CN112129018A - 组合式蓄冷器及液态空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蓄冷设备技术领域，尤其涉及一种组合式蓄冷器及液态空气储能系统。该组合式蓄冷器包括第一连接主管、第二连接主管以及多个蓄冷罐，各蓄冷罐分别通过第一连接支管与第一连接主管相连，各蓄冷罐分别通过第二连接支管与第二连接主管相连，各蓄冷罐之间分别通过第三连接支管进行串联；每相邻的两个第一连接支管之间的第一连接主管上分别设有第一控制阀，每相邻的两个第二连接支管之间的第二连接主管上分别设有第二控制阀，各第三连接支管上分别设有第三控制阀。本发明能够对各蓄冷罐进行独立或组合控制，实现了对各蓄冷罐的模块化灵活调控，能够实现各蓄冷罐之间的串联、并联或串并联组合的不同运行模式，提高了蓄冷效率。

Description

组合式蓄冷器及液态空气储能系统

技术领域

本发明涉及蓄冷设备技术领域，尤其涉及一种组合式蓄冷器及液态空气储能系统。

背景技术

液态空气储能作为可实现大规模长时储能的技术之一，其蓄冷部分是系统的核心，蓄冷设备的效率是影响系统效率的关键因素。因此，如何实现蓄冷设备的高效蓄冷则尤为关键。

目前，在现有液态空气储能系统中，采用填充床结构进行蓄冷，因为安全系数高、成本较低等优势已得到广泛的研究及应用。然而液态空气储能系统对于蓄冷设备出口气体(或液体)的温度有所限制，而现有的填充床式蓄冷器在蓄冷、释冷过程中，会因为不同位置填充介质温度的渐变而引起斜温层(斜温层：在罐体的一段轴向长度内,因换热产生的较大温度梯度构成的温度分层)，因此随着斜温层的发展会使蓄冷效率降低，从而影响系统效率。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明提出一种组合式蓄冷器，能够有效解决现有填充床式蓄冷器存在的斜温层问题，提高了蓄冷效率。

本发明还提出一种液态空气储能系统。

根据本发明第一方面实施例的组合式蓄冷器，包括第一连接主管、第二连接主管以及依次设置的多个蓄冷罐，各所述蓄冷罐的底部端口分别通过第一连接支管与所述第一连接主管相连，各所述蓄冷罐的顶部端口分别通过第二连接支管与所述第二连接主管相连，各所述蓄冷罐之间分别通过第三连接支管进行串联；每相邻的两个所述第一连接支管之间的第一连接主管上分别设有第一控制阀，每相邻的两个所述第二连接支管之间的第二连接主管上分别设有第二控制阀，各所述第三连接支管上分别设有第三控制阀。

根据本发明的一个实施例，在所述第一连接主管的第一端的端口处设有第四控制阀，在所述第一连接主管的第二端的端口处设有第五控制阀。

根据本发明的一个实施例，在所述第二连接主管的第一端的端口处设有第六控制阀，在所述第二连接主管的第二端的端口处设有第七控制阀。

根据本发明的一个实施例，在各所述第一连接支管上靠近所述第一连接主管的位置处分别设有第八控制阀。

根据本发明的一个实施例，在各所述第二连接支管上靠近所述第二连接主管的位置处分别设有第九控制阀。

根据本发明的一个实施例，各所述蓄冷罐均包括蓄冷罐本体以及填充在所述蓄冷罐本体内部的固相蓄冷介质。

根据本发明的一个实施例，所述蓄冷罐包括四个，四个所述蓄冷罐分别为依次设置的第一蓄冷罐、第二蓄冷罐、第三蓄冷罐和第四蓄冷罐。

根据本发明的一个实施例，所述第一蓄冷罐的顶部端口与所述第二蓄冷罐的底部端口之间通过所述第三连接支管相连，所述第二蓄冷罐的顶部端口与所述第三蓄冷罐的底部端口之间通过所述第三连接支管相连，所述第三蓄冷罐的顶部端口与所述第四蓄冷罐的底部端口之间通过所述第三连接支管相连。

根据本发明第二方面实施例的液态空气储能系统，包括上述实施例的组合式蓄冷器。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

本发明实施例的组合式蓄冷器，包括第一连接主管、第二连接主管以及依次设置的多个蓄冷罐，将各蓄冷罐的底部端口分别通过第一连接支管与第一连接主管相连，将各蓄冷罐的顶部端口分别通过第二连接支管与第二连接主管相连，从而形成多个蓄冷罐之间的并联结构形式，将各蓄冷罐之间分别通过第三连接支管进行串联，从而形成多个蓄冷罐之间的串联结构形式，通过在每相邻的两个第一连接支管之间的第一连接主管上分别设置第一控制阀，在每相邻的两个第二连接支管之间的第二连接主管上分别设置第二控制阀，在各第三连接支管上分别设置第三控制阀，从而通过控制第一控制阀、第二控制阀以及第三控制阀，能够实现各蓄冷罐之间的串联、并联或串并联组合的不同运行模式。由此，本发明实施例的组合式蓄冷器，能够对各蓄冷罐进行独立或组合控制，用以实现对各蓄冷罐的模块化灵活调控，并且在释冷过程中，可以控制各蓄冷罐进行交替运行，从而实现少量额外冷量的补充，以削弱因斜温层带来的影响，提高了组合式蓄冷器的整体蓄冷效率。

本发明实施例的液态空气储能系统，包括上述实施例的组合式蓄冷器。由于该液态空气储能系统设置有上述实施例的组合式蓄冷器，使得该液态空气储能系统具有上述组合式蓄冷器的全部优点，进而提高了该液态空气储能系统的工作效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明实施例提供的组合式蓄冷器的结构示意图。

附图标记：

1：第一连接主管；2：第二连接主管；3：第一连接支管；4：第二连接支管；5：第三连接支管；

61：第一蓄冷罐；62：第二蓄冷罐；63：第三蓄冷罐；64：第四蓄冷罐；

V1：第四控制阀；V2、V3、V4：第一控制阀；V5：第五控制阀；V6、V7、V8、V9：第八控制阀；V10、V11、V12：第三控制阀；V13、V14、V15、V16：第九控制阀；V17：第六控制阀；V18、V19、V20：第二控制阀；V21：第七控制阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明实施例提供一种组合式蓄冷器，包括第一连接主管1、第二连接主管2以及从左至右依次设置的多个蓄冷罐，各蓄冷罐的底部端口分别通过第一连接支管3与第一连接主管1相连，各蓄冷罐的顶部端口分别通过第二连接支管4与第二连接主管2相连，从而能够形成多个蓄冷罐之间的并联结构形式。各蓄冷罐之间分别通过第三连接支管5进行串联，从而能够形成多个蓄冷罐之间的串联结构形式。

其中，在每相邻的两个第一连接支管3之间的第一连接主管1上分别设有第一控制阀，在每相邻的两个第二连接支管4之间的第二连接主管2上分别设有第二控制阀，在各第三连接支管5上分别设有第三控制阀。也即，通过对第一控制阀、第二控制阀以及第三控制阀的控制，能够实现各蓄冷罐之间的串联、并联或串并联组合的不同运行模式。

由此，本发明实施例的组合式蓄冷器，能够对各蓄冷罐进行独立或组合控制，用以实现对各蓄冷罐的模块化灵活调控。也即，根据具体使用工况，通过对第一控制阀、第二控制阀以及第三控制阀进行调控，能够选择对多个蓄冷罐中的部分使用或全部使用，以满足不同蓄冷量的使用需求。而且，该组合式蓄冷器在释冷过程中，可以控制各蓄冷罐进行交替释冷运行，也即分时段进行释冷，当其中一部分蓄冷罐释冷完成后，另一部分蓄冷罐开始进行释冷，同时对前期释冷完成的那部分蓄冷罐补充少量冷量，使其恢复释冷能力以待下一次释冷过程，少量冷量可采用液氮或其他低温气体经对应的连接管线提供，用以削弱因斜温层带来的影响，进而提高了组合式蓄冷器的整体蓄冷效率。

具体来说，各蓄冷罐均包括蓄冷罐本体以及填充在蓄冷罐本体内部的固相蓄冷介质。其中，固相蓄冷介质为固定颗粒材料或多孔材料，可以在蓄冷罐本体的内部填充一种材料构成固相蓄冷介质，也可以填充多种混合材料构成固相蓄冷介质。其中，固相蓄冷介质在蓄冷罐本体内部的填充方式采用分层堆积或混合堆积。

具体来说，与该组合式蓄冷器进行换热的流体可以为液体或气体，也可以为液体和气体的混合物。在进行换热时，换热流体与固相蓄冷介质可以直接接触换热，也可以通过中间气体或液体间接换热。

具体来说，在第一连接主管1的第一端的端口处设有第四控制阀，在第一连接主管1的第二端的端口处设有第五控制阀。在第二连接主管2的第一端的端口处设有第六控制阀，在第二连接主管2的第二端的端口处设有第七控制阀。在各第一连接支管3上靠近第一连接主管1的位置处分别设有第八控制阀。在各第二连接支管4上靠近第二连接主管2的位置处分别设有第九控制阀。

具体来说，该组合式蓄冷器中设置的蓄冷罐的数量，可以根据实际使用需求而设定，例如可以设置两个、三个、四个或四个以上的蓄冷罐。下面以组合式蓄冷器包括四个蓄冷罐为例进行具体说明。

如图1所示，该组合式蓄冷器包括四个蓄冷罐，这四个蓄冷罐分别为从左至右依次设置的第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62、第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64。其中，第一蓄冷罐61的顶部端口与第二蓄冷罐62的底部端口之间、第二蓄冷罐62的顶部端口与第三蓄冷罐63的底部端口之间以及第三蓄冷罐63的顶部端口与第四蓄冷罐64的底部端口之间分别通过第三连接支管5相连。设定第一蓄冷罐61与第二蓄冷罐62之间的第三连接支管5上设有第三控制阀V10，第二蓄冷罐62与第三蓄冷罐63之间的第三连接支管5上设有第三控制阀V11，第三蓄冷罐63与第四蓄冷罐64之间的第三连接支管5上设有第三控制阀V12。设定第一蓄冷罐61与第二蓄冷罐62之间的第一连接主管1上设有第一控制阀V2，第二蓄冷罐62与第三蓄冷罐63之间的第一连接主管1上设有第一控制阀V3，第三蓄冷罐63与第四蓄冷罐64之间的第一连接主管1上设有第一控制阀V4。设定第一蓄冷罐61与第二蓄冷罐62之间的第二连接主管2上设有第二控制阀V18，第二蓄冷罐62与第三蓄冷罐63之间的第二连接主管2上设有第二控制阀V19，第三蓄冷罐63与第四蓄冷罐64之间的第二连接主管2上设有第二控制阀V20。

在蓄冷过程中，低温气体由蓄冷罐的底部端口进入，与蓄冷罐内的固相蓄冷介质进行换热后以常温形式由蓄冷罐的顶部端口流出，同时蓄冷罐内填充的固相蓄冷介质降至低温并将冷量储存。在释冷过程中，常温气体由蓄冷罐的顶部端口进入，吸收固相蓄冷介质储存的冷量，降温后从蓄冷罐的底部端口流出，同时蓄冷罐内填充的固相蓄冷介质恢复至常温，完成释冷。

其中，在第一连接主管1的第一端的端口处设有第四控制阀V1，在第一连接主管1的第二端的端口处设有第五控制阀V5，用于分别控制第一连接主管1两端的开闭状态。在第二连接主管2的第一端的端口处设有第六控制阀V17，在第二连接主管2的第二端的端口处设有第七控制阀V21，用于分别控制第二连接主管2两端的开闭状态。

其中，在第一蓄冷罐61与第一连接主管1之间的第一连接支管3上设有第八控制阀V6，在第二蓄冷罐62与第一连接主管1之间的第一连接支管3上设有第八控制阀V7，在第三蓄冷罐63与第一连接主管1之间的第一连接支管3上设有第八控制阀V8，在第四蓄冷罐64与第一连接主管1之间的第一连接支管3上设有第八控制阀V9。也即，通过在各第一连接支管3上靠近第一连接主管1的位置处分别设有控制阀，用于控制各第一连接支管3中换热流体的流动状态。

其中，在第一蓄冷罐61与第二连接主管2之间的第二连接支管4上设有第九控制阀V13，在第二蓄冷罐62与第二连接主管2之间的第二连接支管4上设有第九控制阀V14，在第三蓄冷罐63与第二连接主管2之间的第二连接支管4上设有第九控制阀V15，在第四蓄冷罐64与第二连接主管2之间的第二连接支管4上设有第九控制阀V16。也即，通过在各第二连接支管4上靠近第二连接主管2的位置处分别设有控制阀，用于控制各第二连接主管2中换热流体的流动状态。

该组合式蓄冷器在运行时，通过调控各控制阀，可实现四个蓄冷罐的全部使用或部分使用。

在蓄冷过程中，以第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62和第三蓄冷罐63运行，第四蓄冷罐64关闭为例，可以分别开启第四控制阀V1、第一控制阀V2、第一控制阀V3、第八控制阀V6、第八控制阀V7、第八控制阀V8、第九控制阀V13、第九控制阀V14、第九控制阀V15、第二控制阀V18、第二控制阀V19、第二控制阀V20和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀。或者，可以分别开启第四控制阀V1、第八控制阀V6、第三控制阀V10、第三控制阀V11、第九控制阀V15、第二控制阀V20和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀。

在释冷过程中，以第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62和第三蓄冷罐63运行，第四蓄冷罐64关闭为例，与上述蓄冷过程各控制阀的开闭状态相同，但气流方向相反。据此，各蓄冷罐的运行或关闭，均可通过调节各控制阀的工作状态以进行切换实现。

具体来说，该组合式蓄冷器中，可通过调控各控制阀的不同状态形成第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62、第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64之间的多种连接形式，包括串联、并联、串并联组合形式，进而实现各蓄冷罐之间串联、并联、串并联组合等不同运行模式之间的切换运行。

当第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62、第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64之间为串联形式时，需要分别开启第四控制阀V1、第八控制阀V6、第三控制阀V10、第三控制阀V11、第三控制阀V12、第九控制阀V16和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀。

当第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62、第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64之间为并联形式时，需要分别开启第四控制阀V1、第一控制阀V2、第一控制阀V3、第一控制阀V4、第八控制阀V6、第八控制阀V7、第八控制阀V8、第八控制阀V9、第九控制阀V13、第九控制阀V14、第九控制阀V15、第九控制阀V16、第二控制阀V18、第二控制阀V19、第二控制阀V20和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀。

当第一蓄冷罐61、第二蓄冷罐62、第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64之间为串并联组合形式时，以第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62之间并联，以第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64之间串联为例，分别开启第四控制阀V1、第一控制阀V2、第一控制阀V3、第八控制阀V6、第八控制阀V7、第八控制阀V8、第三控制阀V12、第九控制阀V13、第九控制阀V14、第九控制阀V16、第二控制阀V18、第二控制阀V19、第二控制阀V20和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀。据此，通过调节各控制阀的工作状态，可以实现其他串并联组合形式的切换运行。

具体来说，该组合式蓄冷器在释冷过程中，可通过分别控制各蓄冷罐进行交替释冷。

其中，以第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62为一组合，以第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64为另一组合进行交替释冷，且蓄冷过程中采用全并联方式为例进行说明。

释冷过程中，首先，开启第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62进行释冷，分别开启第四控制阀V1、第一控制阀V2、第八控制阀V6、第八控制阀V7、第九控制阀V13、第九控制阀V14、第二控制阀V18、第二控制阀V19、第二控制阀V20和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀，则常温气体进入由第七控制阀V21处进入第二连接主管2，然后经由第二连接主管2分别进入第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62，换热后的低温空气由第一连接主管1的第四控制阀V1处流出。待释冷过程完成后(以第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62出口温度超出液态空气储能中对应的温度范围为标准)，分别关闭第四控制阀V1、第一控制阀V2、第八控制阀V6、第八控制阀V7、第九控制阀V13、第九控制阀V14、第二控制阀V18、第二控制阀V19、第二控制阀V20和第七控制阀V21，第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62完成释冷过程，但此时第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62中依然存在部分冷量和斜温层。

随后，开启第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64进行释冷，分别开启第一控制阀V4、第五控制阀V5、第八控制阀V8、第八控制阀V9、第九控制阀V15、第九控制阀V16、第二控制阀V20和第七控制阀V21，同时关闭其余的控制阀，则常温空气由第七控制阀V21处进入第二连接主管2，然后经由第二连接主管2分别进入第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64，换热后的低温空气由第一连接主管1的第五控制阀V5处流出。

与此同时，在第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64进行释冷过程中，第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62中可以分别采用低温氮气或其他低温气体以补充少量冷量，以使第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62恢复部分释冷能力，此时开启第四控制阀V1、第一控制阀V2、第八控制阀V6、第八控制阀V7、第九控制阀V13、第九控制阀V14、第六控制阀V17和第二控制阀V18，使低温氮气由第四控制阀V1处进入第一连接主管1，从而为第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62补充冷量后以常温形式从第二连接主管2的第六控制阀V17处流出。

待第三蓄冷罐63和第四蓄冷罐64释冷结束后，可重新开启第一蓄冷罐61和第二蓄冷罐62进行第二次释冷操作，以此来消除因蓄冷罐内的斜温层随着释冷过程的进行不断延长带来的蓄冷效率低下的问题。据此，各蓄冷罐之间的其余交替释冷运行的方式，例如一一交替或多个与多个交替，均可通过调节各控制阀的工作状态以进行切换实现。

本发明实施例还提供一种液态空气储能系统，包括上述实施例的组合式蓄冷器。由于该液态空气储能系统设置有上述实施例的组合式蓄冷器，使得该液态空气储能系统具有上述组合式蓄冷器的全部优点，进而提高了该液态空气储能系统的工作效率。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种组合式蓄冷器，其特征在于：包括第一连接主管、第二连接主管以及依次设置的多个蓄冷罐，各所述蓄冷罐的底部端口分别通过第一连接支管与所述第一连接主管相连，各所述蓄冷罐的顶部端口分别通过第二连接支管与所述第二连接主管相连，各所述蓄冷罐之间分别通过第三连接支管进行串联；每相邻的两个所述第一连接支管之间的第一连接主管上分别设有第一控制阀，每相邻的两个所述第二连接支管之间的第二连接主管上分别设有第二控制阀，各所述第三连接支管上分别设有第三控制阀。

2.根据权利要求1所述的组合式蓄冷器，其特征在于：在所述第一连接主管的第一端的端口处设有第四控制阀，在所述第一连接主管的第二端的端口处设有第五控制阀。

3.根据权利要求1所述的组合式蓄冷器，其特征在于：在所述第二连接主管的第一端的端口处设有第六控制阀，在所述第二连接主管的第二端的端口处设有第七控制阀。

4.根据权利要求1所述的组合式蓄冷器，其特征在于：在各所述第一连接支管上靠近所述第一连接主管的位置处分别设有第八控制阀。

5.根据权利要求1所述的组合式蓄冷器，其特征在于：在各所述第二连接支管上靠近所述第二连接主管的位置处分别设有第九控制阀。

6.根据权利要求1所述的组合式蓄冷器，其特征在于：各所述蓄冷罐均包括蓄冷罐本体以及填充在所述蓄冷罐本体内部的固相蓄冷介质。

7.根据权利要求1至6任一项所述的组合式蓄冷器，其特征在于：所述蓄冷罐包括四个，四个所述蓄冷罐分别为依次设置的第一蓄冷罐、第二蓄冷罐、第三蓄冷罐和第四蓄冷罐。

8.根据权利要求7所述的组合式蓄冷器，其特征在于：所述第一蓄冷罐的顶部端口与所述第二蓄冷罐的底部端口之间通过所述第三连接支管相连，所述第二蓄冷罐的顶部端口与所述第三蓄冷罐的底部端口之间通过所述第三连接支管相连，所述第三蓄冷罐的顶部端口与所述第四蓄冷罐的底部端口之间通过所述第三连接支管相连。

9.一种液态空气储能系统，其特征在于：包括如权利要求1至8任一项所述的组合式蓄冷器。

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