一种新型智能移动相变蓄热供热方法

2019-08-06宁玉琴孙少鹏田鑫王光培蒋文

节能与环保 2019年6期

文_宁玉琴孙少鹏田鑫王光培蒋文

1.华电电力科学研究院有限公司 2.杭州华电能源工程有限公司

针对大量工业余热、废热浪费、能源利用效率低下等问题，蓄热技术逐渐成为社会研究的热点，移动蓄热技术是在蓄热基础上又一次突破。移动蓄热技术能将间断、分散、不稳定的热能有效储存并应用，有效解决能源双重浪费问题。利用移动蓄热技术可以缓解能量供求双方在时间、强度、地点上的不协调，有效对余热进行回收、储存、转移和利用，从而达到节能减排、提高能源综合利用效率的目标。

1 移动相变蓄热供热技术研究现状

移动蓄热技术的核心是蓄热系统，包括相变材料、蓄热元件等。而蓄热相变材料的选取尤为关键，其性能直接决定蓄热系统的蓄热性能。良好的蓄热材料具备以下条件：使用温度合适、蓄热密度大；热导率高；充热/放热过程可逆；良好的热循环稳定性；安全环保；成本低等。

本文研发的移动蓄热供热设备主要针对工业中余热回收的低温蒸汽进行研究开发，选择蓄热材料的相变温度区间70～100℃，相变潜热＞220kJ/kg，相变材料在150℃时不发生过热、挥发现象。而这种中低温相变材料主要以石蜡、水合盐、脂肪酸和醇类为主，在80～100℃温度区间仅有以下几种常用的相变材料，见表1。

从表1中可以看出，目前可供选择的相变材料有相当大的局限性，而相变材料的性能直接影响移动蓄热装置的效率，这制约着移动蓄热技术的发展。此外，低温蓄热技术在国内被关注和研究的时间较短，已有的移动蓄热技术没有更多的技积累和借鉴，在产品创新、材料开发等方面依旧没有实质的进展。

表1 几种相变材料的各性能参数表

2 新型智能移动相变蓄热供热方法研究

2.1 智能移动蓄热供热系统方案设计

智能移动蓄热供热系统如图1所示，蒸汽移动蓄热供热装置蓄热时，蒸汽通过蒸汽进口管进入蒸汽换热管组，通过管壁对管外的水和相变蓄热组件加热。相变蓄热材料的温度逐渐升高，在未达到相变温度点之前，相变材料吸收储存显热；当达到相变温度点时，相变蓄热材料开始发生相变；相变材料发生物态变化，同时吸收热量。此时相变蓄热材料储存潜热，温度超过相变温度点时，相变蓄热材料继续吸热储存显热；当相变蓄热材料测温仪显示全部蓄热材料达到相变温度或超过一定温度时，温度信号反馈回终端控制器，关闭蒸汽进口管上的电动调节阀，蓄热过程结束。蒸汽经相变材料吸热后变成冷凝水和蒸汽的汽水混合物，经汽水混合物出口管引出。

完成蓄热的移动蓄热供热装置前往热用户处，为其提供热水供应及供暖服务。蒸汽移动蓄热供热设备放热供热时，常温冷水进入冷水进口管，通过冷水管路进入蓄热装置，流经已完成蓄热的相变蓄热组件，热量由相变蓄热材料通过热传导传递到蓄热袋袋壁，将装置内的生活用水加热供热用户使用。通过反馈温度、压力、流量等信号，对整个蓄热供热过程进行控制，保证了蓄热装置的安全、高效运行。

2.2 低温相变蓄热材料选择

本装置汽源温度165℃、压力0.65MPa；进口冷水温度15℃，出口热水温度为55℃，考虑足够的换热温差，选择蓄热材料的相变温度区间在70～100℃之间，相变潜热＞220kJ/kg，相变材料在150℃时不发生过热、挥发现象。因此选择相变材料温度区间70～100℃的KAlSO4.12H2O（十二水硫酸铝钾），其参数见表2。

表2 相变材料KAlSO4.12H2O热物性参数

2.3 整体传热结构设计及布置方式

智能移动相变蓄热供热装置包含牵引车和相变蓄热箱体两个主体部分。相变蓄热箱体固定安装于牵引车上，在相变蓄热箱体内从上至下依次设置有蒸汽通道、冷水通道、相变蓄热组件、冷凝液通道和热水通道，利用饱和蒸汽作为热源，采用光管作为换热元件。光管和相变蓄热组件浸没在水中，通过水实现光管内蒸汽和箱体内相变蓄热材料的热传递。

2.4 相变蓄热组件结构设计及布置方式

相变蓄热组件由左中右3个相变蓄热元件模块组成，单个相变蓄热模块包含若干列蓄热单元，每列蓄热单元通过卡槽固定在蓄热单元框架上。相变蓄热材料以蓄热袋的形式通过夹子固定在蓄热单元框架上。

2.5 蒸汽管排结构设计

蒸汽管组结构参数如表3，共设计2组蛇形蒸汽管排，穿插在相变蓄热元件模块之间。每组管排由3根3回程蛇形管并联组成。蓄热时，蒸汽从上至下通过蛇形管内将热量传递给管外的水。

表3 蒸汽管排结构参数表

2.5 智能控制系统设计

控制系统采用智能控制，设计了冷水温度测点、热水温度测点、生活用水流量测点、进口蒸汽温度测点、出口汽水混合物温度测点、进口蒸汽流量测点、蓄热材料温度测点；在蒸汽进出口管道、冷水管道、热水管道均布置了电动调节阀，并在冷水主管道和热水主管道之间设计了热水调温旁路电动调节阀门组；各测点和电动调节阀将信号反馈到终端控制器。

智能控制系统一方面监测蓄热材料温度，当相变蓄热材料测温仪显示全部蓄热材料达到相变温度或超过一定温度时，温度信号反馈回终端控制器，关闭蒸汽进口管的电动调节阀，蓄热过程结束；另一方面通过监测热水温度，当温度超过热用户所要求时，温度信号反馈回终端控制器，分别调节冷水进口管、热水出口管和热水调温旁路上的电动调节阀开度，最终使热水出口管出来的热水温度满足用户要求，由热水出口管上的管道泵输送至热用户处，当热水出口管出来的温度低于热用户要求时，终端控制器关闭冷水进口管、热水出口管和热水调温旁路上的电动调节阀，结束放热和供热过程。