专利名称：太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热发电储热系统，特别是涉及一种太阳能发电用储热材料的换热管道结构布置方法。
背景技术：
储热方案设计是太阳能蒸汽发电中的重要技术，储热材料的性能及成本是决定大 型太阳能电厂的建设费用及运行成本的主要因素之一。用于太阳能发电中的储热材料应满 足如下要求储热材料应有高的能量密度；储热材料与热交换液体应有良好的热传导；储 热材料应有良好的化学和力学稳定性；储热材料与热交换器及热交换液体之间有良好的化 学相容性；在储热及放热循环过程中应完全可逆；低成本。目前用作太阳能蒸汽发电中的储热材料主要有熔盐(KN03、NaNO3或两者的混合 物)，铁矿石。但熔盐存在着一个非常明显的缺陷是其较强的腐蚀性，对热交换管道及其 它附属设施具有非常强的腐蚀行为，由此增加了电厂的运行成本，亦降低了系统安全稳定 性能。混凝土储热材料由于具有性能稳定、成本低、储热能力强等诸多优点，是用于太阳 能蒸汽发电的理想候选储热材料之一。文献l(Kakiuchi ；Hiroyuki ；Oka ；Masahiro, US patent (No. 5567346))报道了日本学者的美国专利，其中以硫酸钠、氯化铵、溴化钠以及硫 酸铵为主要原料组成的储热材料。文献2(1 0%;1^11(^，US patent (No. 5685151))的专利 则报道了用于太阳能储热材料，主要的成分是氯化钠。文献3(Kadir Tuncbilek, Ahmet Sari,Sefa Tarhan et al. Laurie and palmiticacids eutectic mixture as latent heat storage material for low temperature heating applicationsEnergy,2005,30(5) 677-692)、文献4 (Ahmet Sari. Eutectic mixtures of some fatty acids for latentheat storage Thermal properties and thermal reliability with respect to thermal cycling, EnergyConversion and Management，2006，47 (9—10) : 1207—1221)禾口文献 5(Atul Sharma, Lee Dong Won, D Buddhi and Jun Un Park. Numerical heat transfer studies of the fatty acids for different heatexchanger materials on the performance of a latent heat storage system Renewable Energy, 2005,30 (14) :2179_2187)报道了 低温度下，在建筑房屋使用的脂肪酸类相变储热材料。文献6(D0erteLaing，Wolf-Dieter Steinmann, Rainer Tamme, Christoph Richter.Solid media thermal storage forparabolic trough power plants, Solar Energy, 2006,80 (10) :1283_1289)提出了以 浇注料为基质的储热材料，但其热导系数较小，成本较高。以上文献中报道的储热材料，要么是成本太高，要么只能在低温度下使用，而作为 太阳能用的储热材料，必须要在低成本的前提下，考虑其使用的性能。实际上，太阳能热发 电除了储热材料的本身，最重要是储热材料和热介质直接的换热效率，从目前公开的文献 来看，尚未见对太阳能热发电系统中的管道结构布置方法报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置 方法，该方法是不仅利用低成本的一种新型的改性混凝土为储热材料，更为重要的是对该 储热材料与管道之间的匹配进行优化设计，实现其综合性能的大幅提高。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法，包括管 道及阀的布置，具体是设有混凝土储热块，该混凝土储热块中装有多根等距排列的换热管 道，这些换热管道的两端分别通过连接管与进口管、出口管连通，在进口管上装有进口控制 阀和进气排空管，在进气排空管上装有进气排空阀，在出口管上装有出口控制阀。本发明提供的上述太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法，其 用途是按照该方法布置以后，使用时，导热介质通过进口管流进后，通过进口控制阀来调 节开关和流量的大小，在进口管的管道内压力不足时通过进气排空管进行加压，而当该管 道内压力较大时起到减压作用；导热介质通过混凝土储热块中的换热管道时进行热交换， 将能量储存在混凝土储热块中，之后通过出口管流出。本发明与现有技术相比，其优点主要是在太阳能热发电系统中提供了一种以低 成本新型混凝土为储热材料，极大地降低了发电成本，使得太阳能热发电技术推向实用化 提供了可能。从结构上看，在换热系统中增加了排气管和排气阀，极大的提高了导热介质的 热交换速率，提高储热和换热的效率。该方法制备的储热系统的工作温度可在600-900°C， 远高于目前使用的熔盐系列的使用温度(不能高于500°C )。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明储热材料与管道的结构截面示意图。图中1.进口管；2.进口控制阀；3.进气排空管；4.进气排空阀；5.混凝土储热 块；6.出口控制阀；7.出口管；8.储热材料；9.换热管道。
具体实施例方式本发明是太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法，包括管道及 阀的布置，如图1所示设有混凝土储热块5，该混凝土储热块中装有多根等距排列的换热管 道9，这些换热管道的两端分别通过连接管与进口管1、出口管7连通，在进口管上装有进口控 制阀2和进气排空管3，在进气排空管上装有进气排空阀4，在出口管上装有出口控制阀6。所述的进口管1采用的是大直径的不锈钢镀铬耐热钢管，其直径为16mm 30mm。所述的进口控制阀2、进气排空阀4和出口控制阀6均为常闭电磁阀，可由延时继 电器控制。所述的换热管道9的材质采用的是不锈钢耐热钢管，其排列方式是上下和左右等 距离分布。所述的混凝土储热块5由以下方法制成将玄武岩骨料、钢渣骨料、铝酸盐水泥、 矿渣粉、硅微粉和凹凸棒这些原料干混均勻后，加水使之混合均勻后置于装有换热管道的 钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温度下烘烤24小时，得到所述混凝土储热块，其材料密度为2. 98g/cm3，抗压强度为50. 2MPa，抗折强 度为8. 5MPa，体积热容为145kWh/m3，热导率为1. 75W/mK，耐火度为900°C。 本发明的的用途是按照本方法布置以后，使用时，导热介质通过进口管1流进 后，通过进口控制阀2来调节开关和流量的大小，在进口管1的管道内压力不足时通过进气 排空管3进行加压，而当该管道内压力较大时起到减压作用；导热介质通过混凝土储热块5 中的换热管道时进行热交换，将能量储存在混凝土储热块5中，之后通过出口管7流出。所述的导热介质可以采用黏度指数小于或等于40的热矿物油，流速为lm/s，进口 温度为380°C，压力为0. IMPa0下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。实施例1 换热管道9为耐热不锈钢。进口管内径为10mm，外径为16mm的空心管，与混凝土 储热材料直接交换热量的管道为内径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行4根，分3行排 列，间距为100mm，每根长度为70mm，出口管的内径与进口管相同。换热介质为热矿物油，流 速为lm/s。进口温度为380°C，压力为0. IMPa。储热材料8的组成为玄武岩骨料38 %，钢渣骨料32 %，铝酸盐水泥8 %，矿渣粉 15%,硅微粉5%，凹凸棒2%。原料经干混均勻后，加6%的水，混合均勻后置于装有换热 管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温 度下烘烤24小时，即得到密度2. 98g/cm3、抗压强度50. 2MPa、抗折强度8. 5MPa、体积热容 145kWh/m3、热导率1. 75W/mK和耐火度900°C的储热混凝土。每十分钟记录进出口温度的变 化，通过经过1小时后，测定出口温度为380°C，表明已达到换热的平衡。经过1000小时后， 发现整个换热体系形状完好，未发现储热材料有裂纹，管道和储热混凝土之间的结合完好， 无明显的脱落剥离现象。另做实验，在进口出加0. IMPa压力，发现液体的流速增加到1. 5m/ s，经过40分钟，出口的温度就达到380°C，表明体系的换热速率随着矿物油的流速增加而 加快。实施例2 换热管道9为耐热不锈钢。进口管内径为12mm，外径为18mm的空心管，与混凝土 储热材料直接交换热量的管道为内径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行5根，分3行排 列，间距为80mm，每根长度为70mm，出口管的内径与进口管相同。换热介质为热矿物油，流 速为lm/s。进口温度为450°C，压力为0. 2MPa。储热材料8的组成为玄武岩骨料35%，铜渣骨料35%，铝酸盐水泥6 %，矿渣 粉17 %，硅微粉4%，凹凸棒3 %。原料经配料干混均勻后，加5. 5 %的水，混合均勻后置 于装有换热管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后， 在100-120°C温度下烘烤24小时，即得到密度2. 96g/cm3、抗压强度60. 8MPa、抗折强度 12. 2MPa、体积热容148kWh/m3、热导率1. 77W/mK和耐火度900°C的储热材料。每十分钟记录 进出口温度的变化，通过经过30分钟后，测定出口温度为450°C，表明已达到换热的平衡。 经过1000小时后，发现整个换热体系形状完好，未发现储热材料有裂纹，管道和储热混凝 土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象。另做实验，在进口出加0. IMPa压力，发现液体 的流速增加到1. 6m/s,经过20分钟，出口的温度就达到450°C，表明体系的换热速率随着矿 物油的流速增加而加快。
实施例3 换热管道9为耐热不锈钢。进口管内径为12mm，外径为18mm的空心管，与混凝土 储热材料直接交换热量的管道为内径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行5根，分4行排 列，间距为90mm，每根长度为70mm，出口管的内径与进口管相同。换热介质为热蒸汽，流速 为lm/s。进口温度为350°C，压力为0. 2MPa。储热材料8的组成为玄武岩骨料38%，铜渣骨料32%，铝酸盐水泥7 %，矿渣 粉16 %，硅微粉4%，凹凸棒3 %。原料经配料干混均勻后，加5. 5 %的水，混合均勻后置 于装有换热管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后， 在100-120°C温度下烘烤24小时，即得到密度2. 98g/cm3、抗压强度60. 2MPa、抗折强度 11. 5MPa、体积热容156kWh/m3、热导率1. 88W/mK和耐火度900°C的储热材料。每十分钟记录 进出口温度的变化，通过经过50分钟后，测定出口温度为350°C，表明已达到换热的平衡。 经过1000小时后，发现整个换热体系形状完好，未发现储热材料有裂纹，管道和储热混凝 土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象，耐热管道也未发现有明显的锈迹，腐蚀。另做 实验，在进口出加0. IMPa压力，经过30分钟，出口的温度就达到350°C，表明体系的换热速 率随着蒸汽的流速增加而加快。实施例4 换热管道9为耐热不锈钢。进口管内径为16mm，外径为20mm的空心管，与混凝土 储热材料直接交换热量的管道为内径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行6根，分5行排 列，间距为80mm，每根长度为65mm，出口管的内径与进口管相同。换热介质为热蒸汽，流速 为1.5m/s。进口温度为380°C，压力为0. 2MPa。储热材料8的组成为玄武岩骨料39 %，铜渣骨料31 %，铝酸盐水泥7. 5 %，矿渣 粉15. 5%，硅微粉3. 5%，凹凸棒3. 5%。原料经配料干混均勻后，加5. 5%的水，混合均勻 后置于装有换热管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时 后，在100-120°C温度下烘烤24小时，即得到密度2. 96g/cm3、抗压强度61. 5MPa、抗折强度 10. 5MPa、体积热容152kWh/m3、热导率1. 82W/mK和耐火度900°C的储热材料。每十分钟记录 进出口温度的变化，通过经过60分钟后，测定出口温度为380°C，表明已达到换热的平衡。 经过1000小时后，发现整个换热体系形状完好，未发现储热材料有裂纹，管道和储热混凝 土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象，耐热管道也未发现有明显的锈迹，腐蚀。另做 实验，在进口出加0. IMPa压力，经过25分钟，出口的温度就达到380°C，表明体系的换热速 率随着蒸汽的流速增加而加快。实施例5 换热管道9为耐热不锈钢。进口管内径为20mm，外径为30mm的空心管，与混凝土 储热材料直接交换热量的管道为内径为8mm，外径为15mm，排列方式为，每行6根，分4行排 列，间距为75mm，每根长度为55mm，出口管的内径与进口管相同。换热介质为热蒸汽，流速 为l.5m/s。进口温度为360°C，压力为0. 2MPa.储热材料8的组成为玄武岩骨料35 %，铜渣骨料35. 5 %，铝酸盐水泥7 %，矿渣 粉16. 5%，硅微粉3. 5%，凹凸棒2. 5%。原料经配料干混均勻后，加5. 8%的水，混合均勻 后置于装有换热管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时 后，在100-120°C温度下烘烤24小时，即得到密度2. 92g/cm3、抗压强度55. 5MPa、抗折强度9. 5MPa、体积热容148kWh/m3、热导率1. 86ff/mK和耐火度900°C的储热材料。每十分钟记录进出口温度的变化，通过经过50分钟后，测定出口温度为360°C，表明已达到换热的平衡。 经过1000小时后，发现整个换热体系形状完好，未发现储热材料有裂纹，管道和储热混凝 土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象，耐热管道也未发现有明显的锈迹，腐蚀。另做 实验，在进口出加0. IMPa压力，经过35分钟，出口的温度就达到360°C，表明体系的换热速 率随着蒸汽的流速增加而加快。 上述实施例中的储热材料8是用于制备混凝土储热块的材料。
权利要求
一种太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法，包括管道及阀的布置，其特征在于设有混凝土储热块(5)，该混凝土储热块中装有多根等距排列的换热管道，这些换热管道的两端分别通过连接管与进口管(1)、出口管(7)连通，在进口管上装有进口控制阀(2)和进气排空管(3)，在进气排空管上装有进气排空阀(4)，在出口管上装有出口控制阀(6)。
2.根据权利要求1所述的换热管道结构布置方法，其特征是换热管道的材质采用的是 不锈钢耐热钢管，其排列方式是上下和左右等距离分布。
3.根据权利要求1所述的换热管道结构布置方法，其特征是进口管(1)采用的是大直 径的不锈钢镀铬耐热钢管，其直径为16mm 30mm。
4.根据权利要求1所述的换热管道结构布置方法，其特征是进口控制阀(2)、进气排空 阀(4)和出口控制阀(6)均为常闭电磁阀，由延时继电器控制。
5.根据权利要求1所述的换热管道结构布置方法，其特征是按重量计，混凝土储热块 (5)由以下原料制成玄武岩骨料38 %，钢渣骨料32 %，铝酸盐水泥8 %，矿渣粉15 %，硅微 粉5%，凹凸棒2%。
6.根据权利要求5所述的换热管道结构布置方法，其特征是将原料干混均勻后，按其 重量的6%加水，混合均勻后置于装有换热管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C 温度下水中养护72小时后，在100-120°C温度下烘烤24小时，得到混凝土储热块(5)。
7.根据权利要求6所述的换热管道结构布置方法，其特征是混凝土储热块(5)的材料 密度为2. 98g/cm3,抗压强度50. 2MPa,抗折强度8. 5MPa,体积热容145kWh/m3，热导率1. 75W/ mK，耐火度900°C。
8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述换热管道结构布置方法的用途，其特征是 按照该方法布置以后，使用时，导热介质通过进口管(1)流进后，通过进口控制阀(2)来调 节开关和流量的大小，在进口管(1)的管道内压力不足时通过进气排空管(3)进行加压，而 当该管道内压力较大时起到减压作用；导热介质通过混凝土储热块(5)中的换热管道时进 行热交换，将能量储存在混凝土储热块(5)中，之后通过出口管(7)流出。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征是导热介质为热矿物油，流速为lm/s，进口温度 为 380°C，压力为 0. IMPa。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征是热矿物油的黏度指数小于或等于40。
全文摘要
太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法，该方法是在混凝土储热块(5)中装有多根等距排列的换热管道，它们的两端分别通过连接管与进口管(1)、出口管(7)连通，在进口管上装有进口控制阀(2)和进气排空管(3)，在进气排空管上装有进气排空阀(4)，在出口管上装有出口控制阀(6)。本方法使得太阳能热发电技术推向实用化提供了可能，使用时，导热介质通过进口管流进后，通过进口控制阀来调节开关和流量的大小，并通过换热管道进行热交换和将能量储存在混凝土储热块中，之后通过出口管流出。本发明降低了发电成本，提高了热交换和储热的效率，工作温度为600-900℃，远高于目前使用的熔盐系列的使用温度。
文档编号C09K5/14GK101876488SQ200910272709
公开日2010年11月3日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者周卫兵, 朱教群, 童雨舟, 郭成州, 黎锦清 申请人:武汉理工大学