一種新型智能移動相變蓄熱供熱方法

文_寧玉琴 孫少鵬 田鑫 王光培 蔣文

1.華電電力科學研究院有限公司 2.杭州華電能源工程有限公司

針對大量工業余熱、廢熱浪費、能源利用效率低下等問題，蓄熱技術逐漸成為社會研究的熱點，移動蓄熱技術是在蓄熱基礎上又一次突破。移動蓄熱技術能將間斷、分散、不穩定的熱能有效儲存并應用，有效解決能源雙重浪費問題。利用移動蓄熱技術可以緩解能量供求雙方在時間、強度、地點上的不協調，有效對余熱進行回收、儲存、轉移和利用，從而達到節能減排、提高能源綜合利用效率的目標。

1 移動相變蓄熱供熱技術研究現狀

移動蓄熱技術的核心是蓄熱系統，包括相變材料、蓄熱元件等。而蓄熱相變材料的選取尤為關鍵，其性能直接決定蓄熱系統的蓄熱性能。良好的蓄熱材料具備以下條件：使用溫度合適、蓄熱密度大；熱導率高；充熱/放熱過程可逆；良好的熱循環穩定性；安全環保；成本低等。

本文研發的移動蓄熱供熱設備主要針對工業中余熱回收的低溫蒸汽進行研究開發，選擇蓄熱材料的相變溫度區間70～100℃，相變潛熱＞220kJ/kg，相變材料在150℃時不發生過熱、揮發現象。而這種中低溫相變材料主要以石蠟、水合鹽、脂肪酸和醇類為主，在80～100℃溫度區間僅有以下幾種常用的相變材料，見表1。

從表1中可以看出，目前可供選擇的相變材料有相當大的局限性，而相變材料的性能直接影響移動蓄熱裝置的效率，這制約著移動蓄熱技術的發展。此外，低溫蓄熱技術在國內被關注和研究的時間較短，已有的移動蓄熱技術沒有更多的技積累和借鑒，在產品創新、材料開發等方面依舊沒有實質的進展。

表1 幾種相變材料的各性能參數表

2 新型智能移動相變蓄熱供熱方法研究

2.1 智能移動蓄熱供熱系統方案設計

智能移動蓄熱供熱系統如圖1所示，蒸汽移動蓄熱供熱裝置蓄熱時，蒸汽通過蒸汽進口管進入蒸汽換熱管組，通過管壁對管外的水和相變蓄熱組件加熱。相變蓄熱材料的溫度逐漸升高，在未達到相變溫度點之前，相變材料吸收儲存顯熱；當達到相變溫度點時，相變蓄熱材料開始發生相變；相變材料發生物態變化，同時吸收熱量。此時相變蓄熱材料儲存潛熱，溫度超過相變溫度點時，相變蓄熱材料繼續吸熱儲存顯熱；當相變蓄熱材料測溫儀顯示全部蓄熱材料達到相變溫度或超過一定溫度時，溫度信號反饋回終端控制器，關閉蒸汽進口管上的電動調節閥，蓄熱過程結束。蒸汽經相變材料吸熱后變成冷凝水和蒸汽的汽水混合物，經汽水混合物出口管引出。

完成蓄熱的移動蓄熱供熱裝置前往熱用戶處，為其提供熱水供應及供暖服務。蒸汽移動蓄熱供熱設備放熱供熱時，常溫冷水進入冷水進口管，通過冷水管路進入蓄熱裝置，流經已完成蓄熱的相變蓄熱組件，熱量由相變蓄熱材料通過熱傳導傳遞到蓄熱袋袋壁，將裝置內的生活用水加熱供熱用戶使用。通過反饋溫度、壓力、流量等信號，對整個蓄熱供熱過程進行控制，保證了蓄熱裝置的安全、高效運行。

2.2 低溫相變蓄熱材料選擇

本裝置汽源溫度165℃、壓力0.65MPa；進口冷水溫度15℃，出口熱水溫度為55℃，考慮足夠的換熱溫差，選擇蓄熱材料的相變溫度區間在70～100℃之間，相變潛熱＞220kJ/kg，相變材料在150℃時不發生過熱、揮發現象。因此選擇相變材料溫度區間70～100℃的KAlSO4.12H2O（十二水硫酸鋁鉀），其參數見表2。

表2 相變材料KAlSO4.12H2O熱物性參數

2.3 整體傳熱結構設計及布置方式

智能移動相變蓄熱供熱裝置包含牽引車和相變蓄熱箱體兩個主體部分。相變蓄熱箱體固定安裝于牽引車上，在相變蓄熱箱體內從上至下依次設置有蒸汽通道、冷水通道、相變蓄熱組件、冷凝液通道和熱水通道，利用飽和蒸汽作為熱源，采用光管作為換熱元件。光管和相變蓄熱組件浸沒在水中，通過水實現光管內蒸汽和箱體內相變蓄熱材料的熱傳遞。

2.4 相變蓄熱組件結構設計及布置方式

相變蓄熱組件由左中右3個相變蓄熱元件模塊組成，單個相變蓄熱模塊包含若干列蓄熱單元，每列蓄熱單元通過卡槽固定在蓄熱單元框架上。相變蓄熱材料以蓄熱袋的形式通過夾子固定在蓄熱單元框架上。

2.5 蒸汽管排結構設計

蒸汽管組結構參數如表3，共設計2組蛇形蒸汽管排，穿插在相變蓄熱元件模塊之間。每組管排由3根3回程蛇形管并聯組成。蓄熱時，蒸汽從上至下通過蛇形管內將熱量傳遞給管外的水。

表3 蒸汽管排結構參數表

2.5 智能控制系統設計

控制系統采用智能控制，設計了冷水溫度測點、熱水溫度測點、生活用水流量測點、進口蒸汽溫度測點、出口汽水混合物溫度測點、進口蒸汽流量測點、蓄熱材料溫度測點；在蒸汽進出口管道、冷水管道、熱水管道均布置了電動調節閥，并在冷水主管道和熱水主管道之間設計了熱水調溫旁路電動調節閥門組；各測點和電動調節閥將信號反饋到終端控制器。

智能控制系統一方面監測蓄熱材料溫度，當相變蓄熱材料測溫儀顯示全部蓄熱材料達到相變溫度或超過一定溫度時，溫度信號反饋回終端控制器，關閉蒸汽進口管的電動調節閥，蓄熱過程結束；另一方面通過監測熱水溫度，當溫度超過熱用戶所要求時，溫度信號反饋回終端控制器，分別調節冷水進口管、熱水出口管和熱水調溫旁路上的電動調節閥開度，最終使熱水出口管出來的熱水溫度滿足用戶要求，由熱水出口管上的管道泵輸送至熱用戶處，當熱水出口管出來的溫度低于熱用戶要求時，終端控制器關閉冷水進口管、熱水出口管和熱水調溫旁路上的電動調節閥，結束放熱和供熱過程。

2.6 系統經濟性能分析

本文設計的智能移動蓄熱裝置系統性能參數如表4，通過智能移動相變蓄熱供熱裝置，可以回收利用城市間斷的、分散的余熱、廢熱，通過蓄熱裝置內高效安全的相變材料和蓄熱元件進行能量儲存，使用蓄熱車進行能量轉移，到達熱用戶，以生活熱水的形式釋放蓄熱熱能完成余熱、廢熱利用，具有一定的實用性。

表4 智能移動蓄熱供熱系統性能參數

3 結語

本文提出的智能移動相變蓄熱供熱方法利用蓄熱裝置內高效安全的蓄熱元件進行能量儲存，再將蓄熱裝置運送至熱用戶，實現了城市間斷的、分散的余熱、廢熱的回收利用。