CN102914068A - 一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置。一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，其特征在于它包括进气管、进气分配管、储热室箱体、储热室门、出气分配管、出气管、高温相变储热管、高温相变储热管支撑、保温材料、相变储热材料；储热室箱体的一端设有进气管，进气分配管、储热室箱体的另一端设有出气分配管、出气管；高温相变储热管材料为陶瓷钢铁复合管并由高温相变储热管支撑固定，高温相变储热管内封装有相变储热材料，多根规格相同的高温相变储热管成正方形或正三角形分布。本发明结构简单、传热效率高且安全可靠的特点。

Description

一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置
技术领域
本发明涉及一种能量的存储与释放装置，尤其涉及一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置。
背景技术
太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，具有无污染、取用方便的特点，但到达地球表面的太阳辐射，能量密度却很低，而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，以及因晴云雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。在太阳热能发电系统中，太阳能集热器把收集到的太阳辐射能发送至接收器产生热空气或热蒸汽，用传统的电力循环来产生电能，为了保持供电装置稳定不间断地运行，就需要储热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续和稳定供应的需要，所以太阳能高温储热装置是太阳能热发电的关键技术，它对于提高系统发电效率、提高系统发电稳定性和可靠性具有重要意义。
用于太阳能热发电的高温储热系统应具有良好的保温效果、高温下抗氧化性、能实现储热及放热循环、操作简单及安全可靠且成本低。高温储热材料则应满足高的储热密度、储热及放热循环完全可逆、良好的热传导性、无高温腐蚀、优良的化学稳定性及安全可靠。目前应用于太阳能热发电的储热材料有水、导热油、耐高温混凝土和熔融盐等。水作为储热材料储能密度不大，水和导热油在高温下蒸汽压很大，使用时需要特殊的压力阀等设备，导热油还容易引发火灾，而且价格较贵；耐高温混凝土作为储热材料，对其内部换热管道要求很高，其成本占整个储热系统成本的45%-55%；熔盐普遍存在导热系数小,储能密度低及工作温度低等缺陷，从而导致储能系统较为庞大及太阳能热发电的蒸汽参数较低。与上述储热材料相比，铝基合金储热材料具有储热密度大、热循环稳定性好、导热系数高、性价比良好、不易燃、无毒等优点，在高温相变储热（>400℃）应用中具有较大的优势，但是铝基合金储热材料在液态时具有强烈的腐蚀性，并且在长期的吸、放热循环过程中，储热材料与储热容器材料间可能会发生多种电化学反应及物理反应，明显腐蚀储热容器材料，或改变储热材料的热物性。此外，相变材料在相变过程往往伴有体积的变化，所以恰当的选择储热容器材料非常重要。因此，针对铝基合金储热材料，选择相应的储热容器材料并设计相应的储热装置，可用于太阳能热发电系统，所以对于铝基合金储热装置的研究有待进一步开展。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，它具有结构简单、换热效率高且安全可靠的特点。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，其特征在于它包括进气管1、进气分配管2、储热室箱体5、储热室门6、出气分配管3、出气管4、高温相变储热管7、高温相变储热管支撑8、保温材料、相变储热材料9；储热室箱体5内外置有保温材料；储热室门6的一端与储热室箱体5的外壁铰接，储热室门6关闭时，储热室门6与储热室箱体围成密封的储热空间；储热室箱体5的一端设有进气管1，进气分配管2、储热室箱体5的另一端设有出气分配管3、出气管4。高温相变储热管7由高温相变储热管支撑8固定，高温相变储热管7内封装有相变储热材料9。
所述的高温相变储热管7材料为陶瓷钢铁复合管，所述的陶瓷钢铁复合管外层是无缝钢管10，内层是刚玉瓷11，下端盖12和上端盖13为内衬刚玉瓷的碳钢钢板，多根规格相同的高温相变储热管7竖直放置并成正方形或正三角形均匀分布，所述的高温相变储热管7内充装相变储热材料9，所述相变储热材料9为铝基合金储热材料。
本发明的有益效果是：采用上述结构，其结构简单易行，即使传热介质为高温高压的流体时，仍能确保储热系统的安全可靠性；相变材料采用铝基合金储热材料，铝基合金储热材料具有合适的相变温度和较高的储热密度，加快了流体与相变储热材料间的换热，缩小了储热容装置的体积，从而提高了系统的储热效率和储热密度，延长储热系统的使用寿命、使储热放热过程稳定高效的进行。
本发明的高温相变储热管7材料为陶瓷钢铁复合管，陶瓷钢铁复合管外层是无缝钢管10，内层是刚玉瓷11，下端盖12和上端盖13为内衬刚玉瓷的碳钢钢板，能够充分发挥无缝钢管强度高、韧性好、耐冲击、焊接性能好以及刚玉瓷高强度、耐腐蚀、高耐磨、耐热性好的特点，克服了无缝钢管硬度低、耐磨性差、以及陶瓷韧性差的特点，陶瓷钢铁复合管具有良好的耐蚀、耐磨、耐热性能及机械冲击与热冲击性能、可焊性好等综合性能，特别适用于充装铝基高温相变储热材料，多根规格相同的高温相变储热管7竖直放置并成正方形或正三角形均匀分布，可以加强与热空气或热蒸汽流体的扰流程度，提高与热空气或热蒸汽流体的换热效率，从而提高整个太阳能热发电系统的效率。
它主要应用于太阳能热发电系统，工作温度范围在400-700℃。
附图说明
图1 是本发明的立体图；
图 2 是本发明的主视图；
图 3 是图2沿A-A线的剖视图；
图 4 是图2沿B-B线和C-C线的剖视图；
图 5 是高温相变储热管结构示意图；
图 6 是高温相变储热管支撑结构示意图。
图中：1.进气管，2.进气分配管，3.出气分配管, 4.出气管, 5.储热室箱体,6.储热室门，7.高温相变储热管,8.高温相变储热管支撑,9.相变储热材料，10.无缝钢管，11.刚玉瓷，12.下端盖，13.上端盖。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图 6所示，一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，它包括进气管1、进气分配管2、出气分配管3、出气管4、储热室箱体5、储热室门6、高温相变储热管7、高温相变储热管支撑8、保温材料、相变储热材料9；
储热室箱体 5 为立方体，储热室壁面采用耐高温的钢板制成，为了减少热量损失，储热室内外壁均设置有保温材料；储热室门 6 的一端与储热室箱体5 的外壁铰接，储热室门 6 关闭时，储热室门 6 与储热室箱体围成密封的储热空间；储热室箱体 5 的一端设有进气管 1、进气分配管2，储热室箱体 5 的另一端设有出气分配管3、出气管4；
高温相变储热管7设置在储热室箱体内，多根规格相同的高温相变储热管7竖直排列，并且成正方形或正三角形均匀分布，高温相变储热管7内封装有蓄热材料，高温相变储热管 7 由高温相变储热管支撑 8 固定，高温相变储热管支撑 8 的材料为金属丝；
高温相变储热管 7 材料为陶瓷钢铁复合管，陶瓷钢铁复合管外层是无缝钢管10，内层是刚玉瓷11，下端盖12和上端盖13为内衬刚玉瓷的碳钢钢板，该管独特的组织结构能够承受铝基储热材料的腐蚀。 
保温材料可以采用硅酸铝耐火纤维或硅酸铝耐火纤维与矿渣棉板组合保温材料，保温层的厚度选择取决于储热温度对热损的要求。 
相变储热材料 9 为铝基合金储热材料，储热材料可以通过不同配比将熔化温度控制在 450-570℃之间，可根据需要选择。 
高温储热换热装置蓄热时，经太阳能集热器加热的高温气体通过进气管及进气分配管使流体均匀地导入储热空间内，热流体将热量传递给高温相变储热管内的相变储热材料，相变储热材料由固态逐渐变为液态，由于铝基合金储热材料具有很大的储能密度，因此整个装置内可以存储大量热能，而且金属导热系数大，在熔化和凝固的过程中具有较快的传热效率，从而使热能不断转化为潜热储存在相变材料内，释放了热量的流体经出气分配管和出气口流出，经过一定时间后，固态相变储热材料完全转化为液态实现热量存储的最大化，停止热流体的进出。当太阳能减弱或者需要利用热能时，使冷流体沿着与热流体同样的路线流动，此时冷流体通过相变储热换热装置的箱体内，相变储热材料由液态逐渐转变为固态释放存储的热量，对冷流体逐渐进行加热，当储热材料放出部分热量后，换热管内壁面的液体逐渐凝固，随着放热量的增加，相变储热材料由液态渐变为固态，待全部转变为固态后，不再释放热量，此时冷流体的温度升高到最高值，储热释热过程可循环重复使用，实现冷、热流体与固液相变储热材料之间的高效换热。
高温相变储热管的制作工艺较复杂，其制作方法如下：
（1）根据需要设计出合适尺寸的高温相变储热管；
（2）高温相变储热管筒体材料采用陶瓷钢铁复合管，其外层是无缝钢管，内层是刚玉瓷，上下端盖利用陶瓷-金属复合制作技术原理，即采用胶做粘结剂，通过粘结将耐磨陶瓷片复合在碳钢钢板表面上，形成一个具有优异耐磨性能的表面；
（3）按图 5 所示将储热管筒体、上端盖、下端盖按零件图加工好备用；
（4）先将储热管筒体与下端盖焊接在一起；
（5）将粉末状的相变储热材料灌入储热管筒体内，考虑体积膨胀，不能完全装满；
（6）将上端盖和储热管筒体焊接在一起，对高温相变储热管进行封口备用。

Claims (3)

1.一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，其特征在于它包括进气管 （1）、进气分配管（2）、储热室箱体（5）、储热室门（6）、出气分配管（3）、出气管（4）、高温相变储热管（7）、高温相变储热管支撑（8）、保温材料、相变储热材料（9）；储热室箱体 (5）内外置有保温材料；储热室门（6）的一端与储热室箱体（5）的外壁铰接，储热室门（6) 关闭时，储热室门（6）与储热室箱体围成密封的储热空间；储热室箱体（5）的一端设有进气管（1），进气分配管（2）、储热室箱体（5）的另一端设有出气分配管（3）、出气管（4），高温相变储热管（7）由高温相变储热管支撑（8）固定，高温相变储热管（7）内封装有相变储热材料（9）。
2.根据权利要求 1 所述的一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，其特征在于，所述的高温相变储热管（7）材料为陶瓷钢铁复合管，所述的陶瓷钢铁复合管外层是无缝钢管（10），内层是刚玉瓷（11），下端盖（12）和上端盖（13）为内衬刚玉瓷的碳钢钢板，多根规格相同的高温相变储热管(7)竖直放置并成正方形或正三角形分布。
3.根据权利要求 1 和2所述的一种应用于太阳能热发电的高温储热换热装置，高温相变储热管(7)内充装相变储热材料(9)，所述相变储热材料(7)为铝基合金储热材料。
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