CN105004053A - 一种采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置，包括蓄热堆、电加热单元和换热部分，其中，蓄热堆由若干蓄热单元构建而成，每块蓄热单元为中空的镁铁砖内部封装熔盐而形成的立方体并预留有矩形通道和管道孔道；蓄热堆在顶部和周向设有多层耐高温的保温层，依据温度分布的不同选用不同耐温级别的保温材料，蓄热堆底部使用耐火砖作为整个蓄热堆的承重结构；电加热单元包括导热板和设置于所述导热板两端的电加热装置，电加热单元设置于蓄热单元的矩形通道内；换热部分包括导热油换热盘管、一次侧导热油循环泵和换热器。本发明用于高温热能存储，将低谷时段电能转化为热能储存，为用户提供生活热水或者采暖用热。
Description
技术领域
本发明属于环保储能领域，具体涉及一种采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置。
背景技术
随着我国产业结构变化和人民生活水平的提高，白天高峰用电量不断增加，夜间低谷时段用电量大幅降低，供电峰谷差逐年加大，给电网稳定运行带来较大困难的同时，由于谷电消纳不足，还造成了电能的大量浪费。应用储能技术，将发电与用电从时间和空间分隔开来，电厂发出的电力不再需要即时传输，用电和发电也不再需要严格地保持平衡，这将使电网的结构形态、调度管理以及使用方式方法等发生根本性变革。大力推广在低谷时段运行的电蓄热储能装置，是“削峰填谷”的有效办法。
目前蓄热技术根据储热机制的不同分为显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热。尽管适用于电网调峰的中高温蓄热技术已经取得了一些进展，但在应用过程中仍存在一些问题：(1)以固体为蓄热材料的中高温显热储热材料依靠自身温度变化进行热量存储与传递，储热密度小，设备体积庞大；(2)热化学储热材料是利用化学物质发生可逆的化学反应进行热量的存储与释放，适用的温度范围比较宽，储热密度大，理论上可以适用在中高温储热领域。但热化学储热技术工艺复杂，迄今为止，其技术成熟性尚低，需要进行大量的研究投入；(3)中高温相变储热材料储热密度大、放热过程近似等温，有利于设备的紧凑和微型化，但是相变材料的腐蚀性、与结构材料的兼容性、相变材料的热/化学稳定性、循环使用寿命等问题都需要进一步的研究。目前单一的固体蓄热系统放热不均匀温度波动不稳定，导致系统换热效率降低；而单一的相变蓄热系统因相变材料导热系数较小，致使系统充、放热速率较慢。
发明内容
发明目的：为了解决单一的固体蓄热系统放热不均匀、温度波动不稳定导致系统换热效率下降和单一的相变蓄热系统中相变材料导热系数小，致使充、放热速率慢的问题，本发明提供一种采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置，用于高温热能存储，将低谷时段电能转化为热能储存，为用户提供生活热水或者采暖用热。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置包括蓄热堆、电加热单元和换热部分，其中，
所述的蓄热堆由若干蓄热单元构建而成，每块蓄热单元为由中空的镁铁砖内部封装熔盐而形成的立方体，每块蓄热单元在项部预留有矩形通道并在侧壁预留有管道孔道；所述蓄热堆在项部和周向设有多层耐高温的保温层，所述保温层和蓄热单元之间铺设有镁铁蓄热转，所述蓄热堆底部使用耐火砖作为整个蓄热堆的承重结构。根据蓄热量的大小可以实现不同规模蓄热堆的组装，构建出的蓄热堆作为核心，由内而外采用不同温度级别的保温材料作为保温隔热层，而外壳采用刚性纤维板替代常规的铸铁材料。
所述的电加热单元包括导热板和设置于所述导热板两端的电加热装置，所述电加热单元设置于蓄热单元的矩形通道内；优选地，导热板为矩形，两侧采用实心铸铁材料，为节约材料，中部可以做成中空的填装金属块或丝网的结构，矩形导热板可以方便地通入蓄热堆的各个矩形孔道中，并且不作为承重结构。
所述的换热部分包括导热油换热盘管、一次侧介质循环泵和换热器，所述的导热油换热盘管布置于所述蓄热堆内部，由下而上最终形成通路，所述的导热油换热盘管通过高温导热油泵与换热器相连；换热器的热端与一次侧高温导热油管相连，冷端与二次侧低温流体介质管相连，一次侧高温介质从换热器项部的管口进入并从下部管口流出，二次侧低温流体介质则从换热器的下部管口进入上部管口流出，从而换热器完成一次侧高温介质和二次侧低温流体介质之间的换热。优选地，所述换热器选用管壳式换热器或板式换热器。所述的换热器上安装上安全阀及膨胀罐等附属设备。优选地，当蓄热堆温度在350℃以下时，一次侧选用高温导热油作为换热介质；当温度高于350℃时，选用熔盐作为一次侧的换热介质，但同时要考虑熔盐凝固带来的增加预热或保温设备及维护工作的问题。
优选地，二次侧多采用水作为换热介质，出于不同的需求也可能会选用导热油或其它换热介质。。
优选地，所述固体蓄热材料选用高密度、高导热系数、高比热容都的镁铁砖；所述的熔盐依据不同蓄热温度的要求进行选择，当蓄热温度在300℃～400℃范围内时，选用凝固点在300℃～400℃范围内的硝酸盐，当蓄热温度高于450℃时，可以选用凝固点在450℃以上的碳酸类熔盐；封装的熔盐体积为镁铁砖中空体积的60％～85％。
具体地，所述的镁铁砖的密度约为2700kg/m3～3000kg/m3，导热系数约为4.2w/m·k～5.07w/m·k，比热容约为900J/kg·k～1100J/kg·k。
所述的蓄热堆的长、宽比为1∶1～1.2∶1，高度的尺寸为长度尺寸的1.2～1.4倍。此布置方式可以形成底部和项部更大梯度的温差，以提高换热效率，放热时，换热介质由下而上温度越来越高，在项部出流时达到最高。
所述的矩形通道设置于蓄热单元的项部，从而避免加热单元作为承重结构。
所述的多层耐高温的保温层由内向外据温度高低，分别选用高温陶瓷纤维毯(耐温在500℃以上)、保温岩棉或者玻璃岩棉(耐温在200℃～300℃)、聚氨酯复合板(耐温在80℃～100℃)、刚性纤维外壳；同时周向和项部采用不同厚度的保温结构，项部厚度约为周向厚度的1.2～1.5倍；由于蓄热后蓄热堆的温度在高度方向上呈现上高下低且温差明显的分布形态，蓄热堆底部的温度低，保温工作可以简化，蓄热堆底部采用耐火砖作为整个蓄热堆的承重结构。
所述导热板的两端采用耐800℃以上高温的的金属材料，优选为实心铸铁，中部采用中空的添加入铸铁、铜等金属导热材料结构。
优选地，所述的导热板为金属导热板，所述的电加热装置为圆柱状加热管。
优选地，位于所述蓄热堆项部电加热装置的功率小于蓄热堆下层的电加热装置的功率。
更优选地，位于所述蓄热堆项部电加热装置的功率为蓄热堆下层的电加热装置功率的60％-80％。
所述换热端，包括埋藏在蓄热堆内的换热盘管、用以提取蓄热堆热量的一次侧换热介质循环泵、换热器及附属设备。
优选地，所述的导热油换热盘管呈S型布置于所述蓄热堆的内部。具体地，埋藏在蓄热堆内的换热盘管采用S形的连接方式依次从最底部一层开始逐层而上连接成通路，换热盘管的进出口和循环泵相连，一次侧换热介质进入换热盘管先与底层蓄热单元换热，升温后进入上层蓄热单元，最终输出的高温流体进入换热器与二次侧介质换热，如此循环。
安全地，换热器上安装上安全阀及膨胀罐等附属设备。
发明原理：电加热管外表面升温后通过导热和辐射的方式将热量传递给其所在通道内的金属导热板，金属导热板升温后将热量传递给各个显-潜热蓄热单元；所述蓄热堆由镁铁砖封装熔盐而形成的显-潜热蓄热单元堆砌而成，形成一个高度方向距离大于长宽方向距离的长方体，在重力方向形成较大温度梯度；每块蓄热单元的为由镁铁砖封装熔盐而形成的立方体，镁铁砖预制成中空的立方体，该中空空间将用于封装与蓄热温度相适应的盐类相变蓄热材料；所述装置的换热部分由埋在蓄热堆内的盘管、导热油介质循环泵和管壳式换热器组成，盘管内走可以承受高温的导热油介质，导热油首先进入埋在底层蓄热单元中的盘管，完成初次换热后升温进入高层盘管，获得蓄热堆的热量，最后进入管壳式换热器，形成换热器的一次侧高温油路，在换热器内与以水为媒介的二次侧流体进行换热，向用户提供热水；所述蓄热堆保温层从内到外采用高温陶瓷纤维毯结合中低温保温岩棉及聚氨酯复合板、刚性纤维板等材料构建的多层保温结构，注重在蓄热堆前后左右及顶端五个方向的布置，尤其重视布置了电加热管的两侧和顶端的保温工作，而对于底部的保温工作可以简化，采用耐火砖作为整个蓄热堆的承重结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
(1)本发明的装置采用中空的镁铁砖为载体，将熔盐相变材料充装其内，所占体积约为中空体积的60％-85％，集成了固体显热与相变潜热蓄热的优点，相比单一固体蓄热装置，不仅提高了单位体积的蓄热量，而且稳定了放热时的出流温度，从而提高了换热效率。
(2)镁铁砖的使用使得蓄热堆充、放热的速率提高了，镁铁砖具有耐酸、耐碱的特性，适合做高温熔盐的容器，从而克服了常规盐类相变过程中对金属容器的腐蚀性问题；
(3)由于采用了导热板通入蓄热堆内部的结构，相对常规的将电加热棒埋入蓄热堆内部的结构，其可以在加快导热的基础上减短加热棒的长度，而且便于电加热装置的更换和维修；
(4)与单一的固体蓄热及单一的熔盐相变蓄热相比，此集成显热潜热高温蓄热的谷能利用装置从蓄热系统的单位体积蓄热密度、蓄放热速率和蓄放热稳定性这三大主要评价指标入手，结合了熔盐单位体积蓄热密度大、蓄放热温度稳定和固体材料的高温蓄热稳定性好、密度大、高温显热蓄热量大、导热系数高、材料易得等优点，整个蓄热装置能表现出蓄热密度大、蓄放热速率快且稳定、蓄放热效率高、输出温度稳定、安装简单、维护成本低、安全稳定性高等优点。
(5)不同组装规模的蓄热主体可以实现不同热量级别的蓄存，为智能电网建设及改造提供保障，尤其适用于住宅、小区、厂房等具有峰谷电价差的地方，满足其生活热水供应及采暖的需求。
附图说明
图1为采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置的主视图；
图2为采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置的后视图；
图3为采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置的加热及导热单元分解图；
图4为采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置中蓄热单元的布置图。
其中，图号说明如下：
1-保温层 2-蓄热堆项部镁铁蓄热砖
3-显-潜热蓄热单元 4-蓄热堆内埋藏的换热盘管
5-蓄热堆底部耐火砖 6-长方体导热板
7-电加热棒 8-一次侧介质循环泵
9-换热器 10-二次侧介质出流口
11-二次侧介质进口 12-预制固体蓄热砖
13-熔盐 14-蓄热单元盖板
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点描述得更加清楚，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本实施例中采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置由三大部分组成，分别为由显-潜热蓄热单元构建的蓄热堆、使用谷电作为热源的电加热单元和实现取热的换热单元。具体地，各个部分分别如下所述：
蓄热堆：包括显-潜热蓄热单元3，蓄热单元包括预制固体蓄热砖12和熔盐单元13，固体蓄热砖12的主要材料由粘土、镁铁等金属材料的粉末或颗粒烧制而成，熔盐封装单元12选用二元硝酸类熔盐作为相变材料(熔点为300℃)，其体积为蓄热砖中空部分体积的80％；蓄热单元项部留有矩形通道以便于长方体导热板的通入，还留有换热盘管的孔道以便于换热盘管的埋入；蓄热堆周向和项部采用多层保温材料作为保温隔热维护结构，由内而外分别采用高温陶瓷纤维毯(能耐500℃以上高温)、中温岩棉(能耐200℃温度)、聚氨酯复合板、刚性纤维板(作为外壳)，项部保温层的厚度为周向保温层厚度的1.4倍，而底部采用耐火砖作为整个蓄热堆的承重结构，最终达到蓄热堆的外表面温度低于45℃的目标。整个蓄热堆的长宽比为1.2∶1，高度为长度的1.2倍，其布置方式如图4所示。
加热部分：包括如图3所示的电加热装置7和长方体导热板6，长方体导热板6在长度方向的两侧面留有加热棒7的孔道，加热棒为圆柱状。导热板的两端采用实心铸铁，中部采用中空的添加入铸铁、铜等金属导热材料结构，导热板和蓄热单元紧密贴合；为使蓄热堆中各个蓄热单元均匀受热，如图1和图2所示，电加热器采用两面布置的方式，并且考虑热流体会自主由下向上升的自然属性，蓄热堆项部两层的电热器的功率选为下部电加热器功率的75％。
换热部分：包括埋藏在蓄热堆内的换热盘管4、一次侧介质循环泵8、换热器9及其它必要的附属设备，换热盘管采用S形布置的方式置于蓄热堆中，由下而上最终形成通路，一次换热介质采用导热油，其先进入下层蓄热单元，由于蓄热堆上下层温度分布高低不同的差异，导热油可以在下层蓄热单元先得到预热，升温后进入上层蓄热单元，这样一来可以防止导热油升温过快导致不良膨胀和气化的后果，完成换热后经循环泵8推动进入换热器9与来自二次侧介质入口11的二次侧水进行换热，一次侧换热介质的进口设在换热器的项部，二次侧换热介质经由二次侧介质出流口10流出。
下面将详细描述本实施例中采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置充、放热的工作过程：
如图1所示，蓄热过程为：夜间谷电时段，接通电源，电加热装置7表面温度升高，其通过导热和辐射的方式将热量传给长方体导热板6，导热板6将热量均匀的传递给各个蓄热单元，由于固体蓄热砖12的导热系数较大，蓄热砖的温度升高较快，之后通过导热及辐射的方式将热量传给封装好的二元硝酸类熔盐单元13。达到设定蓄热温度后关闭电源，整个蓄热堆在高度方向温度分布较明显，上高下低且保持有较高的温度差。多层保温结构的存在使得整个蓄热主体能够保持长时间的高温状态。
进入放热阶段：先启动二次侧的水循环水泵，数分钟后启动一次侧导热油循环泵，导热油进入底层换热盘管，预热后进入高层换热盘管与高层蓄热单元换热，输出的导热油进入换热器和二次侧循环水换热。最终达到将蓄热堆内蓄存热量取出的目的。
本发明不限于上述实施例，实施例的目的是让本领域的普通技术人员能够更好的理解本发明，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，并不能以此限制本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种采用镁铁砖封装熔盐的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，包括蓄热堆、电加热单元和换热部分，其中，
所述的蓄热堆由若干蓄热单元构建而成，每块蓄热单元为由中空的镁铁砖内部封装熔盐而形成的立方体，每块蓄热单元在顶部预留有矩形通道并在侧壁预留有管道孔道；所述蓄热堆在顶部和周向设有多层耐高温的保温层，依据温度分布的不同选用不同耐温级别的保温材料，所述蓄热堆底部使用耐火砖作为整个蓄热堆的承重结构；
所述的电加热单元包括导热板和设置于所述导热板两端的电加热装置，所述电加热单元设置于蓄热单元的矩形通道内；
所述的换热部分包括导热油换热盘管、一次侧介质循环泵和换热器，所述的导热油换热盘管布置于所述蓄热堆内部，由下而上最终形成通路，所述的导热油换热盘管通过高温导热油泵与换热器相连；换热器的热端与一次侧高温导热油管相连，冷端与二次侧低温流体介质管相连，一次侧高温介质从换热器顶部的管口进入并从下部管口流出，二次侧低温流体介质则从换热器的下部管口进入上部管口流出，从而换热器完成一次侧高温介质和二次侧低温流体介质之间的换热。
2.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述镁铁蓄热砖具有高密度、高导热系数和高比热容，使得其储热密度相应增大；所述的熔盐依据不同蓄热温度的要求进行选择，当蓄热温度在300℃～400℃范围内时，选用凝固点在300℃～400℃范围内的硝酸盐，当蓄热温度高于450℃时，可以选用凝固点在450℃以上的碳酸类熔盐；封装的熔盐体积不超过镁铁砖中空体积的85％，为充分采用镁铁砖的中空空间，封装的熔盐体积不小于镁铁砖中空体积的60％。
3.根据权利要求2所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述的镁铁砖的密度约为2700kg/m3～3000kg/m3，导热系数约为4.2w/m·k～5.07w/m·k，比热容约为900J/kg·k～1100J/kg·k。
4.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述的蓄热堆的长、宽比为1∶1～1.2∶1，高度的尺寸为长度尺寸的1.2～1.4倍。
5.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述的多层耐高温的保温层由内向外据温度高低，分别选用高温陶瓷纤维毯、保温岩棉或者玻璃岩棉、聚氨酯复合板、刚性纤维外壳；同时周向和顶部采用不同厚度的保温结构，顶部厚度约为周向厚度的1.2～1.5倍。
6.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述导热板的两端采用耐800℃以上高温的金属材料、中部采用中空的添加入铸铁或铜金属导热材料结构。
7.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述的导热板为金属导热板，所述的电加热装置为圆柱状加热管。
8.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，位于所述蓄热堆顶部电加热装置的功率小于蓄热堆下层的电加热装置的功率。
9.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，位于所述蓄热堆顶部电加热装置的功率为蓄热堆下层的电加热装置功率的60％～80％。
10.根据权利要求1所述的高温蓄热谷能利用装置，其特征在于，所述的导热油换热盘管呈S型布置于所述蓄热堆的内部。
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