基于复合相变储能材料的热水器蓄热水箱设计及研究

周宇鸿，周东一，吴源泉，戴 兵，罗先智，袁嘉炜

（1.邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳422000；2.厦门航空酒店管理有限公司，福建 厦门361000）

在建筑能耗中，采暖节能至关重要，而生活用热水节能是采暖能耗的重要组成，我国居民的生活用热水的加热主要采用集中供热或燃气、电能、太阳能热水器。对于太阳能热水器，太阳能是一种清洁无污染能源，但太阳能是不稳定的，受天气的影响极大，是一种间歇性、低品位、能量密度低、不能提供稳定持续的热能的能源，给居民生活用热水带来了不便，在太阳辐射强的时候，可以把热水加热到远高于生活用热水的温度，但不及时使用就造成了大量热浪费。对于用燃气、电能加热热水，由于使用热水的时间段正是用燃气或用电的高峰期，给热量的使用带来了不便。而采用相变蓄热水箱，可以将热量储存起来。如对太阳能热水器，在白天太阳辐射强时储存热量，到晚上的时候释放出来，能最大程度利用太阳能，对燃气、电热水器，可以避开用气或用电高峰期，给居民使用热水带来方便，能解决储热或制冷等能源供应与需求之间不匹配问题的关键技术［1］。

1 复合相变材料的制备

1.1 相变材料的选取

脂肪酸类相变材料的主要优点是相变潜热大，无毒，腐蚀性比较小，不存在过冷现象［2］，而蓄热水箱要求的相变材料的相变温度为50～60℃［3］范围内。综合考虑脂肪酸类的价格和性能，我们选取肉豆蔻酸（MA）为相变材料，肉豆蔻酸，又被称为十四酸，分子式为C14H28O2，是一种饱和脂肪酸。其为一种白色/黄白色的硬质固体，其晶体具有一定的光泽。肉豆蔻酸不溶于水但溶于无水乙醇、甲醇、苯。通过椰子油、棕榈仁油得到的混合脂肪酸经过真空分馏可以得到肉豆蔻酸［4］。而膨胀石墨（EG）是一种具有多孔结构的材料，可膨胀石墨在瞬时高温下会发生急剧膨胀，插层剂受热分解产生气体，气体产生的推动力破坏石墨间的范德华力使得石墨形态发生膨胀，即可制得膨胀石墨［5］，膨胀石墨具有蠕虫状的多孔结构，具有较强的吸附性能和导热性能，因此选择EG为相变材料的基材。肉豆蔻酸的相变温度为53～55℃，相变潜热较大，适合于生活用热水的蓄热水箱，根据最优配比肉豆蔻酸/膨胀石墨（MA/EG）为15：1的比例来制取复合相变材料［6］。

1.2 膨胀石墨的制取

可膨胀石墨（粒度80目，膨胀率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；取一定量干燥可膨胀石墨置于预热过的瓷坩埚中，将瓷坩埚放入900℃马弗炉中加热50 s，即可制得膨胀石墨（EG）。

1.3 肉豆蔻酸/膨胀石墨复合相变材料的制备

肉豆蔻酸/膨胀石墨（MA/EG）复合相变材料通过EG对MA的吸附作用制备，制取了48g相变材料。制取方法如下：首先用烧杯称取3 g膨胀石墨，再称取45 g肉豆蔻酸，然后将肉豆蔻酸倒入膨胀石墨中并搅拌均匀，将烧杯放入真空干燥箱中，在压力为-0.1 MPa、温度为100℃条件下放置24 h（每隔8h对样品震荡搅拌，以保证吸附效果），冷却至室温即制得MA/EG复合相变材料。图1为制备的MA/EG复合相变材料。

图1 制得的肉豆蔻酸/膨胀石墨相变储能材料

1.4 相变材料的热性能分析

用差示扫描量热法（DSC，TA Q20 USA）测定MA和MA/EG复合相变材料的熔化温度（Tm）、冻结温度（Tf）、熔化潜热（Hm）、冻结潜热（Hf），测量中升温速率为5℃/min，范围为0～100℃，样品用液氮冷却，测量结果如图2所示。

图2 MA/EG复合相变储能材料的DSC曲线

由于EG具有多空结构和较强的吸附性，MA均匀分布于EG的网状多孔结构中。根据DSC实验测试，MA/EG复合相变材料的相变温度和相变潜热分别为52.28℃和188.6 J/g，且与MA相比变化不大。综合考虑MA/EG复合相变材料的相变温度和相变潜热，认为MA/EG复合相变材料热性能符合预期，可以适用于太阳能蓄热水箱。

由于膨胀石墨的孔隙主要为微米级别的孔隙［7］，使得熔融状态的肉豆蔻酸更容易被附着。MA均匀的分散镶嵌在EG的孔网状结构中使得整个复合相变材料提升了机械强度，EG和MA适当的质量比使得两者之间网孔结构中的毛细管和表面张力可以阻止熔融状态的MA泄露，从宏观上来看整个复合相变材料在相变时的外观没有变化，起到了一定的定形效果［8］。这样材料的优点就在于不会出现如结晶水合盐一样的相分离，复合材料相变时由于熔融状态的MA在EG的孔网结构有这较好的附着性，两者之间也有这较好的相容性，使得MA始终在EG中均匀分布。

2 相变蓄热水箱设计

2.1 相变单元设计

相变蓄热单元是相变蓄热水箱的蓄热核心，在设计相变蓄热单元时需要考虑相变材料的封装、换热面积、蓄热量。由于MA/EG复合相变材料无法直接与热水箱中的水接触，因此需要考虑材料的封装，选用长500 mm，外径为35 mm，内径为34 mm的圆柱铜管进行封装，本水箱选用圆柱形铜管相变单元作为太阳能相变蓄热水箱的蓄热单元有以下几点的考量：

（1）圆柱形相变单元结构简单，便于安装与拆卸，且换热面积相对于其他形状更大，可以根据不同的蓄热量进行不同的数量的相变单元的安装。对改造太阳能蓄热水箱较为方便。

（2）铜质圆管相较于其他材料有着较高的导热系数，纯铜的导热系数为386.4 W/（m·k），远高于铝、塑料、不锈钢，且铜质圆管具有较好的强度和耐高温性能。

（3）圆柱形铜管加工工艺简单，且铜管内相变材料易于更换，可以重复利用，使用寿命长。

水箱选用高510 mm，直径为350 mm，容积为45 L的不锈钢承压水箱，水箱排布置如图3所示。水箱内下部设置相变单元固定板，上部设置均流板，设计可以根据当地太阳能辐射量以及所需蓄热量的实际需求进行相变单元数量的灵活改变。上部设置热水出水口和太阳能集热器热水进水口，下部设置冷水进水口，同时在下部设置太阳能热水回水口。蓄热时，太阳能集热器中的高温热水从上部热水进水口进入到蓄热水箱，加热水箱中的冷水同时蓄热单元工作，热量传递到蓄热单元中进行储能，降温后的热水通过底部的热水回水口回到太阳能集热器再次被加热，如此循环直到蓄热工作完成；放热时，冷水通过底部的冷水进水口进入水箱，蓄热单元工作加热冷水后热水从上部的热水出水口流向用户端完成工作。这样布置的主要原因在于利用水箱中的冷热水的分层效应加强冷热水的循环，减小热循环的动力需求且结构简单便于排污。

图3 铜管排布示意图

2.2 理论设计计算

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

MA/EG相变复合材料融化潜热r=193.1 J/g，密度 ρ2=0.8525×103kg/m3。

单位质量水升高1度所需热量Q1=cm△t=4.186×1×1=4.186kJ。

单位质量相变材料储存热量Q2=193.1kJ/kg。

假设储热单元V1占水箱体积（45L）的20%（忽略铜管所占体积），则V1=0.009 m3，V水=0.036 m3。

相变材料的质量M1=V1ρ2=0.009×0.8525×103=7.67 kg。

假设采用铜管的内径d1=34 mm，外径d2=35 mm；每根长度l=500 mm，则所需铜管长度L1=V1/S=0.009（/π×0.0172）=9.9 m，所需要铜管根数9.9/0.5≈20根。

相变材料可存储总热值Q总=M1×Q1=7.67×103×0.1931=1481.08kJ。

水箱中升高1℃所需热量Q3=Q1×36=150.70kJ。

相变材料热值全部释放水箱水温可升高t=Q总/Q3=9.8℃。

水箱温度为60℃，环境温度为25℃，假设用去18 L热水，再加入18 L常温水，则此时水箱的温度为t2=（60+25）/2+9.8=52.3℃，满足生活用热水要求。

2.3 实验验证

实验装置及测试过程如图4，水箱保温材料的导热系数为0.032W/（m·K），不锈钢的导热系数为16.2 W/（m·K），忽略水箱外热损失。将水箱装置中的36L的水用电加热器加热到60℃，然后倒掉其中18 L，再加入18 L的常温水，2 min后测试水箱中水的温度为51℃，与理论计算的52.3℃的温度相差无几。

图4 蓄热水箱放热测试过程

3 结 语

（1）本设计将复合相变储能材料与热水器的储水箱相结合，利用相变材料的相变潜热，大幅度的增加了储存的热量，增加了低品位热能利用效率。

（2）本设计所采用的肉豆蔻酸/膨胀石墨复合相变材料无污染，价格低廉，储热量大，蓄热和放热速率快，能减少储水箱体积，降低成本。

（3）本设计可用于太阳能热水器、空气能热水器、燃气热水器、电热水器，对于太阳能热水器而言可增加太阳能的利用效率，对于空气能热水器、燃气热水器、电热水器而言，可以避开用气或用电高峰期，给居民使用热水带来方便。