專利名稱：熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能吸熱儲能利用技術(shù)，特別涉及一種熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法及裝置。
背景技術(shù)：
太陽能的開發(fā)利用已成為當今社會能源戰(zhàn)略的重要組成部分。在制約太陽能開發(fā)的諸多因素中，低溫利用模式導致的效率偏低是太陽能熱電市場競爭力較弱的關(guān)鍵之所在，提高太陽能熱利用的溫度，研發(fā)太陽能熱電站是大規(guī)模利用太陽能的主要途徑之一。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中高輻射密度熱流轉(zhuǎn)換、輸運與儲存回路主要由吸熱器、蒸汽發(fā)生器和蓄熱器等構(gòu)成，因此強化熱能器件能量轉(zhuǎn)換效率和存儲密度成為太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一。
目前熔融鹽雙罐蓄熱方式已成為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中蓄熱技術(shù)的主要型式，但是要制造兩個蓄熱罐、熔融鹽使用量大、高溫維持等因素導致單位造價與運行維護成本相對比較高，降低其電力成本的空間非常有限；另一個比較有潛力的方式就是采用斜溫層單罐蓄熱，用熔融鹽斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)代替較通用的熔融鹽雙罐蓄熱系統(tǒng)，可以大幅度降低成本，但該系統(tǒng)的單位體積有效蓄熱容量有所降低，熔融鹽液的注入和出料結(jié)構(gòu)，即擴散器與集液器要求比較高，以盡可能減少湍流，單罐上、下端各有獨立的擴散器與集液器，組成兩個流程，分別供放熱與蓄熱工作狀態(tài)使用，擴散器常采用多個徑向分布的圓管擴散器，集液器為采用有3至5個接口的集液管，結(jié)構(gòu)比較復雜，且進出口效應會產(chǎn)生一定擾動；同時在多孔介質(zhì)填料中每隔一定距離左右需配置不銹鋼網(wǎng)作為成層元件，使得斜溫層單罐軸向是一維層流運動，保障罐內(nèi)斜溫層更好地維持，但不銹鋼網(wǎng)作為成層元件，其導熱率小，單位體積有效蓄熱容量低，不能作為蓄熱材料使用，不具有明顯的蓄熱效果；并且對多孔介質(zhì)填料要求不僅有良好的化學穩(wěn)定性，還要有良好的物理穩(wěn)定性，以免形成碎屑堵塞各種通道。
為了降低太陽能熱發(fā)電的發(fā)電成本，提高發(fā)電的有效性與年利用率，這就需要一種單位有效蓄熱容量更大、長期穩(wěn)定、制造成本與運行維護成本更低的中高溫蓄熱方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的熔融鹽蓄熱系統(tǒng)存在的缺點(雙罐熔融鹽系統(tǒng)制造成本及運行維護相對較高；熔融鹽斜溫層單罐系統(tǒng)有兩套注入和出料結(jié)構(gòu)，比較復雜，安裝難度大且占用罐內(nèi)空間，不銹鋼網(wǎng)作為成層設(shè)備導熱率小，單位體積有效蓄熱容量較低)，研究設(shè)計一種既能滿足太陽能熱發(fā)電對蓄熱技術(shù)的要求，又能顯著降低制造成本，提高單位體積有效蓄熱容量的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述裝置實現(xiàn)的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，包括熔融鹽液的注入部件、出料部件、多孔介質(zhì)填料段，其特征在于所述注入部件及出料部件為高溫殼管式相變換熱器或低溫殼管式相變換熱器；所述多孔介質(zhì)填料段設(shè)置泡沫碳化硅陶瓷片，所述泡沫碳化硅陶瓷片既作為分隔成層件，又作為固態(tài)介質(zhì)的顯熱蓄熱組件。
本裝置為單罐結(jié)構(gòu)形式，罐體直徑與高度等結(jié)構(gòu)尺寸取決于蓄熱溫度與蓄熱容量。罐體底部及頂部均可采用橢圓封頭，頂部橢圓封頭上安裝有安全閥，罐體與罐蓋可采用法蘭連接。高溫殼管式相變換熱器及低溫殼管式相變換熱器在罐體內(nèi)采用間隙安裝。所述罐體外纏繞伴隨加熱絲，供啟動時維持熔融鹽處于液態(tài)、加熱多孔介質(zhì)與罐體以及平衡熱損等，在罐體最外面包裹玻璃纖維隔熱層，隔熱層的厚度選擇取決于蓄熱溫度與對熱損的要求。
所述高、低溫殼管式相變換熱器的筒形外殼均采用不銹鋼材料，管束采用不銹鋼管，在外殼內(nèi)均布，兩端端蓋采用不銹鋼板，其中一端蓋上焊接有充裝相變蓄熱材料接口，充裝相變蓄熱材料接口側(cè)面還有抽真空的連接管。高、低溫相變換熱器的主要結(jié)構(gòu)區(qū)別只是管束與外形的高度尺寸不同。
所述高溫殼管式相變換熱器管側(cè)流過熔融鹽液，殼側(cè)灌裝高溫熔融鹽相變材料。根據(jù)應用場合上限工作溫度來選擇合適熔點的高溫熔融鹽相變材料。該換熱器替代簡化了熔融鹽液的注入和出料結(jié)構(gòu)，并增加了蓄熱容量。
所述低溫殼管式相變換熱器管側(cè)流過熔融鹽液，殼側(cè)灌裝低溫熔融鹽相變材料。根據(jù)應用場合下限工作溫度來選擇合適熔點的低溫熔融鹽相變材料。該換熱器也替代簡化了熔融鹽液的注入和出料結(jié)構(gòu)，并增加了蓄熱容量。
所述多孔介質(zhì)填料段即為斜溫層顯熱蓄熱段，在多孔介質(zhì)填料段內(nèi)按一定間隔均勻設(shè)置泡沫碳化硅陶瓷片；所述間隔可為100～150mm。所述泡沫碳化硅陶瓷片既代替不銹鋼網(wǎng)作為成層元件，又可作為蓄熱體使用，具有明顯的蓄熱效果。
所述泡沫碳化硅陶瓷片之間填充石英巖與硅質(zhì)沙混合多孔介質(zhì)，作為主要固態(tài)多孔介質(zhì)的顯熱蓄熱材料。
一種利用上述裝置實現(xiàn)的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，其特征在于包括下述步驟(1)在裝置內(nèi)形成斜溫層具體是當高溫熔融鹽液在裝置的頂部進出口被抽出，經(jīng)過換熱冷卻后，由裝置的底部進出口進入裝置時；或者當?shù)蜏厝廴邴}液在裝置的底部進出口被抽出，經(jīng)過加熱后，由裝置的頂部進出口進入裝置時，即在裝置的中間存在一個溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層。
(2)在放熱過程開始時，裝置內(nèi)充滿高溫熔融鹽液，將該高溫熔融鹽液經(jīng)高溫相變殼管式換熱器從裝置的頂部進出口抽出，放熱后從裝置的底部進出口經(jīng)低溫相變殼管式換熱器進入裝置內(nèi)，剛開始放熱一段時間內(nèi)，斜溫層保持不動，一段時間后，斜溫層開始穩(wěn)定上移，隨著斜溫層不斷上移并接近高溫相變殼管式換熱器時，在較短的時間內(nèi)，出口端的溫度明顯地下降到高溫相變材料的熔點以下，然后依靠高溫相變換熱，在一段較長的時間內(nèi)維持溫度不變，最后相變換熱基本結(jié)束，在很短時間段內(nèi)出口端溫度顯著下降。
(3)在蓄熱過程開始時，裝置內(nèi)充滿低溫熔融鹽液，將該低溫熔融鹽液經(jīng)低溫相變殼管式換熱器從裝置的底部進出口抽出，加熱成高溫熔融鹽液后從裝置的頂部進出口進入裝置內(nèi)，剛開始蓄熱一段時間內(nèi)，斜溫層保持不動，經(jīng)過一段時間后，斜溫層開始穩(wěn)定下移，當斜溫層不斷下移并接近低溫相變殼管式換熱器時，在較短的時間內(nèi)，出口端的溫度明顯地升到低溫相變材料的熔點以上，然后依靠低溫相變換熱，在一段較長的時間內(nèi)維持溫度不變，最后相變換熱基本結(jié)束，在很短時間內(nèi)出口端溫度顯著上升。
在所述放熱過程及蓄熱過程，在斜溫層顯熱蓄熱段內(nèi)設(shè)置泡沫碳化硅陶瓷片代替不銹鋼網(wǎng)作為成層元件并進行輔助放熱或蓄熱。
所述泡沫碳化硅陶瓷片在斜溫層顯熱蓄熱段內(nèi)每隔一段距離均勻設(shè)置。
本發(fā)明的作用原理是本發(fā)明所涉及的斜溫層是利用密度與溫度冷熱之間的關(guān)系形成，是在裝置的中間存在的一個溫度梯度很大的自然分層，它類似隔離層一樣，使得斜溫層以上熔融鹽液保持高溫，斜溫層以下熔融鹽液保持低溫，隨著熔融鹽液的不斷抽出，斜溫層會上下移動，抽出的熔融鹽液能夠保持相對恒溫，當斜溫層到達罐的頂部或底部時，抽出的熔融鹽液的溫度會發(fā)生顯著變化。為了維持罐內(nèi)的斜溫層，就必須嚴格控制鹽液的注入和出料過程，在罐內(nèi)填充合理孔隙率的多孔蓄熱材料以及配置最佳結(jié)構(gòu)的成層元件。
本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點及有益效果(1)單位體積的有效蓄熱容量大。由于采用了高、低溫殼管式相變換熱器中的相變蓄熱，較大幅度提高了蓄熱容量。
(2)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，使用方便。采用了高、低溫殼管式相變換熱器充當擴散器與集液器結(jié)構(gòu)，保障了流體的均勻化流動，與原有斜溫層蓄熱單罐系統(tǒng)相比，熔融鹽液的注入和出料結(jié)構(gòu)相對簡單實用；采用泡沫碳化硅陶瓷片代替不銹鋼網(wǎng)作為成層元件，由于泡沫碳化硅陶瓷為三維連通孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有高導熱率、良好的熱和化學穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學性能等特點，既強化蓄熱系統(tǒng)的傳熱性能，又可作為多孔蓄熱材料。
(3)制造成本低。單罐蓄熱系統(tǒng)與雙罐蓄熱系統(tǒng)相比，制造成本降低。同時采用生產(chǎn)成本低的泡沫碳化硅陶瓷片，既可以儲存顯熱，也可減少熔融鹽用量。
(4)工作溫度范圍廣。根據(jù)實際應用場合的工作溫度選擇高、低溫熔融鹽相變材料的熔點。而中間段斜溫層在放熱與蓄熱過程運行中能保持穩(wěn)定移動，進、出口溫度保持相對理想的溫差，具有較好的蓄熱效果。


圖1是本發(fā)明熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所示裝置中的斜溫層顯熱蓄熱段泡沫碳化硅陶瓷片分隔示意圖。
圖3是圖1所示裝置中高、低溫殼管式相變換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是圖1所示裝置的蓄熱原理示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示，由圖1可見，本熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置為單罐結(jié)構(gòu)形式，罐體7的直徑與高度等結(jié)構(gòu)尺寸主要取決于蓄熱溫度與蓄熱容量。罐體7底部及頂部均采用橢圓封頭，頂部橢圓封頭上安裝有安全閥9，罐體7與罐蓋10采用法蘭連接；在罐體7內(nèi)采用間隙安裝設(shè)置有高溫殼管式相變換熱器1及低溫殼管式相變換熱器3，所述高溫殼管式相變換熱器1設(shè)置在罐體7上部，所述低溫殼管式相變換熱器3設(shè)置在罐體7下部，所述高、低溫殼管式相變換熱器1、3的筒形外殼均采用不銹鋼材料，管束11采用不銹鋼管，在外殼內(nèi)均布(見圖3)，兩端端蓋采用不銹鋼板，其中一端蓋上焊接有充裝相變蓄熱材料接口12，充裝相變蓄熱材料接口側(cè)面還有抽真空的連接管(圖中未示出)；高、低溫相變換熱器的主要結(jié)構(gòu)區(qū)別只是管束與外形的高度尺寸不同。所述罐體的中段為斜溫層顯熱蓄熱段2，在此段設(shè)置有泡沫碳化硅陶瓷片5，所述泡沫碳化硅陶瓷片5在斜溫層顯熱蓄熱段2內(nèi)按間隔100～150mm均勻設(shè)置，在泡沫碳化硅陶瓷片5之間填充石英巖與硅質(zhì)沙混合多孔介質(zhì)，作為主要固態(tài)多孔介質(zhì)的顯熱蓄熱材料，具體如圖2所示。所述罐體7外纏繞伴隨加熱絲，供啟動時維持熔融鹽處于液態(tài)、加熱多孔介質(zhì)與罐體以及平衡熱損等，在罐體7最外面包裹玻璃纖維隔熱層，隔熱層的厚度選擇取決于蓄熱溫度與對熱損的要求。
利用上述裝置實現(xiàn)的本發(fā)明熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，包括下述步驟(見圖4)(1)在裝置內(nèi)形成斜溫層具體是當高溫熔融鹽液在裝置的頂部進出口8被抽出，經(jīng)過換熱冷卻后，由裝置的底部進出口4進入裝置時；或者當?shù)蜏厝廴邴}液在裝置的底部進出口4被抽出，經(jīng)過加熱后，由裝置的頂部進出口8進入裝置時，即在裝置的中間存在一個溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層6。
(2)在放熱過程開始時，裝置內(nèi)充滿高溫熔融鹽液，將該高溫熔融鹽液經(jīng)高溫相變殼管式換熱器1(所述高溫殼管式相變換熱器管側(cè)流過熔融鹽液，殼側(cè)灌裝高溫熔融鹽相變材料；根據(jù)應用場合上限工作溫度來選擇合適熔點的高溫熔融鹽相變材料)從裝置的頂部進出口8抽出，放熱后從裝置的底部進出口4經(jīng)低溫相變殼管式換熱器3(所述低溫殼管式相變換熱器管側(cè)流過熔融鹽液，殼側(cè)灌裝低溫熔融鹽相變材料；根據(jù)應用場合下限工作溫度來選擇合適熔點的低溫熔融鹽相變材料)進入裝置內(nèi)，剛開始放熱一段時間內(nèi)，斜溫層6保持不動，一段時間后，斜溫層6開始穩(wěn)定上移，隨著斜溫層6不斷上移并接近高溫相變殼管式換熱器1時，在較短的時間內(nèi)，出口端的溫度明顯地下降到高溫相變材料的熔點以下，然后依靠高溫相變換熱，在一段較長的時間內(nèi)維持溫度不變(在此過程，在斜溫層顯熱蓄熱段內(nèi)設(shè)置的泡沫碳化硅陶瓷片平衡并保障流經(jīng)熔融鹽液的一維溫度分布，以及進行輔助放熱)，最后相變換熱基本結(jié)束，在很短時間段內(nèi)出口端溫度顯著下降。
(3)在蓄熱過程開始時，裝置內(nèi)充滿低溫熔融鹽液，將該低溫熔融鹽液經(jīng)低溫相變殼管式換熱器3從裝置的底部進出口4抽出，加熱成高溫熔融鹽液后從裝置的頂部進出口8進入裝置內(nèi)，剛開始蓄熱一段時間內(nèi)，斜溫層6保持不動，經(jīng)過一段時間后，斜溫層6開始穩(wěn)定下移，當斜溫層6不斷下移并接近低溫相變殼管式換熱器3時，在較短的時間內(nèi)，出口端的溫度明顯地升到低溫相變材料的熔點以上，然后依靠低溫相變換熱，在一段較長的時間內(nèi)維持溫度不變(在此過程，在斜溫層顯熱蓄熱段內(nèi)設(shè)置的泡沫碳化硅陶瓷片平衡并保障流經(jīng)熔融鹽液的一維溫度分布，以及進行輔助蓄熱)，最后相變換熱基本結(jié)束，在很短時間內(nèi)出口端溫度顯著上升。
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，包括熔融鹽液的注入部件、出料部件、多孔介質(zhì)填料段，其特征在于所述注入部件及出料部件為高溫殼管式相變換熱器或低溫殼管式相變換熱器；所述多孔介質(zhì)填料段設(shè)置泡沫碳化硅陶瓷片作為分隔成層件及顯熱蓄熱組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，其特征在于所述泡沫碳化硅陶瓷片按一定間隔均勻設(shè)置在多孔介質(zhì)填料段，在泡沫碳化硅陶瓷片之間填充石英巖與硅質(zhì)沙混合多孔介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，其特征在于所述間隔為100～150mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，其特征在于為單罐結(jié)構(gòu)形式，高溫殼管式相變換熱器及低溫殼管式相變換熱器采用間隙安裝在罐體內(nèi)；所述罐體外纏繞伴隨加熱絲，在罐體最外面包裹玻璃纖維隔熱層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，其特征在于所述高溫殼管式相變換熱器及低溫殼管式相變換熱器在其殼體內(nèi)均布不銹鋼管束，所述高溫殼管式相變換熱器及低溫殼管式相變換熱器兩端端蓋采用不銹鋼板，其中一端蓋上焊接有充裝相變蓄熱材料接口，充裝相變蓄熱材料接口側(cè)面還有抽真空的連接管。
6.一種利用權(quán)利要求1～5任一項所述的裝置實現(xiàn)的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，其特征在于包括下述步驟(1)在裝置內(nèi)形成斜溫層；(2)在放熱過程開始時，裝置內(nèi)充滿高溫熔融鹽液，將該高溫熔融鹽液經(jīng)高溫相變殼管式換熱器從裝置的頂部進出口抽出，放熱后從裝置的底部進出口經(jīng)低溫相變殼管式換熱器進入裝置內(nèi)，剛開始放熱一段時間內(nèi)，斜溫層保持不動，一段時間后，斜溫層開始穩(wěn)定上移，隨著斜溫層不斷上移并接近高溫相變殼管式換熱器時，在較短的時間內(nèi)，出口端的溫度明顯地下降到高溫相變材料的熔點以下，然后依靠高溫相變換熱，在一段較長的時間內(nèi)維持溫度不變，最后相變換熱基本結(jié)束，在很短時間段內(nèi)出口端溫度顯著下降；(3)在蓄熱過程開始時，裝置內(nèi)充滿低溫熔融鹽液，將該低溫熔融鹽液經(jīng)低溫相變殼管式換熱器從裝置的底部進出口抽出，加熱成高溫熔融鹽液后從裝置的頂部進出口進入裝置內(nèi)，剛開始蓄熱一段時間內(nèi)，斜溫層保持不動，經(jīng)過一段時間后，斜溫層開始穩(wěn)定下移，當斜溫層不斷下移并接近低溫相變殼管式換熱器時，在較短的時間內(nèi)，出口端的溫度明顯地升到低溫相變材料的熔點以上，然后依靠低溫相變換熱，在一段較長的時間內(nèi)維持溫度不變，最后相變換熱基本結(jié)束，在很短時間內(nèi)出口端溫度顯著上升。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，其特征在于所述高溫殼管式相變換熱器管側(cè)流過熔融鹽液，殼側(cè)灌裝高溫熔融鹽相變材料，根據(jù)應用場合上限工作溫度來選擇合適熔點的高溫熔融鹽相變材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，其特征在于所述低溫殼管式相變換熱器管側(cè)流過熔融鹽液，殼側(cè)灌裝低溫熔融鹽相變材料，根據(jù)應用場合下限工作溫度來選擇合適熔點的低溫熔融鹽相變材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，其特征在于在所述放熱過程及蓄熱過程，在斜溫層顯熱蓄熱段內(nèi)設(shè)置泡沫碳化硅陶瓷片作為成層元件并進行輔助放熱及蓄熱。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱方法，其特征在于所述泡沫碳化硅陶瓷片在斜溫層顯熱蓄熱段內(nèi)每隔一段距離均勻設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熔融鹽中高溫斜溫層混合蓄熱裝置，包括熔融鹽液的注入部件、出料部件、多孔介質(zhì)填料段，所述注入部件及出料部件為高溫殼管式相變換熱器或低溫殼管式相變換熱器；所述多孔介質(zhì)填料段設(shè)置泡沫碳化硅陶瓷片既作為分隔成層件，又作為固態(tài)介質(zhì)的顯熱蓄熱件。一種混合蓄熱方法，步驟為在裝置內(nèi)形成斜溫層；在放熱過程，將高溫熔融鹽液經(jīng)高溫相變殼管式換熱器從裝置的頂部出口抽出，放熱后從裝置的底部進出口經(jīng)低溫相變殼管式換熱器進入裝置內(nèi)，依靠顯熱換熱及相變換熱進行放熱；在蓄熱過程，將低溫熔融鹽液經(jīng)低溫相變殼管式換熱器從裝置的底部出口抽出，加熱成高溫熔融鹽液后從裝置的頂部進入裝置內(nèi)，依靠顯熱換熱及相變換熱進行蓄熱。
文檔編號F28D17/02GK101050929SQ20071002807
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月18日
發(fā)明者左遠志, 楊曉西, 丁栴, 丁靜, 楊建平 申請人:東莞理工學院, 中國科學院電工研究所