CN104142079B - 一种储热-换热设备 - Google Patents

Abstract

该发明专利提供一种储热-换热设备，包括多个层叠阵列布置的储热-换热单元，每个所述储热-换热单元包括储热壳体，置于所述储热壳体内部空腔的储热材料以及布置于所述储热材料中的换热装置，其特征在于，所述储热壳体内部的空腔上部开放，并且所述储热壳体中存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐渐增大；所述储热壳体具有显热储热能力；所述储热-换热单元通过所述换热装置进行热量的输入及输出；该储热-换热设备具有成本低、温度参数利用范围广；结构简单，可模块化车间生产，运输方便和现场安装简易等特点，可应用于多个领域。

Description

一种储热-换热设备

技术领域

本发明涉及一种储热-换热设备，尤其涉及一种应用于太阳能领域的储热-换热设备。

背景技术

随着社会的发展，化石能源的枯竭不可避免，这就意味着在能源消耗殆尽之前，人类必须找到新的替代能源——可再生能源。在所有可再生清洁能源中，太阳能等是被各国专家都看好的未来替代能源。

太阳能辐射的一个明显的特点是受昼夜、季节等规律性变化的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约。为了克服太阳能辐射的不连续性，太阳能利用系统中都会采用蓄热系统。目前使用的蓄热材料分为：显热型、潜热型和化学反应型3大类，应用较广泛的为显热型和潜热型，主要有导热油、耐高温混凝土、无机盐等。耐高温混凝土作为储热材料，有很好的应用前景，安全稳定，成本低廉，但存在导热系数较低，换热管道数量多，温度持续下降，无法获得较高的参数等不足，换热管道与固体材料间由于膨胀系数不同，会在反复升温降温后出现材料破坏或裂缝，对换热效果和使用寿命均产生不良影响；无机盐具有较大的相变潜热，应用较为广泛，但是其对容器具有一定的腐蚀性，对容器材质要求较高，成本下降困难；虽然目前出现利用耐高温混凝土显热储热与无机盐相变或显热储热相结合的储热方式（耐高温混凝土作为储热壳体，成圆柱体或长方柱体，无机盐处于柱状壳体中），现有的相变储热存在工程实现的问题，固液相变过程中带来的体积变化与壳体材料不易匹配，多次循环后会出现破损，具体为在储热罐系统接收热量输入的过程中，内部换热管道先对储热罐体内部的无机盐进行加热，而外部的耐高温混凝土未及时接收热量或只接收到少量的热量时，出现温度匹配不一致的情况，造成无机盐向外膨胀，储热壳体膨胀量不足，导致的储热罐体在多次频繁循环后出现裂缝情况；整体储存致使不同温度区域间存在太高的导热能力，形成均温效果，难以保证输出温度参数；大体积带来的壳体尺寸巨大，承压要求高，壳体造价高；储能材料费用也较高。

针对以上问题，本发明提出了一种具有导热系数高、安全性好、蓄热量大，方便车间加工，运输及现场安装便利等特点的储热-换热设备。

发明内容

本发明目的在于，克服以上描述的技术问题，提供一种储热-换热设备，包括多个层叠阵列布置的储热-换热单元，每个所述储热-换热单元包括储热壳体，置于所述储热壳体内部空腔的储热材料以及布置于所述储热材料中的换热装置，其特征在于，所述储热壳体内部的空腔上部开放，并且所述储热壳体中存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐渐增大；所述储热壳体具有显热储热能力；优选地，储热壳体的空腔侧壁面沿高度上升的方向连续地远离中心轴布置，或者，在储热壳体内部空间布置截面积沿高度上升方向逐渐减小的隔离装置，使得储热材料因温度变化或发生相变造成体积变化时向上部开放空间发展，减少对壳体四周的压力破坏，延长使用寿命，并且将储热壳体的显热比热加以利用，减少内部的储热材料用量，降低总体储热成本。

进一步地，所述储热壳体与储热材料间有耐腐蚀中间层，有效避免高温环境下储热材料对储热壳体的腐蚀，延长储热壳体的使用寿命。

进一步地，所述储热-换热单元在高度方向上层叠阵列布置，形成阵列组；且至少1个阵列组构成储热-换热设备整体。

进一步地，所述储热-换热单元在高度方向上规律错位层叠阵列布置，构成储热-换热设备整体；例如多个方形结构改变阵列方向错位布置，增加系统的稳定性，例如抗震性能良好。

优选地，所述储热-换热单元高度方向上的布置层数大于10层，有效形成斜温层结构，在有效的空间内储存尽量多的高品位热量。

进一步地，所述储热壳体的内空间包括多个存储储热材料的空腔，且单个或整个存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐步增大；有效地避免储热材料热膨胀引起的储热壳体膨胀破裂。

进一步地，所述储热壳体的材料为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物的显热储热材料。

进一步地，所述储热壳体内空间的侧边与底边夹角大于100°，以有效化解储热材料液-固相变过程中体积变化对储热壳体造成的压力破坏。

进一步地，所述储热壳体的侧边与底边交接处为圆弧过渡，以进一步增强储热壳体强度。

进一步地，所述储热壳体与储热材料之间的耐腐蚀中间层的材料为铝或不锈钢或碳钢材质的薄板或波纹凹凸薄板或石墨纸或碳纤维预浸布。

进一步地，所述储热壳体每个内空间或内空间单元所使用的耐腐蚀中间层材料为整张材料，避免接缝造成的渗漏，尤其避免液态储热材料向耐腐蚀中间层外部的渗漏。

进一步地，所述耐腐蚀中间层面向储热壳体侧布置有插于储热壳体中的翅片或立柱结构，且翅片或立柱结构整体呈非平滑设计，良好地增加了储热壳体与储热材料之间的换热性能，同时避免了二者因膨胀不匹配造成的耐蚀中间层开裂情况出现。

进一步地，所述储热壳体内部或储热材料中添加高热导率的添加材料，例如铁屑、石墨、镁砖粉等材料。

进一步地，所述储热材料中添加高导热材料，例如铜丝、铝丝、铁丝等材料，提高储热材料的导热性能。

进一步地，所述储热壳体空腔密封，且内部空间添加保护性气体；减少外界气体例如空气与储热壳体和储热材料的接触，延长使用寿命。

进一步地，所述储热-换热单元阵列整体密封，密封空间内添加保护性气体，减少外界气体例如空气与内部的储热材料及储热壳体接触，延长使用寿命。

进一步地，所述储热-换热设备的外表面布置有保温结构和最外层的防护层，统一实施防护和保温，提高保温节能效率。

进一步地，所述储热材料为液态显热储热材料或液态显热储热材料与固态物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换使用的相变储热材料或相变储热材料与固态物质混合使用的相变储热材料。

进一步地，所述相变储热材料为无机盐或无机盐的混合物或低熔点金属或低熔点金属合金，例如无机盐为硝酸钠或硝酸钾单质、或二者的特定配比混合物；低熔点金属为锌、镁、铝或者特定配比合金，利用相变储热材料的相变焓进行热量的存热和取热。

进一步地，所述液态显热储热材料为无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油。

进一步地，所述固态物质为陶瓷微珠或陶瓷微粉或鹅卵石、金属铁屑、镁砖粉、石墨粉。

优选地，该陶瓷微珠或陶瓷微粉的密度与硝酸钠或硝酸钾等无机盐密度相近，良好地悬浮于储热材料中，有效提高相变储热材料发生相变后的密度，减少相变储热材料在相变过程中的体积变化，降低因相变储热材料循环相变冲击造成对储热壳体的破坏；或该固态物质布置于显热储热材料中，利用固体物质自身的储热性能进行储热，同时良好保证液态显热储热材料与换热装置的良好接触。

进一步地，所述换热装置包括存热换热管道和取热换热管道，可单独实施对储热材料存热和取热过程，也可以实现存热和取热二者之间的耦合。

进一步地，所述存热换热管道和/或取热换热管道在自下而上的高度方向上呈逐步升高的趋势布置，方便汽液的分离，且存热换热管道和取热换热管道上布置有翅片，具有良好的换热效果。

进一步地，所述多个层叠阵列布置的储热-换热单元的所述存热换热管道和/或取热换热管道在储热壳体内部空间以外进行连接，简单方便地完成整个储热-换热设备的热量传输的串联连接。

本发明提供的储热-换热设备，具有以下明显的优点，（1）储热壳体的内部空腔形状使储热材料与壳体材料容易实现相变膨胀匹配，减少或避免储热壳体长期使用过程出现破损裂缝等情况；（2）储热-换热设备结构简单，方便车间加工、方便运输；（3）在储热壳体内部空腔以外进行管路连接，现场安装施工方便；（4) 储热壳体材料经济、耐腐蚀，并提供显热储存能力，总体储热成本低；（5）储热-换热系统方便检测、维修和储热-换热单元更换；（6）储热-换热单元运输及安装便利，制作完成后可整体统一运送到装配地点，再方便的由多个储热单元组合构成储热装置。

附图说明

图1是本发明的储热-换热设备的第一实施例的结构示意图。

图2-1是本发明的储热-换热设备的第一实施例的储热壳体侧视结构示意图。

图2-2是本发明的储热-换热设备的第一实施例的储热壳体另一种侧视结构示意图。

图2-3是本发明的储热-换热设备的第一实施例的储热壳体再一种侧视结构示意图。

图3是本发明的储热-换热设备的第一实施例中取热换热管道的结构示意图。

图4是本发明的储热-换热设备的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明。

第一实施例

图1是本发明的储热-换热设备的第一实施例的结构示意图。该储热-换热设备包括多个层叠阵列布置的储热-换热单元；如图1所示，第一实施例中的储热-换热单元包括储热壳体101，置于所述储热壳体101内部空腔的储热材料106以及布置于所述储热材料中的换热装置102，所述储热壳体101内部空腔上部开放，并且所述储热壳体中存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐渐增大；所述储热壳体101具有显热储热能力。储热壳体101与储热材料106间布置有耐腐蚀中间层。

第一实施例中主要描述了一种储热-换热单元，该储热单元长度优选为小于10m，以方便储热罐结构的制造、运输和安装。所述储热壳体101存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方上逐渐增大；优选地，空腔的侧壁面沿高度上升的方向连续地远离中心轴布置，例如为敞口梯形柱体或敞口梯形台空腔结构布置方式，如图2-1所示，侧壁面的高度方向的相对高位置对应于中心轴线的距离L1和高度方向相对低位置对应于中心轴线的距离L2，很明显L1距离大于L2距离，从而使得内部的储热材料106例如无机盐因相变或温度变化出现体积变化时，向外膨胀的压力会得到消减，体积的膨胀向上发展，由于壳体内空间的上方开放，所以不会对壳体造成破裂损害；实施例一中，所述储热壳体的内空间还可以包括多个存储储热材料的空腔，且单个或整个存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐步增大，达到避免储热-换热单元在多次频繁循环后出现裂缝情况；另外储热壳体内空间可布置一个或多个截面积沿高度方向逐渐缩小的固态隔离装置108，如图2-2所示，所述隔离装置108可以为圆锥形、梯台形或金字塔形，在储热壳体空腔内部布置；或者多个隔离装置沿储热壳体空腔纵深方面间隔布置或随意布置，如图2-3所示，储热壳体101内部阵列布置多个隔离装置108；储热材料布置在隔离装置侧壁面与另一隔离装置侧壁面以及储热壳体内壁面之间的空腔之内，所述空腔内能够储存储热材料106的空间的水平截面积沿高度上升的方向上连续增大，当空腔内部的储热材料106因相变或温度变化出现体积变化时，这种结构可引导储热材料106的体积向上方扩大而不对侧壁产生过大压力，可有效地避免储热材料热膨胀引起的储热壳体膨胀破裂。

储热壳体101为固态具有显热储热能力的材料；例如为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物，混凝土采用石墨水泥或铝酸盐水泥，按一定比例添加硅微粉、矿渣粉和碳纤维，干混均匀后，加入一定量的水，再混合均匀，以方便多个储热-换热单元紧密层叠阵列布置，内部布置有增强结构强度的钢筋，脱模后形成储热-换热设备的储热壳体101，储热壳体101内空间的侧边与底边夹角A大于100°，使得壳体内空间的储热材料膨胀方向更容易向上方开放空间发展，见图2-1，进一步地，所述储热壳体101的侧边与底边交接处为圆弧过渡，成本低廉，承压能力强，运输便利；为了增加储热壳体101的导热能力，即存储和导出热量的能力，在所述的储热壳体101内部添加高热导率的添加材料，例如钢筋、铁屑、石墨粉或镁砖粉等。另外，储热-换热设备单元的储热壳体101形状可以为立方体外形或圆柱体外形，材质为混凝土，内壁采用机械方式固定耐腐蚀中间层，进一步地，所述耐腐蚀中间层可由若干个小面积的耐腐蚀中间层通过焊接等方式拼接，与储热壳体101相匹配。

所述耐腐蚀中间层107布置于储热壳体101与储热材料106之间，见图2-1或图2-2，能够有效避免储热壳体101与储热材料106间的直接接触，防止或减缓腐蚀；耐腐蚀中间层107的材料为整张材料，避免接缝造成的渗漏，具体为铝或不锈钢或碳钢或石墨材料或碳钢波纹管或石墨纸或碳纤维预浸布；耐腐蚀中间层107例如为碳纤维预浸布或者石墨纸，碳纤维预浸布的布置方式具体为，在储热壳体101脱模后，储热壳体101内部通过高温环氧胶固定碳纤维预浸布，然后将储热壳体101密封，通入1MPa、160℃的水蒸气10分钟，碳纤维预浸布上的高温环氧胶受热后融化；冷凝后，与储热壳体101形成一个完整的壳体；碳纤维预浸布或石墨纸可以防止储热材料106对储热壳体101的腐蚀，优选地，可以排除在高温环境中储热材料106对储热壳体101的腐蚀，避免储热材料106向储热壳体101的渗出。

另一实施例中，储热壳体101与耐腐蚀中间层107采用一步法进行制作和装配，在储热壳体101制备前，将耐腐蚀中间层107，例如为铝或不锈钢材料，置于储热壳体101内腔侧壁，脱模后，形成储热壳体101与耐腐蚀中间层107一体化结构。所述耐腐蚀中间层107面向储热壳体101侧布置有插于储热壳体中的翅片或立柱结构，且翅片或立柱结构整体呈非平滑设计；如此可以增强耐腐中间层107与储热壳体101之间的连接强度，实现大面积的连接同时，可以克服因温度匹配不一致导致的热胀冷缩造成的连接脱离。薄层的铝板或不锈钢板或者由波纹结构或者折叠结构的板材镶嵌于混凝土内部，阻隔储热材料106与混凝土之间的直接接触，降低储热材料106对储热壳体101的直接高温腐蚀，增加储热壳体101的耐腐蚀性能及热稳定性能，并且能克服储热材料106与储热壳体101因受热膨胀不一致导致的耐腐蚀中间层107与储热壳体101的脱离。

储热材料106填充于储热壳体101内部空腔内，储热材料106为液态显热储热材料或液态显热材料与固态物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换使用的相变储热材料或相变储热材料与固态物质混合使用的相变储热材料。所述液态显热储热材料，例如无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油；例如硝酸钠60Wt%+硝酸钾40Wt%的混合盐的高温稳定性，可以利用的显热储热温度范围为300℃~550℃，或者金属钠具有很好的储热和导热能力，与换热装置之间实现良好的膨胀匹配，接触良好，长期使用也不会有缝隙，利用储热材料106的显热或潜热进行热量的存储和输出；进行热量存储时，显热储热材料吸收热量，温度升高；进行热量输出时，显热储热材料释放热量，温度降低；进一步地，液态显热储热材料与固态物质混合使用的显热储热材料中的，固态物质为陶瓷微珠或陶瓷微粉或鹅卵石、金属铁屑、镁砖粉、石墨粉；优选地，陶瓷微粉或陶瓷微珠布置于显热储热材料中，利用固体物质自身的储热性能进行储热，同时良好保证液态显热储热材料与换热装置的良好接触。该显热储热材料的使用，可保证该储热材料106与储热壳体101间以及该储热材料106与换热装置102间有良好的接触，导热效果好，同时各材料间热膨胀系数的差异较小，不会造成破坏性挤压力，保证储热壳体101的密封安全。

进一步地，所述相变储热材料为可固液转换的材料，所述相变储热材料为无机盐或无机盐的混合物或低熔点金属或低熔点金属合金，例如无机盐为硝酸钠或硝酸钾单质、或二者的特定配比混合物；具体为碳酸钠或硝酸钠或硝酸钾或氯化钠或氢氧化钠或者硝酸钠60Wt%+硝酸钾40Wt%的混合盐低熔点金属为锌、镁、铝或者三者的特定配比合金;利用相变储热材料的相变潜热进行热量的存储和输出，相变储热材料在进行热量存储时吸收大量的热，温度上升至相变温度发生相变，逐渐由固态融化成液态；在进行热量输出时，取热换热管道104内部贯通流动的换热介质水输入，吸收储热材料106的热量后，变成带着内部热量的水蒸汽，相变储热材料的温度下降至相变温度时，相变储热材料发生相变，逐渐由液态凝固成固态。相变储热材料与固态物质混合使用的相变储热材料；所述固态物质为陶瓷微珠或陶瓷微粉或鹅卵石、金属铁屑、镁砖粉、石墨粉。优选地，所述固体物质为陶瓷微珠或陶瓷微粉，其密度与硝酸钠或硝酸钾等无机盐密度相近，良好地悬浮于储热材料中，有效减少相变储热材料在相变过程中的体积变化，降低因相变储热材料循环相变冲击造成对储热壳体的破坏；例如，相变储热材料为硝酸盐混合物，其液体密度1900kg/m3；固体密度2300kg/m3，相变成液态后，体积变化为17.4%；当固体物质陶瓷微粉添加量占30%（与硝酸盐混合物密度相当，且不随其一起相变），相变成液态后，体积变化为12.1%；当固体物质陶瓷微粉添加量占50%（与硝酸盐混合物密度相当，且不随其一起相变），相变成液态后，体积变化为8.7%。

优选地，在储热材料106中均匀混合高导热材料，例如在液态显热储热材料或液态与固态的不同物质混合使用的显热储热材料中均匀添加铜丝、铝丝、铁丝等材料，增加储热材料106的储热能力，并且使储热材料106与换热装置102或储热材料106与储热壳体101在进行换热的过程中，有更好的导热能力，避免因储热材料106导热能力差引起储热材料106与储热壳体101热膨胀程度不一致，进而耐腐蚀中间层107从储热壳体101内壁脱离。

进一步地，所述储热壳体101空腔通过盖体103密封，且储热材料106之外的内部空间添加保护性气体，减少外界气体例如空气与储热壳体101和储热材料106的接触，延长使用寿命。

换热装置102布置于上述的储热材料中，如图1和图3所示，换热装置102包括存热换热管道105和取热换热管道104，所述存热换热管道105和/或取热换热管道104自下而上的高度方向上呈逐步升高的趋势布置；优选地，在存热换热管道105和取热换热管道104上布置有翅片。该存热换热管道105内的换热介质例如蒸汽，路径自上向下；而取热换热管内的换热介质例如水，路径自下而上；如此强化存热过程中过热蒸汽或饱和蒸汽冷凝成冷凝水沿重力方向流动，未冷凝蒸汽位于冷凝水的重力反方向，实现自动分离；并且取热过程中，液态水上升获取热量，部分变成饱和蒸汽或过热蒸汽后，蒸汽布置于液态水的重力反方运行，避免水锤、振动等现象发生。

图3是本发明的储热-换热设备的第一实施例中取热换热管道的结构示意图；取热换热管道104内的换热介质从下端输入，上端输出，将储热材料内在的热量取出进行利用；取热换热管道104整体高度方向上呈台阶上升布置，宽度方向上呈迂回布置方式，长度方向上呈“弓”字形排布。该布置方式增加了取热换热管道104的换热面积，提高了换热效率。需要特殊说明的是，存热换热管道105与取热换热管道104在储热壳体101内部空间交错布置，存热换热管道105的布置方式与取热换热管道104的布置方式相似，不同点在于：存热换热管道105内的换热介质从上端输入、下端输出，将换热介质的热量取出传递给储热材料进行存储。需要说明的是，换热装置102也可以简化地采用水平和上升模式相结合的管道运行模式获得上述的效果，如此可以获得更加方便的制造工艺和更低的制造成本。进一步地，第一实施例的多个层叠阵列布置的储热-换热单元的换热管道在所述储热壳体内部空间以外进行连接，使得各储热单元可以单独车间化生产制造及独立分散运输，到达使用现场后逐个吊装就位，然后再方便地完成整个储热-换热设备的热量传输管路的串联连接，施工方便简单。换热介质的输入端与输出端可安排在储热-换热设备的一侧，方便管理与运行，安装简易，成本低。

另外，为了能良好地从储热壳体中取热储热壳体中的热量，可以将部分换热装置中的存热换热管道和取热换热管道布置于储热壳体中；更为优选的方案：为了减少储热-换热装置的加工制造成本和实施成本，储热壳体中不布置换热装置，而在所述储热壳体内部添加高热导率的添加材料，例如铁屑、石墨、镁砖粉等材料，以增强储热壳体内部热量的存热和取热。

第一实施例中的储热壳体空腔整体密闭，例如利用储热壳体的盖体与储热壳体空腔形成整体密闭腔体，该盖体也可以为布置于该储热壳体的上层储热壳体的底部结构；该储热壳体密闭空腔中添加保护性气体，减少外界气体与储热壳体和储热材料的接触，例如减少在高温空气的环境中造成的耐腐蚀中间层及储热壳体和储热材料的腐蚀、变质情况，延长使用寿命。所述储热-换热设备的外表面布置有保温结构和最外层的防护层，不仅对各储热-换热装置进行了保温，并且能够有效防止酸雨等有害物质对储热壳体的腐蚀，提高了节能效率。

第二实施例

图4是本发明的储热-换热设备的第二实施例的结构示意图。如图4所示，该储热-换热设备包括同一层阵列组中的多个层叠阵列布置的储热-换热单元411~储热-换热单元413及另一层阵列组中布置多个层叠阵列布置的储热-换热单元421~储热-换热单元423，各储热-换热单元紧密排布，节省空间；储热-换热单元在高度方向上层叠阵列布置成阵列组或储热-换热单元在高度方向上规律错位层叠阵列布置成阵列组；如此，多层层叠阵列布置构成储热-换热设备整体；例如规律错位层叠阵列布置的多个方形结构改变阵列方向错位布置，增加系统的稳定性，例如抗震性能良好。该第二实施例在高度方向上优选10层以上，以便降低高度方向上的各储热-换热单元之间的热传递，如此获得整体储热-换热设备的良好斜温层结构，可以方便经过存热获得明显斜温层进而得到高品位储热量，也可以方便地经过取热获得明显斜温层进而得到高品位换热介质例如水-水蒸汽参数高品位；综合充分地利用储热-换热设备中高品位热源。优选地，在不同高度上的储热-换热单元具有不同的相变储热材料或液态显热储热材料，例如在相对高位置的储热-换热单元411内的储热材料为相变储热材料为硝酸钾储热材料（相变点334℃）或者储热材料为液态显热储热材料硝酸钠60Wt%+硝酸钾40Wt%（显热储热温度范围为300℃~550℃）；相对低位置的储热-换热单元421内的相变储热材料为硝酸钠储热材料（相变点308℃）。

储热-换热单元阵列整体密封，密封空间内添加保护性气体，减少外界危害气体对储热材料以及储热壳体的腐蚀，提高储热材料的使用性能。所述储热换热单元411的高度例如小于1m，优选为0.5m，便于运输和安装。各储热-换热单元例如储热-换热单元411外部布置有储热壳体401，储热壳体401内部布置有换热装置。

换热装置包括存热换热管道435以及取热换热管道434，实施热量的输入和输出；所述的多个储热-换热单元水平阵列布置成层，多层错位叠加成储热罐体结构整体；通过单个储热-换热设备之间的换热管道输出、输入口串联或并联连接，形成完整的储热-换热系统；图4中标明了换热介质的流动路径，由于存热换热管道435与取热换热管道434的布置方式相似，图4中仅标明存热换热管道435的流经路径。在存热的热量输入过程中，换热介质例如为过热水蒸汽，从存热换热管道435流入到各个储热-换热单元，如过热水蒸气在存热换热管道435内流动时进行换热，过热水蒸汽温度逐渐下降，当温度下降至水的相变点时，过热水蒸气凝结成水，各个高度方向下降的换热管道内的水统一由存热换热管道435输出；在取热的热量输出过程中，换热介质例如水从取热换热管道434流入到各个储热-换热单元如储热-换热单元411内的换热管道进行换热，水的温度逐渐升高，当温度升至水的相变温度时发生相变，由液态的水变为水蒸气；随着温度的继续升高，变为过热水蒸气，各储热-换热单元如储热-换热单元411内的水蒸气或过热水蒸气统一由取热换热管道434输出，以备使用。进一步地，所述多个层叠阵列布置的储热-换热单元的换热管道在所述储热壳体内部空间以外进行连接，方便完成整个储热-换热设备的热量传输的串联连接，例如换热介质的输入端与输出端在储热-换热设备的一侧，方便管理与运行，安装简易，成本低。

第三实施例

第三实施例的具体实施：储热-换热设备单元尺寸长为10m，宽度为2m，高度为0.5m，单位总质量近20T，储热总量0.8MWh，其中设备储热罐为混凝土，储热材料为硝酸钠，二者的质量分别为10T；同一层共有5个相同设备单元并列布置，共20层，储热-换热设备整体尺寸为10m的立方结构；总储热质量2000T，储热热量80MWh；假定混凝土价格为150元/立方米，硝酸钠价格3500元/吨；总价格为330万元；常规316材质储热罐储存硝酸钠系统：储热罐尺寸外径10m，厚度0.02m，高度10m，罐体总质量近50T，硝酸钠总质量1200T，总储热热量为82MWh；罐体价格2.5万元/T，总成本为540万元（成本价格都没有添加换热管道成本）；可见本发明方案的经济性较好。

需要特殊说明的是储热-换热单元内部布置的高度方向上升的换热管道可以有其它的布置方式，例如折叠上升贯通布置，在存热过程中高温高压的换热介质，例如水蒸汽从存热换热管道的上端进入，完成存热后，从下端流出；在取热的过程中低温高压换热介质例如水，从取热换热管道的下端进入，完成取热后，从上端流出。储热-换热单元还可以阵列的水平布置，换热介质从水平一端进入从另一端流出，完成储热-换热单元的热量存储与取热。储热-换热单元的储热壳体为耐腐蚀的混凝土，例如含有石墨的石墨混凝土，减少特定相变储热材料对储热壳体本身的腐蚀。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说可以预见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。

Claims (23)

1.一种储热-换热单元，其特征在于，所述储热-换热单元包括储热壳体，置于所述储热壳体内部空腔的储热材料以及布置于所述储热材料中的换热装置，所述储热壳体内部的空腔上部开放，并且所述储热壳体中存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐渐增大；所述储热壳体具有显热储热能力；所述储热壳体内部空间布置截面积沿高度上升方向逐渐减小的隔离装置。

2.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体的空腔侧壁面沿高度上升的方向连续地远离中心轴布置。

3.根据权利要求2所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体与储热材料间有耐腐蚀中间层。

4.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体的内空间包括多个存储储热材料的空腔，且单个或整个存储储热材料的空腔的水平横截面积沿高度方向上逐步增大。

5.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体的材料为水泥或混凝土或石材或金属或玻璃或陶瓷或石墨或一种以上的上述材料的混合物的显热储热材料。

6.根据权利要求3所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体与储热材料之间的耐腐蚀中间层的材料为铝或不锈钢或碳钢材质的薄板或波纹凹凸薄板或石墨纸或碳纤维预浸布。

7.根据权利要求6所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体每个内空间或内空间单元所使用的耐腐蚀中间层材料为整张材料，避免接缝造成的渗漏。

8.根据权利要求7所述的储热-换热单元，其特征在于，所述耐腐蚀中间层面向储热壳体侧布置有插于储热壳体中的翅片或立柱结构。

9.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体内部或储热材料中添加高热导率的添加材料。

10.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热壳体空腔密封，且内部空间添加保护性气体。

11.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述储热材料为液态显热储热材料或液态显热储热材料与固态物质混合使用的显热储热材料或可固-液态转换使用的相变储热材料或相变储热材料与固态物质混合使用的相变储热材料。

12.根据权利要求11所述的储热-换热单元，其特征在于，所述相变储热材料为无机盐或无机盐的混合物或低熔点金属或低熔点金属合金。

13.根据权利要求11所述的储热-换热单元，其特征在于，所述液态显热储热材料为无机盐或无机盐混合物或低熔点金属或低熔点金属合金或导热油。

14.根据权利要求11所述的储热-换热单元，其特征在于，所述固态物质为陶瓷微珠或陶瓷微粉或鹅卵石、金属铁屑、镁砖粉、石墨粉。

15.根据权利要求1所述的储热-换热单元，其特征在于，所述换热装置包括存热换热管道和取热换热管道。

16.根据权利要求15所述的储热-换热单元，其特征在于，所述存热换热管道和/或取热换热管道在自下而上的高度方向上呈逐步升高的趋势布置。

17.根据权利要求16所述的储热-换热单元，其特征在于，所述存热换热管道和取热换热管道上布置有翅片。

18.根据权利要求17所述的储热-换热单元，其特征在于，所述存热换热管道和/或取热换热管道在储热壳体内部空间以外进行连接。

19.一种储热-换热设备，其特征在于，包括多个上述权利要求1至18中任一项所述的储热-换热单元，多个所述储热-换热单元在高度方向上层叠阵列布置，形成阵列组。

20.根据权利要求19所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热-换热单元在高度方向上规律错位层叠阵列布置，构成储热-换热设备整体。

21.根据权利要求19所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热-换热单元高度方向上的布置层数大于10层。

22.根据权利要求19或20所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热-换热单元阵列整体密封，密封空间内添加保护性气体。

23.根据权利要求19所述的储热-换热设备，其特征在于，所述储热-换热设备的外表面布置有保温结构和最外层的防护层。