CN105814371A - 高温蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在至少一个蓄热器块（2）中存储热能的蓄热器，该蓄热器具有用于排除存贮热能的排除装置（3）。为从蓄热器中统一排除能量，根据本发明的蓄热器块（2）和排除装置（3）彼此分离并可相对于彼此移动。在蓄热器块（2）中提供至少一个换热器表面（4）用于从流体（5）和电子加热元件（6）转移热量至蓄热器块（2）。为了从蓄热器块（2）中排除热能，排除装置（3）可具有至少一个蒸发器表面（7）用于在热传递流体（8）中产生相变。

Description

高温蓄热器

技术领域

本发明涉及用于在至少一个蓄热器块中储存热能的蓄热器，以及至少一个用于排除存储的热能的排除装置，并且涉及以开环或闭环的方式控制从这种蓄热器的排除速率的方法。

背景技术

具有要以热形式存储的能量的用于均匀传递功率的供给装置并具有长期稳定性的这种蓄热器是公知的。它们包括高耐热性的固体材料，当加热时该材料能够存储热量，以及用于提取所存储热量的装置，所存储热量优选为热蒸汽或过热蒸汽的形式。前者例如可用于区域供热。后者对用于发电的蒸汽涡轮机的操作是必要的。

目前，用许多不同的技术来存储能量的大量工作正在进行中。这些技术是必要的，以允许可再生能源的进一步发展的提升，例如太阳能、风能、水能、潮汐能等。虽然大多数的这些能源有盈余，但在需要它们时不总是如此。因此，它们必须大规模地存储，以便即使长时间供应不足，也可通过这些存储来获得。如果不这样完成，供给的可靠性必须持续通过常规的备用发电厂来保证，然后这反过来又不能长时间充分利用。维护这些备用发电厂的运营准备是非常昂贵的后备方案。

通用类型的蓄热器在DE2117103A中是已知的。在这种情况下，所存储的热能积累在单个的金属块中。该金属块是感应加热的；喷嘴伸入到圆柱形凹部中，其用作由喷嘴引入的水的蒸发。所产生的蒸汽冷凝并再循环至喷嘴。

用于加热水的加热锅炉在德国实用新型DE7010442U中是已知的。它具有储热芯和用于将所述储热芯加热到高于水的沸点温度的装置。设置在所述储热芯上的是蒸汽和水室。管子从位于所述储热芯之上的蒸汽和水室上延伸到所述储热芯中。还提供了装置，其为所述腔室提供供水源以及伸入到管子中的通路。供水系统以这样的方式自调节，它保持压力等于供给压力，这可能是非常低的。为了这个目的，可从辅助储存器中取水并供给到系统。

所产生的蒸汽由供给的冷水冷凝。水由此被加热并可作为热水从所述储热芯之上的腔室供给到加热单元。先前已知的系统限制了可排除的温度或对排除热水很重要的介质。蒸汽不是必须的。因此排除的热量位于沸点以下的温度水平。

DE6806870U涉及电加热蓄热炉。存储芯由陶瓷材料的蓄能器块组成，其通过金属通道传递，形成用于产生热水、蒸汽等的加热记录器。该文献是基于即使在低蓄能器温度下仍确保从存储芯至加热记录器的良好热传递的目的。为此目的提供了具有形成加热记录器的扩大表面的金属通道。形成加热记录器的该金属通道垂直设置在陶瓷材料中，没有说明关于所述通道的连接，更不用说任何蒸汽收集室的存在和配置。

GB1344486A描述了水加热系统，其中水平蒸发器管道嵌入在储热块中，其由耐火材料组成。该存储块是电加热的。水平设置的蒸发器管可通过它们的开口端连接到垂直的蒸汽管。垂直的蒸汽管形成U形，其以在密闭冷凝罐中的开口端终止，并以罐的开口部中的另一端终止。所述罐和密闭冷凝罐大约位于同一水平上。热量通过热交换器从冷凝室消散。由于蒸汽管在冷凝液的水平面上终止，所产生的冷凝液通过独立管线的方式引导至蒸汽管线的U形端，使得因此，冷凝罐中的冷凝液水平面刚超过冷凝液返回管线的向上开口端就获得冷凝液循环。

发明内容

本发明基于大幅增加温度水平以及由此的固体蓄热器的储热量的目的，不具有同样暴露于这些高温下的材料的副作用，例如钢，即钢管，否则其大幅限制了这种能量储存的长期可持续性。

本发明的目的还在于提出了能从蓄热器均匀除热并具有对设备部件副作用小的方法。

在该装置方面的目的是在这样的情况下实现的，用于在至少一个蓄热器块中储存热能的蓄热器，至少一个用于通过蓄热器块移除存储热能的排除装置，排除装置以相对于彼此分开和移动地形成。分离意味着排除单元和蓄热器块之间的温差不会导致在其它情况下形成为单元的两个部件之间的机械应力。所述排除单元与所述蓄热器块的结构分离允许储存温度升高到不受在排除单元中使用的材料限制的水平。

本文提出的本发明因此由最高可能的储存温度以及因此最高能量密度并且还通过整个过程的最高可能效率来区分，其由输出温度/容量来实现，这在蓄能器的大温度范围上不断提供。

因此，这由实际能量储存器即，蓄能器块与对于回收能量必须的装置即，排除单元的分离来实现。

能量存储发生在陶瓷材料的蓄能器块中，这使得非常高的存储温度能长期稳定。理想的材料具有最高的耐热性，以便超过较高的温度能储存更多的能量，并且还具有高的相对密度/比热容，以便每空间单位能够存储最大的能量。技术参数不同的不同的材料都适合于此，例如比热容和耐热性还有费用。具有高比例Al₂O₃的耐火泥(例如A40t等级的)例如已允许大约1450℃的应用温度。同时，具有高达2.15g/cm³的相对密度，这些也提供了相对高的比热容。然而，也能够使用工业陶瓷，其温度范围甚至可能高得多，但其反过来通常具有关于比热容的缺点，可再次完全或部分抵消较高温度的优点。

在本发明的改进中，提供了设置在蓄热器块中的至少一个热交换器表面，用于热量从流体或电加热元件转移到该蓄热器块中。可选择地，在蓄热器块中的热量可引入到蓄热块中进行存储，或者通过流体或者通过电气元件，所谓的加热筒。供应通过所述至少一个热交换器表面的方式进行，其有利地形成为存储材料的表面，排除材料中存在的差异可导致机械应力。高温气体和液体金属均可用作流体。

然而，目前，热量优选地通过电加热筒的方式引入到蓄能器块中。然而，只要在技术上合适的和经济上可行的流体，例如液体金属是可用的，也能使用流体来引入以用于存储待存储的热量。高温可很容易地产生，例如通过抛物面槽式太阳能装置。为此，液体介质在陶瓷管中低压下通过蓄热器。通过聚焦和反射直接引入集中的热辐射也是可能的。

在任何情况下，从成本效益和可实现的效率的观点出发来实现尽可能高的存储温度是可取的和必要的。

在本发明的进一步改进中，提出了为了从所述蓄热器块排除热能，该排除单元具有至少一个蒸发器表面，用于在热传递流体中产生相变，或用于进一步使已经超过相变点的流体过热。为了排除所存储的能量，在排除单元中设置有蒸发器表面，携带经过的液体在其上发生相变。这种液体通常是水，但也可使用其它温度水平的其它液体。如果水用作该液体，如果该相变发生在较高的压力下，则对于提高温度水平是有利的。

然而，除了存储材料本身以外，目前可用的材料与该基本原理不一致。这里可提及的主要是缺乏可用钢的蠕变强度。这主要具有的影响是所述钢可接触的最高温度受到限制。因为所储存热量的提取通常以热蒸汽或在几百巴的非常高的压力下的过热蒸汽的形式发生，因此高强度的管是必要的。

因此，在本发明的进一步改进中，有利的提供了蒸发器表面优选地由至少一个管的内表面形成，其优选地嵌入在材料特别对应于蓄热器块的材料的块中。

这是本发明的基本原理的所在。其中没有金属组件与加热筒本身脱离的蓄能器块与提取热量的装置分离，并可因此加热到蓄热器材料的最高温度或用于引入热量的装置例如加热筒的最高温度，不会破坏在用于提取热量的装置中使用的钢材。

根据本发明，排除所存储的热量则通过排除装置发生，该排除装置同样由耐热性高的块，即所谓的吸热器而制成，嵌入在例如是管的热交换器中，在其中引入介质，通常是水，其蒸发或另外在其中例如引入的蒸汽进一步过热。在非常高的压力下的过热蒸汽随后用于发电的蒸汽涡轮机的运行。当然，任何其它的气体或液体也可以这种方式加热。可选择地，也能够省掉耐热块并仅与歧管管束工作用于热排除。所述歧管管束可额外设置有热交换器表面。

蓄热块形成为至少部分地包围所述排除装置的措施是用作提高排除速率。成形和尺寸允许蓄热器块和排除装置之间的结合程度以在宽泛地程度受到影响。依赖于蓄热器块和排除装置之间距离的结合功能也可通过区域设计来设置，在该区域中蓄热块包围排除装置。例如，利用圆柱形外壳，随距离的减小该结合线性地增加，然而随着排除装置插入在锥形凹陷中，该结合逐渐随距离增加。

在非常高的温度下，在蓄热器块和吸热器之间的热传递主要通过热辐射发生。由热辐射传递到吸热器的热功率以闭环和/或开环的方式由可移动吸热器和实际的蓄热器之间的可控距离来控制。这种控制性的目的之一是控制蓄热器的输出能力。但是，甚至更重要的是不增加吸热器的温度，独立于蓄热器的实际温度，超越了由嵌入其中的热交换器的蠕变强度所决定的限制。

它由能量存储器和吸热器的机械去耦产生，该存储的温度可比在所有其它已知概念的情况下高的多，因为这里没有基于钢的金属材料直接接触这种高温。因此，存储温度例如上述的1450℃可用高温炉结构中已知的技术来实现，如果使用适当的材料甚至可超过它。

在本发明的改进中，提出了作为外壳的有利形式，该蓄热器块凹入地形成在所述外壳的区域中，并且所述排除装置至少部分凸面地形成。

如果蓄热器块和排除装置设置在共同的壳体中，则实现了热损失的减少，该壳体优选的具有负压。负压带来了相对于环境更好的绝缘。减少了可导致热损耗的热传导和热对流过程。

在本发明的进一步改进中，提供了蓄热器块和排除装置设置在共同的、优选是垂直轴上，蓄热器块和排除装置的距离形成为通过电动机是易变的，并且优选的，蓄热器块或排除装置的移动部件的重量形成为至少部分地可补偿。改变排除装置和蓄热器块之间距离的可能性使得闭环和/或开环控制可能广泛释放的热量。

同时，能够保持蓄能器的输出能力在蓄能器的很宽温度范围内恒定，因为由于热量排除而存储温度降低，并且因此蓄热器的降低辐射输出也由吸热器和蓄热器之间的距离减小而抵消。理想的排除温度因此通过简单的闭环控制来实现，其参考变量是所希望的排除温度，并且其致动元件是改变距离的装置，并且其受控变量是吸热器的实际温度。这继续上升到吸热器和蓄热器之间的机械接触，从而在进一步冷却的过程中，该降低的热辐射逐渐增加地由两机构之间的直接热传导来接收。如果存储温度下降低于定义的值和用于排除的可控理想温度，则输出能力也随着温度继续下降而下降，并且从蓄能器可达到的最大输出温度下降，以及因此整个过程的效率也下降。在最佳整体效率的意义上来说，输出温度应始终保持在技术上可行的最大值。如果主要关心的是最大可能的存储范围，则蓄能器也可以效率为代价进一步冷却下来。

在这种情况下，所存储的能量可使用达到不可避免的最小值。例如通过联合操作，其中非常高的存储温度用于产生过热蒸汽的最佳效率的益处。如果蓄能器块的温度下降低于蒸汽过热的最佳温度，则剩余的温度可通过热交换器几乎不损失水蒸发的方式来使用，特别是在多级蒸汽过热或者在为加热目的而提供热量的温标终点的情况下。

从蓄热器块到排除装置热传递的物理定律可广泛地进行调整，如果在由蓄热器块形成的凹陷中提供导热流体的量。液体金属优选地选择为流体，使液体金属通过对流来传递热量。热辐射的物理定律仅对于那些部分表面区域是决定性的，其中蓄热器和排除装置之间的间隙中没有填充液体金属。

在该方法方面的目的是通过以开环或闭环方式控制从蓄热器的排除率的方法来实现的，其中蓄热器块和排除装置的距离是改变的。这特别将产生以下优点：

·只要存储温度位于吸热器目标温度之上的范围内，目前在技术上可能的最高效率就用于作为整体的电厂生产过程实现。

·每kWh的存储热量的具体成本大大下降，因为以这种方式非常高的存储温度对蓄能器本身的成本没有显著的影响。如果不希望接受较高的热损失，允许较高的存储温度要采取的唯一措施是增加绝缘性，否则由于相对于周围环境的较高温度梯度会发生热损失。

·蓄能器可在结构上设计为非常容易维护，这样一来，在排除绝缘后，需要维护或修理的所有组件都可从上面靠近。因此，吸热器和加热筒可被排除且交换而不用移动蓄能器，同时遵守相应的安全措施。

·由于较高的温度而增加的能量密度使得较小的蓄能器能可能具有相同的内能。

·在吸热器中所使用的金属材料的使用寿命可通过吸热器的可控温度来确定。通过温度的合适选择，无论是效率和容量或是寿命可得到提高。

·因为蓄能器和吸热器仅包括几个简单的组件，其生产成本相对较低。必要的控制和致动元件同样可以是非常简单的设计和构造。因此，通过使用平衡物，用于吸热器运动所需的力以及因此的致动器可保持非常小。蓄能器和吸热器的温度间隔或永久地进行测量，以能够从此得出用于校正的必要操作变量。

然而，还有优势是使用在建筑物中用于加热目的的蓄热器。高存储温度的优势在这里同样适用。所述排除装置可在任何时间进行控制，使得引入的水不蒸发，而仅仅是加热。因此，蓄能器具有连续流加热器的功能，并且可因此一起更换惯常的加热锅炉与热水罐。

附图说明

本发明的优选实施方式通过示例的方式基于附图进行说明。该附图的图中具体示出了：

图1是根据本发明的蓄热器的系统化透视图，

图2是根据本发明的蓄热器的示意性平面图，

图3是通过在根据图2中的截面线A-A的负荷下的根据本发明的蓄热器的纵剖面，

图4是通过在根据图2中的截面线B-B的负荷下的根据本发明的蓄热器的纵剖面，

图5是通过在根据图6中的截面线C-C的非耦合状态中的根据本发明的蓄热器的纵剖面，以及

图6是根据图5的根据本发明的蓄热器的示意性平面图。

在图1中所示的根据本发明的蓄热器1的系统化透视图示出了这样的方式，其中蓄热器1划分成蓄热器块2和排除装置3。蓄热器块2和排除装置3位于共同的中心轴线16上，并在此轴线16上相对于彼此可位移。为了整体清楚起见，没有表示能实现这种位移的驱动器。所述排除装置3在其上侧21上具有若干供给线路22用于供给水。形成在排除装置3中的蒸汽通过蒸汽线路23的方式从排除装置3排除。

图2示出了根据本发明的蓄热器的平面图。通过供给线路22供给的用于产生蒸汽的水最初打开进入环形分配器24中，从这被引导进入垂直取向的管10中。排除装置3中所产生的蒸汽然后通过蒸汽线路23排除。

蓄热器块2通过四个加热元件6加热，其设置为均匀地分布在蓄热器块2的角区。

蓄热器块2和排除装置3的详细结构可从垂直剖面得到，该垂直剖面通过在根据图3中的截面线A-A的负荷下的根据本发明的蓄热器。通过供给线路22供给到排除装置3的水从环形分配器24引导通过起初垂直的管10进入材料12的块11中，其中所述管10是嵌入的，并因此形成交换器头25。在那里，线路10在垂直剖面中大致遵循交换器头25的外轮廓26，然后以垂直向上升起的方式在蒸汽室27中打开。绝缘体28设置在排除装置3的壳体15和交换器头25之间，这相对于蓄热器的周围减少了热损失。

在图4中表示是垂直剖面图，其取自通过蓄热器1的对角线剖面，使得也可看出在蓄热器块2中设置的加热筒或加热元件6。加热元件6的升温功能也可通过穿过的流体5来承担，流体5在适当的温度。蓄能器块2还由壳体15中良好的热绝缘体28所包围，使得还避免了从蓄热器块2的不受控制的热损失。所述排除装置3和蓄热器块2的壳体15部分地彼此包围。如可从图3和4得出，它们相对于彼此并彼此可伸缩地位移。其结果是，蓄热器块2和排除装置3之间的距离17可改变。合适的驱动器，其中本领域技术人员可例如形成为活塞缸单元或主轴螺母驱动器，其是相互同步的，提供用于进行变化。

所产生的蒸汽通过收集钟状物30从蒸汽室27排除，并通过蒸汽线路23的方式传递到涡轮，例如用于产生电能。

蓄热器块2的材料13优选是致密的耐高温化合物，其适于占用相应的大量热能。所述排除装置3的材料12可包括相同的材料，使得两种材料具有相似的膨胀性能。交换器头25的外轮廓是钟状物形式的凸面形状，并插入到相应成型为与蓄热器块2的材料13相匹配的凹陷中。在蓄热器块2和排除装置3之间的热传递最初基本上基于热辐射。然而，其也可基于对流，如果排除装置3和蓄热器块2之间的间隙通过流体填充，优选为液体金属。在图3中，这样的液体介质31以通过变黑的形式来表示。介质31的上液面位于凹陷18的上边缘之下。

图3和4的表示因此示出了这样的状态，其中热量由交换器头25的方式从蓄热器块2排除。这意味着该交换器头25热耦合到蓄热器块2上。

图6和5表示了未耦合状态，其中没有明显的热量从蓄热器块2排除。图6示出了垂直截面，如先前已在图3中表示，但具有排除装置3距蓄热器块2的相当大的距离17。在此表示中，排除装置3的块11的凸形轮廓和区域14相应凹陷地形成蓄能器块13的凹陷18。

而在图3中，液体介质31几乎占据了排除装置3的材料12和蓄热器2的材料13之间的整个间隙，在图6中这种介质31收集在凹陷18的下部。隔板32形成了凹陷18的上末端。因为交换器头25由隔板32完全与蓄热器2分开，所以也没有在蓄能器块2和排除装置3之间的热传递。

附图标记列表

1蓄热器

2蓄热器块

3排除装置

4热交换器表面

5流体

6加热元件

7蒸发器表面

8热传递流体

9管道内表面

10管

11块

12材料

13材料

14区域

15壳体

16轴线

17距离

18凹陷

19流体

21上侧

22供给线路

23蒸汽线路

24分配器

25交换器头

26外轮廓

27蒸汽室

28绝缘体

29距离

30采集钟状物

31流体介质

32隔板

Claims (11)

1.用于在至少一个蓄热器块（2）中储存热能的蓄热器（1），以及至少一个用于排出所存储的热能的排除装置（3），其特征在于蓄热器块（2）和排除装置（3）相对于彼此分开并移动。

2.如权利要求1所述的蓄热器，其特征在于在蓄热器块（2）中提供了至少一个热交换器表面（4），用于热量从流体（5）或电加热元件（6）转移到蓄热器块（2）中。

3.如权利要求1或2所述的蓄热器，其特征在于为了从所述蓄热器块（2）排除热能，所述排除装置（3）具有至少一个蒸发器表面（7），用于在热传递流体（8）中产生相变，或用于进一步使已经超过相变点的流体过热。

4.如权利要求3所述的蓄热器，其特征在于所述蒸发器表面（7）优选地由至少一个管（10）的内表面（9）形成，其优选地嵌入在特别对应于蓄热器块（2）的材料（13）的材料（12）的块（11）中。

5.如一项或多项前述权利要求所述的蓄热器，其特征在于蓄热器块（2）形成为至少部分地包围所述排除装置（3）。

6.如一项或多项前述权利要求所述的蓄热器，其特征在于该蓄热器块（2）凹面地形成在区域（14）中，并且所述排除装置（3）至少部分凸面地以包围方式形成。

7.如一项或多项前述权利要求所述的蓄热器，其特征在于蓄热器块（2）和排除装置（3）设置在共同的壳体（15）中，其优选的具有负压。

8.如一项或多项前述权利要求所述的蓄热器，其特征在于蓄热器块（2）和排除装置（3）设置在共同的、优选是垂直轴（16）上，蓄热器块（2）和排除装置（3）的距离（17）形成为通过电动机是易变的，并且优选的，蓄热器块（2）或排除装置（3）的移动部件的重量形成为至少部分地可补偿。

9.如一项或多项前述权利要求所述的蓄热器，其特征在于导热流体（19）的量在由蓄热器块（2）形成的凹陷（18）中提供。

10.以开环或闭环方式控制从如一项或多项前述权利要求所述的蓄热器的排除率的方法，其特征在于蓄热器块和排除装置的距离是改变的。

11.如权利要求1-9中一项或多项所述的蓄热器的用途，用于在建筑物中加热的目的。