分體式單罐固體堆積床儲熱系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種儲熱系統(tǒng)，尤其涉及一種固體堆積床太陽能儲熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在太陽能熱利用領(lǐng)域，尤其在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，由于太陽輻照間斷性和分散性的特點，系統(tǒng)的運行具有強烈的不穩(wěn)定性，進而導(dǎo)致發(fā)電出力不穩(wěn)甚而損壞設(shè)備。儲熱技術(shù)能夠有效解決熱能供需雙方在時間和空間上的不匹配問題，所以儲熱系統(tǒng)是太陽能熱利用系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的子系統(tǒng)。對于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，儲熱系統(tǒng)可以在太陽能充足的時候?qū)⑻栞椪辙D(zhuǎn)換成熱量存儲起來，在太陽能不足或者無太陽輻照的情況下再利用儲存起來的熱能進行發(fā)電。儲熱系統(tǒng)這種“削峰填谷”的方式不僅延長了系統(tǒng)發(fā)電時間，而且穩(wěn)定了系統(tǒng)的運行，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率。
[0003]目前，太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中，比較常見的儲熱形式有雙罐儲熱和單罐儲熱兩種。雙罐儲熱系統(tǒng)由一個熱罐和一個冷罐組成，充熱時冷罐內(nèi)的儲熱介質(zhì)(通常為熔融鹽、導(dǎo)熱油等液體介質(zhì))吸收熱量后進入熱罐儲存起來，放熱時熱罐內(nèi)的高溫介質(zhì)把熱量釋放出來之后又回到冷罐。雙罐儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，但由于具有兩個儲熱罐，儲熱介質(zhì)用量大，當(dāng)儲熱介質(zhì)采用熔融鹽、導(dǎo)熱油等相對昂貴的液體介質(zhì)時，系統(tǒng)的成本較高。相比于雙罐儲熱系統(tǒng)，單罐儲熱系統(tǒng)只有一個儲熱罐，節(jié)省了儲熱材料的使用量，且一般選擇廉價的固體材料作為儲熱介質(zhì)，大大降低了儲熱成本。單罐儲熱又稱為斜溫層儲熱，單罐內(nèi)的冷、熱界面通過一個厚度較小但溫度梯度很大的斜溫層分隔開來。充熱時斜溫層上面的熱流體逐漸增加，下面的冷流體逐漸減少，斜溫層向下移動，放熱時則相反。單罐斜溫層儲熱具有成本較低、儲熱效率較高的優(yōu)點。
[0004]單罐固體堆積床儲熱系統(tǒng)采用廉價的固體材料作為儲熱介質(zhì)，是單罐斜溫層儲熱的一種典型形式。對于單罐固體堆積床儲熱系統(tǒng)，熱棘輪是與循環(huán)操作相關(guān)的關(guān)鍵現(xiàn)象。在充熱過程中，儲熱罐升溫膨脹，內(nèi)部容積增大，導(dǎo)致填充顆粒下沉去填充由熱膨脹制造的多余容積。而在放熱過程中，儲熱罐冷卻，但是填充顆粒由于自身重力、來自于顆粒之間擠壓而產(chǎn)生的摩擦阻力，從而無法向上移動，這阻止了罐壁收縮回原有的幾何尺寸，造成了罐殼中通過重復(fù)的循環(huán)操作而累計的機械應(yīng)力。一旦罐殼的應(yīng)力達到了屈服點，發(fā)生塑性變形，再繼續(xù)循環(huán)可能導(dǎo)致罐體結(jié)構(gòu)失效。熱棘輪現(xiàn)象是單罐固體堆積床儲熱系統(tǒng)存在的固有缺陷，應(yīng)設(shè)法避免。
[0005]美國專利US4214061報道了一種單罐斜溫層儲熱系統(tǒng)，其特征在于儲熱罐內(nèi)填充固體顆粒作為固體儲熱介質(zhì)，換熱流體在罐內(nèi)流動時同時作為儲熱流體，上下流經(jīng)固體顆粒堆積床，與固體材料直接進行換熱，系統(tǒng)運行時罐內(nèi)溫度分布從上至下呈現(xiàn)斜溫層特征。但是，此系統(tǒng)運行時斜溫層厚度所占罐高度的比例較大，而且固體導(dǎo)熱及局部紊流引起的斜溫層擴張(即高、低溫流體的混合)很難抑制，導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率降低；另外，此系統(tǒng)罐體達到一定高度時，內(nèi)部固體堆積顆粒自重累積很大，在系統(tǒng)循環(huán)高溫運行過程中，罐壁在循環(huán)熱應(yīng)力的作用下不斷熱脹冷縮，容易發(fā)生熱棘輪效應(yīng)，從而導(dǎo)致罐體結(jié)構(gòu)失效。
[0006]專利CN102305480A報道了一種帶有折流板的單罐斜溫層太陽能儲熱系統(tǒng)。儲熱罐內(nèi)布置多個平行的折流板，在折流板的作用下，儲熱罐內(nèi)形成一條或多條蛇形的流道。通過在儲熱罐內(nèi)加設(shè)低導(dǎo)熱系數(shù)的折流板，有效地增大了換熱流體在儲熱罐內(nèi)的流程，減少了儲熱介質(zhì)的用量，從而降低了儲熱系統(tǒng)的成本。但是，該系統(tǒng)為一體式單罐儲熱罐，依然未能解決系統(tǒng)高溫運行時容易產(chǎn)生熱棘輪效應(yīng)的問題；且在罐內(nèi)布置多個平行的折流板，雖然增加了換熱流體的流程，但同時也增大罐內(nèi)流體流動的阻力，增加了可用能的不可逆損失；同時，由于蛇形流道的固定，流體在罐內(nèi)分布并不均勻，進而有可能導(dǎo)致罐內(nèi)換熱流體和固體儲熱材料徑向溫度分布不均的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服太陽能熱利用領(lǐng)域中現(xiàn)有儲熱系統(tǒng)存在的缺點，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、儲熱效率高的分體式單罐固體堆積床儲熱系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的太陽能儲熱系統(tǒng)采用固體儲熱材料，在充放熱過程中具有斜溫層特性。
[0009]本發(fā)明分體式固體堆積床儲熱系統(tǒng)由分體式固體堆積床儲熱罐、流體進口管道和流體出口管道組成。所述的分體式固體堆積床儲熱罐由兩個圓錐形儲熱罐體和多個分體式圓柱形儲熱罐體直立平行堆疊而成。兩個圓錐形儲熱罐體分別置于儲熱罐的頂部和底部，頂部圓錐形儲熱罐體的上部和底部圓錐形儲熱罐體的下部分別安裝有流體進口管道和流體出口管道；所述的流體進口管道充熱時為流體進口管道，放熱時為流體出口管道；所述的流體出口管道充熱時為流體出口管道，放熱時為流體進口管道。所述的分體式固體堆積床儲熱罐中，多個分體式圓柱形儲熱罐體平行堆疊在兩個圓錐形儲熱罐體之間。分體式圓柱形儲熱罐體的上部和下部均裝有連接法蘭，將各分體連接成一個整體，形成儲熱罐的中間部分。在頂部圓錐形儲熱罐體的底部安裝有均流器。各分體式圓柱形儲熱罐體的底部均安裝有多孔的支撐篦子，固體儲熱材料通過支撐篦子的支撐，在各分體式圓柱形儲熱罐體內(nèi)堆積形成多孔隙的床體，形成傳熱流體流道。
[0010]所述分體式圓柱形儲熱罐體和圓錐形儲熱罐體采用內(nèi)保溫的結(jié)構(gòu)形式，其罐體由高溫耐火磚、保溫棉和儲熱器外殼組成。高溫耐火磚位于儲熱罐體的最內(nèi)層，保溫棉包裹于高溫耐火磚的外面，儲熱器外殼位于最外層，包裹保溫層。高溫耐火磚通過饒筑的方式，與罐體中的保溫層、儲熱器外殼形成一個整體。儲熱罐體內(nèi)部由高溫耐火磚通過澆注的方式一體成形，作為分體式固體堆積床儲熱罐的內(nèi)膽，便于固體儲熱材料在其內(nèi)堆積成多孔床體，形成傳熱流體流道。由于高溫耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)低，在充熱和放熱過程中，起到輔助保溫的作用，減小高溫?zé)崃黧w與儲熱材料對外的熱傳導(dǎo)和熱輻射損失。同時因為高溫耐火磚的熱膨脹系數(shù)小，在多次充熱放熱的循環(huán)過程中，可以有效地減輕由于循環(huán)熱應(yīng)力作用而導(dǎo)致的儲熱器變形或損壞。所述分體式圓柱形儲熱罐采用沿高度方向平行層疊堆積的方式，既有利于減小占地面積，又有利于充放熱過程中換熱流體依靠自身浮力效應(yīng)在罐內(nèi)建立和維持斜溫層。
[0011]所述的支撐篦子為多孔隙圓形平板，具有較高抗壓強度、較大硬度且導(dǎo)熱系數(shù)盡可能低的特點，可根據(jù)實際應(yīng)用場合選用耐高溫的陶瓷、合金鋼等材料制作。支撐篦子的孔隙尺寸可依據(jù)具體使用的固體儲熱材料單元的大小確定。支撐篦子的作用，一是支撐堆積于其上的固體儲熱材料的重量，防止其下落；二是將多個分體式圓柱形罐體中堆積的固體材料的重量分散，防止自重累加，進而從根源上減輕熱棘輪效應(yīng)的影響；三是支撐篦子導(dǎo)熱系數(shù)低，可防止上部固體儲熱材料的高溫?zé)崃恐苯油ㄟ^導(dǎo)熱的方式向下部進行傳遞，一定程度上保證了熱量的高品質(zhì)，減少了火用損失；四是支撐篦子的孔隙較小，且沿著罐體徑向分布均勻，在系統(tǒng)運行時可使得罐體內(nèi)流體沿徑向盡可能均勻分布。
[0012]兩個所述的圓錐形儲熱罐體分別安裝于分體式固體堆積床儲熱罐的頂部和底部，兩個所述的圓錐形儲熱罐體之間連接分體式圓柱形儲熱罐體，兩個所述的圓錐形儲熱罐體上分別連接有流體進口管道和流體出口管道。根據(jù)流體力學(xué)和空氣動力學(xué)可知，分體式固體堆積床儲熱罐的頂部和底部的儲熱罐體采用圓錐形過渡的設(shè)計，可以保證流入分體式圓柱形儲熱罐體的換熱流體相對均勻分布。
[0013]本發(fā)明在充熱和放熱過程中具有斜溫層充/放熱特性，具體表現(xiàn)為:隨著放熱的進行，冷流體從罐底部進入分體式固體堆積床儲熱罐。為充分利用流體自身的浮力效應(yīng)，充熱時流體一般從分體式固體堆積床儲熱罐的頂部流入，從分體式固體堆積床儲熱罐的底部流出，而放熱時則采用逆流方式。放熱初始，分體式固體堆積床儲熱罐內(nèi)所有的儲熱材料都處于高溫狀態(tài)，開始放熱時，從罐底部進入儲熱罐的冷流體首先與位于底部的儲熱材料換熱，流體溫度逐漸升高，而底部儲熱材料的溫度逐漸降低到與分體式固體堆積床的進口流體溫度相近的低溫狀態(tài)。隨著放熱的進行，換熱流體繼續(xù)與儲熱材料進行熱交換，進而使儲熱材料的溫度從低溫向高溫梯度狀過渡，成為斜溫層儲熱區(qū)域。隨著時間的推進，斜溫層逐漸向儲熱罐頂部移動，低溫材料不斷增加，高溫材料不斷減少，熱量不斷被換熱流體提取出來。充熱過程則相反。
[0014]在不同的所述分體式圓柱形儲熱罐體內(nèi)可選取不同的儲熱材料，并采取不同的堆積方式來布置。因為儲熱系統(tǒng)斜溫