專利名稱：一種直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫儲(chǔ)熱器，特別涉及使用高溫混凝土作為儲(chǔ)熱材料的直接產(chǎn)生蒸汽的儲(chǔ)熱器。
背景技術(shù)：
太陽能熱發(fā)電站通常包括4個(gè)部分聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)以及熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中儲(chǔ)熱系統(tǒng)是太陽能熱發(fā)電站實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行的關(guān)鍵部分。按儲(chǔ)熱原理劃分，儲(chǔ)熱分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三種主要形式，其中顯熱儲(chǔ)熱由于技術(shù)簡(jiǎn)單成熟，成本較低，因此在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。潛熱儲(chǔ)熱的單位體積熱容量較大，相變時(shí)溫度基本保持不變，是目前研究最多的儲(chǔ)熱方式，但潛熱儲(chǔ)熱在換熱器的設(shè)計(jì)及儲(chǔ)熱材料的選擇上存在較大困難，而且經(jīng)多次循環(huán)后儲(chǔ)熱材料的相變性能會(huì)發(fā)生退化，因而在太陽能電站中尚未得到應(yīng)用。化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱由于技術(shù)較為復(fù)雜，成本較高，工業(yè)上尚無大規(guī)模應(yīng)用實(shí)例。用于太陽能熱發(fā)電站中的顯熱儲(chǔ)熱材料包括液體材料(如水，導(dǎo)熱油和熔融鹽等)和固體材料(如鑄鐵、鐵礦石、卵石、砂石、陶瓷，高溫混凝土等)。熔融鹽具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的換熱管道有非常強(qiáng)的破壞性，同時(shí)熔融鹽的凝固溫度較高，需要增加額外的設(shè)施防止熔融鹽凝固，提高了系統(tǒng)的成本。導(dǎo)熱油由于使用溫度限制，無法用于400°C以上溫度的熱量?jī)?chǔ)存，且工質(zhì)造價(jià)和系統(tǒng)成本均較高，大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性不佳。高溫混凝土具有高溫性能穩(wěn)定、投資成本低、運(yùn)行維護(hù)方便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外已開展了諸多高溫混凝土儲(chǔ)熱技術(shù)方面的研究，中國(guó)專利 CN200610112004. 4提出將熱管埋置于混凝土儲(chǔ)熱塊中，熱管的冷熱端分別浸入冷熱流體池中，利用熱管為混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行充放熱。中國(guó)專利CN200910272709.6提出了一種新的混凝土儲(chǔ)熱塊管道布置方式，其換熱管道的按正方形排列，并從混凝土儲(chǔ)熱材料的制備方面提出了提高混凝土材料熱傳導(dǎo)率的材料配方及澆注方法。美國(guó)專利US20090294092提出在以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的混凝土蓄熱器的換熱鋼管外涂上一層低熔點(diǎn)的涂料，解決混凝土與換熱鋼管熱膨脹率不匹配的問題。德國(guó)專利DE102009036550將混凝土浸泡在一種傳熱工質(zhì)中，充放熱管路中的流體通過換熱鋼管以及傳熱工質(zhì)與混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行熱交換，該蓄熱器的特點(diǎn)是拆卸方便，同時(shí)可有效避免換熱鋼管與混凝土儲(chǔ)熱塊間出現(xiàn)開裂的問題。這些關(guān)于混凝土儲(chǔ)熱專利均采用充熱流體和放熱流體為同一工質(zhì)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，需要另設(shè)蒸汽發(fā)生器以產(chǎn)生蒸汽，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜，系統(tǒng)熱效率較低，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有高溫混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)充熱與放熱過程使用同一工質(zhì)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的可直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器。本發(fā)明采用高溫混凝土作為儲(chǔ)熱材料，工作溫度為400-60(TC。充熱流體可以為熔融鹽、導(dǎo)熱油、高壓水、 過熱蒸汽等工質(zhì)，放熱流體為水/蒸汽，可以直接產(chǎn)生蒸汽，儲(chǔ)熱器可實(shí)現(xiàn)充熱與放熱過程同時(shí)運(yùn)行和充熱、放熱過程單獨(dú)運(yùn)行。
本發(fā)明的高溫混凝土儲(chǔ)熱器包括高溫混凝土儲(chǔ)熱塊、充熱管路和放熱管路。充熱管路和放熱管路相互獨(dú)立，采用兩種不同的傳熱流體進(jìn)行充熱和放熱。所述的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊由高溫混凝土材料澆注而成，是高溫混凝土儲(chǔ)熱器的主體部分，位于儲(chǔ)熱器的中心位置。所述的高溫混凝土儲(chǔ)熱器包括充熱和放熱兩套相互獨(dú)立的管路，采用兩種不同的傳熱流體進(jìn)行充熱和放熱。所述的充熱管路主要由充熱管組成，充熱管水平埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊中，呈正三角形排列。充熱管可以是金屬管、陶瓷管或預(yù)成型的高溫混凝土流道，充熱流體可以是熔融鹽、導(dǎo)熱油、高壓水、過熱蒸汽等。放熱管路由給水管、給水閥、給水泵、給水進(jìn)口閥、水進(jìn)口管、放熱循環(huán)管、豎直放熱管、蒸汽出口閥、蒸汽出口管、汽水分離母管、循環(huán)水泵、回流水罐、回流進(jìn)口管、回流進(jìn)口閥、回流出口管、回流出口閥等部件組成。 汽水分離母管安裝于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊的頂部，豎直放熱管豎直埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊中，與充熱管呈平行交叉排列，放熱循環(huán)管位于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊的左側(cè)，與豎直放熱管的一端相連。豎直放熱管和放熱循環(huán)管的另一端與汽水分離母管的底部相連，形成連通的U 型管。豎直放熱管和放熱循環(huán)管為承壓鋼管，放熱流體為水/蒸汽。循環(huán)水泵位于放熱循環(huán)管的中部，通過放熱循環(huán)管與汽水分離母管相連。蒸汽出口管位于汽水分離母管的頂部， 通過蒸汽出口閥與汽水分離母管相連。水進(jìn)口管與汽水分離母管的底部相連，放熱流體水依次經(jīng)過給水管、給水閥、給水泵、給水進(jìn)口閥、水進(jìn)口管后進(jìn)入到汽水分離母管中。回流進(jìn)口管位于回流水罐的頂部，通過回流進(jìn)口閥與放熱循環(huán)管的底部相連，回流出口管位于回流水罐的底部，通過回流出口閥與給水泵相連。本發(fā)明的儲(chǔ)熱方法是將儲(chǔ)熱器的放熱過程分為兩個(gè)階段，在放熱過程的第一階段，蒸汽出口閥關(guān)閉，此時(shí)豎直放熱管內(nèi)的換熱方式為自然對(duì)流換熱。當(dāng)太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電系統(tǒng)需要飽和蒸汽時(shí)，放熱過程進(jìn)入第二階段，此時(shí)蒸汽出口閥開啟，豎直放熱管內(nèi)的換熱方式為強(qiáng)迫對(duì)流換熱。該儲(chǔ)熱方法可以實(shí)現(xiàn)充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行和充熱、放熱過程單獨(dú)進(jìn)行兩種運(yùn)行模式。本發(fā)明高溫混凝土儲(chǔ)熱器中充熱管水平放置呈正三角形排列，有利于充熱過程中高溫混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度的均勻化。豎直放熱管呈豎直放置，利用重力實(shí)現(xiàn)水與蒸汽的分離，同時(shí)也利于管道內(nèi)壁的清洗和排污，避免管道中因汽化而導(dǎo)致的換熱表面?zhèn)鳠釔夯?埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊中的充熱管和豎直放熱管，可以在徑向加裝散熱翅片，以提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的充熱和放熱速度，同時(shí)保證高溫混凝土儲(chǔ)熱塊內(nèi)部溫度分布均勻。豎直放熱管之間，可以用水平管道連接，或者將豎直放熱管按蛇形排列，以增加豎直放熱管與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊之間的換熱面積。汽水分離母管與放熱循環(huán)管和豎直放熱管連接形成U型管，保證整個(gè)放熱過程中豎直放熱管中始終有水與高溫混凝土換熱。放熱循環(huán)管的下部安裝有回流水罐，可以在儲(chǔ)熱器充熱過程中使豎直放熱管中的水靠重力作用流回到回流水罐中，防止充熱過程中汽水分離母管中的壓力增大。放熱過程中，充熱管中的充熱流體不必排空，可以作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的一部分，在儲(chǔ)熱器的放熱過程中將自身儲(chǔ)存的熱量釋放，有效利用放熱過程中充熱管中的閑置空間，提高整個(gè)儲(chǔ)熱器的效率。該儲(chǔ)熱方法采用自然對(duì)流換熱與強(qiáng)迫對(duì)流換熱相結(jié)合的方式進(jìn)行放熱，儲(chǔ)熱器在放熱過程的第一階段采用自熱對(duì)流換熱的方式進(jìn)行放熱，當(dāng)放熱過程進(jìn)入第二階段時(shí)采用強(qiáng)迫對(duì)流換熱的方式進(jìn)行放熱。放熱過程中，豎直放熱管內(nèi)的放熱流體水被加熱直接產(chǎn)生飽和蒸汽。該儲(chǔ)熱器及儲(chǔ)熱方法既充分利用了高
5溫混凝土儲(chǔ)熱材料熱傳導(dǎo)率較低的特點(diǎn)，提高了儲(chǔ)熱器的放熱速率，同時(shí)又減少了完全依靠強(qiáng)迫對(duì)流換熱時(shí)給水泵的功耗，降低了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本。本發(fā)明的高溫混凝土儲(chǔ)熱器可以根據(jù)需要將多個(gè)儲(chǔ)熱器并聯(lián)或者串聯(lián)使用，當(dāng)前一級(jí)儲(chǔ)熱器的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度降低到無法產(chǎn)生蒸汽時(shí)，可以作為下一級(jí)儲(chǔ)熱器的預(yù)熱器繼續(xù)使用，最大限度的利用存儲(chǔ)的能量，提高整個(gè)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率。以下分別說明本發(fā)明直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器在充熱和放熱過程中的工作原理。充熱過程汽水分離母管、放熱循環(huán)管和豎直放熱管中的水靠重力作用流入回流水罐中，同時(shí)充熱流體在泵的作用下從充熱管的左邊入口進(jìn)入充熱管中，與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行對(duì)流換熱，高溫混凝土儲(chǔ)熱塊吸收熱量溫度升高，充熱流體放出熱量溫度降低，并從充熱管的右邊出口流出。當(dāng)充熱管出口處的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充熱過程結(jié)束。放熱過程充熱過程結(jié)束后，儲(chǔ)熱器進(jìn)入放熱過程的第一階段，此時(shí)發(fā)電系統(tǒng)不需要飽和蒸汽，蒸汽出口閥關(guān)閉。回流水罐和給水管中的水通過給水泵進(jìn)入汽水分離母管、放熱循環(huán)管和豎直放熱管中。豎直放熱管中的水與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行自然對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊中的熱量，溫度升高。當(dāng)豎直放熱管管壁上水的溫度達(dá)到飽和溫度時(shí)， 管壁上產(chǎn)生氣泡(飽和蒸汽)。飽和蒸汽靠重力作用，沿著豎直放熱管上升，進(jìn)入汽水分離母管中。汽水分離母管中的水通過放熱循環(huán)管進(jìn)入豎直放熱管中補(bǔ)充被加熱變?yōu)轱柡驼羝姆艧崃黧w。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)需要飽和蒸汽時(shí)，儲(chǔ)熱器進(jìn)入放熱過程的第二階段。此時(shí)，打開蒸汽出口閥，將放熱過程第一階段產(chǎn)生的飽和蒸汽通過蒸汽出口管排出。如果此時(shí)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度仍高于水的飽和溫度，則通過循環(huán)水泵使水在汽水分離母管、放熱循環(huán)管和豎直放熱管中循環(huán)。豎直放熱管中的水與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊中的熱量，溫度升高最終變?yōu)轱柡驼羝?，并通過蒸汽出口管排出。當(dāng)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊的溫度降低到水的飽和溫度以下時(shí)，儲(chǔ)熱器的放熱過程結(jié)束?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明涉及的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器及儲(chǔ)熱方法，適合于以高溫混凝土為儲(chǔ)熱材料，充熱和放熱過程采用不同傳熱流體的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，尤其適用于放熱流體為水/蒸汽的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在太陽能中高溫?zé)岚l(fā)電及其它需要存儲(chǔ)高溫?zé)崮艿墓I(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1本發(fā)明直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器示意圖；圖2本發(fā)明直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器左視圖；圖3本發(fā)明換熱管為翅片式換熱管的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊示意圖；圖4本發(fā)明豎直放熱管具有水平連接管的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊示意圖；圖5本發(fā)明豎直放熱管為蛇形排列的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊示意圖；圖6本發(fā)明高溫混凝土儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行的儲(chǔ)熱系統(tǒng)示意圖； 圖中1給水管、2給水閥、3給水泵、4給水進(jìn)口閥、5水進(jìn)口管、6放熱循環(huán)管、7充熱管、8高溫混凝土儲(chǔ)熱塊、9豎直放熱管、10蒸汽出口閥、11蒸汽出口管、12水、13充熱流體、14飽和蒸汽、15汽水分離母管、16循環(huán)水泵、17回流水罐、18回流進(jìn)口管、19回流進(jìn)口閥、20回流出口管、21回流出口閥、22散熱翅片、23放熱管水平連接管、M蛇形放熱管、25 串聯(lián)連接管、26預(yù)熱水進(jìn)口閥。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示的本發(fā)明直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，由給水管1、給水閥2、給水泵3、給水進(jìn)口閥4、水進(jìn)口管5、放熱循環(huán)管6、充熱管7、高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8、豎直放熱管9、蒸汽出口閥10、蒸汽出口管11、水12、充熱流體13、飽和蒸汽14、汽水分離母管15、循環(huán)水泵16、回流水罐17、回流進(jìn)口管18、回流進(jìn)口閥19、回流出口管20、回流出口閥21組成。高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8由高溫混凝土材料澆注而成，是高溫混凝土儲(chǔ)熱器的主體部分，處于儲(chǔ)熱器的中心位置。本發(fā)明高溫混凝土儲(chǔ)熱器包括充熱和放熱兩套相互獨(dú)立的管路，采用兩種不同的傳熱流體進(jìn)行充熱和放熱。充熱管路主要由充熱管7組成，充熱管7水平埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中，呈正三角形排列。充熱管7可以是金屬管、陶瓷管或預(yù)成型的高溫混凝土流道，充熱流體13可以是熔融鹽、導(dǎo)熱油、高壓水、過熱蒸汽等。放熱管路由給水管1、給水閥 2、給水泵3、給水進(jìn)口閥4、水進(jìn)口管5、放熱循環(huán)管6、豎直放熱管9、蒸汽出口閥10、蒸汽出口管11、汽水分離母管15、循環(huán)水泵16、回流水罐17、回流進(jìn)口管18、回流進(jìn)口閥19、回流出口管20、回流出口閥21等部件組成。汽水分離母管15安裝于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的頂部，豎直放熱管9豎直埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中，與充熱管7呈平行交叉排列。放熱循環(huán)管6位于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的左側(cè)，與豎直放熱管9的一端相連。豎直放熱管9和放熱循環(huán)管6的另一端與汽水分離母管15的底部相連，形成連通的U型管。豎直放熱管9和放熱循環(huán)管6為承壓鋼管，放熱流體為水12。循環(huán)水泵16位于放熱循環(huán)管6的中部，通過放熱循環(huán)管6與汽水分離母管15相連。蒸汽出口管11位于汽水分離母管15的頂部，通過蒸汽出口閥10與汽水分離母管15相連。水進(jìn)口管5與汽水分離母管15的底部相連，放熱流體水12依次經(jīng)過給水管1、給水閥2、給水泵3、給水進(jìn)口閥4、水進(jìn)口管后5進(jìn)入到汽水分離母管15中?；亓鬟M(jìn)口管18位于回流水罐17的頂部，通過回流進(jìn)口閥19與放熱循環(huán)管6的底部相連，回流出口管20位于回流水罐17的底部，通過回流出口閥21與給水泵3 相連。高溫混凝土儲(chǔ)熱器中的汽水分離母管15、放熱循環(huán)管6、高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8、豎直放熱管9、蒸汽出口閥10、蒸汽出口管11進(jìn)行保溫和防泄漏處理。下面結(jié)合圖1和圖2說明本發(fā)明直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器的實(shí)施例。充熱與放熱過程單獨(dú)進(jìn)行的運(yùn)行方式該運(yùn)行方式中，放熱管路中的水12在儲(chǔ)熱器充熱開始前需要排空，當(dāng)儲(chǔ)熱器充熱過程結(jié)束，放熱過程進(jìn)入第一階段時(shí)再通過給水泵3加入到放熱管路中，并與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8進(jìn)行自然對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中的熱量。在充熱開始前，打開回流進(jìn)口閥19，使汽水分離母管15、放熱循環(huán)管6以及豎直放熱管9中的水12依靠重力作用流入回流水罐17中。放熱管路中的水排干后，關(guān)閉回流進(jìn)口閥 19。充熱時(shí)，充熱流體13在泵的作用下從充熱管的左邊入口進(jìn)入充熱管7中，經(jīng)對(duì)流換熱將熱量傳遞給高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8，高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8吸收熱量后溫度升高，充熱流體13放出熱量，溫度降低，并從充熱管的右邊出口流出。當(dāng)充熱管7出口處的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充熱過程結(jié)束。充熱過程完成后，儲(chǔ)熱器進(jìn)入放熱過程的第一階段。充熱管7中的充熱流體13不排空，仍然留在充熱管7內(nèi)，作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的一部分。打開給水閥2、給水進(jìn)口閥4和回流出口閥21，將給水管1和回流水罐17中的水12通過給水泵3經(jīng)水進(jìn)口管5泵入汽水分離母管15、放熱循環(huán)管6以及豎直放熱管9中，關(guān)閉給水閥2、給水進(jìn)口閥4和回流出口閥19。在放熱過程的第一階段，豎直放熱管9中的水12與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8進(jìn)行自然對(duì)流換熱， 吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中的熱量，溫度升高。當(dāng)豎直放熱管9中的水12的溫度高于飽和溫度時(shí)，汽化產(chǎn)生飽和蒸汽14，飽和蒸汽14依靠重力作用，沿著豎直放熱管9上升，進(jìn)入汽水分離母管15中。汽水分離母管15中的水12通過放熱循環(huán)管6流入豎直放熱管9中以補(bǔ)充被加熱變?yōu)轱柡驼羝?4的水12。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)需要高溫飽和蒸汽14時(shí)，儲(chǔ)熱器進(jìn)入放熱過程的第二階段，打開蒸汽出口閥10，放熱過程的第一階段產(chǎn)生的飽和蒸汽14經(jīng)蒸汽出口管11進(jìn)入過熱設(shè)備過熱，供汽輪機(jī)使用。儲(chǔ)熱器在放熱過程的第二階段中，如果高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的溫度仍然高于水12 的飽和溫度，則啟動(dòng)循環(huán)水泵16，使水12在汽水分離母管15、放熱循環(huán)管6和豎直放熱管 9中循環(huán)流動(dòng)。豎直放熱管9中的水12與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中的熱量，溫度升高，最終變?yōu)轱柡驼羝?4進(jìn)入汽水分離母管15中，并通過蒸汽出口管11排出，為過熱設(shè)備提供高品質(zhì)的飽和蒸汽。當(dāng)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的溫度降低到水12的飽和溫度以下時(shí)，儲(chǔ)熱器的放熱過程結(jié)束。此運(yùn)行方式主要應(yīng)用于太陽輻照度較高，儲(chǔ)熱系統(tǒng)將電站產(chǎn)生的部分熱量?jī)?chǔ)存起來以便需要時(shí)使用。充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行時(shí)的運(yùn)行方式該運(yùn)行方式中，放熱管路中的水12在儲(chǔ)熱器充熱過程中不排空，在高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8充熱的過程中即開始與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8進(jìn)行自然對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中的熱量，此時(shí)儲(chǔ)熱器的充熱過程與放熱過程的第一階段同時(shí)進(jìn)行。充熱時(shí)，充熱流體13在泵的作用下進(jìn)入充熱管7中，經(jīng)對(duì)流換熱將熱量傳遞給高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8，高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8吸收熱量后溫度升高，充熱流體13放出熱量，溫度降低。高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的熱量經(jīng)熱傳導(dǎo)作用傳遞給豎直放熱管9中的水12，水12被加熱后溫度升高，當(dāng)水12 溫度高于飽和溫度時(shí)，汽化產(chǎn)生飽和蒸汽14，飽和蒸汽14依靠重力作用，沿著豎直放熱管9 上升，進(jìn)入汽水分離母管15中，汽水分離母管15中的水12通過放熱循環(huán)管6流入豎直放熱管9中以補(bǔ)充被加熱變?yōu)轱柡驼羝?4的工質(zhì)減少。此時(shí)，儲(chǔ)熱器既有充熱流體13通過強(qiáng)迫對(duì)流換熱為高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8充熱，同時(shí)水12通過自然對(duì)流換熱對(duì)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8進(jìn)行放熱，產(chǎn)生飽和蒸汽14。當(dāng)系統(tǒng)需要飽和蒸汽時(shí)，可以隨時(shí)打開蒸汽出口閥10將產(chǎn)生的飽和蒸汽14通過蒸汽出口管11送入過熱設(shè)備過熱，供汽輪機(jī)使用。如果產(chǎn)生的飽和蒸汽不能滿足要求時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)水泵16，使水12在汽水分離母管15、放熱循環(huán)管6和豎直放熱管9中循環(huán)流動(dòng)。豎直放熱管9中的水12與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中的熱量，溫度升高，最終變?yōu)轱柡驼羝?4進(jìn)入汽水分離母管 15中，并通過蒸汽出口管11排出，為過熱設(shè)備提供高品質(zhì)的飽和蒸汽。當(dāng)充熱管7出口處的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充熱過程結(jié)束；當(dāng)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8的溫度降低到水12的飽和溫度以下時(shí)，儲(chǔ)熱器的放熱過程結(jié)束。本運(yùn)行方式主要應(yīng)用于短時(shí)云層的遮擋，使得輸入到系統(tǒng)中的太陽輻射能量發(fā)生變化的情況，儲(chǔ)熱系統(tǒng)為發(fā)電系統(tǒng)提供緩沖，避免蒸汽參數(shù)的波動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)的影響。圖3為換熱管為翅片式換熱管的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊示意圖，采用與圖1相同的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)，充熱管7和豎直放熱管9的外管壁上安裝有針形、柱形或條形等散熱翅片22，其目的是增加換熱管道與高溫混凝土之間的接觸面積，提高混凝土儲(chǔ)熱器充熱和放熱過程的傳熱速率。圖4為豎直放熱管具有水平連接管的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊示意圖，采用與圖1相同的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)，在豎直放熱管9之間安裝放熱管水平連接管23，可以增加水12與豎直放熱管9之間的換熱面積，提高放熱過程的傳熱速率。圖5為豎直放熱管為蛇形排列的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊示意圖，采用與圖1相同的儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)，蛇形放熱管M代替豎直放熱管9，可以增加水12與蛇形放熱管M之間的換熱面積，提高放熱過程的傳熱速率。如圖6所示為高溫混凝土儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行的儲(chǔ)熱系統(tǒng)示意圖。儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，將兩個(gè)儲(chǔ)熱器的汽水分離母管15-1和15-2通過串聯(lián)連接管25和預(yù)熱水進(jìn)口閥沈連接，后一級(jí)儲(chǔ)熱器的回流出口管20-2經(jīng)過回流出口閥21-2后與前一級(jí)儲(chǔ)熱器的回流出口管20-1相連。此時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的儲(chǔ)熱器共用一套給水管1、給水閥2、給水泵3、給水進(jìn)口閥 4、水進(jìn)口管5。將儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行可以更有效的利用高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8中存儲(chǔ)的熱量，提高儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率。下面結(jié)合圖1和圖6來說明儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的實(shí)施例。儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，前一級(jí)儲(chǔ)熱器在充熱和放熱過程中，關(guān)閉預(yù)熱水進(jìn)口閥沈，使兩個(gè)儲(chǔ)熱器相互獨(dú)立。此時(shí)，前一級(jí)儲(chǔ)熱器的充熱和放熱過程與圖1所述的過程基本相同， 可以根據(jù)儲(chǔ)熱系統(tǒng)在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的作用，分別采用圖1中的充熱與放熱過程單獨(dú)進(jìn)行和充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行兩種運(yùn)行方式。在放熱過程結(jié)束時(shí)，高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8-1 的溫度降低到水12-1的飽和溫度以下，豎直放熱管9-1內(nèi)不再產(chǎn)生飽和蒸汽。此時(shí)，打開蒸汽出口閥10-1將放熱過程中產(chǎn)生的飽和蒸汽14-1排出，打開給水進(jìn)口閥4，給水泵3將水12-1泵入汽水分離母管15-1中，之后關(guān)閉給水進(jìn)口閥4，啟動(dòng)循環(huán)水泵16-1，使水12_1 在放熱循環(huán)管6-1、豎直放熱管9-1和汽水分離母管15-1中循環(huán)流動(dòng)，通過強(qiáng)迫對(duì)流換熱吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊8-1中剩余的熱量。當(dāng)水12-1達(dá)到一定溫度(如200°C )后，打開預(yù)熱水進(jìn)口閥25將預(yù)熱后的水12-1通過串聯(lián)連接管M加入到后一級(jí)儲(chǔ)熱器的汽水分離母管15-2中，為后一級(jí)儲(chǔ)熱器提供預(yù)熱的水12-2。這樣既可以最大限度的利用混凝土儲(chǔ)熱塊中存儲(chǔ)的熱量，又可以提高系統(tǒng)的放熱時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于，所述的儲(chǔ)熱器包括高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)、充熱管路和放熱管路；充熱管路和放熱管路相互獨(dú)立，采用兩種不同的傳熱流體進(jìn)行充熱和放熱；所述的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)由高溫混凝土材料澆注而成，處于儲(chǔ)熱器的中心位置；所述的充熱管路由充熱管(7)組成，充熱管(7)水平埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)中，呈正三角形排列；充熱管(7)內(nèi)充有充熱流體(1 ；放熱管路由給水管(1)、 給水閥O)、給水泵(3)、給水進(jìn)口閥G)、水進(jìn)口管(5)、放熱循環(huán)管(6)、豎直放熱管(9)、 蒸汽出口閥(10)、蒸汽出口管(11)、汽水分離母管(15)、循環(huán)水泵(16)、回流水罐(17)、回流進(jìn)口管(18)、回流進(jìn)口閥(19)、回流出口管00)、回流出口閥組成；汽水分離母管 (15)安裝于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)的頂部，豎直放熱管(9)豎直埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊 (8)中，與充熱管(7)呈平行交叉排列；放熱循環(huán)管(6)位于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)的左側(cè)， 與豎直放熱管(9)的一端相連；豎直放熱管(9)和放熱循環(huán)管(6)的另一端與汽水分離母管(1 的底部相連，形成連通的U型管；豎直放熱管(9)和放熱循環(huán)管(6)為承壓鋼管， 放熱流體為水(1 ；循環(huán)水泵(16)位于放熱循環(huán)管(6)的中部，通過放熱循環(huán)管(6)與汽水分離母管(15)相連；蒸汽出口管(11)位于汽水分離母管(15)的頂部，通過蒸汽出口閥 (10)與汽水分離母管(1 相連；水進(jìn)口管( 與汽水分離母管(1 的底部相連，水(12) 依次經(jīng)過給水管(1)、給水閥O)、給水泵(3)、給水進(jìn)口閥0)、水進(jìn)口管( 后進(jìn)入到汽水分離母管(15)中；回流進(jìn)口管(18)位于回流水罐(17)的頂部，通過回流進(jìn)口閥(19)與放熱循環(huán)管(6)的底部相連，回流出口管OO)位于回流水罐(17)的底部，通過回流出口閥 (21)與給水泵(3)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的充熱流體(1 為熔融鹽、導(dǎo)熱油、高壓水或過熱蒸汽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的充熱管(7)為鋼管，陶瓷管或者預(yù)成型的高溫混凝土流道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的充熱管(7)和豎直放熱管(9)的外管壁上安裝有針形、柱形或條形散熱翅片02)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的豎直放熱管(9)之間安裝放熱管水平連接管03)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的豎直放熱管(9)用蛇形放熱管04)代替。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的儲(chǔ)熱器串聯(lián)運(yùn)行前后兩級(jí)儲(chǔ)熱器共用一套給水管(1)、給水閥O)、給水泵(3)、給水進(jìn)口閥(4) 和水進(jìn)口管(5)，前一級(jí)的儲(chǔ)熱器放熱后，作為后一級(jí)儲(chǔ)熱器的預(yù)熱器使用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的儲(chǔ)熱器的充熱過程與放熱過程同時(shí)運(yùn)行或單獨(dú)運(yùn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于所述的充熱過程中，汽水分離母管(15)、放熱循環(huán)管(6)和豎直放熱管(9)中的水(1 靠重力作用流入回流水罐(17)中，同時(shí)充熱流體(1 進(jìn)入充熱管(7)中，與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)進(jìn)行對(duì)流換熱，高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)吸收熱量溫度升高，充熱流體(1 放出熱量溫度降低；當(dāng)充熱管(7)出口處的高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，充熱過程結(jié)束。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，其特征在于當(dāng)所述的充熱過程結(jié)束后，所述的儲(chǔ)熱器進(jìn)入放熱過程的第一階段，此時(shí)發(fā)電系統(tǒng)不需要飽和蒸汽， 蒸汽出口閥(10)關(guān)閉；回流水罐(17)和給水管(1)中的水(12)通過給水泵(3)進(jìn)入汽水分離母管(15)、放熱循環(huán)管(6)和豎直放熱管(9)中；豎直放熱管(9)中的水(1 與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)進(jìn)行自然對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)中的熱量，溫度升高； 當(dāng)豎直放熱管(9)管壁上水(1 的溫度達(dá)到飽和溫度時(shí)，管壁上產(chǎn)生飽和蒸汽(14)，飽和蒸汽(14)靠重力作用，沿著豎直放熱管(9)上升，進(jìn)入汽水分離母管(15)中；汽水分離母管(1 中的水(1 通過放熱循環(huán)管(6)進(jìn)入豎直放熱管(9)中補(bǔ)充被加熱變?yōu)轱柡驼羝?(14)的放熱流體；當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)需要飽和蒸汽時(shí)，所述的儲(chǔ)熱器進(jìn)入放熱過程的第二階段，此時(shí)，打開蒸汽出口閥(10)，將放熱過程第一階段產(chǎn)生的飽和蒸汽(14)通過蒸汽出口管(11)排出；如果此時(shí)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)的溫度仍高于水(1 的飽和溫度，則通過循環(huán)水泵使水(12) 在汽水分離母管(15)、放熱循環(huán)管(6)和豎直放熱管(9)中循環(huán)；豎直放熱管(9)中的水 (12)與高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，吸收高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)中的熱量，溫度升高最終變?yōu)轱柡驼羝?14)，并通過蒸汽出口管(11)排出；當(dāng)高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)的溫度降低到水(12)的飽和溫度以下時(shí)，儲(chǔ)熱器的放熱過程結(jié)束。
全文摘要
一種直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，包括充熱和放熱兩套相互獨(dú)立的管道，采用兩種傳熱流體進(jìn)行充熱和放熱。充熱管(7)和豎直放熱管(9)均埋置于高溫混凝土儲(chǔ)熱塊(8)中，呈平行交叉排列。放熱過程中，豎直放熱管(9)中的水(12)被加熱直接產(chǎn)生飽和蒸汽(14)，并依靠重力作用進(jìn)入汽水分離母管(15)中，經(jīng)蒸汽出口管(11)排出送到過熱設(shè)備過熱。本發(fā)明儲(chǔ)熱器在放熱過程的第一階段，蒸汽出口閥(10)關(guān)閉，此時(shí)豎直放熱管(9)內(nèi)的換熱方式為自然對(duì)流換熱。在放熱過程第二階段，蒸汽出口閥(10)開啟，豎直放熱管(9)內(nèi)的換熱方式為強(qiáng)迫對(duì)流換熱。本發(fā)明的充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行或單獨(dú)進(jìn)行。本發(fā)明還可串聯(lián)運(yùn)行。
文檔編號(hào)F22B1/02GK102168848SQ20111009665
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者徐超, 李鑫, 王志峰, 王艷, 白鳳武, 菅泳仿 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所