CN110186303A - 蓄热/冷器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储能装置领域，提供一种蓄热/冷器。其包括壳体，所述壳体内填充至少三层固相介质；中间层的所述固相介质具有如下属性中的一个或者多个：中间层的所述固相介质的密度大于其他层所述固相介质的密度，中间层的所述固相介质的孔隙率小于其他层所述固相介质的孔隙率，中间层的所述固相介质的比热容大于其他层所述固相介质的比热容。本发明提供的蓄热/冷器，壳体内填充固相介质，使用时，流入的换热流体与固相介质进行热交换，实现热能或冷能的存储和释放；通过在中间层两侧设置低密度或高孔隙率或低比热容的固相介质，保证在热流密度不变的情况下，减小固相介质的质量，增大温度梯度，抑制内部斜温层的扩展，提高蓄能效率。
Description
技术领域
本发明涉及储能装置技术领域，尤其涉及一种蓄热/冷器。
背景技术
目前能源供需矛盾日益突出，可再生能源装机容量所占份额显著增加，但可再生能源的不确定和间歇性会造成输出能源不稳定，因此储能技术现已成为可再生能源研究领域的热点。
在储能技术中储热储冷技术，既能有效克服用能过程中的不连续性，又能实现供能与用能过程中的良好时空匹配，有着广泛的应用前景。具体地，储热技术可应用于电力系统调峰、航空航天、太阳能利用、余热回收、采暖空调及家用电器工业等领域，储冷技术可用于低温发电、空气分离、低温生物医学、海水淡化以及食品加工、冷库等场合。储热储冷技术的核心部件是蓄热/冷器，其蓄热和蓄冷效率直接决定了储能过程整体的循环效率。
现有的蓄热/冷器结构复杂，采用承压结构和/或多种绝热保温结构，通过真空粉末绝热、多层堆积绝热或多层高压堆积床装置等保温绝热装置改善储能效率，但受绝热装置的限制，储能效率仍旧不高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供蓄热/冷器，用以解决现有的蓄热/冷器储能效率低的问题。
(二)发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种蓄热/冷器，包括壳体，
所述壳体内填充至少三层固相介质；
中间层的所述固相介质具有如下属性中的一个或者多个：
中间层的所述固相介质的密度大于其他层所述固相介质的密度，中间层的所述固相介质的孔隙率小于其他层所述固相介质的孔隙率，中间层的所述固相介质的比热容大于其他层所述固相介质的比热容。
其中，所述壳体设有第一流体进出口与第二流体进出口，靠近所述第一流体进出口与所述第二流体进出口分别填充多孔介质形成两层多孔介质层，两层所述多孔介质层分别位于所述固相介质的两端。
其中，所述多孔介质包括多孔碳化硅、多孔不锈钢、多孔镍和多孔钛的一种或多种。
其中，所述固相介质包括金属、岩石、矿石、矿渣和混凝土的一种或多种。
其中，相邻两层所述固相介质之间设有隔板。
其中，所述壳体包括内壁与外壁，所述内壁与所述外壁之间设有保温层。
其中，所述保温层包括气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩和发泡水泥的一种或多种。
其中，所述内壁与所述外壁的材料分别为钛、铝或钢。
其中，所述壳体的底部安装有支撑结构，所述支撑结构位于所述内壁与所述外壁之间。
其中，所述支撑结构包括多个，多个所述支撑结构分散安装于所述壳体的底部。
(三)有益效果
本发明提供的蓄热/冷器，壳体内填充固相介质，使用时，流入的换热流体与固相介质进行热交换，实现热能或冷能的存储和释放；通过在中间层设置高密度或低孔隙率或高比热容的固相介质，提高蓄热/冷器储热/冷量，通过在中间层两侧设置低密度或高孔隙率或低比热容的固相介质，保证在热流密度不变的情况下，减小固相介质的质量，增大温度梯度，抑制内部斜温层的扩展，提高蓄能效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例蓄热/冷器的结构示意图；
图中：1、中间层；2、顶层；3、底层；4、第一流体进出口；5、第二流体进出口；6、多孔介质层；7、内壁；8、外壁；9、保温层；10、隔板；11、支撑结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的蓄热/冷器，如图1所示，包括壳体，该壳体为腔体结构，内部填充固相介质，固相介质由密度不同或孔隙率不同或比热容不同的材料呈多层排布。固相介质至少有三层，分别为中间层1、顶层2和底层3，顶层2和底层3分布在中间层1的相对两侧。当壳体内部填充孔隙率不同的固相介质时，中间层1内的固相介质的孔隙率小于顶层2和底层3的固相介质的孔隙率；当壳体内填充的固相介质密度不同时，中间层1内的固相介质的密度大于顶层2和底层3的固相介质的密度。同样的，当壳体内填充比热容不同的固相介质时，中间层1内的固相介质的比热容大于顶层2和底层3的固相介质的比热容。需要说明的是，固相介质也可分为四层、五层或六层等设置，当为四层设置时，中间两层固相介质的孔隙率均低于其他两层或者密度高于其他两层的即可；当为五层时，从中间向两侧，密度减小或者孔隙率增大；当设置其他层数时，照此类推，不再具体说明。
另外，中间层的固相介质可以仅满足孔隙率小、密度大和比热容大三者中的一个条件，也可以同时满足其中两个属性要求，还可以同时满足三者的属性要求。对此，本发明实施例不做具体限定。
其中，中间层1的固相介质可选用密度较大的金属、岩石、矿石、矿渣、混凝土等一种或多种混合物材料，中间层1相对两侧的固相介质可以选用密度较小的金属、非金属等材料。另外，中间层1的固相介质也可以选用孔隙率较小的金属、岩石、矿石、矿渣、混凝土等一种或多种混合物材料，其两侧可以选用孔隙率较大的金属、岩石、矿石、矿渣、混凝土等一种或多种混合物材料。需要说明的是，中间层1与其他层的固相介质材料种类可以相同，也可以不同，只要两者的密度或孔隙度不同即可。比如各层的固相介质均为岩石，但不同层的岩石孔隙率或密度不同。
本发明实施例提供的蓄热/冷器，壳体内填充固相介质，使用时，流入的换热流体与固相介质进行热交换，实现热能或冷能的存储和释放；换热流体与固相介质在换热过程中产生温度梯度较大的自然分层(即斜温层)，随着换热过程的进行，斜温层的厚度会逐步增大，换热流体的流出端会形成较厚的斜温层，本发明实施例提供的蓄热/冷器通过在顶层2和底层3设置低密度或高孔隙率的固相介质，保证在热流密度不变的情况下，减小固相介质的质量，增大温度梯度，抑制内部斜温层的扩展，提高蓄能效率。
具体地，包括第一流体进出口4与第二流体进出口5，靠近第一流体进出口4和第二流体进出口5分别填充多孔介质形成两个多孔介质层6，多孔介质层6同样位于壳体内，并分布在固相介质的两端，由此，外部流体不管从第一流体进出口4还是从第二流体进出口5进入后，都先经过多孔介质层6之后再与固相介质发生热交换，借助多孔介质进一步降低斜温层的厚度并限制其扩张速度。其中，多孔介质为多孔碳化硅如陶瓷类、活性炭等非金属材料、多孔不锈钢、镍、钛等金属材料一种或多种混合物。多孔介质层6可以保证换热流体以均匀的流速流过固相介质；另外，相比于连续介质，多孔介质相对密度低、比强度高、比表面积高，能够进一步降低斜温层厚度并限制其扩张速度。
具体地，壳体包括内壁7及外壁8，内壁7与外壁8之间存在间隙，该间隙内填充保温材料形成保温层9。在内壁7环绕的腔体内填充固相介质及多孔介质。其中，内壁7和外壁8均选用强度高、性质稳定、导热系数低的金属材料钛、铝、钢等制成，两者可以选用同样的材质也可以选用不同的材质。内壁7和外壁8之间的间隙为真空环境，保温层9采用导热系数小、密度低、化学性质稳定且具有一定强度的保温材料制成，比如气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩、发泡水泥等。
其中，相邻两层固相介质之间安装有隔板10，起到导流作用的同时削弱壳体的轴向导热性，提高蓄热和蓄冷性能，另外还可以起到支撑作用。隔板10采用筛板，借助筛板上均匀设置的筛孔，过提高过滤性。隔板10选用强度高、性质稳定、导热系数低的金属材料或非金属材料制成。
另外，第一流体进出口4与第二流体进出口5相对设置，当换热流体从第一流体进出口4或第二流体进出口5流入壳体时，换热流体可以直接与固相介质接触进行热交换。除此之外，还可以在壳体内设置流通管道，流通管道的两端分别与第一流体进出口4和第二流体进出口5相连，换热流体从第一流体进出口4或第二流体进出口5流入流通管道，并与流通管道和壳体的内壁7之间填充的固相介质间接换热。
在壳体的底部安装支撑结构11，该支撑结构11位于内壁7和外壁8之间。具体地，支撑结构11选用抗压强度大、化学性质稳定且导热系数低的金属或非金属材料制成，其可以呈圆环状，套设在内壁7的外侧提供支撑力，也可以设置多个支撑块通过多点支撑的方式提供支撑力支撑壳体内填充的介质。
本发明实施例中的换热流体可以为气体也可以为液态或者气液混合物。
使用过程如下：储/释能前期，将不同密度或不同比热容或不同孔隙率的固相介质及隔板10分层按序装入，完成固相介质的堆积。
储热阶段，高温的换热流体由第一流体进出口4进入，通过多孔介质层6进入固相介质。高温换热流体先后通过不同密度或不同孔隙率或不同比热容的固相介质的间隙，与固体介质直接或间接接触，进行换热后温度降低，降温后的低温流体从第二流体进出口5流出。分层设置的固相介质吸热获得热能，温度升高。当换热流体的温度降至低温截止温度时，关闭第一流体进出口4和第二流体进出口5，进入保温阶段，从而使高温换热流体携带的热量储存于固相介质内，完成储热。
释热阶段，低温的换热流体由第二流体进出口5进入壳体，流经多孔介质层6后，与固相介质进行热交换，获得固相介质存储的热能后，温度升高流出，同时固相介质的温度下降。当流出的换热流体温度到达高温截止温度时，关闭第一流体进出口4和第二流体进出口5，完成释热。
储冷阶段，低温的换热流体从第二流体进出口5进入，通过多孔介质层6进入壳体。低温的换热流体先后通过不同密度或孔隙率或比热容的固相介质间隙，与固体颗粒直接或间接接触，进行换热后温度升高，升温后的高温流体从第一流体进出口4流出蓄热/冷器。分层的固相介质获得冷能后，温度降低。当流出的换热流体温度达到高温截止温度时，关闭第一流体进出口4和第二流体进出口5进入保温阶段，完成储冷。
释冷阶段，高温的换热流体从第二流体进出口5进入壳体内，流经多孔介质层6后，与不同密度或孔隙率的低温固相介质进行热交换，获得固相介质的冷能后，换热流体温度降低并从壳体内流出，同时固相介质温度升高。当流出的换热流体温度达到低温截止温度时，关闭第一流体进出口4和第二流体进出口5，完成释冷。
本发明实施例提供的蓄热/冷器，适用于换热温差较大、蓄冷和蓄热频繁的场合，并能有效削弱蓄热/冷器内不同位置处固相介质温度渐变引起斜温层沿换热流体的流动方向非线性迁移和扩展，提高换热效率。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种蓄热/冷器，包括壳体，其特征在于，所述壳体内填充至少三层固相介质；
中间层的所述固相介质具有如下属性中的一个或者多个：
中间层的所述固相介质的密度大于其他层所述固相介质的密度，中间层的所述固相介质的孔隙率小于其他层所述固相介质的孔隙率，中间层的所述固相介质的比热容大于其他层所述固相介质的比热容。
2.根据权利要求1所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述壳体设有第一流体进出口与第二流体进出口，靠近所述第一流体进出口与所述第二流体进出口分别填充多孔介质形成两层多孔介质层，两层所述多孔介质层分别位于所述固相介质的两端。
3.根据权利要求2所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述多孔介质包括多孔碳化硅、多孔不锈钢、多孔镍和多孔钛的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述固相介质包括金属、岩石、矿石、矿渣和混凝土的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的蓄热/冷器，其特征在于，相邻两层所述固相介质之间设有隔板。
6.根据权利要求2所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述壳体包括内壁与外壁，所述内壁与所述外壁之间设有保温层。
7.根据权利要求6所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述保温层包括气凝胶毡、玻璃棉、岩棉、膨胀珍珠岩和发泡水泥的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述内壁与所述外壁的材料分别为钛、铝或钢。
9.根据权利要求6所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述壳体的底部安装有支撑结构，所述支撑结构位于所述内壁与所述外壁之间。
10.根据权利要求9所述的蓄热/冷器，其特征在于，所述支撑结构包括多个，多个所述支撑结构分散安装于所述壳体的底部。
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