CN113375489B - 一种高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，它包括有：蒸汽热源，固体储热体，给水罐体，饱和蒸汽罐体，储水箱，换热器，阀门，其技术要点是：给水罐体下部设有固定支座，饱和蒸汽罐体下部设有滑动支座；在固体储热体的输出纵向母管与饱和蒸汽罐体之间的输热管上还均布有用于缓冲换热管组对饱和蒸汽罐体轴向推力的膨胀节；蒸汽热源通过管路及蒸汽阀门依次与设在固体储热体顶端的换热管组相连接，并用纵向母管串连连通下层相邻的换热管组，构成“蛇形”往复连接结构；通过饱和蒸汽罐体下部滑动支座移动，以消除通过膨胀节缓冲后，对饱和蒸汽罐体产生推力。
Description
技术领域
本发明属于固体储热技术领域，尤其涉及一种具有高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置。
背景技术
本公司在利用“一种用固体砌块砌筑的蓄热及热转换装置”（见专利：202020175002.5）中的技术，向燃煤、燃气热电厂和热源厂提供固体蒸汽蓄热储存及放热装置，为用户存储多余的蒸汽热能时，发现现有技术存在如下不足：1、阀门过多；2、简单串连的格栅密封腔体在进行蒸汽储热工作时，蒸汽放热循环通道阻力过大；3、装置在放热工作状态时，由于没有对固体储热体按不同储热温度分区，在储热温度较低的固体蓄热体分区内，热能利用率低；4、镶嵌在固体储热体中的换热管没有设置热膨胀缓冲结构，使具有较大热线胀系数的金属换热管会涨裂较低线胀系数的固体储热体；5、装置的各部件间缺少热应力释放构件。因此有必要采取合适的技术改进措施，以确保装置整体结构的稳定性安全性和热输出效率。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种具有高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置。在固体储热体内采用多组并联蒸汽放热通道结构减少蒸汽传输阻力；在固体蓄热体内建立低温循环水预热通道，高效利用固体储热体中的热能；在装置内各部件之间构成系统性的膨胀结构，以提高设备结构的热稳定性。
本发明所采用的技术方案如下：一种高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，它包括有：蒸汽热源，固体储热体，换热管，柔性封头，横向母管，纵向母管，给水罐体，饱和蒸汽罐体，储水箱，换热器，阀门若干，其特征在于：在给水罐体下部设置有固定支座，在饱和蒸汽罐体下部设置有滑动支座；在固体储热体的输出纵向母管与饱和蒸汽罐体之间的输热管上还均布有用于缓冲换热管组对饱和蒸汽罐体轴向推力的膨胀节；蒸汽热源通过管路及蒸汽阀门与设在固体储热体顶端的换热管组相连接，并用连通纵向母管串连下层相邻的换热管组，构成往复“蛇形”的换热管组串连连接结构；所述给水罐体依次通过循环水阀门、输入纵向母管及输入横向母管与固体储热体内的换热管相连通，经固体储热体换热管依次通过输出横向母管、输出纵向母管及膨胀节、蒸汽出口阀门与饱和蒸汽罐体相连通；所述连接储水箱的补水泵与预热水阀门相连的换热管组连接后再依次与膨胀节、热水出口阀门、饱和蒸汽罐体相连通。
本发明包括：所述的换热管组包括设置在固体储热体内的若干换热管，以及与之所对应设置的输入纵向母管、输入横向母管、输出横向母管和输出纵向母管。
本发明还包括：在固体储热体与换热管之间的环形间隙内填满有用于消除热应力的细粉状填料，在固体储热体与换热管之间环形间隙的封头处还充填有耐高温柔性封头。
所述滑动支座用于支撑饱和蒸汽罐体的同时，使换热管对饱和蒸汽罐体产生的膨胀推力进行释放。
将装置的给水罐体作为膨胀热位移的起点，用固定支座支撑和固定；换热管穿过固体储热体时周围充满细粉状填料，可在其中沿轴向自由移动，换热管组与饱和蒸汽罐体通过膨胀节相连接，饱和蒸汽罐体用滑动支座支撑。当固体储热体及各金属部件受热时，膨胀所引起的热位移自固定点开始向滑动支座侧传递，通过膨胀节缓冲后，对饱和蒸汽罐体产生推力，使饱和蒸汽罐体通过滑动支座产生释放位移，从而消除了整体结构由膨胀所产生的热应力。
所述固体储热体从底部起由低位到高位，按换热管组布置间隔为分界点所对应的动态温度，划分为预热温区和蒸汽温区。
本发明与原有结构相比具有以下优点效果：本发明提供一种具有高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置。增加的输入纵向母管26和输出纵向母管6改变了标准格栅密封腔体的连接关系减少了储热蒸汽工作阻力，减少了阀门数量；放热工作时改变补水泵24的注水结构，使补水泵24注入的常温水利用固体储热体3低于蒸汽温度的热量预热补水，有效利用固体储热体3中的热量提高放热效率；增加柔性封头4、膨胀节7、细粉状填料2、滑动支座11结构提高了本装置的工作热稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明具体实施方式作详细说明， 以下说明仅作为示范和解释，并不对本发明作任何形式上的限制。本附图仅仅是本发明的一个实施案例的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可根据这一附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意简图。
图中：给水罐体1；细粉状填料2；固体储热体3；柔性封头4；输出横向母管5；输出纵向母管6；膨胀节7；饱和蒸汽罐体8；储水箱9；换热器10；滑动支座11；换热管12；固定支座13；总阀门14；储热阀门15；直通阀门16；放热阀门17；高位循环水阀门18；中位循环水阀门19；预热水阀门20；高位蒸汽出口阀门21；中位蒸汽出口阀门22；热水出口阀门23；补水泵24；循环泵25；输入纵向母管26；输入横向母管27；冷凝水阀门28。
具体实施方式
实例1
如图１所示，给水罐体1，固体储热体3，换热管12，柔性封头4，输出横向母管5，输出纵向母管6，输入纵向母管26，输入横向母管27，饱和蒸汽罐体8，储水箱9，换热器10，在给水罐体1的下部设置有固定支座13，在饱和蒸汽罐体8下部设置有滑动支座11；在固体储热体的输出纵向母管6与饱和蒸汽罐体8之间的输热管上还均布有用于缓冲换热管组对饱和蒸汽罐体8轴向推力的膨胀节7；蒸汽热源通过管路、总阀门14及储热阀门15和与高位循环水阀门18相连的输入纵向母管26及与之相接的多根输入横向母管27、固体储热体3内的多根换热管12相连通，经输出横向母管5连接与高位蒸汽出口阀门21相连接的输出纵向母管6，并连接同一根输出纵向母管6上相邻的下层多根输出横向母管5向下往复“蛇形”连接相连通；所述给水罐体1依次通过高位循环水阀门18，中位循环水阀门19及预热水阀门20以及所对应的输入纵向母管26及输入横向母管27与固体储热体3内的换热管12相连通，经固体储热体3换热管12依次通过输出横向母管5、输出纵向母管6及膨胀节7、所对应的高位蒸汽出口阀21，中位蒸汽出口阀22，热水出口阀23再与饱和蒸汽罐体8相连通。所述储水箱9依次通过补水泵24及与预热水阀门20相连的输入纵向母管26、输入横向母管27与固体储热体3内的换热管12相连通，经固体储热体3换热管12依次通过输出横向母管5、输出纵向母管6及膨胀节、热水出口阀门23与饱和蒸汽罐体8相连通。
换热管组包括设置在固体储热体3内的若干换热管12，以及与之所对应设置的输入纵向母管26、输入横向母管27、输出横向母管5和输出纵向母管6。
在固体储热体3与换热管12之间的环形间隙内填满有用于消除热应力的细粉状填料2，在固体储热体3与换热管12之间环形间隙的封头处还充填有耐高温柔性封头4。
图1中的固体储热体3从底部起由低位到高位，按换热管组布置间隔为四组分界点，所对应的动态温度划分为预热温区和蒸汽温区。本装置开始放热工作时，处在固体储热体3底层起第一组换热管组为预热温区，用于将储水箱9中的低温水加热到高温水；处在固体储热体3底层起第二组换热管组为蒸汽温区，用于将给水罐体1中的高温水加热到饱和蒸汽。跟随放热工作进程，若固体储热体3第二组换热管组中释放的温度，低于产生工作蒸汽温度时，第二组换热管组退出蒸汽温区，固体储热体3底层起第三组换热管组为蒸汽温区，用于将给水罐体1中的高温水加热到饱和蒸汽；退出蒸汽温区的第二组换热管组并入预热温区用于将储水箱9中的低温水加热到高温水。放热过程中预热温区和蒸汽温区的分界点向上动态移动，当处于固体储热体3顶端换热管组中释放的温度，低于产生工作蒸汽温度时，本装置的放热过程结束。
图1中的固体储热体3是烧结砖用耐受500℃以上温度的胶泥作为结合剂，砌筑构成的几何体。在用烧结砖砌筑的固体储热体3几何体中阵列安装换热管12，处于同一水层的多根等长度间距100㎜~300㎜的换热管12，且一端连接输入横向母管27另一端连接输出横向母管5上，即构成一个标准格栅密封腔体。在固体储热体3砌筑过程中，烧结砖每增100㎜~300㎜的高度就要安装一个标准格栅密封腔体。为保持固体储热体3的热稳定性，砌筑高度宜控制在30m以内，其中安装的格栅密封腔体不多于200层。将分层安装在固体储热体3内的格栅密封腔体，一端用输入纵向母管26分组连通输入横向母管27，另一端用输出纵向母管6分组连通输出横向母管5，并且整体形成“蛇形”串连连通结构，如图1所示的固体储热体3内安装的十二个标准格栅密封腔体共分四组，每组三个标准格栅密封腔体，用输入纵向母管26和输出纵向母管6将十二个格栅密封腔体分成四组后又完成“蛇形”串连连接。
蓄热工作过程：开启总阀门14，使直通阀门16、放热阀门17、高位循环水阀门18、中位循环水阀门19、预热水阀20、高位蒸汽出口阀门21、中位蒸汽出口阀门22、热水出口阀门23处于关闭状态，开启冷凝水阀28和储热阀15。此时具有高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置已具备蓄热工作条件，需要储存的蒸汽热源从处于固体储热体3顶端的输入纵向母管26流入与输入纵向母管26连通的输入横向母管27，再通过与本横向母管27连接的换热管组12将蒸汽热能均匀传送到固体储热体3中放热。放热后减温减压的蒸汽经输出横向母管5汇集到输出纵向母管6后，向相邻的下层格栅密封腔体传递，最后蒸汽热源逐步冷却形成冷凝水通过管道进入储水箱9，当蓄热温度达到所需温度时关闭储热阀15 ，本次蓄热工作结束。
放热工作过程：关闭预热水阀门20和冷凝水阀28后将储水箱9中的水由补水泵24补到与预热水阀门20相连通的纵向母管26，经换热管组吸热从热水出口阀23流入饱和蒸汽罐体8提高补水温度。开启循环泵25将饱和蒸汽罐体8中的高温水送入给水罐体1，待给水罐体1中液位高于中位循环水阀门19时，打开中位循环水阀门19、中位蒸汽出口阀22，使循环水在换热管12中吸收固体储热体3中储存的热能,在饱和蒸汽罐体8中产生饱和蒸汽，当饱和蒸汽达到所需求的压力、温度时打开放热阀17，向用户提供蒸汽热能。待固体储热体3中部位的温度低于蒸汽温度，不能在饱和蒸汽罐体8中产生饱和蒸汽时，补水泵24持续补水提高给水罐体1中的液位高度，开启对应高度的高位循环水阀门18、高位蒸汽出口阀21，继续向饱和蒸汽罐体8产生饱和蒸汽放热。原理同上，补水泵24驱动的低温水用固体储热体3中部位低于蒸汽温度的余热加热，循环泵25驱动的循环水吸收高位固体储热体3的热能，在饱和蒸汽罐体8中产生额定的饱和蒸汽输出。蒸汽热能经放热阀17在换热器10内换热后输出给热用户，换热器10的冷凝水回到储水箱9；补水泵24的持续补水可保持给水罐体1的工作液位，提高液位增加输出饱和蒸汽的温度，增加循环泵25的流量可提高换热管12向饱和蒸汽罐体8的放热功率，联合调解补水泵24和循环泵25可满足热用户的用热需求。
直接供热过程：开启总阀14和直通阀16，蒸汽热源通过管道直接进入换热器10进行换热，冷凝水进入储水箱9进行回收再利用，实现直接供热过程。具有高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置的直接供热过程和蓄热工作过程可以分时工作，也可以同时工作；直接供热过程和放热工作过程需分时工作。
结构热应力释放过程如下：将给水罐体1固定在固定支座13上，当本装置受热时，换热管12因膨胀产生轴向位移。由于左侧已被固定，轴向热位移向右侧传递。当热位移传递至膨胀节7时，热应力受到缓冲，并将经过缓冲的推力传递给饱和蒸汽罐体8，所产生的轴向推力克服滑动支座11接触面之间的摩擦阻力，推动饱和蒸汽罐体8向右侧移动，使因膨胀所产生的热应力得以释放。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管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，可以对本发明的实施方式进行修改或者等同替换，而不脱离本发明实施方式的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
Claims (6)
1.一种高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，其特征在于：包括有给水罐体，固体储热体，换热管，柔性封头，输出横向母管，输出纵向母管，输入纵向母管，输入横向母管，饱和蒸汽罐体，储水箱，换热器，在给水罐体的下部设置有固定支座，在饱和蒸汽罐体下部设置有滑动支座；在固体储热体的输出纵向母管与饱和蒸汽罐体之间的输热管上还均布有用于缓冲换热管组对饱和蒸汽罐体轴向推力的膨胀节；蒸汽热源通过管路、总阀门及储热阀门和与高位循环水阀门相连的输入纵向母管及与之相接的多根输入横向母管、固体储热体内的多根换热管相连通，经输出横向母管连接与高位蒸汽出口阀门相连接的输出纵向母管，并连接同一根输出纵向母管上相邻的下层多根输出横向母管向下往复“蛇形”连接相连通；所述给水罐体依次通过高位循环水阀门，中位循环水阀门及预热水阀门以及所对应的输入纵向母管及输入横向母管与固体储热体内的换热管相连通，经固体储热体换热管依次通过输出横向母管、输出纵向母管及膨胀节、所对应的高位蒸汽出口阀，中位蒸汽出口阀，热水出口阀再与饱和蒸汽罐体相连通；所述储水箱依次通过补水泵及与预热水阀门相连的输入纵向母管、输入横向母管与固体储热体内的换热管相连通，经固体储热体换热管依次通过输出横向母管、输出纵向母管及膨胀节、热水出口阀门与饱和蒸汽罐体相连通。
2.根据权利要求1所述高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，其特征在于：所述的换热管组包括设置在固体储热体内的若干换热管，以及与之所对应设置的输入纵向母管、输入横向母管、输出横向母管和输出纵向母管。
3.根据权利要求1所述高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，其特征在于：在固体储热体与换热管之间的环形间隙内填满有用于消除热应力的细粉状填料，在固体储热体与换热管之间环形间隙的封头处还充填有耐高温柔性封头。
4.根据权利要求1所述高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，其特征在于：所述固体储热体的输入纵向母管底部与储水箱相连通。
5.根据权利要求1所述高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，其特征在于：所述滑动支座用于支撑饱和蒸汽罐体的同时，使换热管对饱和蒸汽罐体产生的膨胀推力进行释放。
6.根据权利要求1所述高稳定性储热及高效率放热的固体储热装置，其特征在于：所述固体储热体从底部起由低位到高位，按换热管组布置间隔为分界点所对应的动态温度，划分为预热温区和蒸汽温区。
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