CN212081701U - 一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，属于相变蓄热技术领域。其技术方案为：包括高温热源，高温热源通过废热管经蒸发器流出，蒸发器的进口和出口通过换热循环管连接，所述换热循环管上依次连接压缩机、梯级蓄热装置和储液罐；太阳能集热器的进口和出口通过集热循环管连接，集热循环管上连接梯级蓄热装置；常温水源通过供热循环管经梯级蓄热装置和待加热设备流出；控温系统包括控制器、设置在供热循环管上的温控球阀和温度传感器。本实用新型的有益效果为：通过不同温度梯度的换热设计，提高了热能的储放速率，大幅提高了相变储能装置的性能及效率，加快热能换热速度，提高了相变储能装置的应用性能。

Description

一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统

技术领域

本实用新型涉及相变蓄热技术领域，尤其涉及一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统。

背景技术

相变蓄热技术的基础是相变材料，相变材料在相变时是在等温或者近似等温条件下发生的，因此，在储能和放能的过程中，温度和热流基本恒定，并且伴随大量的热量吸收/释放。相变蓄热主要依靠相变材料的潜热，具有潜热量大、蓄热密度高的特点，比显热量大一个数量级，自20世纪70年代石油危机后，热能储存技术在工业节能和新能源领域应用逐渐受到重视，由于相变储能元件及其构成的蓄热换热器体积小、储能密度大的特点受到世界各国的研究。

在工业生产中，通常会产生大量的废热，一般会直接排入大气，其大量的热量将会直接耗散在空气之中，这不仅会严重降低了系统的热效率，而且对环境会造成热污染；太阳能是一种绿色新能源，具有可再生性，广泛性和能量巨大等优点，然而其缺点就是间断和波动性。尤其在石油产业，井口原油由于温度较高，通常会产生闪蒸现象，这不仅会导致一部分原油完全损失，还会使大部分热量浪费。此外，将高温的井口原油进行直接在储油罐中进行存储，其大量的热量将会直接耗散在空气之中。

梯级蓄热与控温系统，是采用不同相变温度的相变材料串联放置的技术，有助于保证相变材料与换热流体间的温差均匀，提高换热效率。温度调控技术有助于调节所需热流体的温度，避免热量的浪费，可以起到节能环保的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供提供一种基于相变储能技术的梯级蓄热与控温系统，通过将相变蓄热装置进行级联式排列放置，避免蓄热温度单一的缺点，同时在放热过程配备球阀进行温度调控，根据实际的工业需求，选择合适的放热温度。

本实用新型是通过如下措施实现的：一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，包括高温热源，所述高温热源通过废热管经蒸发器流出，所述蒸发器的进口和出口通过换热循环管连接，所述换热循环管上依次连接压缩机、梯级蓄热装置和储液罐；

还包括太阳能集热器，所述太阳能集热器的进口和出口通过集热循环管连接，所述集热循环管上连接所述梯级蓄热装置；

还包括常温水源，所述常温水源通过供热循环管经所述梯级蓄热装置和待加热设备流出；

还包括控温系统，所述控温系统包括控制器、设置在所述供热循环管上且位于所述梯级蓄热装置和所述待加热设备之间的温控球阀和温度传感器，所述温控球阀和温度传感器分别通过导线与所述控制器电连接，所述温度传感器位于所述温控球阀和待加热设备之间；所述温度传感器可以实时在线监测所述供热循环管内的温度，以便通过控制器控制所述温控球阀的开度大小。

所述废热管、集热循环管和供热循环管的进口处均设置有电动阀和循环水泵。

所述梯级蓄热装置包括通过管路依次连接的高温蓄热体、中温蓄热体和低温蓄热体，所述高温蓄热体分别与所述蒸发器的出口和所述太阳能集热器的出口连接，所述低温蓄热体分别与所述蒸发器的进口和所述太阳能集热器的进口连接。

所述高温蓄热体采用相变温度为70℃-90℃的相变材料，所述中温蓄热体采用相变温度为40℃-60℃的相变材料，所述低温蓄热体采用相变温度为10℃-30℃的相变材料。所述高温蓄热体优选相变温度为90℃的相变材料，所述中温蓄热体优选相变温度为60℃的相变材料，所述低温蓄热体优选相变温度为30℃的相变材料。

所述梯级蓄热装置包括通过管路依次连接的至少三个储热蓄热体，所述储热蓄热体根据温度划分且所述储热蓄热体的温度逐渐递减，最高温度的储热蓄热体分别与所述蒸发器的出口和所述太阳能集热器的出口连接，最低温度的储热蓄热体分别与所述蒸发器的进口和所述太阳能集热器的进口连接。

所述废热管、换热循环管、集热循环管和供热循环管均进行保温绝热处理。

所述换热循环管上且位于所述蒸发器和储液罐之间设置有膨胀阀和过滤器。

所述压缩机的制冷剂为R245fa高温工质。

所述循环水泵可以采用增压泵或者增压型水泵。

所述供热循环管经所述梯级蓄热装置设置有两路支管，所述两路支管与所述待加热设备连接，所述两路支管分别为高温恒温加热支管和中低温逐级预热支管。

所述高温热源为高温的井口原油油或者高温的工业废水，所述待加热设备为稠油加热设备或储油罐保温设备或工质预热设备，通过高温的井口原油对后期工作中的稠油加热、储油罐保温以及对工质进行预热，节约了资源。

一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统的控温方法，包括以下过程：

蓄热过程1：所述集热循环管和所述供热循环管上的电动阀关闭，所述高温热源经所述蒸发器与所述换热循环管内的制冷剂进行换热，气液两相的制冷剂在所述蒸发器中吸热变为低温低压气体，进入所述压缩机后升温升压变为高温高压气体，高温高压的制冷剂气体进入所述梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温制冷剂先进入70℃-90℃相变温度的高温蓄热体内进行第一次放热，降温后的中温制冷剂进入40℃-60℃相变温度的中温蓄热体内进行第二次放热，第二次降温后的低温制冷剂进入10℃-30℃相变温度的低温蓄热体内进行第三次放热，最终变为气液两相制冷剂进入所述储液罐，随后进入过滤器中，过滤掉制冷剂中多余气体变为纯液相，进入膨胀阀进行节流后，变为低温低压的气液两相再进入蒸发器中进行下一次循环；

蓄热过程2：所述换热循环管和所述供热循环管上的电动阀关闭，所述太阳能集热器中的高温高压水蒸气进入所述梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温高压水蒸气先进入70℃-90℃相变温度的所述高温蓄热体内进行第一次放热，降温后的中温湿蒸汽进入40℃-60℃相变温度的所述温蓄热体内进行第二次放热，第二次降温后的低温水进入10℃-30℃相变温度的所述低温蓄热体内进行第三次放热，最后再进入所述太阳能集热器中进行下一次循环；

放热过程：所述换热循环管和所述集热循环管上的电动阀关闭，常温水由所述供热循环管上的所述循环水泵增压后分别流入所述梯级蓄热装置中进行吸热升温，流经所述第一蓄热体的出口水温为高温，流经所述第二蓄热体的出口水温为中温，流经所述第三蓄热体的出口水温为低温，根据待加热设备所需要的温度，调节通过所述控制器控制所述控温球阀的开度大小，使三股流体混合为一股流体，达到实际工程所需要的水温。

所述蓄热过程1和蓄热过程2可以同时进行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：一是将相变蓄热装置进行级联式排列放置，进行梯级蓄热，有助于提高蓄热量与蓄热效率；二是在相同质量的蓄热材料下，级联式的蓄热器比单一式蓄热器比的蓄热量更大；三是采用热泵循环，将低品质的热能转变为高品质的热能，使热量更容易进行储存；四是通过球阀控制梯级式相变蓄热装置的热水温度，满足实际工程需要，达到节能环保的效果。

本实用新型能够实现高效储放能的目的，通过结构优化，实现了相变材料的高效利用，提升了热能有效存储量；通过不同温度梯度的换热设计，提高了热能的储放速率，大幅提高了相变储能装置的性能及效率；经过理论分析和现场试验证明，相变储能技术的梯级蓄热与控温系统，安全可靠，节约成本、提高热能有效存储量，加快热能换热速度，提高了相变储能装置的应用性能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

其中，附图标记为：1、高温热源；2、增压泵一；3、电动阀一；4、蒸发器；5、低温余热；6、压缩机；7、高温蓄热体；8、中温蓄热体；9、低温蓄热体；10、储液罐；11、过滤器；12、膨胀阀；13、太阳能集热器；14、常温水源；15、增压泵二；16、电动阀二；17、循环水泵；18、电动阀三；19、控温球阀；20、温度传感器；21、控制器；22、电动阀四；23、电动阀五；24、中低温逐级预热支管；25、高温恒温加热支管；26、废热管；27、换热循环管；28、集热循环管路；29、供热循环管；30、导线。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

实施例一：

参见图1：一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，包括高温热源1，高温热源1通过废热管26经蒸发器4流出，蒸发器4的进口和出口通过换热循环管27连接，换热循环管27上依次连接压缩机6、梯级蓄热装置和储液罐10；

还包括太阳能集热器13，太阳能集热器13的进口和出口通过集热循环管28连接，集热循环管28上连接梯级蓄热装置；

还包括常温水源14，常温水源14通过供热循环管29经梯级蓄热装置和待加热设备流出；

还包括控温系统，控温系统包括控制器21、设置在供热循环管29上且位于梯级蓄热装置和待加热设备之间的温控球阀19和温度传感器20，温控球阀19和温度传感器20分别通过导线30与控制器21电连接，温度传感器20位于温控球阀19和待加热设备之间；温度传感器20可以实时在线监测供热循环管29内的温度，以便通过控制器21控制温控球阀19的开度大小。

废热管26的进口处设置有增压泵2和电动阀3，集热循环管28的进口处设置有循环水泵17和电动阀三18，供热循环管29的进口处设置有增压泵15和电动阀二16。

梯级蓄热装置包括通过管路依次连接的高温蓄热体7、中温蓄热体8和低温蓄热体9，高温蓄热体7分别与蒸发器4的出口和太阳能集热器13的出口连接，低温蓄热体9分别与蒸发器4的进口和太阳能集热器13的进口连接。

高温蓄热体7采用相变温度为90℃的相变材料，中温蓄热体8采用相变温度为60℃的相变材料，低温蓄热体9采用相变温度为30℃的相变材料。

梯级蓄热装置包括通过管路依次连接的至少三个储热蓄热体，储热蓄热体根据温度划分且储热蓄热体的温度逐渐递减，最高温度的储热蓄热体分别与蒸发器4的出口和太阳能集热器13的出口连接，最低温度的储热蓄热体分别与蒸发器4的进口和太阳能集热器13的进口连接。

废热管26、换热循环管27、集热循环管28和供热循环管29均进行保温绝热处理。

换热循环管27上且位于蒸发器4和储液罐10之间设置有膨胀阀12和过滤器11。

压缩机6的制冷剂为R245fa高温工质。

循环水泵可以采用增压泵或者增压型水泵。

供热循环管29经梯级蓄热装置设置有两路支管，两路支管与待加热设备连接，两路支管分别为高温恒温加热支管24和中低温逐级预热支管25，高温恒温加热支管24上设置有电动阀22，中低温逐级预热支管25上设置有电动阀23。

高温热源1为高温的井口原油油或者高温的工业废水，待加热设备为稠油加热设备或储油罐保温设备或工质预热设备，通过高温的井口原油对后期工作中的稠油加热、储油罐保温以及对工质进行预热，节约了资源。

一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统的控温方法，包括以下过程：

蓄热过程1：关闭增压泵二15、电动阀二16、循环水泵17、电动阀三18，电动阀四22，电动阀五23，开启增压泵一2、电动阀一3，高温热源1与制冷剂在蒸发器4进行换热，高温热源1放热变为低温废热5，气液两相的制冷剂在蒸发器中吸热变为低温低压气体，进入压缩机6后升温升压变为高温高压气体，高温高压的制冷剂气体进入梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温制冷剂先进入90℃相变温度的高温蓄热体7内进行第一次放热，降温后的中温制冷剂进入60℃相变温度的中温蓄热体8内进行第二次放热，第二次降温后的低温制冷剂进入30℃相变温度的低温蓄热体9内进行第三次放热，最终变为气液两相制冷剂进入储液罐10，随后进入过滤器11中，过滤掉制冷剂中多余气体变为纯液相，进入膨胀阀12进行节流后，变为低温低压的气液两相再进入蒸发器4中进行下一次循环。

蓄热过程2：关闭增压泵一2、电动阀一3、增压泵二15、电动阀二16，电动阀四22、电动阀五23，开启循环水泵17、电动阀三18，太阳能集热器13中的高温高压水蒸气进入梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温高压水蒸气先进入90℃相变温度的高温蓄热体7内进行第一次放热，降温后的中温湿蒸汽进入60℃相变温度的中温蓄热体8内进行第二次放热，第二次降温后的低温水进入30℃相变温度的低温蓄热体9内进行第三次放热，最后再进入太阳能集热器（13）中进行下一次循环。

放热过程：关闭增压泵一2、电动阀一3、循环水泵17、电动阀三18，电动阀五23，开启增压泵二15、电动阀二16，电动阀四22，常温水源14进入后，由增压泵增压后分别流入梯级蓄热装置中进行吸热升温，流经高温蓄热体7的出口水温为90℃，流经中温蓄热体8的出口水温为60℃，流经低温蓄热体9的出口水温为30℃，根据中低温逐级预热支管24所需要的温度，调节球阀开度的大小，使三股流体混合为一股流体，达到实际工程所需要的水温。

实施例二：

蓄热过程1和蓄热过程2可以同时进行。具体为：

关闭增压泵二15、电动阀二16、循环水泵17、电动阀三18，电动阀四22，电动阀五23，开启增压泵一2、电动阀一3，开启循环水泵17、电动阀三18，

高温热源1和与制冷剂在蒸发器4进行换热，高温热源1放热变为低温废热5，气液两相的制冷剂在蒸发器中吸热变为低温低压气体，进入压缩机6后升温升压变为高温高压气体，高温高压的制冷剂气体进入梯级蓄热装置进行冷凝放热，同时太阳能集热器13中的高温高压水蒸气进入梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温制冷剂和高温高压水蒸气先进入90℃相变温度的高温蓄热体7内进行第一次放热，降温后的中温制冷剂和中温湿蒸汽进入60℃相变温度的中温蓄热体8内进行第二次放热，第二次降温后的低温制冷剂和第二次降温后的低温水进入30℃相变温度的低温蓄热体9内进行第三次放热，低温制冷剂变为气液两相制冷剂进入储液罐10，随后进入过滤器11中，过滤掉制冷剂中多余气体变为纯液相，进入膨胀阀12进行节流后，变为低温低压的气液两相再进入蒸发器4中进行下一次循环，低温水进入最后再进入太阳能集热器（13）中进行下一次循环。

实施例三：

本实用新型提到的一种基于相变储能技术的梯级蓄热与控温系统，与实施例一不同之处是：

梯级蓄热装置分为四个蓄热体，在四个蓄热体中，分别采用相变温度为90℃的相变材料，相变温度为70℃的相变材料，相变温度为50℃的相变材料，相变温度为30℃的相变材料。

该梯级蓄热装置与实施例1相比，增加了一个蓄热体，其采用不同相变温度的相变材料串联放置的技术，有助于保证相变材料与换热流体间的温差更加均匀，提高换热效率。

本实用新型提到的一种基于相变储能技术的梯级蓄热与控温方法，包括以下过程：

蓄热过程1：关闭增压泵二15、电动阀二16、循环水泵17、电动阀三18，电动阀四22，电动阀五23，开启增压泵一2、电动阀一3，高温热源1与制冷剂在蒸发器4进行换热，高温热源1放热变为低温废热5，气液两相的制冷剂在蒸发器中吸热变为低温低压气体，进入压缩机6后升温升压变为高温高压气体，高温高压的制冷剂气体进入梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温制冷剂先进入90℃相变温度的蓄热体内进行第一次放热，一次降温后的制冷剂进入70℃相变温度的蓄热体内进行第二次放热，第二次降温后的制冷剂进入50℃相变温度的蓄热体内进行第三次放热，第三次降温后的制冷剂进入30℃相变温度的蓄热体内进行第四次放热，最终变为气液两相制冷剂进入储液罐10，随后进入过滤器11中，过滤掉制冷剂中多余气体变为纯液相，进入膨胀阀12进行节流后，变为低温低压的气液两相再进入蒸发器4中进行下一次循环。

蓄热过程2：关闭增压泵一2、电动阀一3、增压泵二15、电动阀二16，电动阀四22、电动阀五23，开启循环水泵17、电动阀三18，太阳能集热器13中的高温高压水蒸气进入梯级蓄热装置进行冷凝放热，高温高压水蒸气先进入90℃相变温度的蓄热体内进行第一次放热，一次降温后的湿蒸汽进入70℃相变温度的蓄热体内进行第二次放热，第二次降温后的水进入50℃相变温度的蓄热体内进行第三次放热，第三次降温后的水进入30℃相变温度的蓄热体内进行第四次放热，最后再进入太阳能集热器（13）中进行下一次循环。

放热过程：关闭增压泵一2、电动阀一3、循环水泵17、电动阀三18，电动阀五23，开启增压泵二15、电动阀二16，电动阀四22，常温水源14进入后，由增压泵增压后分别流入梯级蓄热装置中进行吸热升温，流经四个蓄热体的出口水温一次为90℃，70℃、50℃，30℃，根据中低温逐级预热支管24所需要的温度，调节球阀开度的大小，使三股流体混合为一股流体，达到实际工程所需要的水温。

在本实用新型创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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实用新型创造和简化描述，而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实用新型创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型创造中的具体含义。

本实用新型未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，包括高温热源，所述高温热源通过废热管经蒸发器流出，所述蒸发器的进口和出口通过换热循环管连接，所述换热循环管上依次连接压缩机、梯级蓄热装置和储液罐；

还包括太阳能集热器，所述太阳能集热器的进口和出口通过集热循环管连接，所述集热循环管上连接所述梯级蓄热装置；

还包括常温水源，所述常温水源通过供热循环管经所述梯级蓄热装置和待加热设备流出；

还包括控温系统，所述控温系统包括控制器、设置在所述供热循环管上且位于所述梯级蓄热装置和所述待加热设备之间的温控球阀和温度传感器，所述温控球阀和温度传感器分别通过导线与所述控制器电连接，所述温度传感器位于所述温控球阀和待加热设备之间；

所述废热管、集热循环管和供热循环管的进口处均设置有电动阀和循环水泵。

2.根据权利要求1所述的基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，所述梯级蓄热装置包括通过管路依次连接的高温蓄热体、中温蓄热体和低温蓄热体，所述高温蓄热体分别与所述蒸发器的出口和所述太阳能集热器的出口连接，所述低温蓄热体分别与所述蒸发器的进口和所述太阳能集热器的进口连接。

3.根据权利要求2所述的基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，所述高温蓄热体采用相变温度为70℃-90℃的相变材料，所述中温蓄热体采用相变温度为40℃-60℃的相变材料，所述低温蓄热体采用相变温度为10℃-30℃的相变材料。

4.根据权利要求1所述的基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，所述梯级蓄热装置包括通过管路依次连接的至少三个储热蓄热体，所述储热蓄热体根据温度划分且所述储热蓄热体的温度逐渐递减，最高温度的储热蓄热体分别与所述蒸发器的出口和所述太阳能集热器的出口连接，最低温度的储热蓄热体分别与所述蒸发器的进口和所述太阳能集热器的进口连接。

5.根据权利要求1所述的基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，所述废热管、换热循环管、集热循环管和供热循环管均进行保温绝热处理。

6.根据权利要求1所述的基于相变储能技术的梯级蓄热控温系统，其特征在于，所述压缩机的制冷剂为R245fa高温工质。

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