一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置的製作方法
2023-07-01 03:19:51 2
專利名稱：一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置的製作方法
所屬領域本發明涉及一種集電加熱、蓄熱、換熱、保溫於一體具有低谷電蓄熱功能的用電供熱裝置，尤其是涉及一種無內膽、絕對水電隔離的安全型低谷用電供熱裝置。
目前，我國電力工業近幾年發展迅速，但電力供應緊張狀況並沒有得到根本改觀，主要表現在電網負荷率低，系統峰谷差距大，城市生活、商業用電快速增長，工業用電比重相對減少。
這種實況促進了能源綜合利用技術的發展，蓄熱技術是其最關鍵技術之一。蓄熱技術是指在用電低谷時段將低價電能轉換成熱形式的能量儲存起來，在用電平、尖峰時段釋放出來被再利用的技術，以達到調荷節能、削峰填谷、降低電力運營成本、降低用戶的能源運行費用、合理高效的使用優質潔淨能源等目的。
目前被普遍採用的蓄熱技術主要有常壓水蓄熱和高溫水蓄熱、固相高溫蓄熱。由於水在0℃時的溶解潛熱(80cal/g)和100℃時的汽化潛熱(539cal/g)等相變潛熱都較大，但容積密度(1g/ml)和比熱(1cal/g.℃)較小，所以水的潛熱、顯熱蓄熱密度小，用水做介質蓄熱都是利用顯熱特性常壓水蓄熱和高溫水蓄熱技術是利用水的溫差顯熱特性，蓄熱密度小，蒸汽蓄熱是利用水的汽化潛熱，雖然汽化熱大，但蒸汽密度小，壓力高，故相對蓄熱密度小；固相高溫蓄熱是用電加熱管將固態成型材料加熱到400-700℃，再通過高溫換熱將蓄存的熱量釋放出去，其換熱裝置複雜、壓力高、安全性能差，保溫難度大，熱損失大。為了克服上述供熱水裝置的種種不足，本發明提供一種一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置。該發明不僅涉及一種特殊的相變蓄熱材料；而且涉及一種具有較高換熱能力的經特殊加工處理的紫銅蛇行盤管的設計；還涉及一種能夠進行快速安裝和移動的裝置設計；同時還涉及一種能夠將加熱管通電時產生的熱量均勻傳遞到相變蓄熱材料的金屬翅片設計；也還涉及一種能夠進行全自動控制的溫度時間控制器設計。由此設計製造成的一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置不僅能夠獨立進行供暖和熱水，而且還能通過調溫閥進行水溫調節；還具有低谷電蓄熱功能，大大地降低了初投資和運行費用，提高了安全性和舒適性。從根本上解決了常壓水蓄熱和高溫水蓄熱、固相高溫蓄熱等常規蓄熱裝置所固有的體積大、壓力高、初投資高、使用費用高、安全性能差等問題和缺點。
圖1是用本發明設計的供熱裝置的縱剖面構造圖。
圖1中1.外殼，2.保溫層，3.換熱盤管，4.相變蓄熱殼體，5.蓄熱腔加強筋，6.相變蓄熱材料，7.加熱套管，8.導熱金屬翅片，9.溫度傳感器，10.電加熱管，11.底部金屬支撐，12.循環水進口，13.熱水出口，14.供水溫度調節閥，15.溫度時間控制器、16.變頻調速循環泵。
本發明解決上述問題所採用的技術方案是長方形外殼(1)與相變蓄熱殼體(4)通過底部金屬支撐(11)和蓄熱腔加強筋(5)焊接在一起，在二者之間填充保溫層(2)；在相變蓄熱殼體內，導熱金屬翅片並行地垂直穿在加熱套管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行於加熱套管分布有4根銅管，並用c型彎頭穿行連接呈u字蛇形盤管，盤管的兩端一個做循環水進口，與變頻循環水泵的出口連接，另一個做循環熱水出口與供熱系統相連，進出口之間並聯有供水溫度調節閥，加熱套管(7)的兩端穿過並焊接在相變蓄熱殼體(4)的左右兩側金屬板上，形成的空腔為蓄熱腔，該腔內充滿熔點為60-95℃、融解熱為50-75kcal/kg的相變蓄熱材料(6)，其中心部位設置溫度傳感器(9)；電加熱管(10)穿在加熱套管(7)內，通過導線與時間溫度控制器(15)電連接；相變蓄熱殼體(4)的底部焊接金屬支撐架(11)。
本發明的工作原理和工作流程是蓄熱過程在用電低谷時段，時間溫度控制器(15)控制電加熱管(10)通過加熱套管(7)加熱翅片(8)，再通過均布的翅片(8)擴散傳遞到相變材料(6)中，相變材料(6)的溫度逐漸升高，在未達到相變溫度-熔點以前存儲顯熱，相變材料獲得足夠的熱量後，逐漸發生晶格變化----相變潛熱，相變結束並達到設定溫度時蓄熱過程完成。蓄熱量為顯熱(60-95℃)加潛熱，合計約為92-95kcal/kg。
釋熱供暖(熱水)過程電加熱管(10)停止加熱，其相變材料(6)中所儲存的熱量通過均布的導熱翅片(8)和u字蛇形換熱銅盤管(3)傳遞到水中，將水加熱至40-80℃，使用時通過調節供水溫度調節閥(14)與循環水或自來水混合之所需供水溫度，相變蓄熱材料(6)逐漸發生晶格變化----凝固，釋放所存的潛熱後，其溫度開始下降並釋放顯熱，達到規定的溫度(45-60℃)時，釋熱過程結束。
邊蓄邊供工作過程啟動循環泵，打開供水閥門，相變材料(6)中所攜帶的熱量通過均布的導熱翅片和換熱管傳遞到水中實現供水，帶走相變材料中蓄存的熱量使其溫度低於設定溫度，在時間溫度控制器(15)的控制下，啟動電加熱管(10)，給相變蓄熱材料(6)加熱蓄能，將剩餘部分熱量存儲到相變蓄熱材料(6)中，該相變蓄熱材料的固態密度為2.2g/cm3，液態密度為2.14g/cm3，比熱為0.84cal/g.k，熔點為79.4℃，熔解熱為73.8cal/g，該過程中總蓄熱量為92.6cal/g，其中顯熱18.8cal/g，潛熱73.8cal/g。當相變蓄熱材料(4)的溫度達到90℃時，停止加熱，當相變蓄熱材料的溫度低於60℃時，重新啟動電加熱管(6)進行補熱。以實現用電低谷時段和平段邊蓄邊供熱的需要。
本發明的有益效果是，可以通過電加熱管、加熱套管和、導熱翅片、換熱盤管的傳熱完成相變材料的蓄熱、釋熱供暖(熱水)兩種功能，結構緊湊，蓄熱密度大、體積小、安全穩定可靠。
本發明的發明人一直從事能源綜合利用技術的研究和開發，尤其近幾年成功的研製發明了蓄能式電磁開水器和分層蓄熱水箱，並已獲得了以上兩項專利，先後擔任了4個冰蓄冷工程和11個電鍋爐蓄熱工程的設計和工程總監，積累了多年的實踐經驗，加之多項豐富的專業理論知識，在經過多次反覆研究和試驗的基礎上，首先發明了能夠分別在7.5℃、12℃、18℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、95℃、140℃、204℃發生相變並具有較大的相變潛能(熔解熱)的混合相變材料；在此基礎上發明了一體化管道式相變蓄熱(冷)模塊(已獲專利)和一體化電加熱管道式相變蓄熱模塊；戶式相變蓄熱電採暖裝置，戶式無內膽高密度蓄能電熱水裝置並研製發明了具有劃時代意義的模塊化相變蓄熱系統、模塊化相變蓄冷系統。
本發明目的在於解決上述問題，並力求在蓄能系統集成技術方面有較大的突破，本發明的目的可按下述實施下面結合附圖和實施例對採用本發明設計製造的新型蓄熱電熱供暖(熱水)裝置進一步說明。
圖2所示1000L無內膽高密度蓄能電熱水裝置可實現1、不需加熱的情況下連續供50℃的熱水1噸，其工作原理在用電低谷時段，時間溫度控制器(15)控制總功率為9kW的電加熱管(10)通過加熱套管(7)和翅片(8)加熱相變材料(6)，相變材料(6)的溫度逐漸升高，在未達到相變溫度-熔點以前存儲顯熱，相變材料獲得足夠的熱量後，達到相變溫度-熔點79.4℃，逐漸發生相變儲存潛熱，相變結束並達到設定溫度時蓄熱過程完成，斷開加熱管電源，該過程約需230分鐘，其相變材料(6)中(310kg)所儲存的總熱量為28000kcal；通過均布的導熱翅片(8)和u字蛇形換熱銅盤管(3)傳遞到水中，將水加熱至40-80℃，使用時將出水口閥門打開，通過調節供水溫度調節閥(14)與自來水混合至所需供水溫度，相變蓄熱材料(6)逐漸發生晶格變化----凝固，釋放所存的潛熱後，其溫度開始下降並釋放顯熱，達到規定的溫度(45℃)時，由於設計換熱溫差為5℃，出口水溫低於40℃，視為釋熱完畢，此時總共供水量超過1000L。
2、邊蓄供邊加熱的情況下連續供40℃的熱水1300L，其工作原理邊蓄供邊加熱打開出口供水閥門，相變材料(6)中所攜帶的熱量通過均布的導熱翅片和換熱管傳遞到水中實現供水，當帶走的熱量使相變材料的溫度低於設定溫度時，在時間溫度控制器(15)的控制下，啟動電加熱管(10)，給相變蓄熱材料(6)加熱蓄能，將剩餘部分熱量存儲到相變蓄熱材料(6)中，該相變蓄熱材料的固態密度為2.2g/cm3，液態密度為2.14g/cm3，比熱為0.84cal/g.k，熔點為79.4℃，熔解熱為73.8cal/g，該過程中總蓄熱量為90.6cal/g，其中顯熱16.8cal/g，潛熱73.8cal/g。當相變蓄熱材料(4)的溫度達到80℃時，停止加熱，當相變蓄熱材料的溫度低於60℃時，重新啟動電加熱管(6)進行補熱，以此實現1300L熱水供應。
對於供1000L熱水的蓄熱裝置，根據《設計規範》，其總熱負荷為30000kcal，在用電低谷時段加熱管工作4小時即可蓄滿，因此該蓄熱供水裝置加熱管(10)總功率應為8500w-10000w，需相變材料(6)310kg，所佔容積為0.15m3。
由此可見，用本發明設計的新型以電加熱為熱源的相變蓄熱供熱水裝置，可實現無內膽、小體積、低谷蓄熱，削峰填谷，平衡電網並提高電網的負荷率等效用，同時由於低谷時段的電價較低，也降低了運行費用，同時還降低了初投資。
圖1所示是採用本發明設計製造的新型蓄熱電採暖裝置，可實現供10000m2全蓄低谷電採暖。
其工作原理在用電低谷時段，邊加熱邊蓄邊供，時間溫度控制器(15)控制總功率為900kW的電加熱管(10)通過加熱套管(7)和翅片(8)加熱相變材料(6)，相變材料(6)中所攜帶的熱量一部分(約1/3)通過均布的導熱翅片和換熱管傳遞到水中實現供熱，另一部分熱量使相變材料(6)的溫度從60℃逐漸升高，在未達到相變溫度79.4℃-熔點以前存儲顯熱，相變材料獲得足夠的熱量(94×104kcal)後，達到相變溫度-熔點79.4℃，逐漸發生相變，相變結束時儲存潛熱369×104kcal，溫度控制器的設定溫度為90℃，相變結束後溫度繼續升高儲存顯熱47×104kcal，達到設定溫度90℃時蓄熱過程完成，斷開加熱管電源，該過程約需7.5-8小時，其(50t)相變材料(6)中所儲存的總熱量為510×104kcal；通過均布的導熱翅片(8)和u字蛇形換熱銅盤管(3)傳遞到循環水中，將水加熱至40-80℃，使用時將循環泵打開，通過調節供水溫度調節閥(14)調至所需供水溫度，相變蓄熱材料(6)逐漸發生晶格變化----凝固，釋放所存的潛熱後，其溫度開始下降並釋放顯熱，達到規定的溫度(60℃)時，由於設計換熱溫差為5℃，出口水溫低於55℃，視為釋熱完畢，此時總供熱量超過510×104kcal。
該相變蓄熱材料的固態密度為2.2g/cm3，液態密度為2.14g/cm3，比熱為0.84cal/g.k，熔點為79.4℃，熔解熱為73.8cal/g，該過程中總蓄熱量為90.6cal/g，其中顯熱25.2cal/g，潛熱73.8cal/g。當相變蓄熱材料(4)的溫度達到90℃時，停止加熱，當相變蓄熱材料的溫度低於60℃時，重新啟動電加熱管(6)進行補熱，以此實現10000平米供熱。
對於10000平米供熱的蓄熱裝置，根據《設計規範》選採暖指標為45kcal/m2，負荷係數取0.57，其日總熱負荷平均約為615.6×104kcal，在用電低谷時段加熱管工作8小時，產熱量為618×104kcal，其中用於低谷時段直接供熱量108×104kcal，相變儲存的總熱量為510×104kcal，因此該蓄熱供水裝置加熱管(10)總功率應為8500w-10000w，需相變材料(6)50t，所佔容積為25m3。
由此可見，用本發明設計的新型以電加熱為熱源的相變蓄熱供熱水裝置，可實現小體積高密度低谷蓄熱，削峰填谷，平衡電網並提高電網的負荷率等效用，同時由於低谷時段的電價較低，也降低了運行費用，同時還降低了初投資。
圖3所示為常規的電鍋爐直接供熱的採暖系統簡化示意圖，主要由電熱鍋爐(含控制)1、循環泵2、管道閥門4及末端(暖氣片或風機盤管)3等組成，一般供水溫度設定為60℃以上，其供熱原理是系統內循環水經由電鍋爐加熱後通過循環泵送到末端，在末端將熱量擴散到空氣中完成供暖，水溫不斷降低，後回到電鍋爐再次被加熱，循環往復，完成供熱。該系統簡單、投資省，但由於不能利用低谷電進行蓄熱，因此運行費用較高，不能移峰填谷，反倒增加了高峰用電的緊張狀況，不宜推廣應用。
圖4所示為常規常壓水箱與電鍋爐組成的蓄熱系統簡化示意圖，圖4中1.電熱鍋爐，2.蓄熱罐，3.蓄熱罐放熱控制閥，4.鍋爐加熱循環泵，5.蓄熱罐供熱循環泵，6.蓄熱控制閥，7.熱交換器，8.供暖系統循環泵，9.用戶末端。其工作流程用電低谷時段進行蓄熱時，電熱鍋爐(1)、蓄熱罐(2)、鍋爐加熱循環泵(4)工作，蓄熱控制閥(6)打開，蓄熱罐放熱控制閥(3)關閉，將熱量存蓄到蓄熱罐(2)。用電平、峰時段進行供熱時，蓄熱罐(2)、蓄熱罐供熱循環泵(5)、熱交換器(7)、供暖系統循環泵(8)等工作，蓄熱罐放熱控制閥(3)打開，將熱量送到用戶末端(9)，完成供暖。
該系統具有低谷蓄熱功能，其供熱流程是在低谷時段通過電鍋爐、蓄熱循環泵、給水箱內的水加熱到90℃-95℃，然後在用電平段和尖峰時段，通過放熱系統循環泵和換熱器將水箱中水的熱量傳遞到供熱系統，然後經供熱系統循環泵通過管道送到用熱末端，至此完成整個蓄熱供熱的熱循環。由於該系統是利用水的溫差顯熱進行蓄熱，因此系統蓄熱密度較小，水箱的最大蓄熱密度只有3.0萬千卡/立方米，10000平米採暖的蓄熱水箱容積需170立方，造成整個系統佔用空間大、佔地面積大、循環泵數量多、散熱管道長、泵閥增多、控制複雜、故障點多、土建和設備投資很大等缺點，不益在地產較昂貴的大中城市推廣應用。所以研製新型蓄熱材料和技術系統就非常必要，這是本發明動機之一。
對比圖1、圖3、圖4後可以看出，圖(1)所示實施例比圖(3)所示常規蓄水裝置簡單，但功能相同，提高了可靠性和運行效率，縮小了近7倍的體積，減少了散熱損失，由於在用電低谷時段蓄熱降低了運行費用，同時保證了供水和加熱分時進行，增加了使用的安全性。因此，該實用新型的推廣應用將帶來較大的經濟效益和社會效益，具有廣泛的推廣價值和發展前景。
按照圖1所述的實施方式形成的其他類似的技術方案，也均屬本適用新型的保護範圍。
按照圖1所述的實施方式，若把換熱盤管的布置方式及外形與結構更換為其他類似的技術方案，也均屬本適用新型的保護範圍，以上所述乃是本實用新型的具體實施例及所運用的技術原理，若依本實用新型的構想所作的等效改變，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本實用新型的範圍內，特此說明。
由此可見，本發明以電加熱為熱源的供熱系統中，可實現低谷蓄熱，削峰填谷，平衡電網並提高電網的負荷率等效用，同時由於低谷時段的電價較低，也降低了運行費用。有鑑於此，上述提供能避免電鍋爐供熱系統上述缺陷的新技術和蓄能運行系統，正是本發明的研發動機之一。
綜上所述，本發明是對傳統的常規蓄冷系統和蓄熱系統的重大改進，在蓄熱(冷)系統的結構、運行模式、系統規劃設計、蓄能材料推廣應用等諸多方面都有重大突破，並對其有一定的指導作用。
以上所述只是本發明的部分具體應用實例及其蓄能機理，若依本發明的構想所做的等效改變和部分應用，其所產生的功能作用仍未超出說明書及附圖所含蓋的精神或原理時，均應在本發明的範圍內，特此聲明。
權利要求
1.一種一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，在外殼與相變蓄熱殼體之間填充保溫層；在相變蓄熱殼體內，導熱金屬翅片並行地垂直穿在加熱套管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行於加熱套管分布有4根銅管，並用c型彎頭穿行連接呈u字蛇形盤管，盤管的兩端一個做循環水進口，與變頻循環水泵的出口連接，另一個做循環熱水出口，與供熱系統相連，進出口之間並聯有供水溫度調節閥；加熱套管的兩端穿過並焊接在相變蓄熱殼體的左右兩側金屬板上，形成的空腔充滿相變蓄熱材料，其中部設置溫度傳感器；電加熱管穿在加熱套管內，通過導線與時間溫度控制器電連接；相變蓄熱殼體的底板外側焊接金屬支撐架。
2.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於在外殼與相變蓄熱殼體之間填充保溫層。
3.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於相變蓄熱殼體內，導熱金屬翅片並行地垂直穿在加熱套管和換熱盤管上，呈m列n行均分布置，在翅片的四角平行於加熱套管分布有4根銅管，並用c型彎頭穿行連接呈u字蛇形盤管，盤管的兩端一個做循環水進口，另一個做循環熱水出口，循環水流過時被相變蓄熱材料加熱。
4.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於垂直於加熱套管緊配合地穿有數片間距為5-10mm的導熱翅片，以增加傳熱面積和換熱能力。
5.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於蓄熱腔內的相變蓄熱材料中設有溫度傳感器。
6.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於蓄熱腔內等間距相互平行地布置有加熱套管，電加熱管穿入加熱套管內。
7.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於進出口之間並聯有供水溫度調節閥。
8.根據權利要求1所述一體化高密度相變蓄能用電供熱技術及裝置，其特徵在於循環水回水口處串聯有變頻調速循環泵。
全文摘要
本發明涉及一種集電加熱、蓄熱、換熱、保溫於一體具有低谷電蓄熱功能的電熱供熱裝置的設計。它呈長方體，由外殼、保溫層、相變蓄熱殼體、相變蓄熱材料、換熱盤管、加熱套管、電加熱管、導熱翅片、溫度傳感器、控制器、底部支架、循環水進口、熱水出口、變頻循環泵、調溫閥等部分組成。可按控制程序實現低谷蓄熱、供暖、提供生活熱水。具有安裝方便，佔地空間小、運行費用低等優點。應用於工業及民用、公用建築採暖、供生活熱水，可起到移峰填谷、調荷節電、降低費用等作用，有很好的經濟效益和社會效益。
文檔編號F28D20/02GK1485593SQ0212925
公開日2004年3月31日 申請日期2002年9月29日 優先權日2002年9月29日
發明者王智慧 申請人:王智慧