CN110469891B - 一种固体显热蓄热供热系统及方法 - Google Patents

一种固体显热蓄热供热系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体显热蓄热供热系统及方法，包括一次侧循环水泵、固体显热蓄热换热器、缓冲水箱、换热器、一次侧管网、二次侧管网；一次侧循环水泵、固体显热蓄热换热器、缓冲水箱、换热器通过一次侧管网顺次连接构成供热一次侧闭合回路；一次侧管网与二次侧管网通过换热器相连。本发明通过缓冲水箱的设计缓解了蓄热器出口温度输出波动的问题，简化蓄热器的结构与控制，提高了一次侧换热对二次侧的响应速率。本发明的实施可增强固体蓄热系统在工程应用中的适应性和可靠性。

Description

一种固体显热蓄热供热系统及方法
技术领域
本发明涉及一种固体显热蓄热供热系统及方法，属于显热蓄热供热技术领域。
背景技术
在太阳能热利用、电力的“峰移填谷”、废热和余热的回收利用等新的能源利用方式中，能源的供应与用户侧的能源需求往往存在一定的时间差，蓄热技术正是调节这种矛盾的有效途径。蓄热技术在航天、轻工、建筑、供暖等领域有广泛的应用，主要有热化学蓄热、显热蓄热和相变蓄热3种不同的分类。
显热蓄热是通过蓄热体的比热容和温差实现蓄热，通过温度的升高或降低而实现热量的储存或释放的过程。显热蓄热的具体形式包括固体显热蓄热和液体显热蓄热两种，典型的蓄热装置包括储热水罐、混凝土砖、耐火砖等。对于液体显热蓄热换热器，液体可以直接输送到换热器中进行换热，通过流量的控制可以很好的控制换热功率。而对于固体显热蓄热体，由于蓄热体不具有流动性，而且，蓄热体温度会随着换热过程不断变化，稳定输出功率和温度的固体显热蓄热换热器的设计比较困难。为了解决这一问题，中国专利CN105953202B和CN106016219A，提出主要采用并联和串联管路的方式，通过在不同的温区段切换相应的管路增加换热面积的方法解决此问题。该方法可以实现蓄热器的换热功率在一定的允许范围内波动以满足工程实际需求。为了得到更小的波动范围，管路的分段数必须得到不断的增加，但是由于蓄热体的尺寸和结构布置限制，分段数也是受到一定的限制的。而且，分段数量的增加，会带来控制部件可靠性的降低。因此，该方法需要找到工程应用中波动范围与控制复杂程度的平衡。
由此可见，单纯的依靠管路串并联方式控制换热面积在实际应用中并不能完全解决固体蓄热体可靠实现稳定功率输出的目的，尤其是蓄热温差很大的蓄热体而言，控制的安全系数会急剧降低。因此，改进单纯依靠换热面积调节的固体显热蓄热体换热器的设计方法，得到输出波动更小，系统可靠性更高的换热系统方法，对于固体显热蓄热换热器的优化设计具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种固体显热蓄热供热系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种固体显热蓄热供热系统包括一次侧循环水泵、固体显热蓄热换热器、缓冲水箱、换热器、一次侧管网、二次侧管网；一次侧循环水泵、固体显热蓄热换热器、缓冲水箱、换热器通过一次侧管网顺次连接构成供热一次侧回路；一次侧管网与二次侧管网通过换热器相连实现一二次侧换热；
缓冲水箱包括承压壳体、入水口、出水口、排气减压口、加热器、温度传感器、压力传感器；承压壳体上分别设有入水口、出水口，顶部设有排气减压口，底部装有加热器，内部分别装有温度传感器和压力传感器；入水口和出水口通过一次侧管网分别与固体显热蓄热换热器出口和换热器热流体入口相连。
所述的固体显热蓄热换热器包括蓄热主体、换热管安装孔、加热安装孔和测温孔；蓄热主体为固体蓄热材料，固体蓄热材料上可设有若干填充孔，填充孔内可填充蓄热胶囊，蓄热胶囊中的蓄热材料为相变蓄热材料；蓄热主体上分别设有贯穿的换热管安装孔、加热安装孔以及若干测温孔，分别用于安装换热管路、加热棒或加热电极以及温度传感器；换热管安装孔、加热安装孔、测温孔与填充孔之间均不相交。所述的固体蓄热材料可以包括石墨、碳棒、混凝土、耐火砖。所述的相变蓄热材料可以包括熔盐、陶瓷。
所述的显热蓄热换热器内的换热管路，采用若干段串联或并联的方式切换，以调节不同蓄热温区的换热面积。
一种利用上述固体显热蓄热供热系统的供热方法：首先，将固体显热蓄热换热器加热升温到工作温度范围；开始工作时，启动一次侧循环水泵到最大设计循环流量，固体显热蓄热换热器内管路按照最低蓄热温区开启管路阀门，而二次侧不工作，一次侧管网内的低温水通过循环在固体显热蓄热换热器内进行快速加热，同时开启缓冲水箱内的加热器，加速启动预热阶段，当缓冲水箱内的温度传感器监测到温度达到一次侧供水温度Ts1时，预热阶段完成，加热器停止加热；然后，循环水泵和固体显热蓄热换热器根据当前蓄热体温度，自动调节到相应温区的设计循环流量和换热管路；开启二次侧管路循环，冷水流入换热器的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，达到供热循环目的；在换热过程中，在同一温区内，一次侧的循环流量和换热管路保持不变，而蓄热温度在不断下降，导致固体显热蓄热换热器出口的水温出现逐渐下降的趋势，当下降到下一个温区的设计阈值时，固体显热蓄热换热器的管路开始调节，使得换热面积增加，导致出口温度突升，从而导致整个温区内固体显热蓄热换热器出口温度呈现出锯齿状；在此过程中，固体显热蓄热换热器的出口热水通过与缓冲水箱内的余水混合实现温度波动的缓冲调节，再通过换热器与二次侧换热，从而改善了显热蓄热出口温度波动对二次侧换热的影响；
其中缓冲水箱中的控温过程如下：
在固体显热蓄热换热器中的蓄热体加热循环水的过程中，将蓄热体温度输出随时间的变化划分为若干个子时间段，当温度变化到第i阶段时，固体显热蓄热换热器出口水温度为Tt,缓冲水箱内的初始水温为Tsi，一次侧的循环流量为q(t),缓冲水箱的储水量为m，此时，Δt时刻后，缓冲水箱出口及换热器热水入口水温为：
Figure BDA0002145979060000031
式中，Txi为第i阶段的Δt时段内流入水箱的平均温度，Ts'i为第i阶段经过Δt时刻流出缓冲水箱进入换热器热水入口的温度；
当出口水温度Tt出现波动时，从缓冲水箱流出的水温Ts'i波动被缓冲。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)缓冲水箱降低了一次侧换热器入口温度的波动，从而提高了一次侧换热对二次侧的响应速率；
2)缓冲水箱提高了蓄热器出口温度的允许波动范围，从而降低了管路串并联控制的复杂程度，提高控制分流的可靠性；
3)本系统通过缓冲水箱的设计，简化了蓄热器的控制，使蓄热器的结构变得简单，降低了系统的投资成本。
附图说明
图1是固体显热蓄热供热系统图；
图2是缓冲水箱结构图；
图3是固体显热蓄热换热器结构剖面图；
图4是结合相变材料的固体显热蓄热换热器示意图(图3的中心剖面)；
图中：一次侧循环水泵1、固体显热蓄热换热器2、缓冲水箱3、换热器4、一次侧管网5、二次侧管网6、承压壳体7、入水口8、出水口9、排气减压口10、加热器11、温度传感器12、压力传感器13、蓄热主体14、换热管安装孔15、加热安装孔16、测温孔17、填充孔18、蓄热胶囊19。
具体实施方式
如图1所示，一种固体显热蓄热供热系统包括一次侧循环水泵1、固体显热蓄热换热器2、缓冲水箱3、换热器4、一次侧管网5、二次侧管网6；一次侧循环水泵1、固体显热蓄热换热器2、缓冲水箱3、换热器4通过一次侧管网5顺次连接构成供热一次侧闭合回路；一次侧管网5与二次侧管网6通过换热器4相连，实现一二次侧换热。
如图2所示，所述的缓冲水箱3包括承压壳体7、入水口8、出水口9、排气减压口10、加热器11、温度传感器12、压力传感器13。承压壳体7上分别设有入水口8、出水口9，顶部设有排气减压口10，底部装有加热器11，内部分别装有温度传感器12和压力传感器13。入水口8和出水口9通过一次侧管网5分别与固体显热蓄热换热器2出口和换热器4热流体入口相连。
如图3所示，所述的固体显热蓄热换热器2包括蓄热主体14、换热管安装孔15、加热安装孔16和测温孔17。蓄热主体14上分别设有贯穿的换热管安装孔15和加热安装孔16，以及若干测温孔17。换热管安装孔15中安装有换热管路，水流在一次侧循环水泵1的驱动下通过一次侧管网5流入换热管路中，与蓄热主体14进行换热，使水流温度升温，然后再依次经过缓冲水箱3以及换热器4后重新进入换热管路。加热安装孔16种安装有加热棒或加热电极，用于对蓄热主体14进行加热。每个测温孔17中安装有温度传感器，用于对蓄热主体14不同位置进行温度检测。
如图4所示，蓄热主体14为固体蓄热材料，主要包括石墨、碳棒、混凝土、耐火砖。固体蓄热材料上可设有若干填充孔18，填充孔18内可填充蓄热胶囊19，蓄热胶囊19的蓄热材料为相变蓄热材料，如熔盐、陶瓷，相变蓄热材料可以进一步提高储热密度和放热稳定性。换热管安装孔15和加热安装孔16，以及若干测温孔17与填充孔18之间不相交。
另外，显热蓄热换热器2内的换热管路，需要在蓄热主体14处于不同温度时进行换热面积的调整。在使用时，可以针对蓄热主体14的工作温度范围预先设置多个温区，每个温区均可以设置对应的设计循环流量和换热管路连接方式，通过换热管路连接方式的改变换热管路与蓄热主体14之间的换热面积。因此本实施例中显热蓄热换热器2内的换热管路有多段，不同管路之间可通过管路阀门实现连接方式的改变，使得内部的换热管路以串联或并联的方式切换，以调节不同蓄热温区的换热面积。在设计各温区的循环流量和管路连接方式时，温区的温度越高，该温区对应的设计循环流量越大，换热面积也越小；当蓄热主体14温度下降，进入下一个温度较低的温区时，需要更小的设计循环流量以及更大的换热面积。
基于上述固体显热蓄热供热系统的供热方法如下：
固体显热蓄热换热器2通过电加热或高温烟气等方式被加热升温到工作温度范围。首先，通过补水系统对一次侧管网5及缓冲水箱3充满水排气，同时进行升压达到工作压力。开始工作时，启动一次侧循环水泵1到最大设计循环流量，固体显热蓄热换热器2内管路按照最低蓄热温区开启管路阀门，调节换热管路的连接方式至对应的换热面积，而二次侧不工作，一次侧管网5内的低温水通过循环在固体显热蓄热换热器2内进行快速加热，此时，也可以同时开启缓冲水箱3内的加热器11，加速启动预热阶段，当缓冲水箱3内的温度传感器12监测到温度达到一次侧供水温度Ts1时，预热阶段完成，加热器11停止加热。此时，循环水泵1和固体显热蓄热换热器2根据当前蓄热体温度，自动调节到该温度对应温区的设计循环流量和换热管路连接方式；然后二次侧管路循环开启，冷水流入换热器4的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，达到供热循环目的。在换热过程中，由于在同一个温区内，一次侧循环流量和换热管路是不变的，而蓄热温度在不断下降，导致固体显热蓄热换热器2出口的水温出现逐渐下降的趋势，当下降到设计阈值(下一个温区的上限值)时，固体显热蓄热换热器2的管路连接方式开始调节，使得换热面积增加，导致出口温度突升，从而导致整个温区内固体显热蓄热换热器2出口温度呈现出锯齿状。由于固体显热蓄热换热器2的出口热水并没有直接与二次侧换热，而是通过与缓冲水箱3内的余水混合实现温度波动的缓冲调节，再通过换热器4与二次侧换热，从而改善了显热蓄热出口温度波动对二次侧换热的影响。
其中缓冲水箱中的控温过程如下：
在固体显热蓄热换热器2中的蓄热主体14加热循环水的过程中，将蓄热主体14温度输出随时间的变化划分为若干个子时间段，当温度变化到第i阶段t时刻时，固体显热蓄热换热器出口水温度为Tt,缓冲水箱内的初始水温为Tsi，一次侧管网5的循环流量为q(t),缓冲水箱3的储水量为m，此时，Δt时刻后，缓冲水箱3出口及换热器4热水入口水温为：
Figure BDA0002145979060000051
式中，Txi为第i阶段的Δt时段内流入缓冲水箱的循环水平均温度，Ts'i为第i阶段经过Δt时刻流出缓冲水箱进入换热器热水入口的循环水温度。需注意
Figure BDA0002145979060000061
与m的单位应当保持一致，若m为质量，则q(t)也应当换算为质量流量。
当管路连接方式改变导致换热面积改变，进而使出口水温度Tt出现突升时，由于缓冲水箱3中本身存储有一定量初始水温为Tsi的循环水，因此根据前述的公式，从缓冲水箱流出的水温Ts'i波动被缓冲，温度不会出现突变性的波动，减少对二次侧换热的影响。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
以一台2吨石墨显热蓄热器为例(具体结构如前所述，不再赘述)，通过电加热将石墨温度升至由600℃，工作温区分为三段：600℃至380℃开启4组并联换热管路，每组管路由直径15毫米、长1.2米的单程主管道和直径12毫米、长1.2米的支管道串联组成，其中支管道由对称布置于主管道两侧的相同二程管路并联组成；380℃至220℃开启8组并联换热管路，每组管路换热面积与前一控制相同；220℃至150℃保持8组并联换热管路开启，两侧支管道的并联管路同时增加至四程。在换热过程中，蓄热温度逐渐下降到设计阈值时，石墨蓄热换热器的管路开始调节至设计要求。
缓冲水箱蓄水质量为1600kg，水箱输出温度的波动由方差来衡量：
Figure BDA0002145979060000062
Tsi为水箱中第i个时刻的水温，
Figure BDA0002145979060000063
为所有n个时刻的平均水温。
通过程序计算模拟循环水的加热过程，可得到蓄热器放热阶段输出水温的方差为6.0℃，水箱则为2.2℃，温度波动变缓。若蓄热器加热的循环水直接与二次侧换热，则需将蓄热的分段控制增至四段或更多，才可得到更为稳定平缓的温度输出。
水箱的作用使得一次侧在分段控制下呈锯齿状输出的水温曲线趋于平缓，仅在目标温度附近微小波动。当二次侧所需的流量增大或者减小时，一次侧对应的流量调整所产生的温度波动能被水箱所平衡。这提高了系统对用户侧需求变化的适应性和灵活性。

Claims (5)

1.一种利用固体显热蓄热供热系统的供热方法，其特征在于：所述固体显热蓄热供热系统包括一次侧循环水泵(1)、固体显热蓄热换热器(2)、缓冲水箱(3)、换热器(4)、一次侧管网(5)、二次侧管网(6)；一次侧循环水泵(1)、固体显热蓄热换热器(2)、缓冲水箱(3)、换热器(4)通过一次侧管网(5)顺次连接构成供热一次侧回路；一次侧管网(5)与二次侧管网(6)通过换热器(4)相连实现一二次侧换热；
缓冲水箱(3)包括承压壳体(7)、入水口(8)、出水口(9)、排气减压口(10)、加热器(11)、温度传感器(12)、压力传感器(13)；承压壳体上分别设有入水口(8)、出水口(9)，顶部设有排气减压口(10)，底部装有加热器(11)，内部分别装有温度传感器(12)和压力传感器(13)；入水口(8)和出水口(9)通过一次侧管网(5)分别与固体显热蓄热换热器(2)出口和换热器(4)热流体入口相连；
所述供热方法具体如下：
首先，将固体显热蓄热换热器(2)加热升温到工作温度范围；开始工作时，启动一次侧循环水泵(1)到最大设计循环流量，固体显热蓄热换热器(2)内管路按照最低蓄热温区开启管路阀门，而二次侧不工作，一次侧管网(5)内的低温水通过循环在固体显热蓄热换热器(2)内进行快速加热，同时开启缓冲水箱(3)内的加热器(11)，加速启动预热阶段，当缓冲水箱(3)内的温度传感器(12)监测到温度达到一次侧供水温度Ts1时，预热阶段完成，加热器(11)停止加热；然后，一次侧 循环水泵(1)和固体显热蓄热换热器(2)根据当前蓄热体温度，自动调节到相应温区的设计循环流量和换热管路；开启二次侧管路循环，冷水流入换热器(4)的冷水入口，一次侧和二次侧开始实现热交换，达到供热循环目的；在换热过程中，在同一温区内，一次侧的循环流量和换热管路保持不变，而蓄热温度在不断下降，导致固体显热蓄热换热器(2)出口的水温出现逐渐下降的趋势，当下降到下一个温区的设计阈值时，固体显热蓄热换热器(2)的管路开始调节，使得换热面积增加，导致出口温度突升，从而导致整个温区内固体显热蓄热换热器(2)出口温度呈现出锯齿状；在此过程中，固体显热蓄热换热器(2)的出口热水通过与缓冲水箱(3)内的余水混合实现温度波动的缓冲调节，再通过换热器(4)与二次侧换热，从而改善了显热蓄热出口温度波动对二次侧换热的影响；
其中缓冲水箱(3)中的控温过程如下：
在固体显热蓄热换热器(2)中的蓄热体加热循环水的过程中，将蓄热体温度输出随时间的变化划分为若干个子时间段，当温度变化到第i阶段时，固体显热蓄热换热器(2)出口水温度为Tt,缓冲水箱(3)内的初始水温为Tsi，一次侧的循环流量为q(t),缓冲水箱(3)的储水量为m，此时，Δt时刻后，缓冲水箱(3)出口及换热器(4)热水入口水温为：
Figure FDA0002987748180000021
式中，Txi为第i阶段的Δt时段内流入水箱的平均温度，Ts'i为第i阶段经过Δt时刻流出缓冲水箱进入换热器热水入口的温度；
当出口水温度Tt出现波动时，从缓冲水箱(3)流出的水温Ts'i波动被缓冲。
2.根据权利要求1所述的供热方法，其特征在于所述的固体显热蓄热换热器(2)包括蓄热主体(14)、换热管安装孔(15)、加热安装孔(16)和测温孔(17)；蓄热主体(14)为固体蓄热材料，固体蓄热材料上可设有若干填充孔(18)，填充孔内可填充蓄热胶囊(19)，蓄热胶囊(19)中的蓄热材料为相变蓄热材料；蓄热主体(14)上分别设有贯穿的换热管安装孔(15)、加热安装孔(16)以及若干测温孔(17)，分别用于安装换热管路、加热棒或加热电极以及温度传感器；换热管安装孔(15)、加热安装孔(16)、测温孔(17)与填充孔(18)之间均不相交。
3.根据权利要求2所述的供热方法，其特征在于所述的固体蓄热材料包括石墨、碳棒、混凝土、耐火砖。
4.根据权利要求2所述的供热方法，其特征在于所述的相变蓄热材料包括熔盐、陶瓷。
5.根据权利要求1所述的供热方法，其特征在于所述的显热蓄热换热器(2)内的换热管路，采用若干段串联或并联的方式切换，以调节不同蓄热温区的换热面积。
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