一种用于余热回收的实验装置及方法

1.本发明涉及一种用于余热回收的实验装置及方法，属于能源处理实验设备技术领域。


背景技术：

2.我国工业余热资源丰富，能源利用潜力巨大，回收利用工业余热是节能减排工作的重中之重。根据余热资源在利用过程中能量转换的特点，工业余热利用技术可分为热功转换技术、热交换技术和余热制热制冷技术三种。
3.但由于工业余热、废热存在着间歇性、能级跨度大、分散性等特点，难以集中稳定供应，现有的工业余热利用技术仍然不能合理使用这些不稳定能源，难以对热能供应和需求上在时间和空间上进行较好的匹配。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于余热回收的实验装置及方法，该回收装置和方法能够对热能供应和需求在时间和空间上进行较好的匹配，使间歇性、分散性的能源得以合理利用。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种用于余热回收的实验装置，包括蓄热系统、放热系统和电控箱；
6.所述的蓄热系统包括恒温水箱、温度计一、球阀一、流量计一、水泵一、换热器和温度计二；恒温水箱出水口与球阀一一端连通，球阀一另一端连通水泵一，水泵一另一端与换热器进水端连通，换热器出水端的支路一与恒温水箱回水口连通；温度计一设置于恒温水箱出水口至球阀一之间的管路上，温度计二设置于换热器至恒温水箱回水口之间的管路上；流量计一设置于球阀一和水泵一之间的管路上；恒温水箱和水泵一均与电控箱连接；
7.所述的放热系统包括球阀二、流量计二、温度计三、散热器、温度计四和水泵二；球阀二的一端与换热器出水端的支路二连通，球阀二另一端与散热器进水端连通，散热器出水端与水泵二一端连通，水泵二另一端与换热器进水端连通；流量计二设置于球阀二与散热器之间的管路上；温度计三设置于球阀二与散热器之间的管路上，温度计四设置于散热器与水泵二之间的管路上；水泵二与电控箱连接。
8.进一步地，换热器出水端与恒温水箱之间的支路一上还设置有排气阀。
9.进一步地，所述换热器为呈w形的套管式换热器，其包括内管和外管，内管外壁和外管内壁之间的腔体内填充相变材料，所述相变材料为20％的62石蜡与8o％硬脂酸的混合物和石墨按照17:3的重量比例制备而成。
10.进一步地，所述内管为直径*壁厚为ф89*2的304不锈钢管，外管为直径*壁厚为ф168*3的304不锈钢管；外管上还设有透明观察口。
11.进一步地，在恒温水箱和球阀一之间设有过滤器一；在球阀二与换热器出水端之间的支路二上设有过滤器二。
12.进一步地，所述换热器和管路外部均包裹橡塑保温棉。
13.一种用于余热回收的实验方法，包括如下步骤：
14.1)蓄热：
15.①
对蓄热系统和放热系统进行注水，直至蓄热系统和放热系统都处于满水状态；打开电控箱总开关；
16.②
打开恒温水箱加热开关对恒温水箱中的水进行加热，直至达到实验设定的高于相变材料的温度后，关闭加热开关；
17.③
依次打开球阀一、流量计一和水泵一的开关，使恒温水箱内的热水进入换热器的内管，热水对内管和外管之间填充的相变材料进行加热，相变材料吸热熔化并进行蓄热，通过观察口观察相变材料的熔化过程，直至相变材料全部熔化，关闭水泵一、流量计一和球阀一；在此过程中对电控箱、流量计一和温度计一上显示的数据每隔两分钟记录一次；
18.2)放热：
19.①
打开球阀二、流量计二和水泵二的开关，使换热器中的热水进入散热器的环路中循环流动放热；
20.②
经散热器放热后的回水经水泵二进入换热器，水温低于相变材料的相变温度，相变材料凝固放热用于加热回水，回水升温后进入散热器进行散热，如此循环，通过观察口观察相变材料的凝固过程，直至相变材料完全凝固完成放热过程，关闭水泵二、流量计二、球阀二和电控箱开关；换热器中的部分回水回流至恒温水箱；在此过程中，对电控箱、流量计二、温度计二和温度计三上显示的数据每隔两分钟记录一次。
21.本发明通过蓄热系统和放热系统一体化的设置，蓄热系统中以换热器作为连接放热系统的关键部件，在换热器内管和外管之间的腔体内填充包含以石墨作为添加剂的相变材料，提高了复合相变材料的导热系数，储能密度更高、更节能，强化了系统的换热效率，利于热能供应和需求在时间和空间上进行较好的匹配，本发明为间歇性、分散性的能源如何进行合理利用提供了研究的理论基础。
附图说明
22.图1是本发明的结构示意图；
23.图2是换热器的结构示意图。
24.图中：1、电控箱，2、恒温水箱，3、温度计一，4、球阀一，5、流量计一，6、水泵一，7、换热器，8、温度计二，9、支路一，10、球阀二，11、流量计二，12、温度计三，13、散热器，14、温度计四，15、水泵二，16、支路二，17、内管，18、外管，19、过滤器一，20、过滤器二。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明作进一步说明。
26.如图1和图2所示，一种用于余热回收的实验装置，包括蓄热系统、放热系统和电控箱1；
27.所述的蓄热系统包括恒温水箱2、温度计一3、球阀一4、流量计一5、水泵一6、换热器7和温度计二8；恒温水箱2出水口与球阀一4一端连通，球阀一4另一端连通水泵一6，水泵一6另一端与换热器7进水端连通，换热器7出水端的支路一9与恒温水箱2回水口连通；温度
计一3设置于恒温水箱2出水口至球阀一4之间的管路上，温度计二8设置于换热器7至恒温水箱2回水口之间的管路上；流量计一5设置于球阀一4和水泵一6之间的管路上；恒温水箱2和水泵一6均与电控箱连接；
28.所述的放热系统包括球阀二10、流量计二11、温度计三12、散热器13、温度计四14和水泵二15；球阀二10的一端与换热器7出水端的支路二16连通，球阀二10另一端与散热器13进水端连通，散热器13出水端与水泵二15一端连通，水泵二15另一端与换热器7进水端连通；流量计二11设置于球阀二10与散热器13之间的管路上；温度计三12设置于球阀二10与散热器13之间的管路上，温度计四14设置于散热器13与水泵二15之间的管路上；水泵二15与电控箱连接。
29.为了保证回水能够顺利回流至恒温水箱2，换热器7出水端与恒温水箱2之间的支路一9上还设置有排气阀。
30.优选地，所述换热器7为呈w形的套管式换热器，其包括内管17和外管18，内管外壁和外管内壁之间的腔体内填充相变材料，所述相变材料为20％的62石蜡与8o％硬脂酸的混合物和石墨按照17:3的重量比例制备而成。
31.优选地，所述内管17为直径*壁厚为ф89*2的304不锈钢管，外管18为直径*壁厚为ф168*3的304不锈钢管；外管18上还设有透明观察口。
32.为保证进入换热器7和散热器13的水无杂质，在恒温水箱2和球阀一4之间设有过滤器一19；在球阀二10与换热器7出水端之间的支路二16上设有过滤器二20。
33.为减小热量损失，所述换热器7和管路外部均包裹橡塑保温棉。
34.一种用于余热回收的实验方法，包括如下步骤：
35.1)蓄热：
36.①
对蓄热系统和放热系统进行注水，直至蓄热系统和放热系统都处于满水状态；打开电控箱1总开关；
37.②
打开恒温水箱2加热开关对恒温水箱2中的水进行加热，直至达到实验设定的高于相变材料的温度后，关闭加热开关；
38.③
依次打开球阀一4、流量计一5和水泵一6的开关，使恒温水箱2内的热水进入换热器7的内管，热水对内管和外管之间填充的相变材料进行加热，相变材料吸热熔化并进行蓄热，通过观察口观察相变材料的熔化过程，直至相变材料全部熔化，关闭水泵一6、流量计一5和球阀一4；在此过程中对电控箱1、流量计一5和温度计一3上显示的数据每隔两分钟记录一次；
39.2)放热：
40.①
打开球阀二10、流量计二11和水泵二15的开关，使换热器7中的热水进入散热器13的环路中循环流动放热；
41.②
经散热器13放热后的回水经水泵二15进入换热器7，水温低于相变材料的相变温度，相变材料凝固放热用于加热回水，回水升温后进入散热器13进行散热，如此循环，通过观察口观察相变材料的凝固过程，直至相变材料完全凝固完成放热过程，关闭水泵二15、流量计二11、球阀二10和电控箱1开关；换热器7中的部分回水回流至恒温水箱2；在此过程中，对电控箱1、流量计二11、温度计二8和温度计三12上显示的数据每隔两分钟记录一次。
42.实施例
43.蓄热：温度计一3测得从恒温水箱2出水口至球阀一4之间的管路内的热水温度为70℃，流量计一5测得流量为100kg/h时，需要320min换热器7内的相变材料完全熔化，完成蓄热；
44.放热：换热器7内的热水经球阀二10流入散热器13，温度计三12和温度计四14分别测得散热器13进、出口处的平均温差约为7℃；
45.整个蓄热、放热过程的平均换热量为601w。
46.蓄热：温度计一3测得从恒温水箱2出水口至球阀一4之间的管路内的热水温度为75℃，流量计一5测得流量为100kg/h(最大流量)时，需要250min换热器7内的相变材料完全熔化，完成蓄热；
47.放热：换热器7内的热水经球阀二10流入散热器13，温度计三12和温度计四14分别测得散热器13进、出口处的平均温差约为6.8℃；
48.整个蓄热、放热过程的平均换热量为772w。
49.蓄热：温度计一3测得从恒温水箱2出水口至球阀一4之间的管路内的热水温度为80℃，流量计一5测得流量为100kg/h(最大流量)时，需要190min换热器7内的相变材料完全熔化，完成蓄热；
50.放热：换热器7内的热水经球阀二10流入散热器13，温度计三12和温度计四14分别测得散热器13进、出口处的平均温差约为6.1℃；
51.整个蓄热、放热过程的平均换热量为830w。
52.通过以上实验数据的记录可以发现：蓄热过程中，恒温水箱出口水温越高，蓄热时间越短,放热工况下散热器进出口温差越小，平均换热量越大。