基于復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的熱水器蓄熱水箱設(shè)計(jì)及研究

周宇鴻，周東一，吳源泉，戴 兵，羅先智，袁嘉煒

（1.邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng)422000；2.廈門航空酒店管理有限公司，福建 廈門361000）

在建筑能耗中，采暖節(jié)能至關(guān)重要，而生活用熱水節(jié)能是采暖能耗的重要組成，我國(guó)居民的生活用熱水的加熱主要采用集中供熱或燃?xì)?、電能、太?yáng)能熱水器。對(duì)于太陽(yáng)能熱水器，太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染能源，但太陽(yáng)能是不穩(wěn)定的，受天氣的影響極大，是一種間歇性、低品位、能量密度低、不能提供穩(wěn)定持續(xù)的熱能的能源，給居民生活用熱水帶來(lái)了不便，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)的時(shí)候，可以把熱水加熱到遠(yuǎn)高于生活用熱水的溫度，但不及時(shí)使用就造成了大量熱浪費(fèi)。對(duì)于用燃?xì)?、電能加熱熱水，由于使用熱水的時(shí)間段正是用燃?xì)饣蛴秒姷母叻迤?，給熱量的使用帶來(lái)了不便。而采用相變蓄熱水箱，可以將熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)。如對(duì)太陽(yáng)能熱水器，在白天太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)儲(chǔ)存熱量，到晚上的時(shí)候釋放出來(lái)，能最大程度利用太陽(yáng)能，對(duì)燃?xì)?、電熱水器，可以避開(kāi)用氣或用電高峰期，給居民使用熱水帶來(lái)方便，能解決儲(chǔ)熱或制冷等能源供應(yīng)與需求之間不匹配問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)［1］。

1 復(fù)合相變材料的制備

1.1 相變材料的選取

脂肪酸類相變材料的主要優(yōu)點(diǎn)是相變潛熱大，無(wú)毒，腐蝕性比較小，不存在過(guò)冷現(xiàn)象［2］，而蓄熱水箱要求的相變材料的相變溫度為50～60℃［3］范圍內(nèi)。綜合考慮脂肪酸類的價(jià)格和性能，我們選取肉豆蔻酸（MA）為相變材料，肉豆蔻酸，又被稱為十四酸，分子式為C14H28O2，是一種飽和脂肪酸。其為一種白色/黃白色的硬質(zhì)固體，其晶體具有一定的光澤。肉豆蔻酸不溶于水但溶于無(wú)水乙醇、甲醇、苯。通過(guò)椰子油、棕櫚仁油得到的混合脂肪酸經(jīng)過(guò)真空分餾可以得到肉豆蔻酸［4］。而膨脹石墨（EG）是一種具有多孔結(jié)構(gòu)的材料，可膨脹石墨在瞬時(shí)高溫下會(huì)發(fā)生急劇膨脹，插層劑受熱分解產(chǎn)生氣體，氣體產(chǎn)生的推動(dòng)力破壞石墨間的范德華力使得石墨形態(tài)發(fā)生膨脹，即可制得膨脹石墨［5］，膨脹石墨具有蠕蟲(chóng)狀的多孔結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的吸附性能和導(dǎo)熱性能，因此選擇EG為相變材料的基材。肉豆蔻酸的相變溫度為53～55℃，相變潛熱較大，適合于生活用熱水的蓄熱水箱，根據(jù)最優(yōu)配比肉豆蔻酸/膨脹石墨（MA/EG）為15：1的比例來(lái)制取復(fù)合相變材料［6］。

1.2 膨脹石墨的制取

可膨脹石墨（粒度80目，膨脹率350 mL/g，含碳量99%，密度1.1 g/cm3）置于真空干燥箱中，50℃干燥24 h；取一定量干燥可膨脹石墨置于預(yù)熱過(guò)的瓷坩堝中，將瓷坩堝放入900℃馬弗爐中加熱50 s，即可制得膨脹石墨（EG）。

1.3 肉豆蔻酸/膨脹石墨復(fù)合相變材料的制備

肉豆蔻酸/膨脹石墨（MA/EG）復(fù)合相變材料通過(guò)EG對(duì)MA的吸附作用制備，制取了48g相變材料。制取方法如下：首先用燒杯稱取3 g膨脹石墨，再稱取45 g肉豆蔻酸，然后將肉豆蔻酸倒入膨脹石墨中并攪拌均勻，將燒杯放入真空干燥箱中，在壓力為-0.1 MPa、溫度為100℃條件下放置24 h（每隔8h對(duì)樣品震蕩攪拌，以保證吸附效果），冷卻至室溫即制得MA/EG復(fù)合相變材料。圖1為制備的MA/EG復(fù)合相變材料。

圖1 制得的肉豆蔻酸/膨脹石墨相變儲(chǔ)能材料

1.4 相變材料的熱性能分析

用差示掃描量熱法（DSC，TA Q20 USA）測(cè)定MA和MA/EG復(fù)合相變材料的熔化溫度（Tm）、凍結(jié)溫度（Tf）、熔化潛熱（Hm）、凍結(jié)潛熱（Hf），測(cè)量中升溫速率為5℃/min，范圍為0～100℃，樣品用液氮冷卻，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 MA/EG復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的DSC曲線

由于EG具有多空結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸附性，MA均勻分布于EG的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)中。根據(jù)DSC實(shí)驗(yàn)測(cè)試，MA/EG復(fù)合相變材料的相變溫度和相變潛熱分別為52.28℃和188.6 J/g，且與MA相比變化不大。綜合考慮MA/EG復(fù)合相變材料的相變溫度和相變潛熱，認(rèn)為MA/EG復(fù)合相變材料熱性能符合預(yù)期，可以適用于太陽(yáng)能蓄熱水箱。

由于膨脹石墨的孔隙主要為微米級(jí)別的孔隙［7］，使得熔融狀態(tài)的肉豆蔻酸更容易被附著。MA均勻的分散鑲嵌在EG的孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中使得整個(gè)復(fù)合相變材料提升了機(jī)械強(qiáng)度，EG和MA適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比使得兩者之間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)管和表面張力可以阻止熔融狀態(tài)的MA泄露，從宏觀上來(lái)看整個(gè)復(fù)合相變材料在相變時(shí)的外觀沒(méi)有變化，起到了一定的定形效果［8］。這樣材料的優(yōu)點(diǎn)就在于不會(huì)出現(xiàn)如結(jié)晶水合鹽一樣的相分離，復(fù)合材料相變時(shí)由于熔融狀態(tài)的MA在EG的孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)有這較好的附著性，兩者之間也有這較好的相容性，使得MA始終在EG中均勻分布。

2 相變蓄熱水箱設(shè)計(jì)

2.1 相變單元設(shè)計(jì)

相變蓄熱單元是相變蓄熱水箱的蓄熱核心，在設(shè)計(jì)相變蓄熱單元時(shí)需要考慮相變材料的封裝、換熱面積、蓄熱量。由于MA/EG復(fù)合相變材料無(wú)法直接與熱水箱中的水接觸，因此需要考慮材料的封裝，選用長(zhǎng)500 mm，外徑為35 mm，內(nèi)徑為34 mm的圓柱銅管進(jìn)行封裝，本水箱選用圓柱形銅管相變單元作為太陽(yáng)能相變蓄熱水箱的蓄熱單元有以下幾點(diǎn)的考量：

（1）圓柱形相變單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝與拆卸，且換熱面積相對(duì)于其他形狀更大，可以根據(jù)不同的蓄熱量進(jìn)行不同的數(shù)量的相變單元的安裝。對(duì)改造太陽(yáng)能蓄熱水箱較為方便。

（2）銅質(zhì)圓管相較于其他材料有著較高的導(dǎo)熱系數(shù)，純銅的導(dǎo)熱系數(shù)為386.4 W/（m·k），遠(yuǎn)高于鋁、塑料、不銹鋼，且銅質(zhì)圓管具有較好的強(qiáng)度和耐高溫性能。

（3）圓柱形銅管加工工藝簡(jiǎn)單，且銅管內(nèi)相變材料易于更換，可以重復(fù)利用，使用壽命長(zhǎng)。

水箱選用高510 mm，直徑為350 mm，容積為45 L的不銹鋼承壓水箱，水箱排布置如圖3所示。水箱內(nèi)下部設(shè)置相變單元固定板，上部設(shè)置均流板，設(shè)計(jì)可以根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)能輻射量以及所需蓄熱量的實(shí)際需求進(jìn)行相變單元數(shù)量的靈活改變。上部設(shè)置熱水出水口和太陽(yáng)能集熱器熱水進(jìn)水口，下部設(shè)置冷水進(jìn)水口，同時(shí)在下部設(shè)置太陽(yáng)能熱水回水口。蓄熱時(shí)，太陽(yáng)能集熱器中的高溫?zé)崴畯纳喜繜崴M(jìn)水口進(jìn)入到蓄熱水箱，加熱水箱中的冷水同時(shí)蓄熱單元工作，熱量傳遞到蓄熱單元中進(jìn)行儲(chǔ)能，降溫后的熱水通過(guò)底部的熱水回水口回到太陽(yáng)能集熱器再次被加熱，如此循環(huán)直到蓄熱工作完成；放熱時(shí)，冷水通過(guò)底部的冷水進(jìn)水口進(jìn)入水箱，蓄熱單元工作加熱冷水后熱水從上部的熱水出水口流向用戶端完成工作。這樣布置的主要原因在于利用水箱中的冷熱水的分層效應(yīng)加強(qiáng)冷熱水的循環(huán)，減小熱循環(huán)的動(dòng)力需求且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于排污。

圖3 銅管排布示意圖

2.2 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

水的密度 ρ1=1000 kg/m3，比熱c=4.186 kJ/（kg·℃）。

MA/EG相變復(fù)合材料融化潛熱r=193.1 J/g，密度 ρ2=0.8525×103kg/m3。

單位質(zhì)量水升高1度所需熱量Q1=cm△t=4.186×1×1=4.186kJ。

單位質(zhì)量相變材料儲(chǔ)存熱量Q2=193.1kJ/kg。

假設(shè)儲(chǔ)熱單元V1占水箱體積（45L）的20%（忽略銅管所占體積），則V1=0.009 m3，V水=0.036 m3。

相變材料的質(zhì)量M1=V1ρ2=0.009×0.8525×103=7.67 kg。

假設(shè)采用銅管的內(nèi)徑d1=34 mm，外徑d2=35 mm；每根長(zhǎng)度l=500 mm，則所需銅管長(zhǎng)度L1=V1/S=0.009（/π×0.0172）=9.9 m，所需要銅管根數(shù)9.9/0.5≈20根。

相變材料可存儲(chǔ)總熱值Q總=M1×Q1=7.67×103×0.1931=1481.08kJ。

水箱中升高1℃所需熱量Q3=Q1×36=150.70kJ。

相變材料熱值全部釋放水箱水溫可升高t=Q總/Q3=9.8℃。

水箱溫度為60℃，環(huán)境溫度為25℃，假設(shè)用去18 L熱水，再加入18 L常溫水，則此時(shí)水箱的溫度為t2=（60+25）/2+9.8=52.3℃，滿足生活用熱水要求。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試過(guò)程如圖4，水箱保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.032W/（m·K），不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為16.2 W/（m·K），忽略水箱外熱損失。將水箱裝置中的36L的水用電加熱器加熱到60℃，然后倒掉其中18 L，再加入18 L的常溫水，2 min后測(cè)試水箱中水的溫度為51℃，與理論計(jì)算的52.3℃的溫度相差無(wú)幾。

圖4 蓄熱水箱放熱測(cè)試過(guò)程

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）本設(shè)計(jì)將復(fù)合相變儲(chǔ)能材料與熱水器的儲(chǔ)水箱相結(jié)合，利用相變材料的相變潛熱，大幅度的增加了儲(chǔ)存的熱量，增加了低品位熱能利用效率。

（2）本設(shè)計(jì)所采用的肉豆蔻酸/膨脹石墨復(fù)合相變材料無(wú)污染，價(jià)格低廉，儲(chǔ)熱量大，蓄熱和放熱速率快，能減少儲(chǔ)水箱體積，降低成本。

（3）本設(shè)計(jì)可用于太陽(yáng)能熱水器、空氣能熱水器、燃?xì)鉄崴?、電熱水器，?duì)于太陽(yáng)能熱水器而言可增加太陽(yáng)能的利用效率，對(duì)于空氣能熱水器、燃?xì)鉄崴?、電熱水器而言，可以避開(kāi)用氣或用電高峰期，給居民使用熱水帶來(lái)方便。