CN112326725B - 一种可实现多模式运行的储释热实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可实现多模式运行的新型储释热实验系统，该实验系统包括加热子系统、储释热子系统、冷却子系统和换热子系统，解决现有技术在实验室情况下测试情况单一、难以详细模拟实际运行工况下的储释热过程问题，可实现开式储释热运行模式、闭式循环储释热运行模式和开式储释热系统和闭式储释热系统自由切换模式，以及不同运行模式下的多种变工况实验，该新型储释热实验系统可针对不同应用场景和不同运行模式(如太阳能储热和余热回收)，在实验室条件下进行储释热与储能装置实验，并能满足低温、中温、高温储释热系统中的关键部件的研发与测试。

Description

一种可实现多模式运行的储释热实验系统
技术领域
本发明涉及一种可实现多模式运行的储释热实验系统，属于储热设备技术领域。
背景技术
储热技术是以储热材料为媒介将太阳能光热、地热、工业余热、低品位废热等热能储存起来，可以有效解决时空分布不均或能源供给与需求间不匹配所带来的问题, 最大限度地提高整个系统的能源利用率、降低能源利用成本而逐渐发展起来的一种技术。储热技术对构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，推进我国能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义。
储热技术主要分为显热、潜热（相变）和热化学三种形式。显热储热具有储热密度小、技术简单、原料来源广泛、价格低廉的特点已受到大规模应用；相变储热具有较高的储热密度、稳定的相变温度，陶瓷与相变材料复合，即显热-潜热的结合，可以进一步提高储热密度、减小储热系统体积，目前处于中试阶段；热化学储热具有储热密度大、储热时间长，但是技术不成熟、难度大，目前处于初级研究阶段。然而，相对于目前储能需求的快速发展和国家对储能技术的重视，储热技术的发展速度较为缓慢，相变储热技术还无法进行大规模的应用。其主要原因之一在于，无法同时获得储热系统的高储热密度和高储释热功率，无法解决储释热系统能量自适应高效稳定输出这一难点，目前实验室测试中还没有一个综合的多模式运行的储释热实验系统。因此，需要研发一个能在稳态和非稳态实验室条件下进行的储释热系统和实验装置，以满足在不同应用场景和不同运行模式下，进行低温、中温、高温过程中的关键部件的研发与测试，为可再生能源与大规模储热的集成控制与联合运行技术等提供有力的支持。
发明内容
本发明为了解决现有技术在实验室情况下测试情况单一、难以详细模拟实际运行工况下的储释热过程问题，用以解决如何实现动态条件下储释热系统能量的高效稳定输出和自适应能量匹配与长寿命稳定运行调控这一关键技术难题，提出一种可实现多模式运行的储释热实验系统。该实验系统能在稳态和非稳态实验室条件下，以满足在不同应用场景和不同运行模式，进行低温、中温、高温过程中的关键部件的研发与测试，以解决如何实现动态条件下储释热系统能量的高效稳定输出和自适应能量匹配与长寿命稳定运行调控这一关键技术难题，为储热技术的发展提供有力的支持。
本发明提出一种可实现多模式运行的储释热实验系统，包括加热子系统、储释热子系统、冷却子系统和换热子系统，
所述加热子系统包括变频风机、电加热器和冷空气进口，所述变频风机与电加热器连接，所述变频风机用于从环境中获取空气，通过冷空气进口进入系统，进行开式储释热运行模式，同时，变频风机也是闭式循环储释热运行工况中循环工质的动力来源；
所述储释热子系统包括两个储热罐和混合箱，两个储热罐分别连接在第一支路管道和第二支路管道上，第一支路管道和第二支路管道的进口端都分别连接电加热器的出口端和混合箱其中一个进口端，用于引入加热子系统中电加热器加热后输出的热空气，第一支路管道和第二支路管道的出口端与电加热器的出口端汇合后连接混合箱的另一个进口端，两个储热罐的进出口管道都分别与电加热器的出口端相连，以此达到串联和并联的自由切换；
所述冷却子系统是开式储释热运行模式下的热输出系统，同时也起到快速冷却整个储释热实验系统的作用，延长整个系统的使用寿命和系统安全性，其包括冷却塔，所述冷却塔与混合箱连接，所述冷却塔上设置有冷却空气出口；所述冷却塔和混合箱之间依次安装有压力传感器、流量计、热流量计和九号电磁开关阀；
所述换热子系统是闭式储释热运行模式下的热输出系统；同时与其它换热工质进行热交换，增加了实验测试系统的使用范围，其包括换热器，所述换热器的循环管道进口与混合箱连接，循环管道出口与变频风机连接。
优选地，所述变频风机的进口和出口均安装有消声器，用以降低噪声提高实验测试和实验操作的舒适性。
优选地，所述变频风机的进口和出口均安装有软连接，用以降低风机在运行过程中产生震动对系统照成泄露。
优选地，所述电加热器进出口位置分别安装有温度传感器，以此来实现不同的加热功率，达到模拟全天候太阳能辐射、不同余热回收能量以及其它不同热源能量情况。
优选地，所述变频风机的进口安装有三通，一路管道和冷空气进口相连，之间安装有二号电磁开关阀和一个流量计；另一路与换热器出口相连，之间安装有一号电磁开关阀；同时在变频风机的出口处安装有止回阀。
优选地，所述换热器循环管道进出口均安装有温度传感器。
优选地，所述换热器上设置有换热工质进口和换热工质出口，所述换热工质进口和换热工质出口处均设置有开关球阀。
优选地，所述的换热器与混合箱之间依次安装有压力传感器、流量计、热流量计和十号电磁开关阀。
优选地，所述一号储热罐进出口管道分别安装有五号电磁开关阀、六号电磁开关阀和温度传感器；所述二号储热罐进出口管道分别安装有七号电磁开关阀、八号电磁开关阀和温度传感器。
优选地，所述变频风机、空气电加热器、一号储热罐、二号储热罐、混合箱、换热器和冷却塔的连接管道间均加装膨胀节，防止高温热应力的变化对设备造成损伤。
优选地，三号电磁开关阀和一号电磁调节阀之间安装有通往一号储热罐的进口管道支路；四号电磁开关阀和三号电磁调节阀之间安装有通往一号储热罐的出口管道支路；一号电磁调节阀和二号电磁调节阀之间安装有通往二号储热罐的进口管道支路；三号电磁调节阀和四号电磁调节阀之间安装有通往二号储热罐的出口管道支路。
优选地，所述二号储热罐的进口管道支路和混合箱之间安装有二号电磁调节阀和一个流量计；所述二号储热罐的出口管道支路和混合箱之间安装有四号电磁调节阀和一个流量计。
本发明所述的可实现多模式运行的储释热实验系统的有益效果为：
本发明所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，可实现开式储释热运行模式、闭式循环储释热运行模式和开式储释热系统和闭式储释热系统自由切换模式，以及不同运行模式下的多种变工况实验，可针对不同应用场景和不同运行模式（如太阳能储热和余热回收），在实验室条件下进行储释热与储能装置实验，并能满足低温、中温、高温储释热系统中的关键部件的研发与测试，以解决如何实现动态条件下储释热系统能量的高效稳定输出和自适应能量匹配与长寿命稳定运行调控这一关键技术难题，为可再生能源与大规模储热的集成控制与联合运行技术等提供有力的支持。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种可实现多模式运行的储释热实验系统的结构示意总图；
图2为本发明所述的储释热实验系统开式储释热运行模式结构示意图；
图3为本发明所述的储释热实验系统闭式储释热运行模式结构示意图；
其中，1-变频风机；2-电加热器；3-一号储热罐；4-二号储热罐；5-混合箱；6-换热器；7-冷却塔；8-冷空气进口；9-保温材料；10-一号电磁开关阀；11-二号电磁开关阀；12-三号电磁开关阀；13-四号电磁开关阀；14-五号电磁开关阀；15-六号电磁开关阀；16-七号电磁开关阀；17-八号电磁开关阀；18-九号电磁开关阀；19-十号电磁开关阀；20-一号电磁调节阀；21-二号电磁调节阀；22-三号电磁调节阀；23-四号电磁调节阀；24-换热工质进口；25-换热工质出口；26-一号开关球阀；27-二号开关球阀；28-冷却空气出口；29-消声器；30-软连接。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-3说明本实施方式。本实施方式所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，包括加热子系统、储释热子系统、冷却子系统和换热子系统，
所述加热子系统包括变频风机1、电加热器2和冷空气进口8，所述变频风机1与电加热器2连接，所述变频风机1用于从环境中获取空气，通过冷空气进口8进入系统，进行开式储释热运行模式，同时，变频风机1也是闭式循环储释热运行工况中循环工质的动力来源；
所述储释热子系统包括两个储热罐和混合箱5，两个储热罐分别连接在第一支路管道和第二支路管道上，第一支路管道和第二支路管道的进口端都分别连接电加热器2的出口端和混合箱5其中一个进口端，用于引入加热子系统中电加热器2加热后输出的热空气，第一支路管道和第二支路管道的出口端与电加热器2的出口端汇合后连接混合箱5的另一个进口端，两个储热罐的进出口管道都分别与电加热器2的出口端相连，以此达到串联和并联的自由切换；
所述冷却子系统是开式储释热运行模式下的热输出系统，同时也起到快速冷却整个储释热实验系统的作用，延长整个系统的使用寿命和系统安全性，其包括冷却塔7、电磁开关阀18和冷却空气出口28，所述冷却塔7和混合箱5之间依次安装有压力传感器、流量计、热流量计和电磁开关阀18，所述冷却塔7上安装有冷却空气出口28；
所述换热子系统是闭式储释热运行模式下的热输出系统；同时与其它换热工质进行热交换，增加了实验测试系统的使用范围，其包括换热器6，所述换热器6的循环管道进口与混合箱5连接，循环管道出口与变频风机1连接。
所述变频风机1的进口和出口均安装有消声器29，用以降低噪声提高实验测试和实验操作的舒适性。
所述变频风机1的进口和出口均安装有软连接30，用以降低风机在运行过程中产生震动对系统照成泄露，同时在变频风机1的出口处安装有止回阀。
所述变频风机1的进口安装有三通，一路管道和冷空气进口8相连，之间安装有二号电磁开关阀11和一个流量计；另一路与换热器6出口相连，之间安装有一号电磁开关阀10。
所述换热器6循环管道进出口均安装有温度传感器。所述换热器6上设置有换热工质进口24和换热工质出口25，所述换热工质进口24和换热工质出口25处均设置有开关球阀。
所述的换热器6与混合箱5之间依次安装有压力传感器、流量计、热流量计和十号电磁开关阀19。
所述一号储热罐3进出口管道分别安装有五号电磁开关阀14、六号电磁开关阀15和温度传感器；所述二号储热罐4进出口管道分别安装有七号电磁开关阀16、八号电磁开关阀17和温度传感器。
所述变频风机1、空气电加热器2、一号储热罐3、二号储热罐4、混合箱5、换热器6和冷却塔7的连接管道间均加装膨胀节，防止高温热应力的变化对设备造成损伤。
三号电磁开关阀12和一号电磁调节阀20之间安装有通往一号储热罐3的进口管道支路；四号电磁开关阀13和三号电磁调节阀22之间安装有通往一号储热罐3的出口管道支路；一号电磁调节阀20和二号电磁调节阀21之间安装有通往二号储热罐4的进口管道支路；三号电磁调节阀22和四号电磁调节阀23之间安装有通往二号储热罐4的出口管道支路。
所述二号储热罐4的进口管道支路和混合箱5之间安装有二号电磁调节阀21和一个流量计；所述二号储热罐4的出口管道支路和混合箱5之间安装有四号电磁调节阀23和一个流量计。
所述的变频风机1采用变频控制，可根据实验要求控制风量。
所述的电加热器2采用变频控制，进出口位置分别安装有温度传感器，以此来实现不同的加热功率，达到模拟全天候太阳能辐射、不同余热回收能量以及其它不同热源能量情况。
两个储热罐内部可填充显热储热材料和潜热储热材料，也可填充多种类型的储热材料。
所述的混合箱5安装在冷却子系统与储热罐之间，包括两个进口和两个出口。混合箱5其中一个支路依次通过电磁调节阀、冷却空气出口 28后向外界输出热流量；混合箱5另一个支路依次通过电磁调节阀、通过冷却塔7放出热量，到达电磁开关阀后进入变频风机1和电加热器2，完成一个循环。混合箱5是为了稳定热流输出和实现不同模型运行而设置的一个关键部件，可通过该部件实现开式储释热系统与闭式储释热系统的灵活切换，提高了储释热系统的实验测试使用范围。
所述的冷却塔7属于冷却子系统，内部安装有盘管式换热器或者其它类型的换热器，盘管外部是换热流体，目的是为了将热空气温度传递给盘管外部流体使得整个储释热系统能实现连续的动态运行。
所述冷却子系统包括两部分，一部分代表的是开式储释热运行模式下的热输出系统，主要包括冷却空气出口 28和电磁开关阀，另一部分代表的是闭式循环储释热运行模式下的热输出系统，主要包括冷却塔7、电磁开关阀、换热工质进口24、换热工质出口25和开关球阀，两种冷却子系统分别用于不同的运行模式。
所述的保温材料9是指对整个储释热系统管道以及相关的设备部件进行保温，减少能量损失，保证操作安全，所述保温材料有一层和多层保温材料，所有保温材料外装有保护壳体。
所述若干电磁开关阀和电磁调节阀均采用法兰连接。
所述的变频风机1、电加热器2、储热罐、混合箱5、冷却塔7均采用法兰连接，加装膨胀节防止高温热应力的变化对设备造成损伤。
所述三号电磁开关阀12和二号电磁调节阀21之间安装有一号电磁调节阀20和一个流量计。
所述四号电磁开关阀13和四号电磁调节阀23之间安装有三号电磁调节阀22和一个流量计。
本发明所述的一种可实现多模式运行的储释热实验系统的工作原理和具体操作过程如下：
所述不同的运行模式主要包括开式储释热运行模式、闭式循环储释热运行模式、开式储释热系统和闭式储释热系统自由切换模式。
一种可实现多模式运行的储释热实验系统中设置有10个电磁开关阀和4个电磁调节阀，通过电磁开关阀和电磁调节阀来完成不同储释热模式的切换和不同工况下的储释热运行。所述10个电磁开关阀和4个电磁调节阀通过控制系统控制。开式储释热运行模式和闭式循环储释热运行模式均可实现，其中主要包括但不局限于：无储热完全供热模式、双罐并联完全储热模式、双罐并联完全放热模式、双罐串联完全储热模式、双罐串联完全储热模式、双罐串联完全放热模式、单罐边储热边供热模式、双罐边储热边供热模式。
该系统主要但不局限于两种运行模式，优选地，两种运行模式具体分别如下：开式储释热运行模式，如图2所示：实验开始时，二号电磁开关阀11和九号电磁开关阀18处于常开启状态，一号电磁开关阀10和十号电磁开关阀19处于常关闭状态。通过控制其余电磁开关阀12、13、14、15、16、17的启停，以及调节电磁调节阀20、21、22、23来实现不同的系统运行模式；闭式循环储释热运行模式，如图3所示：实验开始时，二号电磁开关阀11和九号电磁开关阀18处于关闭状态，一号电磁开关阀10和十号电磁开关阀19处于开启状态。通过控制其余电磁开关阀12、13、14、15、16、17的启停，以及调节电磁调节阀20、21、22、23来实现不同的系统运行模式。
模式一：关闭电磁开关阀13、14、15、16、17和电磁调节阀22、23，开启电磁开关阀12和剩余电磁调节阀20、21可实现无储热完全供热模式；
模式二：关闭电磁开关阀13和电磁调节阀21，开启剩余电磁开关阀12、14、15、16、17和电磁调节阀20、22、23可实现双罐并联完全储热模式；
模式三：关闭电磁开关阀12和电磁调节阀23，开启剩余电磁开关阀13、14、15、16、17和电磁调节阀20、21、22可实现双罐并联完全放热模式。
模式四：关闭电磁开关阀13和电磁调节阀20、23，开启剩余电磁开关阀12、14、15、16、17和电磁调节阀21、22可实现双罐串联完全储热模式；
模式五：关闭电磁开关阀12和电磁调节阀21、22，开启剩余电磁开关阀13、14、15、16、17和电磁调节阀20、23可实现双罐串联完全放热模式；
模式六：关闭电磁开关阀13、16、17，开启剩余电磁开关阀12、14、15和调节电磁调节阀20、21、22、23可实现单罐边储热边供热模式；
模式七：关闭电磁开关阀13，开启剩余电磁开关阀12、14、15、16、17和调节电磁调节阀21、20、22、23可实现双罐边储热边供热模式。
作为本发明一种优选的实例，可通过控制储释热实验系统中电磁开关阀10、11、18、19来实现实验过程中开式储释热系统模式和闭式储释热系统模式的自由切换，如图1所示，以此来实现储释热系统实验系统的多模式和变工况动态运行。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，包括加热子系统、储释热子系统、冷却子系统和换热子系统，
所述加热子系统包括变频风机(1)、电加热器(2)和冷空气进口(8)，所述变频风机(1)与电加热器(2)连接，所述变频风机(1)用于从环境中获取空气，通过冷空气进口(8)进入系统，进行开式储释热运行模式，同时，变频风机(1)也是闭式循环储释热运行工况中循环工质的动力来源；
所述储释热子系统包括两个储热罐和混合箱(5)，两个储热罐分别连接在第一支路管道和第二支路管道上，第一支路管道和第二支路管道的进口端都分别连接电加热器(2)的出口端和混合箱(5)其中一个进口端，用于引入加热子系统中电加热器(2)加热后输出的热空气，第一支路管道和第二支路管道的出口端与电加热器(2)的出口端汇合后连接混合箱(5)的另一个进口端，两个储热罐的进出口管道都分别与电加热器(2)的出口端相连，以此达到串联和并联的自由切换；
所述冷却子系统是开式储释热运行模式下的热输出系统，同时也起到快速冷却整个储释热实验系统的作用，延长整个系统的使用寿命和系统安全性，其包括冷却塔(7)，所述冷却塔(7)与混合箱(5)连接，所述冷却塔(7)上设置有冷却空气出口(28)；
所述换热子系统是闭式储释热运行模式下的热输出系统；同时与其它换热工质进行热交换，增加了实验测试系统的使用范围，其包括换热器(6)，所述换热器(6)的循环管道进口与混合箱(5)连接，循环管道出口与变频风机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述变频风机(1)的进口和出口均安装有消声器(29)，用以降低噪声提高实验测试和实验操作的舒适性。
3.根据权利要求1所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述变频风机(1)的进口和出口均安装有软连接(30)，用以降低风机在运行过程中产生震动对系统造成泄露。
4.根据权利要求1所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述电加热器(2)进出口位置分别安装有温度传感器，以此来实现不同的加热功率，达到模拟全天候太阳能辐射、不同余热回收能量以及其它不同热源能量情况。
5.根据权利要求1所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述变频风机(1)的进口安装有三通，一路管道和冷空气进口(8)相连，之间安装有二号电磁开关阀(11)和一个流量计；另一路与换热器(6)出口相连，之间安装有一号电磁开关阀(10)；同时在变频风机(1)的出口处安装有止回阀。
6.根据权利要求1所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，两个储热罐中的一号储热罐(3)进出口管道分别安装有五号电磁开关阀(14)、六号电磁开关阀(15)和温度传感器；两个储热罐中的二号储热罐(4)进出口管道分别安装有七号电磁开关阀(16)、八号电磁开关阀(17)和温度传感器。
7.根据权利要求1所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述冷却塔(7)和混合箱(5)之间依次安装有压力传感器、流量计、热流量计和九号电磁开关阀(18)。
8.根据权利要求6所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述变频风机(1)、电加热器(2)、一号储热罐(3)、二号储热罐(4)、混合箱(5)、换热器(6)和冷却塔(7)的连接管道间均加装膨胀节，防止高温热应力的变化对设备造成损伤。
9.根据权利要求6所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，三号电磁开关阀(12)和一号电磁调节阀(20)之间安装有通往一号储热罐(3)的进口管道支路；四号电磁开关阀(13)和三号电磁调节阀(22)之间安装有通往一号储热罐(3)的出口管道支路；一号电磁调节阀(20)和二号电磁调节阀(21)之间安装有通往二号储热罐(4)的进口管道支路；三号电磁调节阀(22)和四号电磁调节阀(23)之间安装有通往二号储热罐(4)的出口管道支路。
10.根据权利要求6所述的可实现多模式运行的储释热实验系统，其特征在于，所述二号储热罐(4)的进口管道支路和混合箱(5)之间安装有二号电磁调节阀(21)和一个流量计；所述二号储热罐(4)的出口管道支路和混合箱(5)之间安装有四号电磁调节阀(23)和一个流量计。
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