CN115164265B - 一种蓄热装置及供暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄热装置及供暖系统，所述蓄热装置包括：罐体和多条蛇形分流管；所述罐体的容置腔内填充有相变材料，所述相变材料中添加有导热率高于预设阈值的高导热率填料；所述多条蛇形分流管设置于所述罐体的容置腔内；所述罐体设置有进口和出口；所述罐体的进口通过所述多条蛇形分流管与所述罐体的出口相连通。本发明提供的蓄热装置通过强化换热的技术手段可解决现有蓄热系统由于相变材料导热性较差导致的蓄热效率较低的技术问题。

Description

一种蓄热装置及供暖系统

技术领域

本发明属于供暖技术领域，涉及蓄热装置技术领域，特别涉及一种蓄热装置及供暖系统。

背景技术

随着化石能源日益减少和环境问题日益严重，积极发展可再生能源势在必行。太阳能和地热能作为可再生能源具有广阔的发展前景，太阳能清洁、高效、永不衰竭且利用方式多种多样，地热能储量丰富、分布广，二者市场潜力巨大，对缓解我国能源资源压力，实现非化石能源目标，推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要的现实意义和长远的战略意义。

对于利用太阳能的光伏光热供暖系统以及利用地热能的中深层地热和浅层地热等供暖系统而言，若耦合蓄热系统，可在谷电时进行蓄热，峰电时放热，实现供暖系统的削峰填谷并降低系统的运行费用，从而有助于减轻电网的增容以及调峰压力；目前供暖系统耦合的蓄热系统常采用相变材料进行蓄热，由于相变材料导热性较差，导致其蓄热效率较低，因此在实际应用中受到很大限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓄热装置及供暖系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明通过强化换热的技术手段可解决现有蓄热系统由于相变材料导热性较差导致的蓄热效率较低的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明第一方面提供的一种蓄热装置，包括：罐体和多条蛇形分流管；

所述罐体的容置腔内填充有相变材料，所述相变材料中添加有导热率高于预设阈值的高导热率填料；

所述多条蛇形分流管设置于所述罐体的容置腔内；

所述罐体设置有进口和出口；所述罐体的进口通过所述多条蛇形分流管与所述罐体的出口相连通。

本发明蓄热装置的进一步改进在于，还包括：

金属翅片，所述金属翅片固定设置于所述多条蛇形分流管的外壁上。

本发明中，多条蛇形分流管管壁外侧固定设置(进一步示例性的，可以是焊接)金属翅片，将金属翅片呈蛛网形布置，能够进一步强化换热提高效率。

本发明蓄热装置的进一步改进在于，所述金属翅片包括竖向翅片和横向翅片；所述竖向翅片和所述横向翅片交叉连接呈蛛网形布置。

本发明蓄热装置的进一步改进在于，还包括：

支座，所述支座固定设置于所述罐体的外壁的下部。

本发明蓄热装置的进一步改进在于，还包括：

保温层，所述保温层包覆于所述罐体的外壁上。

本发明蓄热装置的进一步改进在于，还包括：

隔板，所述隔板的数量为一个或多个，用于将管箱沿所述罐体的轴向分隔为预设数量相对独立的空腔，各个空腔填充的相变材料的熔点不同。

本发明中，采用隔板将管箱分隔并填充不同熔点的相变材料，可使相变材料沿罐体轴向梯级分布，从而实现热量能够梯级储存和利用，提高蓄热装置的换热效率。

本发明蓄热装置的进一步改进在于，所述相变材料采用石蜡、水合盐类或脂肪酸类材料；所述高导热率填料为金属纳米颗粒、膨胀石墨和石墨烯中的一种或多种的组合。

本发明第二方面提供的一种供暖系统，包括本发明任一项上述的蓄热装置。

本发明供暖系统的进一步改进在于，还包括：热源侧水泵；

所述热源侧水泵的热端进口用于与预设热源的出口相连通，所述热源侧水泵的热端出口用于与预设热源的进口相连通；

所述热源侧水泵的冷端出口与所述蓄热装置的罐体的进口相连通，所述蓄热装置的罐体的出口与所述热源侧水泵的冷端进口相连通；

所述蓄热装置的罐体的进口用于与用户侧的热端出口相连通；所述蓄热装置的罐体的出口用于与用户侧的热端进口相连通。

本发明供暖系统的进一步改进在于，所述热源侧水泵的冷端出口还用于与用户侧的热端进口相连通；所述热源侧水泵的冷端进口还用于与用户侧的热端出口相连通。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的蓄热装置中，通过强化换热的技术手段可解决现有蓄热系统由于相变材料导热性较差导致的蓄热效率较低的技术问题；其中，具体的强化换热的技术手段包括：(1)采用多条蛇形分流管结构，增大了流体与相变材料的换热面积，提高了换热效率；(2)相变材料内加高导热率填料，强化相变复合材料的传热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例2中公开的一种蓄热装置的俯视示意图；

图2是本发明实施例2中公开的一种蓄热装置的内部结构剖面示意图；

图3是本发明实施例2中公开的一种蓄热装置的多条蛇形分流管结构原理示意图；

图4是本发明实施例2中公开的另一种蓄热装置的多条蛇形分流管结构原理示意图；

图5是本发明实施例3中公开的一种蓄热装置的俯视示意图；

图6是本发明实施例4中公开的一种蓄热装置的内部结构剖面示意图；

图7是本发明实施例6中公开的一种供暖系统的工作原理示意图。

图中的附图标记解释：1、罐体；2、封盖；3、管箱；4-1、上盖板；4-2、下盖板；5、支座；6、进口；7、出口；8、多条蛇形分流管；9、金属翅片；9-1、竖向翅片；9-2、横向翅片；10、相变材料；11、隔板；12-1、第一空腔；12-2、第二空腔；13、中间主流道；14、热源侧水泵；14-1、热源侧水泵的热端进口；14-2、热源侧水泵的热端出口；14-3、热源侧水泵的冷端进口；14-4、热源侧水泵的冷端出口；15、第一供热水泵；16、蓄热水泵；17、放热水泵；18、第二供热水泵；19、第一阀门；20、第二阀门；21、第三阀门；22、输送水泵。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

本发明实施例提供的一种蓄热装置，包括：罐体和多条蛇形分流管；罐体的容置腔内填充有相变材料，相变材料中添加有导热率高于预设阈值的高导热率填料；多条蛇形分流管设置于罐体的容置腔内；罐体设置有进口和出口；罐体的进口通过多条蛇形分流管与罐体的出口相连通。

本发明提供的蓄热装置中，采用多条蛇形分流管结构，增大了流体与相变材料的换热面积，提高了换热效率；另外，在相变材料内加入高导热率填料，强化相变复合材料的传热性能。综上，本发明实施例提供的技术方案通过上述技术特征能够解决现有蓄热系统由于相变材料导热性较差导致的蓄热效率较低的技术问题。

实施例2

请参考图1、图2和图3，图1是本申请实施例提供的一种蓄热装置的俯视示意图，图2是本申请实施例提供的一种蓄热装置的内部结构剖面图，图3是本申请实施例提供的一种蓄热装置的多条蛇形分流管结构原理图。本发明实施例提供的一种蓄热装置包括：罐体1、封盖2、管箱3、上盖板4-1、下盖板4-2、支座5、进口6、出口7、多条蛇形分流管8、相变材料10和中间主流道13。

其中，罐体1的外壁包裹保温层，罐体1两端由封盖2封闭，罐体1内部包括管箱3、盖板4和多条蛇形分流管8；作为实施例进一步优选的，所述多条蛇形分流管8完全相同，以进口6和出口7中心所在直线为中心轴，多条蛇形分流管8呈周向阵列排布，结构对称，以保证流体从中间主流道13到分流管路中均匀流动，所述多条蛇形分流管8管壁外侧填充相变材料10用于蓄热。作为实施例具体示例性的，流体由罐体的进口6流入所述蓄热装置，所述进口6位于所述罐体1的上部的封盖2处，可通过法兰与进水管路连接；流体由罐体的出口7流出所述蓄热装置，所述出口7位于所述罐体的下部的封盖处，可通过法兰与出水管路连接。

本发明实施例具体示例性的，所述多条蛇形分流管8的两端由上盖板4-1和下盖板4-2固定，多条蛇形分流管8管间在每一层的中心区域通过焊接的方式固定，增强结构稳定性，图3所示为本实施例以六条分流支路为例，根据实际需要，还可以设置为八条、十条、十二条等。

本发明实施例具体示例性的，多条蛇形分流管的结构方案有多种可能实施方式，本申请实施例以下两种可能的实施方式为例进行示意性说明：

第一种可能的实施方式：所述多条蛇形分流管8的结构完全相同。

第二种可能的实施方式：请参阅图4，任意两条相邻的所述多条蛇形分流管8结构不同，任意两条相隔的所述多条蛇形分流管8结构相同。所述相变材料10是在单一相变基材中添加了高导热率填料的复合相变材料；示例性可选的，添加的高导热率填料为金属纳米颗粒、膨胀石墨等高导热率填料，用于强化相变复合材料的传热性能。具体的，所述相变材料采用石蜡、水合盐类、脂肪酸类等，具体种类根据设计的进出口水温选取；所述高导热率填料为金属纳米颗粒、膨胀石墨、石墨烯等中的一种或两种以上的组合。

综上所述，本发明实施例提供的一种蓄热装置，由于在罐体内部设置的多条蛇形分流管，因此当流体通过罐体内部的多条蛇形分流管与相变材料换热时，增大了流体与相变材料的换热表面积；同时，复合相变材料强化了传统单一相变基材的导热性能，提升了储热与释热的热响应速度，提高了储热量和换热效率。

实施例3

参考图5，图5是本申请实施例提供的一种蓄热装置的俯视示意图；本发明实施例提供的蓄热装置还包括：金属翅片9；该金属翅片9与多条蛇形分流管8管壁外侧耦合，该金属翅片9包括：竖向翅片9-1和横向翅片9-2，竖向翅片9-1和横向翅片9-2交叉连接呈蛛网形布置，通过焊接的方式与多条蛇形分流管8管壁外侧连接固定，金属翅片9间隙填充相变材料10用于蓄热。本发明实施例设置的金属翅片可进一步强化换热，提供蓄热效率。

本发明实施例具体示例性的，所述竖向翅片9-1和横向翅片9-2的排列方式有多种可能的实施方案，例如，竖向翅片9-1和横向翅片9-2之间还可以组成三角形或正方形等交叉连接的布置形式，金属翅片9间距还可以根据蓄/放热功率等实际要求进行调整。

综上所述，本发明实施例设置的金属翅片可以进一步增加流体和相变材料之间的换热面积，能够进一步强化换热。补充解释性的，本发明实施例与实施例2相同部分不再赘述。

实施例4

参考图6，图6是本申请实施例提供的一种蓄热装置的内部结构剖面图；本发明实施例提供的蓄热装置中的相变材料10可以沿罐体1轴向分段布置，根据“按温定材、梯级利用”的原则，在热/冷流体的流动方向上布置熔点依次降低/升高的相变材料，其分段个数及每一段所填充的相变材料可根据流体的温度与实际蓄/放热需求来灵活调整。本发明实施例可以进一步使相变材料沿罐体轴向梯级分布，从而实现热量能够梯级储存和利用，提高了蓄热装置的换热效率。

具体示例性的，本发明实施例以隔板11为中心将上盖板4-1和下盖板4-2之间的区域划分为第一空腔12-1和第二空腔12-2为例，装置蓄热时，热流体从进口6流入，第一空腔12-1填充高温相变材料，第二空腔12-2填充低温相变材料，因此，相变材料就能将从热流体中梯级吸收到的热能以潜热的形式储存；放热时，冷流体从所述进口6流入，第一空腔12-1填充低温相变材料，第二空腔12-2填充高温相变材料，因此，冷流体就能梯级吸收相变材料中的热能，使冷水温度进一步升高。

综上所述，本申请实施例提供的蓄热装置，通过所述相变材料沿所述罐体轴向分段布置，可以保证热/冷流体与相变材料之间的传热温差驱动力，提高换热效率，实现能量的梯级存储和梯级利用。补充解释性的，本发明实施例与实施例2相同部分不再赘述。

实施例5

本发明再一实施例可选的，在上述任一实施例的基础上还包括支座；所述支座位于所述罐体的下部，用于支撑和固定所述罐体。

实施例6

本发明实施例中的蓄热装置均可用于谷电时通入热流体，所述相变材料进行蓄热，峰电时通入冷流体，所述相变材料对所述冷流体进行加热。

本申请实施例提供的蓄热装置有两种工作模式：参考图7，图7是本申请实施例提供的一种基于本发明实施例蓄热装置的供暖系统的工作原理示意图，供暖系统包括热源侧水泵14、第一供热水泵15、蓄热水泵16、放热水泵17、第二供热水泵18、第一阀门19、第二阀门20、第三阀门21和输送水泵22；其中，所述光伏光热、中深层地热、浅层地热等低温热源的埋管出口与所述热源侧水泵14(示例性的如地源热泵或水源热泵等)的热端进口相连通，所述光伏光热、中深层地热、浅层地热等低温热源的埋管的进口与所述热源侧水泵14的热端出口相连通。

本发明实施例中具体可选的，所述热源侧水泵的热端进口14-1用于与预设热源的出口相连通，所述热源侧水泵的热端出口14-2用于与预设热源的进口相连通；所述热源侧水泵的冷端出口14-3经所述第一供热水泵15、所述第一阀门19和所述蓄热水泵16与所述蓄热装置的罐体1的进口6相连通，所述蓄热装置的罐体1的出口7与所述热源侧水泵的冷端进口14-4相连通；另外，所述热源侧水泵的冷端出口14-3还经所述第一供热水泵15、所述第三阀门21、所述第二供热水泵18，用于与用户侧的热端进口相连通；所述热源侧水泵的冷端进口14-4用于与用户侧的热端出口相连通；所述蓄热装置的罐体1的进口6经所述放热水泵17、所述第二阀门20和所述第二供热水泵18，用于与用户侧的热端出口相连通；所述蓄热装置的罐体1的出口7用于与用户侧的热端进口相连通。输送水泵22设置于所述热源侧水泵14的热端的输水管道上，用于将低温热源的热水泵送至热源侧水泵14内。

本发明实施例提供的供暖系统有两种工作模式，包括：

第一种工作模式为供暖系统蓄热时：低谷电价时段，热源测水泵14、第一供热水泵15、蓄热水泵16、第二供热水泵18、第一阀门19、第三阀门21和输送水泵22开启，放热水泵17、第二阀门20关闭。供暖系统基于低温热源生产的高温热水一部分为用户侧供暖，另一部分从进口6流入蓄热装置通过相变材料储热；其中，部分进入蓄热装置的高温热水，经多条蛇形分流管8均匀分为六股，热水先经过第一空腔12-1，第一空腔12-1内填充的是高温相变材料，高温相变材料吸收高温热水中的热能，逐渐熔化，将吸收的热能以潜热的形式储存，高温热水换热后温度降低，再经过第二空腔12-2，第二空腔12-2内填充的是低温相变材料，低温相变材料逐渐熔化，将吸收的热能以潜热的形式储存，流体温度进一步降低，最后通过出口7流出蓄热装置，再通过管路回到热源侧水泵14。

第二种工作模式为供暖系统放热时：高峰电价时段，热源侧水泵14、第一供热水泵15、放热水泵17、第二供热水泵18、第二阀门20、第三阀门21和输送水泵22开启，蓄热水泵16、第一阀门19关闭。在用户侧供暖之后的部分低温回水从进口6流入蓄热装置，经多条蛇形分流管8均匀分为六股，冷水先经过第一空腔12-1，第一空腔12-1内填充的是低温相变材料，冷水吸收低温相变材料中的热能，冷水温度升高，起到预热效果，再经过第二空腔12-2，第二空腔12-2内填充的是高温相变材料，冷水又吸收高温相变材料中的热能，温度进一步升高，最后通过出口7流出蓄热装置，进入用户侧的供暖管路。另外，在用户侧供暖之后的部分低温回水进入热源侧水泵14换热，换热后的热水进入用户侧的供暖管路。

本发明实施例提供的供暖系统中，流体通过罐体内部的多条蛇形分流管与添加有高导热率填料的相变材料换热，增大了换热表面积，提高了换热效率，可应用于光伏光热、中深层地热、浅层地热等供暖系统的蓄放热，并实现系统的削峰填谷以及热存储的时空转换。

综上所述，本发明实施例具体公开了一种蓄热装置及供暖系统，所述蓄热装置包括罐体、进口、出口、多条蛇形分流管、金属翅片、隔板、支座和相变材料；所述罐体是流体与相变材料进行换热的场所；所述多条蛇形分流管是流体在进、出口之间分流的通道；所述金属翅片焊接在多条蛇形分流管管壁外侧；所述隔板可以将上、下盖板之间划分为多个相对独立的空腔。该发明利用相变材料的潜热进行蓄热，并加入膨胀石墨、金属纳米颗粒等高导热率填料，增强相变复合材料的传热性能。流体通过罐体内部的多条蛇形分流管与沿罐体轴向梯级分布的相变材料换热，增大了换热表面积，提高了换热效率，可应用于供暖系统的蓄放热，并实现系统的削峰填谷以及热存储的时空转换。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种蓄热装置，其特征在于，包括：罐体(1)和多条蛇形分流管(8)；

所述罐体(1)的容置腔内填充有相变材料(10)，所述相变材料(10)中添加有导热率高于预设阈值的高导热率填料；

所述多条蛇形分流管(8)设置于所述罐体(1)的容置腔内；

所述罐体(1)设置有进口(6)和出口(7)；所述罐体(1)的进口(6)通过所述多条蛇形分流管(8)与所述罐体(1)的出口(7)相连通；

其中，还包括：金属翅片(9)，所述金属翅片(9)固定设置于所述多条蛇形分流管(8)的外壁上；所述金属翅片(9)包括竖向翅片(9-1)和横向翅片(9-2)；所述竖向翅片(9-1)和所述横向翅片(9-2)交叉连接呈蛛网形布置；

所述相变材料(10)采用石蜡、水合盐类或脂肪酸类材料；所述高导热率填料为金属纳米颗粒、膨胀石墨和石墨烯中的一种或多种的组合；

还包括：保温层，所述保温层包覆于所述罐体(1)的外壁上；

还包括：隔板(11)，所述隔板(11)的数量为一个或多个，用于将管箱(3)沿所述罐体(1)的轴向分隔为预设数量相对独立的空腔，各个空腔填充的相变材料(10)的熔点不同。

2.根据权利要求1所述的一种蓄热装置，其特征在于，还包括：

支座(5)，所述支座(5)固定设置于所述罐体(1)的外壁的下部。

3.一种供暖系统，其特征在于，包括权利要求1或2所述的蓄热装置。

4.根据权利要求3所述的一种供暖系统，其特征在于，还包括：热源侧水泵(14)；

所述热源侧水泵的热端进口(14-1)用于与预设热源的出口相连通，所述热源侧水泵的热端出口(14-2)用于与预设热源的进口相连通；

所述热源侧水泵的冷端出口(14-3)与所述蓄热装置的罐体(1)的进口(6)相连通，所述蓄热装置的罐体(1)的出口(7)与所述热源侧水泵的冷端进口(14-4)相连通；

所述蓄热装置的罐体(1)的进口(6)用于与用户侧的热端出口相连通；所述蓄热装置的罐体(1)的出口(7)用于与用户侧的热端进口相连通。

5.根据权利要求4所述的一种供暖系统，其特征在于，所述热源侧水泵的冷端出口(14-3)还用于与用户侧的热端进口相连通；所述热源侧水泵的冷端进口(14-4)还用于与用户侧的热端出口相连通。