高溫相變蓄熱換熱器研究

王建輝，劉自強(qiáng)，梁迎凱，劉 偉，王偉玉，彭國(guó)輝

(河北省科學(xué)院能源研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

我國(guó)冬季采暖普遍采用燃煤方式，因其排放的煙塵、CO2、SO2和NOx等污染物是我國(guó)北方近年來(lái)日趨嚴(yán)重的霧霾產(chǎn)生的重要原因，國(guó)內(nèi)除少量大型熱電廠(chǎng)得以保留外，北方各地尤其是京津冀地區(qū)普遍嚴(yán)格禁止分散式燃煤采暖，而采用能源替代方式。

目前燃煤替代最常用的有兩種方式：煤改電和煤改氣。與燃煤采暖相比，電采暖具有安全可靠、使用方便、舒適性好、無(wú)污染、清潔環(huán)保和占地少等優(yōu)點(diǎn)，但成本要高出30%以上。另一方面，為鼓勵(lì)電力需求側(cè)用戶(hù)多利用夜間的谷電，避開(kāi)白天用電高峰，國(guó)家實(shí)行分時(shí)電價(jià)，例如河北省實(shí)行的電價(jià)政策就是，峰谷時(shí)段劃分為：峰段為8:00～22:00時(shí)，谷段為22:00～次日8時(shí)。用戶(hù)電壓等級(jí)<1kV時(shí)，峰段電價(jià)為0.57元/kWh，谷段電價(jià)為0.31元/kWh；用戶(hù)電壓等級(jí)為1-10kV時(shí)，峰段電價(jià)為0.52元/kWh，谷段電價(jià)為0.28元/kWh[1]。谷電比峰電價(jià)格低45%左右。如何利用谷電為峰電時(shí)段供暖成為研發(fā)的熱點(diǎn)[2-3]。目前最常用的是電蓄熱式鍋爐，它利用谷電時(shí)段，將蓄熱磚加熱到800℃左右，在峰電時(shí)段，通過(guò)風(fēng)機(jī)將熱空氣吹出至換熱器，將熱水加熱至用戶(hù)[4]。它的缺點(diǎn)有兩點(diǎn)：1、溫度波動(dòng)較大，隨著供暖時(shí)間的延續(xù)，溫度持續(xù)下降，用戶(hù)供暖熱體驗(yàn)不佳。2、由于蓄熱磚熱容量較低，蓄熱溫度過(guò)高，造成爐體熱損失較大。

基于以上問(wèn)題，本文提出了一種新型的電采暖供熱方式——高溫相變蓄熱儲(chǔ)能裝置，以高溫熔融鹽和石蠟作為相變蓄熱材料，晚上谷電階段利用電加熱進(jìn)行加熱儲(chǔ)熱，在需要熱量時(shí)將所儲(chǔ)熱量釋放使用，提供一種高效、節(jié)能的采暖方式。

1 蓄熱技術(shù)概述

熱能儲(chǔ)存技術(shù)是能源科學(xué)技術(shù)中一個(gè)的重要分支，蓄熱技術(shù)按原理可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱(相變蓄熱)、顯熱潛熱混合蓄熱以及熱化學(xué)蓄熱。針對(duì)供熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，常用的熱量的儲(chǔ)存技術(shù)基本上分為兩大類(lèi)型，即顯熱蓄熱和相變蓄熱。目前常用的顯熱蓄熱方式有水箱蓄熱和巖石堆積床蓄熱等，其原理是通過(guò)水或巖石的溫度升高(或降低)來(lái)吸收(或放出)熱量的。而潛熱蓄熱是通過(guò)一些相變材料的相變來(lái)實(shí)現(xiàn)蓄熱的目的。常用的相變材料有無(wú)機(jī)水合鹽和石蠟類(lèi)的有機(jī)物等。

相變儲(chǔ)熱材料與顯熱儲(chǔ)熱材料相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，其儲(chǔ)熱容量大，儲(chǔ)熱密度高，單位質(zhì)量、單位體積的儲(chǔ)熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)顯熱儲(chǔ)熱材料。此外，顯熱儲(chǔ)熱過(guò)程中，溫度變化范圍很寬。而相變儲(chǔ)熱、放熱過(guò)程中，溫度波動(dòng)范圍很小，這是多數(shù)熱利用設(shè)備所要求具備的基本性能。由于相變儲(chǔ)熱材料在熱能利用方面具有的優(yōu)越性能，利用其相變潛熱來(lái)儲(chǔ)存熱能的潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)，在很多領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)相變蓄熱儲(chǔ)能材料進(jìn)行了很多研究，并取得了一些進(jìn)展。相變蓄熱材料的種類(lèi)很多，從化學(xué)組成來(lái)看，可分為無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料和混合相變材料三大類(lèi)[5]。在有機(jī)材料里，石蠟以及酯酸類(lèi)是常用的相變蓄熱儲(chǔ)能材料[6-9]。在無(wú)機(jī)類(lèi)相變材料里，無(wú)機(jī)鹽類(lèi)是主要的相變蓄熱材料[10]。在此類(lèi)研究的基礎(chǔ)上可以根據(jù)相變蓄熱儲(chǔ)能裝置的實(shí)際應(yīng)用情況選取適當(dāng)?shù)南嘧冃顭醿?chǔ)能材料。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 蓄熱材料

熔鹽是在標(biāo)準(zhǔn)溫度和大氣壓下呈固態(tài)，而溫度升高后存在于液相的鹽類(lèi)，是成熟的儲(chǔ)熱介質(zhì)。高溫相變蓄熱儲(chǔ)能裝置是利用電加熱的形式進(jìn)行蓄熱，可以對(duì)蓄熱材料進(jìn)行高溫蓄熱，經(jīng)分析研究，本實(shí)驗(yàn)裝置選用某種三元熔鹽作為第一級(jí)蓄熱箱里的蓄熱材料，其熱物性參數(shù)如表1所示。

熔鹽蓄熱箱的蓄熱溫度很高，不宜直接為采暖房間供熱，因此設(shè)置第二級(jí)蓄熱箱，選取相變溫度為70℃的石蠟作為蓄熱材料，其熱物性參數(shù)如表2所示。石蠟蓄熱箱起到緩沖的作用。通過(guò)導(dǎo)熱油實(shí)現(xiàn)熔鹽蓄熱箱與石蠟蓄熱箱的熱交換。

表1 三元熔鹽熱物性參數(shù)

表2 石蠟熱物性參數(shù)

2.2 高溫相變蓄熱儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由電加熱箱、熔鹽蓄熱箱、石蠟蓄熱箱、導(dǎo)熱油泵、風(fēng)機(jī)盤(pán)管、蓄熱控制閥、放熱控制閥，溫度控制系統(tǒng)等部件組成(系統(tǒng)如圖1所示)。

1-電加熱箱 2-風(fēng)機(jī)盤(pán)管 3-熔鹽蓄熱箱 4-石蠟蓄熱箱 5-蓄熱控制閥 6-放熱控制閥 7-導(dǎo)熱油泵 8-渦街流量計(jì) 9-加熱箱溫度探頭 10-熔鹽箱溫度探頭 11-石蠟箱溫度探頭 12-熔鹽箱出口溫度探頭 13-熔鹽箱進(jìn)口溫度探頭 14-石蠟箱出后溫度探頭 15-補(bǔ)油裝置圖1 熔鹽、石蠟復(fù)合相變蓄熱系統(tǒng)原理圖

電加熱箱里安裝有可調(diào)功率的電加熱棒，充滿(mǎn)導(dǎo)熱油。熔鹽蓄熱箱和石蠟蓄熱箱中布置有蛇形排列的換熱盤(pán)管，蓄熱箱中充滿(mǎn)蓄熱材料，換熱盤(pán)管內(nèi)有換熱流體(導(dǎo)熱油)流過(guò)，蓄熱箱外覆蓋有保溫層，可以減少蓄熱箱的熱損失。

2.3 系統(tǒng)工作流程

實(shí)驗(yàn)工作過(guò)程為兩個(gè)過(guò)程：蓄熱過(guò)程和放熱過(guò)程。在冬季采暖過(guò)程中，蓄熱過(guò)程即為在晚上低谷電時(shí)段，開(kāi)啟電加熱箱，打開(kāi)蓄熱控制閥，開(kāi)啟導(dǎo)熱油泵，使導(dǎo)熱油在電加熱箱和熔鹽蓄熱箱之間循環(huán)，將電加熱箱產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)在熔鹽蓄熱箱中。

放熱過(guò)程為在當(dāng)白天非低谷電時(shí)段，關(guān)閉電加熱箱，關(guān)閉蓄熱控制閥，打開(kāi)放熱控制閥，開(kāi)啟導(dǎo)熱油泵，導(dǎo)熱油在熔鹽蓄熱箱、石蠟蓄熱箱和風(fēng)機(jī)盤(pán)管之間循環(huán)，使熔鹽蓄熱箱和石蠟蓄熱箱中儲(chǔ)存的熱量通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管釋放到采暖房間，為房間供暖。

2.4 數(shù)據(jù)測(cè)量與采集

電加熱箱、蓄熱箱、風(fēng)盤(pán)管路中安裝有熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，電加熱棒的開(kāi)啟與關(guān)閉通過(guò)溫度控制自動(dòng)進(jìn)行，電加熱功率由調(diào)壓器和可控硅調(diào)節(jié)。導(dǎo)熱油流量通過(guò)渦街流量計(jì)測(cè)量。流量、溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集通過(guò)熱電偶、數(shù)據(jù)采集器和電腦終端完成。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 石蠟蓄熱箱和水蓄熱充放熱實(shí)驗(yàn)(相變蓄熱與顯熱蓄熱對(duì)比)

首先制作兩個(gè)相同尺寸的蓄熱箱，尺寸均為400mm×400mm×600mm，其中石蠟蓄熱箱填裝石蠟總質(zhì)量為75kg，另一個(gè)蓄熱箱裝水95kg，電加熱棒功率為3.0kW。分別對(duì)兩個(gè)蓄熱箱進(jìn)行充放熱實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)石蠟蓄熱箱進(jìn)行了充放熱實(shí)驗(yàn)，在谷電時(shí)段為石蠟蓄熱箱加熱蓄熱，加熱溫度設(shè)定為80℃，在峰電時(shí)段對(duì)外放熱。圖2是石蠟蓄熱箱溫度變化圖。

圖2 石蠟蓄熱箱溫度變化圖

由圖2可以看出，在谷電時(shí)段(22:00-早8:00)為蓄熱過(guò)程，蓄熱開(kāi)始時(shí)段(22:00-0:00)，石蠟蓄熱箱溫度升高速率很快，這是因?yàn)槭炦€未達(dá)到熔化溫度，為顯熱換熱；在0:00-4:00時(shí)段，溫度變化比較平緩，這是由于溫度達(dá)到熔化溫度后，石蠟開(kāi)始熔化，此時(shí)為潛熱換熱；在4:00-5:00時(shí)段，石蠟溫度又比較快速地上升，由于這時(shí)石蠟熔化過(guò)程基本完成，又變?yōu)轱@熱換熱；5:00-8:00時(shí)段，石蠟溫度穩(wěn)定在80℃，是由于電加熱棒加熱溫度控制在80℃。

在峰電階段(8:00-22:00)為放熱過(guò)程，在放熱過(guò)程開(kāi)始時(shí)段(8:00-9:00)，石蠟的溫度下降速率很快，在9:00-18:00時(shí)段，石蠟的溫度平緩降低，之后又快速降低。這同樣是由于石蠟相變的影響作用。

圖3是水蓄熱箱充放熱過(guò)程中溫度變化圖。由圖3可以看出，在蓄熱過(guò)程中，水箱溫度很快升高，最后在電加熱棒加熱溫度控制下穩(wěn)定在80℃，在放熱過(guò)程中，水箱溫度又很快降低，沒(méi)有溫度變化平緩的時(shí)刻。這是由于水的蓄熱過(guò)程全部是顯熱換熱，沒(méi)有潛熱換熱過(guò)程。

圖3 水蓄熱箱溫度變化圖

蓄熱溫度同樣為80℃，石蠟蓄熱箱蓄熱時(shí)間為10h，放熱時(shí)間為14h，水蓄熱箱蓄熱時(shí)間3.5h，放熱時(shí)間為3.5h。說(shuō)明石蠟蓄熱箱能夠滿(mǎn)足谷電時(shí)段蓄熱，峰電時(shí)段放熱的需求。另外，石蠟蓄熱箱的蓄熱能力比水箱增大了很多，并且在放熱過(guò)程中，溫度變化平緩，使水箱溫度波動(dòng)較大的問(wèn)題得到了緩解。在實(shí)際應(yīng)用中，相變蓄熱器的使用可以大大減小水箱的體積，降低工程成本和減小占用的空間。

3.2 熔鹽、石蠟復(fù)合相變蓄熱系統(tǒng)充放熱實(shí)驗(yàn)

充放熱過(guò)程中溫度變化如圖4所示。在蓄熱過(guò)程(22:00-早8:00)，導(dǎo)熱油在電加熱箱內(nèi)加熱，通過(guò)熔鹽蓄熱箱對(duì)熔鹽蓄熱，然后再流回電加熱箱，將熔鹽加熱到300℃。由圖4可以看出，在22:00-0:00時(shí)段，熔鹽溫度上升速率很快；在0:00-1:00時(shí)段，溫度達(dá)到熔鹽熔點(diǎn)溫度，溫度上升平緩，1:00-7:00時(shí)段，溫度超過(guò)熔點(diǎn)溫度后上升速率加快，最后溫度升到控制的300℃。

圖4 熔鹽、石蠟蓄熱箱、風(fēng)盤(pán)出口溫度變化圖

在放熱時(shí)段(8:00-22:00)中，導(dǎo)熱油先經(jīng)過(guò)熔鹽箱，再經(jīng)過(guò)石蠟箱，從石蠟箱出來(lái)的導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管后再進(jìn)入熔鹽箱。導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)熔鹽箱被加熱后，再對(duì)石蠟箱蓄熱，石蠟箱溫度升高，經(jīng)過(guò)石蠟箱的導(dǎo)熱油溫度降低。由圖4可以看出，在放熱開(kāi)始時(shí)段(8:00-11:00)，熔鹽蓄熱箱在通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管放熱的同時(shí)，也對(duì)石蠟蓄熱箱蓄熱，熔鹽蓄熱箱溫度下降，石蠟蓄熱箱溫度上升，風(fēng)機(jī)盤(pán)管的溫度在放熱初始階段溫度有點(diǎn)高，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔鹽蓄熱箱的溫度。在放熱過(guò)程中后段(11:00-22:00)，對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管溫度起作用的是石蠟蓄熱箱，并且風(fēng)盤(pán)溫度變化平穩(wěn)。

4 結(jié)果與討論

(1)本實(shí)驗(yàn)中熔鹽蓄熱箱加熱到300℃，提高了顯熱溫差，但蓄熱材料熔融鹽理論上工作溫度可達(dá)500℃以上，利用大溫差的方法來(lái)增加顯熱蓄熱能力，蓄熱效果顯著大于水，可以大大減小蓄熱箱體積。

(2)石蠟的相變溫度為70℃，增加石蠟蓄熱箱，不僅可以利用石蠟的潛熱蓄熱，還可以起到緩沖的作用，在熔鹽箱放熱初期降低風(fēng)盤(pán)的出口溫度，使風(fēng)機(jī)盤(pán)管放出的熱量溫度適宜房間采暖溫度。并且在熔鹽箱溫度降低后通過(guò)石蠟蓄熱箱放熱，平穩(wěn)風(fēng)機(jī)盤(pán)管進(jìn)出口溫度，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)盤(pán)管運(yùn)行時(shí)間，提高了人體舒適度。

(3)與相變蓄熱材料結(jié)合的電采暖具有安全可靠、使用方便、舒適性好、無(wú)污染、清潔環(huán)保和占地少等特點(diǎn)，還可對(duì)電力負(fù)荷起到削峰填谷的作用，充分使用谷價(jià)電能，大幅度降低了采暖費(fèi)用。因此，高溫相變蓄熱電采暖系統(tǒng)具有很好的推廣前景。

[1] 關(guān)于居民用電實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)政策的通知(冀價(jià)管〔2015〕185號(hào)).河北省物價(jià)局.

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