文_寧玉琴 孫少鵬 田鑫 王光培 蔣文

1.華電電力科學(xué)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(yè)余熱、廢熱浪費、能源利用效率低下等問題，蓄熱技術(shù)逐漸成為社會研究的熱點，移動蓄熱技術(shù)是在蓄熱基礎(chǔ)上又一次突破。移動蓄熱技術(shù)能將間斷、分散、不穩(wěn)定的熱能有效儲存并應(yīng)用，有效解決能源雙重浪費問題。利用移動蓄熱技術(shù)可以緩解能量供求雙方在時間、強度、地點上的不協(xié)調(diào)，有效對余熱進行回收、儲存、轉(zhuǎn)移和利用，從而達(dá)到節(jié)能減排、提高能源綜合利用效率的目標(biāo)。

1 移動相變蓄熱供熱技術(shù)研究現(xiàn)狀

移動蓄熱技術(shù)的核心是蓄熱系統(tǒng)，包括相變材料、蓄熱元件等。而蓄熱相變材料的選取尤為關(guān)鍵，其性能直接決定蓄熱系統(tǒng)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(dǎo)率高；充熱/放熱過程可逆；良好的熱循環(huán)穩(wěn)定性；安全環(huán)保；成本低等。

本文研發(fā)的移動蓄熱供熱設(shè)備主要針對工業(yè)中余熱回收的低溫蒸汽進行研究開發(fā)，選擇蓄熱材料的相變溫度區(qū)間70～100℃，相變潛熱＞220kJ/kg，相變材料在150℃時不發(fā)生過熱、揮發(fā)現(xiàn)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(qū)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(dāng)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(shù)的發(fā)展。此外，低溫蓄熱技術(shù)在國內(nèi)被關(guān)注和研究的時間較短，已有的移動蓄熱技術(shù)沒有更多的技積累和借鑒，在產(chǎn)品創(chuàng)新、材料開發(fā)等方面依舊沒有實質(zhì)的進展。

表1 幾種相變材料的各性能參數(shù)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(tǒng)方案設(shè)計

智能移動蓄熱供熱系統(tǒng)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(dá)到相變溫度點之前，相變材料吸收儲存顯熱；當(dāng)達(dá)到相變溫度點時，相變蓄熱材料開始發(fā)生相變；相變材料發(fā)生物態(tài)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(xù)吸熱儲存顯熱；當(dāng)相變蓄熱材料測溫儀顯示全部蓄熱材料達(dá)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(guān)閉蒸汽進口管上的電動調(diào)節(jié)閥，蓄熱過程結(jié)束。蒸汽經(jīng)相變材料吸熱后變成冷凝水和蒸汽的汽水混合物，經(jīng)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(yīng)及供暖服務(wù)。蒸汽移動蓄熱供熱設(shè)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(jīng)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(dǎo)傳遞到蓄熱袋袋壁，將裝置內(nèi)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(qū)間在70～100℃之間，相變潛熱＞220kJ/kg，相變材料在150℃時不發(fā)生過熱、揮發(fā)現(xiàn)象。因此選擇相變材料溫度區(qū)間70～100℃的KAlSO4.12H2O（十二水硫酸鋁鉀），其參數(shù)見表2。

表2 相變材料KAlSO4.12H2O熱物性參數(shù)

2.3 整體傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)從上至下依次設(shè)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(xiàn)光管內(nèi)蒸汽和箱體內(nèi)相變蓄熱材料的熱傳遞。

2.4 相變蓄熱組件結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

蒸汽管組結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3，共設(shè)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(lián)組成。蓄熱時，蒸汽從上至下通過蛇形管內(nèi)將熱量傳遞給管外的水。

表3 蒸汽管排結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.5 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用智能控制，設(shè)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(diào)節(jié)閥，并在冷水主管道和熱水主管道之間設(shè)計了熱水調(diào)溫旁路電動調(diào)節(jié)閥門組；各測點和電動調(diào)節(jié)閥將信號反饋到終端控制器。

智能控制系統(tǒng)一方面監(jiān)測蓄熱材料溫度，當(dāng)相變蓄熱材料測溫儀顯示全部蓄熱材料達(dá)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(guān)閉蒸汽進口管的電動調(diào)節(jié)閥，蓄熱過程結(jié)束；另一方面通過監(jiān)測熱水溫度，當(dāng)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(diào)節(jié)冷水進口管、熱水出口管和熱水調(diào)溫旁路上的電動調(diào)節(jié)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(dāng)熱水出口管出來的溫度低于熱用戶要求時，終端控制器關(guān)閉冷水進口管、熱水出口管和熱水調(diào)溫旁路上的電動調(diào)節(jié)閥，結(jié)束放熱和供熱過程。

2.6 系統(tǒng)經(jīng)濟性能分析

本文設(shè)計的智能移動蓄熱裝置系統(tǒng)性能參數(shù)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(nèi)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(zhuǎn)移，到達(dá)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(tǒng)性能參數(shù)

3 結(jié)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(nèi)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(xiàn)了城市間斷的、分散的余熱、廢熱的回收利用。