CN102865765A - 单罐储热系统及单罐储热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单罐储热系统及单罐储热方法，该单罐储热系统包括储热罐(1)、换热器(2)、浮动隔热板(3)、热侧泵(5)和冷侧泵(6)；所述储热罐(1)包括筒状的罐本体、顶壁和底壁，所述顶壁密封在所述罐本体的顶端，所述底壁密封在所述罐本体的底端。通过浮动隔热板实现冷侧和热侧的热隔离，因此具有储热效果好的优点，同时冷侧泵和热侧泵均布置在液下较浅的位置，保证了系统的经济性和运行的安全性。

Description

单罐储热系统及单罐储热方法

技术领域

本发明涉及一种储热系统，具体涉及一种单罐储热系统及单罐储热方法。

背景技术

随着常规能源的短缺以及人们对环境质量要求的提高，如何充分有效的利用以下两种能源成为人们研究的焦点：第一种，可再生能源特别是太阳能；第二种，工业生产产生的大量余热。

在利用太阳能或工业余热的过程中，存在的主要问题为能量供应的不稳定性。为克服该种缺陷，采用储能系统可以有效增加可再生能源或工业余热输出的稳定性。

流体显热储热系统作为现有储能系统的一个重要设备，通常为双罐储热系统，因此具有投资高和运行维护成本高的问题。

单罐储热系统由于减少一个罐体以及相应辅助设备的投资，因此与双罐储热系统相比，具有投资低和成本低的优点。但是，常规的单罐储热系统利用液体的密度差形成斜温层来区分冷热部分，流体在泵送过程中的搅动作用会破坏斜温层，从而影响储热效果。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种单罐储热系统及单罐储热方法，通过浮动隔热板实现冷侧和热侧的热隔离，因此具有储热效果好的优点，同时冷侧泵和热侧泵均布置在液下较浅的位置，保证了系统的经济性和运行的安全性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种单罐储热系统，包括储热罐(1)、换热器(2)、浮动隔热板(3)、热侧泵(5)和冷侧泵(6)；

所述储热罐(1)包括筒状的罐本体、顶壁和底壁，所述顶壁密封在所述罐本体的顶端，所述底壁密封在所述罐本体的底端；

所述浮动隔热板(3)的形状与所述罐本体的形状适配，所述浮动隔热板(3)设置在所述储热罐(1)的内部并将所述储热罐(1)内部空间划分成热侧空间(7)和冷侧空间(8)；其中，所述热侧空间(7)为位于所述浮动隔热板(3)上面的罐内空间，所述冷侧空间(8)为位于所述浮动隔热板(3)下面的罐内空间；

所述冷侧泵(6)的输出管道(61)连接到所述换热器(2)的第一进液口；所述冷侧泵(6)的输入管道(62)与所述冷侧空间(8)连通；所述换热器(2)的第二出液口经第二出液管道(63)与所述冷侧空间(8)连通；在所述冷侧泵(6)的输出管道(61)上安装有第一阀门(611)，在所述第二出液管道(63)上安装有第二阀门(633)；

所述热侧泵(5)的输出管道(51)连接到所述换热器(2)的第二进液口；所述热侧泵(5)的输入管道(52)位于所述热侧空间(7)；所述换热器(2)的第一出液口经第一出液管道(53)连接到所述储热罐(1)的所述热侧空间(7)；在所述热侧泵(5)的输出管道(51)上安装有第三阀门(511)，在所述第一出液管道(53)上安装有第四阀门(533)。

优选的，还包括：竖井(4)；

在所述浮动隔热板(3)上开设第一通孔，所述竖井(4)垂直设置在所述第一通孔内部，所述竖井(4)为筒状结构，所述竖井(4)的底端与所述冷侧空间(8)连通，所述竖井(4)的顶端通过井盖密封，并且，所述竖井(4)的顶端高于所述储热罐(1)内的液面高度；在所述竖井(4)的井内空间安装所述冷侧泵(6)；在所述热侧空间(7)安装所述热侧泵(5)；所述冷侧泵(6)的输入管道(62)与所述竖井(4)连通，所述换热器(2)的第二出液口经所述第二出液管道(63)与所述竖井(4)连通。

优选的，还包括：导向柱(9)；在所述浮动隔热板(3)上还开设第二通孔；所述导向柱(9)垂直穿过所述第二通孔，所述导向柱(9)的底端与所述储热罐(1)的所述底壁固定连接；所述导向柱(9)的顶端与所述储热罐(1)的所述顶壁固定连接。

优选的，还包括氮气输送管道(10)；在所述氮气输送管道(10)上安装有第五阀门(100)。

优选的，在所述浮动隔热板(3)上固定安装有至少一个配重装置。

优选的，在所述浮动隔热板(3)上均匀固定安装四个配重装置，所述四个配重装置分别为第一配重装置(11)、第二配重装置(12)、第三配重装置(13)和第四配重装置(14)。

优选的，还包括冷侧泵流量调节管道(15)；所述冷侧泵流量调节管道(15)的一端与所述冷侧泵(6)的输出管道(61)连通，所述冷侧泵流量调节管道(15)的另一端与所述冷侧空间(8)连通；在所述冷侧泵流量调节管道(15)上安装有第六阀门(155)。

优选的，还包括热侧泵流量调节管道(16)；所述热侧泵流量调节管道(16)的一端与所述热侧泵(5)的输出管道(51)连通，所述热侧泵流量调节管道(16)的另一端位于所述热侧空间(7)内；在所述热侧泵流量调节管道(16)上安装有第七阀门(166)。

本发明还提供一种应用上述单罐储热系统的单罐储热方法，在所述冷侧空间(8)存储冷介质，包括以下步骤：

储热过程为：打开所述第一阀门(611)，关闭所述第二阀门(633)，调节所述第六阀门(155)的开度；启动所述冷侧泵(6)；所述冷侧泵(6)从所述竖井内抽取所述冷介质，并通过所述冷侧泵(6)的输出管道(61)将所述冷介质按指定流量输送到所述换热器(2)的第一进液口；

所述换热器(2)加热所述冷介质到设定温度，吸收热量的所述冷介质变为热介质；打开所述第四阀门(533)，所述热介质流到所述储热罐(1)的所述热侧空间(7)；热量以显热的形式储存在所述储热罐(1)，随着储热过程的进行，冷介质逐渐减少，热介质逐渐增多，所述浮动隔热板(3)在浮力的作用下自动下降，当储热量达到最大值后储热完成，所述浮动隔热板(3)位于最低位置，此时停止所述冷侧泵(6)。

本发明还提供一种应用上述单罐储热系统的单罐储热方法，在所述热侧空间(7)存储热介质，包括以下步骤：

放热过程为：打开所述第三阀门(511)，关闭所述第四阀门(533)，调节所述第七阀门(166)的开度；启动所述热侧泵(5)；所述热侧泵(5)从所述热侧空间(7)内抽取所述热介质，并通过所述热侧泵(5)的输出管道(51)将所述热介质按指定流量输送到所述换热器(2)的第二进液口；

所述换热器(2)冷却所述热介质到设定温度，放出热量的所述热介质变为冷介质；打开所述第二阀门(633)，所述冷介质流到所述竖井(4)内，进而流到所述冷侧空间(8)；随着放热过程的进行，热介质逐渐减少，冷介质逐渐增多，所述浮动隔热板(3)在浮力的作用下自动上升，当放热量达到最大值后放热完成，所述浮动隔热板(3)位于最高位置，此时停止所述热侧泵(5)。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的单罐储热系统及单罐储热方法，具体包括以下优点：

1、单罐储热系统只使用一个储热罐来储热，与双储热罐系统相比，明显降低了制造成本。因此，具有成本低廉的优点。

2、冷热侧绝热良好、运行连续：在系统设计上，浮动隔热板一方面具有冷热介质热绝缘的作用，另一方面浮动隔热板的可移动性也保证了充热和放热的连续性。

3、由于液下深度很大的泵在制造和运行时均存在很多技术问题，而本发明中，冷侧泵和热侧泵均安装在液下深度很低的位置，从而保证了系统的经济性和运行的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的单罐储热系统的结构示意图；

图2为图1沿A-A剖线的剖面图；

其中，1---储热罐；2---换热器；3---浮动隔热板；4---竖井；5---热侧泵；6---冷侧泵；7---热侧空间；8---冷侧空间；9---导向柱；10---氮气输送管道；11---第一配重；12---第二配重；13---第三配重；14---第四配重；15---冷侧泵流量调节管道；16---热侧泵流量调节管道；

51---热侧泵的输出管道；52---热侧泵的输入管道；53---第一出液管道；61--冷侧泵的输出管道；62---冷侧泵的输入管道；63---第二出液管道；511---第三阀门；533---第四阀门；611---第一阀门；633---第二阀门；100---第五阀门；155---第六阀门；166---第七阀门。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-2所示，本发明提供一种单罐储热系统，包括储热罐1、换热器2、浮动隔热板3、热侧泵5和冷侧泵6。

储热罐1包括筒状的罐本体、顶壁和底壁，顶壁密封在罐本体的顶端，底壁密封在罐本体的底端；储热罐由与储热介质有着良好相容性的不锈钢制成，外部安装有保温层，罐壁面自上而下安装热电偶，根据热电偶的位置和测量的温度可以判断储热量的大小。

浮动隔热板3的形状与罐本体的形状适配，浮动隔热板3设置在储热罐1的内部并将储热罐1内部空间划分成热侧空间7和冷侧空间8；其中，热侧空间7为位于浮动隔热板3上面的罐内空间，冷侧空间8为位于浮动隔热板3下面的罐内空间；

冷侧泵6的输出管道61连接到换热器2的第一进液口；冷侧泵6的输入管道62与冷侧空间8连通，换热器2的第二出液口经第二出液管道63与冷侧空间8连通；在冷侧泵6的输出管道61上安装有第一阀门611，在第二出液管道63上安装有第二阀门633；

热侧泵5的输出管道51连接到换热器2的第二进液口；热侧泵5的输入管道52位于热侧空间7；换热器2的第一出液口经第一出液管道53连接到储热罐1的热侧空间7；在热侧泵5的输出管道51上安装有第三阀门511，在第一出液管道53上安装有第四阀门533。

作为一种具体实现方式，还可以在储热罐内安装竖井4，竖井可以由保温砖砌筑而成，内外衬可以为光滑的金属板。具体的，在浮动隔热板3上开设第一通孔；竖井4垂直设置在第一通孔内部，竖井4为筒状结构，竖井4的底端与冷侧空间8连通，竖井4的顶端通过井盖密封，并且，竖井4的顶端高于储热罐1内的液面高度；在竖井4的井内空间安装冷侧泵6；在热侧空间7安装热侧泵5；另外，在浮动隔热板3上还开设第二通孔；导向柱9垂直穿过第二通孔，导向柱可以由外壁光滑的金属管制成，导向柱9的底端与储热罐1的底壁固定连接；导向柱9的顶端与储热罐1的顶壁固定连接。通过竖井和导向柱的限位作用，可以引导浮动隔热板上下运动轨迹。在浮动隔热板3上固定安装有至少一个配重装置。图2中在浮动隔热板3上均匀固定安装四个配重装置，这四个配重装置分别为第一配重装置11、第二配重装置12、第三配重装置13和第四配重装置14。通过调节配重装置的重量可以调节整个浮动隔热板的密度和所受的力的平衡，浮动隔热板的密度经过配重装置调整后，需要保证浮动隔热板的密度大于热介质的密度而小于冷介质的密度。

还包括氮气输送管道10；在氮气输送管道10上安装有第五阀门100。

还包括冷侧泵流量调节管道15；冷侧泵流量调节管道15的一端与冷侧泵6的输出管道61连通，冷侧泵流量调节管道15的另一端位于竖井4内；在冷侧泵流量调节管道15上安装有第六阀门155。还包括热侧泵流量调节管道16；热侧泵流量调节管道16的一端与热侧泵5的输出管道51连通，热侧泵流量调节管道16的另一端位于热侧空间7内；在热侧泵流量调节管道16上安装有第七阀门166。

应用上述装置，本发明提供的单罐储热方法，可以包括储热过程和放热过程，下面对这两种过程分别介绍：

(一)储热过程

在冷侧空间8存储冷介质，包括以下步骤：

储热过程为：打开第一阀门611，关闭第二阀门633，调节第六阀门155的开度；启动冷侧泵6；冷侧泵6从竖井内抽取冷介质，并通过冷侧泵6的输出管道61将冷介质按指定流量输送到换热器2的第一进液口；

换热器2加热冷介质到设定温度，吸收热量的冷介质变为热介质；打开第四阀门533，热介质流到储热罐1的热侧空间7；热量以显热的形式储存在储热罐1，随着储热过程的进行，冷介质逐渐减少，热介质逐渐增多，浮动隔热板3在浮力的作用下自动下降，当储热量达到最大值后储热完成，浮动隔热板3位于最低位置，此时停止冷侧泵6。

(二)放热过程

在热侧空间7存储热介质，包括以下步骤：

放热过程为：打开第三阀门511，关闭第四阀门533，调节第七阀门166的开度；启动热侧泵5；热侧泵5从热侧空间7内抽取热介质，并通过热侧泵5的输出管道51将热介质按指定流量输送到换热器2的第二进液口；

换热器2冷却热介质到设定温度，放出热量的热介质变为冷介质；打开第二阀门633，冷介质流到竖井4内，进而流到冷侧空间8；随着放热过程的进行，热介质逐渐减少，冷介质逐渐增多，浮动隔热板3在浮力的作用下自动上升，当放热量达到最大值后放热完成，浮动隔热板3位于最高位置，此时停止热侧泵5。

需要说明的是，本发明提供的单罐储热方法中，冷介质或热介质包括但不限于导热油、熔盐、水等储热介质。而且，由于储热罐内浮动隔热板的密度小于冷介质，大于热介质，因此浮动隔热板在浮力的作用下随着冷热介质的比例变化而浮动。另外，当换热器选用双向换热器时，可以在一个储热罐中同时实现储热和放热的循环，具体的，储热时，储热介质通过换热器吸热，放热时储热介质通过换热器放热。

本发明提供的单罐储热系统及单罐储热方法，是一种结构简单、成本低的单罐流体显热储热系统，具体包括以下优点：

1、单罐储热系统只使用一个储热罐来储热，与双储热罐系统相比，明显降低了制造成本。因此，具有成本低廉的优点。

2、冷热侧绝热良好、运行连续：在系统设计上，浮动隔热板一方面具有冷热介质热绝缘的作用，另一方面浮动隔热板的可移动性也保证了充热和放热的连续性。

3、由于液下深度很大的泵在制造和运行时均存在很多技术问题，而本发明中，冷侧泵和热侧泵均安装在液下深度很低的位置，从而保证了系统的经济性和运行的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单罐储热系统，其特征在于，包括储热罐(1)、换热器(2)、浮动隔热板(3)、热侧泵(5)和冷侧泵(6)；

所述储热罐(1)包括筒状的罐本体、顶壁和底壁，所述顶壁密封在所述罐本体的顶端，所述底壁密封在所述罐本体的底端；

所述浮动隔热板(3)的形状与所述罐本体的形状适配，所述浮动隔热板(3)设置在所述储热罐(1)的内部并将所述储热罐(1)内部空间划分成热侧空间(7)和冷侧空间(8)；其中，所述热侧空间(7)为位于所述浮动隔热板(3)上面的罐内空间，所述冷侧空间(8)为位于所述浮动隔热板(3)下面的罐内空间；

所述冷侧泵(6)的输出管道(61)连接到所述换热器(2)的第一进液口；所述冷侧泵(6)的输入管道(62)与所述冷侧空间(8)连通；所述换热器(2)的第二出液口经第二出液管道(63)与所述冷侧空间(8)连通；在所述冷侧泵(6)的输出管道(61)上安装有第一阀门(611)，在所述第二出液管道(63)上安装有第二阀门(633)；

所述热侧泵(5)的输出管道(51)连接到所述换热器(2)的第二进液口；所述热侧泵(5)的输入管道(52)位于所述热侧空间(7)；所述换热器(2)的第一出液口经第一出液管道(53)连接到所述储热罐(1)的所述热侧空间(7)；在所述热侧泵(5)的输出管道(51)上安装有第三阀门(511)，在所述第一出液管道(53)上安装有第四阀门(533)。

2.根据权利要求1所述的单罐储热系统，其特征在于，还包括：竖井(4)；在所述浮动隔热板(3)上开设第一通孔，所述竖井(4)垂直设置在所述第一通孔内部，所述竖井(4)为筒状结构，所述竖井(4)的底端与所述冷侧空间(8)连通，所述竖井(4)的顶端通过井盖密封，并且，所述竖井(4)的顶端高于所述储热罐(1)内的液面高度；在所述竖井(4)的井内空间安装所述冷侧泵(6)；在所述热侧空间(7)安装所述热侧泵(5)；所述冷侧泵(6)的输入管道(62)与所述竖井(4)连通，所述换热器(2)的第二出液口经所述第二出液管道(63)与所述竖井(4)连通。

3.根据权利要求1所述的单罐储热系统，其特征在于，还包括：导向柱(9)；在所述浮动隔热板(3)上还开设第二通孔；所述导向柱(9)垂直穿过所述第二通孔，所述导向柱(9)的底端与所述储热罐(1)的所述底壁固定连接；所述导向柱(9)的顶端与所述储热罐(1)的所述顶壁固定连接。

4.根据权利要求1所述的单罐储热系统，其特征在于，还包括氮气输送管道(10)；在所述氮气输送管道(10)上安装有第五阀门(100)。

5.根据权利要求1所述的单罐储热系统，其特征在于，在所述浮动隔热板(3)上固定安装有至少一个配重装置。

6.根据权利要求4所述的单罐储热系统，其特征在于，在所述浮动隔热板(3)上均匀固定安装四个配重装置，所述四个配重装置分别为第一配重装置(11)、第二配重装置(12)、第三配重装置(13)和第四配重装置(14)。

7.根据权利要求1所述的单罐储热系统，其特征在于，还包括冷侧泵流量调节管道(15)；所述冷侧泵流量调节管道(15)的一端与所述冷侧泵(6)的输出管道(61)连通，所述冷侧泵流量调节管道(15)的另一端与所述冷侧空间(8)连通；在所述冷侧泵流量调节管道(15)上安装有第六阀门(155)。

8.根据权利要求1所述的单罐储热系统，其特征在于，还包括热侧泵流量调节管道(16)；所述热侧泵流量调节管道(16)的一端与所述热侧泵(5)的输出管道(51)连通，所述热侧泵流量调节管道(16)的另一端位于所述热侧空间(7)内；在所述热侧泵流量调节管道(16)上安装有第七阀门(166)。

9.一种应用权利要求1-8任一项所述单罐储热系统的单罐储热方法，其特征在于，在所述冷侧空间(8)存储冷介质，包括以下步骤：

储热过程为：打开所述第一阀门(611)，关闭所述第二阀门(633)，调节所述第六阀门(155)的开度；启动所述冷侧泵(6)；所述冷侧泵(6)从所述竖井内抽取所述冷介质，并通过所述冷侧泵(6)的输出管道(61)将所述冷介质按指定流量输送到所述换热器(2)的第一进液口；

所述换热器(2)加热所述冷介质到设定温度，吸收热量的所述冷介质变为热介质；打开所述第四阀门(533)，所述热介质流到所述储热罐(1)的所述热侧空间(7)；热量以显热的形式储存在所述储热罐(1)，随着储热过程的进行，冷介质逐渐减少，热介质逐渐增多，所述浮动隔热板(3)在浮力的作用下自动下降，当储热量达到最大值后储热完成，所述浮动隔热板(3)位于最低位置，此时停止所述冷侧泵(6)。

10.一种应用权利要求1-9任一项所述单罐储热系统的单罐储热方法，其特征在于，在所述热侧空间(7)存储热介质，包括以下步骤：

放热过程为：打开所述第三阀门(511)，关闭所述第四阀门(533)，调节所述第七阀门(166)的开度；启动所述热侧泵(5)；所述热侧泵(5)从所述热侧空间(7)内抽取所述热介质，并通过所述热侧泵(5)的输出管道(51)将所述热介质按指定流量输送到所述换热器(2)的第二进液口；

所述换热器(2)冷却所述热介质到设定温度，放出热量的所述热介质变为冷介质；打开所述第二阀门(633)，所述冷介质流到所述竖井(4)内，进而流到所述冷侧空间(8)；随着放热过程的进行，热介质逐渐减少，冷介质逐渐增多，所述浮动隔热板(3)在浮力的作用下自动上升，当放热量达到最大值后放热完成，所述浮动隔热板(3)位于最高位置，此时停止所述热侧泵(5)。

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