一種新型智能移動(dòng)相變蓄熱供熱方法

文_寧玉琴 孫少鵬 田鑫 王光培 蔣文

1.華電電力科學(xué)研究院有限公司 2.杭州華電能源工程有限公司

針對(duì)大量工業(yè)余熱、廢熱浪費(fèi)、能源利用效率低下等問題，蓄熱技術(shù)逐漸成為社會(huì)研究的熱點(diǎn)，移動(dòng)蓄熱技術(shù)是在蓄熱基礎(chǔ)上又一次突破。移動(dòng)蓄熱技術(shù)能將間斷、分散、不穩(wěn)定的熱能有效儲(chǔ)存并應(yīng)用，有效解決能源雙重浪費(fèi)問題。利用移動(dòng)蓄熱技術(shù)可以緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度、地點(diǎn)上的不協(xié)調(diào)，有效對(duì)余熱進(jìn)行回收、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移和利用，從而達(dá)到節(jié)能減排、提高能源綜合利用效率的目標(biāo)。

1 移動(dòng)相變蓄熱供熱技術(shù)研究現(xiàn)狀

移動(dòng)蓄熱技術(shù)的核心是蓄熱系統(tǒng)，包括相變材料、蓄熱元件等。而蓄熱相變材料的選取尤為關(guān)鍵，其性能直接決定蓄熱系統(tǒng)的蓄熱性能。良好的蓄熱材料具備以下條件：使用溫度合適、蓄熱密度大；熱導(dǎo)率高；充熱/放熱過程可逆；良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性；安全環(huán)保；成本低等。

本文研發(fā)的移動(dòng)蓄熱供熱設(shè)備主要針對(duì)工業(yè)中余熱回收的低溫蒸汽進(jìn)行研究開發(fā)，選擇蓄熱材料的相變溫度區(qū)間70～100℃，相變潛熱＞220kJ/kg，相變材料在150℃時(shí)不發(fā)生過熱、揮發(fā)現(xiàn)象。而這種中低溫相變材料主要以石蠟、水合鹽、脂肪酸和醇類為主，在80～100℃溫度區(qū)間僅有以下幾種常用的相變材料，見表1。

從表1中可以看出，目前可供選擇的相變材料有相當(dāng)大的局限性，而相變材料的性能直接影響移動(dòng)蓄熱裝置的效率，這制約著移動(dòng)蓄熱技術(shù)的發(fā)展。此外，低溫蓄熱技術(shù)在國內(nèi)被關(guān)注和研究的時(shí)間較短，已有的移動(dòng)蓄熱技術(shù)沒有更多的技積累和借鑒，在產(chǎn)品創(chuàng)新、材料開發(fā)等方面依舊沒有實(shí)質(zhì)的進(jìn)展。

表1 幾種相變材料的各性能參數(shù)表

2 新型智能移動(dòng)相變蓄熱供熱方法研究

2.1 智能移動(dòng)蓄熱供熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

智能移動(dòng)蓄熱供熱系統(tǒng)如圖1所示，蒸汽移動(dòng)蓄熱供熱裝置蓄熱時(shí)，蒸汽通過蒸汽進(jìn)口管進(jìn)入蒸汽換熱管組，通過管壁對(duì)管外的水和相變蓄熱組件加熱。相變蓄熱材料的溫度逐漸升高，在未達(dá)到相變溫度點(diǎn)之前，相變材料吸收儲(chǔ)存顯熱；當(dāng)達(dá)到相變溫度點(diǎn)時(shí)，相變蓄熱材料開始發(fā)生相變；相變材料發(fā)生物態(tài)變化，同時(shí)吸收熱量。此時(shí)相變蓄熱材料儲(chǔ)存潛熱，溫度超過相變溫度點(diǎn)時(shí)，相變蓄熱材料繼續(xù)吸熱儲(chǔ)存顯熱；當(dāng)相變蓄熱材料測(cè)溫儀顯示全部蓄熱材料達(dá)到相變溫度或超過一定溫度時(shí)，溫度信號(hào)反饋回終端控制器，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，蓄熱過程結(jié)束。蒸汽經(jīng)相變材料吸熱后變成冷凝水和蒸汽的汽水混合物，經(jīng)汽水混合物出口管引出。

完成蓄熱的移動(dòng)蓄熱供熱裝置前往熱用戶處，為其提供熱水供應(yīng)及供暖服務(wù)。蒸汽移動(dòng)蓄熱供熱設(shè)備放熱供熱時(shí)，常溫冷水進(jìn)入冷水進(jìn)口管，通過冷水管路進(jìn)入蓄熱裝置，流經(jīng)已完成蓄熱的相變蓄熱組件，熱量由相變蓄熱材料通過熱傳導(dǎo)傳遞到蓄熱袋袋壁，將裝置內(nèi)的生活用水加熱供熱用戶使用。通過反饋溫度、壓力、流量等信號(hào)，對(duì)整個(gè)蓄熱供熱過程進(jìn)行控制，保證了蓄熱裝置的安全、高效運(yùn)行。

2.2 低溫相變蓄熱材料選擇

本裝置汽源溫度165℃、壓力0.65MPa；進(jìn)口冷水溫度15℃，出口熱水溫度為55℃，考慮足夠的換熱溫差，選擇蓄熱材料的相變溫度區(qū)間在70～100℃之間，相變潛熱＞220kJ/kg，相變材料在150℃時(shí)不發(fā)生過熱、揮發(fā)現(xiàn)象。因此選擇相變材料溫度區(qū)間70～100℃的KAlSO4.12H2O（十二水硫酸鋁鉀），其參數(shù)見表2。

表2 相變材料KAlSO4.12H2O熱物性參數(shù)

2.3 整體傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置方式

智能移動(dòng)相變蓄熱供熱裝置包含牽引車和相變蓄熱箱體兩個(gè)主體部分。相變蓄熱箱體固定安裝于牽引車上，在相變蓄熱箱體內(nèi)從上至下依次設(shè)置有蒸汽通道、冷水通道、相變蓄熱組件、冷凝液通道和熱水通道，利用飽和蒸汽作為熱源，采用光管作為換熱元件。光管和相變蓄熱組件浸沒在水中，通過水實(shí)現(xiàn)光管內(nèi)蒸汽和箱體內(nèi)相變蓄熱材料的熱傳遞。

2.4 相變蓄熱組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布置方式

相變蓄熱組件由左中右3個(gè)相變蓄熱元件模塊組成，單個(gè)相變蓄熱模塊包含若干列蓄熱單元，每列蓄熱單元通過卡槽固定在蓄熱單元框架上。相變蓄熱材料以蓄熱袋的形式通過夾子固定在蓄熱單元框架上。

2.5 蒸汽管排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒸汽管組結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3，共設(shè)計(jì)2組蛇形蒸汽管排，穿插在相變蓄熱元件模塊之間。每組管排由3根3回程蛇形管并聯(lián)組成。蓄熱時(shí)，蒸汽從上至下通過蛇形管內(nèi)將熱量傳遞給管外的水。

表3 蒸汽管排結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.5 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用智能控制，設(shè)計(jì)了冷水溫度測(cè)點(diǎn)、熱水溫度測(cè)點(diǎn)、生活用水流量測(cè)點(diǎn)、進(jìn)口蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)、出口汽水混合物溫度測(cè)點(diǎn)、進(jìn)口蒸汽流量測(cè)點(diǎn)、蓄熱材料溫度測(cè)點(diǎn)；在蒸汽進(jìn)出口管道、冷水管道、熱水管道均布置了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并在冷水主管道和熱水主管道之間設(shè)計(jì)了熱水調(diào)溫旁路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門組；各測(cè)點(diǎn)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥將信號(hào)反饋到終端控制器。

智能控制系統(tǒng)一方面監(jiān)測(cè)蓄熱材料溫度，當(dāng)相變蓄熱材料測(cè)溫儀顯示全部蓄熱材料達(dá)到相變溫度或超過一定溫度時(shí)，溫度信號(hào)反饋回終端控制器，關(guān)閉蒸汽進(jìn)口管的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，蓄熱過程結(jié)束；另一方面通過監(jiān)測(cè)熱水溫度，當(dāng)溫度超過熱用戶所要求時(shí)，溫度信號(hào)反饋回終端控制器，分別調(diào)節(jié)冷水進(jìn)口管、熱水出口管和熱水調(diào)溫旁路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，最終使熱水出口管出來的熱水溫度滿足用戶要求，由熱水出口管上的管道泵輸送至熱用戶處，當(dāng)熱水出口管出來的溫度低于熱用戶要求時(shí)，終端控制器關(guān)閉冷水進(jìn)口管、熱水出口管和熱水調(diào)溫旁路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，結(jié)束放熱和供熱過程。

2.6 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能分析

本文設(shè)計(jì)的智能移動(dòng)蓄熱裝置系統(tǒng)性能參數(shù)如表4，通過智能移動(dòng)相變蓄熱供熱裝置，可以回收利用城市間斷的、分散的余熱、廢熱，通過蓄熱裝置內(nèi)高效安全的相變材料和蓄熱元件進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，使用蓄熱車進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，到達(dá)熱用戶，以生活熱水的形式釋放蓄熱熱能完成余熱、廢熱利用，具有一定的實(shí)用性。

表4 智能移動(dòng)蓄熱供熱系統(tǒng)性能參數(shù)

3 結(jié)語

本文提出的智能移動(dòng)相變蓄熱供熱方法利用蓄熱裝置內(nèi)高效安全的蓄熱元件進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，再將蓄熱裝置運(yùn)送至熱用戶，實(shí)現(xiàn)了城市間斷的、分散的余熱、廢熱的回收利用。