本发明涉及储热换热技术领域，尤其涉及一种受控自然循环的取热方法及装置。
背景技术：
目前常规的供暖系统或供应生活用热水系统的热源为燃烧锅炉，例如燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉等，其他方式的锅炉有太阳能热水器、电热锅炉等。一般燃煤锅炉的运行费用较低，但排放的废气、废料、废水等会对环境造成严重污染；燃油锅炉、燃气锅炉的废气对环境污染较少，但运行费用较高；一般电热锅炉虽对环境无排放、无污染，但电费支出也很高；太阳能是目前最清洁的能源，但由于对太阳光的依赖，其应用的范围有限。
生产生活对电力的需求，在一天当中白天(7：00-23：00)需求大，夜间(23：00-7：00)需求少，国家为了平衡白天和夜间的用电差距，推出了峰谷阶梯电价，鼓励生产生活在夜间用电。以2016年北京商业用电为例，一天当中低谷时段电价为0.36元/度，尖峰时段电价为1.5元/度，二者存在着巨大的价格差距。
因此，有必要提供一种具有储能功能的取热装置，能利用晚间低电价的电能产生出热量并储存起来，白天输出热量用作取暖或他用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种受控自然循环取热的取热方法及与该方法对应的取热装置，该取热装置能够在一天当中的低电价时段将电能产生的热量进行储存，在高电价时段输出热量供生产生活使用。
根据本发明的其中一个方面，提供了一种利用受控自然循环的取热方法，包括：
利用固体储热介质储存热能，并在固体储热介质中非水平布置若干取热管；
使若干取热管的下部管口与存储有液态传热介质的储液容器连通，所述储液容器内的液位高度高于所述取热管的液位高度，储液容器内的液态传热介质由取热管的下部管口进入取热管内；
液态传热介质在取热管中吸收固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质；气态传热介质受热沿所述取热管向上流动；
将由取热管流出的气态传热介质在位于取热管出口处的换热器中液化；液化后的液态传热介质通过重力回流至所述储液容器中，以实现传热介质的循环；
通过调节流入取热管的液态传热介质流量对所述换热器的对外输出参数进行控制。
优选地，在所述气态传热介质由取热管输出之后、在换热器中液化之前，还包括：
对气态传热介质进行饱和处理的步骤。
作为另一优选实施方案，将所述储液容器设置在所述换热器的底部，每根所述取热管或多根取热管连通后经防回流处理后插入到所述储液容器中液态传热介质的液面以下；或者
将所述储液容器设置在所述换热器的底部，若干取热管通过一连通管路连通，所述连通管路经防回流处理后插入到所述储液容器中液态传热介质的液面以下。
进一步优选地，每根所述取热管插入到所述储液容器液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔；或者
在所述连通管路插入到所述储液容器液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔。
更进一步优选地，在所述液态传热介质流入取热管的起始管路处，设置预热装置以减小所述取热管的起始管路与所述液态传热介质之间的温差。
优选地，所述换热器的对外输出参数包括：温度或功率；
当所述温度或功率低于设定值时，增大流入若干取热管的液态传热介质的流量；
当所述温度或功率高于设定值时，减少流入若干取热管的液态传热介质的流量。
优选地，所述将气态传热介质进行饱和处理包括：
使气态传热介质穿过饱和液态传热介质后，再通过能够增大换热面积的金属网、金属纤维或固体颗粒，使过热的气态传热介质变成饱和的气态传热介质。
进一步优选地，在换热器对外输出工质的管路上设置缓冲装置，以降低所述换热器对外输出工质的温度变化幅度。
优选地，所述取热方法包括至少一种如下所述的技术特征：
所述固体储热介质为粒径小于50毫米的固体颗粒，或者所述固体储热介质为土壤或混凝土；
所述固体储热介质储存的热能来源为电能或太阳能。
根据本发明的另一方面，还提供了一种利用受控自然循环的取热装置，包括：
储热罐，内部填充有固体储热介质；
换热器，设置于所述储热罐的上方；
储液箱，其内存储有液态传热介质；
若干取热管，均非水平布置在所述储热罐的固体储热介质中；每根所述取热管的下部管口与所述储液箱连通，所述储液箱内的液位高度高于所述取热管的液位高度；每根所述取热管的出口与所述换热器连接；液态传热介质在取热管中吸收固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质；气态传热介质受热沿所述取热管向上流动，并在所述换热器中液化；
控制阀，设置在连接所述储液箱与所述取热管的管路上，阀门由所述换热器的对外输出参数控制。
进一步优选地，在所述换热器的底部还设置有对所述气态传热介质进行饱和处理的饱和器。
其中，所述饱和器包括饱和液态传热介质和金属网或者金属纤维或固体颗粒。
作为另一优选方案，所述储液箱设置于所述换热器的下部；
每根所述取热管通过防回流装置插入到所述饱和器或储液容器中液态传热介质的液面以下；或者
将若干取热管与一连通管路连通，所述连通管路通过防回流装置插入到所述饱和器或储液容器中液态传热介质的液面以下。
进一步优选地，每根所述取热管插入到所述液态传热介质液面以下的那部分管体上开有若干通孔；或者
在所述连通管路插入到所述液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔。
优选地，每根所述取热管还包括预热装置，所述预热装置设置在取热管的下部管口内。
优选地，所述预热装置为金属内管、金属纤维或金属片；
所述金属内管插入所述取热管内，所述金属内管的底端与所述取热管的底端处于同一平面，金属内管的顶端与所述取热管的底端距离设定长度；
金属纤维或金属片放置在取热管的下部管口处。
进一步地，所述取热装置还包括缓冲装置，其设置在所述换热器对外输出工质的管路上，以降低所述换热器对外输出工质的温度变化幅度。
优选地，所述储热罐包括用于加热所述储热介质的若干根与外部电源电连接的加热棒；或者
所述储热罐包括用于加热所述储热介质的若干根能够传递利用太阳能产生的热量的加热管。
优选地，取热装置的外形尺寸与标准集装箱的相同或标准集装箱的尺寸为取热装置外形包装尺寸的整数倍。
本实施例通过在电价低谷的时段，利用电能储存热能，在电价高峰时段，不再使用电能，而是通过将存储的热能输出以满足热能的需求，具有节省电能，绿色环保的优点，同时本实施例中的受控自然循环的取热装置，依靠自然循环，无动力驱动，与当前市场上采用风扇和空气换热器来实现主动循环方式的蓄热储能锅炉相比，本申请中的取热装置可靠性更高，寿命更长，运行费用较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请中利用受控自然循环的取热方法的原理图；
图2为根据一优选实施例示出的取热管延伸至储热介质之外的结构示意图；
图3为根据一优选实施例示出的受控自然循环的取热装置；
图4为图2所示受控自然循环的取热装置的正视图；
图5为将储液箱设置在换热器底部的结构示意图；
图6为根据一优选实施例示出的改进后的取热管的结构示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，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，都属于本发明保护的范围。
国家制定了一天当中不同时段不同价格的电价机制，发明人意识到，可以将较低电价时段的电能转化成热能，并存储到储热介质中；在较高电价时段，将热能释放出来，供生产生活使用，不但成本低，且利于环境保护。
为实现上述目的，本申请提供了一种利用受控自然循环的取热方法及利用该方法的取热装置。
图1为本申请中利用受控自然循环的取热方法的原理图。如图1所示，取热方法包括：
利用固体储热介质101储存热能，并在固体储热介质101中非水平布置若干取热管102。
本申请中采用固体储热介质进行储热，而不选用液态储热介质储热，其原因在于，液态介质虽然不会对储热装置内布置的管道产生应力的问题，但是高温下液态介质容易重现相变汽化，出现高温高压的现象，这就对壳体的密封性能及抗压性能具有较高要求，从而提高储热装置的成本。在本申请中的实施方式中，固体储热介质可为土壤或混凝土。但考虑到固体储热介质在升温过程中，会存在受热膨胀的现象，容易对储热介质中的取热管和设置在储热介质外侧的壳体产生较大的应力，有导致破坏取热管道和壳体的可能。因此作为更优选的实施例，本申请的固体储热介质优选粒径小于50毫米的固体颗粒，例如石英砂、河砂、建筑废料、铜矿砂或铁矿砂。
固体颗粒由于颗粒之间空隙较大，与液体介质不同的时，固体颗粒受热膨胀后能够产生较大变形但却释放变形量较少的应力，故固体颗粒能够适应较高的温差变化。本申请优选固体颗粒作为储热介质的本质原因是因为从高温到低温的反复变化中，固定颗粒能够适应温差所带来的反复伸缩变化，避免设置在储热介质外侧的壳体受疲劳应力而易破坏。
其中，本申请中固体储热介质储存的热能来源为电能或太阳能。当热源类型采用电能时，则通过利用峰谷电进行合理分配，即在电价低谷时段，通过电加热装置将电能转化为热能，固体储热介质将热能进行存储；在电价较高的时段，将热能进行释放。当热源类型采用太阳能时，可将固体储热介质与能够将太阳能产生的热量进行传递的加热管进行匹配，从而使固体储热介质将太阳能产生的热量进行存储。
在固体储热介质和热源确定后，使若干取热管的下部管口与存储有液态传热介质的储液容器103连通。其中，储液容器103内的液位高度高于取热管的液位高度，储液容器内的液态传热介质由取热管的下部管口进入取热管内。液态传热介质在取热管中吸收固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质；气态传热介质受热沿取热管向上流动。
将由取热管流出的气态传热介质在位于取热管出口处的换热器104中液化；液化后的液态传热介质通过重力回流至储液容器中，以实现传热介质的循环。
由于气态传热介质受高温储热介质传热后，易形成过热的气态传热介质。为使进入换热器之前过热的气态传热介质转变为饱和气，以更有利于与换热器换热，进一步优选地，在气态传热介质由取热管输出之后、在换热器中液化之前，还包括对气态传热介质通过饱和器105进行饱和处理的步骤。
优选地，将气态传热介质进行饱和处理包括：使气态传热介质穿过饱和液态传热介质后，再通过能够增大换热面积的金属网、金属纤维或固体颗粒，进而使过热的气态传热介质变成饱和的气态传热介质。由于过热的气态传热介质到饱和气的过程，换热效率较低，需要大量换热面积。使用金属网或金属纤维等材料可使得过热气态传热介质与金属网或金属纤维表面充分接触，且网状结构保证了大量的换热面积。
作为另一种对气态传热介质进行饱和处理的优选实施方式，还可将储液容器设置在所述换热器的底部，即将换热器的中下部即为存储液态传热介质的储液容器，此时储液容器作为饱和器对由取热管输出的气态传热介质进行饱和处理。其中，
每根取热管或多根取热管连通后经防回流处理后插入到储液容器中液态传热介质的液面以下；或者若干取热管通过一连通管路连通，连通管路经防回流处理后插入到储液容器中液态传热介质的液面以下。图2为根据一优选实施例示出的取热管延伸至储热介质之外的结构示意图。如图2所示，每根或多根取热管，或者若干取热管汇集成一根的连通管路，其防回流处理均可采用管路高出储液容器中液态传热介质的液面然后管路的出口端弯折后插入液态传热介质的液面以下。需要说明的是，本实施例对每根取热管、多根取热管或若干取热管汇集成一根的连通管路的防回流处理方式不做具体限定，凡是能够起到防回流作用的实现方式均落入本发明的保护范围。
进一步优选地，在储液容器作为饱和器时，每根取热管插入到液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔109；或者在若干取热管汇集成一根的连通管路插入到液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔。优选地，每根取热管或若干取热管汇集成一根的连通管路中插入到液态传热介质液面以下的那部分管体，平铺在换热器的底部，此布置有利于气态传热介质能够充分进入换热器的底部并由每个通孔均匀地向上流动并与液态传热介质进行充分换热，以实现由过热的气态传热介质转变为饱和气。
经过饱和处理的气态传热介质在换热器内与换热器内布置的换热管106进行换热。换热器内的换热管将热量输出，供生产生活使用。在本申请中的实施例中，换热器的对外输出参数包括温度或功率。
随着液态传热介质进入取热管内，取热管内液位上升，储液容器内液位略降低。由于液位差减少导致进入取热管内的流量降低，即产生的蒸汽量减少，而换热器内用于冷凝的蒸汽量亦减少，与之相对应地，换热器内气压降低，饱和温度降低，进而导致换热器对外输出的功率或对外输出的工质温度降低。此时增大进入取热管的流量则可以保证换热器功率恢复到设定值或高于设定值，若出现高于换热器对外输出的功率或温度，则减少进入取热管的流量。以上动态调节过程，可以保证换热器对外输出的功率或温度围绕一动态设定值波动。
由以上可知，通过控制阀107调节流入取热管的液态传热介质流量对换热器的对外输出参数进行控制。具体包括：当温度或功率低于设定值时，增大流入若干取热管的液态传热介质的流量；当温度或功率高于设定值时，减少流入若干取热管的液态传热介质的流量。当换热器的对外输出停止时，控制液态传热介质不再流入取热管内。
进一步优选地，在换热器对外输出工质的管路上设置缓冲装置108，以降低换热器对外输出工质的温度变化幅度。
下面对取热过程中储热介质的状态进行阐述：取热过程中取热管内的工质不断被沸腾转换为蒸汽带走储热介质的能量，使得固体颗粒的温度逐渐降低，由于储热介质温度的降低使得沸腾所需管面积不断增大，这使得取热管内的液位不断上升。当液位上升到取热管最高处仍然无法满足产生足够的蒸汽量，则取热过程结束。此时储热介质温度恢复到加热前的温度，需要重新利用热源进行热量补充。
需要说明的是，本申请中储热过程和取热过程可以同时进行。其实现的条件即为：在取热的终点只要保证储液容器的液位与取热管内的液位差仍然足以提供循环所需的压力即可。
由于液态传热介质在进入取热管之前的温度较低，在取热管的下部管口，液态传热介质刚刚流入取热管时，会使取热管的的下部管口温度骤降，由此引起该处管体的热应力增大，从而导致取热管的下部管口易产生疲劳、破裂等现象。因此，优选地，在液态传热介质流入取热管下部管口处，设置预热装置以减小取热管的下部管路与液态传热介质之间的温差，避免取热管下部管口易出现破裂等情况，延长取热管的使用寿命。
图3为根据一优选实施例示出的受控自然循环的取热装置；图4为图3所示受控自然循环的取热装置的正视图。如图3和图4所示，受控自然循环的取热装置包括支撑架1和固定于支撑架1上的储热罐2；储热罐2的下方设有连通器3，设置于储热罐2的上方的换热器4。在储热罐2的一侧设有存储液态传热介质的储液箱8。储液箱8内的液态传热介质包括但不限于纯净水。
储热罐内存储固体储热介质7，储热罐2内还包括非水平布置于固体储热介质中的若干根取热管5，作为优选实施方式，若干取热管5竖直布置在储热罐内。每根取热管的下部管口通过连通器3与储液箱连通，储液箱内的液位高度高于取热管的液位高度。每根取热管的出口与换热器连接。作为优选实施方案，本实施例中的固体储热介质优选粒径小于50毫米的固体颗粒，例如石英砂、河砂、建筑废料、铜矿砂或铁矿砂。需要说明的是，本实施例中采用粒径小于50毫米的固体颗粒只是示例性的，并非用于限定固体储热介质的种类。
储热罐2内用于对固体储热介质加热的热源为与外部电源电连接的若干根加热棒6，作为优选实施方式，加热棒6在储热罐2内竖直设置。当热源类型采用上述电热棒产生的电能时，则通过利用峰谷电进行合理分配，即在电价低谷时段，通过电加热装置将电能转化为热能，固体储热介质将热能进行存储；在电价较高的时段，将热能进行释放。需要说明的是，本申请中固体储热介质储存的热能来源不限于电能，还可为太阳能或其他能源。当热源类型采用太阳能时，可将固体储热介质与能够传递太阳能产生的热量的加热管进行匹配，从而使固体储热介质将太阳能产生的热量进行存储。
在连接储液箱8与连通器3的管路9上设有控制阀10。
随着液态传热介质进入取热管5内，取热管内液位上升，储液罐8内液位略降低。由于液位差减少导致进入取热管内的流量降低，即产生的蒸汽量减少，而换热器4内用于冷凝的蒸汽量亦减少，与之相对应地，换热器内气压降低，饱和温度降低，进而导致换热器对外输出的功率或对外输出的工质温度降低。此时增大进入取热管的流量则可以保证换热器功率恢复到设定值或高于设定值，若出现高于换热器对外输出的功率或温度，则减少进入取热管的流量。通知控制10调节进入取热管的液态传热介质流量，可使换热器对外输出的功率或温度围绕一动态设定值波动。
通过控制阀10调节流入取热管的液态传热介质流量对换热器的对外输出参数进行控制。具体包括：当温度或功率低于设定值时，增大流入若干取热管的液态传热介质的流量；当温度或功率高于设定值时，减少流入若干取热管的液态传热介质的流量。当换热器的对外输出停止时，控制阀10关闭，使液态传热介质不再流入取热管内。
取热过程中取热管内的工质不断被沸腾转换为蒸汽带走储热介质的能量，使得固体颗粒的温度逐渐降低，由于储热介质温度的降低使得沸腾所需管面积不断增大，这使得取热管内的液位不断上升。当液位上升到取热管最高处仍然无法满足产生足够的蒸汽量，则取热过程结束。此时储热介质温度恢复到加热前的温度，需要重新利用热源进行热量补充。
由以上方案可知，本实施例提供的受控自然循环的取热装置，在电价低谷的时段，能通过加热棒6消耗电能，加热填充在储热罐2内的储热介质7；在电价较高的时段，调节控制阀10，储液箱8内的液态传热介质由于储液箱8与取热管之间的液位差而产生的压力流经连通器3后进入取热管5，在取热管5内吸收来自储热介质7的热量而气化；气化的液态传热介质向上流动并进入换热器4，换热器4内的换热管41吸收热量，并将热量带走；气态传热介质经液化后形成的液态传热介质，再回流到储液箱8以循环利用。
本实施例通过在电价低谷的时段，利用电能储存热能，在电价高峰时段，不再使用电能，而是通过将存储的热能输出以满足热能的需求，具有节省电能，绿色环保的优点，同时本实施例中的受控自然循环的取热装置，依靠自然循环，无动力驱动，与当前市场上采用风扇和空气换热器来实现主动循环方式的蓄热储能锅炉相比，本申请中的取热装置可靠性更高，寿命更长，运行费用较低。
作为其中一种优选方式，本实施例中的控制阀10优选采用自力式温度流量调节阀，在换热器对外输出管路上设置温度测点用来感知对外输出管路上的温度，当温度相比设定温度较低时增加流量，当温度较设定温度或功率较高时降低流量。在换热器对外输出停止时，控制阀10关闭。需要说明的是，控制阀10采用自力式温度流量调节阀只是示例性的，本申请不对控制阀的种类及监控的参数不做具体限定。
由于气态传热介质受高温储热介质传热后，易形成过热的气态传热介质。为使进入换热器之前的过热的气态传热介质转变为饱和气，以更有利于与换热器换热，进一步优选地，本实施例中的受控自然循环的取热装置还包括饱和器。
优选地，将饱和器设置在换热器的内部，其中饱和器包括：液态传热介质和能够增大换热面积的金属网、金属纤维或固体颗粒。由于过热的气态传热介质到饱和气的过程，换热效率较低，需要大量换热面积。使用金属网或金属纤维等材料可使得过热气态传热介质与金属网或金属纤维表面充分接触，且网状结构保证了大量的换热面积。
作为另一优选实施方式，还可将储液箱设置在换热器的底部，如图5所示，即将换热器的中下部做为存储液态传热介质的储液容器，此时储液容器作为饱和器对由取热管输出的气态传热介质进行饱和处理。其中，
每根取热管或多根取热管连通后经防回流装置后插入到储液容器中液态传热介质的液面以下；或者若干取热管通过一连通管路连通，连通管路经防回流装置后插入到储液容器中液态传热介质的液面以下。作为其中一种优选方案，每根或多根取热管，或者若干取热管汇集成一根的连通管路，其防回流装置均可采用弯形管，如图1所示，弯形管的管路高出液态传热介质的液面然后管路的出口端弯折后插入液态传热介质的液面以下。
在储液容器作为饱和器时，每根取热管插入到液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔，如图2所示。或者在若干取热管汇集成一根的连通管路插入到液态传热介质液面以下的那部分管体上，开有若干通孔。优选地，每根取热管或若干取热管汇集成一根的连通管路中插入到液态传热介质液面以下的那部分管体，平铺在换热器的底部，此布置有利于气态传热介质能够充分进入换热器的底部并由每个通孔均匀地向上流动并与液态传热介质进行充分换热，以实现由过热的气态传热介质转变为饱和气。
由于液态传热介质在进入取热管之前的温度较低，在取热管的下部管口，液态传热介质刚刚流入取热管时，会使取热管的的下部管口温度骤降，由此引起该处管体的热应力增大，从而导致取热管的下部管口易产生疲劳、破裂等现象。因此，优选地，在液态传热介质流入取热管下部管口处，设置预热装置以减小取热管的下部管路与液态传热介质之间的温差，避免取热管下部管口易出现破裂等情况，延长取热管的使用寿命。
图6为根据一优选实施例示出的改进后的取热管的结构示意图。如图6所示，取热管5的下部管口内设有预热装置51。预热装置为金属内管、金属纤维或金属片。当预热装置为金属内管时，金属内管插入取热管内，金属内管的底端与取热管的底端处于同一平面，金属内管的顶端与取热管的底端距离设定长度。当预热装置为金属纤维或金属片时，金属纤维或金属片设置在取热管的下部管口处即可。
图6所示结构的取热管5，能够使温差产生的应力主要由预热装置51来承担，进而使取热管的寿命得以延长。
进一步优选地，储热罐2的底部设置为倒圆台形或倒六面体形。在倒圆台形或倒六面体形的底部部分，不设置储热介质，用以使此处温度低于储热罐2内储热工质7的温度，这也进一步缓解了取热管5在储热罐中管体的换热温差，以进一步降低取热管的热应力提高取热管的使用寿命。需要说明的是，储热罐2底部采用的形状包括但不限于倒圆台形或倒六面体形。
本申请中的换热器4，其内可设置一种换热管路，亦可同时设置生活用水换热管路和供暖用水换热管路两种换热管路。
在换热器的对外输出工质的管路上布置缓冲罐，以降低换热器对外输出工质的温度变化幅度。如缓冲罐可以起到稳定供热热水的温度，或者换热器的换热功率，虽然换热器的换热功率可以实现自动调节，但是收到响应速度的限制，可能出现换热器对外输出工质的周期性波动，而缓冲罐的存在则降低了波动的幅度。
作为其中一种优选实施方式，本实施例中取热装置的支撑架1的外形尺寸与标准集装箱的相同或标准集装箱的尺寸为支撑架外形包装尺寸的整数倍。需要说明的是，本申请中的取热装置还可不包括支撑架，当取热装置不包括支撑架时，取热装置的外形尺寸与标准集装箱的相同或标准集装箱的尺寸为取热装置外形包装尺寸的整数倍。
根据以上实施例的结构特点可知，本实施例通过在电价低谷的时段，利用电能储存热能，在电价高峰时段，不再使用电能，而是通过将存储的热能输出以满足热能的需求，具有节省电能，绿色环保的优点，同时本实施例中的受控自然循环的取热装置，依靠自然循环，无动力驱动，与当前市场上采用风扇和空气换热器来实现主动循环方式的蓄热储能锅炉相比，本申请中的取热装置可靠性更高，寿命更长，运行费用较低。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。