一种用于海水工厂化养殖的太阳能梯度相变蓄放热系统的制作方法

2021-03-09 15:03:32|

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[0001]
本发明属于海水养殖技术领域，特别涉及一种用于供给海水工厂化养殖调温水的太阳能梯度相变蓄放热系统。

背景技术：

[0002]
海水工厂化养殖成本居高不下是制约其行业竞争力的一个重要原因，据统计能源成本占养殖企业总成本达到了30％左右，另一方面煤制热的政策性终结，急需一种可持续利用的、低成本的清洁能源实施方案，以实现海水养殖业的经济、环境双赢的可持续发展。

技术实现要素：

[0003]
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于海水工厂化养殖调温水的太阳能梯度相变蓄放热系统，以实现以太阳能为主要热源的海水养殖调温水供应。
[0004]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0005]
一种用于海水工厂化养殖的太阳能梯度相变蓄放热系统，包括热海水箱、太阳能集热器及蓄热系统，其中热海水箱通过供水管路与养殖池连通，所述蓄热系统通过供热循环管路与所述热海水箱内设有的换热器连接，所述供热循环管路上设有循环泵ⅰ，形成第一供热模式；所述太阳能集热器连接在所述供热循环管路上、且与所述蓄热系统并联，形成第一蓄热模式，所述太阳能集热器通过所述供热循环管路可直接为热海水箱提供热能，形成第二供热模式。
[0006]
所述蓄热系统的两端分别通过一电磁三通阀与供热循环管路连接，所述蓄热系统包括多组并联连接且蓄热温度不同的蓄放热单元，每组蓄放热单元均包括多个串联连接的夹套式储热罐。
[0007]
所述夹套式储热罐包括内部填充有相变材料的罐体及设置于罐体外侧的外壳，所述外壳与罐体之间设有用于介质油通过的环隙，所述外壳的底部设有用于加热介质油的加热器。
[0008]
所述蓄热系统还包括与所述蓄放热单元并联连接的盘管储热容器，所述蓄热系统的两端分别设有用于控制供热介质进、出的电磁阀，每组所述蓄放热单元的一端均设有一电磁阀。
[0009]
所述盘管储热容器包括内部设有铜盘管的盘管储热容器内壳及设置于所述盘管储热容器内壳外侧的盘管储热容器外壳，所述盘管储热容器外壳与盘管储热容器内壳之间为用于填充保温层的环形腔，所述铜盘管的外表面涂覆有防腐和导热材料。
[0010]
所述热海水箱内设有温度传感器ⅰ、温度传感器ⅱ及水位传感器ⅰ，其中温度传感器ⅰ和温度传感器ⅱ分别用于检测所述热海水箱内高位和低位的海水温度。
[0011]
所述热海水箱的材质采用聚丙烯材料。
[0012]
所述供热循环管路上连接有循环泵ⅱ和导热油加热器，所述循环泵ⅱ和导热油加热器串联、且与所述蓄热系统并联连接，所述导热油加热器通过蓄热系统进行蓄热，形成第
二蓄热模式，所述导热油加热器可直接为所述热海水箱提供热能，形成第三供热模式。
[0013]
所述第一供热模式、第二供热模式、第三供热模式、第一蓄热模式及第二蓄热模式之间的切换通过供热循环管路上的多个电磁三通阀配合控制。
[0014]
所述的用于海水工厂化养殖的太阳能梯度相变蓄放热系统，还包括与热海水箱并联接连接的冷海水箱，所述热海水箱和冷海水箱的出水口通过混水设备连接，所述混水设备与供水管路连接，所述冷海水箱内设有温度传感器ⅲ和水位传感器ⅱ，所述供水管路上设有温度传感器ⅳ和流量计。
[0015]
本发明的优点及有益效果是：本发明旨在设计并实现一种以太阳能为主要热源的海水养殖调温水供应方案，创新性的设计了多单元、多储罐的梯度相变蓄放热系统，系统设计兼顾保温和防腐蚀功能，并以plc控制实现热源的精准采集和释放。
[0016]
本发明的热源不局限于太阳能，多种相变温度的相变材料的应用使热源扩展到工业废热、低谷电等。
附图说明
[0017]
图1为本发明的结构示意图；
[0018]
图2为本发明中蓄热系统的结构示意图；
[0019]
图3为本发明中夹套式储热罐的结构示意图；
[0020]
图4为图3的仰视图；
[0021]
图5为本发明中盘管储热容器的结构示意图。
[0022]
图中：1为进水阀，2为电磁阀ⅰ，3为电磁阀ⅱ，4为热海水箱，5为冷海水箱，6为温度传感器ⅰ，7为温度传感器ⅱ，8为水位传感器ⅰ，9为温度传感器ⅲ，10为水位传感器ⅱ，11为控制器，12为执行器，13为电磁三通阀ⅰ，14为温度传感器ⅳ，15为流量计，16为养殖池，17为水位传感器ⅲ，18为温度传感器
ⅴ
，19为太阳能集热器，20为电磁三通阀ⅱ，21为电磁阀ⅲ，22为电磁阀ⅳ，23为电磁三通阀ⅲ，24为电磁三通阀ⅳ，25为温度传感器
ⅵ
，26为蓄热系统，27为循环泵ⅰ，28为循环泵ⅱ，29为导热油加热器，30为电磁三通阀
ⅴ
，31为电磁三通阀
ⅵ
，32为电磁三通阀
ⅶ
，33为夹套式储热罐，331为罐体，332为外壳，333为加热器，34为盘管储热容器，341为盘管储热容器外壳，342为盘管储热容器内壳。
具体实施方式
[0023]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0024]
如图1所示，本发明提供的一种用于海水工厂化养殖的太阳能梯度相变蓄放热系统，包括热海水箱4、太阳能集热器19及蓄热系统26，其中热海水箱4通过供水管路与养殖池16连通，蓄热系统26通过供热循环管路与热海水箱4内设有的换热器连接，供热循环管路上设有循环泵ⅰ27，形成第一供热模式；太阳能集热器19连接在供热循环管路上、且与蓄热系统26并联，形成第一蓄热模式，太阳能集热器19通过供热循环管路可直接为热海水箱4提供热能，形成第二供热模式。
[0025]
进一步地，供热循环管路上连接有循环泵ⅱ28和导热油加热器29，循环泵ⅱ28和导热油加热器29串联、且与蓄热系统26并联连接，导热油加热器29通过蓄热系统26进行蓄
热，形成第二蓄热模式，导热油加热器29可直接为热海水箱9提供热能，形成第三供热模式。蓄热系统26的两端分别设有电磁阀ⅲ21和电磁阀ⅳ22。
[0026]
第一供热模式、第二供热模式、第三供热模式、第一蓄热模式及第二蓄热模式之间的切换通过供热循环管路上的多个电磁三通阀配合控制。
[0027]
热海水箱4内设有温度传感器ⅰ6、温度传感器ⅱ7及水位传感器ⅰ8，其中温度传感器ⅰ6和温度传感器ⅱ7分别用于检测热海水箱4内高位和低位的海水温度。本发明的实施例中，热海水箱4的材质采用聚丙烯材料。
[0028]
进一步地，用于海水工厂化养殖的太阳能梯度相变蓄放热系统，还包括与热海水箱4并联接连接的冷海水箱5，热海水箱4和冷海水箱5的出水口通过混水设备连接，混水设备与供水管路连接，冷海水箱5内设有温度传感器ⅲ9和水位传感器ⅱ10，供水管路上设有温度传感器ⅳ14和流量计15，养殖池16内设有水位传感器ⅲ17和温度传感器
ⅴ
18。
[0029]
热海水箱4的补水管上设有电磁阀ⅰ2，冷海水箱5的补水管上设有电磁阀ⅱ3，热海水箱4和冷海水箱5的补水管均与总补水管连接，总补水管上设有进水阀1。通过智能混水设备调节养殖用水温。
[0030]
本发明的实施例中，热海水箱4内的换热器为钛板式换热器，钛板式换热器购置于山东临沂拓顿换热设备有限公司，型号为tdm026-80-20e。
[0031]
如图2所示，蓄热系统26包括多组并联连接且蓄热温度不同的蓄放热单元，每组蓄放热单元分别通过一电磁阀控制。每组蓄放热单元均包括多个串联连接的储热罐33。
[0032]
蓄热系统26还包括与所述蓄放热单元并联连接的盘管储热容器34。
[0033]
如图3-4所示，夹套式储热罐33包括内部填充有相变材料的罐体331及设置于罐体331外侧的外壳332，外壳332与罐体331之间设有用于介质油通过的环隙，外壳332的底部设有用于加热介质油的加热器333。
[0034]
外壳332与罐体331之间的环隙为1-2mm，以便减少湍流区，加快介质油的流速，提高换热效率。
[0035]
外壳332采用碳钢材质，厚度为2mm，导热性能优良，内外层1mm-2mm夹层，由工作时夹层内通过导热油。电加热器333便于特殊情况下由电能来蓄热。夹套式储热罐33的进、出油口，一般选择对角线两个进出，便于换热充分。
[0036]
罐体331的端部有聚四氟或岩棉的垫圈，以保证内部材料不泄露，可承受一定蒸汽压，内部全部采用搪瓷处理，以防止相变材料腐蚀碳钢。需要严格质检确保搪瓷处理了内部所有部位。
[0037]
如图5所示，盘管储热容器34包括内部设有铜盘管的盘管储热容器内壳342及设置于盘管储热容器内壳342外侧的盘管储热容器外壳341，盘管储热容器外壳341与盘管储热容器内壳342之间为用于填充保温材料的环形腔。盘管储热容器内壳342内填充有相变材料，本发明的实施例中，相变材料采用十二水合硫酸铝铵。
[0038]
为了解决铜盘管与十二水合硫酸铝铵的腐蚀问题，铜盘管的外侧使用了一种集防腐蚀和高导热功能为一体的涂料，该涂料由潍坊圣得福新型材料研究所协助施工。
[0039]
本发明的实施例中，蓄热系统26包含六组蓄放热单元，前五组蓄放热单元包括四个夹套式结构的储热罐33，容量约45l，每个储热单元总量180l。每个储热罐33内部夹层处设有一个温度传感器，测试近似相变材料温度；最后一组蓄放热单元包括一个聚丙烯双层
盘管储热容器，总容量为180l，该组蓄放热单元设计目的是测试两种储热容器在传热效率等方面的数据。聚丙烯双层盘管储热容器内设有两个温度传感器，测试两个位置的相变材料温度。
[0040]
储热罐33中的填充材料共三种:
[0041]
第一种：90度相变复合材料，十二水合硫酸铝铵复合相变材料，十二水合硫酸铝铵质量百分比90％以上；第二种：80度相变复合材料，八水氢氧化钡复合相变材料，八水氢氧化钡质量百分比90％以上；第三种：60度相变复合材料，三水醋酸钠复合相变材料，三水醋酸钠质量百分比90％以上。
[0042]
蓄热系统26的具体梯度排列方式：
[0043]
从左至右、从上到下为高相变温度-低相变温度
[0044]
180l储热容器a内部之只填充有一种材料：十二水合硫酸铝铵复合相变材料。
[0045]
梯度相变蓄放热系统，针对太阳能热源范围内，采用不同相变温度的相变材料，能最大限度地利用不同温度条件的热源，使太阳能利用效率最大化。
[0046]
本发明的实施例中，太阳能集热器19采用金属管式的中温太阳能集热板；系统保温设计为外保温，保温层根据不同需求采用聚氨酯或岩棉保温层加铝箔面。
[0047]
本发明的工作原理是：
[0048]
收集热源后，太阳能集热器19内的导热油加热蓄热系统26，将热量储存在蓄热系统26中的储热罐33中。为便于利用，太阳能集热器19获取的热量根据需要，可由控制指令直接加热热海水箱4中的海水。蓄热系统26中存储的热量经导热油传递给热海水箱4，热交换器采用钛板式换热器，提高热量高峰输入时期的换热效率。热海水箱4中的热海水和冷海水箱5中的海水直接供给用养殖池16，采用冷热水按比例混水装置将冷水加热到所需温度。
[0049]
系统运行设计为三个循环：
[0050]
1、第一蓄热模式，太阳能集热器-蓄热系统之间的循环，适用于当用户需求暂时满足，热海水箱4的温度大于养殖池16的温度。将太阳能储存在蓄热系统26中。(必要时蓄热系统26的热量还可以反向提供给太阳能集热器19，如冬天太阳能集热器19被雪覆盖后清除积雪。)
[0051]
2、第一供热模式，蓄热系统-热海水箱之间的循环。当太阳能集热器19的温度小于30度，热海水箱4的温度小于养殖池16的温度，蓄放热单元全部测温点温度大于热海水箱4的温度，用蓄放热单元中存储的热量加热海水。
[0052]
3、第二供热模式，太阳能集热器-热海水箱之间的循环，太阳能集热器19的太阳能热量直接给热海水箱4内的海水加热。
[0053]
为保证系统安全运行，系统设计增加了导热油加热器29，以保证在没有阳光时能代替太阳能集热器19为系统供热，保证系统和用热用户正常运行。用导热油加热器也可以实现上述三个循环，即：第二蓄热模式，导热油加热器-蓄热系统之间的循环；第三供热模式，导热油加热器-热海水箱4之间的循环；导热油加热器-太阳能集热器之间的循环，以保证特殊情况下的系统运行。
[0054]
本发明的循环路径及实现方式：
[0055]
系统启动：当太阳能集热器19的出口温度小于30℃时，集热循环不予启动；当太阳能集热器19的出口温度大于30℃时，系统启动，太阳能导热油循环泵启动。
[0056]
太阳能集热器-蓄热系统循环，第一蓄热模式：关闭循环泵ⅰ27和循环泵ⅱ28，开启电磁阀ⅲ21和电磁阀ⅳ22。手动选择储热器组中的1组或几组蓄放热单元，手动开启后，按照控制流程自动运行，即1组或n组蓄放热单元并联作为蓄热系统与集热器热交换，循环方向逆时针，遵循热油入口为高相变温度相变材料一侧的原则
[0057]
蓄热系统-热海水箱循环，第一供热模式：关闭太阳能集热器油泵，关闭循环泵ⅱ28(电加热器油泵)，开启循环泵ⅰ27，开启电磁阀ⅲ21和电磁阀ⅳ22，关闭电磁三通阀ⅳ24，手动选择蓄热系统26中的1组或几组蓄放热单元，手动开启后，按照控制流程自动运行，即1组或n组蓄放热单元并联作为蓄热系统与热海水箱热交换，循环方向逆时针，遵循冷油入口为低相变温度相变材料一侧的原则
[0058]
太阳能集热器-热海水箱循环，第二供热模式：太阳能集热器19启动后，关闭电磁阀ⅲ21、电磁阀ⅳ22及循环泵ⅱ28，开启循环泵ⅰ27，检测热海水箱4的两个温度点，当其中任一个大于80度，停止该循环。
[0059]
导热油加热器-蓄热系统循环，第二蓄热模式：需满足太阳能集热器出口温度小于30度，关闭太阳能集热器油泵，关闭循环泵ⅰ27，启动循环泵ⅱ28，启动导热油加热器29(电加热锅炉)，开启电磁阀ⅲ21和电磁阀ⅳ22，手动选择蓄热系统中的1组或几组蓄放热单元，手动开启后，按照控制流程自动运行，即1组或n组蓄放热单元并联作为蓄热系统与导热油加热器热交换，循环方向逆时针，遵循热油入口为高相变温度相变材料一侧的原则
[0060]
导热油加热器-热海水箱循环，第三供热模式：需满足太阳能集热器出口温度小于30度，关闭太阳能集热器油泵，开启电磁阀ⅲ21和电磁阀ⅳ22，关闭蓄热系统内所有蓄放热单元(储热管道设置了手动机械阀)，关闭电磁三通阀
ⅵ
31、循环泵ⅰ27，开启循环泵ⅱ28，开启导热油加热器29(电加热锅炉)，检测热海水箱4内的两个温度点，当其中任一个大于80度，停止该循环。
[0061]
导热油加热器-太阳能集热器循环：当冬季积雪等恶劣天气下，关闭电磁阀ⅲ21、电磁阀ⅳ22、电磁三通阀ⅲ23及循环泵ⅰ27，手动关闭热海水箱4(储热管道设置了手动机械阀)，开启循环泵ⅱ28，开启导热油加热器29。
[0062]
本发明以北方城市大连为例，项目集热总建筑面积150
㎡
，屋顶坡面角度约为6.5
°
(南北高差按0.8m计算)，年节省电费约5万元，设计预期投资回收期5年左右。
[0063]
本发明实现一种以太阳能为主要热源的海水养殖调温水供应方案，创新性的设计了多单元、多储罐的梯度相变蓄放热系统，系统设计兼顾保温和防腐蚀功能，并以plc控制实现热源的精准采集和释放。本发明的热源不局限于太阳能，多种相变温度的相变材料的应用使热源扩展到工业废热、低谷电等。
[0064]
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

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