CN111503713A - 一种模块化的固液两相储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化的固液两相储热装置，包括壳体，壳体内沿着纵向安装有储热模块组，储热模块组中，沿着竖向从顶层至底层或从底层至顶层的换热管的管径逐层递增，每个位于同一列的多层储热模块单元中的换热管通过变径连接弯头依次串联，形成多列竖向平行并列的换热介质变径S形通路。本发明的模块化的储热模块单元结构设计，只有一路换热管路，可以使结构内部换热效果最大化，提升了储热量和储热效率。本发明的换热管路为多列竖向平行并列的换热介质变径S形通路，通过改变接触面积和流速的方法，实现每次的换热量保持相同水平。

Description

一种模块化的固液两相储热装置

技术领域

本发明属于传热装置领域，涉及两相储热装置，具体涉及一种模块化的固液两相储热装置。

背景技术

无论是在市政工程领域还是工业生产领域，供热是一个永恒的话题，也是能源消耗的主要方面。但是在供热过程中往往存在着与需求的不匹配性，这种不匹配及表现在需求量的不匹配，也表现在需求时间的不匹配上，这种不匹配就会造成能源的浪费。储热技术就是为了有效解决热能供需不平衡，提高能源利用效率的有效方法，因而得到了快速的发展。

固液两相储热，因为既可以利用储热材料的显热储热，也可以利用物态在变化过程中的潜热储热，因此具有储热密度高，储热装置体积小等优点而得到了发展。

现有技术方案一般采用在密闭金属箱体中填充储能材料，储能材料中设置一路蛇形布置储热管路及一路蛇形布置的释热管路，管路布置密度和方式，直接影响最终的取换热效果。

现有技术中存在以下缺陷和不足之处：

(A)固液转变不彻底，设备运用效率低。大部分相蓄热材料传热效果较差，尤其是在释放热量的时候，由液转固态后，凝结在换热管上的固态材料会影响换热管和液态材料的换热，导致储热材料不能完全转变物态，不能实现最大限度的储热和释热。因此需要一种合理的结构来改善该缺陷

(B)储热装置系统复杂。传统储热装置中，至少两路换热管路，储热介质换热管路和释热介质换热管路，各种管路占据储热装置的较大空间，大幅度减少储热材料的存储量，进而影响到了整个装置的总体储热量。

(C)温度及应力分布不均，储热设备可靠性低。现有的蓄热器一般在换热介质入口段热量过于集中，储热材料温度较高，物态变化较快。而随着换热的进行，换热介质流动温度逐渐降低，与蓄热材料温差逐渐减小，导致在装置出口段蓄热量小，蓄热材料温度较低，从而导致局部过热和温度分层现象，影响储热装置的效果和使用寿命

(D)系统寿命及可维修性差。目前绝大多数的蓄热装置主要以盘管为主要换热结构，换热盘管布置在储热装置内部。在换热盘管在长时间运行过程中，一但发生结垢堵塞，或者管壁腐蚀遗漏的情况，会影响整个储热装置的使用性能降低，甚至导致储热材料泄漏，影响系统安全和设备寿命。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种模块化的固液两相储热装置，解决现有技术中设备储热量和储热效率有待提高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种模块化的固液两相储热装置，包括箱体，箱体内沿着纵向安装有储热模块组，所述的储热模块组包括多个纵向布设的储热模块单元，多个储热模块单元呈现多层多列的阵列式排布结构，每层横向排布有数量相等的多个储热模块单元，沿着竖向排布有多层储热模块单元；

所述的储热模块单元包括封闭的内壳体，内壳体中安装有两端伸出内壳体轴向端面的换热管，换热管和内壳体之间的腔体内填充有储热材料；

储热模块组中，沿着竖向从顶层至底层或从底层至顶层的换热管的管径逐层递增，每个位于同一列的多层储热模块单元中的换热管通过变径连接弯头依次串联，形成多列竖向平行并列的换热介质变径S形通路；

储热模块组中，竖向最顶层或竖向最底层的管径最小的多个换热管的端部均通过变径连接管与小径端布水器相连，小径端布水器与换热介质小径端接头相连；竖向最底层或竖向最顶层的管径最大的多个换热管的端部均通过连接管与大径端布水器相连，大径端布水器与换热介质大径端接头相连，使得多列平行并列的换热介质变径S形通路并联在换热介质小径端接头和换热介质大径端接头之间。

本发明还具有如下技术特征：

所述的储热模块组中，相邻两层的储热模块单元的换热管的管径递增幅度为2％～10％。

所述的储热模块组中，位于同一层的储热模块单元的换热管的管径相等。

所述的换热管上沿着轴向设置有多层向四周径向发散设置的换热片。

所述的内壳体的轴截面为正方形，内壳体的内部宽度与换热片直径的比值控制在(1.75～2):1之间。

所述的内壳体外包覆有一层保温层，保温层外套装有外保护壳体。

所述的多个储热模块单元间隙配合安装在支撑架上，使得储热模块组中，相邻的储热模块单元之间具有收缩缝隙，实现多层多列的阵列式排布结构。

所述的的储热模块组的纵向两端分别设置有换热管能够伸出的定位板。

所述的小径端布水器和大径端布水器均设置在箱体外部。

所述的变径连接弯头上包覆有保温层。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的模块化的储热模块单元结构设计，只有一路换热管路，可以使结构内部换热效果最大化，提升了储热量和储热效率。本发明的换热管路为多列竖向平行并列的换热介质变径S形通路，高温换热介质从小管径的换热管流向大管径的换热管，低温换热介质从大管径的换热管流向小管径的换热管，换热介质温度高时换热接触面积小，流速快，换热介质温度低时换热接触面积大，流速慢，通过改变接触面积和流速的方法，实现每次的换热量保持相同水平。

(Ⅱ)本发明的变经式的流道设计，提高了整个储热装置的去放热量平衡；相对于同等体积的储热装置，提高了储热量。

(Ⅲ)本发明提供一种优化的储热设备结构，使得储热设备可以根据实际情况增加或更换储热模块，降低了使用和维护成本。

附图说明

图1为本发明的模块化的固液两相储热装置内部结构示意图。

图2是本发明的储热模块组的整体结构示意图。

图3是变径连接管的结构示意图。

图4是储热模块单元的结构示意图。

图5是多运行模式的固液两相储热系统的整体结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-储热装置，2-用户侧循环管路，3-系统侧多运行模式循环管路，4-换热器；

101-箱体，102-储热模块组，103-储热模块单元，104-变径连接弯头，105-变径连接管，106-小径端布水器，107-换热介质小径端接头，108-连接管，109-大径端布水器，110-换热介质大径端接头，111-支撑架，112-收缩缝隙，113-定位板；

10301-内壳体，10302-换热管，10303-储热材料，10304-换热片，10305-保温层，10306-外保护壳体；

201-用户侧循环泵，202-末端用户；

301-系统侧循环泵，302-第一阀门，303-热源，304-第二阀门，305-第三阀门，306-第四阀门，307-第五阀门，308-第六阀门，309-第七阀门；

401-用户侧换热管，402-系统侧换热管。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

本发明主要要解决的技术问题包括：解决现有技术中储热装置热量分布不均，温度分层，部分储热材料物态变化不彻底的现象；改善设备结构形式，解决现有设备储热量有待提高的问题；提高设备检维修的可行性，提高设备运维的稳定性；降低系统的运行成本。

需要说明的是，本发明中的所有零部件和材料，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件和材料。

需要说明的是，本发明中的换热管的管径为换热管的内径。

需要说明的是，本发明中内壳体的轴向即纵向。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种模块化的固液两相储热装置，如图1至图4所示，包括箱体101，箱体101内沿着纵向安装有储热模块组102，储热模块组102包括多个纵向布设的储热模块单元103，多个储热模块单元103呈现多层多列的阵列式排布结构，每层横向排布有数量相等的多个储热模块单元103，沿着竖向排布有多层储热模块单元103；

储热模块单元103包括封闭的内壳体10301，内壳体10301中安装有两端伸出内壳体10301轴向端面的换热管10302，换热管10302和内壳体10301之间的腔体内填充有储热材料10303；

储热模块组102中，沿着竖向从顶层至底层或从底层至顶层的换热管10302的管径逐层递增，每个位于同一列的多层储热模块单元103中的换热管10302通过变径连接弯头104依次串联，形成多列竖向平行并列的换热介质变径S形通路；

储热模块组102中，竖向最顶层或竖向最底层的管径最小的多个换热管10302的端部均通过变径连接管105与小径端布水器106相连，小径端布水器106与换热介质小径端接头107相连；竖向最底层或竖向最顶层的管径最大的多个换热管10302的端部均通过连接管108与大径端布水器109相连，大径端布水器109与换热介质大径端接头110相连，使得多列平行并列的换热介质变径S形通路并联在换热介质小径端接头107和换热介质大径端接头110之间。

作为本实施例的一种优选方案，储热模块组102中，相邻两层的储热模块单元103的换热管10302的管径递增幅度为2％～10％。根据换热介质在流动过程中温度的变化，通过改变各层换热模块单元中的换热管管径，设计变管径通路，均衡了各层的换热介质接触面积和流速，改善了现有技术中局部过热和温度分层现象。减少了设备运行热应力。

作为本实施例的一种优选方案，储热模块组102中，位于同一层的储热模块单元103的换热管10302的管径相等。由于在储热和释热过程中，均存在温差现象，为了改善热量在存储和释放过程中热应力分布的不均匀性和防止储热模块单元103过渡变形，将位于同一层的储热模块单元103的换热管10302的管径设置为相等，可以有效避免上述问题的产生。

作为本实施例的一种优选方案，换热管10302上沿着轴向设置有多层向四周径向发散设置的换热片10304。进一步优选的，内壳体10301的轴截面为正方形，内壳体10301的内部宽度与换热片10304直径的比值控制在(1.75～2):1之间。换热片10304保证了各个储热模块单元103内部储热的均匀性。

本实施例中，储热材料10303可根据需要选择选用低温储热材料、中温储热材料或高温储热材料。储热材料10303吸收来自换热管10302和换热片10304中换热介质的热量达到融点后，实现由固态向液体的物态转换，在物相转换的过程中将热量进行存储。整个储热模块单元103内部构成一个封闭空间，在储热材料10303吸热变为液态的过程中不会出现渗漏的情况。由于每个储热模块单元103的独立密封设计，使得换热管路在腐蚀、泄漏的时候，不会影响到其他储热模块，保证了装置的运行安全。

作为本实施例的一种优选方案，内壳体10301外包覆有一层保温层10305，保温层10305外套装有外保护壳体10306。对内壳体10301进行保温，避免热交换过程中的热量损失。变径连接弯头104上包覆有保温层，也是为了避免热交换过程中的热量损失。为了减少热量损失，提高储热装置的热效率，箱体101内部，除了各个储热模块单元103外部设计保温层外，各弯头连接管路外部均也均进行保温。

作为本实施例的一种优选方案，多个储热模块单元103间隙配合安装在支撑架111上，使得储热模块组102中，相邻的储热模块单元103之间具有收缩缝隙112，实现多层多列的阵列式排布结构。收缩缝隙112给储热模块单元103的变形留下形变空间，避免储热模块单元103直接堆叠挤压造成的不良影响。储热模块组102根据不同的热量需求，只需要通过增减储热模块单元103的数量既可以实现。

作为本实施例的一种优选方案，的储热模块组102的纵向两端分别设置有换热管10302能够伸出的定位板113。定位板113对多个储热模块单元103在纵向进行对齐定位。定位板113均可开启，用于各个储热模块单元103的更换和维修。

作为本实施例的一种优选方案，小径端布水器106和大径端布水器109均设置在箱体101外部。

本发明的模块化的固液两相储热装置在使用时，根据实际需要确定储热模块组102中每层储热模块单元103的数量以及竖向设置多少层储热模块单元103。换热介质小径端接头107与换热介质的高温侧相连，换热介质大径端接头110与换热介质的低温侧相连。在储热时，换热介质为高温，从换热介质小径端接头107进入小径端布水器106中，在小径端布水器106中，换热介质被平均分配到了最顶层或最底层管径最小的各个储热模块单元103中，换热后经变径连接弯管104进入下一层或上一层中继续换热，直至最底层或最顶层管径最大的储热模块单元103中进行换热，换热介质热量被存储在储热材料中，换热介质的温度降低后通过大径端布水器109汇集，从换热介质大径端接头110中排出。在释热时，换热介质为低温，反方向运行，从换热介质大径端接头110进入，从换热介质小径端接头107排出。

实施例2：

本实施例给出一种多运行模式的固液两相储热系统，如图5所示，包括封闭循环的用户侧循环管路2和封闭循环的系统侧多运行模式循环管路3，其特征在于，用户侧循环管路2上依次串联有用户侧循环泵201、换热器4的用户侧换热管401和末端用户202，形成一个用户侧换热介质闭合流通回路；

系统侧多运行模式循环管路3包括依次串联的系统侧循环泵301、第一阀门302、热源303、第二阀门304、储热装置1、第三阀门305、第四阀门306和换热器4的系统侧换热管402组成的系统侧换热介质闭合流通回路；

系统侧换热介质闭合流通回路上还设置有与系统侧循环泵301、第一阀门302、热源303和第二阀门304并联的第一旁路，第一旁路上设置有第五阀门307；

系统侧换热介质闭合流通回路上还设置有与第一阀门302、热源303和第二阀门304并联的第二旁路，第二旁路上设置有第六阀门308；

系统侧换热介质闭合流通回路上还设置有与第二阀门304、储热装置1和第三阀门305并联的第三旁路，第三旁路上设置有第七阀门309。

具体的，系统侧多运行模式循环管路3包括储热模式循环管路、释热模式循环管路、热源独立供热模式循环管路、储热联合热源供热模式循环管路和释热联合热源供热模式循环管路；

储热模式循环管路为换热介质依次流经的系统侧循环泵301、第一阀门302、热源303、第七阀门309、第三阀门305、储热装置1和第五阀门307组成的循环管路；

释热模式循环管路为换热介质依次流经的系统侧循环泵301、第六阀门308、储热装置1、第三阀门305、第四阀门306和换热器4的系统侧换热管402组成的循环管路；

热源独立供热模式循环管路为换热介质依次流经的系统侧循环泵301、第一阀门302、热源303、第七阀门309、第四阀门306和换热器4的系统侧换热管402组成的循环管路；

储热联合热源供热模式循环管路为储热模式循环管路和热源独立供热模式循环管路同时运行的并联循环管路，热源303为固液两相储热装置1提供热量储热的同时为换热器4供热；具体的，储热联合热源供热模式循环管路包括一条主路和两条并联的支路，一条主路上包括换热介质依次流经的系统侧循环泵301、第一阀门302、热源303和第七阀门309，一条支路上包括换热介质依次流经的第三阀门305、储热装置1和第五阀门307；另一条支路上包括换热介质依次流经的第四阀门306和换热器4的系统侧换热管402。

释热联合热源供热模式循环管路为换热介质依次流经的系统侧循环泵301、第一阀门302、热源303、第二阀门304、储热装置1、第三阀门305、第四阀门306和换热器4的系统侧换热管402组成的循环管路。

具体的，储热装置为实施例1中的模块化的固液两相储热装置，种模块化的固液两相储热装置，

储热装置1的内部包括换热介质变径通路，换热介质变径通路的一端与换热介质大径端接头110相连，换热介质变径通路的另一端与换热介质小径端接头107相连；第二阀门304和储热装置1的换热介质大径端接头110相连，第三阀门305和储热装置1的换热介质小径端接头107相连。确保低温换热介质从换热介质大径端接头110流入，从换热介质小径端接头107流出，高温换热介质从换热介质小径端接头107流入，从换热介质大径端接头110流出。

作为本实施例的一种优选方案，热源303为电锅炉或可以根据需要选择太阳能热水器等与系统匹配的热源。

本发明的固液两相储热系统能够在多个运行模式下根据需要进行切换，多运行模式的系统结构设计，降低了系统运行成本。通过不同的阀门切换，可以灵活且合理的调度储能装置和热源的运行时间和出力大小，降低整个系统的运行成本。

本发明的多运行模式的储能系统将模块化的固液两相储热装置应用到系统中，二者相互协同，联合增效，模块化的固液两相储热装置的内部包括换热介质变径通路，多运行模式的储能系统能够确保模块化的固液两相储热装置中的高温传热介质从变径管路的小端流入，大端流出，低温传热介质从变径管路的大端流入，小端流出，通过改变接触面积和流速的方法，实现每次的换热量保持相同水平。

本发明的固液两相储热系统的集约化的系统设计，降低系统侧循环泵的配置数量，减少了设备的投资。

本发明的多运行模式的固液两相储热系统在运行时，包括储热模式、释热模式、热源独立供热模式、储热联合热源供热模式和释热联合热源供热模式，具体的多运行模式的运行过程如下所述；

储热模式：由热源303给储热装置1供热，储热装置1储热。该模式下，第一阀门302、第七阀门309、第三阀门305和第五阀门307开启，其余阀门关闭。启动系统侧循环泵301，换热介质在储热模式循环管路中循环流动，在储热装置1中进行热交换，使得储热装置1中的储热材料10303吸收热量由固态逐渐转化为液态，将吸收的能量存储；经过换热后的换热介质温度降低后，返回热源303进行再次加热，以此循环。

储热装置1为模块化的固液两相储热装置时，换热介质从模块化的固液两相储热装置的换热介质小径端接头107流入，从模块化的固液两相储热装置的换热介质大径端接头110流出。

释热模式：由储热装置1独立给换热器4供热。该模式下，热源303停止供热，第六阀门308、第三阀门305和第四阀门306开启，其余阀门关闭。启动系统侧循环泵301，换热介质在释热模式循环管路中循环流动，换热介质在储热装置1中进行热交换，换热介质吸收储热装置1中的储热材料10303储存的热量后温度升高，在系统侧循环泵301的作用下，输送到换热器4中，发生换热，将热量传递给换热器4通过热交换将热量传递给用户侧循环管路2中的传热介质，在用户侧循环泵201的驱动下，将热量供给末端用户202。储热装置1中的储热材料10303由于潜热及显热的释放，温度降低，逐渐由液态再次转化为固态，完成释热供热运行模式。该模式主要在电价高峰或者负荷高峰时运行，用以削减峰值负荷，降低高峰运行成本。

储热装置1为模块化的固液两相储热装置时，换热介质从模块化的固液两相储热装置的换热介质大径端接头110流入，从模块化的固液两相储热装置的换热介质小径端接头107流出。

热源独立供热模式：由热源303独立给换热器4供热。该模式下，储热装置1停止工作，第一阀门302、第七阀门309和第四阀门306开启，其余阀门关闭。启动系统侧循环泵301，换热介质在热源独立供热模式循环管路中循环流动，在系统侧循环泵301的作用下，输送到换热器4中，发生换热，将热量传递给换热器4通过热交换将热量传递给用户侧循环管路2中的传热介质，在用户侧循环泵201的驱动下，将热量供给末端用户202。

储热联合热源供热模式：由热源303既给储热装置1供热，又给换热器4供热，由于储热模式循环管路和热源独立供热模式循环管路是并联的，二者能够同时进行，即热源独立供热模式和储热模式两种运行模式同时进行，热源303同时给两种模式供热。

释热联合热源供热模式：由热源303和储热装置1同时给换热器4供热。该模式下，第一阀门302、第二阀门304、第三阀门305和第四阀门306开启，其余阀门关闭。启动系统侧循环泵301，换热介质在释热联合热源供热模式循环管路中循环流动。该模式下热源303可以降低负荷，减小出水温度，后经储热装置1再次提升后达到供热稳定。减少了热源的电力消耗，节约了运行成本。

Claims (10)

1.一种模块化的固液两相储热装置，包括箱体(101)，其特征在于，箱体(101)内沿着纵向安装有储热模块组(102)，所述的储热模块组(102)包括多个纵向布设的储热模块单元(103)，多个储热模块单元(103)呈现多层多列的阵列式排布结构，每层横向排布有数量相等的多个储热模块单元(103)，沿着竖向排布有多层储热模块单元(103)；

所述的储热模块单元(103)包括封闭的内壳体(10301)，内壳体(10301)中安装有两端伸出内壳体(10301)轴向端面的换热管(10302)，换热管(10302)和内壳体(10301)之间的腔体内填充有储热材料(10303)；

储热模块组(102)中，沿着竖向从顶层至底层或从底层至顶层的换热管(10302)的管径逐层递增，每个位于同一列的多层储热模块单元(103)中的换热管(10302)通过变径连接弯头(104)依次串联，形成多列竖向平行并列的换热介质变径S形通路；

储热模块组(102)中，竖向最顶层或竖向最底层的管径最小的多个换热管(10302)的端部均通过变径连接管(105)与小径端布水器(106)相连，小径端布水器(106)与换热介质小径端接头(107)相连；竖向最底层或竖向最顶层的管径最大的多个换热管(10302)的端部均通过连接管(108)与大径端布水器(109)相连，大径端布水器(109)与换热介质大径端接头(110)相连，使得多列平行并列的换热介质变径S形通路并联在换热介质小径端接头(107)和换热介质大径端接头(110)之间。

2.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的储热模块组(102)中，相邻两层的储热模块单元(103)的换热管(10302)的管径递增幅度为2％～10％。

3.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的储热模块组(102)中，位于同一层的储热模块单元(103)的换热管(10302)的管径相等。

4.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的换热管(10302)上沿着轴向设置有多层向四周径向发散设置的换热片(10304)。

5.如权利要求4所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的内壳体(10301)的轴截面为正方形，内壳体(10301)的内部宽度与换热片(10304)直径的比值控制在(1.75～2):1之间。

6.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的内壳体(10301)外包覆有一层保温层(10305)，保温层(10305)外套装有外保护壳体(10306)。

7.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的多个储热模块单元(103)间隙配合安装在支撑架(111)上，使得储热模块组(102)中，相邻的储热模块单元(103)之间具有收缩缝隙(112)，实现多层多列的阵列式排布结构。

8.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的的储热模块组(102)的纵向两端分别设置有换热管(10302)能够伸出的定位板(113)。

9.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的小径端布水器(106)和大径端布水器(109)均设置在箱体(101)外部。

10.如权利要求1所述的模块化的固液两相储热装置，其特征在于，所述的变径连接弯头(104)上包覆有保温层。

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