CN203224161U - 一种储热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种储热装置，包括至少两层侧壁(1)，每相邻两层所述侧壁(1)之间形成容置储热材料的腔室(2)，还包括传热工质导管(3)；所述导管(3)的第一端部(31)贯穿所述至少两层侧壁(1)中的外壁(12)、第二端部(32)贯穿所有所述侧壁(1)、中间部(33)依次在各所述腔室(2)中环绕。储热时，热的工质由内向外依次通过所述导管(3)而加热储热材料；放热时，冷的工质先外后内依次通过所述导管(3)而别加热。这种储热装置沿半径方向产生较大的温度梯度，有效降低装置表面温度，储热效果较好。并且能方便的根据实际工况在不同的腔室中配置不同或相同的储热材料，提高整个储热装置的效率和经济性。

Description

一种储热装置

技术领域

本实用新型涉及热能利用设备技术领域，尤其涉及一种储热装置。

背景技术

储热技术一般是指利用储热材料所具有的显热和潜热特性把热能暂时储存其中，以便于在后续需要的时候利用。作为能量转换和应用系统的关键技术之一，储热的重要意义在于它是解决能源供应及需求之间在时间上不同步的重要方案，能有效优化能源配置。

在储热过程中，高温传热工质进入储热装置并加热其内的储热材料；之后在需要的时候，低温传热工质进入储热装置，并通过热交换而被储热材料加热，加热后的传热工质随后被传输到需要的地方而加以应用。由于工业用储热装置(特别是大规模太阳能热电站用储热装置)一般体积大，表面积大，装置中储热材料温度高，从而导致表面散热损失严重。因此，如何减小热损失是储热装置在设计过程中需要解决的关键难题之一。

请参考图1，图1为现有技术中一种储热装置的结构示意图。下面简要介绍这种储热装置的工作原理及其存在的不足。

如图1所示，该储热装置包括金属板卷曲制成的侧壁11′，该侧壁11′的每相邻两层之间形成容置储热材料12′的螺旋板形储热腔室。该储热装置的顶端设有空气导管13′，空气导管13′在侧壁11′的每两层之间的对应位置设有通孔，该通孔可选择地打开或关闭。

在储热阶段，向空气导管中输送空气，如果该空气的温度较高，则打开第一通孔14′，其余通孔处于关闭状态，使温度较高的空气经第一通孔14′中进入螺旋腔室的第一层。如果空气的温度略低，则打开第二通孔15′，关闭其余通孔，使温度略低的空气进入螺旋腔室的第二层。依次类推，将温度逐渐降低的空气分别通过第三通孔16′、第四通孔17′、第五通孔18′输送至螺旋腔室的第三层、第四层、第五层，如此不同温度的空气有选择性的进入该储热装置的不同区域并与与储热材料12′充分直接接触换热，使得螺旋壁的各层腔室之间的温度各不相同，从内层到外层逐渐降低，即形成了温度梯度。这使得整个储热装置的表面温度较低，减少了表面热量损失，延长了储热时间。

然而，上述储热装置只能采用空气作为传热工质，为了让空气在储热材料12′之中流动，储热材料12′必须是颗粒状的，为了提高空气与储热材料12′的换热效率，就应该减小储热材料12′颗粒的直径以增加其表面积，但如果储热材料12′颗粒太小，又影响空气的流动。

因此，上述储热装置的储热材料12′和传热工质都受到一定的限制，导致该储热装置的储热效果较差，并且该装置由金属板卷曲制成，其尺寸难以做大，因此在大规模商业化储热过程中，如太阳能热发电领域并没有实际的应用价值。

有鉴于此，亟待针对上述技术问题，另辟蹊径设计一种储热装置，即能在其半径方向上由内到外形成一定的温度梯度，减小储热装置表面的热损失，从而延长储热时间和提高其储热效果。

实用新型内容

本实用新型的目的为提供一种储热装置，该储热装置既能够由内向外形成一定的温度梯度，减小表面热损失，延长储热时间、提高储热效果。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种储热装置，包括至少两层侧壁，每相邻两层所述侧壁之间形成容置储热材料的腔室，还包括传热工质导管；所述导管的第一端部贯穿所述至少两层侧壁中的外壁、第二端部贯穿所有所述侧壁、中间部依次在各所述腔室中环绕。

优选地，所述导管的数目为一个，储热阶段时，所述第二端部为入口端部、所述第一端部为出口端部；放热阶段时，所述第一端部为入口端部、所述第二端部为出口端部。

优选地，所述导管的数目为至少两个，包括用于储热时输送热工质的热工质导管和用于放热时输送冷工质的冷工质导管；所述热工质导管的第二端部为入口端部、第一端部为出口端部；所述冷工质导管的第一端部为入口端部、第二端部为出口端部。

优选地，所述热工质导管和冷工质导管的数目均为至少两个。

优选地，所述中间部包括在每个所述腔室内环绕的螺旋管和贯通每相邻两个所述螺旋管的连接管。

优选地，各所述腔室中的储热材料的适用温度沿从内到外的方向依次降低。

优选地，所述至少两层侧壁依次套设，每个所述侧壁为周向封闭的筒形侧壁。

优选地，所述腔室中设有横向的支撑杆，所述支撑杆的两端固定连接于形成所述腔室的侧壁之间，且所述支撑杆与所述导管可拆卸地连接。

优选地，所有腔室中的内腔室中设有支撑柱，所述支撑柱沿所述内腔室的轴向设置，所述内腔室的所述支撑杆一端连接所述支撑柱、另一端连接所有侧壁中的内壁。

优选地，还包括强化传热部件，所述强化传热部件设于所述支撑杆上。

优选地，所述强化传热部件为多个与所述支撑杆垂直设置的钢杆，多个所述钢杆并排连接于所述支撑杆上。

优选地，还包括底板和顶板，所述顶板连接于所述侧壁的顶端，所述底板连接于所述侧壁的底端。

本实用新型提供一种储热装置，其导管的第一端部贯穿所述至少两层侧壁中的外壁、第二端部贯穿所有所述侧壁、中间部依次在各所述腔室中环绕。

储热阶段时，工质导管按照由内向外的顺序输送热工质；放热阶段时，工质导管按照由外内的顺序输送冷工质。这种储热装置通过设置按照不同方向输送热工质、冷工质的导管，简单、方便地提高了整个装置的效率。与现有技术相比较，该装置的热工质、冷工质并不仅限于空气，其可以采用水、油等多种热导体作为传热工质。同样地，上述储热装置的储热材料也可以采用耐高温混凝土、沙石、导热油、熔融盐、固体相变储热材料，或者将上述某几种材料相结合作为储热材料。因此，这种储热装置的适用范围较为广泛。此外，这种储热装置结构简单，易于实现，尤其适用于长时间的高温热存储，并且装置的尺寸规格不受限制。

附图说明

图1为现有技术一种储热装置的结构示意图；

图2为本实用新型所提供储热装置的一种具体实施方式的结构示意图；

图3为本实用新型所提供储热装置的另一种具体实施方式的结构示意图；

图4为本实用新型所提供储热装置的又一种具体实施方式的结构示意图；

图5为图4中完整储热装置的剖面示意图；

图6为本实用新型所提供储热装置的另一种具体实施方式中支撑杆与导管连接处的结构示意图。

其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

侧壁11′；储热材料12′；空气导管13′；第一通孔14′；第二通孔15′；第三通孔16′；第四通孔17′；第五通孔18′；

图2至图6中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

侧壁1；内壁11；外壁12；中间壁13；

腔室2；内腔室21；外腔室22；中间腔室23；

导管3；第一端部31；第二端部32；中间部33；环绕管331；连接管332；

支撑柱4；支撑杆5；强化传热部件51；顶板6；底板7；保温层8。

具体实施方式

本实用新型的核心为提供一种储热装置，该储热装置通过设置导管、并按照一定方向向导管输送工质的方式能够在储热时形成温度梯度，减小储热装置的热量损失，并且增大了储热装置的适用范围，在大规模商业化太阳能热利用领域中具有较大的应用价值。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。需要说明的是，本文中内的方位词“内”指的是图2中由四周指向圆心的方向，方位词“外”指的是图2中由圆心指向四周的方向；应当理解，这些方位词是以附图为基准设立的，它们的出现不应当影响本实用新型的保护范围。

请参考图2，图2为本实用新型所提供储热装置的一种具体实施方式的俯视图。

在一种具体实施方式中，如图2所示，本实用新型提供一种储热装置，包括至少两层侧壁1，每相邻两层侧壁1之间形成容置储热材料的腔室2，还包括传热工质导管；导管3的第一端部31贯穿至少两层侧壁1中的外壁12、第二端部32贯穿所有侧壁1、中间部33依次在各腔室2中环绕。储热阶段时，导管3为按照由内向外的顺序输送热工质的导管；放热阶段时，导管3为按照先外后内的顺序输送冷工质的导管。

具体的方案中，如图2所示，上述储热装置可以包括两个侧壁1，分别称其为外壁12、内壁11，外壁12和内壁11之间的腔室为外腔室22，二者之间容置的储热材料为外储热材料，内壁11中的腔室为内腔室21，其容置的储热材料为内储热材料。导管3的第一端部31贯穿外壁12，导管3的第二端部32贯穿外壁12和内壁11，导管3的中间部33包括分别在内腔室21、外腔室22内部环绕的两个环绕管331，以及连通两个环绕管331的连接管332。下面以这种结构为例，具体说明该储热装置的储热、放热过程。

储热阶段，向导管3中输送温度较高的热工质，热工质经第二端部32流至内腔室21的环绕管331，与内储热材料进行热交换，内储热材料的温度上升，同时热工质的温度下降；之后，热工质经连接管332流至外腔室22的环绕管331，与外储热材料继续进行热交换，外储热材料的温度上升、而热工质的温度进一步下降，最后热工质经第一端部31流出。在此过程中，当热工质与内储热材料热交换后，其温度已经大幅下降，因此，当它通过热交换加热外储热材料时，外储热材料被加热的温度比内储热材料的温度低，因此在该热装置的径向形成了一定的温度梯度，从而使得整个储热装置的表面温度显著降低，减少了表面热量损失，延长了储热时间。

放热阶段，向导管3中输送冷工质，冷工质先经第一端部31流至外腔室22的环绕管331、与温度较低的外储热材料进行热交换，冷工质被预加热；之后，冷工质通过连接管332流至内腔室21的环绕管331、与温度更高的内储热材料进行热交换，冷工质被进一步加热；最后，被加热的冷工质经过第二端部32流出储热装置，完成放热过程。在此过程中，由于冷工质是被逐级加热的，因此能够有效提高储热装置的热利用率。

由上述工作过程可以看出，本实用新型所提供的储热装置通过设置按照不同方向输送热工质、冷工质的导管3，简单、方便地实现了较大的换热效率，且由内到外形成较大的温度梯度。与现有技术相比较，该装置的热工质、冷工质并不仅限于空气等气体，其可以采用水、导热油、熔融盐等作为传热工质。同样地，上述储热装置的储热材料也可以采用耐高温混凝土、沙石、导热油、熔融盐、固体相变储热材料等，或者是上述某几种结合使用形成储热材料，即在内腔和外腔中配置不同的储热材料，如在内腔中配置高温熔融盐，而在外腔中配置应用温度较低、成本也低的水，这样能有效降低整个储热装置的成本。因此，这种储热装置的适用范围较为广泛，在大规模商业化太阳能热利用领域中具有较大的应用价值。

当然，上述储热装置并不仅限于具有两层侧壁1的结构，如图3所示，图3为本实用新型所提供储热装置的另一种具体实施方式的结构示意图；还可以在内壁11和外壁12之间设置至少一个中间壁13，以形成至少一个中间腔室23。这样，能够进一步加强径向的温度梯度，降低储热装置的表面热损失，并且能够提高放热过程中的热利用效率。

需要说明的是，上述各侧壁1的形状可以为多种多样，例如可以采用如图2中所示的圆环形，也可以采用方形、长方形或椭圆形等多种形状。上述侧壁1可以采用金属、陶瓷等制成，也可以采用混凝土或砖块砌成。多层侧壁1的设置方式也有多种多样，如图2所示，可以将多层侧壁1依次套设，且每个侧壁1为周向封闭的筒形侧壁1，这样能够分离每相邻两腔室2之间的储热材料，避免相邻两层储热材料相互渗透，保证储热装置具有稳定的温度梯度。可以想到，如图1所示，还可以将一个整体侧壁螺旋形成多层侧壁1。

还可以进一步设置上述导管3的具体数量和具体结构。

在一种具体实施方式中，上述导管3的数目可以为一个，储热阶段时，第二端部32为入口端部、第一端部31为出口端部；放热阶段时，第一端部31为入口端部、第二端部32为出口端部。

采用这种结构，仅需要在储热阶段、放热阶段按照相反的方向向同一个导管3中输送传热工质，就可以简单、方便地实现储热时由内向外依次传输热量，在放热时由外向内依次传输热量。这种储热装置具有结构简单、紧凑的特点。

在某些储热系统中，储热阶段时进入的热工质与放热阶段时进入的冷工质可能不同，例如在一些太阳能热发电系统中，储热过程中用于加热储热材料的热工质为导热油，放热过程中，水作为冷工质进入储热装置，被加热成高温蒸汽，之后直接进入发电单元发电。为了满足这种储热系统的需要，在另一种具体实施方式中，如图4和图5所示，图4为本实用新型所提供储热装置的又一种具体实施方式的结构示意图；图5为图4完整储热装置的剖面示意图；上述导管3的数目可以为至少两个，包括热工质导管和冷工质导管，热工质导管用于储热时输送热工质，冷工质导管用于放热时输送冷工质。热工质导管的第二端部32为入口端部、第一端部31为出口端部；冷工质导管的第一端部31为入口端部、第二端部32为出口端部。采用这种结构，储热时使用热工质导管、放热时使用冷工质导管，适应了热工质不同于冷工质的工作场合。

更进一步的方案中，上述热工质导管和冷工质导管的数目可以均为至少两个。设置数目较多的热工质导管和冷工质导管，可以进一步增加导热工质的流量，实现快速储热和放热，加快储热装置的工作效率。当然，上述热工质导管和冷工质导管的数目也可以均为一个。

上述导管3的中间部33在腔室2的环绕形式可以有多种多样。

具体的方案中，上述中间部33的环绕管331可以具体为在每个腔室2内设置的螺旋管，该螺旋管可以具体沿各腔室2的轴向延伸，当然也可以将其设置为沿各腔室2的径向延伸。

采用这种环绕管331，能够增大传热工质与储热材料的接触面积，进而增强传热工质与储热材料的换热效果。当然，中间部33的环绕管331也可以采用其他形状，例如，上述环绕管331还可以为沿储热装置轴向来回弯折的直管。

更进一步的方案中，上述各腔室2中的储热材料的适用温度沿从内到外的方向依次降低。例如，对于包括内腔室21、外腔室22和一个中间腔室23的储热装置来说，内储热材料可以选为高温储热材料，比如高温熔融盐或高温变形金属材料等，中间储热材料可以选用适用温度低一些储热材料，比如有机导热油，外储热材料可以选用适用温度更低的水、沙石等材料。

采用这种结构，可以在保证储热温度和容量的同时，一方面减少一些昂贵的高温储热材料的用量，降低整个储热装置的安装成本；另一方面，能够进一步增大各层腔室2之间的温度梯度，避免高温储热材料与周围环境的直接接触，因此可以进一步减小表面热量的损失。

还可以进一步设置上述储热装置的支撑机构。

在另一种具体实施方式中，如图6所示为本实用新型所提供储热装置的另一种具体实施方式中支撑杆与导管连接处的结构示意图。该储热装置的腔室2中可以设置横向的支撑杆5，支撑杆5的两端固定连接于形成所述腔室2的侧壁1之间，且支撑杆5与导管3可拆卸地连接。在大型的储热装置中，导管3的直径可能很大，采用这种结构，支撑杆5能够对导管3起到支撑导管3的作用，并且增大储热装置的强度。

具体地，支撑杆5可以设置于导管3的每个螺旋段的下方，采用钢丝或者铁链与导管3捆扎在一起。当然，支撑杆5也可以设于导管3的每个螺旋段的上方，也可以采用卡钩等其他方式与导管3可拆卸连接。支撑柱4可以与内壁11同轴设置，也可以与内壁11偏心设置。上述支撑柱4和支撑杆5可以具体由导热性能良好的金属材料制成，例如铸铁、结构钢等材料支撑。该支撑杆5与支撑柱4、内壁11和外壁12可以通过焊接、铆接等多种形式固定连接。

进一步的方案中，内腔室21中设有支撑柱4，所述支撑柱4沿所述内腔室21的轴向设置，内腔室21中的支撑杆5一端连接支撑柱4、另一端连接的内壁11。对于大型的储热装置来说，内腔室21的直径可能很大，采用这种结构，便于内腔室21中支撑杆5的固定和支撑，保证其工作稳定性。

在上述结构的基础上，如图6所示，储热装置还可以进一步包括强化传热部件51，强化传热部件51设于支撑杆5上。显然，采用这种结构，强化传热部件51能够加快热能在储热材料中的传输，实现快速的储热和放热过程。具体地，强化传热部件51可以为多个与支撑杆5垂直设置的钢杆，多个钢杆并排连接于支撑杆5上。此外，强化传热部件51还可以采用钢刷等其他结构。

还可以进一步设置上述储热装置的其他结构。

在另一种具体实施方式中，该储热装置还可以包括底板7和顶板6，顶板6连接于侧壁1的顶端，底板7连接于侧壁1的底端。这样，顶板6和底板7能够对储热装置起到一定的保护作用。具体地，该顶盖可以为封闭式顶板6，也可以为设置有开口的顶板，该开口能够便于操作人员的维修和安装。

在另一种具体实施方式中，上述顶板6、底板7、外壁12的外表面可以均设置保温层8，这样能够进一步加强储热效果，避免热量散失。

以上对本实用新型所提供的一种储热装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种储热装置，包括至少两层侧壁(1)，每相邻两层所述侧壁(1)之间形成容置储热材料的腔室(2)，还包括传热工质导管(3)；其特征在于，所述导管(3)的第一端部(31)贯穿所述至少两层侧壁(1)中的外壁(12)、第二端部(32)贯穿所有所述侧壁(1)、中间部(33)依次在各所述腔室(2)中环绕。

2.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述导管(3)的数目为一个，储热阶段时，所述第二端部(32)为入口端部、所述第一端部(31)为出口端部；放热阶段时，所述第一端部(31)为入口端部、所述第二端部(32)为出口端部。

3.根据权利要求1所述的储热装置，其特征在于，所述导管(3)的数目为至少两个，包括用于储热时输送热工质的热工质导管(3)和用于放热时输送冷工质的冷工质导管；

所述热工质导管(3)的第二端部(32)为入口端部、第一端部(31)为出口端部；

所述冷工质导管的第一端部(31)为入口端部、第二端部(32)为出口端部。

4.根据权利要求3所述的储热装置，其特征在于，所述热工质导管(3)和冷工质导管的数目均为至少两个。

5.根据权利要求1-4任一项所述的储热装置，其特征在于，所述中间部(33)包括在每个所述腔室(2)内环绕的螺旋管和贯通每相邻两个所述螺旋管的连接管(332)。

6.根据权利要求1-4任一项所述的储热装置，其特征在于，各所述腔室(2)中的储热材料的适用温度沿从内到外的方向依次降低。

7.根据权利要求1-4任一项所述的储热装置，其特征在于，所述至少两层侧壁(1)依次套设，每个所述侧壁(1)为周向封闭的筒形侧壁(1)。

8.根据权利要求1-4任一项所述的储热装置，其特征在于，所述腔室(2)中设有横向的支撑杆(5)，所述支撑杆(5)的两端固定连接于形成所述腔室(2)的侧壁(1)之间，且所述支撑杆(5)与所述导管(3)可拆卸地连接。

9.根据权利要求8所述的储热装置，其特征在于，所有腔室(2)中的内腔室(21)中设有支撑柱(4)，所述支撑柱(4)沿所述内腔室(21)的轴向设置，所述内腔室(21)的所述支撑杆(5)一端连接所述支撑柱(4)、另一端连接所有侧壁(1)中的内壁(11)。

10.根据权利要求9所述的储热装置，其特征在于，还包括强化传热部件(51)，所述强化传热部件(51)设于所述支撑杆(5)上。

11.根据权利要求10所述的储热装置，其特征在于，所述强化传热部件(51)为多个与所述支撑杆(5)垂直设置的钢杆，多个所述钢杆并排连接于所述支撑杆(5)上。

12.根据权利要求1-4、9-11中任一项所述的储热装置，其特征在于，还包括底板(7)和顶板(6)，所述顶板(6)连接于所述侧壁(1)的顶端，所述底板(7)连接于所述侧壁(1)的底端。

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