CN110608625A - 一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，其特征在于，从结构和换热方式上采用以热管插入蓄热体直接吸收固体热量的结构形式，通过调节热管插入蓄热体的深度，来调节蓄热体与热管之间的换热量，从而调节对被加热液的传热量和被加热液的出口温度。其主要由蓄热体、电加热元件、热管（组）及集箱、升降机构、弹性蛇形管（或螺旋管）、保温层及框架等部件组成。热管（组）及集箱插入蓄热体深度通过升降装置将热管（组）及集箱整体提升或下降来调节，蓄热体和被加热液进出口为静止的，热管（组）及集箱整体为运动的，静止部件与运动部件之间由弹性蛇形管（或螺旋管）实现软连接，弹性蛇形管（或螺旋管）的伸缩量与热管（组）及集箱组件的升降行程相等。

Description

一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器

技术领域

本发明涉及谷电利用的供热领域，特别是涉及一种将电能转换为热能储存在蓄热体内并延时释放的蓄热器，具体的说是一种将谷电电能转化为固体的显热热能，并通过调节热管插入蓄热体深度，调节热能输出热功率大小的高温固体蓄热器，本发明适用于将水加热的供暖领域、将原油（含水）加热的石油集输领域、将导热油加热的工业领域。

背景技术

蓄热器是一种可控的延时释放热能的装置，它将谷电期间的电能转换为热能后暂时储存在蓄热器中，在用电高峰期间释放热能，“削峰填谷”，对平衡电网优化电能的利用有着重要作用。

目前的高温固体电蓄热器，蓄热材料为金属氧化物耐火材料（例如氧化镁砖等），蓄热温度可达到800-1000℃，其单位体积蓄热量在各种不同类型（例如水蓄热、熔盐蓄热、固-液相变蓄热）的蓄热器中是最高的，有体积小、控制灵活、自动化程度高的优点，在解决目前的城市空间有限、低谷电过剩、环保等问题上有很广的应用前景。但由于蓄热材料是固体，并且储存热能为高温，使得高温固体热能很难被直接利用，而必须经过二次换热转换才能被低温介质所吸收，这使得系统变的复杂，成本增加。

现有的高温固体电蓄热器都以空气作为二次换热循环介质。风机的排出的空气进入高温蓄热体的内部通道，吸收蓄热体的热量后经过高温通道进入气-液换热器的空气侧入口，经气-液换热器放热后，低温空气从出口排出，低温空气经低温风道进入风机进口，增压后再次进入高温蓄热体的内部通道，完成循环；被加热介质（如水、原油、导热油）经过气-液换热器后，被加热到所需温度输出。被加热介质的温度控制是通过风机的调速实现的，流经风机的风量越小/大，高温固体传输给被加热介质的热量也就越小/大，被加热介质的出口温度也就越低/高。现有的高温固体蓄热工艺流程如图4。

现有已知的高温固体电蓄热技术中，由于都使用了空气作为二次换热循环介质这种技术方案，在蓄热器内部结构中，必须留出较大尺寸的空气通道，设计合理的风道走向，使蓄热体内部在放热过程中不发生温度较大偏差；同时还需要给风机、外部保温风道、气-液换热器留出足够的空间。这增大了蓄热器设备的体积，特别对于中小型的高温固体电蓄热器，这一矛盾更加突出，与水蓄热方案综合比较，优势已不是非常明显。

进一步的，由于使用了空气作为二次换热循环介质这种技术方案，系统中不可避免的需要设有风机和气-液换热器。风机为运动部件，且要求为耐温、可调速风机，这增加了设备的维护费用；气-液换热器需要单独设置在蓄热体之外，增加了设备的体积和成本。同时，氧化镁砖这种蓄热材料来源并不广泛，成本偏高，需要定制，这些都增加了设备的制造成本。

另外，由于在保温层与蓄热体之间有风道存在，保温层缺少蓄热体的支撑，而必须采用模块化的保温层，这增大了保温层厚度和设备体积。由于二次换热转换，蓄热体保温层、风道及风机都不可避免存在漏风热损失，并且需要设有保温风道，散热损失增大，降低了蓄热器总的热效率。

发明内容

本发明提出一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，所解决的技术问题是，改变由于使用空气作为二次换热循环介质这种技术方案所带来的上述问题，提供一种新型结构和换热方式的高温固体电蓄热器，在保留现有高温固体电蓄热器优点的基础上，进一步减小体积、减少制造成本、提高热效率、减少设备的维护费用。

本发明是通过如下技术方案来完成的：一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，从结构和换热方式上采用以热管插入蓄热体直接吸收固体热量的结构形式，通过调节热管插入蓄热体的深度，来调节蓄热体与热管之间的换热量，从而调节对被加热液的传热量和被加热液的出口温度。

所述的一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，主要由蓄热体、电加热元件、热管（组）及集箱、升降机构、弹性蛇形管（或螺旋管）、保温层及框架等部件组成。热管（组）及集箱插入蓄热体深度通过升降装置将热管（组）及集箱整体提升或下降来调节，蓄热体、保温层、框架和被加热液进出口为静止部件，热管（组）及集箱组件为运动部件，静止部件与运动部件之间由弹性蛇形管（或螺旋管）实现软连接，弹性蛇形管（或螺旋管）的伸缩量与热管（组）及集箱组件的升降行程相等。

所述的一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，由于没有了中间空气换热通道，蓄热体可采用高铝矾土耐火水泥砌筑而成，其蓄热温度可以达到850～1050℃，其来源广泛，相比镁蓄热砖价格低廉。

所述的一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，插入的热管与孔道内壁间隙为3～4mm，高温固体蓄热体与热管之间的换热方式为既有辐射传热、也有固体导热和对流传热的复合传热方式，以辐射传热为主，对流和热传导为辅。

所述的一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，其绝热保温层直接与高温固体接触，中间没有空气通道，体积更加紧凑。

所述的一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，由于其没有采用空气作为二次换热循环介质这种技术方案，可省去气-液换热器、风机、风管道等组件，节省了很大空间和制造成本，体积更加紧凑。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明热管组及集箱、弹性蛇形管连接俯视图。

图3为本发明蓄热体剖视图。

图4为现有的高温固体蓄热工艺流程图。

图中：1-保温层，2-蓄热体，3-电加热元件，4-热管，5-弹性蛇形管，6-集箱，7-升降机构，8-位移传感器，9-温度传感器，10-被加热液出口，11-被加热液进口，12-框架，13-蓄热体温度传感器，14-连接弯头，15-电热元件孔道，16-热管孔道，21-扁状蓄热体，41-热管热端，42-热管冷端，43-加厚管件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细介绍。

一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，如图1所示，包括由蓄热体2和框架12、保温层1等组成的静止组件，和由热管（组）4、集箱6等组成的运动组件，静止组件与运动组件之间有弹性蛇形管5连接。

所述的多根热管4、集箱6等组成的运动组件，由升降机构7牵引，热管4在蓄热体2内部做上下升降运动，升降机构7上设置有位移传感器8，用于测量热管4插入蓄热体2的深度，热管4的数量根据蓄热器热容量大小计算得出，可任意组合，升降机构7的动作受控制系统控制。

如图2所示的实施实例，两组立式放置的弹性蛇形管5连接集箱6和被加热液出口10和被加热液进口11，弹性蛇形管5也可为螺旋管，起到软连接的作用，集箱6之间由连接弯头14连通，使被加热液按集箱6的轴线方向流动。所述的热管4由热管热端41和热管冷端42组成，热管热端41插入蓄热体2并且可以改变插入深度，热管冷端42插入集箱6内并与被加热液接触，且不可改变插入深度，热管的冷端和热端之间为加厚管件43，加厚管件43与集箱6焊接连接，热管4起到将蓄热体2的高温热量传输给被加热液的作用。热管组的排列为正方形或矩形排列，热管孔道为上下垂直布置，热管4为现有成熟技术，当被加热液温度为30～200℃的水或原油时，可采用水-碳钢重力热管，当被加热液温度为150～395℃的导热油时，可采用以导热姆为传热介质的重力热管。

一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，如图3所示，所述的蓄热体2由多层扁状蓄热体21组合而成，扁状蓄热体21由预制的高铝矾土耐火水泥浇筑而成，也可由其他低成本高蓄热密度的耐高温固体材料构成，多层的混凝土预制的扁状蓄热体21逐层码放，多层结构可防止因温度梯度较大造成浇筑的混凝土开裂，蓄热体2内部预制了热管孔道16、电热元件孔道15、蓄热体温度传感器13孔道。电热元件孔道15为水平布置，蓄热体温度传感器孔道为水平布置。热管4与热管孔道16内壁间隙为3～4mm，做升降运动，电热元件孔道15内安放电热元件3，蓄热体2的四周为保温层1，并与框架12之间有连接固定，防止运输过程中滑动。蓄热体2在释放热量的过程中，为非稳态传热，其温度场分布为上低下高，在同一高度的蓄热体2断面上温度基本相等，当蓄热体与热管温度相差较大时，放热以辐射热为主，当蓄热体与热管温度相差较小时，放热以对流换热和固体导热为主。

所述的电加热元件3安放在电热元件孔道15中，用于在谷电时段对蓄热体2的加热，电加热元件3可以为圆丝状，也可为带状、管状，多组电加热元件3的电气连接可采用“星”形或“三角”形接法，各组之间的连接导体都埋放于保温层1内部，减少对外的热损失，增加蓄热器热效率。

被加热液出口10和被加热液进口11上设有温度传感器9，蓄热体2上设有蓄热体温度传感器13，这些温度信号传输给控制系统，用于显示和控制蓄热器的工作状态。

蓄热器温度控制原理：蓄热器放热是一个持续的过程，放热过程中蓄热体2的温度逐层缓慢下降，当控制系统检测到被加热液出口10温度下降超过某设定值时，控制系统给升降机构7发出信号，执行一次固定长度的下降动作；当控制系统检测到被加热液出口10温度上升超过某设定值时，控制系统给升降机构7发出信号，执行一次固定长度的上升动作。蓄热器在进行蓄热时，控制系统延时某设定时间后给升降机构7发出信号，将热管4一次提升到某设定深度。蓄热器在蓄热和放热过程中，传热都会有延时发生，升降机构7的动作通过控制系统参数的设置完成。

Claims (8)

1.一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，其特征在于，从结构和换热方式上采用以热管插入蓄热体直接吸收固体热量的结构形式，通过调节热管插入蓄热体的深度，来调节蓄热体与热管之间的换热量，从而调节对被加热液的传热量和被加热液的出口温度。

2.根据权利要求1所述的一种热管插入蓄热体深度可调的高温固体电蓄热器，其特征在于，蓄热器主要由蓄热体、电加热元件、热管（组）及集箱、升降机构、弹性蛇形管（或螺旋管）、保温层及框架等部件组成，热管（组）插入蓄热体深度通过升降装置将热管（组）及集箱整体提升或下降来调节，蓄热体、保温层、框架和被加热液进出口为静止部件，热管（组）及集箱组件为运动部件，静止部件与运动部件之间由弹性蛇形管（或螺旋管）实现软连接，弹性蛇形管（或螺旋管）的伸缩量与热管（组）及集箱组件的升降行程相等。

3.根据权利要求2所述的蓄热器，其特征在于，蓄热体由多层扁状蓄热体组合而成，扁状蓄热体由预制的高铝矾土耐火水泥浇筑而成，也可由其他低成本高蓄热密度的耐高温固体材料构成，蓄热体内部预制了热管孔道、电热元件孔道、蓄热体温度传感器孔道。

4.根据权利要求2所述的蓄热器，其特征在于，热管（组）、集箱等组成的可升降组件，由升降机构牵引，热管（组）在蓄热体内部做上下升降运动，升降机构上设置有位移传感器，用于测量热管（组）插入蓄热体的深度，升降机构的动作受控制系统控制。

5.根据权利要求2所述的蓄热器，其特征在于，弹性蛇形管连接集箱和被加热液出口和被加热液进口，集箱连接热管（组），弹性蛇形管立式放置，也可为螺旋管，起到软连接的作用，集箱之间由连接弯头连通，使被加热液按集箱的轴线方向流动。

6.根据权利要求2所述的蓄热器，其特征在于，所述的热管热端插入蓄热体，热管冷端插入集箱内并与被加热液接触，热管为现有成熟技术的重力热管，起到将蓄热体的高温热量传输给被加热液的作用。

7.根据权利要求5所述的蓄热器，其特征在于，热管组的排列为正方形或矩形排列。

8.根据权利要求3所述的蓄热器，其特征在于，热管孔道为上下垂直布置，电热元件孔道为水平布置，蓄热体温度传感器孔道为水平布置。