CN205980397U - 一种高温蓄热装置的强化换热结构以及具有该结构的高温蓄热装置 - Google Patents

Abstract

一种高温蓄热装置的强化换热结构以及具有该结构的高温蓄热装置，其特征在于：包括封闭的容器，所述容器的顶部连通有至少一根吹气管道和至少一根抽气管道，至少一根管道竖向插入至容器的底部，所述容器的周壁能够从外向内渗透高温下呈液体的无机蓄热材料并且隔离其他固体蓄热材料。该强化换热结构以及具有该结构的高温蓄热装置，能够将高温下呈液体的无机蓄热材料不断地上下循环，能够极大地提升换热管与蓄热介质的换热强度和换热效果。并且大大提高了蓄热装置的蓄热能力，也提高了蓄热转换效率，并且降低了成本，具有明显的经济效益和社会效益，应用到能源领域节能减排特点十分突出前景广阔。

Description

一种高温蓄热装置的强化换热结构以及具有该结构的高温蓄 热装置

技术领域

本实用新型涉及一种强化换热结构，特别是涉及一种高温铁基蓄热装置中的强化换热结构以及具有该结构的高温蓄热装置。

背景技术

太阳光通过汇聚生产的热能具有间歇性，若需要根据生产或生活的需要使用，就必须将其高效、可靠、经济的存储。高效是指存储过程快捷、方便，在存储和重新使用过程中热能损失小，可靠是指热能存储的装置结构简单、运行稳定、安全，经济是指热能存储装置的投资、运行成本低。

常规热电厂由于其发电及供热每日负荷波动大，夜晚低负荷时容易导致脱硝等环保设施无法投运，过低的负荷下需要投油稳定燃烧，严重影响生产经济性。

蓄热方式很多，目前太阳能热发电领域高温蓄热的主流技术是利用熔盐进行蓄热。熔盐为两种或两种以上无机盐按比例的混合物，该混合物在特定温度下会熔化，被规模化利用并得到长周期验证的熔盐为硝酸钠与硝酸钾按照6：4的比例混合物，加热到220℃时即开始熔化。蓄热过程是在熔盐熔化后将其再加热升温，利用其升温的显热进行热能存储，在蒸汽生产时利用熔盐温降放热加热水或蒸汽，整个过程是在熔盐的熔化状态下完成的。该技术的优点是可利用熔盐的流动性及熔盐良好的导热性能在不同的换热器间进行热传递，其局限性也是显而易见的，安全使用温度必须高于250℃，系统保温要求高、热损失大。为防止凝固，在涉及熔盐的管路、阀门、换热器等环节必须附加电伴热。限制了使用的灵活性。同时驱动熔盐流动的熔盐泵使用条件苛刻，国内无法生产，且使用的安全性、可靠性、寿命无法保障。由于熔盐的温度下限为250℃，该温度以下的热能无法利用，极大的限制了其有效蓄热量。当无外部加热的时间，例如夜晚、或阴天，维持系统的高温必须耗费大量的额外的电能，因此该系统的整体运行成本高，严重影响其经济性。同时熔盐及复杂的蓄热系统的成本高昂，大幅度增加了发电系统的建设投资。当然有些熔盐的腐蚀性也会对系统寿命及安全造成影响。

目前熔盐材料技术得到较大的发展，使得熔盐利用的温度空间得到有效拓宽，但熔盐蓄热系统的构架是一致的。其安全使用温度仍高于100℃，高温运行需借助熔盐泵，无法根本解决熔盐蓄热所面临的上述问题。

此前的所有太阳能光热技术均无法直接生产高温蒸汽，利用熔盐蓄热都是在间接生产蒸汽的方式下采用的，即需要熔盐直接光照加热或与非水介质换热后实现蓄热，再通过熔盐与水介质换热实现熔盐的放热。蓄热方式最终目的都是再次生产蒸汽，蒸汽是热能传递、使用最好的介质，比如常规电站、核电站及各种工业热利用。在此条件下，熔盐是最好的蓄热方式，也是无奈的选择。

本申请人申请的实用新型专利201510288209.7有效的解决了上述问题，通过使用铁基粉末空隙填充熔盐的蓄热介质，并结合其合理的换热结构设计，提高了蓄热效率；简化了蓄热装置；运行可靠、方便、安全；装置成本低廉；运行及维护成本较低。

但该实用新型在换热的经济性方面与液体(水)—蒸汽换热器相比有较大的差距，表现在该蓄热装置内填充的蓄热介质与金属换热器间的位置相对固定，以热传导的方式进行热传递，而液体(水)—蒸汽换热器以热传导加对流换热的方式进行热传递，后者的等效导热系数是前者的十多倍到数十倍。要保证蓄热装置与液体(水)—蒸汽换热器换热相似，就需等效大幅度增加换热面积或大幅度减少蒸汽流量。虽然蓄热装置相较液体(水)—蒸汽换热器换热面积大很多，但该蓄热装置在参与换热的面积大幅度增加的同步增加了换热介质，导致蓄热装置的冗余热大幅度增加，对蓄热装置的经济性及运行的灵活性带来了极大的影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是能够提高蓄热装置的蓄热换热能力，并且改善蓄热装置的使用灵活性和蓄热装置的成本的强化换热结构。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高温蓄热装置的强化换热结构，其特征在于：包括封闭的容器，所述容器的顶部连通有至少一根吹气管道和至少一根抽气管道，至少一根管道竖向插入至容器的底部，所述容器的周壁能够从外向内渗透高温下呈液体的无机蓄热材料并且隔离其他固体蓄热材料。

为了更好的吸入高温下呈液体的无机蓄热材料和将无机蓄热材料从管道顶部排出，所述管道的顶部设有单向阀，当容器为负压吸入时该单向阀处于关闭状态，当容器为正压吹气时所述单向阀打开使得高温下呈液体的无机蓄热材料能够从管道的顶部向外输送。

为了节省成本简化结构，所述至少一根吹气管道和至少一根抽气管道为至少一根气压管道，通过所述气压管道能够对容器进行抽真空和吹气处理。

优选地，所述容器的周壁至少部分表面为渗透表面，该渗透表面能够渗透高温下呈液体的无机蓄热材料并且隔离其他固体蓄热材料。

优选地，所述渗透表面为两层，一层为具有孔洞的固定层，另一层为滤网层。

具上述强化换热结构的高温蓄热装置，包括金属箱体以及位于金属箱体内的多层上下水平间隔设置的换热管，所述金属箱体内包围所述换热管填充有蓄热介质，所述蓄热介质包括固体蓄热材料和高温下呈液体的无机蓄热材料，其特征在于：所述容器位于所述金属箱体的底部，所述管道的顶部延伸至金属箱体的顶部位于蓄热介质的上方，所述吹气管道和抽气管道的另一端均伸出位于金属箱体外侧。

优选地，所述固体蓄热材料包括至少两种以上固体铁基材料组成的混合物，所述无机蓄热材料为熔盐和/或导热油。

优选地，所述至少两种以上固体铁基材料组成的混合物为铁矿石粉末与碎铁块或者铁矿石粉末与碎铁粉末。

为了均匀换热，每一层的换热管为蛇形管，沿金属箱体的水平方向来回设置，并且相邻层的换热管在垂直方向上的投影交错设置。

为了防止固体蓄热材料压坏换热管，所述金属箱体内多层换热管之间设有水平间隔设置的铁板，所述铁板与金属箱体固定，并且铁板上设有多个间隔分布的通孔供蓄热介质的流动以及管道的通过。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于该强化换热结构以及具有该结构的高温蓄热装置，能够将高温下呈液体的无机蓄热材料不断地上下循环，能够极大地提升换热管与蓄热介质的换热强度和换热效果。并且大大提高了蓄热装置的蓄热能力，也提高了蓄热转换效率，并且降低了成本，具有明显的经济效益和社会效益，应用到能源领域节能减排特点十分突出前景广阔。

附图说明

图1为具有本实用新型实施例的强化换热结构的高温蓄热装置的示意图。

图2为具有本实用新型实施例的强化换热结构的高温蓄热装置的俯视示意图。

图3为具有本实用新型实施例的强化换热结构的高温蓄热装置的另一方向的示意图。

图4为本实用新型实施例的强化换热结构中的容器的渗透表面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1-3所示，为具有本实用新型实施例的强化换热结构的高温蓄热装置的示意图，该高温蓄热装置利用蒸汽和水作为流动换热介质，进行储热和放热。也可以是本申请人的在先申请，申请号为201410310238.4的基础上所用的高温蓄热装置，在先申请201410310238.4能够利用太阳能的热能，直接将水转换成蒸汽，因此，本实用新型实施例中的高温蓄热装置，可以利用于上述申请的太阳能光热系统中。

如图1-3所示，本实用新型的高温蓄热装置包括中空的金属箱体1，位于金属箱体1内的多层上下水平间隔设置的换热管2，以及包围所述换热管2填充金属箱体1的蓄热介质3，该蓄热介质3填满整个金属箱体1的内部空间。该每层的换热管2均为蛇形管，即沿金属箱体1的水平方向延伸来回弯曲设置，并且相邻层的换热管在垂直方向上的投影交错设置，使得金属箱体1内的蓄热介质3加热更加均匀。每层的换热管2采用弹性悬吊方式定位在金属箱体1内，这样的设置使得换热管能够充分并且较大面积地与蓄热介质3接触。该蓄热介质3包括固体蓄热材料，该固体蓄热材料为包括至少两种铁基材料的混合物，优选地，该混合物为铁矿石粉末与碎铁块或粉末按比例混合的混合物，优选地，该铁矿石粉末与碎铁块或粉末的重量比例为2:1-3:1，也可以采用其他铁金属块或者粉末，只要其具有较高的蓄热性能即可，也可以在铁基材料的混合物的基础上添加其他金属碎块或粉末，优选地，为了加强换热，可以添加少量的石墨和/或铝。并且该蓄热介质3还包括高温下呈液体的无机蓄热材料，例如熔盐和/或导热油，熔盐和导热油可以填充所有固体缝隙，极大地降低热阻，而且大幅度增加换热面积，能够实现高效换热，大幅度降低换热温度端差。

该金属箱体1两端分别设有连接管4，连接管4的下方插入至蓄热介质3中上方露出于所述金属箱体1，并且连接管4分别连接至每一层的换热管2。优选地，该两侧的连接管为多根，如图1所示。该金属箱体1的两端的连接管分别连接至位于金属箱体1的两端上方的蒸汽分联箱和凝结水分联箱，并且分别通过蒸汽分联箱和凝结水分分联箱连接至外界的管道。

该高温蓄热装置蓄热时的工作原理为：由锅炉加热或者太阳能集热装置产生的高温蒸汽经外界换热管进入蒸汽分联箱，通过蒸汽分联箱将蒸汽分导入金属箱体1内的换热管2，换热管2将热量传递到蓄热介质3，蓄热介质3被加热，同时换热管2内的蒸汽得到逐步冷却，直至凝结变为凝结水，凝结水在凝结水分联箱汇聚，最终通过外界连接的水箱连接至外界的管道，或者可以通过外界的管道再次进入锅炉加热装置或者太阳能集热装置，再次形成蒸汽，完成循环，此时，蓄热介质3被加热的同时存储热能。

该高温蓄热装置放热的工作原理是：高压水经外界的水管通过凝结水分联箱导入，被分到多层的换热管2中，水被蓄热介质3加热升温、汽化，蒸汽被进一步加热变成高温过热蒸汽，进入蒸汽分联箱汇聚，最终由蒸汽分联箱导入至外界的管道，导入至热能利用设备，热能利用设备的凝结水可通过外界的管道再次通过水泵导入至凝结水分联箱完成循环，此时，蓄热介质3被冷却的同时释放热能。

优选地，由于蓄热介质主要为固体的铁基材料，因此在蓄热和放热的过程中会出现热胀冷缩，导致蓄热介质3的局部塌陷而引起换热管2局部受力过大，导致损坏或者工作不安全，因此，在金属箱体1内，在多层的换热管2之间，设有多块水平上下间隔设置的铁板7，该铁板7与金属箱体1之间相互固定，可以是直接固定连接或者通过支撑件固定连接，并且铁板7上设有多个均匀间隔分布的通孔，供蓄热介质3的流动以及连接管4和管道62通过。该金属箱体1的外侧设有外部保温层8，优选地，该保温层8为硅酸铝和/或气凝胶。

并且该高温蓄热装置内设有强化换热结构，该强化换热结构包括延伸位于金属箱体1的底部的至少一个容器5，该容器5的周壁封闭，并且其周壁能够从外向内渗透蓄热介质3中的高温下呈液体的无机蓄热材料，即该无机蓄热材料能够渗透入容器5内，但是蓄热介质3中的固体蓄热材料被隔离在容器5内。容器5的顶部连通有连通至金属箱体1外界的吹气管道以及抽气管道，该吹气管道用于对容器5进行吹气加压，该抽气管道用于将容器5内进行抽真空的处理。可以是如图3所示，该容器5的顶部连接一气压管道61，该气压管道61连通至金属箱体1的外侧，该气压管道61同时为抽气管道和吹气管道，同时起到抽气成真空和吹气加压的作用。

该容器5内还插入设有至少一根管道62，该管道62插入至容器5的底部，并且该管道62从容器5的顶部向上延伸，并且其顶部延伸伸出位于金属箱体1内的蓄热介质3的上方。因此，当通过抽气管道对容器5进行抽真空处理时，蓄热介质3中的无机蓄热材料能够快速渗透入容器5内，而当通过吹气管道对容器5进行加压时，容器5内的无机蓄热材料能够通过管道62向上从管道62的顶部喷出位于蓄热介质3的顶部。以此使得蓄热介质3内的无机蓄热材料能够在金属箱体1内进行上下的循环，进而能够实现更好地换热蓄热，提高换热蓄热的效率。

并且该管道62的顶部设有一单向阀63，该单向阀63使得无机蓄热材料仅能从管道62向外排出。当容器5为负压吸入时该单向阀63处于关闭状态，当容器5为正压吹气时所述单向阀63打开使得高温下呈液体的无机蓄热材料能够从管道62的顶部向外输送。

该容器5可以为沿金属箱体1的底面平行延伸有多个，或者也可以是呈矩阵状分布有多个，也可以是其他排布方式，例如彼此错开均匀设置，或者不均匀设置均可。并且该容器5连接有至少一根管道62，使得容器5内的底部各处的无机蓄热材料能够通过上述方式被运送至蓄热介质3的顶部，实现热能的均匀循环。

如图4所示，该容器5中至少部分表面为渗透表面，该渗透表面可以渗透无机蓄热材料和隔离固体蓄热材料，该容器5的渗透表面的结构为两层，一层为具有孔洞51的固体层52，另一层为滤网层53，该滤网层53位于固体层52的外侧，也可以是两层的位置互换，只要能够实现其渗透无机蓄热材料和隔离固体蓄热材料的功能即可。

该强化换热结构能够将高温下呈液体的无机蓄热材料不断地上下循环，能够极大地提升换热管2与蓄热介质3的换热强度和换热效果。并且大大提高了蓄热装置的蓄热能力，也提高了蓄热转换效率，并且降低了成本，具有明显的经济效益和社会效益，应用到能源领域节能减排特点十分突出前景广阔。

尽管以上详细地描述了本实用新型的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温蓄热装置的强化换热结构，其特征在于：包括封闭的容器(5)，所述容器(5)的顶部连通有至少一根吹气管道和至少一根抽气管道，至少一根管道(62)竖向插入至容器(5)的底部，所述容器(5)的周壁能够从外向内渗透高温下呈液体的无机蓄热材料并且隔离其他固体蓄热材料。

2.如权利要求1所述的高温蓄热装置的强化换热结构，其特征在于：所述管道(62)的顶部设有单向阀(63)，当容器(5)为负压吸入时该单向阀(63)处于关闭状态，当容器(5)为正压吹气时所述单向阀(63)打开使得高温下呈液体的无机蓄热材料能够从管道(62)的顶部向外输送。

3.如权利要求2所述的高温蓄热装置的强化换热结构，其特征在于：所述至少一根吹气管道和至少一根抽气管道为至少一根气压管道(61)，通过所述气压管道(61)能够对容器(5)进行抽真空和吹气处理。

4.如权利要求1所述的高温蓄热装置的强化换热结构，其特征在于：所述容器(5)的周壁至少部分表面为渗透表面，该渗透表面能够渗透高温下呈液体的无机蓄热材料并且隔离其他固体蓄热材料。

5.如权利要求4所述的高温蓄热装置的强化换热结构，其特征在于：所述渗透表面为两层，一层为具有孔洞(51)的固定层(52)，另一层为滤网层(53)。

6.具有权利要求1-5中任一项所述的强化换热结构的高温蓄热装置，包括金属箱体(1)以及位于金属箱体(1)内的多层上下水平间隔设置的换热管(2)，所述金属箱体(1)内包围所述换热管(2)填充有蓄热介质(3)，所述蓄热介质(3)包括固体蓄热材料和高温下呈液体的无机蓄热材料，其特征在于：所述容器(5)位于所述金属箱体(1)的底部，所述管道(62)的顶部延伸至金属箱体(1)的顶部位于蓄热介质(3)的上方，所述吹气管道和抽气管道的另一端均伸出位于金属箱体(1)外侧。

7.如权利要求6所述的高温蓄热装置，其特征在于：所述固体蓄热材料包括至少两种以上固体铁基材料组成的混合物，所述无机蓄热材料为熔盐和/或导热油。

8.如权利要求7所述的高温蓄热装置，其特征在于：所述至少两种以上固体铁基材料组成的混合物为铁矿石粉末与碎铁块或者铁矿石粉末与碎铁粉末。

9.如权利要求6所述的高温蓄热装置，其特征在于：每一层的换热管(2)为蛇形管，沿金属箱体(1)的水平方向来回设置，并且相邻层的换热管在垂直方向上的投影交错设置。

10.如权利要求6所述的高温蓄热装置，其特征在于：所述金属箱体(1)内多层换热管(2)之间设有水平间隔设置的铁板(7)，所述铁板(7)与金属箱体(1)固定，并且铁板(7)上设有多个间隔分布的通孔供蓄热介质(3)的流动以及管道(62)的通过。