CN109059594A - 一种填充床蓄热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种填充床蓄热装置，适用于中高温的热能存储领域。是一种采用气态或液态或气液混合流体为传热流体，固体材料为蓄热介质，通过分流装置，传热流体可以均匀喷淋在固体蓄热介质表面，该填充床内部采用正排列式或交错排列式的单元格通道，当传热流体流入填充床内部通过单元格通道时，可以提高填充床内部传热流体的分布均匀性，从而提高传热流体与填充床内部蓄热介质之间的热交换强度与均匀性，提升填充床蓄热装置的蓄热效率。本发明的填充床蓄热装置具有热交换能力强、成本低、工作寿命长、温域广、蓄热效率高、热能品位高等优点，特别适用于中高温太阳能热发电系统、工业余热利用及压缩空气储能系统等领域。

Description

一种填充床蓄热装置
技术领域
本发明涉及中高温热能储存领域，是一种利用分流装置同时在填充床内部采用正排列式或交错排列式的单元格通道，当传热流体流入填充床内部通过单元格通道时，可以进一步提高填充床内部传热流体的分布均匀性，增强传热流体与填充床内部蓄热介质的热交换能力，提高蓄热/释热效率的填充床蓄热装置。
背景技术
面对能源危机，世界各国正在积极开展水能、风能、生物质能、太阳能等清洁可再生能源的研究工作。太阳能光伏发电技术中电池板的生产过程能耗高CO2排放量大，发电效率低是制约该技术发展的瓶颈问题。而太阳能热发电是除光伏发电技术之外的另一个有很大发展潜力的太阳能发电技术，它也是除风电以外最具经济竞争力的可再生能源发电技术，太阳能集热器把收集到的太阳辐射能经热交换器转变为过热蒸汽，用传统的电力循环来产生电能，具有技术成熟，发电成本低和容易与化石燃料形成混合发电系统的优点。但是由于太阳能的昼夜间断性以及由于多云阴雨而造成的不稳定性能量等一系列问题，对太阳能光热发电系统电力的平稳输出产生了很大的影响。因此在太阳能热发电系统中设置蓄热装置是最有效的方法之一。
除了太阳能光热发电外，目前储能领域如压缩空气储能也发展十分迅猛，压缩空气储能系统包含了压缩机、膨胀机、储热水罐、换热器等关键部件，它是利用低谷电力通过压缩机把空气压缩到一定压力储存在储气罐中，并在用电高峰期间高压空气通过膨胀机进行发电。为了能进一步提高系统的效率，可以将压缩热通过换热器置换给循环水并储存起来，待发电时通过换热器把热量置换给高压空气，提高膨胀机入口温度，从而提高效率。此过程中需要对蓄热装置的蓄热性能具有很高的要求，需要充分利用压缩空气过程中的压缩热并传递给进入膨胀机前的压缩空气。因此，需要从蓄热装置内部结构优化方面来提高整体的蓄热性能。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种填充床蓄热装置，适用于中高温的热能存储领域。是一种采用液态流体为传热流体，固体材料为蓄热介质，通过分流装置，传热流体可以均匀喷淋在固体蓄热介质表面，该填充床内部采用正排列式或交错排列式的单元格通道，当传热流体流入填充床内部通过单元格通道时，可以提高填充床内部传热流体的分布均匀性，从而提高传热流体与填充床内部蓄热介质之间的热交换强度与均匀性，提升填充床蓄热装置的蓄热效率。本发明的填充床蓄热装置具有热交换能力强、成本低、工作寿命长、温域广、蓄热效率高、热能品位高等优点，特别适用于容量大、温度范围大、中高温太阳能热发电系统、工业余热利用及压缩空气储能系统等领域中，具有十分重要的工程意义。
本发明为解决其技术问题所采用的技术解决方案是：
一种填充床蓄热装置，包括填充床外壳，所述填充床外壳的外壁面包覆有壳外保温层，所述填充床外壳的顶部设有传热流体进口，底部设有填充床出口，其特征在于，
所述传热流体进口为一管状部件，其底部至少部分伸入所述填充床外壳的内腔中，
所述传热流体进口的底部下方一定距离处吊设固定一入口扰流部件，所述入口扰流部件使得所述传热流体从入口进入后能够减缓对分流装置的冲击力，
所述入口扰流部件的下方一定距离处设置一多孔分流部件，所述多孔分流部件的直径与所述填充床外壳的内径相当，
所述多孔分流部件的下方直至所述填充床外壳的底部为所述填充床，
所述填充床包括至少一层单元格通道，每层中阵列布置多个轴向平行的单元格通道，且每一所述单元格通道中均填充有固体蓄热介质
优选地，所述填充床中最下一层单元格通道的底部与所述填充床出口之间设置一多孔挡板件。
优选地，所述传热流体进口设置在所述填充床外壳的顶部中心。
本发明的填充床蓄热装置，其工作流程为：
在蓄热过程中，高温传热流体经填充床最上端的传热流体入口流入，经过入口扰流件板延缓流速后流在多孔分流板上面，并通过多孔分流板使传热流体雾化成微细液滴/或形成若干细液柱，均匀地喷淋至填充床内部最上层的固体蓄热介质表面，并在重力作用下或压差驱动，流入填充床内部，传热流体携带的热量在此过程中传递给填充床内部蓄热介质并储存起来，同时释放热量后的传热流体从填充床底部出口流出。
在释热过程中，低温传热流体经填充床最上端的传热流体入口流入，经过入口扰流件板延缓流速后流在多孔分流板上面，并通过多孔分流板使传热流体雾化成微细液滴/或形成若干细液柱，均匀地喷淋至填充床内部最上层的固体蓄热介质表面，并在重力作用下或压差驱动，流入填充床内部，低温传热流体在此过程中把填充床内部蓄热介质所储存的热量带走从填充床底部出口流出。
在蓄/释热过程中，流入填充床内部并通过单元格通道时，可以提高填充床内部传热流体的分布均匀性，从而提高传热流体与填充床内部蓄热介质之间的热交换强度与均匀性，提升填充床蓄热装置的蓄热效率。
优选地，所述填充床内部的单元格通道置于所述多孔分流板的下方，各所述单元格通道内部填满固体蓄热介质，所述单元格通道为单层或多层布置。
优选地，所述填充床包括多层单元格通道，相邻两层之间的单元格通道为同轴排列、交错排列，或同轴列和交错排列混合。
优选地，相邻单元格通道之间的拼接方式为焊接固定式、非焊接固定式、或非焊接非固定式。
优选地，所述单元格通道的横截面为三角形、四边形、五边形、六边形、多边形、单根或多根直线与单根或多根曲线组成的密闭形状；所述单元格通道的材料为不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。
优选地，所述填充床外壳的顶部还设置有人孔和/或通压口。所述人孔可用于但不限于单元格通道、蓄热介质、多孔分流板或可拼装的单元格通道的安装与检修。
优选地，所述入口扰流部件为一入口扰流板，所述入口扰流板固定在所述传热流体进口的底部下方一定距离处，所述入口扰流板至少基本与所述传热流体进口的中心轴线垂直，使得从所述传热流体进口入流的传热流体在所述入口扰流板上折转约90°后从所述入口扰流板的边缘处分散于四周。
优选地，所述的入口扰流板位于所述传热流体进口的下方，与所述传热流体进口之间的连接方式为焊接固定式，所述入口扰流板的形状为面积大于所述传热流体入口横截面积的任何形状的带孔或不带孔的板。
优选地，所述入口扰流部件为一带孔圆管，所述带孔圆管与传热流体入口管道为螺纹连接，圆管侧面带孔及圆管底部密封或开有小孔。
优选地，所述入口扰流部件的材料可以为不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。
优选地，所述多孔分流部件为一多孔分流板。
优选地，所述多孔分流板为固定、可拆卸、或可拼装的分流装置，安置在所述填充床的上方，或与填充床顶部的进口为一体设计安置在填充床封头内；所述的可拼装分流装置的形状可以为三角形、四边形、五边形、六边形、多边形、单根或多根直线与单根或多根曲线组成的密闭形状。
优选地，所述填充床空隙中填充介质为预先填充的气体与液态或气态传热流体的混合物。
优选地，所述填充床蓄热装置内的传热流体为高温硅油、熔盐、导热油、水/水蒸气、类离子液体、液态金属等其中一种或者至少两种的混合。
优选地，所述多孔分流板中喷出的传热流体的形状为细小水柱、细小液滴、或雾化液滴。
优选地，所述多孔分流板为单层或双层孔板式结构，其材料为不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。
优选地，所述填充床外壳的顶部为一与其下部主体密封连接的上封头，所述上封头通过法兰或焊接的方式与下部主体连接。
优选地，所述填充床外壳内部的压力在工作或非工作时，通过所述通压口，与外部稳压系统的工作压力或与环境压力保持一致；所述外部稳压系统的工作压力的维压气体可以为空气、氮气、氦气、氩气等其中一种或者至少两种的混合。
优选地，所述填充床外壳为圆柱体或球体，构成一密封的压力容器。
优选地，所述填充床外壳材料为金属材料，如不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。
优选地，所述固体蓄热介质为颗粒状或多孔状，为岩石，矿石，矿渣，混凝土，耐火砖，陶瓷球，金属，封装的相变材料等其中一种或至少两种的混合物。
优选地，所述底座可以为支腿式底座或裙座式底座。
同现有技术相比，本发明的填充床蓄热装置具有结构简单、成本低、工作寿命长、蓄热效率高、热能品位高等优点，特别适用于容量大、温度范围大、中高温太阳能热发电系统及工业余热利用领域中，具有十分重要的工程意义。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为单元格通道的三维结构示意图，其中(a)为横截面为四边形示意图，(b)为横截面为六边形示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
图1为本发明的填充床蓄热装置实施例1的结构示意图。如图1所示，本实施例的填充床蓄热装置，包括底座7以及设置在底座7上的填充床外壳12，填充床外壳12的外壁面包覆有壳外保温层6，填充床外壳12的顶部设有传热流体进口1、人孔2、通压口8，填充床外壳12的底部设有填充床出口14，填充床外壳12的内腔上设置有填充床，填充床上填充有固体蓄热介质5，填充床出口14兼作传热流体排出口和物料排放口，传热流体进口1为一管状部件，设置在填充床外壳12的顶部中心，其底部至少部分伸入填充床外壳12的内腔中，传热流体进口1的底部下方一定距离处吊设固定一入口扰流板3，入口扰流板3至少基本与传热流体进口1的中心轴线垂直，使得从传热流体进口1入流的传热流体在入口扰流板3上折转约90°后从入口扰流板3的边缘处分散于四周，入口扰流板3的下方一定距离处设置一多孔分流板10，多孔分流板10的直径与填充床外壳12的内径相当，多孔分流板10的下方直至填充床外壳12的底部为填充床，填充床包括若干层层叠布置的单元格通道11，且相邻两层的单元格通道11为交错排列，每一单元格通道11中均填充有固体蓄热介质5，最下一层单元格通道11的底部与填充床出口14之间设置一多孔挡板件13。
此实施例中填充床顶部的传热流体进口1与入口扰流板3通过数根杆状部件焊接在一起，多孔分流板10为单层多孔板，其喷淋口与水平面的夹角为90°，多孔分流板10下面布置了四层单元格通道11，层与层之间的排列方式为交错式排列，单元格通道11的横截面形状为四边形或六边形(如图3所示)，在最下面一层单元格通道与出口之间由多孔挡板件13隔开，以便于后期固体蓄热介质的维护、拆卸、物料排出等工作。
本实施例的填充床蓄热装置在使用时，预先，关闭填充床底部的填充床出口14，打开人孔2，通过人孔2依次将多孔挡板件13、各层单元格通道11、固体蓄热介质5、可拆式多孔分流板10依次安装于填充床外壳12的内部。同时将通压口8与外部稳压系统相连接，使填充床内部与系统中的压力相一致。
本实施例的填充床蓄热装置在蓄热时，中高温传热流体由填充床顶端的传热流体入口1进入，在压力差的作用下先通过入口扰流板3使传热流体分散于四周，再通过单层多孔分流板10，使传热流体雾化成微细液滴/或形成若干细液柱，均匀的喷淋至填充床内部固体蓄热介质5的表面。在重力或压差作用下，传热流体通过布置在填充床内部的单元格通道11，与通道内部的固体蓄热介质5进行热交换，在此过程中传热流体通过固体蓄热介质5之间的孔隙4均匀向下，经过固体蓄热介质表面并与之换热，将高温热能传给固体蓄热介质，同时在四层交错排列的单元格通道11布置下，能促使相邻之间各单元格通道内部的传热流体在下一层时能相互掺混，提高传热流体在填充床内部的扰动效应，增强传热流体与固体蓄热介质之间的热交换能力。传热流体把携带的热量传递给填充床固体蓄热介质后经填充床底部的传热流体出口14排出，当排出温度达到某一设定温度时，认为填充床蓄热装置已经蓄满，关闭传热流体的进入，结束蓄热。
填充床蓄热装置若已经储存一定热量并开始保温阶段时，关闭该蓄热装置顶部和底部的传热流体入口1和填充床出口14。
本实施例的填充床蓄热装置在释热过程中，低温传热流体由填充床顶端传热流体入口1进入，在压力差的作用下先通过扰流板3使传热流体分散于四周，再通过单层多孔分流板10，使传热流体雾化成微细液滴/或形成若干细液柱，均匀的喷淋至填充床内部固体蓄热介质的表面。在重力或压差作用下，传热流体通过布置在填充床内部的单元格通道11，与通道内部的固体蓄热介质进行热交换，吸收固体蓄热介质的热能，同时在四层交错排列的单元格通道11布置下，促使相邻之间各单元格通道内部的传热流体在下一层时能相互掺混，提高传热流体在填充床内部的扰动效应，增强传热流体与固体蓄热介质之间的热交换能力。传热流体把填充床固体蓄热介质储存的热量吸收后经填充床底部的传热流体出口14排出，当排出温度达到某一设定温度时，认为填充床蓄热装置所储存的热能已释完。关闭传热流体的进入，结束释热。
实施例2
图2示出了本发明的填充床蓄热装置实施例2，其主体结构与实施例1相同，所不同的是填充床为布置在多孔分流板10下面的一层单元格通道11，该层的单元格通道11由多孔分流板10的下方延伸至填充床外壳12的底部，单元格通道11的横截面形状为四边形或六边形(如图3所示)。
在填充床蓄热装置蓄热时，中高温传热流体由填充床顶端的传热流体入口1进入，在压力差的作用下入口扰流板3使传热流体分散于四周，再通过单层多孔分流板10，使传热流体雾化成微细液滴/或形成若干细液柱，均匀的喷淋至填充床内部固体蓄热介质5的表面。在重力或压差作用下，传热流体通过布置在填充床内部的单元格通道11，与通道内部的固体蓄热介质进行热交换，在此过程中传热流体通过固体蓄热介质之间的孔隙均匀向下，经过固体蓄热介质表面并与之换热，将高温热能传给固体蓄热介质，传热流体从上至下流过蓄热介质时可以确保其分布均匀性。传热流体把携带的热量传递给填充床固体蓄热介质后经填充床底部的填充床出口14排出，当排出温度达到某一设定温度时，认为填充床蓄热装置已经蓄满，关闭传热流体的进入，结束蓄热。
在填充床蓄热装置释热过程中，低温传热流体由填充床顶端传热流体入口1进入，入口扰流板3使传热流体分散于四周，再通过单层多孔分流板10，使传热流体雾化成微细液滴/或形成若干细液柱，均匀的喷淋至填充床内部固体蓄热介质5的表面。在重力或压差作用下，传热流体通过布置在填充床内部的单元格通道11，与通道内部的固体蓄热介质进行热交换，吸收固体蓄热介质的热能，并经填充床底部的传热流体出口14排出，当排出温度达到某一设定温度时，认为填充床蓄热装置所储存的热能已释完。关闭传热流体的进入，结束释热。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种填充床蓄热装置，包括填充床外壳，所述填充床外壳的外壁面包覆有壳外保温层，所述填充床外壳的顶部设有传热流体进口，底部设有填充床出口，其特征在于，
所述传热流体进口为一管状部件，其底部至少部分伸入所述填充床外壳的内腔中，
所述传热流体进口的底部设有一入口扰流部件，所述入口扰流部件使得所述传热流体从入口进入后能够减缓对分流装置的冲击力，
所述入口扰流部件的下方一定距离处设置一多孔分流部件，所述多孔分流部件的直径与所述填充床外壳的内径相当，
所述多孔分流部件的下方直至所述填充床外壳的底部为所述填充床，
所述填充床包括至少一层单元格通道，每层中阵列布置多个轴向平行的单元格通道，且每一所述单元格通道中均填充有固体蓄热介质。
2.根据权利要求1所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述单元格通道置于所述多孔分流部件的下方，各所述单元格通道内部填满固体蓄热介质，所述单元格通道为单层或多层布置。
3.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述填充床包括多层单元格通道，相邻两层之间的单元格通道为同轴排列、交错排列，或同轴列和交错排列混合。
4.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，相邻单元格通道之间的拼接方式为焊接固定式、非焊接固定式、或非焊接非固定式。
5.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述单元格通道的横截面为三角形、四边形、五边形、六边形、多边形、单根或多根直线与单根或多根曲线组成的密闭形状；所述单元格通道的材料为不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。
6.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述填充床外壳的顶部还设置有人孔和/或通压口。所述人孔可用于但不限于单元格通道、蓄热介质、多孔分流板或可拼装的单元格通道的安装与检修。
7.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述入口扰流部件为一入口扰流板，所述入口扰流板固定在所述传热流体进口的底部下方一定距离处，所述入口扰流板至少基本与所述传热流体进口的中心轴线垂直，使得从所述传热流体进口入流的传热流体在所述入口扰流板上折转约90°后从所述入口扰流板的边缘处分散于四周。
8.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述的入口扰流板位于所述传热流体进口的下方，与所述传热流体进口之间的连接方式为焊接固定式，所述入口扰流板的形状为面积大于所述传热流体入口横截面积的任何形状的带孔或不带孔的板。
9.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述入口扰流部件为一带孔圆管，所述带孔圆管与传热流体入口管道为螺纹连接，圆管侧面带孔及圆管底部密封或开有小孔。
10.根据上述权利要求所述的填充床蓄热装置，其特征在于，所述入口扰流部件的材料可以为不锈钢、碳钢、铝合金，或无机非金属材料如陶瓷、高温混凝土中的一种或至少两种的组合。
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