[发明专利]一种基于闭式重力热管的紧凑式梯级蓄热供热系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于闭式重力热管的紧凑式梯级蓄热供热系统及方法，供热系统包括高温蓄热模块、过渡蓄热换热模块、传动热开关结构、供热输出模块、加热控制系统。本发明将高温显热蓄热体与中低温相变蓄热体进行级联，既提供了高储能密度，保证了持续稳定的输出功率，又能利用高温显热蓄热体的高导热性实现热量快速储存和输出。本发明使用具有极高换热系数的闭式重力热管进行级间热量输运，提高了级间传热效率，减少了热量输运过程中的能源耗散，增强了系统结构的紧凑性，并且通过改变热管位置实现级间传热功率的调节。本发明的实施可增强蓄热供热系统在工程应用中的适用性和可靠性。

技术领域

本发明涉及一种基于闭式重力热管的紧凑式梯级蓄热供热系统及方法，属于显热蓄热供热技术与相变蓄热供热技术交叉领域。

背景技术

能源的生产与需求在时间、空间上存在差异，故能源的有效利用离不开高效的储能。近些年来，储能技术在政府和市场的支持下飞速发展，储能调峰的理念也越来越深入人心。储热作为储能的重要方式，也有着广阔的发展前景。

储热技术目前主要有显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热三种。显热储热技术利用材料温度变化储热，最为简单成熟，但输出功率会随着蓄热体温度的变化而产生较大波动，换热过程不稳定。潜热储热又称为相变储热，利用材料相变潜热储热。在相变过程中，材料处于恒温或在很窄温度范围内变化，输出功率稳定且具有较大储能密度，是目前研究的热点。化学能储热单位体积储热量大，且可长期储存，但由于技术较为复杂、成本高、安全性要求高，在工业中的应用有限。

对于显热蓄热系统，如何保证系统在加热和放热过程中的均温性是需解决的关键问题。在已有的研究中，通过切换不同温区段的管路换热面积来减缓温度波动是常用手段，中国专利ZL 201610318705.7和ZL 201610323747.X便在此基础上提出并联和串联管路的方式。但此方法并不能使输出温度曲线足够平缓，操作难度大，且导致系统复杂、可靠性低。另一种改进显热蓄热的方式是在显热材料中加入相变材料，将潜热材料与显热材料相结合，如相变材料微胶囊材料(专利US005709945A)；有机物/膨胀石墨复合相变储热材料(专利CN100999657A)，无机盐复合陶瓷基材料(专利CN1328107A)等。但由于自身性质及储热器结构等限制，现有的显热-潜热复合储热材料具有使用温度不高、长期使用稳定性差、制备工艺复杂等不足。

对于潜热蓄热系统，改善系统的导热性能、抗腐蚀性等也是亟需突破的要点。为改善充放热效果，一种解决方案是构建多级串联蓄热系统，如填充有不同相变温度材料的多级串联相变蓄热器(专利CN203518746U)，以及n个蓄热单元组成的高温梯级相变蓄热装置(专利CN110081753A)。此方案能提高相变材料的吸放热速率，但是级间的传热效率较低，长时间运行泵工消耗大，且系统结构复杂。

对于蓄热供热系统，单位体积储能密度越高，放热过程越稳定，各级传热效率越高，系统的经济性越好。凭借显热储热和相变储热材料，高储能密度和稳定供热的梯级蓄热已有了物质基础。而热管技术充分利用了热传导原理与相变介质的快速传热性质，导热系数极高。同时，使用闭式重力热管来进行储热材料的连接，无需泵工，可大大提高经济性。在以上技术的基础上，即可设计一款高储能密度，放热温度、输出功率稳定且结构紧凑的蓄热系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有复合储热材料使用温度不稳定、输出功率变化大、充放热过程效率较低等不足，提供一种基于闭式重力热管的紧凑式梯级蓄热供热系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于闭式重力热管的紧凑式梯级蓄热供热系统，其包括高温蓄热模块、过渡蓄热换热模块、传动热开关结构、供热输出模块和加热控制模块；