阅读说明：本技术 一种多级储热装置 (Multistage heat storage device ) 是由 黄其 章晓敏 宓霄凌 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多级储热装置,包括储热罐和换热管；储热罐内从下至上依次至少填充第一储热介质、第二储热介质、第三储热介质,第三储热介质、第二储热介质、第一储热介质的比热容依次升高；换热管在竖直方向上呈蛇形状,换热管沿储热罐的竖直方向依次经过第三储热介质、第二储热介质、第一储热介质。本发明在储热罐内填充有至少三种比热不同的储热介质,自上而下呈梯度的比热可以最大限度利用该温度差减小热量散失,提升储热能力,同时换热管内的传热介质实现逐步升温,延长换热管的使用寿命。(The invention discloses a multi-stage heat storage device, which comprises a heat storage tank and a heat exchange tube; at least a first heat storage medium, a second heat storage medium and a third heat storage medium are sequentially filled in the heat storage tank from bottom to top, and the specific heat capacities of the third heat storage medium, the second heat storage medium and the first heat storage medium are sequentially increased; the heat exchange tube is snakelike in the vertical direction, and the heat exchange tube passes through the third heat storage medium, the second heat storage medium and the first heat storage medium in sequence along the vertical direction of the heat storage tank. The heat storage tank is filled with at least three heat storage media with different specific heat, the specific heat in gradient from top to bottom can reduce heat loss by utilizing the temperature difference to the maximum extent, the heat storage capacity is improved, meanwhile, the heat transfer media in the heat exchange pipe realize gradual temperature rise, and the service life of the heat exchange pipe is prolonged.)

一种多级储热装置

技术领域

本发明属于太阳能光热发电技术领域，尤其涉及一种用于光热电站的多级储热装置。

背景技术

太阳能塔式电站中，为实现连续平稳输出电力，储热系统必不可少，其中，储热罐是储热系统的核心设备。此外，由于光热发电技术已处于第三代，要求发电功率与储热温度有大幅的提升，这也促使新型储/换热技术的应用。为适应新技术的发展，储热罐设计需要进行重点的创新性工程研究。

目前，储热罐主要以熔盐储罐为主，适用于565℃以下的熔盐存储。第三代塔式电站技术中，储/换热介质最高温度至少在700℃，那么迫使需要新型高温载热介质被使用。其中，液态金属、高温碳酸盐、高温氯盐被列为重点考虑的对象。但是，由于液态金属售价较高，尚不适用于储热介质，但可作为换热介质，由于其本身具备较好的导热性与较大的比热容，受到了工程界的广泛关注与重点研究。为匹配液态金属作为换热介质，新型的储热系统需要进行全新设计。

发明内容

本发明实施例提供了一种多级储热装置，在储热罐内自下向上依次至少填充有比热容降低的第一储热介质、第二储热介质、第三储热介质，换热管在竖直方向上依次穿过所有储热介质，第二储热介质将热量传递给第一储热介质和第三储热介质，由于储热介质自下至上比热容不同，自上而下呈梯度的比热可以最大限度利用该温度差减小热量散失，提升储热能力。同时换热管内的换热介质流经储热罐实现逐步升温，延长换热管的使用寿命。

本发明的技术方案为：

一种多级储热装置，包括储热罐和换热管；

所述储热罐内从下至上依次至少填充第一储热介质、第二储热介质、第三储热介质，所述第三储热介质、所述第二储热介质、所述第一储热介质的比热容依次升高；

所述换热管在竖直方向上呈蛇形状，所述换热管沿所述储热罐的竖直方向依次经过所述第三储热介质、第二储热介质、第一储热介质。

所述第一储热介质为固体储热介质，第二储热介质为高温下液体的储热介质，所述第三储热介质为气体。

所述的多级储热装置还包括集液箱，所述集液箱设置在所述储热罐的底部，所述第一储热介质内开设有若干连通所述集液箱和所述第二储热介质的连通孔。在第一储热介质中开设连通孔，可以使第二储热介质流入第一储热介质中，使换热均匀，并将换热后的第二储热介质流入集液箱。

所述固体储热介质为固体铁基材料组成的混合物，所述第二储热介质为熔盐。

所述固体储热介质为铸钢，所述第二储热介质为熔盐，所述第三储热介质为惰性气体。所述储热罐顶端设有惰性气体充注孔，所述充注孔分别连通真空泵和惰性气体充注装置。利用惰性气体填充熔盐上方的冗余部分，惰性气体经过熔盐传热获得高温，一方面利用该高温对熔盐保温，另一方面惰性气体的隔热作用也起到了保温作用，惰性气体利用温差最大限度保存熔盐散失的热量，最终提升储热能力。

所述储热罐上开设有第二储热介质入口。

在水平方向上，自第二储热介质入口，由远及近，若干所述连通孔内流体的横截面积依次减小。即在水平方向上，自第二储热介质入口，有远及近，所述连通孔的直径依次减小；或在水平方向上，自第二储热介质入口，有远及近，所述第一储热介质内开设的所述连通孔的数量越来越少。这两种实施方式均有利于远离第二储热介质入口的第二储热介质更多地进入第一储热介质，而近第二储热介质入口的第二储热介质在第一储热介质的留存时间拉长，可增加第二储热介质与第一储热介质表面的接触时间，进行充分的热量交换；并且有利于流体的温度均衡，使得第一储热介质被均匀加热，换热管内的换热介质从第一储热介质直接吸热，可以提升吸热效率。

所述的换热管包括第一连接件和第二连接件，位于所述第三储热介质内的换热管和位于所述第二储热介质内的换热管之间采用第一连接件连通，位于所述第二储热介质内的换热管和位于所述第一储热介质内的换热管之间采用第二连接件连通，且所述第一连接件和所述第二连接件设置在所述储热罐外。采用连接件设计，便于拆卸，方便对换热管的检修与更换；其次，采用连接件设计，便于储热罐的加工设计，换热管布局相对简单。

所述集液箱的底部为倾斜平面，集液箱的底部平面采用倾斜式设计，便于第二储热介质汇流流出集液箱，避免第二储热介质在集液箱底部堆积，保证集液箱的运行安全性。

在所述集液箱的下方设置有与集液箱形状匹配的带有倾斜平面的底座，保证集液箱和储热罐的稳定性。

本发明实施例由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明实施例的储热装置，第二储热介质既是吸热介质，也是储热介质，在储热罐内自下至上依次至少填充有第一储热介质、第二储热介质、第三储热介质，且第一储热介质、第二储热介质、第三储热介质的比热依次降低，第二储热介质与第一储热介质接触将热量传递给第一储热介质，由于第一储热介质比热容大，同体积状态储热能力更强，有利于较小储热空间；第二储热介质同时将热量传递给第三储热介质；由于第三储热介质、第二储热介质、第一储热介质的比热容依次增大，在放热过程中，由于不可避免的热量散失，三者逐渐出现温度差，自上而下呈梯度的比热可以最大限度利用该温度差减小热量散失，提升储热能力；具体的：第一储热介质比热容最大，经过一定时间的放热后温度最高，第三储热介质则相反，第二储热介质一方面本身处于高温状态对第一储热介质起到保温作用，另一方面其比热小于第一储热介质，利用温度差吸收热量最大限度保存第一储热介质散失的热量；第三储热介质在初期经过加热后也获得高温，一方面利用该高温对第二储热介质保温，另一方面，第三储热介质利用温差最大限度保存熔盐散失的热量，最终提升储热能力。

在储热过程中。由于第三储热介质、第二储热介质和第一储热介质的比热逐渐增大，在达到温度均衡前，三者的温度一次降低，高温介质将热量传递到低温介质，在一定程度上提高热量存储效率。

第三储热介质对换热管进行第一次加热，第二储热介质对换热管进行二次加热，第三储热介质对换热管进行三次加热，由于三种储热介质比热从上至下依次升高，因此，在放热过程中，换热管内的传热介质流经储热罐时会逐步的平稳升温，对于各部分的换热管不会造成较大的冷热冲击，延长了管路的使用寿命。

本发明另一实施例中直接采用三级加热方式，自下至上填充的储热介质有铸钢、熔盐、惰性气体，储热罐熔盐液位上方有冗余设计，罐体内冗余部分，并未进行特殊处理，而存有杂质气体，杂质气体混入熔盐进入系统管路中，会造成一定程度的管道腐蚀，抑或造成管与流体之间存有空泡，造成换热效能下降，另外，熔盐储罐中，冗余部分气体会被加热，但其所获得的热量未被充分利用，造成热能浪费。而本发明在熔盐液位上方充入惰性气体，使得吸储热管路工作流体中的杂质气体量减少，从而减少杂质气体对系统管路腐蚀作用；惰性气体经过熔盐传热获得高温，一方面利用该高温对熔盐保温，另一方面惰性气体的隔热作用也起到了保温作用，惰性气体利用温差最大限度保存熔盐散失的热量，最终提升储热能力；

另外，铸钢的导热系数远大于熔盐，可以快速的对换热管内的传热介质进行加热，提升换热效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的多级储热装置的结构示意图；

图2为本发明多级储热装置在光热电站系统中的连接示意图；

图3为本发明实施例中集液箱的主视图；

图4为本发明实施例中集液箱的俯视图。

附图标记说明：1-换热介质管路，2-多级储热装置，3-吸热介质管路；4-换热管；5-惰性气体；6-第一连接件；7-铸钢；8-钢管；9-储热罐；10-集液箱；11-第二连接件；12-熔盐入口；13-熔盐；14-充注孔阀；15-充注装置阀；16-真空泵阀；17-真空泵；18-充注装置；19-气瓶；20-熔盐出口；21-底座。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种多级储热装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

本实施例中的多级储热介质用于太阳能光热电站，参看图1，该装置包括储热罐9、换热管4和集液箱10，集液箱10设置在储热罐9的底部；

本实施例中的储热罐内从下至上依次填充铸钢7、熔盐13、惰性气体5，由于在铸钢7内加工连通熔盐13和集液箱10的连通孔困难，因此在铸钢7内设有连通熔盐13和集液箱10的钢管，并且钢管8与铸钢7一体浇铸，可避免两者材料不一致造成的膨胀系数差异，保证结构的稳定性，钢管8竖直排列，便于熔盐13下行，将热量传递给铸钢7，熔盐13通过钢管8进入集液箱10，流入钢管8的同时对铸钢7进行传热；

储热罐9上设置熔盐入口12，高温熔盐13进入储热罐9，将热量传递给换热管4内的传热介质，集液箱10设有熔盐出口20，熔盐13将热量传递给传热介质后，低温熔盐13流入集液箱10内，集液箱10内的熔盐再继续吸收太阳能的热量；储热罐9顶端设有惰性气体5充注孔，充注孔后端通过三通阀，分别连接真空泵17与惰性气体充注装置18，惰性气体5的充注是通过储热罐9上部的充注结构进行，充注孔后端通过三通阀，分别连接真空泵17与惰性气体充注装置18。具体地，充注孔连接真空泵17，打开充注孔阀14与真空泵阀16，对储热装置进行抽真空，完毕后关闭充注孔阀14与真空泵阀16；然后，打开充注孔阀14与惰性气体充注装置阀15，通过惰性气体气瓶19与储热罐9的压差，惰性气体5通过充注装置18，自行进行储热罐9上部的冗余部分，完成惰性气体5的充注。待惰性气体5充注完成，关闭充注孔阀14与惰性气体充注装置阀15；

换热管4在竖直方向上呈蛇形状，换热管4沿储热罐的竖直方向依次经过所述惰性气体5、熔盐13、铸钢7，然后与后续的发电机组的换热器连接。

需要说明的是，在太阳能光热发电过程中，熔盐既是吸热介质也是储热介质，其对换热管内的传热介质进行加热，将熔盐储存的热量直接传递给换热管内的传热介质，因此，如图2所示，多级储热装置的换热管4连接换热介质管路1，熔盐入口12连接吸热介质管路3，换热介质管路1内的工作介质为液态金属，吸热介质管路3内的工作介质为熔盐，熔盐从吸热器中吸收太阳能；吸热完成后的熔盐进入储热装置，与惰性气体、铸钢进行热交换，存储热量，同时熔盐自身也存储热量；液态金属换热完成后，进入后续的发电机组的换热器进行换热。

本实施例的三级储热方式，但是不限于三级储热方式，例如可以在熔盐和惰性气体之间加入一种储热介质等等多种方式。在本实施例中惰性气体5，位于原储热罐9设计必需的冗余部分，其充注可以对原系统杂质气体进行去除，从而减少杂质气体对系统管路腐蚀作用(例如氧含量较高，会加速熔盐13与管道钢材的氧化反应，对钢材进行化学腐蚀)，同时，惰性气体5即起到对熔盐13部分的保温效果，也进行了熔盐13对其的加热，惰性气体利用温度差最大限度保存熔盐散失的热量，最终提升储热能力；

铸钢7的钢管8设计，可以使高温熔盐13在二级加热区留存时间加长，储热能力提高；铸钢7、熔盐13、惰性气体5的比热容依次降低，在放热过程中，由于不可避免的热量散失，三者逐渐出现温度差，自上而下呈梯度的比热可以最大限度利用该温度差减小热量散失，提升储热能力，并且由于铸钢7的比热容为熔盐13的2倍，相同储热量下铸钢7的体积比熔盐13减少很多，可以减少储热罐9体积；

惰性气体5对进入储热罐9内的液态金属进行第一次加热，熔盐13对液态金属进行第二次加热，铸钢7对液态金属进行第三次加热，由于惰性气体5、熔盐13、铸钢7的比热依次增大，因此，在放热过程中，换热管4内的液态金属流经储热罐9时会逐步的平稳升温，而且铸钢7的导热系数远大于熔盐13，可以快速的对换热管4内的液态金属进行加热，提升换热效率。

如图3和图4所示，在水平方向上，自熔盐入口12，由远及近，单个钢管8内熔盐13的横截面积依次减小；或者，在水平方向上，自熔盐入口12，由远及近，钢管8内熔盐13的总横截面积依次减小。即在水平方向上，自熔盐入口12，由远及近，铸钢7内的钢管8数量逐渐减少；或在水平面上，自熔盐入口12，自远及近，若干钢管8的直径依次减小。远离熔盐入口12，钢管8排布数量多或钢管8直径增大，有利于远离熔盐入口12的熔盐13更多地进入集液箱10；而近熔盐入口12的高温熔盐13在铸钢7的留存时间拉长，可增加高温熔盐13与铸钢7表面的接触时间，进行充分的热量交换，使铸钢7储存更多的热量，从而减少熔盐13储热容量，罐体的体积能够实现缩小化；再者，远离熔盐入口12的熔盐13温度往往低于近熔盐入口12的温度，此加密布局形式，可以使得远离熔盐入口12的熔盐13下行进入集液箱10的流量加大，加速熔盐13更换，保证二级储热部分的熔盐13的温度也始终处于较高状态，且二级储热部分熔盐13的温度保持相对的均衡，有利于流体的温度一致性，使得铸钢7被均匀加热。

如图1所示，换热管包括第一连接件6和第二连接件11，位于惰性气体5内的换热管4和位于熔盐13内的换热管4之间采用第一连接件6连通，位于熔盐13内的换热管4和位于铸钢7内的管热管之间采用第二连接件11连通，第一连接件6和第二连接件11均设置在储热罐9外。采用连接件连通处在各个储热介质的换热管，便于拆卸，方便对换热管4的检修与更换；其次，采用连接件设计，便于储热罐9的加工设计，换热管4布局相对简单。

参看图1，集液箱10的底部为倾斜平面，集液箱10的底部平面采用倾斜式设计，便于熔盐13汇流出集液箱10，不会造成熔盐13在集液箱10底部堆积，保证集液箱10的运行安全性。并在集液箱10的下方设置有与集液箱10形状匹配的带有倾斜平面的底座21，保证集液箱10和储热罐9的稳定性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。