CN1719185A - 复合式高密度相变蓄热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集热能分配器、强制换热、蓄热、供热分配器、保温、快速接口于一体具有蓄热、供热功能的复合式高密度相变蓄热供暖、供热水装置及其设计。它呈长方体，由外壳、保温层、内箱体、相变蓄热体、换热盘管、加热分配器、供热分配器、温度传感器、控制器、底部支架、循环水进口、热水出口、变频循环泵、调温阀、热量表等部分组成。可进行热电厂、热源厂的余热回收，通过移动运输实现热量的无管道传送，将装置所蓄热量送到用户实现供暖和提供生活热水。具有使用方便、体积小、综合热费用低等优点。由于其所用热源是废热或余热，，可起到节约能源、减少污染物排放、保护环境等作用，有很好的经济效益和社会效益。

Description

复合式高密度相变蓄热装置

所属领域：

本发明涉及一种集热能分配器、强制换热、蓄热、供热分配器、保温、快速接口于一体具有蓄热、供热功能的复合式高密度相变蓄热供暖、供热水装置及其装置设计。

目前，我国集中供热尤其是热电联产发展迅速，但热能供应紧张状况并没有得到根本改观，主要表现在：热网的铺设投资大，覆盖区域主要是办公区、繁华商业区、居住人口稠密区等，无法遍布整个市区，还有许多企事业单位、娱乐场所、新建小区靠小型自备锅炉解决供暖和生活热水问题，形成了多种供热形式并存的状况。由于分布式供热所用的热源容量小，热效率低，环境污染严重，虽然近年大力推广使用清洁能源，但由于运行费用高，整体所占比例不大；近3年来上海、武汉、南京等经济发达地区夏季出现“电荒”，全国大部分省市相继出现用电紧张状况，其重要原因之一：我国从20世纪90年代初开始电蓄能技术的研究、开发和利用工作。根据电力需求侧管理部门的统计，仅1998年以前其总数就已超过4800台，总容量超过60万kw，其中直供的占90％以上，低谷蓄热的不足10％，目前全国安装的电热锅炉有90％是非蓄热的。1995年以后，原电力部开始电蓄能技术试点工作，自1997年电力供应缓和之后，供电部门为促销电力，大力提倡电力空调器和电热锅炉，许多地方出台了用电优惠政策，实行梯级电价，鼓励用电采暖。特别是在1998年4月国家电力公司在上海召开了蓄热式电锅炉推广应用会后，电锅炉发展速度惊人。但有些地方借推广蓄热式电热锅炉之机，搞了许多非蓄热式电热锅炉，使高峰负荷异常升高。尤其是在电力部门内部，据自身优势“推广使用了”大量的非蓄热直供式电热锅炉，据调查电锅炉几乎遍布所有县级以上的供电部门。国家发改委与国家电网公司在削峰填谷专题会议中指出，要加强用电需求侧管理，大力推广应用低谷蓄能技术。据此应当对上述情况开展调查，对非蓄热运行的电热锅炉应当限期改造为低谷蓄热蓄热运行的电锅炉。就进行蓄能改造的可行性问题，曾向电力部门及有些用户咨询过，都认为受已有空间条件所限如用传统的水蓄能技术体积太大，几乎不太可能。又经与有关专家咨询，了解到现在国内已有成熟的高蓄热密度的相变蓄热技术，同等蓄热量其所需体积空间是蓄热水箱的1/4---1/6，蓄能改造是确定可行的。据专业人士测算，截至日前仅电力部门内部使用的非蓄热电锅炉就有8000台以上，其总容量超过300万千瓦，如对其全部进行蓄能改造，可节约300万千瓦的高峰容量，相当于15个20万千瓦中型发电厂的装机容量，同时可节约调峰电厂建设投资150亿元，节约电网峰值增容投资超过60亿元，增加供电高峰、平段售电收入22亿元/年，为发电企业增加低谷发电收入10亿元/年。其社会效益之大难以用数字表达。

众所周知，能源短缺逐渐威胁到人类的生存和发展，但由于热电厂的发电设备、热源设备与众多热源用户的特点不同，热电厂一年四季发电并伴生大量的余热，但当供暖期只有120-160天，其他时间只有少部分近距离工业生产和宾馆用户，致使大量的余热被白白浪费掉；而另有一部分集中供热区域外的用户(如宾馆、洗浴中心等)却要用自备锅炉供热，这种实况不但造成能源的双倍浪费同时增加了用户的运营成本。如果用蓄热设备进行热能配送就解决了这一矛盾，复合式高密度蓄热技术是其最关键设备之一。

目前被普遍采用的蓄热技术主要有：常压水蓄热和高温水蓄热、固相高温蓄热。由于水在0℃时的溶解潜热(80cal/g)和100℃时的汽化潜热(539cal/g)等相变潜热都较大，但容积密度(1g/ml)和比热(1cal/g.℃)较小，所以水的潜热、显热蓄热密度小，用水做介质蓄热都是利用显热特性：常压水蓄热和高温水蓄热技术是利用水的温差显热特性，蓄热密度小，蒸汽蓄热是利用水的汽化潜热，虽然汽化热大，但蒸汽密度小，压力高，故相对蓄热密度小，不适合运输；固相高温蓄热是用电加热管将固态成型材料加热到400-700℃，再通过高温换热将蓄存的热量释放出去，其换热装置复杂、压力高、安全性能差，保温难度大，热损失大，也不适合运输。为了克服上述蓄热装置的种种不足，本发明提供一种复合式高密度相变蓄热装置。该发明不仅涉及一种复合式蓄热装置；而且涉及一种特殊的高密度相变蓄热模棒；还涉及一种能够进行快速安装和移动的装置设计；同时还涉及一种能够将热量均匀传递到相变蓄热材料并快速释放进行供热的能量分配器的设计；也还涉及一种能够进行全自动控制的温度时间控制器设计。由此设计制造成的复合式高密度相变蓄热装置不仅能够独立进行供暖和热水，而且还能通过调温阀进行水温调节；还具有利用余热的蓄热功能，大大地降低了能源消耗和环境污染，同时还增加了热电厂的效益。他的推广利用将带来巨大的经济效益和社会效益。

图1是用本发明设计的供热装置的纵剖面构造图。

图1中：1.外箱体，2.保温层，3.内箱体，4.相变蓄热棒体，5.换热盘管，6.相变蓄热材料，7.加热分配器，8.供热分配器，9.温度传感器，10.蓄热棒体分隔架，11.蓄热体底部金属支撑，12.供暖循环水回水口，13.供暖循环水出水口，14.生活热水出口，15.自来水进口，16.生活热水供水温度调节阀，17.温度控制器、18.供暖变频调速循环泵，19.导热介质，20.热量表，21.运输车底架，22.蓄热箱体上盖，23.检查口，24.液位指示计，25.密封回水弯。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：箱型外壳(1)与箱型内壳体(3)通过底部金属支撑(11)焊接在一起，在二者之间填充保温层(2)；在相变蓄热箱体内，高密度相变蓄热棒(4)通过分隔架(10)呈m列n行均分布置；在内箱体上方布置有用c型弯头穿行连接呈u字蛇形的换热盘管(5)，换热盘管浸没在换热介质(19)中，在盘管的两端一个做自来水进口(15)，另一个做热水出口(14)，进出口之间并联有供水温度调节阀(16)；在换热盘管(5)的上方均布着带孔的金属圆管作为供热分配器(8)；与变频循环水泵(18)的进口连接，循环泵出口与供热系统相连；在蓄热体底部金属支撑(18)的下方布置有用带孔的金属圆管制成的加热分配器(7)；分配器的出口端穿过并焊接在相变蓄热内外两侧箱体金属板上；蓄热棒(4)内充满熔点为75-95℃、融解热为50-75kcal/kg的相变蓄热材料(6)；蓄热箱(3)的侧板上下部位设置温度传感器(9)通过导线与时间温度控制器(17)电连接；相变蓄热壳体(1)的底部焊接金属支撑架(11)，并将其与运输车底架(21)相连；热量表(20)分别接在供暖出口(13)和供生活热水出口(14)处。

本发明的工作原理和工作流程是：

蓄热过程：

将外部热源的载热介质(90℃以上的水或100℃--130℃蒸汽)接入加热分配器，其所载热量通过导热介质和蓄热棒体(4)的外壁均匀扩散传递到相变材料(6)中，相变材料(6)的温度逐渐升高，在未达到相变温度-熔点以前存储显热，相变材料获得足够的热量后，逐渐发生晶格变化----相变潜热，相变结束并达到设定温度时蓄热过程完成，蓄热量为显热(60-95℃)加潜热，合计约为92-95kcal/kg。

释热供暖(热水)过程：

对于供暖用户，将供暖系统的供回水管口分别与复合式蓄热装置的热量表(20)的出口和供暖回水口(12)相连，其相变材料(6)中所储存的热量通过蓄热棒(4)壁均匀传递到导热介质(19)--水中，根据需要将水加热至45-80℃，通过循环水泵(18)给采暖系统供热，相变蓄热材料(6)逐渐释放所存的潜热后，发生晶格变化----凝固，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度(50-60℃)时，释热过程结束。

对于生活热水用户，供热水时先将该装置的热水出口与用户供水系统的入口相连，其入口与自来水管或用户热水系统的回水相连，通过调节供水温度调节阀(16)与循环回水或自来水混合之所需供水温度，所供热量由热量表(20)计量。

本发明的有益效果是：通过复合式高密度相变蓄热装置可将无蓄热功能的电锅炉采暖系统、供水系统改造为具有削峰填谷作用的蓄热系统，并可将热电厂或其他如热源厂、钢厂、炼焦厂的余热或废热进行热回收并送配到需要热能的用户，该装置结构紧凑，蓄热密度高达16万千卡/立方米、体积小、无压运行安全稳定可靠，也是完全的节能环保装置。

本发明的发明人一直从事能源综合利用技术的研究和开发，尤其近几年成功的研制发明了蓄能式电磁开水器、常压分层蓄热水箱、户式相变蓄热供暖装置、相变蓄热供暖空调、一体化电加热相变蓄热模块、一体化管道式相变蓄热模块，并已获得了以上六项专利，其他还有七项专利申请，先后担任了4个冰蓄冷工程和11个电锅炉蓄热工程的设计和工程总监，积累了多年的实践经验，加之多项丰富的专业理论知识，在经过多次反复研究和试验的基础上，首先发明了能够分别在70℃、80℃、95℃、140℃、204℃发生相变并具有较大的相变潜能(熔解热)的混合相变材料；在此基础上发明了一体化管道式相变蓄热模块(已获专利)和一体化电加热管道式相变蓄热模块、户式相变蓄热电采暖装置、无内胆高密度蓄能电热水装置、相变蓄热模球、相变蓄热模块、车用相变蓄热采暖装置、高效翅片式蓄冰槽，并研制发明了具有划时代意义的模块化相变蓄热系统、模块化相变蓄冷系统。

本发明目的在于解决上述问题，并力求在废热、余热利用技术方面有较大的突破，本发明的目的可按下述实施：

下面结合附图和实施例对采用本发明设计制造的复合式高密度相变蓄热装置进一步说明。

图2所示为用于热电厂余热回收的300万千卡复合式高密度相变蓄热装置，可实现：

不需燃料加热的情况下连续供50℃的热水100立方米，其工作原理：该装置外形尺寸为5500×2100×1600，内装蓄热材料36吨，有效蓄热量310万千卡，在热电厂用蒸汽对其加热和蓄热，载热蒸汽通过蓄热箱的加热分配器进入并将其中的导热介质加热，介质温度不断升高同时也将热量传导给相变蓄热材料使相变材料(6)的温度逐渐升高，在未达到相变温度-熔点以前存储显热，相变材料获得足够的热量后，达到相变温度-熔点79.4℃时，逐渐发生相变储存潜热，相变结束并达到设定温度时蓄热过程完成，该过程约需100--200分钟，其相变材料(6)中所储存的总热量为3000000kcal；通过汽车运输到用户后，将其接入用户的生活热水系统或供暖系统，通过导热介质所储存的热量均匀的传递到水中，可将水加热至40-80℃，，通过调节供水温度调节阀与自来水混合至所需供水温度，也可进行采暖，随着不断放热，相变蓄热材料(6)逐渐发生晶格变化----凝固，释放所存的潜热后，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度(50℃)时，释热完毕，此时总共供水量超过100吨，可供8000--10000平米采暖一天。

由此可见，用本发明设计的新型复合式蓄热装置，可实现废热、余热回收后无需管网通过运输就可供给另一地用户，对产生废热、余热的用户增加了收入，对用热单位即减少了能源消耗，减少了污染气体的排放，也降低了运行费用，同时还减少了设备投资。

图3所示为用于炼钢厂、焦化厂、刚玉厂、电石厂、啤酒厂等废热回收的200万千卡复合式高密度相变蓄热装置，图中，1.载热待冷却体，2.废热回收装置，3.复合式高密度相变蓄热装置，4.牵引车。可实现：

将载热体(1)所含有的大量热量通过回收装置(2)回收并暂时储存起来，再通过管道连接将回收的热量转移到复合式高密度相变蓄热装置，转移完毕由牵引车松枝供热用户。

隋着燃料价格的不断上涨，供热运行费用不断增大，采用余热、废热回收利用使多方受益，因此，该实用新型的推广应用将带来较大的经济效益和社会效益，具有广泛的推广价值和发展前景。

图4所示为用水箱需热的电锅炉蓄热式采暖系统，系统主要包括1.电锅炉，2.蓄热水箱，3、6.自动调节阀，4.热源系统循环水泵、5.放热循环泵，7.热交换器，8采暖系统循环水泵等设备，其系统的热交换器为、可分为两部分，即热交换器一次循环系统和二次循环系统，其蓄热采暖的一般流程及工作原理是：

蓄热式采暖系统在电网负荷的谷值期(23:00～7:00)开启一次蓄热循环水泵和电锅炉，锅炉出口温度定在95℃，打开阀门6，关小阀门3，加热蓄热中的水使其达到90℃，同时，开启循环水泵8，对用户系统供热。到了电网负荷的峰值期(7:00～23:00)，关闭电锅炉1，打开3、6，开启两个循环的循环水泵5、8，让蓄水箱内的90℃的热水与热交换器循环换热，并通过交换器加热用户系统的水，使房间得到采暖，为了适应室外温度早、中、晚的变化，控制室内温度，节省蓄热水箱中的热量，在水箱出口与一次循环水泵间加了一个电动三通流量调节阀，可根据室外温度，自动调节热交换器一次侧的供水温度，保证采暖房间的温度恒定。该系统复杂，占地空间大，安装调试、使用不方便，散热损失大，综合投资高。

图5所示为复合式相变蓄热装置低谷电采暖系统，由蓄热装置1、蓄热模块2、阀门3、循环泵6、板式换热器7、加热器5、供暖循环泵8、散热末端获喷头4等组成。工作原理：

蓄热过程：

将加热器5通电，其所发出的热量通过导热介质和蓄热棒体(2)的外壁均匀扩散传递到相变材料中，相变材料的温度逐渐升高，在未达到相变温度-熔点以前存储显热，相变材料获得足够的热量后，逐渐发生晶格变化----相变潜热，相变结束并达到设定温度时蓄热过程完成，蓄热量为显热(60-95℃)加潜热，合计约为92-95kcal/kg。

释热供暖(热水)过程：

对于供暖用户，将供暖系统的供回水管口分别与复合式蓄热装置的出口和供暖回水口相连，其相变蓄热棒所储存的热量通过蓄热棒(4)壁均匀传递到导热介质--水中，根据需要将水加热至45-80℃，通过循环水泵(6、8)给采暖、生活水系统供热，相变蓄热材料逐渐释放所存的潜热后，发生晶格变化----凝固，其温度开始下降并释放显热，达到规定的温度(50-60℃)时，释热过程结束，实现蓄能供热。

图6所示为复合式相变蓄热装置低谷电供水系统，由蓄热装置1、蓄热模块2、阀门3、循环泵6、加热器5、散热末端4等组成。其蓄热工作原理与图5基本相同。放热时，打开阀(3)，开启水泵(6)级可给用户(4)供暖。

按照图1、2、3、5、6所述的实施方式、形成的其他类似的技术方案，也均属本适用新型的保护范围。

按照图1所述的实施方式，若把换热盘管、蓄热模块、热能分配器的布置方式及外形与结构更换为其他类似的技术方案，也均属本适用新型的保护范围，以上所述乃是本实用新型的具体实施例及所运用的技术原理，若依本实用新型的构想所作的等效改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的范围内，特此说明。

综上所述，本发明是对废热、余热的回收利用，蓄热系统规划设计、蓄能材料推广应用等诸多方面都有重大突破，并对其有一定的指导作用。

以上所述只是本发明的部分具体应用实例及其导热、传热、蓄热、放热、供热机理，若依本发明的构想所做的等效改变和部分应用，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所含盖的精神或原理时，均应在本发明的范围内，特此声明。

Claims (8)

1.一种复合式高密度相变蓄热装置，在外箱体与内箱体之间填充保温层；在相变蓄热箱体内，相变蓄热模棒以5-10mm间距并行地呈m列n行均分布置，蓄热箱内的上部布置有换热盘管，该盘管是用c型弯头穿行连接呈u字蛇形盘管，盘管的两端一个做冷水进口，与变频循环水泵的出口连接，另一个做热水出口，与供热水系统相连，进出口之间并联有供水温度调节阀；在相变蓄热壳体的底部和顶部分别设置有加热分配器和供热分配器，分配器的前端穿过箱体并焊接有连接法兰，分别作为加热和供暖用的进出水口，分配器是由无缝钢管制成，钢管上均布着许多不同孔径的园孔，穿过箱体两层金属板时进行焊接密封；内箱体上不和下部设置有测温探管，探管内部设置温度传感器，通过导线与时间温度控制器电连接；箱体内90％充满水或其他导热介质；相变蓄热壳体的底板外侧焊接金属支撑架，并用其与运输车连接。

2.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：在内外箱体之间填充保温层。

3.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：相变蓄热箱体内，以5-10mm间距并行地呈m列n行均分布置相变蓄热模棒。

4.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：蓄热箱内的上部布置有换热盘管，该盘管是用c型弯头穿行连接呈u字蛇形盘管，盘管的两端一个做冷水进口，与变频循环水泵的出口连接，另一个做热水出口，与供热水系统相连，进出口之间并联有供水温度调节阀。

5.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：相变蓄热壳体的底部和顶部分别设置有加热分配器和供热分配器，分配器的前端穿过箱体并焊接有连接法兰，分别作为加热和供暖用的进出水口，分配器是由无缝钢管制成，钢管上均布着许多不同孔径的园孔，穿过箱体两层金属板时进行焊接密封。

6.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：内箱体上不和下部设置有测温探管，探管内部设置温度传感器，通过导线与时间温度控制器电连接。

7.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：进出口之间并联有供水温度调节阀。

8.根据权利要求1所述复合式高密度相变蓄热装置，其特征在于：循环水回水口处串联有变频调速循环泵。

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