CN110553527A - 一种多层填充床储热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层填充床储热装置，包括一个罐体，所述的罐体中设置有至少两层填充床，包括上层填充床和下层填充床，分别堆积高温储热介质、低温储热介质；罐体中设置有一个中心管，中心管从罐体上部向下垂直穿过上层填充床和下层填充床并延伸到下层填充床的下方，中心管上端连接有燃气燃烧器，中心管在各层填充床处开有星状布置的烟气换热管，该管经填充床后至罐壁排烟层，烟气最后经阀口排出。本发明利用多层填充床扩宽了储热温度范围，提高了储热效率，一体式配置的燃烧器能满足电源供应或者电加热设备出现故障时的多能量来源补热，同时大幅减小了设备材料用量和用地面积，节省整体投资。

Description

一种多层填充床储热装置

技术领域

本发明专利涉及储能技术领域，具体涉及一种多层填充床储热装置。

背景技术

我国的可再生能源正处于快速大规模发展的新时期，风能、太阳能等可再生能源具有明显的波动性和间歇性，大规模直接纳入将冲击影响电网的安全稳定，目前整体的弃风弃光现象严重。另一方面，我国电力供应侧与需求侧匹配度不高，“谷电”无法消纳的问题严重，夜间“赋闲”的机组容量多达4亿千瓦。对此，采用储能技术是促进可再生能源利用、解决电网峰谷差问题的关键手段。

近几年兴起的蓄热储能发电多采用熔盐或固体介质，如公开号为CN108534578A提供的一种两层变球径填充床储热装置，上层布置大直径储热球，下层布置小直径储热球；以及公开号为CN103388999提供的一种喷淋式填充床蓄热装置，采用液态流体为传热介质，固体材料为蓄热介质。其中熔盐(NaNO₃-KNO₃,60-40wt.％)熔点为220℃左右，最高温度不超过600℃，采用双罐设计，设备材料用量大，占地面积大。固体介质多用耐高温砌块或耐高温浇筑料在现场砌筑或者浇筑，投运后系统调节的灵活性有限。现有技术主要通过将过剩电能转为热能加热相应介质并储热，其明显缺陷在于：当电源供电或电加热设备出现故障时系统将无法储热，系统的发电和供热的可靠性无法保障。

发明内容

本发明为解决上述可靠性问题，并弥补单一储热介质的温度范围窄、调节性差的不足，发明了一种多层填充床储热装置，有效增强传热流体与填充床内蓄热介质的热交换能力，同时提高储热装置的运行可靠性。

为实现上述的发明目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种多层填充床储热装置，包括一个罐体，所述的罐体中设置有至少两层填充床，包括上层填充床和下层填充床，分别堆积高温储热介质、低温储热介质；

所述的罐体中设置有一个中心管，中心管从罐体上部向下穿过上层填充床和下层填充床并延伸到下层填充床的下方，中心管上端连接有燃气燃烧器，中心管在各层填充床处开有辐射状分布的烟气换热管，该烟气换热管穿过填充床后延伸至罐壁排烟层，内部烟气由罐壁上的阀口排出。

本发明中不仅限于设置两层填充床，所述填充床的层数可根据需要增加，例如三层或更多层。

优选的，所述上层填充床和下层填充床的底部均采用多孔的挡件板支撑随机堆积的储热介质。

优选的，所述高温储热介质为工作温度范围在300-1000℃的高温储热固体颗粒；所述低温储热介质为工作温度范围在50-300℃的低温储热固体颗粒。

进一步优选的，所述高温储热介质为陶瓷球、火山岩或烧结块矿中一种或至少两种混合颗粒；所述低温储热介质采用包裹有相变材料的胶囊型材料。可增加填充床级数以增加多类相变材料适应宽泛低温区间。

所述的罐体上部开有储热流体进口，优选的为罐体上部两侧布置的管状部件，所述的罐体下部开有储热流体出口，优选的为罐体底部中心布置的管状部件。所述的传热流体包括空气、水、熔盐等。传热流体从进口进入，依次流经上层高温介质填充床、下层低温介质填充床进行充分换热，而后从出口排出。所述的罐体外壳包括内侧的排烟层，外侧的保温层。

中心管即为燃气燃烧室，所述的中心管顶端连接有燃气燃烧器，底端封口；辐射状分布的烟气换热管与中心管连通，并穿过各填充床的中间平面。

优选的，所述的烟气换热管沿罐体圆截面等角度布置，数目为6-12根，烟气换热管贯穿中心筒与罐体排烟层。

本发明中，蓄热/释热过程中，传热流体从罐体顶部进入，依次流经上层高温介质填充床、下层低温介质填充床进行充分换热，而后从底部出口排出；过程中可选择性开启燃气燃烧器进行补热，烟气从排烟阀口排出。

优选的，上层填充床与下层填充床、下层填充床与罐体的底面之间均设置有间隙。

本发明的工作流程是：

先将适量的高温储热固体介质、低温储热固体介质分别自然堆积至多孔挡件板上，形成多层填充床。在蓄热过程中，高温传热流体从罐体顶部的传热流体入口进入，在压力差或者重力的作用下依次穿透过高温储热固体介质床、低温储热固体介质床，传热流体携带的热量在流动过程中传递给储热固体介质并储存起来，最后传热流体从罐体底部流出。

在释热过程中，低温传热流体从罐体顶部的传热流体入口进入，在压力差或者重力的作用下依次穿透过高温储热固体介质床、低温储热固体介质床，原来存储在固体介质中的热量传递给低温传热流体，最终传热流体携带存储的热量从罐体底部流出。

当电源供应或者电加热设备出现故障时，蓄热阶段储存热量不足。此时采用一体式的燃气加热器对罐体及传热流体进行补热。罐体的中心筒充当燃气加热器的燃烧室，高温烟气流经高温烟气换热管主要与高温储热固体介质换热，低温烟气流经低温烟气换热管主要与低温储热固体介质换热，两股烟气汇流至罐体内侧的排烟层最终从底部的烟气排出口排出。燃烧的烟气同时可与罐体内流经的传热流体换热，整体热交换强度与均匀性好，保证释热阶段的低温传热流体最终满足出口温度要求，实现平稳的发电或者供热。

同现有技术相比，本发明的多层填充床储热装置具有结构简单、成本低、工作寿命长、运行可靠性高、蓄热效率高、热能品位高等优点，特别适用于容量大、温度范围大的电制热供能系统。

附图说明

图1是本发明的多层填充床储热装置的结构示意图。

图1中：1-燃气加热器；2-传热流体入口；3-中心筒；4-高温储热固体介质；5-多孔挡件板；6-低温储热固体介质；7-烟气排出口；8-底座支撑件；9-传热流体出口；10-低温烟气换热管；11-高温烟气换热管；12-罐体排烟层；13-罐体外壳及保温层。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。本文中所涉及的方位词“上”、“下”、“左”和“右”，是以对应附图为基准而设定的，可以理解，上述方位词的出现并不限定本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例的多层填充床储热装置，包括底座8以及设置在底座8上的罐体外壳及保温层13。装置设有位于罐体顶部中心的燃气加热器1、位于罐体顶部两侧的两个传热流体入口2，位于罐体底部中心的传热流体出口9。罐体内部布有两层填充床，上部的高温储热固体介质4采用陶瓷球，下部的低温储热固体介质6采用相变胶囊颗粒，固体介质均布置在多孔挡件板5上自由堆积。罐体内部设有中心筒3，其上部与燃气加热器1连接，下部封口。中心筒3与高温储热固体介质4接触的中间平面设有8根高温烟气换热管11，与低温储热固体介质6接触的中间平面设有8根低温烟气换热管10，每根高温烟气换热管11与低温烟气换热管10的间隔角度均为45°，管径大小一致，均连通了中心筒3与罐体排烟层12。

此实施例的多层填充床储热装置在蓄热时，中高温传热流体由罐体顶端的传热流体入口2从两侧进入罐内，在压力差的作用下从高温储热固体介质4的颗粒堆积形成的微细通道中穿过，随后穿透多孔挡件板5继续下行穿透低温储热固体介质6，在此流动过程中与固体储热介质表面换热，将高温热能传给固体储热介质，最后经传热流体出口9排出。当排出温度达到某一设定值时，认为整体装置蓄热已满，关闭传热流体的进入，结束蓄热。此过程中，燃气加热器1无需开启，罐体排烟层12中为封闭的空气填充，能辅助起到隔热保温作用。

多层填充床蓄热装置若已经储存一定热量并开始保温阶段时，关闭顶部的传热流体入口1和底部的传热流体出口9。

此实施例的多层填充床储热装置在释热时，低温传热流体由罐体顶端的传热流体入口2从两侧进入罐内，在压力差的作用下从高温储热固体介质4的颗粒堆积形成的微细通道中穿过，随后穿透多孔挡件板5继续下行穿透低温储热固体介质6，在此流动过程中与固体储热介质表面换热，高温热能将从固体储热介质传递到低温传热流体。低温传热流体将储存的热量吸收后传热流体出口9排出。当排出温度达到某一设定值时，认为整体装置热量已释放完毕，关闭传热流体的进入，结束蓄热。

此实施例的多层填充床储热装置，当电源供应或者电加热设备出现故障时，蓄热阶段储存热量不足。此时在蓄热或释热阶段，开启燃气加热器1，在中心筒3中形成高温喷射火焰，部分高温烟气经高温烟气换热管11到达罐体排烟层12，沿程将热量传递给管外的高温储热固体介质4，部分尾端较低温度烟气经低温烟气换热管10到达罐体排烟层12，沿程将热量传递给管外的低温储热固体介质6。所有烟气最终经罐体排烟层12汇集从烟气排出口7排出。中心筒内的热量同时可与外部流经的传热流体进行换热，保证释热阶段的低温传热流体在从传热流体出口9排出前能升高到预定温度，能够满足后续的发电或供热要求。

上述实施例中仅示出两层的填充床储热装置，三层或更多层结构的填充床储热装置与两层结构的原理相似，三层或更多层结构的填充床储热装置应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (10)

1.一种多层填充床储热装置，包括一个罐体，其特征在于：所述的罐体中设置有至少两层填充床，包括上层填充床和下层填充床，分别堆积高温储热介质、低温储热介质；

所述的罐体中设置有一个中心管，中心管从罐体上部向下穿过上层填充床和下层填充床并延伸到下层填充床的下方，中心管上端连接有燃气燃烧器，中心管在各层填充床处开有辐射状分布的烟气换热管，该烟气换热管穿过填充床后延伸至罐壁排烟层，内部烟气由罐壁上的阀口排出。

2.根据权利要求1所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述上层填充床和下层填充床的底部均采用多孔的挡件板支撑随机堆积的储热介质。

3.根据权利要求2所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述高温储热介质为工作温度范围在300-1000℃的高温储热固体颗粒；所述低温储热介质为工作温度范围在50-300℃的低温储热固体颗粒。

4.根据权利要求1或3所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述高温储热介质为陶瓷球、火山岩或烧结块矿中一种或至少两种混合颗粒；所述低温储热介质采用包裹有相变材料的胶囊型材料。

5.根据权利要求1所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述的罐体上部开有储热流体进口，所述的罐体下部开有储热流体出口，通入的传热流体为空气、水或熔盐。

6.根据权利要求1所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述的罐体外壳包括内侧的排烟层，外侧的保温层。

7.根据权利要求1所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述的中心管顶端连接有燃气燃烧器，底端封口；辐射状分布的烟气换热管与中心管连通，并穿过各填充床的中间平面。

8.根据权利要求7所述的多层填充床储热装置，其特征在于：所述的烟气换热管沿罐体圆截面等角度布置，数目为6-12根，烟气换热管贯穿中心筒与罐体排烟层。

9.根据权利要求1所述的多层填充床储热装置，其特征在于：蓄热/释热过程中，传热流体从罐体顶部进入，依次流经上层高温介质填充床、下层低温介质填充床进行充分换热，而后从底部出口排出；过程中可选择性开启燃气燃烧器进行补热，烟气从排烟阀口排出。

10.根据权利要求1所述的多层填充床储热装置，其特征在于：上层填充床与下层填充床、下层填充床与罐体的底面之间均设置有间隙。