CN111457591A - 一种带加热棒的蓄热装置及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带加热棒的蓄热装置及加热方法。该带加热棒的蓄热装置为一方形槽体，若干加热棒沿高度方向间隔布置在槽体内，槽体顶部设H型布水器且与外部出水口相接，槽体底部设H型布水器且与外部进水口相接。针对不同加热棒位置、加热功率、水流量，采用FLUENT三维动态数值模拟软件，进行蓄热工况的模拟，来验证该蓄热装置及加热方法的高效性。还可以对槽体“纯蓄热”、“纯放热”或者“边蓄边供”等工况之间的合理切换，达到高温蓄热、按需放热的需求。本带加热棒的蓄热装置具有结构简单、占地面积小、运行工况多、维修方便、运行费用低的特点，本带加热棒的蓄热装置的蓄放热方法科学高效。

Description

一种带加热棒的蓄热装置及加热方法

技术领域

本发明涉及一种蓄热装置与加热方法，尤其涉及一种带加热棒的蓄热装置和加热方法，属于热水器技术领域。

背景技术

蓄热装置是用于提供热水的装置，通常是将水注入装置，在蓄热装置内进行加热保温，再在需要热水的时候及时提供。电加热蓄热装置普遍存在大众的家庭生活中，但在实际使用时存在以下缺点：

补充蓄热装置内的热水是根据需要用水的时间来随时加热，而不论电价的高低，所以运行成本高；

当需用水量较少而不足整个蓄热装置的储存量时，加热整个蓄热装置达到用水水温，而在用水后剩余热水随时间产生热耗散，会造成大量的能源浪费；例如范晨宇的《一种多功能蓄热水箱》发明专利中的电加热加热器位于水箱壳体下部，如果急需少量的热水，他的装置做不到快速提供，而且可能造成用水后续的热水浪费。

综上所述，现有的蓄热装置存在加热经济大、加热与放热量不匹配，未能实现能源的高效综合利用等问题。所以，需要对现有的蓄热装置做进一步的改进。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种带加热棒的蓄热装置及加热方法，用于解决现有的电加热蓄热装置在少量需用水时由于过量加热造成浪费的缺点，且能够利用峰谷电价差进行蓄热。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

一种带加热棒的蓄热装置，包括蓄热罐体，位于蓄热罐体下部的底部H型布水器，作为装置的进水装置，位于蓄热罐体上部的顶部H型布水器，作为装置的出水装置。

其中较优地，在所述蓄热罐体的不同高度处水平方向均匀设置4根长条加热棒，分别为距底1米处设置了4根长条加热棒、距底2米处设置了4根长条加热棒、距底3米处设置了4根长条加热棒。

其中较优地，在所述蓄热罐体的中部设置电加热保护器，可用于各位置电加热棒安全加热，确保电加热棒都能正常运行。

在罐体的端部设有顶盖，并在所述顶盖上设有排气口，保证装置的正常运行；在底部H型布水器的罐体的底部设有排污口，便于装置的定时清理。

一种带加热棒的蓄热装置的加热方法，包括以下步骤：

S1、在所述蓄热罐体的底部H型布水器的上方、距底1米处安置加热棒，加热棒的加热可以让在加热棒上方的水温度升高，但加热棒下方的水温度升高较慢，所以可以利用峰谷电价差电价较低的特点开启所述距底1米处的加热棒，可以让蓄热装置的大部分水加热，一直加热到设定温度储存起来；

S2、因为辅助加热只能加热加热棒附近及以上蓄热罐体的水，所以当需要的热水水量很少时，可以开启所述距底3米处4根长条加热棒让蓄热罐体的出水温度迅速升高，达到满足用水要求；

S3、因为辅助加热只能加热加热棒附近及以上蓄热罐体的水，但是需要的用水量很多但不足整个蓄热罐体内的水量时，可以开启所述距底2米处的4根长条加热棒，达到可用水较多，但不剩余过多热水造成热耗散的浪费现象。

与现有技术相比较，本发明所述的带加热棒的蓄热装置及加热方法，在蓄热罐体的不同高度处均匀设置长条加热棒，在电价谷段时间，开启距底1米处的4根长条加热棒，可以将电能转化成热能储存，当需要使用时再放热，开启距底2米和3米处的4根长条加热棒可以实现根据需要来定点定量加热，以减少过量加热剩下的热水热耗散所造成的浪费。这样既充分利用谷电加热，减少运行成本，又能根据用水量更加节能、更加快速局部加热，还有使用安全、操作方便等优点。

附图说明

图1为本发明所提供的带加热棒的蓄热装置的主视图；

图中，1为带加热棒的蓄热装置体，2为底部H型布水器，3为顶部H型布水器，4为距底1米的4 根加热棒，5为距底2米的4根加热棒，6为距底3米的4根加热棒，7为电加热保护器。

图2为本发明所提供的带加热棒的蓄热装置的侧视图；

图3为H型布水器的俯视图；

图中，8为引入管，9为分配管，10为分布管，11为均流器。

图4为CFD对安装距底1米加热棒的蓄热装置内中线不同高度处温度随时间的分布图；

图5为CFD对安装距底2米加热棒的蓄热装置内中线不同高度处温度随时间的分布图；

图6为CFD对安装距底3米加热棒的蓄热装置内中线不同高度处温度随时间的分布图；

图7为CFD对安装距底1米、2米、3米加热棒的蓄热装置内出口水温随时间的分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

如图1至2所示，本发明所提供的带加热棒的蓄热装置包括蓄热罐体1以及布置在蓄热罐体上距底 1米处的4根长条加热棒4、距底2米处的4根长条加热棒5、距底3米处的4根长条加热棒6、底部H型布水器2、顶部H型布水器3。其中，底部H型布水器2设置在蓄热罐体1的下部，顶部H型布水器3设置在蓄热罐体1的顶部，H型布水器如图3所示，引入管8与底部H型布水器2的进水口连接，与顶部H 型布水器3的出水口连接，分配管9与引入管8通过法兰连接，并与分布管10通过法兰连接，在分布管 10上均匀分布多个均流器11。距底1米处的4根长条加热棒4设置在底部H型布水器2的上方，距底2 米处的4根长条加热棒5设置在蓄热罐体1的中间位置，距底3米处的4根长条加热棒6设置在顶部H型布水器3的下方一段距离。本带加热棒的蓄热装置在蓄热应用系统中，通过控制循环泵、电加热棒的启停可以实现蓄热工况、放热工况、边蓄边供热工况等多种运行工况。

在本发明所提供的带加热棒的蓄热装置中，蓄热装置体可以采用钢材、不锈钢等金属材料制成，蓄热装置体的内部设有内胆，用于储存水量。在本发明中，蓄热装置体的外部包裹保温层(图上未标出)，其中，保温层可以采用与蓄热装置体材质高度吻合的保温材料，例如高密度的聚氨酯发泡，通过保温层和隔热层的双层保护下，蓄热罐体的保温效果更好，使得蓄热装置体在进行储存热水时，蓄热装置体的外表面的温度不会过高，一方面保护了使用者的安全，另一方面不会和外界的环境换热过多而造成热耗散。

优选地，装置的下部设有底部H型布水器2，上部设有顶部H型布水器3，底部和顶部H型布水器可以由能够承受高温和高压的各种金属和非金属管道连接成。H型布水器通过引入管8与外部进行输送水，通过分配管9与分布管10的连接，将水流平均于每一根分布管10，最后，通过分布管10上密集的均流器 11，与蓄热罐体1进行均匀输送水流。H型布水器根据矩形装置的大小而设定出水口，且布水器的均流器 11出口呈90°分布，底部H型布水器2的均流器出口方向向下，顶部H型布水器的均流器出口方向向上，通过密集的均流器出口进出水，可以保持蓄热罐体1内的水流在同一水平面内没有紊流，水流速较低。其中，顶部H型布水器3安装在距离蓄热罐体1顶板10-80厘米的位置，底部H型布水器2安装在距离蓄热罐体1底板10-80厘米的位置。底部、顶部H型布水器可以通过蓄热装置体1内壁安装支架使其固定。另外，蓄热罐体1上设置在顶盖的排气口(图中未示出)，在其底部设有排污口(图中未示出)，作为蓄热罐体1的定期排污。

优选地，距底1米处的4根长条加热棒4设置在底部H型布水器的上方一段距离，距底2米处的4根长条加热棒设置在蓄热罐体的中间位置，距底3米处的4根长条加热棒设置在顶部H型布水器的下方一段距离。所有的长条加热棒的一端与蓄热罐体1的壁面进行法兰焊接密封。

优选地，蓄热罐体1的中部设有电加热保护器7，用于检测所有的加热棒4、5、6的加热是否安全，即电加热保护器7保护了加热棒4、5、6不因温度过高而损坏，当电加热保护器7检测到有漏电、蓄热罐体内的温度过高、加热棒的温度过高或其他安全故障时，断开蓄热罐体的通电。

工作原理：水在4℃左右时的密度最大，并且随着水温的升高密度逐渐减小，蓄热罐体依靠密度差使温水和冷水之间保持分离，使温度低的水储存于蓄热罐体1的下部分，温度高的水储存在蓄热罐体1的上部分。这样的话，在放掉蓄热罐体1上半部分的热水后，蓄热罐体1里留下的就是温度较低的冷水，就会减少蓄热罐体1里水温，而当蓄热罐体1里的水温较高时，由于热传导导致蓄热罐体1的外壳温度也会相对较高，从而与环境进行换热而造成大量的热耗散。

一种使用上述带加热棒的蓄热装置的加热方法，包括以下步骤：

S1、电价谷段时，所述蓄热罐体的底部H型布水器2的上方、距底1米处安置4根长条加热棒4利用峰谷电价差电价较低的特点开启让蓄热罐体的大部分水加热，到设定温度储存起来；

S2、当需要的热水水量很少时，可以开启所述距底3米处4根长条加热棒6让蓄热罐体的出水温度迅速升高，达热水用水要求；

S3、当需要的用水量很多但不足整个蓄热罐体内的水量时，开启所述距底2米处的4根长条加热棒5，达到可用水较多，但不剩余过多热水造成热耗散的浪费现象。

本发明通过CFD的模拟实例来验证蓄热装置及加热方法的优越之处。下面通过具体的实例模拟对本蓄热装置及加热方法做具体的说明。

该实例以一个矩形装置作为研究对象，该装置尺寸为1m×1m×4m，有效容积为4000L，在CFD模拟时，不考虑装置壁面与外界环境的热耗散，作绝热计算。在装置的底部和顶部都设置了H型布水器，布水器干管的尺寸为DN25，布水器的均流器开口为10mm，H型布水器底部与蓄热装置体的底部距离为蓄热装置体高度的5％，为0.2m，H型布水器顶部与蓄热装置体的顶部距离也为蓄热装置体高度的5％，为0.2m。在装置内部，布置了加热棒数根，加热棒的形状在模型中简化为长0.94m，直径0.1m的圆柱体，分别安置在蓄热装置体的底部(距底1米)、蓄热装置体的中部(距底2米)和蓄热装置体的顶部(距底3米)，其加热棒在每一蓄热罐体的不同高度处都设置了4根，其间距0.25m，两端的加热棒与蓄热罐体间隔0.125m。

根据该带加热棒的蓄热装置的建筑平面图利用Gambit建立蓄热装置模型，如图1所示，通过非结构性网格，将该蓄热装置划分为329308个网格数。

通过开启不同高度位置的加热棒，对蓄热装置进行非稳态加热，将每根加热棒的功率都设置为4kW，其中蓄热罐体的底部和顶部H型布水器都是关闭状态，通过CFD软件对其进行了三次模拟计算。

通过对蓄热罐体中心线不同高度位置对其进行温度记录，分析温度分布并拟合出温度分布曲线；最后，将每一次模拟的蓄热罐体的出口温度进行数据对比，分析模拟数据得到的结论。

图4为CFD对安装距底1米处的4根长条加热棒加热时的蓄热装置内中线不同高度处温度随时间的变化规律。从图4可以看出，随着加热棒的加热，蓄热罐体各点的位置温度都在持续升高，在蓄热罐体距离底部1m处温度因为距离加热棒最近温度最高，然后温度依次高的是2米、4米、3米、0米，可以看到，由于浮力的原因，4米处的温度比3米的温度高，但还是因为距离加热棒太远，温度升高不够快，不够高，体现了高处出口处蓄热装置温度升温慢的缺点。

图5为CFD对安装距底2米处的4根长条加热棒加热时蓄热装置内中线不同高度处温度随时间的变化规律。从图5可以看出，随着加热棒的加热，蓄热罐体各点的位置温度都在持续升高，在蓄热罐体距离底部2m处温度因为距离加热棒最近温度最高，然后温度依次高的是3米、4米、1米、0米，可以看到，在距离蓄热罐体底部0米和1米高度处的水温很低，这是由于浮力的原因让加热棒的加热让加热棒附近和加热棒以上的区域温度升高，而距离加热棒下方较远的位置会因为浮力的原因与热水混合较少，导致温度升高相较于其他高度的温度温升慢很多，这也证明了如果所需水量较少时，蓄热罐体下方存在的无用低温水，这也避免为了提供所需热水去加热整个蓄热罐水量，而造成用水后剩余过多热水造成热耗散，同时也体现了带加热棒的蓄热装置的快速加热，节省能量的优势，也可以根据需用水量来调整加热棒的位置，达到精确加热的目的。

图6为CFD对安装距底3米处的4根长条加热棒的蓄热装置内中线不同高度处温度随时间的变化规律。从图6可以看出，随着加热棒的加热，蓄热罐体各点的位置温度都在持续升高，在蓄热罐体距离底部3m处温度因为距离加热棒最近温度最高，然后温度依次高的是4米、2米、1米、0米，可以看到，在距离蓄热罐体底部0米、1米和2米高度处的水温很低，这也是由于浮力的原因，让加热棒下方蓄热罐体的冷水与热水掺混较少的，导致温度升温慢。而在加热棒附近和较高处，温度升温快，会很快达到需要热水的温度，体现带加热棒的蓄热装置快速供热的优点。

图7为CFD对安装在1米处、2米处、3米处的4根长条加热棒的蓄热装置分别进行加热后，蓄热罐体出口水温随时间的变化图。从图7可以看出，在短时间内3米处的4根长条加热棒的加热会让蓄热罐体的上面温度迅速升高，故而，距底3米处的4根长条加热棒可以在短时间内提供一定高温的热水，达到快速供热的目的。

本发明通过Gambit软件对所述带加热棒的蓄热装置进行建模和划分网格，并用CFD对该模型进行了三次模拟，通过比较不同高度处中心线的温度变化，得到该蓄热装置可以通过不同的需热水量进行不同位置的加热棒加热，可以减少过多加热而造成的能量浪费，从而体现了带加热棒的蓄热装置的快速供热，精确供热和功能的多效性。

以上所述的实例仅仅是对本发明技术方案的某一实施方式进行描述，而未对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明涉及的发明观点的前提下，在本领域的相关人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种带加热棒的蓄热装置，其特征在于，包括：

蓄热槽体，其内部设有内胆，用于存储热水，其中所述蓄热槽体的外部设置有保温层；

底部H型布水器，设置在所述蓄热槽体的底部，布水器开口朝下，用于所述蓄热槽体的进水；

顶部H型布水器，设置在所述蓄热装置体的顶部，布水器开口朝上，用于所述蓄热槽体的出水；

在蓄热装置的不同高度处的水平方向均匀设置4根长条加热棒，最底部的加热棒距地1米且高于所述底部H型布水器，蓄热罐的中央位置距地2米处均匀设置4根长条加热棒，最顶部的加热棒距地3米且不超过所述顶部H型布水器。

2.根据权利要求1所述的带加热棒的蓄热装置，其特征在于：

所述蓄热槽体的中部设有电加热保护器，用于检测所述不同高度处的4根长条加热棒的加热是否安全。

3.根据权利要求2所述的带加热棒的蓄热装置，其特征在于：

所述蓄热槽体的端部设有顶盖，用于盖住所述蓄热槽体，其中所述顶盖上设有排气口。

4.根据权利要求3所述的带加热棒的蓄热装置，其特征在于：

所述蓄热槽体的底部设有排污口，所述排污口在所述底部H型布水器的下方。

5.根据权利要求4所述的带加热棒的蓄热装置，其特征在于：

所述4根加热棒从装置的一端插入所述蓄热槽体，所述4根加热棒与装置的一端采用法兰焊接密封，避免所述蓄热槽体漏水。

6.一种使用上述权利要求1-6任意一项所述的带加热棒的蓄热装置的加热方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、电价谷段时，距地1米的4根加热棒工作，加热蓄热槽体的水到指定温度停止加热；

S2、需要少量的热水时，距地3米的4根加热棒工作，加热到蓄热槽体出口温度到指定温度时进行放热；

S3、需要大量的热水但不足整个蓄热槽体水量时，加热距地2米的4根加热棒，加热到蓄热槽体出口温度到指定温度时进行放热。

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