CN113375347B - 一种蜂窝状颗粒换热器及储热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝状颗粒换热器及储热发电系统，换热器包括换热单元，所述换热单元包括颗粒通道和水通道，所述水通道设置于颗粒通道的一侧；沿着颗粒通道的长度方向，颗粒通道和水通道之间设置有若干导热棒，导热棒的一端与水通道连接，导热棒的另一端伸入颗粒通道的侧壁中，颗粒通道的内壁在每个导热棒端部的位置开设有凹坑，导热棒端部位于所述凹坑的底部，颗粒通道与凹坑的表面均具有耐磨层。本发明能够有效避免减弱颗粒对换热器内壁的磨损，满足太阳能高效颗粒储热发电的要求。

Description

一种蜂窝状颗粒换热器及储热发电系统
技术领域
本发明属于新能源物理储热发电领域，涉及一种蜂窝状颗粒换热器及储热发电系统。
背景技术
能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越明显。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。
众所周知，太阳能是一种可持续利用的清洁能源，当前世界面临人口、资源、环境的挑战，在寻求人类社会可持续发展的进程中，太阳能利用日益为世界各国所重视，太阳能作为一种高效、无污染的可再生资源，目前已逐渐被各行各业所利用。这对缓解能源紧张状况，减少环境污染，同时提高人们的生活水平，具有非常重要的意义。地球以173×105瓦的功率接收来自太阳的辐射能，全球每年得到的太阳能相当于68万亿吨石油，其开发和利用有着极大的潜力。为应对全球气候变化，实现“3060”碳达峰和碳中和目标，电力必须大力发展新能源发电技术。而太阳能光热发电就是一种新能源发电新型技术，它是利用太阳能光热将介质加热，介质进入透平电动发电机发电。目前常用的介质为水、熔盐、CO2、微细颗粒，水、熔盐、CO2研究甚多，已经达到示范阶段；而颗粒作为介质的太阳能发电研究甚少，且颗粒储热温度高，储热密度比熔盐提高12％左右，整个流动过程中无需伴热，不会凝固，是一种优良的太阳能储热介质。而采用颗粒储热利用，涉及到颗粒换热器磨损问题，如何避免及减弱颗粒对内壁的磨损是至今面临的一大难题，也是颗粒储热发展面临的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种蜂窝状颗粒换热器及储热发电系统，本发明能够有效避免减弱颗粒对换热器内壁的磨损，满足太阳能高效颗粒储热发电的要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种蜂窝状颗粒换热器，包括换热单元，所述换热单元包括颗粒通道和水通道，所述水通道设置于颗粒通道的一侧；沿着颗粒通道的长度方向，颗粒通道和水通道之间设置有若干导热棒，导热棒的一端与水通道连接，导热棒的另一端伸入颗粒通道的侧壁中，颗粒通道的内壁在每个导热棒端部的位置开设有凹坑，导热棒端部位于所述凹坑的底部，颗粒通道与凹坑的表面均具有耐磨层。
优选的，所述凹坑的表面为光滑面，凹坑的口部与颗粒通道的内壁之间光滑过渡，导热棒的端面作为凹坑的底面，凹坑的底部与导热棒的端面之间光滑过渡。
优选的，沿着颗粒通道的周向，均匀设有若干所述水通道。
优选的，所述耐磨层为耐磨陶瓷材质；颗粒通道采用不锈钢管道或陶瓷管道；导热棒采用不锈钢导热棒，水通道采用不锈钢管道。
优选的，若干导热棒沿颗粒通道的长度方向均匀分布。
优选的，本发明蜂窝状颗粒换热器还包括外壳以及若干个所述换热单元，外壳为保温外壳，外壳上设有颗粒入口、颗粒出口、进水口和出水口，所有换热单元设置于所述外壳内；所有颗粒通道的一端与颗粒入口连通，所有颗粒通道的另一端与颗粒出口连通；所有水通道的一端与进水口连通，所有水通道的另一端与出水口连通。
优选的，颗粒入口与出水口位于外壳的一侧，颗粒出口和进水口位于外壳的另一侧。
优选的，外壳内在换热单元之间的空隙中填充有导热材料。
优选的，导热棒的端部伸入水通道内，且该端部设有换热翅片，换热翅片与水通道的流体流动方向平行。
本发明还提供了一种储热发电系统，包括太阳能集热吸热装置、透平、发电机、冷却器、循环泵、送风机和本发明如上所述的蜂窝状颗粒换热器，太阳能集热吸热装置的颗粒出口以及送风机的出口与颗粒通道的入口连接，颗粒通道的出口与太阳能集热吸热装置的颗粒入口连接；
送风机的出口与颗粒通道的入口连接，送风机用于驱动颗粒通道内的颗粒流动；
透平的蒸汽入口与水通道的出水口连接，透平的蒸汽出口与冷却器的进水口连接，透平与发电机连接，冷却器的出水口与循环泵入口连接，循环泵的出口与水通道的进水口连接。
本发明具有如下有益效果：
本发明蜂窝状颗粒换热器中，通过在颗粒通道和水通道之间设置若干导热棒，利用导热棒能够将颗粒通道内颗粒的热能导热至水通道中的冷媒中，实现换热；导热棒一端的端部伸入颗粒通道的侧壁中，颗粒通道的内壁在每个导热棒端部的位置开设有凹坑，导热棒端部位于所述凹坑的底部，由于该凹坑结构的存在，能够使得颗粒在流动过程中进入凹坑，这样就降低了凹坑处颗粒的流速，贴近于导热棒端部的颗粒流速在理想的情况下能够达到零，因此能够有效降低颗粒对导热棒的磨损，使得整个结构完整，而颗粒通道内的颗粒可以通过热传递以及热辐射的方式对凹坑处的颗粒进行加热，而且凹坑处的颗粒由于还能有一定的流速，因此也能够不断实现更新，保证了热量能够尽可能多的传递给导热棒，保证换热效果。颗粒通道与凹坑的表面均具有耐磨层是为了防止颗粒对它们表面进行快速的磨损。综上可以看出，本发明能够有效避免减弱颗粒对换热器内壁的磨损，进而能够满足太阳能高效颗粒储热发电的要求。
进一步的，凹坑的表面为光滑面，凹坑的口部与颗粒通道的内壁之间光滑过渡，导热棒的端面作为凹坑的底面，凹坑的底部与导热棒的端面之间光滑过渡，这种结构设计是为了在降低颗粒流速以及流动阻力的情况下，使得凹坑处的颗粒也能缓慢循环，提升换热效率。
进一步的，颗粒入口与出水口位于外壳的一侧，颗粒出口和进水口位于外壳的另一侧，这样能够使得换热的冷媒从温度较冷的一端进入，在流动过程中逐渐接近温度较高的区域，降低对材料的激冷，提高整个换气的使用寿命。
进一步的，外壳内在换热单元之间的空隙中填充有导热材料，利用导热材料能最大限度的将颗粒中所携带的热量交换出来，提高整个换热器的效能。
进一步的，导热棒的端部伸入水通道内，且该端部设有换热翅片，利用翅片能够增大水通道内流体与导热棒的换热面积，提高换热效率；换热翅片与水通道的流体流动方向平行，能够降低翅片对水通道内流体流动的阻力。
附图说明
图1为本发明储热发电系统的结构示意图。
图2为本发明一实施例的颗粒换热器的结构示意图；
图3为本发明另一实施例的颗粒换热器的结构示意图；
图4为图3所示颗粒换热器的俯视图。
其中，1为颗粒换热器、2为太阳能集热吸热装置、3为透平、4为发电机、5为冷却器、6为循环泵、7为送风机、8为导热棒、9为水通道、10为导热孔、11为颗粒通道、12为凹坑、13为外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进步的说明。
参照图3和图4，本本发明蜂窝状颗粒换热器，包括换热单元，所述换热单元包括颗粒通道11和水通道9，所述水通道9设置于颗粒通道11的一侧；沿着颗粒通道11的长度方向，颗粒通道11和水通道9之间设置有若干导热棒8，导热棒8的一端与水通道9连接，导热棒8的另一端伸入颗粒通道11的侧壁中，颗粒通道11的内壁在每个导热棒8端部的位置开设有凹坑12，导热棒8端部位于所述凹坑12的底部，颗粒通道11与凹坑12的表面均具有耐磨层。
作为发明优选的实施方案，参照图3，所述凹坑12的表面为光滑面，凹坑12的口部与颗粒通道11的内壁之间光滑过渡，导热棒8的端面作为凹坑12的底面，凹坑12的底部与导热棒8的端面之间光滑过渡，这种形状有利于颗粒在凹坑处以近似层流的方式进行移动，避免产生涡旋对导热棒8造成过快磨损。
作为发明优选的实施方案，凹坑12的形状整体为口部大、底部小的形状，这样方便凹坑12内的颗粒缓慢流动，进行更新。优选的形状为喇叭状，如果是矩形或正方形时也可以。
作为发明优选的实施方案，参照图2-图4，沿着颗粒通道11的周向，均匀设有若干所述水通道9。
作为发明优选的实施方案，所述耐磨层为耐磨陶瓷材质；颗粒通道11采用不锈钢管道或陶瓷管道；导热棒8采用不锈钢导热棒，水通道9采用不锈钢管道。
作为发明优选的实施方案，参照图3，若干导热棒8沿颗粒通道11的长度方向均匀分布。
作为发明优选的实施方案，参照图2，本发明蜂窝状颗粒换热器还包括外壳13以及若干个所述换热单元，外壳13为保温外壳，外壳13上设有颗粒入口、颗粒出口、进水口和出水口，所有换热单元设置于所述外壳内；所有颗粒通道11的一端与颗粒入口连通，所有颗粒通道11的另一端与颗粒出口连通；所有水通道9的一端与进水口连通，所有水通道9的另一端与出水口连通。
为发明优选的实施方案，参照图2，若干个所述换热单元可以为矩阵状或管束状排列。
作为发明优选的实施方案，参照图1，颗粒入口与出水口位于外壳13的一侧，颗粒出口和进水口位于外壳13的另一侧。
作为发明优选的实施方案，参照图2，外壳13内在换热单元之间的空隙中填充有导热材料。
作为发明优选的实施方案，导热棒8的端部伸入水通道9内，且该端部设有换热翅片，换热翅片与水通道9的流体流动方向平行。
参照图1，本发明还提供了一种储热发电系统，包括太阳能集热吸热装置2、透平3、发电机4、冷却器5、循环泵6、送风机7和本发明如上所述的蜂窝状颗粒换热器，太阳能集热吸热装置2的颗粒出口以及送风机7的出口与颗粒通道11的入口连接，颗粒通道11的出口与太阳能集热吸热装置2的颗粒入口连接；
送风机7的出口与颗粒通道11的入口连接，送风机7用于驱动颗粒通道11内的颗粒流动；
透平3的蒸汽入口与水通道9的出水口连接，透平3的蒸汽出口与冷却器5的进水口连接，透平3与发电机4连接，冷却器5的出水口与循环泵6入口连接，循环泵6的出口与水通道9的进水口连接。
实施例
如图1所示，本实施例储热发电系统，包括太阳能集热吸热装置2、透平3、发电机4、冷却器5、循环泵6、送风机7和本发明如上所述的蜂窝状颗粒换热器，太阳能集热吸热装置2的颗粒出口以及送风机7的出口与颗粒通道11的入口连接，颗粒通道11的出口与太阳能集热吸热装置2的颗粒入口连接；送风机7的出口与颗粒通道11的入口连接，送风机7用于驱动颗粒通道11内的颗粒流动；透平3的蒸汽入口与水通道9的出水口连接，透平3的蒸汽出口与冷却器5的进水口连接，透平3与发电机4连接，冷却器5的出水口与循环泵6入口连接，循环泵6的出口与水通道9的进水口连接。其中，蜂窝状颗粒换热器采用如图2所示的结构，在外壳13内分布有若干个呈矩阵形式排列的如图3和图4所示的换热单元。该换热单元中，沿着颗粒通道11的周向，均匀设有若干所述水通道9；若干导热棒8沿颗粒通道11的长度方向均匀分布；颗粒入口与出水口位于外壳13的下侧，颗粒出口和进水口位于外壳13的上侧，凹坑12的形状采用光滑的喇叭口状；颗粒通道11采用不锈钢管道，其表面设有陶瓷耐磨层；导热棒8采用不锈钢导热棒，水通道9采用不锈钢管道。
本发明储热发电系统中，通过太阳能集热吸热装置能够利用太阳能将作为热介质的颗粒进行加热，通过送风机能够利用空气对颗粒进行输送，进而使得颗粒所携带的热量进行流动；通过透平能够利用颗粒换热器中的高温水气进行发电，从而实现了将太阳能转换为机械能进而转换为电能；颗粒换热器一方面与水通道通过导热棒连接，很好的避免颗粒与水通道的直接接触，很好的避免的颗粒对水通道的磨损问题，另一方面颗粒换热器内表面采用耐磨损的陶瓷材料，也减弱了颗粒对换热器内表面的磨损，很好的解决了颗粒储热换热中存在的磨损问题；为了保证换热能力，水通道与颗粒换热器之间通过若干导热棒连接，热量很好的传递到水通道中。该发明装置很好的兼顾了换热和磨损问题，装置简单实用，推广价值高。因此，本发明很好的解决了磨损问题又保证了颗粒换热能力，且结构简单、成本低。

Claims (7)

1.一种蜂窝状颗粒换热器，其特征在于，包括换热单元，所述换热单元包括颗粒通道（11）和水通道（9），所述水通道（9）设置于颗粒通道（11）的一侧；沿着颗粒通道（11）的长度方向，颗粒通道（11）和水通道（9）之间设置有若干导热棒（8），导热棒（8）的一端与水通道（9）连接，导热棒（8）的另一端伸入颗粒通道（11）的侧壁中，颗粒通道（11）的内壁在每个导热棒（8）端部的位置开设有凹坑（12），导热棒（8）端部位于所述凹坑（12）的底部，颗粒通道（11）与凹坑（12）的表面均具有耐磨层；
所述凹坑（12）的表面为光滑面，凹坑（12）的口部与颗粒通道（11）的内壁之间光滑过渡，导热棒（8）的端面作为凹坑（12）的底面，凹坑（12）的底部与导热棒（8）的端面之间光滑过渡；
沿着颗粒通道（11）的周向，均匀设有若干所述水通道（9）；
所述蜂窝状颗粒换热器还包括外壳（13）以及若干个所述换热单元，外壳（13）上设有颗粒入口、颗粒出口、进水口和出水口，所有换热单元设置于所述外壳内；所有颗粒通道（11）的一端与颗粒入口连通，所有颗粒通道（11）的另一端与颗粒出口连通；所有水通道（9）的一端与进水口连通，所有水通道（9）的另一端与出水口连通；
导热棒（8）的端部伸入水通道（9）内，且该端部设有换热翅片，换热翅片与水通道（9）的流体流动方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝状颗粒换热器，其特征在于，所述耐磨层为耐磨陶瓷材质；颗粒通道（11）采用不锈钢管道或陶瓷管道；导热棒（8）采用不锈钢导热棒，水通道（9）采用不锈钢管道。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝状颗粒换热器，其特征在于，若干导热棒（8）沿颗粒通道（11）的长度方向均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝状颗粒换热器，其特征在于，外壳（13）为保温外壳。
5.根据权利要求1所述的一种蜂窝状颗粒换热器，其特征在于，颗粒入口与出水口位于外壳（13）的一侧，颗粒出口和进水口位于外壳（13）的另一侧。
6.根据权利要求1所述的一种蜂窝状颗粒换热器，其特征在于，外壳（13）内在换热单元之间的空隙中填充有导热材料。
7.一种储热发电系统，其特征在于，包括太阳能集热吸热装置（2）、透平（3）、发电机（4）、冷却器（5）、循环泵（6）、送风机（7）和权利要求1-6任意一项所述的蜂窝状颗粒换热器；
太阳能集热吸热装置（2）的颗粒出口以及送风机（7）的出口与颗粒通道（11）的入口连接，颗粒通道（11）的出口与太阳能集热吸热装置（2）的颗粒入口连接；
透平（3）的蒸汽入口与水通道（9）的出水口连接，透平（3）的蒸汽出口与冷却器（5）的进水口连接，透平（3）与发电机（4）连接，冷却器（5）的出水口与循环泵（6）入口连接，循环泵（6）的出口与水通道（9）的进水口连接。
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