楊 波，李 汛，趙 軍

（天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

能源是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，化石能源的大量消耗，使得能源短缺環(huán)境污染的問題日益突出。改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長，能源的消耗也隨之增長。但我國能源的利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差，所以節(jié)能減排、提高能源綜合利用率作為能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容，是解決我國能源問題的根本途徑，處于優(yōu)先發(fā)展的地位。

目前，我國能源效率存在兩方面的情況：一方面大量的工業(yè)余熱因無法有效利用被白白浪費(fèi)掉；另一方面許多的熱能用戶依靠自備鍋爐來產(chǎn)生熱能，造成了能源雙重?fù)p失的問題?；厥諒U熱提高能源利用率對于我國實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略具有重要的意義。但一般廢熱的回收與其利用之間存在時(shí)間和地域性的差異，針對上述問題，利用移動式蓄熱技術(shù)[1-3]可以將熱電廠、冶煉廠、化工廠、焦化廠等高耗能企業(yè)產(chǎn)生的余熱回收儲存起來，輸送至附近的醫(yī)院、學(xué)校、洗浴中心、賓館、居民小區(qū)等熱能用量較大的用戶處，為其提供熱水、供暖，或可作為吸收制冷機(jī)組的工作熱源使用。它的推廣應(yīng)用既可使工業(yè)余熱得到有效利用，又減少了部分熱能用戶化石燃料的消耗，使得經(jīng)營成本降低、二氧化碳等溫室氣體的排放減少，是一條合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑。

1 我國余熱資源的現(xiàn)狀分析

余熱是在工業(yè)生產(chǎn)過程中未被利用的直接被排放到環(huán)境中的一部分熱能。它是載于工業(yè)排放出的固體、液體和氣體等介質(zhì)的二次能源，如剛出爐的鋼錠、熱煙氣、爐渣、冷凝水等物體攜帶的熱能。按照余熱的來源分，工業(yè)余熱可被分為高溫?zé)煔庥酂?、高溫爐渣余熱、高溫產(chǎn)品余熱、冷卻介質(zhì)余熱、可燃廢氣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱和冷凝水余熱等[4-8]。

燃料在工業(yè)爐及燃?xì)廨啓C(jī)等燃燒后排除的高溫?zé)煔庥酂?，會帶走很大一部分的熱量，是工業(yè)上熱量損失的主要途徑之一。工業(yè)煙氣余熱排放量大、連續(xù)性較強(qiáng)，便于回收和利用，節(jié)能潛力很大。

高溫爐渣余熱主要是煤燃燒后的產(chǎn)物，產(chǎn)自于冶煉爐、鍋爐等。這種余熱以顯熱形式存在，在工業(yè)生產(chǎn)中會有部分余熱得到回收，但大多數(shù)直接散失在環(huán)境中。

可燃廢氣余熱主要產(chǎn)生于冶金高爐、吹轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的煤氣等，產(chǎn)量很大，分布較廣，一般利用價(jià)值較高。

高溫產(chǎn)品余熱溫度高，但一般不好利用，主要源于煉焦?fàn)t產(chǎn)出的焦炭、冶金澆注陽極板等。

化學(xué)反應(yīng)的余熱則來源于化工行業(yè)的生產(chǎn)過程。這一部分余熱的有效利用，可達(dá)到降低投入成本、強(qiáng)化生產(chǎn)工藝的效果。

冷卻介質(zhì)余熱產(chǎn)生于各種汽化冷卻裝置產(chǎn)出的蒸汽、軋機(jī)的冷卻水等。各種工業(yè)爐窯的水套等冷卻裝置排出大量冷卻水，這些余熱目前基本上未得到利用。冷凝水余熱則是指各工業(yè)部門生產(chǎn)過程中的蒸汽，在使用后冷凝成水所具有的部分顯熱。

余熱資源往往存在以下特點(diǎn)：余熱產(chǎn)生的周期性、不連續(xù)性使余熱量不穩(wěn)定；余熱介質(zhì)中存在腐蝕性物質(zhì)；余熱回收利用裝置使用中還會受一定限制。但我國能源利用率低，余熱資源量大，利用好工業(yè)余熱對于我國節(jié)能減排工作尤為重要。

2 移動蓄熱技術(shù)在余熱回收中的應(yīng)用現(xiàn)狀

所謂移動蓄熱技術(shù)，就是當(dāng)熱源生產(chǎn)者（如工業(yè)廢熱、廢蒸汽、廢煙氣、廢渣等）與熱能消費(fèi)者有一定距離時(shí)利用裝有儲熱材料的車來運(yùn)送熱量。它解決了由于時(shí)間及地點(diǎn)上供熱與用熱的不匹配和不均勻所導(dǎo)致的能源利用率低的問題，是提高能源利用率的重要手段之一。

移動供熱車[9-10]是一種新型的余熱利用與集約化供熱模式。移動供熱打破了管道運(yùn)輸?shù)哪Ｊ?，靈活方便，是熱量輸送技術(shù)的一次革命性突破。它主要由儲熱元件、控制部件及放熱/儲熱管道、載車等部分組成，以高性能蓄熱材料和蓄熱元件為核心，可將熱電廠、冶金、水泥廠等高耗能單位的余熱、廢熱回收儲存，并用汽車運(yùn)輸?shù)劫e館飯店、洗浴中心、居民住宅、學(xué)校、醫(yī)院、部隊(duì)等熱用戶處，提供生活熱水和供暖。使用移動蓄熱技術(shù)在節(jié)能減排方面有著顯著效果，同時(shí)其適用范圍廣，使用方便。

蓄熱技術(shù)是移動蓄熱的核心技術(shù)，目前熱能儲存技術(shù)主要研究顯熱、潛熱和熱化學(xué)能3種熱能的儲存[11-12]。其中化學(xué)能儲能比顯熱和潛熱儲熱的熱密度都要大，而且可以長時(shí)間儲存，不需要保溫的儲熱罐，但由于反應(yīng)所需裝置復(fù)雜精密，技術(shù)比較復(fù)雜，使用不便，使其在蓄熱車上的應(yīng)用受到限制。

2.1 顯熱蓄熱技術(shù)在移動蓄熱的應(yīng)用

顯熱蓄熱就是對蓄熱材料加熱時(shí)，其溫度升高，內(nèi)能增加，從而將熱能儲存起來。利用顯熱蓄熱時(shí)，蓄熱材料在儲存和釋放能量時(shí)，材料自身只發(fā)生溫度的變化，而不發(fā)生其它任何變化，存儲能力主要依靠存儲材料的比熱容和密度決定。顯熱儲熱原理簡單，技術(shù)成熟，是蓄熱技術(shù)中實(shí)際應(yīng)用最早、推廣最普遍的一種。其中常見的可用于移動供熱車的顯熱蓄熱介質(zhì)有水、水蒸氣、土壤、巖石和熔鹽等[10-12]，物性參數(shù)見表1。

水的比熱容大約是巖石比熱容的4.8倍，而巖石的密度只是水的2.5～3.5倍，因此水的儲熱密度比巖石大。另外，水作為蓄熱車儲熱介質(zhì)，具有很多優(yōu)點(diǎn)：①普遍存在，來源豐富，價(jià)格低廉。②其物理化學(xué)及熱力性質(zhì)已被清楚了解，應(yīng)用技術(shù)成熟。③傳熱及流體特性好，對換熱器要求不高，作為移動蓄熱車儲熱材料，在用戶側(cè)則可以省去換熱設(shè)備，作為熱水直接可以利用。

表1 水、巖石和土壤在20℃儲熱性能參數(shù)

顯熱蓄熱主要用來存儲溫度較低的余熱能，一般低于150 ℃，因轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能、電能或其它形式能量的效率不高，一般僅用于供暖。

顯熱蓄熱方式簡單，技術(shù)成熟，成本低廉，但一般該類材料儲能密度低，且在放熱過程中溫度會發(fā)生連續(xù)變化，而且熱流也不穩(wěn)定，使其廣泛應(yīng)用受到一定限制。

2.2 相變蓄熱技術(shù)在移動蓄熱的應(yīng)用

相變潛熱儲能是利用材料在相變過程中吸收或者釋放潛熱來儲能和釋能，其儲能密度要比顯熱儲能系統(tǒng)至少高出一個(gè)數(shù)量級[13-16]。相變儲能還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以穩(wěn)定地輸出熱量并且換熱介質(zhì)溫度基本不變，進(jìn)而可以使得蓄熱系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行。

通常物質(zhì)的相變包括以下幾種形式：固態(tài)-液態(tài)相變、液態(tài)-氣態(tài)相變、固態(tài)-氣態(tài)相變及固態(tài)-固態(tài)相變[14]。

雖然液態(tài)-氣態(tài)或固態(tài)-氣態(tài)在轉(zhuǎn)化時(shí)所伴隨著的相變潛熱比固液轉(zhuǎn)化時(shí)的相變潛熱大許多，但是相變過程中容積的巨大變化使得其在工程上的實(shí)際應(yīng)用有著很大困難，所以目前考慮的大都是固液相變式蓄熱。

2.2.1 相變蓄熱材料的研究進(jìn)展

相變蓄熱材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。在工程應(yīng)用中主要考慮的是合適的相變溫度、相變潛熱高和價(jià)格便宜，要注意過冷、相分離和腐蝕等問題。相變儲能材料的種類很多，存在形式也多種多樣，從材料成分來看，相變蓄熱材料包括有機(jī)類和無機(jī)類材料；從儲熱溫度來分，相變蓄熱材料又可分為高溫（120～850 ℃）和中低溫（0～120 ℃）[4，15]。表2列出了一些常見的相變材料及其物性參數(shù)。在工程實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對不同溫度的工業(yè)余熱資源選取合適的相變材料。

2.2.2 相變蓄熱材料在移動蓄熱車的工程應(yīng)用

以相變材料作為蓄熱介質(zhì)的蓄熱車收集工廠廢熱[17-24]，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：靈活、效率高、供熱穩(wěn)定。如圖1所示，蓄熱箱內(nèi)的相變材料吸收工廠廢熱后熔化，經(jīng)過運(yùn)輸工具送至用戶端，蓄熱材料凝固釋放熱量，給用戶配送熱能。

以相變材料為蓄熱載體的移動式蓄熱系統(tǒng)熱容量大、熱流穩(wěn)定，受到很多研究者青睞。日本的Takahiro Nomura等[17]設(shè)計(jì)了一種用相變材料為儲熱材料的潛熱運(yùn)輸系統(tǒng)，可以回收鋼廠300 ℃以上的廢熱，然后經(jīng)卡車運(yùn)輸至化工廠蒸餾塔作熱源使用。他們通過理論計(jì)算，把所設(shè)計(jì)的潛熱運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)與傳統(tǒng)供熱方式以及顯熱為蓄熱材料的蓄熱車作了對比。結(jié)果顯示，在蓄熱材料一定的條件下以NaOH（固態(tài)相變293 ℃，固液相變300 ℃）為相變材料的蓄熱設(shè)備是顯熱蓄熱系統(tǒng)的蓄熱能力的2.6倍；另外，在供能量一定的工況下，其耗能是沒有熱回收設(shè)備的傳統(tǒng)供熱方式所需能量的8.6%，損失以及CO2排放量也大大減少。分析證明，潛熱蓄熱運(yùn)輸系統(tǒng)具有很好的工程應(yīng)用性，在節(jié)能、減少環(huán)境污染方面有很大優(yōu)勢。王偉龍等[9，19]用移動蓄熱技術(shù)把熱電廠與分布用戶聯(lián)系起來，并接著開展了移動蓄熱技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，為其應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

表2 常見相變蓄熱材料及其物性參數(shù)

圖1 移動蓄熱技術(shù)原理圖

移動蓄熱技術(shù)在工程實(shí)例上的應(yīng)用，如在德國，Transheat公司提供了一個(gè)移動蓄熱車示范工程，把180 ℃的工業(yè)廢熱儲存于相變材料，然后再利用卡車運(yùn)輸至30 km以外的辦公區(qū)，把熱量提供給需求量較大的供熱設(shè)備與吸收式制冷設(shè)備，計(jì)算其運(yùn)行成本，具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)性[20-21]。日本也做了工程示范點(diǎn)，把工廠的廢熱儲存在相變蓄熱材料之中，然后經(jīng)運(yùn)輸工具轉(zhuǎn)運(yùn)給除濕空調(diào)系統(tǒng)，反響很大。

在我國，中益能移動供熱有限公司推出了一種移動供熱車[22]，利用蓄熱元件并以高性能稀土HECM-WD03作為相變蓄熱材料，將工業(yè)生產(chǎn)中的余熱、廢熱回收儲存，經(jīng)卡車運(yùn)輸?shù)綗嵊脩籼?，再通過換熱設(shè)備把熱量提供給用戶。這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)鑒定中心節(jié)能量認(rèn)證，每輛移動蓄能供熱車運(yùn)行一年可節(jié)約燃煤600 t以上，此移動蓄熱車的使用，既可使工業(yè)余熱廢熱得到回收利用，同時(shí)在把熱能配送給熱用戶的過程中又可以替代各種產(chǎn)熱鍋爐，減少了化石能源（煤、石油、天然氣等）的消耗，也降低了二氧化碳的排放。

2.2.3 相變蓄熱材料的強(qiáng)化換熱

應(yīng)用相變儲能時(shí)，由于在固態(tài)時(shí)沒有對流，而相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般都比較低，并且相變過程中體積又是在變化的，所以無論是在充能時(shí)把熱量傳給儲能介質(zhì)還是在釋能時(shí)把熱量放出，都不像顯熱那么容易，因此要采取一些措施來提高其傳熱系數(shù)。根據(jù)相變材料的封裝和工作方式的不同，常被應(yīng)用于余熱回收的相變儲能系統(tǒng)技術(shù)有以下幾種[4，23-24]。

（1）使用肋片，增大傳熱面積 在相變蓄熱系統(tǒng)中使用肋片來強(qiáng)化傳熱，可使換熱面積增大，進(jìn)而提高相變蓄能系統(tǒng)的傳熱性能，此法在工程應(yīng)用中易于實(shí)現(xiàn)，較為常用，國內(nèi)外學(xué)者也對使用肋片加強(qiáng)蓄熱效率做了大量研究工作。胡凌霄等[25]使用計(jì)算工具Fluent軟件數(shù)值模擬了環(huán)形肋片對相變蓄能系統(tǒng)的作用，對所得數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)肋片間距及厚度等參數(shù)對儲熱管放熱效果有影響，并得到了環(huán)肋片最佳間距以及肋厚的數(shù)據(jù)。重慶大學(xué)唐剛志等[26]對針翅管式相變蓄熱器的傳熱特性做了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)三維針翅管換熱器在強(qiáng)化換熱上表現(xiàn)出了良好的效果。Francis Agyenim等[27-28]也對翅片的強(qiáng)化傳熱效果做了大量實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)長直肋的強(qiáng)化傳熱作用效果最好。

在相變儲能系統(tǒng)中使用肋片可有效提高相變材料的傳熱性能，根據(jù)目前已有的研究結(jié)果顯示，要想達(dá)到強(qiáng)化傳熱的最佳效果，需合理考慮所用肋片的尺寸、類型以及布置方式等，因此在工程應(yīng)用中肋片的選擇一般應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。

（2）填充材料，改變傳熱系數(shù) 為了提高相變材料的導(dǎo)熱性能，在其中添加一些導(dǎo)熱性能良好的材料來提高相變材料的導(dǎo)熱能力，也是一種較為常用的方法。一般金屬填料、石墨、碳纖維等常被作為填充材料[29-33]。表3列出了幾種填充物質(zhì)對蓄熱材料傳熱性能的影響。

（3）相變材料與傳熱流體直接接觸換熱 這種方法中的相變材料與傳熱流體不相容，即相變材料雖與傳熱流體直接接觸，但各自物理、化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生任何變化。在日本Akihide Kaizawa等[34]設(shè)計(jì)了直接式移動蓄熱系統(tǒng)，以赤藻糖醇為相變蓄熱材料，導(dǎo)熱油為傳熱流體，并通過蓄熱箱體有可視化窗口直接觀測了充放熱過程中內(nèi)部蓄熱熔化和放熱凝固行為以及流動規(guī)律，并指出入油口位置和數(shù)目對蓄熱時(shí)間構(gòu)成影響。讓蓄熱材料和傳熱流體直接接觸，相對于間接式蓄熱系統(tǒng)，換熱過程不僅沒有管路的熱阻，而且以對流換熱為主，會表現(xiàn)出良好的充放熱特性。

表3 填充物對相變蓄熱材料傳熱性能的影響

（4）把相變材料封裝后放在傳熱流體中 相變材料和傳熱流體直接接觸換熱固然可使得傳熱加強(qiáng)，但大部分相變蓄熱材料并不能找到適合直接接觸的傳熱介質(zhì)，當(dāng)相變材料與傳熱液體不能直接接觸時(shí)也可采用封裝蓄熱材料的方法，把封裝有蓄熱材料的小球放置于儲熱容器中，傳熱流體在容器中流動而實(shí)現(xiàn)換熱，這種方法叫作膠囊型[35]。章學(xué)來等[36]設(shè)計(jì)了一種利用相變蓄熱球的移動供熱裝置用。該裝置包括蓄熱箱體、相變蓄熱球、供熱換熱器、取熱換熱器，相變材料填充在相變蓄熱球內(nèi)，相變蓄熱球填充在蓄熱箱體內(nèi)的蓄熱室里，取熱換熱器設(shè)在蓄熱室的上部，下部則是供熱換熱器。圖2是所設(shè)計(jì)裝置的原理圖，此裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱效率高、蓄熱密度大、放熱穩(wěn)定的特點(diǎn)，流體在工作過程中流經(jīng)換熱器內(nèi)部，而不是通過一層管壁與蓄熱相變材料發(fā)生熱交換，這樣可以避免由于長時(shí)間的使用，設(shè)備發(fā)生泄漏而致使供熱流體漏到蓄熱腔中污染相變材料的問題。

3 移動蓄熱技術(shù)的應(yīng)用

移動供熱的終端用戶主要是賓館、酒店、洗浴中心、學(xué)校、醫(yī)院、部隊(duì)、廠區(qū)、小區(qū)等。

（1）居民小區(qū)供暖 近些年，房地產(chǎn)是發(fā)展速度較快的幾個(gè)行業(yè)之一。由于城市化速度較快，所以集中供暖不能事先全范圍地覆蓋，集中供暖缺口非常大，這為移動供熱技術(shù)的發(fā)展提供了最主要的因素。

圖2 相變蓄熱球的移動供熱裝置原理圖

（2）賓館、酒店、洗浴中心、游泳池 隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國外和內(nèi)地以及各個(gè)地區(qū)經(jīng)濟(jì)文化的交流日益頻繁，這就導(dǎo)致了人口的流動性增強(qiáng)，為賓館、酒店、洗浴中心提供了龐大的客源支持，為其發(fā)展提供的基礎(chǔ)。事實(shí)上，賓館、酒店、洗浴中心的發(fā)展速度也確實(shí)跟上了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，成為城市里熱需求較穩(wěn)定的用戶。

（3）寄宿制學(xué)校、醫(yī)院 這些企業(yè)或單位固定在某一區(qū)域內(nèi)，其數(shù)量和規(guī)模在短期內(nèi)不會發(fā)生較大的變化，而且其對熱能或者熱水的需求比較穩(wěn)定，主要是浴池洗澡以及冬季供暖，為移動供熱項(xiàng)目提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

（4）居民小區(qū)熱水 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民小區(qū)的數(shù)量迅速增加，而像24小時(shí)熱水等服務(wù)也紛紛進(jìn)入了普通小區(qū)，這為移動供熱項(xiàng)目的發(fā)展提供了積極因素。

4 結(jié) 語

本文作者介紹了移動蓄熱技術(shù)的研究進(jìn)展。該技術(shù)可以將工業(yè)余熱回收儲存起來，經(jīng)卡車運(yùn)輸?shù)礁浇臒嵊脩籼幗o其提供熱能，它的推廣應(yīng)用既可使工業(yè)余熱得到充分利用，又可使熱能用戶的化石燃料消耗減少，進(jìn)而降低了二氧化碳的排放量，是一項(xiàng)提高能源利用率保護(hù)環(huán)境的重要技術(shù)。

顯熱蓄熱和潛熱蓄熱技術(shù)均可應(yīng)用于移動蓄熱車上，顯熱蓄熱方式簡單，成本低廉，但儲能密度低，且在放熱過程中溫度會發(fā)生連續(xù)變化，使其廣泛應(yīng)用受到一定限制。

潛熱蓄熱儲能密度高，所用裝置簡單，體積小，而且相變過程是一個(gè)近似恒溫過程。開發(fā)新型相變蓄熱材料，研究相變傳熱機(jī)理，提高其傳熱效率，將相變蓄熱技術(shù)更好地應(yīng)用到移動式蓄熱系統(tǒng)當(dāng)中， 以相變材料為蓄熱載體的移動蓄熱技術(shù)在工業(yè)回收利用的應(yīng)用具有廣闊的前景。

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