基于復合相變儲能材料的熱水器蓄熱水箱設計及研究

周宇鴻，周東一，吳源泉，戴 兵，羅先智，袁嘉煒

（1.邵陽學院 機械與能源工程學院，湖南 邵陽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，采暖節能至關重要，而生活用熱水節能是采暖能耗的重要組成，我國居民的生活用熱水的加熱主要采用集中供熱或燃氣、電能、太陽能熱水器。對于太陽能熱水器，太陽能是一種清潔無污染能源，但太陽能是不穩定的，受天氣的影響極大，是一種間歇性、低品位、能量密度低、不能提供穩定持續的熱能的能源，給居民生活用熱水帶來了不便，在太陽輻射強的時候，可以把熱水加熱到遠高于生活用熱水的溫度，但不及時使用就造成了大量熱浪費。對于用燃氣、電能加熱熱水，由于使用熱水的時間段正是用燃氣或用電的高峰期，給熱量的使用帶來了不便。而采用相變蓄熱水箱，可以將熱量儲存起來。如對太陽能熱水器，在白天太陽輻射強時儲存熱量，到晚上的時候釋放出來，能最大程度利用太陽能，對燃氣、電熱水器，可以避開用氣或用電高峰期，給居民使用熱水帶來方便，能解決儲熱或制冷等能源供應與需求之間不匹配問題的關鍵技術［1］。

1 復合相變材料的制備

1.1 相變材料的選取

脂肪酸類相變材料的主要優點是相變潛熱大，無毒，腐蝕性比較小，不存在過冷現象［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。綜合考慮脂肪酸類的價格和性能，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/黃白色的硬質固體，其晶體具有一定的光澤。肉豆蔻酸不溶于水但溶于無水乙醇、甲醇、苯。通過椰子油、棕櫚仁油得到的混合脂肪酸經過真空分餾可以得到肉豆蔻酸［4］。而膨脹石墨（EG）是一種具有多孔結構的材料，可膨脹石墨在瞬時高溫下會發生急劇膨脹，插層劑受熱分解產生氣體，氣體產生的推動力破壞石墨間的范德華力使得石墨形態發生膨脹，即可制得膨脹石墨［5］，膨脹石墨具有蠕蟲狀的多孔結構，具有較強的吸附性能和導熱性能，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，根據最優配比肉豆蔻酸/膨脹石墨（MA/EG）為15：1的比例來制取復合相變材料［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熱過的瓷坩堝中，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/膨脹石墨復合相變材料的制備

肉豆蔻酸/膨脹石墨（MA/EG）復合相變材料通過EG對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對樣品震蕩攪拌，以保證吸附效果），冷卻至室溫即制得MA/EG復合相變材料。圖1為制備的MA/EG復合相變材料。

圖1 制得的肉豆蔻酸/膨脹石墨相變儲能材料

1.4 相變材料的熱性能分析

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

圖2 MA/EG復合相變儲能材料的DSC曲線

由于EG具有多空結構和較強的吸附性，MA均勻分布于EG的網狀多孔結構中。根據DSC實驗測試，MA/EG復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復合相變材料的相變溫度和相變潛熱，認為MA/EG復合相變材料熱性能符合預期，可以適用于太陽能蓄熱水箱。

由于膨脹石墨的孔隙主要為微米級別的孔隙［7］，使得熔融狀態的肉豆蔻酸更容易被附著。MA均勻的分散鑲嵌在EG的孔網狀結構中使得整個復合相變材料提升了機械強度，EG和MA適當的質量比使得兩者之間網孔結構中的毛細管和表面張力可以阻止熔融狀態的MA泄露，從宏觀上來看整個復合相變材料在相變時的外觀沒有變化，起到了一定的定形效果［8］。這樣材料的優點就在于不會出現如結晶水合鹽一樣的相分離，復合材料相變時由于熔融狀態的MA在EG的孔網結構有這較好的附著性，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 相變蓄熱水箱設計

2.1 相變單元設計

相變蓄熱單元是相變蓄熱水箱的蓄熱核心，在設計相變蓄熱單元時需要考慮相變材料的封裝、換熱面積、蓄熱量。由于MA/EG復合相變材料無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500 mm，外徑為35 mm，內徑為34 mm的圓柱銅管進行封裝，本水箱選用圓柱形銅管相變單元作為太陽能相變蓄熱水箱的蓄熱單元有以下幾點的考量：

（1）圓柱形相變單元結構簡單，便于安裝與拆卸，且換熱面積相對于其他形狀更大，可以根據不同的蓄熱量進行不同的數量的相變單元的安裝。對改造太陽能蓄熱水箱較為方便。

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

（3）圓柱形銅管加工工藝簡單，且銅管內相變材料易于更換，可以重復利用，使用壽命長。

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。水箱內下部設置相變單元固定板，上部設置均流板，設計可以根據當地太陽能輻射量以及所需蓄熱量的實際需求進行相變單元數量的靈活改變。上部設置熱水出水口和太陽能集熱器熱水進水口，下部設置冷水進水口，同時在下部設置太陽能熱水回水口。蓄熱時，太陽能集熱器中的高溫熱水從上部熱水進水口進入到蓄熱水箱，加熱水箱中的冷水同時蓄熱單元工作，熱量傳遞到蓄熱單元中進行儲能，降溫后的熱水通過底部的熱水回水口回到太陽能集熱器再次被加熱，如此循環直到蓄熱工作完成；放熱時，冷水通過底部的冷水進水口進入水箱，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加強冷熱水的循環，減小熱循環的動力需求且結構簡單便于排污。

圖3 銅管排布示意圖

2.2 理論設計計算

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

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

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

單位質量相變材料儲存熱量Q2=193.1kJ/kg。

假設儲熱單元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。

相變材料的質量M1=V1ρ2=0.009×0.8525×103=7.67 kg。

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

相變材料可存儲總熱值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℃，環境溫度為25℃，假設用去18 L熱水，再加入18 L常溫水，則此時水箱的溫度為t2=（60+25）/2+9.8=52.3℃，滿足生活用熱水要求。

2.3 實驗驗證

實驗裝置及測試過程如圖4，水箱保溫材料的導熱系數為0.032W/（m·K），不銹鋼的導熱系數為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后測試水箱中水的溫度為51℃，與理論計算的52.3℃的溫度相差無幾。

圖4 蓄熱水箱放熱測試過程

3 結 語

（1）本設計將復合相變儲能材料與熱水器的儲水箱相結合，利用相變材料的相變潛熱，大幅度的增加了儲存的熱量，增加了低品位熱能利用效率。

（2）本設計所采用的肉豆蔻酸/膨脹石墨復合相變材料無污染，價格低廉，儲熱量大，蓄熱和放熱速率快，能減少儲水箱體積，降低成本。

（3）本設計可用于太陽能熱水器、空氣能熱水器、燃氣熱水器、電熱水器，對于太陽能熱水器而言可增加太陽能的利用效率，對于空氣能熱水器、燃氣熱水器、電熱水器而言，可以避開用氣或用電高峰期，給居民使用熱水帶來方便。