一種動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統與方法與流程
2023-05-20 17:29:36
本發明屬於能量存儲與利用以及主動調控技術領域，特別是一種基於動力驅動兩相環路的主動式蓄能釋能系統。
背景技術：
提高能源利用率以及保護環境已經成為當今社會需要解決的重要課題。能源梯度利用是目前提高能源利用率、保護環境的重要舉措之一，在現有分布式能源系統以及工業等領域餘熱回收中，由於用戶負荷變化導致系統能源利用不匹配以及系統全工況運行性能差等問題，蓄能釋能技術是解決能源利用與用戶負荷變化互補匹配的有效方式。而提高蓄能系統蓄釋能運行效率，降低系統運行成本，提高能源利用率，對我國節能減排事業具有重要意義，也是增強主動式蓄能釋能系統應用領域的必然要求。
蓄能釋能技術目前已經廣泛應用到空調系統、太陽能熱水器、溫室大棚等領域。而這些技術多是以蓄熱材料與冷熱源直接換熱、以水等為工質的顯熱熱傳輸以及熱管等技術完成能源的蓄熱和釋熱過程。蓄熱材料與冷熱源直接換熱，該技術針對能源源頭與用戶在空間上具有一定的限制；以水等為工質的顯熱熱傳輸，是目前比較成熟的蓄熱釋熱傳輸方式，由於以顯然換熱為特徵的熱傳輸過程效率較低，為滿足熱傳輸能力往往需要工質流量較大導致系統功耗較高，並且換熱過程中不能實現等溫換熱，導致相變材料在蓄能器中不能均勻的凝固和融化，影響蓄能量和蓄能效率；熱管是最有效的傳熱技術之一，但受動力形式的影響，是一種被動的傳熱過程，對於遠距離以及複雜管網輸送仍存在困難，在能源調控方面缺乏主動性。因此，研發具有結構簡單、運行可靠、蓄能釋能效率高、能耗水平低等特徵的主動調控式蓄能釋能系統是改善功能、餘熱利用的可靠性、安全性和經濟性的重要技術途徑。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有技術中存在的問題，提供一種適用於分布式能源系統以及工業餘熱回收等領域的一種動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統與方法，使其在冬季可直接用於用戶供暖，在夏季為吸附式制冷機組提供穩定的熱源；該系統不僅可以滿足全工況條件下釋能與蓄能互補的主動調控，同時相比傳統顯熱熱傳輸循環，動力驅動兩相環路既能提高換熱效率，而且可以降低系統功耗。
本發明的技術方案如下：
一種動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統，其特徵在於：所述系統包括源側換熱器、蓄能器、用戶側換熱器、儲液器、動力裝置和多個閥門；蓄能器內含有蓄能介質和蓄能換熱器；所述源側換熱器、蓄能換熱器、用戶側換熱器、儲液器和動力裝置通過連接管路和相應的閥門構成一個密閉的環路空間，其內部充注液態低沸點流體工質；所述源側換熱器出口通過管路與第一閥門入口接通，第一閥門出口通過管路分別與第二閥門的入口和第三閥門的入口相接；第二閥門出口與蓄能換熱器的入口接通，蓄能換熱器的出口分別與第五閥門和第六閥門的入口相接；第三閥門出口與用戶側換熱器的入口連接，用戶側換熱器的出口通過第四閥門分別與第五閥門和儲液器的入口連接；儲液器的出口通過動力裝置和第七閥門與源側換熱器的入口連接；第六閥門的出口與第七閥門的入口連接。
上述技術方案中，所述的源側換熱器和用戶側換熱器由兩臺或兩臺以上並聯而成。
優選的，所述蓄能材料為石蠟、十水硫酸鈉或鉍鉛錫鎘類低熔點合金的一種，也可以是上述蓄能材料與碳納米管或與納米銅的混合物。
本發明的上述技術方案中，所述的動力裝置採用屏蔽泵、磁力泵或電磁驅動泵中的任一種。優選地，所述低沸點流體工質為二氟甲烷化合物。
本發明提供的一種動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統的運行方法，其特徵在於該方法包括以下五種運行模式：
1)源側直接供熱模式：關閉第二閥門、第五閥門和第六閥門，打開第一閥門、第三閥門、第四閥門和第七閥門，使所述的源側換熱器、用戶側換熱器、儲液器和動力裝置通過管路和所述閥門構成一個循環迴路；儲液器內的液態低沸點工質通過動力裝置的輸運作用，經過第七閥門進入源側換熱器，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，依次經過第一閥門和第三閥門進入用戶側換熱器，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量給用戶，並冷凝為液態工質，經過第四閥門回流至儲液器，完成整個循環；
2)源側蓄能模式：關閉第三閥門、第四閥門和第六閥門，打開第一閥門、第二閥門、第五閥門和第七閥門，使所述的源側換熱器、蓄能器、儲液器和動力裝置通過管路和所述閥門形成一個封閉的循環迴路；儲液器內的液態低沸點工質通過動力裝置的輸運作用，經過第七閥門進入源側換熱器，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，依次經過第一閥門和第二閥門進入蓄能換熱器，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量傳遞給蓄能器內的蓄能材料，並冷凝為液態工質，經過第五閥門回流至儲液器；
3)源側直接供熱+源側蓄能模式：關閉第六閥門，打開第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門、第五閥門和第七閥門，構成源側直接供熱和源側蓄能兩個循環迴路；儲液器內的液態低沸點工質通過動力裝置的輸運作用，經過第七閥門進入源側換熱器，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，經過第一閥門後部分氣態或兩相態流體工質進入第二閥門運行源側蓄能模式，另一部分流體工質進入第三閥門運行源側直接供熱模式，從而實現同時運行源側直接供熱和源側蓄能兩種模式；
4)蓄能器供熱模式：關閉第一閥門、第五閥門和第七閥門，打開第二閥門、第三閥門、第四閥門和第六閥門，使儲液器、動力裝置、蓄能器和用戶側換熱器通過管路和所述的閥門構成一個循環迴路；儲液器內的液態低沸點工質通過動力裝置的輸運作用，經過第六閥門進入蓄能換熱器，吸收蓄能器內的蓄能材料儲存的潛熱熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，依次經過第二閥門和第三閥門進入用戶側換熱器，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量給用戶，並冷凝為液態工質，經過第四閥門回流至儲液器；
5)源側直接供熱+蓄能器供熱模式：關閉第五閥門，打開第一閥門、第二閥門、第三閥門、第四閥門、第六閥門和第七閥門，構成源側直接供熱和蓄能器供熱兩個循環迴路；儲液器內的液態低沸點工質通過動力裝置的輸運作用，部分工質經過第七閥門進入源側換熱器運行源側直接供熱模式，另一部分工質經過第六閥門進入蓄能換熱器運行蓄能器供熱模式，從而實現同時運行源側直接供熱和蓄能器供熱兩種模式。
本發明與現有技術相比，具有如下優點及突出性的技術效果：
①相比顯熱熱傳輸方式的蓄能釋能系統，可以大大減少傳熱介質的充注量，而且極大的降低蓄能釋能系統的選型容量，可實現等溫換熱，提高蓄能效率，不僅降低了設備的運營成本，而且提高了運行效率。
②相比熱管熱傳輸方式的蓄能釋能系統，由於動力裝置的添加，不僅改善了系統內低沸點工質的流動特性，而且易於控制保障了蓄能釋能系統的主動調控性能，同時動力裝置的輸運作用，不僅可以實現遠距離、複雜管網熱輸運，而且更加安全可靠，提高了系統的運行效率。
③結構簡單、技術成熟：在源側換熱器、用戶側換熱器和蓄能器模塊中所採用的各部件都是發展比較成熟的組件；在現有蓄能釋能系統的技術基礎上利用動力裝置、閥門、管道和低沸點工質將源側、用戶側和蓄能模塊連接起來，不僅有利於現有技術升級改造，也有利於新設備的研發。
附圖說明
圖1是本發明提供的一種動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統實施例的原理、結構示意圖。
圖2是本發明的源側換熱器和用戶側換熱器均由多臺並聯而成的實施例的原理及結構示意圖。
圖中：1—源側換熱器；2—蓄能器；3—蓄能材料；4—蓄能換熱器；5—用戶側換熱器；6—儲液器；7—動力裝置；8—第一閥門；9—第二閥門；10—第三閥門；11—第四閥門；12—第五閥門；13—第六閥門；14—第七閥門；15—連接管路。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明：
圖1為一種動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統的原理及結構示意圖，包括源側換熱器1、蓄能器2、蓄能材料3、蓄能換熱器4、用戶側換熱器5、儲液器6、動力裝置7、第一閥門8、第二閥門9、第三閥門10、第四閥門11、第五閥門12、第六閥門13和第七閥門14；所述源側換熱器1、蓄能換熱器4、用戶側換熱器5、儲液器6和動力裝置7通過連接管路15和相應的閥門構成一個密閉的環路空間，其內部充注液態低沸點流體工質。所述蓄能材料3可以為石蠟、十水硫酸鈉或鉍鉛錫鎘類低熔點合金的一種，也可以是上述蓄能材料與碳納米管的混合物，或蓄能材料與納米銅的混合物。所述低沸點流體工質可採用常規的烷烴、烯烴類等純的低沸點流體工質，優選為二氟甲烷化合物；所述動力裝置可以採用屏蔽泵、磁力泵或電磁驅動泵中的任一種。
所述源側換熱器出口通過管路與第一閥門入口接通，第一閥門出口通過管路分別與第二閥門的入口和第三閥門的入口相接；第二閥門出口與蓄能換熱器的入口接通，蓄能換熱器的出口分別與第五閥門和第六閥門的入口相接；第三閥門出口與用戶側換熱器的入口連接，用戶側換熱器的出口通過第四閥門分別與第五閥門和儲液器的入口連接；儲液器的出口通過動力裝置和第七閥門與源側換熱器的入口連接；第六閥門的出口與第七閥門的入口連接。
圖2是本發明的源側換熱器和用戶側換熱器均由多臺並聯而成的實施例的原理及結構示意圖，其原理和結構與圖1基本相同，在該系統中，每臺源側換熱器的入口分別設置第七閥門14；對於分布式能源系統、工業餘熱回收的多熱源數量以及多用戶需求條件下，源側換熱器1和用戶側換熱器5可以由兩臺或多臺並聯連接而成(本實施例採用3臺)，由動力裝置7統一供液，經連接管路15分配低沸點流體工質至源側換熱器1，再將氣態或兩相態工質分配至各用戶側換熱器5，其餘部分的結構和工作過程與實施例1相同。
本發明所述的動力驅動兩相環路主動調控式蓄能釋能系統的運行方法，該方法主要包括以下五種運行模式：
1)源側直接供熱模式：關閉第二閥門9、第五閥門12和第六閥門13，打開第一閥門8、第三閥門10、第四閥門11和第七閥門14，使所述的源側換熱器1、用戶側換熱器5、儲液器6和動力裝置7通過連接管路15和所述閥門構成一個循環迴路；儲液器6內的液態低沸點工質通過動力裝置7的輸運作用，經過第七閥門14進入源側換熱器1，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，依次經過第一閥門8和第三閥門10進入用戶側換熱器5，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量給用戶，並冷凝為液態工質，經過第四閥門11回流至儲液器6，完成整個循環。
2)源側蓄能模式：關閉第三閥門10、第四閥門11和第六閥門13，打開第一閥門8、第二閥門9、第五閥門12和第七閥門14，使所述的源側換熱器1、蓄能器2、儲液器6和動力裝置7通過連接管路15和所述閥門形成一個封閉的循環迴路；儲液器6內的液態低沸點工質通過動力裝置7的輸運作用，經過第七閥門14進入源側換熱器1，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，依次經過第一閥門8和第二閥門9進入蓄能換熱器4，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量傳遞給蓄能器2內的蓄能材料3，並冷凝為液態工質，經過第五閥門12回流至儲液器6。
3)源側直接供熱+源側蓄能模式：關閉第六閥門13，打開第一閥門8、第二閥門9、第三閥門10、第四閥門11、第五閥門12和第七閥門14，構成源側直接供熱和源側蓄能兩個循環迴路；儲液器6內的液態低沸點工質通過動力裝置7的輸運作用，經過第七閥門14進入源側換熱器1，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，經過第一閥門8後的一部分氣態或兩相態流體工質，通過第二閥門9後進入蓄能換熱器4，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量傳遞給蓄能器2內的蓄能材料3，並冷凝為液態工質，進入第五閥門12，經過第一閥門8後的另一部分氣態或兩相態流體工質，通過第三閥門10後進入用戶側換熱器5，釋放出熱量傳遞給用戶，並冷凝為液態工質，進入第四閥門11，分別經過第四閥門11和第五閥門12的液態工質匯合後返回儲液器6，即可同時運行源側直接供熱和源側蓄能兩種模式。
4)蓄能器供熱模式：關閉第一閥門8、第五閥門12和第七閥門14，打開第二閥門9、第三閥門10、第四閥門11和第六閥門13，使儲液器6、動力裝置7、蓄能器2和用戶側換熱器5通過連接管路15和所述的閥門構成一個循環迴路；儲液器6內的液態低沸點工質通過動力裝置7的輸運作用，經過第六閥門13進入蓄能換熱器4，吸收蓄能器2內的蓄能材料3儲存的潛熱熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質，依次經過第二閥門9和第三閥門10進入用戶側換熱器5，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量給用戶，並冷凝為液態工質，經過第四閥門11回流至儲液器6。
5)源側直接供熱+蓄能器供熱模式：關閉第五閥門12，打開第一閥門8、第二閥門9、第三閥門10、第四閥門11、第六閥門13和第七閥門14，構成源側直接供熱和蓄能器供熱兩個循環迴路；儲液器6內的液態低沸點工質通過動力裝置7的輸運作用，一部分液態工質經過第七閥門14進入源側換熱器1，吸收熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質並進入第一閥門8，另一部分工質經過第六閥門進入蓄能換熱器4，吸收蓄能器2內的蓄能材料3儲存的潛熱熱量蒸發為氣態或兩相態流體工質並進入第二閥門9，分別經過第一閥門8和第二閥門9的氣態或兩相態工質匯合後經過第三閥門10進入用戶側換熱器5，氣態或兩相態流體工質釋放出熱量給用戶，並冷凝為液態工質，經過第四閥門11回流至儲液器6，此時系統可同時運行源側直接供熱和蓄能器供熱兩種模式。