CN104833253A - 一种带相变蓄热的单罐蓄热装置及其使用方法 - Google Patents

一种带相变蓄热的单罐蓄热装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，包括：单罐蓄热器，其外顶部设有蓄热介质入口，外底部设有蓄热介质出口；隔热板，其布置在单罐蓄热器内，与单罐蓄热器同轴布置；相变蓄热装置，其布置在隔热板内，通过管板固定在单罐蓄热器内，相变蓄热装置内填充相变蓄热介质；放热盘管换热器，其布置在隔热板与单罐蓄热器形成的环形通道上部，放热盘管换热器的出口和入口分别与能量利用装置的放热介质入口和放热介质出口相连；供热装置，其布置在单罐蓄热器外；传热装置，其布置在单罐蓄热器内底部，传热装置与供热装置连接。本发明的有益效果：增加了相变蓄热的单罐蓄热装置，结构紧凑，蓄热量增加；释热过程更稳定；工作温度范围广。

Description

一种带相变蓄热的单罐蓄热装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及蓄热能源利用技术领域，具体而言，涉及一种带相变蓄热的单罐蓄热装置及其使用方法。
背景技术
柴静的《穹顶之下》是“能源-生命”问题的强引爆点，能源消耗带来的雾霾问题又一次聚焦了人们的视线。如果不进行能源结构的调整，雾霾问题难以解决，甚至会制约我国的经济发展。因此，发展可再生能源已逐步成为我国一项国策。蓄能是可再生能源规模利用的关键环节，蓄能可以提高太阳能高温热利用效率，也可以改善目前风电、光伏发电难以并网的问题，并有效的解决电网昼夜峰谷差问题。
目前较成熟的太阳能高温热利用蓄热方法为双罐显热蓄热，蓄热装置庞大，系统投资维护费用高，为了降低蓄热成本，申请人专利ZL201420140252.X和ZL201420138089.3公开了一种单罐蓄能装置和一种单罐电能蓄能装置，将太阳热能或者电能以显热的形式存于单罐内，再借用浸没式换热器实现热能的蓄存和释放，较双罐蓄热系统节约了成本，节省了空间。但该专利只实现了显热蓄热，并未考虑到潜热利用，为了提高蓄热效率，本发明提出一种带有相变蓄热的蓄热装置，既实现显热蓄热，也实现潜热蓄热。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种带相变蓄热的单罐蓄热装置及其使用方法，既实现显热蓄热，也实现潜热蓄热。
本发明提供了一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，包括：
单罐蓄热器，其外部的顶部设有蓄热介质入口，外部的底部设有蓄热介质出口；
隔热板，其布置在所述单罐蓄热器内部，并与所述单罐蓄热器同轴布置；
相变蓄热装置，其布置在所述隔热板内部，并通过管板固定在所述单罐蓄热器内部，所述相变蓄热装置内填充相变蓄热介质；
放热盘管换热器，其布置在所述隔热板与所述单罐蓄热器形成的环形通道上部，所述放热盘管换热器的出口和入口分别与能量利用装置的放热介质入口和放热介质出口相连；
供热装置，其布置在所述单罐蓄热器外；
传热装置，其布置在所述单罐蓄热器内底部，所述传热装置与所述供热装置连接。
作为本发明进一步的改进，所述供热装置为太阳能集热器和/或供电设备；所述传热装置为蓄热盘管换热器或盘管电加热器或圆柱形电加热棒。
作为本发明进一步的改进，所述蓄热盘管换热器的传热介质出口和所述蓄热盘管换热器的传热介质入口通过连接管分别与太阳能集热器的传热介质入口和太阳能集热器的传热介质出口相连。
作为本发明进一步的改进，所述盘管电加热器或所述圆柱形电加热棒的电源入口与所述供电设备的供电出口相连。
作为本发明进一步的改进，所述蓄热介质入口和所述蓄热介质出口通过连接管分别与太阳能集热器的传热介质出口和太阳能集热器的传热介质入口连接。
作为本发明进一步的改进，所述放热盘管换热器和所述蓄热盘管换热器和相变蓄热装置中管排管的外侧布置强化传热肋片。
作为本发明进一步的改进，所述相变蓄热装置以管排的方式布置在所述隔热板的内部，管排与水平方向成任意夹角。
作为本发明进一步的改进，所述相变蓄热装置中管排管内装有相变蓄热材料。
作为本发明进一步的改进，向所述相变蓄热装置中管排管内的相变蓄热材料中添加高导热材料。
本发明还提供了一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的使用方法，包括：
蓄热过程：所述供热装置采集的热量被所述单罐蓄热装置内的蓄热介质吸收后，所述单罐蓄热器内的蓄热介质温度升高，升温后的蓄热介质流经所述相变蓄热装置，将热量传递给所述相变蓄热装置内部的相变蓄热介质，当单罐蓄热器内相变蓄热介质温度大于所述相变蓄热装置中管排管内相变蓄热介质熔点时，相变蓄热介质融化，相变潜热被储存起来，同时所述单罐蓄热器内的蓄热介质温度升高；
释热过程：放热介质进入所述单罐蓄热器上部的所述放热盘管换热器，将所述单罐蓄热器内的热量带出，进入所述能量利用装置，使所述单罐蓄热器内所述放热盘管换热器周围的蓄热介质温度降低，降温后的蓄热介质沿所述隔热板和所述单罐蓄热器的罐体之间的环形空间下流，推动下部流体沿所述相变蓄热装置向上流动，从所述单罐蓄热器的顶部流过所述放热盘管换热器所在的环形通道，所述单罐蓄热器内的蓄热介质温度不断下降，当所述单罐蓄热器内的蓄热介质温度低于所述相变蓄热装置中管排管内相变蓄热介质熔点时，相变蓄热介质的相变潜热被释放出来，同时所述单罐蓄热器内的蓄热介质温度进一步下降，直至所述单罐蓄热器内的储存热量被完全释放。
本发明的有益效果为：
1、增加了相变蓄热的单罐蓄热装置结构紧凑，与相同大小的单罐比蓄热量增加；
2、释热过程中，相变蓄热介质在相变范围放热量大持续时间长且温度变化不大，释热过程更稳定；
3、根据能量利用装置的温度需求，可以选择合适的传热、蓄热和相变蓄热介质，扩大工作范围。
附图说明
图1为本发明第一实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的结构图；
图2为本发明第一实施例的蓄热过程高低温蓄热介质流动方向图；
图3为本发明第一实施例的释热过程高低温蓄热介质流动方向图；
图4为本发明第一实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的俯视图；
图5为本发明第二实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的结构图；
图6为本发明第三实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的结构图；
图7为本发明第四实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的结构图；
图8为本发明第五实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的结构图；
图9为本发明第六实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的结构图。
图中，
1、蓄热介质入口；2、单罐蓄热器；3、放热盘管换热器；4、放热介质出口；5、能量利用装置；6、放热介质入口；7、相变蓄热装置；8、管板；9、隔热板；10、蓄热盘管换热器；11、蓄热介质出口；12、传热介质出口；13、太阳能集热器的传热介质入口；14、太阳能集热器；15、太阳能集热器的传热介质出口；16、传热介质入口；17、盘管电加热器；18、电加热设备入口；19、供电设备；20、圆柱形电加热棒。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1-4所示，本发明第一实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，包括：
单罐蓄热器2，其外部的顶部设有蓄热介质入口1，外部的底部设有蓄热介质出口11；
隔热板9，其布置在单罐蓄热器2内部，并与单罐蓄热器2同轴布置；
相变蓄热装置7，其布置在隔热板9内部，并通过管板8固定在单罐蓄热器2内部，相变蓄热装置7内填充相变蓄热介质；
放热盘管换热器3，其布置在隔热板9与单罐蓄热器2形成的环形通道上部，放热盘管换热器3的出口和入口分别与能量利用装置5的放热介质入口6和放热介质出口4相连；
供热装置，其为布置在单罐蓄热器2外的太阳能集热器14；
传热装置，其为布置在单罐蓄热器2内底部的蓄热盘管换热器10；
蓄热盘管换热器10的传热介质出口12和蓄热盘管换热器10的传热介质入口16通过连接管分别与太阳能集热器14的传热介质入口13和太阳能集热器14的传热介质出口15相连。
其中，传热介质出口12、太阳能集热器14、蓄热盘管换热器10和传热介质入口16形成流体流动与传热回路，构成太阳能供热装置；
放热介质入口6、放热盘管换热器3、能量利用装置5和放热介质出口4形成流体流动与传热回路，构成释热装置。
放热盘管换热器3和蓄热盘管换热器10的外侧可布置强化传热肋片，也可不布置。
相变蓄热装置7以管排的方式布置在隔热板9的内部，管排与水平方向可以成任意夹角，其中，管排管内布置相变蓄热材料，管排管外部可布置强化传热肋片，也可以不布置。还可向相变蓄热装置7中管排管内的相变蓄热材料中添加泡沫金属、纳米材料、相变胶囊材料等高导热材料。
太阳能集热器14可以为真空集热管，也可以是聚光式集热器，聚光式集热器包括槽式、塔式、蝶式和线性菲涅尔式集热器。太阳能集热器14中的传热介质和单罐蓄热器2内的蓄热介质可以同为水、空气、导热油、熔融盐、液态金属或有机工质，也可以为不同介质。
图2为蓄热过程中单罐蓄热器2内蓄热介质的流动方向，其中，粗线实心线头为热流体流动方向，细线空心箭头为冷流体流动方向。图3为释热过程中单罐蓄热器2内蓄热介质的流动方向，其中，粗线实心线头为热流体流动方向，细线空心箭头为冷流体流动方向。
本发明还提供一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的使用方法，包括：
蓄热过程：来自太阳能集热器14的高温传热介质经传热介质入口16进入单罐蓄热器2内底部的蓄热盘管换热器10将热量传递给单罐蓄热器2内的蓄热介质，温度降低，降温后的传热介质由传热介质出口12返回太阳能集热器14，完成一轮循环；蓄热介质从蓄热盘管换热器10吸收热量后温度升高，升温后的蓄热介质流过相变蓄热装置7，将热量传递给相变蓄热装置7中管排管内的相变蓄热介质，当单罐蓄热器2内的蓄热介质温度大于相变蓄热装置7中管排管内的相变蓄热介质熔点时，相变蓄热介质融化，将相变潜热储存起来，同时单罐蓄热器2内蓄热介质温度升高。此时罐内蓄热介质的流动方向如图2所示，在浮升力的作用下，蓄热介质向上流动，推动上部冷流体沿着所述单罐蓄热器2的顶部流过放热盘管换热器3所在的环形通道，推动冷流体沿环形通道向下运动，在单罐蓄热器2的底部吸收供蓄热盘管换热器10提供的热量，直至整个蓄热器内蓄热介质温度升高，完成蓄热过程。
释热过程，来自能量利用装置5的低温介质由放热介质入口6进入放热盘管换热器3，从单罐蓄热器2内的蓄热介质吸收热量后温度升高，升温后的放热介质从放热介质出口4返回到能量利用装置5完成释热；放热过程中，单罐蓄热器2内部流体流动方向如图3所示。放热盘管换热器3周围蓄热介质温度降低，降温后的蓄热介质沿隔热板9和单罐蓄热器2罐体之间的环形空间向下流动，推动下部热流体沿相变蓄热装置7向上流动，从单罐蓄热器2顶部流过放热盘管换热器3所在环形通道，当单罐蓄热器2内蓄热介质温度降低于到相变蓄热管7中管排管内的相变蓄热介质熔点时，相变蓄热装置7内相变潜热被释放出来，同时单罐蓄热器2内蓄热介质温度进一步下降，直至单罐蓄热器2内的储存热量被完全释放。
图4为单罐蓄热器2沿某一高度的水平截面的俯视图，中间孔洞为蓄热介质流过区域。
实施例2，如图5所示，本发明第二实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，与实施例1类似，区别在于：
传热介质和蓄热介质为同一种介质，单罐蓄热器2内底部的蓄热盘管换热器10省去，同时增大了相变蓄热装置7的尺寸，使其布满单罐蓄热器2。省去了传热介质出口12和传热介质入口16，来自太阳能集热器14的传热介质从蓄热介质入口1进入单罐蓄热器2，推动单罐蓄热器2内低温介质向下运动，从底部蓄热介质出口11流出，再进入太阳能集热器14进行加热。
实施例3，如图6所示，本发明第三实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，与实施例2类似，区别在于：
减小了相变蓄热装置7的尺寸，并在单罐蓄热器2内底部设置一个盘管电加热器17，同时在单罐蓄热器2外增加一个供电设备19，盘管电加热器17与供电设备19通过电加热设备入口18相连。白天通过太阳能集热器14蓄存的太阳能热能不足时，晚上可以通过盘管电加热器17进行电加热，实现蓄热过程。
实施例4，如图7所示，本发明第四实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，与实施例3类似，区别在于：
将盘管电加热器17换成圆柱形电加热棒20。
实施例5，如图8所示，本发明第五实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，与实施例3类似，区别在于：
省去了太阳能集热器14，单独通过盘管电加热器17来实现蓄热过程。供电设备19可以储存电能，储存的电能可以是来自风力发电、光伏发电不能上网的垃圾电，也可以是晚上的低谷电，以提高可再生能源利用效率，同时可达到电网移峰填谷的目的。
实施例6，如图9所示，本发明第六实施例所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，与实施例5类似，区别在于：
将盘管电加热器17换成圆柱形电加热棒20。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，包括：
单罐蓄热器(2)，其外部的顶部设有蓄热介质入口(1)，外部的底部设有蓄热介质出口(11)；
隔热板(9)，其布置在所述单罐蓄热器(2)内部，并与所述单罐蓄热器(2)同轴布置；
相变蓄热装置(7)，其布置在所述隔热板(9)内部，并通过管板(8)固定在所述单罐蓄热器(2)内部，所述相变蓄热装置(7)内填充相变蓄热介质；
放热盘管换热器(3)，其布置在所述隔热板(9)与所述单罐蓄热器(2)形成的环形通道上部，所述放热盘管换热器(3)的出口和入口分别与能量利用装置(5)的放热介质入口(6)和放热介质出口(4)相连；
供热装置，其布置在所述单罐蓄热器(2)外；
传热装置，其布置在所述单罐蓄热器(2)内底部，所述传热装置与所述供热装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述供热装置为太阳能集热器(14)和/或供电设备(19)；
所述传热装置为蓄热盘管换热器(10)或盘管电加热器(17)或圆柱形电加热棒(20)。
3.根据权利要求2所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述蓄热盘管换热器(10)的传热介质出口(12)和所述蓄热盘管换热器(10)的传热介质入口(16)通过连接管分别与太阳能集热器(14)的传热介质入口(13)和太阳能集热器(14)的传热介质出口(15)相连。
4.根据权利要求2所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述盘管电加热器(17)或所述圆柱形电加热棒(20)的电源入口与所述供电设备(19)的供电出口(18)相连。
5.根据权利要求4所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述蓄热介质入口(1)和所述蓄热介质出口(11)通过连接管分别与太阳能集热器(14)的传热介质出口(15)和太阳能集热器(14)的传热介质入口(13)连接。
6.根据权利要求2所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述放热盘管换热器(3)和所述蓄热盘管换热器(10)和相变蓄热装置(7)中管排管的外侧布置强化传热肋片。
7.根据权利要求1所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述相变蓄热装置(7)以管排的方式布置在所述隔热板(9)的内部，管排与水平方向成任意夹角。
8.根据权利要求6所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，所述相变蓄热装置(7)中管排管内装有相变蓄热材料。
9.根据权利要求7所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置，其特征在于，向所述相变蓄热装置(7)中管排管内的相变蓄热材料中添加高导热材料。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种带相变蓄热的单罐蓄热装置的使用方法，其特征在于，包括：
蓄热过程：所述供热装置采集的热量被所述单罐蓄热装置内的蓄热介质吸收后，所述单罐蓄热器(2)内的蓄热介质温度升高，升温后的蓄热介质流经所述相变蓄热装置(7)，将热量传递给所述相变蓄热装置(7)内部的相变蓄热介质，当单罐蓄热器(2)内相变蓄热介质温度大于所述相变蓄热装置(7)中管排管内相变蓄热介质熔点时，相变蓄热介质融化，相变潜热被储存起来，同时所述单罐蓄热器(2)内的蓄热介质温度升高；在浮升力的作用下，蓄热介质向上流动，推动上部冷流体沿着所述单罐蓄热器(2)的顶部流过所述放热盘管换热器(3)所在的环形通道，推动冷流体沿环形通道向下运动，在所述单罐蓄热器(2)的底部吸收供热装置提供的热量，直至整个蓄热器内蓄热介质温度升高。
释热过程：放热介质进入所述单罐蓄热器(2)上部的所述放热盘管换热器(3)，将所述单罐蓄热器(2)内的热量带出，进入所述能量利用装置(5)，使所述单罐蓄热器(2)内所述放热盘管换热器(3)周围的蓄热介质温度降低，降温后的蓄热介质沿所述隔热板(9)和所述单罐蓄热器(2)的罐体之间的环形空间下流，推动下部流体沿所述相变蓄热装置(7)向上流动，从所述单罐蓄热器(2)的顶部流过所述放热盘管换热器(3)所在的环形通道，所述单罐蓄热器(2)内的蓄热介质温度不断下降，当所述单罐蓄热器(2)内的蓄热介质温度低于所述相变蓄热装置(7)中管排管内相变蓄热介质熔点时，相变蓄热介质的相变潜热被释放出来，同时所述单罐蓄热器(2)内的蓄热介质温度进一步下降，直至所述单罐蓄热器(2)内的储存热量被完全释放。
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