CN103075907A - 一种填充床式高压储热/储冷器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种填充床式高压储热/储冷器，用于高/低温热能存储领域。是一种采用外壳承受高压，内外壳间为保温层、内壳承装储热/冷介质的储热/冷器结构，利用固体材料作为储热/冷介质，高压传热介质流过储热/冷介质表面并发生换热的填充床式高压储热/储冷器。本发明的高压储热/储冷器结构简单，具有承受压力大、储能密度大，效率高，热能品位高等优点，特别适用于储释热/冷温差大、储释热/冷较频繁的储热和/或储冷的场合。
Description
技术领域
本发明涉及高/低温热能储存领域，是一种利用填充床式固体储热/冷介质储存高/低温热能并在需要时释放的装置。
背景技术
本发明公开的填充床式高压储热/储冷器可应用于工业过程的余热利用，太阳能/风能热储存，电力调峰热储存，先进压缩空气储能系统等。
储热/冷技术是有效解决热/冷能供求之间在时间与空间上不匹配的矛盾，提高能源利用率的有效手段。其中高压储热/冷技术主要应用于高压条件下的储热和/或储冷，是工业余热利用、太阳能/风能热利用、电力调峰热储存，先进空气储能系统等的关键技术。
目前，常用的高/低温绝热结构有堆积绝热、真空粉末绝热、真空多层堆积绝热和正压堆积绝热等，采用这些绝热结构的绝热储罐和储槽均采用保温层设置在承压罐壁外面的方案，并且通常抗压较低（目前，常用的此类容器压力最高为1.8Mpa）。若采用此类绝热结构制造高压储热/储冷器，则需要厚壁的压力容器作为与介质接触的罐壳或者内壳，同时罐壁热容也将大幅增加，使得在储热/冷的过程中需要大量的热/冷能来冷却罐壳或者内壳，这部分热/冷能却难以回收，会使储热/冷效率大幅降低。另外，这些储罐通常只作为高/低温流体介质储存使用，没有填充固体介质用于储热/冷。
经过对现有技术文献的检索发现，中国专利申请号为：201110156413.5，名称为：一种固体储热装置。该专利的特征在于：储热单元包括外壳、外壳内部布置的固体储热介质及外部的保温层，以固体储热介质的外表面为换热界面，储热单元内部规律布置隔热层，沿轴向上具有斜温层，具有分层控制系统。该专利采用了保温层在罐壁外部的保温方式，若应用于高压低温条件则需要很厚的罐壁承压，因而高压储热/冷效率较低。
发明内容
本发明提供了一种内壳承装储热/冷介质，外壳承受高压，内外壳间保温夹层的储热/冷器结构，利用固体材料作为储热/冷介质，高压传热介质流过储热/冷介质表面并发生换热的填充床式高压储热/储冷器。与现有的内承压，外保温的高压储罐相比，具有充放储热/储冷效率高的特点。
本发明的技术解决方案是：
一种填充床式高压储热/储冷器，包括至少一个顶部进料口、至少一个底部排料口、至少一个顶部传热介质管口和至少一个底部传热介质管口，其特征在于，所述高压储热/储冷器包括厚壁外壳，薄壁内壳，内外壳之间的保温层，内壳内部填充的固体储热介质，内壳支撑装置；所述高压为1MPa~40Mpa；所述内壳的壁厚小于外壳的1/2；所述保温层为孔隙率高、导热系数低的保温材料，所述保温层与内壳之间设有压力连通装置，使得所述保温层与内壳内部压力相通，厚壁外壳为承受高内压的压力容器；流体传热介质与固体储热介质相接触，并在固体储热介质表面发生换热。
优选地，填充床式高压储热/储冷器顶部进料口和顶部传热介质管口可以为同一开口，所述高压储热/储冷器底部排料口和底部传热介质管口可以为同一开口。
所述填充床式高压储热和/或储冷装置的薄壁内壳材料为如钢、铝、钛等的金属材料，厚壁外壳材料为如钢、铝、钛等的金属材料或如玻璃钢、预应力混凝土等的非金属材料。
所述填充床式高压储热/储冷器采用管道等方式连接内壳内部与保温夹层，使之压力平衡。
所述传热介质为液态、气态或超临界态的空气、氮气、氧气、氦气、氢气、甲烷、水蒸汽等其中一种或至少两种的混合物。
所述固体储热介质为颗粒状或多孔材料，为岩石，矿石，矿渣，混凝土，耐火砖，陶瓷球，金属，封装的相变材料等其中一种或至少两种的混合物。
所述保温层为孔隙率高、导热系数低的保温材料，如岩棉、珠光砂、玻璃纤维毡等其中一种或多种的混合物。
所述内壳支撑装置的支撑方式为圆环形支撑、多点支撑等其中一种或多种，支撑材料可以为性能稳定、导热系数低、抗压强度较高的如钢、钛等金属材料或如玻璃钢、树脂等非金属材料等。
优选地，所述固体储热/冷介质为体积热容高、成本低廉、热机械性能稳定、对传热介质吸收渗透率低、孔隙率低、比表面积高的材料。
优选地，所述高压储热/储冷器由上至下设置多个隔热层，该隔热层允许传热介质自由通过，所述隔热层可以减小内部固体储热/冷介质和传热流体的轴向导热。
所述压力连通装置为设置在内壳壁面上的开孔或一端与保温层连通、另一端与内壳连通的连接管道，使得所述保温层与内壳内部压力相通，使之压力平衡；优选地，所述通压管道一端与顶部传热介质管口连通、另一端穿过厚壁外壳与保温层连通。
优选地，所述高压储热/储冷器的壁壳与保温层之间设置一定厚度的空隙，所述空隙可以提高保温夹层内部的压力传递速度。
优选地,所述高压储热/储冷器，内部可以设置一个或多个换热器以补充热/冷量，换热器可以为螺旋管束、光滑管管束、翅片管管束或盘管管束的一种或多种混合。
优选地,所述高压储热/储冷器，传热介质进口和/或出口可以设置一个或多个扰流板以使传热流体均匀流入，扰流板可以为多孔板、挡流板等一种或多种混合。
作为高压储热器的使用流程为：
预先，关闭底部的储热介质排出口，将固体储热介质通过顶部的进料口填充进高压储热器内壳中，至预定高度。
储热时，高温高压传热介质由高压储热器顶部的传热介质管口进入。经过顶部管口的扰流板后，传热介质均匀向下，通过固体储热介质之间的空隙，经过固体储热介质表面并与之换热，将高温热能传给固体介质；同时传热流体被冷却，由高压储热器底部的传热介质管口排出。当传热介质的排出温度达到某一设定温度时，认为热能已经储满，关闭传热介质的进入，结束储热。储热过程中，填充床内部温度场形成自上而下的均匀分层。
高压储热器若已经储存一定热量，开始保温阶段时，关闭高压储热器顶部和底部的传热介质管口。
释热时，高压传热介质由高压储热器底部的传热介质管口进入。经过底部管口的扰流板后，传热介质均匀向上，通过固体储热介质之间的空隙，经过固体储热介质表面并与之换热，吸收固体储热介质中的热能；传热流体温度升高，由高压储热器顶部的传热介质管口排出。当传热介质的排出温度降至某一设定温度时，认为热能释放完毕，结束释热。释热过程中，填充床内部温度场的轴向分层不断向上推移。
作为高压储冷器的使用流程为：
预先，关闭底部的储冷介质排出口，将固体储冷介质通过顶部的进料口填充进高压储冷器内壳中，至预定高度。
储冷时，低温高压传热介质由高压储冷器底部的传热介质管口进入。经过底部管口的扰流板后，传热介质均匀向上流动，通过固体储冷介质之间的空隙，经过固体储冷介质表面并与之换热，将低温冷能传给固体介质；传热流体温度升高，由高压储冷器顶部的传热介质管口排出。当传热流体的排出温度降至某一设定温度时，认为冷能已经储存完毕，结束储冷。储冷过程中，储冷过程中，填充床内部温度场形成自上而下的均匀分层。
高压储冷器若已经储存一定冷量，开始保温阶段时，关闭高压储冷器顶部和底部的传热介质管口。
释冷时，高压传热介质由高压储冷器顶部的传热介质管口进入。经过顶部管口的扰流板后，传热介质均匀向下流动，通过固体储冷介质之间的空隙，经过固体储冷介质表面并与之换热，吸收固体储冷介质的低温冷能；传热流体温度降低，由高压储冷器底部的传热介质管口排出。当传热介质的排出温度升至某一设定温度时，认为冷能已经释放完毕，结束释冷。释冷过程中，填充床内部温度场的轴向分层不断向下推移。
本发明的高压储热/储冷器简单，性能稳定，可靠性高，具有储能密度大，效率高，热能品位高等优点，特别适用于压力高、容量大、储释热/冷温差大、储存/释放较频繁的高压储热和/或储冷的场合。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，为本发明的高压储热/储冷器实施例1，此实施例中，顶部进料口和顶部传热介质管口为同一开口，底部排料口和底部传热介质管口为同一开口。其中，包括底座1，底部排料口兼底部传热介质管口2，底部多孔挡流板3，内壳支撑装置4，厚壁外壳5，保温层6，薄壁内壳7，固体储热/冷介质8，顶部多孔挡流板9，通压管道10，顶部进料口兼顶部传热介质管口11。通压管道10一端与顶部传热介质管口11连通、另一端穿过厚壁外壳5与保温层6连通。内壳7的壁厚小于外壳5的1/2，保温层6为孔隙率高、导热系数低的保温材料，保温层6与内壳7之间的通压管道10，使得保温层6与内壳7内部压力相通，厚壁外壳5为承受高内压的压力容器。本发明的高压储热/储冷器可承受1MPa~40Mpa的高压。
预先，关闭底部的排料口2，将固体储热/冷介质8通过顶部的进料口11填充进高压储热/储冷器中，至预定高度。
储热时，高温高压传热介质由顶部传热介质管口11进入。经过顶部多孔挡流板9后，传热介质均匀向下，将高温热能传给固体储热介质8；同时传热流体被冷却，经高压储热器底部的传热介质管口2排出。当传热介质的排出温度达到某一设定温度时，认为热能已经储满，关闭传热介质的进入，结束储热。
释热时，高压传热介质由高压储热器底部的传热介质管口2进入。经过底部多孔挡流板3后，传热介质均匀向上，吸收固体储热介质8的热量；传热流体温度升高，经高压储热器顶部的传热介质管口11排出。当传热介质的排出温度降至某一设定温度时，认为热能已经释放完毕，结束释热。
作为高压储冷器储冷时，低温高压传热介质由高压储冷器底部的传热介质管口2进入。经过底部多孔挡流板3后，传热介质均匀向上流动，将低温冷能传给固体储热介质8；传热流体温度升高，由高压储冷器顶部的传热介质管口11排出。当传热流体的排出温度降至某一设定温度时，认为冷能已经储存完毕，结束储冷。
释冷时，高压传热介质由高压储冷器顶部的传热介质管口11进入。经过顶部管口的扰流板9后，传热介质均匀向下流动，吸收固体储冷介质8的低温冷能；传热流体温度降低，由高压储冷器底部的传热介质管口2排出。当传热介质的排出温度升至某一设定温度时，认为高压储冷器已经释放完毕，结束释冷。
实施例2
如图2所示，为本发明的高压储热/储冷器实施例2，此实施例中顶部进料口和顶部传热介质管口为不同开口，底部排料口和底部传热介质管口为不同开口。其中，包括底座1，底部排料口12，底部传热介质管口2，底部多孔挡流板3，内壳支撑装置4，厚壁外壳5，保温层6，薄壁内壳7，固体储热/冷介质8，顶部进料口13，顶部多孔挡流板9，通压管道10，顶部传热介质管口11。通压管道10一端与顶部传热介质管口11连通、另一端穿过厚壁外壳5与保温层6连通。
预先，关闭底部的排料口12，将固体储热/冷介质8通过顶部的进料口13填充进高压储热/储冷器中，至预定高度。
作为高压储热器储热时，高温高压传热介质由顶部传热介质管口11进入。经过顶部多孔挡流板9后，传热介质均匀向下，将高温热能传给固体储热介质8；同时传热流体被冷却，由高压储热器底部的传热介质管口2排出。当传热介质的排出温度达到某一设定温度时，认为热能已经储满，关闭传热介质的进入，结束储热。
释热时，高压传热介质由高压储热器底部的传热介质管口2进入。经过底部多孔挡流板3后，传热介质均匀向上，吸收固体储热介质8的热量；传热流体温度升高，由高压储热器顶部的传热介质管口11排出。当传热介质的排出温度降至某一设定温度时，认为热能已经释放完毕，结束释热。
作为高压储冷器储冷时，低温高压传热介质由高压储冷器底部的传热介质管口2进入。经过底部多孔挡流板3后，传热介质均匀向上流动，将低温冷能传给固体储冷介质8；传热流体温度升高，由高压储冷器顶部的传热介质管口11排出。当传热流体的排出温度降至某一设定温度时，认为冷能已经储存完毕，结束储冷。
释冷时，高压传热介质由高压储冷器顶部的传热介质管口11进入。经过顶部管口的扰流板9后，传热介质均匀向下流动，吸收固体储冷介质8的低温冷能；传热流体温度降低，由高压储冷器底部的传热介质管口2排出。当传热介质的排出温度升至某一设定温度时，认为冷能已经释放完毕，结束释冷。
实施例3
如图3所示，为本发明的高压储热/储冷器实施例3，为实例1的改进，此实施例中，高压储热/储冷器内部在竖直方向上布置换热管/管束。在存储、释放和保温等环节，不同压力的高/低温传热流体可以通过换热管/管束，为内部储热/冷介质补充热/冷量。
其中，包括底座1，底部排料口兼底部传热介质管口2，底部多孔挡流板3，内壳支撑装置4，厚壁外壳5，保温层6，薄壁内壳7，固体储热/冷介质8，顶部多孔挡流板9，通压管道10，顶部进料口兼顶部传热介质管口11，换热管/管束顶部管口16，换热管/管束15，换热管/管束底部管口14。通压管道10一端与顶部传热介质管口11连通、另一端穿过厚壁外壳5与保温层6连通。
高压储热/储冷器的储热/冷过程与实例1相同。
当需要为高压储热器内部储热介质补充热量时，额外的传热流体经换热管/管束顶部管口16进入换热管/管束15内部，通过换热管/管束壁面将热能传递给内部固体储热介质8，温度降低后经过换热管/管束底部管口14流出。
当需要为高压储冷器内部储冷介质补充冷量时，额外的传热流体经换热管/管束底部管口14进入换热管/管束15内部，通过换热管/管束壁面将冷能传递给内部固体储热介质8，温度升高后经过换热管/管束顶部管口16流出。
以上对发明的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种填充床式高压储热/储冷器，包括至少一个顶部进料口、至少一个底部排料口、至少一个顶部传热介质管口和至少一个底部传热介质管口，其特征在于，所述高压储热/储冷器包括厚壁外壳，薄壁内壳，内外壳之间的保温层，内壳内部填充的固体储热介质，内壳支撑装置；所述内壳的壁厚小于外壳的1/2；所述保温层为孔隙率高、导热系数低的保温材料，所述保温层与内壳之间设有压力连通装置，使得所述保温层与内壳内部压力相通，厚壁外壳为承受高内压的压力容器；流体传热介质与固体储热介质相接触，并在固体储热介质表面发生换热。
2.根据权利要求1所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述高压储热/储冷器顶部进料口和顶部传热介质管口可以为同一开口，所述高压储热/储冷器底部排料口和底部传热介质管口可以为同一开口。
3.根据权利要求1所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述薄壁内壳的材料为如钢、铝、钛等的金属材料，厚壁外壳材料为如钢、铝、钛等金属材料或玻璃钢、预应力混凝土等非金属材料。
4.根据权利要求1所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述流体传热介质为液态、气态或超临界态的空气、氮气、氧气、氦气、氢气、甲烷、水蒸汽等其中一种或至少两种的混合物。
5.根据权利要求1所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述固体储热介质为颗粒状材料或多孔材料，为岩石、矿石、矿渣、混凝土、耐火砖、陶瓷球、金属和封装的相变材料中的一种或至少两种的混合物。
6.根据权利要求1所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述保温层为岩棉、珠光砂和玻璃纤维毡中的一种或多种的混合物。
7.根据权利要求1所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述内壳支撑装置的支撑方式为圆环形支撑、多点支撑中的一种或多种，支撑材料可以为性能稳定、导热系数低、抗压强度较高的如钢、钛等金属材料或如玻璃钢、树脂等非金属材料。
8.根据上述任一项权利要求所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述压力连通装置为设置在内壳壁面上的开孔或一端与保温层连通、另一端与内壳连通的通压管道，使得所述保温层与内壳内部压力相通，使之压力平衡；优选地，所述通压管道一端与顶部传热介质管口连通、另一端穿过厚壁外壳与保温层连通。
9.根据上述任一项权利要求所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，在传热介质进口和/或出口可以设置一个或多个扰流板以使传热流体均匀流入，扰流板可以为多孔板、挡流板等一种或多种混合，可以阻挡固体储热/冷介质进入传热介质管道,但可使传热流体自由通过。
10.根据上述任一项权利要求所述的填充床式高压储热/储冷器，其特征在于，所述高压储热/储冷器由上至下设置多个隔热层，所述隔热层允许传热介质自由通过，所述保温层可以减小内部固体储热/冷介质和传热流体的轴向导热。
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