一種石墨顯熱換熱裝置及其換熱方法
【專利摘要】一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，包括石墨蓄熱堆、抗氧化劑、耐火磚、換熱循環(huán)風(fēng)道、保溫層、支撐鋼架、進(jìn)口連接管道、補氣口、單向閥、氮氣罐、變頻風(fēng)機、換熱器、第一溫度傳感器、出口連接管道、第二溫度傳感器、壓力傳感器、控制柜、加熱棒、第三溫度傳感器，石墨堆由若干加熱石墨塊、蓄熱石墨塊、換熱石墨塊錯列疊加堆砌而成。本發(fā)明利用石墨的高熱擴散性特點，提高了加熱系統(tǒng)的便利性；在提高蓄熱密度和保證換熱效果的同時，避免了和降低了石墨由于磨損和氧化帶來的損耗，提高了石墨的使用壽命并降低了維護成本。
【專利說明】
一種石墨顯熱換熱裝置及其換熱方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨蓄熱換熱裝置及其換熱方法，屬于蓄熱利用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]儲能技術(shù)是實現(xiàn)智慧能源網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備之一。蓄熱技術(shù)是儲能技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。蓄熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電、工業(yè)煙氣余熱利用、峰谷電調(diào)節(jié)供熱等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。其中在峰谷電調(diào)節(jié)供熱方面，通過蓄熱技術(shù)將便宜的用電低谷時的電能轉(zhuǎn)化成熱能進(jìn)行儲存，在有熱負(fù)荷需求時利用蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行直接供熱，既達(dá)到了調(diào)節(jié)用電平衡的目的，又提高了供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性，具有很好的經(jīng)濟性。
[0003]蓄熱技術(shù)主要包括顯熱蓄熱和潛熱相變蓄熱兩種方式，在顯熱蓄熱方面，中國專利CN201510169131.7發(fā)明了一種電加熱固體蓄熱裝置，但該發(fā)明采用的是低導(dǎo)熱系數(shù)的蓄熱磚，因此需要控制蓄熱磚的尺寸大小，且要布置大量的加熱絲以保證加熱時系統(tǒng)的均溫性和換熱的充分性，使得加熱過程較為復(fù)雜;此外，為了保證系統(tǒng)換熱的均勻性，需要均勻布置風(fēng)道，盡可能保證換熱面布置的均勻性，這些都為系統(tǒng)的設(shè)計帶來復(fù)雜性。
[0004]因此，對于顯熱系統(tǒng)而言，如何保證蓄熱系統(tǒng)在加熱和放熱過程中的均溫性，同時避免系統(tǒng)過于復(fù)雜，建立結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便的蓄熱系統(tǒng)，成為顯熱蓄熱系統(tǒng)發(fā)展面臨的問題。
[0005]另外，對于蓄熱系統(tǒng)而言，單位質(zhì)量蓄熱密度越高，所需要的蓄熱材料越小，系統(tǒng)的經(jīng)濟性越好。因此，對于顯熱蓄熱系統(tǒng)而言，如何進(jìn)一步提高蓄熱系統(tǒng)的蓄熱溫度，提高蓄熱密度也是顯熱蓄熱系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提出一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置及換熱方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]—種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，包括石墨蓄熱堆、抗氧化劑、耐火磚、換熱循環(huán)風(fēng)道、保溫層、進(jìn)口連接管道、補氣口、單向閥、氮氣罐、變頻風(fēng)機、換熱器、第一溫度傳感器、出口連接管道、第二溫度傳感器、壓力傳感器、控制柜、加熱棒、第三溫度傳感器;石墨蓄熱堆的外圍砌有耐火磚，石墨蓄熱堆與耐火磚之間通過填埋抗氧化劑進(jìn)行密封，耐火磚的外圍安裝有保溫層，其中兩個短側(cè)面和頂面的耐火磚與保溫層之間留有空隙形成換熱循環(huán)風(fēng)道，長側(cè)面的保溫層與耐火磚緊密貼合，石墨蓄熱堆的底部設(shè)有支撐鋼架;進(jìn)口連接管道分別與換熱循環(huán)風(fēng)道入口和換熱器熱源出口相連，進(jìn)口連接管道上安裝有變頻風(fēng)機，進(jìn)口連接管道設(shè)有補氣口，補氣口與氮氣罐相連，補氣口與氮氣罐之間裝有單向閥；換熱循環(huán)風(fēng)道內(nèi)裝有壓力傳感器;換熱器冷源出口安裝有第一溫度傳感器；出口連接管道分別與換熱循環(huán)風(fēng)道出口和換熱器熱源入口相連，出口連接管道安裝有第二溫度傳感器，石墨蓄熱堆上分別安裝有加熱棒和若干第三溫度傳感器;第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、壓力傳感器、加熱棒、第三溫度傳感器分別與控制柜相連。
[0009]石墨蓄熱堆由若干加熱石墨塊、蓄熱石墨塊、換熱石墨塊錯列疊加堆砌而成，石墨蓄熱堆的四個側(cè)面的和底面的外圍一層由加熱石墨塊或由加熱石墨塊和蓄熱石墨塊交叉布置組成，頂面一層由換熱石墨塊組成；內(nèi)部由蓄熱石墨塊組成。
[0010]所述的加熱石墨塊上有加熱棒安裝孔，加熱棒安裝孔與換熱器過渡配合安裝，加熱石墨塊上的加熱棒安裝孔朝外布置。
[0011]所述的換熱石墨塊由換熱孔道和連接塊兩部分組成，兩者之間的高度比為1.0?3.0之間。
[0012]所述的石墨蓄熱堆與耐火磚的高度差為石墨塊的換熱孔道的高度;石墨蓄熱堆頂部與保溫層之間的間隙為石墨塊的換熱孔道孔徑的1-2倍。
[0013]所述的換熱循環(huán)風(fēng)道內(nèi)的換熱工質(zhì)為氮氣，換熱循環(huán)風(fēng)道內(nèi)保持正壓。
[0014]所述的換熱器包括氣-氣式和氣-液式，具體形式包括管殼式換熱器和板式換熱器。
[0015]所述的抗氧化劑包括碳化硅、二硅化鉬、耐火磚粉末中任意一種。
[0016]一種利用所述石墨顯熱蓄熱換熱裝置的換熱方法，加熱蓄熱過程中，控制柜根據(jù)第三溫度傳感器的反饋，當(dāng)石墨溫度低于設(shè)定閥值時，控制加熱棒加熱石墨蓄熱堆中的加熱石墨塊，石墨蓄熱堆利用石墨的高熱擴散系數(shù)特征，快速將加熱石墨塊的熱量傳遞給蓄熱石墨塊和換熱石墨塊，使得整個石墨蓄熱堆的溫度分布均勻;抗氧化劑和耐火磚的布置，使得石墨蓄熱堆的主體部分不與換熱氣體接觸，避免了石墨的高溫氧化。換熱過程中，變頻風(fēng)機根據(jù)第二溫度傳感器和第一溫度傳感器的感應(yīng)溫度以及換熱功率要求，調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)量，低溫氮氣經(jīng)過進(jìn)口連接管道、換熱循環(huán)風(fēng)道在換熱孔道中換熱后，經(jīng)出口連接管道流入到換熱器中，通過換熱器實現(xiàn)換熱。單向閥根據(jù)壓力傳感器的測量值實現(xiàn)開閉，當(dāng)換熱循環(huán)風(fēng)道壓力低于閥值時，單向閥開啟，氮氣罐向換熱循環(huán)風(fēng)道內(nèi)補充氮氣，保證正壓，避免空氣漏入。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0018](I)本發(fā)明利用石墨的高熱擴散性特點，采用局部換熱的方式而其他接觸面則采用密封隔氧處理，在保證蓄熱密度和換熱效果的同時，避免了換熱風(fēng)道均勻布置導(dǎo)致石墨由于磨損和氧化帶來的損耗，提高了石墨的使用壽命并降低了維護成本。
[0019](2)本發(fā)明的換熱石墨塊的局部布置，使得損耗石墨的更換更加方便，降低了維護成本。
[0020](3)本發(fā)明利用石墨的高熱擴散性，減少了加熱原件的數(shù)量，實現(xiàn)了加熱石墨塊和蓄熱石墨塊的自由組合，使得加熱系統(tǒng)簡單易行，降低了系統(tǒng)的投資成本。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是石墨顯熱蓄熱換熱裝置示意圖；
[0022]圖2是石墨蓄熱堆的布置示意圖；
[0023]圖3是加熱石墨塊的結(jié)構(gòu)簡圖；
[0024]圖4是換熱石墨塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中:石墨蓄熱堆1、抗氧化劑2、耐火磚3、換熱循環(huán)風(fēng)道4、保溫層5、支撐鋼架6、進(jìn)口連接管道7、補氣口8、單向閥9、氮氣罐10、變頻風(fēng)機11、換熱器12、第一溫度傳感器13、出口連接管道14、第二溫度傳感器15、壓力傳感器16、控制柜17、加熱棒18、第三溫度傳感器19、加熱石墨塊20、蓄熱石墨塊21、換熱石墨塊22、加熱棒安裝孔23、換熱孔道24、連接塊25。
【具體實施方式】
[0026]如圖1-4所示，一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，包括石墨蓄熱堆1、抗氧化劑2、耐火磚
3、換熱循環(huán)風(fēng)道4、保溫層5、進(jìn)口連接管道7、補氣口 8、單向閥9、氮氣罐1、變頻風(fēng)機11、換熱器12、第一溫度傳感器13、出口連接管道14、第二溫度傳感器15、壓力傳感器16、控制柜17、加熱棒18、第三溫度傳感器19;石墨蓄熱堆I的外圍砌有耐火磚3，石墨蓄熱堆I與耐火磚3之間通過填埋抗氧化劑2進(jìn)行密封，耐火磚的外圍安裝有保溫層5，其中兩個短側(cè)面和頂面的耐火磚3與保溫層之間留有空隙形成換熱循環(huán)風(fēng)道4，長側(cè)面的保溫層5與耐火磚3緊密貼合，石墨蓄熱堆I的底部設(shè)有支撐鋼架6;進(jìn)口連接管道7分別與換熱循環(huán)風(fēng)道4入口和換熱器12熱源出口相連，進(jìn)口連接管道7上安裝有變頻風(fēng)機11，進(jìn)口連接管道7設(shè)有補氣口 8，補氣口 8與氮氣罐10相連，補氣口 8與氮氣罐10之間裝有單向閥9;換熱循環(huán)風(fēng)道4內(nèi)裝有壓力傳感器16;換熱器冷源出口安裝有第一溫度傳感器13;出口連接管道14分別與換熱循環(huán)風(fēng)道4出口和換熱器12熱源入口相連，出口連接管道14安裝有第二溫度傳感器15，石墨蓄熱堆I上分別安裝有加熱棒18和若干第三溫度傳感器19;第一溫度傳感器13、第二溫度傳感器15、壓力傳感器16、加熱棒18、第三溫度傳感器19分別與控制柜17相連。
[0027]石墨蓄熱堆I由若干加熱石墨塊20、蓄熱石墨塊21、換熱石墨塊22錯列疊加堆砌而成，石墨蓄熱堆I的四個側(cè)面的和底面的外圍一層由加熱石墨塊20布置組成或由加熱石墨塊20和蓄熱石墨塊21交叉布置組成，頂面一層由換熱石墨塊22組成；內(nèi)部由蓄熱石墨塊21組成。
[0028]所述的加熱石墨塊20上有加熱棒安裝孔23，加熱棒安裝孔23與換熱器12過渡配合安裝，加熱石墨塊20上的加熱棒安裝孔23朝外布置。
[0029]所述的換熱石墨塊22由換熱孔道24和連接塊25兩部分組成，換熱孔道24和連接塊25的高度比為1.0?3.0之間。
[0030]所述的石墨蓄熱堆I與耐火磚3的高度差(石墨蓄熱堆I高于耐火磚3的高度)為石墨塊22的換熱孔道24的高度;石墨蓄熱堆I頂部與保溫層5之間的間隙為石墨塊22的換熱孔道24孔徑的1-2倍。
[0031]所述的換熱循環(huán)風(fēng)道4內(nèi)的換熱工質(zhì)為氮氣，換熱循環(huán)風(fēng)道4內(nèi)保持正壓。
[0032]所述的換熱器12包括氣-氣式和氣-液式，具體形式包括管殼式換熱器和板式換熱器。
[0033]所述的抗氧化劑2包括碳化硅、二硅化鉬、耐火磚粉末中任意一種。
[0034]一種利用所述石墨顯熱蓄熱換熱裝置的換熱方法，具體如下:加熱蓄熱過程中，控制柜17根據(jù)第三溫度傳感器19的反饋，當(dāng)石墨溫度低于設(shè)定閥值時，控制加熱棒18加熱石墨蓄熱堆I中的加熱石墨塊20，石墨蓄熱堆I利用石墨的高熱擴散系數(shù)特征，快速將加熱石墨塊20的熱量傳遞給蓄熱石墨塊21和換熱石墨塊22，使得整個石墨蓄熱堆I的溫度分布均勻;抗氧化劑2和耐火磚3的布置，使得石墨蓄熱堆I的主體部分不與換熱氣體接觸，避免了石墨的高溫氧化。換熱過程中，變頻風(fēng)機11根據(jù)第二溫度傳感器15和第一溫度傳感器13的感應(yīng)溫度以及換熱功率要求，調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)量，低溫氮氣經(jīng)過進(jìn)口連接管道7、換熱循環(huán)風(fēng)道4在換熱孔道24中換熱后，經(jīng)出口連接管道14流入到換熱器12中，通過換熱器12實現(xiàn)換熱。單向閥9根據(jù)壓力傳感器16的測量值實現(xiàn)開閉，當(dāng)換熱循環(huán)風(fēng)道4壓力低于閥值時，單向閥9開啟，氮氣罐10向換熱循環(huán)風(fēng)道4內(nèi)補充氮氣，保證正壓，避免空氣漏入。
[0035]本發(fā)明的具體工作過程如下:
[0036]加熱過程中，控制柜17根據(jù)第三溫度傳感器19的反饋，當(dāng)石墨溫度低于設(shè)定閥值時，控制加熱棒18加熱石墨蓄熱堆I中的加熱石墨塊20，石墨蓄熱堆I利用石墨的高熱擴散系數(shù)特征，快速將加熱石墨塊20的熱量傳遞給蓄熱石墨塊21和換熱石墨塊22，使得整個石墨蓄熱堆I的溫度分布均勻，當(dāng)石墨溫度高于設(shè)定閥值時，停止加熱。換熱過程中，開啟變頻風(fēng)機11，低溫氮氣經(jīng)過進(jìn)口連接管道7、換熱循環(huán)風(fēng)道4在換熱孔道24中換熱后，經(jīng)出口連接管道14流入到換熱器12中，通過換熱器12實現(xiàn)換熱。在換熱過程中，需要根據(jù)系統(tǒng)的換熱功率需求以及第二溫度傳感器15和第一溫度傳感器13的溫度數(shù)值，調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機流量，直到第一溫度傳感器13的溫度滿足要求。在整個過程中，單向閥9根據(jù)壓力傳感器16的測量值實現(xiàn)開閉，當(dāng)換熱循環(huán)風(fēng)道4壓力低于閥值時，單向閥9開啟，氮氣罐10向換熱循環(huán)風(fēng)道4內(nèi)補充氮氣，保證正壓，避免空氣漏入。
[0037]在具體實施過程中，不可避免的會漏入部分空氣，導(dǎo)致在高溫過程中對石墨蓄熱堆I的換熱石墨塊22在氧化和磨損的作用下會出現(xiàn)損耗，而石墨蓄熱堆I的主體部分則不會出現(xiàn)損耗，在具體操作過程中僅需要對換熱石墨塊22進(jìn)行定期更換，大大降低了石墨蓄熱堆I的損耗維護成本。
[0038]因此，本發(fā)明充分利用了石墨的高熱擴散系數(shù)的特點，通過在頂部設(shè)置換熱面保證有效換熱，而主體部分則進(jìn)行密封隔氧，在保證換熱的同時，最大限度的減小了石墨的損耗，降低了系統(tǒng)的維護成本，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
【主權(quán)項】
1.一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于，包括石墨蓄熱堆(I)、抗氧化劑(2)、耐火磚(3)、換熱循環(huán)風(fēng)道(4)、保溫層(5)、進(jìn)口連接管道(7)、補氣口(8)、單向閥(9)、氮氣罐(10),變頻風(fēng)機(11)、換熱器(12)、第一溫度傳感器(I 3)、出口連接管道(14)、第二溫度傳感器(15)、壓力傳感器(16)、控制柜(17)、加熱棒(18)、第三溫度傳感器(19);石墨蓄熱堆(I)的外圍砌有耐火磚(3)，石墨蓄熱堆(I)與耐火磚(3)之間通過填埋抗氧化劑(2)進(jìn)行密封，耐火磚的外圍安裝有保溫層(5)，其中兩個短側(cè)面和頂面的耐火磚(3)與保溫層之間留有空隙形成換熱循環(huán)風(fēng)道(4)，長側(cè)面的保溫層(5)與耐火磚(3)緊密貼合，石墨蓄熱堆(I)的底部設(shè)有支撐鋼架(6);進(jìn)口連接管道(7)分別與換熱循環(huán)風(fēng)道(4)入口和換熱器(12)熱源出口相連，進(jìn)口連接管道(7)上安裝有變頻風(fēng)機(11)，進(jìn)口連接管道(7)設(shè)有補氣口( 8)，補氣口(8)與氮氣罐(10)相連，補氣口(8)與氮氣罐(10)之間裝有單向閥(9);換熱循環(huán)風(fēng)道(4)內(nèi)裝有壓力傳感器(16);換熱器冷源出口安裝有第一溫度傳感器(13);出口連接管道(14)分別與換熱循環(huán)風(fēng)道(4)出口和換熱器(12)熱源入口相連，出口連接管道(14)安裝有第二溫度傳感器(15)，石墨蓄熱堆(I)上分別安裝有加熱棒(18)和若干第三溫度傳感器(19);第一溫度傳感器(13)、第二溫度傳感器(15)、壓力傳感器(16)、加熱棒(18)、第三溫度傳感器(19)分別與控制柜(17)相連;石墨蓄熱堆(I)由若干加熱石墨塊(20)、蓄熱石墨塊(21)、換熱石墨塊(22)錯列疊加堆砌而成，石墨蓄熱堆(I)的四個側(cè)面的和底面的外圍一層由加熱石墨塊(20)或由加熱石墨塊(20)和蓄熱石墨塊(21)交叉布置組成，頂面一層由換熱石墨塊(22)組成；內(nèi)部由蓄熱石墨塊(21)組成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于所述的加熱石墨塊(20)上有加熱棒安裝孔(23)，加熱棒安裝孔(23)與換熱器(12)過渡配合安裝，加熱石墨塊(20)上的加熱棒安裝孔(23)朝外布置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于所述的換熱石墨塊(22)由換熱孔道(24)和連接塊(25)兩部分組成，換熱孔道(24)和連接塊(25)的高度比為1.0?3.0之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于所述的石墨蓄熱堆(I)與耐火磚(3)的高度差為石墨塊(22)的換熱孔道(24)的高度;石墨蓄熱堆(I)頂部與保溫層(5)之間的間隙為石墨塊(22)的換熱孔道孔徑的1-2倍。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于所述的換熱循環(huán)風(fēng)道(4)內(nèi)的換熱工質(zhì)為氮氣，換熱循環(huán)風(fēng)道(4)內(nèi)保持正壓。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于所述的換熱器(12)包括氣-氣式和氣-液式，具體形式包括管殼式換熱器和板式換熱器。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種石墨顯熱蓄熱換熱裝置，其特征在于所述的抗氧化劑(2)包括碳化娃、二娃化鉬、耐火磚粉末中任意一種。8.一種利用權(quán)利要求1所述石墨顯熱蓄熱換熱裝置的換熱方法，其特征在于:加熱蓄熱過程中，控制柜(17)根據(jù)第三溫度傳感器(19)的反饋，當(dāng)石墨溫度低于設(shè)定閥值時，控制加熱棒(18)加熱石墨蓄熱堆(I)中的加熱石墨塊(20)，石墨蓄熱堆(I)利用石墨的高熱擴散系數(shù)特征，快速將加熱石墨塊(20)的熱量傳遞給蓄熱石墨塊(21)和換熱石墨塊(22)，使得整個石墨蓄熱堆(I)的溫度分布均勻;抗氧化劑(2)和耐火磚(3)的布置，使得石墨蓄熱堆(I)的主體部分不與換熱氣體接觸，避免石墨的高溫氧化;換熱過程中，變頻風(fēng)機(II)根據(jù)第二溫度傳感器(15)和第一溫度傳感器(13)的感應(yīng)溫度以及換熱功率要求，調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)量，低溫氮氣經(jīng)過進(jìn)口連接管道(7)、換熱循環(huán)風(fēng)道(4)在換熱孔道(24)中換熱后，經(jīng)出口連接管道(14)流入到換熱器(12)中，通過換熱器(12)實現(xiàn)換熱;單向閥(9)根據(jù)壓力傳感器(16)的測量值實現(xiàn)開閉，當(dāng)換熱循環(huán)風(fēng)道(4)壓力低于閥值時，單向閥(9)開啟，氮氣罐(10)向換熱循環(huán)風(fēng)道(4)內(nèi)補充氮氣，保證正壓，避免空氣漏入。
【文檔編號】F28F21/02GK106052451SQ201610525060
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】張良, 王宇飛
【申請人】浙江大學(xué)