CN114270128A - 改善的储热装置 - Google Patents
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Abstract
披露了一种用于储存热能/冷能的装置，该装置包括：容器，该容器具有壁(102)，该壁具有适用于流体进入该装置(100)的第一接口(110)和适用于该流体离开该装置(100)的第二接口(111)；多个储存元件(104)，该多个储存元件布置在该容器内并且被配置为储存由该流体供应的热能/冷能。该容器包括至少一个穿孔内壁(105)，该至少一个穿孔内壁具有尺寸小于这些储存元件(104)的尺寸的开口并且在该容器内限定第一隔室(131)和至少一个第二隔室(132)，该多个储存元件(104)分布在该第一隔室(131)内和该至少一个第二隔室(132)内。
Description
本发明的技术领域
本发明的技术领域是节能技术领域，更特别地是热能再利用的技术领域。
本发明涉及一种储热装置，也就是说用于储存热能或冷能以供随后释放。
本发明的技术背景
存在着用于储存热以供之后(例如在将该装置运输到另一地点之后)再利用的装置。
传统上，这些装置包括容器(例如，金属容器)，该容器包括具有热惯性的材料，其旨在储存和释放热。这些装置包括流体入口接口和流体出口接口，该流体入口接口使得可以将流体引入装置中，以便实现流体与热惯性材料之间的热交换，该流体出口接口用于在所述热交换之后从装置中抽出流体。
储热装置的使用通常包括两个阶段。
在第一阶段或充入阶段，热流体在装置中循环。热流体与热惯性材料之间发生热交换，从而将部分热能从热流体传递到热惯性材料。
在第二阶段或释放阶段，冷流体在包括充有热能的热惯性材料的装置中循环。热惯性材料与冷流体之间发生热交换，从而将部分热能从热惯性材料传递到冷流体，然后冷流体变热。
热惯性材料可以采取多个独立储存元件(通常是耐火材料球，例如陶瓷球)的形式。这有利地使得能够在流体与热惯性材料之间获得大的接触表面。
然而，在充入阶段，容器经常随着其被加热而膨胀，从而导致容器的内部容积增大。如果容器的热膨胀系数大于储存元件的热膨胀系数，则当所述容器膨胀时产生自由空间，然后储存元件可以重新组织，以便占据由容器的膨胀释放的额外空间。换句话说，储存元件在容器中沉降。
储存元件的沉降的第一不利后果发生在容器的冷却期间，在此期间容器趋于收缩，从而回到其初始容积。储存元件的新分布通过抵抗容器的收缩而机械地约束容器，从而产生易于损坏容器的结构的机械应力。
沉降的第二不利后果是储存元件在容器中的分布不均匀。储存元件的分布变得不均匀，例如在罐的下部密度较大，而在罐的上部密度较小。因此，储存元件之间的间距在罐的上部较大，而在罐的下部较小。
这样引起流体在罐的上部优先通过，这进而导致流体与储存元件之间、特别是流体与位于罐的下部的储存元件之间的不良热传递。
避免储存元件沉降的现有方案在于例如通过用隔热层衬在容器内部，将储存元件与容器的壁隔热以便限制壁的膨胀。然而，这种方案实施昂贵且复杂。
因此，建议使用简单的手段来避免储存元件的沉降。
发明内容
本发明通过提出一种储热装置的新结构提供了针对上述问题的解决方案，在该储热装置中，使用简单的手段来限制储存元件的沉降。
根据一个方面，本发明提供了一种用于储存热能/冷能的装置，该装置包括：
-容器，该容器包括壁，该壁包括适用于使流体进入该装置的第一接口和适用于使该流体离开该装置的第二接口，
-多个储存元件，该多个储存元件布置在所述容器中并且被配置为储存由该流体供应的热能/冷能。
根据此方面的一般特征，该容器具有至少一个穿孔内壁，该至少一个穿孔内壁包括尺寸小于这些储存元件的尺寸的开口，并且在该容器中限定第一隔室和至少一个第二隔室，该多个储存元件分布在该第一隔室中和所述至少一个第二隔室中。
每个隔室中容积的绝对变化小于整个装置容积的绝对变化。因此，由容器的膨胀在每个隔室中释放的空间有利地不足以允许储存元件的完全重组。
另外，穿孔壁有利地使得能够维持流体的良好循环，同时降低储存元件移动的能力。
有利地，该系统包括多个这些穿孔壁。
该装置可以包括布置在该容器的壁周围的隔热层。
隔热层的存在有利地使得能够避免热损失到装置的外部，并因此改善其效率。
此外，将隔热层定位在容器的外部而不是内部是特别有利的，因为这不太复杂并且实现起来不太昂贵。
该容器可以是圆柱形的，所述至少一个内壁垂直于圆柱体的轴线和/或所述至少一个内壁平行于圆柱体的轴线。
因此，可以在长度和/或高度方面改变隔室的尺寸。
在此上下文中，圆柱体被理解为由被称为母线的线段产生的实体，该线段平行于被称为圆柱体的基部的两个平行固定平面之间的轴线移动。
因此，圆柱体可以具有盘状基部、椭圆形基部、或任何形状的基部。圆柱体也可以具有多边形基部，并且在这种情况下圆柱体是棱柱。特别地，具有六边形基部的圆柱体允许储存元件的最佳堆叠。其基部垂直于母线的圆柱体是直圆柱体。
每个隔室的宽度可以小于储存元件的最大尺寸的25倍。
这使得能够获得壁的最佳分布，并因此获得装置的效率与其复杂性之间的最佳折衷。
每个储存元件的最大尺寸在10毫米与50毫米之间。
储存元件的这些尺寸允许在降低第一接口与第二接口之间的流体压降、以及增加流体与储存元件之间的热传递之间的最佳折衷。
该装置进一步包括至少一个填充开口，该至少一个填充开口被制作在该容器的壁中、在该容器的壁的最高水平处。
该填充孔使得能够用储存元件填充容器。
根据一个实施例，该装置包括至少一个排放孔，该至少一个排放孔被制作在该容器的壁中、在该容器的壁的最低水平处。
当热流体与储冷元件接触时，冷凝可能形成。根据流体的性质，冷凝物可能具有腐蚀性。在容器的壁的最低水平处、也就是说在容器的底部处排放孔的存在有利地使得能够排出冷凝物，这些冷凝物将通过重力而从装置流出。
每个隔室可以包括一个或多个排放孔。
根据一个方面，本发明提出了一种冷凝物管理系统，该冷凝物管理系统包括虹吸管，该虹吸管包括管道，该管道具有能够联接到排放孔的第一端和浸入在排放盘中的第二端，该虹吸管被配置为允许液体从管道的第一端经过到排放盘并且防止液体从排放盘经过到管道的第一端。冷凝物管理系统可以联接到根据本发明的储存装置。
特别地，每个排放孔可以借助于虹吸管联接到排放盘，虹吸管的第一端联接到所述至少一个排放孔，虹吸管被配置为允许液体(例如，由冷凝物形成的液体)从容器经过到排放盘并且防止液体从排放盘经过到容器。
如果排放孔保持暴露，则不可能控制容器内的压力。
虹吸管的存在有利地使得能够防止排放孔暴露，并且防止该排放盘内存在的液体向上返回到装置中。
排放盘可以包括用于自动地填充所述排放盘的器件，只要排放盘中的填充液体的量低于确定的阈值，该器件就适于将填充液体倾倒到排放盘中。
根据一个实施例，至少一个接口包括扩散器，该扩散器具有多个同轴的截头圆锥形壁并且被配置为使该流体循环通过设置在这些壁之间的、在该扩散器的远离该容器的窄端与该扩散器的联接到该容器的宽端之间的空间。
当扩散器被放置在第一接口上从而允许流体进入时，扩散器有利地使容器中的流体能够扩散，也就是说将流体分布在装置的整个内部容积中，并因此改善热传递。
当扩散器被放置在第二接口上从而允许流体流出时，这允许流体更好地流到装置外部。
通过研究本发明的完全是非限制性的实施例的详细描述、以及为了便于理解本发明而呈现的附图，本发明的其他优点和特征将变得显而易见。
附图说明
附图通过指示的方式呈现，并且不以任何方式限制本发明。
图1至图5表示根据本发明的装置的实施例。
具体实施方式
除非另有说明，否则出现在不同附图中的相同元件将具有单一附图标记。
[图1]图1是根据本发明的用于储存热能和/或冷能的装置100的第一非限制性实施例的示意性表示。
储存装置100包括刚性容器，例如包括金属壁102(在此是钢壁)的容器，该壁的厚度在二毫米与八毫米之间、优选为五毫米。在所呈现的示例中，容器具有圆形直圆柱体的形状，容器的第一平端10形成圆柱体的第一基部，容器的第二平端11形成圆柱体的第二基部。
当然，容器也可以很容易地具有任何其他形状，比如非直圆柱体、特别是棱柱形状(例如，平行六面体)。
装置100包括内部容积VI，该内部容积适于流体、特别是传热流体的循环，并且该内部容积由装置100的内表面SI限定。在此实施例中，内表面SI由金属壁102限定。在这种情况下，内部容积是圆柱形容积。
装置100进一步包括多个储存元件104，该多个储存元件布置在容器的内部容积VI中，以便占据尽可能多的内部容积VI。在此，储存元件104是直径为20毫米的耐火陶瓷球。这种耐火陶瓷由比如矾土或铝土矿等常规原材料制成，或者由无机二次原材料(特别是钢渣、煤灰或生物质灰)制成。当然，储存元件可以具有任何其他形状、任何其他尺寸(特别是在10毫米与50毫米之间的尺寸)，可以由任何已知的其他耐火材料制成。
为了简单起见，图1中引用了单个储存元件104。
该装置进一步包括第一接口110(在此是输入接口)和第二接口111(在此是输出接口)。
第一接口110和第二接口111分别包括：被制作在容器的金属壁102中的分别在第一平端10的水平处和第二平端11的水平处的第一孔口112和第二孔口113，使得第一孔口112和第二孔口113彼此相对。第一孔口112和第二孔口113适用于固定用于流体(尤其是气体)循环的导管。
在容器的相对壁上建立彼此面对的第一接口和第二接口是有利的，因为这样允许流体更好地循环通过装置100，但是将完全有可能的是两个接口不彼此面对，且特别是建立在容器的非相对面上。
举例来说，第一接口110在这种情况下适用于固定来自工业炉的热烟气入口导管，第二接口111在这种情况下适用于固定用于所述冷却的工业烟气的出口导管。
虽然在此描述了单个第一接口110和单个第二接口111，但是将完全有可能的是该装置包括若干第一接口和若干第二接口，并且优选地，第一接口的数量等于第二接口的数量。在这种情况下，第一接口将全部被制作在第一平端10的水平处，第二接口将全部被制作在第二平端11的水平处。
还将有可能的是第一接口的孔口和第二接口的孔口具有不同的形状和尺寸。
装置100在此包括穿孔内壁105，例如在这种情况下为圆形金属网格，圆形金属格栅的条限定了边长为15毫米的方形开口。根据替代实施例，穿孔壁105呈板的形式，该板包括均匀分布在其表面上的多个孔眼。这些板(例如且以非限制性的方式)是工业格栅类型，由与容器相同的材料制成。
该壁布置在内部容积VI中，以便平行于平端10和11(也就是说垂直于由容器形成的圆柱体的轴线)，与第一平端10以及与第二平端11的距离相等。
壁105在此被设定尺寸为使得其直径略小于容器的内径。典型地，壁105的直径比容器的内径小5mm，以便避免壁105与容器之间的机械应力。另外，壁105由焊接到容器的壁的内部面的至少一个止动件(未示出)保持。
因此，网格将装置的内部容积VI分成第一隔室131和第二隔室132。多个储存元件的第一部分位于第一隔室中，多个储存元件的第二部分位于第二隔室中。由于储存元件104的尺寸大于穿孔壁105的开口的尺寸，所以位于第一隔室131中的储存元件不会融入第二隔室132中，位于第二隔室132中的储存元件不会融入第一隔室131中。
因此，由于隔室中的每一个在此具有的容积等于容器100的内部容积VI的一半，所以容器的给定容积的变化将对应于隔室中的每一个的一半的容积变化。
在容器膨胀的情况下，每个隔室中的储存元件因此具有一半的空间使它们自身重新组织，这样有利地限制沉降。
[图2]本发明不限于包括单个穿孔内壁的装置。因此，如图2中所展示的，该装置可以包括多个穿孔内壁，该多个穿孔内壁限定多个隔室。
在此，装置100具有四个穿孔内壁1051、1052、1053和1054，这些穿孔内壁将内部容积VI分成具有相同尺寸和几何形状的五个隔室131、132、133、134、135。
五个穿孔壁与先前结合图1描述的穿孔壁相同，并且分布在容器中，以便限定五个相同尺寸的隔室，多个储存元件均匀分布在五个隔室中。
因此，由于隔室中的每一个的容积等于容器的总容积的五分之一，所以容器的给定容积的绝对变化将对应于隔室中的每一个的五分之一的容积变化。
因此，在容器膨胀的情况下，储存元件具有更少的空间来重新组织，这进一步限制了沉降。
特别地，在25℃、长度为四米且其热膨胀系数为18*10-6/℃的不锈钢容器316，当其温度达到500℃时其伸长37mm。因此，隔室的内部长度的变化为9.25mm。然而，对于相同的温度差，热膨胀系数为2.4*10-6/℃的隔室中的储存元件的热膨胀为1.2mm。因此，在每个隔室中释放出8.05mm的纵向距离。
然而，为了避免储存元件重新布置，这些储存元件具有的直径必须大于此释放距离，并且理想地，直径至少是每个隔室中释放的纵向距离的1.5倍，即在最后一种情况下至少为12.75mm。
还存在径向膨胀，这样释放每个隔室中的径向距离。同样，为了避免储存元件重新布置，这些储存元件具有的直径必须大于此释放的径向距离，并且理想地，直径至少是每个隔室中释放的径向距离的1.5倍。
[图3]根据图3中所展示的罐的另一实施例，装置100包括隔热层108，该隔热层围绕金属壁102布置在容器外部，以便覆盖该金属壁的外表面。隔热层108在此包括岩棉板的组件。隔热层具有300毫米的厚度。
然而将可能的是隔热层108包括任何其他隔热材料(例如，选自玻璃棉、陶瓷棉、硅酸钙板或蛭石板的材料)，并且具有任何其他厚度(例如，介于100毫米与300毫米之间的厚度)。
隔热层108有利地使得能够避免热损失到装置外部，并因此改善其热能储存的效率。
由于穿孔内壁的存在，金属壁102的膨胀(由于金属壁102与储存元件104以及与传热流体的直接接触引起的)限制了储存元件104在每个隔室中的沉降。因此，随着罐冷却，罐恢复其初始容积，而储存元件104不对金属壁102施加应力。因此，此实施例使得能够以简单的方式显著节省装置中的空间，同时限制沉降现象。因此，不需要内部隔绝。
[图4]图4展示了优选的实施例，其中第一接口110包括第一扩散器20，该第一扩散器联接到在金属壁102中和隔热层108中制作的第一孔口112，第二接口11包括第二扩散器21，该第二扩散器联接到在金属壁102中和隔热层108中制作的第二孔口113。在这种情况下，第一扩散器20和第二扩散器23是相同的，因此为了简洁起见，在此将仅描述第一扩散器20。
第一扩散器具有三个截头圆锥形壁200、201、202，这三个截头圆锥形壁同轴地布置在由容器形成的圆柱体的轴线的一部分周围，该部分在第一扩散器20的窄端21与第一扩散器20的宽端22之间延伸，窄端21的直径小于宽端22的直径，在此窄端的直径为宽端直径的七分之一。
宽端22联接到第一孔口112，该第一孔口在此具有的直径等于装置的内径、也就是说等于罐的内部容积VI的直径。
扩散器20的窄端21远离容器并且适用于固定用于使流体循环的导管。
因此，在第一扩散器20(例如，在此从窄端21到宽端22)和装置100的内部容积VI中循环的流体将在壁200、201、202之间设置的空间中循环直到装置的内部容积VI。因此，流体将有利地扩散，以便在其循环时占据整个内部容积VI。
在第二扩散器23中循环的流体将从第二扩散器23的较大直径的窄端会聚到第二扩散器23的较小直径的窄端。
因此，第二扩散器23有利地用于使传热流体更容易离开装置。
根据此实施例，装置100具有五个壁1051、1052、1053、1054、1055。两个壁1051和1055分别位于第一孔口112处和第二孔口113处，以便将储存元件保持在装置100的内部容积VI中。三个壁1052、1053、1054将内部容积VI分成四个隔室，也就是说，第一隔室131、第二隔室132、第三隔室133和第四隔室134。
[图5]根据图5中所展示的一个实施例，装置100包括冷凝物管理系统300。在这种情况下，冷凝物管理系统300联接到根据图4中描述的实施例的储存装置100，但是可以联接到任何储存装置，特别是根据本发明的实施例中任一个的储存装置100。
根据图5所展示的实施例，每个隔室具有一个排放孔口。在这种情况下，第一隔室131具有第一排放孔口301，第二隔室132具有第二排放孔口302，第三隔室133具有第三排放孔口303，第四隔室134具有第四排放孔口304。排放孔口301、302、303、304被制作在金属壁102中和隔热层108中、在装置100的最低水平处。
因此，当装置100在充入模式下操作时，也就是说当热的传热流体(例如，来自工业炉的热烟气)在第一接口110与第二接口111之间通过时，流体在与较冷的储存元件接触时冷却而产生的冷凝物通过重力而流向内部容积VI的底部并且通过冷凝物管理系统300而被排出。
当装置100在充入模式下操作时，在容器内部施加轻微的过压(例如，20毫巴的量级)，以便促进传热流体的循环。另外，该装置还具有排泄操作模式，在该排泄操作模式期间，冷的传热流体穿过以回收在储存元件中储存的热。在这种排泄操作模式中，在容器内部施加轻微的负压(例如，20毫巴的量级)，以便促进冷流体的循环。
因此，在装置的这两种操作模式中，容器的内部与外部之间存在压力差。尽管有排放孔口301、302、303、304，为了维持这种压力差，第一排放孔口301、第二排放孔口302、第三排放孔口303和第四排放孔口304在此分别联接到第一管道321、第二管道322、第三管道323和第四管道324，每个管道通过第一端联接到其各自的孔口并且具有沉浸在填充有填充液体340(在这种情况下是水)的排放盘34中的第二端。排放盘34位于低于孔口301、302、303和304的水平的水平处。每个管道在此都是双弯曲的，并且与排放盘34一起形成虹吸管。因此，在浸入在盘34中的每个管道中存在水柱，水柱的高度足以补偿当容器正被充注时容器中的过压、或者当容器正被排泄时容器中的负压。
此外，虹吸管还被配置成允许由冷凝物形成的液体从装置100的内部容积VI流向排放盘34，并防止液体从排放盘34向装置的内部容积VI上升。
为了确保管道321、322、323和324保持浸入，冷凝物管理系统300包括填充罐的自动器件35，该自动器件包括液位检测器350和填充液体入口351(在此是水入口)，液位检测器350被配置为当盘34中的填充液体液位340低于阈值时命令液体入口351打开，而当盘34中的填充液体液位340处于或高于阈值时命令液体入口351关闭。
有利地，根据容器的操作状态，施加到容器上的过压或负压的绝对值为20毫巴，阈值等于在水柱的高度(也就是说200mm)处的该压力差，该水柱的高度增加50mm的水柱高度安全裕度。这样防止在容器处于负压的情况下液体从排放盘34向上返回到装置100的内部容积VI，并且还避免了在装置100的容积VI中过压的情况下必须吹扫管道321、322、323和324，这将具有通过排放孔口301、302、303和304产生热空气泄漏的效果。
尽管根据结合图1描述的实施例，冷凝物管理系统在此已经被描述为联接到装置100，但是冷凝物管理系统300与本发明的所有实施例、特别是结合图1至图5描述的实施例兼容。另外，冷凝物管理系统可以应用于任何需要冷凝物排放和回收的罐或器皿。根据实施例，包括冷凝物管理系统300的装置100可以在每个隔室中包括单个排放孔口，在每个隔室中包括若干排放孔口，或者甚至在仅一些隔室中包括一个或多个孔口。
无论本发明的实施例为何，当圆柱形容器100的长度大于其直径时，该圆柱形容器被水平放置在地面上，也就是说，圆柱体的准线被定向为平行于包含容器100所在的地面的平面。容器100的这种布置提供了双重优点，一方面使得运输容器100更容易，并且另一方面限制了储存元件104的分布高度。事实上，储存元件104由于重力而施加在容器100的下壁上的力是有限的。
上述实施例完全是非限制性的，并且在不脱离本发明范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。例如，在直径特别大的容器的情况下，有利的是借助于至少一个实心壁来分隔内部容积，以形成上部容积和下部容积，该实心壁在圆柱体的长度的方向上、平行于该圆柱体的纵向轴线延伸。这种容器包括穿孔板，这些穿孔板垂直于容器的纵向轴线延伸并且分布在容器的上部容积和下部容积中。与穿孔板一样，此水平壁搁置在与容器壁成一体的支撑件上。容器的这种配置使得能够在储存元件被充以热能时限制容器中的温度分层。
Claims (13)
1.一种用于储存热能/冷能的装置，该装置包括：
-容器，该容器包括壁(102)，该壁包括适用于使流体进入该装置(100)的第一接口(110)和适用于使该流体离开该装置(100)的第二接口(111)，
-多个储存元件(104)，该多个储存元件布置在所述容器中并且被配置为储存由该流体供应的热能/冷能，
其特征在于，该容器具有至少一个穿孔内壁(105，1051，1052，1053，1054，1055)，该至少一个穿孔内壁包括尺寸小于这些储存元件(102)的尺寸的开口并且在该容器中限定第一隔室(131)和至少一个第二隔室(132)，该多个储存元件分布在该第一隔室(131)中和所述至少一个第二隔室(132)中。
2.如前一项权利要求所述的装置，其特征在于，该装置包括多个穿孔内壁(1051，1052，1053，1054，1055)。
3.如权利要求1或2所述的装置，包括布置在该容器的壁(102)周围的隔热层(108)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，该容器的形状为圆柱形，所述至少一个穿孔内壁(105)垂直于该圆柱体的轴线。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，该容器的形状为圆柱形，所述至少一个穿孔内壁(105)平行于该圆柱体的轴线。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，每个隔室的宽度小于储存元件的最大尺寸的25倍。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，每个储存元件(104)的最大尺寸在10毫米与50毫米之间。
8.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括至少一个填充开口，该至少一个填充开口被制作在该容器的壁中、在该容器的壁的最高水平处。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，包括至少一个排放孔(301，302，303，304)，该至少一个排放孔被制作在该容器的壁中、在该容器的壁的最低水平处。
10.如权利要求9所述的装置，其中，各隔室具有排放孔(301，302，303，304)。
11.如权利要求10所述的装置，其中，每个排放孔(301，302，303，304)能够借助于虹吸管联接到排放盘(34)，该虹吸管包括管道(321，322，323，324)，该管道具有联接到该排放盘(301，302，303，304)的第一端和浸入在排放盘(34)中的第二端，该虹吸管被配置为允许液体从该容器经过到该排放盘(34)并且防止液体从该排放盘(34)经过到该容器。
12.如权利要求11所述的装置，其中，该排放盘(34)包括用于自动地填充所述排放盘(34)的器件(35)，只要该排放盘(34)中的填充液体(340)的量低于确定的阈值，该器件就适于将填充液体(340)倾倒到该排放盘(34)中。
13.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中，至少一个接口(110，111)包括扩散器(20，21)，该扩散器具有多个同轴的截头圆锥形壁(200，201，202)并且被配置为使该流体循环通过设置在这些同轴壁之间的、在该扩散器的远离该容器的窄端(21)与该扩散器的联接到该容器的宽端(22)之间的空间。
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