集热蓄能蒸发一体化太阳能热泵系统

摘要

集热蓄能蒸发一体化太阳能热泵装置集太阳能集热器、蓄能容器以及热泵系统的蒸发器于一体，在减少传统蓄能型太阳能热泵系统多级中间换热的热损失及制造成本基础上，加快太阳能集热器集热效率、增强热泵系统蒸发管内制冷剂与蓄能介质间的换热效率，从而保证整个蓄能型太阳能热泵装置的高效与稳定运行。该装置包括压缩机(1)、水冷冷凝器(2)、热力膨胀阀(3)、蒸发器(4)、水泵(12)、水箱(13)，其中压缩机(1)、水冷冷凝器(2)的冷媒管、热力膨胀阀(3)、蒸发器(4)串联连接成一个闭合的回路，水冷冷凝器(2)水冷管、水泵(12)、水箱(13)串联连接成一个闭合的回路，其中，蒸发器(4)采用太阳能集热/热泵蒸发器。

说明书

技术领域

本发明是基于太阳能集热器的特性与热泵理论的基础上，采用以强化换热技术为基础的提出多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器。涉及太阳能利用技术、蓄热技术、强化换热技术和热泵技术。

背景技术

能源危机的产生与加剧掀起了世界范围的节能热潮。太阳能以其为清洁能源、能量巨大的优势得到国内外研究者的普遍青睐。热泵系统能够提升热能，具有节能的优势，将太阳能与热泵系统结合，能够更进一步的节能与合理利用能量，具有更好的产热效率。

然而，由于太阳能的不连续性与天气依赖型，普通的太阳能热泵在夜间及连续阴雨天无法正常工作，将太阳能热泵系统与蓄能技术结合起来，能够很好的解决系统不能连续运行的缺点。

潜热蓄能具有蓄能密度大、温度变化小等优点，引起国内外学者的普遍关注，并已得到广泛的应用。目前的蓄能型太阳能热泵系统多为集热器、蓄热器、蒸发器分开布置，通过中间换热介质-通常采用水实现太阳能与蓄能介质间的热交换，再一次通过中间换热介质实现太阳能与蒸发器或蓄能介质与蒸发器间的热量传递。由于两次使用中间换热介质，即三次热交换一太阳能跟水换热、水与蓄能材料换热、水与蒸发盘管换热，使得热损失及制造成本增大，同时由于使用水为集热器内的换热介质，集热器内温度较高，集热损失较大。

集蓄能集热蒸发于一体的太阳能热泵系统采用多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器采用单个装置解决太阳能吸收、能量储存与释放，减少中间换热环节，节约制造成本。然而，由于相变过程的复杂性，相变时相变材料与换热器间的换热效率变化大，且绝大多数无机相变材料存在过冷度大、腐蚀金属管道；有机相变材料导热系数低、相变前后体积变化大，使得蓄能介质与热泵系统的蒸发/冷凝器直接换热的发展与使用受到限制，通常的蓄能型空调系统采用两级换热器，先采用水等换热性能良好的介质与蓄能材料进行换热吸收/释放能量，然后将升温/降温后的水与蒸发或冷凝器进行换热释放/吸收能量，以保证空调系统的稳定与高效运行。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种集热蓄能蒸发一体化太阳能热泵系统，解决传统的蓄能材料不能与热泵系统的蒸发器直接换热的问题，优化集蓄能集热蒸发于一体的太阳能热泵系统的整体性能。

技术方案：本发明的集热蓄能蒸发一体化太阳能热泵装置，包括压缩机、水冷冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器、水泵、水箱，其特征在于该装置的压缩机、水冷冷凝器的冷媒管、热力膨胀阀、蒸发器串联连接成一个闭合的回路，水冷冷凝器水冷管、水泵、水箱串联连接成一个闭合的回路，其中，蒸发器采用太阳能集热/热泵蒸发器。

所述的蒸发器包括蓄能型集热蒸发管、冷媒蒸发管、漫反射板，蓄能型集热蒸发管有多根平行相间的排列，在蓄能型集热蒸发管中设有冷媒蒸发管，在蓄能型集热蒸发管外的侧面设有漫反射板。

所述的蓄能型集热蒸发管的外壁是真空集热管，在真空集热管的中间设有冷媒蒸发管，在真空集热管与冷媒蒸发管之间用内部封装相变材料的胶囊/小桶填充，在胶囊/小桶与真空集热管和冷媒蒸发管之间的空隙处以水填充。

所述的冷媒蒸发管外套有翅片。所述的各蓄能型集热蒸发管束内的冷媒蒸发管以并联的方式相互连接。所使用的内部封装相变材料的胶囊/小桶是通过溶胶-凝胶法制作的软胶囊，或是塑料或金属制的矩形或球形的小桶。冷媒蒸发管外套有翅片形状为矩形或三角形、梯形，翅片的布置形式采用以螺旋形盘绕在冷媒蒸发管上，翅片的材料为铜、铝、铁或其合金。

系统工作过程如下：真空集热管吸收太阳能储存于蓄能介质中或者提供热量给热泵系统中的蒸发器，蒸发器中的制冷剂吸收太阳能或蓄能介质中储存的热量蒸发后进入压缩机，经压缩机加压升温后进入冷凝器将释放给冷却介质-水，再经过热力膨胀阀节流后进入多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器蒸发，如此完成一个循环。冷凝器中的冷却水吸热升温后提供给生活用热水或者供暖。

有益效果：本发明的有益效果是：

1.采用胶囊/小桶封装相变材料，可以防止相变材料相变时由于固液相密度的变化导致与换热壁面的分离，使换热均匀，提高换热效率。

2.由于水的导热与对流换热性能良好，胶囊/小桶外走水，可以极大的提高集热管与相变蓄能材料以及冷媒蒸发管与相变蓄能材料间的换热效率。

3.外加翅片强化换热，能进一步强化蒸发盘管与蓄能介质间的热量传递。

4.该多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器能极大的提高太阳能集热器、蓄能介质、热泵系统的蒸发器间的换热效率，快速蓄存集热器吸收的太阳能，提高瞬时集热效率，为热泵系统的高效稳定运行提供保障。

附图说明：

图1是应用该多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器的集热蓄能蒸发一体化的太阳能热泵系统图。其中有：1压缩机，2水冷冷凝器，3热力膨胀阀，4多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器，5蓄能型集热蒸发管，12水泵，13水箱。

图2是蓄能型集热蒸发管图。其中有：6冷媒蒸发管，7水，8漫反射板，9真空集热管，10 PCM胶囊/小桶，11翅片。

图3是蓄能型集热蒸发管的横向剖面图。

图4是放大的蓄能型集热蒸发管的纵向剖面示意图。

具体实施方式

所述多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器应用于蓄能集热蒸发一体化太阳能热泵装置，该一体化装置由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器、水泵、水箱以及连接管道组成，如图1所示。内布置U型蒸发盘管与蓄能材料的真空集热管平行布置于太阳能集热板上，真空管下为漫发射板，进入真空集热管束的U型布置冷媒蒸发管以并联的方式相连，经过热力膨胀阀后的制冷剂管道经过主管分别送至内置蓄能材料的真空集热管后经过制冷剂出口主管统一进入压缩机，再经过水冷冷凝器后与热力膨胀阀相连，热力膨胀阀的另一端置于蓄能型集热蒸发管束后的制冷剂出口总管上。

本发明采用PCM(Phase Change Material)胶囊或小桶封装相变材料的形式解决相变蓄能材料相变时体积变化导致PCM跟换热壁面接触不良以及PCM与蒸发器管道直接接触时对金属管道的腐蚀问题(采用无机盐为相变材料时存在的问题)，壁面相变材料相变时，由于固液相密度不同，可能会出现固相PCM上浮至液相PCM之上的情况，采用胶囊或小桶封装的形式可避免以上情况的发生，使整个多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器温度分布均匀。在PCM胶囊或小桶的空隙处以水填充，能够强化整个集热蓄能蒸发器的换热效果，尽快的实现热量的传递，使保证集热蓄能蒸发管内的温度分布更均匀，从而保证蓄能介质-水和PCM胶囊/小桶与热泵系统的冷媒蒸发管束间的热量传递稳定而高效，同时在蒸发管束外添加翅片，能进一步强化热泵系统的蒸发器与蓄能介质间的换热效率。

该系统减少了传统的蓄能型太阳能热泵热水器系统的多次中间换热步骤，减少了热损失，节约成本；且由于多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器的使用，降低了集热器的瞬时温度，使太阳能集热效率升高；同时由于蓄能介质的作用，使热泵系统的蒸发温度受外界环境的影响大大减小，提高热泵运行效率的同时增强了热泵系统运行的稳定性。

采用胶囊或小桶封装相变材料(PCM)可以解决相变材料相变时由于固液相密度的变化而造成的与换热壁面局部分离引起的换热不均和换热效果恶化问题，胶囊可以采用溶胶/凝胶法制备，也可以采用现成的塑料小桶封装，目前市面上已有相关产品；冷媒蒸发管外的翅片采用螺旋环绕在蒸发管外的形式；由于水的热导率相对较高，换热性能良好，在多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器内温度分布不均匀时，还能进行对流换热，加速多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器内温度分布的均匀化，因此在真空管集热器、冷媒蒸发管与相变胶囊/小桶中间空隙处以水填充，能极大得提高该多功能集热/蒸发器的整体换热效果，同时水本身也是一种储能介质，能储存一定的显热量；真空集热管下铺设漫反射板，能增多进入真空管的太阳能，提高集热效率，且该技术目前已经成熟，容易实现；热泵系统的蒸发管以U形布置于真空集热管中，不同的蓄能型集热蒸发管束内冷媒蒸发管采用并联的形式连接，跟串联方式相比，能使整个多功能高效太阳能集热/热泵蒸发器内温度分布更加均匀。

本发明由压缩机1、水冷冷凝器2的冷媒管、热力膨胀阀3、蒸发器4串联连接成一个闭合的回路，水冷冷凝器2水冷管、水泵12、水箱13串联连接成一个闭合的回路，其中，蒸发器4采用太阳能集热/热泵蒸发器，该蒸发器由冷媒蒸发管6，漫反射板8，真空集热管9，PCM胶囊/小桶10和翅片11组成。热泵系统的冷媒蒸发管6以U形布置于真空集热管9中，不同的蓄能型集热蒸发管5束内冷媒蒸发管6采用并联的形式连接，冷媒蒸发管6外布置翅片11，翅片11形状为矩形或三角形、梯形，翅片11的布置形式采用以螺旋形盘绕在冷媒蒸发管6上，翅片11的材料为铜、铝、铁或其合金。冷媒蒸发管与真空集热管中间以胶囊或小桶封装的相变材料10填充，中间的空隙处以水7填充。真空集热管下布置漫发射板8，以更高效率的获取更多的太阳能。所使用的内部封装相变材料的胶囊/小桶是通过溶胶-凝胶法制作的软胶囊，或是塑料或金属制的矩形或球形的小桶。