CN117189409A - 熔盐斯特林发电设备及发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔盐斯特林发电设备及发电系统，属于能源利用技术领域。熔盐斯特林发电设备包括换热器、发电机和加热器；换热器包括壳体和换热管束，换热管束设置于壳体内，换热管束的内部供工质气体流动；换热管束的外周壁与壳体的内周壁之间形成供熔盐流动的熔盐通道，熔盐通道的两端分别为熔盐入口和熔盐出口；发电机包括气缸、冷却器和回热器，气缸和回热器分别与换热管束的两端连通，气缸靠近熔盐入口，回热器靠近熔盐出口；加热器环绕回热器和/或气缸的外周设置。通过加热器对回热器加热，减少了换热管束经过回热器向冷却器的散热，提高了熔盐出口处防冻堵的能力；气缸外周设置加热器，提高了熔盐入口处防冻堵的能力。

Description

熔盐斯特林发电设备及发电系统

技术领域

本发明涉及能源利用技术领域，特别涉及一种熔盐斯特林发电设备及发电系统。

背景技术

斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机；熔盐斯特林发电设备以熔盐作为热源，通过高温熔盐与换热管束中的工质气体进行换热。

当熔盐斯特林发电设备停止运行时，熔盐入口及熔盐出口处的熔盐容易遇冷冻堵，目前常见的方式是在熔盐入口及熔盐出口处进行补充加热。但是，由于换热管束与回热器连通，换热管束会经过回热器向冷却器散热，目前使用的方式往往无法提供足够的热量来抵消换热管束向冷却器的散热，熔盐出口处还是容易冻堵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中熔盐斯特林发电设备在熔盐出口处容易冻堵的缺陷，提供一种熔盐斯特林发电设备及发电系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种熔盐斯特林发电设备，所述熔盐斯特林发电设备包括换热器和发电机；所述换热器包括壳体和换热管束，所述换热管束设置于所述壳体内，所述换热管束的内部供工质气体流动；所述换热管束的外周壁与所述壳体的内周壁之间形成供熔盐流动的熔盐通道，所述熔盐通道的两端分别为熔盐入口和熔盐出口；所述发电机包括气缸、冷却器和回热器，所述气缸和所述回热器分别与所述换热管束的两端连通，且所述气缸靠近所述熔盐入口，所述回热器靠近所述熔盐出口；所述熔盐斯特林发电设备还包括加热器，所述加热器环绕所述回热器和/或所述气缸的外周设置。

在本方案中，通过在回热器外围设置加热器，当熔盐斯特林发电设备停止运行时，通过加热器对回热器进行加热，减少换热管束经过回热器向冷却器散热，提高熔盐出口处防冻堵的能力；此外，由于气缸也与换热管束连通，在气缸的外周也设置加热器，可以减少换热管束向气缸的散热，提高熔盐入口处防冻堵的能力。

较佳地，所述熔盐斯特林发电设备还包括伴热带，所述伴热带连接于所述熔盐入口处和/或所述熔盐出口处。

在本方案中，通过在熔盐入口处和/或熔盐出口处设置伴热带，对熔盐入口处和/或熔盐出口处进行加热，进一步增强熔盐入口处和/或熔盐出口处防冻堵的能力。

较佳地，所述伴热带还连接于所述壳体的外围；所述伴热带环绕所述壳体的外围，从所述熔盐入口处延伸至所述熔盐出口处。

在本方案中，通过上述结构形式，利用伴热带对壳体加热，避免熔盐在壳体内发生冻堵。

较佳地，所述壳体和/或所述换热管束由哈氏合金制成。

在本方案中，通过上述结构形式，换热器能够应对熔盐的高温腐蚀与工质气体的高压，延长熔盐斯特林发电设备的使用寿命。

较佳地，所述壳体及所述换热管束均为倒“U”形。

在本方案中，通过上述结构形式，换热器的结构紧凑，减少占用空间；同时倒“U”的形状使熔盐和工质气体均能流畅地流动，避免在折线拐角处堵塞。

一种发电系统，所述发电系统包括熔盐热源、熔盐回路、散热设备、工质气罐和如上所述的熔盐斯特林发电设备；其中，所述熔盐热源通过所述熔盐回路分别与所述换热器的所述熔盐入口和所述熔盐出口连接；所述散热设备与所述发电机连接；所述工质气罐与所述发电机连接。

在本方案中，熔盐热源分别与熔盐入口和熔盐出口连接，熔盐在熔盐热源处加热升温，从熔盐入口进入换热器，与工质气体换热后从熔盐出口流出，并经熔盐回路流回熔盐热源，进行新一轮的加热；散热设备与发电机连接，待发电机完成热电转换后，发电废热通过散热设备向环境排放；工质气罐与发电机连接，以向发电机中输入工质气体，并调节工质气体的气压；由此形成完整的发电系统，可循环使用。

较佳地，所述散热设备包括散热器和风扇。

在本方案中，散热器用于向环境散热，风扇可辅助增强散热器的散热能力。

较佳地，所述熔盐热源为熔盐反应堆或熔盐储能系统。

在本方案中，熔盐热源可根据实际需要选择熔盐反应堆或熔盐储能系统。熔盐热源为熔盐反应堆时，核燃料在熔盐反应堆的堆芯产生裂变核能，由熔盐将裂变核能产生的热能导出；熔盐热源为熔盐储能系统时，使用液态熔盐流动将熔盐储能系统的蓄热导出。

较佳地，所述发电系统还包括熔盐泵，所述熔盐泵用于驱动熔盐在所述熔盐热源和所述换热器之间流动。

在本方案中，与凭借熔盐的温差产生的压力差驱动熔盐流动相比，熔盐泵的设置可加快熔盐的流动，且可通过熔盐泵控制熔盐流动的开闭。

较佳地，所述发电系统还包括保护气罐，所述保护气罐与所述熔盐泵连接。

在本方案中，保护气罐中的保护气体(或者说惰性气体)向熔盐泵中输入，以隔绝空气(或者说氧气)，避免熔盐泵在高温熔盐与氧气结合的作用下发生腐蚀。

本发明的积极进步效果在于：

本发明中，通过在回热器外围设置加热器，当熔盐斯特林发电设备停止运行时，通过加热器对回热器进行加热，减少换热管束经过回热器向冷却器散热，提高熔盐出口处防冻堵的能力；此外，由于气缸也与换热管束连通，在气缸的外周也设置加热器，可以减少换热管束向气缸的散热，提高熔盐入口处防冻堵的能力。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的熔盐斯特林发电设备的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

熔盐斯特林发电设备100

换热器200

壳体210

换热管束220

熔盐通道221

熔盐入口222

熔盐出口223

发电机300

气缸310

活塞311

冷却器320

回热器330

加热器340

伴热带400

熔盐热源500

熔盐回路510

散热设备600

工质气罐610

熔盐泵620

保护气罐630

储盐罐640

真空泵650

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。

如图1所示，本实施例提供一种熔盐斯特林发电设备100，包括换热器200、发电机300和加热器340；换热器200包括壳体210和换热管束220，换热管束220设置于壳体210内，换热管束220的内部供工质气体流动；换热管束220的外周壁与壳体210的内周壁之间形成供熔盐流动的熔盐通道221，熔盐通道221的两端分别为熔盐入口222和熔盐出口223；发电机300包括气缸310、冷却器320和回热器330，气缸310和回热器330分别与换热管束220的两端连通，且气缸310靠近熔盐入口222，回热器330靠近熔盐出口223；加热器340环绕回热器330和/或气缸310的外周设置。

具体地，液态的高温熔盐从熔盐入口222进入换热器200内，沿熔盐通道221流动并从熔盐出口223流出；工质气体在发电机300和换热管束220中流动，并形成循环，工质气体在换热管束220中从靠近熔盐出口223处的位置向靠近熔盐入口222处的位置流动，工质气体在靠近熔盐出口223处的温度较低，在壳体210中与熔盐通道221中的高温熔盐换热升温膨胀后，进入发电机300的气缸310中，气缸310中设置有活塞311，工质气体推动活塞311运动以将热能转化为机械能(通过活塞311运动的机械能再转化为电能属于公知常识，此处不再赘述)，之后，工质气体经过冷却器320降温冷却，再经过回热器330回热，流动至换热管束220靠近熔盐出口223处的位置，进行新一轮的循环。

由于换热管束220与回热器330连通，换热管束220(靠近回热器330的部分)会经过回热器330向冷却器320散热，而熔盐出口223又靠近回热器330，当熔盐斯特林发电设备100停止运行时，熔盐通道221中不再持续地输入高温熔盐，熔盐出口223处的熔盐的热量经过换热管束220向冷却器320散失，导致容易发生遇冷冻堵(即温度降低至熔盐的熔点以下时，液态的熔盐变为固态)，影响熔盐斯特林发电设备100的正常使用。本实施例中，通过在回热器330外围设置加热器340，通过加热器340对回热器330进行加热，减弱换热管束220经过回热器330向冷却器320散热，由此提高熔盐出口223处防冻堵的能力。

进一步地，由于气缸310也与换热管束220连通，本实施例选择在气缸310的外周也设置加热器340，减少换热管束220向气缸310的散热，以提高熔盐入口222处防冻堵的能力。

在其他可选的实施方式中，根据熔盐斯特林发电设备100的实际需求，也可以择一地选择在回热器330或气缸310的外周设置加热器340。

加热器340可以选择任何能够提供充足温度的加热设备，可以理解地，为了防止熔盐冻堵，加热器340的设定温度应高于熔盐的熔点；同时，出于节能的考量，加热器340的设定温度可以低于熔盐在熔盐通道221中正常运行时所需的温度。

进一步地，本实施例中，熔盐斯特林发电设备100还包括伴热带400，伴热带400连接于熔盐入口222处和/或熔盐出口223处。

通过在熔盐入口222处和/或熔盐出口223处设置伴热带400，对熔盐入口222处和/或熔盐出口223处直接进行加热，进一步增强熔盐入口222处和/或熔盐出口223处防冻堵的能力。

本实施例优选在熔盐入口222处和熔盐出口223处均设置伴热带400，在其他可选的实施方式中，也可以根据熔盐斯特林发电设备100的实际需求，择一地选择在熔盐入口222处或熔盐出口223处设置伴热带400。

更佳地，本实施例中伴热带400还连接于壳体210的外围；伴热带400环绕壳体210的外围，从熔盐入口222处延伸至熔盐出口223处。由此，利用伴热带400对整个壳体210加热，避免熔盐在壳体210内发生冻堵。

进一步地，壳体210及换热管束220均为倒“U”形，由此使得换热器200的结构紧凑，减少占用空间；同时倒“U”的形状使熔盐和工质气体均能流畅地流动，避免在折线拐角处堵塞。

此外，本实施例中壳体210和换热管束220由哈氏合金制成，以使换热器200能够应对熔盐的高温腐蚀与工质气体的高压，延长熔盐斯特林发电设备100的使用寿命。在其他可选的实施方式中，也可以根据熔盐斯特林发电设备100的实际需求，择一地选择壳体210或换热管束220由哈氏合金制成；壳体210和/或换热管束220也可以由其他现有的耐高温腐蚀、耐高压的材料制成。

本实施例中，熔盐选择能够运行在600℃-1000℃的氟化物熔盐或氯化物熔盐，以通过使用此高温熔盐提高发电系统的发电效率；工质气体则选择高压氦气。

如图2所示，本实施例还提供一种发电系统，发电系统包括熔盐热源500、熔盐回路510、散热设备600、工质气罐610和如上所述的熔盐斯特林发电设备100。其中，熔盐热源500通过熔盐回路510分别与换热器200的熔盐入口222和熔盐出口223连接；散热设备600与发电机300连接；工质气罐610与发电机300连接。

熔盐热源500通过熔盐回路510分别与熔盐入口222和熔盐出口223连接，使熔盐形成循环：熔盐在熔盐热源500处加热升温，从熔盐入口222进入换热器200，与工质气体换热后从熔盐出口223流出，并流回熔盐热源500，进行新一轮的加热。

散热设备600与发电机300连接，待发电机300完成热电转换后，发电废热通过散热设备600向环境排放；工质气罐610与发电机300连接，以向发电机300中输入工质气体，并调节工质气体的气压。

由此，形成了完整的发电系统，可循环使用。

具体地，散热设备600包括散热器和风扇。散热器用于向环境散热，风扇可辅助增强散热器的散热能力。

为了驱使熔盐在熔盐回路510、换热器200及熔盐热源500之间流动可以采取多种方式，在一些实施例中，可以利用熔盐的温差产生的压力差来驱动熔盐流动；本实施例中优选在熔盐回路510中设置熔盐泵620，以驱动熔盐在熔盐热源500和换热器200之间流动，与凭借熔盐的温差产生的压力差驱动熔盐流动相比，熔盐泵620的设置可加快熔盐的流动，且可通过熔盐泵620控制熔盐流动的开闭。

进一步地，发电系统还包括保护气罐630，保护气罐630与熔盐泵620连接。

保护气罐630中具有保护气体(或者说惰性气体)，保护气体向熔盐泵620中输入，以隔绝空气(或者说氧气)，避免熔盐泵620在高温熔盐与氧气结合的作用下发生腐蚀。

此外，发电系统还包括储盐罐640和真空泵650。储盐罐640与熔盐热源500连接，以向熔盐热源500提供熔盐原料；真空泵650与储盐罐640连接，且保护气罐630也与储盐罐640连接，以确保储盐罐640的无氧状态，避免向熔盐热源500提供熔盐原料时掺入氧气。

熔盐热源500可根据实际需求选择为熔盐反应堆或熔盐储能系统。熔盐热源500为熔盐反应堆时，核燃料在熔盐反应堆的堆芯产生裂变核能，由熔盐将裂变核能产生的热能导出；熔盐热源500为熔盐储能系统时，使用液态熔盐流动将熔盐储能系统的蓄热导出。

可以理解地，在发电系统中熔盐斯特林发电设备100的数量并不限定为一个，根据发电量的需求，熔盐斯特林发电设备100可以设置为多个，分别独立运行或者通过串联或并联的方式连接在一起，协同运行。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种熔盐斯特林发电设备，其特征在于，所述熔盐斯特林发电设备包括换热器和发电机；

所述换热器包括壳体和换热管束，所述换热管束设置于所述壳体内，所述换热管束的内部供工质气体流动；

所述换热管束的外周壁与所述壳体的内周壁之间形成供熔盐流动的熔盐通道，所述熔盐通道的两端分别为熔盐入口和熔盐出口；

所述发电机包括气缸、冷却器和回热器，所述气缸和所述回热器分别与所述换热管束的两端连通，且所述气缸靠近所述熔盐入口，所述回热器靠近所述熔盐出口；

所述熔盐斯特林发电设备还包括加热器，所述加热器环绕所述回热器和/或所述气缸的外周设置。

2.如权利要求1所述的熔盐斯特林发电设备，其特征在于，所述熔盐斯特林发电设备还包括伴热带，所述伴热带连接于所述熔盐入口处和/或所述熔盐出口处。

3.如权利要求2所述的熔盐斯特林发电设备，其特征在于，所述伴热带还连接于所述壳体的外围；

所述伴热带环绕所述壳体的外围，从所述熔盐入口处延伸至所述熔盐出口处。

4.如权利要求1所述的熔盐斯特林发电设备，其特征在于，所述壳体和/或所述换热管束由哈氏合金制成。

5.如权利要求1所述的熔盐斯特林发电设备，其特征在于，所述壳体及所述换热管束均为倒“U”形。

6.一种发电系统，其特征在于，所述发电系统包括熔盐热源、熔盐回路、散热设备、工质气罐和如权利要求1-5所述的熔盐斯特林发电设备；

其中，所述熔盐热源通过所述熔盐回路分别与所述换热器的所述熔盐入口和所述熔盐出口连接；

所述散热设备与所述发电机连接；

所述工质气罐与所述发电机连接。

7.如权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述散热设备包括散热器和风扇。

8.如权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述熔盐热源为熔盐反应堆或熔盐储能系统。

9.如权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括熔盐泵，所述熔盐泵用于驱动熔盐在所述熔盐热源和所述换热器之间流动。

10.如权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述发电系统还包括保护气罐，所述保护气罐与所述熔盐泵连接。