CN102162636A - 一种高温储热蒸发一体化装置 - Google Patents
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Abstract
一种高温储热蒸发一体化装置，包括储热块(5)、储液槽(7)、保温层(4)、加热管(8)、蒸发管(9)。保温层(4)紧贴储液槽(7)外壁；储热块(5)置于储液槽(7)内部；储热块(5)规则地等间距分布有多个通孔；加热管(8)与蒸发管(9)间隔穿过储热块(5)上的通孔。加热管(8)与蒸发管(9)为光管或强化换热管；储液槽(7)容器内部填充高温传热工质。
Description
技术领域
本发明涉及一种储热蒸发一体化装置。
背景技术
由于可以通过储热来实现持续稳定的电力供应，聚光型太阳能热发电在当今被世界各国公认为极具潜力的可再生能源发电技术。储热方式以及储热材料性能和成本对于太阳能热发电站建设和运行成本关系重大。用于太阳能热发电系统中的储热材料需要具备如下特点：高的储能密度；储热材料与热交换液体应该有良好的热量交换性能；储热材料应该具备良好的稳定性；储热材料和系统设备之间应该有良好的化学相容性；储热放热循环应可逆；高的性价比。当前储热方式主要有潜热储热、显热储热和化学能储热三种方式。潜热是指在温度保持不变的条件下，物质在从某一个相转变为另一个相的相变过程中所吸入或放出的热量，潜热储热就是利用材料在固相、液相、气相之间相互转变时吸收或放出的潜热来实现热能的存放，这个过程是可逆的，可以双向多次重复，该技术当前研究和应用广泛。常用的潜热储热材料有水、各种水合盐、混合盐等。储热量巨大，但是储热温度受储热材料的种类和物性限制。显热是指当此热量加入或移去后，会导致物质温度的变化，而不发生相变。显热储热是最为简单和成熟的技术，常用的显热储热材料有水、熔融盐、导热油、混凝土、卵石等。储热所需物质的量较大。化学能是物体发生化学反应时所释放的能量，化学能储热比显热和潜热储热的热流密度都大，但是技术复杂，目前尚无工业应用。在太阳能热发电站中已经应用或在文献专利中报道的储热系统类型和特点如下：(1)“高温盐罐+低温盐罐”的双罐储热系统。文献1(Ulf Hermann，Bruce Kelly，Henry Price.Two-tank molten salt storage for parabolic trough solar power plants，Energy，2004，(29)：883-893)报告了熔融盐双罐储热系统在槽式太阳能热发电站的应用。熔融盐作为传热、储热一体化工质。熔融盐有较强的腐蚀性，但是相比导热油而言，熔融盐储热具有低成本的优势。而且根据熔融盐种类的不同，储热系统的工作温度范围可在200℃-560℃，工作温度上限较高，有利于提高蒸汽发电机组的工作参数，进而实现较高的发电效率，但该方案需要制造两个熔融盐储热罐，熔融盐使用量也很大。(2)斜温层熔融盐单罐储热系统。文献2(Robert J.Copeland，Lakewood，Colo.，US patent(No.4523629))报道了一种利用熔融盐液相显热储热的斜温层单罐储热装置，其特点是在熔融盐罐中设置了挡板，抑制熔融盐罐内的冷盐与热盐混合，促进熔融盐罐上下段温度分层。文献3(左远志，杨晓西，丁栴，丁静，杨建平，中国发明专利(ZL200710028077.X))报道了一种熔融盐中高温斜温层混合储热装置，在熔融盐罐中装入相变材料，依靠显热换热及相变换热进行储热。与双罐储热系统和熔融盐单罐储热系统比较而言，可以进一步降低储热成本。(3)“砂石+导热油”单罐储热系统。文献4(M.Castro，J.L.Presa，J.Díaz，J.Peire，A.F.Baker，S.E.Faas，L.G.Radosevich，A.C.Skinrood.C.R.S.receiver and storage systems evaluation(J)，Solar Energy，1991，47(3)：197-207)报道了“砂石+导热油”单罐储热系统的结构特点，在换热、导热油污染、低温难启动等方面还存在需要解决的问题。(4)混凝土储热模块。文献6(Ulf Herrmann，David Wearney.Survey of thermal energy storage for parabolic trough power plants(J)，Journal of solar energy engineering，2002，124：145-152)通过比较分析几种储热材料的发电成本，得出混凝土储热模块性价比最好。中国专利ZL200610112004.4提出了一种利用混凝土的高温储热器及储热方法，使用重力热管解决腐蚀和冻结问题，但是金属管与混凝土膨胀率不同，热胀冷缩会对混凝土结构造成裂纹，金属管与混凝土之间的接触热阻也较大。此外以上文献中报道的储热方式，存在成本高，且不能低温启动的难题。另外，上述装置在太阳能热发电系统中应用时，还需要配备一台蒸发器，才能实现为汽轮发电机组提供运转所需蒸汽。在储热和蒸汽发生的方式上均不能进一步大幅降低成本，提高系统效率和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种可应用于太阳能热发电系统的高温储热蒸发一体化装置，它具有结构简单、安全可靠、换热效率高且易于低温启动的特点。
本发明高温储热蒸发一体化装置由储热块、储液槽、保温层、加热管、蒸发管等部件组成。保温层紧贴储液槽外壁；储热块置于储液槽内部；储热块上规则地分布有多个水平布置的通孔；加热管和蒸发管相间布置，相间地穿过储热块上水平布置的通孔，每支加热管与相邻蒸发管之间的距离相近或相等。加热管和蒸发管可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。储液槽容器内部填充高温传热工质。
当本发明高温储热蒸发一体化装置储热温度在400℃以内时，储液槽内部填充的高温传热工质为导热油，此时储液槽内的导热油需要惰性气体保护，储液槽为承压结构，加热管内流动的传热工质为导热油或熔融盐。当本发明高温储热蒸发一体化装置储热温度在600℃以内时，储液槽内部填充的高温传热工质为混合熔融盐，此时储液槽为非承压结构。加热管内流动的传热工质为混合熔融盐；蒸发管内的流动传热工质是水蒸气；储热块材料为卵石、陶瓷或混凝土，储热块的材料与储液槽内部填充的高温传热工质有良好相容性；储热块上规则分布的通孔与加热管和蒸发管之间预留有空隙，便于现场安装，也可以保证储热块、加热管和蒸发管在热胀冷缩时彼此不发生干涉而引发结构破坏。
高温储热蒸发一体化装置充热时，高温传热流体从加热管入口进入加热管，与储液槽内部填充的高温传热工质和储热块充分换热后从加热管出口流出。热量储存在储热块与储液槽内部的高温传热工质中。
高温储热蒸发一体化装置放热时，饱和水或低温蒸汽从蒸发管入口进入蒸发管，与储液槽内部填充的高温传热工质和储热块充分换热后，被加热为高温蒸汽，从蒸发管出口流出。
高温储热蒸发一体化装置在第一次试运行，或因设备维修等原因导致长期停机，储热块温度较低情况下启动时，如果加热管内流动的传热工质为导热油，由于太阳能热发电站常用的DOWTHEM-A导热油在12℃以下会凝固，所以100℃以下的热水或100℃以上的低温蒸汽从蒸发管入口进入蒸发管，加热储液槽内部填充的高温传热工质，进而加热储热块和插入其中的加热管，换热后从蒸发管出口流出。加热管中凝固的导热油被加热为液态，可以流动循环。当高温储热蒸发一体化装置应用于熔融盐太阳能热发电站中时，高温储热蒸发一体化装置的加热管内传热工质为熔融盐，太阳能热发电站常用的混合硝酸熔盐在220℃以下为固态，所以290℃以上的高温蒸汽从蒸发管入口进入蒸发管，加热储液槽内部填充的高温传热工质、储热块以及加热管，换热后从蒸发管出口流出。加热管中凝固的熔融盐被加热熔为液态，开始流动循环。
本发明的优点在是采用卵石、耐高温的陶瓷、耐高温耐腐蚀的混凝土作为储热块的材料，可掺入密封好的相变材料，充分利用上述材料储热容量大，成本低廉和高温热性能稳定的特点；将储热块置于储液箱中，充分利用储液箱中的高温传热工质填充加热管、蒸发管与储热块通孔之间预留的间隙。一方面可以利用高温传热工质减小换热管与储热块之间的接触热阻，增强换热；另一方面也可以避免换热管与储热块接触过紧热胀冷缩带来的结构损坏。所以本高温储热蒸发一体化装置具有更好的换热特性和可靠性，优于以往的固体储热装置。另外，本发明高温储热蒸发一体化装置的加热管和蒸发管都置于储热块中，高温储热蒸发一体化装置在低温启动时，可以利用热水或蒸汽通过蒸发管，预热储热块，解决高温传热工质在低温下的冻堵，该功能也优于以往的固体储热装置。此外，本发明的高温储热蒸发一体化装置结构紧凑，也可以依照储热温度和蒸汽出口参数的需求，通过改变串联、并联方式，灵活组合使用，可使储热块中的热能根据温度梯级充分利用。由于具有上述特点，所以本发明的高温储热蒸发一体化装置比以往的储热装置有着更高的换热效率，更好的经济性和运行可靠性，特别适用于在400℃以上储热蒸发的太阳能热发电场合。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1高温储热蒸发一体化装置长方体结构立体图；
图2高温储热蒸发一体化装置圆柱体结构立体图；
图3高温储热蒸发一体化装置俯视图；
图4高温储热蒸发一体化装置正剖视图；
图5高温储热蒸发一体化装置长方体结构左剖视图；
图6高温储热蒸发一体化装置圆柱体结构左剖视图；
图7高温储热蒸发一体化装置的长方体储热块与换热管连接方式示意图；
图8高温储热蒸发一体化装置的圆柱体储热块与换热管连接方式示意图；
图9高温储热蒸发一体化装置的加热管示意图；
图10高温储热蒸发一体化装置的蒸发管示意图；
图11高温储热蒸发一体化装置的长方体储热块示意图；
图12高温储热蒸发一体化装置的圆柱体储热块示意图；
图13高温储热蒸发一体化装置组成系统应用原理图；
图中：1加热管入口，2蒸发管入口，3蒸发管出口，4保温层，5储热块，6加热管出口，7储液箱，8加热管，9蒸发管，10阀门A，11阀门B，12阀门C，13阀门D，14阀门E，15阀门F，16阀门G，17阀门H，18阀门I，19阀门J，20阀门K，21阀门L，22阀门M，23阀门N，24阀门O，25阀门P，26高温储热蒸发一体化装置Q，27高温储热蒸发一体化装置R，28高温储热蒸发一体化装置S。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，高温储热蒸发一体化装置外形为长方体结构。高温储热蒸发一体化装置最外侧为保温层4。加热管入口1，加热管出口6，蒸发管入口2，蒸发管出口3伸出储液槽7及保温层4外侧。高温储热蒸发一体化装置初次使用时，或者由于维修等原因经历长期停机后启动时，热水或者低温蒸汽从蒸发管入口2流入，从蒸发管出口3流出，完成对高温储热蒸发一体化装置的预热。当高温储热蒸发一体化装置充热时，高温传热工质从加热管入口1流入，从加热管出口6流出，完成热量的储存过程。蒸发放热时，热水或者低温蒸汽从蒸发管入口2流入，经换热后，被加热的高温蒸汽从蒸发管出口3流出。
如图2所示，高温储热蒸发一体化装置外形为圆柱体结构。高温储热蒸发一体化装置最外侧为保温层4。加热管入口1，加热管出口6，蒸发管入口2，蒸发管出口3伸出储液槽7及保温层4外侧。高温储热蒸发一体化装置初次使用时，或者由于维修等原因经历长期停机后启动时，热水或者低温蒸汽从蒸发管入口2流入，从蒸发管出口3流出，完成对高温储热蒸发一体化装置的预热。当高温储热蒸发一体化装置充热时，高温传热工质从加热管入口1流入，从加热管出口6流出，完成热量的储存过程。蒸发放热时，热水或者低温蒸汽从蒸发管入口2流入，经换热后，被加热的高温蒸汽从蒸发管出口3流出。
如图3和图4所示，高温储热蒸发一体化装置由储热块5、储液槽7、保温层4、加热管8、蒸发管9组成。加热管入口1，加热管出口6，蒸发管入口2，蒸发管出口3伸出储液槽7及保温层4外侧。储液槽7的材料可以是金属，也可以是非金属。保温层4紧贴储液槽7的外壁；储热块5置于储液槽7内部；储热块5上规则地等间距分布有多个水平的通孔；加热管8和蒸发管9相间布置，相间地穿过储热块5上水平布置的通孔，每支加热管与相邻蒸发管之间的距离相近或相等。加热管8和蒸发管9可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。储液槽7容器内部填充高温传热工质。高温储热蒸发一体化装置初次使用时，或者由于维修等原因经历长期停机后启动时，热水或者低温蒸汽从蒸发管入口2流入，从蒸发管出口3流出，完成对高温储热蒸发一体化装置的预热。当高温储热蒸发一体化装置充热时，高温传热工质从加热管入口1流入，从加热管出口6流出，与储液槽7内的高温传热工质以及储热块5充分换热，完成热量的储存过程。蒸发放热时，热水或者低温蒸汽从蒸发管入口2流入，经与储液槽7内的高温传热工质以及储热块5充分换热后，热水或者低温蒸汽被加热为高温蒸汽从蒸发管出口3流出。
如图5所示，外形为长方体结构的高温储热蒸发一体化装置截面形状为矩形，保温层4紧贴储液槽7的外壁；储热块5置于储液槽7内部；储热块5上规则地等间距分布有多个水平的通孔；加热管8和蒸发管9相间布置，相间地穿过储热块5上水平布置的通孔，每支加热管与相邻蒸发管之间的距离相近或相等。加热管8和蒸发管9可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。储液槽7容器内部填充高温传热工质。
如图6所示，外形为圆柱体结构的高温储热蒸发一体化装置截面形状为圆形，保温层4紧贴储液槽7的外壁；储热块5置于储液槽7内部；储热块5上规则地等间距分布有多个水平布置的通孔；加热管8和蒸发管9相间布置，相间地穿过储热块5上水平布置的通孔，每支加热管与相邻蒸发管之间的距离相近或相等。加热管8和蒸发管9可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。储液槽7容器内部填充高温传热工质。
如图7所示，长方体结构的高温储热蒸发一体化装置内部包含有多个储热块5，储热块5呈长方体结构。储热块5上规则地等间距分布有多个水平布置的通孔。加热管8和蒸发管9相间布置，相间地穿过储热块5上水平布置的通孔，每支加热管与相邻蒸发管之间的距离相近或相等。加热管8和蒸发管9可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。储热块5的材料可采用卵石、耐高温的陶瓷、耐高温耐腐蚀的混凝土，储热块5中可掺入密封好的相变材料。
如图8所示，圆柱体结构的高温储热蒸发一体化装置内部包含有多个储热块5，储热块5呈圆柱体结构。储热块5上规则地等间距分布有多个水平布置的通孔。加热管8和蒸发管9相间布置，相间地穿过储热块5上水平布置的通孔，每支加热管与相邻蒸发管之间的距离相近或相等。加热管8和蒸发管9可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。储热块5的材料可采用卵石、耐高温的陶瓷、耐高温耐腐蚀的混凝土，储热块5中可掺入相变材料。
如图9所示，高温储热蒸发一体化装置内部的加热管8可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。
如图10所示，高温储热蒸发一体化装置内部的蒸发管9可以是光管，也可以是波纹管、变截面椭圆管、螺纹管、加装肋片的强化换热管。
如图11所示，长方体结构的高温储热蒸发一体化装置内部的储热块5呈长方体结构。储热块5上规则地等间距分布有多个水平布置的通孔，通孔29为加热管预留，通孔30为蒸发管预留，两类孔相间布置。储热块5的材料可采用卵石、耐高温的陶瓷、耐高温耐腐蚀的混凝土，储热块5中可掺入密封好的相变材料。
如图12所示，圆柱体结构的高温储热蒸发一体化装置内部的储热块5呈圆柱体结构。储热块5上规则地等间距分布有多个通孔，通孔29为加热管预留，通孔30为蒸发管预留，两类孔相间的布置。储热块5的材料可采用卵石、耐高温的陶瓷、耐高温耐腐蚀的混凝土，储热块5中可掺入密封好的相变材料。
图13是由3个高温储热蒸发一体化装置组成多模块系统具体使用方法的原理图。阀门A10，阀门B11，阀门C12，阀门D13，阀门E14，阀门F15，阀门G16，阀门H17均为控制加热管路通断的阀门。阀门I18，阀门J19，阀门K20，阀门L21，阀门M22，阀门N23，阀门O24，阀门P25均为控制蒸发管路通断的阀门。高温储热蒸发一体化装置Q26，高温储热蒸发一体化装置R27，高温储热蒸发一体化装置S28是三个结构相同的高温储热蒸发一体化装置。通过改变阀门开启和关闭状态，可以实现以下多种充热与放热模式：
1)高温储热蒸发一体化装置单独充热放热模式。当可提供储存的能量较少时，可对单个高温储热蒸发一体化装置进行充热。可以打开阀门A10，阀门B11，阀门G16，阀门F15，关闭加热管路的其他阀门。高温传热工质会经阀门A10、阀门B11流入高温储热蒸发一体化装置R27，换热后经阀门G16、阀门F15流出。当高温储热蒸发一体化装置R27被加热到预定温度，完成储热过程后，打开阀门A10，阀门C12，阀门H17，阀门F15，关闭加热管路其他阀门，即可单独将高温储热蒸发一体化装置Q26加热到预定温度。同样的，打开阀门A10，阀门D13，阀门E14，阀门F15，关闭加热管路其他阀门，即可单独将高温储热蒸发一体化装置S28加热到预定温度。
当使用蒸汽量较小，蒸发所需能量较少，高温储热蒸发一体化装置需要单独提供蒸汽进行放热时，打开阀门I18，阀门N23，阀门J19，阀门M22，关闭蒸发管路的其他阀门，低温蒸汽会经阀门I18、阀门N23，流入高温储热蒸发一体化装置R27，换热后经阀门J19、阀门M22流出。当高温储热蒸发一体化装置R27中的储热降低到不能将蒸汽提供到设定参数时，打开阀门I18，阀门O24，阀门L21，阀门M22，关闭蒸发管路的其他阀门，即可单独使用高温储热蒸发一体化装置Q26将低温蒸汽加热到设定参数。同样的，打开阀门I18，阀门P25，阀门K20，阀门M22，关闭蒸发管路的其他阀门，即可单独使用高温储热蒸发一体化装置S28将低温蒸汽加热到设定参数。
2)高温储热蒸发一体化装置同时充热放热模式。当可提供储存的能量充裕时，可对系统中的多个高温储热蒸发一体化装置进行同时充热。同时打开加热管路上的阀门A10，阀门B11，阀门C12，阀门D13，阀门E14，阀门F15，阀门G16，阀门H17，高温储热蒸发一体化装置Q26，高温储热蒸发一体化装置R27，高温储热蒸发一体化装置S28相互处于并联状态，高温传热工质可同时将高温储热蒸发一体化装置Q26，高温储热蒸发一体化装置R27，高温储热蒸发一体化装置S28加热到设定温度。
当使用蒸汽量较大，蒸发所需能量较多，需要多个高温储热蒸发一体化装置同时工作加热蒸汽时，同时打开蒸发管路上的阀门I18，阀门J19，阀门K20，阀门L21，阀门M22，阀门N23，阀门O24，阀门P25，低温蒸汽被高温储热蒸发一体化装置Q26、高温储热蒸发一体化装置R27、高温储热蒸发一体化装置同时加热到设定参数。
Claims (4)
1.一种高温储热蒸发一体化装置，其特征是：所述的装置由储热块(5)、储液槽(7)、保温层(4)、加热管(8)、蒸发管(9)组成；保温层(4)紧贴在储液槽(7)的外壁；储热块(5)置于储液槽(7)内部；储热块(5)上规则地等间距分布有多个水平布置的通孔；加热管(8)与蒸发管(9)相间布置，相间地穿过储热块(5)上的通孔；储液槽(7)容器内部填充传热工质。
2.按照权利要求1所述的一种高温储热蒸发一体化装置，其特征是所述的储热块(5)的制作材料为耐高温混凝土、卵石或陶瓷，储热块(5)掺入相变材料；储热块(5)之间留有间隙；储热块(5)与储液槽(7)内壁之间留有间隙。
3.按照权利要求1所述的一种高温储热蒸发一体化装置，其特征是所述的加热管入口(1)、加热管出口(6)、蒸发管入口(2)和蒸发管出口(3)露出储液槽(7)及保温层(4)外侧。
4.按照权利要求1所述的一种高温储热蒸发一体化装置，其特征是在于低温启动时，热水或低温蒸汽从蒸发管入口(2)进入蒸发管(9)，加热储液槽(7)内部填充的高温传热工质预热储热块(5)和插在其中的加热管(8)，然后从蒸发管出口(3)流出；加热管(8)中的凝固的高温传热工质被加热熔融为液态；高温储热蒸发一体化装置充热时，高温传热流体从加热管入口(1)进入加热管(8)，加热储液槽(7)内部填充的高温传热工质换热，加热储热块(5)后从加热管出口(6)流出；热量储存在储热块(5)及储液槽(7)内部的高温传热工质中；高温储热蒸发一体化装置放热时，热水或低温蒸汽从蒸发管入口(2)进入蒸发管(9)，与储液槽(7)内部的高温传热工质及储热块(5)换热，被加热为高温蒸汽后从蒸发管出口(3)流出。
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