專利名稱：一種固體儲熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)儲熱裝置，特別涉及一種太陽能光熱利用系統(tǒng)中的儲熱裝置。
背景技術(shù)：
太陽能是比較理想的清潔能源，但利用上卻存在時(shí)效性問題，日照期間所接受的能量超過所需，日落之后卻無法發(fā)揮作用。因而如何把日照時(shí)多余的能量儲存起來，以用于日落后系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，即取有余以補(bǔ)不足，成為實(shí)現(xiàn)太陽能熱利用裝置連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的太陽能儲存技術(shù)中，有報(bào)道或使用過多種儲熱介質(zhì)。近年有報(bào)道在實(shí)驗(yàn)室 中獲得以特定材料作基體支撐的復(fù)合相變材料(定形相變材料)，用以儲存熱量，但其存在導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，而且相變材料在儲熱過程中發(fā)生相變，由于體積的變化，容易發(fā)生漏露的隱患。另外，工業(yè)上也有使用三元鋁合金用以作為相變儲存材料，多次循環(huán)使用對于儲熱性
能，例如相變儲熱的溫度、壽命等參數(shù)有負(fù)面作用，因?yàn)閮岵牧媳旧碓诠ぷ鬟^程中進(jìn)行反復(fù)的固液相變，雜質(zhì)元素將會影響其使用性能和使用壽命。目前現(xiàn)有的已經(jīng)工業(yè)化的太陽能熱發(fā)電機(jī)組多利用無機(jī)鹽做儲熱材料，但無機(jī)鹽在相變過程中存在過冷和相分離的缺點(diǎn)，影響了儲熱能力，并且其凝固溫度過高，造成夜間為保證其不凝固而進(jìn)行的外部管路保溫循環(huán)熱損失較大，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)凝固點(diǎn)后處置困難，存在安全隱患；熔鹽系統(tǒng)管路中使用的泵、閥價(jià)格昂貴且使用壽命也比較短，而且無機(jī)鹽具有一定毒性，且容易泄漏發(fā)生火災(zāi)，泄漏會對環(huán)境造成的污染。固態(tài)儲熱方案有混凝土、鵝卵石儲熱等，在混凝土內(nèi)部澆灌換熱管路，成本較高，并且換熱系數(shù)很低等等；砂石儲熱，雖然價(jià)格便宜，但導(dǎo)熱率低，換熱困難，不能定型自支撐，影響使用；且已有固體儲熱方案是將換熱管道布置于固體儲熱材料內(nèi)部，通過管道或翅片表面和儲熱材料表面的固體與固體間熱傳導(dǎo)完成熱量傳遞，由于固體之間的接觸多為不完全接觸，且固體儲熱材料本身導(dǎo)熱性能不良，再者固體之間的傳熱面積有限，導(dǎo)致總體導(dǎo)熱效率低下，從而很難滿足儲存熱量的輸入功率要求，更多情況為傳熱介質(zhì)的熱量未完全釋放于固體儲熱系統(tǒng)之前，就已經(jīng)從固體儲熱系統(tǒng)流出，無法按所需功率圓滿地完成向固體儲熱系統(tǒng)儲熱的功能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種利用固體儲熱介質(zhì)本身的界面作為換熱界面，采用傳熱介質(zhì)與儲熱介質(zhì)表面直接接觸完成界面換熱的固體儲熱方法，具有傳熱界面面積大，換熱效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)；固體儲熱介質(zhì)間隔布置，降低長度方向(或軸向)上的熱量傳遞速度，形成斜溫層布局結(jié)構(gòu)，獲得高品位溫度輸出；整體成本低廉、
換熱快，熱容大，儲熱性能好，可應(yīng)用于多領(lǐng)域儲熱的固體儲熱裝置。
本發(fā)明提供了一種固體儲熱裝置，所述固體儲熱裝置由至少一個(gè)儲熱單元串聯(lián)和/或并聯(lián)組合而成；該儲熱單元包括外殼、外殼內(nèi)部布置的固體儲熱介質(zhì)及外部的保溫層；以固體儲熱介質(zhì)的外表面為換熱界面，與流經(jīng)本裝置的傳熱介質(zhì)直接接觸發(fā)生換熱；所述儲熱單元內(nèi)部儲熱介質(zhì)沿長度軸向方向上設(shè)置形成斜溫層布局結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述儲熱單元垂直布置。進(jìn)一步地，所述儲熱單元水平布置。優(yōu)選地，所述儲熱單元具有一定傾斜角度地相對水平布置(以下統(tǒng)稱水平布置)。進(jìn)一步地，所述儲熱單元包括多個(gè)串聯(lián)的儲熱區(qū)，整體具有較大的長徑比或長寬t匕(如10:1以上至500:1)，固體儲熱介質(zhì)之間在長度方向上(即軸向上)熱量傳遞速度較小，構(gòu)成穩(wěn)定的天然斜溫層結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述儲熱單元通過多個(gè)儲熱區(qū)間的隔熱設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少不同儲熱區(qū) 之間的熱交換，形成更加優(yōu)良的斜溫層結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述儲熱單元的隔熱設(shè)計(jì)為相鄰儲熱區(qū)儲熱介質(zhì)之間的空隙。進(jìn)一步地，所述儲熱單元的隔熱設(shè)計(jì)為相鄰儲熱區(qū)間布置的隔熱材料。進(jìn)一步地，所述隔熱材料同時(shí)兼有對傳熱介質(zhì)導(dǎo)流布置的作用。進(jìn)一步地，構(gòu)成所述固體儲熱介質(zhì)的材質(zhì)為高密度、高比熱容、導(dǎo)熱良好、性質(zhì)穩(wěn)定的材質(zhì)，例如為耐火磚、巖石、陶瓷、玻璃、石墨、煤炭、土狀石墨、金屬、礦石、礦渣、混凝土等其中一種或至少兩種的混合物。優(yōu)選地，所述固體儲熱介質(zhì)的材質(zhì)為炭磚、復(fù)合炭磚類的耐火材料，由于導(dǎo)熱好、比熱容較大、孔隙率低、密度高、性質(zhì)穩(wěn)定、材料來源廣泛、成本較低，特別適合優(yōu)選作為儲熱介質(zhì)，例如鎂炭磚、招炭磚等。進(jìn)一步地，所述固體儲熱介質(zhì)的結(jié)構(gòu)為具有不同尺寸和形狀的固體儲熱塊，例如長方形塊體、圓柱管塊體、扇形柱狀體。進(jìn)一步地，所述固體儲熱塊為采用熔融金屬將固體儲熱介質(zhì)材料或其混合物澆鑄，冷凝固化成整體而成具有自支撐強(qiáng)度的固體儲熱介質(zhì)。優(yōu)選地，所述固體儲熱塊的外表面具有封閉層，減少傳熱介質(zhì)向固體儲熱塊內(nèi)部的滲透。優(yōu)選地，構(gòu)成所述固體儲熱塊的填充材料內(nèi)混合布置有導(dǎo)熱增強(qiáng)材料，如金屬絲、金屬片、石墨、金屬礦渣等，以提高材料內(nèi)部的導(dǎo)熱能力。進(jìn)一步地，所述固體儲熱塊外表面設(shè)置導(dǎo)流槽和/或翅片等，以獲得較大的熱交換面積。進(jìn)一步地，所述兩固體儲熱塊相鄰?fù)獗砻娴膶?dǎo)流槽和/或翅片的布置方向不平行，存在一定的角度，從而使換熱介質(zhì)在流動(dòng)路徑上形成交叉混合點(diǎn)，以增強(qiáng)換熱效果。進(jìn)一步地，所述固體儲熱塊結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低，對傳熱介質(zhì)吸收少。比如孔隙率小于20%，優(yōu)選地小于10%。進(jìn)一步地，所述固體儲熱塊包括密封的外殼及緊密填充于封閉的外殼內(nèi)部的固體儲熱介質(zhì)材料，整體具有固定形狀及自支撐能力。優(yōu)選地，所述封閉外殼為玻璃、陶瓷材料，如玻璃管，陶瓷管，玻璃、陶瓷空心球等。優(yōu)選地,所述封閉外殼為金屬材料，如金屬管、金屬空心球、金屬殼等。
優(yōu)選地，所述金屬封閉外殼材料為不銹鋼材質(zhì)。進(jìn)一步地，所述封閉外殼內(nèi)部全部或部分填充一定溫度范圍內(nèi)有相變的儲熱相變材料。進(jìn)一步地，所述儲熱單元為直立布置或相對水平布置，高溫區(qū)域位于儲熱單元高端位置、低溫區(qū)域位于儲熱單元低端位置，以避免對流造成的均溫趨勢；儲熱單元在長度軸向上形成斜溫層；且根據(jù)長度方向上的不同位置，分別實(shí)施儲熱輸入分級控制和換熱輸出分級控制，以獲得最大熱量的輸入和最高品位的熱量輸出。進(jìn)一步地，所述儲熱單元不同位置實(shí)施不同溫度等級輸入或輸出的分層級控制，以最高效地利用輸入或輸出熱量。進(jìn)一步地，所述傳熱介質(zhì)為氣、液、蒸汽或相變介質(zhì)；如空氣、氮?dú)?、惰性氣體、導(dǎo)熱油、熔融鹽、蒸汽以及汽液相變介質(zhì)等。 進(jìn)一步地，所述保溫層布置于外殼的外部，選擇為低導(dǎo)熱率的材質(zhì)，例如保溫巖棉
坐坐寸寸ο進(jìn)一步地，所述外殼采用真空絕熱技術(shù)進(jìn)行保溫。進(jìn)一步地,所述儲熱單元外殼為相對薄壁設(shè)計(jì)(材料的選用厚度相對于對應(yīng)使用壓力所需的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)厚度來說，減薄30%以上)，且通過增加外部加強(qiáng)法蘭增強(qiáng)薄壁外殼抵抗內(nèi)部壓力的能力，以減少由于較厚外殼在軸向上存在的良好導(dǎo)熱性，避免因外殼傳熱較多破壞構(gòu)成斜溫層布局結(jié)構(gòu)的溫度梯度效果。進(jìn)一步地，所述加強(qiáng)法蘭與薄壁外殼壁間布置緊密接觸的隔熱層，進(jìn)一步增大外殼結(jié)構(gòu)中的熱阻。本發(fā)明的固體儲熱裝置可應(yīng)用于太陽能光熱利用系統(tǒng)。本發(fā)明的固體儲熱介質(zhì)不具有流動(dòng)性，儲熱利用固體狀態(tài)儲熱，運(yùn)行安全；固體儲熱介質(zhì)按一定規(guī)律堆砌，部分或全部表面直接與傳熱介質(zhì)接觸換熱，不需要增加管路過渡從而避免了固固接觸界面的傳熱缺陷，具有巨大的換熱界面面積并且固液或固汽接觸換熱良好，可方便高速的完成熱量的輸入或輸出，大量增強(qiáng)了固體儲熱介質(zhì)與傳熱介質(zhì)之間的傳熱速度(即傳熱功率)，使儲熱裝置具有良好的整體換熱性能；同時(shí)，由于流通截面積大，傳熱介質(zhì)流動(dòng)阻力小，壓降損失小，可降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。固體儲熱塊具有的致密材質(zhì)或表面封閉層設(shè)計(jì)或封閉層外殼設(shè)計(jì)使其對熱傳介質(zhì)吸收較少，成本低，并且材料壽命更長。儲熱單元內(nèi)部的儲熱介質(zhì)導(dǎo)熱率較高，在徑向或?qū)挾确较騻鳠彷^快，可高功率吸熱和放熱，能盡量以最接近原溫度品位的方式儲存和提取熱量；在軸向或長度方向上，由于尺寸大或存在隔熱設(shè)計(jì)，傳熱速度較慢，可長期保持一定的溫度梯度，有利于盡量避免高品位(溫度)熱源由于高低溫區(qū)域的均溫趨勢造成品位(溫度)下降，保證熱量輸出品質(zhì)；同時(shí)導(dǎo)流設(shè)計(jì)引導(dǎo)傳熱介質(zhì)在儲熱單元內(nèi)部的規(guī)律流徑，更有利于傳熱介質(zhì)的良好換熱效果；儲熱單元的一定儲熱區(qū)之間分別實(shí)施儲熱輸入分級控制和換熱輸出分級控制，且還可以實(shí)施不同溫度等級的儲熱輸入和換熱輸出控制，可以大大提高儲入和換出熱量的更加高品位。單元組合式結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要靈活配置，方便可靠成本低。該固體儲熱裝置總體成本低、導(dǎo)熱好、熱容大，可應(yīng)用于各種儲熱應(yīng)用，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。
下面參照附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，附圖中圖I是本發(fā)明固體儲熱裝置實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的儲熱單元的分層控制單元；
圖3是本發(fā)明的儲熱單元的不同溫度等級的傳熱控制和換熱控制單元；
圖4是本發(fā)明的第一種儲熱單元結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明的固體儲熱塊結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明的第二種儲熱單元結(jié)構(gòu)示意 圖7是本發(fā)明的儲熱管結(jié)構(gòu)示意 圖8是本發(fā)明第三種儲熱單元實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖9是圖8儲熱單元內(nèi)部的固體儲熱塊結(jié)構(gòu)示意 圖10是本發(fā)明固體儲熱塊的另一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意 圖11是本發(fā)明的儲熱單元的外殼實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖I是本發(fā)明固體儲熱裝置實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖；該固體儲熱裝置由多個(gè)儲熱單元，例如儲熱單元1-1和儲熱單元1-3陣列組成；如圖I所示，陣列的儲熱單元1-1垂直立于地面布置；每個(gè)儲熱單兀1-1包括外殼2、外殼2內(nèi)部布置的固體儲熱介質(zhì)3及外殼2外部布置的保溫層10 ;該固體儲熱介質(zhì)3外表面為傳熱介質(zhì)的換熱界面，固體儲熱介質(zhì)3為致密材料，空隙率小于10% ;最優(yōu)地，固體儲熱介質(zhì)3表面具有密閉層，進(jìn)一步減少傳熱介質(zhì)的滲入。該固體儲熱裝置的外殼2優(yōu)選為一定厚度鋼材，具有抗傳熱介質(zhì)所需的例如2Mpa壓力的能力；外部的保溫層10選擇具有低導(dǎo)熱率的巖棉等材料，進(jìn)行包覆，也可以使用真空技術(shù)對其進(jìn)行保溫，最大限度地降低固體熱裝置的熱量的損失。固體儲熱裝置外部還布置循環(huán)管道接口，多個(gè)儲熱單元串并聯(lián)陣列布置，循環(huán)管道相互串、并聯(lián)，最后會聚于總循環(huán)管道，傳熱介質(zhì)從熱源18，例如太陽能鏡場接收熱量后，一部分沿流經(jīng)方向A直接流經(jīng)換熱裝置或做功裝置19，例如換熱器、汽輪機(jī)，多余傳熱介質(zhì)部分沿流經(jīng)方向B方向流入多個(gè)儲熱單元例如1-1和1-3內(nèi)部的固體儲熱介質(zhì)3的表面，將熱量傳導(dǎo)至固體儲熱介質(zhì)3，完成熱量的輸送后，從另一接口輸送至總循環(huán)管道，沿流經(jīng)方向C完成總體熱量的輸送；當(dāng)熱場18不能持續(xù)直接提供熱量時(shí)，開始啟用儲熱管內(nèi)部的已儲存的熱量，傳熱介質(zhì)沿E方向進(jìn)入儲熱單元例如1-1，完成儲熱后沿流經(jīng)方向D，再經(jīng)過A方向進(jìn)入外部的做功裝置19，持續(xù)地提供熱量的輸入；該傳熱介質(zhì)可以為氣、液、蒸汽或其它相變介質(zhì)。該固體儲熱裝置可以使用于任何熱利用的領(lǐng)域，特別適于大規(guī)模高品位太陽能熱利用的儲熱系統(tǒng)。圖2是本發(fā)明的儲熱單元的分層控制單元；如圖2所示，儲熱單元由多個(gè)不同的儲熱區(qū)陣列組成，特定的儲熱區(qū)實(shí)施不同的分層控制，例如儲熱輸入循環(huán)系統(tǒng)包括儲熱區(qū)4-1，4-2和4-3組成的分層傳熱控制單元；換熱輸出循環(huán)系統(tǒng)包括儲熱區(qū)4-7，4-8和4_9組成分層換熱輸出控制單元，每個(gè)控制單元中的儲熱區(qū)配備一個(gè)控制閥，例如儲熱區(qū)4-1對應(yīng)的控制閥為A，儲熱區(qū)4-9對應(yīng)的控制閥為I ;傳熱循環(huán)系統(tǒng)中，傳熱介質(zhì)從儲熱裝置的頂部，即儲熱空間的4-9開始向下流動(dòng)的過程中對儲熱介質(zhì)輸送熱量，溫度逐漸降低，最后流出儲熱裝置，重新受熱循環(huán)。由于儲熱介質(zhì)導(dǎo)熱較好，儲熱區(qū)4-9部分的儲熱介質(zhì)很快達(dá)到與傳熱介質(zhì)相近的溫度；在此后的換熱過程中，傳熱介質(zhì)在流經(jīng)儲熱區(qū)4-9部分時(shí)，基本沒有放熱降溫，保持原有高溫流到儲熱區(qū)4-8部分，對儲熱區(qū)4-8部分換熱后降溫，繼續(xù)下行。以此類推，自儲熱區(qū)4-9開始，隨著換熱進(jìn)程繼續(xù)，自高溫段4-9開始，逐漸有更多的儲熱介質(zhì)部分被存入高溫?zé)崮?。傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱后，流出儲熱裝置的溫度已經(jīng)降低，為更好的利用熱能品位，對儲熱輸入進(jìn)行分層控制首先分層儲熱輸入控制單元中控制閥C開啟，控制閥B和A閉合；當(dāng)控制閥C對應(yīng)的儲熱區(qū)4-3到達(dá)飽和臨界傳入工作狀態(tài)時(shí)(即當(dāng)儲熱區(qū)4-3出口溫度達(dá)到或略高于允許傳熱介質(zhì)流出最高溫度限度時(shí)，閉合控制閥C，開啟控制閥B,控制閥A仍保持閉合；當(dāng)控制閥B對應(yīng)的儲熱區(qū)4-2到達(dá)飽和臨界傳入工作狀態(tài)時(shí)(即當(dāng)儲熱區(qū)4-2出口溫度達(dá)到或略高于允許傳熱介質(zhì)流出最高溫度限度時(shí))，閉合控制閥B，開啟控制閥A，而控制閥C保持閉合，直到整個(gè)儲熱區(qū)都完成儲熱(即最后的儲熱區(qū)出口溫度達(dá)到或略高于允許傳熱介質(zhì)流出最高溫度限度時(shí))，分層儲熱輸入控制結(jié)束，此時(shí)認(rèn)為熱能儲滿。換熱輸出循環(huán)系統(tǒng)中，換熱介質(zhì)從固體儲熱單元的底部，即儲熱區(qū)4-1開始向上流動(dòng)的過程中對儲熱裝置換熱輸出熱量，溫度逐漸升高，最后流出儲熱裝置，進(jìn)入外部系統(tǒng)冷卻，重新循環(huán)。由于儲熱介質(zhì)導(dǎo)熱較好，換熱介質(zhì)經(jīng)過儲熱區(qū)4-1部分的儲熱介質(zhì)很快達(dá)到儲熱介質(zhì)稍低的溫度；在此后的換熱過程中，傳熱介質(zhì)在流經(jīng)儲熱區(qū)4-1部分時(shí)，基本沒 有吸熱升溫，保持原有溫度流到儲熱區(qū)4-2部分，吸收儲熱區(qū)4-2部分換熱后升溫，繼續(xù)上行。以此類推，自儲熱區(qū)4-1開始，隨著換熱進(jìn)程繼續(xù)，逐漸有更多的換熱介質(zhì)部分被加熱至高溫狀態(tài)。換熱介質(zhì)經(jīng)過換熱后，流出儲熱裝置的溫度很高，為更好的利用熱能品位，對儲熱輸入進(jìn)行分層控制，換熱介質(zhì)經(jīng)過分層換熱輸出控制單元時(shí)開始換熱分層控制，此時(shí)的分層換熱輸出控制單元中控制閥G開啟，控制閥H和I閉合，換熱輸出的熱量經(jīng)過對外做功裝置，例如熱交換器或汽輪機(jī)，冷卻循環(huán)后，冷卻回到儲熱單元的底部；當(dāng)控制閥G對應(yīng)的儲熱區(qū)4-7到達(dá)臨界換出工作狀態(tài)時(shí)(即儲熱區(qū)4-7輸出口儲熱體的溫度與所需傳熱介質(zhì)最低輸出溫度限度相近時(shí))，閉合控制閥G，開啟控制閥H，控制閥I保持閉合；當(dāng)控制閥H對應(yīng)的儲熱區(qū)4-8到達(dá)臨界換出工作狀態(tài)時(shí)(即儲熱區(qū)4-8輸出口的儲熱體溫度與所需傳熱介質(zhì)最低輸出溫度限度相近時(shí))，閉合控制閥H，開啟控制閥I，控制閥G保持閉合，直到整個(gè)儲熱單元內(nèi)的熱量完成熱量輸出(即最高溫度儲熱區(qū)出口的儲熱體溫度與所需傳熱介質(zhì)最低輸出溫度限度相近時(shí))，分層儲熱輸入控制結(jié)束，此時(shí)認(rèn)為熱能取空。如此使用分層儲熱輸入控制系統(tǒng)和換熱儲出控制系統(tǒng)，以獲得高品位的存儲和釋放熱量，提高熱量的高效利用。圖3是本發(fā)明的儲熱單元的不同溫度等級的儲熱輸入控制和換熱輸出控制單元；本實(shí)施例的儲熱單元儲熱輸入系統(tǒng)和換熱輸出系統(tǒng)分別實(shí)施不同溫度等級的儲熱輸入控制和換熱輸出控制。儲熱輸入控制或換熱輸出控制在相同或接近的位置設(shè)計(jì)各自獨(dú)立的出入口或共用一個(gè)出入口。如圖3所示儲熱單元由多個(gè)溫度等級的儲熱區(qū)組成，具體由高溫儲熱區(qū)I、中溫儲熱區(qū)II和低溫儲熱區(qū)III組成，多個(gè)不同溫度梯度的儲熱區(qū)串聯(lián)形成儲熱單元整體；為了描述儲熱裝置內(nèi)的儲熱輸入、換熱輸出運(yùn)行模式的控制，下文主要以高溫儲熱區(qū)I和中溫儲熱區(qū)II進(jìn)行舉例描述，其對應(yīng)的傳熱介質(zhì)或換熱介質(zhì)分別處于高溫度等級I和中溫度等級II，該儲熱輸入控制和換熱輸出控制具有相同的控制閥，相同的控制閥在不同的時(shí)刻分別為輸入控制閥或輸出控制閥。儲熱輸入運(yùn)行模式為高溫度等級I的傳熱介質(zhì)(例如溫度550°C )選擇從最接近I溫度等級的稍低溫儲熱區(qū)位置的傳熱輸入管路入口進(jìn)入，例如從控制閥a輸入，優(yōu)先將其攜帶的熱量儲存為盡可能高溫度狀態(tài)，然后繼續(xù)向下一層儲熱空間層存入低一些溫度的熱量，依此類推，直到到達(dá)允許的最低溫度點(diǎn)后從最近處出口流出；與此同時(shí)，儲熱單元進(jìn)行另一路中溫度等級II的傳熱介質(zhì)(例如溫度350°C)傳入，其傳熱介質(zhì)選擇從最接近II溫度等級的稍低溫儲熱區(qū)位置的傳熱輸入管路入口進(jìn)入，例如從控制閥d輸入，優(yōu)先將其攜帶的熱量
儲存為盡可能高溫度狀態(tài)，然后繼續(xù)向下一層儲熱區(qū)存入低一些溫度的熱量，依此類推，直到到達(dá)允許的最低溫度點(diǎn)后從最近處出口流出；1、II兩種溫度等級的熱傳介質(zhì)經(jīng)過的傳熱輸入管路可以部分重合或各自獨(dú)立。此方式可以使本儲存裝置能夠以最優(yōu)方式同時(shí)接收儲存各種來源各種品位的熱量，具有更加廣泛的適用范圍，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 換熱輸出運(yùn)行模式為高溫度等級I的熱量傳輸換熱介質(zhì)選擇從最接近I溫度等級的稍高溫儲熱區(qū)位置的換熱管路出口流出，例如從控制閥b流出，(溫度高于435°C，應(yīng)用于汽輪機(jī)發(fā)電)，優(yōu)先使用盡可能低溫度狀態(tài)的熱能進(jìn)行預(yù)熱，待此儲熱區(qū)溫度無法滿足輸出溫度條件時(shí)，再繼續(xù)向上一層儲熱區(qū)提取高一些溫度的熱量，例如從控制閥a流出，依此類推，直到到達(dá)所需溫度；與此同時(shí)，儲熱單元進(jìn)行另一路的中溫度等級II的熱量換出，其換熱熱量傳輸介質(zhì)也選擇從最接近中溫度等級II的稍高溫儲熱區(qū)位置的換熱管路出口流出，例如從控制閥e流出(溫度大約200°C，應(yīng)用于工業(yè)蒸汽)，優(yōu)先使用盡可能低溫度狀態(tài)的熱能，待此儲熱區(qū)溫度無法滿足輸出溫度條件時(shí)，再繼續(xù)向上一儲熱空間單元提取高一些溫度的熱量，例如從控制閥d流出，依此類推，直到到達(dá)所需溫度；1、II兩種溫度等級的換熱介質(zhì)經(jīng)過的換熱管路可以部分重合或各自獨(dú)立。此方式可以使本儲熱裝置能夠以最優(yōu)方式同時(shí)提供各種品位的熱量輸出，具有更加廣泛的適用范圍，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
圖4是本發(fā)明的第一種儲熱單元結(jié)構(gòu)示意圖；該儲熱單元I內(nèi)部的固體儲熱區(qū)為圓柱狀，多個(gè)儲熱區(qū)，例如4-1或4-3串聯(lián)組成儲熱單元的儲熱體，且各儲熱區(qū)內(nèi)部和儲熱區(qū)之間布置隔熱層5，該隔熱層為具有低導(dǎo)熱率的絕熱層。該儲熱區(qū)包括陣列布置的固體儲熱塊6和一定數(shù)量固體儲熱塊6間隔布置隔熱層5 ;固體儲熱塊6規(guī)律布置，如圖所示環(huán)形陣列布置，各固體儲熱塊6之間的間隙為傳熱介質(zhì)的流通通道，而隔熱層5將儲熱區(qū)分開，以形成固體儲熱單元I的不同區(qū)域上的顯著溫度梯度，良好地保證了儲熱單元內(nèi)部的儲存和輸出的熱量高品位，同時(shí)隔熱層5具有傳熱介質(zhì)導(dǎo)流層的功能，將傳熱介質(zhì)經(jīng)過陣列布置的固體儲熱塊6之間間隙，在隔熱層5的引導(dǎo)下，有規(guī)律地完成熱量的傳輸，例如隔熱層5將傳熱介質(zhì)先從儲熱區(qū)的中間位置引流至下一層的儲熱區(qū)的邊緣，再至更下一層儲熱區(qū)的中間位置，如此將傳熱介質(zhì)以最大接觸面與固體儲熱介質(zhì)進(jìn)行熱量的傳送。優(yōu)選地，該隔熱層5具有承壓能力，進(jìn)一步提聞儲熱單兀I的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。固體儲熱介質(zhì)的材質(zhì)為聞密度、聞比熱容材質(zhì)，例如為耐火磚、巖石、陶瓷、玻璃、石墨、金屬、混凝土或鎂炭磚等其中一種或至少兩種的混合物；固體儲熱介質(zhì)結(jié)構(gòu)為陣列的扇形固體儲熱塊6，且該固體儲熱塊整體致密，具有較小的孔隙率，例如孔隙率小于體積的10% ;優(yōu)選地，固體儲熱塊6表面設(shè)置有封閉層，進(jìn)一步降低傳熱介質(zhì)長期運(yùn)行對固體儲熱塊6的浸入吸收及破壞。優(yōu)選地，所述封閉層為陶瓷釉、玻璃釉、金屬層、石墨層等；該固體儲熱單元的外部具有保溫材料，或同真空技術(shù)對其進(jìn)行保溫處理。圖5是本發(fā)明的固體儲熱塊結(jié)構(gòu)示意圖；固體儲熱塊6具有自支撐強(qiáng)度，采用熔融金屬將小尺寸的固體儲熱介質(zhì)材料或其混合物澆鑄，冷凝固化成整體而成；如圖5所示，該固體儲熱塊6包括多種形狀或尺寸的材質(zhì)，各材質(zhì)之間最優(yōu)布置金屬層20，經(jīng)過熔融金屬將多種材質(zhì)的儲熱塊粘結(jié)一起，冷凝固化后形成固體儲熱塊6整體，使用該方法可以獲得所需尺寸較大和特定形狀的固體儲熱塊，優(yōu)選地，構(gòu)成固體儲熱介質(zhì)的填充材料內(nèi)混合布置有導(dǎo)熱增強(qiáng)材料，如金屬絲、金屬片、石墨、金屬礦渣等，以提高材料內(nèi)部的導(dǎo)熱能力。有些情況下，儲熱介質(zhì)材料本身就同時(shí)具備致密、穩(wěn)定、導(dǎo)熱率高、比熱容大、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可直接使用此種材料構(gòu)成儲熱塊，例如一些金屬、石墨、耐火磚(如碳磚、鎂碳磚、鋁鎂碳磚等)、玻璃、陶瓷等。為了提高固體儲熱介質(zhì)與傳熱介質(zhì)的熱交換表面積，在固體儲熱塊6形成過程中設(shè)置翅片或溝槽。另外，固體儲熱塊6表面設(shè)置有封閉層7，降低固體儲熱塊6受傳熱介質(zhì)的浸濕滲透，引起的結(jié)構(gòu)破壞。該封閉層7優(yōu)選為陶瓷釉、玻璃釉、金屬層、石墨層等。圖6是本發(fā)明的第二種儲熱單元結(jié)構(gòu)示意圖；如圖6所示，該儲熱單元I包括多個(gè)串聯(lián)的儲熱區(qū)例如4-1和4-3，且各儲熱區(qū)之間布置隔熱層；該儲熱區(qū)例如4-1包括多個(gè)規(guī) 律布置的固體儲熱塊，該固體儲熱塊為圓柱管塊體，外部為密封外殼，內(nèi)部布置有顆粒狀固體儲熱介質(zhì)材料，形成具有固定形狀及自支撐能力的固體儲熱塊；該密封外殼為金屬材料，如金屬盒、金屬管、金屬空心球或金屬殼；圖6示意的該固體儲熱塊為儲熱管8，該儲熱管8兩端密封；該儲熱管8為直管，高度為該儲熱區(qū)4-1的軸向長度，多個(gè)儲熱管8緊密規(guī)律布置于儲熱區(qū)4-1內(nèi)，各儲熱管緊密布置，之間的空隙為傳熱介質(zhì)的通道。圖7是本發(fā)明的儲熱管結(jié)構(gòu)示意圖；如圖7所示，該儲熱管8包括密封外殼9和密封外殼9內(nèi)填充的固體儲熱介質(zhì)材料；該固體儲熱介質(zhì)材料密實(shí)堆積于密封外殼9內(nèi)部；為進(jìn)一步提高固體儲熱介質(zhì)材料在密封外殼9內(nèi)部的徑向上的導(dǎo)熱能力，優(yōu)選在密封外殼9間隔布置金屬翅片。儲熱管8中支撐管可為金屬管、玻璃管或波紋管；固體儲熱介質(zhì)材料的材質(zhì)為重?zé)V砂、黃砂、煤炭或石墨等，優(yōu)選為煤炭，煤炭的堆積密度2400kg/m3，比熱容大約 2. 2KJ/kgK。圖8是本實(shí)用新型第三種儲熱單元實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)示意圖；如圖8所示儲熱單元I具有一定的傾斜角，整體成線性，與地面成一定小角度傾斜(該小角度亦可以為零，即設(shè)置成完全水平布置)，儲熱單元包括外殼、外殼內(nèi)部布置的固體儲熱介質(zhì)，外殼外部的保溫層；該儲熱單元內(nèi)部由多個(gè)相互連接的儲熱區(qū)例如4-1和4-3組成，儲熱區(qū)之間布置隔熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該隔熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為相鄰儲熱區(qū)之間的空隙15，在另一種情況下，隔熱設(shè)計(jì)也可以為相鄰儲熱區(qū)間布置的層狀隔熱材料。該固體儲熱介質(zhì)包括由多塊密實(shí)結(jié)構(gòu)的固體儲熱塊6(例如耐火材料鎂碳磚)堆砌布置而成，固體儲熱塊6的外表面為傳熱介質(zhì)的換熱界面，每塊固體儲熱塊6表面具有一定形狀的凹槽，各塊相互彼此緊密堆砌，構(gòu)成可以流通的導(dǎo)流槽；各固體儲熱介質(zhì)具有良好的致密性，具有很小的空隙率，最優(yōu)小于10% ;進(jìn)一步優(yōu)化的各固體儲熱介質(zhì)表面具有密封層，進(jìn)一步減少自身因空隙率帶來的傳熱介質(zhì)的滲透現(xiàn)象。該儲熱單元整體細(xì)長，例如600m，在軸向方向上尺寸很大，同時(shí)由于軸向上的隔熱設(shè)計(jì)，軸向傳熱速度低，具有良好的斜溫層結(jié)構(gòu)布局，可以輕松獲得高品位熱源的存儲、輸入和輸出；位置高端為高溫傳熱介質(zhì)儲熱輸入端和換熱輸出端，位置低端為低溫傳熱介質(zhì)完成儲熱的輸出端和進(jìn)行換熱輸入端口。多個(gè)該種儲熱單元陣列布置，整體水平布置，構(gòu)成水平布置的固體儲熱裝置整體。
圖9是圖8儲熱單元內(nèi)部的固體儲熱塊結(jié)構(gòu)示意圖；如圖9所示，單個(gè)固體儲熱塊6表面設(shè)置有傳熱介質(zhì)導(dǎo)流用的導(dǎo)流槽，該導(dǎo)熱槽與之相鄰緊密布置的固體儲熱塊6背部形成橫截面密閉的導(dǎo)流通道密實(shí)結(jié)構(gòu)的固體儲熱塊6緊貼布置而成；該導(dǎo)熱通道較傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱管道具有明顯優(yōu)勢，固體儲熱塊6表面可以布置多個(gè)導(dǎo)熱通道，可以獲得小的橫截面積和大的換熱表面積，且減少金屬導(dǎo)熱管道的制作成本，且換熱介質(zhì)能直接與固體儲熱介質(zhì)直接接觸，具有高效換熱效率，整體具有很好的換熱系數(shù)、較大的換熱表面，具有巨大的換熱功率；固體儲熱塊6優(yōu)選為鎂炭磚，堆積密度3000kg/m3，比熱容大約I. lKJ/kgK，且具有良好的導(dǎo)熱率，并且空隙率很低，性質(zhì)穩(wěn)定，是優(yōu)良的固體儲熱材料。上述具有導(dǎo)流槽的固體儲熱塊6緊密堆砌的儲熱單元實(shí)施例該儲熱單元軸向長200m，直徑I. 5m，水平布置于地面上，整體成臥式固體儲熱裝置，外殼的外徑1560mm，壁厚30mm,固體儲熱塊6為鎂炭磚，整個(gè)儲熱裝置內(nèi)部布置500個(gè)貫通的孔；相鄰緊壓對齊布置的導(dǎo)流槽形成密閉的橫截面，該橫截面面積51. 6mm2，周長為34. 2mm ;該儲熱裝置儲熱利用其顯熱，使用溫度差為150°C，大約可以儲熱40MWh的動(dòng)態(tài)熱量，假定每個(gè)孔內(nèi)的傳熱介質(zhì) 為導(dǎo)熱油，且導(dǎo)熱油中間狀態(tài)為I. 5MPa, 295°C，輸入輸出溫度差200°C(由395°C至195°C )，單孔內(nèi)部的流速O. 8m/s，則輸入功率大于為8麗t;經(jīng)計(jì)算，管內(nèi)的換熱系數(shù)大約可達(dá)到555W/ m2 k ;管內(nèi)流體與管壁溫差假定平均溫差為5k，則總的換熱功率約為為9. 7MWt，可滿足要求；具有良好的儲熱和換熱性能。圖10是本發(fā)明固體儲熱塊的另一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，如圖10所示，固體儲熱塊6表面具有斜平行槽，兩個(gè)相互重疊布置的固體儲熱塊6其表面的導(dǎo)流槽非平行疊合布置，導(dǎo)流槽與之相接觸的固體儲熱塊6非導(dǎo)槽部分形成截面密閉的導(dǎo)流槽，與之相互接觸的固體儲熱塊6導(dǎo)流槽相互接觸，完成傳熱介質(zhì)的再次內(nèi)部紊流接觸，利于傳熱介質(zhì)的換熱系數(shù)的提高，整體換熱功率優(yōu)良。圖11是本發(fā)明的儲熱單元的外殼實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；上文描述的儲熱單元外殼需承壓例如2. 5MPa，耐溫例如400°C (內(nèi)部流經(jīng)的傳熱介質(zhì)為2. 5MPa，395°C )，外殼都設(shè)計(jì)成統(tǒng)一的傳統(tǒng)管道，例如直徑820mm,厚度為15mm ;且該外殼2為鋼質(zhì)材料,具有良好的導(dǎo)熱系數(shù)，該外殼2接收流體的熱量，因本身厚度較厚，具有較低的熱阻和良好的傳熱性能，能將入口接收的熱量，沿殼壁快速地傳至外殼2的出口端，加熱出口端傳熱介質(zhì)，從而使儲熱單元低溫區(qū)的溫度上升，破壞儲熱裝置設(shè)計(jì)的斜溫層結(jié)構(gòu)；因此需要降低金屬外殼2的壁厚，減少通過儲熱外殼2傳遞至低溫區(qū)的儲熱介質(zhì)，如圖11所示，金屬外殼2采用較薄的外殼2，例如厚度為8_，金屬外殼的外壁一定間隔位置布置有外部加強(qiáng)法蘭12，該加強(qiáng)法蘭12截面為倒“T”型；且每個(gè)加強(qiáng)法蘭12與金屬外殼2的連接處布置具有低導(dǎo)熱率材質(zhì)的隔熱層13，例如環(huán)形耐壓硅酸鈣板；金屬外殼2壁厚的降低和隔熱層結(jié)構(gòu)13的布置增大了向低溫區(qū)擴(kuò)散熱量的熱阻，進(jìn)一步保證的斜溫層的穩(wěn)定性，且降低金屬外殼2的加工成本。本發(fā)明的固體儲熱介質(zhì)不具有流動(dòng)性，儲熱利用固體狀態(tài)儲熱，運(yùn)行安全；固體儲熱介質(zhì)按一定規(guī)律堆砌，部分或全部表面直接與傳熱介質(zhì)接觸換熱，不需要增加管路過渡，具有巨大的換熱界面面積、并接觸良好，可方便高速的完成熱量的輸入或輸出，大量增強(qiáng)了固體儲熱介質(zhì)與傳熱介質(zhì)之間的傳熱速度(即傳熱功率)，使儲熱裝置具有良好的整體換熱
性能；同時(shí)，由于流道截面積大，傳熱介質(zhì)流動(dòng)阻力小，壓降損失小，可降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。固體儲熱塊具有的致密材質(zhì)或表面封閉層設(shè)計(jì)或封閉層外殼設(shè)計(jì)使其對熱傳介質(zhì)吸收較
少，成本低，并且材料壽命更長。儲熱單元內(nèi)部的儲熱介質(zhì)導(dǎo)熱率較高，在徑向或?qū)挾确较騻鳠彷^快，可高功率吸熱和放熱，能盡量以最接近原溫度品位的方式儲存和提取熱量；在軸向或長度方向上，由于尺寸大或存在隔熱設(shè)計(jì)，傳熱速度較慢，可長期保持一定的溫度梯度，有利于盡量避免高品位(溫度)熱源由于高低溫區(qū)域的均溫趨勢造成品位(溫度)下降，保證熱量輸出品質(zhì)；同時(shí)導(dǎo)流設(shè)計(jì)引導(dǎo)傳熱介質(zhì)在儲熱單元內(nèi)部的規(guī)律流徑，更有利于傳熱介質(zhì)的良好換熱效果；儲熱單元的一定儲熱區(qū)之間分別實(shí)施儲熱輸入分級控制和換熱輸出分級控制，且還可以實(shí)施不同溫度等級的儲熱輸入和換熱輸出控制，可以大大提高儲入和換出熱量的更加高品位。單元組合式結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要靈活配置，方便可靠成本低。該固體儲熱裝置總體成本低、導(dǎo)熱好、熱容大，可應(yīng)用于各種儲熱應(yīng)用，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。顯而易見，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的前提下，在此描述的本發(fā)明可以 有許多變化。因此，所有對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的改變，都應(yīng)包括在本權(quán)利要求書所涵蓋的范圍之內(nèi)。本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍僅由所述的權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱裝置由至少一個(gè)儲熱單元串聯(lián)和/或并聯(lián)組合而成；該儲熱單元包括外殼、外殼內(nèi)部布置的固體儲熱介質(zhì)及外部的保溫層；以固 體儲熱介質(zhì)的外表面為換熱界面，與傳熱介質(zhì)直接接觸發(fā)生換熱；所述儲熱單元內(nèi)部儲熱介質(zhì)沿長度軸向方向上設(shè)置為斜溫層布局結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述儲熱單元包括多個(gè)串聯(lián)的儲熱區(qū)之間設(shè)置隔熱層形成斜溫層結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述隔熱層為儲熱區(qū)之間的間隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱介質(zhì)的材質(zhì)為耐火磚、巖石、陶瓷、玻璃、石墨、煤炭、土狀石墨、金屬、礦石、礦渣、混凝土等其中一種或 至少兩種的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱塊為炭磚或鎂炭磚。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱介質(zhì)結(jié)構(gòu)為固體儲熱塊，其材質(zhì)致密，具有小于10%空隙率。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱塊表面具有作為換熱界面的導(dǎo)流槽和/或翅片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述多個(gè)固體儲熱塊表面之間具有相互交叉的換熱導(dǎo)流槽和/或翅片。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱塊采用熔融金屬將固體儲熱介質(zhì)材料或其混合物澆鑄，冷凝固化成整體而成。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述固體儲熱塊包括封閉外殼及填充于封閉外殼內(nèi)部的固體儲熱介質(zhì)材料，整體具有固定形狀及自支撐能力。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述封閉外殼為金屬材料，如金屬盒、金屬管、金屬空心球、金屬殼等。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述儲熱單元在特定儲熱區(qū)進(jìn)行儲熱輸入或換熱輸出分級控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述儲熱單元實(shí)施不同溫度等級的多層分級控制。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述儲熱單元的外殼為相對薄壁金屬管，且通過外部加強(qiáng)法蘭增強(qiáng)耐壓能力。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述加強(qiáng)法蘭與外殼外壁間布置緊密接觸的隔熱層。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述儲熱單元垂直布置。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的固體儲熱裝置，其特征在于，所述儲熱單元水平或具有一定傾斜角度地相對水平布置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固體儲熱裝置，該固體儲熱裝置由至少一個(gè)儲熱單元串和/或并聯(lián)組合而成；該儲熱單元包括外殼、外殼內(nèi)部布置的固體儲熱介質(zhì)及外殼外部的保溫層；以固體儲熱介質(zhì)的外表面為換熱界面；所述儲熱單元內(nèi)部規(guī)律布置隔熱層，沿軸向上具有斜溫層，具有分層控制系統(tǒng)，保證熱量的高品位儲存和輸出。該陣列的儲熱單元可以垂直布置，也可以具有一定的傾斜角地水平布置。本發(fā)明的固體儲熱介質(zhì)利用固體顯熱性能儲熱，運(yùn)行安全，加工簡單，成本低廉；固體儲熱介質(zhì)表面具有良好的換熱效率、優(yōu)良的儲熱性能，可應(yīng)用于各種儲熱應(yīng)用，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。
文檔編號F24J2/34GK102818468SQ20111015641
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月12日
發(fā)明者劉陽 申請人:北京兆陽能源技術(shù)有限公司