CN111238279B

CN111238279B - 一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法

Info

Publication number: CN111238279B
Application number: CN202010021470.1A
Authority: CN
Inventors: 匡荛; 朱慧君; 刘光鹏; 毛宇波
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2040-01-09
Also published as: CN111238279A

Abstract

本发明公开了一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，通过接力放热的方式实现持续稳定的热能供应，满足用户侧的功率和温度需求；玄武岩熔体的稳定性还保证了多次充放热后的高能效，解决了移动式供热储能密度不高、费用昂贵的弊端，同时充分利用了可再生能源和低品位废热，达到节能减排的效果。

Description

一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法

技术领域

本发明涉及领域，尤其是一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法。

背景技术

出于生产生活的需要，用户希望获得放热温度和放热功率都稳定的热能供应。由于管道供热的局限性以及可再生能源供热存在不连续、不稳定的问题，因此我们希望把零散分布于各充热节点的热能充入标准化的TES系统模块，以车载运输至用户处释放，通过储热模块接力的方式实现热能连续稳定的供应。

在现有移动储热输配方案中，面临如下典型困难：1，储能密度不高导致单位能量分摊的运费较贵；2，导热能力差导致充放热功率小、时间慢；3，长期储热、传热性能衰减比较厉害。目前，热力输配方式主要有管道和车载运输的两种。但是如前所述，前者供应针对需求稳定的大节点、大客户群；后者技术经济可行性还不够好，因此需进一步发展移动储热技术，满足中小型分布式用户的市场需求。

为实现节能环保的目标，可再生能源和工农业废热过热可成为移动式充热热源的优选。目前，存在一类“不利用，即污染”的热源：1)矿井低浓度通风瓦斯(主要成分是甲烷)。浓度一般低于1％，难以利用，排放到大气造成的温室效应是二氧化碳的21倍。2)工业挥发性有机化合物(VOCs)，对人体具有毒性，也是形成光化学烟雾和PM2.5的重要前体。3)农村秸秆和数量众多的中小型禽畜养殖场粪便形成的沼气。其单个沼气点的总量低、产量波动大，特别是低温季节需额外能量维持反应温度，难以就地转化为经济价值。这三类能源均存在总量巨大、难以利用、污染严重的特点。由于我们的储热箱除了储热之外，还可以作为逆流式热力氧化器使用，将这类难以利用的热源转化为高品位热能，并进一步地进行模块化输配，可以显著提高这类能源利用经济可行性，同时也作为分布式供热互联网重要的组网节点，兼具节能和减排的作用。

本技术利用流体横掠棒束可获得较高的流-固换热系数，放热功率随流速的增加而增加。这意味着采用同样的标准TES模块，可以有很宽泛的额定放热功率及其波动范围供选择，因而能够灵活地适应不同用户的需求。另外，采用价格低、易获取的玄武岩熔体作为储热介质，可以保障800MJ/t的储能密度和长期热稳定性。随着放热的进行，储热模块的热量降低，出口换热流体的温度减小，放热出现不稳定现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，能够通过接力放热的方式实现持续稳定的热能供应，满足用户侧的功率和温度需求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，包括如下步骤：

(1)从进口到出口的储热箱依次记为1，2，3，……，N，新增加的储热箱记为N+1，N+2，……；系统进口处储热箱1完成放热，关闭此处储热箱进出口阀门，更换储热箱N+1；完成后，调整系统中换热流体的阀门顺序，选用储热箱2的进口作为新的流体进口，储热箱N+1作为流体最后换热的出口，其余箱体阀门打开顺序不变；

(2)系统中间段储热箱(2，3，……，N-1)完成放热，关闭此处储热箱进出口阀门，更换储热箱；完成后，调整系统中换热流体的阀门顺序，选用被替换储热箱的下一顺位储热箱的进口作为新的流体进口，储热箱N,N+1，……的阀门串连，新储热箱作为换热流体最后的出口，其余箱体阀门打开顺序不变；

(3)系统出口处储热箱N完成放热，关闭此处储热箱进出口阀门，更换储热箱；完成后，调整系统中换热流体的阀门顺序，保持与系统初次放热状态一致。

优选的，储热箱由若干玄武岩熔体储热棒组成，储热棒由若干壁厚小于2mm的耐热钢管内注入玄武岩熔体而成。

优选的，储热箱采用一棒穿多室的构造，选用偶数室以保持进出口在同侧，进口位于储热箱下位的室，出口位于储热箱上部的室。

优选的，储热系统采用流体横掠储热棒束，采用多储热箱串联的放热方案，系统包含N个储热模块(储热箱)，模块之间通过阀门前后串连，每个模块的进口都与换热流体进口接有阀门，每个模块的出口都与系统出口接有阀门，通过打开不同方向的阀门形成不同串联方式，完成系统放热。

本发明的有益效果为：本发明通过接力放热的方式实现持续稳定的热能供应，满足用户侧的功率和温度需求；玄武岩熔体的稳定性还保证了多次充放热后的高能效，解决了移动式供热储能密度不高、费用昂贵的弊端，同时充分利用了可再生能源和低品位废热，达到节能减排的效果。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，包括如下步骤：

本发明提供了一种利用玄武岩熔体作为储热材料的热能存储系统接力稳定放热方法。所述热能存储系统采用标准模块化，每个模块即是由若干玄武岩熔体储热棒组成的储热箱。所述储热棒，由若干壁厚小于2mm的耐热钢管内注入玄武岩熔体而成。所述储热箱，采用一棒穿多室的构造，选用偶数室以保持进出口在同侧，进口位于储热箱下位的室，出口位于储热箱上部的室。

所述热能存储系统采用流体横掠储热棒束。所述热能存储系统采用多储热箱串联的放热方案，系统包含N个储热模块(储热箱)，模块之间通过阀门前后串连，另外，每个模块的进口都与换热流体进口接有阀门，每个模块的出口都与系统出口接有阀门，通过打开不同方向的阀门形成不同串联方式，完成系统放热。以图1为例，从进口到出口的储热箱依次记为1，2，3，……，N，串连方案是储热箱1的进口连接换热流体的进口，储热箱1的出口连接储热箱2的进口，储热箱2的出口连接储热箱3的进口，剩余箱体依次连接，直至储热箱N的出口连接系统出口，从而形成一个串连换热流道。

所述热能存储系统以接力的模式保证放热过程的持续和稳定。根据用户功率和温度需求完成温跃层的高点和低点温度的设定以及储热箱个数的选取，利用温度计监测系统第一个和最后一个储热箱出口温度。依据理论分析可知，温跃层的高点和低点都随着放热的进行向流道后方移动，当温跃层的高点移出系统最后一个储热箱或者低点移出系统第一个储热箱后放热功率将出现下降，现有串联的储热箱无法维持稳定放热，需要更换新满充的储热箱。根据更换储热箱的位置不同，接力方案分为三种，分别是更换系统进口储热箱、中间段储热箱和系统出口储热箱。

以中间段储热箱2完成放热，替换接力为例。新增加的储热箱记为N+1，N+2，……。已知储热箱2完成放热之前储热箱1已完成放热且已被新储热箱N+1替换。关闭储热箱2进出口阀门，更换新储热箱。完成后，调整系统中换热流体的阀门顺序，选用被替换储热箱的下一个储热箱进口(储热箱3进口)作为系统换热流体进口，储热箱N,N+1，N+2的阀门串连，新储热箱作为流体最后换热的出口，其余箱体阀门打开顺序不变。

储热棒是由壁厚小于2mm的耐热钢管内注入玄武岩熔体而成。钢管的作用是给玄武岩熔体以力学支撑以维持棒的形状。在注入过程中熔体温度高达1400℃，可流动，会对钢管内壁进行轻微的侵蚀，使玄武岩熔体和钢管间形成不易产生界面裂缝的过渡区。

玄武岩经过热化学处理后呈玻璃态熔体，高温化学性质稳定，和天然矿石状态(晶体)的玄武岩相比在较大温区内具有更高的比热容，因此这种材料可以通过提高比热容和拓宽储热温区两个途径来提高储能密度。与传热方向夹角大于零的裂缝会提高传热阻力。天然矿石和混凝土等储热材料内部裂缝一旦出现则不可逆发展，会导致长期放热功率的衰减。然而玄武岩熔体是玻璃体，没有固定的熔点，随着温度的升高粘度降低，当粘度降低至软化点之后会逐渐软化，使得其内部由于热应力产生的裂缝会自愈合，掺入少量氧化锂使愈合性能更佳。因此在稳定放热个过程中可将储热棒视为致密体，能够长期保持稳定的放热功率。

一棒穿多室的构造，制造简单，在较少的棒数量和较小的储热箱尺寸条件下显著加长了流道。流道长度约等于室数乘以储热箱长度。偶数室保证进出口同侧。靠近进口的室在储热箱下部、靠近出口的室在储热箱上部。

在大多数工况下，储热箱流道长度都能保证温跃层的高点从储热箱入口移动到出口具有满足使用要求的时间。根据热力氧化或者充放热等不同的用途，温跃层高点在箱内的移动时间范围在百秒到万秒之间。进出口同侧一方面更容易实现保温，另一方面更利于实现相邻储热箱的连接和拆卸。限制了棒的轴向传热，使储热棒处于靠近出口室的部分比靠近入口室的部分具有更高的温度，保持了温跃层高温点的稳定，能够释放更高比例的高品位热能。既可以作储热箱用途，又可以作储热式热力氧化器用途。

温跃层高点、低点匀速向TES系统(多箱串联的)出口移动，高低点的位移差即温跃层厚度，以高低点移动速度差为变厚速度。每次新接入满充储热箱的间隔时间：以高点从单个储热箱进口到出口经历的时间定。要保证低放热功率和高放热功率有大致相等的间隔时间，大功率放热的系统要串联更多的储热箱，并且可能一次更换2个及以上储热箱。对于很宽泛的放热功率需求均能够实现连续稳定放热。

主要使用低品位能源(比如低浓度通风瓦斯、低浓度可燃工业有机废气)、不连续不稳定以小规模供应为主的能源(比如城乡区域小规模太阳能聚光系统的高温热能、农村沼气等)作为充热热源建设充热节点。可燃废气在进入满充高温状态的储热箱后，在温跃层区温度逐渐升高到燃点以上，释放出热能之后从出口排出。排出的高温气体作为移动储热箱的充热热源。可以使用夜间或风、本地难以消纳利用的电力作为应急充热能源。这些不好用的能源不被我们利用一般就浪费了，有些还会造成污染而面临处理成本。因此这类能源的获取价格较为低廉。

综上，本发明提供了一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点并利用玄武岩熔体作为储热材料的热能存储系统接力稳定放热方法。此方法适用于近用户侧的偏远城乡地区，利用以小规模农村生物质沼气、矿井通风瓦斯、各类工厂排放的挥发性工业有机废气、小规模聚光太阳能等可再生能源和低品位能源为主的充热节点，把零散分布于各各充热节点的热能充入标准化的TES系统模块，以车辆运输至用户处释放，通过分布式能源互联网实现热能连续稳定的供应。通过接力放热的方式实现持续稳定的热能供应，满足用户侧的功率和温度需求；玄武岩熔体的稳定性还保证了多次充放热后的高能效，解决了移动式供热储能密度不高、费用昂贵的弊端，同时充分利用了可再生能源和低品位废热，达到节能减排的效果。

Claims

1.一种基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，其特征在于，包括如下步骤：

(2)系统中间段储热箱完成放热，储热箱记为2，3，……，N-1，关闭此处储热箱进出口阀门，更换储热箱；完成后，调整系统中换热流体的阀门顺序，选用被替换储热箱的下一顺位储热箱的进口作为新的流体进口，储热箱N,N+1，……的阀门串连，新储热箱作为换热流体最后的出口，其余箱体阀门打开顺序不变；

2.如权利要求1所述的基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，其特征在于，储热箱由若干玄武岩熔体储热棒组成，储热棒由若干壁厚小于2mm的耐热钢管内注入玄武岩熔体而成。

3.如权利要求1所述的基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，其特征在于，储热箱采用一棒穿多室的构造，选用偶数室以保持进出口在同侧，进口位于储热箱下位的室，出口位于储热箱上部的室。

4.如权利要求1所述的基于流体横掠储热棒束温跃层特点的储热系统接力稳定放热方法，其特征在于，储热系统采用流体横掠储热棒束，多储热箱串联，系统包含N个储热模块，模块之间通过阀门前后串连，每个模块的进口都与换热流体进口接有阀门，每个模块的出口都与系统出口接有阀门，通过打开不同方向的阀门形成不同串联方式，完成系统放热。