CN105092638B - 一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，该系统为封闭式管道回路系统，导热工质在封闭式管道回路系统中流动，沿导热工质流动方向在封闭式管道回路系统上依次设置导热工质储存罐、泵、储热单元，储热单元包括壳体、上盖，壳体与上盖密封配合，壳体内部设置储热材料、导热工质盛装盘管，上盖设置进口管和出口管，导热工质盛装盘管通过进口管、出口管接入封闭式管道回路系统。本发明系统简单高效，且易于操作，方便更换储热单元中的储热材料以及各种形状的导热工质盛装盘管，能对储热单元充放热过程的储热效率、安全性以及循环稳定性进行测试与评价。
Description
技术领域
本发明属于储热装置测试与评价领域，尤其涉及一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统。
背景技术
因为能源和环境的问题，我国正在调整能源结构，大力发展清洁能源，积极开发和利用可再生能源。太阳能因具有分布广泛，方便获取并且清洁等一系列优点，被认为是21世纪最有希望的新能源。但因为受昼夜、季节、云雾、天气以及建筑的影响，使地球上的太阳能变得分散、间歇和不稳定，从而导致使用效率过低。为保证太阳能热利用连续、稳定、高效率地进行，需要利用储热装置。但不同条件下所使用的储热装置不同，所以要对储热装置进行充放热测试来评价其稳定性，并且根据实验数据确定最佳使用条件，或者更改储热装置设计来满足实际应用的需求。但目前还没有简单、易操作、高效的装置，来测试与评价不同储热装置的可逆性、安全性、稳定性以及换热效率。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，提供一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，简单高效，且易于操作，方便更换储热单元中的储热材料以及各种形状的导热工质盛装盘管，能对储热单元充放热过程的储热效率、安全性以及循环稳定性进行测试与评价。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，该系统为封闭式管道回路系统，导热工质在封闭式管道回路系统中流动，沿导热工质流动方向在封闭式管道回路系统上依次设置导热工质储存罐、泵、储热单元，储热单元包括壳体、上盖，壳体与上盖密封配合，壳体内部设置储热材料、导热工质盛装盘管，上盖设置进口管和出口管，导热工质盛装盘管通过进口管、出口管接入封闭式管道回路系统。进口管的一端与泵连接，另一端与导热工质盛装盘管连接；出口管的一端与导热工质盛装盘管连接，另一端与导热工质储存罐连接。
按上述技术方案，导热工质储存罐包括热罐、冷罐，热罐、冷罐的出口分别与泵连接；沿导热工质的流动方向，在出口管的后方设置阀门，阀门分别与热罐、冷罐的进口连接。
按上述技术方案，热罐中设置第一控温点，冷罐中设置第二控温点。
按上述技术方案，在泵与储热单元的进口管之间，沿导热工质流动方向依次设置流速控制器、温度补偿加热器。
按上述技术方案，在温度补偿加热器和储热单元的进口管之间设置第三控温点。
按上述技术方案，储热单元内部的导热工质盛装盘管上设置第一测温点、第一测速点、第二测温点，其中第一测温点、第一测速点设置在进口管一侧，第二测温点设置在出口管一侧。
按上述技术方案，在阀门与冷罐的进口之间，沿导热工质流动方向依次设置第三测温点、冷凝器、第四测温点。
按上述技术方案，储热单元的壳体包括储热单元外壁、储热单元内壁，储热单元外壁、储热单元内壁均采用耐高温的钢板制成，储热单元外壁与储热单元内壁之间填充保温材料。填充的保温材料采用硅酸铝耐火纤维或硅酸铝耐火纤维与矿渣棉板的组合。
按上述技术方案，热罐的出口与泵之间、冷罐的出口与泵之间、泵与储热单元的进口管之间、储热单元的出口管与热罐的进口之间的管道均为保温管道。保温管道为在常规管道外部包裹有保温层，保温层采用矿渣棉或者硅酸钙或者膨胀珍珠岩材料。
按上述技术方案，导热工质为导热油。
本发明产生的有益效果是：本发明利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，由于导热油导热系数优于空气、使用温度范围较广、操作简单并且能够重复利用，通过热罐和冷罐中的导热油进行反复充放热实验，可以测试储热单元的循环稳定性；在充放热过程中，通过检测导热油通过储热单元后的温度变化，根据热力学相关公式，可以计算出当前流速时的热交换效率；使用不同流速的导热油通过储热单元，可以得到使热交换效率最大化的最佳导热油流速；本发明使用冷凝器，对从储热单元里流出的高温导热油进行冷凝，可以有效降低导热油温度，避免高温导热油进入冷罐发生意外。本发明系统简单高效且易于操作，方便更换储热单元中的储热材料以及各种形状导热工质盛装盘管，能对储热单元充放热过程的储热效率、安全性以及循环稳定性进行测试与评价。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统的结构示意图；
图2是储热单元外形立体图；
图3是储热单元左视图；
图4是图3中沿A-A面剖面图；
图5是图3中沿B-B面剖面图；
其中：1-热罐，8-第一控温点，2-冷罐，9-第二控温点，3-泵，10-流速控制器，4-温度补偿加热器，11-第三控温点，12-接口一，13-第一测温点，14-第一测速点，5-储热单元，15-第二测温点，16-接口二，6-阀门，17-第三测温点，7-冷凝器，18-第四测温点，19-常规管道，20-保温管道，21-出口管，22-进口管，23-储热单元外壁，24-保温材料，25-储热单元内壁，26-导热工质盛装盘管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，提供一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，该系统为封闭式管道回路系统，导热工质在封闭式管道回路系统中流动，沿导热工质流动方向在封闭式管道回路系统上依次设置导热工质储存罐、泵、储热单元，储热单元包括壳体、上盖，壳体与上盖密封配合，壳体内部设置储热材料、导热工质盛装盘管，上盖设置进口管和出口管，导热工质盛装盘管通过进口管、出口管接入封闭式管道回路系统。进口管的一端与泵连接，另一端与导热工质盛装盘管连接；出口管的一端与导热工质盛装盘管连接，另一端与导热工质储存罐连接。
进一步地，导热工质储存罐包括热罐、冷罐，热罐、冷罐的出口分别与泵连接；沿导热工质的流动方向，在出口管的后方设置阀门，阀门分别与热罐、冷罐的进口连接。
本发明实施例中，进一步地，热罐中设置第一控温点，冷罐中设置第二控温点。
本发明实施例中，进一步地，在泵与储热单元的进口管之间，沿导热工质流动方向依次设置流速控制器、温度补偿加热器。本发明实施例中热罐储存的高温(如果温度不够，可以通过温度补偿加热器加热)导热工质，通过泵压出，经由流速控制器和温度补偿加热器控制进入储热单元的导热工质的流速与温度，导热工质通过储热单元后流入热泵中回收，即完成一次充热过程。通过泵压出冷罐中储存的低温导热工质，经由流速控制器控制进入储热单元的导热工质的流速，导热工质通过储热单元后温度升高，经由冷凝器后流入冷泵中回收，即完成一次放热过程。
本发明实施例中，进一步地，在温度补偿加热器和储热单元的进口管之间设置第三控温点。
本发明实施例中，进一步地，储热单元内部的导热工质盛装盘管上设置第一测温点、第一测速点、第二测温点，其中第一测温点、第一测速点设置在进口管一侧，第二测温点设置在出口管一侧。
进一步地，在阀门与冷罐的进口之间，沿导热工质流动方向依次设置第三测温点、冷凝器、第四测温点。
进一步地，储热单元的壳体包括储热单元外壁、储热单元内壁，储热单元外壁、储热单元内壁均采用耐高温的钢板制成，储热单元外壁与储热单元内壁之间填充保温材料。填充的保温材料采用硅酸铝耐火纤维或硅酸铝耐火纤维与矿渣棉板的组合。
本发明实施例中，进一步地，热罐的出口与泵之间、冷罐的出口与泵之间、泵与储热单元的进口管之间、储热单元的出口管与热罐的进口之间的管道均为保温管道。保温管道为在常规管道外部包裹有保温层，保温层采用矿渣棉或者硅酸钙或者膨胀珍珠岩材料。
本发明实施例中，进一步地，导热工质为导热油。
采用第一控温点、第二控温点、流速控制器、温度补偿加热器、第三控温点控制流入储热单元的导热工质的温度和流速；第三测温点、冷凝器、第四测温点、控制流入冷罐回收的导热工质温度；收集并分析计算第一测温点、第一测速点、第二测温点的数据完成测试与评价目的。
实施例一：一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，如图1所示，它包括热罐1、第一控温点8、冷罐2、第二控温点9、泵3、流速控制器10、温度补偿加热器4、第三控温点11、接口一12、第一测温点13、第一测速点14、储热单元5、第二测温点15、接口二16、阀门6、第三测温点17、冷凝器7、第四测温点18、管道(常规管道)19、保温管道20。常规管道在图1中使用细线表示，保温管道使用粗线表示。通过接口一12和接口二16可以更换储热单元中的储热材料以及各种形状导热工质盛装盘管。
设置有第一控温点8的热罐1与泵3相连，经泵3压出的导热工质依次通过流速控制器10、温度补偿加热器4、第三控温点11、储热单元5后流入热罐储存；设置有第二控温点9的冷罐2与泵3相连，经泵3压出的导热工质依次通过流速控制器10、温度补偿加热器4、第三控温点11、储热单元5、第三测温点17、冷凝器7、第四测温点18后流入冷罐储存；储热单元入口设有第一测温点13和第一测速点14，储热单元出口设有第二测温点15。
第一测温点13和第二测温点15是测量该处的温度，用于测量流入储热单元和流出储热单元导热油的温度，从而计算出储热单元在充放热过程吸收或放出的热量；第三测温点17和第四测温点18是测量流经冷凝器7前后的温度，用于控制流入冷罐导热油的温度；控温点是采集该处的温度，然后再通过温度补偿器使该点达到需要的温度；流速控制器10和第一测速点14可以控制和测量流入储热单元导热油的流速，通过使用不同流速的导热油测试不同储热单元的最适宜流速。
如图2、图3、图4、图5所示，储热单元5整体为长方体，包括出口管21，进口管22，储热单元外壁23，保温材料24，储热单元内壁25，导热工质盛装盘管26；储热单元外壁23与储热单元内壁25采用耐高温的钢板制成，储热单元外壁23与储热单元内壁25之间填充保温材料24以防止热量损失；出口管21和进口管22与导热工质盛装盘管26相连，通过储热单元5上盖与外界连通；出口管21、进口管22和导热工质盛装盘管26均用耐高温耐腐蚀的合金钢制成，利用金属的高热导率，提高储热单元的热交换效率；导热工质盛装盘管26采用U型，并且上下并排方式，能有效增大换热面积，提高储热单元的换热效率；U型导热工质盛装盘管内流通的是导热油，导热油导热系数优于空气、使用温度范围较广、操作简单并且能够重复利用，是优于空气的传热介质。
充热过程：
对储热单元进行充热过程测试时，热罐1中第一控温点8测量导热油温度。如温度达不到实验要求，此时可以利用温度补偿加热器4加热使导热油达到实验要求；如温度达到实验要求，此时可以打开泵。通过流速控制器10和第三控温点11控制流入储热单元5内导热油的流速和温度，导热油会依次经过第一测温点13、第一测速点14和第二测温点15，与储热单元5里面的储热材料进行热交换，最后流入热罐1储存，测量和记录储热单元入口处的温度、流速和出口处的温度。
放热过程：
对储热单元进行完全充热后即可进行放热测试，冷罐2中第二控温点9测量导热油温度。如温度达不到实验要求，此时可以利用温度补偿加热器4加热使导热油达到实验要求；如温度达到实验要求，此时可以打开泵。通过流速控制器10和第三控温点11控制流入储热单元5内导热油的流速和温度，导热油会依次经过第一测温点13、第一测速点14和第二测温点15，与储热单元5里面的储热材料进行热交换，流出储热单元的导热油会经过第三测温点17、冷凝器7、第四测温点18后流入冷罐储存，测量和记录储热单元入口处的温度、流速和出口处的温度。
通过收集到的数据以及实验观察，可以完成以下性能的测试及评价：
(1)安全性：通过反复的充放热实验，检查整个装置的密闭性，检查导热油是否从导热工质盛装盘管中泄露，检查储热材料是否因为热膨胀从储热单元中泄露；(2)最佳导热油流速：在充放热过程中，使用不同流速的导热油通过储热单元，可以得到使热交换效率最大化的最佳导热油流速；(3)循环稳定性：通过反复的充放热实验，即可测试储热单元的耐久性；(4)储热效率：在充放热过程中，检测导热油通过储热单元后的温度变化，根据热力学相关公式，可以计算出当前流速时的热交换效率；(5)评价：通过上述(1)、(2)、(3)、(4)的测试结果，对储热单元充放热过程的储热效率、安全性以及循环稳定性进行评价，给不同的储热单元提供最佳的使用工况。
储热单元5的保温材料24可采用硅酸铝耐火纤维或硅酸铝耐火纤维与矿渣棉板组合保温材料，保温管道20的保温层可采用矿渣棉、硅酸钙或者膨胀珍珠岩。
本发明适用于低中温储热单元的测试与评价，储热材料可以采用无机水合盐，如：CaCl2·6H2O、Ba(OH)2·8H2O、Na2SO4·10H2O等；有机物，如：有机石蜡、有机脂肪酸等；无机盐，如：硝酸盐67KNO3-33NaNO3、49LiNO3-51NaNO3、54NaNO3-46KNO3等；低熔点合金，如：锡合金，包括Sn-9Zn、Sn-58Bi、Sn-38Pb合金，铋合金，包括Bi-45Pb、Bi-3.5Zn等。
以54NaNO3-46KNO3硝酸盐相变储热材料为例，描述相变单元充放热过程。NaNO3-46KNO3密度为2000kg/m3，相变潜热为117kJ/kg，相变温度为222℃，导热油密度：868.5kg/m3。
使用前，先将出口管和进口管以及与其相连的导热工质盛装盘管放入储热单元内，将按照配方配好的硝酸盐粉末均匀装入储热单元内。在装料过程中，注意不能将储热单元的箱体完全装满，因为储热材料熔化时会产生一定的热膨胀，如果将箱体装满，当储热材料完全熔化后，整体内压力会增大，可能导致熔融储热材料泄露。需要将硝酸盐粉末均匀装入储热箱体内，并且需要完全覆盖住导热工质盛装盘管，接着密封整个储热单元。
充热过程：将经过太阳能集热器加热的高温导热油从进口管进入储热单元的箱体，通过流速控制器控制导热油使第一测速点显示流速为0.5m/s，进口管导热油温度为300℃。硝酸盐温度升高到熔点需要一个过程，在硝酸盐熔化之前，硝酸盐将以显热方式储热，当温度到达硝酸盐熔点时，硝酸盐开始融化并以相变潜热的方式储存大量热量。由于硝酸盐储热材料相变焓大，储能密度大，相变材料占据储热箱体大部分体积，而且工质盛装盘管多层重叠，增大了导热油与储热材料之间的换热面积，因此整个储热单元可以储存大量热能，并且储热过程能快速高效进行。导热油经过储热单元后流出，出口管导热油温度为110℃。
放热过程：在充热过程完成后，储热单元中的保温层会减少热量损失。当太阳能减弱或者需要利用热能时，将冷导热油通入储热单元，通过流速控制器控制导热油使第一测速点显示流速为0.5m/s，进口管导热油温度为25℃。这时因为导热油和相变储热材料之间的温度差，导热油会吸收熔融相变储热材料放出的热量而升温，当熔融相变储热材料温度降到相变温度时，熔融相变结晶成为固态，同时放出相变潜热加热导热油，此时固态相变储热材料温度还是高于导热油，固态相变储热材料继续以显热方式加热导热油，使储热单元内储存的热量得到充分的利用。导热油经过储热单元后流出，出口管导热油温度为185℃。使用54NaNO3-46KNO3硝酸盐为相变储热材料的储热单元充放热稳定，换热效率可达92％，可作为高效的太阳能热利用储热单元。
实施例二：实施例二与实施例一大致相同，不同之处在于：以Sn-9Zn合金相变储热材料为例，描述相变单元充放热过程。Sn-9Zn密度为7380kg/m3，相变潜热为66kJ/kg，相变温度为198℃。
充热过程中，进口管导热油流速为0.5m/s，温度为300℃，出口管导热油温度为120℃；放热过程中，进口管导热油流速为0.5m/s，温度为25℃，出口管导热油温度为170℃。使用Sn-9Zn合金为相变储热材料的储热单元充放热稳定，换热效率可达90％，可作为高效的太阳能热利用储热单元。
实施例三：实施例三与实施例一大致相同，不同之处在于：Na2SO4·10H2O无机水合盐相变储热材料为例，描述相变单元充放热过程。Na2SO4·10H2O密度为1490kg/m3，相变潜热为247kJ/kg，相变温度为32℃。充热过程中，进口管导热油流速为0.5m/s，温度为40℃，出口管导热油温度为30℃；放热过程中，进口管导热油流速为0.5m/s，温度为25℃，出口管导热油温度为32℃。使用Na2SO4·10H2O无机水合盐为相变储热材料的储热单元充放热稳定，换热效率可达88％，可作为高效的太阳能热利用储热单元。
相变储热材料经过千次循环后，相变储热材料对储热单元的箱体(壳体)和导热工质盛装盘管的腐蚀较小，并且储热能力下降幅度较小，所以此储热单元循环稳定性较好，可循环充放热千次以上。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，其特征在于，该系统为封闭式管道回路系统，导热工质在封闭式管道回路系统中流动，沿导热工质流动方向在封闭式管道回路系统上依次设置导热工质储存罐、泵、储热单元，储热单元包括壳体、上盖，壳体与上盖密封配合，壳体内部设置储热材料、导热工质盛装盘管，上盖设置进口管和出口管，导热工质盛装盘管通过进口管、出口管接入封闭式管道回路系统，导热工质储存罐包括热罐、冷罐，热罐、冷罐的出口分别与泵连接；沿导热工质的流动方向，在出口管的后方设置阀门，阀门分别与热罐、冷罐的进口连接，热罐中设置第一控温点，冷罐中设置第二控温点，储热单元的壳体包括储热单元外壁、储热单元内壁，储热单元外壁、储热单元内壁均采用耐高温的钢板制成，储热单元外壁与储热单元内壁之间填充保温材料，导热工质为导热油，在泵与储热单元的进口管之间，沿导热工质流动方向依次设置流速控制器、温度补偿加热器。
2.根据权利要求1所述的利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，其特征在于，在温度补偿加热器和储热单元的进口管之间设置第三控温点。
3.根据权利要求1所述的利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，其特征在于，储热单元内部的导热工质盛装盘管上设置第一测温点、第一测速点、第二测温点，其中第一测温点、第一测速点设置在进口管一侧，第二测温点设置在出口管一侧。
4.根据权利要求1所述的利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，其特征在于，在阀门与冷罐的进口之间，沿导热工质流动方向依次设置第三测温点、冷凝器、第四测温点。
5.根据权利要求1所述的利用导热油作为传热介质的储热测试与评价系统，其特征在于，热罐的出口与泵之间、冷罐的出口与泵之间、泵与储热单元的进口管之间、储热单元的出口管与热罐的进口之间的管道均为保温管道。
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