CN113418301A - 一种模块化储热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种模块化储热装置，包括串联的第一模块、第二模块和第三模块三种模块，第一模块和第三模块的外侧均设置有供气体通过的均流器；其中，第一模块包括电加热模块和蓄热模块两种；第二模块为蓄热模块；第三模块包括换热模块和蓄热模块两种；同一种模块的外形尺寸相同可替换，解决了现有储热产品的结构形式通用性不足、面对客户较多应用场景时不易调整变化的问题。

Description

一种模块化储热装置
技术领域
本发明属于储热技术领域，具体涉及一种模块化储热装置。
背景技术
我国政府承诺2030年左右碳排放达到峰值，煤电占比逐步下降，可再生能源将实现规模化发展，并大量接入到电网。但可再生能源发电具有的波动性、间歇性与随机性会对电网带来挑战，储能应运而生。常规储能方式包含电化学储能、机械储能、电磁储能、热能储存。而全球能源预算的90％基于热的转换、输送和存储，能源的终端应用形式中，热能约占70％。储热的大容量以及高安全性、低成本是其它储能技术不能实现的。
即使储热成本相对于其他储能形式的成本较低，然而由于热能品种、储换热介质较多，在实际项目推广中无法做到标准化生产，因此有必要开发一款较为通用的储热装置，助力碳达峰。现有产品面对客户较多应用场景时通用性不足，针对具体项目需要单独定制化设计以及生产，一方面延长了营销周期，另一方面增加了成本，造成实际推广困难。同时，有些客户需要一个装置适用于多场景的需求，现有的储热装置无法进行单元替换，无法满足该需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化储热装置，以解决现有储热产品的结构形式通用性不足、面对客户较多应用场景时不易调整变化的问题。
本发明采用以下技术方案：一种模块化储热装置，包括串联的第一模块、第二模块和第三模块三种模块，第一模块和第三模块的外侧均设置有供气体通过的均流器；其中，第一模块包括电加热模块和蓄热模块两种；第二模块为蓄热模块；第三模块包括换热模块和蓄热模块两种；同一种模块的外形尺寸相同可替换；
根据换热场景需要，三种模块的组合形式具体为：
在气体与气体换热场景中，第一模块、第二模块和第三模块均为蓄热模块；其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式，气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式；
或，在电能与气体换热场景中，第一模块为电加热模块、第二模块和第三模块均为蓄热模块；其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式，气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式；电加热模块用于在充热模式时、加热通过其内部的气体、并将加热空气产生的热量储存至第二模块。
进一步的，在电能与换热介质换热场景中，第一模块为电加热模块、第二模块为蓄热模块、第三模块为换热模块，换热模块外接有介质进口和介质出口；
其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式，电加热模块用于在充热模式时，加热通过其内部的气体，并将加热空气产生的热量储存至第二模块；
气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式；在放热模式时，第二模块中储存的热量通过第三模块来完成与换热介质的热交换。
进一步的，在气体与换热介质换热场景中，第一模块和第二模块均为蓄热模块，所述第三模块为换热模块，换热模块外接有介质进口和介质出口；
其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式；气体依次通过第三模块、第二模块和所述第一模块为放热模式；在放热模式时，第二模块中储存的热量通过第三模块来完成与换热介质的热交换。
进一步的，换热介质为蒸汽、水或导热油。
进一步的，蓄热模块内堆叠摆放定型显热储热材料、或在蓄热模块内设置框架，并在框架上安装储热砖。
进一步的，蓄热模块内部设置纱网笼，纱网笼内放置颗粒状显热储热材料或相变储热胶囊。
进一步的，电加热模块包括：
一支架，为框架式结构，其上设置多个加热管插孔；
多个加热管，分布排列安装在加热管插孔上；
一供电端子，一端与电加热管相连，另一端外接电缆；
一测控端子，一端与温度传感器相连，另一端与外接电缆。
进一步的，加热管材质为310S或其他镍基及铁基合金。
进一步的，三种模块串联后安装在集装箱或箱式货车中。
本发明的有益效果是：本发明将储热装置分为三种类型的模块，同一模块的选型可以替换，通用性强，加快了产品交付周期；针对客户较多应用场景需求时，各个模块的选型可以自由替换，降低了成本；同时，采用撬装式的结构设计使得产品能够应用在移动式蓄热中。
附图说明
图1为本发明一种模块化储热装置在气体与气体换热场景中的结构示意图；
图2为本发明一种模块化储热装置在电能与气体换热场景中的结构示意图；
图3为本发明一种模块化储热装置在电能与换热介质换热场景中的结构示意图；
图4为本发明一种模块化储热装置在气体与换热介质换热场景中的结构示意图；
图5为本发明一种模块化储热装置的纱网笼的结构示意图；
图6为本发明一种模块化储热装置的电加热模块的结构示意图；
图7为本发明实施例1的结构示意图。
其中，01.电加热模块，02.蓄热模块，03.换热模块，04.均流器，05.支架，06.加热管，07.供电端子，08.测控端子，09.纱网笼，1.空气入口管，2.空气均流器，3.电加热接口，4.电加热器，5.保温层，6.储热单元，7.箱式货车壳体，8.换热介质出口，9.换热器，10.换热介质入口，11.空气出口管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种模块化储热装置，包括串联的第一模块、第二模块和第三模块三种模块，第一模块和第三模块的外侧均设置有供气体通过的均流器04；其中，第一模块包括电加热模块01和蓄热模块02两种；第二模块为蓄热模块02；第三模块包括换热模块03和蓄热模块02两种；同一种模块的外形尺寸相同可替换。
根据换热场景需要，可以选择特定的三种类型的模块来组合处本发明的一种模块化储热装置。
三种模块的组合形式具体为：
如图1所示，在气体与气体换热场景中，第一模块、第二模块和第三模块均为蓄热模块02；其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式，气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式。当储热热源为余热气体，放热所需热量介质为气体时。充热时，高温气体从一侧进入一种模块化储热装置，通过蓄热模块02后降温从一种模块化储热装置的另一侧排出；放热时，低温气体从一侧进入一种模块化储热装置，通过蓄热模块02后升温排出。为得到较小的换热损失，充热和放热过程中气体流向通常相反。
或，如图2所示，在电能与气体换热场景中，第一模块为电加热模块01、第二模块和第三模块均为蓄热模块02；其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式，气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式；电加热模块01用于在充热模式时、加热通过其内部的气体、并将加热空气产生的热量储存至第二模块。
当储热热源为电，放热所需热量介质为气体时。充热时，电加热模块01将气体加热，经过加热的气体通过蓄热模块02，将热量储存在蓄热模块02中。放热时，风机将温度较低的气体送入一种模块化储热装置，一种模块化储热装置经过储热体升温后排出一种模块化储热装置。
具体的，电加热模块01的外侧端口通过风机连通至第三模块的外侧端口，风机两侧分别设置阀门F1和阀门F2；第三模块的外侧端口还通过分管路连通至风机与阀门F1之间，该分管路上设置有阀门F3，阀门F2与风机之间的管路上设置有放热冷气进口阀门F5，阀门F1与第三模块的外侧端口之间的管路上设置有放热热气出口。充热状态时，阀门F1、F2打开，F3关闭，F4、F5关闭；放热状态时，阀门F1、F2关闭，F3打开，F4、F5打开。
在一些实施例中，如图3所示，在电能与换热介质换热场景中，第一模块为电加热模块01、第二模块为蓄热模块02、第三模块为换热模块03，换热模块03外接有介质进口和介质出口；其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式，电加热模块01用于在充热模式时，加热通过其内部的气体，并将加热空气产生的热量储存至第二模块；气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式；在放热模式时，第二模块中储存的热量通过第三模块来完成与换热介质的热交换。
当储热热源为电，放热介质为蒸汽/水/导热油时，充热时，电加热模块01将气体加热，经过加热的气体通过蓄热模块02，将热量储存在蓄热模块02中。放热时，经过蓄热模块02后的高温气体通过换热模块03，将空气中的热量传递给蒸汽/水/导热油等，将上述介质加热完成放热过程。
具体的，电加热模块01的外侧端口通过风机连通至换热模块03的外侧端口，风机两侧分别设置阀门F1和阀门F2；换热模块03的外侧端口还通过分管路连通至风机与阀门F1之间，该分管路上设置有阀门F3，阀门F2与风机之间的管路上设有分支管路连通至电加热模块01的外侧端口，该分支管路上设置有阀门F4。充热状态时，阀门F1、F2打开，F3、F4关闭；放热状态时，阀门F1、F2关闭，F3、F4打开。
在一些实施例中，如图4所示，在气体与换热介质换热场景中，第一模块和第二模块均为蓄热模块02，第三模块为换热模块03，换热模块(03)外接有介质进口和介质出口；其中，气体依次通过第一模块、第二模块和第三模块为充热模式；气体依次通过第三模块、第二模块和第一模块为放热模式；在放热模式时，第二模块中储存的热量通过第三模块来完成与换热介质的热交换。
具体的，如图4所示，第一模块的外侧端口通过风机连通至换热模块03的外侧端口，风机于第一模块外侧之间管路上设置有阀门F1，阀门F1远离风机的一侧设置充热热出口管路，并在该管路上设置阀门F2；风机远离阀门F1的一侧设置充热热气进口管路，并在该管路上设置阀门F3。充热状态时，阀门F1关闭，阀门F2和F3打开，风机关闭；放热状态时，阀门F1打开，阀门F2和F3关闭，风机开启。
在一些实施例中，换热介质为蒸汽、水或导热油。
在一些实施例中，蓄热模块02内堆叠摆放定型显热储热材料、或在蓄热模块02内设置框架，并在框架上安装储热砖。
在一些实施例中，蓄热模块02内部设置纱网笼09，纱网笼09如图5所示网格结构的立体框架，纱网笼内放置颗粒状显热储热材料或相变储热胶囊。
蓄热模块02内部储热材料分为三类：定型显热储热材料、颗粒状显热储热材料、相变储热胶囊。定型显热储热材料为选取硅砖、黏土砖、高铝砖、莫来石砖、镁铁砖、镁铝砖，其多制成砖形，内部及侧面包含换热通道，换热通道可以为方形、圆形、椭圆形或者其他异形；颗粒状显热储热材料为经过简单破碎、选型、筛分的一定粒度的具有热稳定性的矿物，如玄武岩、石英岩等，粒度通常大于10mm；相变储热胶囊为采用金属封装、吸附法或烧结法制备的定型相变储热球。
蓄热模块02部分可采用定型显热储热材料、颗粒状显热储热材料、相变储热胶囊制成。使用定型显热储热材料时，可直接堆叠摆放于蓄热模块02的密封内壳之中；也可制作框架，将储热砖预先安装于框架内部，再将框架放置于密封内壳之中。使用颗粒状显热储热材料、相变储热胶囊制时，需使用外部为小于材料物理尺度的纱网笼09。经过储热后，蓄热模块02中储热体的温度最高可达700℃，可以根据不同的用户需求合理的选择换热模块03的形式，主要是换热器材质对温度的适应范围。利用蓄热模块02中储热体储存的热能可以实现在用电负荷小或者谷电时进行蓄热，需要时根据需求放热。
在一些实施例中，如图6所示，电加热模块01包括支架05，为框架式结构，其上设置多个加热管插孔；多个加热管06分布排列安装在加热管插孔上；供电端子07，一端与电加热管06相连，另一端外接电缆；测控端子08，一端与温度传感器相连，另一端与外接电缆。其中，供电端子07外穿的电极外套管采用氧化铝陶瓷、石英玻璃套管等绝缘设计。
在一些实施例中，加热管06材质为310S或其他镍基及铁基合金。
在一些实施例中，三种模块串联后安装在集装箱中。比如装置外壳利可利用现有20FT和40FT集装箱，那么三种模块的尺寸要按照能嵌入该集装箱的要求来设计。
在一些实施例中，进出口均流器04可选择导流板式均流器、孔板均流器、填料均流器。导流板均流器由特定角度的导流板组成，各板交叉连接起到导流的作用。多孔板均流器由一层或多层开孔板组成，通过形成多股平行射流的方式，达到均流的目的。填料环通常为陶瓷矩鞍环，其形状介于环形与鞍形之间，摆放于长方体网格框中，有利于气体分布。在实际使用中使用三种均流方式均可，阻力损失和使用效果按如下顺序递减：填料均流器、多孔板均流器、导流板式均流器。均流效果按从好到差分别为填料均流器、多孔板均流器和导流板式均流器，阻力损失从大道小分别为填料均流器、多孔板均流器和导流板式均流器。
在一些实施例中，一种模块化储热装置的顶部及侧部保温选择硅酸铝陶瓷纤维毡、石棉、岩棉、玻璃棉、晶质氧化铝纤维，一种模块化储热装置部选取泡沫玻璃、硅酸钙、膨胀珍珠岩、耐热砖等抗压隔热板。保温厚度根据储热介质温度以及允许散热量进行计算得到，通常储热温度为400℃时，保温厚度选取350mm。一种模块化储热装置的密封内壳使用2-5mm厚度的板材焊接成型，中部截面为长方形，端部为天圆地方，圆管部分与进出口接管相连接，其材料根据温度选取。储热温度为300℃、400℃，使用Q355/304；储热温度为500℃、600℃、700℃，使用310S/321。
实施例1
如图7所示，本发明的一种模块化储热装置可以将电加热系统、储热系统、换热系统通过计算合理的集成到厢式货车内。形成一个移动的热源，根据不同的应用场景选择合理的供热方式，极大的方便了需要热源但是供热不便的用户。而且蓄热技术的应用可以在谷电时进行储能蓄热，平峰或者尖峰用电时进行放热，极大的节约用热成本，集便利性与经济性于一体。
如图7所示，包括箱式货车壳体7，在该壳体内部设置有依次串联的电加热模块、蓄热模块和换热模块。其中，电加热模块具体包括电加热器4和电加热接口3，电加热器引出三相电缆，与外部供电设备连接。电加热模块后续连通设置有蓄热模块，具体包括储热单元6，储热单元6外部设置有保温层5。蓄热模块后续连通设置有换热模块，具体包括换热器9，换热器9上设置有换热介质出口8，其通过外伸法兰与外部介质联通；换热器9上还设置有换热介质入口10，其通过外伸法兰与外部介质联通。在电加热模块远离蓄热模块的一端设有空气均流器2，其连通有空气入口管1，空气入口通过法兰与外部循环空气管道连接。在换热模块远离蓄热模块的一端设有空气均流器2，其连通有空气出口管11，空气出口通过法兰与外部循环空气管道连接。
实施例2
某烟叶烘干企业，其生产与烟叶收获时间紧密相关，通常生产时间为7～8月份。烟叶烘烤是耗热的过程，普通烤房用煤直接供热，热利用率低。近年来，随着现代烟草农业的发展以及环保要求的提高，电气化趋势加快。
在生产季节，采用第一模块为电加热器模块01，第二、三模块为蓄热模块02的组合形式，利用谷电储热降低生产成本。在冬季非生产季节，可将第三模块替换为气水换热器，利用谷电为住宅区域供热水以及供暖。
同时，如果附近有钢铁等企业时，但由于距离等问题不便铺设管网时，可利用移动式储热，将第一、二模块替换为蓄热模块02，第三模块替换为气水换热模块。在余热热源处充热，运输至住宅生活区，提供热水。如果需要热风，则一、二、三模块全部采用储热模块。
本发明一种模块化储热装置采用模块化设计的思路，将电加热模块01、蓄热模块02、换热模块03集成在集装箱或箱式货车等封闭壳体装置中，可以根据客户实际需求进行组合。其中外壳体，内密封壳体、保温、均流、储热模块、电加热模块、换热模块可以标准化制作。一方面降低成本，有助于提高产品竞争力；另一方面，加快交货周期，为客户节约资金。此外采用撬装式的结构设计，可放置于卡车上实现移动储热的功能。

Claims (9)

1.一种模块化储热装置，其特征在于，包括串联的第一模块、第二模块和第三模块三种模块，所述第一模块和第三模块的外侧均设置有供气体通过的均流器(04)；其中，第一模块包括电加热模块(01)和蓄热模块(02)两种；第二模块为蓄热模块(02)；第三模块包括换热模块(03)和蓄热模块(02)两种；同一种模块的外形尺寸相同可替换；
根据换热场景需要，三种模块的组合形式具体为：
在气体与气体换热场景中，所述第一模块、所述第二模块和所述第三模块均为蓄热模块(02)；其中，气体依次通过第一模块、所述第二模块和所述第三模块为充热模式，气体依次通过第三模块、所述第二模块和所述第一模块为放热模式；
或，在电能与气体换热场景中，所述第一模块为电加热模块(01)、所述第二模块和所述第三模块均为蓄热模块(02)；其中，气体依次通过第一模块、所述第二模块和所述第三模块为充热模式，气体依次通过第三模块、所述第二模块和所述第一模块为放热模式；所述电加热模块(01)用于在充热模式时、加热通过其内部的气体、并将加热空气产生的热量储存至所述第二模块。
2.如权利要求1所述的一种模块化储热装置，其特征在于，在电能与换热介质换热场景中，所述第一模块为电加热模块(01)、所述第二模块为蓄热模块(02)、所述第三模块为换热模块(03)，所述换热模块(03)外接有介质进口和介质出口；
其中，气体依次通过第一模块、所述第二模块和所述第三模块为充热模式，所述电加热模块(01)用于在充热模式时，加热通过其内部的气体，并将加热空气产生的热量储存至所述第二模块；
气体依次通过第三模块、所述第二模块和所述第一模块为放热模式；在放热模式时，所述第二模块中储存的热量通过第三模块来完成与换热介质的热交换。
3.如权利要求1所述的一种模块化储热装置，其特征在于，在气体与换热介质换热场景中，所述第一模块和第二模块均为蓄热模块(02)，所述第三模块为换热模块(03)，所述换热模块(03)外接有介质进口和介质出口；
其中，气体依次通过第一模块、所述第二模块和所述第三模块为充热模式；气体依次通过第三模块、所述第二模块和所述第一模块为放热模式；在放热模式时，所述第二模块中储存的热量通过第三模块来完成与换热介质的热交换。
4.如权利要求2或3所述的一种模块化储热装置，其特征在于，所述换热介质为蒸汽、水或导热油。
5.如权利要求1或2所述的一种模块化储热装置，其特征在于，所述蓄热模块(02)内堆叠摆放定型显热储热材料、或在所述蓄热模块(02)内设置框架，并在框架上安装储热砖。
6.如权利要求1或2所述的一种模块化储热装置，其特征在于，所述蓄热模块(02)内部设置纱网笼，纱网笼内放置颗粒状显热储热材料或相变储热胶囊。
7.如权利要求1或2所述的一种模块化储热装置，其特征在于，所述电加热模块(01)包括：
一支架(05)，为框架式结构，其上设置多个加热管插孔；
多个加热管(06)，分布排列安装在所述加热管插孔上；
一供电端子(07)，一端与电加热管(06)相连，另一端外接电缆；
一测控端子(08)，一端与温度传感器相连，另一端与外接电缆。
8.如权利要求6所述的一种模块化储热装置，其特征在于，所述加热管(06)材质为310S或其他镍基及铁基合金。
9.如权利要求1或2所述的一种模块化储热装置，其特征在于，三种模块串联后安装在集装箱或箱式货车中。
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