一种风能制热机组及其运行方法

摘要

本发明涉及一种用于风能制热机组及其运行方法。包括迎风叶片、油压泵、产热装置和蓄能换热器，所述迎风叶片通过传动轴连接驱动油压泵，在油压泵的压出端与产热装置之间由管道连接，蓄能换热器设有制热流体管路和取热介质管路，制热流体管路的入口与产热装置的下游之间由管道连接，制热流体管路的出口与油压泵的吸入端之间由管道连接。采用迎风叶片采集风能，机械传动驱动油泵，从而将风能转化为制热流体的压力能。制热流体流过产热部件，将流体压力能转化为动能，再转化为热能。热能被蓄存在蓄能换热器中。当需要用热时，取热介质流过能量浓缩器，将热取出。

权利要求

1.一种风能制热机组，其特征在于：包括迎风叶片（1）、油压泵（4）、产热装置（2）和蓄能换热器（3），所述迎风叶片（1）通过传动轴（11）连接驱动油压泵（4），在油压泵（4）的压出端与产热装置（2）之间由管道连接，蓄能换热器（3）设有制热流体管路（32）和取热介质管路（33），制热流体管路的入口（321）与产热装置（2）的下游之间由管道连接，制热流体管路的出口（322）与油压泵（4）的吸入端之间由管道连接，所述产热装置（2）包括制热流体入口管段（21）、制热流体出口管段（22）和壳体（23），所述壳体（23）与制热流体入口管段（21）和制热流体出口管段（22）的外壁密封连接，在制热流体入口管段（21）和制热流体出口管段（22）之间，设有喉管部（24），喉管部（24）与制热流体入口管段（21）和制热流体出口管段（22）之间为密封连接，在制热流体入口管段（21）中设有分流孔（25）, 在喉管部（24）的后部设有汇流孔（26）。

2.根据权利要求1所述的风能制热机组，其特征在于：所述分流孔（25）至少为3个，分流孔孔径为喉管直径的3/10—2/5，所述喉管部（24）的直径为入口管段直径的1/4—2/7，汇流孔（26）至少为3个，汇流孔孔径为喉管部（24）直径的3/10—2/5。

3.根据权利要求1所述的风能制热机组，其特征在于：所述蓄能换热器（3）包括外壳（31）以及置于其中的制热流体管路（32）和取热介质管路（33），制热流体管路（32）和取热介质管路（33）在外壳（31）内部呈正三角形叉排，制热流体管路（32）和取热介质管路（33）之间以及管路与金属外壳之间为相变材料填充空间（34）。

4.根据权利要求3所述的机组，其特征在于：在所述蓄能换热器（3）上设有相变材料膨胀器（36）。

5.根据权利要求1所述的机组，其特征在于：在所述产热装置（2）、蓄能换热器（3）的外壳上以及其连接管道上设有保温层。

6.一种如权利要求1-5任一项所述风能制热机组的运行方法，其特征在于：制热流体首先在油压泵（4）的驱动下通过产热装置（2）完成“风能→机械能→压力能→动能→热能”的能量转化过程；从产热装置（2）流出的高温态制热流体进入蓄能换热器（3），将制热流体的热能部分传递给相变材料；从蓄能换热器（3）流出的低温态制热流体，被吸回油压泵（4）的吸入端，至此制热流体完成一个循环；风能驱动迎风叶片1转动，通过传动装置驱动油压泵（4）工作，使制热流体在系统中不断循环；使相变材料的温度不断升高，将热能蓄存在蓄能换热器（3）的相变材料中；需要用热时，取热介质流过蓄能换热器（3）中的取热介质管路（33），将相变材料蓄存的能量取出。

7.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于：所述制热流体为蓖麻油。

8.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于：所述相变材料为相变石蜡。

9.根据权利要求6所述的运行方法，其特征在于：所述取热介质为水或制冷剂。

说明书

一种风能制热机组及其运行方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种风能制热机组及其运行方法。

背景技术

[0002] 在风力资源丰富的地区，许多设备采用风能发电、提水、研磨稻谷等。然而，风能制热由于无法像发电那样易于传输而没有受到足够的重视。实际上，相比风能发电，风能制热的效率更高，结构也更简单。但是现有的风能制热系统存在严重的不足。主要表现在：实际效率低下；无法实现直接用热。造成实际效率低下的主要原因是风能本身的特点：能流密度低；间歇性；不稳定。无法直接用热的主要原因是产热效率低下。因此，如何将能流密度不高的风能加以浓缩后利用，才是目前风能制热的主要课题。也是本发明要解决的问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于解决现有风能制热系统、原理、方法中存在实际应用效率低下、无法实现直接用热的问题，提供一种风能制热机组及其运行方法。

[0004] 本发明，所述风能制热机组，包括迎风叶片、油压泵、产热装置和蓄能换热器，所述迎风叶片通过传动轴连接驱动油压泵，在油压泵的压出端与产热装置之间由管道连接，蓄能换热器设有制热流体管路和取热介质管路，制热流体管路的入口与产热装置的下游之间由管道连接，制热流体管路的出口与油压泵的吸入端之间由管道连接。

[0005] 本发明，所述产热装置包括制热流体入口管段、制热流体出口管段和壳体，所述壳体与制热流体入口管段和制热流体出口管段的外壁密封连接，在制热流体入口管段和制热流体出口管段之间，设有喉管部，喉管部与制热流体入口管段和制热流体出口管段之间为密封连接，在制热流体入口管段中设有分流孔, 在喉管部的后部设有汇流孔。

[0006] 本发明，所述蓄能换热器包括外壳以及置于其中的制热流体管路和取热介质管路，制热流体管路和取热介质管路在外壳内部呈正三角形叉排，制热流体管路和取热介质管路之间以及管路与金属外壳之间为相变材料填充空间。

[0007] 本发明，在所述蓄能换热器上设有相变材料膨胀器。

[0008] 本发明，在所述产热装置、蓄能换热器的外壳上以及其连接管道上设有保温层。

[0009] 本发明，所述风能制热机组的运行方法为：制热流体首先在油压泵的驱动下通过产热装置完成“风能→机械能→压力能→动能→热能”的能量转化过程；从产热装置流出的高温态制热流体进入蓄能换热器，将制热流体的热能部分传递给相变材料；从蓄能换热器流出的低温态制热流体，被吸回油压泵的吸入端，至此制热流体完成一个循环；风能驱动迎风叶片转动，通过传动装置驱动油压泵工作，使制热流体在系统中不断循环；使相变材料的温度不断升高，将热能蓄存在蓄能换热器的相变材料中；需要用热时，取热介质流过蓄能换热器的取热介质管路，将相变材料蓄存的能量取出。

[0010] 本发明，所述制热流体应采用比热容小于1.8的低粘度微膨胀牛顿流体。要求该流体对大多数金属材料无腐蚀性；无毒；应用温度范围内物理化学性质稳定，无相变；燃点高；闪点高；爆炸极限高。制热流体优选为蓖麻油。

[0011] 本发明，所述相变材料可以采用有机高温相变材料。相变材料优选为相变石蜡。

[0012] 本发明，所述取热介质可以是水，以直接提供热水；也可以是其它工质，例如制冷剂。如此一来，蓄能换热器就可充当制冷循环中的蒸发器，作为低位热源使用。

[0013] 本发明，其优越性及特点为：

[0014] （1）产热原理更加先进合理。现有的风能制热技术原理是摩擦制热，其缺点是效率低，设备磨损严重。例如搅拌液体式、金属摩擦式。本发明的制热原理是流体动力学能量守恒方程。避免了固体—液体/固体—固体的产热缺陷。充分利用流体自身的特质，把流体的压力能逐步转化为流体的热能，以温度的形式表现出来。从原理上取得了进步；

[0015] （2）成本较低。由于省去了搅拌叶片/摩擦金属块，也节省了设备损耗—更新的费用。本发明涉及的新系统结构简单，使用寿命长，也可实现自动控制；

[0016] （3）提高了风能利用的效率。由于产热原理的进步以及蓄能换热器的使用，风能利用的效率得到了提高。也提高了风能制热系统的实际使用效率。避免了风能自身能流密度低，间歇性，不稳定的弊端；

[0017] （4）低碳环保。热能源于风能，减少了化石燃料的燃烧，减少了碳排放。

[0018] 本发明适用于我国西北、东南沿海等多风地区。在西北地区，可以为牧民提供生活、畜牧用热水。在东南沿海，不仅可以用于生活热水，更适于水产养殖，水产低温烘干等用热水。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例风能制热机组的结构原理简图。图2为产热装置的工作原理示意图。图3为产热装置的结构示意图。图4-图9为蓄能换热器的结构原理图，其中：图4-图5为外部结构及制热流体管路和取热介质管路在外壳中的排列情况示意图；图6-图7为制热流体管路的分布结构示意图；图8-图9为取热介质管路的分布结构示意图。

[0020] 图中，1、迎风叶片；11、传动轴；2、产热装置；21、流体入口管段；22、流体出口管段；23、壳体；24、喉管部；25、分流孔；26、汇流孔； 27、恒压腔 3、蓄能换热器；31、外壳；311、箱体上部的留空空间；312、箱体下部的留空空间；32、制热流体管路；321、制热流体总入口；322、制热流体总出口；33、取热介质管路；331、取热介质总入口；332、取热介质总出口；34、相变材料填充空间；35、保温层；36、相变材料膨胀器；37、相变材料充注口；38、排气口；4、油压泵。

具体实施方式

[0021] 实施例1、参照图1-图9，一种风能制热机组，包括迎风叶片1、油压泵4、产热装置2和蓄能换热器3，所述迎风叶片1通过传动轴11连接驱动油压泵4，油压泵4由底座固定于地面上，在油压泵4的压出端与产热装置2之间由管道连接，蓄能换热器3设有制热流体管路32和取热介质管路33，制热流体管路的入口321与产热装置2的下游之间由管道连接，制热流体管路的出口322与油压泵4的吸入端之间由管道连接。

[0022] 其中，产热装置2是一种特制的阻尼管，可由铜、硬铝或不锈钢制成，外包保温层（图中未画出），所述产热装置2包括制热流体入口管段21、制热流体出口管段22和壳体23，所述壳体23与制热流体入口管段21和制热流体出口管段22的外壁密封连接，在制热流体入口管段21和制热流体出口管段22之间，设有喉管部24，喉管部24与制热流体入口管段21和制热流体出口管段22之间为密封连接，在制热流体入口管段21中设有分流孔25, 在喉管部24的后部设有汇流孔26。所述分流孔25至少为3个，分流孔孔径为喉管直径的3/10—2/5，所述喉管部24的直径为入口管段直径的1/4—2/7，汇流孔26至少为3个，汇流孔孔径为喉管部24直径的3/10—2/5。

[0023] 产热装置2的工作原理为：风能驱动迎风叶片1转动，通过传动装置驱动油压泵4工作，使制热流体在油压泵4→产热装置2→蓄能换热器3→油压泵4的系统中不断循环。风能驱动油压泵4之后，将动能转化为静压。静压较高的制热流体进入产热装置2的流体入口管段21，经过分流孔25时，流体分为两部分——管内流体和外腔（恒压腔）流体。外腔流体保持入口侧的状态——较高的静压力，较低的流速。管内流体经过喉管部24后，静压降低，动压升高，获得了较高的动能。向前流动至汇流孔26，恒压腔（外腔）27内的流体在较高的静压作用下，从汇流孔26向管内流动。此时高速流体与低速流体碰撞掺混，完成了动量交换与压力平衡。由经典黏性不可压缩流体的动力学方程组可知，这个平衡过程将产生大量的耗散热。本发明正是利用方程中的耗散项达到产热目的的。完成热力均衡后的制热流体，具备了较高的温度和动压。

[0024] 蓄能换热器3包括金属外壳31、底座、制热流体管路32、取热介质管路33、相变材料填充空间34、带有相变材料注入孔37和排空口38的顶板、外保温层35。所述顶板和底座上下平行设置。蓄能换热器3外壳应钢制，其内部的制热流体管路32、取热介质管路33由导热性能优良的紫铜制成，制热流体管路32和取热介质管路33在外壳31内部可以是串联形式的蛇形管，也可以是并联形式的梳式管，或者两者兼有，本实施例要求单根管长不宜超过1.4m。本实施例所述制热流体管路32和取热介质管路33的排列采用并联形式的梳式管。在蓄能换热器3上设置相变材料膨胀器36。其充注口37和排空口38采用机械密封。

[0025] 蓄能换热器3的工作原理为：风能驱动迎风叶片1转动，通过传动装置驱动油压泵4工作，使制热流体在油压泵4→产热装置2→蓄能换热器3→油压泵4的系统中不断循环；从产热装置2流出高温态的制热流体，进入蓄能换热器3。制热流体的热能部分传递给相变材料；使相变材料的温度不断升高，将热能蓄存在蓄能换热器3中。需要用热时，取热介质流过蓄能换热器3，将相变材料蓄存的能量取出。

[0026] 蓄能换热器3的外壳箱体的上部和下部应留出一定的空间，上部空间311应比下部空间312大。这是因为相变材料释放热能时，温度降低，体积缩小。如果空间不足，相变材料收缩至换热管以下时，此处换热管将失效。下部空间留出一个换热管的间距即可。发泡保温层的厚度不小于40mm。

[0027] 制热管路的管径，取热介质的管径，制热管路与取热管路的管中心距，可由热力计算决定。计算依据是：制热流体的热工特性，取热介质的热工特性，所选相变材料的热工特性，计划蓄能时间，计划取热时间。

[0028] 取热介质的流向与制热流体的流向应为形式上的逆流。这里说“形式上”，是因为取热介质与制热流体并不同时流动。这是与传统的逆流式换热器的一大区别。

[0029] 本实施例，蓄能换热器3不推荐“边蓄边取”的运行模式。因为有机相变材料的静态导热系数很小。当运行“边蓄边取”的模式时，在取热流体与制热流体之间会存在非常大的热阻。蓄能效率，取热效率都极低且不稳定。背离了“蓄能换热器”的设计初衷，没有发挥“蓄能换热器”的优势。

[0030] 高温相变材料的使用，大大降低了对制热流体的产热温度限制。即使制热流体的循环温度不算太高，相变材料同样能释放大量的相变潜热。举个例子，如果期望取热温度在80℃左右，那么相变材料的温度就应该在90℃左右。制热流体的循环温度就应在95℃左右。

[0031] 实施例2、参照图1-图3，实施例1所述风能制热机组的运行方法为：制热流体首先在油压泵4的驱动下通过产热装置2完成“风能→机械能→压力能→动能→热能”的能量转化过程；从产热装置2流出的高温态制热流体进入蓄能换热器3，将制热流体的热能部分传递给相变材料；从蓄能换热器3流出的低温态制热流体，被吸回油压泵4的吸入端，至此制热流体完成一个循环；风能驱动迎风叶片1转动，通过传动装置驱动油压泵4工作，使制热流体在系统中不断循环；使相变材料的温度不断升高，将热能蓄存在蓄能换热器3相变材料中；需要用热时，取热介质流过蓄能换热器3，将相变材料蓄存的能量取出。

[0032] 本实施例，所述制热流体选用蓖麻油。

[0033] 本实施例，相变材料应为有机高温相变材料，可采用杭州鲁尔能源科技有限公司销售的德国RUBITHERM 原产RT系列高效相变储能材料-相变石蜡。

[0034] 如果选用的相变材料为高温相变材料，即相变材料在室温下为固态，在充注时，首先应将其加热至液态后再充注，如果选用的相变材料在室温下为液态，则可直接充注。

[0035] 本实施例，取热管内的循环工质，即取热介质，可以是水，以直接提供热水；也可以是其它工质，例如制冷剂。如此一来，蓄能换热器3就可充当制冷循环中的蒸发器，作为低位热源使用。