高温相变蓄热换热器研究

王建辉，刘自强，梁迎凯，刘 伟，王伟玉，彭国辉

(河北省科学院能源研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

我国冬季采暖普遍采用燃煤方式，因其排放的烟尘、CO2、SO2和NOx等污染物是我国北方近年来日趋严重的雾霾产生的重要原因，国内除少量大型热电厂得以保留外，北方各地尤其是京津冀地区普遍严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两种方式：煤改电和煤改气。与燃煤采暖相比，电采暖具有安全可靠、使用方便、舒适性好、无污染、清洁环保和占地少等优点，但成本要高出30%以上。另一方面，为鼓励电力需求侧用户多利用夜间的谷电，避开白天用电高峰，国家实行分时电价，例如河北省实行的电价政策就是，峰谷时段划分为：峰段为8:00～22:00时，谷段为22:00～次日8时。用户电压等级<1kV时，峰段电价为0.57元/kWh，谷段电价为0.31元/kWh；用户电压等级为1-10kV时，峰段电价为0.52元/kWh，谷段电价为0.28元/kWh[1]。谷电比峰电价格低45%左右。如何利用谷电为峰电时段供暖成为研发的热点[2-3]。目前最常用的是电蓄热式锅炉，它利用谷电时段，将蓄热砖加热到800℃左右，在峰电时段，通过风机将热空气吹出至换热器，将热水加热至用户[4]。它的缺点有两点：1、温度波动较大，随着供暖时间的延续，温度持续下降，用户供暖热体验不佳。2、由于蓄热砖热容量较低，蓄热温度过高，造成炉体热损失较大。

基于以上问题，本文提出了一种新型的电采暖供热方式——高温相变蓄热储能装置，以高温熔融盐和石蜡作为相变蓄热材料，晚上谷电阶段利用电加热进行加热储热，在需要热量时将所储热量释放使用，提供一种高效、节能的采暖方式。

1 蓄热技术概述

热能储存技术是能源科学技术中一个的重要分支，蓄热技术按原理可分为显热蓄热、潜热蓄热(相变蓄热)、显热潜热混合蓄热以及热化学蓄热。针对供热系统来说，常用的热量的储存技术基本上分为两大类型，即显热蓄热和相变蓄热。目前常用的显热蓄热方式有水箱蓄热和岩石堆积床蓄热等，其原理是通过水或岩石的温度升高(或降低)来吸收(或放出)热量的。而潜热蓄热是通过一些相变材料的相变来实现蓄热的目的。常用的相变材料有无机水合盐和石蜡类的有机物等。

相变储热材料与显热储热材料相比具有明显的优点，其储热容量大，储热密度高，单位质量、单位体积的储热量要远远超过显热储热材料。此外，显热储热过程中，温度变化范围很宽。而相变储热、放热过程中，温度波动范围很小，这是多数热利用设备所要求具备的基本性能。由于相变储热材料在热能利用方面具有的优越性能，利用其相变潜热来储存热能的潜热储热技术，在很多领域具有广阔的发展空间和应用前景。

国内外学者已经对相变蓄热储能材料进行了很多研究，并取得了一些进展。相变蓄热材料的种类很多，从化学组成来看，可分为无机材料、有机材料和混合相变材料三大类[5]。在有机材料里，石蜡以及酯酸类是常用的相变蓄热储能材料[6-9]。在无机类相变材料里，无机盐类是主要的相变蓄热材料[10]。在此类研究的基础上可以根据相变蓄热储能装置的实际应用情况选取适当的相变蓄热储能材料。

2 实验系统

2.1 蓄热材料

熔盐是在标准温度和大气压下呈固态，而温度升高后存在于液相的盐类，是成熟的储热介质。高温相变蓄热储能装置是利用电加热的形式进行蓄热，可以对蓄热材料进行高温蓄热，经分析研究，本实验装置选用某种三元熔盐作为第一级蓄热箱里的蓄热材料，其热物性参数如表1所示。

熔盐蓄热箱的蓄热温度很高，不宜直接为采暖房间供热，因此设置第二级蓄热箱，选取相变温度为70℃的石蜡作为蓄热材料，其热物性参数如表2所示。石蜡蓄热箱起到缓冲的作用。通过导热油实现熔盐蓄热箱与石蜡蓄热箱的热交换。

表1 三元熔盐热物性参数

表2 石蜡热物性参数

2.2 高温相变蓄热储能换热系统结构

本系统由电加热箱、熔盐蓄热箱、石蜡蓄热箱、导热油泵、风机盘管、蓄热控制阀、放热控制阀，温度控制系统等部件组成(系统如图1所示)。

1-电加热箱 2-风机盘管 3-熔盐蓄热箱 4-石蜡蓄热箱 5-蓄热控制阀 6-放热控制阀 7-导热油泵 8-涡街流量计 9-加热箱温度探头 10-熔盐箱温度探头 11-石蜡箱温度探头 12-熔盐箱出口温度探头 13-熔盐箱进口温度探头 14-石蜡箱出后温度探头 15-补油装置图1 熔盐、石蜡复合相变蓄热系统原理图

电加热箱里安装有可调功率的电加热棒，充满导热油。熔盐蓄热箱和石蜡蓄热箱中布置有蛇形排列的换热盘管，蓄热箱中充满蓄热材料，换热盘管内有换热流体(导热油)流过，蓄热箱外覆盖有保温层，可以减少蓄热箱的热损失。

2.3 系统工作流程

实验工作过程为两个过程：蓄热过程和放热过程。在冬季采暖过程中，蓄热过程即为在晚上低谷电时段，开启电加热箱，打开蓄热控制阀，开启导热油泵，使导热油在电加热箱和熔盐蓄热箱之间循环，将电加热箱产生的热量存储在熔盐蓄热箱中。

放热过程为在当白天非低谷电时段，关闭电加热箱，关闭蓄热控制阀，打开放热控制阀，开启导热油泵，导热油在熔盐蓄热箱、石蜡蓄热箱和风机盘管之间循环，使熔盐蓄热箱和石蜡蓄热箱中储存的热量通过风机盘管释放到采暖房间，为房间供暖。

2.4 数据测量与采集

电加热箱、蓄热箱、风盘管路中安装有热电偶对温度进行监控，电加热棒的开启与关闭通过温度控制自动进行，电加热功率由调压器和可控硅调节。导热油流量通过涡街流量计测量。流量、温度数据的测量和采集通过热电偶、数据采集器和电脑终端完成。

3 实验内容

3.1 石蜡蓄热箱和水蓄热充放热实验(相变蓄热与显热蓄热对比)

首先制作两个相同尺寸的蓄热箱，尺寸均为400mm×400mm×600mm，其中石蜡蓄热箱填装石蜡总质量为75kg，另一个蓄热箱装水95kg，电加热棒功率为3.0kW。分别对两个蓄热箱进行充放热实验。首先对石蜡蓄热箱进行了充放热实验，在谷电时段为石蜡蓄热箱加热蓄热，加热温度设定为80℃，在峰电时段对外放热。图2是石蜡蓄热箱温度变化图。

图2 石蜡蓄热箱温度变化图

由图2可以看出，在谷电时段(22:00-早8:00)为蓄热过程，蓄热开始时段(22:00-0:00)，石蜡蓄热箱温度升高速率很快，这是因为石蜡还未达到熔化温度，为显热换热；在0:00-4:00时段，温度变化比较平缓，这是由于温度达到熔化温度后，石蜡开始熔化，此时为潜热换热；在4:00-5:00时段，石蜡温度又比较快速地上升，由于这时石蜡熔化过程基本完成，又变为显热换热；5:00-8:00时段，石蜡温度稳定在80℃，是由于电加热棒加热温度控制在80℃。

在峰电阶段(8:00-22:00)为放热过程，在放热过程开始时段(8:00-9:00)，石蜡的温度下降速率很快，在9:00-18:00时段，石蜡的温度平缓降低，之后又快速降低。这同样是由于石蜡相变的影响作用。

图3是水蓄热箱充放热过程中温度变化图。由图3可以看出，在蓄热过程中，水箱温度很快升高，最后在电加热棒加热温度控制下稳定在80℃，在放热过程中，水箱温度又很快降低，没有温度变化平缓的时刻。这是由于水的蓄热过程全部是显热换热，没有潜热换热过程。

图3 水蓄热箱温度变化图

蓄热温度同样为80℃，石蜡蓄热箱蓄热时间为10h，放热时间为14h，水蓄热箱蓄热时间3.5h，放热时间为3.5h。说明石蜡蓄热箱能够满足谷电时段蓄热，峰电时段放热的需求。另外，石蜡蓄热箱的蓄热能力比水箱增大了很多，并且在放热过程中，温度变化平缓，使水箱温度波动较大的问题得到了缓解。在实际应用中，相变蓄热器的使用可以大大减小水箱的体积，降低工程成本和减小占用的空间。

3.2 熔盐、石蜡复合相变蓄热系统充放热实验

充放热过程中温度变化如图4所示。在蓄热过程(22:00-早8:00)，导热油在电加热箱内加热，通过熔盐蓄热箱对熔盐蓄热，然后再流回电加热箱，将熔盐加热到300℃。由图4可以看出，在22:00-0:00时段，熔盐温度上升速率很快；在0:00-1:00时段，温度达到熔盐熔点温度，温度上升平缓，1:00-7:00时段，温度超过熔点温度后上升速率加快，最后温度升到控制的300℃。

图4 熔盐、石蜡蓄热箱、风盘出口温度变化图

在放热时段(8:00-22:00)中，导热油先经过熔盐箱，再经过石蜡箱，从石蜡箱出来的导热油经过风机盘管后再进入熔盐箱。导热油经过熔盐箱被加热后，再对石蜡箱蓄热，石蜡箱温度升高，经过石蜡箱的导热油温度降低。由图4可以看出，在放热开始时段(8:00-11:00)，熔盐蓄热箱在通过风机盘管放热的同时，也对石蜡蓄热箱蓄热，熔盐蓄热箱温度下降，石蜡蓄热箱温度上升，风机盘管的温度在放热初始阶段温度有点高，但远远低于熔盐蓄热箱的温度。在放热过程中后段(11:00-22:00)，对风机盘管温度起作用的是石蜡蓄热箱，并且风盘温度变化平稳。

4 结果与讨论

(1)本实验中熔盐蓄热箱加热到300℃，提高了显热温差，但蓄热材料熔融盐理论上工作温度可达500℃以上，利用大温差的方法来增加显热蓄热能力，蓄热效果显著大于水，可以大大减小蓄热箱体积。

(2)石蜡的相变温度为70℃，增加石蜡蓄热箱，不仅可以利用石蜡的潜热蓄热，还可以起到缓冲的作用，在熔盐箱放热初期降低风盘的出口温度，使风机盘管放出的热量温度适宜房间采暖温度。并且在熔盐箱温度降低后通过石蜡蓄热箱放热，平稳风机盘管进出口温度，延长了风机盘管运行时间，提高了人体舒适度。

(3)与相变蓄热材料结合的电采暖具有安全可靠、使用方便、舒适性好、无污染、清洁环保和占地少等特点，还可对电力负荷起到削峰填谷的作用，充分使用谷价电能，大幅度降低了采暖费用。因此，高温相变蓄热电采暖系统具有很好的推广前景。

[1] 关于居民用电实行峰谷分时电价政策的通知(冀价管〔2015〕185号).河北省物价局.

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