CN105716463A - 一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法 - Google Patents

一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法 Download PDF

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成斌
孟凡腾
蹇钊
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Abstract

本发明提供一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法，熔盐/混凝土储热换热器包括：高温混凝土储热体(2)、至少一个换热管道(1)、第1联箱(3)、第2联箱(4)、进口管(5)、出口管(6)、排气阀和放盐阀。具有以下优点：(1)安全性：本换热器的传热介质和蓄热介质分别为熔盐和混凝土，两种介质均成分稳定，不存在泄漏爆炸等风险，有效消除系统安全隐患；(2)经济性：蓄热介质采用混凝土，与常规蓄热介质相比，成本大大降低；(3)防凝设计：换热管道采用3％的坡度，排盐阀设置在低位点，系统停止运行时，换热管道不会残余熔盐。

Description

一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法
技术领域
本发明涉及一种储热换热器，具体涉及一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法。
背景技术
随着常规能源的短缺以及人们对环境质量要求的提高，可再生能源，特别是太阳能，越来越受到人们的青睐；同时，工业生产产生的大量余热也是今后能源综合利用的重点。
无论是太阳能还是工业余热，其最大的不足就是能量供应的不稳定性。将太阳能热发电以及工业余热与储热系统结合起来，可增加太阳能和工业余热输出的稳定性以及可用性。
然而，现有的储热换热系统，具有热能输出的稳定性有限、成本高、结构复杂以及运行调度不灵活等问题，从而限制了大型太阳能热发电以及工业余热的广泛利用。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种熔盐/混凝土储热换热器，包括：高温混凝土储热体(2)、至少一个换热管道(1)、第1联箱(3)、第2联箱(4)、进口管(5)、出口管(6)、排气阀和放盐阀；
其中，各个所述换热管道(1)等距平行镶嵌于所述高温混凝土储热体(2)的内部；并且，各个所述换热管道(1)的进口均位于所述高温混凝土储热体(2)的上方，且分别密封连接到所述第1联箱(3)的各个支管接口，所述第1联箱(3)的总管与所述进口管(5)连接，在所述第1联箱(3)设置所述排气阀；
各个所述换热管道(1)的出口均位于所述高温混凝土储热体(2)的下方，且分别密封连接到所述第2联箱(4)的各个支管接口，所述第2联箱(4)的总管与所述出口管(6)连接，在所述第2联箱(4)的总管与所述出口管(6)的连接管道上，设置所述放盐阀。
优选的，所述换热管道(1)中流通介质为高温熔盐；在流体流动方向，所述换热管道(1)向下倾斜。
优选的，所述换热管道(1)向下倾斜的坡度为3％。
优选的，所述换热管道(1)为管道式蛇形管道。
优选的，还包括保温层；所述保温层包覆在所述高温混凝土储热体(2)的外部。
优选的，所述保温层的材料为高温硅酸铝和玻璃纤维形成的复合层材料。
优选的，还包括：第1温度测点(7)和第2温度测点(8)；所述第1温度测点(7)设置于所述高温混凝土储热体(2)的内部且靠近所述换热管道(1)的进口，用于测量所述高温混凝土储热体(2)的进口侧温度；
所述第2温度测点(8)设置于所述高温混凝土储热体(2)的内部且靠近所述换热管道(1)的出口，用于测量所述高温混凝土储热体(2)的出口侧温度。
优选的，所述第1温度测点(7)和所述第2温度测点(8)为热电偶温度测点。
本发明还提供一种熔盐/混凝土储热系统，包括至少两个上述的熔盐/混凝土储热换热器；其中，各个所述熔盐/混凝土储热换热器为串联连接方式或并联连接方式。
本发明还提供一种熔盐/混凝土储热方法，包括以下步骤：
对于单个熔盐/混凝土储热换热器，设共设置n个换热管道(1)，则：
对高温混凝土储热体(2)充热流程如下：
首先，打开排气阀，排放各个换热管道(1)的高压空气；
然后，关闭排气阀，高温熔盐通过进口管(5)流入到第1联箱(3)，在第1联箱(3)中，将高温熔盐分为n个支路，分别送往n个换热管道(5)的进口，各个支路的高温熔盐在各自的换热管道(1)中呈蛇形曲折向下流动，并在流动过程中发生热交换，使高温混凝土储热体(2)温度不断上升，而高温熔盐温度不断下降而变为低温熔盐；各个支路的低温熔盐流入到第2联箱(4)，在第2联箱(4)中，将各个支路的低温熔盐汇聚后，打开放盐阀，通过出口管(6)向外排出；
循环上述过程，高温熔盐不断注入到换热管道(1)，在与高温混凝土储热体(2)发生热交换后，从换热管道(1)排出；从而不断对高温混凝土储热体(2)充热，通过第2温度测点(8)监测高温混凝土储热体(2)的吸热情况，当监测到高温混凝土储热体(2)的温度达到设定值时充热完成，停止向换热管道(1)的进口注入高温熔盐，并通过放盐阀，将换热管道(1)的残留熔盐排出；
对高温混凝土储热体(2)放热流程如下：
首先，打开排气阀，排放各个换热管道(1)的高压空气；
然后，关闭排气阀，低温熔盐通过进口管(5)流入到第1联箱(3)，在第1联箱(3)中，将低温熔盐分为n个支路，分别送往n个换热管道(1)，各个支路的低温熔盐在各自的换热管道(1)中呈蛇形曲折向下流动，并在流动过程中发生热交换，使高温混凝土储热体(2)温度不断下降而放热，而低温熔盐温度不断上升而变为高温熔盐；各个支路的高温熔盐流入到第2联箱(4)，在第2联箱(4)中，将各个支路的高温熔盐汇聚后，打开放盐阀，通过出口管(6)向外排出；
循环上述过程，低温熔盐不断注入到换热管道(1)，在与高温混凝土储热体(2)发生热交换后，从换热管道(1)排出；从而不断对高温混凝土储热体(2)放热，通过第2温度测点(8)监测高温混凝土储热体(2)的放热情况，当监测到高温混凝土储热体(2)的温度达到设定值时充热完成，停止向换热管道(1)注入低温熔盐，并通过放盐阀，将换热管道(1)的残留熔盐排出。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法，为一种价格低廉、操作简单、安全、稳定的储热系统，既适应于大型太阳能热电站储热系统的储热与换热，又适应于不稳定工业余热回收的热存储，对于可再生能源以及余热的充分利用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明提供的熔盐/混凝土储热换热器的剖面图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明提供一种熔盐/混凝土储热换热器，包括：高温混凝土储热体2、至少一个换热管道1、第1联箱3、第2联箱4、进口管5、出口管6、排气阀和放盐阀；
其中，各个换热管道1等距平行镶嵌于高温混凝土储热体2的内部，制作过程中，直接将换热管道浇筑在高温混凝土储热体内部，使换热管道和高温混凝土储热体之间不存在间隙，提高换热效率；并且，各个换热管道1的进口均位于高温混凝土储热体2的上方，且分别密封连接到第1联箱3的各个支管接口，第1联箱3的总管与进口管5连接，在第1联箱3设置排气阀；
各个换热管道1的出口均位于高温混凝土储热体2的下方，且分别密封连接到第2联箱4的各个支管接口，第2联箱4的总管与出口管6连接，在第2联箱4的总管与出口管6的连接管道上，设置放盐阀。
本发明中，换热管道为管道式蛇形管道，例如，光管或翅片管，采用管道式蛇形管道，可有效提高高温混凝土储热体中换热管道的长度，增强换热效果。本发明提供的熔盐/混凝土储热换热器，为专门针对流通介质为高温熔盐的换热器，考虑到熔盐的高熔点特性，为实现熔盐的有效排放，保证换热器内部不会出现熔盐凝固现象，采用以下两种措施：(1)放盐阀设置在低位排放点；(2)在流体流动方向，换热管道1向下倾斜。其中，向下倾斜的角度设计非常关键，如果向下倾斜的角度过大，则熔盐在换热管道中的流动速度过大，从而降低换热效率；如果向下倾斜的角度过小，则熔盐在换热管道中的流动速度缓慢，易发生熔盐无法从换热管道排尽的问题。本发明人经过多年试验，反复尝试，最终设计得到向下倾斜坡度为3％，参考图1，当换热管道为蛇形管道时，可以看出，无论是流体从左侧向右侧流动的管道，还是流体从右侧弯回向左流动的管道，均为向下倾斜结构。
此外，还可以设置保温层，保温层包覆在高温混凝土储热体的外部，降低高温混凝土储热体所存储能量的散发，保温层的材料可采用高温硅酸铝和玻璃纤维形成的复合层材料，其厚度根据散热要求灵活选定。
为实现对高温混凝土储热体充放热过程的自动控制，防止出现过热或过放现象而降低高温混凝土储热体的使用寿命等，本发明中，还包括：第1温度测点7和第2温度测点8；第1温度测点7设置于高温混凝土储热体的内部且靠近换热管道的进口端，用于测量高温混凝土储热体的进口侧温度；第2温度测点8设置于高温混凝土储热体的内部且靠近换热管道的出口端，用于测量高温混凝土储热体的出口侧温度。其中，第1温度测点7和第2温度测点8为热电偶温度测点。
上述的各个熔盐/混凝土储热换热器采用模块化设计，可采用串联连接方式或并联连接方式，从而组成熔盐/混凝土储热系统，达到扩大储热容量以及提高储热最高温度的目的。
本发明还提供一种熔盐/混凝土储热方法，包括以下步骤：
对于单个熔盐/混凝土储热换热器，设共设置n个换热管道1，则：
对高温混凝土储热体2充热流程如下：
首先，打开排气阀，排放各个换热管道1的高压空气；
然后，关闭排气阀，高温熔盐通过进口管5流入到第1联箱3，在第1联箱3中，将高温熔盐分为n个支路，分别送往n个换热管道5的进口，各个支路的高温熔盐在各自的换热管道1中呈蛇形曲折向下流动，并在流动过程中发生热交换，使高温混凝土储热体2温度不断上升，而高温熔盐温度不断下降而变为低温熔盐；各个支路的低温熔盐流入到第2联箱4，在第2联箱4中，将各个支路的低温熔盐汇聚后，打开放盐阀，通过出口管6向外排出；
循环上述过程，高温熔盐不断注入到换热管道1，在与高温混凝土储热体2发生热交换后，从换热管道1排出；从而不断对高温混凝土储热体2充热，通过第2温度测点8监测高温混凝土储热体2的吸热情况，当监测到高温混凝土储热体2的温度达到设定值时充热完成，停止向换热管道1的进口注入高温熔盐，并通过放盐阀，将换热管道1的残留熔盐排出；
对高温混凝土储热体2放热流程如下：
首先，打开排气阀，排放各个换热管道1的高压空气；
然后，关闭排气阀，低温熔盐通过进口管5流入到第1联箱3，在第1联箱3中，将低温熔盐分为n个支路，分别送往n个换热管道1，各个支路的低温熔盐在各自的换热管道1中呈蛇形曲折向下流动，并在流动过程中发生热交换，使高温混凝土储热体2温度不断下降而放热，而低温熔盐温度不断上升而变为高温熔盐；各个支路的高温熔盐流入到第2联箱4，在第2联箱4中，将各个支路的高温熔盐汇聚后，打开放盐阀，通过出口管6向外排出；
循环上述过程，低温熔盐不断注入到换热管道1，在与高温混凝土储热体2发生热交换后，从换热管道1排出；从而不断对高温混凝土储热体2放热，通过第2温度测点8监测高温混凝土储热体2的放热情况，当监测到高温混凝土储热体2的温度达到设定值时充热完成，停止向换热管道1注入低温熔盐，并通过放盐阀，将换热管道1的残留熔盐排出。
经试验，采用上述结构，对高温混凝土储热体充热可实现：高温熔盐(390度)在换热管道中流通，将高温混凝土从280度加热至380度，熔盐温度降至290度；对混凝土储热体放热时：低温熔盐在换热管道中流通，吸收高温混凝土的热量，熔盐从270度升温至370度，混凝土温度从380度降至280度。
此外，排气阀设置在系统最高处，当系统进盐时，打开排气阀，保证系统中空气充分排放。放盐阀设置在系统最低处，系统停止运行前，为保证熔盐不会在换热管道中残留凝固，打开放盐阀，系统中的熔盐通过自流从放盐阀中排放出去。
熔盐是一种有效的热传及存储介质，应用最为广泛，但是其存在建设成本高、运行维护费用高等缺点；而混凝土储热材料为光热电站提供了低成本的储热可选技术。混凝土储热作为固体储热的重要方式，具有配比多样性、高温稳定性、价格低廉等优点。本发明提供的熔盐/混凝土储放热换热器，采用熔盐作为传热介质，高温混凝土作为蓄热介质，对大型低成本太阳能热发电站的发展具有重要意义。
本发明提供的熔盐/混凝土储热换热器、储热系统及储热方法，具有以下优点：
(1)安全性：本换热器的传热介质和蓄热介质分别为熔盐和混凝土，两种介质均成分稳定，不存在泄漏爆炸等风险，有效消除系统安全隐患；
(2)经济性：蓄热介质采用混凝土，与常规蓄热介质相比，成本大大降低；
(3)防凝设计：换热管道采用3％的坡度，排盐阀设置在低位点，系统停止运行时，换热管道不会残余熔盐。
因此，为一种价格低廉、操作简单、安全、稳定的储热系统，既适应于大型太阳能热电站储热系统的储热与换热，又适应于不稳定工业余热回收的热存储，对于可再生能源以及余热的充分利用具有重要意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，包括：高温混凝土储热体(2)、至少一个换热管道(1)、第1联箱(3)、第2联箱(4)、进口管(5)、出口管(6)、排气阀和放盐阀；
其中，各个所述换热管道(1)等距平行镶嵌于所述高温混凝土储热体(2)的内部；并且，各个所述换热管道(1)的进口均位于所述高温混凝土储热体(2)的上方，且分别密封连接到所述第1联箱(3)的各个支管接口，所述第1联箱(3)的总管与所述进口管(5)连接，在所述第1联箱(3)设置所述排气阀；
各个所述换热管道(1)的出口均位于所述高温混凝土储热体(2)的下方，且分别密封连接到所述第2联箱(4)的各个支管接口，所述第2联箱(4)的总管与所述出口管(6)连接，在所述第2联箱(4)的总管与所述出口管(6)的连接管道上，设置所述放盐阀。
2.根据权利要求1所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，所述换热管道(1)中流通介质为高温熔盐；在流体流动方向，所述换热管道(1)向下倾斜。
3.根据权利要求2所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，所述换热管道(1)向下倾斜的坡度为3％。
4.根据权利要求1所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，所述换热管道(1)为管道式蛇形管道。
5.根据权利要求1所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，还包括保温层；所述保温层包覆在所述高温混凝土储热体(2)的外部。
6.根据权利要求5所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，所述保温层的材料为高温硅酸铝和玻璃纤维形成的复合层材料。
7.根据权利要求1所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，还包括：第1温度测点(7)和第2温度测点(8)；所述第1温度测点(7)设置于所述高温混凝土储热体(2)的内部且靠近所述换热管道(1)的进口，用于测量所述高温混凝土储热体(2)的进口侧温度；
所述第2温度测点(8)设置于所述高温混凝土储热体(2)的内部且靠近所述换热管道(1)的出口，用于测量所述高温混凝土储热体(2)的出口侧温度。
8.根据权利要求7所述的熔盐/混凝土储热换热器，其特征在于，所述第1温度测点(7)和所述第2温度测点(8)为热电偶温度测点。
9.一种熔盐/混凝土储热系统，其特征在于，包括至少两个权利要求1-8任一项所述的熔盐/混凝土储热换热器；其中，各个所述熔盐/混凝土储热换热器为串联连接方式或并联连接方式。
10.一种熔盐/混凝土储热方法，其特征在于，包括以下步骤：
对于单个熔盐/混凝土储热换热器，设共设置n个换热管道(1)，则：
对高温混凝土储热体(2)充热流程如下：
首先，打开排气阀，排放各个换热管道(1)的高压空气；
然后，关闭排气阀，高温熔盐通过进口管(5)流入到第1联箱(3)，在第1联箱(3)中，将高温熔盐分为n个支路，分别送往n个换热管道(5)的进口，各个支路的高温熔盐在各自的换热管道(1)中呈蛇形曲折向下流动，并在流动过程中发生热交换，使高温混凝土储热体(2)温度不断上升，而高温熔盐温度不断下降而变为低温熔盐；各个支路的低温熔盐流入到第2联箱(4)，在第2联箱(4)中，将各个支路的低温熔盐汇聚后，打开放盐阀，通过出口管(6)向外排出；
循环上述过程，高温熔盐不断注入到换热管道(1)，在与高温混凝土储热体(2)发生热交换后，从换热管道(1)排出；从而不断对高温混凝土储热体(2)充热，通过第2温度测点(8)监测高温混凝土储热体(2)的吸热情况，当监测到高温混凝土储热体(2)的温度达到设定值时充热完成，停止向换热管道(1)的进口注入高温熔盐，并通过放盐阀，将换热管道(1)的残留熔盐排出；
对高温混凝土储热体(2)放热流程如下：
首先，打开排气阀，排放各个换热管道(1)的高压空气；
然后，关闭排气阀，低温熔盐通过进口管(5)流入到第1联箱(3)，在第1联箱(3)中，将低温熔盐分为n个支路，分别送往n个换热管道(1)，各个支路的低温熔盐在各自的换热管道(1)中呈蛇形曲折向下流动，并在流动过程中发生热交换，使高温混凝土储热体(2)温度不断下降而放热，而低温熔盐温度不断上升而变为高温熔盐；各个支路的高温熔盐流入到第2联箱(4)，在第2联箱(4)中，将各个支路的高温熔盐汇聚后，打开放盐阀，通过出口管(6)向外排出；
循环上述过程，低温熔盐不断注入到换热管道(1)，在与高温混凝土储热体(2)发生热交换后，从换热管道(1)排出；从而不断对高温混凝土储热体(2)放热，通过第2温度测点(8)监测高温混凝土储热体(2)的放热情况，当监测到高温混凝土储热体(2)的温度达到设定值时充热完成，停止向换热管道(1)注入低温熔盐，并通过放盐阀，将换热管道(1)的残留熔盐排出。
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