CN107388335A - 一种含相变材料的新型火炕 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种含相变材料的新型火炕。包括炕体和烟囱，炕体与墙体间设有炕内保温层，炕体内及其外侧设有散热墙面；炕体包括上炕板和下炕板，上炕板和下炕板之间设有相变材料层，炕体通过均布的烟道墙支撑，烟道墙间设有均布的金属热管，金属热管顶端穿过下炕板和相变材料层置于上炕板底部，金属热管顶部和底部分别设有上金属封堵和下金属封堵，金属热管的上段为冷凝段，其下段为蒸发段，蒸发段内装有液态水；相变材料层内设有S形散热曲片，S形散热曲片插接于金属热管外部的凹槽内；外侧的散热墙面上镶嵌有铝制散热鳍片，铝制散热鳍片的金属散热面位于外侧的撒热墙面内，铝制散热鳍片两端连接有铝制传热片。

Description

一种含相变材料的新型火炕

技术领域：

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种含相变材料的新型火炕。

背景技术：

在我国有“南人习床，北人尚炕”的俗语，东北地区由于其冬季的严寒气候首先形成了这种独树一帜的火炕文化，并逐渐传播到了北方其他地区，这种火炕文化具有独特的生命力和亲和力，它是中国北方地区不容忽视的一种文化现象。火炕也是我国广大北方农村地区住宅一种十分重要且常见的取暖设备，并占据着十分重要的地位，火炕位于农村住宅的中心，因为它可以解决两个方面的问题，一是日常起居，二是防寒取暖，它一般与临间的灶台相连通，只要做饭烧水，炕就会是热的，然后炕体可以通过大面积的炕面散发热量，以保持室内较高的温度，具有舒适性和便捷性的优点。

火炕一般是用土坯或砖石堆砌而成的长方台，上面覆盖有比较平整的石板，石板上面覆盖以泥摸平，泥干后上铺炕席就可以使用。下面有炕间墙，其间为烟道，跟烟囱相通，灶台烧水做饭产生的热量在烟道间环通后由烟囱排到了室外。但是这就会产生一定程度的环境污染，例如冬季雾霾等气象性自然灾害。并且要想使冬季北方农村住宅内具有较高的温度，就需要源源不断的添加煤炭和柴火来采暖，这种化石燃料的浪费使用不利于可持续发展，使得北方农村建筑的能耗越来越大。

随着社会的发展，农村的生活水平逐渐提高，人们对于居住的舒适度要求越来越高，旧式炕也由于其不合理的结构而产生的不好烧，炕不热，屋不暖等弊病，慢慢被北方农村地区淘汰。但目前随着我国新农村的发展，新型节能火炕和新型环保吊炕层出不穷，这种新型火炕的研究也是新农村改造的重点。但这些新型火炕也存在或多或少的不足待改进，其经济性和舒适性有待考证。旧式炕的主要缺点是：炕蓄热不足，散热过快，温度下降迅速，不能持续供热；炕体受热不均，炕头热，炕梢冷。目前，相变材料越来越广泛地被用于建筑材料中，在火炕中添加相变材料，就可以利用相变材料在吸热和放热的过程中进行热能储存和温度调控的性能，有效地提高传统火炕结构的热容性和蓄热性，改善室内热舒适性。同时降低了室内供暖负荷，减少了常规能源的消耗，减少了环境污染，在一定程度上达到了节能目的，为实现我国北方地区高舒适低能耗建筑提供一条新的发展思路。并且相变材料的制造工艺简单、材料成本低廉且方便获取与储存，在广大北方农村地区广泛推广很有前景。

发明内容：

本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种含相变材料的新型火炕以改良传统火炕，这种新型火炕包含相变材料层、含液态水的低压金属热管及其周围散热曲片、火墙面散热鳍片，利用相变材料在吸热和放热的过程中可进行热能储存和温度调控的性能，有效地提高传统火炕结构的热容性和蓄热性，改善室内热舒适性。

本发明采用的技术方案为：一种含相变材料的新型火炕，包括炕体和烟囱，炕体一端通过墙体内的通道与临间灶台相连通，其另一端与烟囱相连通，炕体与墙体间设有炕内保温层，炕体内及其外侧设有散热墙面；炕体包括上炕板和下炕板，上炕板与下炕板中间通过混凝土支柱支撑，上炕板和下炕板之间设有相变材料层，炕体通过均布的烟道墙支撑，烟道墙间设有均布的金属热管，金属热管顶端穿过下炕板和相变材料层置于上炕板底部，其底端与地面接触，金属热管顶部和底部分别设有上金属封堵和下金属封堵，金属热管的上段为冷凝段，其下段为蒸发段，蒸发段内装有液态水；所述的相变材料层内设有S形散热曲片，S形散热曲片插接于金属热管外部的凹槽内；所述外侧的散热墙面上镶嵌有铝制散热鳍片，铝制散热鳍片的金属散热面位于外侧的撒热墙面内，铝制散热鳍片两端连接有铝制传热片。

所述的相变材料层优选熔点为48-50℃的48号工业石蜡，相变材料层封装于上炕板和下炕板组成的封闭空腔内，且相变材料层与上炕板之间留有空隙，

所述的下炕板为混凝土预制板；

所述的金属热管为铜管，其管壁的厚度不小于8毫米。

所述金属热管的冷凝段顶部为圆锥形。

所述液态水的体积为金属热管容积的30%。

本发明的有益效果：结构设计合理，节能环保，成本低廉，经济适用，易于大规模地推广和使用。上部炕板结构从上至下依次为上炕板、相变材料层、下炕板，相变材料选用熔点为48-50℃的48号工业石蜡，添加相变材料层的作用是：在平时烧炕时炕体内温度的上升不仅加热了炕体，使炕面达到了舒适温度，而且相变材料层中的相变材料由于吸收了热量，从固态变为液态，同时储存了热能；在夜间停止烧炕后，随着炕内温度降低，相变材料会由液态变回为固态，这个过程中相变材料缓慢放热，同样可以维持炕体温度一段时间。这样既减少了煤炭、秸秆和薪柴的燃烧，减少了环境污染，又可以改善夜间火炕温度下降过快导致炕温度过低，就可以提高火炕使用的舒适度。

搭建炕在北方叫做盘炕，就是在室内地面上、炕板下用砖砌炕间墙，形成一条条烟道，使热气在烟道内流通，散发热量并最终由炕梢连通的烟囱中排到室外。但传统烟道结构会导致其中的热气的热量没有完全散发就被排到了室外，或者由于烟道的某些不合理结构导致热气流通不畅，炕体受热不均。为解决这些问题，本发明在烟道间均匀布置圆柱体金属管，金属热管为铜制空腔管，上穿过下炕板和相变材料层抵至上炕板，下抵室内地面。铜管上段为封闭的冷凝段，截面为方便冷凝的液态水沿管壁回流的斜面。铜管下段为受热的蒸发段，铜热管内装有液态水作为传热介质，且热管内用真空机组抽至低压状态，降低水的沸点，更适用于炕内的中温环境。具体的使用功效为：在烧炕时炕体内温度上升，使铜管蒸发段中的液态水受热汽化，在气压差的作用下携带热量迅速上升到顶段（冷凝段）。水蒸汽在冷凝段遇冷液化，在此过程中放热，然后在重力作用下沿着斜向管壁回流。由此不断重复循环受热蒸发并冷凝回流，使热量从底部传至上部炕板层，在此过程中加热了炕板和相变材料。含液态水的低压金属热管的使用使炕体的传热效果更好，热气利用效率更高，并使炕体其均匀受热，不会产生“炕头热‘炕梢冷”的现象。

为了使热管加热相变材料的效果更好，使炕面的受热更加均匀，在相变材料层中均匀布置S形散热曲片，S形的散热曲片可以最大面积地与相变材料接触，使其均匀受热。散热片的两端分别与两个相邻热管的冷凝段相连接。这样就使热管冷凝段散发的热量通过散热片更好地与相变材料接触并传递热量。在炕体与建筑外墙之间布置保温层，防止热量对外散失。并在炕体的火墙散热面上嵌有铜制散热鳍片，增大了散热面，且由于金属的比热容相较于砖更小，使整个炕体的散热效果更好，热量向室内的传递效率更高。在每个鳍片两端连接三根铝制传热片，传热片向炕内延伸三分之一，另一端连接炕间墙，这样有助于炕内的热量更好地传递给散热鳍片。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是炕体的结构示意图。

图3是炕体的主视截面示意图。

图4是炕体的俯视截面示意图。

图5是本发明中S形散热曲片的分布示意图。

图6是本发明中铝制散热鳍片的结构示意图。

图7是本发明中S形散热曲片的结构示意图。

图8是本发明中金属热管的结构示意图。

图9是本发明的热管工作原理示意图。

具体实施方式：

参照各图，炕体3为北方农村地区传统的砖石结构，炕体3的炕头隔着室内墙体5与临间的灶台1相连通，由灶台使用时产生的热加热炕体3；炕体3的另一端（炕梢）连接烟囱2，烟囱2通向室外，使炕体3内的烟气顺着烟囱2排到室外，不会由于烟道内烟气过多倒灌回室内，在炕体,3与外墙间设置炕内保温层13。上部炕板层由上至下结构以此为：上炕板6，相变材料层7，下炕板8。其中上下炕板8均为8cm厚混凝土预制板，下炕板8放置在砖砌***墙和砖砌烟道墙11上，上下炕板之间由混凝土支柱支撑，上炕板6放置在支柱上。炕板间封装有15cm厚的相变材料层7，相变材料选用熔点为48-50℃的48号工业石蜡，相变材料均匀平整铺设且上部留有一定空隙，相变材料层7周围用密封条密封，并与上下炕板之间做密封处理。

在地面上建造两排烟道墙11，每道墙长70cm，墙之间的间距40cm，共三组，同时烟道墙11作为炕内支柱支撑上部的炕板层，在烟道,11间均匀布置金属热管9，金属热管9上穿过下炕板8和相变材料层7抵至上炕板6，下抵室内地面；金属热管9为铜制直径10cm的圆柱体空腔管，管壁9-2厚8mm，金属热管9的上段是冷凝段9-4且有上金属封堵9-1，其截面斜向金属壁，下部为蒸发段9-5，金属热管9内装30％的液态水9-6，在充液完成后，用真空机组对金属管内进行排气作业，完成排气并稳定一段时间后，关闭真空机组，并将另一端用下金属封堵9-3进行封堵。

在相变材料层7中布设S形散热曲片10，散热片为1cm厚铜制弯曲面，两端分别与两根相邻热管的冷凝段9-4连接，金属热管9上端有凹槽，可以与散热片插接。炕体3靠近室内一侧为散热墙面12，散热墙面12上嵌有铝制散热鳍片4，铝制散热鳍片4的金属散热面4-1装在散热墙面12内部，外加遮挡，在每个鳍片两端连接三根传热铝制传热片4-2，传热片向炕内延伸三分之一，另一端连接炕间墙。

在平时烧炕时温度的上升不仅加热了炕体3，使炕面达到舒适温度，相变材料也由于吸收了热量，从固态变为液态，同时储存了热能，在此期间，金属热管9的蒸发段9-5中低压状态下的液态水9-6受热汽化，在气压差的作用下携带热量迅速上升到顶段（冷凝段），水蒸汽在冷凝段遇冷液化，在此过程中放热，然后在重力作用下沿着斜向管壁回流，由此不断重复循环蒸发并冷凝回流，使热量从热管底部传至上部，再由连接金属热管9的S形散热曲片10传至相变材料，而炕内的热量也会由金属穿热片传至铝制散热鳍片4，更好地对室内进行热量传递。而在夜间停止烧炕后，随着温度降低，相变材料会由液态变回为固态，这个过程中相变材料缓慢放热，同样可以维持炕体3温度一段时间。这样既减少了煤炭、秸秆和薪柴的燃烧，减少了环境污染，又可以改善夜间火炕温度下降过快导致炕体温度过低，提高了火炕使用的舒适度。

Claims (6)

1.一种含相变材料的新型火炕，包括炕体（3）和烟囱（2），其特征在于：炕体（3）一端通过墙体（5）内的通道与临间的灶台（1）相连通，其另一端与烟囱（2）相连通，炕体（3）与墙体（5）间设有炕内保温层（13），炕体（3）内及其外侧设有散热墙面（12）；炕体（3）包括上炕板（6）和下炕板（8），上炕板（6）与下炕板（8）中间通过混凝土支柱支撑，上炕板（6）和下炕板（8）之间设有相变材料层（7），炕体（3）通过均布的烟道墙（11）支撑，烟道墙（11）间设有均布的金属热管（9），金属热管（9）顶端穿过下炕板（8）和相变材料层（7）置于上炕板（6）底部，其底端与地面接触，金属热管（9）顶部和底部分别设有上金属封堵（9-1）和下金属封堵（9-3），金属热管（9）的上段为冷凝段（9-4），其下段为蒸发段（9-5），蒸发段（9-5）内装有液态水（9-6）；所述的相变材料层（7）内设有S形散热曲片（10），S形散热曲片（10）插接于金属热管（9）外部的凹槽内；所述外侧的散热墙面（12）上镶嵌有铝制散热鳍片（4），铝制散热鳍片（4）的金属散热面（4-1）位于外侧的撒热墙面（12）内，铝制散热鳍片（4）两端连接有铝制传热片（4-2）。

2.根据权利要求1所述的一种含相变材料的新型火炕，其特征在于：所述的相变材料层（7）优选熔点为48-50℃的48号工业石蜡，相变材料层（7）封装于上炕板（6）和下炕板（8）组成的封闭空腔内，且相变材料层（7）与上炕板（6）之间留有空隙。

3.根据权利要求1所述的一种含相变材料的新型火炕，其特征在于：所述的下炕板（8）为混凝土预制板。

4.根据权利要求1所述的一种含相变材料的新型火炕，其特征在于：所述的金属热管（9）为铜管，其管壁（9-2）的厚度不小于8毫米。

5.根据权利要求1所述的一种含相变材料的新型火炕，其特征在于：所述金属热管（9）的冷凝段（9-4）顶部为圆锥形。

6.根据权利要求1所述的一种含相变材料的新型火炕，其特征在于：所述液态水（9-6）的体积为金属热管（9）容积的30%。