CN105605956A - 高温空气与熔融盐高效储热系统 - Google Patents

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Abstract

高温空气与熔融盐高效储热系统，属于中高温储热材料利用技术领域。该系统主要由3个子系统组成，分别为熔盐主回路系统、导热油冷却系统、冷却水循环系统。通过调节各部分的流量和温度，达到各系统之间的热平衡。该系统采取平片形翅片换热器实现高温空气-熔盐高效换热，并把换热后的熔盐储存在高温熔盐罐中。通过热平衡法解决熔盐流量的测量问题。并采用冷却水循环对高温熔盐泵进行冷却。由于熔盐受局部冷却时很容易凝固，从而造成管道的堵塞，导致整个系统的瘫痪，为了解决这个问题，在熔盐管道上增加电加热装置，防止凝固的发生，保证在系统运行结束时，熔盐要重新流回到熔盐罐中。

Description

高温空气与熔融盐高效储热系统
技术领域
本发明为高温空气与熔融盐高效储热系统,该系统属于中高温储热材料利用技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，人们对环境和节能关注度越来越高。当前各电厂的发电装机容量都是按照最大需求建设，随着电网峰谷差异日趋增大，必然导致非用电高峰时发电机组的停机或低负荷运行及电网容量浪费。储能可大幅度提高火电机组实际运行效率，增强电网的输电能力。此外，在可再生能源利用方面，风能太阳能等可再生能源具有间歇性和波动性特点，对电网的冲击性很大，导致风能和太阳能发电机组未能并网的比例比较高，这部分的电能浪费比较严重。储能可以实现可再生能源平滑波动、跟踪调度输出、调峰调频等优点，使可再生能源发电稳定输出，从而满足可再生能源电力的大规模并网的要求。压缩空气储能系统利用低谷电，将空气压缩并储存于储气室中，使电能转化为空气的内能储存起来。在用电高峰期，空气从储气室释放进入燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。分级压缩过程中空气的温度会随之升高，这部分热量往往被浪费掉。高温空气-熔盐高效储热系统能把压缩产生的高温空气的热量储存在熔盐中。
在生活中还有许多高温空气浪费的地方，主要是由于空气与一些常规蓄热介质之间的换热效率低，加上常规蓄热材料蓄热效果也不佳。本发明的高温空气-熔融盐高效储热系统能够很好解决以上问题。熔融盐作为高温传热蓄热材料，具有工作温度高，使用温度范围广、传热能力强、系统压力小、有较高的显热蓄热能力、经济性较好等优点。熔融盐已经作为传热蓄热工质的首选，但是国内外对于强化熔融盐与高温压缩空气传热的研究较少。其主要原因是由于熔盐具有高温、高熔点和腐蚀性等特点，进行熔盐对流传热实验研究难度很大。
发明内容
针对高温空气余热利用，余热储存等问题，本发明旨在提出一种余热的高效换热并储存的系统，通过该换热器，将高温空气的热量储存在熔融盐中，实现空气余热利用。
一种余热的高效换热并储存的系统,具体结构如图1所示，该系统主要包括三个循环系统，分别为熔盐主回路系统、水循环冷却系统和导热油冷却系统。高温熔盐罐(1)、高温熔盐泵(5)、套管换热器(15)、翅片换热器(8)依次由熔盐管路连通形成熔盐主回路系统；在熔盐管路上设有电加热器(4)；热气体通过翅片换热器(8)与熔盐进行热交换；
导热油槽(12)、导热油泵(16)、套管换热器(15)、冷却风机(14)、导热油流量计(13)经由导热油管路连接形成导热油冷却系统，在套管换热器(15)两端的导热油管路上分别安装有温度传感器(6)；
高温熔盐泵(5)的轴间部位采用冷却塔(3)、水泵(2)构成的水循环冷却系统进行冷却。
翅片换热器(8)设有外壳箱体(21)，外壳箱体(21)上分别设有空气进口和空气入口，外部结构如图2所示，外壳箱体(21)内部设有多排并联排布的蛇形弯曲管路，多排蛇形弯曲管路的进口(19b)通过连接上联箱(18)进行汇总，多排蛇形弯曲管路的出口(19a)通过连接下联箱(20)进行汇总；同时在蛇形弯曲管上套有铝箔翅片(22)；上联箱(18)和下联箱(20)均位于外壳箱体(21)外。
采用上述装置进行余热换热并储存的方法，其特征在于，包括以下步骤：在高温熔盐罐(1)中熔盐先进行加热；在熔盐主回路系统中，高温熔盐罐(1)中的熔盐由高温熔盐泵(5)抽出，熔盐在流经套管换热器(15)时与低温导热油进行换热降温，换热降温后的熔盐流入翅片换热器(8)中，与热气体进行换热，带走热气体中的热量，换热后的熔盐重新流入熔盐罐(1)中进行储存；热气体的热量被熔盐储存在熔盐罐(1)中，利用这部分热量时再把热量从熔盐中置换出来或直接利用，实现了余热的回收利用；采用水循环冷却系统给熔盐泵(5)进行冷却；
在翅片换热器(8)中熔盐与热气体进行热交换需要进行调节熔盐质量流量时，可采用如下方法进行测量：
采用热平衡的方法计算熔盐的质量流量qh，其计算式为，
qoCpoΔTo＝Qo＝Qh＝qhCphΔTh
式中：qo,qh—导热油、熔盐的质量流量，qo可根据导热油流量计(13)得到；
Cpo,Cph—导热油、熔盐的定压比热；
ΔTo,ΔTh—导热油、熔盐的进出口温差，ΔTo可通过套管换热器两侧导热油的温度传感器测得，ΔTh可通过熔盐循环管路上套管换热器前后的温度传感器测得；
Qo,Qh—导热油的吸热量、熔盐的散热量；
导热油通过套管换热器(15)的前后温度，由温度传感器获得；当导热油进出套管换热器(15)的温度平稳或不发生波动，说明整个系统处于热平衡，这时读出导热油的质量流量、导热油进入套管换热器的前后温度和熔盐进入套管换热器的前后温度，利用这些参数进行热平衡计算，求出熔盐的质量流量。
熔盐具有高温、腐蚀性等特点，常规的流量计不能使用，本发明中增加了导热油冷却循环系统，
在导热油冷却循环系统中，导热油槽(12)中的导热油由导热油泵(16)抽出，在流经套管换热器(15)时与熔盐进行换热，吸收熔盐中的一部分热量，再由冷却风机(14)散去，然后导热油重新流入导热油槽(12)中。在导热油冷却循环系统中，导热油的质量流量由导热油流量计(13)测得，导热油通过套管换热器(15)的前后温度，由温度传感器(6)获得。当导热油进出套管换热器(15)的温度不发生变化，说明整个系统处于热平衡，这时读出导热油的质量流量、导热油进入套管换热器的前后温度和熔盐进入套管换热器的前后温度，利用这些参数进行热平衡计算，求出熔盐的质量流量。
整个高温空气与熔融盐高效储热系统运行时存在多个热平衡，分别为高温空气与熔融盐热平衡，导热油与熔融盐热平衡，导热油与空气热平衡，水冷却热平衡。通过调节各部分的流量、温度，实现各系统之间的热平衡。
附图说明
图1高温空气-熔融盐高效储热系统示意图；
图2翅片换热器外部结构示意图；
图3翅片换热器内部结构示意图；
图4空气加热系统结构示意图；
图5管道空气加热器结构示意图；
图6高温熔盐罐结构示意图；
图中，1.高温熔盐罐，2.水泵，3.冷却塔，4.电加热器，5.高温熔盐泵，6.温度传感器(测量熔盐/导热油/高温空气温度)，7.压力传感器(测量空气流经换热器后的压降)，8.翅片换热器，9.空气涡街流量计，10.罗茨风机，11.管道空气加热器，12.导热油槽，13.导热油流量计，14.冷却风机，15.套管换热器，16.导热油泵，17.空气进出口法兰，18.上联箱，19a.蛇形弯曲管路的出口(316L不锈钢管),19b.蛇形弯曲管路的进口(316L不锈钢管),20.下联箱，21.箱体，22.铝箔翅片，23.熔盐进出口法兰，24.空气入口，25.电机，26.空气出口，27.吊耳，28.底座，29.接线孔，30.接线盒，31.测温点，32.加热元件(空气加热器)，33.导流板，34.保温棉，35.罐顶盖，36.硅酸铝纤维棉，37.电阻丝，38.坩埚，39.放盐阀，40.温控控制系统。
具体实施方式
下面结合实例及附图对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
高温空气-熔融盐高效储热系统结构示意图见图1，其中高温空气(热气体)由空气加热系统提供。
本发明通过翅片换热器8进行高温空气-熔盐换热，实现高温空气与熔盐的高效换热。平片形翅片换热器8外部结构如图2所示，根据换热器的热力计算，得出换热器具体结构尺寸见表1。本发明中设计熔盐的管排数为4排，4排管进口通过下联箱20连接，出口通过上联箱18连接。换热器的外部箱体21采用306不锈钢体材。换热器内部结构如图3所示，为了强化高温空气-熔盐之间的换热，本设计采用增加换热面积的方法，在熔盐管上套上铝箔翅片22。因为熔盐具有腐蚀性，本发明中蛇形弯曲管路的出口19a和蛇形弯曲管路的进口19b采用316L不锈钢管。由于熔盐受局部冷却时很容易凝固，从而造成管道的堵塞，导致整个系统的瘫痪，为了解决这个问题，在熔盐管道上增加电加热装置4，并且管道中熔盐的回收采用重力回流的方式：熔盐主回路有6°的斜度，具体结构见图1，翅片换热器8内部采用蛇形并排多管路布置结构具体结构见图3。该方式为了保证在系统运行结束时，熔盐要重新流回到熔盐罐1中。
高温熔盐泵5为立式液下泵，需要安装在高温熔盐罐1的顶部。高温熔盐泵5运行时，容易造成轴间温度过高，会降低其使用寿命。因此，本发明采用水循环冷却系统给熔盐泵5进行冷却。具体循环过程如图1所示，水由水泵2抽出，流入高温熔盐泵5的轴间部位，带走轴间热量，实现对熔盐泵5的冷却，换热后的水流经冷却塔3，对水进行冷却，冷却后的水重新由水泵2抽出，实现水的循环利用，减少对水资源的浪费。
本发明中熔盐储存在高温熔盐罐1中，熔盐罐如图6所示，熔盐罐加热最高温度600℃，其主要部分为直径0.7米，高1.2米，坩埚38体积0.4m3。熔盐罐采用电加热的方式熔化固体盐并对液态熔盐进行恒温加热。系统加热方式考虑制造成本以及使用安全等因素，采用外加热的方式，在罐体外布置电阻丝37，通过罐体壁面加热坩埚38内熔盐，这种方法虽然加热速度慢，但是由于不需要经常更换加热元件，具有运行可靠，成本低等优点，加热功率为15kW。在熔盐罐加热部件外和罐顶35均设有可耐1000℃高温的硅酸铝纤维棉36作保温材料，保温层厚度30cm，对熔化后的液态熔盐进行保温。熔盐罐配有温控控制系统40，可以实现对加热温度的恒温控制。在熔盐罐的底部安装有放盐阀39，高温熔盐可由此处流出被利用。
本发明中空气余热是通过管道空气加热器来获得，该空气加热器的温度在200-350℃，流量在50-400m3/h。该空气加热器结构尺寸及材料为：内筒尺寸—Φ219*1500mm；内筒材质—碳钢Q235；外壳材质—碳钢Q235；保温层材质—硅酸铝棉；保温层厚度—150mm；连接口径：DN80。空气加热系统如图4所示，包括罗茨风机10、管道空气加热器11、空气入口24、电机25、空气出口26、吊耳27、底座28。管道空气加热器如图5所示，包括接线孔29、接线盒30、测温点31、加热元件加热空气32、导流板33、保温棉34。
高温空气与熔盐换热属于气-液换热。由于气液换热具有气侧热阻远远大于液体侧热阻，所以对于气液换热强化主要强化气体侧。本系统采用翅片换热器8，增加空气侧的接触面积来强化传热。空气的温度、流量实现方便调节，主要从传热和流动特性进行分析，研究其换热规律，使储热系统得到优化。
高温空气与熔融盐储热系统有六个子系统组成，分别为熔盐主回路系统、导热油冷却系统、水循环冷却系统、高温空气-熔融盐换热系统、电预热系统及测试系统。从以上介绍可以看出整个实验系统的设备众多，系统复杂，实验时各个系统、各设备需要按照严格的流程进行操作，否则就可能出现安全事故。具体系统操作步骤如下所述。
一、实验前准备
1.对所有系统设备进行安全检查；
2.打开总电源；
3.打开熔盐罐的温控控制系统40，第一次熔盐加热温度设定为80℃(为了烘干电阻丝37上的水分，防止发生电源短路)；
4.维持80℃温度预热12小时，测量电炉坩埚38与地面之间电阻，当电阻值小于5千欧时需要继续预热，直到电阻值大于5千欧才可进行下一步；
5.第二次预热将加热温度定为120℃，再预热12小时(主要为了给电炉进一步升温做准备)；
6.第三次升温熔盐开始融化，设定的加热温度根据选用熔盐熔点而定(注：一般不得高于熔点80℃，我们400kg混合硝酸熔盐全部熔化需要100小时左右，本系统采用混合硝酸盐Hitec盐，加热温度设定为180℃)；
7.不断观察罐内各深度的温度，当8cm深度处温度高于熔点时即完成了第三次加热；
8.第四次升温根据实验要求确定；
9.熔盐加热期间需要人员定时观察各个设备的工作状况是否正常，特别是注意高温熔盐泵5的轴温，该温度需要被控制在80℃以下；及时打开水冷却循环，根据天气情况每隔5～6小时及时给冷却塔(3)补水；
10.通过电加热装置4，给熔盐管路预热，慢慢增加电压控制预热温度，管壁温度达到熔盐熔点；
11.对导热油槽12进行加热，油温调节为160℃，等温度稳定后，启动外循环油泵16及开启冷却风机14，调节油温到实验温度，等待油路温度稳定，可以正是开始实验。
二、实验中
实验时必须心态镇定、谨慎操作，每一步都必须一丝不苟的完成，实验时最少需要2～3个人协同操作。实验中主要有如下步骤：
1.打开管道空气加热器11)电源开关，设定罗茨风机10的出口风量，并设定管道空气加热器11的出口温度(本系统空气流量范围50-400m3/h，温度范围为200-350℃)，空气出口温度稳定进行下一步；
2.关闭电加热装置4(预热的热量会影响系统测量数据)；
3.关闭外循环导热油泵16及风冷散热器14(主要防止高温熔盐泵5启动时熔盐流经套管换热器15时热量被导热油迅速带走，熔盐温度下降出现冻堵现象)；
4.打开高温熔盐泵5电源，进行空开；
5.调节高温熔盐泵5的变频器，范围定在26～36Hz(在这个区域既能够满足系统的需求，同时避免频率太高或太低，而造成高温熔盐泵电机和周围设备的共振现象)；
6.点泵操作，然后等待3分钟，高温熔盐泵5开始运行启动；
7.确保熔盐主回路循环成功(观察沿着管路布置的热电偶，如果流回高温熔盐罐处管路的壁温升高到熔点温度以上时，则说明熔盐主回路循环形成)；
8.马上开启外循环导热油泵16及风冷散热器14，观察导热油进出套管换热器15的温度(为了防止滞留在套管换热器中的导热油由于静止而升温，发生焦化甚至完全变成气体增大管路内压力)；
9.循环十分钟左右后，关闭高温熔盐泵5，并及时关闭外循环导热油泵16、风冷散热器14(主要由于静止的熔盐在高温熔盐罐中分层现象严重，导致数据不准确，运行一段时间后高温熔盐罐中熔盐得到搅拌，温度较均匀；及时关闭导热油泵及风冷散热器，为了避免流动的导热油带走熔盐主回路中的热量，而发生管道冻堵现行)；
10.立即关闭高温熔盐泵5进行空开，等待两分钟，开启导热油泵166秒，然后关闭导热油泵16(主要防止静止的导热油被熔盐加热温度过高)，重复以上操作三次；
11.重复5～8操作；
12.在系统进行时不断观测高温熔盐泵5的轴温，及时开启水冷却循环给轴进行降温；
13.调节风冷散热器14的风速及导热油泵16流量，等待高温空气流出换热器的温度及熔盐温度稳定；
14.观察高温空气进出口温度、进出口压力，熔盐流经翅片式换热器8的进出口温度，熔盐流经套管换热器15的进出口温度，导热油流经套管换热器15的进出口温度；一般运行16分钟后整个熔盐回路温度会基本达到热平衡状态，此时开始记录数据，每隔3秒记录一次，持续记录，但是控制在60分钟之内(主要担心熔盐泵轴温太高)；
15.关闭熔盐泵5空开，开启电加热装置4，关闭冷却塔3，关闭熔盐罐加热电源，过十分钟关闭空气加热器11和风机10；
16.等待油温降低到50℃以下后，关闭油槽冷却风机14，关闭油槽电源空开；
17.等待熔盐罐1内部熔盐温度降到80℃以下时(一般需要4～6天)，关闭总电源，关闭电脑和数采，将墙上所有电源插头拔出，收拾好电线；
18.排空冷却塔3，整理实验仪器，结束工作日志。
表1翅片换热器具体结构尺寸

Claims (4)

1.一种余热高效换热并储存的系统,其特征在于，主要包括三个循环系统，分别为熔盐主回路系统、水循环冷却系统和导热油冷却系统；
高温熔盐罐(1)、高温熔盐泵(5)、套管换热器(15)、翅片换热器(8)依次由熔盐管路连通形成熔盐主回路系统；在熔盐管路上设有电加热器(4)；热气体通过翅片换热器(8)与熔盐进行热交换；
导热油槽(12)、导热油泵(16)、套管换热器(15)、冷却风机(14)、导热油流量计(13)经由导热油管路连接形成导热油冷却系统，在套管换热器(15)两端的导热油管路上分别安装有温度传感器(6)；高温熔盐泵(5)的轴间部位采用冷却塔(3)、水泵(2)构成的水循环冷却系统进行冷却；
翅片换热器(8)设有外壳箱体(21)，外壳箱体(21)上分别设有空气进口和空气入口，外壳箱体(21)内部设有多排并联排布的蛇形弯曲管路，多排蛇形弯曲管路的进口(19b)通过连接上联箱(18)进行汇总，多排蛇形弯曲管路的出口(19a)通过连接下联箱(20)进行汇总；同时在蛇形弯曲管上套有铝箔翅片(22)；上联箱(18)和下联箱(20)均位于外壳箱体(21)外。
2.利用权利要求1所述的余热高效换热并储存的系统进行余热换热并储存的方法，其特征在于，包括以下步骤：在高温熔盐罐(1)中熔盐先进行加热；在熔盐主回路系统中，高温熔盐罐(1)中的熔盐由高温熔盐泵(5)抽出，熔盐在流经套管换热器(15)时与低温导热油进行换热降温，换热降温后的熔盐流入翅片换热器(8)中，与热气体进行换热，带走热气体中的热量，换热后的熔盐重新流入熔盐罐(1)中进行储存；热气体的热量被熔盐储存在熔盐罐(1)中，利用这部分热量时再把热量从熔盐中置换出来或直接利用，实现了余热的回收利用；采用水循环冷却系统给熔盐泵(5)进行冷却。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在翅片换热器(8)中熔盐与热气体进行热交换需要进行调节熔盐质量流量时，采用如下方法进行测量：
采用热平衡的方法计算熔盐的质量流量qh，其计算式为，
qoCpoΔTo＝Qo＝Qh＝qhCphΔTh
式中：qo,qh-导热油、熔盐的质量流量，qo可根据导热油流量计(13)得到；
Cpo,Cph-导热油、熔盐的定压比热；
ΔTo,ΔTh-导热油、熔盐的进出口温差，ΔTo可通过套管换热器两侧导热油的温度传感器测得，ΔTh可通过熔盐循环管路上套管换热器前后的温度传感器测得；
Qo,Qh-导热油的吸热量、熔盐的散热量；
导热油通过套管换热器(15)的前后温度，由温度传感器获得；当导热油进出套管换热器(15)的温度平稳或不发生波动，说明整个系统处于热平衡，这时读出导热油的质量流量、导热油进入套管换热器的前后温度和熔盐进入套管换热器的前后温度，利用这些参数进行热平衡计算，求出熔盐的质量流量。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在导热油冷却循环系统中，导热油槽(12)中的导热油由导热油泵(16)抽出，在流经套管换热器(15)时与熔盐进行换热，吸收熔盐中的一部分热量，再由冷却风机(14)散去，然后导热油重新流入导热油槽(12)中。
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