CN112361429B - 一种电加热流化床固体蓄热供热系统 - Google Patents

一种电加热流化床固体蓄热供热系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电加热流化床固体蓄热供热系统，包括电磁加热线圈、进风室、布风板、流化床蓄热器、气固分离装置、换热器、控制器等，所述系统通过固体颗粒显热蓄热，所述流化床蓄热器外侧及底部带有电磁加热线圈并在下侧设置布风板，所述流化床蓄热器内置有石英砂等固体颗粒并设有出风管与换热器相连，所述出风管内设有格栅，回风管道，所述出风管前设有气固分离装置，所述换热器置于出风管后且连接回风管道。本发明提高了谷电时期的能源利用，节省供热运行费用，解决了固体蓄热不均匀、放热不充分、难以控制的缺点。

Description

一种电加热流化床固体蓄热供热系统
技术领域
本发明属于热量存储及能源利用领域，具体涉及一种电加热流化床固体蓄热及供热系统。
背景技术
近年来，供热所消耗的能量逐年攀升，峰电谷电用量差距逐渐拉大，致使电能浪费问题日益凸显，为了削峰填谷需要发展新型的储能技术，电网的调节能力会因此而大大提升，对我国的能源安全与节能减排具有长久而深远的意义。在资源浪费现实背景下，煤改气成为了一种新的节能减排方式，但并未取得太好的效果，因此需要发展谷电蓄热供热技术。通过开发利用低谷电技术，电网整体负荷会得到平衡，发电效率会显著改善，电力设施投资会大大节约，用电成本也会显著下降，对环境保护有重要意义。继政府大力鼓励煤改气后，各地政府纷纷出台鼓励煤改电技。
目前，相变材料存在导热系数低而使得蓄存的热能难以取出的问题，而固体蓄热又存在蓄热不均匀，难以控制的问题，严重限制了显热储热技术的应用。利用耐高温、经济性良好的固体颗粒储热材料是解决上述问题的可行方法，电加热流化床固体蓄热及供热系统具有运行费用低，储热放热效率高，便于控制等优点。
现有技术中，例如公开号CN107655357A的发明专利申请公开了一种固体颗粒储热装置，该装置直接利用蓄热后的固体颗粒与换热器的工质进行换热，将固体颗粒作为换热流体，直接参与换热器的换热，该方案存在如下缺点：固体颗粒运输阻力大，固体颗粒对换热器管壁冲刷导致使用年限少，固体颗粒因为分布不均导致换热效率低，还需要设置储存热固体颗粒的热仓及冷固体颗粒的冷仓、固体颗粒的动力配送装置，设备多、结构复杂，整体导致成本增加，以及换热效果差。
发明内容
本发明为解决现有相变材料存在导热系数低而使得蓄存的热能难以取出，固体蓄热不均匀，难以控制、直接采用固体颗粒换热结构复杂、换热效率低、换热器使用寿命低等问题而提出，同时能谷电峰用，平衡电网负荷。本发明提出一种电加热流化床固体蓄热及供热系统，空气的快速流动使固体颗粒流态化，外置加热装置利用谷电使固体颗粒高温均匀蓄热，同时改善了固体颗粒的换热效率，并用存储的热量通过换热器给用户供热。
本发明的技术方案是：
一种电加热流化床固体蓄热供热系统，包括流化床蓄热器、换热器、热用户、电磁加热线圈，其特征在于：所述蓄热器外设置缠绕电磁加热线圈，蓄热器内设置固体蓄热颗粒，所述流化床蓄热器的外侧装有电磁加热线圈，用于加热空气及固体颗粒，所述流化床蓄热器下设置进风室，进风室连接回风管，回风管上设置变频风机，所述流化床蓄热器上部通过出风管与换热器相连，所述换热器与热用户相连，换热器下部出风口与回风管连接，出风管与回风管之间连接一旁通风管，所述旁通风管上设置第一调节风阀，出风管与换热器连接处设置第二调节风阀。所述系统运行方案，夜间谷电时段，开启电加热装置加热固体颗粒，开启回风管道旁路的调节风阀，通过加热热风向谷电时间采暖的用户进行供热，同时通过风阀调节满足夜间蓄热及供热负荷；峰电时段，关闭电加热装置和旁路风阀，利用流化热风将固体颗粒蓄存的热量供给用户。
所述流化床蓄热器的进风口处设置有进风室和布风板，所述流化床蓄热器的热风出口处设有气固分离装置。
所述流化床蓄热器外侧具有电磁加热线圈，所述进风室与变频风机相连，所述流化床蓄热器热风出口通过出风管与换热器相连。
所述电加热与控制器相连，所述控制器包括操作控制单元及电源输入。
所述出风管内设有阻挡固体颗粒的格栅，即气固分离装置，所述格栅后设有回风管道，所述回风管道上设有调节风阀。
所述换热器与热用户相连，所述换热器为管壳式换热器。
所述流化床蓄热器、换热器及出风管均设有保温措施。
所述固体蓄热颗粒为石英砂、陶瓷材料颗粒、氧化镁颗粒、刚玉砂、粉煤灰中的至少一种，蓄热温度为600℃以上。
所述换热器与回风管道连通，所述回道管道与变频风机相连。
所述变频风机与加热部件和会根据用户侧热负荷变化进行功率调节，以维持热用户室内温度保持稳定。
本发明的有益效果如下：
1、本发明可以实现夜间利用谷电实现供热，同时将多余的电能储存在蓄热器中，峰电时段，可利用蓄热器中存储的电能进行供热，以达到节约电能的需要。
2、本发明通过空气作为中间换热介质，解决固体颗粒运输阻力大，固体颗粒对换热器管壁冲刷导致使用年限少，固体颗粒因为分布导致换热效率低，整体导致成本增加，换热效果差等缺点。
3、本发明设计的线圈沿着高度方向分布密度的变化，使得换热形成一个类似逆流换热过程，使得换热效果最好，温差更大。
4、本发明优化的线圈密度的分布变化公式，使得换热形成一个类似逆流换热过程，使得换热效果最好，温差更大。
5、本发明具有热量存储效率高、换热效率高、便于运行控制、蓄热材料价格低廉的优点，在夜间低谷电阶段，利用电加热技术将流态化固体颗粒加热，使之存储大量热能，白天用热阶段可关闭电加热装置，利用存储的热能供热，提高了谷电利用率，提高了能源利用效率的同时解决了传统固体砖蓄热的放热不彻底的问题，同样解决了固体蓄热材料蓄热不均匀的问题。本发明具有结构简便、谷电利用率高、节能环保、运行控制方便的技术优点。
附图说明
图1 是本发明的系统结构示意图；
图2 是本发明的布风板结构示意图。
图中：
1 控制器，2 流化床蓄热器， 3 气固分离装置，4 换热器，5 热用户，6 电磁加热线圈，7 布风板，8 变频风机，9 第一调节风阀，10 水泵，11 进风室，12旁通风管，13回风管，14第二调节风阀。
具体实施方式
图1展示了一种电加热流化床固体蓄热及供热系统。如图1所示，一种电加热流化床固体蓄热及供热系统，包括流化床蓄热器2、换热器4、热用户5、电磁加热线圈6和控制器1，蓄热器2内设置固体蓄热颗粒作为蓄热工质，所述流化床蓄热器2的外侧缠绕安装有电磁加热线圈6，用于向固体蓄热颗粒放热以及加热经过固体颗粒的空气，所述电磁加热线圈6与控制器1相连，所述流化床蓄热器2下设置进风室11，进风室11连接回风管，回风管上设置变频风机8，所述流化床蓄热器2上部通过出风管与换热器4相连，所述换热器4与热用户5相连，换热器4下部出风口与回风管13连接，出风管与回风管13之间设置旁通风管12，所述旁通风管上设置第一调节阀门9，出风管和/或回风管与换热器连接处设置第二调节阀门14。
夜间谷电时段，开启电磁加热装置加热固体颗粒，开启回风管道旁路的第一调节风阀9，关闭第二调节风阀14，通过电磁加热装置加热流化床蓄热器内的固体颗粒，将热能储存在固体颗粒中，同时，通过风机8向流化床蓄热器内送风，风在流化床蓄热器中吹动固体颗粒，使得固体颗粒形成流化状态，与风进行换热，将热量传递给进风，然后通过旁通管路循环回到蓄热器中继续进行换热，直到热量储存在蓄热器中；峰电时段，关闭回风管道旁路的第一调节风阀9，打开第二调节风阀14，关闭电磁加热装置，利用流化热风将固体颗粒储存的热量供给用户。
通过本申请的技术方案，可以实现夜间利用谷电将多余的电能储存在蓄热器中，峰电时段，可利用多余的电能进行供热，以达到节约电能的需要。
当然，作为一个选择的方案，夜间谷电时段，开启电磁加热装置加热固体颗粒，当用户夜间谷电时段也需要热能时候，关闭回风管道旁路的第一调节风阀9，打开第二调节风阀14，通过电磁加热装置加热蓄热器内呈流化态的固体颗粒，在将热能储存在固体颗粒的同时，加热蓄热器内的用于流化和换热的风，将部分热量经热风通过换热器传递给热用户5，换热后的风通过回风管进入蓄热器继续进行换热；当用户不需要热能时开启回风管道旁路的第一调节风阀9，关闭第二调节阀门14，通过电加热装置加热蓄热器内的固体颗粒，将热能储存在固体颗粒中，同时，通过风机8向蓄热装置内送风，风在蓄热器中吹动固体颗粒，使得固体颗粒形成流化床形态，然后通过旁通管路循环回到蓄热器中继续用于流化和促进换热，直到热量储存在蓄热器中。通过上述方案实现利用电能蓄热以及根据需要选择是否向热用户供热；峰电时段，关闭回风管道旁路的第一调节风阀9，打开第二调节风阀14，关闭电加热装置，利用流化热风将固体颗粒蓄存的热量供给用户。
通过本申请的技术方案，可以实现夜间利用谷电实现供热，同时将多余的电能储存在蓄热器中，峰电时段，可利用多余的电能进行供热，以达到节约电能的需要。
本申请通过利用流化床的蓄热技术，能够实现电能的充分利用，充分进行换热，避免能源的损失。
所述进风室11上部设有布风板7。所述布风板设置多排环形孔。通过设置布风板，使得进风室输送到蓄热器的空气分布均匀。
作为优选，所述流化床蓄热器的热风出口处设有气固分离装置3。通过设置气固分离装置，避免固体颗粒进入换热器。
所述电磁加热线圈6与控制器1相连，所述控制器1包括变频控制单元、操作控制单元及电源，所述电源与电磁加热线圈连接。
所述气固分离装置为设置于出风管内的阻挡固体颗粒的格栅，回风管道设置于格栅后。
所述换热器4与热用户5相连，所述换热器4为管壳式换热器。
所述换热器4通过出风管经变频风机8与流化床蓄热器2相连，所述换热器4为空气-工质换热装置。
所述流化床蓄热器2、换热器4均设有保温措施。
所述固体颗粒为石英砂、陶瓷材料颗粒、氧化镁颗粒、刚玉砂、粉煤灰等，蓄热温度为600℃以上。
所述换热器4与回风管道连通，所述回风管道与变频风机8相连。
所述变频风机8是提高流化床蓄热器2内部的气体流速以使固体颗粒流态化的装置。
所述电磁加热线圈6是用于加热空气及固体颗粒的装置。
所述气固分离装置3用于分离空气中的固体颗粒。
所述固体颗粒粒径根据风速及蓄热容量确定。
所述变频风机8保持24小时常开使得高温气体与换热器进行换热，所述控制器1根据需要进行控制电磁加热线圈6的功率大小。
夜间低谷电时段，所述控制器1开启电磁加热线圈6加热流动空气和流态化固体颗粒，使之存储大量热能。
白天用电高峰时段，关闭电磁加热线圈6，通过流动空气消耗固体颗粒存储的热能传递给换热器4，在通过换热器4将热能传递给热用户。
作为一个优选，从下至上沿着流化床蓄热器高度方向线圈密度越来越大。因为在下部，空气温度最低，相当于冷源温度最低，而线圈密度增加表明上部热源温度最高，通过冷源热源温度对冲式布置，使得蓄热器内换热形成一个类似逆流换热过程，换热更有效更充分，增强了整体换热效果。上述的线圈密度越来越大的技术特征是通过大量实验和数值模拟得到的结果，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。
作为一个优选，从下至上沿着流化床蓄热器高度方向线圈密度越来越大的幅度不断增加。因通过实验发现，通过幅度增加的变化，上述设置使得换热效果最好，温差更大。这一技术特征是通过大量实验和数值模拟得到的结果，符合温度的分布，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。
作为优选，电磁加热线圈布置的高度为H，沿着高度方向，电磁加热线最低端的密度为M，则距离电磁加热线圈最低端距离为h位置的电磁加热线圈密度m规律如下：
m＝M+k*M*（h/H）f，其中f、k是系数，满足如下要求：
1.15<f<1.25,0.28<k <0.35。
作为优选，随着h/H增加，f、k逐渐增加。
作为优选，1.18<f<1.20,0.30<k <0.32。
上述经验公式也是本申请经过大量实验研究的结果，是对电磁加热线圈密度分布的一个优化的结构，也是本申请的一个发明点，并不是本领域的公知常识。
本发明具有热量存储效率高、换热效率高、便于运行控制、蓄热材料价格低廉的优点，在夜间低谷电阶段，利用电加热技术将流态化固体颗粒加热，使之存储大量热能，白天用热阶段可关闭加热装置，利用存储的热能供热，提高了谷电利用率，提高了能源利用效率的同时解决了传统固体砖蓄热的放热不彻底的问题，同样解决了固体蓄热材料蓄热不均匀的问题。
本发明具有结构简便、谷电利用率高、运行控制方便、蓄热材料环保经济的技术优点。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电加热流化床固体蓄热供热系统，包括流化床蓄热器（2）、换热器（4）、热用户（5）、电磁加热线圈（6），其特征在于：所述蓄热器外设置缠绕电磁加热线圈，蓄热器内设置固体蓄热颗粒，所述流化床蓄热器（2）的外侧装有电磁加热线圈（6），用于加热空气及固体颗粒，所述流化床蓄热器（2）下设置进风室，进风室（11）连接回风管，回风管上设置变频风机（8），所述流化床蓄热器（2）上部通过出风管与换热器（4）相连，所述换热器（4）与热用户（5）相连，换热器下部出风口与回风管连接，出风管与回风管之间连接一旁通风管，所述旁通风管上设置第一调节风阀，出风管和/或回风管与换热器连接处设置第二调节风阀；从下至上沿着流化床蓄热器高度方向电磁加热线圈密度越来越大；从下至上沿着流化床蓄热器高度方向线圈密度越来越大的幅度不断增加；
所述进风室（11）上部设有布风板（7）；所述布风板设置多排环形孔。
2.根据权利要求1所述的电加热流化床固体蓄热供热系统，其特征在于：所述流化床蓄热器（2）的热风出口处设有气固分离装置（3）。
3.根据权利要求2所述的电加热流化床固体蓄热供热系统，其特征在于：包括控制器，所述控制器（1）包括变频控制单元、操作控制单元及电源，所述电源连接电磁加热线圈。
4.根据权利要求2所述的电加热流化床固体蓄热供热系统，其特征在于：所述气固分离装置为设置于出风管内的阻挡固体颗粒的格栅，旁通风管设置于格栅后。
5.根据权利要求1或2所述的电加热流化床固体蓄热供热系统，其特征在于：所述换热器（4）为管壳式换热器。
6.根据权利要求1所述的电加热流化床固体蓄热供热系统，其特征在于：所述流化床蓄热器（2）、换热器（4）、送风回风管道均设有保温层。
7.根据权利要求1所述的电加热流化床固体蓄热供热系统，其特征在于：所述固体蓄热颗粒为石英砂、陶瓷材料颗粒、氧化镁颗粒、刚玉砂、粉煤灰中的至少一种，蓄热温度为600℃以上。
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Patentee after: Hebei Zerui energy saving new energy Co.,Ltd.

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Patentee before: HEBEI University OF ARCHITECTURE

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Denomination of invention: An electric heating fluidized bed solid heat storage heating system

Effective date of registration: 20220812

Granted publication date: 20210921

Pledgee: Zhangjiakou City Financing Guarantee Group Co., Ltd.

Pledgor: Hebei Zerui energy saving new energy Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980012518

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