一种利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统

摘要

本发明公开了一种利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统，包括蓄热容器及使水在蓄热容器中循环的水循环系统，所述蓄热容器上部装有石蜡相变材料，所述蓄热容器下部装有水，所述蓄热容器中间设有换热器；所述蓄热容器内部设有水分布器喷头，所述水循环系统中设有水循环泵、与所述蓄热容器下部连接的循环水入口及与所述蓄热容器上部连接的循环水出口。本发明所述系统为了提高石蜡相变蓄热系统换热效率，解决由于液态石蜡相变材料导热系数低和粘度大所带来换热效率低的问题，同时也可减少中低温石蜡相变蓄热系统中的换热器的复杂程度，降低换热器的制造成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中低温石蜡相变蓄热的换热的系统，尤其是一种利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统。

背景技术

能源是现代社会赖以生存和发展的基础，能源互联网作为推动我国能源革命的重要战略支撑，对适应可再生能源规模化发展、提升能源开发利用效率、推动能源市场开放和产业升级、提升能源国际合作水平等具有重要意义。

发展以分布式和可再生能源互联互通为本质的能源互联网将是大势所趋，而储能技术正好为能源互联网提供了一种行之有效的实施手段。储能在需求响应、辅助服务、售电侧等环节都将有广阔的应用前景。能源互联网在现有的配电网基础上，通过先进的电力、电子和信息技术，融合了大量分布式可再生能源发电装置和分布式储能装置，从而实现能量和信息流互联互通，降低成本。储能系统应用于传统能源系统中可以改变能源的生产、输送、使用同步完成的模式，将解决产能和用能在时间上和空间上不匹配的问题。在储能技术商业化应用方面，有关相变蓄热材料与系统的研发正在成为其中不可忽视的分支。

由于常用的石蜡相变材料低廉易得，密度约0.9g/cm³，相变焓约150～270KJ/Kg，位体积蓄能密度较高，被运用于中低温(30～80℃)相变蓄热领域中。但在无机械扰动情况下，由于液态石蜡相变材料的粘度较高，单纯自然对流换热效率比较低，严重影响了蓄热的效率，使蓄热时间过长；同时由于固态石蜡相变材料的导热系数较低，石蜡相变材料在固态时，容易粘附在换热器上，导致换热热阻大大提高，影响了释热效率，降低了用户端热的品位。

目前大量工作的思路是增大换热面积，完善蓄热容器换热均匀性，如采用波纹管，增加翅片或肋板等。如专利CN204901909U公开的一种室内相变蓄热供暖系统，相变蓄热器采用的内环肋式翅片换热管，强化蓄热过程的热量传递。但是单纯增大换热面积，提高蓄热容器换热均匀性势必要增加蓄热容器复杂性，提高制造成本，也减少相变蓄热材料的装填量。

有一部分思路是通过加入高导热的材料，如石墨、金属纤维、泡沫金属等增加固体相变材料的导热系数，以此降低换热热阻，提高换热效率。专利CN1927985公开添加导电高分子材料和超细铝粉来提高了石蜡基材的导热系数，结合翅片管式管壳换热器提高换热效率；专利CN106284830A则石蜡复合泡沫铝来增强集装箱屋的相变材料储热与放热功能，同时防止石蜡材料熔融后泄露。但是引入高导热材料会因材料密度与相变材料密度的差异，而导致分相，特别是经过多次蓄释热循环，换热效率将大大下降。

还有一部分思路是通过把石蜡基材进行微胶囊化，从而有效地解决石蜡相变材料的换热效率低的问题。如专利CN101982231A公开了聚芳酰胺核壳石蜡相变微胶囊的制备方法，产物微胶囊之间无粘连，成单分散状态；专利CN102127395A公开了一种石蜡相变储能材料及其制备方法，以石蜡为芯村，高密度聚乙烯为支撑材料，采用熔融法制备微胶囊相变材料，然后采用薄膜包衣技术制备出毫米级胶囊相变材料。虽然以石蜡为基材微胶囊相变材料可以很好的解决蓄释热效率，但是其制备工艺比较复杂，不易控制，且生产成本较高，影响该类材料的大规模应用。

通过机械扰动强化传热比较常规的方法，但是固-液相变蓄热材料的相变特点，使传统的搅拌器搅拌强化传热方式难于实现，如专利CN103913087A公开的一种减少相分离的无机相变蓄热装置，采用搅拌器搅拌减少无机相变材料的相分离，同时提高传热效率，但是在材料固态需蓄热时，搅拌器将无法运作。因此有必要对传统石蜡相变蓄热的强化换热方式进行进一步改进。

发明内容

基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：包括蓄热容器及使水在蓄热容器中循环的水循环系统，所述蓄热容器上部装有石蜡相变材料，所述蓄热容器下部装有水，所述蓄热容器中间设有换热器；所述蓄热容器内部设有水分布器喷头，所述水循环系统中设有水循环泵、与所述蓄热容器下部连接的循环水入口及与所述蓄热容器上部连接的循环水出口。

本发明所述系统的工作过程为：水从水循环入口进入水循环系统，经过水循环泵加压输送到水循环出口，通过水分布器喷头再进入蓄热容器，由于水的密度比液态中低温石蜡相变材料高，可自动从蓄热容器顶部，通过液态中低温石蜡层到达蓄热容器底部，并分相，然后通过水循环入口再进入水循环系统。

采用本发明所述系统，可以提高蓄热换热效率，同时减少蓄热容器和换热装置的设计复杂程度。在蓄热时，石蜡相变材料由固体转变为液体，但是该液体的粘度较大，导热系数较低，同时处于静止无扰动状态下，粘稠的液体自然对流换热系数较低，所以换热效率也较低，加入水循环扰动，提高对流换热系数，换热效率提高，也就是蓄热效率提高；在释热时，石蜡相变材料很容易在换热器表面粘附，这直接导致热阻提高，特别在在静止无扰动的情况下，释热热流速度大大减小，换热效率大大下降。本发明利用水的导热系数(0.599W/m·K，20℃)比石蜡(约0.2W/m·K)高，与石蜡不相容，分相，且在中低温(低于120℃)下与石蜡不发生化学反应的性质，而设计通过循环泵把蓄热容器底部的水吸到蓄热容器顶部，喷入蓄热容器中，由于水的密度比石蜡高，水滴下降蓄热容器底部，水与石蜡分相，通过过滤网进行把固态石蜡与水分离，把容器底部的水用泵重新吸到蓄热容器顶部，从而实现水在蓄热容器中的循环。在水滴从蓄热容器顶部下降到蓄热容器底部过程中起着扰动石蜡液相的作用，从而提高液相石蜡与换热器的换热效率，同时也可以减少固态石蜡在换热器的附着，减少换热热阻，提高释热的品位。由于扰动系统与换热器里的热媒是隔离的，避免了石蜡相变材料对加热锅炉和用热末端设备的影响，提高蓄热系统的使用寿命。

优选地，水循环系统与换热器同时运作。

优选地，所述石蜡相变材料的相变温度为30～80℃。上述相变温度的石蜡相变材料，与水不发生化学反应，表现为化学惰性，密度比水小，且在中低温下(低于120℃)与水不相容，混合后容易产生分层，浮于水相之上。

本发明蓄热容器中的水，起着两个作用：(1)通过水循环，加速液态石蜡相变材料流动，提高换热效率；(2)减少石蜡相变材料在换热器上的附着，降低换热热阻。

优选地，所述蓄热容器下部设有过滤网，所述蓄热容器下部设有过滤网，所述过滤网设于水相与液相石蜡界面的下方，所述过滤网设于所述水相中的上方。所述过滤网可以使水与固态中低温石蜡相变材料进行分离，防止水循环系统的堵塞。

优选地，所述水循环系统中循环水入口设于过滤网的下方，所述循环系统中循环水出口设于蓄热容器上部。

优选地，所述水分布器喷头设于所述蓄热容器的上部，所述水分布器喷头与所述循环水出口相连。水分布器喷头可以使水均匀地分布在蓄热容器各处，使蓄热容器内部的液态中低温石蜡相变材料得到均匀地扰动。

优选地，所述换热器为盘管式换热器、翅片管式换热器中的一种。

优选地，所述换热器通过管道与外部加热锅炉或用热末端连接。热媒可以是水或油。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

1、可减少中低温石蜡相变蓄热系统中的换热器的复杂程度，降低换热器的制造成本；

2、加入水循环扰动，解决了静态下由于液态石蜡相变材料导热系数低和粘度大所带来换热效率低的问题；

3、该方法操作简便，利于大规模石蜡相变蓄热应用。

此外，本发明基于能源高效利用和环保，节能减排大导向，面向新型节能技术运用的行业需求，以中低温高密度的蓄热工程为最终目标。在满足居民采暖，农业大棚保温，工业中低温干燥等用途，实现对能源进行有效的时间分配，从而实现电力“削峰填谷”，有效地利用电能，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明所述利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统的一种结构图；

图2为本发明所述利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统的一种结构图；

其中，1、换热器；2、石蜡相变材料；3、水流分布器喷头；4、循环水出口；5、蓄热容器；6、水循环泵；7、水；8、循环水入口；9、过滤网；10、加热锅炉；11、加热器；12、水；13、供热末端；14、补水管；31、32为水泵；41、循环系统阀门；42、43、44、45、46、47、48、49、50为热媒水的阀门。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统的一种实施例，本实施例所述利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统的结构图如图1所示：

包括蓄热容器5及使水在蓄热容器5中循环的水循环系统，蓄热容器5上部装有石蜡相变材料2，蓄热容器5下部装有水7，蓄热容器5中间设有换热器1；水循环系统与换热器1同时运作，换热器1为盘管式换热器、翅片管式换热器中的一种；所述水循环系统中设有水循环泵6、与蓄热容器5下部连接的循环水入口8及与蓄热容器5上部连接的循环水出口4；石蜡相变材料2的相变温度为30～80℃；蓄热容器5下部设有过滤网9，过滤网9设于水相与液相石蜡界面的下方，过滤网9设于所述水相的上方；蓄热容器5内部设有水分布器喷头3，水分布器喷头3设于蓄热容器5的上部，水分布器喷头3与循环水出口4相连；所述水循环系统设有循环系统阀门41；换热器1通过管道与外部加热锅炉10或用热末端13连接(详见附图2)，热媒可以是水或油。

结合附图2，详细说明本发明所述利用水循环强化中低温石蜡相变蓄热的换热的系统的具体工作原理及过程：

(1)当蓄热系统处于蓄热状态时

水循环系统：水循环泵6运作，阀门41开启，水7从水循环入口8进入水循环系统，经过水循环泵6加压输送到水循环出口4，通过水分布器喷头3再进入蓄热容器顶部，由于水7密度比中低温石蜡相变材料大，可自动从蓄热容器5顶部下降到容器底部，分层。通过过滤网9可把水7与固态中低温石蜡相变材料2分离开，然后通过水循环入口4再进入水循环系统；从而达到利用水循环强化石蜡换热的目的。

热媒水循环系统：加热锅炉10中的加热器11运作，对热媒水12进行加热，水泵31运作，加热后的热媒水经过阀门44、43，水泵31，到达蓄热容器6中的换热器1，再经过阀门50、42回到加热锅炉10。

如果单一进行蓄热时，水泵32不运作，阀门45、46、48、49为关闭状态，而阀门44、43、50、42为开启状态；如果蓄热与供热同时进行时，水泵31，32运作，蓄热循环阀门44、43、50、42开启，供热循环中阀门45、48开启，阀门46、49为关闭状态，热媒水从加热锅炉10中经水泵32，阀门45，进入供热末端13，再由阀门48、42回到加热锅炉10中。

(2)当蓄热系统处于放热状态时：

水循环系统与蓄热时运行一致；

热媒水循环系统：水泵31运作，水泵32关闭，热媒水经水泵31加压进入蓄热容器5中的换热器1，再把热输送出去，经过阀门50、49，进入供热末端，把热交换出去后，经过阀门46、43，水泵31，再进入换热器1，阀门42、44、45、48为关闭状态。

(3)当蓄热系统处于保温状态，而加热锅炉处于供热状态时

水循环系统：水相循环泵6不运作，阀门41关闭。

热媒水循环系统：加热锅炉10中的加热器11运作，水泵32开启，热媒水从加热锅炉10经水泵32，阀门45，进入供热末端，把热交换出去后，经阀门48、42回到加热锅炉10，而水泵31不运作，阀门43、44、46、49、50处于关闭状态。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。