CN201043869Y - 熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，包括熔融盐液的注入部件、出料部件、多孔介质填料段，所述注入部件及出料部件为高温壳管式相变换热器或低温壳管式相变换热器；所述多孔介质填料段设置泡沫碳化硅陶瓷片既作为分隔成层件，又作为固态介质的显热蓄热件。本装置采用了高、低温壳管式相变换热器中的相变蓄热，较大幅度提高了蓄热容量，同时采用泡沫碳化硅陶瓷片代替不锈钢网作为成层元件，既强化蓄热系统的传热性能，又可作为多孔蓄热材料使用；因而本蓄热装置具有结构简单、紧凑，使用方便，制造成本低，工作温度范围广，蓄热效果理想等优点。

Description

熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能吸热储能利用技术，特别涉及一种熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置。

背景技术

太阳能的开发利用已成为当今社会能源战略的重要组成部分。在制约太阳能开发的诸多因素中，低温利用模式导致的效率偏低是太阳能热电市场竞争力较弱的关键之所在，提高太阳能热利用的温度，研发太阳能热电站是大规模利用太阳能的主要途径之一。太阳能热发电系统中高辐射密度热流转换、输运与储存回路主要由吸热器、蒸汽发生器和蓄热器等构成，因此强化热能器件能量转换效率和存储密度成为太阳能热发电的关键技术之一。

目前熔融盐双罐蓄热方式已成为太阳能热发电系统中蓄热技术的主要型式，但是要制造两个蓄热罐、熔融盐使用量大、高温维持等因素导致单位造价与运行维护成本相对比较高，降低其电力成本的空间非常有限；另一个比较有潜力的方式就是采用斜温层单罐蓄热，用熔融盐斜温层单罐蓄热系统代替较通用的熔融盐双罐蓄热系统，可以大幅度降低成本，但该系统的单位体积有效蓄热容量有所降低，熔融盐液的注入和出料结构，即扩散器与集液器要求比较高，以尽可能减少湍流，单罐上、下端各有独立的扩散器与集液器，组成两个流程，分别供放热与蓄热工作状态使用，扩散器常采用多个径向分布的圆管扩散器，集液器为采用有3至5个接口的集液管，结构比较复杂，且进出口效应会产生一定扰动；同时在多孔介质填料中每隔一定距离左右需配置不锈钢网作为成层元件，使得斜温层单罐轴向是一维层流运动，保障罐内斜温层更好地维持，但不锈钢网作为成层元件，其导热率小，单位体积有效蓄热容量低，不能作为蓄热材料使用，不具有明显的蓄热效果；并且对多孔介质填料要求不仅有良好的化学稳定性，还要有良好的物理稳定性，以免形成碎屑堵塞各种通道。

为了降低太阳能热发电的发电成本，提高发电的有效性与年利用率，这就需要一种单位有效蓄热容量更大、长期稳定、制造成本与运行维护成..本更低的中高温蓄热装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有的熔融盐蓄热系统存在的缺点(双罐熔融盐系统制造成本及运行维护相对较高；熔融盐斜温层单罐系统有两套注入和出料结构，比较复杂，安装难度大且占用罐内空间，不锈钢网作为成层设备导热率小，单位体积有效蓄热容量较低)，研究设计一种既能满足太阳能热发电对蓄热技术的要求，又能显著降低制造成本，提高单位体积有效蓄热容量的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，包括熔融盐液的注入部件、出料部件、多孔介质填料段，其特征在于：所述注入部件及出料部件为高温壳管式相变换热器或低温壳管式相变换热器；所述多孔介质填料段设置泡沫碳化硅陶瓷片，所述泡沫碳化硅陶瓷片既作为分隔成层件，又作为固态介质的显热蓄热组件。

本装置为单罐结构形式，罐体直径与高度等结构尺寸取决于蓄热温度与蓄热容量。罐体底部及顶部均可采用椭圆封头，顶部椭圆封头上安装有安全阀，罐体与罐盖可采用法兰连接。高温壳管式相变换热器及低温壳管式相变换热器在罐体内采用间隙安装。所述罐体外缠绕伴随加热丝，供启动时维持熔融盐处于液态、加热多孔介质与罐体以及平衡热损等，在罐体最外面包裹玻璃纤维隔热层，隔热层的厚度选择取决于蓄热温度与对热损的要求。

所述高、低温壳管式相变换热器的筒形外壳均采用不锈钢材料，管束采用不锈钢管，在外壳内均布，两端端盖采用不锈钢板，其中一端盖上焊接有充装相变蓄热材料接口，充装相变蓄热材料接口侧面还有抽真空的连接管。高、低温相变换热器的主要结构区别只是管束与外形的高度尺寸不同。

所述高温壳管式相变换热器管侧流过熔融盐液，壳侧灌装高温熔融盐相变材料。根据应用场合上限工作温度来选择合适熔点的高温熔融盐相变材料。该换热器替代简化了熔融盐液的注入和出料结构，并增加了蓄热容量。

所述低温壳管式相变换热器管侧流过熔融盐液，壳侧灌装低温熔融盐相变材料。根据应用场合下限工作温度来选择合适熔点的低温熔融盐相变材料。该换热器也替代简化了熔融盐液的注入和出料结构，并增加了蓄热容量。

所述多孔介质填料段即为斜温层显热蓄热段，在多孔介质填料段内按一定间隔均匀设置泡沫碳化硅陶瓷片；所述间隔可为100～150mm。所述泡沫碳化硅陶瓷片既代替不锈钢网作为成层元件，又可作为蓄热体使用，具有明显的蓄热效果。

所述泡沫碳化硅陶瓷片之间填充石英岩与硅质沙混合多孔介质，作为主要固态多孔介质的显热蓄热材料。

一种利用上述装置实现的熔融盐中高温斜温层混合蓄热方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)在装置内形成斜温层：具体是当高温熔融盐液在装置的顶部进出口被抽出，经过换热冷却后，由装置的底部进出口进入装置时；或者当低温熔融盐液在装置的底部进出口被抽出，经过加热后，由装置的顶部进出口进入装置时，即在装置的中间存在一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层。

(2)在放热过程开始时，装置内充满高温熔融盐液，将该高温熔融盐液经高温相变壳管式换热器从装置的顶部进出口抽出，放热后从装置的底部进出口经低温相变壳管式换热器进入装置内，刚开始放热一段时间内，斜温层保持不动，一段时间后，斜温层开始稳定上移，随着斜温层不断上移并接近高温相变壳管式换热器时，在较短的时间内，出口端的温度明显地下降到高温相变材料的熔点以下，然后依靠高温相变换热，在一段较长的时间内维持温度不变，最后相变换热基本结束，在很短时间段内出口端温度显著下降。

(3)在蓄热过程开始时，装置内充满低温熔融盐液，将该低温熔融盐液经低温相变壳管式换热器从装置的底部进出口抽出，加热成高温熔融盐液后从装置的顶部进出口进入装置内，刚开始蓄热一段时间内，斜温层保持不动，经过一段时间后，斜温层开始稳定下移，当斜温层不断下移并接近低温相变壳管式换热器时，在较短的时间内，出口端的温度明显地升到低温相变材料的熔点以上，然后依靠低温相变换热，在一段较长的时间内维持温度不变，最后相变换热基本结束，在很短时间内出口端温度显著上升。

在所述放热过程及蓄热过程，在斜温层显热蓄热段内设置泡沫碳化硅陶瓷片代替不锈钢网作为成层元件并进行辅助放热或蓄热。

所述泡沫碳化硅陶瓷片在斜温层显热蓄热段内每隔一段距离均匀设置。

本实用新型的作用原理是：本实用新型所涉及的斜温层是利用密度与温度冷热之间的关系形成，是在装置的中间存在的一个温度梯度很大的自然分层，它类似隔离层一样，使得斜温层以上熔融盐液保持高温，斜温层以下熔融盐液保持低温，随着熔融盐液的不断抽出，斜温层会上下移动，抽出的熔融盐液能够保持相对恒温，当斜温层到达罐的顶部或底部时，抽出的熔融盐液的温度会发生显著变化。为了维持罐内的斜温层，就必须严格控制盐液的注入和出料过程，在罐内填充合理孔隙率的多孔蓄热材料以及配置最佳结构的成层元件。

本实用新型与现有的技术相比具有如下的优点及有益效果：

(1)单位体积的有效蓄热容量大。由于采用了高、低温壳管式相变换热器中的相变蓄热，较大幅度提高了蓄热容量。

(2)结构简单、紧凑，使用方便。采用了高、低温壳管式相变换热器充当扩散器与集液器结构，保障了流体的均匀化流动，与原有斜温层蓄热单罐系统相比，熔融盐液的注入和出料结构相对简单实用；采用泡沫碳化硅陶瓷片代替不锈钢网作为成层元件，由于泡沫碳化硅陶瓷为三维连通孔网络结构，具有高导热率、良好的热和化学稳定性、优异的力学性能等特点，既强化蓄热系统的传热性能，又可作为多孔蓄热材料。

(3)制造成本低。单罐蓄热系统与双罐蓄热系统相比，制造成本降低。同时采用生产成本低的泡沫碳化硅陶瓷片，既可以储存显热，也可减少熔融盐用量。

(4)工作温度范围广。根据实际应用场合的工作温度选择高、低温熔融盐相变材料的熔点。而中间段斜温层在放热与蓄热过程运行中能保持稳定移动，进、出口温度保持相对理想的温差，具有较好的蓄热效果。

附图说明

图1是本实用新型熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置的结构示意图。

图2是图1所示装置中的斜温层显热蓄热段泡沫碳化硅陶瓷片分隔示意图。

图3是图1所示装置中高、低温壳管式相变换热器的结构示意图。

图4是图1所示装置的蓄热原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实用新型的具体结构如图1～图3所示，由图1可见，本熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置为单罐结构形式，罐体7的直径与高度等结构尺寸主要取决于蓄热温度与蓄热容量。罐体7底部及顶部均采用椭圆封头，顶部椭圆封头上安装有安全阀9，罐体7与罐盖10采用法兰连接；在罐体7内采用间隙安装设置有高温壳管式相变换热器1及低温壳管式相变换热器3，所述高温壳管式相变换热器1设置在罐体7上部，所述低温壳管式相变换热器3设置在罐体7下部，所述高、低温壳管式相变换热器1、3的筒形外壳均采用不锈钢材料，管束11采用不锈钢管，在外壳内均布(见图3)，两端端盖采用不锈钢板，其中一端盖上焊接有充装相变蓄热材料接口12，充装相变蓄热材料接口侧面还有抽真空的连接管(图中未示出)；高、低温相变换热器的主要结构区别只是管束与外形的高度尺寸不同。所述罐体的中段为斜温层显热蓄热段2，在此段设置有泡沫碳化硅陶瓷片5，所述泡沫碳化硅陶瓷片5在斜温层显热蓄热段2内按间隔100～150mm均匀设置，在泡沫碳化硅陶瓷片5之间填充石英岩与硅质沙混合多孔介质，作为主要固态多孔介质的显热蓄热材料，具体如图2所示。所述罐体7外缠绕伴随加热丝，供启动时维持熔融盐处于液态、加热多孔介质与罐体以及平衡热损等，在罐体7最外面包裹玻璃纤维隔热层，隔热层的厚度选择取决于蓄热温度与对热损的要求。

利用上述装置实现的本实用新型熔融盐中高温斜温层混合蓄热方法，包括下述步骤(见图4)：

(1)在装置内形成斜温层：具体是当高温熔融盐液在装置的顶部进出口8被抽出，经过换热冷却后，由装置的底部进出口4进入装置时；或者当低温熔融盐液在装置的底部进出口4被抽出，经过加热后，由装置的顶部进出口8进入装置时，即在装置的中间存在一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层6。

(2)在放热过程开始时，装置内充满高温熔融盐液，将该高温熔融盐液经高温相变壳管式换热器1(所述高温壳管式相变换热器管侧流过熔融盐液，壳侧灌装高温熔融盐相变材料；根据应用场合上限工作温度来选择合适熔点的高温熔融盐相变材料)从装置的顶部进出口8抽出，放热后从装置的底部进出口4经低温相变壳管式换热器3(所述低温壳管式相变换热器管侧流过熔融盐液，壳侧灌装低温熔融盐相变材料；根据应用场合下限工作温度来选择合适熔点的低温熔融盐相变材料)进入装置内，刚开始放热一段时间内，斜温层6保持不动，一段时间后，斜温层6开始稳定上移，随着斜温层6不断上移并接近高温相变壳管式换热器1时，在较短的时间内，出口端的温度明显地下降到高温相变材料的熔点以下，然后依靠高温相变换热，在一段较长的时间内维持温度不变(在此过程，在斜温层显热蓄热段内设置的泡沫碳化硅陶瓷片平衡并保障流经熔融盐液的一维温度分布，以及进行辅助放热)，最后相变换热基本结束，在很短时间段内出口端温度显著下降。

(3)在蓄热过程开始时，装置内充满低温熔融盐液，将该低温熔融盐液经低温相变壳管式换热器3从装置的底部进出口4抽出，加热成高温熔融盐液后从装置的顶部进出口8进入装置内，刚开始蓄热一段时间内，斜温层6保持不动，经过一段时间后，斜温层6开始稳定下移，当斜温层6不断下移并接近低温相变壳管式换热器3时，在较短的时间内，出口端的温度明显地升到低温相变材料的熔点以上，然后依靠低温相变换热，在一段较长的时间内维持温度不变(在此过程，在斜温层显热蓄热段内设置的泡沫碳化硅陶瓷片平衡并保障流经熔融盐液的一维温度分布，以及进行辅助蓄热)，最后相变换热基本结束，在很短时间内出口端温度显著上升。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，包括熔融盐液的注入部件、出料部件、多孔介质填料段，其特征在于：所述注入部件及出料部件为高温壳管式相变换热器或低温壳管式相变换热器；所述多孔介质填料段设置有泡沫碳化硅陶瓷片。

2.根据权利要求1所述的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，其特征在于：所述泡沫碳化硅陶瓷片按一定间隔均匀设置在多孔介质填料段，在泡沫碳化硅陶瓷片之间填充石英岩与硅质沙混合多孔介质。

3.根据权利要求2所述的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，其特征在于：所述间隔为100～150mm。

4.根据权利要求1所述的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，其特征在于：为单罐结构形式，高温壳管式相变换热器及低温壳管式相变换热器采用间隙安装在罐体内。

5.根据权利要求4所述的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，其特征在于：所述罐体外缠绕伴随加热丝，在罐体最外面包裹玻璃纤维隔热层。

6.根据权利要求4所述的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，其特征在于：所述高温壳管式相变换热器及低温壳管式相变换热器在其壳体内均布不锈钢管束。

7.根据权利要求4所述的熔融盐中高温斜温层混合蓄热装置，其特征在于：所述高温壳管式相变换热器及低温壳管式相变换热器两端端盖采用不锈钢板，其中一端盖上焊接有充装相变蓄热材料接口，充装相变蓄热材料接口侧面还设置有抽真空的连接管。

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