CN205940249U - 相变储热换热器及其系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及太阳能光热发电技术领域，公开了一种相变储热换热器及其系统，包括：立式的储热换热器罐体；多个储热材料封装体，用于封装相变储热介质并且立式密排于储热罐罐体内部，相变储热介质为相变温度180℃的熔盐，用于储热或放热；多孔密排喷淋装置，布置于所述储热材料封装体上方并用于将相变换热介质向所述储热材料封装体喷洒；以及相变换热装置，布置于所述多孔密排喷淋装置上方，用于产生蒸汽。本实用新型储热材料封装管立式密排，增大了储热罐的填充率，采用180℃熔盐作为储热介质，提高储热效率的同时降低了制作成本。将蒸汽发生器/换热器排布于储热罐内部，形成储热换热一体系统，大幅减少了蒸汽发生器的换热管及罐体设备投入。

Description

相变储热换热器及其系统
技术领域
本实用新型涉及太阳能光热发电系统技术领域，特别涉及一种采用180℃相变熔盐的储热换热器及其系统。
背景技术
太阳能是巨大的能源宝库，但到达地球表面的太阳辐射能量密度却很低，而且受地理、昼夜和季节等规律变化的影响，以及阴、晴、云、雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性。为了更好地成为一种优质的替代能源，提高系统发电效率，提高系统发电的稳定性和可靠性，降低发电成本，在太阳能热发电中，需要设置高效的太阳热集热器和热能存储(TES,thermalenergy storage)装置，在太阳能充足时，集热器吸收太阳能热量，将热能存储于储热装置中，在太阳能不足时将储存的热能释放出来以满足发电需求。良好的集热系统和储热系统可以在太阳辐射正常时吸热储热，而在辐射不足时放出热来供给用户，起到功率缓冲的作用；另一方面，一天之中，中午日照强，早晚日照弱，在夜晚则不能用太阳能，而储热系统可以把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来，到了晚上释放出来进行工作，这样可以起到削峰填谷的作用。
熔融盐储热技术在太阳能热发电系统中占有十分重要的地位，它关系着系统运行的稳定性和可靠性。熔融盐与导热油相比，可在相近的工作压力下获得更高的使用温度，且耐热稳定性好，其传热系数是其他有机载体的两倍，而且使用温度在600℃以下时，几乎不产生蒸汽。因此，稳定性好、价格低廉、熔点合适的熔融盐是储热技术发展的重点。
相变蓄热技术具有相变温区窄、相变潜热大、储热能量密度高，制作成本低等特点。但相变储热技术换热困难以及相变过程中的材料体积变化所造成的应力问题一直难以解决。国际上均采用导热流体强迫对流换热，这一技术存在换热温度不均，充放热时传热流体的流量变化大，控制难，传热过程复杂，难于建模等缺点。
相变储热和相变换热相结合的新型技术，可彻底突破上述显热储热和相变储热的换热瓶颈，适于太阳能光热发电储热需求。将相变换热和相变储热技术相结合，利用传热媒介的液-气两相的蒸发-冷凝过程换热，解决了充放热中的均匀传热和充放热过程中的控制难题，同时利用相变储热材料的固-液相变过程实现窄温区、高密度的储热。为了进一步降低成本，高效率、低成本的储热罐结构不可或缺，因此，目前我们迫切需要一种高密度、高填充率、高效率、低成本的储热换热器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种采用180℃相变熔盐的储热换热器。具有更稳定的结构、更高的填充率和更低的制作成本。
为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种相变储热换热器，包括：立式的储热换热器罐体；多个储热材料封装体，所述储热材料封装体用于封装相变储热介质并且立式密排于所述储热罐罐体内部，所述相变储热介质为相变温度180℃的熔盐，用于储热或放热；多孔密排喷淋装置，布置于所述储热材料封装体上方并用于将相变换热介质向所述储热材料封装体喷洒；以及相变换热装置，布置于所述多孔密排喷淋装置上方，用于产生相变换热介质。
在另一优选例中，所述相变温度180℃熔盐由NaNO3:Ca(NO3)2:Mg(NO3)2按51.58％:17.63％:30.79％比例配置而成，相变焓为176KJ/Kg。
在另一优选例中，所述相变温度180℃熔盐由36.8％的Ca(NO3)2和63.2％的NaNO3，按比例配置而成。
在另一优选例中，所述相变储热罐还包括储热材料封装体孔板，该储热材料封装体孔板具有多个孔，用于布置所述储热材料封装体。
在另一优选例中，所述相变温度180℃熔盐由36.8％的Ca(NO3)2和63.2％的NaNO3，按比例配置而成。
在另一优选例中，所述相变储热罐还包括储热材料封装体孔板，该储热材料封装体孔板具有多个孔，用于布置所述储热材料封装体。
可选的，所述储热材料封装体孔板为圆形。
在另一优选例中，所述相变换热装置为蒸汽发生器或相变换热管，所述相变换热管为管内蒸发、管外冷凝结构并采用液汽潜热换热。
在另一优选例中，所述多孔密排喷淋装置包括换热介质管路和链接在所述换热介质管路上的小型喷头，所述换热介质管路平行排布并通过汇流管并联连接，所述汇流管与包含进气口的主管路流体连通，所述汇流管中的相变换热介质通过该进气口提供。
可选的，所述相变换热介质为水或油。
在另一优选例中，所述储热罐罐体具有用于密封所述相变储热罐的上、下封头；所述上、下封头为椭圆封头。
可选的，所述储热罐罐体通过底板固定。
在另一优选例中，所述的密排是指储热材料封装体的填充率≥70％。
本实用新型实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：新型相变储热换热器采用熔点为180℃的熔盐作为储热材料，成本优势显著，同等容量规模下，成本仅为传统双罐熔盐法的1/6，同时提高了该储热换热器的能源利用率。克服了传统卧式储热设备的储热管支撑结构容易发生形变，导致储热管发生泄漏的弊端，同时简化设备结构，利于生产，降低了罐体成本。储热材料封装管立式密排，增大了储热罐的填充率，从而降低了制作成本。为进一步降低储热成本，将导热油蒸汽与水的换热管排布于储热罐内部，直接产生蒸汽，形成储热换热一体系统，该结构提高了导热油蒸汽和水的换热效果，大幅减少了蒸汽发生器的换热管及罐体设备投入。此外，本实用新型新型相变储热换热器采用多孔密排喷淋结构以配合高填充率的储热材料封装管。
本实用新型还提供了上述储热换热器的系统，所述相变储热换热器与溴化锂双效吸收式空调连接，作为所述溴化锂双效吸收式空调的热源。
可选的，储热时，油蒸汽将潜热传递给设备内熔盐后，冷凝为液态油；设备内熔盐吸收油蒸汽潜热，在180℃由固态转化为液态，以此利用相变储热；放热时，使用放热油泵，将液态油喷淋在熔盐管表面，通过压力控制，使液态油在180℃时，吸收熔盐相变释放的热能汽化为油蒸汽；换热时，油蒸汽加热设备内蒸发/换热管程内介质，使系统产出170℃饱和蒸汽。
在另一优选例中，上述储热换热器，可在冬季用于直接对给水进行加热，产出符合供暖标准的95℃热水。
本实用新型实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：上述储热换热器与溴化锂双效吸收式空调连接，形成太阳能空调系统，在太阳能释放过程中，储热换热器内熔盐温度，需高于170℃；在太阳能存储过程中，相变储热换热器内熔盐的相变温度，需低于181℃。因此，选择采用熔点为180℃的相变熔盐，具有更小的换热温差，大幅提高了系统能源的利用率，该太阳能空调系统的COP值高达1.4，在功能性与经济性方面，均是可用于太阳能空调系统储能的最佳选择。
附图说明
图1是本实用新型的新型相变储热换热器实施例的结构示意图；
图2是本实用新型的新型相变储热换热器实施例储热材料孔板结构示意图；
图3是本实用新型的新型相变储热换热器实施例喷淋装置结构示意图。
图4是本实用新型的新型相变储热换热器系统的实施例示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。
参见图1，为该新型相变储热换热器实施例的结构示意图。该新型相变储热换热器包括：立式的储热换热器罐体1；多个储热材料封装体2、多孔密排喷淋装置4和相变换热装置5。多个储热材料封装体2用于封装相变储热介质并且立式密排于所述储热罐罐体1内部，相变储热介质为相变温度180℃的熔盐，用于储热或放热；多孔密排喷淋装置4布置于储热材料封装体2上方并用于将相变换热介质向储热材料封装体2喷洒；相变换热装置5布置于多孔密排喷淋装置4上方，用于产生相变换热介质。
在一个实施例中，相变温度180℃熔盐由NaNO3:Ca(NO3)2:Mg(NO3)2分别按51.58％:17.63％:30.79％的比例配置而成，相变焓为176KJ/Kg。在另一实施例中，该相变温度180℃熔盐可以由36.8％的Ca(NO3)2和63.2％的NaNO3，按比例配置而成。
将封装相变储热介质的储热材料封装体2排布于立式相变储热罐内部，可以提高换热效果，例如导热油蒸汽与水的换热效果，减少了设备投入。
优选地，该储热罐罐体具有用于密封所述相变储热罐的上、下封头6、7。上、下封头6、7为椭圆封头，该储热罐罐体通过底板8固定。立式结构、椭圆封头的罐体有利于应力的平均分配，一方面使得储热罐罐体受力均匀，简化设备结构，利于生产，另一方面降低了罐体成本。
优选地，上述储热材料封装体由多种尺寸组成以提高填充率(填充率可达到73％以上)。可选地，上述储热材料封装体为圆柱体。
在本实用新型的另一个实施例中，该相变储热罐还包括储热材料封装体孔板3。如图2所示，该储热材料封装体孔板3具有多个孔，上面密排布置多个储热材料封装体2。优选地，在本实施例中，该储热材料封装体孔板3为圆形并且由多个一定尺寸的圆孔组成，不仅增大了储热罐的填充率，而且由于此种结构对称性高，相变界面对称性高，当换热功率恒定时，换热温差与时间呈线性关系，控制简单。立式结构的储热罐不易发生形变，避免了储热管发生泄漏的危险。
可以理解，在本实用新型的其他实施例中，该储热材料封装体孔板3也可以是其他形状，并具有可以相应地容纳各储热材料封装体的孔形，不限于上述圆形。此外，可以理解，在本实用新型的其他实施例中，也可以使用其他装置对储热材料封装体2进行固定，不限于上述储热材料封装体孔板3。
在本实用新型的另一个实施例中，上述相变换热装置5布置于该储热罐罐体内部。优选地，在本实施例中，该相变换热装置5为蒸汽发生器，可以理解在本实用新型的其他实施例中，该相变换热装置5可以为相变换热管，这些相变换热管为管内蒸发、管外冷凝结构，采用液汽潜热换热，储热材料封装体表面温度均匀，换热系数大，当换热量一定时，所需液体流量小，循环功耗小。可以理解，在本实用新型的其他实施例中，也可以采用其他形式的相变换热装置。
在本实用新型的另一个实施例中，如图3所示，该多孔密排喷淋装置4包括换热介质管路9和链接在换热介质管路9上的小型喷头10，这些换热介质管路9平行排布并通过汇流管11并联连接，该汇流管11与包含进气口13的主管路12流体连通，该汇流管11中的相变换热介质通过该进气口13提供。优选地，上述相变换热介质为水或油。
上述各结构形成图1所示的立式相变储热罐的一较佳实施例，其运作方式主要如下：储热时，相变换热介质，如油蒸汽，通过进气口13进入储热罐罐体1，通过主管路12、汇流管11流向各换热介质管路9，并经由链接在换热介质管路9上的小型喷头10向各储热材料封装体2喷洒，油蒸汽将潜热传递给储热材料封装体2内的熔点180℃熔盐后，冷凝为液态油；熔盐吸收油蒸汽潜热，在180℃由固态转化为液态，以此进行相变储热。放热时，使用放热油泵，将液态油通过主管路12、汇流管11流向各换热介质管路9，并经由链接在换热介质管路9上的小型喷头10向各储热材料封装体2喷洒；通过压力控制，在180℃时，液态的相变换热介质即油，从储热材料封装体2中的相变储热介质即熔盐，吸收热量并汽化为油蒸汽；换热时，油蒸汽到达相变换热管5表面，释放热量给相变换热管5中的介质并在相变换热管5表面冷凝，从而通过相变换热将相变储热介质中的热量释放以对相变换热管中的介质进行加热，使相变换热装置5产生170℃的饱和蒸汽，相变换热管中经加热的介质输出后可用于日常生活和工业等应用中。
该新型的相变储热换热器采用熔点为180℃的熔盐作为储热材料，成本优势显著，同等容量规模下，成本仅为传统双罐熔盐法的1/6，同时提高了该储热换热器的能源利用率。克服了传统卧式储热设备的储热管支撑结构容易发生形变，导致储热管发生泄漏的弊端，同时简化设备结构，利于生产，降低了罐体成本。储热材料封装管立式密排，增大了储热罐的填充率，从而降低了制作成本。为进一步降低储热成本，将导热油蒸汽与水的换热管排布于储热罐内部，直接产生蒸汽，形成储热换热一体系统，该结构提高了导热油蒸汽和水的换热效果，大幅减少了蒸汽发生器的换热管及罐体设备投入。此外，本实用新型新型相变储热换热器采用多孔密排喷淋结构以配合高填充率的储热材料封装管。
如图4所示，为该新型相变储热换热器的应用示意图，如该图所示，为一个太阳能制冷、供暖、供热水空调系统。该系统由集热系统、储热换热系统和终端应用系统组成。
在本实用新型的一个实施例中，该集热系统由中温非跟踪太阳能集热器、油气闪蒸罐、传输管网、循环泵等部件组成。其工作过程如下：导热油由油气闪蒸罐(兼备储油功能)出，经过集热循环泵增压后，进入中温非跟踪太阳能集热器内，升温至200℃，之后进入油气闪蒸罐内，部分导热油常压汽化为181℃油蒸汽，通入相变储热换热器，部分液态导热油，直接回到泵前，进入下一轮循环。
该实施例中，相变储热换热系统为采用180℃相变熔盐的储热换热器。储热时，油蒸汽将潜热传递给设备内熔盐后，冷凝为液态油；设备内熔盐吸收油蒸汽潜热，在180℃由固态转化为液态；放热时，使用放热油泵，将液态油喷淋在熔盐管表面，通过压力控制，使液态油在180℃时，吸收熔盐相变释放的热能汽化为油蒸汽；换热时，油蒸汽加热设备内蒸发/换热管程内介质，使系统产出170℃饱和蒸汽。
该实施例中，终端应用系统为制冷双效溴化锂吸收式空调，该空调设备使用170℃的饱和蒸汽作为热源，制冷能效比CPO为1.4。
上述储热换热器与溴化锂双效吸收式空调连接，形成太阳能空调系统，不仅能提高太阳能系统的运行稳定性，更可延长太阳能的实际利用时间。在太阳能释放过程中，储热换热器内熔盐温度，需高于170℃；在太阳能存储过程中，相变储热换热器内熔盐的相变温度，需低于181℃。因此，选择采用熔点为180℃的相变熔盐，具有更小的换热温差，大幅提高了系统能源的利用率，该太阳能空调系统的COP值高达1.4，在功能性与经济性方面，均是可用于太阳能空调系统储能的最佳选择。
在本实用新型的其他实施例中，终端应用系统可以是供暖-直接式水加热系统，直接对给水进行加热，产出符合供暖标准的95℃热水。
虽然通过参照本实用新型的某些优选实施方式，已经对本实用新型进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相变储热换热器，其特征在于，包括：
立式的储热换热器罐体；
多个储热材料封装体，所述储热材料封装体用于封装相变储热介质并且立式密排于所述储热罐罐体内部，所述相变储热介质为相变温度180℃的熔盐，用于储热或放热；
多孔密排喷淋装置，布置于所述储热材料封装体上方并用于将相变换热介质向所述储热材料封装体喷洒；以及
相变换热装置，布置于所述多孔密排喷淋装置上方，用于产生相变换热介质。
2.根据权利要求1所述的相变储热换热器，其特征在于，所述相变温度180℃熔盐由NaNO3:Ca(NO3)2:Mg(NO3)2＝51.58％:17.63％:30.79％，按比例配置而成，相变焓为176KJ/Kg。
3.根据权利要求1所述的相变储热换热器，其特征在于，所述相变温度180℃熔盐由36.8％的Ca(NO3)2和63.2％的NaNO3，按比例配置而成。
4.根据权利要求2或3所述的相变储热换热器，其特征在于，所述相变储热罐还包括储热材料封装体孔板，该储热材料封装体孔板具有多个孔，用于布置所述储热材料封装体，所述储热材料封装体孔板为圆形。
5.根据权利要求2或3所述的相变储热换热器，其特征在于，所述相变换热装置为蒸汽发生器或相变换热管，所述相变换热管为管内蒸发、管外冷凝结构并采用液汽潜热换热。
6.根据权利要求2或3所述的相变储热换热器，其特征在于，所述多孔密排喷淋装置包括换热介质管路和链接在所述换热介质管路上的小型喷头，所述换热介质管路平行排布并通过汇流管并联连接，所述汇流管与包含进气口的主管路流体连通，所述汇流管中的相变换热介质通过该进气口提供。
7.根据权利要求6所述的相变储热换热器，其特征在于，所述相变换热介质为水或油。
8.根据权利要求2或3所述的相变储热换热器，其特征在于，所述储热罐罐体具有用于密封所述相变储热罐的上、下封头；所述上、下封头为椭圆封头，所述储热罐罐体通过底板固定。
9.根据权利要求2或3所述的相变储热换热器，其特征在于，所述的密排是指储热材料封装体的填充率≥70％。
10.一种相变储热换热器系统，其特征在于，包含如权利要求1-9所述的相变储热换热器，所述的相变储热换热器与溴化锂双效吸收式空调连接，作为所述溴化锂双效吸收式空调的热源。
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