CN109945714A - 相变储能换热***及加热水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变储能换热***及加热水的方法，属于能源储蓄技术领域。该相变储能换热***包括换热储能罐、储水罐、电加热锅炉、集水器和分水器，储水罐的进口和分水器均与换热储能罐底部连通，储水罐出口与电加热锅炉入口连通，电加热锅炉出口与换热储能罐的下端连通，集水器与换热储能罐的顶部连通，换热储能罐内沿高度方向间隔设置有多层相变材料挡板，且相变材料挡板上设置有换热通道。电加热锅炉将载热流体加热成蒸汽并泵送到换热储能罐，蒸汽自下向上对挡板进行加热，冷凝后再流回到储水罐，集水器将水输送到换热储能罐内与挡板进行换热，热水通过分水器被输送到用户处。本发明换热效果好，且载热流体能够循环利用，节约资源。

Description

相变储能换热***及加热水的方法

技术领域

本发明涉及能源储蓄技术领域，尤其涉及一种相变储能换热***及利用该***进行加热水的方法。

背景技术

传统的相变材料储热装置多为相变材料的简单填充，储热效率和传热均匀度还不够高。传统的相变材料蓄热过程多是直接电加热或者是液相流体流经管道或者空隙加热罐体内的相变材料或者是封装的相变材料。由于使用电加热容易造成相变材料温度升高过快而超过了允许的温度上限，造成相变材料分解等现象，严重影响相变材料的寿命。使用液相流体进行相变材料储能，需要使用载热流体的显热段，传热总效率受到传热温差的影响很大。

因此，亟需提供一种相变储能换热***及利用该***进行加热水的方法，以解决现有技术中电加热造成的材料寿命受损严重及传热效率低的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种相变储能换热***，以提高传热效率，实现载热流体的循环利用，达到节约资源的目的。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种相变储能换热***，包括换热储能罐、储水罐、电加热锅炉、集水器和分水器，所述储水罐的进口和所述分水器均与所述换热储能罐的底部相连通，所述储水罐的出口与所述电加热锅炉的入口相连通，所述电加热锅炉的出口与所述换热储能罐的下端相连通，所述集水器与所述换热储能罐的顶部相连通，所述换热储能罐内沿高度方向间隔设置有多层相变材料挡板，所述相变材料挡板上设置有换热通道。

作为优选技术方案，还包括喷淋器，所述喷淋器设置在所述换热储能罐的上端，所述喷淋器与所述集水器连通。

作为优选技术方案，多层所述相变材料挡板在竖直方向上逐层交错设置，并均与所述换热储能罐的内壁之间形成所述换热通道。

作为优选技术方案，所述相变材料挡板上设置有多个流通孔，各层所述相变材料挡板上的所述流通孔相连通形成所述换热通道。

作为优选技术方案，所述相变材料挡板沿所述换热储能罐的宽度方向延伸设置。

作为优选技术方案，所述相变材料挡板的长度为所述换热储能罐宽度的85％-95％，所述相变材料挡板的厚度为20mm-40mm。

本发明的第二个目的在于提供一种加热水的方法，换热及加热水的效率高，且可实现载热流体的循环利用，达到节约资源的目的。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种利用上述任一项技术方案所述的相变储能换热***进行加热水的方法，所述加热水的方法包括如下步骤：

S1、电加热锅炉将储水罐内的载热流体加热变为蒸汽并泵送到换热储能罐内；

S2、所述蒸汽自下向上流经换热通道并对相变材料挡板进行加热，直到所述蒸汽降温变为冷凝液体，停止所述电加热锅炉工作，所述冷凝液体自所述换热储能罐的底端开口回流至所述储水罐；

S3、来自集水器的待加热水进入所述换热储能罐内进行加热；

S4、加热后的热水自所述换热储能罐底部流出，并通过分水器通向用户处。

作为优选技术方案，步骤S2中，当所述冷凝液体的温度维持在95℃-99℃并保持30分钟后，停止所述电加热锅炉工作。

作为优选技术方案，所述相变材料挡板采用八水氢氧化钡制备得到，所述载热流体为水。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：

本发明提供的相变储能换热***中，在储热阶段，电加热锅炉将储水罐中的载热流体加热成高温蒸汽并泵送到换热储能罐底部，蒸汽自下向上流经换热通道对各层相变材料挡板进行加热，当蒸汽到达换热储能罐顶部被冷凝为液体后，再自上向下从换热储能罐的底端开口回流到储水罐中，待下次储热时，储水罐中的载热流体可再次进入电加热锅炉进行加热，以此往复循环利用；在放热阶段，集水器将待加热的水从换热储能罐的顶部输送至换热储能罐中，待加热水自上向下流动与储热后的相变材料进行换热，热水自换热储能罐底端流出并通过分水器被输送到用户处。本发明结构简单，换热效果好，换热效率高，且载热流体能够循环利用，节约了资源。

本发明提供的利用相变储能换热***进行加热水的方法，换热及加热水的效率高，储能效率高，且换热后冷凝液体能够循环利用，节约了资源。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的相变储能换热***的结构示意图。

图中：

1-换热储能罐；2-相变材料挡板；3-储水罐；4-电加热锅炉；5-集水器；6-分水器；7-喷淋器；8-第一阀门；9-第二阀门。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供了一种相变储能换热***，包括换热储能罐1、储水罐3、电加热锅炉4、集水器5和分水器6，储水罐3的进口和分水器6均与换热储能罐1的底部相连通，储水罐3的出口与电加热锅炉4的入口相连通，电加热锅炉4的出口与换热储能罐1的下端相连通，集水器5与换热储能罐1的顶端相连通，换热储能罐1内沿高度方向间隔设置有多层相变材料挡板2，且相变材料挡板2上设置有换热通道。

本实施方式提供的相变储能换热***中，储水罐3用于储存载热流体，在储热阶段，电加热锅炉4将储水罐3中的载热流体加热成高温蒸汽并泵送到换热储能罐1底部，蒸汽自下向上流经换热通道对各层相变材料挡板2进行加热，当蒸汽到达换热储能罐1顶部被冷凝为液体后，再自上向下从换热储能罐1的底端开口回流到储水罐3中，待下次储热时，储水罐3中的载热流体可再次进入电加热锅炉4进行加热，以此往复循环利用；在放热阶段，集水器5将待加热的水从换热储能罐1的顶部输送至换热储能罐1中，待加热水自上向下流动与储热后的相变材料挡板2进行换热，热水自换热储能罐1底端流出并通过分水器6被输送到用户处。在放热时，载热流体全部储存在储水罐3中。本发明结构简单，换热效果好，换热效率高，且载热流体能够循环利用，节约了资源。

具体而言，换热储能罐1的底部中心处设置有第一开口，第一开口处连接有三通接头，三通接头的主接头与第一开口连通，一个分接头与分水器6通过第一阀门8连通，另一个分接头与储水罐3通过第二阀门9连通。换热储能罐1的下端侧壁上设置有第二开口，第二开口与电加热锅炉4的出口连通。换热储能罐1的顶部设置有第三开口，第三开口与集水器5连通。可选地，电加热锅炉4可以设置为一台或多台，当根据实际需求需要设置多台电加热锅炉4时，多台电加热锅炉4串联组成电加热锅炉组，以满足更大的储能需求。电加热锅炉组中各电加热锅炉4的参数根据储热量大小来设定。

更进一步地，为了使待加热水更加均匀的流向相变材料挡板2，换热储能罐1的上端设置有喷淋器7，集水器5与喷淋器7连通，来自集水器5的待加热水通过喷淋器7进入换热储能罐1并均匀播撒，自上而下经过各层相变材料挡板2并换热升温，到达换热储能罐1底部后通过分水器6进入用户处。

为了使得蒸汽能够与相变材料挡板2进行充分换热以及相变材料挡板2内部的热量能够充分被待加热水吸收，多层相变材料挡板2在竖直方向上逐层交错设置，并均与换热储能罐1的内壁之间留有缺口，形成换热通道。该结构可有效延长换热通道的长度，提高换热效率，使热量交换更充分。更优地，相变材料挡板2上设置有多个流通孔，可进一步提高换热效率和储热量。

在另一实施方式中，相变材料挡板2的两端可以均与换热储能罐1的内壁接触，在相变材料挡板2上设置有多个流通孔，各层相变材料挡板2上的流通孔相连通形成换热通道。该种结构的换热通道长度较短，因此，本实施方式优选相变材料挡板2交错设置的技术方案。

在本实施方式中，为使待加热水的加热效果最好，相变材料挡板2沿换热储能罐1的宽度方向延伸设置。该结构下，待加热水流经相变材料挡板2的时间最久，加热最充分。具体地，相变材料挡板2的长度为换热储能罐1宽度的85％-95％。可选地，相变材料挡板2的长度可以为换热储能罐1宽度的85％，90％或者95％。本实施例中相变材料挡板2的长度设置为换热储能罐1宽度的90％，相变材料挡板2与换热储能罐1内壁之间留有的换热通道供蒸汽和待加热水流过。当然，每一层相变材料挡板2的长度可根据储能量自行设计，此处不做具体限制。相变材料挡板2的厚度为20mm-40mm，可选地，相变材料挡板2的厚度可以为20mm、30mm或者40mm。本实施例中相变材料挡板2的厚度设置为30mm，当然，相变材料挡板2的厚度可以根据储能量自行设计，以使相变材料挡板2能与蒸汽充分换热且能对待加热水充分加热为宜。

本实施方式还提供了一种利用上述相变储能换热***进行加热水的方法，以实现在夜间使用谷电储能，在峰电时段放热供暖。该方法具体包括以下步骤：

S1、电加热锅炉4将储水罐3内的载热流体加热变为蒸汽并泵送到换热储能罐1内；

S2、蒸汽自下向上流经换热通道并对相变材料挡板2进行加热，蒸汽降温变为冷凝液体回流到换热储能罐1的底部，继续被电加热锅炉4加热，形成加热-蒸发-换热-冷凝-回流-加热的循环过程，直到冷凝液体的温度维持在95℃-99℃并保持30分钟，证明储热完成，此时可以停止电加热锅炉4工作，冷凝液体自换热储能罐1的底端开口回流至储水罐3；

S3、来自集水器5的待加热水进入换热储能罐1内进行加热；

S4、加热后的热水自换热储能罐1底部流出，并通过分水器6通向用户处进行供暖。

在上述步骤中，S1和S2为储热阶段，S3和S4为放热供暖阶段。储热阶段结束后直接通待加热水进行供暖。在放热时，载热流体全部储存在储液罐中，待下次储热时，载热流体再次进入电加热锅炉4进行加热。如此，可实现载热流体的循环利用，节约了资源。

进一步地，本实施方式中的相变材料挡板2采用八水氢氧化钡制备得到。具体地，八水氢氧化钡的储能温度为78℃，相变焓为280kJ/kg，可以满足对供暖热水加热的需求。载热流体的沸点应高于待加热水要进行加热的温度，本实施例中，载热流体为水，与相变材料挡板2换热后储存在相变材料挡板2内的热量能够满足对供暖水的加热。当用热负荷在某时段增大而储能放热负荷无法满足供热需求时，可通过电加热锅炉4直接加热冷凝后的冷水，热水直接流向分水器6，供用户使用。

本实施方式提供的利用相变储能换热***进行加热水的方法，利用电加热锅炉4将低温的水加热蒸发并泵送到换热储能罐1内，与相变材料挡板2进行热交换。本方法中使用液体蒸发后冷凝进行加热的方式加热相变材料挡板2进行储能，这种方法比传统的使用显热材料载热剂加热相变材料的方式热效率更高，因为蒸汽冷凝的相变焓大，100度常压水蒸汽的冷凝放出的热量为2258.4kJ/kg，相当于比热4kJ/kg/C的载热流体降温500度左右。且水蒸汽冷凝放热过程中，温度保持恒定，有利于加热同样是加热融化过程中温度不变的相变材料，相变材料的储能效率显著提高。本发明的加热水的方法换热及加热水的效率高，且换热后冷凝液体(即冷凝的载热流体)能够循环利用，节约了资源。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种相变储能换热***，其特征在于，包括换热储能罐(1)、储水罐(3)、电加热锅炉(4)、集水器(5)和分水器(6)，所述储水罐(3)的进口和所述分水器(6)均与所述换热储能罐(1)的底部相连通，所述储水罐(3)的出口与所述电加热锅炉(4)的入口相连通，所述电加热锅炉(4)的出口与所述换热储能罐(1)的下端相连通，所述集水器(5)与所述换热储能罐(1)的顶部相连通，所述换热储能罐(1)内沿高度方向间隔设置有多层相变材料挡板(2)，所述相变材料挡板(2)上设置有换热通道。

2.根据权利要求1所述的相变储能换热***，其特征在于，还包括喷淋器(7)，所述喷淋器(7)设置在所述换热储能罐(1)的上端，所述喷淋器(7)与所述集水器(5)连通。

3.根据权利要求1所述的相变储能换热***，其特征在于，多层所述相变材料挡板(2)在竖直方向上逐层交错设置，并均与所述换热储能罐(1)的内壁之间形成所述换热通道。

4.根据权利要求1所述的相变储能换热***，其特征在于，所述相变材料挡板(2)上设置有多个流通孔，各层所述相变材料挡板(2)上的所述流通孔相连通形成所述换热通道。

5.根据权利要求1所述的相变储能换热***，其特征在于，所述相变材料挡板(2)沿所述换热储能罐(1)的宽度方向延伸设置。

6.根据权利要求1所述的相变储能换热***，其特征在于，所述相变材料挡板(2)的长度为所述换热储能罐(1)宽度的85％-95％，所述相变材料挡板(2)的厚度为20mm-40mm。

7.一种利用如权利要求1-6任一项所述的相变储能换热***进行加热水的方法，其特征在于，所述加热水的方法包括如下步骤：

S1、电加热锅炉(4)将储水罐(3)内的载热流体加热变为蒸汽并泵送到换热储能罐(1)内；

S2、所述蒸汽自下向上流经换热通道并对相变材料挡板(2)进行加热，直到所述蒸汽降温变为冷凝液体，停止所述电加热锅炉(4)工作，所述冷凝液体自所述换热储能罐(1)的底端开口回流至所述储水罐(3)；

S3、来自集水器(5)的待加热水进入所述换热储能罐(1)内进行加热；

S4、加热后的热水自所述换热储能罐(1)底部流出，并通过分水器(6)通向用户处。

8.根据权利要求7所述的加热水的方法，其特征在于，步骤S2中，当所述冷凝液体的温度维持在95℃-99℃并保持30分钟后，停止所述电加热锅炉(4)工作。

9.根据权利要求7所述的加热水的方法，其特征在于，所述相变材料挡板(2)采用八水氢氧化钡制备得到，所述载热流体为水。