相比电热水器和燃气热水器，空气能热水器在产生相同热水量时可以节电60%~80%，年平均热效比是电加热的4倍，同时在结构上水电分离，不存在漏电和煤气中毒的安全忧患。相比太阳能热水器，空气能热水器不受室内室外场地和天气的影响。由于其高效节能、低碳环保的特点，空气能热水器成为缓解能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一，近年来，商用空气能热水器得到较大程度的推广。然而，空气能热水器也有一些不足：（1）水箱体积过大。空气能热水器需要将吸收的空气热量和压缩机提供的能量传递给水箱中的水，才能达到能量平衡和循环，以一家3 ~ 5口人为例，为了满足厨房和卫浴用水，往往需要120l ~ 150l的水箱，对于普通的居民单元房住宅，特别在房价高企的城市，面积有限，对家居环境要求比较高，不方便在室内安装水箱，在室外安装水箱，一定程度上也会影响房屋美观和承载结构。（2）换热器易结垢和传热效率低下。水箱里面的加热盘管为普通光滑管，传热效率不高。空气能热水器的出水温度一般可达到50 ~ 60℃，水在这个温度范围内易结垢，如不定期清洗热水器，将会导致热水器性能下降甚至失效。


技术实现要素：

3.为了克服上述空气能热水器的问题和不足，进一步提高空气能热水器的空间装备效率和传热性能，本实用新型提出一种用于空气能热水器的海泡石基质复合相变材料相变储能箱。
4.为实现本实用新型之目的，采用以下技术方案予以实现：
5.一种用于空气能热水器的海泡石基质复合相变材料相变储能箱，包括相变储能换热器箱体、相变材料、冷水流道和制冷剂流道，相变储能换热器箱体包括不锈钢内壳、不锈钢封盖、保温层和不锈钢外壳，不锈钢内壳上端和下端分别设有不锈钢封盖，不锈钢内壳、不锈钢封盖和不锈钢外壳之间为保温层，所述相变储能换热器箱体为圆柱状，冷水流道由沿螺旋线的花瓣形冷水换热盘管、冷水进口管和冷水出口管组成。制冷剂流道由沿螺旋线的花瓣形制冷剂换热盘管、制冷剂进口管和制冷剂出口管组成。所述相变材料填充在不锈钢内壳、不锈钢封盖、冷水流道和制冷剂流道围成的区域内。所述冷水流道和制冷剂流道与不锈钢内壳通过焊接固定。
6.作为优选方案：所述花瓣形冷水换热盘管和花瓣形制冷剂换热盘管的截面为花瓣形状，截面花瓣数为3~5。
7.作为优选方案：所述花瓣形冷水换热盘管和花瓣形制冷剂换热盘管的螺旋线螺距e为30mm~50mm，花瓣形截面椭圆短直径a与长直径b的比值为0.4~0.6，圆角半径c为5mm~15mm。
8.作为优选方案：所述花瓣形冷水换热盘管和花瓣形制冷剂换热盘管为同向旋转或反向旋转。
9.作为优选方案：所述相变材料中的海泡石基质采用盐酸改性或马弗炉焙烧，种类包括α-海泡石和β-海泡石，形貌包括绒状、粉状和纤维状。
10.作为优选方案：所述相变材料中包括石蜡、硬脂酸、棕榈酸和月桂酸的一种或几种。
11.作为优选方案：所述相变材料中还含有导热率提高填料，包括膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、纳米氧化铜、纳米氧化锌和纳米二氧化钛的一种或几种。
12.作为优选方案：所述保温层为发泡聚氨酯。
13.储能时，相变储能箱与空气能热水器热泵机组联用，在相变储能箱内，通过海泡石基质复合相变材料的熔化，吸收花瓣形换热盘管中制冷剂回路提供的热能；放能时，在相变储能箱内，通过海泡石基质复合相变材料的凝固，将热量传递给花瓣形换热盘管中的冷水回路，从而达到热能的传递和供给热水的功能。
14.与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：在花瓣形换热盘管内，通过截面的规则螺旋和离心力的作用，诱导产生多个纵向涡流，通过纵向涡流的相互碰撞和掺混，提高了管内的动量和热量传递，均化了流场，降低了管内工质的边界层厚度，提高了管内工质的平均湍流度，从而提高了近壁面的温度梯度，大幅度提高了管内工质至壁面的传热速率，还可以延缓污垢的管内沉积。相对单一的光滑换热盘管，由于纵向涡流的旋流，流场置换能力更强，传热速率更大，污垢沉积速率变慢。另外，在相变储能换热器箱体内填充海泡石基质复合相变材料，相对传统蓄热工质水，储能密度可以极大提高，水箱体积可以大幅度降低，同时由于海泡石的强吸附特性和阻燃特性，不但能够提高相变储能箱的抗漏液性能，降低设备强度，提升阻燃效果，还能通过掺杂在复合相变材料中的导热填料形成导热网络，提升相变材料的储放能性能。
15.相对传统的光滑管盘管水箱，由于花瓣形换热盘管和海泡石基质复合相变材料的复合使用，极大地提高了传热速率和储放能性能。该相变储能箱的花瓣形换热盘管加工方便，海泡石基质复合相变材料制备流程简单，整体安装容易，稳定性强，后期维护简单。通过对相变材料配比和换热盘管结构参数的有效调控，可以进一步提高该相变储能箱的传热综合性能和热力学效率。
附图说明
16.图1是本实用新型花瓣形换热盘管的结构示意图；
17.图2是本实用新型相变储能箱的外部结构示意图；
18.图3是本实用新型相变储能箱的内部结构示意图；
19.图4是本实用新型花瓣形换热盘管截面的结构示意图。
具体实施方式
20.下面根据附图1-4对本实用新型的具体实施方式做一个详细的说明。
21.一种用于空气能热水器的海泡石基质复合相变材料相变储能箱，包括相变储能换热器箱体1、相变材料2、冷水流道3和制冷剂流道4，相变储能换热器箱体1包括不锈钢内壳11、不锈钢封盖12、保温层13和不锈钢外壳14，不锈钢内壳11上端和下端分别设有不锈钢封盖12，不锈钢内壳11、不锈钢封盖12和不锈钢外壳14之间为保温层13，保温层13为发泡聚氨酯，所述相变储能换热器箱体1为圆柱状，冷水流道3由沿螺旋线的花瓣形冷水换热盘管31、冷水进口管32和冷水出口管33组成，制冷剂流道4由沿螺旋线的花瓣形制冷剂换热盘管41、制冷剂进口管42和制冷剂出口管43组成，所述相变材料2填充在不锈钢内壳11、不锈钢封盖12、冷水流道3和制冷剂流道4围成的区域内，所述冷水流道3和制冷剂流道4与不锈钢内壳11通过焊接固定，所述花瓣形冷水换热盘管31和花瓣形制冷剂换热盘管41的截面为花瓣形状，截面花瓣数为3~5，所述花瓣形冷水换热盘管31和花瓣形制冷剂换热盘管41的螺旋线螺距e为30mm~50mm，花瓣形截面椭圆短直径a与长直径b的比值为0.4~0.6，圆角半径c为5mm~15mm，所述花瓣形冷水换热盘管31和花瓣形制冷剂换热盘管41为同向旋转或反向旋转，所述相变材料2中的海泡石基质采用盐酸改性或马弗炉焙烧，种类包括α-海泡石和β-海泡石，形貌包括绒状、粉状和纤维状，所述相变材料2中的相变材料包括石蜡、硬脂酸、棕榈酸和月桂酸的一种或几种，所述相变材料2中的导热率提高填料包括膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯、碳纤维、纳米氧化铜、纳米氧化锌和纳米二氧化钛的一种或几种。
22.实施例1
23.花瓣形冷水换热盘管31和花瓣形制冷剂换热盘管41的螺旋线螺距e为30mm，螺旋圈数为20。花瓣形冷水换热盘管31和花瓣形制冷剂换热盘管41的花瓣形截面由两个椭圆和四个倒圆角组成，椭圆长直径b为20mm，椭圆短直径a为10mm，圆角半径c为5mm，壁厚d为1.5mm，花瓣形截面沿螺旋线旋转60圈。花瓣形冷水换热盘管31的螺旋直径f为240mm，花瓣形制冷剂换热盘管41的螺旋直径f为320mm。
24.不锈钢内壳11的外径为450mm，壁厚为10mm。保温层13为发泡聚氨酯，厚度为60mm。不锈钢外壳14的外径为590mm，壁厚为10mm。上下顶端不锈钢封盖12的直径为430mm，壁厚为10mm。海泡石首先经过水洗去除部分杂质后，烘干干燥后，通过盐酸改性（实验条件为：盐酸浓度4 mol/l，酸化时间6 h，酸化温度40 ℃），再通过熔融共混法或者真空吸附法将质量分数60%的海泡石和质量分数40%的硬脂酸复合，形成海泡石基质复合的相变材料2。
25.应用时，首先将花瓣形冷水换热盘管31和花瓣形制冷剂换热盘管41与不锈钢内壳11通过焊接固定形成一个整体，然后将海泡石基质复合的相变材料2装填到不锈钢内壳11、不锈钢封盖12、冷水流道3和制冷剂流道4围成的区域内，并与保温层13和不锈钢外壳14组装到一起。高温制冷剂从制冷剂进口管42进入到花瓣形制冷剂换热盘管41中，将热量传递给海泡石基质复合相变材料2中，海泡石基质复合相变材料2发生固液相变，吸收热量，低温制冷剂从从制冷剂出口管43流出。当热水端客户需要使用热水时，冷水从冷水进口管32进入到花瓣形冷水换热盘管31中，海泡石基质复合相变材料2发生固液相变，释放热量，将热量传递给冷水侧，使冷水升温变成热水，再从冷水出口管33流出，供给热水端客户使用。
26.实施例2
27.本实施例与实施例1不同的地方在于海泡石基质复合相变材料不一样，海泡石基
质复合相变材料的配比为质量分数60%的海泡石、40%的石蜡。使用方法和实施例1相同。
28.实施例3
29.本实施例与实施例1不同的地方在于海泡石基质复合相变材料不一样，海泡石基质复合相变材料的配比为质量分数30%的海泡石、10%的膨胀石墨和质量分数60%的石蜡。使用方法和实施例1相同。