CN111397229A - 一种强化温度分层的大体积储热水罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化温度分层的大体积储热水罐，该储热水罐包括罐体，所述罐体里面通过水平设置的上隔板、中隔板和下隔板将罐体内部空间从上到下依次分割成上层区域、中上层区域、中下层区域、下层区域四个空间，且上隔板和下隔板在靠近供热侧具有让水流通的缺口，中隔板在靠近集热侧具有让水流通的缺口；上层区域设置集热循环高温入口管以及供热高温出口管；中上层区域设置集热循环中温入口管以及供热中温出口管；中下层区域设置有集热循环低温入口管以及供热低温出口管；下层区域设置有集热循环出口管以及供热回水/补水管；排污口和人孔分别位于罐体的底部。本发明温度分层效果好，提高太阳能系统的利用率和保证率，同时成本低。

Description

一种强化温度分层的大体积储热水罐

技术领域

本发明涉及一种太阳能蓄热装置，具体涉及一种强化温度分层的大体积储热水罐，属于太阳能热利用领域。

背景技术

太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，其开发和利用被认为世界能源战略的重要组成部分。太阳能热利用是太阳能利用中最主要的方式，其利用形式具有多样性，按照其介质所达到的温度，分为低、中、高温利用。对于太阳能热利用系统，由于太阳辐射的不稳定性以及太阳能利用时间与辐射接收时间的不一致性，蓄热装置成为了太阳能热利用系统中的重要组成部分，其所采用的形式及所具有的性能直接决定了太阳能热利用系统的稳定性和年综合利用率。

目前，燃煤取暖是导致北方冬季雾霾产生的主因之一，采用太阳能跨季节高温差低热损高效蓄能可以有效缓解这一问题，而目前难以实现太阳能跨季节高温差低热损高效蓄能。

对于目前的大体积太阳能水箱，因为温度分层效果差而存在以下问题：1.供热水温偏低且波动大、需要消耗较多的辅助热源热量，系统的太阳能保障率和利用率较低；2.无法实现分温度供热，储热的有效能利用率低；3.水罐内集热循环出口处的温度高，影响太阳能集热的效率；4.储热的利用率和水温保障率低，储热水箱长期保持高温，储热的热损失大。故目前的大体积单水箱系统以及跨季节高太阳能保障率系统运行存在不足或不具备推广性。

目前对于太阳能小水箱(家用或小于5吨的太阳能水箱)，有一些强化温度分层的措施及水箱设计，但并不适合用于大型水罐(千吨级、万吨级)。针对跨季节高保障率太阳能系统，需要采用万吨级的水罐，故需要针对该类水罐的温度分层优化方式和效果进行开发研究。

发明内容

发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种温度分层效果好，可以实现太阳能跨季节高温差、低热损、高效蓄能，提高太阳能系统的利用率和保证率，结构简单且合理、工艺成熟的强化温度分层的大体积储热水罐。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种强化温度分层的大体积储热水罐，包括罐体，所述罐体的一侧为供热侧，罐体上与供热侧相对的一侧为集热侧；所述罐体里面通过水平设置的上隔板、中隔板和下隔板将罐体内部空间从上到下依次分割成上层区域、中上层区域、中下层区域、下层区域四个空间，且上隔板和下隔板在靠近供热侧具有让水流通的缺口，中隔板在靠近集热侧具有让水流通的缺口；上层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环高温入口管以及穿过供热侧罐壁的供热高温出口管；中上层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环中温入口管以及穿过供热侧罐壁的供热中温出口管；中下层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环低温入口管以及穿过供热侧罐壁的供热低温出口管；下层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环出口管以及穿过供热侧罐壁的供热回水/补水管；排污口和人孔分别位于罐体的底部。

作为本发明的一种改进，所述的上隔板、中隔板、下隔板采用相同的结构，分别包括上层板、下层板、位于上层板和下层板之间的网格状支撑挡板以及填充其间的相变蓄热材料。

作为本发明的一种改进，所述的上层板、下层板和网格状支撑挡板采用轻质塑料、高分子材料或薄壁金属。

作为本发明的一种改进，所述的相变蓄热材料为结晶水合盐、有机相变材料或复合相变材料。

作为本发明的一种改进，所述的集热循环高温入口管、集热循环中温入口管、集热循环低温入口管、集热循环出口管、供热高温出口管、供热中温出口管、供热低温出口管、供热回水口管/补水管位于罐体内部的一侧分别连接一个扇形分集水器，所述的扇形分集水器包括弧形分集水管和直分集水管；直分集水管的两侧对称分布多个弧形分集水管，最外层的弧形分集水管的弧线与罐壁的弧线平行，越靠近直分集水管的弧形分集水管的弧度越小，其弧度从最外层的弧形分集水管到直分集水管按照等比递减；直分集水管的长度长于弧形分集水管，越靠近直分集水管的弧形分集水管的长度越长，其长度按10-20％等比递减。

作为本发明的一种改进，每个所述的扇形分集水器上的弧形分集水管的数量为2-8个。

作为本发明的一种改进，所述的上隔板、中隔板、下隔板通过支撑柱安装在所述的罐体里面，所述的支撑柱设置有1-8个。

作为本发明的一种改进，所述的罐体包括罐顶、罐壁、罐底，所述罐顶为球冠状金属板，罐壁为圆柱形金属壁板，罐底为圆板状金属板。

作为本发明的一种改进，所述的分别位于上隔板、下隔板、中隔板上的让水流通的缺口为月牙状。

作为本发明的一种改进，所述的罐壁上设有压力变送器接口、温度变送器接口、液位变送器接口。

有益效果：

1.本发明通过一列措施强化水罐内温度分层效果，具有以下优点：1.可以提供高温水、减少辅助热源的使用，进而提高系统的太阳能保障率；2.可以根据用户实现分温度供热，提高储热的有效能利用率；3.可以降低水罐内集热循环出口处的温度，提高太阳能集热的效率； 4.可以提高储热的利用率和水温保障率，进而降低水箱的平均温度，减少储热的热损失。

2.本发明采用了三层隔板设计，显著降低水罐内的自然对流换热；通过三层隔板缺口的交错设计，形成水箱内S流道，减少集热循环和供热循环运行时产生的强制对流；集热循环管口的位置设计可以尽可能减少储罐内中高温层的流动；供热管口的位置设计也实现了供热运行时，减少对水罐内水的上下层扰动；以上措施可以显著降低水罐各温度层的对流换热，强化了水罐内的温度分层效果。

3.本发明的隔板采用空心结构以及轻质材料，可以降低重量，提高隔温效果；采用了支撑柱进行支撑固定，稳固、易安装及维护；采用了夹层内置相变蓄热材料的设计，提高单位体积的蓄热量，减少水罐整体体积或提高蓄热量，同时提高了隔板的隔热效果；采用了网格状支撑挡板的设计，形成储存相变蓄热材料的空间，同时强化隔板的强度，结构简单成本低。

4.本发明采用了扇形分集水器的设计，通过改善结构实现进出水在水罐内水平、均匀、微扰动流动，减少工质流动对水罐温度分层的影响；采用的管道多流向弧度设计，可以降低工质的湍流；通过对各支管长度的设计，保证水力平衡，实现均匀流动。

5.本发明设置了集热循环高温入口管、集热循环中温入口管、集热循环低温入口管、集热循环出口管，并分别位于四个温度分层，可以根据集热场温度进行选择工质入口，减少对水罐温度层的影响。

6.本发明设置了供热高温出口管、供热中温出口管、供热低温出口管、供热回水口管/ 补水管，并分别位于四个温度分层，可以根据用户供热需求进行选择工质出口，减少对水罐温度层的影响，同时可以充分利用储热的有效能、以及提高太阳能系统的保证率。

7.本发明结构合理，温度分层效果好，可以较好的实现太阳能跨季节高温差低热损高效蓄能，以及太阳能系统的高利用率和高保证率，同时结构简单、工艺成熟、成本低，应用前景好。

附图说明

图1是一种强化温度分层的大体积储热水罐的结构示意图；

图2是一种强化温度分层的大体积储热水罐的顶视图；

图3是上隔板、中隔板、下隔板的结构示意图；

图4是扇形分集水器的结构示意图；

其中：1是罐顶、2是罐壁、3是罐底、4是上隔板、5是中隔板、6是下隔板、7是支撑柱、8是集热循环高温入口管、9是集热循环中温入口管、10是集热循环低温入口管、11是集热循环出口管、12是供热高温出口管、13是供热中温出口管、14是供热低温出口管、15 是供热回水口管/补水管、16是扇形分集水器、17是排污口、18是人孔、19是上层板、20 是下层板、21是网格状支撑挡板、22是相变蓄热材料、23是弧形分集水管、24是直分集水管、25是集热侧、26是供热侧。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1～4，一种模块化浮筒式悬浮平台，所述装置包括一种强化温度分层的大体积储热水罐，所述装置包括：罐顶1、罐壁2、罐底3、上隔板4、中隔板5、下隔板6、支撑柱7、集热循环高温入口管8、集热循环中温入口管9、集热循环低温入口管10、集热循环出口管11、供热高温出口管12、供热中温出口管13、供热低温出口管14、供热回水口管/ 补水管15、扇形分集水器16、排污口17、人孔18；所述罐顶1为球冠状金属板，罐壁2为圆柱形金属壁板，罐底3为圆板状金属板；所述罐顶1、罐壁2和罐底3形成封闭的罐体结构，罐体结构内部设有上隔板4、中隔板5和下隔板6，上隔板4、中隔板5和下隔板6均为水平放置的带有缺口的圆板，上隔板4的缺口在靠近供热侧，中隔板5的缺口在靠近集热侧，下隔板6的缺口在靠近供热侧，上隔板4、中隔板5、下隔板6由支撑柱7支撑和固定，支撑柱7为下端固定在罐底3上的柱状结构，支撑柱7的数量为1～8个，上隔板4、中隔板5和下隔板6将罐体结构的内部空间分割成上层区域、中上层区域、中下层区域、下层区域四个空间；集热循环高温入口管8、集热循环中温入口管9、集热循环低温入口管10、集热循环出口管11分别穿过集热侧的罐壁2，并依次位于上层区域、中上层区域、中下层区域、下层区域；供热高温出口管12、供热中温出口管13、供热低温出口管14、供热回水口管/补水管 15分别穿过供热侧的罐壁2，并依次位于上层区域、中上层区域、中下层区域、下层区域；扇形分集水器16位于罐体结构的内部，并分别与集热循环高温入口管8、集热循环中温入口管9、集热循环低温入口管10、集热循环出口管11、供热高温出口管12、供热中温出口管 13、供热低温出口管14、供热回水口管/补水管15连接；排污口17和人孔18分别位于罐壁 2的底部，罐壁2上设有压力变送器接口、温度变送器接口、液位变送器接口。

上隔板4、中隔板5、下隔板6采用相同的结构，包括上层板19、下层板20、网格状支撑挡板21、相变蓄热材料22；上层板19和下层板20为相同的设有月牙状缺口的圆形板状结构，上层板19和下层板20平行放置，上层板19和下层板20之间为网格状支撑挡板21，网格状支撑挡板21为多条竖板构成的镂空板状结构，网格状支撑挡板21的边缘与上层板19和下层板20一致；上层板19、下层板20和网格状支撑21挡板形成多块封闭的空心结构，该空心结构里填充有相变蓄热材料22，相变蓄热材料22为结晶水合盐、有机相变材料或复合相变材料；上层板19、下层板20和网格状支撑挡板21采用轻质塑料、高分子材料或薄壁金属。

扇形分集水器16包括弧形分集水管23和直分集水管24；直分集水管24的两侧对称分布多个弧形分集水管23，最外层的弧形分集水管23的弧线与罐壁2的弧线平行，越靠近直分集水管24的弧形分集水管23的弧度越小，其弧度从最外层的弧形分集水管23到直分集水管24 按照等比递减；直分集水管24的长度长于弧形分集水管23，越靠近直分集水管24的弧形分集水管23的长度越长，其长度按10-20％等比递减，以实现各分集水管水力平衡，弧形分集水管23 的数量为2～8个。

工作原理：

水罐内的水从下层流动到上层需要经过下隔板6在供热侧的缺口流入到中下层，层内流动后从中隔板5在集热侧的缺口流入到中上层，层内流动后从上隔板4在供热侧的缺口流入到上层，这样可以尽快能减少自然对流和强制对流对温度分层的影响。集热循环口是扰动水罐的主要因素以及高温层是最重要的分层，所以集热循环高温入口管和集热循环出口管远离隔板的缺口。

进行集热循环时，根据集热场温度选择入口，高温热水(70～100℃)通过集热循环高温入口管8进入上层，中温热水(40～70℃)通过集热循环中温入口管9进入中上层，低热水 (10～40℃)通过集热循环低温入口管10进入中下层，底层水通过集热循环出口管11进入集热循环系统，减少对温度分层的影响。

进行供热运行时，根据用户供热需求进行供热，高温热水(70～100℃)通过上层的供热高温出口管12输出，中温热水(40～70℃)通过中上层的供热中温出口管13输出，低温热水 (10～40℃)通过中下层的供热低温出口管14输出，供热回水或冷水通过供热回水口管/补水管15流入水罐，减少对温度分层的影响。

集热循环和供热的工质流动均经过扇形分集水器16，通过多方向管道、弧形管道、长度优化等设计实现水罐内进出工质可以水平、均匀、微扰动的流动。

上隔板4、中隔板5、下隔板6内部的相变蓄热材料22当水箱工质达到一定温度时可以熔化吸收热量并储存，当水箱工质降低到一定温度时可以凝固释放热量。

本发明还可以有其它实施方式，凡依据本发明的技术实质所采用的任何细微修改、等效变换、替代所形成的技术方案，均落在本发明专利要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：该储热水罐包括罐体，所述罐体的一侧为供热侧，罐体上与供热侧相对的一侧为集热侧；所述罐体里面通过水平设置的上隔板、中隔板和下隔板将罐体内部空间从上到下依次分割成上层区域、中上层区域、中下层区域、下层区域四个空间，且上隔板和下隔板在靠近供热侧具有让水流通的缺口，中隔板在靠近集热侧具有让水流通的缺口；上层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环高温入口管以及穿过供热侧罐壁的供热高温出口管；中上层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环中温入口管以及穿过供热侧罐壁的供热中温出口管；中下层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环低温入口管以及穿过供热侧罐壁的供热低温出口管；下层区域设置有穿过集热侧罐壁的集热循环出口管以及穿过供热侧罐壁的供热回水管/补水管；排污口和人孔分别位于罐体的底部。

2.根据权利要求1所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的上隔板、中隔板、下隔板采用相同的结构，分别包括上层板、下层板、位于上层板和下层板之间的网格状支撑挡板以及填充其间的相变蓄热材料。

3.根据权利要求2所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的上层板、下层板和网格状支撑挡板采用轻质塑料、高分子材料或薄壁金属。

4.根据权利要求2所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的相变蓄热材料为结晶水合盐、有机相变材料或复合相变材料。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的集热循环高温入口管、集热循环中温入口管、集热循环低温入口管、集热循环出口管、供热高温出口管、供热中温出口管、供热低温出口管、供热回水口管/补水管位于罐体内部的一侧分别连接一个扇形分集水器，所述的扇形分集水器包括弧形分集水管和直分集水管；直分集水管的两侧对称分布多个弧形分集水管，最外层的弧形分集水管的弧线与罐壁的弧线平行，越靠近直分集水管的弧形分集水管的弧度越小，其弧度从最外层的弧形分集水管到直分集水管按照等比递减；直分集水管的长度长于弧形分集水管，越靠近直分集水管的弧形分集水管的长度越长，其长度按10-20％等比递减。

6.根据权利要求5所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：每个所述的扇形分集水器上的弧形分集水管的数量为2-8个。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的上隔板、中隔板、下隔板通过支撑柱安装在所述的罐体里面，所述的支撑柱设置有1-8个。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的罐体包括罐顶、罐壁、罐底，所述罐顶为球冠状金属板，罐壁为圆柱形金属壁板，罐底为圆板状金属板。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的分别位于上隔板、下隔板、中隔板上的让水流通的缺口为月牙状。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的强化温度分层的大体积储热水罐，其特征在于：所述的罐壁上设有压力变送器接口、温度变送器接口、液位变送器接口。

Images