CN108398044B - 一种换热-储热方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换热‑储热方法及装置，换热‑储热装置包括一罐体、绝热隔板和换热管道，所述罐体由平行布置的N个所述绝热隔板分隔成(N+1)个相互独立的换热层，其中N≥1，且为整数；所述换热管道均匀分布在各所述换热层中，相邻两层所述换热层通过所述换热管道的连接实现连通；所述换热管道的管程用于填充工作介质，所述换热管道与所述换热层之间的壳程空间用于填充储热介质；所述换热‑储热装置用于使所述换热管道中的工作介质逐层流经各换热层，并与各换热层中的储热介质进行间接换热，储热后排出。本发明的换热‑储热装置更加简单紧凑，成本降低，安全性提高，能量密度和传热特性提高。
Description
技术领域
本发明属于能源利用领域，具体涉及一种换热-储热方法及装置。
背景技术
以太阳能以及风能为代表绿色能源是能源发展的一个长期趋势，绿色能源具有环保且取之不尽的优势，然而由于绿色能源一般受到天气、季节，阳光等自然条件的影响，难以提供稳定的能源输出，从而很难输出与电网匹配的电力。因此现阶段绿色能源的弃风弃光问题非常严重。为了让绿色能源也能输出时间上分布均匀的电力，采取一定的储能技术，以空间换取时间是一个较好的解决方案。储能可以分为物理储能与化学储能，化学储能通常容量较小，难以满足大型电站需求，而传统的物理储能装置需要结合换热器、储热罐等多种装置，结构复杂。以熔盐储能为代表的物理储能具有低成本、高效率以及结构简单等特点。
现有使用在热泵式系统中的储能技术是用于储热的双罐式储能系统。其中，熔盐作为换热流体，从一罐流出后经过换热器与气体换热后，进行另一罐进行储存。然而，双罐式系统存在以下问题：(1)造价比较贵；(2)由于采用的是流动的熔盐，可能产生凝固堵塞等现象，使安全性、传热特性降低；(3)双罐中只能使用液态熔盐，为显热型储能，能量密度较低。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的装置复杂、成本高、安全性差、能量密度低、传热特性低的问题，从而提供了一种换热-储热方法及装置，将换热和储热耦合在一起，使得装置更加简单紧凑，成本降低，安全性提高，能量密度和传热特性提高。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种换热-储热装置，其包括一罐体、绝热隔板和换热管道，所述罐体由平行布置的N个所述绝热隔板分隔成(N+1)个相互独立的换热层，其中N≥1，且为整数；所述换热管道均匀分布在各所述换热层中，相邻两层所述换热层通过所述换热管道的连接实现连通；所述换热管道的管程用于填充工作介质，所述换热管道与所述换热层之间的壳程空间用于填充储热介质；所述换热-储热装置用于使所述换热管道中的工作介质逐层流经各换热层，并与各换热层中的储热介质进行间接换热，储热后排出。
在上述技术方案中，所述绝热隔板的布置方式为垂直或水平，较佳地为水平布置。
在上述技术方案中，所述绝热隔板可为等间距或不等间距布置。
在上述技术方案中，所述绝热隔板的材料可为本领域常规高温绝热材料。
在上述技术方案中，所述换热管道为并列布置的若干根蛇形管，每一所述蛇形管依次穿设各所述换热层，所述蛇形管所在平面与所述绝热隔板垂直。
在上述技术方案中，所述换热管道蛇形盘布在各所述换热层中，所述换热管道所在平面与所述绝热隔板平行，相邻两层所述换热层之间的所述换热管道的首尾依次连接。
在上述技术方案中，所述换热管道螺旋盘布在各所述换热层中，所述换热管道的螺旋轴与所述绝热隔板垂直，相邻两层所述换热层之间的所述换热管道的首尾依次连接。
在上述技术方案中，所述换热管道的内侧和/或外侧可装有肋片，所述肋片为本领域常规肋片。
在上述技术方案中，所述换热管道的截面可为圆形、椭圆形、多边形，较佳地为圆形。
在上述技术方案中，所述换热管道的材料可为本领域常规材料，较佳地为哈氏钢。
在上述技术方案中，所述换热管道的进口和出口较佳地分别位于所述罐体的两侧。
在上述技术方案中，所述罐体的形状可为立方体或圆柱体，较佳地为立方体。
在上述技术方案中，所述罐体的材料可为本领域常规材料，较佳地为金属类材料，更佳地为不锈钢。
本发明还提供一种换热-储热方法，其采用根据本发明所述的换热-储热装置进行。
在上述技术方案中，所述换热管道中的工作介质可为气体，较佳地为单原子气体，更佳地为氦气、氩气。
在上述技术方案中，所述储热介质可为本领域常规储热介质，较佳地为硝酸盐、导热油或固体储热材料，更佳地为硝酸盐，例如二元硝酸盐。
本发明所述换热-储热方法包括以下步骤：所述工作介质通过所述换热管道的进口流入所述罐体，流经由所述绝热隔板隔开的所述储热介质，逐层换热，最后从所述换热管道的出口流出，完成储热。
本发明所述换热-储热方法进一步包括放热过程，具体为：所述工作介质通过所述换热管道的进口流入所述罐体，流经由所述绝热隔板隔开的所述储热介质，逐层换热，最后从所述换热管道的出口流出，完成放热。
在上述技术方案中，所述工作介质的流量可为1～50Kg/s。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明提供的装置耦合了换热和储热过程，解决了将换热器和储热罐分开的复杂布置，将其设计在一个装置中，在换热的同时达到储热的目的，结构简单，成本降低，安全性提高，能量密度和传热特性提高，适用性广。
附图说明
图1为本发明实施例中换热-储热装置整体结构图。
图2为本发明实施例中换热-储热装置换热管道图。
图3为本发明实施例中换热-储热装置侧视图。
图4为本发明实施例中换热-储热装置主视图。
其中，1、罐体，2、绝热隔板，3、换热管道。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
一个换热-储热装置，罐体1及内部绝热隔板2和换热管道3的分布见图1～4。采用氦气和二元硝酸盐(60％NaNO3和40％KNO3混合物)分别作为工作介质和储热介质。罐体1采用材料为不锈钢，换热管道3采用材料为哈氏钢，绝热隔板2采用高温绝热隔板。
罐体1宽度为10m，长度为10m；换热管道3的内径为0.48m，外径为0.50m，单层水平段长度9.8m，弯管直径0.8m，根数为10根；绝热隔板2厚度为0.02m，共4个，将储热介质分成5层，第1到5层储热介质的高度均为0.8m，总高度为4m。
工作过程：
储热时，氦气进气温度为900K，进气速度为5m/s，入口流量为3.6Kg/s，二元硝酸盐的初始温度为570K，储热8小时后，第一、二、三、四、五层熔盐的温度分别为850K、810K、805K、775K、760K，至此储热完成，储存热能达到40MW；
放热时，氦气的进气温度为570K，进气速度为8m/s，二元硝酸盐的初始温度为储热结束时的温度，放热8小时，二元硝酸盐的整体温度为570K，至此放热完成，放出热量40MW。
实施例2
罐体1中绝热隔板2以不等间距的方式布置，第1到5层储热介质的高度从上至下分别为1.2m、0.9m、0.7m、0.6m、0.6m，总高度4.0m。其他条件与实施例1相同。
储热8小时后，第一、二、三、四、五层熔盐的温度分别为830K、795K、790K、770K、750K，至此储热完成，储存热能达到43MW；放热8小时，二元硝酸盐的整体温度为570K，至此放热完成，放出热量43MW。
实施例3
罐体1中布置3个绝热隔板2，将储热介质分为4层，以不等间距的方式布置，第1到4层储热介质的高度均为1m。其他条件与实施例1相同。
储热8小时后，第一、二、三、四层熔盐的温度分别为835K、805K、795K、780K，至此储热完成，储存热能达到38MW；放热8小时，二元硝酸盐的整体温度为570K，至此放热完成，放出热量38MW。
Claims (10)
1.一种换热-储热方法，其特征在于，其采用换热-储热装置进行；
所述换热-储热装置包括一罐体、绝热隔板和换热管道，所述罐体由平行布置的N个所述绝热隔板分隔成N+1个相互独立的换热层，其中N≥1，且为整数；所述换热管道均匀分布在各所述换热层中，相邻两层所述换热层通过所述换热管道的连接实现连通；所述换热管道的管程用于填充工作介质，所述换热管道与所述换热层之间的壳程空间用于填充储热介质；所述换热-储热装置用于使所述换热管道中的工作介质逐层流经各换热层，并与各换热层中的储热介质进行间接换热，储热后排出；
其中，所述绝热隔板的数量N为4个，所述换热层的数量N+1为5个，所述绝热隔板为不等间距布置；第一换热层至第五换热层的高度从上至下分别为1.2m、0.9m、0.7m、0.6m、0.6m；
所述储热介质为硝酸盐或导热油；
所述工作介质的流量为1～50Kg/s；
所述换热-储热方法还包括以下步骤：所述工作介质通过所述换热管道的进口流入所述罐体，流经由所述绝热隔板隔开的所述储热介质，依次按照第一、第二、第三、第四和第五换热层进行逐层换热，最后从所述换热管道的出口流出，完成储热；
或者，所述工作介质通过所述换热管道的进口流入所述罐体，流经由所述绝热隔板隔开的所述储热介质，依次按照第一、第二、第三、第四和第五换热层进行逐层换热，最后从所述换热管道的出口流出，完成放热。
2.根据权利要求1所述的换热-储热方法，其特征在于，所述绝热隔板的布置方式为垂直或水平。
3.根据权利要求1所述的换热-储热方法，其特征在于，所述换热管道为并列布置的若干根蛇形管，每一所述蛇形管依次穿设各所述换热层，所述蛇形管所在平面与所述绝热隔板垂直；
或者，所述换热管道蛇形盘布在各所述换热层中，所述换热管道所在平面与所述绝热隔板平行，相邻两层所述换热层之间的所述换热管道的首尾依次连接；
或者，所述换热管道螺旋盘布在各所述换热层中，所述换热管道的螺旋轴与所述绝热隔板垂直，相邻两层所述换热层之间的所述换热管道的首尾依次连接。
4.根据权利要求1所述的换热-储热方法，其特征在于，所述换热管道的内侧和/或外侧装有肋片；
和/或，所述换热管道的截面为圆形、椭圆形、多边形；
和/或，所述换热管道的材料为哈氏钢；
和/或，所述换热管道的进口和出口分别位于所述罐体的两侧。
5.根据权利要求1所述的换热-储热方法，其特征在于，所述罐体的形状为立方体或圆柱体；
和/或，所述罐体的材料为金属类材料。
6.根据权利要求5所述的换热-储热方法，其特征在于，所述罐体的材料为不锈钢。
7.根据权利要求1所述的换热-储热方法，其特征在于，所述换热管道中的工作介质为气体。
8.根据权利要求7所述的换热-储热方法，其特征在于，所述换热管道中的工作介质为单原子气体。
9.根据权利要求8所述的换热-储热方法，其特征在于，所述换热管道中的工作介质为氦气或氩气。
10.根据权利要求1所述的换热-储热方法，其特征在于，所述储热介质为二元硝酸盐。
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| GR01 | Patent grant | ||
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