移動蓄熱技術的研究進展

楊 波，李 汛，趙 軍

（天津大學機械工程學院中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

能源是人類生存和發展的基礎，隨著科學技術的發展，人類對能源的需求日益增加，化石能源的大量消耗，使得能源短缺環境污染的問題日益突出。改革開放以來，我國經濟持續高速增長，能源的消耗也隨之增長。但我國能源的利用效率低、經濟效益差，所以節能減排、提高能源綜合利用率作為能源發展戰略規劃的重要內容，是解決我國能源問題的根本途徑，處于優先發展的地位。

目前，我國能源效率存在兩方面的情況：一方面大量的工業余熱因無法有效利用被白白浪費掉；另一方面許多的熱能用戶依靠自備鍋爐來產生熱能，造成了能源雙重損失的問題。回收廢熱提高能源利用率對于我國實現節能減排、環保發展戰略具有重要的意義。但一般廢熱的回收與其利用之間存在時間和地域性的差異，針對上述問題，利用移動式蓄熱技術[1-3]可以將熱電廠、冶煉廠、化工廠、焦化廠等高耗能企業產生的余熱回收儲存起來，輸送至附近的醫院、學校、洗浴中心、賓館、居民小區等熱能用量較大的用戶處，為其提供熱水、供暖，或可作為吸收制冷機組的工作熱源使用。它的推廣應用既可使工業余熱得到有效利用，又減少了部分熱能用戶化石燃料的消耗，使得經營成本降低、二氧化碳等溫室氣體的排放減少，是一條合理利用能源及減輕環境污染的有效途徑。

1 我國余熱資源的現狀分析

余熱是在工業生產過程中未被利用的直接被排放到環境中的一部分熱能。它是載于工業排放出的固體、液體和氣體等介質的二次能源，如剛出爐的鋼錠、熱煙氣、爐渣、冷凝水等物體攜帶的熱能。按照余熱的來源分，工業余熱可被分為高溫煙氣余熱、高溫爐渣余熱、高溫產品余熱、冷卻介質余熱、可燃廢氣余熱、化學反應余熱和冷凝水余熱等[4-8]。

燃料在工業爐及燃氣輪機等燃燒后排除的高溫煙氣余熱，會帶走很大一部分的熱量，是工業上熱量損失的主要途徑之一。工業煙氣余熱排放量大、連續性較強，便于回收和利用，節能潛力很大。

高溫爐渣余熱主要是煤燃燒后的產物，產自于冶煉爐、鍋爐等。這種余熱以顯熱形式存在，在工業生產中會有部分余熱得到回收，但大多數直接散失在環境中。

可燃廢氣余熱主要產生于冶金高爐、吹轉爐產出的煤氣等，產量很大，分布較廣，一般利用價值較高。

高溫產品余熱溫度高，但一般不好利用，主要源于煉焦爐產出的焦炭、冶金澆注陽極板等。

化學反應的余熱則來源于化工行業的生產過程。這一部分余熱的有效利用，可達到降低投入成本、強化生產工藝的效果。

冷卻介質余熱產生于各種汽化冷卻裝置產出的蒸汽、軋機的冷卻水等。各種工業爐窯的水套等冷卻裝置排出大量冷卻水，這些余熱目前基本上未得到利用。冷凝水余熱則是指各工業部門生產過程中的蒸汽，在使用后冷凝成水所具有的部分顯熱。

余熱資源往往存在以下特點：余熱產生的周期性、不連續性使余熱量不穩定；余熱介質中存在腐蝕性物質；余熱回收利用裝置使用中還會受一定限制。但我國能源利用率低，余熱資源量大，利用好工業余熱對于我國節能減排工作尤為重要。

2 移動蓄熱技術在余熱回收中的應用現狀

所謂移動蓄熱技術，就是當熱源生產者（如工業廢熱、廢蒸汽、廢煙氣、廢渣等）與熱能消費者有一定距離時利用裝有儲熱材料的車來運送熱量。它解決了由于時間及地點上供熱與用熱的不匹配和不均勻所導致的能源利用率低的問題，是提高能源利用率的重要手段之一。

移動供熱車[9-10]是一種新型的余熱利用與集約化供熱模式。移動供熱打破了管道運輸的模式，靈活方便，是熱量輸送技術的一次革命性突破。它主要由儲熱元件、控制部件及放熱/儲熱管道、載車等部分組成，以高性能蓄熱材料和蓄熱元件為核心，可將熱電廠、冶金、水泥廠等高耗能單位的余熱、廢熱回收儲存，并用汽車運輸到賓館飯店、洗浴中心、居民住宅、學校、醫院、部隊等熱用戶處，提供生活熱水和供暖。使用移動蓄熱技術在節能減排方面有著顯著效果，同時其適用范圍廣，使用方便。

蓄熱技術是移動蓄熱的核心技術，目前熱能儲存技術主要研究顯熱、潛熱和熱化學能3種熱能的儲存[11-12]。其中化學能儲能比顯熱和潛熱儲熱的熱密度都要大，而且可以長時間儲存，不需要保溫的儲熱罐，但由于反應所需裝置復雜精密，技術比較復雜，使用不便，使其在蓄熱車上的應用受到限制。

2.1 顯熱蓄熱技術在移動蓄熱的應用

顯熱蓄熱就是對蓄熱材料加熱時，其溫度升高，內能增加，從而將熱能儲存起來。利用顯熱蓄熱時，蓄熱材料在儲存和釋放能量時，材料自身只發生溫度的變化，而不發生其它任何變化，存儲能力主要依靠存儲材料的比熱容和密度決定。顯熱儲熱原理簡單，技術成熟，是蓄熱技術中實際應用最早、推廣最普遍的一種。其中常見的可用于移動供熱車的顯熱蓄熱介質有水、水蒸氣、土壤、巖石和熔鹽等[10-12]，物性參數見表1。

水的比熱容大約是巖石比熱容的4.8倍，而巖石的密度只是水的2.5～3.5倍，因此水的儲熱密度比巖石大。另外，水作為蓄熱車儲熱介質，具有很多優點：①普遍存在，來源豐富，價格低廉。②其物理化學及熱力性質已被清楚了解，應用技術成熟。③傳熱及流體特性好，對換熱器要求不高，作為移動蓄熱車儲熱材料，在用戶側則可以省去換熱設備，作為熱水直接可以利用。

表1 水、巖石和土壤在20℃儲熱性能參數

顯熱蓄熱主要用來存儲溫度較低的余熱能，一般低于150 ℃，因轉換成為機械能、電能或其它形式能量的效率不高，一般僅用于供暖。

顯熱蓄熱方式簡單，技術成熟，成本低廉，但一般該類材料儲能密度低，且在放熱過程中溫度會發生連續變化，而且熱流也不穩定，使其廣泛應用受到一定限制。

2.2 相變蓄熱技術在移動蓄熱的應用

相變潛熱儲能是利用材料在相變過程中吸收或者釋放潛熱來儲能和釋能，其儲能密度要比顯熱儲能系統至少高出一個數量級[13-16]。相變儲能還有一個優點是可以穩定地輸出熱量并且換熱介質溫度基本不變，進而可以使得蓄熱系統在穩定狀態下運行。

通常物質的相變包括以下幾種形式：固態-液態相變、液態-氣態相變、固態-氣態相變及固態-固態相變[14]。

雖然液態-氣態或固態-氣態在轉化時所伴隨著的相變潛熱比固液轉化時的相變潛熱大許多，但是相變過程中容積的巨大變化使得其在工程上的實際應用有著很大困難，所以目前考慮的大都是固液相變式蓄熱。

2.2.1 相變蓄熱材料的研究進展

相變蓄熱材料具有在一定溫度范圍內改變其物理狀態的能力。在工程應用中主要考慮的是合適的相變溫度、相變潛熱高和價格便宜，要注意過冷、相分離和腐蝕等問題。相變儲能材料的種類很多，存在形式也多種多樣，從材料成分來看，相變蓄熱材料包括有機類和無機類材料；從儲熱溫度來分，相變蓄熱材料又可分為高溫（120～850 ℃）和中低溫（0～120 ℃）[4，15]。表2列出了一些常見的相變材料及其物性參數。在工程實際應用中，應針對不同溫度的工業余熱資源選取合適的相變材料。

2.2.2 相變蓄熱材料在移動蓄熱車的工程應用

以相變材料作為蓄熱介質的蓄熱車收集工廠廢熱[17-24]，其技術優點是：靈活、效率高、供熱穩定。如圖1所示，蓄熱箱內的相變材料吸收工廠廢熱后熔化，經過運輸工具送至用戶端，蓄熱材料凝固釋放熱量，給用戶配送熱能。

以相變材料為蓄熱載體的移動式蓄熱系統熱容量大、熱流穩定，受到很多研究者青睞。日本的Takahiro Nomura等[17]設計了一種用相變材料為儲熱材料的潛熱運輸系統，可以回收鋼廠300 ℃以上的廢熱，然后經卡車運輸至化工廠蒸餾塔作熱源使用。他們通過理論計算，把所設計的潛熱運輸系統的運行參數與傳統供熱方式以及顯熱為蓄熱材料的蓄熱車作了對比。結果顯示，在蓄熱材料一定的條件下以NaOH（固態相變293 ℃，固液相變300 ℃）為相變材料的蓄熱設備是顯熱蓄熱系統的蓄熱能力的2.6倍；另外，在供能量一定的工況下，其耗能是沒有熱回收設備的傳統供熱方式所需能量的8.6%，損失以及CO2排放量也大大減少。分析證明，潛熱蓄熱運輸系統具有很好的工程應用性，在節能、減少環境污染方面有很大優勢。王偉龍等[9，19]用移動蓄熱技術把熱電廠與分布用戶聯系起來，并接著開展了移動蓄熱技術的實驗研究，為其應用提供了理論依據和技術支持。

表2 常見相變蓄熱材料及其物性參數

圖1 移動蓄熱技術原理圖

移動蓄熱技術在工程實例上的應用，如在德國，Transheat公司提供了一個移動蓄熱車示范工程，把180 ℃的工業廢熱儲存于相變材料，然后再利用卡車運輸至30 km以外的辦公區，把熱量提供給需求量較大的供熱設備與吸收式制冷設備，計算其運行成本，具有相當可觀的經濟性[20-21]。日本也做了工程示范點，把工廠的廢熱儲存在相變蓄熱材料之中，然后經運輸工具轉運給除濕空調系統，反響很大。

在我國，中益能移動供熱有限公司推出了一種移動供熱車[22]，利用蓄熱元件并以高性能稀土HECM-WD03作為相變蓄熱材料，將工業生產中的余熱、廢熱回收儲存，經卡車運輸到熱用戶處，再通過換熱設備把熱量提供給用戶。這項技術經鑒定中心節能量認證，每輛移動蓄能供熱車運行一年可節約燃煤600 t以上，此移動蓄熱車的使用，既可使工業余熱廢熱得到回收利用，同時在把熱能配送給熱用戶的過程中又可以替代各種產熱鍋爐，減少了化石能源（煤、石油、天然氣等）的消耗，也降低了二氧化碳的排放。

2.2.3 相變蓄熱材料的強化換熱

應用相變儲能時，由于在固態時沒有對流，而相變材料的導熱系數一般都比較低，并且相變過程中體積又是在變化的，所以無論是在充能時把熱量傳給儲能介質還是在釋能時把熱量放出，都不像顯熱那么容易，因此要采取一些措施來提高其傳熱系數。根據相變材料的封裝和工作方式的不同，常被應用于余熱回收的相變儲能系統技術有以下幾種[4，23-24]。

（1）使用肋片，增大傳熱面積 在相變蓄熱系統中使用肋片來強化傳熱，可使換熱面積增大，進而提高相變蓄能系統的傳熱性能，此法在工程應用中易于實現，較為常用，國內外學者也對使用肋片加強蓄熱效率做了大量研究工作。胡凌霄等[25]使用計算工具Fluent軟件數值模擬了環形肋片對相變蓄能系統的作用，對所得數據分析，發現肋片間距及厚度等參數對儲熱管放熱效果有影響，并得到了環肋片最佳間距以及肋厚的數據。重慶大學唐剛志等[26]對針翅管式相變蓄熱器的傳熱特性做了實驗研究，發現三維針翅管換熱器在強化換熱上表現出了良好的效果。Francis Agyenim等[27-28]也對翅片的強化傳熱效果做了大量實驗分析，發現長直肋的強化傳熱作用效果最好。

在相變儲能系統中使用肋片可有效提高相變材料的傳熱性能，根據目前已有的研究結果顯示，要想達到強化傳熱的最佳效果，需合理考慮所用肋片的尺寸、類型以及布置方式等，因此在工程應用中肋片的選擇一般應根據實際情況而定。

（2）填充材料，改變傳熱系數 為了提高相變材料的導熱性能，在其中添加一些導熱性能良好的材料來提高相變材料的導熱能力，也是一種較為常用的方法。一般金屬填料、石墨、碳纖維等常被作為填充材料[29-33]。表3列出了幾種填充物質對蓄熱材料傳熱性能的影響。

（3）相變材料與傳熱流體直接接觸換熱 這種方法中的相變材料與傳熱流體不相容，即相變材料雖與傳熱流體直接接觸，但各自物理、化學性質不發生任何變化。在日本Akihide Kaizawa等[34]設計了直接式移動蓄熱系統，以赤藻糖醇為相變蓄熱材料，導熱油為傳熱流體，并通過蓄熱箱體有可視化窗口直接觀測了充放熱過程中內部蓄熱熔化和放熱凝固行為以及流動規律，并指出入油口位置和數目對蓄熱時間構成影響。讓蓄熱材料和傳熱流體直接接觸，相對于間接式蓄熱系統，換熱過程不僅沒有管路的熱阻，而且以對流換熱為主，會表現出良好的充放熱特性。

表3 填充物對相變蓄熱材料傳熱性能的影響

（4）把相變材料封裝后放在傳熱流體中 相變材料和傳熱流體直接接觸換熱固然可使得傳熱加強，但大部分相變蓄熱材料并不能找到適合直接接觸的傳熱介質，當相變材料與傳熱液體不能直接接觸時也可采用封裝蓄熱材料的方法，把封裝有蓄熱材料的小球放置于儲熱容器中，傳熱流體在容器中流動而實現換熱，這種方法叫作膠囊型[35]。章學來等[36]設計了一種利用相變蓄熱球的移動供熱裝置用。該裝置包括蓄熱箱體、相變蓄熱球、供熱換熱器、取熱換熱器，相變材料填充在相變蓄熱球內，相變蓄熱球填充在蓄熱箱體內的蓄熱室里，取熱換熱器設在蓄熱室的上部，下部則是供熱換熱器。圖2是所設計裝置的原理圖，此裝置具有結構簡單、換熱效率高、蓄熱密度大、放熱穩定的特點，流體在工作過程中流經換熱器內部，而不是通過一層管壁與蓄熱相變材料發生熱交換，這樣可以避免由于長時間的使用，設備發生泄漏而致使供熱流體漏到蓄熱腔中污染相變材料的問題。

3 移動蓄熱技術的應用

移動供熱的終端用戶主要是賓館、酒店、洗浴中心、學校、醫院、部隊、廠區、小區等。

（1）居民小區供暖 近些年，房地產是發展速度較快的幾個行業之一。由于城市化速度較快，所以集中供暖不能事先全范圍地覆蓋，集中供暖缺口非常大，這為移動供熱技術的發展提供了最主要的因素。

圖2 相變蓄熱球的移動供熱裝置原理圖

（2）賓館、酒店、洗浴中心、游泳池 隨著中國經濟的快速發展，國外和內地以及各個地區經濟文化的交流日益頻繁，這就導致了人口的流動性增強，為賓館、酒店、洗浴中心提供了龐大的客源支持，為其發展提供的基礎。事實上，賓館、酒店、洗浴中心的發展速度也確實跟上了經濟發展的速度，成為城市里熱需求較穩定的用戶。

（3）寄宿制學校、醫院 這些企業或單位固定在某一區域內，其數量和規模在短期內不會發生較大的變化，而且其對熱能或者熱水的需求比較穩定，主要是浴池洗澡以及冬季供暖，為移動供熱項目提供穩定的基礎。

（4）居民小區熱水 隨著經濟的發展，居民小區的數量迅速增加，而像24小時熱水等服務也紛紛進入了普通小區，這為移動供熱項目的發展提供了積極因素。

4 結 語

本文作者介紹了移動蓄熱技術的研究進展。該技術可以將工業余熱回收儲存起來，經卡車運輸到附近的熱用戶處給其提供熱能，它的推廣應用既可使工業余熱得到充分利用，又可使熱能用戶的化石燃料消耗減少，進而降低了二氧化碳的排放量，是一項提高能源利用率保護環境的重要技術。

顯熱蓄熱和潛熱蓄熱技術均可應用于移動蓄熱車上，顯熱蓄熱方式簡單，成本低廉，但儲能密度低，且在放熱過程中溫度會發生連續變化，使其廣泛應用受到一定限制。

潛熱蓄熱儲能密度高，所用裝置簡單，體積小，而且相變過程是一個近似恒溫過程。開發新型相變蓄熱材料，研究相變傳熱機理，提高其傳熱效率，將相變蓄熱技術更好地應用到移動式蓄熱系統當中， 以相變材料為蓄熱載體的移動蓄熱技術在工業回收利用的應用具有廣闊的前景。

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