CN103940279A - 一种储热装置 - Google Patents

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程晓敏
李元元
李翠
王启扬
朱教群
周卫兵
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Abstract

本发明涉及一种储热装置。所述储热装置包括盘管式换热管道、储热室箱体、保温材料、相变储热单元和液体显热储热材料，其中储热室箱体外设置有保温材料，盘管式换热管道位于储热室箱体的内部，与储热室箱体的顶部连接，相变储热单元分布在储热室箱体的内部，与储热式箱体的底部连接，液体显热储热材料填充于盘管式换热管道与相变储热单元之间。该储热装置具有结构简单，储热密度大，更换换热管道与储热材料方便，蓄热/换热效率高，输入输出温度稳定的特点。

Description

一种储热装置
技术领域
本发明涉及一种储热装置，特别涉及一种中温显热-潜热复合储热装置。 
背景技术
能源资源是全球人类赖以生存的重要物质基础，随着高能耗全球工业化的迅猛发展，能源短缺问题越来越为人们所关注，以原油价格暴涨为标志的“能源危机”、“温室效应”和环境污染日益影响着人们的生活。我国可再生能源非常丰富，可开发的风能资源为2.5×108kW，水能资源7.54×104 kW和丰富的太阳能自资源，然而我国人口众多，人均资源占有量相当于世界平均水平的一半，人均能源消费量过低，严重影响我国的经济可持续发展和人民生活水平的提高。
全世界均同意致力于研究开发清洁能源技术，合理利用太阳能、海洋能、风能、余热和废热等清洁能源。太阳能存在间断性、稀薄性和辐射量不稳定性，日照中午较强早晚弱，夜晚不能用来发电；许多工业生产过程中余热、废热的排放是不连续的；随着人们的工作和生活环境要求提高，采暖、通风和空调的用能急剧增长，导致电网风负荷的峰谷差过大。从节能和经济的角度考虑，为了保持满足生产和生活中对能源供热和供电的连续、稳定的要求，调节能量供给与需求的失配，关键在于解决能量贮存和热交换问题。
在储热装置的研究方面，国内外一些学者对相变储热同心套管、圆柱状或板状等储热装置进行了理论传热分析。尽管国内外已对换热装置有了一定程度的研究，但是由于储热器结构形式、储热材料选取及封装方式的不同，储热存在相变储热性能研究和运行实践还存在不足，仍然有着许多未解决的问题，比如换热过程中输出温度不稳定、换热效率低和装置复杂等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种储热装置，该储热装置结构简单，储热密度大，更换换热管道与储热材料方便，储/换热效率高，输入输出温度稳定。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种储热装置，所述储热装置包括换热管道、储热室箱体、保温材料、相变储热单元和液体显热储热材料，其中储热室箱体外设置有保温材料，换热管道位于储热室箱体的内部，与储热室箱体的顶部连接，相变储热单元分布在储热室箱体的内部，与储热式箱体的底部连接，液体显热储热材料填充于盘管式换热管道与相变储热单元之间。
本发明的有益效果是：采用上述结构，便于更换不同类型的换热管道和储热材料，结构简单；采用相变储热材料和液体显热储热材料作为储热介质复合储热，提高了储热装置的储热密度，储热装置的成本和体积大大减小；不同相变点的相变储热材料均匀分布在储热室箱体内部，输出温度稳定；储热装置热交换过程充分、可逆，换热速度快、换热效率高。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的储热装置的剖面图；
图2是根据本发明一个实施例的储热装置的立体图；
图3是根据本发明一个实施例的储热装置的无盖立体图；
图4是根据本发明一个实施例的盘管式换热管道的立体图。
图中：1--换热管道，2--储热室箱体，3--保温材料，4--相变储热单元，5--液体储热材料。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚，从而更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1所示为根据本发明一个实施例的储热装置的剖面图。图2是根据本发明一个实施例的储热装置的立体图。图3是根据本发明一个实施例的储热装置的无盖立体图。储热装置包括换热管道1、储热室箱体2、保温材料3、相变储热单元4和液体显热储热材料5。储热室箱体2外设置保温材料3；换热管道1位于储热室箱体2内部，与储热室箱体2的顶部连接；相变储热单元4分布在储热室箱体2内，与储热室箱体2的底部连接；液体显热储热材料5填充于换热管道1与相变储热单元4之间。
图4是根据本发明一个实施例的盘管式换热管道的立体图。在一个实施例中，换热管道1为盘管式换热管道。换热管道1中的传热介质为导热油。在一个实施例中，液体显热储热材料5为导热油。液体显热储热材料5既可以作为储热材料储热，又可以充当相变储热单元4和换热管道1之间的换热介质起传热作用。储热室箱体2为圆柱体。在一个实施例中，保温材料3为矿渣棉。
相变储热单元4包括储热材料盛装容器和相变储热材料。相变储热单元个数为3-300个，相变储热单元内可以封装不同相变点的相变储热材料，均匀分布在储热室箱体内。相变储热材料可根据热源温度和应用温度调整。相变储热单元4占储热室箱体2的容积的60-80%，液体显热储热材料5的体积占所述储热室箱体2的容积的10%-30%。储热材料盛装容器为不锈钢管，钢管直径为40-100mm，壁厚3mm。
以下为相变储热单元4封装不同相变储热材料的实施例：
实施例1：
储热室箱体2尺寸为：直径1m，高2m。作为相变储热单元4，不锈钢管直径为40mm，壁厚3mm，总高度2m，并与储热室箱体2的底部连接。相变储热单元4总个数为283个，占储热室箱体2的容积的60%，液体显热储热材料5占储热室箱体2的容积的30%，换热管道1占储热室箱体2的容积的10%。
283个相变储热单元4中，有100个相变储热单元4封装的相变储热材料为NaNO3-46KNO3；有100个相变储热单元4封装的相变储热材料为Sn-9Zn；有83个相变储热单元4封装的相变储热材料为LiNO3-43NaNO3。液体显热储热材料4为导热油。换热管道1中的传热介质为导热油。NaNO3-46KNO3密度为2000kg/m3，相变潜热为117kJ/kg,相变温度为222℃。低熔点合金Sn-9Zn密度为7380 kg/m3，相变潜热为65.8kJ/kg,相变温度为198℃。LiNO3-43NaNO3密度为1700 kg/m3，相变潜热为265kJ/kg,相变温度为194℃。导热油密度为868.5 kg/m3。
储热装置充热时，将经过太阳能或工业余热加热的导热油从进油管导入到换热装置内，通过高温导热油直接加热液体显热储热材料5，直接或间接加热相变储热单元4封装的相变储热材料。其中，LiNO3-43NaNO3首先发生相变储存热量，温度进一步升高时，Sn-9Zn和NaNO3-46KNO3依次发生相变储存热量。由于储热单元中封装不同相变点的储热材料，储热装置在材料相变点区间内充热效率高，因而提高了储热系统的充热效率。
当需要利用热能时，通过出油管输入常温导热油到储热室内，熔融状态储热材料凝固释放热量，储热材料按凝固点由高到底依次凝固，保证在储热材料相变点温度区间输出温度稳定，储热材料在相变点区间内放热效率高，提高了储热系统的放热效率。
储热装置在150-300℃之间总储热量为7.45×105 kJ。充热时，导热油入口温度为300℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为100℃；放热时，导热油入口温度为25℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为190℃。储热装置内热交换充分、可逆，且该装置在150℃以上热量输入输出稳定，换热效率可达95%，可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。
实施例2：
实施例2与实施例1大致相同，不同之处在于：作为相变储热单元4，不锈钢管直径为70mm，壁厚3mm，总高度2m，相变储热单元4总个数为121个，其中45个封装NaNO3-46KNO3；45个封装Sn-9Zn；31个封装LiNO3-43NaNO3，相变储热单元4的体积占储热室箱体2的容积的70%，液体显热储热材料5的体积占储热室箱体2的容积的20%，换热管道1占储热室箱体2的容积的10%。储热装置在150-300℃之间总储热量为9.59×106 kJ。充热时，导热油入口温度为300℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为110℃；放热时，导热油入口温度为25℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为185℃。储热装置内热交换充分、可逆，该装置在150℃以上热量输入输出稳定，换热效率可达92%，可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。
实施例3：
实施例3与实施例1大致相同，不同之处在于：作为相变储热单元4，不锈钢管直径为100mm，壁厚3mm，总高度2m，相变储热单元4总个数为72个，其中25个封装NaNO3-46KNO3；25个封装Sn-9Zn；22个封装LiNO3-43NaNO3，相变储热单元4的体积占储热室箱体2的容积的80%，液体显热储热材料5的体积占储热室箱体2的容积的10%，盘管换热管道的体积占储热室箱体2的容积的10%。储热装置在150-300℃之间总储热量为175×107 kJ。充热时，导热油入口温度为300℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为125℃；放热时，导热油入口温度为25℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为172℃。储热装置内热交换充分、可逆，该装置在150℃以上热量输入输出稳定，换热效率可达91%，可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。
实施例4：
实施例4与实施例1大致相同，不同之处在于：相变储热单元4封装的相变储热材料分别为季戊四醇（PE）和Sn-38%Pb，季戊四醇（PE）密度为1400 kg/m3，相变潜热为211kJ/kg，相变温度为254-261℃；低熔点合金Sn-38%Pb密度为7380 kg/m3，相变潜热为37.3kJ/kg，相变温度为180.9℃，热导率为7.7 W/m                                                k。作为相变储热单元4，不锈钢管直径为40mm，壁厚3mm，总高度2m，与储热室底部连接，相变储热单元4总个数为283个，其中季戊四醇相变储热单元150个，Sn-38%Pb相变储热单元133个，相变储热单元4的体积占储热室箱体2的容积的60%，液体显热储热材料5的体积占储热室箱体2的容积的30%，盘管换热管道的体积占储热室箱体2的容积的10%。
储热装置在150-300℃之间总储热量为5.38×106 kJ。充热时，导热油入口温度为300℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为130℃；放热时，导热油入口温度为25℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为190℃，储热装置内热交换充分、可逆，该装置在150℃以上热量输入输出稳定，换热效率可达94%，可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。
实施例5：
实施例5与实施例4大致相同，不同之处在于：不同之处在于：作为相变储热单元4，不锈钢管直径为70mm，壁厚3mm，总高度2m，相变储热单元总个数为120个，封装季戊四醇和Sn-38%Pb的相变储热单元各占一半，相变储热单元4的体积占储热室箱体2的容积的70%，液体显热储热材料5的体积占储热室箱体2的容积的20%，盘管换热管道的体积占储热室箱体2的容积的10%。储热装置在150-300℃之间总储热量为6.88×106kJ。充热时，导热油入口温度为300℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为120℃；放热时，导热油入口温度为25℃，导热油在管内流速为0.5m/s，热交换后出口油温为175℃。储热装置内热交换充分、可逆，该装置在150℃以上热量输入输出稳定，换热效率可达91%，可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。
实施例6：
实施例6与实施例4大致相同，不同之处在于：作为相变储热单元4，不锈钢管直径为100mm，壁厚3mm，总高度2m，相变储热单元总个数为72个，封装季戊四醇和Sn-38%Pb的相变储热单元各占一半，相变储热单元4的体积占储热室箱体2的容积的80%，液体显热储热材料5的体积占储热室箱体2的容积的10%，盘管换热管道的体积占储热室箱体2的容积的10%。储热装置在150-300℃之间总储热量为9.10×106kJ。充热时，导热油入口温度为300℃，导热油在管内流速为0.1m/s，热交换后出口油温为130℃；放热时，导热油入口温度为25℃，导热油在管内流速为0.1m/s，热交换后出口油温为160℃。储热装置内热交换充分、可逆，该装置在150℃以上热量输入输出稳定，换热效率可达90%，可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。
 本发明装置采用相变储热材料和液体显热储热材料进行复合储热，可以针对不同热源温度及使用温度需求，填充多种不同相变点的相变储热材料，从而达到换热过程中输出温度稳定；采用盘管式换热管道均匀分布在相变储热材料周围，液体显热储热材料填充于换热管道与圆柱状钢管的间隙处，既可以作为储热材料储热，又可以充当相变材料和传热介质之间的换热介质起传热作用，方便更换换热管道与储热材料，且提高了换热装置的换热效率。该发明装置可作为太阳能热利用、工业余热回收等的储热装置。 

Claims (6)

1. 一种储热装置，其特征在于它包括换热管道（1）、储热室箱体（2）、保温材料（3）、相变储热单元（4）和液体显热储热材料（5），其中所述储热室箱体（2）外设置有所述保温材料（3），所述换热管道（1）位于所述储热室箱体（2）的内部，并与所述储热室箱体（2）的顶部连接，所述相变储热单元（4）分布在所述储热室箱体（2）的内部，与所述储热室箱体（2）的底部连接，所述液体显热储热材料（5）填充于所述换热管道（1）与所述相变储热单元（4）之间。
2.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述相变储热单元（4）包括储热材料盛装容器和相变储热材料，其中所述相变储热材料封装在所述储热材料盛装容器内。
3. 根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述相变储热单元（4）个数为3-300个。
4. 根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述相变储热单元（4）的体积占所述储热室箱体（2）的容积的60-80%。
5. 根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于：所述液体显热储热材料（5）的体积占所述储热室箱体（2）的容积的10%-30%。
6. 根据权利要求2所述的储热装置，其特征在于：不同的所述相变储热单元(4)内可以封装不同相变点的所述相变储热材料。
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