一种低温余热增焓双级储热系统
阅读说明：本技术 一种低温余热增焓双级储热系统 (Low-temperature waste heat enthalpy-increasing two-stage heat storage system ) 是由 冉鹏 焦亚飞 辛迪雅 于 2021-07-24 设计创作，主要内容包括：一种低温余热增焓双级储热系统,属于储能技术领域。本发明可对生产生活中的低品位余热进行储存,然后利用吸收式制热提质单元对储存后的低品位余热进行提质,最后利用中温蓄热单元将提质后的中温热能存储于系统中。实现了低温余热的低温储存、提质和中温储存及释放,扩大了原有低温余热的应用范围,与显热存储和潜热存储相比,具有热能密度高,热损失小,系统热效率高,经济效益好的特点。(A low-temperature waste heat enthalpy-increasing two-stage heat storage system belongs to the technical field of energy storage. The invention can store low-grade waste heat in production and life, then upgrade the stored low-grade waste heat by using the absorption type heating upgrading unit, and finally store upgraded medium-temperature heat energy in the system by using the medium-temperature heat storage unit. The low-temperature storage, upgrading and medium-temperature storage and release of the low-temperature waste heat are realized, the application range of the original low-temperature waste heat is expanded, and compared with sensible heat storage and latent heat storage, the low-temperature waste heat storage system has the characteristics of high heat energy density, small heat loss, high system heat efficiency and good economic benefit.)
技术领域
本发明涉及一种低温余热增焓双级储热系统，属于储能技术领域。
背景技术
能源是现代社会和生活的基础，也是国家经济发展的重要支柱。然而我国的能源利用存在着一系列问题，比如以煤炭、石油、天然气为主的化学燃料的大量使用，在推动国家经济发展的同时，也存在着利用率低、经济效益差和生态环境压力大等问题。相较于其他领域，我国工业领域能源消耗量占全国能源消耗总量的份额十分大。然而在一些工业生产的过程中，由于生产工业相对落后、产业结果不合理和能源利用率低，会产生数量十分惊人的工业废热和余热，但是由于我国的能源利用率低，大多数的余热都会被直接排放掉而白白浪费。然而，从另一方面来说，也可以看出工业生产会产生非常丰富的余热资源。因此，可以设计合适的储热方案，将一部分废热、余热的热量加以储存并利用，从而提高能源的利用率，并且还能带来巨大的经济和环境效益。
现如今常见的储热方式有显热储热、潜热储热和化学储热。相较于化学储热，显热储热和潜热储热的技术比较成熟，应用较为广泛。但是因为显热储热和潜热储热的固有缺陷，在使用时具有一定的局限性。例如，显热储热：放热不恒温、储热密度小以及储热装置庞大等；潜热储热：受到材料相变温度的影响较大而且技术难度大。除此之外，它们都受到换热温差以及换热器面积的限制，因而在储热过程中会使热能品位降低，并且热能长期储存会产生较大的热量损失，从而导致储热效率下降。化学储热是利用一对正逆吸/放热的化学反应，将热能以化学能的形式储存起来，并且可以使用催化剂或者反应物对反应过程进行控制，将热量长期储存起来，还可以减小在储存热量时的损失。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种低温余热增焓双级储热系统，将化学储热和吸收式制热提质单元相结合，该系统依次进行低温余热存储、吸收式制热提质以及中温蓄热，在储热的同时提升了低温余热的品位，扩大了热能的应用范围，而且与传统的储热相比，具有热能密度高，热损失小，系统效率高，经济效益好的特点。
本发明的技术方案如下：
一种低温余热增焓双级储热系统，其特征在于包括低温余热存储单元、吸收式制热提质单元、中温蓄热单元。本发明所述系统可实现低温余热存储，并对已储存的低温余热进行提质，最后将提质后的中温热能存储于系统内，从而将低品位热能转变为高品位的热能并储存。
一种低温余热增焓双级储热系统，其特征在于：首先，由所述低温余热存储单元完成低温余热存储过程；然后，由所述吸收式制热提质单元完成低温余热的提质过程；最后，由所述中温蓄热单元完成中温蓄热过程。
其中，所述低温余热存储单元包括低温余热存储装置、低温生成物储罐、一级蒸发器和发生器，所述低温余热存储装置内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述吸收式制热提质单元包括一级蒸发器、二级蒸发器、冷凝器、一级吸收器、二级吸收器、气液换热器、溶液换热器和发生器，所述发生器内部填充实现吸收式制热提质的低浓度的溶液，该溶液在浓度增加的过程中可放出热量。
其中，所述中温蓄热单元包括传热介质储罐、中温余热存储装置、中温蓄热装置、中温生成物储罐和压气机，所述中温余热存储装置内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述低温余热存储单元的低温余热存储装置中的反应产物离开低温余热存储装置，分别与一级蒸发器内部换热器和发生器内部换热器换热后进入低温生成物储罐。
其中，所述吸收式制热提质单元的发生器的溶液出口通过管道经溶液泵、溶液换热器与一级吸收器的溶液入口连接，发生器的蒸汽出口通过管道经气液换热器与冷凝器的蒸汽入口连接；所述冷凝器的液体出口通过管道经溶液泵、气液换热器分别与一级蒸发器的液体入口和二级蒸发器的液体入口连接；所述一级蒸发器的蒸汽出口通过管道与一级吸收器的蒸汽入口连接；所述一级吸收器的溶液出口通过管道与二级吸收器的溶液入口连接，一级吸收器产生的热量可作为二级蒸发器的外部热源；所述二级蒸发器的蒸汽出口通过管道与二级吸收器的蒸汽入口连接；所述二级吸收器的溶液出口通过管道经溶液换热器，与发生器的溶液入口连接；所述二级吸收器的内部换热器的入口与传热介质储罐的出口连接，二级吸收器的内部换热器的出口与中温余热存储装置的内部换热器的入口连接，中温余热存储装置的内部换热器的出口与传热介质储罐的入口连接。
其中，所述中温蓄热单元的中温余热存储装置的出口通过管道与中温蓄热装置的热源入口连接；所述中温蓄热装置的热源出口通过管道经压气机与中温生成物储罐的入口连接；所述中温生成物储罐的出口通过管道与中温蓄热装置的入口连接；所述中温蓄热装置的出口通过管道与中温余热存储装置的入口连接。
其中，所述低温生成物储罐的出口与中温蓄热装置的低温反应产物入口连接；所述中温蓄热装置的低温反应产物出口与低温余热存储装置的反应产物入口连接。
一种低温余热增焓双级储热系统，其特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，低温余热存储装置内部的反应原料通过换热器吸收具有一定温度的外部低品位余热资源的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物。密度大的固态反应产物留在低温余热存储装置中，而带有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物则排出低温余热存储装置；所述低温余热存储装置排出的反应产物分别经过一级蒸发器的内部换热器和发生器的内部换热器换热降温后，进入低温生成物储罐中储存，从而完成低温余热的存储过程。
在储热模式下，所述吸收式制热提质单元中，发生器内部的稀溶液被溶液泵增压，经溶液换热器进入一级吸收器；在所述一级吸收器中，稀溶液吸收来自一级蒸发器的溶质蒸汽，变为中间浓度的溶液，随后，进入二级吸收器；所述二级吸收器中的中间浓度溶液吸收来自二级蒸发器的溶质蒸汽，变为浓溶液，随后，浓溶液经溶液换热器回到发生器；所述发生器中，浓溶液通过内部换热器吸收来自低温余热存储装置中反应产物的热量，浓溶液中的部分溶质受热蒸发为溶质蒸汽并通过气液换热器进入冷凝器，浓溶液变为稀溶液；所述冷凝器中的溶质蒸汽被重新冷凝为液体，然后被溶液泵加压经气液换热器分别进入一级蒸发器和二级蒸发器；所述一级蒸发器中，溶质液体通过内部换热器吸收来自低温余热存储装置中反应产物的热量后，汽化成溶质蒸汽并进入一级吸收器；所述一级吸收器中，稀溶液吸收溶质蒸汽，释放出热量并传递给二级蒸发器；所述二级蒸发器中，溶质液体吸收来自一级吸收器中的热量汽化为溶质蒸汽并进入二级吸收器；所述二级吸收器中的中间浓度溶液吸收溶质蒸汽，释放出热量并通过二级吸收器的内部换热器被传热介质储罐中的传热介质吸收，传热介质吸热后升温，从而完成利用吸收式制热系统提质的过程。
在储热模式下，所述中温蓄热单元中，中温余热存储装置内部填充的反应原料通过换热器吸收传热介质的热量，在合适的温度及压力环境中发生正向吸热反应，生成相态与密度不同的反应产物，密度大的反应产物留在中温余热存储装置中，具有一定温度且密度小的气态或液态的反应产物在压气机的吸入作用下进入中温蓄热装置换热；所述中温蓄热装置中反应产物换热完成后温度降低，经压气机送入中温生成物储罐进行储存，从而完成中温蓄热过程。
在释热模式下，所述低温生成物储罐中的气态或液态的反应产物排出，经过中温蓄热装置换热后进入低温余热存储装置，在合适的温度及压力环境中与低温余热存储装置中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途；同时，所述中温生成物储罐中的气态或液态的反应产物排出，经过中温蓄热装置换热后进入中温余热存储装置，在合适的温度及压力环境中与中温余热存储装置中原有的反应产物发生逆向放热反应，释放出热量通过内部换热器被外部循环工质吸收，用于其他工业生产或日常生活用途。
本发明具有以下优点及突出性技术效果：
1.本发明所述系统的储热密度明显高于显热储热和潜热储热，也高于常规的化学储热系统，而且可以实现热量长时间储存而几乎没有损失，储热效率高；
2.本发明利用吸收式制热提质单元对已储存的低品位余热进行提质，热能品位得到提高，并将提质后的中温热能进行储存，扩大了热能的应用范围；
3.本发明将化学储热与吸收式制热提质单元相结合，系统依次进行低温余热存储、低温余热提质以及中温蓄热，实现了余热的低温储存、提质以及中温储存和释放，在储热的同时提升了低温余热的品位，扩大了热能的应用范围，并且系统储热密度高、热损失小、储热效率高、经济效益好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图为本发明的提供的一种低温余热增焓双级储热系统。
图中各标号清单为：1-低温余热存储装置；2-低温生成物储罐；3-一级蒸发器；4-冷凝器；5-发生器；6-一级吸收器；7-二级蒸发器；8-二级吸收器；9-气液换热器；10-溶液换热器；11，12-溶液泵；13-传热介质储罐；14-中温余热存储装置；15-中温蓄热装置；16-中温生成物储罐；17-压气机；18，19，20，21，22，23-阀门；A，B，C，D，E，F，G-内部换热器。
具体实施方式
附图为本发明提供的一种低温余热增焓双级储热系统的原理结构示意图。所述系统组成实现及连接方式如下：所述系统包括低温余热存储单元、吸收式制热提质单元、中温蓄热单元。
其中，所述低温余热存储单元，包括低温余热存储装置1、低温生成物储罐2、一级蒸发器3和发生器5，所述低温余热存储装置1内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述吸收式制热提质单元，包括一级蒸发器3、二级蒸发器7、冷凝器4、一级吸收器6、二级吸收器8、气液换热器9、溶液换热器10和发生器5，所述发生器5内部填充实现吸收式制热提质的低浓度溶液，该溶液在浓度增加的过程中可放出热量。
其中，所述中温蓄热单元，包括传热介质储罐13、中温余热存储装置14、中温蓄热装置15、中温生成物储罐16和压气机17，所述中温余热存储装置14内部填充基于化学储热原理的反应原料，该反应原料可发生正向吸热反应(其逆向反应为放热反应)。
其中，所述低温余热存储单元的低温余热存储装置1的反应产物出口分为两路，通过管道分别与一级蒸发器3内部换热器C的入口和发生器5内部换热器D的入口连接；所述一级蒸发器3内部换热器C的出口和发生器5内部换热器D的出口通过管道与低温生成物储罐2的入口连接。
其中，所述吸收式制热提质单元的发生器5的溶液出口5a通过管道经溶液泵11、溶液换热器10，与一级吸收器6的溶液入口6b连接，发生器5的蒸汽出口5b通过管道经气液换热器9与冷凝器4的蒸汽入口4d连接；所述冷凝器4的液体出口4c通过管道经溶液泵12、气液换热器9分为两路，一路与一级蒸发器3的液体入口连接，另一路与二级蒸发器7的液体入口7a连接；所述一级蒸发器3的蒸汽出口通过管道与一级吸收器6的蒸汽入口6a连接；所述一级吸收器6的溶液出口6d通过管道与二级吸收器8的溶液入口8b连接，一级吸收器6中产生的热量可作为二级蒸发器7的外部热源；所述二级蒸发器7的蒸汽出口7b通过管道与二级吸收器8的蒸汽入口8a连接；所述二级吸收器8的溶液出口8c通过管道经溶液换热器10，与发生器5的溶液入口5c连接；所述二级吸收器8的内部换热器E的入口与传热介质储罐13的出口连接，二级吸收器8的内部换热器E的出口与中温余热存储装置14的内部换热器F的入口连接，中温余热存储装置14的内部换热器F的出口与传热介质储罐13的入口连接。
其中，所述中温蓄热单元的中温余热存储装置14的出口通过管道与中温蓄热装置15的热源入口15c连接；所述中温蓄热装置15的热源出口15d通过管道经压气机17与中温生成物储罐16的入口连接；所述中温生成物储罐16的出口通过管道与中温蓄热装置15的入口15b连接；所述中温蓄热装置15的出口15a通过管道与中温余热存储装置14的入口连接。
其中，所述低温生成物储罐2的出口通过管道与中温蓄热装置15的低温反应产物入口15e连接；所述中温蓄热装置15的低温反应产物出口15f通过管道与低温余热存储装置1的反应产物入口连接。
一种低温余热增焓双级储热系统，特征在于包括储热和释热两种运行模式：
在储热模式下，所述低温余热存储单元中，载有90℃-110℃余热的工质(水、烟气等)进入低温余热存储装置1的内部换热器A进行换热，换热完成后，所述载余热的工质(水、烟气等)温度降低并被排出；所述载有90℃-110℃的低品位余热的工质(水、烟气等)的热量被低温余热存储装置1中填充的CuSO4·5H2O吸收，CuSO4·5H2O吸收热量后在98℃的环境下发生正向吸热分解反应，反应公式为：
CuSO4·5H2O(s)→CuSO4·3H2O(s)+2H2O(l) ΔH＝99.64kJ/mol
CuSO4·5H2O发生脱水反应，脱出的98℃左右的水排出低温余热存储装置1后，分为两路，一路进入一级蒸发器3内部换热器C进行换热，另一路进入发生器5内部换热器D换热；换热后的两路脱出水降温至78℃左右进入低温生成物储罐2储存，从而完成低温余热存储过程。
在储热模式下，所述吸收式制热提质单元中，所述发生器5中存有以三氟乙醇(TFE)/二甲醚四甘醇(TEGDME)为工质对的溶液，TFE浓度为58％的TFE/TEGDME溶液通过内部换热器D吸收来自低温余热存储装置1脱出的98℃水的热量后，溶液被加热至97℃左右并蒸发出TFE蒸汽，TFE蒸汽压力14kPa、温度67℃左右，溶液中TFE浓度变为18％。温度97℃、TFE浓度为18％的TFE/TEGDME溶液被溶液泵11增压后，经溶液换热器10预热至118℃左右进入一级吸收器6。在所述一级吸收器6中，TFE浓度为18％的TFE/TEGDNE溶液吸收来自一级蒸发器3的TFE蒸汽并放出热量，将TFE/TEGDME溶液加热至125℃左右，TFE浓度增加至38％，随后，38％TFE浓度的TFE/TEGDME溶液进入二级吸收器8；所述二级吸收器8中，温度125℃TFE浓度为38％的TFE/TEGDME溶液吸收来自二级蒸发器7的TFE蒸汽并放出热量，将TFE/TEGDME溶液加热至155℃左右，TFE浓度增加至58％，同时向外提供热量。随后，温度155℃左右、TFE浓度为58％的TFE/TEGDME溶液离开二级吸收器8，经溶液换热器10、阀门19换热降温至67℃左右，回到发生器5。TFE蒸汽经气液换热器9换热降温至43℃左右进入冷凝器4；随后，在所述冷凝器4中，TFE蒸汽在14kPa的压力下被冷却为40℃左右的TFE液体，TFE液体通过溶液泵12加压排出冷凝器4，进入气液换热器9换热，换热升温至55℃左右后分为两路，一路进入一级蒸发器3，另一路进入二级蒸发器7。所述一级蒸发器3中，TFE液体通过的内部换热器C吸收来自低温余热存储装置1脱出的98℃水的热量后，在155kPa的压力下汽化成77℃左右的TFE蒸汽，随后77℃左右的TFE蒸汽进入一级吸收器6；所述一级吸收器6中，TFE浓度为18％的TFE/TEGDME溶液吸收77℃的TFE蒸汽，释放出热量并传递给二级蒸发器7。所述二级蒸发器7中，TFE液体吸收来自一级吸收器6中的热量后，在314kPa压力下汽化为152℃左右的TFE蒸汽，随后152℃左右的TFE蒸汽进入二级吸收器8；所述二级吸收器8中TFE浓度为38％的TFE/TEGDME溶液吸收152℃左右的TFE蒸汽，放出热量；释放出的热量通过二级吸收器8的内部换热器E被传热介质储罐13中的导热油THERMINOL 66吸收，导热油THERMINOL 66吸热后升温至152℃左右，随后进入中温余热存储装置14的内部换热器F换热，从而完成利用吸收式制热系统提质的过程。
在储热模式下，所述中温蓄热单元中，中温余热存储装置14中填充储氢合金NaAlH4，吸收152℃左右的导热油THERMINOL 66提供的热量后，NaAlH4发生正向吸热分解反应，反应公式为：
反应生成150℃左右的氢气，随后150℃氢气在压气机17的作用下进入中温蓄热装置15；150℃左右的氢气经过中温蓄热装置15进行换热，150℃左右的氢气的热量被储存在中温蓄热装置15中，换热完成后，150℃左右的氢气温度降低，随后经压气机17送入中温生成物储罐16进行储存，从而完成中温蓄热过程。
在释热模式下，所述低温生成物储罐2中的脱出水进入中温蓄热装置15换热，换热完成后，脱出水被预热至95℃左右并进入低温余热存储装置1，在95℃的温度下被反应产物CuSO4·3H2O吸附，发生逆向化合放热反应，反应公式为：
CuSO4·3H2O(s)+2H2O(l)→CuSO4·5H2O(s) ΔH＝-99.64kJ/mol释放出的热量通过内部换热器B传递给外部循环工质，用于其他工业生产或日常生活用途。
所述中温生成物储罐16中的氢气进入中温蓄热装置15进行换热，完成换热后，氢气被预热至150℃左右并进入中温余热化学存储装置14，在150℃的温度下与其中原有的固态反应产物Na3AlH6和Al发生逆向化合放热反应，反应公式为：
释放出的热量通过内部换热器F传递给外部循环工质，用于其他工业生产或日常生活用途。
150℃左右的余热可用于工业生产中的干燥物料、制冷、发电等，也可用于生活中采暖等，95℃左右的余热可用于生活用水的加热。
最后说明的是，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方案及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本发明说明书内容不应理解为对本发明的限制。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种低温余热增焓储热系统