CN111811017B - 梯级蓄热供热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯级蓄热供热系统，包括通过梯级换热循环管道顺次连接的梯级换热循环泵、高温蓄热模块、过渡稳流蓄热换热模块构成的梯级换热回路和通过供热管道顺次连接的过渡稳流蓄热换热模块、供热循环泵构成的供热回路，高温蓄热模块包括内部设有换热管路的高温蓄热体，换热管路的进出口端均与梯级换热循环管道相连，过渡稳流蓄热换热模块包括内部设有多条加热换热管和放热换热管的中低温相变蓄热体，加热换热管的进出口端均与梯级换热循环管道相连；放热换热管的进出口端均与供热管道相连；梯级换热循环管道内和供热管道内均设有循环传热物质，过渡稳流蓄热换热模块和供热循环泵之间设有用热设备。本发明储热量大且供热稳定。
Description
技术领域
本发明涉及蓄热供热技术领域。更具体地说，本发明涉及一种梯级蓄热供热系统及方法。
背景技术
在为了合理使用能源以及提高能源的利用效率，调节能源供应侧和能源需求侧之间的时间差，近些年来，储能技术得到了大力的支持和发展。蓄热技术主要分为热化学蓄热、显热蓄热和相变蓄热3种。
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实现热量的储存或释放的方法。高温显热蓄热因操作简便、储能密度高而得到广泛应用，但是随着蓄热体温度的下降，输出功率会发生较大波动，换热也不稳定。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实现了高温蓄热体的换热功率在一定的允许范围内波动，但是该方案并不能完全解决温度波动的问题，只能得到一定波动范围的稳定供热。对于一些对热惯性不敏感的供热系统，采用上述方案满足需求时，更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。
相变蓄热(潜热蓄热)是利用流体的汽化潜热实现蓄热的方法。相变蓄热具有相变蓄热具有相变潜热大、相变温区窄、可显著降低蓄热装置的尺寸等优点，是目前国内外研究的热点，但是相变蓄热存在导热性能差、储能密度低、腐蚀性严重等问题。中国专利CN203518746U公开了一种多级热回收相变蓄热器，由多个填充有不同相变温度材料的单级相变蓄热器串联而成，提高了相变材料的吸热速率和放热速率但该专利中采用螺旋盘管换热结构，一般受材料限制，难以适用于高温环境。中国专利CN110081753A公开了一种高温梯级相变蓄热装置及蓄热方法，所述的高温梯级相变蓄热装置由n个内部设有蓄热单元的模块组成，第一蓄热模块到第n个蓄热模块分别用于承载相变温度依次递减的所述相变蓄热介质。该方法简化了多级回收蓄热器的结构，提高了相变材料的吸放热速率，但不能解决相变蓄热器储能密度低的问题。
高储能密度的高温蓄热器换热功率不稳定、控制和管路布置较为复杂，中低温相变蓄热器储能密度低，都不具备稳定可控输出的能力。因此，亟需一种能兼顾储能密度高和供热稳定可靠的供热系统。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种梯级蓄热供热系统，其通过将高储能密度的高温蓄热体与低储能密度的中低温相变蓄热体结合供热，既能保证蓄热供热系统供热功率稳定，又能保证蓄热体储热量充足。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种梯级蓄热供热系统，包括：
梯级换热回路，其包括通过梯级换热循环管道顺次连接的梯级换热循环泵、高温蓄热模块、过渡稳流蓄热换热模块，所述高温蓄热模块包括高温蓄热体，所述高温蓄热体内部设置有换热管路，所述换热管路的进出口端均与所述梯级换热循环管道相连，所述过渡稳流蓄热换热模块包括中低温相变蓄热体，所述中低温相变蓄热体内部设置有多条加热换热管和放热换热管，所述加热换热管的进出口端均与所述梯级换热循环管道相连；
供热回路，其包括通过供热管道顺次连接的所述过渡稳流蓄热换热模块、供热循环泵，所述放热换热管的进出口端均与所述供热管道相连；
其中，所述梯级换热循环管道内、所述供热管道内均设置有循环传热物质，所述过渡稳流蓄热换热模块和所述供热循环泵之间设置有用热设备。
优选的是，所述的梯级蓄热供热系统中，所述高温蓄热体上设置有第一温度传感器、加热棒安装孔、换热管安装孔，所述加热棒安装孔内插设有高温加热棒，所述换热管安装孔内设置有所述换热管路，所述换热管路的进出口端分别设置有高温蓄热模块单向进口阀和高温蓄热模块单向出口阀，所述换热管路的进出口处均设置有第二温度传感器，所述高温蓄热体的外部包覆有第一保温层。
优选的是，所述的梯级蓄热供热系统中，所述高温蓄热体由高温蓄热材料组成，所述高温蓄热材料包括石墨、耐火砖、混凝土、高温陶瓷、铸铁中的至少一种。
优选的是，所述的梯级蓄热供热系统中，所述换热管路的换热面积固定。
优选的是，所述的梯级蓄热供热系统中，所述中低温相变蓄热体内部交错设置有多条加热换热管和所述放热换热管，多条加热换热管的入口端设置有入口分流箱、出口端设置有出口集箱，所述放热换热管的进出口端分别设置有中低温相变蓄热模块单向进口阀和中低温相变蓄热模块单向出口阀，所述中低温相变蓄热体内还设置有第三温度传感器和低温辅助加热模块，所述中低温相变蓄热体外包覆有第二保温层。
优选的是，所述的梯级蓄热供热系统中，所述中低温相变蓄热体由中低温相变蓄热材料组成，所述中低温相变蓄热材料包括石蜡、石蜡基复合相变储能材料、糖醇、糖醇类相变材料中的至少一种。
优选的是，所述的梯级蓄热供热系统中，所述供热管道上还设置有热量计。
本发明还提供了一种梯级蓄热供热方法，包括以下步骤：
步骤一、加热高温蓄热体和中低温相变蓄热体至预设温度；
步骤二、使中低温相变蓄热体给用热设备供热，当中低温相变蓄热体的供热量达到其蓄热量的70％或当中低温相变蓄热体的温度低于其相变温度时，让高温蓄热体给中低温相变蓄热体进行充热，至中低温相变蓄热体的温度高于其相变温度，停止充热；
其中，所述高温蓄热体的最低换热功率为所述中低温相变蓄热体的额定供热功率。
优选的是，所述的梯级蓄热供热方法中，所述步骤二中，根据中低温相变蓄热体的供热功率调节中低温相变蓄热体给用热设备的供热流量。
优选的是，所述的梯级蓄热供热方法中，所述高温蓄热体的有效储热密度不小于所述中低温相变蓄热体的有效储热密度的2倍。
本发明至少包括以下有益效果：
一、本发明的梯级蓄热供热系统采用高储能密度的高温蓄热体与低储能密度的中低温相变蓄热体结合的设计结构，解决了高温蓄热体换热功率不稳定、控制和管路布置复杂，以及中低温相变蓄热体储能密度低的问题，该系统不仅储能密度大，且供热稳定性好，供热可靠性高。
二、本发明提供了一种基于相变材料的同时具有充放热功能的过渡稳流蓄热换热模块，实现了高温蓄热模块可控稳定供热，同时降低了高温蓄热模块的设计复杂性，使得高温蓄热模块结构更加简单。
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为本发明其中一种技术方案中的梯级蓄热供热系统结构示意图；
图2为本发明其中一种技术方案中的高温蓄热模块结构示意图；
图3为本发明其中一种技术方案中的高温蓄热模块的剖面结构示意图；
图4为本发明其中一种技术方案中的过渡稳流蓄热换热模块结构示意图；
图5为本发明其中一种技术方案中的过渡稳流蓄热换热模块的剖面结构示意图；
其中，1-高温蓄热模块，11-高温蓄热体，12-高温加热棒，13-换热管路，14-第一温度传感器，15-第一保温层，16-加热棒安装孔，17-换热管安装孔，18-第二温度传感器，2-过渡稳流蓄热换热模块，21-中低温相变蓄热体，22-加热换热管，23-放热换热管，24-第三温度传感器，25-第二保温层，26-低温辅助加热模块，3-梯级换热回路，31-梯级换热循环泵，32-梯级换热循环管道，33-入口分流箱，34-出口集箱，35-高温蓄热模块单向进口阀，36-高温蓄热模块单向出口阀，4-供热回路，41-供热循环泵，42-供热管道，43-热量计，44-中低温相变蓄热模块单向进口阀，45-中低温相变蓄热模块单向出口阀，5-用热设备。
具体实施方式
下面结合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，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。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。
在其中一种技术方案中，如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明提供一种梯级蓄热供热系统，包括：
梯级换热回路3，其包括通过梯级换热循环管道32顺次连接的梯级换热循环泵31、高温蓄热模块1、过渡稳流蓄热换热模块2，所述高温蓄热模块1包括高温蓄热体11，所述高温蓄热体11内部设置有换热管路13，所述换热管路13的进出口端均与所述梯级换热循环管道32相连，所述过渡稳流蓄热换热模块2包括中低温相变蓄热体21，所述中低温相变蓄热体21内部设置有多条加热换热管22和放热换热管23，所述加热换热管22的进出口端均与所述梯级换热循环管道32相连；
供热回路4，其包括通过供热管道42顺次连接的所述过渡稳流蓄热换热模块2、供热循环泵41，所述放热换热管23的进出口端均与所述供热管道42相连；
其中，所述梯级换热循环管道32内、所述供热管道42内均设置有循环传热物质，所述过渡稳流蓄热换热模块2和所述供热循环泵41之间设置有用热设备5；
所述高温蓄热体11由高温蓄热材料组成，所述高温蓄热材料包括石墨、耐火砖、混凝土、高温陶瓷、铸铁中的至少一种；所述中低温相变蓄热体21由中低温相变蓄热材料组成，所述中低温相变蓄热材料包括石蜡、石蜡基复合相变储能材料、糖醇、糖醇类相变材料中的至少一种。其中，石蜡基复合相变储能材料可以是在石蜡材料中加入适量的金属材料制备的复合材料、采用多孔石墨吸附石蜡的方法制备的石蜡/石墨复合储能材料、石蜡油中加入碳纳米管制备的复合材料、长径比优化后的多壁碳纳米管加入石蜡得到碳纳米管/石蜡复合物、通过融化搅拌等方法将碳纳米纤维分散到石蜡基底中得到碳纳米纤维/石蜡复合物等。糖醇类相变材料可以是用4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯作为交联剂，通过缩合反应将聚乙二醇接枝到赤藓糖醇上，制备的聚乙二醇/赤藓糖醇固-固相变材料；还可以是以赤藓糖醇为基体的赤藓糖醇/硫脲和赤藓糖醇/木糖醇共晶相变材料等。
在本技术方案中，循环传热物质可以是水，梯级换热循环管道32顺次连接梯级换热循环泵31、高温蓄热体中的换热管路13、中低温相变蓄热体中的加热换热管22，开启梯级换热循环泵31即可使循环传热物质在梯级换热回路3的管道和管路中循环流动，循环传热物质在换热管路13处从高温蓄热体11吸热后流至加热换热管22放热，将热量传递给中低温相变蓄热体21降温后再次通过梯级换热循环泵31流至换热管路13吸热，实现对中低温相变蓄热体21的循环供热；供热管道42顺次连接放热换热管23、用热设备5中的管路、供热循环泵41，开启供热循环泵41即可使循环传热物质在供热回路4的管道和管路中循环流动，循环传热物质在放热换热管23处从中低温相变蓄热体21吸热后流至用热设备5放热，将热量传递给用热设备5降温后再次通过供热循环泵41流至放热换热管23处吸热，实现给用热设备5的循环供热；
本发明结构简单，操作方便，且供热稳定，可靠性高。
在另一种技术方案中，如图1、图2和图3所示，所述的梯级蓄热供热系统中，所述高温蓄热体11上设置有第一温度传感器14、加热棒安装孔16、换热管安装孔17，所述加热棒安装孔16内插设有高温加热棒12，所述换热管安装孔17内设置有所述换热管路13，所述换热管路13的进出口端分别设置有高温蓄热模块单向进口阀35和高温蓄热模块单向出口阀36，所述换热管路13的进出口处均设置有第二温度传感器18，所述高温蓄热体11的外部包覆有第一保温层15。高温加热棒12用于给高温蓄热体11加热；第一温度传感器14用于监测高温蓄热体11的温度状况，第二温度传感器18用于监测换热管路内循环传热物质的温度；高温蓄热模块单向进口阀35和高温蓄热模块单向出口阀36可以进一步保证循环传热物质在梯级换热回路内沿同一方向流动。
在另一种技术方案中，所述的梯级蓄热供热系统中，所述换热管路的换热面积固定。换热面积为固定式，不用调节换热管路的换热面积，可简化系统结构，有利于降低系统的操作难度。
在另一种技术方案中，如图1、图4和图5所示，所述的梯级蓄热供热系统中，所述中低温相变蓄热体21内部交错设置有多条加热换热管22和所述放热换热管23，多条加热换热管22的入口端设置有入口分流箱33、出口端设置有出口集箱34，所述放热换热管23的进出口端分别设置有中低温相变蓄热模块单向进口阀44和中低温相变蓄热模块单向出口阀45，所述中低温相变蓄热体21内还设置有第三温度传感器24和低温辅助加热模块26，所述中低温相变蓄热体21外包覆有第二保温层25。梯级换热循环管道32内的循环传热物质先流入入口分流箱33，然后通过入口分流箱33的多个出口分别对应流入各加热换热管22进行换热，使中低温相变蓄热体21升温，然后均流入出口集箱34，从出口集箱34的出口再流入梯级换热循环管道32；设多条加热换热管有利于扩大换热面积，提高换热效率；中低温相变蓄热模块单向进口阀44和中低温相变蓄热模块单向出口阀45可以进一步保证循环传热物质在供热回路42内沿同一方向流动；第三温度传感器24用于监测中低温相变蓄热体21的温度状况；低温辅助加热模块26用于给中低温相变蓄热体21预热，低温辅助加热模块26可以是电热棒等。
在另一种技术方案中，如图1所示，所述的梯级蓄热供热系统中，所述供热管道42上还设置有热量计43。热量计43用于计量中低温相变蓄热体21通过放热换热管23向用热设备5输送的热量。通过热量计43的监测数据，可推理出中低温相变蓄热体21中还剩余的热量。当中低温相变蓄热体21向用热设备5输入的能量达到中低温相变蓄热体21总储热量的70％，或中低温相变蓄热体21上的第三温度传感器24达到温度下限时，将开启供热循环泵41对中低温相变蓄热体21进行再次加热。
本发明还提供了一种梯级蓄热供热方法，包括以下步骤：
步骤一、加热高温蓄热体和中低温相变蓄热体至预设温度；
步骤二、使中低温相变蓄热体给用热设备供热，当中低温相变蓄热体的供热量达到其蓄热量的70％或当中低温相变蓄热体的温度低于其相变温度时，让高温蓄热体给中低温相变蓄热体进行充热，至中低温相变蓄热体的温度高于其相变温度，停止充热；
其中，所述高温蓄热体的最低换热功率为所述中低温相变蓄热体的额定供热功率。
如根据本发明中梯级蓄热供热系统的梯级蓄热供热方法，包括以下步骤：
步骤一、通过高温加热棒12和低温辅助加热模块26分别加热高温蓄热体11和中低温相变蓄热体21至预设温度；并分别通过第一温度传感器14和第三温度传感器24检测高温蓄热体11和中低温相变蓄热体21是否到达指定温度，即充热是否完成；
步骤二、开启供热循环泵41，并根据中低温相变蓄热体21的供热功率调节供热管道内循环传热物质的流量，使供热管道内的循环传热物质在供热回路中循环流动，将中低温相变蓄热体21内的热量传递给用热设备5为其供热，当中低温相变蓄热体21的供热量达到其蓄热量的70％或当中低温相变蓄热体21的温度低于其相变温度时，开启梯级换热循环泵31，使梯级换热循环管道32内的循环传热物质在梯级换热回路中循环流动，将高温蓄热体11内的热量传递给中低温相变蓄热体21，至中低温相变蓄热体21的温度高于其相变温度，关闭梯级换热循环泵31，停止给中低温相变蓄热体21充热；
步骤二中，高温蓄热体11的最低换热功率为中低温相变蓄热体21的额定供热功率。高温蓄热体11对中低温相变蓄热体21进行充热过程中，高温蓄热体11的换热功率并不需要等于中低温相变蓄热体21的供热功率，而是按照设定的热流量进行换热，随着高温蓄热体11的蓄热量减少，温度降低，其换热功率会逐渐减小。由于高温蓄热体11的最低换热功率为中低温相变蓄热体21的额定供热功率，因此高温蓄热体11对中低温相变蓄热体21的梯级充热功率总是不小于中低温相变蓄热体21的额定供热功率；
本方法中根据中低温相变蓄热体21给用热设备5供热时的供热功率q调节供热管道内循环传热物质的流量；
其中，
q＝kAΔTm
式中ΔTm是对数平均温差，A是换热器面积，k是总传热系数，中低温相变蓄热体21在给用热设备5供热换热过程中温度不变，供热管路42内的循环传热物质从用热设备5流入放热换热管时温度不变，中低温相变蓄热体21的物理性质不变，换热器面积固定，因此AΔTm＝C是常数，k只与放热换热管23内的循环传热物质的对流换热系数h和放热换热管23的管壁导热系数有关，由于放热换热管23的管壁导热系数是常数，所以q只与对流换热系数h有关，对于单相对流换热，h只与雷诺数Re或循环传热物质的流量以及中低温相变蓄热体21的物理性质有关，中低温相变蓄热体21的物理性质不变，所以h只与雷诺数Re或循环传热物质的流量相关，即q只与雷诺数Re或循环传热物质的流量相关。
在另一种技术方案中，所述的梯级蓄热供热方法中，所述高温蓄热体11的有效储热密度不小于所述中低温相变蓄热体21的有效储热密度的2倍。在本系统的应用场景，如发电厂发电产热、生物质或垃圾热解储热等，白天高温蓄热体11可将发电厂发电产热、生物质或垃圾热解产热的热量储蓄起来，夜间高温蓄热体11给中低温相变蓄热体21供热，不用人为监测给中低温相变蓄热体21或用热设备5供热，减少夜间劳作；为能够蓄积充足的热量，高温蓄热体11的有效储热密度不小于中低温相变蓄热体21的有效储热密度的2倍。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
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 (10)
1.梯级蓄热供热系统，其特征在于，包括：
梯级换热回路，其包括通过梯级换热循环管道顺次连接的梯级换热循环泵、高温蓄热模块、过渡稳流蓄热换热模块，所述高温蓄热模块包括高温蓄热体，所述高温蓄热体内部设置有换热管路，所述换热管路的进出口端均与所述梯级换热循环管道相连，所述过渡稳流蓄热换热模块包括中低温相变蓄热体，所述中低温相变蓄热体内部设置有多条加热换热管和放热换热管，所述加热换热管的进出口端均与所述梯级换热循环管道相连；
供热回路，其包括通过供热管道顺次连接的所述过渡稳流蓄热换热模块、供热循环泵，所述放热换热管的进出口端均与所述供热管道相连；
其中，所述梯级换热循环管道内、所述供热管道内均设置有循环传热物质，所述过渡稳流蓄热换热模块和所述供热循环泵之间设置有用热设备。
2.如权利要求1所述的梯级蓄热供热系统，其特征在于，所述高温蓄热体上设置有第一温度传感器、加热棒安装孔、换热管安装孔，所述加热棒安装孔内插设有高温加热棒，所述换热管安装孔内设置有所述换热管路，所述换热管路的进出口端分别设置有高温蓄热模块单向进口阀和高温蓄热模块单向出口阀，所述换热管路的进出口处均设置有第二温度传感器，所述高温蓄热体的外部包覆有第一保温层。
3.如权利要求2所述的梯级蓄热供热系统，其特征在于，所述高温蓄热体由高温蓄热材料组成，所述高温蓄热材料包括石墨、耐火砖、混凝土、高温陶瓷、铸铁中的至少一种。
4.如权利要求2所述的梯级蓄热供热系统，其特征在于，所述换热管路的换热面积固定。
5.如权利要求1所述的梯级蓄热供热系统，其特征在于，所述中低温相变蓄热体内部交错设置有多条加热换热管和所述放热换热管，多条加热换热管的入口端设置有入口分流箱、出口端设置有出口集箱，所述放热换热管的进出口端分别设置有中低温相变蓄热模块单向进口阀和中低温相变蓄热模块单向出口阀，所述中低温相变蓄热体内还设置有第三温度传感器和低温辅助加热模块，所述中低温相变蓄热体外包覆有第二保温层。
6.如权利要求5所述的梯级蓄热供热系统，其特征在于，所述中低温相变蓄热体由中低温相变蓄热材料组成，所述中低温相变蓄热材料包括石蜡、石蜡基复合相变储能材料、糖醇、糖醇类相变材料中的至少一种。
7.如权利要求1所述的梯级蓄热供热系统，其特征在于，所述供热管道上还设置有热量计。
8.基于权利要求1～7中任一项所述的梯级蓄热供热系统的梯级蓄热供热方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、加热高温蓄热体和中低温相变蓄热体至预设温度；
步骤二、使中低温相变蓄热体给用热设备供热，当中低温相变蓄热体的供热量达到其蓄热量的70％或当中低温相变蓄热体的温度低于其相变温度时，让高温蓄热体给中低温相变蓄热体进行充热，至中低温相变蓄热体的温度高于其相变温度，停止充热；
其中，所述高温蓄热体的最低换热功率为所述中低温相变蓄热体的额定供热功率。
9.如权利要求8所述的梯级蓄热供热方法，其特征在于，所述步骤二中，根据中低温相变蓄热体的供热功率调节中低温相变蓄热体给用热设备的供热流量。
10.如权利要求8所述的梯级蓄热供热方法，其特征在于，所述高温蓄热体的有效储热密度不小于所述中低温相变蓄热体的有效储热密度的2倍。
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