CN105509019B - 一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，包括蓄热堆、蓄热堆保温结构、传热介质系统和换热系统；蓄热堆包括钢性壳体和若干内部封装熔盐外表面设有电加热装置的蓄热单元；蓄热堆保温结构设于蓄热堆的外表面，从内到外包括导热砖、相变保温层和水冷壁，其中水冷壁由上水箱、下水箱和连接的水管构成；传热介质系统的水泵通过管路与下水箱相连，雾化喷头设于蓄热堆底部，将雾化后的软水喷入蓄热堆；换热系统的换热器通过蒸汽管道与蓄热堆相连，通过水管道与上水箱相连，蒸汽管道上设有三通阀。本发明能够在夜间低谷电时，将电能转化为热能进行储存，白天用电高峰期采用软水雾化后将热量导出，为用户提供生活热水并提供蒸汽。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸汽发生装置，尤其是一种非氧化物陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用及蒸汽发生装置，属于谷能利用和蒸汽制备的技术领域。
背景技术
随着经济的高速发展和人民生活水平的提高，社会对能源的需求也显著的增加。然而，在白天高峰时期的用电量急剧增大的同时，夜间谷电却浪费严重，从而导致用电峰谷差越来越明显。一般地，发电、供电和用电是在同一时间完成的，因而储存电力比较困难，如果发出来的电力未能得到有效利用，它将以电网发热的方式损耗，从而造成大量的电能浪费。目前，以导热油为传热介质的相变蓄热技术的应用对于“削峰填谷”以及充分利用谷电方面具有显著的优点和广泛的开发应用前景。然而，现有的蓄热技术仍存在蓄热温度低、贮存能量小、体积较大以及释放过程不稳定的问题；同时，由于导热油的最高工作温度一般在300～400℃，当相变蓄热的温度过高时，导热油则容易发生老化结焦的现象，这就限制了导热油在高温蓄热领域的推广使用。
蒸汽在很多工业生产过程中都是常用的热介质，在生活以及工艺生产过程中也是必不可少的热源，目前，城市的工艺及工业生产用途的蒸汽供应主要由燃煤锅炉提供，而锅炉在生产蒸汽的同时会产生一定量的污染性气体。所以为了推行绿色环保的蒸汽生产方式，我们需要充分利用现有能源并改进其生产利用方式。因而，如何设计并提供一种蓄热温度高，结构紧凑和蓄/放热效率高的谷电利用及蒸汽制备的装置是目前急需解决的问题。
发明内容
发明目的：为了推行绿色环保的蒸汽生产方式，解决现有相变蓄热技术存在蓄热温度低、贮存能量小、设备体积较大、释放过程不稳定以及导热油不适宜在高温情况下(>400℃)进行工作的问题，本发明提供了一种非氧化物陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用及蒸汽发生装置，其能够在夜间低谷电时，将电能转化为热能进行储存，白天用电高峰期采用软水雾化后将热量导出，为用户提供生活热水并提供蒸汽。特别适用于有蒸汽需求和峰谷电价差明显或南方和北方无集中供暖管网地区的供暖和热水供应，同时还适合于风力发电和太阳能发电地区。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，包括蓄热堆、蓄热堆保温结构、传热介质系统和换热系统；所述蓄热堆包括一钢性壳体和若干以列管式均匀布在所述钢性壳体内的蓄热单元；所述蓄热单元为中空结构且内部封装蓄热温度达到700℃以上的熔盐，外表面设有电加热装置；所述蓄热堆保温结构设于蓄热堆的外表面，包括导热层、相变保温层和水冷壁，所述水冷壁包括上水箱、下水箱和连接上下水箱的水管；所述传热介质系统包括水泵、电磁流量计、液压调节器、压力计和雾化喷头，所述水泵通过管路与下水箱相连，所述雾化喷头设于蓄热堆底部，将雾化后的软水喷入蓄热堆；所述换热系统包括换热器，所述换热器通过蒸汽管道与蓄热堆相连，通过水管道与上水箱相连，所述蒸汽管道上设有三通阀，可以根据用户及不同的工艺要求，调节三通阀的开度以及调节换热器的冷水流量，向用户提供热水和工艺用途的蒸汽。
作为优选，所述蓄热单元的外表面设有螺纹状凹槽，所述电加热装置嵌在凹槽中，包括螺纹状导热外壳和内部的电加热丝。
作为优选，所述蓄热堆的底部设有隔温板，所述雾化喷头的附属的管道布置在隔温板的下方，喷头布置在隔温板的上方。所述的雾化喷头采用空心圆锥雾化喷头。
作为优选，所述蓄热堆采用立式圆柱的布置形式，高度方向上大于横向直径距离(比例大于2：1)，使蓄热堆的内部上下两端能够形成较大温差，以确保软水雾化后可以充分换热形成饱和水蒸汽。
作为优选，所述蓄热单元包括中空圆柱结构的非氧化物陶瓷管，内部封装氯化物熔盐，熔盐体积不超过陶瓷管中空体积的80％，使用非氧化物陶瓷封头密封。
作为优选，所述蓄热堆保温结构包裹在所述钢性壳体的外部，从内向外依次为导热砖、相变保温层、水冷壁和聚氨酯复合板保温层。通过相变保温层形成的恒温墙以及水冷壁，可以减小高温蓄热堆与周围环境之间的温差，减少温差传热及辐射带来的热损失。
作为优选，所述相变保温层采用石蜡为相变材料，膨胀石墨作为相变材料的支撑载体，蓄热过程中，经过导热砖的传热，维持相变保温层内复合相变材料始终处于相变状态，形成一道恒温墙，减少高温蓄热堆的热损失。
工作原理：本发明的谷电利用及蒸汽发生装置中蓄热堆采用立式管壳式换热器的形式，内部的蓄热单元以列管式密布，内部封装氯化物熔盐，外表面缠有电加热装置，可将其在夜间低价谷电时段开启，进行蓄热。蓄热堆经导热层传热后，使相变保温层中复合相变材料始终保持在相变的状态(80℃左右)，形成恒温墙，能够减少高温蓄热堆与周围环境之间高温差引起的耗散热损失；水冷壁由水管组成并连接着上水箱和下水箱，传热介质为软水，其中常温软水贮存在上水箱，重力作用下通过水冷壁进行预热后进入下水箱。在白天用电高峰期，下水箱中的软水经过泵抽吸后进入流量计和液压调节器调节流量和压力，再经过雾化喷头雾化后进入蓄热堆，与高温蓄热单元充分换热后，形成高温饱和蒸汽并输送出，通过三通分流后进入换热器与冷水换热，产生热水向用户提供热水和供暖，同时也可以提供工艺所需的蒸汽。
有益效果：本发明一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置的技术方案，与现有技术相比，具有的创新点及其有益效果有：1)首先是耐腐蚀性方面，相比于常规的蓄热装置，本发明所选用的非氧化物陶瓷管同时具有较高的热传导率和良好的耐腐蚀性；2)其次是蓄热能力方面，本发明采用蓄热温度可以达到700℃的熔盐，如氯化物熔盐(熔点是550℃)为相变材料，具有蓄热温度高、蓄热密度大、热稳定性好的优点；3)第三是保温结构方面，本发明采用了多层保温结构，其中相变保温层和水冷壁，相变保温层中复合相变材料始终维持在相变状态(温度在80℃左右)，水冷壁中为常温软水，两者能够形成有效的隔温层，大大减小了高温蓄热堆与周围环境的高温差所引起的热耗散损失；4)此外，本发明的蓄热堆内部采用类似于管壳式换热器的结构，内部设置密布有陶瓷管蓄热单元，下方设置有雾化喷头，使换热介质雾化后再与蓄热单元换热，能够确保两者进行充分的换热，同时可以根据用户需求改变软水的每小时的雾化流量，应对不同程度的生活热水供应和蒸汽供应的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中蓄热堆及其保温层的剖面示例图。
图3为本发明实施例的工作原理示意图。
图中，1-聚氨酯复合板，2-上水箱，3-水冷壁，4-下水箱，5-相变保温层，6-导热砖，7-钢性壳体，8-蓄热单元，9-气液分离区，10-隔温板，11-水泵，12-电磁流量计，13-液压调节器，14-压力计，15-雾化喷头，16-三通阀，17-换热器。
具体实施方式
为详细地对本发明的技术原理、技术方案及优点描述得更加清楚，以下结合附图，对本发明进行更加全面的描述。
如图1、图2和图3所示，本实施例发明实施例公开的中一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，主要包括蓄热堆主体、蓄热堆保温结构、传热介质系统和换热系统。蓄热堆通过蒸汽管道与换热系统相连，蒸汽管内的高温饱和水蒸汽通过三通阀调节流量分配，能够同时满足生活热水及工艺用途的蒸汽供应。各部分的具体介绍如下：
蓄热堆主体：包括钢性壳体7、蓄热单元8以及下层隔温板10；其中蓄热堆内部为立式管壳式换热器形式，钢性壳体7上设置有软水入口和蒸汽出口；蓄热堆内部，顶部设置为气液分离区9，底部设置为隔温空间；蓄热堆以壳程为传热介质，管侧设置熔盐相变蓄热单元8；所述的蓄热单元表面嵌有螺纹状的电加热装置；所述的隔温板(10)在蓄热堆下方形成一个高温隔离层，并作为蓄热单元的支撑结构；蓄热单元8竖直方向上以列管式均布在钢性壳体7内，每个蓄热单元8之间留有换热通道；蓄热单元8采用内部封装熔盐的圆柱形非氧化物陶瓷管结构，其外表面有螺纹状的凹槽，能够以嵌入式布置螺旋状的电加热装置，电加热装置采用螺旋状的导热板，其内部为中空结构并布置有电加热丝。其中非氧化物陶瓷管具有高导热率及高比热容，陶瓷管制预成中空的圆柱结构；熔盐依据蓄热温度的要求(700℃)，可以选用氯化物熔盐，封装的熔盐体积不超过陶瓷管中空体积的80％，熔盐相变材料使用预制的碳化硅陶瓷封头密封。隔温板10在蓄热堆下方形成一个高温隔离层，并作为蓄热单元的支撑结构。
蓄热堆保温结构：如图1和图2所示蓄热堆的保温结构从内到外，包括导热砖6、相变保温层5、水冷壁3和聚氨酯复合板1。导热砖6可选用轻质硅石，其在高温状态下，导热系数较小，因而可以减小蓄热堆的温差损失，同时也能够传递一部分热量到相变保温层，并根据相变保温层温度和蓄热堆壳体温度要求，合理布置导热砖厚度。相变保温层5可以以石蜡(C40H82)为相变材料，采用膨胀石墨作为相变材料的支撑结构，其温度保持在能够维持膨胀石墨和石蜡所组成的复合相变材料始终处于相变的状态。水冷壁3包括上水箱2、下水箱4和钢管，常温软水贮存在上水箱中，使用时打开上水箱中的开口，受重力作用软水会通过钢管进行预热，预热后进入下水箱。聚氨酯复合板1的耐温在80℃-120℃。
传热介质系统：包括水泵11、电磁流量计12、液压调节器13、压力计14和雾化喷头15。水泵11可根据用户热水供应和工业蒸汽供应要求调节软水的流量；流量计12、液压调节器13和压力计14主要用于根据雾化喷头15的要求调节软水的流量和压力；雾化喷头15的前端的管道布置在蓄热堆下方的隔热空间，即隔温板10的下方，防止管道中的介质在到达喷头前发生雾化；雾化喷头15可采用空心圆锥雾化喷头，其下端固定在隔热板上方。
换热系统：包括三通阀16、换热器17及其附属管道。换热器17可采用管壳式换热器，三通阀16设置在换热器17与蓄热堆相连的蒸汽管道上，可根据工艺用途的蒸汽需求量，调节三通阀阀门开度。换热器17可根据蒸汽的温降要求调节冷水水泵的流量，与冷水充分换热后的传热介质(软水)重新被冷却到常温状态，通过水管道送入上水箱中循环使用。尤其特别地注意蒸汽管道及换热器17的保温工作。
本发明实施例的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其工作流程主要叙述如下：
蓄热时：如图1所示，在夜间低价谷电时，启动电加热装置，电加热丝升温并开始以热辐射和导热的方式将热量传递给螺旋状导热板，导热板以热传导和导热的形式将热量散发给陶瓷管蓄热单元8，由于电加热装置嵌在蓄热单元8的外表面，且非氧化物陶瓷管导热系数比较高，因而能确保蓄热单元8快速地吸收热量，并紧接着迅速的将热量传递给氯化物熔盐，熔盐发生相变从而进行蓄热，加热到要求温度(700℃)后，关闭电加热装置。
放热时：在白天用电高峰时，起动水泵11将下水箱4中的软水抽取进入雾化装置，经雾化喷头15雾化后进入蓄热堆内部与蓄热单元8进行充分换热，形成高温饱和水蒸汽，高温饱和水蒸汽被引出后经三通阀16调节分流，一部分供应蒸汽，另一部分进入管壳式换热器17换热，冷却后的软水重新循环送到上水箱2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，目的是为了使本领域技术人员能够理解或者实际运行本发明。本文所定义的原理及技术内容，专业的技术人员可以在不脱离本发明的精神或范围下做出等同的修改，只要符合本发明的精神，其都将在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，包括蓄热堆、蓄热堆保温结构、传热介质系统和换热系统；
所述蓄热堆包括一钢性壳体（7）和若干以列管式均匀布在所述钢性壳体（7）内的蓄热单元（8）；所述蓄热单元（8）为中空结构且内部封装蓄热温度达到700℃以上的熔盐，外表面设有电加热装置；
所述蓄热堆保温结构设于蓄热堆的外表面，包括导热层、相变保温层和水冷壁，所述水冷壁包括上水箱（2）、下水箱（4）和连接上下水箱的水管；
所述传热介质系统包括水泵（11）、电磁流量计（12）、液压调节器（13）、压力计（14）和雾化喷头（15），所述水泵（11）通过管路与下水箱（4）相连，所述雾化喷头（15）设于蓄热堆底部，将雾化后的软水喷入蓄热堆；
所述换热系统包括换热器（17），所述换热器（17）通过蒸汽管道与蓄热堆相连，通过水管道与上水箱（2）相连，所述蒸汽管道上设有三通阀（16）。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述蓄热单元（8）的外表面设有螺纹状凹槽，所述电加热装置嵌在凹槽中，包括螺纹状导热外壳和内部的电加热丝。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述蓄热堆的底部设有隔温板（10），所述雾化喷头（15）的附属的管道布置在隔温板（10）的下方，喷头布置在隔温板（10）的上方。
4.根据权利要求3所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述雾化喷头（15）为空心圆锥雾化喷头。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述蓄热堆采用立式圆柱的布置形式，高度方向上大于横向直径距离。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述蓄热单元包括中空圆柱结构的非氧化物陶瓷管，内部封装氯化物熔盐，熔盐体积不超过陶瓷管中空体积的80%，使用非氧化物陶瓷封头密封。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述蓄热堆保温结构包裹在所述钢性壳体（7）的外部，从内向外依次为导热砖（6）、相变保温层（5）、水冷壁（3）和聚氨酯复合板（1）保温层。
8.根据权利要求7所述的一种陶瓷基体熔盐相变高温蓄热式谷电利用蒸汽发生装置，其特征在于，所述相变保温层（5）为采用石蜡为相变材料，膨胀石墨作为相变材料支撑载体的相变保温层。
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