不为人所熟知的热泵技术之六相变蓄热

1、不为人所熟知的热泵技术之六： 相变蓄热，看起来很美江苏华扬新能源有限公司 陈志强“无水箱的”热泵热水机还有一种可能的实现途径，那就是相变蓄热。蓄热有两种：显热蓄热和潜热蓄热。显热蓄热是通过加热蓄热介质提高其温度，将热能储存其中。用数学公式表示显热的吸放热过程如公式（1）。常用的显热蓄热材料有水、土壤、岩石等。常规的热泵热水机水箱中的水既是蓄热载体，也是直接用户使用的物质，不需要再次放热，算是一种比较特殊的显热蓄热。Q=C(T2-T1) M(1)式中C为单位体积物体比热容，水的比热容为4.2J/(kg)M为被加热的物质的质量T1为初始温度，T2为被加热后的温度一、显热蓄热的优缺点典型的显热蓄热的

2、热泵热水产品是在一个非承压水箱中放置两组换热盘管AB和CD，如图二十一所示。水箱内盛满导热性能良好的蓄热液体，比如软化水之类，盘管AB用来把管道内高温冷媒的热能释放到非承压水箱的蓄热载体中，当蓄热载体温度足够高时另外一组盘管CD内的水在流动过程中吸收蓄热载体中的热能，可以被直接加热后流至用户末端。实际过程中存热、蓄热和放热三个步骤可以分开，也可以合在一起操作，甚至可能同时发生存热、蓄热和放热过程。CD存热蓄热放热图二十一：热能存储系统的存、蓄、放过程原理AB这种显热蓄热有利也有弊。有利的是通过二次换热方式实现了不承压水箱承压供水，降低了水箱的制造成本，同时解决了铜盘管在水中结垢腐蚀的问题。弊端

3、是显热蓄热无法克服二次换热的效率问题。因为蓄热材料温度必须大于出水温度，蓄热材料中的热能才能通过温差传递出来，所以常规显热蓄热所能利用的热能仅仅是高于用水温度（比如40）的中高温热能；而热泵加热效率和加热温度有限，蓄热介质所能达到的温度常常也只有50-60，所以通过显热蓄热所获得的高温热能的量是很少的。为了得到足够的热能往往需要增大蓄热水箱的容积，这与希望通过相变蓄热来减少水箱容积的目的恰恰是背道而驰。所以利用显热蓄热的热泵热水器产品在市场上迟迟无法打开销路。相变蓄热是否能解决水箱容积大的问题呢？二、相变潜热蓄热的优点众所周知：物质有固液气三相，三相之间的转变称之为相变。相变与温度和压力有关。

4、水在常压下0时产生固液相变，100时产生液气相变。制冷剂R22在绝对压力0.5MPa时汽液相变温度为0.23，而在绝对压力2.0MPa时汽液相变温度为51.3。固相变为液相、液相变为气相需要吸收热能，液相变为固相、气相变为液相会放出热能。以水为例：1kg0冰转化为0水需要吸收336kJ的热能。将1kg0水转化为100的水需要吸收420kJ的热量，而由100水转化为100蒸汽需要吸收热量2268kJ。一般情况下利用液气相变进行蓄热难以实施，所以有实际应用价值的是固液相变蓄热。若物质的溶解热为，则质量为M的物质在相变时吸收或者放出的热能为Q=M(2)与显热蓄热相比，相变潜热蓄热的优点有：（1）容积

5、储热密度大：相变潜热蓄热的热能往往是比较大的，比如冰转变为水的相变潜热是同质量的水温度上升80度所吸收的热能。所以选择合适的相变材料，利用相变蓄热可以有效减少蓄热容积。（2）温度波动幅度小：物体相变过程是在一定温度下进行的，变化范围相对较小，这个特性可使得相变后的物质能够保持基本恒定的供热能力。因此，当选取的相变材料的温度与用户用水温度相当时，可以设计出简单可靠的恒温供热系统。二、理想的相变材料特性理想的相变材料具有下列性质：（1）具有合适的熔点温度：比如为热水器产品配套相变物质的相变温度最好45-55范围内。（2）具有较大的溶解潜热：溶解潜热越大，单位质量的蓄热量越大。（3）密度大：存储一定

6、热能时需要的存储体积小。（4）在固液态具有较大的比热容：这样还可以利用显热蓄热。（5）在固液态时均具有较好的导热性能：便于低成本的实现充分热交换。（6）热稳定性好：对于多种物质混合的相变材料，热稳定性是决定产品长期反复使用的关键性能。（7）热胀率小：熔化时体积变化小。（8）没有或者有低的腐蚀性，危险性小，不产生有毒气体。（9）材料容易生产，价格低廉。实际上很难找到能够满足所有这些条件的相变材料。目前，低于100的较理想的相变材料主要是无机盐类以及石蜡等有机材料。四、常用相变材料的特性下表给出常用的几种相变材料的特性：表一：常用的无机水合盐相变材料相变材料熔点()熔解热(kJ/kg)使用场合缺点

7、名称化学分子式硫酸钠Na2SO410H2O32.4250.8余热利用、太阳能暖房需要防相分析，防过冷的处理醋酸钠CH2COONa3H2O58.2250.8余热利用氯化钠CaCl26H2O29180温室，暖房，废热回收磷酸氢二钠Na2HPO412H2O35205空调，暖房蓄热无机水合盐有较大的熔解热和固定的熔点，是中低温相变材料中重要的一类。这类材料具有熔化热大、热导率高、相变时体积变化小等优点。但这类材料易出现“过冷”和“相分离”现象，影响蓄热效果和长期使用的稳定性。表二：石蜡族蓄热材料名称分子式熔点()熔解热(kJ/kg)密度(kg/M3)十四烷C14H305.5225.72固：825；液7

8、71十六烷C16H3416.7236.88固：835；液776十八烷C18H3828.0242.44固：814；液774二十烷C20H4236.7246.62固：856；液774石蜡物理和化学性质稳定，能反复熔解、结晶而不发生过冷或晶分离现象。这一点使石蜡比一般的水合盐类具有更大的吸引力。石蜡作为提炼石油的副产品，来源丰富，价格便宜，无毒且无腐蚀性。石蜡蓄热的主要缺点包括以下几点：1、热导率很低，仅为0.15W/(m)，与一般隔热材料的热导率数量级相当，传热很慢，需要配套充分的热交换设施。2、熔解与凝固时的体积变化较大，熔解时的体积增大可达到11%-15%，因此往往需要对蓄热系统进行特殊设计，

9、增大系统成本。五、相变蓄热，想说爱你不容易假设一种石蜡族的相变物质熔点50，熔解热250kJ/kg，100 kg该相变物质可以吸收和释放热能25000kJ。假设按照5来计算换热温差，理论上最多可以将198 kg的水由15加热到45。如果有100 kg50的热水，混合15冷水成45水出水，最多可以出水116 kg。这样相比，相变蓄热相对增加了70%的供水量，无疑是很可观了。但由于石蜡的密度比水低1/5左右，所以，等量的纯石蜡体积可以盛放1.25倍质量的水；另外，由于石蜡换热设备需要占用盛放体积，假设占用了10%的容积，则考虑了换热设备和密度两者综合因素，盛放100 kg石蜡的容积可以盛放137.

10、5kg的水，而有这么多容量的50的热水，就可以与15的冷水混合成160 kg45的水。如果是冬天，冷水温度只有5的情况下，100 kg液态石蜡最多可以将148kg的水加热到45。137.5kg的50的热水可以与5的冷水混合成154kg的45水。此时的石蜡蓄热已经没有体积和出水量的相对优势了。进一步考虑到整个容积换热的非均匀性，实现相变的实际完成率难以达到100%；考虑到石蜡材料熔解凝固的体积变化，相变物质的容积利用率难以达到100%；考虑到相变物质的价格与加工工艺，石蜡材料的纯度难以达到100%，等等，该石蜡相变设备的实际产水量会进一步缩水。这些计算数据只是说明，相变蓄热的产水量与简单的蓄热水箱相比不一定有多大增量。而为此增量所增加的成本却往往不