專利名稱：一種風(fēng)能制熱機組及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)能制熱機組及其運行方法。
背景技術(shù)：
在風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，許多設(shè)備采用風(fēng)能發(fā)電、提水、研磨稻谷等。然而，風(fēng)能制熱由于無法像發(fā)電那樣易于傳輸而沒有受到足夠的重視。實際上，相比風(fēng)能發(fā)電，風(fēng)能制熱的效率更高，結(jié)構(gòu)也更簡單。但是現(xiàn)有的風(fēng)能制熱系統(tǒng)存在嚴(yán)重的不足。主要表現(xiàn)在:實際效率低下；無法實現(xiàn)直接用熱。造成實際效率低下的主要原因是風(fēng)能本身的特點:能流密度低；間歇性；不穩(wěn)定。無法直接用熱的主要原因是產(chǎn)熱效率低下。因此，如何將能流密度不高的風(fēng)能加以濃縮后利用，才是目前風(fēng)能制熱的主要課題。也是本發(fā)明要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有風(fēng)能制熱系統(tǒng)、原理、方法中存在實際應(yīng)用效率低下、無法實現(xiàn)直接用熱的問題，提供一種風(fēng)能制熱機組及其運行方法。本發(fā)明，所述風(fēng)能制熱機組，包括迎風(fēng)葉片、油壓泵、產(chǎn)熱裝置和蓄能換熱器，所述迎風(fēng)葉片通過傳動軸連接驅(qū)動油壓泵，在油壓泵的壓出端與產(chǎn)熱裝置之間由管道連接，蓄能換熱器設(shè)有制熱流體管路和取熱介質(zhì)管路，制熱流體管路的入口與產(chǎn)熱裝置的下游之間由管道連接，制熱流體管路的出口與油壓泵的吸入端之間由管道連接。本發(fā)明，所述產(chǎn)熱裝置包括制熱流體入口管段、制熱流體出口管段和殼體，所述殼體與制熱流體入口管段和制熱流體出口管段的外壁密封連接，在制熱流體入口管段和制熱流體出口管段之間，設(shè)有喉管部，喉管部與制熱流體入口管段和制熱流體出口管段之間為密封連接，在制熱流體入口管段中設(shè)有分流孔，在喉管部的后部設(shè)有匯流孔。本發(fā)明，所述蓄能換熱器包括外殼以及置于其中的制熱流體管路和取熱介質(zhì)管路，制熱流體管路和取熱介質(zhì)管路在外殼內(nèi)部呈正三角形叉排，制熱流體管路和取熱介質(zhì)管路之間以及管路與金屬外殼之間為相變材料填充空間。本發(fā)明，在所述蓄能換熱器上設(shè)有相變材料膨脹器。本發(fā)明，在所述產(chǎn)熱裝置、蓄能換熱器的外殼上以及其連接管道上設(shè)有保溫層。本發(fā)明，所述風(fēng)能制熱機組的運行方法為:制熱流體首先在油壓泵的驅(qū)動下通過產(chǎn)熱裝置完成“風(fēng)能一機械能一壓力能一動能一熱能”的能量轉(zhuǎn)化過程；從產(chǎn)熱裝置流出的高溫態(tài)制熱流體進(jìn)入蓄能換熱器，將制熱流體的熱能部分傳遞給相變材料；從蓄能換熱器流出的低溫態(tài)制熱流體，被吸回油壓泵的吸入端，至此制熱流體完成一個循環(huán)；風(fēng)能驅(qū)動迎風(fēng)葉片轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置驅(qū)動油壓泵工作，使制熱流體在系統(tǒng)中不斷循環(huán)；使相變材料的溫度不斷升高，將熱能蓄存在蓄能換熱器的相變材料中；需要用熱時，取熱介質(zhì)流過蓄能換熱器的取熱介質(zhì)管路，將相變材料蓄存的能量取出。本發(fā)明，所述制熱流體應(yīng)采用比熱容小于1.8的低粘度微膨脹牛頓流體。要求該流體對大多數(shù)金屬材料無腐蝕性；無毒；應(yīng)用溫度范圍內(nèi)物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無相變；燃點高；閃點高；爆炸極限高。制熱流體優(yōu)選為蓖麻油。本發(fā)明，所述相變材料可以采用有機高溫相變材料。相變材料優(yōu)選為相變石蠟。本發(fā)明，所述取熱介質(zhì)可以是水，以直接提供熱水；也可以是其它工質(zhì)，例如制冷齊U。如此一來，蓄能換熱器就可充當(dāng)制冷循環(huán)中的蒸發(fā)器，作為低位熱源使用。本發(fā)明，其優(yōu)越性及特點為:
(1)產(chǎn)熱原理更加先進(jìn)合理。現(xiàn)有的風(fēng)能制熱技術(shù)原理是摩擦制熱，其缺點是效率低，設(shè)備磨損嚴(yán)重。例如攪拌液體式、金屬摩擦式。本發(fā)明的制熱原理是流體動力學(xué)能量守恒方程。避免了固體一液體/固體一固體的產(chǎn)熱缺陷。充分利用流體自身的特質(zhì)，把流體的壓力能逐步轉(zhuǎn)化為流體的熱能，以溫度的形式表現(xiàn)出來。從原理上取得了進(jìn)步；
(2)成本較低。由于省去了攪拌葉片/摩擦金屬塊，也節(jié)省了設(shè)備損耗一更新的費用。本發(fā)明涉及的新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，也可實現(xiàn)自動控制；
(3)提高了風(fēng)能利用的效率。由于產(chǎn)熱原理的進(jìn)步以及蓄能換熱器的使用，風(fēng)能利用的效率得到了提高。也提高了風(fēng)能制熱系統(tǒng)的實際使用效率。避免了風(fēng)能自身能流密度低，間歇性，不穩(wěn)定的弊端；
(4)低碳環(huán)保。熱能源于風(fēng)能，減少了化石燃料的燃燒，減少了碳排放。本發(fā)明適用于我國西北、東南沿海等多風(fēng)地區(qū)。在西北地區(qū)，可以為牧民提供生活、畜牧用熱水。在東南沿海，不僅可以用于生活熱水，更適于水產(chǎn)養(yǎng)殖，水產(chǎn)低溫烘干等用熱水。


圖1為本發(fā)明實施例風(fēng)能制熱機組的結(jié)構(gòu)原理簡圖。圖2為產(chǎn)熱裝置的工作原理示意圖。圖3為產(chǎn)熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-圖9為蓄能換熱器的結(jié)構(gòu)原理圖，其中:圖4-圖5為外部結(jié)構(gòu)及制熱流體管路和取熱介質(zhì)管路在外殼中的排列情況示意圖；圖6-圖7為制熱流體管路的分布結(jié)構(gòu)示意圖；圖8-圖9為取熱介質(zhì)管路的分布結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1、迎風(fēng)葉片；11、傳動軸；2、產(chǎn)熱裝置；21、流體入口管段；22、流體出口管段；23、殼體；24、喉管部；25、分流孔；26、匯流孔；27、恒壓腔 3、蓄能換熱器；31、外殼；311、箱體上部的留空空間；312、箱體下部的留空空間；32、制熱流體管路；321、制熱流體總?cè)肟?；322、制熱流體總出口 ；33、取熱介質(zhì)管路；331、取熱介質(zhì)總?cè)肟?；332、取熱介質(zhì)總出口 ；34、相變材料填充空間；35、保溫層；36、相變材料膨脹器；37、相變材料充注口 ；38、排氣口 ；4、油壓泵。
具體實施例方式實施例1、參照圖1-圖9，一種風(fēng)能制熱機組，包括迎風(fēng)葉片1、油壓泵4、產(chǎn)熱裝置2和蓄能換熱器3，所述迎風(fēng)葉片I通過傳動軸11連接驅(qū)動油壓泵4，油壓泵4由底座固定于地面上，在油壓泵4的壓出端與產(chǎn)熱裝置2之間由管道連接，蓄能換熱器3設(shè)有制熱流體管路32和取熱介質(zhì)管路33，制熱流體管路的入口 321與產(chǎn)熱裝置2的下游之間由管道連接，制熱流體管路的出口 322與油壓泵4的吸入端之間由管道連接。其中，產(chǎn)熱裝置2是一種特制的阻尼管，可由銅、硬鋁或不銹鋼制成，外包保溫層(圖中未畫出)，所述產(chǎn)熱裝置2包括制熱流體入口管段21、制熱流體出口管段22和殼體23，所述殼體23與制熱流體入口管段21和制熱流體出口管段22的外壁密封連接，在制熱流體入口管段21和制熱流體出口管段22之間，設(shè)有喉管部24，喉管部24與制熱流體入口管段21和制熱流體出口管段22之間為密封連接，在制熱流體入口管段21中設(shè)有分流孔25，在喉管部24的后部設(shè)有匯流孔26。所述分流孔25至少為3個，分流孔孔徑為喉管直徑的3/10 — 2/5，所述喉管部24的直徑為入口管段直徑的1/4一2/7，匯流孔26至少為3個，匯流孔孔徑為喉管部24直徑的3/10 — 2/5。產(chǎn)熱裝置2的工作原理為:風(fēng)能驅(qū)動迎風(fēng)葉片I轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置驅(qū)動油壓泵4工作，使制熱流體在油壓泵4 —產(chǎn)熱裝置2 —蓄能換熱器3 —油壓泵4的系統(tǒng)中不斷循環(huán)。風(fēng)能驅(qū)動油壓泵4之后，將動能轉(zhuǎn)化為靜壓。靜壓較高的制熱流體進(jìn)入產(chǎn)熱裝置2的流體入口管段21，經(jīng)過分流孔25時，流體分為兩部分一管內(nèi)流體和外腔(恒壓腔)流體。外腔流體保持入口側(cè)的狀態(tài)一較高的靜壓力，較低的流速。管內(nèi)流體經(jīng)過喉管部24后，靜壓降低，動壓升高，獲得了較高的動能。向前流動至匯流孔26，恒壓腔(外腔)27內(nèi)的流體在較高的靜壓作用下，從匯流孔26向管內(nèi)流動。此時高速流體與低速流體碰撞摻混，完成了動量交換與壓力平衡。由經(jīng)典黏性不可壓縮流體的動力學(xué)方程組可知，這個平衡過程將產(chǎn)生大量的耗散熱。本發(fā)明正是利用方程中的耗散項達(dá)到產(chǎn)熱目的的。完成熱力均衡后的制熱流體，具備了較高的溫度和動壓。蓄能換熱器3包括金屬外殼31、底座、制熱流體管路32、取熱介質(zhì)管路33、相變材料填充空間34、帶有相變材料注入孔37和排空口 38的頂板、外保溫層35。所述頂板和底座上下平行設(shè)置。蓄能換熱器3外殼應(yīng)鋼制，其內(nèi)部的制熱流體管路32、取熱介質(zhì)管路33由導(dǎo)熱性能優(yōu)良的紫銅制成，制熱流體管路32和取熱介質(zhì)管路33在外殼31內(nèi)部可以是串聯(lián)形式的蛇形管，也可以是并聯(lián)形式的梳式管，或者兩者兼有，本實施例要求單根管長不宜超過1.4mο本實施例所述制熱流體管路32和取熱介質(zhì)管路33的排列采用并聯(lián)形式的梳式管。在蓄能換熱器3上設(shè)置相變材料膨脹器36。其充注口 37和排空口 38采用機械密封。蓄能換熱器3的工作原理為:風(fēng)能驅(qū)動迎風(fēng)葉片I轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置驅(qū)動油壓泵4工作，使制熱流體在油壓泵4 —產(chǎn)熱裝置2 —蓄能換熱器3 —油壓泵4的系統(tǒng)中不斷循環(huán)；從產(chǎn)熱裝置2流出高溫態(tài)的制熱流體，進(jìn)入蓄能換熱器3。制熱流體的熱能部分傳遞給相變材料；使相變材料的溫度不斷升高，將熱能蓄存在蓄能換熱器3中。需要用熱時，取熱介質(zhì)流過蓄能換熱器3，將相變材料蓄存的能量取出。蓄能換熱器3的外殼箱體的上部和下部應(yīng)留出一定的空間，上部空間311應(yīng)比下部空間312大。這是因為相變材料釋放熱能時，溫度降低，體積縮小。如果空間不足，相變材料收縮至換熱管以下時，此處換熱管將失效。下部空間留出一個換熱管的間距即可。發(fā)泡保溫層的厚度不小于40mm。制熱管路的管徑，取熱介質(zhì)的管徑，制熱管路與取熱管路的管中心距，可由熱力計算決定。計算依據(jù)是:制熱流體的熱工特性，取熱介質(zhì)的熱工特性，所選相變材料的熱工特性，計劃蓄能時間，計劃取熱時間。取熱介質(zhì)的流向與制熱流體的流向應(yīng)為形式上的逆流。這里說“形式上”，是因為取熱介質(zhì)與制熱流體并不同時流動。這是與傳統(tǒng)的逆流式換熱器的一大區(qū)別。本實施例，蓄能換熱器3不推薦“邊蓄邊取”的運行模式。因為有機相變材料的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)很小。當(dāng)運行“邊蓄邊取”的模式時，在取熱流體與制熱流體之間會存在非常大的熱阻。蓄能效率，取熱效率都極低且不穩(wěn)定。背離了 “蓄能換熱器”的設(shè)計初衷，沒有發(fā)揮“蓄能換熱器”的優(yōu)勢。高溫相變材料的使用，大大降低了對制熱流體的產(chǎn)熱溫度限制。即使制熱流體的循環(huán)溫度不算太高，相變材料同樣能釋放大量的相變潛熱。舉個例子，如果期望取熱溫度在80°C左右，那么相變材料的溫度就應(yīng)該在90°C左右。制熱流體的循環(huán)溫度就應(yīng)在95°C左右。實施例2、參照圖1-圖3，實施例1所述風(fēng)能制熱機組的運行方法為:制熱流體首先在油壓泵4的驅(qū)動下通過產(chǎn)熱裝置2完成“風(fēng)能一機械能一壓力能一動能一熱能”的能量轉(zhuǎn)化過程；從產(chǎn)熱裝置2流出的高溫態(tài)制熱流體進(jìn)入蓄能換熱器3，將制熱流體的熱能部分傳遞給相變材料；從蓄能換熱器3流出的低溫態(tài)制熱流體，被吸回油壓泵4的吸入端，至此制熱流體完成一個循環(huán)；風(fēng)能驅(qū)動迎風(fēng)葉片I轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置驅(qū)動油壓泵4工作，使制熱流體在系統(tǒng)中不斷循環(huán)；使相變材料的溫度不斷升高，將熱能蓄存在蓄能換熱器3相變材料中；需要用熱時，取熱介質(zhì)流過蓄能換熱器3，將相變材料蓄存的能量取出。本實施例，所述制熱流體選用蓖麻油。本實施例，相變材料應(yīng)為有機高溫相變材料，可采用杭州魯爾能源科技有限公司銷售的德國RUBITHERM原產(chǎn)RT系列高效相變儲能材料-相變石蠟。如果選用的相變材料為高溫相變材料，即相變材料在室溫下為固態(tài)，在充注時，首先應(yīng)將其加熱至液態(tài)后再充注，如果選用的相變材料在室溫下為液態(tài)，則可直接充注。本實施例，取熱管內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)，即取熱介質(zhì)，可以是水，以直接提供熱水；也可以是其它工質(zhì)，例如制冷劑。如此一來，蓄能換熱器3就可充當(dāng)制冷循環(huán)中的蒸發(fā)器，作為低位熱源使用。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)能制熱機組，其特征在于:包括迎風(fēng)葉片(I)、油壓泵(4)、產(chǎn)熱裝置(2)和蓄能換熱器(3)，所述迎風(fēng)葉片(I)通過傳動軸(11)連接驅(qū)動油壓泵(4)，在油壓泵(4)的壓出端與產(chǎn)熱裝置(2 )之間由管道連接，蓄能換熱器(3 )設(shè)有制熱流體管路(32 )和取熱介質(zhì)管路(33)，制熱流體管路的入口(321)與產(chǎn)熱裝置(2)的下游之間由管道連接，制熱流體管路的出口(322)與油壓泵(4)的吸入端之間由管道連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能制熱機組，其特征在于:所述產(chǎn)熱裝置(2)包括制熱流體入口管段(21)、制熱流體出口管段(22 )和殼體(23 )，所述殼體(23 )與制熱流體入口管段(21)和制熱流體出口管段(22)的外壁密封連接，在制熱流體入口管段(21)和制熱流體出口管段(22)之間，設(shè)有喉管部(24)，喉管部(24)與制熱流體入口管段(21)和制熱流體出口管段(22)之間為密封連接，在制熱流體入口管段(21)中設(shè)有分流孔(25)，在喉管部(24)的后部設(shè)有匯流孔(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能制熱機組，其特征在于:所述分流孔(25)至少為3個，分流孔孔徑為喉管直徑的3/10 — 2/5，所述喉管部(24)的直徑為入口管段直徑的1/4一2/7，匯流孔(26)至少為3個，匯流孔孔徑為喉管部(24)直徑的3/10 — 2/5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能制熱機組，其特征在于:所述蓄能換熱器(3)包括外殼(31)以及置于其中的制熱流體管路(32)和取熱介質(zhì)管路(33)，制熱流體管路(32)和取熱介質(zhì)管路(33)在外殼(31)內(nèi)部呈正三角形叉排，制熱流體管路(32)和取熱介質(zhì)管路(33)之間以及管路與金屬外殼之間為相變材料填充空間(34)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機組，其特征在于:在所述蓄能換熱器(3)上設(shè)有相變材料膨脹器(36)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機組，其特征在于:在所述產(chǎn)熱裝置(2)、蓄能換熱器(3)的外殼上以及其連接管道上設(shè)有保溫層。
7.—種如權(quán)利要求1-6任一項所述風(fēng)能制熱機組的運行方法，其特征在于:制熱流體首先在油壓泵(4)的驅(qū)動下通過產(chǎn)熱裝置(2)完成“風(fēng)能一機械能一壓力能一動能一熱能”的能量轉(zhuǎn)化過程；從產(chǎn)熱裝置(2)流出的高溫態(tài)制熱流體進(jìn)入蓄能換熱器(3)，將制熱流體的熱能部分傳遞給相變材料；從蓄能換熱器(3)流出的低溫態(tài)制熱流體，被吸回油壓泵(4)的吸入端，至此制熱流體完成一個循環(huán)；風(fēng)能驅(qū)動迎風(fēng)葉片I轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置驅(qū)動油壓泵(4)工作，使制熱流體在系統(tǒng)中不斷循環(huán)；使相變材料的溫度不斷升高，將熱能蓄存在蓄能換熱器(3)的相變材料中；需要用熱時，取熱介質(zhì)流過蓄能換熱器(3)中的取熱介質(zhì)管路(33)，將相變材料蓄存的能量取出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運行方法，其特征在于:所述制熱流體為蓖麻油。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運行方法，其特征在于:所述相變材料為相變石蠟。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的運行方法，其特征在于:所述取熱介質(zhì)為水或制冷劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)能制熱機組及其運行方法。包括迎風(fēng)葉片、油壓泵、產(chǎn)熱裝置和蓄能換熱器，所述迎風(fēng)葉片通過傳動軸連接驅(qū)動油壓泵，在油壓泵的壓出端與產(chǎn)熱裝置之間由管道連接，蓄能換熱器設(shè)有制熱流體管路和取熱介質(zhì)管路，制熱流體管路的入口與產(chǎn)熱裝置的下游之間由管道連接，制熱流體管路的出口與油壓泵的吸入端之間由管道連接。采用迎風(fēng)葉片采集風(fēng)能，機械傳動驅(qū)動油泵，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為制熱流體的壓力能。制熱流體流過產(chǎn)熱部件，將流體壓力能轉(zhuǎn)化為動能，再轉(zhuǎn)化為熱能。熱能被蓄存在蓄能換熱器中。當(dāng)需要用熱時，取熱介質(zhì)流過能量濃縮器，將熱取出。
文檔編號F03D9/00GK103148571SQ201310089438
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者王娜娜, 曲德虎, 鄭建光, 林美娜, 江輝民, 季學(xué)娟, 黃敘佳 申請人:廣東吉榮空調(diào)有限公司