CN113446878A - 一种旋风分离式颗粒换热器及储热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋风分离式颗粒换热器及储热发电系统，包括外筒和若干水通道，外筒两端的侧壁分别连接有与外筒相切的高温颗粒空气混合物入口和出口，若干水通道与外筒同轴设置、且贯穿外筒两端的底部，水通道与外筒的底部之间密封连接，外筒、高温颗粒空气混合物入口和出口的内表面均具有耐磨层。本发明能够有效避免减弱颗粒对换热器的磨损，满足太阳能高效颗粒储热发电的要求。

Description

一种旋风分离式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，涉及一种旋风分离式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，提供了一种旋风分离式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：
一种旋风分离式颗粒换热器，包括外筒和若干水通道，外筒两端的侧壁分别连接有与外筒相切的高温颗粒空气混合物入口和出口，若干水通道与外筒同轴设置、且贯穿外筒两端的底部，水通道与外筒的底部之间密封连接，外筒、高温颗粒空气混合物入口和出口的内表面均具有耐磨层。
优选的，若干水通道成圆束状分布，圆束与外筒同轴。
优选的，所有水通道的外包络面为圆柱面，该圆柱面的半径占外筒半径的3/4～4/5。
优选的，水通道位于外筒的部分在外表面设有耐磨层。
优选的，水通道采用不锈钢管，高温颗粒空气混合物入口和出口均采用陶瓷管。
优选的，高温颗粒空气混合物入口的横截面面积大于出口的横截面面积。
优选的，外筒、高温颗粒空气混合物入口和出口的外表面均设有保温层。
优选的，出口的横截面形状为矩形，出口的一条边与外筒靠近出口一侧的底面内表面之间平齐。
优选的，高温颗粒空气混合物入口的横截面形状为矩形，且高温颗粒空气混合物入口一组对面与外筒的轴线平行，另一组对面与外筒的轴线垂直。
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旋风分离式颗粒换热器；
太阳能集热吸热装置的颗粒出口以及送风机的出口与高温颗粒空气混合物入口连接，出口与太阳能集热吸热装置的颗粒入口连接；
透平的蒸汽入口与所有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，循环泵的出口与所有水通道的进水口连接。
本发明具有如下有益效果：
本发明旋风分离式颗粒换热器中，高温颗粒空气混合物入口与外筒侧壁的切向连接，因此当高温颗粒空气混合物从高温颗粒空气混合物进入外筒后能够发生旋转运动，由于空气密度较小而颗粒的密度交大，因此颗粒会沿着外筒内壁面旋转下行，而空气的旋转半径较小，因此在颗粒的内侧旋转下行，从而实现了颗粒与空气的分离，分离后的高温空气会对水通道进行加热，实现热交换，并且若干水通道与外筒同轴设置，因此空气还会进入若干水通道之间的间隙，使得水通道都能最大限度的进行热交换，提高了换热效率，同时，由于外筒、高温颗粒空气混合物入口和出口的内表面均具有耐磨层，因此当颗粒运动时对外筒、高温颗粒空气混合物入口和出口的内表面磨损会较轻。因此本发明中只需要对外筒、高温颗粒空气混合物入口和出口的内表面进行耐磨处理就行，而水通道表面主要与空气接触换热，因此其受颗粒的影响较小，对耐磨性要求不高，大大降低了用料成本，在此条件下，水通道可采用导热系数较高的金属制作，即使该金属的耐磨性不是很高，中心分离出来的热空气对其磨损量有限，因此本发明旋风分离式颗粒换热器整体耐磨性较好，成本较低。同时由于外筒内分离出来的热空气经换热后只能从出口出来，因此在整个旋风分离式颗粒换热器运行起来后，换热后的热空气从出口流出的过程中会将外筒内的颗粒携带出来，并且在外筒的底部出口处形成一定的负压、利于将颗粒从出口携带出去，防止了颗粒在外筒底部的堆积，促进了颗粒的循环。综上，本发明能够有效避免减弱颗粒对换热器的磨损、提高使用寿命，能够满足太阳能高效颗粒储热发电的要求。
进一步的，由于高温空气换热后温度降低，体积会缩小，因此本发明中高温颗粒空气混合物入口的横截面面积大于出口的横截面面积，该设计能够提高出口的气流流速，将外筒底部的颗粒携带出来，保证颗粒的循环。
进一步的，高温颗粒空气混合物入口的横截面形状为矩形，且高温颗粒空气混合物入口一组对面与外筒的轴线平行，另一组对面与外筒的轴线垂直，这种结构设计有利于颗粒进入外筒后沿着外筒内壁旋转下行，颗粒之间的相互扰动较小，有利于颗粒与热空气的分离，有力与降低热空气中所携带的颗粒量，如果采用圆形入口，那么入口处内侧的颗粒在朝外筒内壁的过程中，由于在外筒高度方向的上下两侧，颗粒与外筒内壁之间存在空气段，该处的颗粒向外筒内壁运动过程中会将该处的空气剧烈扰动，容易在局部形成涡流，使得颗粒与空气纠缠混合难以有效分离，这样会使得内圈分离出来的热空气中携带的颗粒物较多，对水通道产生较为剧烈的磨损，此时水通道务必还需要采取抗磨措施，这样就增大了整个设备的成本。
附图说明
图1为本发明储热发电系统的结构示意图。
图2为本发明旋风分离式颗粒换热器的结构示意图；
图3为本发明旋风分离式颗粒换热器的剖视图。
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为高温颗粒空气混合物入口、9为水通道、10为出口、11为外筒。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
参照图2和图3，本发明旋风分离式颗粒换热器，包括外筒11和若干水通道9，外筒11两端的侧壁分别连接有与外筒11相切的高温颗粒空气混合物入口8和出口10，若干水通道9与外筒11同轴设置、且贯穿外筒11两端的底部，水通道9与外筒11的底部之间密封连接，外筒11、高温颗粒空气混合物入口8和出口10的内表面均具有耐磨层。所有的水通道9进口可汇集于同一个管道作为整个换热器的进水口，所有的水通道9出口可汇集于同一个管道作为整个换热器的出水口。
作为本发明优选的实施方案，参照图2，若干水通道9成圆束状分布，圆束与外筒11同轴。
作为本发明优选的实施方案，参照图2，若干水通道9成圆束状分布时，所有水通道9的外包络面为圆柱面，该圆柱面的半径占外筒11半径的3/4～4/5。
作为本发明优选的实施方案，水通道9位于外筒11的部分在外表面设有耐磨层，能够延长水通道9的使用寿命。
作为本发明优选的实施方案，水通道9采用不锈钢管，保证了导热效率。
作为本发明优选的实施方案，高温颗粒空气混合物入口8和出口10均采用陶瓷管，能够实现耐磨，提高使用寿命。
作为本发明优选的实施方案，外筒11、高温颗粒空气混合物入口8和出口10的外表面均设有保温层，能够有效防止热量散失，提高热能利用率。
作为本发明优选的实施方案，出口10的横截面形状为矩形，出口10的一条边与外筒11靠近出口10一侧的底面内表面之间平齐，能够防止外筒10底部堆积颗粒。
作为本发明优选的实施方案，高温颗粒空气混合物入口8的横截面形状为矩形，且高温颗粒空气混合物入口8的一组对面与外筒11的轴线平行，另一组对面与外筒11的轴线垂直。
如图1所示，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旋风分离式颗粒换热器；
太阳能集热吸热装置2的颗粒出口以及送风机7的出口与高温颗粒空气混合物入口8连接，出口10与太阳能集热吸热装置2的颗粒入口连接；
透平3的蒸汽入口与所有水通道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的出口与所有水通道9的进水口连接。
实施例
本实施例的储热发电系统包括颗粒换热器1、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；
太阳能集热吸热装置2的颗粒出口与颗粒换热器1的高温颗粒空气混合物入口8连接，颗粒换热器1的颗粒出口(即出口10)与太阳能集热吸热装置2的颗粒入口连接；
送风机7的出口与颗粒换热器1的高温颗粒空气混合物入口8连接，送风机7用于驱动颗粒换热器1内的颗粒流动；
透平3的蒸汽入口与颗粒换热器1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驱动发电机4发电，冷却器5的出水口与循环泵6入口连接，循环泵出口与颗粒换热器1连接。其中，颗粒换热器1采用如图2和图3所示的结构，外筒11两端的侧壁分别连接有与外筒11相切的高温颗粒空气混合物入口8和出口10，若干水通道9与外筒11同轴设置、且贯穿外筒11两端的底部，水通道9与外筒11的底部之间密封连接，外筒11、高温颗粒空气混合物入口8和出口10的内表面均具有耐磨层。所有的水通道9进口可汇集于同一个管道作为整个换热器的进水口，所有的水通道9出口可汇集于同一个管道作为整个换热器的出水口。所有水通道9成圆束状分布，圆束与外筒11同轴。所有水通道9的外包络面为圆柱面，该圆柱面的半径占外筒11半径的3/4～4/5。水通道9采用不锈钢管，水通道9位于外筒11的部分在外表面设有耐磨层，高温颗粒空气混合物入口8和出口10均采用陶瓷管，出口10的横截面形状为矩形，出口10的一条边与外筒11靠近出口10一侧的底面内表面之间平齐，高温颗粒空气混合物入口8的横截面形状为矩形，且高温颗粒空气混合物入口8的一组对面与外筒11的轴线平行，另一组对面与外筒11的轴线垂直。并且高温颗粒空气混合物入口8的横截面积大于出口10的横截面积。如图1～图3所示，高温颗粒空气混合物从上端进下端出。
本发明中，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；颗粒与高温空气从颗粒换热器入口喷入，经过旋风分离将颗粒与空气分离，颗粒沿四周旋转，并缓慢下移，高温空气沿中心向下流动。外圈高温颗粒通过辐射加热外圈水管，内侧通过吸收部分辐射热量及高温空气对流换热，保证整个水通道截面温度差异很小，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。本发明的装置结构很好的解决了磨损问题又保证了颗粒换热能力，结构简单，成本低。

Claims (10)

1.一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，包括外筒(11)和若干水通道(9)，外筒(11)两端的侧壁分别连接有与外筒(11)相切的高温颗粒空气混合物入口(8)和出口(10)，若干水通道(9)与外筒(11)同轴设置、且贯穿外筒(11)两端的底部，水通道(9)与外筒(11)的底部之间密封连接，外筒(11)、高温颗粒空气混合物入口(8)和出口(10)的内表面均具有耐磨层。
2.根据权利要求1所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，若干水通道(9)成圆束状分布，圆束与外筒(11)同轴。
3.根据权利要求2所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，所有水通道(9)的外包络面为圆柱面，该圆柱面的半径占外筒(11)半径的3/4～4/5。
4.根据权利要求1所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，水通道(9)位于外筒(11)的部分在外表面设有耐磨层。
5.根据权利要求1或4所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，水通道(9)采用不锈钢管，高温颗粒空气混合物入口(8)和出口(10)均采用陶瓷管。
6.根据权利要求1所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，高温颗粒空气混合物入口(8)的横截面面积大于出口(10)的横截面面积。
7.根据权利要求1所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，外筒(11)、高温颗粒空气混合物入口(8)和出口(10)的外表面均设有保温层。
8.根据权利要求1所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，出口(10)的横截面形状为矩形，出口(10)的一条边与外筒(11)靠近出口(10)一侧的底面内表面之间平齐。
9.根据权利要求1所述的一种旋风分离式颗粒换热器，其特征在于，高温颗粒空气混合物入口(8)的横截面形状为矩形，且高温颗粒空气混合物入口(8)一组对面与外筒(11)的轴线平行，另一组对面与外筒(11)的轴线垂直。
10.一种储热发电系统，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1-9任意一项所述的旋风分离式颗粒换热器；
太阳能集热吸热装置(2)的颗粒出口以及送风机(7)的出口与高温颗粒空气混合物入口(8)连接，出口(10)与太阳能集热吸热装置(2)的颗粒入口连接；
透平(3)的蒸汽入口与所有水通道(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)的出口与所有水通道(9)的进水口连接。
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