CN113028644B - 一种多级相变蓄热温度分层水箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多级相变蓄热温度分层水箱，包括水箱，在水箱内底部设置有供热进水管，在水箱内顶部设置有供热出水管，在水箱内由上而下设置有多层相变蓄热层，每一层相变蓄热层均包括若干个相变单元，同一层相变单元的相变温度相同，不同层的相变单元的相变温度不同，相变温度由上而下依次降低；在每一层相变单元下面还设置有加热盘管，在靠近水箱侧的加热盘管上设有肋片，热媒进水总管通过伸入到水箱内的热媒进水管道分别与各个层的加热盘管连通，同时上层的加热盘管的出口与下层相邻加热盘管的进口连通，最底层的加热盘管的出口与热媒出水管连通，热媒出水管伸出到水箱外。能够使热能能质高效储存和利用、快速蓄热和释热，实用性强。

Description

一种多级相变蓄热温度分层水箱

技术领域

本发明涉及蓄热放热设备领域，尤其涉及一种多级相变蓄热温度分层水箱。

背景技术

随着社会技术进步和碳排放要求的提高，太阳能等绿色可再生能源和余热废热的利用越来越受到重视，但由于能量的间歇性、不稳定性和供需之间的矛盾严重制约着其效率的提高和进一步推广应用，而蓄热装置是解决该瓶颈问题的有效方法。近年来，储能技术得到了大力支持和发展，目前常见的蓄热装置有显热蓄热（例如蓄热水箱）,潜热蓄热(即相变蓄能)和显潜热混合蓄能(例如相变蓄能水箱)这3种蓄热方式。显热蓄热在蓄能和释能过程中伴随着较大的温度变化，装置体积大，蓄能密度低，但传热速率快；而潜热蓄热在储存和释放能量的过程中温度稳定，装置体积小，蓄能密度大，但蓄能和释能速度慢；相变蓄热水箱结合了显热蓄热速率快和潜热蓄热密度大的优点。相变蓄热水箱不仅能提高前述能源的利用效率，而且较好地解决了供需矛盾，同时可大大促进多能互补的优化组合。

已有的相变蓄热水箱虽然结合了显热蓄热速率快和潜热蓄热密度大的优点，但仍不能较好地满足实际需求，主要原因是：①已有相变蓄热水箱仅适用于冷热流体为同一种介质的场所，且其蓄热和释热不能同时进行，限制了其应用范围，通用性差；②在设计中没有充分利用水的自然对流，故已有相变蓄热水箱的热传递速率仍然较低；③已有相变蓄热水箱中，热媒流经路径相同，当热媒温度低于水箱上层水温时，则不宜蓄存能量，不能将热源的有效热量最大化地储存起来，故不能较好地适应热源温度波动大的场所（例如太阳能光热板的热量）；④已有相变蓄热水箱不能实现温度分层储存，热损失大，热能品质下降，降低了热量火用效率。

总之，已有相变蓄热水箱的通用性差、传热速率慢、有效热源能量利用率低，且不能按质蓄存和利用热量，造成能量火用的浪费，同时不利于热源侧能量效率的提高等。

虽然中国专利CN109140805A公开了一种笼屉式相变蓄热水箱，箱内设有多个相变温度不同的相变蓄热层，按照相变温度由高到低，竖向由上到下安装，实现相变水箱的温度分层蓄存，但蓄热和取热速率慢，且不能显著地提高太阳能的利用效率和利用时间，同时对于热源温度在较大范围内变化时不能较好地适用等。

因此，已有相变储能水箱有待大力改进，迫切需要寻求一种高效新型通用性好的相变蓄热水箱。

发明内容

本发明基于现有相变蓄热水箱换热技术的不足，提出了一种多级相变蓄热温度分层水箱。该蓄热水箱不但将显热蓄热速率快和潜热蓄热密度大的优点有机地结合起来，而且能够实现按质蓄能和用能，可大大提高热能利用的火用效率和热源侧的利用效率。该蓄热水箱的冷热媒介质即可以相同又可以不同，可根据实际工程条件灵活选用，普适性较好，对于太阳能丰富但昼夜温差大的地区和温度不稳定的余热废热的场所尤其适用。该相变蓄热水箱的整体结构设计，即考虑了热能能质的高效储存和利用、快速蓄热和释热；又考虑了最大化地利用热量和促进热源侧换热效率的提高；故该相变蓄热水箱不仅适用范围广，普适性好，而且能提高能量利用效率和热源侧的换热效率，真正实现对热量的最大化利用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多级相变蓄热温度分层水箱，包括水箱，在水箱内底部设置有供热进水管，在水箱内顶部设置有供热出水管，在水箱内由上而下设置有多层相变蓄热层，每一层相变蓄热层均包括若干个相变单元，同一层相变单元的相变温度相同，不同的层相变单元的相变温度不同，相变温度由上而下依次降低；在每一层相变单元下面还设置有加热盘管，在靠近水箱侧的加热盘管上设有肋片，热媒进水总管通过伸入到水箱内的热媒进水管道分别与各个层的加热盘管连通，上层的加热盘管的出口与下层相邻加热盘管的进口连通，最底层的加热盘管的出口与热媒出水管连通，热媒出水管伸出到水箱外。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，在水箱上部设置有加热器，加热器与智能控制器连接。

本发明的加热器为电加热器，电加热器的防爆接线控制器与智能控制器连接。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，所述相变蓄热层分为上相变蓄热层、中相变蓄热层和下相变蓄热层，对应地在上相变蓄热层下面设置有高加热盘管，中相变蓄热层下面设置有中加热盘管，下相变蓄热层下面设置有低加热盘管。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，所述在水箱内顶部还设置有与供热出水管连通的集流管，集流管上设置有若干集流孔，集流孔开口向水箱内部的同一平面，在水箱内底部还设置有与供热进水管连通的分流管，分流管上设置有若干与水箱连通的分流孔；集流管上开设集流孔，集流管和分流管位于水箱的斜对面。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，所述若干集流孔的孔径沿集流管内水流的方向依次逐渐变小，若干分流孔的孔径沿分流管内水流的方向逐渐变大。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，所述水箱包括水箱内壳，在水箱内壳外依次套设有保温层和保护外壳，每层相变蓄热单元与水箱内壳相连。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，所述在水箱内壳上设置有若干固定槽，相变蓄热单元通过卡块固定在固定槽上，用金属销固定。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，在水箱内壳顶部设置有溢流信号管，在水箱内底部设置有泄水管。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，自动控制装置包括智能控制器，第一温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第二温度传感器、防爆接线控制器，溢流信号管；智能控制器分别与第一温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第二温度传感器、防爆接线控制器和溢流信号管分别连接；第一温度传感器设在热媒进水总管上，第二温度传感器设在供热出水管上；第一电磁阀设在热媒第一进水管上，第二电磁阀设在热媒第二进水管上，第三电磁阀设在热媒第三进水管上，智能控制器可固定在保护外壳上。

上述多级相变蓄热温度分层水箱，所述电加热器采用蛇形盘管的方式安装。

采用上述技术方案，本发明有以下优点：

本发明的一种多级相变蓄热温度分层水箱，有机的集成了显热蓄能速率快和潜热蓄能密度大的优点，而且能够实现按质蓄能和用能，大大提高了能量火用的利用效率和热源侧的换热效率；

本发明的一种多级相变蓄热温度分层水箱，能够实现相变蓄能水箱的稳定温度分层，减少蓄能水箱的能量损失，实现蓄能的节能；

本发明的一种多级相变蓄热温度分层水箱，其冷热媒介质即可以相同又可以不同，可根据实际工程条件灵活选用，普适性较好，对于太阳能丰富但昼夜温差大的地区和温度不稳定的余热废热的场所尤其适用；

本发明的一种多级相变蓄热温度分层水箱，即考虑了热能能质的高效储存和利用、快速蓄能和释能，减少了同时蓄能和释能的中间换热环节，显著提高了蓄、取、及同时蓄和取时的热量传递速率；

本发明的一种多级相变蓄热温度分层水箱，实现了根据热媒温度不同进行分级流动换热蓄存，不但提高了热源侧的换热效率，而且显著提高了可再生能源和余热废热的利用率，有效延长了太阳能等可再生能源的利用时间，真正实现对热量的最大化利用。

本发明的一种多级相变蓄热温度分层水箱，属于新型的太阳能光热和余热废热的高效利用装置，设计新颖、结构紧凑、换热速率快，蓄能密度大，能量利用效率高，供应温度稳定，智能化程度高，适用范围广，市场应用前景好。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构原理图；

图2是本发明实施例一的水箱接管正视示意图；

图3是本发明实施例一的水箱接管侧视示意图；

图4是本发明实施例一的相变单元固定在水箱中的示意图

图5是本发明实施例一的卡槽固定卡块的放大示意图

图中各附图标记的含义如下：

1集流管，2 保护外壳，3集流孔 4 水箱内壳，5供热出水管， 6 电加热器， 7热媒第一进水管，8 第一电磁阀，9 热媒进水总管， 10 第一温度传感器，11热媒第二进水管，12第二电磁阀， 13热媒第三进水管， 14第三电磁阀，15热媒出水管， 16 低加热盘管， 17水， 18 供热进水管，19 泄水管， 20 保温层，21分流孔， 22 分流管， 23 下相变蓄热层，24 肋片， 25 中相变蓄热层， 26 上相变蓄热层，27 溢流信号管， 28 防爆接线控制器，29 卡块， 30 固定槽， 31 金属销，32高加热盘管， 33 中加热盘管，34智能控制器，35 第二温度传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及试验更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于现有相变蓄热水箱换热技术的不足，提出了一种多级相变蓄热温度分层水箱。该相变蓄热水箱不但将显热蓄热速率快和潜热蓄热密度大的优点有机地结合起来，而且能够实现按质蓄能和用能，可大大提高能量火用的利用效率和热源侧的换热效率。该相变蓄热水箱的冷热媒介质即可以相同又可以不同，可根据实际工程条件灵活选用，普适性较好，对于太阳能丰富但昼夜温差大的地区和温度不稳定的余热废热的场所尤其适用。该相变水箱的整体结构设计，即考虑了热能能质的高效储存和利用、快速蓄热和释热；又考虑了最大化地利用热量和促进热源侧换热效率的提高；故该相变蓄热水箱不仅适用范围广，普适性好，而且能提高能量利用效率和热源侧的换热效率，真正实现对热量的最大化利用。

具体改进如下：

1、在相变蓄热层和加热盘管的布置上，采用了“上层为相变蓄热层—下层为加热盘管层”的这种基本结构单元，即从上到下为上相变蓄热层—高加热盘管层—中相变蓄热层—中加热盘管层—下相变蓄热层—低加热盘管这种结构形式；高、中、低加热盘管上下连通，串联在一起，且中、低加热盘管中的热媒既可以是来自上层加热盘管的热媒，也可以是直接来自热源的热媒；这种结构形式即适用于温度比较稳定的可再生能源或余热废热，又适用于温度波动比较大的同一热源，同时也可适用于多种温度的热源在不同时间区间向同一相变蓄能水箱蓄热，故应用范围较广，适应性强；

2、由于相变水箱里的水流动性较差，而盘管内的流体流动性较快，故根据传热理论可知，盘管的传热热阻主要在水箱侧，故在换热盘管的水箱侧加装了薄肋片，以提高盘管水箱侧的换热效果，进而才能提高加热盘管的整体换热效率，增大蓄热速率；

3、高加热盘管内流体温度高于上相变蓄热层，中加热盘管内流体温度高于中相变蓄热层，低加热盘管内流体温度高于下相变蓄热层，且从上到下，相变蓄热层的相变温度逐渐降低，加热盘管内热媒的温度也逐渐降低，实现相变蓄能水箱的温度分层梯级储存，不但能提高能量的火用效率，而且在蓄热时，可充分利用该层水的自然对流，提高蓄热速率又可保持温度分层，即避免了高质热量无效地向低质热量的转化，又可减少热损失。

4、在设计中考虑了热源温度的非稳定性（例如太阳能光热板早晚温差变化和季节温度变化），该装置可根据热源温度的不同，流经路径也不同，即换热盘管每层即相连又互相独立，故该相变水箱不但能适用于热源温度相对稳定的场所，而且对于热源温度波动大的场所也同样适用，故能最大化地储存热源的能量，提高热源侧的利用率和换热效率。该部分的设计还未查到任何相关文献的报道。

具体说明如下：例如对于太阳能，随着每天日照的变化，热源温度也发生变化，当热媒介质的温度较高时，可依次流过高、中、低加热盘管，降低热源出相变水箱的温度，加大热媒与热源侧的换热温差，故可提高热源侧的换热效率；当热源温度低于上相变蓄热层处的水温但高于下相变蓄热层处的水温时，仍可以进行能量的储存，而不是白白地浪费掉，故可提高热源侧的利用率。

5、在该相变水箱的释热过程中，供热介质从相变水箱的侧底部进入分流管，通过分流管中的均流分流孔水平进入相变水箱的最下面的水层；供热介质从相变水箱的侧顶部的均流集流孔水平汇入集流管，进而流入供热介质的出口管。这样可使同一层的水温均匀，且易于保持水箱的温度分层，便于根据热源需求方的要求提供相应温度的热源，实现能质的梯级利用，避免了能量的高质低用所造成的能量浪费。同时该结构设计能够满足同时蓄热和释热的要求。

6、在相变蓄热水箱的上相变蓄热层和高温出流集水管之间还设有电加热器，该电加热器可优先采用光伏电进行加热，稳定出水温度，更好地满足实际工程需求，同时还可缓解室外环境变化对热量需求方造成的影响。

7、上、中、下相变蓄热层的相变材料密封在窄的矩形框中，矩形框之间留有狭小的空隙，该空隙中充满水，这样既可以提高相变水箱的蓄能密度，又可提高蓄能和释能的速率。相变材料矩形框与箱体水箱的内壁进行卡扣连接，不同层的加热盘管之间以及加热盘管与箱体的热媒进出水管道之间采用管箍连接，故该装置便于安装、拆卸、维修和更换相变单元。

总之，相较已有的相变蓄热水箱，该多级相变蓄热温度分层水箱不仅可以提高蓄放热速率，而且能始终有效地保持温度分层，减少能量损失，实现按质蓄能和利用，大大减少了能质损失，显著提高了热源侧热能的利用率和换热效率；适用范围广，对环境的适应能力强，蓄热水箱供应水温稳定等优点。

本发明具体实施方式如图1-图5所示，一种多级相变蓄热温度分层水箱，包括水箱，所述水箱包括水箱内壳4，在水箱内壳外依次套设有保温层20和保护外壳2，每层相变蓄热单元与水箱内壳相连；所述在水箱内壳上设置有若干固定槽30，相变蓄热单元通过卡块29固定在固定槽上，用金属销31固定。在水箱内底部设置有供热进水管18，在水箱内顶部设置有供热出水管5；在水箱内由上而下设置有多层相变蓄热层，每一层相变蓄热层均包括若干个相变单元，同一层相变单元的相变温度相同，不同的层相变单元的相变温度不同，相变温度由上而下依次降低；在每一层相变单元下面还设置有加热盘管，在靠近水箱侧的加热盘管上设有肋片24，热媒进水总管9通过伸入到水箱内的管道分别与各个层的加热盘管连通，上层的加热盘管的出口与下层相邻加热盘管的进口连通，最底层的加热盘管的出口与热媒出水管15连通，热媒出水管15伸出到水箱外。

本发明基本结构单元是“上相变蓄热层-高加热盘管-中相变蓄热层-中加热盘管-下相变蓄热层-低加热盘管，高、中、低加热盘管上下连通，串联在一起，且中、低加热盘管中的热媒既可以是来自上层加热盘管的热媒，也可以是直接来自热源的热媒”。这种结构形式即适用于温度比较稳定的再生能源或余热废热，又适用于温度波动比较大的同一热源，同时也可适用于多种温度的热源在不同时间区间向同一相变蓄能水箱蓄热，故应用范围较广，适应性强。

本发明在加热盘管的水箱侧增设的肋片，不但大大提高了加热盘管在水箱侧的换热效率，而且在取热过程中，可有效地减少冷媒流体对温度分层的扰动，有助于提高温度分层的有效性。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，在水箱上部设置有加热器，加热器与智能控制器连接。

加热器为电加热器，电加热器的防爆接线控制器与智能控制器连接，智能控制器为现有技术。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，所述相变蓄热层分为上相变蓄热层26、中相变蓄热层25和下相变蓄热层23，相变单元之间充满了水，增加了水与相变单元的接触面积。对应地在上相变蓄热层下面设置有高加热盘管32，且上相变蓄热层与高加热盘管之间不接触，中相变蓄热层下面设置有中加热盘管33，且中相变蓄热层与中加热盘管之间不接触，下相变蓄热层下面设置有低加热盘管26，且下相变蓄热层与底加热盘管之间不接触。

本发明将高加热盘管水平放置在上相变蓄热层的下面；中加热盘管水平放置在中相变蓄热层的下面；低加热盘管水平放置在下相变蓄热层的下面。高加热盘管32首先加热该层的水，通过水的自然对流循环使上相变蓄热层的水温度快速升高，然后此处的水再将热量传递给该层的相变材料层，依次类推中加热盘管与中相变蓄热层之间的传热，以及低加热盘管与下相变蓄热层之间的传热。由于水的导热远低于水的自然对流换热，故加热盘管的热量主要传递给加热盘管本层及上面的水。由于高温水的密度小，低温水的密度大，故被盘管加热的水将热量传递给相变材料后，温度降低，又回到加热盘管中进行吸热，如此循环，将加热盘管的热量不断储存在相变材料中，实现热量的分级储存和水箱里的水温度分层。以利于高质高储和减少高低温水混合时的能质损失，同时可减少水箱的热量损失。由于热媒能将热量快速地传递给水，水通过自然对流使其温度快速升高，通过提高水与相变材料的温差和增大水与相变材料的接触面积，将热量快速地蓄存在相变材料中。大大提高蓄热效率，且能减少能质损失。

本发明从多个方面保证了其温度分层：一是相变材料从上层到下层，其相变温度逐渐降低；二是上相变蓄热层下布置了高加热盘管，中相变蓄热层下布置了中加热盘管，下相变蓄热层下布置了低加热盘管；三是加热盘管在水箱侧加肋，不但能提高加热盘管与水箱内水的换热效率，同时也利于温度分层。这种稳定的温度分层结构形式，不仅能减少水箱的热量损失，而且同一相变蓄能水箱可满足用户对不同温度的要求，进一步实现高质高用，更进一步地提高热量利用的火用效率。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，所述在水箱内顶部还设置有与供热出水管连通的集流管1，集流管上设置有若干集流孔3，集流孔开口向水箱内部，在水箱内底部还设置有与供热进水管连通的分流管22，分流管上设置有若干与水箱连通的分流孔21；集流管1上开设集流孔3，集流管和分流管位于水箱的斜对面。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，若干集流孔3的孔径沿集流管1内水流的方向依次逐渐变小，若干分流孔21的孔径沿分流管22内水流的方向逐渐变大。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，在水箱内壳顶部设置有溢流信号管27，在水箱内底部设置有泄水管19。

热媒进水总管9分别与第一进水管7、第二进水管11和第三进水管13连通，第一进水管与高加热盘管32连通，第二进水管11与中加热盘管33连通，第三进水管13与低加热盘16连通。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，自动控制装置包括智能控制器34，第一温度传感器10、第一电磁阀8、第二电磁阀12、第三电磁阀14、第二温度传感器35、防爆接线控制器28，溢流信号管27；智能控制器34分别与第一温度传感器10、第一电磁阀8、第二电磁阀12、第三电磁阀14、第二温度传感器35、防爆接线控制器28和溢流信号管27分别连接；第一温度传感器10设在热媒进水总管9上，第二温度传感器35设在供热出水管5上；第一电磁阀8设在热媒第一进水管7上，第二电磁阀12设在热媒第二进水管11上，第三电磁阀14设在热媒第三进水管13上，智能控制器34固定在保护外壳2上。所述热源媒介通过其中的温度传感器将温度信息传递给智能控制器34，然后与设定温度进行比较，当温度高于上相变蓄热层5-8℃时，第一电磁阀开启，第二和第三电磁阀关闭，热媒通过热媒第一进水管流进水箱，依次流过高、中、低加热盘管，然后经热媒出水管流出水箱；当温度高于中相变蓄热层5-8 ℃时，第二电磁阀开启，第一和第三电磁阀关闭，热流体通过热媒第二进水管流进水箱，依次流过中、低换热盘管，然后经热媒出水管流出水箱；当温度高于下相变蓄热层5-8 ℃时，第三电磁阀开启，第一和第二电磁阀关闭，热流体通过热媒第三进水管流进水箱，流过低加热盘管，经热媒出水管流出水箱，实现蓄热水箱的智能控制，更适合工程应用。

所述的多级相变蓄热温度分层水箱，所述电加热器采用蛇形盘管的方式安装。

安装位置：所述加热盘管安装在所述相变蓄热层的下方，所述供热进水管在水箱下端，供热出水管在水箱上端，所述电加热装置安装在所述集流管的下方。总而言之，从上到下依次为：溢流信号管27-集流管1-电加热器6-上相变蓄热层26-高加热盘管32-中相变蓄热层25-中加热盘管33-下相变蓄热层-低加热盘管-分流管22-泄水管19。整个相变水箱内充满了水17，相变蓄热，加热盘管，分流管、集流管，电加热器都浸泡在相变水箱中的水中。

进一步，所述相变蓄热层内部设置有蓄热单元，蓄热单元在相变蓄热层内部规则排列，其结构为长方体形，在蓄热单元的两窄侧面处，对称地设有卡块，然后通过金属销，将其固定在箱体内壁的固定槽中，这样便于蓄热单元的更换。

进一步，所述蓄热单元的内部密封有相变蓄热介质，根据实际情况需要相变蓄热介质可为无机蓄热材料、有机蓄热材料和复合蓄热材料中的一种或多种；所述蓄热单元之间的空隙充满了水或其它供热液体媒介，也是供热媒介的流通通道，该种结构设计增大了相变材料与换热媒介质的换热面积，可大大提高蓄放热速率；

进一步，所述相变蓄热介质的外表面设有包壳，包壳可根据需要选择铜、铝等；上相变蓄热层到下相变蓄热层分别填充相变温度依次递减的相变蓄热介质，这样便于形成温度分层。

进一步，所述加热盘管均采用蛇形迂回式盘管形式，使加热盘管周围液体温度更为均匀，避免换热介质在储能装置内部出现一侧冷一侧热的现象。

进一步，所述热媒在加热盘管中流动，故热媒介质可以根据需要选择，既可以是水或防冻液，以及其它热媒。

进一步，当热源温度较高时，热流体通过高、中、低加热盘管加热水箱中的水，水吸收热量后，温度升高，密度变小，发生自然对流，提高了水与该层相变单元之间的温差，而且又由于相变单元为薄矩形块，整个块体浸没在水中，增加了相变材料与水的接触面积，故能显著提高蓄热效率。

进一步，当热流体的温度较高时，热流体经过三级换热，将热量分别蓄存在上、中、下相变蓄热层的相变单元中；当热流体的温度居中时，热流体仍能经过两级换热，将热量分别蓄存在中、下相变蓄热层的相变单元中；当热流体的温度低时，热流体的热量仍能被有效地蓄存在下相变蓄热层的相变单元中，故能“吃干榨尽”热源的有效热量，故能显著提高了热源侧的利用率；

进一步，若热流体的温度高，则与水箱进行热交换的路程长，若温度低时，热交换路程短，故无论热流体的温度高低，都可以使热流体流出水箱的温度变低，故能增加热流体与热源侧的温差，显著提高了热源侧的换热效率。

进一步，所述热媒进（出）口、供热进（出）口、溢流信号管和泄水管均设置在蓄热箱体外部同一侧面上，热媒进（出）口和供热出口位于箱体同一侧的一边；供热进口、溢流信号管和泄水管位于箱体同一侧的另一边；供热进（出）口设置在同一侧面的对角线上；防爆接线控制器和智能控制器设置在蓄热箱体外部同一侧面上，分别设置于该侧面中部的上端和中部，且该侧面与冷热流体出入口所在的侧面相邻；也就是说在箱体四个侧面中，另两个紧相邻侧面未设置任何接口。这样设计的目的是便于蓄热箱体的摆放。

进一步，集流管和分流管位于水箱斜对面的上下部，皆为长方体形管道，集流管与供热出水管连接，分流管与供热进水管连接；集流管上开有圆形匀流的集流孔，依流体流动方向，集流管上的集流孔逐渐减少，水箱内的水沿同一水平层通过集流孔均流地流入集流管，然后由供热出水管流出；分流管上开有圆形匀流的分流孔，依流体流动方向，分流管上的分流孔逐渐增大，分流管中的流体从分流孔中沿水平层均流地流出。不同大小的集流孔或分流孔的中心点在同一水平线上。分流孔或集流孔依流体流动方向逐渐变大或变小的这种结构设计，可以使通过不同孔的流量均匀，便于保证水在水箱中沿同一水平层均匀流进集流管或流出分流管，这样才能不破坏相变蓄热水箱的温度分层，保证从供热进水管流出的流体能够从下到上逐步被加热。这种结构设计可以提高释热时的换热效率和低温蓄能的利用率。

进一步，所述电加热器平时处于关闭状态，只有当供热出水管的温度短时间内不能满足要求时开启。例如：供热需求量短时间内突然增大，蓄热单元释热速率不能满足该供热温度要求时；当出现持续的阴雨天气或太阳能辐射不足时，太阳能集热器所收集的能量短时间内不足以满足需求且又无其他热量进行及时补充时；等等，在此特殊情况下，才自动开启电加热器，电加热器采用蛇形盘管的方式安装，使电加热器均匀加热该层水的温度。电热器安装在集流管和上相变蓄热层之间，可以使电能热及时得到应用，达到“即插即用”的效果，这样可以最大化地利用所蓄的太阳能和余热废热能量。

进一步，当蓄热和取热同时进行时，来自热源的热量直接加热水箱中的水，满足取热要求，多余的热量再蓄在相变材料中。这样可显著提高热源的供热速率，同时降低了热量损失，

进一步，在水箱侧壁的最上端设有溢流管信号管，当水箱充水时，若水流入溢流信号管，则表明此时水箱水位达到要求，溢流信号管将信号传递给智能控制器，智能控制器发出指令给给水补水泵，停止水箱上水；在水箱侧壁的最下端设有泄水管，便于水箱清洗或检修。

进一步，若水箱宽度较大时，供热进出水管也可布置在水箱底部和顶部内的中间位置，分流管和集流管位于同一垂直面上，且在分流管的两侧开设分流孔和在集流管的两侧开设集流孔，效果将会更好。

进一步，根据实际安装位置需要，水箱也可做成圆筒型，相应的相变单元做成内径不同的短而薄的圆筒管壳，加热器和加热盘管也做成圆环形等。

本发明的结构形式是：上相变蓄热层-高加热盘管-中相变蓄热层-中加热盘管-下相变蓄热层-低加热盘管，高、中、低加热盘管上下连通，串联在一起，且中、低加热盘管中的热媒既可以是来自上层加热盘管的热媒，也可以是直接来自热源的热媒；结合冷热媒介质进出相变水箱的结构设计，详述其关键点如下：

(1)热媒根据温度不同进入水箱的路径不同，流过加热盘管数不同，这种结构设计是首要保护的关键点。

根据热源所处的温度区间不同，热媒介质进入水箱的路径不同，流过的加热盘管数不同。当热媒温度较高时（比上相变蓄热层的温度至少高5 ℃时），热媒介质通过热媒第一进水管流入相变蓄热水箱中，依次流过高、中和低加热盘管，将热量依次蓄存在上、中、下相变蓄能层中，然后从热媒出水管管流出，这不仅能储存更多的热量，而且大大降低了流出相变水箱时的热媒介质温度，使热媒介质在热源装置中吸收更多的热量，故可大大提高热源侧的热效率；当热媒温度不比上相变蓄热层的温度至少高5 ℃时，但却高于中相变蓄热层的温度至少5 ℃时，热媒通过第二进水管流入相变蓄热水箱，依次流过中、低加热盘管，将热量依次蓄存在中、下相变蓄热层中，然后从热媒出水管管流出；当热媒温度不比中相变蓄热层的温度至少高5 ℃时，而比下相变蓄热层的温度至少高5 ℃时，热媒通过第三进水管流入相变蓄热水箱中，流过低加热盘管，然后从热媒出水管管流出，这表明，即使热媒温度相对较低，仍能使其热量储存在相应的相变蓄热层中，故更进一步地提高了热源的利用率。这说明：对于热媒温度高于某一温度时梯级能量储存已在发明专利（CN109140805 A）中有所涉及，但对于热媒温度在较大范围内变化时都能较好地储存还未发现相关报道。故这种结构设计对于相同的热源而言可储存更多的热量，可大大提高热源的利用效率，进而进一步提高整个系统的能源效率。总之，这种结构设计可以使热源的更多热量多级地梯级蓄存在相变水箱中，不但储存效率高，而且可大大延长太阳能等能源的利用时间，提高热源侧设备的利用率和换热效率；

(2)在水箱中，上面是相变蓄热层，紧邻其下的是加热盘管，这种结构设计是保护的关键点。

在相变蓄热层和加热盘管的布置上，采用了“上层为相变蓄热层—下层为加热盘管层”的这种基本结构单元，即从上到下为上相变蓄热层—高加热盘管层—中相变蓄热层—中加热盘管层—下相变蓄热层—低加热盘管这种结构形式。这种结构设计可以促进水箱中与加热盘管对应的相变蓄热层间的水的自然对流，不但提高了加热盘管的加热效率，而且也提高了相变蓄热层的蓄热效率，同时又可保持相变水箱稳定的温度分层和热量的分层蓄存，便于实际工程根据需要按质进行蓄热，实现高温高蓄的目的，同时为按质用能提供了保障。

(3)供热冷媒进出相变蓄热水箱的结构设计也是要保护的关键点

供热进水管与相变蓄能水箱中的分流管直接连接，分流管上设有分流孔，依流体流动方向，分流管上的分流孔逐渐增大，但不同大小分流圆孔的中心在同一水平线上，且流体从分流孔中沿水平层流出；同时，供热出口管与相变蓄热水箱中的集流管直接连接。集流管上设有集流孔，依流体流动方向，集流管上的集流孔逐渐减少，但不同大小的集流圆孔中心在同一水平线上，且流体按水平方向通过集流孔进入集流管，然后再进入供热出口管。分流孔或集流孔的这种依流体流动方向逐渐变大或变小的这种结构设计，可以使不同孔处的流量均匀，便于保证水在水箱中沿同一水平层均匀地流进集流管或流出分流管，这样才能不破坏相变蓄热水箱的温度分层，保证从供热进水管流出的流体能够从下到上逐层被加热。这种结构设计可以提高释热时的换热效率和低温蓄能的利用率。这说明：若相变水箱中水的扰动增大，破坏相变蓄热水箱的温度分层，则上下温度处于均匀一致，则低温相变材料的热释放不出来，造成该层能量的无法应用；再者，热源温度越低，利用价值越少，如果能将这部分能量充分利用，则可实现能量利用效率的最大化；等等。

以上三点是相辅相成的，到目前为止，未查到相关的报道和应用，是本发明重点保护对象。当然，一个适用于实际的发明，并不是上述关键点及其他技术的简单组合，而是各种关键点的有机集成，故在此说明的是：电加热器是比较成熟的技术，将其集成在这里是起到稳定供热出口的温度，减小恶劣环境造成的影响，实现太阳能和余热废热等能量利用效率的最大化。该电加热器优先采用光伏电。所以本发明的整体结构设计的思想也应在保护范围之内。

本发明上述说明中，只在附图中给出了一个供热进口和出口，若实际工程中有多种温度的需要，则可在该水箱相应位置增加供热出口或同时增加供热进口和出口，实现对水箱所蓄热量的梯级利用。增加的供热出口与水箱最上面的供热出口在同一垂直面上，且供热出口的结构形式相同；增加的供热入口与水箱最下面的供热入口在同一垂直面上，且供热入口的结构形式相同。例如，该水箱用于冬季供应热水，包括洗手洗菜用热水和淋浴用热水，若在下相变蓄热层23的上面增设供热出口，用于日常的洗手洗菜，最上面的供热出口，用于淋浴，这样的结构改进有利于实现对低品质热量的最大化应用，从而可促进更多的太阳能和余热废热能量的有效利用，进一步提高热量的利用率和火用效率。这仅是举例说明，并不能因此限制本发明的保护范围。

总之，以上描述仅用于说明本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多级相变蓄热温度分层水箱，包括水箱，在水箱内底部设置有供热进水管，在水箱内顶部设置有供热出水管，其特征在于：在水箱内由上而下设置有多层相变蓄热层，每一层相变蓄热层均包括若干个相变单元，同一层相变单元的相变温度相同，不同层的相变单元的相变温度不同，相变温度由上而下依次降低；在每一层相变单元下面还设置有加热盘管，在靠近水箱侧的加热盘管上设有肋片，热媒进水总管通过伸入到水箱内的热媒进水管道分别与各个层的加热盘管连通，同时上层的加热盘管的出口与下层相邻加热盘管的进口连通，最底层的加热盘管的出口与热媒出水管连通，热媒出水管伸出到水箱外；所述相变蓄热层分为上相变蓄热层、中相变蓄热层和下相变蓄热层，对应地在上相变蓄热层下面设置有高加热盘管，且上相变蓄热层与高加热盘管之间不接触，中相变蓄热层下面设置有中加热盘管，且中相变蓄热层与中加热盘管之间不接触，下相变蓄热层下面设置有低加热盘管，且下相变蓄热层与底加热盘管之间不接触。

2.根据权利要求1所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：在水箱上部设置有加热器，加热器与智能控制器连接。

3.根据权利要求1所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：所述在水箱内顶部还设置有与供热出水管连通的集流管，集流管上设置有若干集流孔，集流孔开口向水箱内部的同一平面，在水箱内底部还设置有与供热进水管连通的分流管，分流管上设置有若干与水箱连通的分流孔；集流管上开设集流孔，集流管和分流管位于水箱的斜对面。

4.根据权利要求3所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：所述若干集流孔的孔径沿集流管内水流的方向依次逐渐变小，若干分流孔的孔径沿分流管内水流的方向逐渐变大。

5.根据权利要求1所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：所述水箱包括水箱内壳，在水箱内壳外依次套设有保温层和保护外壳，每层相变蓄热单元与水箱内壳相连。

6.根据权利要求1所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：所述在水箱内壳上设置有若干固定槽，相变蓄热单元通过卡块固定在固定槽上，用金属销固定。

7.根据权利要求1所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：自动控制装置包括智能控制器，第一温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第二温度传感器、防爆接线控制器，溢流信号管；智能控制器分别与第一温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第二温度传感器、防爆接线控制器和溢流信号管分别连接；第一温度传感器设在热媒进水总管上，第二温度传感器设在供热出水管上；第一电磁阀设在热媒第一进水管上，第二电磁阀设在热媒第二进水管上，第三电磁阀设在热媒第三进水管上。

8.根据权利要求1所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：在水箱内壳顶部设置有溢流信号管，在水箱内底部设置有泄水管。

9.根据权利要求2所述的多级相变蓄热温度分层水箱，其特征在于：所述加热器为电加热器，电加热器采用蛇形盘管的方式安装。

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