CN107906994B - 利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，还公开了一种利用储热材料射流破碎的直接接触式放热系统和储热系统。上述直接接触式储放热装置包括：金属箱体，金属箱体内设置一个竖直方向的隔板，将金属箱体分隔为主箱体和副箱体；主箱体上连接有与其内部连通的第一直管段、第二直管段和90°弯管段；副箱体内沿竖直方向安装有蛇形管段，其一端穿设过副箱体开口于副箱体外，另一端通过隔板上的第四孔口连通主箱体的内部。通过隔板上的第四孔口连通主箱体的内部。采用该装置可以解决现有的换热工质堵塞问题，强化了储热装置内的对流换热，提高了储放热效率；并且，结构简单，易于批量生产，成本低，具有较好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及储热器技术领域，特别是涉及一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置。
背景技术
目前，我国的能源消费构成仍然以传统的化石类燃料为主要，水电、风能和核能等清洁能源的应用比例仅为10％左右。对煤炭等传统资源的过渡依赖，不仅加剧了我国的能源短缺问题，而且开采和利用过程中造成的环境问题也日益严重。因此，减少化石类燃料的应用比例，完善和多样化能源组成结构已经成为我国实现能源与环境可持续发展的重要措施。
太阳能等可再生能源具有清洁、可持续等优点。对其进行大规模应用将有望减少对化石类燃料的依赖，目前已经受到各个国家的高度重视，并已被广泛列为战略性的能源发展规划。然而，太阳能等再生能源往往存在供给的间歇性和波动性问题。设计与开发储热系统是解决该问题的有效途径。其中，储热器是整个储热系统的关键装置，决定了储放热效率与整体系统的稳定情况。
传统的储热器一般采用间壁式换热方式。在热量的存储与释放过程中，储热材料与换热工质通过壁面进行间接式换热。虽然避免了储热材料与换热工质间相互作用与影响，但热传导的换热方式极大限制了换热效率，从而影响了储放热时间。与传统的间壁式储热器相比，直接接触式储热器具有传热系数高、换热结构简单等优点，被广泛应用于太阳能、余热的存储利用。
在现有的直接接触式储热器中，储热材料和换热流体存在密度差，在重力作用下自然分离，形成下部的储热材料区域和上部的换热流体区域。换热流体进口设置于储热器下部的储热材料区域，换热流体流入储热器后，在向上流动过程中与储热材料发生对流换热，实现热能的存储与释放。当完成放热过程后，储热材料由于密度较大，沉积并凝固在储热器底部。因此，位于底部的换热流体进口被凝固后的储热材料堵塞，阻碍了下一次储热过程初期换热工质的正常流动，减弱了内部对流换热。此外，在现有的直接接触式储热器内，储热材料与换热流体间的接触面积有限，如何增大对流换热面积，以进一步实现直接接触式换热的强化效果是现有直接接触式储热器中存在的另外一个关键问题。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置。
本发明提供一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，其包括：
金属箱体，所述金属箱体内形成有沿水平方向布置的长方体空间；所述金属箱体内设置一个竖直方向的隔板，所述隔板将金属箱体分隔为主箱体和副箱体；主箱体的容积大于副箱体的容积；
所述主箱体上连接有与其内部连通的第一直管段、第二直管段和90°弯管段；所述90°弯管段的头端和第二直管段均位于第一直管段的上方；
所述副箱体内沿竖直方向安装有蛇形管段，所述蛇形管段的一端穿设过副箱体开口于副箱体外，另一端与所述隔板焊接，通过隔板上的第四孔口连通主箱体的内部。
进一步地，所述第一直管段连接在主箱体侧壁面水平方向的中心位置，位于竖直方向的下部，其一端开口于主箱体外，另一端与主箱体焊接，通过主箱体侧壁面的第一孔口连通主箱体的内部；
所述第二直管段连接在所述侧壁面水平方向的中心位置，位于竖直方向的上部，其一端开口于储热器外，另一端与主箱体焊接，通过主箱体侧壁面上的第二孔口连通主箱体的内部；
所述的90°弯管段连接在主箱体后壁面的后上部，其从头到尾依次由一个水平方向到竖直方向的弯头，一段竖直管段，一个竖直方向到水平方向的弯头、一段水平管段顺次连接而成；所述90°弯管段尾端开口于储热器外，头端与主箱体面焊接，通过主箱体后壁面上的第三孔口连通主箱体的内部。
另外，本发明还提供一种利用储热材料射流破碎的直接接触式放热系统，其包括两个上述利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，分别为第一储放热装置和第二储放热装置；其中，
第一储放热装置的金属箱体内用于预先放置换热工质，第二储放热装置的金属箱体内用于预先放置液态的储热材料；
第一储放热装置的第一直管段和第二储放热装置的蛇形管段均与用户端的低温换热工质相连；
第一储放热装置的第二直管段与第二储放热装置的第一直管段相连；
第一储放热装置的90°弯管段的尾端用于排出高温换热工质。
进一步地，所述换热工质为导热油，所述储热材料为有机物丁四醇。
进一步地，所述第一储放热装置的第二直管段与第二储放热装置的第一直管段通过软管相连。
此外，本发明还提供一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储热系统，其包括上述利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置；所述储放热装置的金属箱体内用于预先放置固态的储热材料；所述储放热装置的第一直管段与热源侧的高温换热工质相连，90°弯管段的尾端用于排出低温换热工质。
进一步地，所述换热工质为导热油，所述储热材料为有机物丁四醇。
相对于现有技术，采用本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置、放热系统和储热系统，具有如下优点：
(1)该装置或系统通过将熔融储热材料射流进入换热工质内形成颗粒化的换热模式，使得现有直接接触式储热过程中存在的换热工质堵塞问题得到了解决；
(2)该装置或系统将熔融储热材料射流进入换热工质内形成颗粒化的换热模式，加大了储热材料与换热工质间的接触面积，强化了储热装置内的对流换热，提高了储放热效率；
(3)上述装置或系统为简单的封闭空腔结构，内部没有复杂构件，易于批量生产，成本低，具有较好的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置的结构示意图；
图2为本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置沿竖直面的剖面示意图；
图3为本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置中的第一直管段和第二直管段的剖面示意图；
图4为本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置中副箱体的结构示意图；
图5为本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置中主箱体后壁面以及90°弯管段的结构示意图；
图6为本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置中主箱体侧壁面的结构示意图。
附图标记说明：
1-主箱体
2-副箱体
3-第一直管段
4-第二直管段
3a-第一孔口
4a-第二孔口
5a-第三孔口
5-90°弯管段
6-蛇形管段
6a-第四孔口
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
在第一种具体的实施方式中，本发明提供了一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，请参考图1至图6，该图示出了本发明实施例提供的储放热装置的结构。
具体而言，本发明实施例提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置包括：
金属箱体，所述金属箱体内形成有沿水平方向布置的长方体空间；所述金属箱体内设置一个竖直方向的隔板，所述隔板将金属箱体分隔为主箱体1和副箱体2；主箱体1的容积大于副箱体2的容积；
所述主箱体1上连接有与其内部连通的第一直管段3、第二直管段4和90°弯管段5；所述90°弯管段5的头端和第二直管段4均位于第一直管段3的上方；
所述副箱体2内沿竖直方向安装有蛇形管段6，所述蛇形管段6的一端穿设过副箱体2开口于副箱体2外，另一端与所述隔板焊接，通过隔板上的第四孔口6a连通主箱体1的内部。
作为本发明的优选方案：
所述第一直管段3连接在主箱体1侧壁面水平方向的中心位置，位于竖直方向的下部，其一端开口于主箱体1外，另一端与主箱体1焊接，通过主箱体1侧壁面的第一孔口3a连通主箱体1的内部；
所述第二直管段4连接在所述侧壁面水平方向的中心位置，位于竖直方向的上部，其一端开口于储热器外，另一端与主箱体1焊接，通过主箱体1侧壁面上的第二孔口4a连通主箱体1的内部；
所述的90°弯管段5连接在主箱体1后壁面的后上部，其从头到尾依次由一个水平方向到竖直方向的弯头，一段竖直管段，一个竖直方向到水平方向的弯头、一段水平管段顺次连接而成；所述90°弯管段5尾端开口于储热器外，头端与主箱体1焊接，通过主箱体1后壁面上的第三孔口5a连通主箱体1的内部。
进一步地，所述金属箱体外包覆有保温材料层。
本发明提供的上述储放热装置中，金属箱体可以由金属板焊接而成，主箱体1内为发生直接接触式储放热的主要场所；主箱体1上开设有用于连通第一直管段3的第一孔口3a，用于连接第二直管段4的第二孔口4a，用于连接90°弯管段5的第三孔口5a，以及用于连通蛇形管段6的第四孔口6a。第一直管段3和第二直管段4用于在储放热过程中连接另外一个储放热装置的箱体，使得储热材料通过该管段流入或流出主箱体1，实现储热材料在两个箱体间的输送。90°弯管段5用于在储放热过程中分别将低温和高温换热工质通过该管段排出主箱体1。
副箱体2包括内部封闭腔体和蛇形管段6组成间壁式的换热器，蛇形管段6内用于输送流动的换热工质，蛇形管段6外装载储热材料，换热工质流入蛇形管段6后吸收管外储热材料释放的热量，通过流入主箱体1内，对主箱体1内的储热材料提供一定压力，使其可以通过第一直管段3流入另外一个储放热装置的箱体，实现储热材料在不同箱体间的输送。
上述第一直管段3，第二直管段4，90°弯管段5和蛇形管段6均优选为金属管。
将上述储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置两个搭配使用，并通过向储放热装置的金属箱体内预先放入换热工质或储热材料，可以实现放热。
具体而言，本发明第二实施例还提供一种利用储热材料射流破碎的直接接触式放热系统，其包括两个上述利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，分别为第一储放热装置和第二储放热装置；其中，
第一储放热装置的金属箱体内用于预先放置换热工质，第二储放热装置的金属箱体内用于预先放置液态的储热材料；
第一储放热装置的第一直管段和第二储放热装置的蛇形管段均与用户端的低温换热工质相连；
第一储放热装置的第二直管段与第二储放热装置的第一直管段相连；
第一储放热装置的90°弯管段的尾端用于排出高温换热工质。
该系统的放热原理如下：
来自用户端的低温换热工质通过第一储放热装置上的第一直管段进入主箱体的下部；
来自用户的低温换热工质同时通过第二储放热装置上的蛇形管段进入副箱体内进行预热，升温后的换热工质通过第四孔口进入主箱体的上部，并对主箱体内部装载的高温液态储热材料提供一定压力，使得高温液态储热材料通过第一直管段流入第一储放热装置主箱体上的第二直管段，进而流入第一储放热装置主箱体内；
第一储放热装置内的换热工质与从其主箱体上部流入的高温液态储热材料进行对流换热，发生射流破碎，形成微小的储热材料颗粒，释放热量后凝固为颗粒化的固态储热材料；被加热后的换热工质通过位于第一储放热装置主箱体上的90°弯管段流出并输送至用户侧。
当第二储放热装置的主箱体内的高温液态储热材料全部在第一储放热装置内发生射流破碎后，放热过程结束。
本领域技术人员可以理解，在放热过程中，第一储放热装置的金属箱体中，主箱体内预先放置换热工质，副箱体处于闲置状态，其内部预先放置固态的储热材料；第二储放热装置的金属箱体中，主箱体和副箱体内均预先放置液态的储热材料。
优选地，所述换热工质为导热油，所述储热材料为有机物丁四醇。
进一步地，所述第一储放热装置的第二直管段与第二储放热装置的第一直管段通过软管相连。
另外，本发明第三实施例还提供一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储热系统，其包括上述第一实施例提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置；所述储放热装置的金属箱体内用于预先放置固态的储热材料；所述储放热装置的第一直管段与热源侧的高温换热工质相连，90°弯管段的尾端用于排出低温换热工质。
该系统的储热原理如下：
来自热源侧的高温换热工质通过储放热装置主箱体上的第一直管段进入主箱体的下部，固态储热材料颗粒受到高温换热工质的冲击，形成浮床对流换热模式，储热材料融化为液态并在重力作用下沉积在主箱体的下部，高温换热工质放热后因密度较小向主箱体的上部流动，一部分通过90°弯管段流出储放热装置，一部分通过蛇形管段流出储放热装置并对副箱体内的固态储热材料加热至融化，流出的换热工质输送回热源侧进行再加热。当储放热装置主、副箱体内的固态储热材料颗粒全部融化后，储热过程结束。
优选地，所述换热工质为导热油，所述储热材料为有机物丁四醇。
需要说明的是，上述储热系统和放热系统在工作结束后，其储放热装置可循环使用；具体原理如下：
当放热系统结束工作后，第一储放热装置的主箱体内剩下固态储热材料颗粒，可直接作为储热系统中的储放热装置使用；第二储放热装置的主箱体内剩下换热工质，可直接作为放热系统下一次工作中的第一储放热装置使用。
当储热系统结束工作后，储放热装置内固态储热材料颗粒全部融化转换为液态储热材料，其可直接作为放热系统中的第二储放热装置使用。
由上述内容可知，采用本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置、放热系统和储热系统，具有如下优点：
(1)该装置或系统通过将熔融储热材料射流进入换热工质内形成颗粒化的换热模式，使得现有直接接触式储热过程中存在的换热工质堵塞问题得到了解决；
(2)该装置或系统将熔融储热材料射流进入换热工质内形成颗粒化的换热模式，加大了储热材料与换热工质间的接触面积，强化了储热装置内的对流换热，提高了储放热效率；
(3)上述装置或系统为简单的封闭空腔结构，内部没有复杂构件，易于批量生产，成本低，具有较好的经济和社会效益。
以上对本发明所提供的本发明提供的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置、放热系统和储热系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，其特征在于，包括：
金属箱体，所述金属箱体内形成有沿水平方向布置的长方体空间；所述金属箱体内设置一个竖直方向的隔板，所述隔板将金属箱体分隔为主箱体和副箱体；主箱体的容积大于副箱体的容积；
所述主箱体上连接有与其内部连通的第一直管段、第二直管段和90°弯管段；所述90°弯管段的头端和第二直管段均位于第一直管段的上方；
所述第一直管段连接在主箱体侧壁面水平方向的中心位置，位于竖直方向的下部，其一端开口于主箱体外，另一端与主箱体焊接，通过主箱体侧壁面的第一孔口连通主箱体的内部；
所述第二直管段连接在所述侧壁面水平方向的中心位置，位于竖直方向的上部，其一端开口于储热器外，另一端与主箱体焊接，通过主箱体侧壁面上的第二孔口连通主箱体的内部；
所述副箱体内沿竖直方向安装有蛇形管段，所述蛇形管段的一端穿设过副箱体开口于副箱体外，另一端与所述隔板焊接，通过隔板上的第四孔口连通主箱体的内部。
2.根据权利要求1所述的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，其特征在于，
所述的90°弯管段连接在主箱体后壁面的后上部，其从头到尾依次由一个水平方向到竖直方向的弯头，一段竖直管段，一个竖直方向到水平方向的弯头、一段水平管段顺次连接而成；所述90°弯管段尾端开口于储热器外，头端与主箱体面焊接，通过主箱体后壁面上的第三孔口连通主箱体的内部。
3.一种利用储热材料射流破碎的直接接触式放热系统，其特征在于，包括两个权利要求1或2所述的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置，分别为第一储放热装置和第二储放热装置；其中，
第一储放热装置的金属箱体内用于预先放置换热工质，第二储放热装置的金属箱体内用于预先放置液态的储热材料；
第一储放热装置的第一直管段和第二储放热装置的蛇形管段均与用户端的低温换热工质相连；
第一储放热装置的第二直管段与第二储放热装置的第一直管段相连；
第一储放热装置的90°弯管段的尾端用于排出高温换热工质。
4.根据权利要求3所述的利用储热材料射流破碎的直接接触式放热系统，其特征在于，所述换热工质为导热油，所述储热材料为有机物丁四醇。
5.根据权利要求3所述的利用储热材料射流破碎的直接接触式放热系统，其特征在于，所述第一储放热装置的第二直管段与第二储放热装置的第一直管段通过软管相连。
6.一种利用储热材料射流破碎的直接接触式储热系统，其特征在于，包括：权利要求1或2所述的利用储热材料射流破碎的直接接触式储放热装置；所述储放热装置的金属箱体内用于预先放置固态的储热材料；所述储放热装置的第一直管段与热源侧的高温换热工质相连，90°弯管段的尾端用于排出低温换热工质。
7.根据权利要求6所述的利用储热材料射流破碎的直接接触式储热系统，其特征在于，所述换热工质为导热油，所述储热材料为有机物丁四醇。
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