一种适用于多温工况的相变储热装置及储热方法

技术领域

本发明属于相变储热领域，涉及一种适用于多温工况的相变储热装置及储热方法。

背景技术

储热可以解决热量在供给侧和需求侧不匹配的问题。将其应用于供热系统中，可以解决一网、二网水力平衡问题，提高供热质量；同时，可耦合太阳能供热系统，解决可再生能源波动、不稳定的特性，实现可再生能源的高效利用。总之，储热是一项有着巨大应用前景的技术。

储热根据储热材料的不同可以分为三类：显热储热，相变储热和热化学储热。目前显热储热应用最为广泛，技术最为成熟，但是储热密度最低，不利于长远发展。热化学储热的储热密度最高，但是机理最为复杂，目前的研究仅仅处于实验室阶段，短期内无法大规模应用。相变储热储热密度高，且其温度在储释热过程中几乎保持恒定，利于进行温控，是一种极具潜力的储热技术；且目前已广泛开展了针对相变储热的研究，大规模工程应用指日可待。

由于相变储热是基于材料的相变过程进行储释热，其适宜的工作温度即为材料的相变点温度；如若一个相变储热系统选取特定的相变材料，其适用的工作温度区间较小，限制了其他温度工况的应用，不利于大规模开展。例如，当一个完成设计的相变储热装置流入一个非设计工况的流体，其无法实现功效的最大化；同时为了匹配该温度的流体，实际应用时还需要重新设计一个新的储热装置，耗时耗力。

发明内容

为了克服上述现有技术中，相变储热装置只能选取特定相变材料而无法实现功效最大化的缺点，本发明的目的在于提供一种适用于多温工况的相变储热装置及储热方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种适用于多温工况的相变储热装置，包括换热流体管道和储热罐，换热流体管道贯穿储热罐连接，储热罐由若干个相变盒组成，若干个相变盒沿换热流体管道的方向均匀分布，相变盒之间设有隔板，每个相变盒内填充有不同的相变材料；

换热流体管道由下至上，相变盒内填充的相变材料的相变点依次减小；

相变盒的底部安装有伸缩组件，伸缩组件电连接有控制器；

换热流体管道连接有温度传感器，温度传感器与控制器电连接。

优选地，伸缩组件包括伸缩杆和驱动电机，伸缩杆一端固定在换热流体管道的侧壁上，另一端与驱动电机连接；

驱动电机安装在封闭箱的底部外侧端，驱动电机与控制器电连接。

优选地，相变盒的尺寸相同。

相变盒沿中轴线均分为轴对称的两部分，相变盒沿中轴线的中心开设有凹孔，凹孔的半径大于等于换热流体管道的半径。

优选地，相变盒为球形，沿直径均分为三部分盒体，三部分盒体贴近换热流体管道的一侧均开设有弧形通孔；

三部分盒体的尺寸相同，弧形通孔的弯曲角度为120°。

优选地，相变盒至少设有三个。

优选地，相变材料包括脂肪酸、石蜡、糖醇或熔融盐。

优选地，相变盒的材质为不锈钢板。

优选地，相变盒的外侧设有保温层。

优选地，保温层的材料为聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料。

一种适用于多温工况的相变储热方法，包括：

获取换热流体管道的实时温度数据；

基于预设的温度阈值和工况，获取相变顺序及相变次数；

基于相变顺序和相变次数，在换热流体管道的外侧壁包裹不同的相变材料，沿换热流体管道内热流体的流通方向相变材料的相变点依次降低。

优选地，相变材料的外侧还包裹有保温层。

优选地，相变材料包括脂肪酸、石蜡、糖醇或熔融盐；

保温层的材料为聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种适用于多温工况的相变储热装置，在储热罐中，相变材料依据相变温度从高到低，由下至上依次排布；采用了多种相变材料，依据串联相变材料的特性可实现宽温域的相变储热，同时可强化相变储释热过程。其具体的原理为：对于储热过程，换热流体在流动方向上逐渐变低，换热温差和换热量也会降低；如果在流动方向上布置多种相变材料，可使得其在适应宽温域换热流体的同时，在相变过程中每一段相变材料和换热流体之间可保持近乎恒定的温差，从而强化换热。释热过程和储热过程的换热流体流向相反，原理一致。对于储热/释冷过程，换热流体由下至上流动；对于释热/储冷过程，换热流体由上至下流动。该装置中，换热流体在流动方向上温度降低或升高，可以在每段换热区内形成阶梯式的换热温差，从而在实现强化储释热过程的同时，实现相变储热技术宽温域的应用。

优选地，换热流体管道置于中心，

优选地，储热罐外围包裹了保温层。

本发明还公开了一种适用于多温工况的相变储热方法，是基于上述装置完成的，获取换热流体管道的实时温度数据；基于预设的温度阈值和工况，获取相变顺序及相变次数；基于相变顺序和相变次数，在换热流体管道的外侧壁包裹不同的相变材料，沿换热流体管道内热流体的流通方向相变材料的相变点依次降低。即本发明的储热方法是基于串联相变储热技术，实现一个相变储热装置的宽温域应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的具体连接示意图；

其中：1-储热罐；2-换热流体管道；3-保温层；4-相变盒；5-控制器；6-驱动电机；7-伸缩杆。

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，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

参见图1，包括换热流体管道2和储热罐1，换热流体管道2贯穿储热罐1连接，储热罐1由若干个相变盒4组成，若干个相变盒4沿换热流体管道2的方向均匀分布，相变盒4之间设有隔板，每个相变盒4内填充有不同的相变材料；换热流体管道2由下至上，相变盒4内填充的相变材料的相变点依次减小；相变盒4的底部安装有伸缩组件，伸缩组件电连接有控制器5；换热流体管道2连接有温度传感器，温度传感器与控制器5电连接。相变盒4为长方体型，相变盒4沿中轴线均分为轴对称的两部分，相变盒4沿中轴线的中心开设有凹孔，凹孔的半径大于等于换热流体管道2的半径。

相变盒4设有3个，此时，相变盒4中填充的相变材料由下至上依次为相变点依次增加的相变材料，材料类型根据实际工况确定。例如，石蜡RT70、石蜡RT50和石蜡RT30。

实施例2

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

伸缩组件包括伸缩杆7和驱动电机6，伸缩杆7一端固定在换热流体管道2的侧壁上，另一端与驱动电机6连接；驱动电机6安装在封闭箱5的底部外侧端，驱动电机6与控制器7电连接。

相变盒4为球形，沿直径均分为三部分盒体，三部分盒体贴近换热流体管道2的一侧均开设有弧形通孔；三部分盒体的尺寸相同，弧形通孔的弯曲角度为120°。

实施例3

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

相变盒4为球形，相变盒4沿中轴线均分为轴对称的两部分，相变盒4沿中轴线的中心开设有凹孔，凹孔的半径大于等于换热流体管道2的半径。相变盒4的外侧设有保温层。相变盒4设有3个，此时，相变盒4中填充的相变材料由下至上依次为相变点依次增加的相变材料，材料类型根据实际工况确定。例如，脂肪酸、石蜡、糖醇。

实施例4

除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。

相变盒4设有4个，每个相变盒4内的材料依次为脂肪酸、石蜡、糖醇和熔融盐，相变盒4的外侧设有保温层3。

需要说明的是，上述实施例中所用的相变盒4的材质为不锈钢板。相变材料包括脂肪酸、石蜡、糖醇或熔融盐。保温层3为聚苯乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料。

实施例5

一种适用于多温工况的相变储热方法，包括：

获取换热流体管道的实时温度数据；

基于预设的温度阈值和工况，获取相变顺序及相变次数；

基于相变顺序和相变次数，在换热流体管道的外侧壁包裹不同的相变材料，沿换热流体管道内热流体的流通方向相变材料的相变点依次降低。

实施例6

在实际应用时，在储热过程中，换热流体自下而上依次流入换热流体管道2，流经储热罐1时，换热流体放热，温度降低，当相变盒4内的相变材料的相变点沿流动方向减低时，换热流体和相变材料可形成阶梯式的换热温差；在释热过程中，换热流体自上而下流入换热流体管道2，流经储热罐1时，温度增加，换热流体和相变材料可形成阶梯式的换热温差。

综上所述，在储热罐中，对于储热过程，换热流体在流动方向上逐渐变低，换热温差和换热量也会降低；如果在流动方向上布置多种相变材料，可使得其在适应宽温域换热流体的同时，在相变过程中每一段相变材料和换热流体之间可保持近乎恒定的温差，从而强化换热。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。