带有两级相变储热装置和蒸汽储罐的复合储热系统

摘要

一种带有两级相变储热装置和蒸汽储罐的复合储热系统，采用水和水蒸汽为传热流体，自下而上依次布置有充热过程蒸汽分配器(1)、一级相变储热器(2)、蒸汽储罐(3)、二级相变储热器(4)和放热过程蒸汽汇集器(5)。两级相变储热器均包括相变材料和换热管束。充热过程中过热蒸汽从储热系统底部流入，使一级相变储热器(2)、蒸汽储罐(3)和二级相变储热器(4)中的饱和水温度升高，同时加热相变储热器中的相变材料，使其熔化，实现固‑液相变。放热过程中存储的饱和水发生闪蒸，从储热系统顶部流出，使一级相变储热器(2)、蒸汽储罐(3)和二级相变储热器(4)中的饱和水温度降低，同时冷却相变储热器中的相变材料，使其凝固，实现液‑固相变。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合储热系统，特别涉及使用两级相变储热装置和蒸汽储罐的储热系统。

背景技术

太阳能热发电站通常包括4个部分：聚光系统、吸热系统、储热系统及热功转换系统，其中储热系统是太阳能热发电站实现大规模商业化运行的关键部分。按储热原理划分，储热分为显热储热、潜热储热和化学反应储热三种主要形式，其中显热储热由于技术简单成熟，成本较低，因此在太阳能热发电系统中应用最为广泛。潜热储热的单位体积热容量较大，相变时温度基本保持不变，是目前研究最多的储热方式。化学反应储热由于技术较为复杂，成本较高，工业上尚无大规模应用实例。显热储热材料包括液体材料：如水，导热油和熔融盐等和固体材料：如铸铁、铁矿石、卵石、砂石、陶瓷，高温混凝土等。熔融盐具有较强的腐蚀性，对储热系统中的换热管道有非常强的破坏性，同时熔融盐的凝固温度较高，需要增加额外的设施防止熔融盐凝固，提高了系统的成本。导热油由于使用温度限制，无法用于400℃以上温度的热量储存，且工质造价和系统成本均较高，大规模应用的经济性不佳。高温混凝土虽然具有高温性能稳定、投资成本低、运行维护方便、使用寿命长等优点，但储热密度低、导热系数不高等不足使得放热过程的传热流体参数不断降低，限制了其在发电领域的推广和应用。

蒸汽蓄热器是目前国内外在余热利用、太阳能热发电及很多间歇式用蒸汽场合广泛应用。但存在大容量存储时压力容器成本过高的不足，限制了其在大型太阳能热发电系统中的应用。国内外已开展了诸多针对存储蒸汽热能的技术研究，中国专利CN102777874A提出了一种直接产生蒸汽的相变储热系统及相变储热剂的制备方法，采用石墨泡沫对相变材料进行强化，相变材料放置于蒸汽罐体中。中国专利CN106287623A提出了一种相变蓄热式蒸汽蓄热器，相变材料均匀布置于蒸汽储罐中，提高了蒸汽蓄热器的储热密度。但由于相变材料布置于蒸汽储罐内部，占用了罐体容积，会带来一定的成本增加。中国专利CN106556165A提出了一种安装于厂房屋顶的太阳能蒸汽蓄热系统，采用单一的蒸汽蓄热器进行存储蒸汽热量。中国专利CN108061395A和CN107989759A提出一种用于太阳能热发电系统的蒸汽热能存储系统，采用混凝土作为储热介质，系统中配置多个汽水分离器进行蒸汽和水的分离和调节，很好的利用了蒸汽和混凝土的材料特性。但是混凝土属于显热储热，储热材料用量较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有蒸汽蓄热器在容积较大时成本过高的不足，将相变储热与传统蒸汽蓄热器的基本原理相结合，提供一种结构简单，成本低廉的复合储热系统。

本发明采用两级相变储热器与蒸汽储罐相结合的方法，根据蒸汽储罐内水蒸气充放热过程的温度和压力参数选择合适的相变材料。本发明的储热系统包括三部分，一级相变储热器、蒸汽储罐和二级相变储热器。采用水/蒸汽作为传热流体进行充热和放热。

根据水/蒸汽的热物理性能参数及运行过程要求，本发明的主要设备按照自下而上的方式布置。一级相变储热器位于储热系统底部，蒸汽储罐位于储热系统中部，二级相变储热器位于储热系统顶部。一级相变储热器的上部和蒸汽储罐下部之间采用第一换热管束连接，蒸汽储罐上部与二级相变储热器底部之间采用第二换热管束连接。一级相变储热器下部安装有充热过程蒸汽分配器、控制阀门及连接管路。一级相变储热器下部通过连接管路与充热过程蒸汽分配器连接，充热过程蒸汽分配器位于一级相变储热器的下方，充热过程阀门位于充热过程蒸汽分配器的入口处，用于调节充热时蒸汽的流量。二级相变储热器上部安装有放热过程蒸汽汇集器、放热过程阀门及连接管路。二级相变储热器的上部通过连接管路与放热过程蒸汽汇集器连接，放热过程蒸汽汇集器位于二级相变储热器上部，放热过程阀门位于放热过程蒸汽汇集器的出口处，用于调控放热过程的蒸汽流量。一级相变储热器和二级相变储热器均采用内埋换热管束式的布置方式，一级相变储热器内的换热管束中为饱和水，二级相变储热器的换热管束中为饱和蒸汽。一级相变储热器和蒸汽储罐之间通过第二换热管束连通，蒸汽储罐和二级相变储热器间通过第一换热管束连通，共同构成饱和蒸汽空间和饱和水空间，换热管束和蒸汽储罐具有相同的承压能力。一级相变储热器和二级相变储热器中相变材料的选取、换热管束布置方式及储热量等参数需根据充热和放热过程传热特点设计。

以下分别说明本发明储热系统在充热和放热过程中的工作原理。

充热过程：高温的过热蒸汽经一级相变储热器中的换热管束流入储热系统，温度高的蒸汽与储热系统中的饱和水混合，释放出凝结潜热，使得储热系统中的饱和水温度升高，水容积增大，同时加热一级相变储热器中的第一换热管束，进而加热一级相变储热器中的第一相变材料，根据蒸汽参数，可以选择无机盐类、金属合金类等作为相变材料。随着过程的进行，储热系统中的水容积逐渐变大，压力增大，饱和蒸汽温度也不断升高，蒸汽空间逐渐减小。在此过程中，饱和蒸汽与二级相变储热器的第二换热管束间实现换热，进而加热二级相变储热器中的第二相变材料，根据蒸汽参数，可以选择无机盐类、金属合金类等作为相变材料。一级相变储热器和二级相变储热器中的相变材料可以相同也可以不同。饱和蒸汽被冷凝流回蒸汽储罐中。当储热系统中的蒸汽压力达到设定值时，充热过程结束。

放热过程：关闭蒸汽的入口阀门，储热系统的水和蒸汽空间处于一个密闭空间，密闭空间内为饱和水和饱和蒸汽的混合物。靠重力作用，饱和蒸汽处于储热系统的顶部，即二级相变储热器的第二换热管束中和蒸汽储罐的上部分空间，饱和水位于蒸汽储罐的下部分空间和一级相变储热器的第一换热管束中。开启放热过程的蒸汽出口阀门，在蒸汽压力差的作用下，储热系统中饱和蒸汽会通过蒸汽出口阀门流出。由于饱和蒸汽与饱和水的空间是封闭的，饱和蒸汽的流出引起整个空间内蒸汽压力降低，使得饱和水出现闪蒸，源源不断的产生饱和蒸汽。饱和水闪蒸为饱和蒸汽的过程释放出汽化潜热。温度不断降低饱和蒸汽流经二级相变储热器换热管束时发生对流换热过程，二级相变储热器中的相变材料经历液态温度降低、凝固和固体温度降低的过程，将存储的热量释放出来加热饱和蒸汽。储热系统中饱和水的温度不断降低，一级相变储热器中的第一换热管束内存储的饱和水对相变材料具有冷却作用，使得一级相变储热器中的相变材料经历液态温度降低、凝固和固体温度降低的过程。

本发明的优点是充分利用重力作用，将相变材料储热过程与储热系统中的蒸汽凝结和闪蒸过程有机结合，同时将相变储热器中的换热管束与蒸汽储罐连通，形成的封闭空间用于存储饱和蒸汽和饱和水，从而减少蒸汽储罐的容积。一级相变储热器和二级相变储热器的应用可以进一步增大储热容量，减少蒸汽储罐的容积。

本发明适用于充热和放热过程传热流体为水/蒸汽的系统，在太阳能高温热发电、太阳能中温蒸汽锅炉、蒸汽余热应用等领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1本发明配置一个蒸汽储罐的复合储热器示意图；

图2本发明配置两个蒸汽储罐的复合储热器示意图；

图3本发明换热管束为翅片式换热管的相变储热器示意图；

图4本发明换热管束为蛇形换热管的相变储热器示意图；

图中：1充热过程蒸汽分配器、2一级相变储热器、3蒸汽储罐、3’蒸汽储罐、4二级相变储热器、5放热过程蒸汽汇集器、6微过热蒸汽、7充热过程阀门、8饱和水、9第一换热管束、10第一相变材料、11水蒸气、12第二换热管束、13第二相变材料、14放热过程阀门、15放热过程蒸汽、16气液界面、17散热翅片、18蛇形换热管。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明复合储热器由充热过程蒸汽分配器1、一级相变储热器2、蒸汽储罐3、二级相变储热器4、放热过程蒸汽汇集器5、充热过程阀门7、第一换热管束9、第一相变材料10、第二换热管束12和第二相变材料13自下而上依次布置组成。一级相变储热器2位于储热系统底部，蒸汽储罐3位于储热系统中部，二级相变储热器4位于储热系统顶部。一级相变储热器2的上部一级相变储热器2下部之间采用第一换热管束9连接，一级相变储热器2通过第一换热管束9连通；蒸汽储罐3上部与二级相变储热器4底部之间采用第二换热管束12连接，一级相变储热器2与二级相变储热器4通过第二换热管束12连通。第一换热管束9贯穿一级相变储热器2，第一换热管束9的上部埋置于蒸汽储罐3中，第一换热管束9的下部埋置于充热过程蒸汽分配器1中，第一相变材料10位于一级相变储热器2内，第一相变材料10为无机盐类、金属合金类等储热材料。第一相变材料10充满于第一换热管束9的外壁与一级相变储热器2的腔体围成的空隙中。第二换热管束12贯穿二级相变储热器4，第二换热管束12的下部埋置于蒸汽储罐3中，第二换热管束12的上部埋置于放热过程蒸汽汇集器5中，第二相变材料13位于二级相变储热器4内，第二相变材料13为无机盐类、金属合金类等储热材料。第二相变材料13充满于第二换热管束12外壁和二级相变储热器4腔体围成的空隙中。充热过程阀门7位于充热过程蒸汽分配器1的入口，放热过程阀门14位于放热过程蒸汽汇集器5的出口。

本发明复合储热系统充热时，微过热蒸汽6通过充热过程阀门7流入充热过程蒸汽分配器1内，微过热蒸汽6溶入充热过程蒸汽分配器1内的饱和水8中，将饱和水8加热，同时饱和水8的液位上升，上升的饱和水8在一级相变储热器2的第一换热管束9中缓慢向上流动，流动过程中将热量传递给一级相变储热器2内的第一相变材料10。由于微过热蒸汽6不断注入，使得整个储热系统的水容积不断增大，储热系统内的压力不断升高，蒸汽储罐3内的水蒸气11温度也不断升高。温度升高的水蒸气11向上流动进入二级相变储热器4内部的第二换热管束12中，流动过程中将热量传递给二级相变储热器4内的第二相变材料13，当第二相变材料13的温度低于储热系统中蒸汽压力对应的饱和温度时，水蒸气11被冷却，凝结为冷凝水，冷凝水沿着第二换热管束12的内壁面靠重力流回蒸汽储罐3内。当第二相变材料13的温度与储热系统中蒸汽压力对应的饱和温度接近时，水蒸气11与第二相变材料13间的热交换量很小，无法将水蒸气11冷却为冷凝水，水蒸气11则滞留在第二换热管束12中，与蒸汽储罐3共同构成本储热系统的蒸汽空间。

放热过程是个饱和蒸汽自蒸发的过程，与充热过程相反。本发明复合储热系统放热时，关闭充热过程阀门7，打开放热过程阀门14，保持本发明复合储热系统内蒸汽压力高于放热过程阀门14连接的外部空间压力与一个蒸汽压力低于储热器内蒸汽压力的空间，在压差的作用下，存储于储热系统内的饱和蒸汽发生自蒸发现象，不断蒸发出饱和蒸汽11，上升的饱和蒸汽11在二级相变储热器4中的第二换热管束12中缓慢向上流动，流动过程中吸收从二级相变储热器4内的第二相变材料13的热量，水蒸气11流入放热过程蒸汽汇集器5后通过放热过程阀门14流出，形成放热过程蒸汽15。蒸汽储罐3中的气液界面16是饱和水8和水蒸气11的分界面，该气液界面16在充热和放热过程中保持上下移动。随着蒸汽不断从放热过程阀门14输出，储热系统中的蒸汽空间逐渐增大，水空间逐渐减小，饱和水和饱和蒸汽11的压力和温度均不断降低，使得一级相变储热器2中第一换热管束9中的饱和水温度低于第一相变材料10的温度，第一相变材料10将热量通过第一换热管束9的壁面传递给饱和水，存储的热量得到不断释放。

下面结合图2说明一套相变储热装置并联两个蒸汽储罐的实施例。

本发明提出的储热系统可以并联多个蒸汽储罐3，以图2为例，自下而上依次布置有充热过程蒸汽分配器1、一级相变储热器2、蒸汽储罐3、蒸汽储罐3’，二级相变储热器4、放热过程蒸汽汇集器5、充热过程阀门7、第一换热管束9、第一相变材料10、第二换热管束12和第二相变材料13。第一换热管束9贯穿一级相变储热器2，第一换热管束9的上部分别埋置于蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’中，第一换热管束9的下部埋置于充热过程蒸汽分配器1中，第一相变材料10位于一级相变储热器2内，第一相变材料10充满于第一换热管束9外壁与一级相变储热器2腔体围成的空隙中。第二换热管束12贯穿二级相变储热器4，第二换热管束12的下部埋置于蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’中，第二换热管束12的上部埋置于放热过程蒸汽汇集器5中，第二相变材料13位于二级相变储热器4内，第二相变材料13充满于第二换热管束12外壁和相变储热器4腔体围成的空隙中。充热过程阀门7位于充热过程蒸汽分配器1的入口，放热过程阀门14位于放热过程蒸汽汇集器5的出口。

本发明提出的储热系统进行充热时，微过热蒸汽6通过充热过程阀门7流入充热过程蒸汽分配器1内，微过热蒸汽6溶入充热过程蒸汽分配器1内的饱和水8中，将饱和水8加热，同时饱和水8的液位上升，上升的饱和水8在一级相变储热器2的第一换热管束9中缓慢向上流动，流动过程中将热量传递给一级相变储热器2内的第一相变材料10。由于微过热蒸汽6不断注入，使得整个储热系统的水容积不断增大，系统内的压力不断升高，蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’内的水蒸气11温度也不断升高。温度升高的水蒸气11向上流动进入二级相变储热器4内部的第二换热管束12中，流动过程中将热量传递给二级相变储热器4内的第二相变材料13，当第二相变材料13的温度低于系统中蒸汽压力对应的饱和温度时，水蒸气11被冷却，凝结为冷凝水，冷凝水沿着第二换热管束12的内壁面靠重力流回蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’内。当第二相变材料13的温度与系统中蒸汽压力对应的饱和温度接近时，水蒸气11与第二相变材料13间热交换量很小，无法将水蒸气11冷却为冷凝水，水蒸气11则滞留在第二换热管束12中，与蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’共同构成本储热系统的蒸汽空间。

放热过程是个饱和蒸汽自蒸发的过程，与充热过程相反。本发明复合储热器进行放热时，关闭充热过程阀门7，打开放热过程阀门14，保持本发明复合储热器内蒸汽压力高于放热过程阀门14连接的外部空间压力，在压差的作用下，储热器内的饱和蒸汽发生自蒸发现象，不断蒸发出饱和蒸汽11，上升的饱和蒸汽11在二级相变储热器4中的第二换热管束12中缓慢向上流动，流动过程中吸收从二级相变储热器4内第二相变材料13的热量，水蒸气11流入放热过程蒸汽汇集器5后通过放热过程阀门14流出，形成放热过程蒸汽15。蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’中的气液界面16是饱和水8和水蒸气11的分界面，在充热和放热过程中保持上下移动。随着蒸汽的不断从阀门14输出，储热系统中的气空间逐渐增大，水空间逐渐减小，饱和水和饱和蒸汽的压力和温度均不断降低，使得一级相变储热器2中第一换热管束9中的饱和水温度低于第一相变材料10的温度，第一相变材料10将热量通过第一换热管束9的壁面传递给饱和水，存储的热量得到不断释放。

图2中的蒸汽储罐3和蒸汽储罐3’可以并联使用，也可以通过布置相应的调控系统单独运行。采用两个或更多个蒸汽储罐可以共用一套一级相变储热器2和一套二级相变储热器4。由于大容量的蒸汽储罐造价较高，这样可以通过多个成本相对较低的小容量蒸汽储罐并联实现大容量蒸汽存储。

图3为换热管为翅片式换热管的相变储热器示意图，图1和图2所示的一级相变储热器2中的第一换热管束9的外管壁上，二级相变储热器4中的第二换热管束12的外管壁上可安装有针形、柱形或条形等散热翅片17，其目的是增加第一换热管束9与第一相变材料10、第二换热管束12与第二相变材料13间的接触面积，提高一级相变储热器2或二级相变储热器4充热和放热过程的传热速率。

图4为换热管为蛇形排列的相变储热器示意图，对于图1和图2所示的一级相变储热器2和二级相变储热器4，用蛇形换热管18替代第一换热管束9和第二换热管束12，可以增加第一换热管束9与第一相变材料10、第二换热管束12与第二相变材料13间的接触面积，提高一级相变储热器2或二级相变储热器4充热和放热过程的传热速率。