CN114941958B - 一种基于流化床和相变材料的换热设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于流化床和相变材料的换热设备，该设备具体包括流化床、第一旋风分离器、高温固液分离器、集热场、液体相变材料储罐、第二旋风分离器、换热器、固体相变材料储罐。备本发明的设备因为采用了相变材料储热技术，相比于现较常用的显热储热技术有更高的能量密度，因其具有更高的热容量，更好的储能表现，所要求的装置占地面积相较显热储能技术小，能同时实现吸热和放热，且在吸放热的过程中，材料温度变化小、装置结构较简单，事故率较低。

Description

一种基于流化床和相变材料的换热设备

技术领域

本发明涉及储能储热领域，具体涉及一种基于流化床和相变材料的换热设备。

背景技术

高温固体颗粒，作为第四代太阳能热发电系统的光热转换单元，近年来已经成为光热领域的研究热点之一。它具有成本低廉易得、耐温高(可达1000℃)、储热密度高、性能稳定，比热大，易于存储等特点，在大规模高温储热领域得到广泛应用，如固体颗粒光热发电领域，工业余热利用。

在光热发电领域中，通过定日镜通过跟踪将太阳光反射聚焦到吸热塔顶部的吸热器上，加热吸热介质。小陶瓷颗粒作为吸热介质通过吸热器，加热到1000℃以上。吸热器基础的概念是带有倾斜旋转轴的旋转圆柱体。通过离心力，颗粒被送入接收器并被强制靠在内壁上，形成一个薄而光学致密的颗粒膜。慢慢地沿着墙壁朝接收器出口移动，从而被反射来的太阳辐射逐渐加热。虽然加热后的颗粒可以直接储存在保温罐中供以后使用，但以沙粒、陶瓷等颗粒为吸热介质，需要解决太阳能热发电系统中储热和放热过程因颗粒流动性差引起的储热密度低、传热速率低、能量损失大、响应时间长等问题。

相变材料，是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热，依靠潜热进行热量的储存。在充放热过程中有温度变化小，储热密度大等优点，因此其储热装置体积也小。利用相变材料储能可以改善传统显热储热材料与周围环境存在大温差，造成热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储存热量等缺点。

目前相变材料存在循环过程中热物理性质的退化问题；相变材料易从基体的泄漏问题。

流化床换热技术，利用气体使固体颗粒流态化，增加了颗粒的流动性，从而显著提升介质间的对流换热系数，使高温颗粒能够快速、高效的释放热量。通过布置在炉底的布风板送出的高速气流的作用，将气流与固体颗粒充分混合，形成流态化翻滚的悬浮层。在此状态下，气固相接触面积大,颗粒循环速度高,颗粒混合均匀且床层中颗粒比热容远比气体比热容高。研通过流化床技术，可以提高系统的传热效率、改善系统温度均匀性。除此之外，流化床换热过程温度均匀性高、传热快，可以减小换热器体积，强化壁面间的传热，降低壁温。

流化床目前所面对的问题有磨损严重，由于受到固体颗粒强烈摩擦，流化床受热面磨损严重。除此之外，若没有妥善控制流化风的风量及风俗也有可能会导致结焦、颗粒堆积等问题。且目前流化床技术作为干燥、燃烧手段，多用在化工、能源、材料等领域。

近年在储能领域也出现流化床技术的应用，但仍局限于高温固体颗粒-显热储热材料换热，未出现应用于相变材料的实例。目前的显热储能材料流化床换热系统存在换热设备大，设备结构复杂，换热过程温度变化大等缺点。且在放热时，熔盐在从高温逐渐降温的过程中可能出现在蒸汽换热管道上凝固的情况，这会导致换热系数降低、设备损坏等情况。将流化床技术与显热储热技术相结合，可以使流化熔盐固体颗粒与蒸汽管之间换热系数提高，通过逆流多级流化换热还可以实现充分、高效地换热。

发明内容

针对现有技术的储能系统换热过程中换热效率低、换热设备复杂等问题，本发明提出一种基于流化床和相变材料的换热设备，具体技术方案如下：

一种基于流化床和相变材料的换热设备，该设备具体包括流化床、第一旋风分离器、高温固液分离器、集热场、液体相变材料储罐、第二旋风分离器、换热器、固体相变材料储罐；

所述流化床包括位于罐体的固体颗粒进料口、固体相变材料进料口、液体相变材料进料口、流化风出风口、固液混合物出料口、气固混合物出料口，以及位于罐体底部的风箱、低温蒸汽进风口和流化风进风口；在储热过程中，通过所述固体颗粒进料口进入流化床的高温固体颗粒与通过所述固体相变材料进料口的固体相变材料进入流化床后，由底部通入且经所述风箱分流后的流化风进行流化，流化后的混合物在流化床的罐体内混合均匀，高温固体颗粒放热，固体相变材料吸热变为液体；换热后的固-液混合物由固液混合物出料口送出；在放热阶段，所述液体相变储能材料通过液体相变材料进料口进入流化床，由低温蒸汽进风口通入的蒸汽经过风箱进行分流后对液体相变储能材料流化，液体相变材料放热变为固体，低温蒸汽吸热变过过热蒸汽，换热后的气-固混合物由所述气固混合物出料口送出；

所述第一旋风分离器包括用于分离流化风和固液混合物，其包括第一旋风分离器进口、第一旋风分离器流化风出口；所述第一旋风分离器进口与所述流化床的流化风出风口通过管道连通；

所述高温固液分离器包括高温固液混合物入口、固体颗粒出口和液体相变材料出口，所述高温固液混合物入口与流化床的固液混合物出料口通过管道连通，所述固体颗粒出口与集热场连通；储热阶段，固液分离后的固体颗粒由所述固体颗粒出口排出至集热场，液体相变材料由液体相变材料出口排出至液体相变材料储罐；

所述第二旋风分离器包括第二旋风分离器混合物进口、过热蒸汽出风口和第二旋风分离器高温固体相变材料出口；所述第二旋风分离器混合物进口与流化床的气固混合物出料口通过管道连通，第二旋风分离器高温固体相变材料出口与换热器的换热器高温固体相变材料进口通过管道连通；在放热阶段，气固混合物在换热结束后由第二旋风分离器混合物进口进入旋风分离器，在旋风分离器中过热蒸汽被分离后从过热蒸汽出风口排出进入热网供热，其他高温固体相变颗粒由第二旋风分离器高温固体相变材料出口排出至换热器；

换热器还包括换热器低温固体相变材料出口、冷水入口，高温固体相变颗粒在换热器中与冷却水换热后，通过换热器低温固体相变材料出口排出至固体相变材料储罐，冷却水换热后变为低温蒸汽，由低温蒸汽出口排出。

进一步地，所述换热器的低温蒸汽出口与流化床的低温蒸汽进风口通过管道连通，实现低温蒸汽的循环利用。

进一步地，第一旋风分离器的第一旋风分离器固体颗粒混合物出口与流化床的固体相变材料进料口通过管道连通，实现固体相变材料的循环利用，确保换热完全。

进一步地，所述第一旋风分离器的第一旋风分离器流化风出口与流化床的流化风进风口通过管道连通，实现流化风的循环利用。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的设备因为采用了相变材料储热技术，相比于现较常用的显热储热技术有更高的能量密度，因其具有更高的热容量，更好的储能表现，所要求的装置占地面积相较显热储能技术小，且在吸放热的过程中，材料温度变化小、装置结构较简单，事故率较低。

(2)本发明的设备采用了高温固体颗粒-熔盐流化床换热的技术，因此系统既有固体颗粒价格低廉、耐高温且对非均匀太阳辐照适应性强的优点，又解决了颗粒流动性差引起的储热密度低、传热速率低、能量损失大、响应时间长等问题。

(3)本发明的设备采用了流化床技术，相比于现在的电加热熔盐、蒸气管道加热熔盐，解决了换热系数小、加热不均匀、系统结构复杂等缺点，取得了更高的换热系数，且装置结构更简单，且流化床能够不间断的进行进料及出料，提高了设备的运行效率。

(4)本发明的设备将流化床换热技术与相变材料储能技术相结合，在原有显热储能材料-流化床换热系统上进行改进，取消了原流化床内应有的导热油管道，使设备结构更简单，同时降低了熔盐在蒸气管道上凝固导致系统故障的风险。

(5)本发明的设备在放热阶段将蒸气作为流化风的替代，相比于现有的流化床技术，蒸气压力易于调节，系统的运行维护更加简单，且能够避免管道及高压流化风机的振动及噪音，改善系统运行环境。除此之外，相较于传统的流化床系统仅将流化风作为将所需换热介质流化的工具，本发明的流化风(蒸汽)可以直接成为最终产品输出，减少了需要控制的变量及操作系统的数目。

(6)本发明的设备在放热阶段，在气固分离后增加了换热器系统，因此可以通过与冷水换热，在相变材料的潜热释出后继续利用其显热，做到余热的充分利用。

(7)本发明的设备中流化床设置多个进料口与出料口，因此本装置同时使用于相变材料的储、放热，减少了设备的建设成本。

附图说明

图1为本发明的基于流化床和相变材料的换热设备的示意图。

图中，1-流化床；2-第一旋风分离器；3-高温固液分离器；4-集热场；5-液体相变材料储罐；6-第二旋风分离器；7-换热器；8-固体相变材料储罐；1-1-高温固体颗粒进料口；1-2-固体相变材料进料口；1-3-液体相变材料进料口；1-4-流化风进风口；1-5-低温蒸汽进风口；1-6-风箱；1-7-进风管；1-8-流化风出风口；1-9-固液混合物出料口；1-10-气固混合物出料口；2-1-第一旋风分离器进口；2-2-第一旋风分离器流化风出口；2-3-第一旋风分离器固体颗粒混合物出口；3-1-高温固液混合物入口；3-2-固体颗粒出口；3-3-液体相变材料出口；4-1-集热场入口；5-1-液体相变材料储罐入口；6-1-第二旋风分离器混合物进口；6-2-过热蒸汽出风口；6-3-第二旋风分离器高温固体相变材料出口；7-1-换热器高温固体相变材料进口；7-2-换热器低温固体相变材料出口；7-3-冷水入口；7-4-低温蒸汽出口；8-1-固体相变材料储罐入口。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的基于流化床和相变材料的换热设备，包括流化床1、第一旋风分离器2、高温固液分离器3、集热场4、液体相变材料储罐5、第二旋风分离器6、换热器7和固体相变材料储罐8。

所述流化床1包括位于罐体的固体颗粒进料口1-1、固体相变材料进料口1-2、液体相变材料进料口1-3、流化风出风口1-8、固液混合物出料口1-9、气固混合物出料口1-10，以及位于罐体底部的风箱1-6、低温蒸汽进风口1-5和流化风进风口1-4；在储热过程中，通过所述固体颗粒进料口1-1进入流化床的高温固体颗粒与通过所述固体相变材料进料口1-2的固体相变材料进入流化床后，由底部通入且经所述风箱1-6分流后的流化风进行流化，流化后的混合物在流化床的罐体内混合均匀，高温固体颗粒放热，固体相变材料吸热变为液体；换热后的固-液混合物由固液混合物出料口1-9送出；在放热阶段，所述液体相变储能材料通过液体相变材料进料口1-3进入流化床，由低温蒸汽进风口1-5通入的蒸汽经过风箱1-6进行分流后对液体相变储能材料流化，液体相变材料放热变为固体，低温蒸汽吸热变过过热蒸汽，换热后的气-固混合物由所述气固混合物出料口1-10送出；

所述第一旋风分离器2包括用于分离流化风和固液混合物，其包括第一旋风分离器进口2-1、第一旋风分离器流化风出口2-2；所述第一旋风分离器进口2-1与所述流化床1的流化风出风口1-8通过管道连通；

所述高温固液分离器3包括高温固液混合物入口3-1、固体颗粒出口3-2和液体相变材料出口3-3，所述高温固液混合物入口3-1与流化床1的固液混合物出料口1-9通过管道连通，所述固体颗粒出口3-2与集热场4连通；储热阶段，固液分离后的固体颗粒由所述固体颗粒出口3-2排出至集热场4，液体相变材料由液体相变材料出口3-3排出至液体相变材料储罐5；

所述第二旋风分离器6包括第二旋风分离器混合物进口6-1、过热蒸汽出风口6-2和第二旋风分离器高温固体相变材料出口6-3；所述第二旋风分离器混合物进口6-1与流化床1的气固混合物出料口1-10通过管道连通，第二旋风分离器高温固体相变材料出口6-3与换热器7的换热器高温固体相变材料进口7-1通过管道连通；在放热阶段，气固混合物在换热结束后由第二旋风分离器混合物进口6-1进入旋风分离器，在旋风分离器中过热蒸汽被分离后从过热蒸汽出风口6-2排出进入热网供热，其他高温固体相变颗粒由第二旋风分离器高温固体相变材料出口6-3排出至换热器7；

换热器7还包括换热器低温固体相变材料出口7-2、冷水入口7-3，高温固体相变颗粒在换热器7中与冷却水换热后，通过换热器低温固体相变材料出口7-2排出至固体相变材料储罐8，冷却水换热后变为低温蒸汽，由低温蒸汽出口7-4排出。

本发明的设备在使用时，分为储热流程和放热流程：

一储热流程高温固体颗粒放热，固体相变材料吸热

经过太阳能聚光系统加热升温后的高温固体颗粒沙砾、陶瓷等通过高温固体颗粒进料口1-1进入流化床1后，通过进风管1-7的流化风流化，与同样从固体相变材料进料口1-2进入，经过流化风流化后的固体相变材料在流化床内均匀混合、换热。换热后的流化风由流化风出风口1-8排出。

流化风出风口1-8连接至第一旋风分离器进口2-1，流化风在第一旋风分离器2中进行气固分离，分离后的流化风由后由第一旋风分离器流化风出口2-2排出，第一旋风分离器流化风出口2-2连接至固液混合物出料口排出，固液混合物出料口连接至流化风进风口1-4做再循环，第一旋风分离器分离后的固体混合物由第一旋风分离器固体颗粒混合物出口2-3排出，第一旋风分离器固体颗粒混合物出口连接至固体相变材料进料口1-2进行再循环，确保换热完全。

换热后的高温固液混合物由固液混合物出料口1-9排出，固液混合物出料口连接至高温固液混合物入口3-1，混合物在高温固液分离机组3进行固-液分离，分离后的固体颗粒由固体颗粒出口3-2排出，固体颗粒出口与集热场入口4-1连接，固体颗粒由输送带经集热场入口送入固体颗粒集热场4等待下次利用。分离后的液体相变材料由液体相变材料出口3-3排出，液体相变材料出口连接至液体相变材料储罐入口5-1，液体相变材料经由液体相变材料储罐入口送入高温液体相变材料储罐5进行储存。

二放热流程液体相变材料放热，水吸热

将液体相变材料由液体相变材料进料口1-3送如流化床1中，由低温蒸气代替流化风从进风管1-7将相变材料流化，低温蒸气与相变材料在流化床内均匀混合，过程中持续吸热成为过热蒸汽，同时液体相变持续放热变为固体材料，换热后夹带固体相变材料的过热蒸汽由气固混合物出料口1-10排出，气固混合物出料口连接至第二旋风分离器混合物进口6-1。

在第二旋风分离器中将过热蒸汽与固体相变材料进行分离，分离后的过热蒸汽由过热蒸汽出风口6-2排出，进入蒸汽热网供热，分离后的高温固体相变材料出口由第二旋风分离器高温固体相变材料出口6-3排出，第二旋风分离器高温固体相变材料出口连接至换热器高温固体相变材料进口7-1。

高温固体相变材料在换热器7中与冷却水换热，换热后的低温固体相变材料由换热器低温固体相变材料出口7-2排出，换热器低温固体相变材料出口连接至固体相变材料储罐入口8-1，低温固体相变材料经由低温固体相变材料储罐入口进入固体相变材料储罐8储存以重复使用。用于换热的水由冷水入口7-3进入换热器，在换热器中持续吸热汽化成为低温蒸汽，换热后的低温蒸汽由低温蒸汽出口7-4排出，低温蒸汽出口连接至低温蒸汽进风口1-5使低温蒸汽可以作为流化风使用。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于流化床和相变材料的换热设备，其特征在于，该设备包括流化床(1)、第一旋风分离器(2)、高温固液分离器(3)、集热场(4)、液体相变材料储罐(5)、第二旋风分离器(6)、换热器(7)、固体相变材料储罐(8)；

所述流化床(1)包括位于罐体的固体颗粒进料口(1-1)、固体相变材料进料口(1-2)、液体相变材料进料口(1-3)、流化风出风口(1-8)、固液混合物出料口(1-9)、气固混合物出料口(1-10)，以及位于罐体底部的风箱(1-6)、低温蒸汽进风口(1-5)和流化风进风口(1-4)；在储热过程中，通过所述固体颗粒进料口(1-1)进入流化床的高温固体颗粒与通过所述固体相变材料进料口(1-2)的固体相变材料进入流化床后，由底部通入且经所述风箱(1-6)分流后的流化风进行流化，流化后的混合物在流化床的罐体内混合均匀，高温固体颗粒放热，固体相变材料吸热变为液体；换热后的固-液混合物由固液混合物出料口(1-9)送出；在放热阶段，所述液体相变材料通过液体相变材料进料口(1-3)进入流化床，由低温蒸汽进风口(1-5)通入的蒸汽经过风箱(1-6)进行分流后对液体相变材料流化，液体相变材料放热变为固体，低温蒸汽吸热变过过热蒸汽，换热后的气-固混合物由所述气固混合物出料口(1-10)送出；

所述第一旋风分离器(2)包括用于分离流化风和固液混合物，其包括第一旋风分离器进口(2-1)、第一旋风分离器流化风出口(2-2)；所述第一旋风分离器进口(2-1)与所述流化床(1)的流化风出风口(1-8)通过管道连通；

所述高温固液分离器(3)包括高温固液混合物入口(3-1)、固体颗粒出口(3-2)和液体相变材料出口(3-3)，所述高温固液混合物入口(3-1)与流化床(1)的固液混合物出料口(1-9)通过管道连通，所述固体颗粒出口(3-2)与集热场(4)连通；储热阶段，固液分离后的固体颗粒由所述固体颗粒出口(3-2)排出至集热场(4)，液体相变材料由液体相变材料出口(3-3)排出至液体相变材料储罐(5)；

所述第二旋风分离器(6)包括第二旋风分离器混合物进口(6-1)、过热蒸汽出风口(6-2)和第二旋风分离器高温固体相变材料出口(6-3)；所述第二旋风分离器混合物进口(6-1)与流化床(1)的气固混合物出料口(1-10)通过管道连通，第二旋风分离器高温固体相变材料出口(6-3)与换热器(7)的换热器高温固体相变材料进口(7-1)通过管道连通；在放热阶段，气固混合物在换热结束后由第二旋风分离器混合物进口(6-1)进入旋风分离器，在旋风分离器中过热蒸汽被分离后从过热蒸汽出风口(6-2)排出进入热网供热，其他高温固体相变颗粒由第二旋风分离器高温固体相变材料出口(6-3)排出至换热器(7)；

换热器(7)还包括换热器低温固体相变材料出口(7-2)、冷水入口(7-3)，高温固体相变颗粒在换热器(7)中与冷却水换热后，通过换热器低温固体相变材料出口(7-2)排出至固体相变材料储罐(8)，冷却水换热后变为低温蒸汽，由低温蒸汽出口(7-4)排出。

2.根据权利要求1所述的基于流化床和相变材料的换热设备，其特征在于，所述换热器(7)的低温蒸汽出口(7-4)与流化床(1)的低温蒸汽进风口(1-5)通过管道连通，实现低温蒸汽的循环利用。

3.根据权利要求1所述的基于流化床和相变材料的换热设备，其特征在于，第一旋风分离器(2)的第一旋风分离器固体颗粒混合物出口(2-3)与流化床(1)的固体相变材料进料口(1-2)通过管道连通，实现固体相变材料的循环利用，确保换热完全。

4.根据权利要求1所述的基于流化床和相变材料的换热设备，其特征在于，所述第一旋风分离器(2)的第一旋风分离器流化风出口(2-2)与流化床(1)的流化风进风口(1-4)通过管道连通，实现流化风的循环利用。