CN114993085B - 一种固体蓄热储能循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体蓄热储能循环装置，包括蓄热体砖总成、进口风腔、出口风腔以及换热循环系统，进口风腔和出口风腔分别安装在蓄热体砖总成的入口和出口，换热循环系统的出口与进口风腔连通，换热循环系统的入口与出口风腔连通；进口风腔和出口风腔整体为一空心的柱体结构，该柱体结构的纵截面形状为一上窄下宽的形状。本发明能够使蓄热体内流体流场更为均匀，从而降低蓄热体内温度梯度，提高系统储能效率。

Description

一种固体蓄热储能循环装置

技术领域

本发明属于蓄热储能技术领域，具体涉及一种固体蓄热储能循环装置。

背景技术

储能技术按照储能方式可分为抽水储能。压缩空气储能、飞轮储能、重力储能、电池储能、蓄热储能等。蓄热储能装置可用于电源侧储能。同时，蓄热储能装置可以满足日益增长的由“碳达峰”要求带来的调峰需求。此外，蓄热储能装置可有效利用低谷电、弃风、弃光、弃水电能，并将其以热能的形式储存在蓄热体中。较传统锅炉而言，固体蓄热储能装置的储热能力更强，约为同体积的水的6倍左右，同时，固体蓄热储能装置有体积小、成本低、环保性高、效率好、能耗低、安全性强等显著优势。

现有技术存在的问题：在蓄热体设计结构上：典型蓄热储能装置设计中高温风道组件中不设置导流装置，导致系统在运行工况下，介质(主要是空气)流场不均匀，进而产生换热效果不均匀，产生垂直流速方向上较大的温度梯度。同时，在系统边蓄放热工况下(一般发生为居民区夜间供热时，即利用谷电储能的同时对下游进行供热)，蓄热体在同一个流道中，随着流体流动发展，近出口位置部分的吸热量会远小于近入口位置，造成近出口位置附近温差较小，也形成了温度梯度。

在系统控制逻辑设计上：典型蓄热储能装置中当蓄热提内局部温度高于设定最高温度时，将通过反馈机制停止对蓄热体的加热，而由于上述结构设计问题的存在，此时蓄热体内仍存在局部较大温度梯度，蓄热体内最高温度与最低温度之间的温差可高达200摄氏度左右，这使得部分储能材料没有进行充分蓄热，造成储能不足。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种固体蓄热储能循环装置，本发明能够使蓄热体(主要为蓄热砖)内流体流场更为均匀，从而降低蓄热体内温度梯度，提高系统储能效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种固体蓄热储能循环装置，包括蓄热体砖总成、进口风腔、出口风腔以及换热循环系统，进口风腔和出口风腔分别安装在蓄热体砖总成的入口和出口，换热循环系统的出口与进口风腔连通，换热循环系统的入口与出口风腔连通；进口风腔和出口风腔整体为一空心的柱体结构，该柱体结构的纵截面形状为一上窄下宽的形状。

优选的，进口风腔和出口风腔纵截面形状为截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后剩余结构的形状，其中，进口风腔和出口风腔对应的锐角底角朝上设置，进口风腔对应的所述直角梯形的下底和出口风腔对应的所述直角梯形的下底分别与蓄热体砖总成入口和出口连接。

优选的，换热循环系统的出口与进口风腔的下部连通，所述进口风腔的下部为所述直角梯形的高对应的边；换热循环系统的入口与出口风腔的侧面连通，所述出口风腔的侧面为所述直角梯形的上底对应的边。

优选的，所述进口风腔的参数满足如下关系：

其中，a为进口风腔对应的所述直角梯形的上底，H为进口风腔对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后下底剩余的长度，b为进口风腔对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后形成的新边的长度，L为蓄热体砖总成的长度，e为进口风腔对应的所述直角梯形的高。

优选的，所述出口风腔的参数满足如下关系：

其中，d为出口风腔对应的所述直角梯形的上底，H为出口风腔对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后下底剩余的长度，c为出口风腔对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后形成的新边的长度，L为蓄热体砖总成的长度，f为出口风腔对应的所述直角梯形的高。

优选的，所述换热循环系统包括风机、风机出口管、高温风道、换热器和风管，风机的出风口与风机出口管的入口连通，风机出口管的出口与进口风腔的入口连接，出口风腔的出口与高温风道的入口连通，高温风道的出口与换热器的热进口连通，换热器的热出口通过风管与风机的入口连通。

优选的，所述风管包括依次连接的回风变径直管、圆风道和回风变径弯管，回风变径直管的大端与换热器的热出口连接，回风变径直管的小端与圆风道的一端连接，圆风道的另一端回风变径弯管的小端连接，回风变径弯管的大端与风机的入口连接。

优选的，进口风腔和出口风腔上均设有保温结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明固体蓄热储能循环装置的进口风腔和出口风腔由现有的矩形风腔改为了上窄下宽的形状，经过实验，该形状的进口风腔和出口风腔能够使蓄热体砖总成内的空气通过的流场更均匀，因此减小了蓄热体砖总成中的蓄热体(主要为蓄热砖)内温度梯度，提高了蓄热体(主要为蓄热砖)在运行工况下储能效率。

附图说明

构成本发明一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为固体蓄热储能循环装置系统示意图。

图2为进口风腔、蓄热砖总成和出口风腔的二维简化示意图。

其中，1蓄热砖总成，2进口风腔，3出口风腔，4风机出口管，5高温风道，6.1电机，6.2风机，7换热器，8换热器外壳，9回风变径直管，10圆风道，11回风变径弯管，12底部保温总成，13进口风腔保温内框架，14出口风腔保温内框架，15支架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参照图1，本发明固体蓄热储能循环装置主要是在现有的装置基础之上对进口风腔和出口风腔的结构进行了改进，解决了所述的技术问题。本发明固体蓄热储能循环装置具体包括蓄热体总成、换热循环系统、控制系统、保温系统、支架系统、进口风腔2、出口风腔3。图1中箭头所指方向为系统内气体流动方向。具体的，蓄热体总成包括蓄热砖总成1、电热丝(未在图中表示)和配电柜(未在图1中表示)，换热循环系统包括风机系统电机6.1、风机6.2、风机出口管4、高温风道5、换热器7、换热器外壳8、回风变径直管9、圆风道10和回风变径弯管11；保温系统包括底部保温总成12、进口风腔保温内框架13、出口风腔保温内框架14和保温层(未在图中表示)；支架系统包括支架15。

参见图1，本发明进口风腔2和出口风腔3整体为一空心的柱体结构，该柱体结构的纵截面形状为一上窄下宽的形状。具体的，进口风腔2和出口风腔3纵截面形状为截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部(以图1所示方位为例，裁去的一部分为进口风腔2和出口风腔3的上端)分后剩余结构的形状，其中，进口风腔2和出口风腔3对应的锐角底角朝上设置，进口风腔2对应的所述直角梯形的下底和出口风腔3对应的所述直角梯形的下底分别与蓄热体总成1入口和出口连接，进口风腔2右侧面的高和蓄热砖总成1左侧面的高度相匹配，出口风腔3左侧面的高与蓄热砖总成1左侧面的高度相匹配。机6.2的出风口与风机出口管4的入口连通，风机出口管4的出口与进口风腔2的入口连接，出口风腔3的出口与高温风道5的入口连通，高温风道5的出口与换热器7的热进口连通，回风变径直管9的大端与换热器7的热出口连接，回风变径直管9的小端与圆风道10的一端连接，圆风道10的另一端回风变径弯管11的小端连接，回风变径弯管11的大端与风机6.2的入口连接。

本优选方案在蓄热砖总成的选取上自由，可以是方砖、异性砖或者其他结构形式的蓄热砖。

如图2所示，进口风腔2、出口风腔3的宽度(以图1所示的方位为例，垂直于纸面的方向，也即进口风腔2和出口风腔3对应柱体结构的高)与蓄热砖总成宽度相等，进口风腔2和出口风腔3的的高度(对应直角梯形的下底(长度较长的底边)裁去顶部之后剩余部分的长度)与蓄热砖总成高度相等，均为H(mm)、蓄热砖总成长为L(mm)，进口风腔2窄边(对应直角梯形上底(长度较短的底边))高度为a(mm)，进口风腔2底边(对应直角梯形的高)长度为e(mm)，进口风腔2顶边(对应直角梯形锐角底角裁去之后形成的新边，该边与直角梯形的高平行)长度为b(mm)，出口风腔3窄边(与进口风腔2窄边概念相同)高度为d(mm)，出口风腔3底边(与进口风腔2底边概念相同)长度为f(mm)，进口风腔顶边(与进口风腔2顶边概念相同)长度为c(mm)。

结合图2和图1，本发明进口风腔2和出口风腔3的结构参数对蓄热砖体通道内循环风的流速分布有直接影响，本发明对具体相关参数的要求如下。

由蓄热体总成和换热循环系统内的风腔回路实现热量从气体到固体之间的转换。本发明所指上述系统中，换热循环系统、控制系统、保温系统和支架系统均独立于蓄热体总成之外，可实现与光热、光伏、风电、电池等多能源、ORC循环和热泵等其他技术的灵活匹配。由控制系统实现对蓄热体总成的温度变化控制，当所布置温度信号传感器传回的温度达到设定目标值时，返回控制系统停止对蓄热体总成的加热。蓄热体总成，包括蓄热砖体、给蓄热砖进行加热的加热体及提供热量的热源系统。换热循环系统，包括风机系统、风腔回路、换热器系统。本发明所涉指的换热循环系统在蓄热体总成进口、出口两端均布置梯形风腔(上窄下宽)，满足蓄热体温度均匀分布要求。控制系统，包括布置在蓄热砖体内的温度传感器系统和外接提供信号反馈的控制回路。保温系统，包括包裹在蓄热体总成外表的保温材料、包裹在风腔回路外表的保温材料等。支架系统，包括支撑起蓄热砖体的支架系统、支撑保温材料的支架系统和支撑风腔的支架系统。

本发明固体蓄热储能循环装置在工作时可以按照蓄热体总成吸热和放热被分为系统储能状态和系统对外输出状态。

在系统储能状态下，蓄热体总成进行储热，加热体在外接加热装置的作用下进行加热，热量被传递给蓄热体总成内的蓄热砖体，当蓄热砖体问题满足某一设定温度时，布置在蓄热砖体内的温度传感器系统将信号传递给控制系统，控制系统控制加热装置停止作用，加热体停止加热，蓄热体总成在保温系统的隔热作用下，将外接加热装置输入的电能转化为蓄热体总成的热能并实现储热功能；

在系统对外输出状态下，换热循环系统开始工作，其中风机系统装置将新风引入风腔回路，新风沿风腔回路由进蓄热体总成入口进入，通过蓄热砖体内的通风孔洞，并在蓄热体总成出口返回风腔回路，形成循环风，循环风在已经完成储热的蓄热砖体内与蓄热砖进行换热，实现热能从蓄热砖体内向循环风中的传递，热风在流过换热器系统时对给水进行加热，被加热后的给水进入下游系统实现对其他系统的供热等作用。

实施例：

本实施例中，蓄热砖总成包括几种结构的蓄热砖体。蓄热砖以95#镁、92#镁、镁铁砖、镁碳砖、红砖、高铝砖和石墨砖为主。电热丝以铁铬铝、镍铬合金为主，电热丝置于蓄热砖内部，可以沿流动方向布置，也可以垂直流动方向布置。配电柜包含高低压配电柜、智能电控柜，部分特殊应用现场也会包含高压电源变压器柜、高压开关柜，从配电柜中引出加热丝的电源。

换热循环系统风道提供循环风回路。更具体的，换热循环系统风道具体包括风机出口管4、进口风腔2、出口风腔3、高温风道5、换热器外壳8、回风变径直管9、圆风道10和回风变径弯管11等，各换热循环系统风道部件由焊接形式连接。

更具体的，风机6.2采用高温离心风机，常见的有皮带传动式离心风机和直联离心风机两种，风机系统被连接在风机出口管4和回风变径弯管11之间。

更具体的，换热器7包括空气-热水、空气-空气、空气-蒸汽、空气-导热油等类型；根据结构，换热器又分为管壳式、高效翅片管式和高频焊螺旋翅片式，换热器7被布置在高温风道5和回风变径直管9之间。

具体的，底部保温总成12具体包括与蓄热体底部紧密接触的砖底不锈钢板和数层紧密接触的碳酸钙板，底部保温总成12被安装在支架15正上方。

具体的，在进口风腔保温内框架13侧边布置进风挡板。

具体的，在出口风腔保温内框架14侧边布置出风挡板。

具体的，在蓄热砖总成1外表面、进口风腔保温内框架13和出口风腔保温内框架14之间均布置保温层。

更具体的，保温层包含内胆、防火层、保温层、密封层及外壳。

在储能状态下，对蓄热砖体总成1进行加热，加热丝开始将热量传递给装置内的蓄热砖总成1，进行对蓄热体的加热，装置在保温层的保护下，将热量储存在蓄热体中将电能储存为热能。当其检测点传回的最高温度达到设定值通常为800摄氏度后，经放置在储热体纵向细小孔洞内的温度传感器将信号传递给控制系统，控制系统使装置停机，此时加热丝停止工作。

在系统对外输出状态下，在风机6.2的作用下，蓄热砖总成1为放热状态，循环风沿蓄热砖总成1内的通风孔洞循环流动形成热风，热风进入换热器7给冷水加热，热水进入循环水系统供给下游如热用户，实现本发明固体蓄热储能循环装置的对外输出。由于进口风腔2和出口风腔3的梯形结构存在，使得循环风处于蓄热砖总成1靠近顶部位置附近区域内的流速增加，循环风在近蓄热砖总成1出口位置的剧烈掺混区域更远离蓄热砖总成1出口位置，从而使得蓄热砖总成1内在放热状态下温度分布更加均匀，循环风在经过蓄热砖总成1后产生的压差更小，使蓄热砖总成1的放热效率更高，大大提高了本系统的热循环效率。进一步地，循环水温度通过调节离心引风机的工作状态来实现。

Claims (4)

1.一种固体蓄热储能循环装置，其特征在于，包括蓄热体砖总成（1）、进口风腔（2）、出口风腔（3）以及换热循环系统，进口风腔（2）和出口风腔（3）分别安装在蓄热体砖总成（1）的入口和出口，换热循环系统的出口与进口风腔（2）连通，换热循环系统的入口与出口风腔（3）连通；进口风腔（2）和出口风腔（3）整体为一空心的柱体结构，该柱体结构的纵截面形状为一上窄下宽的形状；

进口风腔（2）和出口风腔（3）纵截面形状为截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后剩余结构的形状，其中，进口风腔（2）和出口风腔（3）对应的锐角底角朝上设置，进口风腔（2）对应的所述直角梯形的下底和出口风腔（3）对应的所述直角梯形的下底分别与蓄热体砖总成（1）入口和出口连接；

换热循环系统的出口与进口风腔（2）的下部连通，所述进口风腔（2）的下部为所述直角梯形的高对应的边；换热循环系统的入口与出口风腔（3）的侧面连通，所述出口风腔（3）的侧面为所述直角梯形的上底对应的边；

所述进口风腔（2）的参数满足如下关系：

其中，a为进口风腔（2）对应的所述直角梯形的上底，H为进口风腔（2）对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后下底剩余的长度，b为进口风腔（2）对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后形成的新边的长度，L为蓄热体砖总成（1）的长度，e为进口风腔（2）对应的所述直角梯形的高；

所述出口风腔（3）的参数满足如下关系：

其中，d为出口风腔（3）对应的所述直角梯形的上底，H为出口风腔（3）对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后下底剩余的长度，c为出口风腔（3）对应的所述截面为直角梯形的柱体结构裁去锐角底角一部分后形成的新边的长度，L为蓄热体砖总成（1）的长度，f为出口风腔（3）对应的所述直角梯形的高。

2.根据权利要求1所述的一种固体蓄热储能循环装置，其特征在于，所述换热循环系统包括风机（6.2）、风机出口管（4）、高温风道（5）、换热器（7）和风管，风机（6.2）的出风口与风机出口管（4）的入口连通，风机出口管（4）的出口与进口风腔（2）的入口连接，出口风腔（3）的出口与高温风道（5）的入口连通，高温风道（5）的出口与换热器（7）的热进口连通，换热器（7）的热出口通过风管与风机（6.2）的入口连通。

3.根据权利要求2所述的一种固体蓄热储能循环装置，其特征在于，所述风管包括依次连接的回风变径直管（9）、圆风道（10）和回风变径弯管（11），回风变径直管（9）的大端与换热器（7）的热出口连接，回风变径直管（9）的小端与圆风道（10）的一端连接，圆风道（10）的另一端回风变径弯管（11）的小端连接，回风变径弯管（11）的大端与风机（6.2）的入口连接。

4.根据权利要求1所述的一种固体蓄热储能循环装置，其特征在于，进口风腔（2）和出口风腔（3）上均设有保温结构。