CN111121134A - 混水式固体显热蓄热供热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了混水式固体显热蓄热供热系统，包括：一次侧热水泵、固体显热蓄热换热器、混水箱、换热器、回水泵、冷水箱和一次侧冷水泵，其中，所述冷水箱、一次侧热水泵、固体显热蓄热换热器和混水箱通过一次侧热水管网顺次相连，所述冷水箱、一次侧冷水泵和混水箱通过一次侧冷水管网顺次相连，所述混水箱、换热器、回水泵和冷水箱通过一次侧回水管网顺次相连，所述换热器还与二次侧供热管路相连，以及，混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法。本发明通过混水箱来缓冲出水口的温度波动，简化了固体显热蓄热换热器的控制管路，使固体显热蓄热换热器的内部管路控制变得简单，降低了系统的投资成本。

Description

混水式固体显热蓄热供热系统及方法

技术领域

本发明涉及显热蓄热供热技术领域。更具体地说，本发明涉及一种混水式固体显热蓄热供热系统及方法。

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ZL201610318705.7和ZL 201610323747.X，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。需要指出的是，这一方法不能完全解决功率波动的问题，只能得到一定波动范围的稳定供热，可以满足有热惯性的供热系统，比如采暖，集中供热等。但是，对于一些对热惯性不敏感的供热系统，比如生活热水系统，供热的波动就会对热用户的用户体验造成明显影响。为了满足需求，采用上述方案会面临控制层数增加，系统可靠性下降，操作难度加大，成本增加等多种问题。

因此，如何实现固体显热蓄热供热系统的更稳定的热输出，满足更高的热惯性敏感性需求，成为蓄热系统设计开发所面临的问题和挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种混水式固体显热蓄热供热系统及方法。

为了实现根据本发明的目的和其它优点，提供了一种混水式固体显热蓄热供热系统，包括：一次侧热水泵、固体显热蓄热换热器、混水箱、换热器、回水泵、冷水箱和一次侧冷水泵，其中，所述冷水箱、一次侧热水泵、固体显热蓄热换热器和混水箱通过一次侧热水管网顺次相连，所述冷水箱、一次侧冷水泵和混水箱通过一次侧冷水管网顺次相连，所述混水箱、换热器、回水泵和冷水箱通过一次侧回水管网顺次相连，所述换热器还与二次侧供热管路相连。

优选的是，所述的混水式固体显热蓄热供热系统，所述混水箱包括，承压壳体，所述承压壳体上设有热水入口、冷水入口、混水出水口、排气减压口、最高水位警戒线和最低水位警戒线，其中，所述热水入口与所述一次侧热水管网的出水端连通，所述热水入口处设有入口温度传感器，所述冷水入口与所述一次侧冷水管网的出水端连通，所述混水出水口与所述一次侧回水管网的进水端连通，所述混水出水口处设有出口温度传感器；混水器，其设于所述承压壳体的内部，所述混水器的进水口分别与所述热水入口和冷水入口连通，所述混水器的出水口与所述承压壳体的内部连通。

优选的是，所述的混水式固体显热蓄热供热系统，所述固体显热蓄热换热器包括蓄热主体，设于所述蓄热主体上的换热管安装孔、加热安装孔和测温孔，其中，所述蓄热主体为固体蓄热材料，所述换热管安装孔内设有换热管路，所述加热安装孔内设有加热棒或加热电极，所述测温孔内设有温度传感器，所述换热管安装孔、加热安装孔和测温孔之间均不相交。

优选的是，所述的混水式固体显热蓄热供热系统，所述固体蓄热材料由石墨、碳棒、混凝土、铸铁、耐火砖中的一种或几种组成。

本发明还提供了一种基于上述混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，包括如下步骤：

步骤一、将固体显热蓄热换热器加热至预设工作温度；

步骤二、开启一次侧热水泵和回水泵，对冷水箱内水预加热，直至设定温度；

步骤三、开启一次侧冷水泵，直至向混水箱中补入预设体积的水；

步骤四、再次开启一次侧热水泵，当出口温度传感器温度高于或等于设定温度T_o时，开启回水泵和二次侧供热管路，然后根据出口温度传感器的温度控制一次侧冷水泵的开启或关闭，和/或调节一次侧热水泵的流量。

优选的是，所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，步骤四中，还包括，当混水箱的水位达到最高水位警戒线时，关闭一次侧热水泵和一次侧冷水泵，此时换热器中的热水全部由混水箱供应；当混水箱内水位达到最低水位警戒线时，开启一次侧热水泵和一次侧冷水泵，对混水箱进行补水。

优选的是，所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，步骤四中，所述根据出口温度传感器的温度控制一次侧冷水泵的开启或关闭，具体为，当出口温度传感器的温度超过最高设定温度T_oh时，开启一次侧冷水泵；当出口温度传感器温度低于最低设定温度T_oc时，关闭一次侧冷水泵，其中，T_oh＝T_o+Δt，T_oc＝T_o-Δt。

优选的是，所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，步骤四中，当入口温度传感器的温度大于等于T_o时，一次侧热水泵以流量G₁运行；当一次侧冷水泵呈关闭状态，且入口温度传感器温的度低于T_oc时，将一次侧热水泵流量调整为G₂；当入口温度传感器的温度再次低于T_oc时，停机，其中，G₁大于G₂。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、混水箱的设计简化了固体显热蓄热换热器的控制管路，使固体显热蓄热换热器的内部管路控制变得简单，降低了系统的投资成本；

第二、通过将冷水箱与混水箱相连，将一次侧热水泵流量的控制压力转移到一次侧冷水泵上来，减少了串并联管路数量，在进一步降低操作难度的同时，提高了系统安全性；

第三、混水箱缓冲了热水入口的温度波动，提高了一次侧换热对二次侧的响应速率；

第四、混水箱提高了固体显热蓄热换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。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明一个实施例的混水式固体显热蓄热供热系统的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的混水箱的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的固体显热蓄热换热器的剖面结构示意图；

图4是本发明一个实施例的固体显热蓄热换热器的侧视结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供一种混水式固体显热蓄热供热系统，包括：一次侧热水泵1、固体显热蓄热换热器2、混水箱3、换热器4、回水泵5、冷水箱6和一次侧冷水泵7，其中，所述冷水箱6、一次侧热水泵1、固体显热蓄热换热器2和混水箱3通过一次侧热水管网8顺次相连，所述冷水箱6、一次侧冷水泵7和混水箱3通过一次侧冷水管网9顺次相连，所述混水箱3、换热器4、回水泵5和冷水箱6通过一次侧回水管网10顺次相连，所述换热器4还与二次侧供热管路11相连。

如图2所示，所述混水箱3包括，承压壳体19，所述承压壳体19上设有热水入口12、冷水入口13、混水出水口14、排气减压口15、最高水位警戒线A和最低水位警戒线B，其中，所述热水入口12与所述一次侧热水管网8的出水端连通，所述热水入口12处设有入口温度传感器16，所述冷水入口13与所述一次侧冷水管网9的出水端连通，所述混水出水口14与所述一次侧回水管网10的进水端连通，所述混水出水口14处设有出口温度传感器17；混水器18，其设于所述承压壳体19的内部，所述混水器18的进水口分别与所述热水入口12和冷水入口13连通，所述混水器18的出水口与所述承压壳体19的内部连通。

如图3、图4所示，所述固体显热蓄热换热器2包括蓄热主体26，设于所述蓄热主体26上的换热管安装孔21、加热安装孔23和测温孔25，其中，所述蓄热主体26为固体蓄热材料，所述换热管安装孔21内设有换热管路20，所述加热安装孔23内设有加热棒或加热电极22，所述测温孔25内设有温度传感器24，所述换热管安装孔21、加热安装孔23和测温孔25之间均不相交；所述固体蓄热材料由石墨、碳棒、混凝土、铸铁、耐火砖中的一种或几种组成。

本发明还提供一种基于上述混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，具体为：

首先，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。然后，启动一次侧热水泵1和回水泵5，流量分别为G₁和G₅，对冷水箱6内水预加热，当出口温度传感器17上升至设定温度时，停止一次侧热水泵1，当混水箱3内水全部流出时，停止一次侧回水泵5，预加热阶段结束；启动一次侧冷水泵7，以流量G₇运行t₁的时间，然后启动一次侧热水泵1，流量为G₁，关闭一次侧冷水泵7；设定T_o为混水箱3的设定出口水温，也是混水箱3内的整体水温，在混水过程中，混水箱3内水温变化绝对值为ΔT，故混水箱3内最高水温为T_oh＝T_o+ΔT，最低温度为T_oc＝T_o-ΔT；当出口温度传感器17温度高于或等于设定T_o时，开启回水泵5，流量为G₅，同时开启二次侧管路11，一次侧和二次侧开始实现热交换，达到供热循环目的，回水泵5和二次侧管路11一旦启动，会直至运行至系统停机；当出口温度传感器17温度超过T_oh时，开启一次侧冷水泵7，混水箱3内的水温降低，当出口温度传感器17温度低于T_oc时，关闭一次侧冷水泵7，混水箱3内的水温上升；当混水箱温度超过T_oh时，再次开启一次侧冷水泵7，依次重复；当混水箱3的水位达到最高水位警戒线A时，关闭一次侧热水泵1和一次侧冷水泵7，此时换热器4中的热水全部由混水箱3供应；当混水箱3内水位达到最低水位警戒线B时，开启一次侧热水泵1和一次侧冷水泵7，对混水箱进行补水；当一次侧冷水泵7呈关闭状态，且入口温度传感器16温度低于T_oc时，一次侧热水泵1的流量调整为G₂；当入口温度传感器16温度再次低于T_oc时，停机，G₁大于G₂；

其中，混水箱3中的控制过程如下：

根据蓄热体温度输出随时间的变化，可将整个换热过程划分为三个子时间段；

第一阶段，一次侧冷水泵7以流量G₇运行t₁的时间，一次侧热水泵1以流量G₁运行t₂的时间，则在t₁+t₂时间段内，混水箱3容积及一次侧热水泵1流量、一次侧冷水泵7流量需要满足：

G₁t₂+G₇t₁≤M

式中，M为混水箱总储水质量；

第二阶段，当混水箱3的水位达到最高水位警戒线A时，关闭一次侧热水泵1和一次侧冷水泵7，此时换热器4中的热水全部由混水箱3供应，且全部流回冷水箱6，直到混水箱3的水位达到最低水位警戒线B，因此混水箱3容积与回水泵5流量满足：

G₅Δt₀＝M·η，且M＝N

式中，Δt₀为停泵时间，N为冷水箱6总储水质量，η为混水箱3的有效体积指数；

当混水箱3的水位到达最低水位警戒线B，开启一次侧热水泵1和一次侧冷水泵7补水，开启一次泵的时间满足：

式中，T_h(t)为混水箱热水入口12水温，T_c为混水箱冷水入口13水温，T_t为混水箱内的实时水温，m为此时混水箱3内的水质量，Δt′_i为一次侧热水泵1的开启时间，Δt″_i为一次侧冷水泵7的开启时间；

当混水箱3的出口温度高于最高设计温度T_oh时，需开启一次侧冷水泵7，降低混水箱3内的水温，一次侧冷水泵7的开启时间满足：

当固体显热蓄热换热器2的出口水温度即T_h出现波动时，从混水箱3流出的水温T_t波动被缓冲；当入口温度传感器16监测混水箱温度偏离时，通过控制一次侧冷水泵7的开停来调节混水箱3的水温，缓冲出口水温T_t。

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℃，工作温区分为两段：600℃至300℃一次侧热水泵流量G1为2t/h，300℃至150℃一次侧热水泵流量G2为0.7t/h；石墨内换热管路由直径15毫米、长1.6米的单程主管道和直径12毫米、长1.6米的支管道串联组成，总换热面积为2.77m²。

在第一阶段，整个系统内的整体水温已升至55℃，打开一次侧冷水泵，以流量G₇＝2t/h运行t₁＝3分钟，则流入混水箱冷水体积为

m＝G₇t₁＝0.1t

然后关闭一次侧冷水泵，开启一次侧热水泵以流量G₁＝2t/h运行t₂分钟，则有：

推得t₂＝2.02min，此时T_h(t)平均值为129.5℃；

此时混水箱内含水体积为：

m₁＝G₁t₂+G₇t₁＝0.167t

在第二阶段，开启一次侧冷、热水泵，同时开启回水泵和二次管路，使温度上升至最高设计温度T_oh＝88℃，一二次管路开始换热。加热到T_oh所需时间t₃满足：

推得t₃＝2.148min，平均T_h(t)＝128℃；

此时混水箱内含水体积为：

m₂＝m₁+G₁t₃+G₇t₃＝0.285t

M'＝m₂/η＝0.285/85％＝0.335t

设此时水箱恰到最高水位警戒线，则混水箱容量可取0.35t；

此时，一次侧冷、热水泵的停泵时间为：

0.35×70％÷0.7＝21min

重启一次侧水泵时，因一次侧热水温差[T_h(t)-T₀]大，故开一次侧冷水泵的时间会越来越短；具体开一次侧冷水泵的时间满足：

其中，Δt'、Δt”均与T_h(t)有关，刚开始T_h(t)较高，开启冷水泵的时间长于开热水泵的时间，即Δt'＜Δt”；后面T_h(t)降低，开启冷水泵的时间可能短于开热水泵的时间，即Δt′＞Δt″。

水箱的作用使得一次侧在分段控制下呈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。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.混水式固体显热蓄热供热系统，其特征在于，包括：一次侧热水泵、固体显热蓄热换热器、混水箱、换热器、回水泵、冷水箱和一次侧冷水泵，其中，所述冷水箱、一次侧热水泵、固体显热蓄热换热器和混水箱通过一次侧热水管网顺次相连，所述冷水箱、一次侧冷水泵和混水箱通过一次侧冷水管网顺次相连，所述混水箱、换热器、回水泵和冷水箱通过一次侧回水管网顺次相连，所述换热器还与二次侧供热管路相连。

2.如权利要求1所述的混水式固体显热蓄热供热系统，其特征在于，所述混水箱包括，承压壳体，所述承压壳体上设有热水入口、冷水入口、混水出水口、排气减压口、最高水位警戒线和最低水位警戒线，其中，所述热水入口与所述一次侧热水管网的出水端连通，所述热水入口处设有入口温度传感器，所述冷水入口与所述一次侧冷水管网的出水端连通，所述混水出水口与所述一次侧回水管网的进水端连通，所述混水出水口处设有出口温度传感器；混水器，其设于所述承压壳体的内部，所述混水器的进水口分别与所述热水入口和冷水入口连通，所述混水器的出水口与所述承压壳体的内部连通。

3.如权利要求2所述的混水式固体显热蓄热供热系统，其特征在于，所述固体显热蓄热换热器包括蓄热主体，设于所述蓄热主体上的换热管安装孔、加热安装孔和测温孔，其中，所述蓄热主体为固体蓄热材料，所述换热管安装孔内设有换热管路，所述加热安装孔内设有加热棒或加热电极，所述测温孔内设有温度传感器，所述换热管安装孔、加热安装孔和测温孔之间均不相交。

4.如权利要求3所述的混水式固体显热蓄热供热系统，其特征在于，所述固体蓄热材料由石墨、碳棒、混凝土、铸铁、耐火砖中的一种或几种组成。

5.如权利要求3所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将固体显热蓄热换热器加热至预设工作温度；

步骤二、开启一次侧热水泵和回水泵，对冷水箱内水预加热，直至设定温度；

步骤三、开启一次侧冷水泵，直至向混水箱中补入预设体积的水；

步骤四、再次开启一次侧热水泵，当出口温度传感器温度高于或等于设定温度T_o时，开启回水泵和二次侧供热管路，然后根据出口温度传感器的温度控制一次侧冷水泵的开启或关闭，和/或调节一次侧热水泵的流量。

6.如权利要求5所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，其特征在于，步骤四中，还包括，当混水箱的水位达到最高水位警戒线时，关闭一次侧热水泵和一次侧冷水泵，此时换热器中的热水全部由混水箱供应；当混水箱内水位达到最低水位警戒线时，开启一次侧热水泵和一次侧冷水泵，对混水箱进行补水。

7.如权利要求6所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，其特征在于，步骤四中，所述根据出口温度传感器的温度控制一次侧冷水泵的开启或关闭，具体为，当出口温度传感器的温度超过最高设定温度T_oh时，开启一次侧冷水泵；当出口温度传感器温度低于最低设定温度T_oc时，关闭一次侧冷水泵，其中，T_oh＝T_o+Δt，T_oc＝T_o-Δt。

8.如权利要求7所述的混水式固体显热蓄热供热系统的供热方法，其特征在于，步骤四中，当入口温度传感器的温度大于等于T_o时，一次侧热水泵以流量G₁运行；当一次侧冷水泵呈关闭状态，且入口温度传感器温的度低于T_oc时，将一次侧热水泵流量调整为G₂；当入口温度传感器的温度再次低于T_oc时，停机，其中，G₁大于G₂。

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