CN215062941U - 一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置，所述装置包括利用固体储热介质储存热能，并在固体储热介质中水平布置若干取热管支管和垂直布置的取热总管；使取热总管的入口与存储有液态传热介质的储液箱连通，储液箱内的液态传热介质由取热总管进入取热支管内；液态传热介质在取热支管中吸收固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质；气态传热介质受热向上流动汇集到取热总管输出至位于取热总管出口处的换热器中液化；液化后的液态传热介质通过重力进入取热总管内，以实现传热介质的循环；通过调节流入取热管的液态传热介质流量对换热器的对外输出参数进行控制。本申请无动力设备，可靠性更高，寿命长，运行费用低。

Description

一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置

技术领域

本实用新型涉及储热换热技术领域，尤其涉及一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置。

背景技术

目在能源利用领域，当供能和用能存在时空不匹配的情况时，就需要蓄能技术。在各种蓄能技术中，蓄热技术是应用最广泛的技术分支。根据蓄热温度不同，蓄热技术大体可分为低温蓄热和中高温蓄热。低温蓄热主要针对的是太阳能热利用以及建筑节能等领域，通常采用盐溶液、水合盐、石蜡类、脂肪酸类等相变材料作为蓄热介质；中高温蓄热广泛应用于太阳能热发电、工业余热利用、核电、以及电网储能等领域，主要采用导热油、熔盐和耐高温固体材料作为蓄热介质。在各种中高温蓄热技术中，固体蓄热具有蓄热温度高、结构简单、成本较低等诸多优点，是目前实际工程中应用最多的蓄热技术，尤其是近几年由于以“雾霾”为代表的环境问题日益严重，采用固体蓄热材料的蓄热式电锅炉技术成为“非煤采暖”的重要技术选择。此外，由于导热油的局限性，熔盐的高技术门槛，人们也在探索采用固体作为太阳能热发电的蓄热材料。

在固体蓄热技术中，应用比较广泛的固体蓄热材料是耐火砖和混凝土，在固体蓄热系统运行过程中，均需要驱动装置驱动流体运转以进行热量的传输，以耐火砖为蓄热材料的蓄热装置采用空气换热，需要使用大功率风扇进行驱动循环，而混凝土固体蓄热传热介质一般为液态，需要使用流体泵提供传热流体流动的动力，这些循环泵耗是运行成本的主要力量，因此减小运行成本也是降低固体蓄热设备维护成本的有效手段之一。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置，该取热装置能够在一天当中的低电价时段将电能产生的热量或日间利用太阳能产生的热量进行储存，在高电价时段输出热量供生产生活使用。

根据根据本实用新型的实施例，提供了一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置，包括：储热罐，内部填充有固体储热介质；

换热器，设置于所述储热罐的上方；

其特征在于，还包括：

取热管，包括取热支管和取热总管；所述取热支管水平层叠布置的在所述储热罐的固体储热介质中，所述取热支管包括进口和出口，所述取热总管包括第一取热总管和第二取热总管，所述多个水平布置的取热支管进口汇集于位于固体储热介质之外的第一取热总管，所述多个水平布置的取热支管出口汇集于位于固体储热介质之外的第二取热总管；所述第二取热总管的出口与所述换热器连接；液态传热介质通过所述第一取热总管进入所述取热支管，在取热支管中吸收所述固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质，气态传热介质受热沿所述第二取热总管向上流动，并在所述换热器中液化；

储液箱，述储液箱布置于所述储热罐下部，所述储液箱的液位高度低于所述第一取热总管的液位高度；

补液系统，在所述储液箱与所述第一取热总管之间设置有补液管，并在所述补液管上设置有补液泵及阀门组；

放液系统，在所述储液箱与所述第一取热总管之间设置有放液管，并在所述放液管上设置有阀门组；

压力平衡系统，在所述储液箱与所述第二取热总管之间设置有压力平衡管和阀门组；

进排液系统，所述储液箱底部还设置有进液管、排液管及相关阀门组。

进一步地，所述一体化装置还包括缓冲装置，其设置在所述换热器对外输出工质的管路上，以降低所述换热器对外输出工质的温度变化幅度。

进一步地，所述储热罐包括用于加热所述储热介质的若干根与外部电源电连接的加热棒；或者所述储热罐包括用于加热所述储热介质的若干根能够传递利用太阳能产生的热量的加热管。

优选地，所述储热罐内的固体储热介质为耐高温混凝土。

进一步地，所述一体化装置位置最高处设置排气阀和安全阀。

优选地，所述取热总管在垂直方向上布置液位计。

优选地，所述液态传热介质为有机物质或水。

优选地，所述一体化装置的外形尺寸与标准集装箱的相同或标准集装箱的尺寸为所述一体化装置外形的尺寸的整数倍。

由以上技术方案可知，本实施例通过在电价低谷的时段，利用电能储存热能，或者在日间利用太阳能生产热量储存热能，在电价高峰时段，不再使用电能，而是通过将存储的热能输出以满足热能的需求，具有节省电能、绿色环保的优点，同时本实施例中的带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置，依靠自然循环，无动力驱动，与当前市场上采用风扇和空气换热器来实现主动循环方式的蓄热储能锅炉相比，本申请中的带压自然循环取热装置可靠性更高，寿命更长，运行费用较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中带压自然循环的取热方法的原理图；

图中：

101储热罐，102取热支管，103第一取热总管，第二取热支管110，104换热器，105换热管，106缓冲装置，107储液箱，108放液管，113压力平衡管，112排液管，111进液管，114补液管，115补液泵

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

我国大部分地区制定了一天当中不同时段不同价格的电价机制，实用新型人意识到，可以将较低电价时段的电能转化成热能，或者将白天通过太阳能加热产生的热能存储到储热介质中；在较高电价时段，将热能释放出来，供生产生活使用，不但成本低，且利于环境保护。

为实现上述目的，本申请提供了一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置。

图1为本申请带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置的工作原理图。如图1所示，本申请中涉及的带压自然循环固体电加热蓄供一体化装置包括储热罐101、换热器104、取热管、储液箱107、补液系统和排液系统。

其中，本申请中固体储热介质储存的热能来源为电能或太阳能。当热源类型采用电能时，则通过利用峰谷电进行合理分配，即在电价低谷时段，通过电加热装置将电能转化为热能，固体储热介质将热能进行存储；在电价较高的时段，将热能进行释放。当热源类型采用太阳能时，可将固体储热介质与能够将太阳能产生的热量进行传递的加热管进行匹配，从而使固体储热介质将太阳能产生的热量进行存储。

所述储热罐101内部填充有固体储热介质，当热量来源为谷电时，所述储热罐101内部布置有加热装置，优选为若干根与外部电源电连接的加热棒；当热量来源为太阳能时，所述储热罐101内布置有用于加热所述储热介质的若干根能够传递利用太阳能产生的热量的加热管。本申请中采用固体储热介质进行储热，而不选用液态储热介质储热，其原因在于，液态介质虽然不会对储热装置内布置的管道产生应力的问题，但是高温下液态介质容易出现相变汽化，出现高温高压的现象，这就对壳体的密封性能及抗压性能具有较高要求，从而提高储热装置的成本。在本申请中的实施方式中，固体储热介质可为土壤、石子或高温混凝土。但考虑到固体储热介质在升温过程中，会存在受热膨胀的现象，容易对储热介质中的取热管和设置在储热介质外侧的壳体产生较大的应力，有导致破坏取热管道和壳体的可能。因此作为更优选的实施例，本申请的固体储热介质优选为耐高温混凝土。耐高温混凝土具有较优的导热性能，热膨胀系数不高，不会导致储热介质外侧的壳体受疲劳应力而降低使用寿命。

所述取热管包括取热支管102和取热总管；优选地，所述取热支管102为U型管，可以简化系统的布置方式，节约成本。所述取热支管102水平层叠布置的在所述储热罐101的固体储热介质中，所述取热支管101包括进口和出口，所述取热总管包括第一取热总管103和第二取热总管110，所述多个水平布置的取热支管102进口汇集于位于所述储热罐101底端固体储热介质之外的第一取热总管103，所述多个水平布置的取热支管102出口汇集于位于所述储热罐101顶端固体储热介质之外的第二取热总管110；所述第二取热总管110的出口与位于所述储热罐101上方的所述换热器104连接；液态传热介质通过所述第一取热总管103进入所述取热支管102，在取热支管102中吸收所述固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质，气态传热介质受热沿所述第二取热总管110向上流动，并在所述换热器104中液化；

在固体储热介质和热源确定后，所述第一取热总管103的下部管口通过所述补液系统与存储有液态传热介质的储液箱107连通，优选地，所述液态传热介质为有机物质或水，所述补液系统包括补液管以及所述补液管上设置的补液泵115及阀门组。其中，储液箱107布置于所述储热罐101的下部，且所述储液箱内的液位高度低于所述第一取热总管103的液位高度，需要补水时，所述储液箱107内的液态传热介质由第一取热总管的下部管口进入所述取热支管102内。液态传热介质在取热支管中吸收固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质；气态传热介质受热沿所述第二取热总管110向上流动。

将由第二取热总管110流出的气态传热介质进入所述换热器104中与所述换热管105中的换热介质进行换热，换热后气态传热介质液化，换热介质温度升高或者产生相变；液化后的液态传热介质通过重力回流至所述第一取热总管103中，以实现传热介质的循环。所述换热器对外输出工质的管路即换热管105与所述缓冲装置106相连接，以降低所述换热器对外输出工质的温度变化幅度。如缓冲装置106可以起到稳定供热热水的温度，或者换热器的换热功率，虽然换热器的换热功率可以实现自动调节，但是受到响应速度的限制，可能出现换热器对外输出工质的周期性波动，而缓冲装置106的存在则降低了波动的幅度。

下面对取热过程中储热介质的状态进行阐述：取热过程中取热管内的液态取热工质不断被沸腾转换为蒸汽带走储热介质的能量，使得储热介质的温度逐渐降低，由于储热介质温度的下降使得沸腾所需管面积不断增大，这使得第一取热总管110内的液位不断下降，此时，开启补液系统进行液态传热介质的补充，直到当所述第二取热总管110出口的压力不能维持在正常范围内时，则取热过程结束。此时储热介质温度恢复到加热前的温度，需要重新利用热源进行热量补充。

由于液态传热介质在进入取热管之前的温度较低，在取热管的下部管口，液态传热介质刚刚流入取热管时，会使取热管的的下部管口温度骤降，由此引起该处管体的热应力增大，从而导致取热管的下部管口易产生疲劳、破裂等现象。因此，优选地，在液态传热介质流入取热管下部管口处，设置预热装置以减小取热管的下部管路与液态传热介质之间的温差，避免取热管下部管口易出现破裂等情况，延长取热管的使用寿命。

在系统运行过程中，为了便于观察所述第一取热总管103的液位，在所述第一取热总管103的垂直方向上安装有液位计，以保持所述储液箱107的液位高度低于所述第一取热总管103的液位高度。

紧急情况下为了平衡系统统中的压力，在所述一体化装置位置最高处设置排气阀和安全阀，在系统压力较大时，进行系统排压。

进一步地，所述一体化装置还包括补液系统、放液系统以及排液系统。所述补液系统包括在所述储液箱与所述第一取热总管之间设置的补液管以及在所述补液管上设置的补液泵及阀门组；所述放液系统包括所述储液箱与所述第一取热总管之间的放液管以及阀门组；所述排液系统包括在所述储液箱与所述第二取热总管之间设置的压力平衡管以及所述储液箱底部设置的进液管、排液管及相关阀门组。

当系统需要增加负荷时，即需要更多的热量时，开启补液系统中的补液泵115和阀门组，将储液箱内的液态传热介质补充进所述第一取热总管中，以增加系统产出的蒸汽量；当系统需要降低负荷时，即需要的热量减少，开启放液系统，打开所述放液管108上布置的阀门组，将第一取热总管103内多余的液态传热介质导入到储液箱107中。

当储液箱107中液态传热介质不足以维持系统运行时，开启阀门通过进液管111将液态传热介质补充进所述储液箱107中；当储液箱107中液态传热介质过多时，则开启排液系统，液态传热介质通过排液管112将多余的液态传热介质排出。

当系统负荷稳定维持运行，不需要补充液态传热介质时，仅储热罐、换热器、储液箱以及压力平衡系统均参与正常运行，压力平衡系统包括所述储液箱与所述第二取热总管110之间设置的压力平衡管113和阀门组，正常运行时，所述压力平衡管113上的阀门处于打开的状态，即所述取热管与所述储热箱107通过所述压力平衡管113进行连通，保持取热管与储热箱107的压力一致，系统能够在不需要动力设备的情况下，维持系统的正常压力进行取热循环。

作为其中一种优选实施方式，本实施例中一体化装置的外形尺寸与标准集装箱的相同或标准集装箱的尺寸为所述一体化装置外形的尺寸的整数倍。

根据以上实施例的结构特点可知，本实施例通过在电价低谷的时段，利用电能储存热能，或者在日间利用太阳能生产热量储存热能，在电价高峰时段，不再使用电能，而是通过将存储的热能输出以满足热能的需求，具有节省电能、绿色环保的优点，同时本实施例中的带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置，依靠自然循环，无动力驱动，与当前市场上采用风扇和空气换热器来实现主动循环方式的蓄热储能锅炉相比，本申请中的带压自然循环取热装置可靠性更高，寿命更长，运行费用较低。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (8)

1.一种带压自然循环的固体电加热蓄供一体化装置，包括：

储热罐，内部填充有固体储热介质；

换热器，设置于所述储热罐的上方；

其特征在于，还包括：

取热管，包括取热支管和取热总管；所述取热支管水平层叠布置的在所述储热罐的固体储热介质中，所述取热支管包括进口和出口，所述取热总管包括第一取热总管和第二取热总管，所述取热支管进口汇集于位于所述储热罐底端固体储热介质之外的第一取热总管，所述取热支管出口汇集于位于所述储热罐顶端固体储热介质之外的第二取热总管；所述第二取热总管的出口与所述换热器连接；液态传热介质通过所述第一取热总管进入所述取热支管，在取热支管中吸收所述固体储热介质储存的热能相变为气态传热介质，气态传热介质受热沿所述第二取热总管向上流动，并在所述换热器中液化；

储液箱，所述储液箱布置于所述储热罐下部，所述储液箱的液位高度低于所述第一取热总管的液位高度；

补液系统，在所述储液箱与所述第一取热总管之间设置有补液管，并在所述补液管上设置有补液泵及阀门组；

放液系统，在所述储液箱与所述第一取热总管之间设置有放液管，并在所述放液管上设置有阀门组；

压力平衡系统，在所述储液箱与所述第二取热总管之间设置有压力平衡管和阀门组；

进排液系统，所述储液箱底部还设置有进液管、排液管及相关阀门组。

2.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，还包括缓冲装置，其设置在所述换热器对外输出工质的管路上，以降低所述换热器对外输出工质的温度变化幅度。

3.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述储热罐包括用于加热所述储热介质的若干根与外部电源电连接的加热棒；或者

所述储热罐包括用于加热所述储热介质的若干根能够传递利用太阳能产生的热量的加热管。

4.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述储热罐内的固体储热介质为耐高温混凝土。

5.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述一体化装置位置最高处设置排气阀和安全阀。

6.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述第一取热总管在垂直方向上布置液位计。

7.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述液态传热介质为有机物质或水。

8.根据权利要求1所述的一体化装置，其特征在于，所述一体化装置的外形尺寸与标准集装箱的相同或标准集装箱的尺寸为所述一体化装置外形的尺寸的整数倍。

Images