本发明涉及一种梯级相变储热装置，尤其涉及一种可调节的梯级相变储热装置。
背景技术：
相变材料是指在特定温度下,通过物质相态变化,吸收或放出大量潜热的功能材料。相变储热是利用材料的物态变化吸收或释放热量的储能技术，具有储能密度高、装置体积小、蓄释热过程稳定等优点，能够解决能源利用在时间和空间供需不匹配的问题。然而，现有用于供暖相变储热装置，其内部大多只填充一种相变材料，换热性能较差，且
多(梯)级相变储热是指基于“温度对口、梯级利用”原则，通过在传热流体流动方向上布置熔点依次降低的相变材料，进而实现热量的梯级蓄释。与单级相变储热技术相比，多级相变储热可以显著提高储能装置
专利申请号为201710196922.8的中国专利公开了一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置及其方法，包括装置本体、相变储热单元堆积系统和输入输出系统。其中相变储热单元堆积系统包括若干个相变储热单元，在装置本体内按照其内部相变材料熔点高低梯级分布。蓄热时的流程为高温流体依次从高温相变单元流至低温相变单元，最终从装置底部处流出；放热时的流程为高温流体依次从低温相变单元至高温相变单元，最终从装置顶部处流出。该发明可梯级蓄释热，且易于单元堆积和系统放大。然而，该装置未考虑传热流体进口温度波动对蓄释热过程的影响，不利于供暖系统灵活运行。
专利公开号为cn201410601801.3的发明专利，提出一种梯级储热系统及梯级储热方法。提出包括固体储热换热器、相变储热换热器、熔盐蒸汽过热器、主管路和旁管路的梯级储热系统及6种储热换热器组合方式。然而，申请者并没有给出系统切换储热换热器组合的控制逻辑。此外，申请者所提出的梯级储热系统主要应用于大型太阳能发电及工业余热回收，并适用于低温供暖系统。
专利申请号为201611102095.3的一种梯级储热系统充热方法和装置。该系统充热方法包括，通过获取各级储热装置的充热状态，对已完成充热的装置进行旁通，并对未完成充热的储热装置的上一级的出口温度进行调节，以使未完成充热的储热装置进口温度在对应的预设温度阂值内，不仅提高了梯级储热系统的能量利用率，而且延长了储热装置的使用寿命。然而，该梯级储热系统充热方法和装置在供暖系统的应用中仍存在一定局限性，具体如下：1、该充热方法适用于加热设备可灵活调节温度的系统。但对于太阳能供暖、余热回收等温度难以调节的系统，则无法发挥相应作用。2、仅提出充热方法，未考虑放热方法。对于供暖系统，其末端回水也存在一定温度波动，会对模块放热过程造成影响。3、低温供暖系统，尤其是太阳能、空气源热泵等系统的供水温度较低，并不会对低温储热装置造成损害，因而该方法不能起到延长储热装置使用寿命的作用。
从上述专利可以看出，现有梯级储热装置及调节方法还不够完善，并缺乏针对供暖系统所设计的梯级储热装置及控制方法，容易造成无效蓄释热。以空气源热泵供暖系统为例。蓄热过程，当出现严寒天气，为保证热泵正常运行，运行人员降低热泵出水温度。此时，某储热单元的入口水温可能低于其内部温度，因而导致最高温储热单元反向对热泵出水放热，造成蓄热量浪费。而放热过程，由于某段时间供暖负荷相对较低，末端回水温度升高高，此时，某储热单元的入口水温度高于其内部温度，该储热单元反向吸热，供水温度反而降低。这些情况均会导致部分储热单元无效蓄释热，降低装置换热效率，影响使用寿命；而且还使供暖系统低效运行，造成能源浪费。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种提高装置换热效率并保证系统高效运行的可用于供暖系统的可调节梯级相变储热装置及控制方法。
本发明的一种可调节的梯级相变储热装置，包括内壳体和间隔套在内壳体外的外壳体，在所述的内壳体和外壳体之间填充有保温隔热材料，在所述的外壳体顶壁上盖有上盖板，在所述的内壳体中沿竖直方向左右间隔固定有两块隔板将所述的内壳体分隔为彼此独立的第一腔室、第二腔室和第三腔室，在所述的第一腔室内填充有第一级相变材料形成第一级储热单元，在所述的第二腔室内填充有第二级相变材料形成第二级储热单元，在所述的第三腔室内填充有第三级相变材料形成第三级储热单元，在所述的第一级相变材料、第二级相变材料和第三级相变材料中分别设置有第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管，在所述的第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端均连接有阀门且均设置在上盖板外部，所述的第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端均与一根主干管连通，在第一级相变材料、第二级相变材料、第三级相变材料内部分别均匀布置有多个温度传感器，在所述的主干管上安装有多个温度传感器，主干管处温度传感器分别布置在第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端，用于测试各储热单元入口温度，所述的第一级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第一阀门和第三阀门，所述的第二级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第四阀门和第六阀门，所述的第三级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第七阀门和第九阀门，在所述的第一级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管的连接处之间的主干管上安装有第二阀门，在所述的第二级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管的连接处之间的主干管上安装有第五阀门，在所述的第三级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管的连接处之间的主干管上安装有第八阀门；
各级储热单元内部填充相变材料的相变温度关系，第一级相变材料的相变温度>第二级相变材料的相变温度>第三级相变材料的相变温度。
本发明的一种可调节梯级相变储热装置控制方法，包括以下步骤：
步骤s203：蓄热模式下，高温传热流体沿相变温度逐级降低的方向流动，执行步骤s204；放热模式下，低温传热流体沿相变温度逐级升高的方向流动，执行步骤s214；
步骤s204：通过各级储热单元中的温度传感器以及主干管上安装的多个温度传感器分别获取蓄热过程中各级储热单元的入口温度和内部温度，对于各个储热单元中的温度传感器的温度值取算数平均值作为各级储热单元的内部温度，执行步骤s205；
步骤s205：判断第一级储热单元入口温度是否高于第一级储热单元内部温度；若高于第一级储热单元内部温度，则执行步骤s207；否则执行步骤s206；
步骤s206：关闭第一阀门、第三阀门,打开第二阀门，旁通第一级储热单元，传热介质直接通过第二阀门，并执行步骤s208；
步骤s207：打开第一阀门、第三阀门,关闭第二阀门，断开第一级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第一级换热盘管换热，并执行步骤s208；
步骤s208：判断第二级储热单元入口温度是否高于第二级储热单元内部温度；若高于第二级储热单元内部温度，则执行步骤s210；否则执行步骤s209；
步骤s209：关闭第四阀门、第六阀门,打开第五阀门，旁通第二级储热单元，传热介质直接通过第五阀门，并执行步骤s211；
步骤s210：打开第四阀门、第六阀门,关闭第五阀门，断开第二级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第二级换热盘管换热，并执行步骤s211；
步骤s211：判断第三级储热单元入口温度是否高于第三级储热单元内部温度；若高于第三级储热单元内部温度，则执行步骤s213；否则执行步骤s212；
步骤s212：关闭第七阀门、第九阀门,打开第八阀门，旁通第三级储热单元，传热介质通过第八阀门直接流出梯级相变储热装置；
步骤s213：打开第七阀门、第九阀门,关闭第八阀门，断开第三级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第三级换热盘管换热，之后流出梯级相变储热装置；
步骤s214：通过各级储热单元中的温度传感器以及主干管上安装的多个温度传感器分别获取放热过程中各级储热单元的入口温度和内部温度，对于各个储热单元中的温度传感器的温度值取算数平均值作为各级储热单元的内部温度，执行步骤s215；
步骤s215：判断第三级储热单元入口温度是否低于第三级储热单元内部温度；若低于第三级储热单元内部温度，则执行步骤s217；否则执行步骤s216；
步骤s216：关闭第七阀门、第九阀门,打开第八阀门，旁通第三级储热单元，传热介质直接通过第八阀门，并执行步骤s218；
步骤s217：打开第七阀门、第九阀门,关闭第八阀门，断开第三级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第三级换热盘管换热，并执行步骤s218；
步骤s218：判断第二级储热单元入口温度是否低于第二级储热单元内部温度；若低于第二级储热单元内部温度，则执行步骤s220；否则执行步骤s219；
步骤s219：关闭第四阀门、第六阀门,打开第五阀门，旁通第二级储热单元，传热介质直接通过第五阀门，并执行步骤s221；
步骤s220：打开第四阀门、第六阀门,关闭第五阀门，断开第二级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第二级换热盘管换热，并执行步骤s221；
步骤s221：判断第一级储热单元入口温度是否低于第一级储热单元内部温度；若高于第一级储热单元内部温度，则执行步骤s223；否则执行步骤s222；
步骤s222：关闭第一阀门、第三阀门,打开第二阀门，旁通第一级储热单元，传热介质直接通过第二阀门流出梯级相变储热装置；
步骤s223：打开第一阀门、第三阀门,关闭第二阀门，断开第一级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第一级换热盘管换热，之后流出梯级相变储热装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、与单级相变储热装置相比，该梯级相变储热装置具有蓄释热速率快，
2、所提出的梯级储热装置和控制方法，可根据热源出水温度和末端回水温度调节储热单元，防止蓄热过程储热单元反向放热，以及放热过程储热单元反向吸热，可减少蓄/释热过程能量损失，提高储热装置的换热效率。
3、所提出梯级储热装置和控制方法可适用于各类供暖系统，且可根据供暖系统的运行变化，灵活控制参与蓄/释热过程的储热单元，进而调节系统的蓄释热量，有利于系统高效稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明梯级相变储热装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明的一种可调节的梯级相变储热装置，包括内壳体3和间隔套在内壳体外的外壳体1，在所述的内壳体3和外壳体1之间填充有保温隔热材料2，在所述的外壳体1顶壁上盖有上盖板6，在所述的内壳体3中沿竖直方向左右间隔固定有两块隔板将所述的内壳体3分隔为彼此独立的第一腔室、第二腔室和第三腔室，在所述的第一腔室内填充有第一级相变材料5形成第一级储热单元，在所述的第二腔室内填充有第二级相变材料11形成第二级储热单元，在所述的第三腔室内填充有第三级相变材料9形成第三级储热单元，在所述的第一级相变材料5、第二级相变材料11和第三级相变材料9中分别设置有第一级换热盘管4、第二级换热盘管和第三级换热盘管。在所述的第一级换热盘管4、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端均连接有阀门且均设置在上盖板6外部，所述的第一级换热盘管4、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端均与一根主干管8连通。在第一级相变材料5、第二级相变材料11、第三级相变材料9内部分别均匀布置有多个温度传感器7，如图可以有9个。在所述的主干管8上安装有多个温度传感器，主干管处温度传感器分别布置在第一级换热盘管4、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端，用于测试各储热单元入口温度。所述的第一级换热盘管4的进口端和出口端位置处的阀门分别为第一阀门f1和第三阀门f3，所述的第二级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第四阀门f4和第六阀门f6，所述的第三级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第七阀门f7和第九阀门f9，在所述的第一级换热盘管4的进口端和出口端分别与主干管8的连接处之间的主干管8上安装有第二阀门f2，在所述的第二级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管8的连接处之间的主干管8上安装有第五阀门f5，在所述的第三级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管8的连接处之间的主干管8上安装有第八阀门f8。
各级储热单元内部填充相变材料的相变温度关系，第一级相变材料5的相变温度>第二级相变材料11的相变温度>第三级相变材料9的相变温度。如在电锅炉多级储热供暖系统中，如在电锅炉级联储热供暖系统中，所述的第一级相变材5可以采用相变温度78度的八水氢氧化钡，第二级相变材料11可以采用相变温度73度的九水硝酸铝，第三级相变材料9可以采用相变温度67-69度的硬脂酸。
本装置主干管8的两个端口可以和供暖等系统的供水管路连接，根据供暖系统的需求决定是否进入蓄热过程还是进入放热过程。
本发明的可调节梯级相变储热装置控制方法，包括以下步骤：
步骤s203：蓄热模式下，高温传热流体沿相变温度逐级降低的方向流动，执行步骤s204；放热模式下，低温传热流体沿相变温度逐级升高的方向流动，执行步骤s214；
步骤s204：通过各级储热单元中的温度传感器以及主干管8上安装的多个温度传感器分别获取蓄热过程中各级储热单元的入口温度和内部温度，对于各个储热单元中的温度传感器的温度值取算数平均值作为各级储热单元的内部温度，执行步骤s205。
步骤s205：判断第一级储热单元入口温度是否高于第一级储热单元内部温度。若高于第一级储热单元内部温度，则执行步骤s207；否则执行步骤s206。
步骤s206：关闭第一阀门f1、第三阀门f3,打开第二阀门f2，旁通第一级储热单元，传热介质直接通过第二阀门，并执行步骤s208。
步骤s207：打开第一阀门f1、第三阀门f3,关闭第二阀门f2，断开第一级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第一级换热盘管换热，并执行步骤s208。
步骤s208：判断第二级储热单元入口温度是否高于第二级储热单元内部温度。若高于第二级储热单元内部温度，则执行步骤s210；否则执行步骤s209。
步骤s209：关闭第四阀门f4、第六阀门f6,打开第五阀门f5，旁通第二级储热单元，传热介质直接通过第五阀门，并执行步骤s211。
步骤s210：打开第四阀门f4、第六阀门f6,关闭第五阀门f5，断开第二级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第二级换热盘管换热，并执行步骤s211。
步骤s211：判断第三级储热单元入口温度是否高于第三级储热单元内部温度。若高于第三级储热单元内部温度，则执行步骤s213；否则执行步骤s212。
步骤s212：关闭第七阀门f7、第九阀门f9,打开第八阀门f8，旁通第三级储热单元，传热介质通过第八阀门直接流出梯级相变储热装置。
步骤s213：打开第七阀门f7、第九阀门f9,关闭第八阀门f8，断开第三级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第三级换热盘管换热，之后流出梯级相变储热装置。
步骤s214：通过各级储热单元中的温度传感器以及主干管8上安装的多个温度传感器分别获取放热过程中各级储热单元的入口温度和内部温度，对于各个储热单元中的温度传感器的温度值取算数平均值作为各级储热单元的内部温度，执行步骤s215。
步骤s215：判断第三级储热单元入口温度是否低于第三级储热单元内部温度。若低于第三级储热单元内部温度，则执行步骤s217；否则执行步骤s216。
步骤s216：关闭第七阀门f7、第九阀门f9,打开第八阀门f8，旁通第三级储热单元，传热介质直接通过第八阀门，并执行步骤s218。
步骤s217：打开第七阀门f7、第九阀门f9,关闭第八阀门f8，断开第三级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第三级换热盘管换热，并执行步骤s218。
步骤s218：判断第二级储热单元入口温度是否低于第二级储热单元内部温度。若低于第二级储热单元内部温度，则执行步骤s220；否则执行步骤s219。
步骤s219：关闭第四阀门f4、第六阀门f6,打开第五阀门f5，旁通第二级储热单元，传热介质直接通过第五阀门，并执行步骤s221。
步骤s220：打开第四阀门f4、第六阀门f6,关闭第五阀门f5，断开第二级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第二级换热盘管换热，并执行步骤s221。
步骤s221：判断第一级储热单元入口温度是否低于第一级储热单元内部温度。若高于第一级储热单元内部温度，则执行步骤s223；否则执行步骤s222。
步骤s222：关闭第一阀门f1、第三阀门f3,打开第二阀门f2，旁通第一级储热单元，传热介质直接通过第二阀门流出梯级相变储热装置。
步骤s223：打开第一阀门f1、第三阀门f3,关闭第二阀门f2，断开第一级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第一级换热盘管换热，之后流出梯级相变储热装置。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
1.一种可调节的梯级相变储热装置，包括内壳体和间隔套在内壳体外的外壳体，在所述的内壳体和外壳体之间填充有保温隔热材料，在所述的外壳体顶壁上盖有上盖板，其特征在于：在所述的内壳体中沿竖直方向左右间隔固定有两块隔板将所述的内壳体分隔为彼此独立的第一腔室、第二腔室和第三腔室，在所述的第一腔室内填充有第一级相变材料形成第一级储热单元，在所述的第二腔室内填充有第二级相变材料形成第二级储热单元，在所述的第三腔室内填充有第三级相变材料形成第三级储热单元，在所述的第一级相变材料、第二级相变材料和第三级相变材料中分别设置有第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管，在所述的第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端均连接有阀门且均设置在上盖板外部，所述的第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端均与一根主干管连通，在第一级相变材料、第二级相变材料、第三级相变材料内部分别均匀布置有多个温度传感器，在所述的主干管上安装有多个温度传感器，主干管处温度传感器分别布置在第一级换热盘管、第二级换热盘管和第三级换热盘管的进出口端，用于测试各储热单元入口温度，所述的第一级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第一阀门和第三阀门，所述的第二级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第四阀门和第六阀门，所述的第三级换热盘管的进口端和出口端位置处的阀门分别为第七阀门和第九阀门，在所述的第一级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管的连接处之间的主干管上安装有第二阀门，在所述的第二级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管的连接处之间的主干管上安装有第五阀门，在所述的第三级换热盘管的进口端和出口端分别与主干管的连接处之间的主干管上安装有第八阀门；
各级储热单元内部填充相变材料的相变温度关系，第一级相变材料的相变温度>第二级相变材料的相变温度>第三级相变材料的相变温度。
2.一种可调节梯级相变储热装置控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤s203：蓄热模式下，高温传热流体沿相变温度逐级降低的方向流动，执行步骤s204；放热模式下，低温传热流体沿相变温度逐级升高的方向流动，执行步骤s214；
步骤s204：通过各级储热单元中的温度传感器以及主干管上安装的多个温度传感器分别获取蓄热过程中各级储热单元的入口温度和内部温度，对于各个储热单元中的温度传感器的温度值取算数平均值作为各级储热单元的内部温度，执行步骤s205；
步骤s205：判断第一级储热单元入口温度是否高于第一级储热单元内部温度；若高于第一级储热单元内部温度，则执行步骤s207；否则执行步骤s206；
步骤s206：关闭第一阀门、第三阀门,打开第二阀门，旁通第一级储热单元，传热介质直接通过第二阀门，并执行步骤s208；
步骤s207：打开第一阀门、第三阀门,关闭第二阀门，断开第一级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第一级换热盘管换热，并执行步骤s208；
步骤s208：判断第二级储热单元入口温度是否高于第二级储热单元内部温度；若高于第二级储热单元内部温度，则执行步骤s210；否则执行步骤s209；
步骤s209：关闭第四阀门、第六阀门,打开第五阀门，旁通第二级储热单元，传热介质直接通过第五阀门，并执行步骤s211；
步骤s210：打开第四阀门、第六阀门,关闭第五阀门，断开第二级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第二级换热盘管换热，并执行步骤s211；
步骤s211：判断第三级储热单元入口温度是否高于第三级储热单元内部温度；若高于第三级储热单元内部温度，则执行步骤s213；否则执行步骤s212；
步骤s212：关闭第七阀门、第九阀门,打开第八阀门，旁通第三级储热单元，传热介质通过第八阀门直接流出梯级相变储热装置；
步骤s213：打开第七阀门、第九阀门,关闭第八阀门，断开第三级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第三级换热盘管换热，之后流出梯级相变储热装置；
步骤s214：通过各级储热单元中的温度传感器以及主干管上安装的多个温度传感器分别获取放热过程中各级储热单元的入口温度和内部温度，对于各个储热单元中的温度传感器的温度值取算数平均值作为各级储热单元的内部温度，执行步骤s215；
步骤s215：判断第三级储热单元入口温度是否低于第三级储热单元内部温度；若低于第三级储热单元内部温度，则执行步骤s217；否则执行步骤s216；
步骤s216：关闭第七阀门、第九阀门,打开第八阀门，旁通第三级储热单元，传热介质直接通过第八阀门，并执行步骤s218；
步骤s217：打开第七阀门、第九阀门,关闭第八阀门，断开第三级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第三级换热盘管换热，并执行步骤s218；
步骤s218：判断第二级储热单元入口温度是否低于第二级储热单元内部温度；若低于第二级储热单元内部温度，则执行步骤s220；否则执行步骤s219；
步骤s219：关闭第四阀门、第六阀门,打开第五阀门，旁通第二级储热单元，传热介质直接通过第五阀门，并执行步骤s221；
步骤s220：打开第四阀门、第六阀门,关闭第五阀门，断开第二级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第二级换热盘管换热，并执行步骤s221；
步骤s221：判断第一级储热单元入口温度是否低于第一级储热单元内部温度；若高于第一级储热单元内部温度，则执行步骤s223；否则执行步骤s222；
步骤s222：关闭第一阀门、第三阀门,打开第二阀门，旁通第一级储热单元，传热介质直接通过第二阀门流出梯级相变储热装置；
步骤s223：打开第一阀门、第三阀门,关闭第二阀门，断开第一级储热单元所对应的旁通管路，传热介质进入第一级换热盘管换热，之后流出梯级相变储热装置。
技术总结