相变储能换热系统及加热水的方法与流程

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系统及利用该系统进行加热水的方法。

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最高温度上限，造成材料分解等现象，严重的影响了材料的寿命。使用流体进行相变材料储能，使用的载热流体的显热段，传热总效率受到了传热温差的影响很大。

因此，亟需提供一种相变储能换热系统及利用该系统进行加热水的方法，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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种相变储能换热系统及加热水的方法，以实现高传热效率、载热流体可循环利用、节约资源的目的。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种相变储能换热系统，包括储液罐、热泵、换热罐、集水器和分水器，所述储液罐出口与所述热泵入口连通，所述热泵出口与所述换热罐的下端连通，所述集水器与所述换热罐的顶端连通，所述分水器和所述储液罐进口均与所述换热罐的底端连通，所述换热罐内沿高度方向设置有多层相变材料挡板，且所述相变材料挡板与所述换热罐的内壁间隔设置。

进一步地，所述换热罐的上端设置有喷淋器，所述集水器与所述喷淋器连通。

进一步地，所述换热罐与氮气源连通。

进一步地，所述换热罐与所述分水器连接的管路上还设置有分液器。

进一步地，所述相变材料挡板沿所述换热罐的宽度方向延伸设置。

进一步地，所述相变材料挡板的长度为所述换热罐宽度的85％-95％，所述相变材料挡板的厚度为20-40mm。

进一步地，所述相变材料挡板上开设有多个流通孔。

一种利用上述任一项技术方案所述的相变储能换热系统进行加热水的方法，所述方法的步骤包括：

s1、热泵将储液罐内的载热流体加热变为蒸汽并泵送到换热罐内；

s2、蒸汽自下向上对相变材料挡板进行加热，直到蒸汽降温变为冷凝液体，停止热泵工作，冷凝液体自换热罐的底端开口流回到储液罐；

s3、若载热流体中含有溶于水的有机物，则在换热后要对换热罐进行通氮气清除残留的载热流体或蒸汽；

s4、若载热流体中不含溶于水的有机物，则可以选择步骤s3的方式进行除杂，也可以不进行步骤s3，直接通过集水器向换热罐内通水进行加热；

s5、加热后的液体自换热罐底部流出，若未进行步骤s3，则加热后的液体通过分液器将水和有机液体进行分离，分离后的热水通过分水器通向用户处。

进一步地，步骤s2中，当冷凝液体的温度维持在50-55℃保持30分钟，停止热泵工作。

进一步地，所述相变材料挡板采用甘二烷和膨胀石墨制备得到，所述载热流体为甲酸乙酯或甲酸乙酯与甲醇的混合物。

与现有技术相比，本发明提供的相变储能换热系统，其中储液罐用来储存载热流体，热泵将储液罐内的载热流体加热成蒸汽并泵送到换热罐底部，蒸汽自下向上对相变材料挡板进行加热，当蒸汽被冷凝为液体后，再从换热罐的底端开口流回到储液罐，集水器用于将待加热的水输送到换热罐的顶部，待加热水自上向下流动与储热后的相变材料进行换热，热水自换热罐底端流出通过分水器被输送到用户处。本发明结构简单，换热效果好，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系统进行加热水的方法，其利用热泵将低温的载热流体蒸发并泵送到换热罐内，与相变材料进行热交换，相变材料的储能效率比传统电加热器队相变材料加热获得的储能高很多。若载热流体内含有溶于水的有机物，则在换热完后通氮气将残余的蒸汽或冷凝液体排除干净，再通待加热水，若载热流体内不含溶于水的有机物，则直接通待加热水，如果没有进行通氮气的步骤，则在进入分水器前要经过分离器对热水和有机物进行分离后再将热水通过分水器输送到用户处，保证了用水安全性。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。

附图说明

图1为本发明实施例中的相变储能换热系统的结构示意图一；

图2为本发明实施例中的相变储能换热系统的结构示意图二。

附图标记：1-换热罐；2-相变材料挡板；3-储液罐；4-热泵；5-集水器；6-喷淋器；7-分水器；8-氮气源；9-阀门；10-分液器。

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和图2所示，本实施例提供了一种相变储能换热系统，包括储液罐3、热泵4、换热罐1、集水器5和分水器7，储液罐3的出口与热泵4的泵入口连通，热泵4的泵出口与换热罐1的下端连通，集水器5与换热罐1的顶端连通，分水器7和储液罐3的进口均与换热罐1的底端连通，换热罐1内沿高度方向设置有多层相变材料挡板2，且相变材料挡板2与换热罐1的内壁间隔设置。本实施例中的储液罐3用来储存载热流体，热泵4将储液罐3内的载热流体加热成蒸汽并泵送到换热罐1底部，蒸汽自下向上对相变材料挡板2进行加热，当蒸汽被冷凝为液体后，再从换热罐1的底端开口流回到储液罐3，集水器5用于将待加热的水输送到换热罐1的顶部，待加热水自上向下流动与储热后的相变材料进行换热，热水自换热罐1底端流出通过分水器7被输送到用户处。本实施例结构简单，换热效果好，且载热流体能够循环利用，节约了资源。

其中，换热罐1底部中心处设置有第一开口，第一开口向外连接有三通管路，主管路与第一开口连通，一条分管路与分水器7通过阀门9连通，另一条分管路与储液罐3通过阀门9连通。换热罐1下端侧壁上开设有第二开口，第二开口与热泵4出口连通，换热罐1顶部开设有第三开口，第三开口与集水器5连通。热泵4的设置个数不限于一台，如果工艺需要，也可以设置为多台热泵相串联的热泵组，热泵4的功率各个数根据储热量大小来设定。

进一步地，为了使得待加热水均匀流向相变材料挡板2，换热罐1的上端设置有喷淋器6，集水器5与喷淋器6连通。本实施例中为了保证加热水的纯度，换热罐1与氮气源8连通，如图1所示，用于在载热流体内含有溶于水的有机物时，对换热后的换热罐1进行排气除杂的操作。若加热水的工艺中使用的载热流体内不含溶于水的有机物，则可以通氮气除杂，也可以不设置氮气源8，而在换热罐1与分水器7连接的管路上设置分液器10，如图2所示，通过分液器10将热水与有机物进行分离。

可选地，为使得待加热水的加热效果最好，相变材料挡板2沿换热罐1的宽度方向延伸设置，该种设置方式，水流经相变材料挡板2的时间最久，能够充分被加热。相变材料挡板2的长度为换热罐1宽度的85％-95％，相变材料挡板2的长度可以为换热罐1宽度的85％，90％或者95％，本实施例中相变材料挡板2的长度设置为换热罐1宽度的90％，相变材料挡板2与换热罐1内壁之间留有的间隙能够供蒸汽和水流过，当然具体每一层相变材料挡板2的长度可根据储能量自行设计。相变材料挡板2的厚度为20-40mm，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，当然具体的相变材料挡板2厚度可以根据储能量自行设计，以使相变材料挡板2与蒸汽充分换热且能够对待加热水充分加热为目的。为了使得蒸汽能够与相变材料挡板2内部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，相变材料挡板2上开设有多个流通孔。

本实施例还提供了一种利用上述相变储能换热系统进行加热供暖用水的方法，该方法的步骤具体包括：

s1、热泵4将储液罐3内的载热流体加热变为蒸汽并泵送到换热罐1内；

s2、蒸汽自下向上对相变材料挡板2进行加热，直到蒸汽降温变为冷凝液体，当冷凝液体的温度维持在50-55度保持30分钟，停止热泵4工作，冷凝液体自换热罐1的底端开口流回到储液罐3；

s3、若载热流体中含有溶于水的有机物，则在换热后要对换热罐1进行通氮气清除残留的载热流体或蒸汽；

s4、若载热流体中不含溶于水的有机物，则可以选择步骤s3的方式进行除杂，也可以不进行步骤s3，直接通过集水器5向换热罐1内通水进行加热；

s5、加热后的液体自换热罐1底部流出，若未进行步骤s3，则加热后的液体通过分液器10将水和有机液体进行分离，分离后的热水通过分水器7通向用户处。

进一步地，本实施例的相变材料挡板2采用甘二烷和膨胀石墨制备得到，其中，甘二烷的储能温度为44℃，相变焓为249kj/kg，可以满足对供暖热水加热的需求。载热流体应选择低沸点有机物，以便于进行蒸发，且沸点应高于待加热水要进行加热的温度，本实施例中，载热流体为甲酸乙酯或甲酸乙酯与甲醇的混合物，在选用甲酸乙酯和甲醇的混合物作为载热流体时，甲酸乙酯的质量分数84％，甲醇的质量分数16％，得到的混合物的沸点为51℃，与相变挡板换热后储存在相变材料挡板2内的热量能够充分满足对供暖水的加热。因为本实施例中的载热流体中含有甲醇，甲醇可溶于水，因此，换热罐1的上部与氮气源8连通，如图1所示，在集水器5向换热罐1中通水之前，先通氮气进行排除残余的甲醇和乙酸乙酯。

本方法的步骤s3-s5中，若载热流体内含有溶于水的有机物，则在换热完后通氮气将残余的蒸汽或冷凝液体排除干净，再通待加热水，若载热流体内不含溶于水的有机物，则直接通待加热水，如果没有进行通氮气的步骤，则在进入分水器7前要经过分液器10对热水和有机物进行分离后再将热水通过分水器7输送到用户处，保证了用水安全性。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。

本实施例提供的利用相变储能换热系统进行加热水的方法，其利用热泵4将低温的载热流体蒸发并泵送到换热罐1内，与相变材料进行热交换，本方法中使用了液体蒸发后，冷凝进行加热的方式加热相变材料进行储能，这种方法传热效率更高，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。且气体冷凝放热过程中，温度保持很定，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比传统电加热器对相变材料加热获得的储能高很多，此方法最高的效率是电加热器的3.5倍。

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。