CN107843135B - 一种利用温差自驱动回路的蓄能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用温差自驱动回路的蓄能装置，包括低位换热器、高位换热器、换热管、连接管路、蓄能材料和保温层，蓄能时，冷能或热能通过高位换热器或低位换热器传递至闭式自驱动换热回路中的循环工质，进而循环工质通过换热管道将热能或冷能传递到蓄能材料，并存储起来。释能时，闭式自驱动换热回路中循环工质通过换热管吸收蓄能材料中存储的冷能或热能，通过低位或高位换热器将冷能或热能释放出去。本发明的蓄冷蓄热装置可将废热(冷)、谷电蓄冷蓄热和太阳能等热能和冷能进行存储和释放，可实现不消耗动力的自驱动运行，适合于各种需要将热能和冷能进行存储的场所，解决热能和冷能的供给与需求在时间上不匹配的问题。
Description
技术领域
本发明属于蓄能技术领域，具体涉及一种利用温差自驱动回路的蓄能装置。
背景技术
进入21世纪能源紧缺，污染物排放导致的环境问题日益突出。在我国，十一五至十三五规划中均把节能减排列为重要实施目标，蓄冷蓄热技术成为了节能减排的重要手段。如夏季的谷电蓄冷和冬季的谷电蓄热技术，太阳能熔融盐蓄热发电以及工业中废热余热存储再利用，利用储热技术可解决解决热能(冷能也称为热能的一种)的供给与需求在时间和空间上的不匹配。
储热材料除金属外，导热系数均比较低，例如有机相变材料(石蜡和醛酸等)一般在0.3W/(m·K)左右，而无机类(结晶水合物和无机盐等)一般在0.5W/(m·K)左右。较低的导热系数成为蓄热装置进一步发展的障碍。
因此针对现有储热材料导热系数低、储能和释能效率低的问题，本发明提出一种利用温差自驱动传热回路与相变储热材料相耦合的新型相变储热装置，能够不依靠主动驱动便能实现快速、高效地储能和释能。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种蓄能装置，可将废热(冷)、谷电蓄冷蓄热和太阳能等热量进行存储和释放，可实现不消耗动力的温差自驱动运行便能实现快速、高效地储能和释能，适合于各种需要将热能进行存储的系统，解决热能的供给与需求在时间和空间上的不匹配问题。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种利用温差自驱动回路的蓄能装置，包括蓄能器、低位换热器、高位换热器，其特征在于，
所述低位换热器、高位换热器置于所述蓄能器的外部，且所述高位换热器置于所述低位换热器的上方；
所述蓄能器的内腔中填充蓄能材料，所述蓄能材料中设置一沿高度方向布置的换热管，所述换热管的顶部管口、底部管口均伸出于所述蓄能器；
所述换热管的顶部管口分为两路，一路经所述高位换热器的热侧与所述换热管的底部管口连通，另一路经所述低位换热器的冷侧与所述换热管的底部管口连通，并且，所述低位换热器冷侧的进出口以及所述高位换热器热侧的进出口管路上均设置有控制阀门。
优选地，当所述蓄能装置进行蓄热或释冷时，所述低位换热器冷侧两端的控制阀门打开，所述高位换热器热侧两端的控制阀门关闭，高温流体流进所述低位换热器的热侧，所述低位换热器热侧的高温流体与冷侧的循环工质发生热交换，循环工质从所述换热管的底部管口流入所述低位换热器冷侧底部的进口，被加热后从所述低位换热器冷侧顶部的出口流出，而后进入所述换热管的顶部管口，循环工质与所述蓄能器中的相变材料进行热量交换，变为冷流体，回流到所述低位换热器的冷侧，完成蓄热或释冷循环。
优选地，当所述低位换热器热侧的进口温度与出口温度的温差小于5℃时，关闭其冷侧两端的控制阀，蓄热或释冷工况结束。
优选地，当所述蓄能装置进行释热或蓄冷时，所述低位换热器冷侧两端的控制阀门关闭，所述高位换热器热侧两端的控制阀门打开，低温流体流进所述高位换热器的冷侧，所述高位换热器冷侧的低温流体与热侧的循环工质发生热交换，循环工质从所述换热管吸收相变材料的热量后流向所述高位换热器的热侧，与低温流体发生热量交换，从所述高位换热器热侧的底部出口回流到所述换热管内，完成释热或蓄冷循环。
优选地，当所述高位换热器冷侧的进口温度与出口温度的温差小于3℃时，关闭所述高位换热器热侧两端的控制阀，释热或蓄冷工况结束。
本发明的技术解决方案也可以为：一种利用温差自驱动回路的蓄能装置，包括蓄能器、低位换热器、高位换热器，其特征在于，
所述低位换热器、高位换热器置于所述蓄能器的外部，且所述高位换热器置于所述低位换热器的上方；
所述蓄能器的内腔中填充蓄能材料，所述蓄能材料中设置一沿高度方向布置的换热管，所述换热管的顶部管口、底部管口均伸出于所述蓄能器；
其中，
所述换热管、低位换热器、高位换热器通过连接管路连接构成一密闭回路，所述密闭回路内部充入循环工质，形成闭式自驱动换热回路。通过冷热端温差和高度差，依靠闭式自驱动换热回路实现传热工质的自驱动循环，完成蓄冷/热和释冷/热循环。
优选地，所述闭式自驱动换热回路，其内部工质循环流动的驱动力可以是重力、毛细力或热虹吸力的一种或多种的组合。
优选地，所述闭式自驱动换热回路中内部工质的传热方式可以是气液相变换热、显热换热或超临界换热。
优选地，所述循环工质可以是水、氨、氮气、氧气、氩气、氦气、二氧化碳、氟利昂、烷烃类、烯烃类物质及其化合物、醇类、液态金属或熔盐类等其中一种或多种。
优选地，所述蓄能材料可以是显热储热材料、潜热储热材料或者化学储热材料的一种或多种的组合。
优选地，所述低位换热器的结构可以是套管式、板式、管壳式或管翅式等其他形式的换热器，换热方式可以是逆流式、顺流式或差流式。
优选地，所述高位换热器结构可以是套管式、板式、管壳式或管翅式等其他形式的换热器，换热方式可以是逆流式、顺流式或差流式。
优选地，所述换热管可以由多根换热管并联或串联而成，布置方式可以是垂直、螺旋、水平或者倾斜布置。可以均匀布置或者非均匀布置。
优选地，所述换热管结构可以是纵翅片管、横肋片管、微通道管束或非圆管等的一种或者多种组合。
优选地，所述保温层的材料是低导热材料，如岩棉、玻璃纤维、发泡玻璃微珠、发泡聚氨酯、真空板或气凝胶等一种或多种的组合，强化隔热的方式可以是真空隔层或辐射热涂层一种或多种组合方式。
同现有技术相比，本发明的利用温差自驱动回路的蓄能装置具有显著的技术效果：本发明的利用温差自驱动回路的蓄能装置，将自驱动换热原理和蓄热装置有机的结合在一起，既可解决蓄热材料的低导热系数问题，又可以实现蓄能器中热/冷能的自动输入输出和量的控制。本发明的蓄能装置可适用于各种储热环境，解决热能的供给与需求在时间上的不匹配，实现为国节能、为用户节资的目的。
附图说明
图1为本发明利用温差自驱动回路的蓄能装置的实施例1的结构示意图；
图2为本发明利用温差自驱动回路的蓄能装置的实施例2的结构示意图；
图3为本发明利用温差自驱动回路的蓄能装置的实施例3的结构示意图；
图4为本发明利用温差自驱动回路的蓄能装置的实施例4的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明的利用温差自驱动回路的蓄能装置，可应用于废热回收再利用系统，该装置包括蓄能器1、低位换热器2、高位换热器3、连接管路4、换热管5、蓄能材料6、保温层7、低温流体8、高温流体9和控制阀V1～V4。其中，蓄能器1的内壁设置保温层7，蓄能器1的内腔中填充蓄能材料6，换热管5沿高度方向布置于蓄能器1内的蓄能材料6中，并且换热管5的顶部管口、底部管口均伸出于蓄能器1，低位换热器2、高位换热器3置于蓄能器1外部，且高位换热器3置于低位换热器2的上方。换热管5、低位换热器2、高位换热器3通过连接管路4连接构成一密闭回路，内部充入循环传热工质如R32，采用闭式两相热虹吸传热方式，其中，换热管5的顶部管口一路经高位换热器3的热侧与换热管5的底部管口连通，换热管5的顶部管口另一路经低位换热器2的冷侧与换热管5的底部管口连通，并且低位换热器2冷侧的进出口以及高位换热器3热侧的进出口管路上均设置有控制阀门，其中，低位换热器2冷侧的进、出口管路上分别设置控制阀门V3、V4，高位换热器3热侧的进出口管路上分别设置控制阀门V1、V2。蓄热材料选用相变温度80度的石蜡。低位换热器2和高位换热器3选用套管管束式换热器，循环工质走管内，冷热源流体走管外。换热管5采用螺旋外肋片管均匀布置。
当所述蓄能装置进行蓄热时，低位换热器2冷侧两端的控制阀门V3、V4打开，高位换热器3热侧两端的控制阀门V1、V2关闭，温度较高(例如90℃)的废水9流进低位换热器2的热侧，低位换热器2热侧温度较高的废水与冷侧温度较低的循环工质发生热交换，循环传热工质在低位换热器2中被温度较高的废水9加热，依靠蓄热器1和低位换热器2的高度差和温差产生的驱动力，循环传热工质从换热管5的底部管口流入低位换热器2冷侧底部的进口，被加热后从低位换热器2冷侧顶部的出口流出，而后进入换热管5的顶部管口，使热循环工质从低位换热器2流向换热管5，与相变材料6石蜡发生热量交换，变为冷流体，回流到低位换热器2内，完成蓄热循环。当低位换热器2热侧进口温度T3与出口温度T4的温差小于5℃时，控制阀V3和V4关闭，蓄热工况结束。
当所述蓄能装置进行释热时，低位换热器2冷侧两端的控制阀门V3、V4关闭，高位换热器3热侧两端的控制阀门V1、V2打开，温度较低的(例如20℃)的冷水流进高位换热器3的冷侧，高位换热器3冷侧的冷水与热侧的循环工质发生热交换，依靠蓄热器1和高位换热器3的高度差和温差产生的驱动力，使冷循环工质从换热管5吸收相变材料6的热量后流向高位换热器3的热侧，与冷水发生热量交换，变为冷循环工质，从高位换热器3热侧底部的出口回流到换热管5内，完成释热循环。释热时，当高位换热器3冷侧的进口温度T1与出口温度T2的温差小于3℃时，控制阀V1和V2关闭，释热工况结束。
实施例2
如图2所示，本发明的利用温差自驱动回路的蓄能装置，可应用于谷电蓄热采暖器。实施例2与实施例1的不同之处在于低位换热器2热源由电加热提供，高位换热器3为采暖散热器，循环工质为R125，采用超临界流体自驱动传热方式，其他均相同。通过控制阀V1的开度可控制热量的输出大小。谷电时间，启动电加热器，采暖供热和储热同时进行，并完成谷电蓄热。非谷电时间，采暖供热依靠储热器中蓄热材料通过高位换热器3释热完成供暖。
实施例3
如图3所示，本发明的利用温差自驱动回路的蓄能装置，可应用于谷电蓄热采系统，与实施例2不同之处在于，增加了采暖循环水系统。采暖循环水8通过循环水泵12，在高位换热器3吸收热量，流动到多组采暖散热器13向环境散热。
实施例4
如图4所示，本发明的利用温差自驱动回路的蓄能装置，可应用于谷电蓄冷系统。装置构成与实施例1相同。蓄冷材料选用相变温度10℃的石蜡。
蓄冷工况：来自冷水机组14温度为7℃的冷水，通过循环水泵12流进高位换热器3，冷水与循环工质发生热交换，之后冷水回流到冷水机组中。循环工质依靠蓄冷容器1和高位换热器3的高度差和温差产生的驱动力，使冷循环工质从高位换热器3吸收冷能后流向换热管5并将冷能传递给相变材料，变为热工质后，回流到高位换热器3，完成蓄冷循环。
释冷工况：来自室内盘管16温度为15℃的回水，通过循环水泵15流进低位换热器2，并与循环工质发生热交换，吸收冷能变为12℃冷水后，回流到室内盘管16。循环工质依靠蓄热器1和低位换热器2的高度差和温差产生的驱动力，使热循环工质从低位换热器2经高位换热器3流向换热管5，与相变材料发生冷量交换，变为冷流体，回流到低位换热器2内，完成释冷循环。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种利用温差自驱动回路的蓄能装置，包括蓄能器、低位换热器、高位换热器，其特征在于，
所述低位换热器、高位换热器置于所述蓄能器的外部，且所述高位换热器置于所述低位换热器的上方；
所述蓄能器的内腔中填充蓄能材料，所述蓄能材料中设置一沿高度方向布置的换热管，所述换热管的顶部管口、底部管口均伸出于所述蓄能器；
所述换热管、低位换热器、高位换热器通过连接管路连接构成一密闭回路，所述密闭回路的内部充入循环工质；
所述换热管的顶部管口分为两路，一路经所述高位换热器的热侧与所述换热管的底部管口连通，另一路经所述低位换热器的冷侧与所述换热管的底部管口连通，并且，所述低位换热器冷侧的进出口以及所述高位换热器热侧的进出口管路上均设置有控制阀门；
当所述蓄能装置进行蓄热或释冷时，所述低位换热器冷侧两端的控制阀门打开，所述高位换热器热侧两端的控制阀门关闭，高温流体流进所述低位换热器的热侧，所述低位换热器热侧的高温流体与冷侧的循环工质发生热交换，循环工质从所述换热管的底部管口流入所述低位换热器冷侧底部的进口，被加热后从所述低位换热器冷侧顶部的出口流出，而后进入所述换热管的顶部管口，循环工质与所述蓄能器中的相变材料进行热量交换，变为冷流体，回流到所述低位换热器的冷侧，完成蓄热或释冷循环，当所述低位换热器热侧的进口温度与出口温度的温差小于5℃时，关闭其冷侧两端的控制阀，蓄热或释冷工况结束；
当所述蓄能装置进行释热或蓄冷时，所述低位换热器冷侧两端的控制阀门关闭，所述高位换热器热侧两端的控制阀门打开，低温流体流进所述高位换热器的冷侧，所述高位换热器冷侧的低温流体与热侧的循环工质发生热交换，循环工质从所述换热管吸收相变材料的热量后流向所述高位换热器的热侧，与低温流体发生热量交换，从所述高位换热器热侧的底部出口回流到所述换热管内，完成释热或蓄冷循环，当所述高位换热器冷侧的进口温度与出口温度的温差小于3℃时，关闭所述高位换热器热侧两端的控制阀，释热或蓄冷工况结束。
2.根据权利要求1所述的利用温差自驱动回路的蓄能装置，其特征在于，所述循环工质为水、氨、氮气、氧气、氩气、氦气、二氧化碳、氟利昂、烷烃类、烯烃类物质及其化合物、醇类、液态金属中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的利用温差自驱动回路的蓄能装置，其特征在于，所述蓄能材料为显热储热材料或潜热储热材料。
4.根据权利要求1所述的蓄能装置，其特征在于，所述低位换热器的结构为套管式、板式、管壳式或管翅式换热器，换热方式为逆流式、顺流式或差流式。
5.根据权利要求1所述的利用温差自驱动回路的蓄能装置，其特征在于，所述高位换热器结构为套管式、板式、管壳式或管翅式换热器，换热方式为逆流式、顺流式或差流式。
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