CN108506995A - 非能动单罐储热供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非能动单罐储热供暖系统，包括储热罐、加热组件和位于其上部的放热组件，放热组件包括蒸汽箱和设于其下方的换热套管；蒸汽箱通过管路与一冷凝器相连，冷凝器则分别与缓冲器和供暖系统相连，缓冲器的出水端则连接蒸汽箱形成一个回路。本发明的非能动单罐储热供暖系统的储热介质不需要流动，依靠传热工质蒸汽的蒸发和冷凝实现非能动放热和传热，与现有的储热供暖系统相比，其传热工质不需要泵，简化了系统，减少系统运行维护成本，提高了系统的经济性和可靠性。此外，本发明的非能动单罐储热供暖系统中的储热系统适用于广泛的储热材料；缓冲器的设置使系统能自动调节系统压力，确保系统运行时压力平稳正常。

Description

非能动单罐储热供暖系统

技术领域

本发明涉及储热供暖系统，尤其涉及一种非能动单罐储热供暖系统。

背景技术

目前民用建筑多采用热水供暖系统进行室内采暖。传统的热水供暖系统 以燃烧煤作为热能来源，其燃烧过程对大气和环境造成了严重污染。为了实 现节能减排的目标，我国鼓励开发利用清洁能源和推进“煤改电”工程建设， 用电采暖替代燃煤锅炉。我国电力供应白天和夜间峰谷差距大，从技术上解 决“削峰填谷”的有效途径是采用储能技术，政府也颁布了夜间低谷用电优 惠政策，鼓励利用廉价的低谷电加热蓄热材料储存热能，“削峰填谷”。2017 年10月11日，国家能源局、发改委等五部委联合发布《关于促进储能技术 与产业发展的指导意见》，提出了在推进储能技术装备研发示范方面，集中攻 关包括相变储热材料与高温储热技术及储能系统集成技术一批具有关键核心 意义的储能技术和材料。

熔盐储能技术作为一种新型的储能技术，由于熔盐具有使用温度范围广 泛、蒸汽压低、热容量大、粘度低、热稳定性好、蓄热密度高、导热性能好 以及价格便宜等优点，近些年受到大众的广泛关注。

关于非能动传热技术，早在二十世纪六十年代，美国橡树岭国家实验室 (ORNL)在MSRE的排盐罐设计中，采用了一种非能动换热方式，具体参见 R.C.Robertson.以及S.E.Beall在1965年的美国原子能委员会发表的MSRE设 计和操作报告，MSRE的工作原理是：汽包底部的冷却水通过套管换热元件 的进水口流入进水管并向下流动，在套管底部折流向上进入环腔并被加热至 沸腾，蒸汽沿环腔进入到汽包上部，并沿着蒸汽管线流向冷凝器，冷凝后的 冷凝水在重力的作用下又返回到汽包中，并进入进水管，形成一个闭式自然循环。

现有的非能动技术主要应用于余热排出，未涉及储热供暖系统。例如非 能动专利文件201310286718.7、201610899803.4和201710566887.4所公开的 用于熔盐堆的非能动余热排出系统和实验装置及换热装置，其非能动换热原 理都是采用了上述公知的MSRE方案，但都未涉及储热供暖系统及方法。

现有的熔盐储热式供暖系统是利用电加热熔盐，高温熔盐再通过换热器 把热量传递到供暖水，可以有效地替代燃煤锅炉。然而，常规的储热系统都 包含泵，泵为传热工质流动提供动力，需要时刻消耗电能，系统运行维护成 本较高，而熔盐储热装置普遍包括熔盐储罐(双罐)、换热器、加热器和熔盐 泵等，投资成本较高。此外，现有的储热系统包括单罐和双罐两类，储热介 质要么只能是流体，要么只能是固体或者相变材料，很少发现有既能用于流 体储热，又适用于固体或相变材料储热。而且，现阶段的熔盐储热装置通常 为双罐储热系统，利用熔盐传热储热，熔盐作为传热储热介质，由于熔盐的 熔点大多在100度以上，与低温的水换热有冻结堵塞的危险，熔盐流动性差， 存在熔盐罐内分层的问题，这些缺点不利于系统的长周期稳定运行。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种非能动单罐储热供暖系统， 以简化系统，使系统适用于广泛的储热介质，并确保系统运行时压力平稳正 常。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种非能动单罐储热供暖系统，包括储热罐、加热组件和 位于其上部的放热组件，所述放热组件包括蒸汽箱和设于其下方的换热套管； 所述蒸汽箱通过管路与一冷凝器相连，该冷凝器则分别与一缓冲器和一供暖 系统相连，所述缓冲器的出水端则连接蒸汽箱并形成一个回路。

所述缓冲器包括存水箱和控制阀，存水箱顶部设有缓冲管接口，该缓冲 管接口通过缓冲管与控制阀的出水端相连；所述存水箱底部还具有出水管接 口，该出水管接口通过出水管和控制阀的进水端相连。

所述存水箱的顶部设有冷凝水进口和注水口；所述存水箱还包括一设于 注水口或缓冲管上的泄压阀。

所述换热套管包括上端开口且下端封闭的换热外管和两端开口的换热内 管，换热内管与换热外管之间设有限位器；所述换热内管与换热外管上端插 入所述蒸汽箱内。

所述储热罐包括罐体侧壁、顶盖、底盖，所述顶盖上设有用于插入所述 换热套管的放热管套筒；储热罐内填充有储热介质。

所述放热管套筒之间设有半圆形、圆环形或扇形的支撑筋板或网。

所述储热罐的顶部设置有介质入口和排气口，底部设置有介质出口；所 述加热组件两端分别连接该介质入口和介质出口，且该加热组件包括从介质 出口一端依次排布的第二阀门、储罐、加热器和泵。

所述加热组件包括加热器电源总线盒和设于加热器电源总线盒顶部的电 热元件；所述底盖上设有与放热管套筒相间排布的加热管套筒，所述电热元 件插入所述加热管套筒。

所述加热组件为高频电磁感应加热电源，包括高频电磁感应线圈和高频 感应发生器，所述高频电磁感应线圈缠绕在储热罐上；所述罐体侧壁的材质 为非导电材料，且所述放热管套筒的材质为导电材料。

所述放热组件与储热罐之间设有隔热材料。

所述储热介质是相变材料、流体或固体。

所述冷凝器通过管路与所述缓冲器相连，所述缓冲器的出水端通过管路 连接所述蒸汽箱；储热罐、加热组件、放热组件冷凝器和缓冲器及将冷凝器、 缓冲器和蒸汽箱两两连接的管路都包有保温层。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的非能动单罐储热供暖系统的储热介质不需要流动，依靠传热 工质蒸汽的蒸发和冷凝实现非能动放热和传热，与现有的储热供暖系统相比， 其传热工质蒸汽不需要泵，简化了系统，减少系统运行维护成本，提高了系 统的经济性和可靠性。

2、本发明的非能动单罐储热供暖系统储热系统适用于广泛的储热材料， 如相变材料、固体材料和流体。

3、缓冲器的设置使系统具有一定的自动调节能力，能通过该缓冲器自动 调节系统压力，确保系统运行时压力平稳正常。

附图说明

图1是根据本发明的第一优选实施例的非能动单罐储热供暖系统的结构 示意图；

图2A是如图1所示的非能动单罐储热供暖系统的储热罐的纵截面图；

图2B和图2C分别是沿图2中A-A线和B-B线的截面示意图；

图3是如图2A所示的储热罐的支撑筋板(或网)的一种实施例的结构 示意图；

图4为如图1所示的非能动单罐储热供暖系统的加热组件的结构示意图；

图5为如图1所示的非能动单罐储热供暖系统的放热组件的结构示意图；

图6为沿图5中的C-C线的截面图；

图7为如图1所示的非能动单罐储热供暖系统的缓冲器的结构示意图；

图8为根据本发明的第二优选实施例的储热罐和加热组件的结构示意图；

图9为根据本发明的第三优选实施例的储热罐和加热组件的结构示意图；

图10为根据本发明的另一个优选实施例的固体储热介质的结构示意图；

图11为根据本发明的另一个优选实施例的储热组件的结构示意图。

其中，1——储热罐；2——加热组件；3——放热组件；4——隔热材料； 5——冷凝器；6——缓冲器；5-1——冷却回路；1-1——罐体侧壁；1-2——顶 盖；1-3——底盖；1-4——放热管套筒；1-5——加热管套筒；1-6——支撑筋 板(或网)；1-7——储热介质；1-8——介质入口；1-9——介质出口；1-10—— 排气口；2-1——电热元件；2-2——加热器电源总线盒；2-3——高频电磁感 应线圈；2-4——高频感应发生器；2-6——储罐；2-7——加热器；2-5——第 二阀门；2-8——泵；3-1——蒸汽箱；3-2——换热外管3-3——换热内管；3-4—— 限位器；3-5——箱进水口；3-6——管进水口；3-7——管出水口；3-8——管 蒸汽出口；3-9——箱蒸汽出口；6-1——存水箱；6-2——控制阀；6-3——出 水管；6-4——缓冲管；6-5——泄压阀；6-6——冷凝水进口；6-7——缓冲接 口；6-8——出水口；6-9——注水口。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示为根据本发明的第一优选实施例的非能动单罐储热供暖系统， 其包括储热罐1、加热组件2、放热组件3、冷凝器5和缓冲器6。加热组件 2用于加热储热罐1。放热组件3包括蒸汽箱3-1和设于其下方的换热套管， 所述换热套管插入储热罐1中。蒸汽箱3-1通过管路与一冷凝器5相连，该 冷凝器5则分别与一缓冲器6和一供暖系统相连，所述缓冲器6的出水端则 通过管路连接蒸汽箱3-1并形成一个回路。其中，冷凝器5通过管路与缓冲 器6相连，储热罐1、加热组件2、放热组件3、冷凝器5和缓冲器6及将冷 凝器5、缓冲器6和蒸汽箱3-1两两连接的管路都包有保温层。优选地，放 热组件3与储热罐1之间设有隔热材料4。在需要间断调节供暖的非能动单 罐储热供暖系统中(如住宅类供暖)，因不需要供暖而关闭水流进而不再生产 蒸汽把热量导出时，隔热材料4的设置使得本发明能通过隔热材料4的厚度 实现该导热的控制，从而控制放热组件3内残留的蒸汽升温的速率，并由此 控制压力在一定时间内不超限，避免热量在关闭水流后通过导热使放热组件 3内残留的蒸汽很快升温，使得压力升高快，不易控制。

储热罐1的具体结构如图2A所示。储热罐1为一个罐体，该罐体包括 罐体侧壁1-1以及通过法兰螺栓分别连接或焊接于罐体侧壁1-1的顶部和底 部的罐体顶盖1-2和罐体底盖1-3。

储热罐1内填充有用于蓄热的储热介质1-7。优选地，储热罐1内部的 储热介质1-7可以是相变材料或流体(例如熔盐)，且储热罐1的顶部设置有 介质入口1-8和排气口1-10，底部设置有介质出口1-9，使得分别起到注入储 热流体、排空储热罐1的空气以及当储热罐1需要维修时排空储热流体的作 用。此外，储热介质1-7也可以是固体，此时储热罐1可以不需要设置介质 入口1-8、排气口1-10和介质出口1-9，储热介质1-7在顶盖1-2安装之前装入储热罐1内，若需要维修，则将顶盖1-2拆卸后，再拆除储热介质1-7。

顶盖1-2上固定(例如焊接)有多个竖直且开口朝上的放热管套筒1-4， 用于插入下文将详述的放热组件3的换热套管(请参见图4)；底盖1-3上固 定(例如焊接)有多个竖直且开口朝下的加热管套筒1-5，用于插入下文将 详述的加热组件2的电热元件2-1(请参见图2)。如图2B-2C所示，两种套 筒1-4、1-5沿储热罐1的内部的横截面方向均匀且彼此相间地排布，放热管 套筒1-4、加热管套筒1-5彼此相间地共同排布为正方形排列，此时管间距也 能保证均匀；管束排列还可以按圆形、正三角形排列等。优选地，放热管套 筒1-4的形状为圆形，其内径与放热组件3的棒状部分相适应；加热管套筒 1-5的形状为圆形，其内径与加热组件2的棒状部分相适应。该实施例仅作 为示例而并非用于限制，例如，形状还可以是与加热组件2和放热组件3的 棒状部分相适应的椭圆形、多边形或其它形状。

再请参见图2A，套筒1-4、1-5之间设置有支撑筋板(或网)1-6，用于 支撑套管和强化导热，其材质、数量和排列间距不受限制。优选地，如图3 所示，支撑筋板(或网)1-6为半圆形形状的薄片，其上面的孔洞形状及排 列布置与放热管套筒1-4和加热管套筒1-5对应。该实施例仅作为示例而并 非用于限制，例如，形状还可以是圆环形、扇形等，以在保证所有的支撑筋 板(或网)1-6都是一个规格的同时保证储热介质1-7能被注入和排出。

如图4所示，加热组件2包括加热器电源总线盒2-2和设于加热器电源 总线盒2-2顶部的电热元件2-1。其中，该电热元件2-1为竖直的棒状部分， 用于插入上文所述的加热管套筒1-5。

如图5所示，放热组件3包括蒸汽箱3-1和设于蒸汽箱3-1底部的换热 套管。蒸汽箱3-1的顶部设有箱蒸汽出口3-9，用于与上文所述的冷凝器5 相连通；其底部还设有箱进水口3-5，用于与上文所述的缓冲器6相连通。 该换热套管为竖直的棒状部分，其包括换热外管3-2和换热内管3-3，用于形 成蒸汽流通的通道。换热内管3-3与换热外管3-2之间设置有限位器3-4，用 于将换热内管3-3支撑在换热外管3-2的中心，保障蒸汽流通的通道畅通。换热内管3-3两端开口，其上端为管进水口3-6，下端为管出水口3-7，换热 外管3-2上端开口且下端封闭，上端为管蒸汽出口3-8。换热外管3-2和换热 内管3-3的上端都插入蒸汽箱3-1内。

限位器3-4为换热内管3-3外表面的焊接结构，优选地，其形状可以如 图6所示为纵向薄翅片。其高度不大于换热外管3-2的内径，其长度和数目 不受限制。此外，限位器3-4的形状也可以是小柱子。放热组件3内部具有 传热工质蒸汽，在本实施例中为水蒸气，此外还可以是其他符合冷凝条件的 化学蒸气如烃类有机剂。

再请参见图1，冷凝器5一端的入口通过管路与放热组件3相连，另一 端的出口通过管路与缓冲器6相连。冷凝器5的内部设有冷却回路5-1，冷 凝器5通过该冷却回路5-1与一供暖系统相连，其进口介质为供暖回水或冷 空气，出口介质为供暖热水或热空气，以实现与供暖系统换热。

如图7所示，缓冲器6包括存水箱6-1和控制阀6-2，存水箱6-1顶部设 有缓冲管接口6-7，该缓冲管接口6-7通过缓冲管6-4与控制阀6-2的出水端， 即缓冲器6的出水端相连；所述存水箱6-1底部还具有出水管接口6-8，该出 水管接口6-8通过出水管6-3和控制阀6-2的进水端相连。此外，存水箱6-1 的顶部设有冷凝水进口6-6和注水口6-9。其中，冷凝水进口6-6用于连接冷 凝器5的出口。

再请参见图7，注水口6-9上连接有一泄压阀6-5。当存水箱6-1初次注 水时，通过注水口6-9注水，初次注水的最高液位6-10不能淹没存水箱6-1 的缓冲管接口6-7和注水口6-9。当注水完成后，将该泄压阀6-5装在注水口 6-9上，防止系统在运行过程中压力过高，超过设计值。此外，该泄压阀还 可以设置在缓冲管6-4或其他接口上。当泄压阀6-5不连接在注水口6-9上时， 通过注水口6-9注水，当注水完成后，封闭注水口6-9。

图8为根据本发明的第二种优选实施例的储热罐和加热组件的结构示意 图，其中与图2A中类似的部件采用相同的附图标记标示。与图1-图4所示 的非能动单罐储热供暖系统的储热罐和加热组件的实施例不同的是，本实施 例中储热罐1的底盖1-3上并没有固定开口朝下的加热管套筒1-5，且加热组 件2是高频电磁感应加热电源，包括高频电磁感应线圈2-3和高频感应发生 器2-4，其中，高频电磁感应线圈2-3均匀缠绕在储热罐1上。在本实施例中， 罐体侧壁1-1的材质为非导电材料，以保证高频电磁场进入罐体内部，同时 避免高频电磁感应线圈2-3与罐体侧壁1-1导通引发短路；放热管套筒1-4 的材质为导电材料，以实现感应加热；支撑筋板(或网)1-6的材质不受限 制，优选导电材料。

在图9中为根据本发明的第三种优选实施例的储热罐和加热组件的结构 示意图。本发明还提供了第三种优选的实施例，其中与图3中类似的部件采 用相同的附图标记标示。与图1～图4及图8所示的这两个实施例不同的是， 本实施例的加热组件2两端分别连接介质入口1-8和介质出口1-9，包括从介 质出口1-9一端依次排布的第二阀门2-5、储罐2-6、加热器2-7和泵2-8，储 热介质1-7是流体。该实施例的加热过程采用泵2-8，但其放热过程没有依赖 泵，仍然是非能动的。

优选地，上述第一和第二优选实施例中，储热罐1内的储热介质1-7可 以是固体，例如如图10所示的蜂窝状储热砖，其厚度不受限制，通过一截截 摞起来填充整个储热罐1。

本发明还提供了一种采用上述非能动单罐储热供暖系统实现储热供暖的 方法，包括储热过程和放热供暖过程，具体步骤如下：

步骤S1：储热过程：

启动加热组件2，将储热罐1内的储热介质1-7缓慢加热至设定温度， 然后关闭加热组件2。

步骤S2：开启放热过程：

打开缓冲器6的控制阀6-2，根据供暖用户所需负荷的大小，通过调节 控制阀6-2的开度以控制缓冲器6的出水速度。缓冲器6的存水箱6-1中的 水在重力作用下流入蒸汽箱3-1底部，通过放热组件3的管进水口3-6流入 换热内管3-3并向下流动，在其底部折流向上进入换热外管3-2与换热内管 3-3形成的环腔，并被加热至沸腾，蒸汽沿环腔进入到蒸汽箱3-1上部，并流 入冷凝器5，经冷凝后的冷凝水在重力作用下，又返回到存水箱6-1中，形 成一个闭式自然循环。该过程达到动态平衡后，系统中的压力达到稳定。供 暖回水或冷空气通过冷凝器5换热冷却蒸汽，将热量载入供暖系统。

步骤S3：关闭放热过程；

当需要减小或停止放热时，调小或关闭缓冲器6的控制阀6-2，此时缓 冲器6的出水速度减小或停止，从而减少或停止生产蒸汽。此时蒸汽箱3-1 及其连接冷凝器5的管道内还留有较多蒸汽，经过冷凝器5冷凝后的冷凝水 在重力作用下进入存水箱6-1中，由于进水量大于出水量，如果没有设置缓 冲管6-4将存水箱6-1上部的气体空腔与蒸汽箱3-1连通，将导致存水箱6-1 中的压力逐渐升高，当压力达到一定时，冷凝器5内的冷凝水将不能进入到 存水箱6-1中，从而导致蒸汽回路断流，蒸汽不能得到冷凝，由于储热罐1 仍有少量热能通过导热传到蒸汽箱3-1，使蒸汽温度升高，导致系统的压力 缓慢升高，引发危险。缓冲器6的设置确保了蒸汽通道的流通，使系统在运 行过程中的压力在安全的设计范围内。即使出现意外情况，系统压力过高， 泄压阀6-5也能保证安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发 明的上述实施例还可以做出各种变化，例如，图1中的隔热材料4可以如图 11所示被省去，并用于不需要间断调节供暖的非能动单罐储热供暖系统中如 24小时供暖一般不会间断的医院、车站、机场等场所的非能动单罐储热供暖 系统。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效 变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。

Claims (12)

1.一种非能动单罐储热供暖系统，包括储热罐(1)、加热组件(2)和位于其上部的放热组件(3)，其特征在于，所述放热组件(3)包括蒸汽箱(3-1)和设于其下方的换热套管；所述蒸汽箱(3-1)通过管路与一冷凝器(5)相连，该冷凝器(5)则分别与一缓冲器(6)和一供暖系统相连，所述缓冲器(6)的出水端则连接蒸汽箱(3-1)并形成一个回路。

2.根据权利要求1所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述缓冲器(6)包括存水箱(6-1)和控制阀(6-2)，存水箱(6-1)顶部设有缓冲管接口(6-7)，该缓冲管接口(6-7)通过缓冲管(6-4)与控制阀(6-2)的出水端相连；所述存水箱(6-1)底部还具有出水管接口(6-8)，该出水管接口(6-8)通过出水管(6-3)和控制阀(6-2)的进水端相连。

3.根据权利要求2所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述存水箱(6-1)的顶部设有冷凝水进口(6-6)和注水口(6-9)；所述存水箱(6-1)还包括一设于注水口(6-9)或缓冲管(6-4)上的泄压阀。

4.根据权利要求1所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述换热套管包括上端开口且下端封闭的换热外管(3-2)和两端开口的换热内管(3-3)，换热内管(3-3)与换热外管(3-2)之间设有限位器(3-4)；所述换热内管(3-3)与换热外管(3-2)上端插入所述蒸汽箱(3-1)内。

5.根据权利要求1所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述储热罐(1)包括罐体侧壁(1-1)、顶盖(1-2)、底盖(1-3)，所述顶盖上设有用于插入所述换热套管的放热管套筒(1-4)；储热罐(1)内填充有储热介质(1-7)。

6.根据权利要求5所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述放热管套筒(1-4)之间设有半圆形、圆环形或扇形的支撑筋板或网(1-6)。

7.根据权利要求5所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述储热罐(1)的顶部设置有介质入口(1-8)和排气口(1-10)，底部设置有介质出口(1-9)；所述加热组件(2)两端分别连接该介质入口(1-8)和介质出口(1-9)，且该加热组件(2)包括从介质出口(1-9)一端依次排布的第二阀门(2-5)、储罐(2-6)、加热器(2-7)和泵(2-8)。

8.根据权利要求5所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述加热组件(2)包括加热器电源总线盒(2-2)和设于加热器电源总线盒(2-2)顶部的电热元件(2-1)；所述底盖(1-3)上设有与放热管套筒(1-4)相间排布的加热管套筒(1-5)，所述电热元件(2-1)插入所述加热管套筒(1-5)。

9.根据权利要求5所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述加热组件(2)为高频电磁感应加热电源，包括高频电磁感应线圈(2-3)和高频感应发生器(2-4)，所述高频电磁感应线圈(2-3)缠绕在储热罐(1)上；所述罐体侧壁(1-1)的材质为非导电材料，且所述放热管套筒(1-4)的材质为导电材料。

10.根据权利要求1所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述放热组件(3)与储热罐(1)之间设有隔热材料(4)。

11.根据权利要求5所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述储热介质(1-7)是相变材料、流体或固体。

12.根据权利要求1所述的非能动单罐储热供暖系统，其特征在于，所述冷凝器(5)通过管路与所述缓冲器(6)相连，所述缓冲器(6)的出水端通过管路连接所述蒸汽箱(3-1)；储热罐(1)、加热组件(2)、放热组件(3)冷凝器(5)和缓冲器(6)及将冷凝器(5)、缓冲器(6)和蒸汽箱(3-1)两两连接的管路都包有保温层。