一种新型相变换热复合材料的换热系统

技术领域：

本实用新型属于热交换技术领域，具体涉及一种新型相变换热复合材料的换热系统。

背景技术：
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社会经济的不断发展，对清洁能源的需求逐渐上升，日能耗峰谷负荷的差异也日益增大。储能技术通过削峰填谷平衡能源供需之间的矛盾，从而缓解能源需求的压力。目前成熟应用于工业及民用的大部分储热储冷介质是水，其中的换热系统为水罐及其中的盘管换热，利用水的显热储能来换热；冰蓄冷空调也已经得到较为广泛的应用，实现冰蓄冷-释冷的设备则为相变材料的换热系统，该系统由蓄冷设备与制冷机组组成，可以是串联系统或并联系统，一般的蓄冷设备采用多个板式换热器，利用乙烯乙二醇水溶液融冰和制冰。具体的蓄放冷换热装置形式有(1)冰盘管式(ice-on-coil，制冷系统的蒸发器直接放入蓄冷槽，冰冻结在蒸发器盘管上，也成为直接蒸发式蓄冷)；(2)完全冻结式(totalfreeze-up，将冷水机组制出的低温乙二醇水溶液送入蓄冰槽中的盘管释冷制冰，融冰时管内换成冷冻水回水)；(3)动态制冰(dynamicice-maker，板式蒸发器表面反复的制冰和收冰)；(4)冰球式(iceball，容器形式是球体、平板等)；(5)共晶盐(eutecticsalt，水和盐充注在聚乙烯板式容器中)；(6)冰晶或冰泥(crystaliceoriceslurry，低浓度乙二醇水溶液冷却到冰点，产生细小均匀的冰晶，这种冰水混合物由泵输送用于释冷)。可知上述装置的形式均为相变材料放置于换热器的壳侧或板换一侧，即大空间一侧，可实现更大的蓄冷能力。但不利于灵活调控负荷，大空间内相变材料的潜热不易完全利用起来；设备内局部出现故障的停机，也会影响到整机的运行。

本专利即针对共晶水合物的蓄冷和释冷装置进行研究。采用的相变材料为无机盐的水合物，其具有潜热值高、导热性好且相变温度可调节等优点。而经过调制的复合相变材料，克服了常规的相分离以及高过冷度等缺陷。面向该复合相变材料，其匹配的换热系统的设计也成为研究热点。例如有学者采用微胶囊包装复合相变材料后，设计了微胶囊蓄冷槽；还有微通道平板相变换热器、泡沫金属相变换热器以及管壳式相变储能换热器等，如此布置相变材料的换热器造价高、换热系数低，蓄冷和释冷速率低。套管式及肋片式相变换热器的结构优化及传热实验研究，也取得了较多成果，仍属于大空间侧放置相变材料。但是，目前尚无可推广大规模应用的复合相变换热系统。

技术实现要素：
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本实用新型目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种新型换热系统，适应冷冻水流量，提高复合材料的导热系数，提高换热系统的换热系数。

本实用新型涉及的一种新型相变换热复合材料的换热系统，包括换热器、材料管、进水集箱和出水集箱，换热器包括若干个并列设置的换热器单元，每一个换热器单元均通过进水管和出水管分别与进水集箱和出水集箱连通，在进水管和出水管上分别设置进水阀和出水阀,进水集箱和出水集箱一端分别为总进水口和总出水口，材料管插入换热器单元，且材料管与换热器单元连接处密封连接，材料管内填充换热材料，所述换热材料为复合蓄冷材料或复合蓄热材料。

进一步地，所述新型相变换热复合材料的换热系统，还包括循环水管、循环水阀和循环水泵，循环水管一端靠近总出水口连接在出水集箱上，另一端靠近总进水口与进水集箱连接，在循环水管上依次设置循环水阀和循环水泵。

具体地，所述换热器单元包括换热器箱体、折流板、布水板和材料管，进水管和出水管分别安装在换热器箱体左右两侧的上部，若干块水平设置的布水板，从上向下依次等间隔固定在换热器箱体内，布水板上均匀分布流水孔，若干块垂直设置的折流板13，从左向右依次等间隔固定在换热器箱体内，且相邻两折流板，一块与换热器箱体前侧板之间设置水流通道，另一块与换热器箱体后侧板之间设置水流通道，布水板和折流板交叉连接，将换热器箱体分割成若干个格室，每一个格室布水板上设置安装孔，对应地，在换热器箱体上侧板上也设置安装孔，材料管插入相对应的的安装孔中固定。

进一步地，材料管盖置于换热器箱体外侧，在材料管盖上设置温度检测孔，用于检测每一个材料管内的温度，在进水管和出水管上均设置温度传感器。

进一步地，在总进水口处安装总进水阀，在总出水口处安装总出水阀。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：(1)热交换材料通过可拆卸的材料管装入换热器单元中，通过更换不同相变温度的复合蓄热/冷材料实现换热器供热和供冷之间的切换；(2)换热器单元并联，相互独立，由各自的进水阀和出水阀进行水流量控制，保证了各换热单元之间的独立性，在某个换热器单元出现故障时，关掉对应的进水阀和出水阀，既可以单独对其进行维修，不影响整体运行；(3)所述蓄冷材料或蓄热材料具有较高的导热系数和潜热；根据蓄冷负荷的大小，调节管装材料的管径和管子根数，易于实现系列化。

附图说明：

图1为本实用新型涉及的新型相变换热复合材料的换热系统平面布置示意图。

图2为本实用新型涉及的换热器内部结构示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

本实施例所述“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”方位词是为了更清楚地描述各部件之间的方位关系，“第一”、“第二”、“第三”等是为了区分相同部件，不应看为对本申请的保护范围的限定。

如图1所示，本实施例涉及的一种新型相变换热复合材料的换热系统，包括换热器、材料管1、进水集箱2和出水集箱3，换热器包括若干个并列设置的换热器单元4，每一个换热器单元4均通过进水管5和出水管6分别与进水集箱2和出水集箱3连通，在进水管5和出水管6上分别设置进水阀7和出水阀8,用于控制对应换热器单元4的工作，进水集箱2和出水集箱3一端分别为总进水口和总出水口，材料管1插入换热器单元，且材料管1与换热器单元连接处密封连接，材料管1内填充换热材料，所述换热材料为复合蓄冷材料或复合蓄热材料。

从用户侧供冷的风冷盘管回来的水从总进水口进入进水集箱2，由进水集箱2通过各进水管5分配到对应的换热器单元，与复合材料进行换热后，由出水管6流出，在出水集箱3进行混合，最后由总出水口流出。进水集箱2和出水集箱3用于将流入各进水管5或流出各出水管6的水混合均匀，保证水温的均匀一致，以及水流稳定。所述换热器系统中，各换热器单元4并联且相互独立，由各自的进水阀7和出水阀8进行水流量控制，保证了各换热单元之间的独立性，在某个换热器单元4出现故障时，关掉对应的进水阀7和出水阀8，在不影响整体运行的情况下，单独进行维修。另外，过程中还可以通过调节所使用换热器单元4的数量来改变出口的水温。所述换热材料填充在独立的材料管中，便于拆装，若某罐装材料出现问题，通过将材料管从上方抽出即可进行更换。

进一步地，所述新型相变换热复合材料的换热系统，还包括循环水管9、循环水阀10和循环水泵11，循环水管9一端靠近总出水口连接在出水集箱3上，另一端靠近总进水口与进水集箱2连接，在循环水管9上依次设置循环水阀10和循环水泵11。在换热系统启动阶段或总出口水温过低(或过高)时，可以打开循环水阀10，启动循环水管9将少部分出口水输送回总进水口与进口水混合，降低(或提高)进口水温，使得出口水温满足用户要求，并延长蓄冷器释冷。

具体地，如图2所示，所述换热器单元包括换热器箱体12、折流板13、布水板14和材料管1，进水管5和出水管6分别安装在换热器箱体12左右两侧的上部，若干块水平设置的布水板14，从上向下依次等间隔固定在换热器箱体12内，布水板14上均匀分布流水孔，避免水流动过程中出现涡旋，若干块垂直设置的折流板13，从左向右依次等间隔固定在换热器箱体12内，且相邻两折流板13，一块与换热器箱体前侧板之间设置水流通道，另一块与换热器箱体后侧板之间设置水流通道，方便水流沿换热器箱体长度方向s形前进，布水板14和折流板13交叉连接，将换热器箱体12分割成若干个格室，每一个格室布水板上设置安装孔，对应地，在换热器箱体12上侧板上也设置安装孔，材料管1插入相对应的(图中为垂直对齐)的安装孔中固定，材料管1与换热器箱体12上侧板连接处密封连接，防止水从安装孔处流出。

进一步地，材料管盖15置于换热器箱体12外侧，在材料管盖15上设置温度检测孔，用于检测每一个材料管内的温度，同时也方便观察材料管内换热材料的状况。另外，在进水管5和出水管6上均设置温度传感器，用于实时监测每一个换热器单元的工作状况。

所述换热单元的数量可以根据建筑面积、平均需要的换热量、总进水口和总水出口水温要求以及单个换热单元设计的进水流量进行计算。

例如：假设需冷建筑面积为2000m²的场所，平均需要的冷量为30w/m²，总进口水温为24℃，平均每两个管束降低1℃，整个换热单元的出口处水温约为17℃，换热器单元的进口流量为0.2kg/s，则：

总冷量：2000×30＝60kj/s；

单个换热单元所释放的冷量为：w＝cmδt＝4.18×0.2×7＝5.852kj/s

所需换热器单元的数量为：60/5.852≈11，为保证出口水温能达到所需要求，设计为12个换热单元。

进一步地，在总进水口处安装总进水阀，在总出水口处安装总出水阀。

本实施例涉及的新型相变换热复合材料的换热系统，所述蓄冷材料可以利用夜间低谷电驱动制冷机组为材料蓄冷，在白天用电高峰时用于降低空调系统冷媒水温度，从而达到降低空调系统高电能耗的目的，具有良好的经济和节能环保效益。

实施举例

本实施例采用一种自行制备的无机相变蓄冷材料，其具体组分及质量比例为：十水合硫酸钠，又名芒硝，化学式：naso4·10h2o，质量分数：75.44％；氯化铵，化学式：nh4cl，质量分数：7.71％；十水合硼酸钠，又名硼砂，化学式：na2b4o7·10h2o，质量分数：2.57％；膨胀蛭石，化学式：(mg,fe,al)3[(si,al)4o10(oh)2]·4h2o，质量分数：14.28％。

将该组成的无机相变蓄冷材料放入材料管内封装，将材料管装入实施例中所述的新型相变换热复合材料的换热系统。对复合型无机相变蓄冷材料多次热循环实验测试，验证结果表明：制备的复合型无机相变蓄冷材料具有优良的蓄冷性能，该装置具有较高的换热系数，可控蓄冷和释冷速率。