CN109297335A - 一种改良式混合蓄热单罐 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改良式混合蓄热单罐，包括相变蓄热器，斜温层蓄热单罐，熔融盐，相变蓄热材料，壳管式换热器管道，多孔介质填料，上侧散流器和下侧散流器。所述相变蓄热器与斜温层蓄热单罐上下紧密连接，所述斜温层蓄热单罐内填充大量的多孔介质填料，所述壳管式换热器管道和相变蓄热材料均布置在相变蓄热器中，壳管式换热器管道内部为波节管结构，所述上侧散流器安装在相变蓄热器上部且外接罐体顶部入口，下侧散流器安装在斜温层蓄热单罐下部且外接罐体底部出口。本发明提高了蓄热罐的蓄热和放热效率，并增加了蓄热罐的有效蓄热和放热量，同时，相比于双罐蓄热系统，具有结构简单，投资成本低的特点。

Description

一种改良式混合蓄热单罐
技术领域
本发明涉及换热器和蓄热罐技术领域，具体是一种改良式混合蓄热单罐。
背景技术
蓄热技术目前主要包括显热蓄热、潜热蓄热、化学反应蓄热和相变蓄热。由于物质的潜热要比显热大很多，且相变材料在发生相变时保持温度恒定，所以相变蓄热技术具有储能密度高、放热过程温度波动范围小等优点。对于太阳能热电站来说，相变蓄热是太阳能热利用的最主要应用形式，其中，应用最为广泛的蓄热系统便是双罐蓄热系统，但双罐蓄热系统在工作过程中，罐体散热量较大，并且结构设计复杂，投资成本高。为克服以上缺点，便产生了单罐斜温层蓄热系统，但有效蓄热和放热量较低。目前，已有学者提出一种混合蓄热装置，且其中间段为斜温层显热蓄热罐，上段为高温相变换热器，下段为低温相变换热器，但该混合蓄热装置未对相变换热器进行优化，因此，蓄热罐的蓄热和放热效率往往会比较低；另外，相比于双罐蓄热系统，其装置设计中在单罐上下侧增加两个相变换热器，无疑增加了蓄热罐的投资成本，甚至可能超过相同设计工况下双罐蓄热系统的投资成本。因此，在蓄热罐的技术研究与工程应用中，蓄热罐的蓄热和放热效率低，有效蓄热和放热量差，以及投资成本高一直是制约着蓄热罐应用与发展的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种改良式混合蓄热单罐。本发明所要解决的技术问题是：通过增加波节管结构-壳管式换热器来提高蓄热罐的蓄热和放热效率；另外，通过增加相变换热器，并与斜温层蓄热单罐上下组合，尽可能的将储存在斜温层内的热量最大程度的利用起来，提高了斜温层蓄热单罐中热量的利用率，增加了蓄热罐的有效蓄热和放热量，同时，相比于双罐蓄热系统，结构设计简单，投资成本低。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种改良式混合蓄热单罐，包括相变蓄热器，斜温层蓄热单罐，熔融盐，相变蓄热材料，壳管式换热器管道，多孔介质填料，上侧散流器和下侧散流器。所述相变蓄热器与斜温层蓄热单罐上下紧密连接，所述斜温层蓄热单罐内填充大量的多孔介质填料，所述壳管式换热器管道和相变蓄热材料均布置在相变蓄热器中，所述上侧散流器安装在相变蓄热器上部且外接罐体顶部入口，下侧散流器安装在斜温层蓄热单罐下部且外接罐体底部出口。
所述相变换热器由数量众多(几百根)的壳管式换热器管道竖直平行排列组成。
所述熔融盐材料选择三元硝酸盐(53％KNO3-40％NaNO2-7％NaNO3)。
所述相变蓄热材料采用无机硝酸盐KNO3。
所述多孔介质填料采用石灰石。
所述高温熔融盐首先从罐体顶部入口经上侧散流器流入相变蓄热器中的壳管式换热器管道内，高温熔融盐将热量传递给固态相变蓄热材料，固态相变蓄热材料吸收热量后转化为液态，然后高温熔融盐从壳管式换热器管道向下流入斜温层蓄热单罐内的多孔介质填料孔隙之中，并将热量传给多孔介质填料，从而，高温熔融盐流体从上至下温度逐渐降低，最后，从下侧散流器经罐体底部出口流出，完成整个蓄热过程。
所述低温熔融盐首先从罐体底部出口经下侧散流器流入斜温层蓄热单罐内的多孔介质填料的孔隙之中，并从多孔介质填料中吸收热量，然后低温熔融盐从斜温层蓄热单罐向上流入相变蓄热器中的壳管式换热器管道内，通过管壁从高温液态相变蓄热材料中吸收热量，高温液态相变蓄热材料释放热量后转化为固态，从而，低温熔融盐流体从下至上温度逐渐升高，最后，从上侧散流器经罐体顶部入口流出，完成整个放热过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本改良式混合蓄热单罐在蓄热过程中，首先来自太阳能集热场的高温熔融盐由罐体顶部自上而下进入蓄热罐中相变蓄热器的壳管式换热器管道(相变蓄热段)，将热量传递给固态相变蓄热材料使其融化为液态，然后高温熔盐继续向下流动进并入斜温层蓄热单罐(显热蓄热段)，将热量传递给低温多孔介质填料，最后变成低温熔盐经由罐体底部出口流出，这样来自集热场的热量便成功储存于混合蓄热单罐中；在放热过程中，低温熔融盐由罐体底部自下而上流入斜温层蓄热单罐(显热蓄热段)，同时吸收高温多孔介质填料的热量，然后低温熔盐继续向上流动并进入相变蓄热器(相变蓄热段)，吸收液态高温相变蓄热材料的热量使其凝固为固态，最后变成高温熔融盐经由罐体顶部出口流出，这样便对蓄热罐完成了放热过程。
如此反复运行，将储存在斜温层内的热量最大程度的利用起来，提高了斜温层蓄热单罐中热量的利用率，通过引入三元硝酸盐Hitec作为相变蓄热材料，使蓄热罐适应温度范围广、能量密度高；通过引入无机硝酸盐KNO3作为相变蓄热材料，比热容大，使蓄热罐具有较高的循环相变蓄热和放热次数；通过使用石灰石作为多孔介质填料，其价格低廉、稳定性高、容易加工，提高蓄热罐的应用范围；通过在斜温层蓄热单罐上增加波节管结构-壳管式相变换热器，增加了相变蓄热器的换热强度和换热面积，提高了蓄热罐的蓄热和放热效率，并在一定程度上增加了蓄热罐的有效蓄热和放热量，同时，相比于双罐蓄热系统，结构设计简单，投资成本低。
附图说明
图1为本发明改良式混合蓄热单罐结构示意图。
图2为本发明壳管式换热器管道布置俯视图。
图3为本发明相变蓄热单元剖面图。
图4为本发明波节管结构示意图。
图中：1上侧散流器、2罐体顶部入口、3熔融盐、4相变蓄热材料、5壳管式换热器管道、6多孔介质填料、7罐体底部出口、8下侧散流器、9壁厚、10相变蓄热单元壁面、A斜温层蓄热单罐、B相变蓄热器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种改良式混合蓄热单罐，包括相变蓄热器B，斜温层蓄热单罐A，熔融盐3，相变蓄热材料4，壳管式换热器管道5，多孔介质填料6，上侧散流器1和下侧散流器8。相变蓄热器B与斜温层蓄热单罐A上下紧密连接，斜温层蓄热单罐A内填充大量的多孔介质填料6，壳管式换热器管道5和相变蓄热材料4均布置在相变蓄热器B中，上侧散流器1安装在相变蓄热器B上部且外接罐体顶部入口2，下侧散流器8安装在斜温层蓄热单罐A下部且外接罐体底部出口7。
如图1所示，多孔介质填料6均匀的填充在斜温层蓄热单罐A内，并且多孔介质填料6采用石灰石具有价格低廉、稳定性高、容易加工的特点，熔融盐3与斜温层蓄热单罐A内的大量多孔介质填料6进行热量交换，从而来达到蓄热和放热的目的。
如图2、3所示，壳管式换热器管道5和多孔介质填料6内为相变蓄热材料4，熔融盐3选用三元硝酸盐Hitec，能量密度高，导热系数大，并且采用无机硝酸盐KNO3作为相变蓄热材料，比热容大，并使蓄热罐具有较高的循环相变蓄热和放热次数，壳管式换热器管道5竖直均匀的安装在相变蓄热器B中，相变蓄热材料4流经壳管式换热器管道5与相变蓄热材料4进行热交换来达到蓄热和放热的目的。
如图4所示，壳管式换热器管道5内部为波节管结构，并且所述波节管结构具有一定的壁厚9，增加了相变蓄热器的换热强度和换热面积，提高了蓄热罐的蓄热和放热效率。
根据图1所示，本发明设计的改良式混合蓄热单罐的蓄热和放热过程，如下所示：
所述高温熔融盐3首先从罐体顶部入口2经上侧散流器1流入相变蓄热器B中的壳管式换热器管道5内，通过管壁将热量传递给固态相变蓄热材料4，固态相变蓄热材料4吸收热量后转化为液态，实现相变蓄热过程；然后高温熔融盐3从壳管式换热器管道5向下流入斜温层蓄热单罐A内的低温多孔介质填料6的孔隙之中，并将热量传给低温多孔介质填料6，实现熔融盐斜温层显热蓄热过程，从而，高温熔融盐3流体从上至下温度逐渐降低，最后，从下侧散流器8经罐体底部出口7流出，完成整个蓄热过程；
所述低温熔融盐3首先从罐体底部出口7经下侧散流器8流入斜温层蓄热单罐A内的高温多孔介质填料6的孔隙之中，并从高温多孔介质填料6中吸收热量，实现熔融盐斜温层显热放热过程，然后低温熔融盐3从斜温层蓄热单罐A向上流入相变蓄热器B中的壳管式换热器管道5内，通过管壁从高温液态相变蓄热材料4中吸收热量，高温液态相变蓄热材料4释放热量后转化为固态，实现相变放热过程，从而，低温熔融盐3流体从下至上温度逐渐升高，最后，从上侧散流器1经罐体顶部入口2流出，完成整个放热过程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：包括相变蓄热器(B)，斜温层蓄热单罐(A)，熔融盐(3)，相变蓄热材料(4)，壳管式换热器管道(5)，多孔介质填料(6)，上侧散流器(1)和下侧散流器(8)，罐体顶部入口(2)和罐体底部出口(7)。所述壳管式换热器管道(5)和相变蓄热材料(4)均布置在相变蓄热器(B)中，所述上侧散流器(1)安装在相变蓄热器(B)上部且外接罐体顶部入口(2)，下侧散流器(8)安装在斜温层蓄热单罐(A)下部且外接罐体底部出口(7)。
2.根据权利要求1所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述相变蓄热器(B)与斜温层蓄热单罐(A)上下紧密连接，并且相变蓄热器(B)与斜温层蓄热单罐(A)的组合体安装在上侧散流器(1)和下侧散流器(8)之间。
3.根据权利要求2所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述相变换热器(B)由数量众多(几百根)的壳管式换热器管道(5)竖直平行排列组成。
4.根据权利要求2所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述斜温层蓄热单罐(A)内填充大量的多孔介质填料(6)，所述多孔介质填料(6)为石灰石。但本发明中多孔介质填料(6)的选择不限于石灰石。
5.根据权利要求3所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述壳管式换热器管道(5)内部为波节管结构(图4)，并且所述波节管结构(图4)具有一定的壁厚(9)。
6.根据权利要求4或5所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述熔融盐(3)流经壳管式换热器管道(3)与多孔介质填料(6)的孔隙，所述熔融盐(3)为三元硝酸盐Hitec(53％KNO3-40％NaNO2-7％NaNO3)，此三元硝酸盐Hitec为多种无机盐混合共晶熔融盐。但本发明中熔融盐(3)的选择不限于三元硝酸盐。
7.根据权利要求1～3所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述相变蓄热材料(4)均匀的填充在相变换热器(B)中各壳管式换热器管道(5)之间，所述相变蓄热材料(4)为无机硝酸盐KNO3。但本发明中相变蓄热材料(4)的选择不限于无机硝酸盐KNO3。
8.根据权利要求1～7所述的一种改良式混合蓄热单罐，其特征在于：所述相变蓄热单元壁面(10)为绝热壁面。
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