CN109764734A - 一种多级互补式蓄热装置及方法 - Google Patents

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Abstract

发明公开了一种多级互补式蓄热装置及方法，包括由依次串联连接的高温、中温和低温相变蓄热器构成的三级相变蓄热器，各级相变蓄热器内设置多套换热器，三种相变蓄热器采用了模块化的梯级蓄能模式，通过控制阀门、控制阀、循环泵和级间控制阀的启闭，通过串联、并联以及串并联混合的组合方式组成多种蓄热模式。对于不同温度和不同能量层级的多种热源，以及随时间不断变化的热源实现自适应的蓄热功能；同时，根据不同的用能需求，实现多级互补式取热功能。避免了大温差蓄热或取热带来的能量损失，系统的运行效率和节能特性得到大大提高。

Description

一种多级互补式蓄热装置及方法
技术领域
本发明属于热能存储和节能技术领域，特别涉及一种多级互补式蓄热装置及方法。
背景技术
在工业领域，存在着大量的余热和废热，对其合理利用对于节能减排具有重要意义。同样，在太阳能的热利用中，由于太阳能的能流密度较低，在时间和空间上分布不均匀，以及太阳能与建筑用能在时间上的延迟差异性等问题，限制了太阳能的高效利用。
热能储存技术用于解决热能供需间的矛盾，是提高能源的利用效率和保护环境的重要技术，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑物采暖与空调的节能领域具有广阔的应用前景。潜热蓄热是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其它形式的相变过程中都要吸收或放出相变潜热的原理。利用相变材料的相变潜热进行热能储存的储热技术，由于具有储能密度高、相变温度相对稳定等优点倍受人们的关注。近年来已经成为世界范围内的研究热点。
相变蓄热材料的开发和相变蓄热技术的应用研究相当广泛，然而，大多数都是围绕具体的目标深入进行，而对于大量存在的多种温度下的热源、不同层级能量来源和随时间变化的热源来说，缺乏自适应的调控措施和方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，针对具有不同温度和不同能量层级的多种热源，以及随时间不断变化的热源。本发明提出了一种多级互补式蓄热装置及方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种多级互补式蓄热装置，包括由依次串联连接的高温相变蓄热器C、中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A构成的三级相变蓄热器，所述三级相变蓄热器分别通过阀门共同并联连通于进口主管路和出口主管路上，且各级相变蓄热器之间上一级出口端与下一级进口端通过控制阀连通；所述各级相变蓄热器之间通过级间控制阀连通；所述各级相变蓄热器内设置多套换热器，各级间换热器之间设有循环泵；通过控制阀门、控制阀、循环泵和级间控制阀的开启和关闭，切换不同的蓄热或取热模式。
对于上述技术方案，本发明还包括进一步优选的方案：
进一步，所述低温相变蓄热器A与高温相变蓄热器C内各设置有两套换热器，一套是第一、第三蓄热/取热换热器A1和C1；另一套是用于与中温相变蓄热器B进行热量交换的第一、第三蓄热互补换热器A2和C2。
进一步，所述中温相变蓄热器B内设置有三套换热器，一套是第二蓄热/取热换热器B1，一套是用于与高温相变蓄热器C的蓄热互补换热器进行热量交换的第二蓄热互补换热器B2，第三套是用于与低温相变蓄热器A的蓄热互补换热器进行热量交换的第四蓄热互补换热器B3。
进一步，所述低温相变蓄热器A的蓄热互补换热器A2与中温相变蓄热器B的第四蓄热互补换热器B3通过第一级间控制阀I和第二循环泵连接；所述中温相变蓄热器B的第三蓄热互补换热器B2与高温相变蓄热器C的第二蓄热互补换热器C2通过第二级间控制阀II和第一循环泵连接。
进一步，所述低温相变蓄热器A内相变材料的相变温度在30℃-40℃之间，高温相变蓄热器C内相变材料的相变温度在90℃-110℃之间，中温相变蓄热器B内相变材料的相变温度在60℃-75℃之间。
进一步，根据热源的稳定性、热源温度、流量以及蓄热和取热要求，确定多级互补式蓄热装置的以下五种运行模式：
1)蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，而且热源的温度和流量随时间变化剧烈时，采用串并联的快速蓄热模式；取热工况下，当取热温度在低温相变蓄热器A相变温度和高温相变蓄热器C相变温度之间且需要快速取热时，采用串并联快速取热模式；
2)蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，而且热源的温度稳定、流量充足时，采用并联蓄热模式；取热工况下，当取热温度在低温相变蓄热器A相变温度和高温相变蓄热器C相变温度之间时，采用并联取热模式；
3)蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，但热源的流量有限时，采用串联蓄热模式；取热工况下，当取热温度大于或等于高温相变蓄热器C内的相变温度时，采用串联取热模式；
4)蓄热工况下，当热源温度小于高温相变蓄热器C的相变温度但大于中温相变蓄热器B的相变温度时，采用一串二并的串并联蓄热模式；当热源温度小于中温相变蓄热器B的相变温度但大于低温相变蓄热器A的相变温度时，采用二串一并的串并联蓄热模式；
5)取热工况下，当取热温度小于中温相变蓄热器B的相变温度但大于低温相变蓄热器A的相变温度时，开启从高温到中温的能量互补模式；当取热温度小于低温相变蓄热器A的相变温度时，开启从高温到中温再到低温的能量互补模式。
进一步，在各级间控制阀、循环泵关闭的情况下，其余各阀门和控制阀全部开启，三个相变蓄热器形成串并联快速蓄热或串并联快速取热模式。
进一步，在各控制阀、级间控制阀和循环泵关闭，同时开启连通于进口主管路和出口主管路上的阀门情况下，三级相变蓄热器形成并联蓄热或并联取热模式。
进一步，在级间控制阀和循环泵关闭，同时仅开启连通高温相变蓄热器C进口阀门、连通低温相变蓄热器A出口阀门和连通各级相变蓄热器之间的控制阀，三个相变蓄热器形成串联蓄热或串联取热模式。
进一步，在各级间控制阀和循环泵关闭，高温相变蓄热器C的出口阀门关闭，同时仅开启连通高温相变蓄热器C、中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的进口阀门的情况下，关闭中温相变蓄热器B与低温相变蓄热器A之间的控制阀，开启高温相变蓄热器C与中温相变蓄热器B之间的控制阀，开启中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的出口阀门，形成一串二并的串并联蓄热模式；开启各级相变蓄热器之间上一级出口端与下一级进口端的控制阀，开启中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的出口阀门，形成二串一并的串并联蓄热模式。
进一步，在各阀门关闭的情况下，开启第二控制阀II和第一循环泵或者开启第一控制阀I和第二循环泵或者同时开启第一、二控制阀I、II和第一、第二循环泵，实现相变蓄热器之间从高温到中温、中温到低温或者高温到中温再到低温的能量互补。
与现有技术相比，本发明采用了模块化的梯级蓄能模式，三种相变蓄热器可以通过串联、并联以及串并联混合的组合方式组成多种蓄热模式，对于不同温度和不同能量层级的多种热源，以及随时间不断变化的热源实现自适应的蓄热功能；同时，在蓄热时，根据热源种类、能量层级和能量大小的不同，进行对应蓄热温度的能量存储，可以避免大温差蓄热带来的能量损失；在取热时，根据用能需求，可以避免大温差蓄热带来的能量损失，系统的效率和节能也得到提高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的结构流程和原理图；
图2是三个相变蓄热器所采用的第一套换热器，即蓄热/取热换热器；
图3是低温相变蓄热器A、中温相变蓄热器B与高温相变蓄热器C所采用的蓄热互补换热器，其中低温相变蓄热器A与高温相变蓄热器C内设置有一套蓄热互补换热器，中温相变蓄热器B内设置有两套蓄热互补换热器。
图中：1、第一阀门；2、第二阀门；3、第三阀门；4、第四阀门；5、第五阀门；6、第六阀门；7、第一控制阀；8、第二控制阀；9、第一循环泵；10、第二循环泵；I、第一级间控制阀；II、第二极间控制阀。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
参照图1所示，一种多级互补式蓄热装置，包括三个相变蓄热器，分别是低温相变蓄热器A、中温相变蓄热器B和高温相变蓄热器C，这三个相变蓄热器共用一套进口主管路和一套出口主管路。其中：
低温相变蓄热器A、中温相变蓄热器B和高温相变蓄热器C的一端分别通过第三阀门3、第二阀门2和第一阀门1与蓄热进口主管道(或取热出口主管道)连接；同时，低温相变蓄热器A、中温相变蓄热器B和高温相变蓄热器C的另一端分别通过第六阀门6、第五阀门5和第四阀门4与蓄热出口主管道(或取热进口主管道)连接。
从蓄热流程方向来看，高温相变蓄热器C与第四阀门4的连接端又与中温相变蓄热器B的进口端通过第一控制阀7连接；同样，中温相变蓄热器B与第五阀门5的连接端又与低温相变蓄热器A的进口端通过第二控制阀8连接。
其中，低温相变蓄热器A内相变材料的相变温度在30℃-40℃之间，高温相变蓄热器C内相变材料的相变温度在90℃-110℃之间，中温相变蓄热器B内相变材料的相变温度在60℃-75℃之间。
在本实施例中，低温相变蓄热器A与高温相变蓄热器C内设置有两套换热器，一套是蓄热/取热换热器(分别是第一和第三蓄热/取热换热器A1和C1)，用于蓄热过程和取热过程，如图2所示；另一套是蓄热互补换热器(分别是第一和第三蓄热互补换热器A2和C2)，如图3所示，用于与中温相变蓄热器B进行热量交换。中温相变蓄热器B内设置有三套换热器，第一套是第二蓄热/取热换热器B1，用于蓄热过程和取热过程；第二套是第二蓄热互补换热器B2，用于与高温相变蓄热器C的第三蓄热互补换热器C2进行热量交换，第三套是第四蓄热互补换热器B3，用于与低温相变蓄热器A的第一蓄热互补换热器A2进行热量交换。
低温相变蓄热器A的第一蓄热互补换热器A2与中温相变蓄热器B的第四蓄热互补换热器B3通过第一级间控制阀I与第二循环泵10连接；中温相变蓄热器B的第二蓄热互补换热器B2与高温相变蓄热器C的第三蓄热互补换热器C2通过第二级间控制阀II和第一循环泵9连接。
根据热源的稳定性、热源温度、流量以及蓄热和取热要求，确定本发明多级互补式蓄热装置的以下五种运行模式：
1)蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，而且热源温度和流量随时间变化剧烈时，采用串并联的快速蓄热模式；取热工况下，当取热温度在低温相变蓄热器A相变温度和高温相变蓄热器C相变温度之间且需要快速取热时，采用串并联快速取热模式。
具体的，在第二级间控制阀II和第一级间控制阀I关闭，第一循环泵9和第二循环泵10关闭的情况下，其余各阀门和控制阀全部开启，三个相变蓄热器可以形成串并联快速蓄热(或串并联快速取热)模式。
2)蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，而且热源的温度稳定、流量充足时，采用并联蓄热模式；取热工况下，当取热温度在低温相变蓄热器A相变温度和高温相变蓄热器C相变温度之间时，采用并联取热模式。
具体的，在第一控制阀7、第二控制阀8、第一级间控制阀I、第二级间控制阀II、第一循环泵9和第二循环泵10关闭的情况下，同时开启第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5和第六阀门6的情况下，三个相变蓄热器形成了并联蓄热(或并联取热)模式。
3)蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，但热源的流量有限时，采用串联蓄热模式；取热工况下，当取热温度大于或等于高温相变蓄热器C内的相变温度时，采用串联取热模式。
具体的，在第一级间控制阀I、第二级间控制阀II、第一循环泵9和第二循环泵10关闭的情况下，同时开启第一阀门1、第一控制阀7、第二控制阀8和第六阀门6的情况下，三个相变蓄热器形成了串联蓄热(或串联取热)模式。
4)蓄热工况下，当热源温度小于高温相变蓄热器C的相变温度但大于中温相变蓄热器B的相变温度时，采用一串二并的串并联蓄热模式；当热源温度小于中温相变蓄热器B的相变温度但大于低温相变蓄热器A的相变温度时，采用二串一并的串并联蓄热模式。
具体的，在第二级间控制阀II和第一级间控制阀I关闭，第一循环泵9和第二循环泵10关闭的情况下，高温相变蓄热器C的出口阀门4关闭，同时仅开启连通高温相变蓄热器C、中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的进口阀门的情况下，工况A为关闭第二控制阀8，开启第一控制阀7，开启中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的出口阀门5和6，形成一串二并的串并联蓄热模式；工况B为开启第一、第二控制阀7和8，开启中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的出口阀门5和6，形成二串一并的串并联蓄热模式。
5)取热工况下，当取热温度小于中温相变蓄热器B的相变温度但大于低温相变蓄热器A的相变温度时，开启从高温到中温的能量互补模式；当取热温度小于低温相变蓄热器A的相变温度时，开启从高温到中温再到低温的能量互补模式。
具体的，在各阀门关闭的情况下，开启第二控制阀II和第一循环泵9或者开启第一控制阀I和第二循环泵10或者同时开启第一、二控制阀I、II和第一、第二循环泵9、10，实现相变蓄热器之间从高温到中温、中温到低温或者高温到中温再到低温的能量互补。
上述五种工况具体为：
工况1：第二级间控制阀II和第一级间控制阀I关闭，第一循环泵9和第二循环泵10关闭，其余各阀门和控制阀全部开启。
工况2：第一控制阀7、第二控制阀8、第一级间控制阀I、第二级间控制阀II、第一循环泵9和第二循环泵10关闭，第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、第四阀门4、第五阀门5和第六阀门6开启。
工况3：第一级间控制阀I、第二级间控制阀II、第一循环泵9和第二循环泵10关闭，第四阀门4、第五阀门5、第二阀门2、第三阀门3关闭；仅第一阀门1、第一控制阀7、第二控制阀8和第六阀门6开启。
工况4：第二级间控制阀II和第一级间控制阀I关闭，第一循环泵9和第二循环泵10关闭，第四阀门4关闭，第一、二、三阀门1、2、3开启。一串二并为：第二控制阀8关闭，第一控制阀7开启，第五、六阀门5和6开启；二串一并为：第一、二控制阀7和8开启，第五、六阀门5和6开启。
工况5：第二控制阀II和第一循环泵9开启，或者第一控制阀I和第二循环泵10开启，或者第一、二控制阀I、II和第一、二循环泵9、10同时开启。
本发明采用了模块化的多级梯级蓄能模式，三种相变蓄热器可以通过串联、并联以及串并联混合的组合方式组成多种蓄热模式，对于不同温度和不同能量层级的多种热源，以及随时间不断变化的热源实现自适应的蓄热功能，同时，在蓄热时，根据热源种类、能量层级和能量大小的不同，进行对应蓄热温度的能量存储，例如，当热源温度大于110℃，优先采用高温相变蓄热器C进行蓄热，同时开启第二级间控制阀II和第一循环泵9，开启第一级间控制阀I和第二循环泵10，实现能量的梯级存储，可以避免大温差蓄热带来的能量损失；同样，在取热时，根据用能需求，开启对应蓄热温度的取热模式，例如，当取热温度为50℃时，优先使用中温相变蓄热器B取热，同时开启第二级间控制阀II和第一循环泵9，实现能量的梯级取热，这样可以避免大温差蓄热带来的能量损失，系统的运行效率和节能也得到提高。
通过本发明装置，能够能量的多级互补存储和多级互补取热。进一步提高系统的运行效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种多级互补式蓄热装置，其特征在于，包括由依次串联连接的高温相变蓄热器C、中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A构成的三级相变蓄热器，所述三级相变蓄热器分别通过阀门共同并联连通于进口主管路和出口主管路上，且各级相变蓄热器之间上一级出口端与下一级进口端通过控制阀连通；所述各级相变蓄热器之间通过级间控制阀连通；所述各级相变蓄热器内设置多套换热器，各级间换热器之间设有循环泵；通过控制阀门、控制阀、循环泵和级间控制阀的开启和关闭，切换不同的蓄热或取热模式。
2.根据权利要求1所述的一种多级互补式蓄热装置，其特征在于，所述低温相变蓄热器A与高温相变蓄热器C内各设置有两套换热器，一套是第一和第三蓄热/取热换热器A1和C1；另一套是用于与中温相变蓄热器B进行热量交换的第一和第三蓄热互补换热器A2和C2；
所述中温相变蓄热器B内设置有三套换热器，一套是第二蓄热/取热换热器B1，一套是用于与高温相变蓄热器C的蓄热互补换热器进行热量交换的第二蓄热互补换热器B2，第三套是用于与低温相变蓄热器A的蓄热互补换热器进行热量交换的第四蓄热互补换热器B3。
3.根据权利要求2所述的一种多级互补式蓄热装置，其特征在于，所述低温相变蓄热器A的第一蓄热互补换热器A2与中温相变蓄热器B的第四蓄热互补换热器B3通过第一级间控制阀I和第二循环泵(10)连接；所述中温相变蓄热器B的第二蓄热互补换热器B2与高温相变蓄热器C的第三蓄热互补换热器C2通过第二级间控制阀II和第一循环泵(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种多级互补式蓄热装置，其特征在于，所述低温相变蓄热器A内相变材料的相变温度在30℃-40℃之间，高温相变蓄热器C内相变材料的相变温度在90℃-110℃之间，中温相变蓄热器B内相变材料的相变温度在60℃-75℃之间。
5.一种权利要求1-4任一项所述装置的一种多级互补式蓄热方法，其特征在于，
蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，而且热源温度和流量随时间变化剧烈时，采用串并联的快速蓄热模式；取热工况下，当取热温度在低温相变蓄热器A相变温度和高温相变蓄热器C相变温度之间且需要快速取热时，采用串并联快速取热模式；
蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，而且热源的温度稳定、流量充足时，采用并联蓄热模式；取热工况下，当取热温度在低温相变蓄热器A相变温度和高温相变蓄热器C相变温度之间时，采用并联取热模式；
蓄热工况下，当热源温度大于高温相变蓄热器C的相变温度，但热源的流量有限时，采用串联蓄热模式；取热工况下，当取热温度大于或等于高温相变蓄热器C内的相变温度时，采用串联取热模式；
蓄热工况下，当热源温度小于高温相变蓄热器C的相变温度但大于中温相变蓄热器B的相变温度时，采用一串二并的串并联蓄热模式；当热源温度小于中温相变蓄热器B的相变温度但大于低温相变蓄热器A的相变温度时，采用二串一并的串并联蓄热模式；
取热工况下，当取热温度小于中温相变蓄热器B的相变温度但大于低温相变蓄热器A的相变温度时，开启从高温到中温的能量互补模式；当取热温度小于低温相变蓄热器A的相变温度时，开启从高温到中温再到低温的能量互补模式。
6.根据权利要求5所述的一种多级互补式蓄热方法，其特征在于，在各级间控制阀、循环泵关闭的情况下，其余各阀门和控制阀全部开启，三个相变蓄热器形成串并联的快速蓄热或串并联快速取热模式。
7.根据权利要求5所述的一种多级互补式蓄热方法，其特征在于，在各控制阀、级间控制阀和循环泵关闭，同时开启连通于进口主管路和出口主管路上的阀门情况下，三级相变蓄热器形成并联蓄热或并联取热模式。
8.根据权利要求5所述的一种多级互补式蓄热方法，其特征在于，在各级间控制阀和循环泵关闭，同时仅开启连通高温相变蓄热器C进口阀门、连通低温相变蓄热器A出口阀门和连通各级相变蓄热器之间的控制阀，三个相变蓄热器形成串联蓄热或串联取热模式。
9.根据权利要求5所述的一种多级互补式蓄热方法，其特征在于，在各级间控制阀和循环泵关闭，高温相变蓄热器C的出口阀门关闭，同时仅开启连通高温相变蓄热器C、中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的进口阀门的情况下，关闭中温相变蓄热器B与低温相变蓄热器A之间的控制阀，开启高温相变蓄热器C与中温相变蓄热器B之间的控制阀，开启中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的出口阀门，形成一串二并的串并联蓄热模式；开启各级相变蓄热器之间上一级出口端与下一级进口端的控制阀，开启中温相变蓄热器B和低温相变蓄热器A的出口阀门，形成二串一并的串并联蓄热模式。
10.根据权利要求5所述的一种多级互补式蓄热方法，其特征在于，在各阀门关闭的情况下，开启第二控制阀II和第一循环泵(9)或者开启第一控制阀I和第二循环泵(10)或者同时开启第一、二控制阀I、II和第一、第二循环泵(9、10)，实现相变蓄热器之间从高温到中温、中温到低温或者高温到中温再到低温的能量互补。
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