移动蓄热技术的研究进展

杨 波，李 汛，赵 军

（天津大学机械工程学院中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）

能源是人类生存和发展的基础，随着科学技术的发展，人类对能源的需求日益增加，化石能源的大量消耗，使得能源短缺环境污染的问题日益突出。改革开放以来，我国经济持续高速增长，能源的消耗也随之增长。但我国能源的利用效率低、经济效益差，所以节能减排、提高能源综合利用率作为能源发展战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本途径，处于优先发展的地位。

目前，我国能源效率存在两方面的情况：一方面大量的工业余热因无法有效利用被白白浪费掉；另一方面许多的热能用户依靠自备锅炉来产生热能，造成了能源双重损失的问题。回收废热提高能源利用率对于我国实现节能减排、环保发展战略具有重要的意义。但一般废热的回收与其利用之间存在时间和地域性的差异，针对上述问题，利用移动式蓄热技术[1-3]可以将热电厂、冶炼厂、化工厂、焦化厂等高耗能企业产生的余热回收储存起来，输送至附近的医院、学校、洗浴中心、宾馆、居民小区等热能用量较大的用户处，为其提供热水、供暖，或可作为吸收制冷机组的工作热源使用。它的推广应用既可使工业余热得到有效利用，又减少了部分热能用户化石燃料的消耗，使得经营成本降低、二氧化碳等温室气体的排放减少，是一条合理利用能源及减轻环境污染的有效途径。

1 我国余热资源的现状分析

余热是在工业生产过程中未被利用的直接被排放到环境中的一部分热能。它是载于工业排放出的固体、液体和气体等介质的二次能源，如刚出炉的钢锭、热烟气、炉渣、冷凝水等物体携带的热能。按照余热的来源分，工业余热可被分为高温烟气余热、高温炉渣余热、高温产品余热、冷却介质余热、可燃废气余热、化学反应余热和冷凝水余热等[4-8]。

燃料在工业炉及燃气轮机等燃烧后排除的高温烟气余热，会带走很大一部分的热量，是工业上热量损失的主要途径之一。工业烟气余热排放量大、连续性较强，便于回收和利用，节能潜力很大。

高温炉渣余热主要是煤燃烧后的产物，产自于冶炼炉、锅炉等。这种余热以显热形式存在，在工业生产中会有部分余热得到回收，但大多数直接散失在环境中。

可燃废气余热主要产生于冶金高炉、吹转炉产出的煤气等，产量很大，分布较广，一般利用价值较高。

高温产品余热温度高，但一般不好利用，主要源于炼焦炉产出的焦炭、冶金浇注阳极板等。

化学反应的余热则来源于化工行业的生产过程。这一部分余热的有效利用，可达到降低投入成本、强化生产工艺的效果。

冷却介质余热产生于各种汽化冷却装置产出的蒸汽、轧机的冷却水等。各种工业炉窑的水套等冷却装置排出大量冷却水，这些余热目前基本上未得到利用。冷凝水余热则是指各工业部门生产过程中的蒸汽，在使用后冷凝成水所具有的部分显热。

余热资源往往存在以下特点：余热产生的周期性、不连续性使余热量不稳定；余热介质中存在腐蚀性物质；余热回收利用装置使用中还会受一定限制。但我国能源利用率低，余热资源量大，利用好工业余热对于我国节能减排工作尤为重要。

2 移动蓄热技术在余热回收中的应用现状

所谓移动蓄热技术，就是当热源生产者（如工业废热、废蒸汽、废烟气、废渣等）与热能消费者有一定距离时利用装有储热材料的车来运送热量。它解决了由于时间及地点上供热与用热的不匹配和不均匀所导致的能源利用率低的问题，是提高能源利用率的重要手段之一。

移动供热车[9-10]是一种新型的余热利用与集约化供热模式。移动供热打破了管道运输的模式，灵活方便，是热量输送技术的一次革命性突破。它主要由储热元件、控制部件及放热/储热管道、载车等部分组成，以高性能蓄热材料和蓄热元件为核心，可将热电厂、冶金、水泥厂等高耗能单位的余热、废热回收储存，并用汽车运输到宾馆饭店、洗浴中心、居民住宅、学校、医院、部队等热用户处，提供生活热水和供暖。使用移动蓄热技术在节能减排方面有着显著效果，同时其适用范围广，使用方便。

蓄热技术是移动蓄热的核心技术，目前热能储存技术主要研究显热、潜热和热化学能3种热能的储存[11-12]。其中化学能储能比显热和潜热储热的热密度都要大，而且可以长时间储存，不需要保温的储热罐，但由于反应所需装置复杂精密，技术比较复杂，使用不便，使其在蓄热车上的应用受到限制。

2.1 显热蓄热技术在移动蓄热的应用

显热蓄热就是对蓄热材料加热时，其温度升高，内能增加，从而将热能储存起来。利用显热蓄热时，蓄热材料在储存和释放能量时，材料自身只发生温度的变化，而不发生其它任何变化，存储能力主要依靠存储材料的比热容和密度决定。显热储热原理简单，技术成熟，是蓄热技术中实际应用最早、推广最普遍的一种。其中常见的可用于移动供热车的显热蓄热介质有水、水蒸气、土壤、岩石和熔盐等[10-12]，物性参数见表1。

水的比热容大约是岩石比热容的4.8倍，而岩石的密度只是水的2.5～3.5倍，因此水的储热密度比岩石大。另外，水作为蓄热车储热介质，具有很多优点：①普遍存在，来源丰富，价格低廉。②其物理化学及热力性质已被清楚了解，应用技术成熟。③传热及流体特性好，对换热器要求不高，作为移动蓄热车储热材料，在用户侧则可以省去换热设备，作为热水直接可以利用。

表1 水、岩石和土壤在20℃储热性能参数

显热蓄热主要用来存储温度较低的余热能，一般低于150 ℃，因转换成为机械能、电能或其它形式能量的效率不高，一般仅用于供暖。

显热蓄热方式简单，技术成熟，成本低廉，但一般该类材料储能密度低，且在放热过程中温度会发生连续变化，而且热流也不稳定，使其广泛应用受到一定限制。

2.2 相变蓄热技术在移动蓄热的应用

相变潜热储能是利用材料在相变过程中吸收或者释放潜热来储能和释能，其储能密度要比显热储能系统至少高出一个数量级[13-16]。相变储能还有一个优点是可以稳定地输出热量并且换热介质温度基本不变，进而可以使得蓄热系统在稳定状态下运行。

通常物质的相变包括以下几种形式：固态-液态相变、液态-气态相变、固态-气态相变及固态-固态相变[14]。

虽然液态-气态或固态-气态在转化时所伴随着的相变潜热比固液转化时的相变潜热大许多，但是相变过程中容积的巨大变化使得其在工程上的实际应用有着很大困难，所以目前考虑的大都是固液相变式蓄热。

2.2.1 相变蓄热材料的研究进展

相变蓄热材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。在工程应用中主要考虑的是合适的相变温度、相变潜热高和价格便宜，要注意过冷、相分离和腐蚀等问题。相变储能材料的种类很多，存在形式也多种多样，从材料成分来看，相变蓄热材料包括有机类和无机类材料；从储热温度来分，相变蓄热材料又可分为高温（120～850 ℃）和中低温（0～120 ℃）[4，15]。表2列出了一些常见的相变材料及其物性参数。在工程实际应用中，应针对不同温度的工业余热资源选取合适的相变材料。

2.2.2 相变蓄热材料在移动蓄热车的工程应用

以相变材料作为蓄热介质的蓄热车收集工厂废热[17-24]，其技术优点是：灵活、效率高、供热稳定。如图1所示，蓄热箱内的相变材料吸收工厂废热后熔化，经过运输工具送至用户端，蓄热材料凝固释放热量，给用户配送热能。

以相变材料为蓄热载体的移动式蓄热系统热容量大、热流稳定，受到很多研究者青睐。日本的Takahiro Nomura等[17]设计了一种用相变材料为储热材料的潜热运输系统，可以回收钢厂300 ℃以上的废热，然后经卡车运输至化工厂蒸馏塔作热源使用。他们通过理论计算，把所设计的潜热运输系统的运行参数与传统供热方式以及显热为蓄热材料的蓄热车作了对比。结果显示，在蓄热材料一定的条件下以NaOH（固态相变293 ℃，固液相变300 ℃）为相变材料的蓄热设备是显热蓄热系统的蓄热能力的2.6倍；另外，在供能量一定的工况下，其耗能是没有热回收设备的传统供热方式所需能量的8.6%，损失以及CO2排放量也大大减少。分析证明，潜热蓄热运输系统具有很好的工程应用性，在节能、减少环境污染方面有很大优势。王伟龙等[9，19]用移动蓄热技术把热电厂与分布用户联系起来，并接着开展了移动蓄热技术的实验研究，为其应用提供了理论依据和技术支持。

表2 常见相变蓄热材料及其物性参数

图1 移动蓄热技术原理图

移动蓄热技术在工程实例上的应用，如在德国，Transheat公司提供了一个移动蓄热车示范工程，把180 ℃的工业废热储存于相变材料，然后再利用卡车运输至30 km以外的办公区，把热量提供给需求量较大的供热设备与吸收式制冷设备，计算其运行成本，具有相当可观的经济性[20-21]。日本也做了工程示范点，把工厂的废热储存在相变蓄热材料之中，然后经运输工具转运给除湿空调系统，反响很大。

在我国，中益能移动供热有限公司推出了一种移动供热车[22]，利用蓄热元件并以高性能稀土HECM-WD03作为相变蓄热材料，将工业生产中的余热、废热回收储存，经卡车运输到热用户处，再通过换热设备把热量提供给用户。这项技术经鉴定中心节能量认证，每辆移动蓄能供热车运行一年可节约燃煤600 t以上，此移动蓄热车的使用，既可使工业余热废热得到回收利用，同时在把热能配送给热用户的过程中又可以替代各种产热锅炉，减少了化石能源（煤、石油、天然气等）的消耗，也降低了二氧化碳的排放。

2.2.3 相变蓄热材料的强化换热

应用相变储能时，由于在固态时没有对流，而相变材料的导热系数一般都比较低，并且相变过程中体积又是在变化的，所以无论是在充能时把热量传给储能介质还是在释能时把热量放出，都不像显热那么容易，因此要采取一些措施来提高其传热系数。根据相变材料的封装和工作方式的不同，常被应用于余热回收的相变储能系统技术有以下几种[4，23-24]。

（1）使用肋片，增大传热面积 在相变蓄热系统中使用肋片来强化传热，可使换热面积增大，进而提高相变蓄能系统的传热性能，此法在工程应用中易于实现，较为常用，国内外学者也对使用肋片加强蓄热效率做了大量研究工作。胡凌霄等[25]使用计算工具Fluent软件数值模拟了环形肋片对相变蓄能系统的作用，对所得数据分析，发现肋片间距及厚度等参数对储热管放热效果有影响，并得到了环肋片最佳间距以及肋厚的数据。重庆大学唐刚志等[26]对针翅管式相变蓄热器的传热特性做了实验研究，发现三维针翅管换热器在强化换热上表现出了良好的效果。Francis Agyenim等[27-28]也对翅片的强化传热效果做了大量实验分析，发现长直肋的强化传热作用效果最好。

在相变储能系统中使用肋片可有效提高相变材料的传热性能，根据目前已有的研究结果显示，要想达到强化传热的最佳效果，需合理考虑所用肋片的尺寸、类型以及布置方式等，因此在工程应用中肋片的选择一般应根据实际情况而定。

（2）填充材料，改变传热系数 为了提高相变材料的导热性能，在其中添加一些导热性能良好的材料来提高相变材料的导热能力，也是一种较为常用的方法。一般金属填料、石墨、碳纤维等常被作为填充材料[29-33]。表3列出了几种填充物质对蓄热材料传热性能的影响。

（3）相变材料与传热流体直接接触换热 这种方法中的相变材料与传热流体不相容，即相变材料虽与传热流体直接接触，但各自物理、化学性质不发生任何变化。在日本Akihide Kaizawa等[34]设计了直接式移动蓄热系统，以赤藻糖醇为相变蓄热材料，导热油为传热流体，并通过蓄热箱体有可视化窗口直接观测了充放热过程中内部蓄热熔化和放热凝固行为以及流动规律，并指出入油口位置和数目对蓄热时间构成影响。让蓄热材料和传热流体直接接触，相对于间接式蓄热系统，换热过程不仅没有管路的热阻，而且以对流换热为主，会表现出良好的充放热特性。

表3 填充物对相变蓄热材料传热性能的影响

（4）把相变材料封装后放在传热流体中 相变材料和传热流体直接接触换热固然可使得传热加强，但大部分相变蓄热材料并不能找到适合直接接触的传热介质，当相变材料与传热液体不能直接接触时也可采用封装蓄热材料的方法，把封装有蓄热材料的小球放置于储热容器中，传热流体在容器中流动而实现换热，这种方法叫作胶囊型[35]。章学来等[36]设计了一种利用相变蓄热球的移动供热装置用。该装置包括蓄热箱体、相变蓄热球、供热换热器、取热换热器，相变材料填充在相变蓄热球内，相变蓄热球填充在蓄热箱体内的蓄热室里，取热换热器设在蓄热室的上部，下部则是供热换热器。图2是所设计装置的原理图，此装置具有结构简单、换热效率高、蓄热密度大、放热稳定的特点，流体在工作过程中流经换热器内部，而不是通过一层管壁与蓄热相变材料发生热交换，这样可以避免由于长时间的使用，设备发生泄漏而致使供热流体漏到蓄热腔中污染相变材料的问题。

3 移动蓄热技术的应用

移动供热的终端用户主要是宾馆、酒店、洗浴中心、学校、医院、部队、厂区、小区等。

（1）居民小区供暖 近些年，房地产是发展速度较快的几个行业之一。由于城市化速度较快，所以集中供暖不能事先全范围地覆盖，集中供暖缺口非常大，这为移动供热技术的发展提供了最主要的因素。

图2 相变蓄热球的移动供热装置原理图

（2）宾馆、酒店、洗浴中心、游泳池 随着中国经济的快速发展，国外和内地以及各个地区经济文化的交流日益频繁，这就导致了人口的流动性增强，为宾馆、酒店、洗浴中心提供了庞大的客源支持，为其发展提供的基础。事实上，宾馆、酒店、洗浴中心的发展速度也确实跟上了经济发展的速度，成为城市里热需求较稳定的用户。

（3）寄宿制学校、医院 这些企业或单位固定在某一区域内，其数量和规模在短期内不会发生较大的变化，而且其对热能或者热水的需求比较稳定，主要是浴池洗澡以及冬季供暖，为移动供热项目提供稳定的基础。

（4）居民小区热水 随着经济的发展，居民小区的数量迅速增加，而像24小时热水等服务也纷纷进入了普通小区，这为移动供热项目的发展提供了积极因素。

4 结 语

本文作者介绍了移动蓄热技术的研究进展。该技术可以将工业余热回收储存起来，经卡车运输到附近的热用户处给其提供热能，它的推广应用既可使工业余热得到充分利用，又可使热能用户的化石燃料消耗减少，进而降低了二氧化碳的排放量，是一项提高能源利用率保护环境的重要技术。

显热蓄热和潜热蓄热技术均可应用于移动蓄热车上，显热蓄热方式简单，成本低廉，但储能密度低，且在放热过程中温度会发生连续变化，使其广泛应用受到一定限制。

潜热蓄热储能密度高，所用装置简单，体积小，而且相变过程是一个近似恒温过程。开发新型相变蓄热材料，研究相变传热机理，提高其传热效率，将相变蓄热技术更好地应用到移动式蓄热系统当中， 以相变材料为蓄热载体的移动蓄热技术在工业回收利用的应用具有广阔的前景。

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