專利名稱：相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法和系統(tǒng)，屬于新材料及新能源應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)背景
隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及能源的大量消耗，節(jié)能已經(jīng)成為全球關(guān)注的話題。國家 “十二五”發(fā)展規(guī)劃及《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定(國發(fā)[2010]32 號(hào))》都明確要求重點(diǎn)開發(fā)推廣高效節(jié)能技術(shù)裝備及產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)突破。所以，能量存儲(chǔ)和傳熱技術(shù)的研究就顯得尤為重要。相變傳熱對(duì)于化工、制冷、放電與動(dòng)力、航天熱控技術(shù)等領(lǐng)域具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用背景，而如何強(qiáng)化相變傳熱往往是人們最關(guān)注的問題之一。因此，發(fā)展高效相變儲(chǔ)能技術(shù)，強(qiáng)化相變熱能器件的能量轉(zhuǎn)換效率和存儲(chǔ)密度，才能有效地緩解目前能源短缺等問題。
空調(diào)節(jié)能技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，但目前普遍存在幾方面的問題一是系統(tǒng)整體能效比低，能源利用效率低下，導(dǎo)致能耗居高不下。二是室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化，直接影響人體健康。三是沒有充分利用自然冷源，不利于平衡電網(wǎng)峰谷。以日本東京電力工業(yè)中央研究院及日本宇都宮大學(xué)建筑系為代表的日本研究機(jī)構(gòu)研究表明相變溫度在20-22°C間的PCM 適宜用于相變蓄冷空調(diào)技術(shù)，且可使室內(nèi)溫度保持在2516°C，可以達(dá)到很好的室內(nèi)熱舒適度。因此發(fā)展相變儲(chǔ)能技術(shù)，充分利用自然冷源，節(jié)省能耗并利用儲(chǔ)能系統(tǒng)緩解空調(diào)設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的沖擊；改善環(huán)境空氣品質(zhì)，提高舒適度，具體十分重要的意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法和系統(tǒng)，該相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法和系統(tǒng)傳熱高效、安全可靠、節(jié)能環(huán)保。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種相變儲(chǔ)能裝置，包括外殼、相變儲(chǔ)能體、制冷劑管道、水流通道和控制裝置；
外殼上設(shè)有水流進(jìn)口、水流出口、制冷劑進(jìn)口和制冷劑出口 ；所述的相變儲(chǔ)能體、 制冷劑管道和水流通道都設(shè)置在殼體內(nèi)；相變儲(chǔ)能體包括相變材料和用于容納相變材料的金屬各器。
所述的相變儲(chǔ)能體為多個(gè)，多個(gè)相變儲(chǔ)能體呈犬牙交錯(cuò)方式設(shè)置在外殼的頂側(cè)和底側(cè)。
所述的制冷劑管道的總體形狀為方波形，總體為方波形的制冷劑管道由多段方波形管道依次對(duì)接而成。
一種三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括制冷系統(tǒng)和前述的相變儲(chǔ)能裝置，所述的三元為水、制冷劑與相變材料體；制冷系統(tǒng)包括冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥；制冷系統(tǒng)通過并聯(lián)或串聯(lián)方式與相變儲(chǔ)能裝置的制冷劑通道連接；相變儲(chǔ)能裝置的水流通道進(jìn)行封閉循環(huán)封閉循環(huán)，即將相變儲(chǔ)能裝置的水流通道的水流進(jìn)口和水流出口堵上，讓水在相變儲(chǔ)能裝置中自循環(huán)，或者將水流通道與室外的冷水相通。
采用串聯(lián)方式時(shí)，冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥和相變儲(chǔ)能裝置串接。
采用并聯(lián)方式時(shí)，節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機(jī)和蒸發(fā)器串接，相變儲(chǔ)能裝置通過兩個(gè)三通閥與蒸發(fā)器并聯(lián)。
相變儲(chǔ)能裝置的控制裝置包括微處理器、溫度傳感器、流速傳感器和報(bào)警器；溫度傳感器、流速傳感器和報(bào)警器均與微處理器連接，制冷劑管道和水流通道中還裝有流量調(diào)節(jié)閥；流量調(diào)節(jié)閥受控于微處理器。
一種相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法，采用前述的三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括單向相變儲(chǔ)能模式和雙向相變儲(chǔ)能模式；該兩種模式同時(shí)或單獨(dú)存在；制冷劑流向與水流方向相反；
單向相變儲(chǔ)能模式指制冷劑將冷量傳遞給水；
雙向相變儲(chǔ)能模式指水將冷量傳遞給相變材料，或者，相變材料將冷量傳遞給水。
在蓄冷工況下制冷劑首先將冷量傳遞給水，此時(shí)為單向相變儲(chǔ)能模式；水將冷量傳遞給相變材料，此時(shí)相變材料從液相變?yōu)楣滔啵?br> 放冷工況下相變材料將冷量傳遞給水，但水不能將冷量傳遞給制冷劑，此時(shí)相變材料從固相變?yōu)橐合唷?br> 三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，包括以下兩種工況
①相變體儲(chǔ)能工況
當(dāng)水流溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，制冷劑管道關(guān)閉，水流通道開啟，當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度高于水流溫度時(shí)，由于傳熱溫差作用，相變儲(chǔ)能體與水流通道自動(dòng)進(jìn)行換熱，吸收冷量進(jìn)行儲(chǔ)能并發(fā)生相變，液體變?yōu)楣腆w；
當(dāng)水流溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限時(shí)，制冷劑管道與水流通道同時(shí)開啟，制冷劑管道為水流降溫，當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度高于水流溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能體通過水流通道自動(dòng)吸收冷量進(jìn)行儲(chǔ)能并發(fā)生相變，液體變?yōu)楣腆w；
②相變體釋能工況
當(dāng)水流溫度高于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，制冷劑管道關(guān)閉，水流通道開啟，當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度低于水流溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能體與水流通道自動(dòng)進(jìn)行換熱，釋放冷量進(jìn)行釋能并發(fā)生相變，固體變?yōu)橐后w。
外殼采用金屬或塑料材質(zhì)，且外貼保溫材料，保溫材料為聚氨酯、聚苯乙烯、硅酸鋁棉氈或橡塑。
所述的相變材料體為Ba (OH) 2 · 8H20、Zn (NO3) 2 · 6H20、CaBr2 · 6H20 或 CaCl2 · 6H20、 Na2CO3 · IOH2O, Na2HPO4 · 12H20 或無機(jī)-有機(jī)復(fù)合物；
有益效果
相變儲(chǔ)能裝置可靈活的與空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行，通過該裝置自帶的控制邏輯實(shí)現(xiàn)不同工況的運(yùn)行和切換，以便大大提高制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率，延長自然冷源的運(yùn)行時(shí)間，且解決停電后無法制冷的難題。利用室外自然冷源為相變材料蓄能，或夜間低谷電價(jià)時(shí)利用制冷劑為相變材料蓄能；待白天無自然冷源可利用或峰值電價(jià)時(shí)放出冷量為室內(nèi)降溫，大大縮短制冷機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗，且利用峰谷電價(jià)差值，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
基于相變儲(chǔ)能效率與傳熱效率低的問題，本發(fā)明巧妙地將模型結(jié)構(gòu)與三元單/雙向換熱理論結(jié)合，通過相變儲(chǔ)能體與空調(diào)系統(tǒng)特性耦合，直接將相變儲(chǔ)能體融入到傳統(tǒng)的空調(diào)制冷四大部件中，和制冷系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，利用相變儲(chǔ)能體承擔(dān)白天的制冷需求， 減少制冷系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。同時(shí)該相變儲(chǔ)能體還可以存儲(chǔ)室外自然冷源，通過水的循環(huán)將室外自然冷源存儲(chǔ)在相變儲(chǔ)能體內(nèi)。在循環(huán)水溫度高于相變材料溫度時(shí)，利用相變材料對(duì)其釋冷降溫，從而達(dá)到節(jié)省能耗效果；當(dāng)水流通道和相變通道都未能滿足需求時(shí)，通過開啟制冷劑管道進(jìn)行制冷降溫和能量儲(chǔ)存，從而實(shí)現(xiàn)水流工況穩(wěn)定，使其水溫恒定在所需范圍之內(nèi)(預(yù)設(shè)20°C -25°C )，降低空調(diào)冷凍水二次轉(zhuǎn)換所損失能耗，確保空調(diào)末端設(shè)備無冷凝水、安全正常運(yùn)行，并最終達(dá)到節(jié)能的目的。
本三元(單)雙向相變換熱儲(chǔ)能模塊裝置具有以下明顯優(yōu)勢(shì)
1、可利用室外冷水中的自然冷量對(duì)相變儲(chǔ)能體進(jìn)行降溫儲(chǔ)能，從而減少了制冷劑管道的開啟時(shí)間，進(jìn)而節(jié)省空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)。
2、當(dāng)機(jī)房空調(diào)設(shè)備故障或停電時(shí)，通過控制相變材料釋能保持水流通道的制冷要求，保證機(jī)房內(nèi)設(shè)備正常工作，具有安全可靠性。
3、采用這種相變儲(chǔ)能裝置進(jìn)行換熱，提高了制冷劑管道與水流通道、水流通道與相變儲(chǔ)能體的換熱效率，即傳熱高效，從而提高能源利用效率。
4、相變儲(chǔ)能裝置的控制裝置采用工業(yè)級(jí)可編程控制器，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明與制冷系統(tǒng)的并聯(lián)連接示意圖3為本發(fā)明與制冷系統(tǒng)的串聯(lián)連接示意圖4為控制裝置的結(jié)構(gòu)框標(biāo)號(hào)說明
1、相變儲(chǔ)能體；2、制冷通道；3、水流通道；4、相變儲(chǔ)能裝置；5、第一三通閥；6、壓縮機(jī)；7、冷凝器；8、節(jié)流閥；9、第二三通閥；10、蒸發(fā)器。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合圖和具體實(shí)施過程對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
如圖1所示，一種相變儲(chǔ)能裝置，在外殼內(nèi)均勻布置一系列相變儲(chǔ)能體(如附圖 1所示)，相變儲(chǔ)能體之間形成水通道；沿水流通道方向布置曲折銅管，形成制冷劑管道，且制冷劑流向與水流方向相反以便加強(qiáng)換熱。相變儲(chǔ)能體、制冷劑管道、水流通道中均安裝有溫度傳感器，制冷劑管道和水流通道中還裝有流量調(diào)節(jié)閥；傳熱模塊裝置開有注液孔；控制系統(tǒng)包括微處理器、溫度傳感器、通信模塊和報(bào)警器；所述的傳感器、通信模塊和報(bào)警器均與微處理器連接。利用溫度傳感器測(cè)量循環(huán)進(jìn)出水的溫度、室內(nèi)溫度和相變材料體的溫度，當(dāng)室內(nèi)溫度超過溫度上限時(shí)啟動(dòng)報(bào)警器；將檢測(cè)到的各種溫度信號(hào)通過通信模塊傳遞給微處理器，以實(shí)現(xiàn)各種工況的正常運(yùn)行和切換。
本相變換熱儲(chǔ)能裝置將室外冷水通過水流通道引入，經(jīng)過與相變材料換熱進(jìn)行存儲(chǔ)能量，而在水流工況不滿足需要時(shí)，由相變儲(chǔ)能體和制冷劑管道對(duì)其進(jìn)行降溫，確保水流溫度穩(wěn)定，并最終達(dá)到節(jié)能的目的。
所述的水流通道、制冷劑管道安裝有流量調(diào)節(jié)閥；
所述的制冷劑管道、水流通道、相變通道內(nèi)安裝溫度傳感器；
所述的相變儲(chǔ)能傳熱模塊裝置，其特征在于，相變儲(chǔ)能傳熱模塊裝置的各組成部件均安裝在模塊內(nèi)，模塊外殼采用金屬或塑料材質(zhì)，且外貼保溫材料，保溫材料為聚氨酯、 聚苯乙烯、硅酸鋁棉氈或橡塑；
所述的相變儲(chǔ)能傳熱模塊裝置，其特征在于，所述的控制裝置還包括溫度傳感器、 流速傳感器、通信模塊和報(bào)警器；所述的傳感器、通信模塊和報(bào)警器均與微處理器連接。
其工作過程為
①相變體儲(chǔ)能工況
當(dāng)水流溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限(20°C )時(shí)，制冷劑管道關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥即節(jié)流閥，只開啟水流通道，通過室外自然冷源作用提供的冷水給相變儲(chǔ)能裝置蓄能；當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度高于水流溫度時(shí)，由于傳熱溫差作用，相變儲(chǔ)能體與水流通道自動(dòng)進(jìn)行換熱，吸收冷量進(jìn)行儲(chǔ)能并發(fā)生相變，液體變?yōu)楣腆w；
當(dāng)水流溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限(25°C )時(shí)，制冷劑管道與水流通道同時(shí)開啟，開啟壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥，制冷劑管道為水流降溫；當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度高于水流溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能體通過水流通道自動(dòng)吸收冷量進(jìn)行儲(chǔ)能并發(fā)生相變，液體變?yōu)楣腆w；
②相變體釋能工況
當(dāng)水流溫度高于預(yù)設(shè)溫度下限(20°C )時(shí)，制冷劑管道關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥，水流通道開啟；當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度低于水流溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能體與水流通道自動(dòng)進(jìn)行換熱，相變儲(chǔ)能體釋放冷量降低水流溫度，利用低溫的水為室內(nèi)降溫，此時(shí)相變儲(chǔ)能體發(fā)生相變，固體變?yōu)橐后w。
根據(jù)理論分析計(jì)算和模擬，帶有該相變儲(chǔ)能傳熱模塊裝置的空調(diào)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)建筑的年空調(diào)節(jié)能35%以上，民用建筑的年空調(diào)節(jié)能20%以上。
權(quán)利要求
1.一種相變儲(chǔ)能裝置，其特征在于，包括外殼、相變儲(chǔ)能體、制冷劑管道、水流通道和控制裝置；外殼上設(shè)有水流進(jìn)口、水流出口、制冷劑進(jìn)口和制冷劑出口 ；所述的相變儲(chǔ)能體、制冷劑管道和水流通道都設(shè)置在殼體內(nèi)；相變儲(chǔ)能體包括相變材料和用于容納相變材料的金屬容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變儲(chǔ)能裝置，其特征在于，所述的相變儲(chǔ)能體為多個(gè)，多個(gè)相變儲(chǔ)能體呈犬牙交錯(cuò)方式設(shè)置在外殼的頂側(cè)和底側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變儲(chǔ)能裝置，其特征在于，所述的制冷劑管道的總體形狀為方波形，總體為方波形的制冷劑管道由多段方波形管道依次對(duì)接而 >成。
4.一種三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，包括制冷系統(tǒng)和權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的相變儲(chǔ)能裝置，所述的三元為水、制冷劑與相變材料體；制冷系統(tǒng)包括冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥；制冷系統(tǒng)通過并聯(lián)或串聯(lián)方式與相變儲(chǔ)能裝置的制冷劑通道連接； 相變儲(chǔ)能裝置的水流通道進(jìn)行封閉循環(huán)，或者將水流通道與室外的冷水相通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，采用串聯(lián)方式時(shí)， 冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥和相變儲(chǔ)能裝置串接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，采用并聯(lián)方式時(shí)， 節(jié)流閥、冷凝器、壓縮機(jī)和蒸發(fā)器串接，相變儲(chǔ)能裝置通過兩個(gè)三通閥與蒸發(fā)器并聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，相變儲(chǔ)能裝置的控制裝置包括微處理器、溫度傳感器、流速傳感器和報(bào)警器；溫度傳感器、流速傳感器和報(bào)警器均與微處理器連接，制冷劑管道和水流通道中還裝有流量調(diào)節(jié)閥；流量調(diào)節(jié)閥受控于微處理器。
8.—種相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法，其特征在于，采用權(quán)利要求7所述的三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括單向相變儲(chǔ)能模式和雙向相變儲(chǔ)能模式；該兩種模式同時(shí)或單獨(dú)存在；制冷劑流向與水流方向相反；單向相變儲(chǔ)能模式指制冷劑將冷量傳遞給水；雙向相變儲(chǔ)能模式指水將冷量傳遞給相變材料，或者，相變材料將冷量傳遞給水。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法，其特征在于，在蓄冷工況下制冷劑首先將冷量傳遞給水，此時(shí)為單向相變儲(chǔ)能模式；水將冷量傳遞給相變材料，此時(shí)相變材料從液相變?yōu)楣滔啵环爬涔r下相變材料將冷量傳遞給水，但水不能將冷量傳遞給制冷劑，此時(shí)相變材料從固相變?yōu)橐合唷?br> 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法，其特征在于， 三元單/雙向相變儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，包括以下兩種工況①相變體儲(chǔ)能工況當(dāng)水流溫度低于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，制冷劑管道關(guān)閉，水流通道開啟，當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度高于水流溫度時(shí)，由于傳熱溫差作用，相變儲(chǔ)能體與水流通道自動(dòng)進(jìn)行換熱，吸收冷量進(jìn)行儲(chǔ)能并發(fā)生相變，液體變?yōu)楣腆w；當(dāng)水流溫度高于預(yù)設(shè)溫度上限時(shí)，制冷劑管道與水流通道同時(shí)開啟，制冷劑管道為水流降溫，當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度高于水流溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能體通過水流通道自動(dòng)吸收冷量進(jìn)行儲(chǔ)能并發(fā)生相變，液體變?yōu)楣腆w； ②相變體釋能工況當(dāng)水流溫度高于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，制冷劑管道關(guān)閉，水流通道開啟，當(dāng)相變儲(chǔ)能體溫度低于水流溫度時(shí)，相變儲(chǔ)能體與水流通道自動(dòng)進(jìn)行換熱，釋放冷量進(jìn)行釋能并發(fā)生相變，固體變?yōu)橐后w。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法和系統(tǒng)，相變儲(chǔ)能裝置包括外殼、相變儲(chǔ)能體、制冷劑管道、水流通道和控制裝置；外殼上設(shè)有水流進(jìn)口、水流出口、制冷劑進(jìn)口和制冷劑出口；所述的相變儲(chǔ)能體、制冷劑管道和水流通道都設(shè)置在殼體內(nèi)；相變儲(chǔ)能體包括相變材料和用于容納相變材料的金屬容器。該相變儲(chǔ)能裝置和三元單/雙向相變儲(chǔ)能方法和系統(tǒng)傳熱高效、安全可靠、節(jié)能環(huán)保。
文檔編號(hào)F25B49/02GK102519290SQ201210002250
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者劉英俊, 孫小琴, 廖曙光, 張泉, 張海峰, 程利雙 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)