CN114061350A - 储热装置和换热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及储热领域，公开了一种储热装置和换热系统，储热装置包括：外壳体，包括壳壁和通过壳壁限定而成的壳腔，壳壁上形成有分别连通壳腔的进气口和出气口；碳基储热介质，设置在壳腔内且能够在电导通时发热升温；碳基电极，固定连接于碳基储热介质，以使得碳基储热介质能够通过碳基电极与外部电源导通。在使用本发明的储热装置储热时，可将碳基电极与外部电源连接，由于碳基材料具有导电性，相互连接的碳基电极和碳基储热介质之间可实现电导通，使碳基储热介质能够发热升温，在省去电加热元件的情况下直接将电能转化为热能储存，从而简化结构和降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及储热领域，具体地，涉及一种储热装置和换热系统。
背景技术
传统的固体储热装置所采用的储热材料有镁砖、相变材料、复合相变材料等，并通过电热丝等电加热元件直接或间接加热升温。然而，由于电热丝与储热材料的接触面积有限，且上述储热材料的导热系数较低，无法快速将电热丝的热量带走，导致电热丝长期处于过度发热状态，且导致储热材料的温度梯度较大，若长期使用，易开裂或粉化。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷或不足，本发明提供了一种储热装置和换热系统，能够在省去电加热元件的情况下直接将电能转化为热能储存，从而简化结构和降低成本。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种储热装置，所述储热装置包括：
外壳体，包括壳壁和通过所述壳壁限定而成的壳腔，所述壳壁上形成有分别连通所述壳腔的进气口和出气口；
碳基储热介质，设置在所述壳腔内且能够在电导通时发热升温；和
碳基电极，固定连接于所述碳基储热介质，以使得所述碳基储热介质能够通过所述碳基电极与外部电源导通。
可选地，所述储热装置包括多个所述碳基储热介质和多个所述碳基电极，多个所述碳基储热介质沿横向相互间隔设置，多个所述碳基电极一一对应地固定连接于多个所述碳基储热介质。
可选地，所述储热装置包括多个导电储热组，各个所述导电储热组均包括三个所述碳基储热介质和三个所述碳基电极，在所述导电储热组中，三个所述碳基电极能够与三相电源的U相、V相和W相一一对应连接。
可选地，所述储热装置包括多个绝缘储热介质，相邻的所述碳基储热介质之间均设有所述绝缘储热介质。
可选地，所述绝缘储热介质呈平板状，多个所述绝缘储热介质沿横向依次平行间隔布置。
可选地，所述储热装置包括用于固定所述碳基储热介质的绝缘固定结构。
可选地，所述碳基储热介质呈柱状且竖向摆置，所述碳基电极固定连接于所述碳基储热介质的端部。
可选地，所述碳基储热介质包括石墨炭质类固体材料、石墨或粉煤灰复合材料及碳碳的复合材料等；
和/或，所述碳基储热介质的电阻率为0.05×10-3Ω·m至0.5×10-3Ω·m；
和/或，所述碳基电极包括石墨炭质类固体材料、石墨沥青类固体材料、石墨煤焦油类固体材料及石墨煤沥青类固体材料等。
可选地，所述储热装置能够在所述碳基储热介质电导通时闭合所述进气口和所述出气口；或者，所述储热装置能够在所述碳基储热介质电导通时打开所述进气口和所述出气口。
可选地，所述壳壁上形成有泄压口，所述储热装置包括设置在所述泄压口上的泄压机构，所述泄压机构能够在所述壳腔内的气压大于预设安全阈值时打开所述泄压口。
可选地，所述壳壁上形成有补气口，所述储热装置能够在所述泄压口重新闭合时控制所述补气口打开。
可选地，所述储热装置包括气体分布器，所述气体分布器能够均匀分布所述壳腔内的气体。
可选地，所述外壳体为隔热壳体；和/或，所述壳壁上设有隔热层。
本发明第二方面提供了一种换热系统，所述换热系统包括上述的储热装置。
可选地，所述换热系统包括换热器、气体生成器、风机、外部电源和所述储热装置，所述外部电源连接所述碳基电极，所述气体生成器用于向所述壳腔内通入气体，所述储热装置的所述出气口管路连接至所述换热器的壳程入口，所述换热器的壳程出口管路连接至所述风机的进风口，所述风机的出风口管路连接至所述储热装置的所述进气口，所述换热器的管程与市政供热管网连通。
在本发明中，由于碳基材料具有导电性，在将碳基电极固定连接于碳基储热介质且与外部电源电连接时，可实现碳基储热介质与外部电源的导通，通过设置适宜的电阻率，使碳基储热介质具有高电阻，从而将电能直接转化为热能储存。当换热系统中的气体从进气口进入壳腔后，可与碳基储热介质高效换热，形成为高温气体后从出气口排出。可见，在储热过程中，本发明的储热装置能够在省去电加热元件的情况下直接将电能转化为热能储存，从而简化结构和降低成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的具体实施方式中的一种储热装置的示意图；
图2为对碳基材料进行通电加热实验后得出的其表面温度与通入电流之间的关系图。
附图标记说明：
1 储热装置 2 换热器
3 风机 4 气体生成器
5 热网供水管路 6 热网回水管路
7 气体输出管路 8 气体输入管路
11 外壳体 12 碳基储热介质
13 碳基电极 14 绝缘储热介质
15 底部绝缘介质 16 泄压机构
17 气体分布器
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
下面参考附图描述根据本发明的储热装置和换热系统。
如图1所示，本发明第一示例性实施例提供了一种储热装置1，该储热装置1包括外壳体11、碳基储热介质12和碳基电极13。
其中，外壳体11包括壳壁和通过壳壁限定而成的壳腔，壳壁上形成有分别连通壳腔的进气口和出气口，在储热时，可切断进气口、出气口与壳腔的连通。优选地，外壳体11本身可以是具有隔热性能的隔热壳体，或者可在壳壁上设有隔热层，例如单层隔热层、多层隔热层，以减慢储热装置1储热后的热量散失速度。隔热层可由纤维棉、空心陶瓷球或空心砖等制成。外壳体11优选采用外承压的结构，以提高储热装置1的整体强度。
碳基储热介质12和碳基电极13均由碳基材料制成，因此均具备碳基材料的导电特性。例如，碳基储热介质12可包括石墨炭质类固体材料、石墨或粉煤灰复合材料及碳碳的复合材料等，碳基电极13可包括石墨炭质类固体材料、石墨沥青类固体材料、石墨煤焦油类固体材料及石墨煤沥青类固体材料等，当选用的材料不同或材料成分配比不同时，碳基储热介质12的电阻率通常会存在差异，从而可直接影响其储热性能。
具体地，碳基储热介质12和碳基电极13均设置在壳腔内，且碳基电极13固定连接于碳基储热介质12，二者通过直接接触导电。当碳基电极13与储热装置1外的外部电源导通时，可使碳基储热介质12与外部电源导通。通过设置适宜的电阻率(例如，可将碳基储热介质12的电阻率设置为0.05×10-3Ω·m至0.5×10-3Ω·m)，可使碳基储热介质具有高电阻，从而在电导通过程中发热升温，储热温度可达900℃以上。作为对比，在现有技术中，通过电热丝加热的储热材料的储热温度最高只能达到500℃至600℃。
由此可见，储热装置1可突破现有的储热装置的储热温度极限，具有远优于现有储热装置的储热性能。此外，电热丝等电加热元件约占现有储热装置的投资成本的三分之一，故本示例性实施例的储热装置1由于省去电加热元件，可简化装置结构，且大大降低成本。
为验证碳基材料作为储热材料的可行性，特设置对碳基材料的通电加热实验，并根据记录到的实验数据得出碳基材料的表面温度与通入电流之间的关系，可参见图2。在该实验中，碳基储热材料包括石墨炭质类固体材料、石墨或粉煤灰复合材料及碳碳的复合材料等。由图2可见，该碳基材料的表面温度与其通电时长成正比，且表面升温速度与其通电电流成正比。换言之，碳基材料存在明显的通电升温现象，可将电能直接转化为热能储存，因此完全可以作为储热材料使用。
在将储热装置1应用至具体的换热场景时，可通过进气口向壳腔内通入气体(通常为氦气、氮气等惰性气体)，该气体能够在壳腔内与碳基储热介质12换热，在换热后，形成为高温气体从出气口排出，继而与换热场景中的其他介质进一步换热，从而实现对储热装置1中的热量的利用。
在碳基储热介质12的储热过程中，可先闭合进气口和出气口，待储热完成后再重新打开，即高温气体的外排是在储热完成后。或者，在碳基储热介质12的储热过程中，也可同时打开进气口和出气口，使储热和高温气体的外排同步进行，提高气体在换热系统中的流通速度。
为提高储热装置1的储热密度，可设置多个碳基储热介质12和多个碳基电极13。其中，多个碳基储热介质12沿横向相互间隔设置，既保持一定的安全距离，又能较为紧密地排布在壳腔内，从而可与气体大面积换热，提高换热效率。而多个碳基电极13则一一对应地固定连接于多个碳基储热介质12，保证各个碳基储热介质12均可处于导电状态，从而发热升温。
供电至储热装置1的外部电源可采用市电或高压电，例如380V或10kV以上电压等，使储热装置1可应用在大型换热场景中，例如应用于市政供热管网的换热场景等。
在采用三相电源的情况下，可在储热装置1中划分出多个导电储热组，各个导电储热组均包括三个碳基储热介质12和三个碳基电极13，并且三个碳基储热介质12和三个碳基电极13一一对应连接。在导电储热组中，三个碳基电极13能够与三相电源的U相、V相和W相一一对应连接，从而使三个碳基储热介质12均可处于导电状态。
壳腔内还设有多个绝缘介质，相邻的碳基储热介质12之间均设有该绝缘介质，以防止爬电。进一步地，该绝缘介质可以是通过储热材料制成的绝缘储热介质14，如镁砖、相变材料、复合相变材料等，既有绝缘功能，又能增加储热装置1的储热密度。在一种实施例中，绝缘储热介质14呈平板状，多个绝缘储热介质14沿横向依次平行间隔布置，相邻的绝缘储热介质14之间的平行间隔区域内均设有碳基储热介质12和对应的碳基电极13。进一步地，多个平板状的绝缘储热介质14可通过同一底板固定连接，在装入壳腔前，可先将多个绝缘储热介质14垂直连接于该底板上，然后再整体装入壳腔内，从而降低安装难度，提高安装效率。
此外，储热装置1中还可设置用于固定碳基储热介质12的绝缘固定结构，同样可防止多个碳基储热介质12之间爬电。在一种实施例中，参照图1，碳基储热介质12呈柱状(例如圆柱状)且竖向摆置，碳基电极13固定连接于碳基储热介质12的端部，例如固定连接于碳基储热介质12的顶端，此时绝缘固定结构可包括固定在碳基储热介质12的底部的底部绝缘介质15。更优选地，可同时设置绝缘储热介质14和底部绝缘介质15，以使储热装置1具有极佳的安全性能和储热性能。
储热装置1中还可设置泄压机构16，此时壳壁上形成有泄压口，该泄压机构16设置在泄压口上，可适时打开或闭合泄压口。具体地，当壳腔内的气压大于预设安全阈值(可预先设定)时，泄压机构16打开泄压口以将壳腔内气体排出，起到安全保护作用。当壳腔内气压下降至一定程度时，泄压机构16重新闭合泄压口，通常地，泄压机构16包括用于打开或闭合泄压口的安全阀，当壳腔内气压下降至安全阀回座压力时，安全阀将泄压口重新闭合。
壳壁上还可形成有补气口，参与换热的气体可通过该补气口通入壳腔内，例如，储热装置1外的气体生成器(例如制氮机等)可通过管路连接至该补气口，从而将生成的气体(例如氮气等)通入壳腔内。优选地，在泄压机构16重新闭合泄压口时，储热装置1设置为控制补气口打开，此时气体生成器同步工作，以通过补气口向壳腔内补充气体。换言之，通过使储热装置1与气体生成器联锁，可适时向壳腔内补充气体。
此外，储热装置1可包括气体分布器17，该气体分布器17能够均匀分布壳腔内的气体，使气体与碳基储热介质12更充分接触，从而提高换热效率。例如，可将气体分布器17设置在靠近进气口的壳腔区域内。
继续参见图1，本发明第二示例性实施例提供了一种换热系统，该换热系统包括上述的储热装置1。显然，通过采用上述储热装置1，换热系统具有该储热装置1带来的所有技术效果，此处不再重复赘述。
在一种实施例中，换热系统还包括换热器2、气体生成器4、风机3和外部电源。
其中，外部电源连接碳基电极13，气体生成器4用于向壳腔内通入气体，储热装置1的出气口通过气体输出管路7连接至换热器2的壳程入口，换热器2的壳程出口通过气体输入管路8的其中一段连接至风机3的进风口，风机3的出风口通过气体输入管路8的剩余一段连接至储热装置1的进气口，换热器2的管程与市政供热管网(包括热网供水管路5和热网回水管路6)连通。
基于上述换热系统，下面通过详细描述两种换热过程(实施例1和实施例2)以解释说明该换热系统如何运作。
实施例1
在本实施例中，外部电源为高压电源，气体生成器4为制氮机，风机为高温风机。
当换热系统工作时，首先利用制氮机制备的氮气对储热装置1的壳腔进行吹扫，以将壳腔内的空气吹扫干净。在吹扫过程中，壳腔内的气体可从泄压口排出，利用气体测量仪器(可独立设置，也可视为属于换热系统的组成部分)测量排出气体的含氧量，若含氧量低于0.01％，即可停止吹扫。
然后开启高压电源，使碳基储热介质12通电储热，并调整电源功率，保持利用谷电，例如持续通电8小时，使碳基储热介质12的温度达到900℃且整体温度梯度小于20℃。在谷电时刻，高温风机和换热器2均不开启，且闭合进气口和出气口，使壳腔内的氮气与碳基储热介质12接触换热，形成为高温氮气。
在峰电时刻，开启高温风机，打开进气口和出气口，使在壳腔内的高温氮气在高温风机驱动下流动至换热器2的壳程内，并与换热器2的管程中的市政管网回水进行换热，从而加热市政管网回水，而换热后冷却下来的氮气通过高温风机进入储热装置1的壳腔内，再次与碳基储热介质12进行换热。
实施例2
在本实施例中，外部电源为高压电源，气体生成器4为制氮机，风机为高温风机。
当换热系统工作时，首先利用制氮机制备的氮气对储热装置1的壳腔进行吹扫，以将壳腔内的空气吹扫干净。在吹扫过程中，壳腔内的气体可从泄压口排出，利用气体测量仪器(可独立设置，也可视为属于换热系统的组成部分)测量排出气体的含氧量，若含氧量低于0.01％，即可停止吹扫。
然后开启高压电源，使碳基储热介质12通电进行储热，并调整电源功率，保持利用谷电，例如持续通电8小时，使碳基储热介质12的温度达到900℃且整体温度梯度小于20℃。无论是在谷电时刻或峰电时刻，高温风机和换热器2均保持开启状态，且进气口和出气口始终保持打开状态，使壳腔内的氮气与碳基储热介质12接触换热以形成为高温氮气后，即时从出气口排出至换热器2的管程中以与市政管网回水进行换热，从而加热市政管网回水，而换热后冷却下来的氮气通过高温风机进入储热装置1的壳腔内，再次与碳基储热介质12进行换热。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (15)
1.一种储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)包括：
外壳体(11)，包括壳壁和通过所述壳壁限定而成的壳腔，所述壳壁上形成有分别连通所述壳腔的进气口和出气口；
碳基储热介质(12)，设置在所述壳腔内且能够在电导通时发热升温；
碳基电极(13)，固定连接于所述碳基储热介质(12)，以使得所述碳基储热介质(12)能够通过所述碳基电极(13)与外部电源导通。
2.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)包括多个所述碳基储热介质(12)和多个所述碳基电极(13)，多个所述碳基储热介质(12)沿横向相互间隔设置，多个所述碳基电极(13)一一对应地固定连接于多个所述碳基储热介质(12)。
3.根据权利要求2所述的储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)包括多个导电储热组，各个所述导电储热组均包括三个所述碳基储热介质(12)和三个所述碳基电极(13)，在所述导电储热组中，三个所述碳基电极(13)能够与三相电源的U相、V相和W相一一对应连接。
4.根据权利要求2所述的储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)包括多个绝缘储热介质(14)，相邻的所述碳基储热介质(12)之间均设有所述绝缘储热介质(14)。
5.根据权利要求4所述的储热装置，其特征在于，所述绝缘储热介质(14)呈平板状，多个所述绝缘储热介质(14)沿横向依次平行间隔布置。
6.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)包括用于固定所述碳基储热介质(12)的绝缘固定结构。
7.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述碳基储热介质(12)呈柱状且竖向摆置，所述碳基电极(13)固定连接于所述碳基储热介质(12)的端部。
8.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述碳基储热介质(12)包括石墨炭质类固体材料、石墨或粉煤灰复合材料及碳碳的复合材料；
和/或，所述碳基储热介质(12)的电阻率为0.05×10-3Ω·m至0.5×10-3Ω·m；
和/或，所述碳基电极(13)包括石墨炭质类固体材料、石墨沥青类固体材料、石墨煤焦油类固体材料及石墨煤沥青类固体材料。
9.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)能够在所述碳基储热介质(12)电导通时闭合所述进气口和所述出气口；或者，所述储热装置(1)能够在所述碳基储热介质(12)电导通时打开所述进气口和所述出气口。
10.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述壳壁上形成有泄压口，所述储热装置(1)包括设置在所述泄压口上的泄压机构(16)，所述泄压机构(16)能够在所述壳腔内的气压大于预设安全阈值时打开所述泄压口。
11.根据权利要求10所述的储热装置，其特征在于，所述壳壁上形成有补气口，所述储热装置(1)能够在所述泄压口重新闭合时控制所述补气口打开。
12.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述储热装置(1)包括气体分布器(17)，所述气体分布器(17)能够均匀分布所述壳腔内的气体。
13.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述外壳体(11)为隔热壳体；和/或，所述壳壁上设有隔热层。
14.一种换热系统，其特征在于，所述换热系统包括根据权利要求1～13中任意一项所述的储热装置(1)。
15.根据权利要求14所述的换热系统，其特征在于，所述换热系统包括换热器(2)、气体生成器(4)、风机(3)、外部电源和所述储热装置(1)，所述外部电源连接所述碳基电极(13)，所述气体生成器(4)用于向所述壳腔内通入气体，所述储热装置(1)的所述出气口管路连接至所述换热器(2)的壳程入口，所述换热器(2)的壳程出口管路连接至所述风机(3)的进风口，所述风机(3)的出风口管路连接至所述储热装置(1)的所述进气口，所述换热器(2)的管程与市政供热管网连通。
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