专利名称：纳米相变蓄热材料的热泵热水器的制作方法
技术领域：
本发明属于热水器领域，具体涉及纳米相变蓄热材料的热泵热水器。
背景技术：
能源是人类生存的基础，是经济发展的首要问题。但随着社会的不断发展，能源的需求量不断增大，矿物能源因其储存量减少，节能已经越来越深入人们的生活。而目前国内家庭日常生活中所需要的热水大部分均通过专门的热水器(如电热水器、燃气热水器等) 获得。这些装置都是用高品位的能量来换取同等数量的低品位热量，不符合现代节能的原则。这就使研究开发新型热水器为家庭、宾馆等洗浴用户提供温度为4(T50°C的生活热水显得非常有意义。相变储能材料蓄热热水器，利用逆卡诺原理，压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过做工将制冷剂压缩成高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器与纳米储能材料进行热交换，在冷凝器中被冷凝成液体，释放出的热量，纳米相变储能材料吸收其释放的热量而温度不断上升，升高到一定温度后发生相变。被冷凝的高压低温液体经膨胀阀节流降压后，在蒸发器中通过风扇的作用，吸收周围环境空气中的热量从而挥发成低压气体， 又被吸收入压缩机中压缩，这样反复转换，从而使相变储能材料完全融化。但是由于传统相变储能材料传热系数低，从而相变储能材料融化和凝固时间过长，降低了相变储能热水器的工作效率，节能效果不明显。这对相变储能热水器的应用和推广都带来了阻碍。
发明内容
本发明的目的在于克服传统相变储能热水器相变储能材料传热系数不高，使用效率低，节能效果差等缺点，提供一种纳米相变蓄热材料的热泵热水器。本装置一方面采用管翅式换热器，通过采用在传热管外胀套平翅片的方式添加了整体型铝翅片以提高传热系数，另一方面在普通的相变储能材料中添加质量分数为2、的高导热系数的片层纳米石墨， 进一步提高储能材料的传热系数，加快其融化和凝固的循环速率，以实现节能的目的。本发明所要解决的技术问题在于提供一种体积小，重量轻，使用方便，安装灵活、 传热系数高、能效比高的纳米储能材料相变蓄热热水器。这种装置主要是提高相变储能材料的传热性能，使相变材料储能和释放的速率加快，从而提高能量储存效率，使该装置更加节能且适用范围更加广泛。为解决以上问题，本发明的技术方案是
纳米相变蓄热材料的热泵热水器，包括冷水进水管1、热水出水管4、相变储能箱5、压缩机11、热力循环管12、控制器13、蒸发器14、节流装置16、风扇和过滤干燥器17 ；所述相变储能箱5包括内胆8和外壳，内胆中设有换热盘管10，所述换热盘管10和内胆之间80% 的空间填充有纳米相变储能材料；所述换热盘管10由冷凝换热盘管21和热水换热盘管22 组成，冷凝换热盘管21和热水换热盘管22交替排列，冷凝换热盘管21的两端为冷凝剂入口 18和冷凝剂出口 19，冷凝剂入口 19通过热力循环管12依次与压缩机、蒸发器14、节流装置16和过滤干燥器17连接，过滤干燥器17再连接到冷凝剂出口 19 ；热水换热盘管22的两端分别连接冷水进水管1和热水出水管4 ；所述控制器13通过导线分别与压缩机11的电机电源电路、风扇15的电机电源电路相连以及设在纳米相变储能材料中的温度传感器 20相连，所述纳米相变储能材料是在相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质中添加片层纳米石墨，纳米相变储能材料中片层纳米石墨的重量百分比为洲。所述纳米相变储能材料的制备方法为将可膨胀石墨在70°C 80°C干燥8 10h，再微波加热15 20s，膨胀为膨胀石墨，将该膨胀石墨加入到乙二醇中，混合均勻；球磨8 10h，然后将球磨后的悬浮液过滤、干燥，得到片层纳米石墨，在不断搅拌下加入到液态的、相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质中，并加入表面活性剂。所述相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质为十四酸、石蜡或聚乙二醇。在换热盘管10外通过胀套平翅片的方式安装有平翅片23，形成整体型的翅片管， 以提高传热系数。所述节流装置16为膨胀阀或毛细管。所述温度传感器20为钼电阻温度传感器。所述相变储能箱5为铝制、不锈钢质或钢质箱体。所述冷凝换热盘管21是由若干组盘管并联构成，优选由三组盘管并联，每一组盘管是由若干个U形管串联而成，盘管中的流动方向是由上至下，再由下至上折返流动，
热水换热盘管22连接冷水进水管1的管路上安装有单向阀2 ；连接热水出水管4的管路上安装有截止阀3 ；
压缩机从蒸发器中吸入低温低压气体制冷剂，通过做工将制冷剂压缩成高温高压气体，该高温高压气体在冷凝器中被冷凝成液体，释放出的热量，纳米相变储能材料吸收其释放的热量而温度不断上升，最后完全融化。需要供应热水时，冷水进入相变储能箱，与融化的纳米相变材料进行热传递，相变材料降温、凝固释放出大量的热量(主要是潜热)使水温快速达到要求。与现有设备和技术相比，本发明的有益效果有
1、本发明储热箱中通过采用在传热管外胀套平翅片的方式添加了整体型铝翅片，增大了换热面积，传热效率提高。能够更加快速的将水温升高到要求温度；
2、本发明采用纳米相变储能材料，解决了传统相变材料导热系数低、传热性能差的问题，有效地加快了相变储能材料熔化和凝固的速率；当添加质量分数为m的片层纳米石墨时，相变储能材料的热物性最佳，其液体导热速度提高78%，固体导热速度提高52%。3、本发明中采用相变储能材料作为2次热源，解决了直接用电加热水有可能导致漏电的危险，安全系数较高；
4、本发明由于相变储能箱体积比传统水箱小，且承压小，能设计成方形、圆形等各种形状，可以更好的与建筑相配合；
5、本发明中换热管与箱体之间通过钎焊焊接而成，焊接质量高，从而结构紧凑，密闭性
尚；
6、本发明提供了一种外形美观、体积小、承重小，结构简单且价格低廉的纳米储能材料相变蓄热热水器，让人们在生活中更多的享受高科技带来的优势。
图1是本发明的纳米储能材料相变蓄热热水器的结构示意图； 图2、3是相变储能箱中的冷凝换热盘管和热水换热盘管的结构示意图； 图4是流体流动方式示意图； 图5是翅片管示意图
图中1-冷水进水管，2-单向阀，3-截止阀，4-热水出水管，5-相变储能箱，6-外壳， 7-保温材料，8-内胆，9-纳米相变储热材料，10-换热盘管，11-压缩机，12-热力循环管， 13-控制器，14-蒸发器，15-风扇，16-节流装置，17-过滤干燥器，18-冷凝剂入口，19-冷凝剂出口，20-温度传感器，21-冷凝换热盘管，22-热水换热盘管，23-平翅片。
具体实施例方式为更好地理解本发明，下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的描述，但是部分的实施方式不限如此。如图1所示，纳米相变蓄热材料的热泵热水器，包括冷水进水管1、热水出水管4、 相变储能箱5、压缩机11、热力循环管12、控制器13、蒸发器14、节流装置16、风扇和过滤干燥器17 ；所述相变储能箱5包括内胆8和外壳，内胆中设有换热盘管10，所述换热盘管10 和内胆之间80%的空间填充有纳米相变储能材料；所述换热盘管10由冷凝换热盘管21和热水换热盘管22组成，冷凝换热盘管21和热水换热盘管22交替排列，冷凝换热盘管21的两端为冷凝剂入口 18和冷凝剂出口 19，冷凝剂入口 19通过热力循环管12依次与压缩机、 蒸发器14、节流装置16和过滤干燥器17连接，过滤干燥器17再连接到冷凝剂出口 19 ；热水换热盘管22的两端分别连接冷水进水管1和热水出水管4 ；所述控制器13通过导线分别与压缩机11的电机电源电路、风扇15的电机电源电路相连以及设在纳米相变储能材料中的温度传感器20相连，所述纳米相变储能材料是在相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质中添加片层纳米石墨，纳米相变储能材料中片层纳米石墨的重量百分比为1。当温度传感器20处得温度达到某个设定值(略高于相变温度)时，从控制器13处传出电信号给压缩机11的电机电源线路、风扇16的电机电源线路使它们停止工作。所述纳米相变储能材料的制备方法为将可膨胀石墨置于70°C的恒温干燥箱中干燥8h，再微波加热15s，在微波炉产生的瞬间高温下膨胀为膨胀石墨，并将该膨胀石墨加入到盛有IOOml乙二醇的小烧杯中混合均勻；并在室温下将此乙二醇/EG置于行星球磨仪中，球磨他制备成为片层纳米石墨；然后将球磨后的悬浮液过滤烘干，得到的纯净片层纳米石墨在不断搅拌下加入到液态的、相变温度为45 90°C的不导电蓄热介质中，并加入 Brij35或曲拉通X100，持续搅拌Ih使其分散均勻，从而制备出稳定的纳米相变储能材料。以石蜡这种蓄热介质为例，经过实验发现当添加质量分数为m的片层纳米石墨时，相变储能材料的热物性最佳，其液体导热速度提高78%，固体导热速度提高52%。在换热盘管10外通过胀套平翅片的方式安装有平翅片对，形成整体型的翅片管， 以提高传热系数。所述节流装置17为膨胀阀或毛细管。所述温度传感器21为钼电阻温度传感器。热水换热盘管23连接冷水进水管2的管路上安装有单向阀1 ；连接热水出水管4 的管路上安装有截止阀3 ；
预热时，接通电源，蒸发器14从空气源中吸取热量蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机11压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过冷凝换热盘管22时加热纳米相变储能材料9并冷凝成为液体，纳米相变储能材料9发生相变，将热量储存起来，冷凝成液体的工质流出冷凝器出口，通过过滤干燥器18过滤干燥液体中的水分，流经节流装置17减压节流成为低压液体，在通过蒸发器14吸收空气源中的热量成为低压气体完成一次循环。当位于相变储能箱 5内的温度测点处的温度传感器20的值高于设定温度a (设定温度a的值略高于所采用的纳米相变储热材料9的相变温度)时，此时在控制器13对压缩机11的电机发出信号，使其停止运行，预热工作完成。需要使用热水时，冷水通过冷水进水管1流入热水换热盘管22与进入相变储能箱 5中纳米相变储热材料9进行换热，液体纳米相变储热材料9降温，凝固为固体，从而加热冷水，使其可以用于日常生活，加热后的热水从热水换热盘管22流入热水出水管4中，供给日常用水。如果热水需求量较大，可以在加热水的同时开启压缩机，进行加热。如图2、3所示，冷凝换热盘管和热水换热盘管采用交叉布管的形式，且管束以正三角形的形式排列与储能箱内。所述冷凝换热盘管21是由3组盘管并联构成，每一组盘管是由若干个U形管串联而成，盘管中的流动方向是由上至下，再由下至上折返流动，
如图3、4所示，为了保证流体和纳米储能相变材料之间足够的换热温差，本装置中将水路和制冷剂各分3路，每路上下折返2次，然后在积液管中汇合，流出换热器。如图5所示，本装置中的换热管全部采用紫铜管，并在管外通过胀套的方式添加翅片，以加强传热。本发明的纳米相变储能材料中添加了质量分数为m的片层纳米石墨，混合最后整体导热效率提高了 20%。
权利要求
1.纳米相变蓄热材料的热泵热水器，包括冷水进水管(1)、热水出水管(4)、相变储能箱(5)、压缩机(11)、热力循环管(12)、控制器(13)、蒸发器(14)、节流装置(16)、风扇和过滤干燥器(17)；所述相变储能箱(5)包括内胆(8)和外壳，内胆中设有换热盘管(10)，其特征在于，所述换热盘管(10)和内胆之间80%的空间填充有纳米相变储能材料；所述换热盘管(10)由冷凝换热盘管(21)和热水换热盘管(22)组成，冷凝换热盘管(21)和热水换热盘管(22)交替排列，冷凝换热盘管(21)的两端为冷凝剂入口(18)和冷凝剂出口(19)，冷凝剂入口(19)通过热力循环管(12)依次与压缩机、蒸发器(14)、节流装置(16)和过滤干燥器(17)连接，过滤干燥器(17)再连接到冷凝剂出口(19);热水换热盘管(22)的两端分别连接冷水进水管(1)和热水出水管(4);所述控制器(13)通过导线分别与压缩机(11)的电机电源电路、风扇(15)的电机电源电路相连以及设在纳米相变储能材料中的温度传感器 (20)相连，所述纳米相变储能材料是在相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质中添加片层纳米石墨，纳米相变储能材料中片层纳米石墨的重量百分比为洲。
2.根据权利要求1所述的热泵热水器，其特征在于，所述纳米相变储能材料的制备方法为将可膨胀石墨在70°C 80°C干燥8 10h，再微波加热15 20s，膨胀为膨胀石墨，将该膨胀石墨加入到乙二醇中，混合均勻；球磨8 10h，然后将球磨后的悬浮液过滤、干燥， 得到片层纳米石墨，在不断搅拌下加入到液态的、相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质中，并加入表面活性剂。
3.根据权利要求1或2所述的热泵热水器，其特征在于，所述相变温度为45 90°C的不导电有机蓄热介质为十四酸、石蜡或聚乙二醇。
4.根据权利要求2所述的热泵热水器，其特征在于，所述表面活性剂为聚氧乙烯月桂醚类或曲拉通类的表面活性剂。
5.根据权利要求3所述的热泵热水器，其特征在于，在所述换热盘管(10)外通过胀套平翅片的方式安装有平翅片(23)，形成整体型的翅片管。
6.根据权利要求5所述的热泵热水器，其特征在于，所述节流装置(16)为膨胀阀或毛细管。
7.根据权利要求6所述的热泵热水器，其特征在于，所述温度传感器(20)为钼电阻温度传感器。
8.根据权利要求7所述的热泵热水器，其特征在于，所述相变储能箱(5)为铝制、不锈钢质或钢质箱体。
全文摘要
本发明公布了一种纳米相变蓄热材料的热泵热水器。该热水器包括填充纳米相变储能材料的冷凝器、压缩机、节流元件和蒸发器组成。其特征是蒸发器从空气中吸取热量蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后温度和压力上升，高温蒸气通过纳米储能式冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了纳米相变储能材料，并储存起来。当用户使用热水时，纳米相变储能材料释放热能将热水管中的水加热。这种装置提高了相变储能材料的传热性能，储能密度大，使相变材料储能和释放的速率加快，从而提高能量储存效率，使相变储能热水器更加节能且适用范围更为广泛。
文档编号F24H4/02GK102297511SQ201110211169
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者叶为标, 巨小平, 徐婷, 朱冬生, 梁玉萍, 汪南 申请人:华南理工大学