CN108139172A - 具有主热交换腔室和副热交换腔室的热交换系统和通过使用热交换系统用于交换热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有至少两个热交换腔室的热交换系统。热交换腔室中的每个包括热交换腔室边界，其包围热交换腔室的至少一个热交换腔室内部。热交换腔室边界包括至少一个第一开口，用于引导至少一个热传递流体的入流进入热交换腔室内部，以及至少一个第二开口，用于引导热传递流体的出流离开热交换腔室内部。至少一个热储存材料被布置在热交换腔室内部中，使得热传递流体通过热交换腔室内部的热交换流导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。热交换腔室被布置成使得进入热交换腔室中的一个的热交换腔室内部的热传递流体的入流包括离开另一个热交换腔室的热交换腔室内部的热传递流体的出流。热交换腔室中的一个是热交换系统的主热交换腔室并且热交换腔室中的一个是副热交换腔室。副热交换腔室是用于为主热交换腔室充能的增强的热交换腔室。另外，提供通过使用热交换系统用于交换热的方法，其中热交换腔室中的一个被用于另一个热交换腔室的充能和/或放能。

Description

具有主热交换腔室和副热交换腔室的热交换系统和通过使用 热交换系统用于交换热的方法

背景技术

1.技术领域

本发明涉及具有至少两个热交换腔室的热交换系统和通过使用热交换系统用于交换热的方法。

2.背景技术

尽管可再生能量被集成进公共电能系统（电网），目前大份额的电仍然通过化石能源生成。但是全球气候变化需要进一步发展可再生能量。

类似风和太阳的可再生能源的能量输出贯穿一天或贯穿一年不是恒定的。因此，通过利用来自可再生能源而生成的电会波动。

为了管理此波动的电，热（热能）储存系统被开发用于储存和释放热能（热交换系统）。这样的热交换系统包括具有热交换腔室边界的热交换腔室，所述热交换腔室边界包围热交换腔室内部。热交换腔室内部填充有例如石头的热储存材料。热交换腔室边界包括第一开口，用于引导热传递流体（例如空气）的入流流入热交换腔室内部，以及第二开口，用于引导热交换流体的出流流出热交换腔室内部。

对于充能模式，热交换系统附加地包括充能单元，用于借助于过量的电加热热传递流体。产生的热的热传递流体经由热交换腔室边界的开口中的一个（例如第一开口）被灌输进热交换腔室内部中。此开口限定热交换腔室的“热”终端。热的热传递流体被引导通过热交换腔室内部。通过将热的热传递流体引导通过热交换腔室内部，导致从热传递流体到热储存材料的热交换。热通过热储存材料被储存。

经由热交换腔室的其它开口（第二开口），产生的“冷”的热传递流体被引导出热交换腔室内部。由此，热交换腔室边界的此开口限定热交换腔室的“冷”终端（端部）。当热交换腔室的冷终端处的温度开始上升到预定温度以上时，充能模式停止。

在热交换腔室的放能模式中，此储存的热可以被恢复：“冷”的热传递流体经由热交换腔室边界的开口中的一个被灌输进热交换腔室内部中。在此情况下，此开口限定“冷”终端。冷的热传递流体被引导通过热的热交换腔室内部。通过将冷的热传递流体引导通过热交换腔室内部，导致从热储存材料到热传递流体的热交换。热被从热储存材料释放。

经由热交换腔室边界的第二开口，产生的“热”的热传递流体被引导出热交换腔室内部。由此，热交换腔室的第二开口限定热交换腔室的“热”终端。

产生的热的热传递流体可以被用于生成蒸汽，通过所述蒸汽驱动蒸汽涡轮机。所描述的放能模式的结果：热被转换回电。

当热交换储存部的冷终端处的温度开始下降到特定温度以下时，放能模式停止。

可再生能源的能量输出的量的预报是非常困难的。因此，提供合适的热交换系统也是困难的。

发明内容

本发明的目标是提供热交换系统，用于灵活地储存（吸收）能量并且用于灵活地释放所储存（吸收）的能量。

此目标通过权利要求中具体说明的本发明来实现。

提供了具有至少两个热交换腔室的热交换系统，其中，热交换腔室中的每个包括热交换腔室边界，其包围热交换腔室的至少一个热交换腔室内部。热交换腔室边界包括至少一个第一开口，用于引导至少一个热传递流体的入流进入热交换腔室内部，以及至少一个第二开口，用于引导热传递流体的出流离开热交换腔室内部。至少一个热储存材料被布置在热交换腔室内部中，使得热传递流体通过热交换腔室内部的热交换流导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。热交换腔室被布置成使得进入热交换腔室中的一个的热交换腔室内部的热传递流体的入流包括离开另一个热交换腔室的热交换腔室内部的热传递流体的出流。热交换腔室中的一个是热交换系统的主热交换腔室并且热交换腔室中的一个是副热交换腔室。与主热交换腔室相比，副热交换腔室优选地是小的热交换腔室。小的热交换腔室的热容量比主热交换腔室的热容量更低。

热交换腔室内部可以并联连接在一起。优选地，热交换腔室的热交换腔室内部串联连接在一起。

除了热交换系统之外，提供了通过使用热交换系统的用于交换热的方法，其中离开热交换腔室中的一个的热交换腔室内部的热传递流体的出流被引导为进入另一个热交换腔室的热交换腔室内部的热传递流体的入流。

热交换腔室是空间、腔体或壳体，热储存材料位于其中。热交换在热交换腔室内侧发生。为了提供有效的热交换，热交换腔室优选地与环境热绝缘。通过热绝缘减少热损失。

热传递流体经由第一开口被引导（指引）到热交换腔室内部中，并且经由第二开口被引导出热交换腔室内部。热交换腔室边界的第一开口是入口开口。热交换腔室边界的第二开口是出口开口。因此，热交换腔室边界存在不同的区域，即具有第一开口的热交换腔室边界的入口区域，和具有第二开口的热交换腔室边界的出口区域。

热交换系统的操作模式从如下的组中选择，所述组包括：具有从热传递流体到热储存材料的热传递的充能模式、和具有从热储存材料到热传递流体的热传递的放能模式。

优选地，在热交换系统的充能模式期间，热交换流沿充能模式方向被引导通过热交换腔室中的至少一个的热交换腔室内部；在放能模式期间，热交换流沿放能模式方向被引导通过热交换腔室中的至少一个的热交换腔室内部；并且充能模式方向和放能模式方向彼此相反。

取决于操作模式，特定的开口可以具有入口开口的功能或出口开口的功能。热交换流的流动方向取决于操作模式。优选地，在充能模式期间，热交换流沿充能模式方向被引导，在放能模式期间，热交换流沿放能模式方向被引导，并且充能模式方向和放能模式方向彼此相反（逆流操作）。但是，热交换流的方向的改变不是必须的。充能模式方向和放能模式方向包括相同的方向（顺流操作）。

在逆流操作中，从充能模式到放能模式的切换时，通过热交换腔室内部的热交换流的方向被颠倒并且因此，开口（入口开口、出口开口）的功能也被颠倒。通过这样的解决方案，使用相同的热传递流体用于充能模式和用于放能模式是特别有利的。但是当然，也可以使用不同的热传递流体用于充能模式和放能模式。

对于充能模式，热交换系统配备有至少一个充能单元，用于加热热传递流体。在具有激活的充能单元的充能模式中，充能单元可以位于热交换腔室的上游。与之相对照，在具有停用的充能单元的放能模式中，充能单元可以位于热交换腔室的下游。

优选地，充能单元包括至少一个电加热装置，其从包括电阻加热器、感应加热器、电磁辐射发射器和热泵的组中选择。电磁辐射优选地是红外辐射。不同的电加热装置的组合是可能的。借助于电加热装置，电被转换为热。此热被热传递流体吸收并且被输运至热交换腔室内部中的热储存材料。

例如，电加热装置包括电阻加热器。此加热器位于热交换腔室上游的热交换入流中。热传递流体在其进入热交换腔室内部之前被加热。电阻加热器包括大的热交换区域，用于从电阻加热器到热传递流体的有效的热交换。例如，大的热交换区域通过电阻加热器的网格形成。蜿蜒形的电阻加热器也是可能的。通过这样的措施，至热传递流体的热传递被增强。另外，电阻加热器内的热点（hot spot）的（不期望的）发生的可能性被减小。

热交换系统优选地配备有至少一个放能单元，用于从出流的热传递流体放出热用于产生电。从热传递流体移除热。移除的热被转换为电。在优选实施例中，热到电的转换通过用于驱动蒸汽电站的涡轮机的水/蒸汽循环实现。

当电价和需求高或者当可再生能量的产生低的时候，放能模式可以被实现。为此并且为了限制与本发明相联系的成本，使用现有的电站是有利的。例如，非常适合的是CCPP（联合循环电站），因为其热回收蒸汽发生器（HRSG）类似于这里提出的应用。然而，无烟煤（hard coal）、油、气、垃圾焚烧、木头或褐煤火电站可以被使用，因为充能单元可以被设计用于高的温度以匹配蒸汽发生器中使用的温度。在混合模式中，燃料可以被用于将温度从热交换系统的温度水平增加至原始的炉子或锅炉设计的操作温度。

优选地，热交换系统配备有至少一个流动调节元件，用于调节热传递流体通过热交换腔室中的至少一个的热交换腔室内部的热交换流、热传递流体进入热交换腔室中的至少一个的热交换腔室内部中的入流、和/或热传递流体离开热交换腔室中的至少一个的热交换腔室内部的出流。优选地，流动调节元件包括至少一个主动流体运动装置，其从包括鼓风机、风扇和泵的组中选择，并且/或者流动调节元件包括至少一个被动流体控制装置，其从包括可激活旁通管道、喷嘴、挡板（damper）、翻片（flap）和阀的组中选择。借助于这样的流动调节元件，热传递流体的相应流可以被调节。

被动流体控制装置的优势是其成本低。另外，这样的装置是便宜的。对于主动流体运动装置的情况，优选地是使主动流体运动装置的驱动单元（类似于电动马达和电动装置）位于具有（可能非常热的）热传递流体的热交换流的外侧。

在优选实施例中，流动调节元件包括至少一个流动抑制元件。借助于流动抑制元件，可能将特定的热交换腔室从热交换过程解耦。此热交换腔室被停用。

只是要注意的是：可能有用于流动调节元件的不同的位置。流动调节元件可以被直接布置在热交换腔室内部中、热交换腔室内部下游和/或热交换腔室内部上游。所述位置尤其取决于流动调节元件（主动流体运动装置或被动流体控制装置）的类型。

在优选实施例中，热交换腔室的热交换腔室内部借助于至少一个结合元件被结合在一起，用于引导热传递流体。结合元件包括两个功能：其连接热交换腔室内部并且其引导热传递流体通过其内部。借此，可能通过包括用于引导热传递流体的主路径和副路径的导管系统灵活地实施充能和放能构想。

本发明的一个方面是热交换腔室的独立的激活和/或停用。为了该目的，有利的是，热交换系统包括至少一个导管元件和/或至少一个切换元件。通过这些元件，可能旁通热交换腔室中的一个的热交换腔室内部。

在优选实施例中，提供热交换系统，其中，切换元件包括至少一个第一被动流体控制装置，用于调节进入热交换腔室中的一个的热交换腔室内部的热传递流体的入流，以及至少一个第二被动流体控制装置，用于调节离开热交换腔室中的一个的热交换腔室内部的热传递流体的出流，并且导管元件包括至少一个旁通管道，用于连接第一被动流体控制装置和第二流体控制装置，使得热传递流体可以通过旁通热交换腔室中的一个的热交换腔室内部从第一被动流体控制装置被引导通过旁通管道到达第二被动流体控制装置，并且通过旁通管道的热传递流体的旁通流和热交换腔室中的一个的出流可以被混合在一起。

考虑到所述方法，以下步骤被执行：热交换腔室中的一个的热交换腔室内部被热传递流体旁通，使得生成热传递流体的旁通流，并且离开热交换腔室中的一个的热交换腔室内部的出流和旁通流被混合在一起。

例如，第一和第二被动流体控制装置是阀。类似于挡板或翻片的替代被动流体控制装置也是可能的。这些被动流体控制装置优选地位于相应热交换腔室的开口处。

在优选的实施例中，在热交换系统的操作模式期间，热交换腔室中的仅一个包括温度前沿（温度梯度）。优选地，具有温度前沿的热交换腔室是小的热交换腔室。

通过上述系统，尤其是通过旁通具有温度前沿的小的热交换腔室的热交换内部，热交换腔室的没有高的热损失的充能和放能是可能的。由于充能和放能循环持续时间可以被最大化，因此热交换系统的效率被增加。由于自然对流而产生非均匀温度分布的负面效果可以被减小并且能量损失被减小。

这是由在主热交换腔室的相应第二开口（冷端部）处的附加的小的热交换腔室导致的。仅小的热交换腔室包括温度梯度。因此，主热交换腔室中的温度分布不变平，并且通过使负荷曲线平坦，整个热交换系统的效率增加，用于重新充电目的。

优选地，副（小的）热交换腔室的热交换腔室内部被旁通。但是也可能主热交换腔室的热交换腔室内部被旁通。

在优选实施例中，旁通管道包括至少一个被动旁通管道流体控制装置和/或至少一个主动旁通流体运动装置。通过这些装置可以调节旁通流。

热储存材料可以是液体和/或固体。例如，热储存材料的核心是固体并且此固体核心的覆层是液体。这样的液体覆层可以包括离子液体。

固体材料优选地包括疏松材料（bulk material）。不同的液体材料和不同的固体材料的混合物以及液体和固体材料的混合物是可能的。

可能的是，热储存材料是热化学能量储存材料：热能可以经由吸热反应被储存，而热能可以经由放热反应被释放。这样的热化学储存材料例如是氧化钙/氢氧化钙系统。

热储存材料可以被布置在由非反应容器材料制成的一个或更多个特定容器中。非反应意味着在热交换过程期间热储存材料和容器材料之间没有发生化学反应。

在优选实施例中，热储存材料包括至少一个化学和/或物理稳定的材料。在热交换系统的操作温度的范围中，热储存材料不改变其物理和/或化学性质。物理稳定的材料在热交换期间不改变其物理性质。例如，热储存材料在操作温度范围中保持固态。化学稳定的材料在热交换期间不改变其化学组成。例如，这样的化学稳定材料是相变材料（PCM）。

另外，具有拥有不同的热储存材料和/或不同的热传递流体的不同的热交换腔室的复杂的热交换系统也是可能的。例如，具有石头作为热储存材料的热交换腔室和具有相变材料作为热储存材料的热交换腔室被组合在一起（并联或串联）。

在优选实施例中，热储存材料包括沙子和/或石头。石头可以是天然石头或人工石头。其混合物也是可能的。人工石头可以包括填充有热储存材料的容器。此热储存材料例如是相变材料或热化学储存材料（见上文）。

优选地，石头包括碎石（卵石）、粗石和/或粗砂（碎片）。人工材料优选地包括渣块或陶瓷。再次，所提到的材料的混合物也是可能的。

为了提供便宜的能量储存材料，使用废弃材料是有利的。因此，在优选实施例中，人工材料包括工业过程中的至少一个副产品。例如，副产品是硅酸铁。硅酸铁来源于铜生产的渣。

在优选实施例中，热交换通道被嵌入在热储存材料中，用于引导热交换流通过热交换腔室内部。热储存材料形成热交换床。热交换床包括热交换通道。热交换通道被嵌入在热交换床中，使得通过热交换通道的热传递流体的热交换流导致热储存材料和热传递流体之间的热交换。热交换通道可以通过热储存材料的中间空间（间隙）形成。例如，热储存材料包括石头。石头形成具有热交换通道的热交换床。附加地或替代地，热储存材料是多孔的。热储存材料的开口孔形成热交换通道。

热传递流体从包括液体和气体的组中选择。气体从包括无机气体和/或有机气体的组中选择。无机气体优选地是空气。不同的液体的混合物以及不同气体的混合物是可能的。

优选地，热传递流体包括处于环境气体压力的气体。优选地，处于环境压力的气体是空气。环境压力（900hPa至1.100hPa）改变，使得导致通过热交换腔室内部的热交换流。

为了将热传递流体引导进热交换腔室内部中并且为了将热传递流体引导出热交换腔室内部，使用管道系统（或通道系统、导管系统）。此管道系统可以是闭式的（具有闭环）或者可以是开式的（具有开环）。

例如，热传递流体是环境的环境空气。所述环是开环。来自环境的空气被引入热交换系统并且热交换系统的空气被释放至环境。在热交换系统的操作期间有空气交换。

与之相对照，在闭环的操作期间没有空气交换或可选择可调节的空气交换。环境的空气不被增加或少量增加至用作热传递流体的空气。这具有以下特定优势：在具有几乎完全充能的热储存材料的情况下，在开环中，具有剩余的热的热传递流体将被释放至环境。剩余的热被损失。与之相对照，在闭环中，具有剩余的热的此热传递流体停留在热交换系统中。剩余的热不被损失。因此，在优选实施例中，闭环被实施，并且其中，入流包括出流。出流被引导回热交换腔室内部。

热交换腔室中的至少一个是竖直的热交换腔室并且/或者热交换腔室中的至少一个是水平的热交换腔室。

术语“水平热交换腔室”意味着热传递流体通过热交换腔室内部的水平的主（平均）流。水平的主流的流动方向基本平行于地球的平均表面。水平方向是与影响热传递流体的重力的方向基本垂直的方向。垂直在该上下文中意味着从垂直偏离多达20°，并且优选地多达10°的偏离是可能的。

热交换流的水平定向的方向可以通过侧向第一开口和/或侧向第二开口实现。水平热交换腔室包括在其侧部热交换腔室边界的这些开口。另外，借助于类似于鼓风机或泵的主动流体运动装置，导致热交换腔室内部中的热交换流。热传递流体被吹进或泵送进热交换腔室内部中或者被泵送出或者吸出热交换腔室内部。

与术语“水平热交换腔室”相对照，术语“竖直热交换腔室”意味着热传递流体通过热交换腔室内部的竖直的主流。例如，操作模式是充能模式。在竖直热交换腔室中，热交换流优选地在充能模式期间被引导向下（顶部朝下）。竖直的主流（基本平行于重力的方向但是沿着与重力的方向相反的方向）可以通过主动流体运动装置（鼓风机或泵）引起。第一开口位于热交换腔室的顶部，并且第二开口位于热交换腔室的底部。

基于自然对流，在竖直热交换腔室中，沿着垂直于热传递流体的流动方向的横截面的热储存材料的温度是近似相同的（水平的等温线）。

与之相对照，在水平热交换腔室中，由于自然对流，沿着垂直于热传递流体的流动方向（见下文）的横截面的热储存材料的温度可以不同（倾斜的等温线）。

需要指出的是，术语“水平”和“竖直”独立于热交换腔室的尺寸和其取向。决定性的是热传递流体通过热交换腔室内部的流的方向。例如，“水平热交换腔室”可具有小于热交换腔室的腔室高度的腔室长度。

除了纯竖直和水平热交换腔室之外，“竖直热交换腔室”和“水平热交换腔室”的混合物也是可能的。在这样的热交换腔室中，热传递流体的主流是热传递流体通过热交换腔室内部的水平和竖直运动的结果。

在优选实施例中，至少两个第一开口彼此竖直地布置，和/或至少两个第二开口彼此竖直地布置。开口布置在彼此上。通过此措施，可能影响热交换流的竖直分布，以分别改善热储存材料和热交换腔室内部中的温度分布（温度前沿）。垂直于流动方向的等温线被影响。

温度前沿通过热交换腔室内部中的热储存材料的相邻的热和冷区域限定，所述相邻的热和冷区域由通过热交换腔室内部的热传递流体的流导致。温度前沿垂直于通过热交换腔室的热交换流的相应流动方向对准。在充能模式期间，热交换流沿充能模式方向被引导，其中温度前沿沿此充能模式方向运动。与之相对照，在放能模式期间，热交换流沿放能模式方向（与充能模式方向相反）被引导，其中温度前沿沿放能模式方向运动。在两种情况中，热交换腔室的温度前沿通过热交换腔室迁移至热交换腔室的相应热/冷端部。应指出，在逆流操作的情况下，热（热开口）端部保持为热端部（热开口），而与模式（充能模式或放能模式）无关。

温度前沿是热储存材料中的强温度梯度的区域，即热和冷区域之间的高温度差。在此应用中，其通过热储存材料分开热交换腔室中的热（通过热充能）和冷（未充能）区域。温度前沿在充能模式期间由于从热传递流体到热储存材料的热的传递而发展，并且在放能模式期间由于从热储存材料到热传递流体的热的传递而发展。等温区域/线理想地（例如没有重力的影响）垂直于主流方向发展，即恒定温度的区域/线。

为了最优化热交换系统的效率，有利的是确保均匀的温度前沿。关于垂直于流动方向的温度梯度，仅有小的变化。在具有顶部向下的流动方向的竖直热交换腔室中，由于自然对流，温度前沿是近似均匀的。所以，在此情况中，附加的措施是不必要的。与之相对照，自然对流导致水平热交换腔室中的不均匀的温度前沿。所以，在此情况中，附加的措施可以是有意义的（类似于使用更多开口或使用更多流动调节元件）。

优选地，具有所述开口中的一个的腔室边界包括具有渐缩轮廓的过渡区域，使得开口的开口直径对准至渐缩轮廓的第一渐缩轮廓直径，并且热交换腔室的腔室直径对准至渐缩轮廓的第二渐缩轮廓直径。过渡区域包括从相应开口朝向热交换腔室的增加的横截面。这对于第一开口是特别有利的，用于将热传递流体引导进热交换腔室中。过渡区域的直径从第一开口的开口直径扩展至热交换腔室的直径。借助于渐缩轮廓，热传递流体的入流被引导进热交换腔室内部中。引导的入流被分布至具有热储存材料的宽的区域。通过此措施，热交换单元（位于热交换腔室中的热储存材料）的容量可以被高度开发。另外，热交换的效率可以通过改变热交换流而改善。注意：为了额外地改变热交换流，扩散器可以位于第一开口处，尤其是在过渡区域中。通过扩散器的方式，热传递流体进入热交换腔室内部的来流可以被调节。例如，这样的扩散器由位于具有渐缩轮廓的过渡区域中的石头形成。

对于热交换腔室包括多个第一开口的情况，非常有利的是在该多个第一开口处布置所描述的过渡区域。由此，第一开口可包括共同的过渡区域或独立的过渡区域。

具有用于将热传递流体引导出热交换腔室内部的第二开口的过渡区域也可以是渐缩的。通过此措施，将热流引导出热交换腔室的热交换腔室内部被简化。

在该上下文中，使用短的过渡区域是非常有利的。例如，短的过渡区域包括小于热交换腔室的长度的50%的尺寸。例如，尺寸是热交换腔室的长度的约20%。长度是热交换腔室的平行于通过热交换腔室内部的热传递流体的主流方向的尺寸。但是当然，过渡区域的尺寸取决于完整的热交换系统的多个特征，例如热传递流体的温度、热交换流的质量流、在相关的开口温度处的热交换流的速度等。

为了节约空间并且为了减小表面-体积比率以减小热损失，将过渡区域实施为尽可能短是有利的。结果是短的过渡通道，用于将入流引导进热交换腔室内部。除了热交换腔室的容量的有效使用之外，低的空间需求被联系至此解决方案。

优选地，热交换腔室包括圆柱形的腔室边界。例如，包括第一开口的腔室边界被形成为圆形圆柱并且/或者具有第二开口的腔室边界被形成为圆形圆柱。这样的形状导致最佳的表面-体积比率。

热交换腔室的尺寸可以是不同的。但是，本发明对于具有大的热交换腔室的热交换系统是特别有利的。因此，在优选实施例中，水平的热交换腔室包括如下热交换腔室长度，所述热交换腔室长度是热交换腔室的热交换腔室宽度的至少两倍并且/或者是热交换腔室的热交换腔室高度的至少两倍。优选地，热交换腔室长度从20m和300m之间的范围选择。另外，热交换腔室宽度和/或热交换腔室高度从1m到100m的范围选择。

热交换系统尤其适用于在高于300℃的高温度处操作。因此，在优选实施例中，操作模式的操作温度从300℃和1000℃之间的范围选择，优选地从500℃和1000℃之间的范围选择，更优选地从600℃和1000℃之间的范围、650℃至1000℃之间的范围选择，并且最优选地从700℃和1000℃之间的范围选择。温度范围的偏离是可能的。在该上下文中，非常有利的是900℃的温度范围的上限，并且最优选的是800℃的温度范围的上限。热交换系统是高温度热交换系统。

所提出的发明可以应用于可再生能量的产生以及常规能量的产生。例如，为了增加化石火电站（或核电站等）的蒸汽循环的灵活性，其可以与这里提出的热交换系统组合。在此情况下，当燃料成本低于电的成本时，电站的蒸汽循环的锅炉可以使用燃料操作，并且在当电价低时的时期中，热交换系统被充能。替代地，充能可以在过量产生能量的时期期间发生。

通过本发明实现以下特定优势：

-借助于热交换系统，热能可以被灵活地储存和释放。

-交换系统的热储存腔室可以被激活或停用。所有的热交换腔室或者仅特定热储存腔室参与热交换系统的充能模式和/或放能模式。

-通过本发明，提供了小的热交换腔室和主热交换腔室的组合。优选地，仅小的热交换腔室包含温度梯度。

附图说明

参考附图，本发明的进一步的特征和优势从示例性实施例的描述产生。附图是示意性的。

图1示出了热交换系统的热交换腔室。

图2示出了处于充能模式的图1的热交换腔室的温度分布。

图3示出了处于充能模式的热交换系统。

图4示出了处于放能模式的相同热交换系统。

图5-16示出了具有小的副热交换腔室和大的主热交换腔室的热交换系统。

具体实施方式

此发明的核心是热交换系统1，其具有在高的温度水平上的至少两个热交换腔室11和12。热交换腔室中的一个是主热交换腔室118并且热交换腔室11和12中的一个是副热交换腔室119。此副热交换腔室119是用于主热交换腔室的充能的增强的热交换腔室。

热储存材料121（例如石头或沙子）位于热交换腔室11和12的热交换腔室内部112中，并且可以经由热传递流体13通过热被充能和放能。热被热储存材料121储存并且可以从储存材料121释放。

储存的热的温度水平与目前为止应用的方法相比显著更高，以增加效率。温度水平处于300℃和1000℃之间，优选地处于500℃和1000℃之间，更优选地处于650℃和1000℃之间，并且最优选地处于700℃和1000℃之间。热交换系统1的热容量处于0.3GWh和100GWh的范围中，其导致50MW的热功率。

热交换腔室11和12包括热交换腔室边界111，其包围热交换腔室11和12的至少一个热交换腔室内部112。热交换腔室11和12是水平的热交换腔室113。

热交换腔室边界111包括至少一个第一开口1111，用于引导至少一个热传递流体131的入流132进入热交换腔室内部112，以及至少一个第二开口1112，用于引导热传递流体131的出流133离开热交换腔室内部112。至少一个热储存材料121被布置在热交换腔室内部112中，使得热传递流体131通过热交换腔室内部112的热交换流13导致热储存材料121和热传递流体131之间的热交换。

示例性地，水平热交换腔室11的热交换腔室长度是约200m，热交换腔室11的热交换腔室高度是约10m，并且热交换腔室的热交换腔室宽度是约50m。

借助于提出的热交换系统1，在充能模式期间热能可以被储存在高的温度水平上。此储存的热能可以在放能模式期间被使用，用于在水蒸汽循环中生产蒸汽用于再转化为电能。

热交换腔室11和另外的热交换腔室12被填充有固体热储存材料121。固体热储存材料121包括石头。替代地，沙子被用作热储存材料121。

存在热交换腔室11和12的具有渐缩轮廓1161的过渡区域116。由此开口1111或1112的开口直径1113对准至渐缩轮廓1161的第一渐缩轮廓直径1162，并且热交换腔室11或12的腔室直径117对准至渐缩轮廓1161的第二渐缩轮廓直径1163。

热传递流体13的入流132被引导进入热交换腔室内部112。引导的入流132被分布至热储存材料121的宽的区域中。通过此措施，热交换单元（位于热交换腔室内部112中的热储存材料121）的容量可以以有利的方式被利用。

热交换腔室11和12的过渡区域116是短的。短的过渡区域116突出进入相应热交换腔室11和12。在各种情况下，结果是用于将热传递流体的入流132引导进入热交换腔室11和12的热交换腔室内部112的短的过渡通道。

热交换腔室11和12被布置成使得进入热交换腔室（11、12）中的一个的热交换腔室内部112的热传递流体131的入流132包括离开另一个热交换腔室12和11的热交换腔室内部112的热传递流体131的出流133。

热交换系统1附加地配备有至少一个流动调节元件134，用于附加地调节通过相应热交换腔室11和12的热交换腔室内部112的热传递流体131的热交换流13的质量流。流动调节元件134是类似鼓风机或泵的主动流体运动装置1341。这样的装置使得热交换流体131能够通过热交换腔室11和12的热交换腔室内部112输运。鼓风机或泵可以被安装在热交换腔室11和12的上游或下游。

在充能模式中，热传递流体131通过扩散器1164进入热交换腔室11。扩散器1164包括石头1165并且被布置在热交换腔室11的过渡区域116处。

热传递流体131的热交换流13沿充能模式方向135被引导。附加的流动调节元件134、1341被有利地安装在充能单元200、201（图3）的上游：相对冷的热传递流体在从充能单元吸收热之前通过流动调节元件134、1341。

对于充能模式，热传递流体131被电加热装置201（充能单元200）加热。此充能（加热）的热传递流体被引导进热交换腔室11的热交换腔室内部112中用于热储存材料的充能。由此发生热传递流体和热储存材料之间的热交换。在此充能过程的某个时间处，温度前沿被示出为附图标记2000（图2）。另外，描绘了导致温度前沿的温度梯度2001。

对于放能模式，热交换系统1包括以上提到的一个或数个热交换腔室11、使热传递流体131循环的主动流体运动装置1341、和用于重新充电的热机，其可以是水/蒸汽循环1003。此循环的工作流体是水和蒸汽。水/蒸汽循环1003具有放能单元400的功能。蒸汽涡轮机循环1003的基本部件是蒸汽涡轮机1006和发电机1004。

在放能模式中，热传递流体的热交换流被引导进放能模式方向136（图3和4表示具有相同热交换腔室11的热交换系统）中。

借助于热交换系统（热交换器）1002，热传递流体的热被传递至蒸汽循环1003的工作流体。

热交换系统1包括闭环1005。已经通过热交换腔室内部112的热交换流体被引导回热交换腔室内部112中。

本发明的以下附加方面：

关于图5，小的热交换腔室119被安装在主热交换腔室118的热端部111处。

与之相对照，关于图6-16，小的（副）热交换腔室119位于主热交换腔室（118）的相应冷端部（第二开口1112）处。小的热交换腔室具有比主热交换腔室更低的容量。

热交换腔室与一排阀和附加的气体路径连接，用于放能的目的，如图6和7中所示。还可能的是，附加的气体路径具有其自己的鼓风机，如图9中所示，或者在位于一排阀中的冷却系统站处使用仅一个鼓风机，用于充能和放能，如图10中所示。描绘了以下部件：第一被动流体控制装置1411、第二被动流体控制装置1412、导管元件的旁通管道1421、热传递流体通过旁通管道的旁通流1422、被动旁通管道控制装置1423和主动旁通管道流体运动装置1424。

当第一次对热储存单元进行充能时，在热传递流体（空气）经由鼓风机被引导回加热装置（充能单元200）中之前，热传递流体的热交换流被首先引导通过主热交换腔室，在其相应冷端部处离开所述主热交换腔室并且进入小的热交换腔室。

热交换系统的充能状态取决于可再生能量的可用性，如果风出现的可能性高或者有高的太阳辐射，则当主热交换腔室在其长度上被完全充能（例如在温度水平650℃处）并且温度梯度被限制至小的热交换腔室（例如，如图7中所示）时，充能过程停止。

如果风或太阳辐射出现的可能性低，则主热储存腔室将不被完全充能。

当热储存腔室处于空闲模式中时，其通过安装的阀彼此断开。这阻止了热交换腔室的热交换腔室内部之间的热传递流体之间的质量流。

在放能模式中，仅主热交换腔室中的热被用于重新充电的目的。因此，空气通过附加的气体路径和阀被引导，仅通过主热交换腔室的热交换腔室内部。热传递流体的加热的质量流然后被引导通过热回收蒸汽发生器（HRSG），并且HRSG的排放空气被用于在主热交换腔室中再次重新储存，如图8中所示。

还可能的是，使用小的放能鼓风机，用于将主热交换腔室放能，如图8中所示。

还可想到的是，在一个单个（共同的）气体路径中通过加热装置（放能单元200）和HRSG串联地对热交换腔室进行充能。因此，热交换腔室的热端部与充能单元200连接，充能单元200与HRSG成直线地连接，并且来自HRSG的排放的气体被引导回主热交换腔室的冷端部中并被再次储存，如图10中所示。

在第二充能阶段，小的热交换腔室中储存的热（来自上述第一充能阶段）被引导通过充能单元200，并且被用于加热的目的，以便为主热交换腔室的充能过程节约能量。在充能期间，小的热交换腔室的温度分布将贯穿所述小的热交换腔室。这将导致充能单元200的并不是非一致性的入口温度。

改善在于使用用于充能目的的附加的气体路径，用于通过安装的阀改变充能单元200的入口温度。

当温度梯度贯穿小的热交换腔室并且小的热交换腔室的出口温度上升时，质量流通过阀V改变，使得在后面的点A处有混合温度。因此，质量流在离开主热交换腔室后将被分为两股流。第一流m1被引导通过小的热交换腔室并且将会使温度梯度朝向冷端部移动。第二流m2被引导通过附加的气体路径并且具有主热交换腔室的出口温度。二者将在点A处被带到一起，见图10和11。这意味着，在主热交换腔室的相应冷端部处的温度是低的，而在小的热交换腔室中的温度分布是不规则的，其取决于充能和放能循环的数量。这些质量流m1和m2需要被混合，使得点A处的质量流温度保证充能单元200在充能时期上的可控的进入温度。

在放能模式中，仅主热储存部中的热被用于重新充电的目的。因此，空气通过旁通部和阀沿相反方向被引导，仅通过主热交换腔室。加热的质量流然后被引导通过HRSG，并且HRSG的排放空气被用于在主热能储存部中再次重新储存，如图7中所示。还可能的是，使用小的放能鼓风机用于将主热储存单元放能，如图8中所示。

还可想到的是，在一个气体路径中通过加热装置和HRSG串联地对热储存单元进行充能。因此，储存部的热端部与加热器连接，加热器与HRSG成直线地连接，并且来自HRSG的排放气体被引导回主热储存部的冷端部中并被再次储存，如图9中所示。

在第一放能过程后，主热储存部在主热储存单元的相应冷端部处通过小的热储存部中储存的热被再次充能。在输运的流体被引导进主热储存部中用于充能的目的之前，储存的热经由鼓风机从小的热储存部被引导至加热装置，并且然后回到小的热储存部中，如图12中所示。当充能被停止时，温度梯度再次被捕获在小的热储存部中，如以上所提到的。

下一个放能循环也仅涉及主热储存部，用于重新充电的目的。来自HRSG的排放的热被重新引导进主热储存单元中，用于重新储存，如图13中所示。如以上所描述的，围绕小的热储存部的阀被关闭，所以加热的质量流仅被引导至主热储存单元的相应冷端部。当在主热储存部的相应热端部处的温度降低时，放能被停止。

接下来的充能和放能循环将具有以上描述的和在图14和15中示出的相同的状态。

Claims (14)

1.一种热交换系统（1），具有

-至少两个热交换腔室（11、12），

-所述热交换腔室（11、12）中的每个包括热交换腔室边界（111），所述热交换腔室边界（111）包围所述热交换腔室（11、12）的至少一个热交换腔室内部（112），其中

-所述热交换腔室边界（111）包括至少一个第一开口（1111），用于引导至少一个热传递流体（131）的入流（132）进入所述热交换腔室内部（112），以及至少一个第二开口（1112），用于引导所述热传递流体（131）的出流（133）离开所述热交换腔室内部（112）；

-至少一个热储存材料（121）被布置在所述热交换腔室内部（112）中，使得所述热传递流体（131）通过所述热交换腔室内部（112）的热交换流（13）导致所述热储存材料（121）和所述热传递流体（131）之间的热交换；以及其中

-所述热交换腔室（11、12）被布置成使得进入所述热交换腔室（11、12）中的一个的所述热交换腔室内部（112）的所述热传递流体（131）的所述入流（132）包括离开另一个热交换腔室（12、11）的所述热交换腔室内部（112）的所述热传递流体（131）的所述出流（133）。

2.如权利要求1所述的热交换系统，其中，所述热交换腔室（11、12）中的一个是所述热交换系统（1）的主热交换腔室（118）并且所述热交换腔室（12、11）中的一个是副热交换腔室（119）。

3.如权利要求1或2所述的热交换系统，其中，所述热交换腔室（11、12）的所述热交换腔室内部（112）被串联地连接在一起。

4.如权利要求1-3中任一项所述的热交换系统，其中，所述热交换腔室（11、12）的所述热交换腔室内部（112）借助于至少一个结合元件（14）被结合在一起，用于引导所述热传递流体（131）。

5. 如权利要求4所述的热交换系统，其中，所述结合元件（14）包括至少一个导管元件（142）和/或至少一个切换元件（141）。

6. 如权利要求5所述的热交换系统，其中

-所述切换元件（141）包括至少一个第一被动流体控制装置（1411），用于调节进入所述热交换腔室中的一个的所述热交换腔室内部的所述热传递流体的所述入流，以及至少一个第二被动流体控制装置（1412），用于调节离开所述热交换腔室中的所述一个的所述热交换腔室内部的所述热传递流体的所述出流；以及

-所述导管元件（142）包括至少一个旁通管道（1421），用于连接所述第一被动流体控制装置（1411）和所述第二流体控制装置（1412），使得热传递流体可以通过旁通所述热交换腔室中的所述一个的所述热交换腔室内部从所述第一被动流体控制装置（1411）被引导通过所述旁通管道（1421）到达所述第二流体控制装置（1412），并且通过所述旁通管道（1421）的所述热传递流体的旁通流（1422）和所述热交换腔室中的所述一个的所述出流（132）可以被混合在一起。

7.如权利要求6所述的热交换系统，其中，所述旁通管道（1421）包括至少一个被动旁通管道流体控制装置（1423）和/或至少一个主动旁通流体运动装置（1424）。

8.如权利要求1-7中任一项所述的热交换系统，其配备有至少一个充能单元（200），用于加热所述热交换腔室（11、12）中的至少一个的所述热传递流体（131）。

9.如权利要求1-8中任一项所述的热交换系统，其中，所述热储存材料（121）包括沙子和/或石头。

10.如权利要求1-9中任一项所述的热交换系统，其中，所述热传递流体（131）包括处于环境气体压力的气体。

11.如权利要求10所述的热交换系统，其中，处于所述环境压力的所述气体是空气。

12. 一种通过使用如权利要求1-11中任一项所述的热交换系统的用于交换热的方法，其中，离开所述热交换腔室（11、12）中的一个的所述热交换腔室内部（112）的所述热传递流体（131）的所述出流（133）被引导为进入另一个热交换腔室（11、12）的所述热交换腔室内部（112）的所述热传递流体（131）的入流（132）。

13. 如权利要求12所述的方法，其中

-所述热交换腔室中的一个的所述热交换腔室内部被所述热传递流体旁通，使得生成所述热传递流体的旁通流（1422），以及

-离开所述热交换腔室中的所述一个的所述热交换腔室内部的所述出流和所述旁通流被混合在一起。

14.如权利要求12或13所述的方法，其中，在所述热交换系统的操作模式期间，所述热交换腔室中的仅一个包括温度前沿（2000）。