CN110081753A - 一种高温梯级相变蓄热装置及蓄热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温梯级相变蓄热装置及蓄热方法。高温梯级相变蓄热装置包括n个串联设置的蓄热模块，n为大于1的整数；蓄热模块的内部设置有蓄热单元，蓄热单元的内部设置有相变蓄热介质，蓄热单元之间的空隙用于流通气体介质；相变蓄热介质的外表面设有包壳；第一蓄热模块到第n蓄热模块分别用于承载相变温度依次递减的所述相变蓄热介质，两个所述蓄热模块之间设置的气体通道用于流通气体介质。本发明高温梯级相变蓄热装置结构简单，适用于高温到低温较大温差下的热回收应用，在蓄热过程中耐高温，适用于较高温度的气体介质，提高能源利用效率，适用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温梯级相变蓄热装置及蓄热方法，属于储能技术领域。
背景技术
为合理使用能源及提高能源利用效率，近些年，储能得到了大力的支持和发展。在显热蓄热、潜热蓄热和化学反应热蓄热这3种蓄热方法中，潜热蓄热(相变蓄热)具有相变潜热大、相变温区窄、可显著降低蓄热装置的尺寸等优点，最具应用潜力，也是目前国内外研究的热点。梯级相变蓄热是提高相变蓄热装置换热速率的有效手段之一。
梯级相变蓄热是按照“温度对口，梯级利用”的原则，在放热流体的流动方向上布置熔点依次降低的不同相变蓄热材料。在相变蓄热材料的充热过程中，放热流体的温度沿流动方向在减少，而相变蓄热材料的熔点温度也在阶梯降低。与单级相变蓄热相比，梯级相变蓄热使放热流体与相变蓄热材料之间的传热温差尽可能保持不变，因此能保持较恒定的热流使相变蓄热材料发生相变，整体上提高了材料的吸热速率和放热速率。
中国专利CN203518746U公开了一种多级热回收相变蓄热器，由多个填充有不同相变温度材料的单级相变蓄热器串联而成。根据能量梯级利用原则，实现热量分级分阶段顺序回收及释放。但该专利中采用螺旋盘管换热结构，一般受材料限制，难以适用于高温环境。
中国专利CN108117860A公开了一种导热增强型熔融盐复合相变材料和蓄热装置及储能方法，所述的熔融盐复合相变材料为KNO3-NaNO2-NaNO3/膨胀石墨复合相变材料，以高导热系数及强度的外壳进行封装，制成高导热性能的熔盐蓄热球。蓄热球基于斜温层单罐蓄热设计理念以填充床形式堆积在罐体内构成蓄热球组合单元，蓄热球组合单元之间通过均流板分隔。装置结构复杂，不利于广泛推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中蓄热器的装置结构复杂，不耐高温等缺陷，提供一种高温梯级相变蓄热装置及蓄热方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种高温梯级相变蓄热装置，所述高温梯级相变蓄热装置包括n个串联设置的蓄热模块，n为大于1的整数；所述蓄热模块的内部设置有蓄热单元，所述的蓄热单元的内部设置有相变蓄热介质，所述蓄热单元之间的空隙用于流通气体介质；所述相变蓄热介质的外表面设有包壳；第一蓄热模块到第n蓄热模块分别用于承载相变温度依次递减的所述相变蓄热介质，两个所述蓄热模块之间设置的气体通道用于流通气体介质。
较佳地，所述蓄热单元的结构为球形或柱形。
较佳地，所述蓄热单元在所述蓄热模块的内部规则排列。
较佳地，所述气体介质可为空气和/或氮气。
较佳地，所述相变蓄热介质可为熔盐、金属蓄热材料、有机蓄热材料和复合蓄热材料中的一种或多种。
所述熔盐较佳地为氯盐、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐和氟盐中的一种或多种。所述金属蓄热材料较佳地为铝和/或铅。所述有机蓄热材料较佳地为石蜡和/或高密度聚乙烯。所述复合蓄热材料较佳地为由相变材料和高熔点支撑材料组成的混合储热材料，更佳地为金属基相变蓄热复合材料。
所述包壳可为耐高温材料，较佳地为可承受300～1700℃的材料，更佳地为石墨、合金和陶瓷中的一种或多种。所述合金较佳地为不锈钢和/或哈氏合金。
一较佳实施方案中，所述蓄热模块的两端分别设置有第一气体流通口和第二气体流通口，所述第一气体流通口和所述第二气体流通口用于向所述蓄热模块输送所述气体介质或将所述蓄热模块内的所述气体介质排出，一所述蓄热模块上设置的所述第二气体流通口和与其相邻的下游的所述蓄热模块上设置的所述第一气体流通口之间设置有用于输送所述气体介质的管路。
其中，所述蓄热模块之间较佳地为层叠设置。所述蓄热模块之间重叠设置可减少热量损失，提高蓄热效率。
另一较佳实施方案中，所述蓄热模块之间层叠设置，所述第一蓄热模块的一端设置有第一气体流通口，所述第一蓄热模块与第二蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的流通口，该流通口远离所述第一气体流通口所在的端部；所述第二蓄热模块与第三蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口与所述第一气体流通口位于同一端；直至在第n-1蓄热模块与第n个蓄热模块接触的表面开设所述流通口；所述第n蓄热模块中远离其流通口所在的端部上设置有第二气体流通口。所述第一蓄热模块到第n蓄热模块构成用于流通所述气体介质的蛇形通道。
其中，所述流通口较佳地为网状结构。
一种高温梯级蓄热方法，其包括蓄热模式和释热模式，其中，
蓄热模式：所述气体介质进入所述第一蓄热模块，与所述第一蓄热模块内的所述相变蓄热介质进行换热，然后进入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块流出。
当所述高温梯级相变蓄热装置为蓄热模式时，进入一所述蓄热模块的所述气体介质的温度高于该所述蓄热模块内部所述相变蓄热介质的相变温度。
释热模式：所述气体介质的流通方向与所述蓄热模式时相反，所述气体介质进入所述第n蓄热模块，与所述第n蓄热模块内的所述相变蓄热介质进行换热，然后进入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块流出。
当所述高温梯级相变蓄热装置为所述释热模式时，进入一所述蓄热模块的所述气体介质的温度低于该所述蓄热模块内部所述相变蓄热介质的相变温度。
在所述蓄热模式下，当所述蓄热模块的两端分别设置有第一气体流通口和第二气体流通口，一所述蓄热模块上设置的所述第二气体流通口和与其相邻的下游的所述蓄热模块上设置的所述第一气体流通口之间设置有用于输送所述气体介质的管路时，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口进入，流经所述第一蓄热模块，所述气体介质与所述第一蓄热模块内部的所述蓄热单元充分换热后，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第二气体流通口流出，流经所述管路，并流入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口流出。
在所述蓄热模式下，当所述蓄热模块之间层叠设置，所述第一蓄热模块的一端设置有第一气体流通口，所述第一蓄热模块与第二蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口远离所述第一气体流通口所在的端部；所述第二蓄热模块与第三蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口与所述第一气体流通口位于同一端；直至在第n-1蓄热模块与第n个蓄热模块接触的表面开设所述流通口；所述第n蓄热模块中远离其流通口所在的端部上设置有第二气体流通口时，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口进入，流经所述第一蓄热模块，所述气体介质与所述第一蓄热模块内部的所述蓄热单元充分换热后，所述气体介质流经所述流通口，并流入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口流出。
在所述释热模式下，当所述蓄热模块的两端分别设置有第一气体流通口和第二气体流通口，一所述蓄热模块上设置的所述第二气体流通口和与其相邻的下游的所述蓄热模块上设置的所述第一气体流通口之间设置有用于输送所述气体介质的管路时，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口进入，流经所述第n蓄热模块，所述气体介质与所述第n蓄热模块内部的所述蓄热单元充分换热后，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第一气体流通口流出，流经所述管路，并流入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口流出。
在所述释热模式下，当所述蓄热模块之间层叠设置，所述第一蓄热模块的一端设置有第一气体流通口，所述第一蓄热模块与第二蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口远离所述第一气体流通口所在的端部；所述第二蓄热模块与第三蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口与所述第一气体流通口位于同一端；直至在第n-1蓄热模块与第n个蓄热模块接触的表面开设所述流通口；所述第n蓄热模块中远离其流通口所在的端部上设置有第二气体流通口时，所述气体介质的流通方向与蓄热时相反，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口进入，流经所述第n蓄热模块，所述气体介质与所述第n蓄热模块内部的所述蓄热单元充分换热后，所述气体介质流经所述流通口，并流入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口流出。
应了解，本发明“第一”、“第二”和“第n”均无实际意义，仅为区分相同的术语。
本发明的积极进步效果在于：本发明高温梯级相变蓄热装置结构简单，适用于高温到低温较大温差下的热回收应用，在蓄热过程中耐高温，适用于较高温度的气体介质，提高能源利用效率，适用于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1高温梯级相变蓄热装置的立体示意图。
图2为本发明实施例1蓄热单元截面示意图。
图3为本发明实施例1蓄热单元排列立体示意图。
图4为本发明实施例1高温梯级相变蓄热装置的截面示意图。
图5为本发明实施例2高温梯级相变蓄热装置的立体结构示意图。
图6为本发明实施例2高温梯级相变蓄热装置的截面示意图。
附图标记说明
蓄热模块 1
蓄热单元 2
相变蓄热介质 3
包壳 4
第一气体流通口 5
第二气体流通口 6
管路 7
流通口 8
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。
实施例1
本实施例提供一种高温梯级相变蓄热装置，如图1、图2、图3、图4所示，所述高温梯级相变蓄热装置包括n个串联设置的蓄热模块1，n为大于1的整数；所述蓄热模块1的内部设置有蓄热单元2，所述的蓄热单元2的内部设置有相变蓄热介质3，所述蓄热单元2之间的空隙用于流通气体介质；所述相变蓄热介质3的外表面设有包壳4；第一蓄热模块到第n蓄热模块分别用于承载相变温度依次递减的所述相变蓄热介质3，两个所述蓄热模块1之间设置的气体通道用于流通气体介质。
所述蓄热单元2的结构为球形。
所述蓄热单元2在所述蓄热模块1的内部规则排列。
所述相变蓄热介质3为氯盐。
其中，所述包壳4为石墨。所述石墨的耐热程度为1000℃-1700℃，且膨胀系数小。
所述气体介质为空气。
所述蓄热模块1包括第一气体流通口5和第二气体流通口6。所述第一气体流通口5和所述第二气体流通口6用于向所述蓄热模块1的内部输送所述气体介质或将所述蓄热模块1内的所述气体介质排出。一所述蓄热模块1上设置的所述第二气体流通口6和与其相邻的下游的所述蓄热模块1上设置的所述第一气体流通口5之间设置有用于输送所述气体介质的管路7。
为了便于描述实施例中所述高温梯级相变蓄热装置的工作状态，将图1中最下面所述蓄热模块1设为第一蓄热模块，将设置在其上方的所述蓄热模块1依次设为第二蓄热模块，直至到第n蓄热模块。
当所述高温梯级相变蓄热装置处于蓄热状态时，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口5进入，流经所述第一蓄热模块，所述气体介质与所述第一蓄热模块内部的所述蓄热单元2充分换热后，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第二气体流通口6流出，流经所述管路7，并流入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口6流出。
所述气体介质进入所述第一蓄热模块时的温度高于所述第一蓄热模块内部所述相变蓄热介质3的相变温度，从所述第一蓄热模块上设置的所述第二气体流通口6流出的所述气体介质的温度高于所述第二蓄热模块内所述相变蓄热介质3的相变温度，以此类推。
当所述高温梯级相变蓄热装置处于释热状态时，所述气体介质的流通方向与蓄热时相反，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口6进入，流经所述第n蓄热模块，所述气体介质与所述第n蓄热模块内部的所述蓄热单元2充分换热后，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第一气体流通口5流出，流经所述管路7，并流入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口5流出。
所述气体介质进入所述第n蓄热模块时的温度低于所述第n蓄热模块内部所述相变蓄热介质3的相变温度，从所述第n蓄热模块上设置的所述第一气体流通口5流出的所述气体介质的温度低于所述第n-1蓄热模块内所述相变蓄热介质3的相变温度，以此类推。
实施例2
本实施例提供一种高温梯级相变蓄热装置，如图5和图6所示，所述高温梯级相变蓄热装置包括n个串联设置的蓄热模块1，n为大于1的整数；所述蓄热模块1的内部设置有蓄热单元2，所述的蓄热单元2的内部设置有相变蓄热介质3，所述蓄热单元2之间的空隙用于流通气体介质；所述相变蓄热介质3的外表面设有包壳4；第一蓄热模块到第n蓄热模块分别用于承载相变温度依次递减的所述相变蓄热介质3，两个所述蓄热模块1之间设置的气体通道用于流通气体介质。
所述蓄热单元2的结构为柱形。
所述蓄热单元2在所述蓄热模块1的内部规则排列。
所述相变蓄热介质3为硝酸盐。
其中，所述包壳4为石墨。所述石墨的耐热程度1000℃-1700℃，且膨胀系数小。
所述气体介质为空气。
所述蓄热模块1之间层叠设置，所述第一蓄热模块的一端设置有第一气体流通口5，所述第一蓄热模块与第二蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的流通口8，该流通口8远离所述第一气体流通口5所在的端部；所述第二蓄热模块与第三蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的流通口8，该流通口8与所述第一气体流通口5位于同一端；直至在第n-1蓄热模块与第n个蓄热模块接触的表面开设所述流通口8；所述第n蓄热模块中远离其流通口8所在的端部上设置有第二气体流通口6。
所述流通口8为网状结构。
为了便于描述实施例中所述高温梯级相变蓄热装置的工作状态，将图5中最下面所述蓄热模块1设为第一蓄热模块，将设置在其上方的所述蓄热模块1依次设为第二蓄热模块，直至到第n蓄热模块。
当所述高温梯级相变蓄热装置处于蓄热状态时，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口5进入，流经所述第一蓄热模块，所述气体介质与所述第一蓄热模块内部的所述蓄热单元2充分换热后，所述气体介质流经所述流通口8，并流入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口6流出。
所述气体介质进入所述第一蓄热模块时的温度高于所述第一蓄热模块内部所述相变蓄热介质3的相变温度，从所述第一蓄热模块流出的所述气体介质的温度高于所述第二蓄热模块内所述相变蓄热介质3的相变温度，以此类推。
当所述高温梯级相变蓄热装置处于释热状态时，所述气体介质的流通方向与蓄热时相反，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口6进入，流经所述第n蓄热模块，所述气体介质与所述第n蓄热模块内部的所述蓄热单元2充分换热后，所述气体介质流经所述流通口8，并流入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口5流出。
所述气体介质进入所述第n蓄热模块时的温度低于所述第n蓄热模块内部所述相变蓄热介质3的相变温度，从所述第n蓄热模块流出的所述气体介质的温度低于所述第n-1蓄热模块内所述相变蓄热介质3的相变温度，以此类推。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：包括n个串联设置的蓄热模块，n为大于1的整数；所述蓄热模块的内部设置有蓄热单元，所述的蓄热单元的内部设置有相变蓄热介质，所述蓄热单元之间的空隙用于流通气体介质；所述相变蓄热介质的外表面设有包壳；第一蓄热模块到第n蓄热模块分别用于承载相变温度依次递减的所述相变蓄热介质，两个所述蓄热模块之间设置的气体通道用于流通气体介质。
2.如权利要求1所述的高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述蓄热单元的结构为球形或柱形；
和/或，所述蓄热单元在所述蓄热模块的内部规则排列；
和/或，所述气体介质为空气和/或氮气；
和/或，所述相变蓄热介质为熔盐、金属蓄热材料、有机蓄热材料和复合蓄热材料中的一种或多种。
3.如权利要求2所述的高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述熔盐为氯盐、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐和氟盐中的一种或多种；
和/或，所述金属蓄热材料为铝和/或铅；
和/或，所述有机蓄热材料为石蜡和/或高密度聚乙烯；
和/或，所述复合蓄热材料为由相变材料和高熔点支撑材料组成的混合储热材料，较佳地为金属基相变蓄热复合材料。
4.如权利要求1所述的高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述包壳为耐高温材料，较佳地为可承受300～1700℃的材料，更佳地为石墨、合金和陶瓷中的一种或多种。
5.如权利要求4所述的高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述合金为不锈钢和/或哈氏合金。
6.如权利要求1-5任一项所述的高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述蓄热模块的两端分别设置有第一气体流通口和第二气体流通口，所述第一气体流通口和所述第二气体流通口用于向所述蓄热模块输送所述气体介质或将所述蓄热模块内的所述气体介质排出，一所述蓄热模块上设置的所述第二气体流通口和与其相邻的下游的所述蓄热模块上设置的所述第一气体流通口之间设置有用于输送所述气体介质的管路；
较佳地，所述蓄热模块之间为层叠设置。
7.如权利要求1-5任一项所述的高温梯级相变蓄热装置，其特征在于：所述蓄热模块之间层叠设置，所述第一蓄热模块的一端设置有第一气体流通口，所述第一蓄热模块与第二蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的流通口，该流通口远离所述第一气体流通口所在的端部；所述第二蓄热模块与第三蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口与所述第一气体流通口位于同一端；直至在第n-1蓄热模块与第n个蓄热模块接触的表面开设所述流通口；所述第n蓄热模块中远离其流通口所在的端部上设置有第二气体流通口；
较佳地，所述流通口为网状结构。
8.一种高温梯级蓄热方法，其特征在于：其使用如权利要求1-7任一项所述的高温梯级相变蓄热装置，所述高温梯级蓄热方法包括蓄热模式和释热模式，其中，
蓄热模式：所述气体介质进入所述第一蓄热模块，与所述第一蓄热模块内的所述相变蓄热介质进行换热，然后进入第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块流出；
当所述高温梯级相变蓄热装置为蓄热模式时，进入一所述蓄热模块的所述气体介质的温度高于该所述蓄热模块内部所述相变蓄热介质的相变温度；
释热模式：所述气体介质的流通方向与所述蓄热模式时相反，所述气体介质进入所述第n蓄热模块，与所述第n蓄热模块内的所述相变蓄热介质进行换热，然后进入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块流出；
当所述高温梯级相变蓄热装置为释热模式时，进入一所述蓄热模块的所述气体介质的温度低于该所述蓄热模块内部所述相变蓄热介质的相变温度。
9.如权利要求8所述的高温梯级蓄热方法，其特征在于：当所述蓄热模块的两端分别设置有第一气体流通口和第二气体流通口，一所述蓄热模块上设置的所述第二气体流通口和与其相邻的下游的所述蓄热模块上设置的所述第一气体流通口之间设置有用于输送所述气体介质的管路时，在蓄热模式下，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口进入，流经所述第一蓄热模块，所述气体介质与所述第一蓄热模块内部的所述蓄热单元换热后，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第二气体流通口流出，流经所述管路，并流入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口流出；
在释热模式下，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口进入，流经所述第n蓄热模块，所述气体介质与所述第n蓄热模块内部的所述蓄热单元换热后，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第一气体流通口流出，流经所述管路，并流入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口流出。
10.如权利要求8所述的高温梯级蓄热方法，其特征在于：当所述蓄热模块之间层叠设置，所述第一蓄热模块的一端设置有第一气体流通口，所述第一蓄热模块与第二蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口远离所述第一气体流通口所在的端部；所述第二蓄热模块与第三蓄热模块接触的表面均开设有用于使所述气体介质流通的所述流通口，该流通口与所述第一气体流通口位于同一端；直至在第n-1蓄热模块与第n个蓄热模块接触的表面开设所述流通口；所述第n蓄热模块中远离其流通口所在的端部上设置有第二气体流通口时，在蓄热模式下，所述气体介质从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口进入，流经所述第一蓄热模块，所述气体介质与所述第一蓄热模块内部的所述蓄热单元换热后，所述气体介质流经所述流通口，并流入所述第二蓄热模块，直至最后从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口流出；
在释热模式下，所述气体介质的流通方向与蓄热时相反，所述气体介质从所述第n蓄热模块上设置的所述第二气体流通口进入，流经所述第n蓄热模块，所述气体介质与所述第n蓄热模块内部的所述蓄热单元换热后，所述气体介质流经所述流通口，并流入所述第n-1蓄热模块，直至最后从所述第一蓄热模块上设置的所述第一气体流通口流出。
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