用于无管道蓄热器的、基于蒸发热的热传递的制作方法

文档序号:19418011发布日期:2019-12-14 01:07阅读:312来源:国知局
用于无管道蓄热器的、基于蒸发热的热传递的制作方法

本发明涉及一种用于储能以供以后使用的蓄热器,以及用于制造该蓄热器的方法和设备。



背景技术:

许多生产能源的技术,尤其是风能和太阳能等可再生能源,以与本地能源消费不相容的方式提供能源。因此,储能供以后使用是能源基础设施的重要方面。如今,确实存在许多这样的技术,例如,化学电池和蓄热器解决方案。然而,与存储的能量的量相比,大多数解决方案是昂贵的,或者具有有限的操作循环(充热-放热),与直接使用的能量相比,显著地增加了储能的成本。因此,可以通过大量操作循环以低成本来存储大量能量的可扩展解决方案将是有利的。

本发明公开的是这样的储能解决方案的设计和制造方法,满足上述所有期望的方面。



技术实现要素:

发明目的

可以看作本发明的目的的是提供一种用于储存热能的改进方法。

可以看作本发明的另一个目的的是降低热能储存的成本。

可以看作本发明的另一个目的的是,使用较大比例的具有低碳足迹的天然材料来提供热能解决方案。

可以看作本发明的另一个目的的是,简化蓄热器的构造,并且分别相对于输入系统和输出系统的功率和储热器的大小增加了储热容器尺寸的灵活性。

可以看作本发明的另一个目的的是增强耐用性,简化维护并减少更换热能储存容器的障碍

本发明的另一个目的是提供现有技术的替代方案。

技术方案

可以以多种方式储存热能。最常用的方法是,使用穿过混凝土中的嵌入管的传热流体如空气、热油或加压水来加热大的热质,例如,大块的混凝土。当要使用储存的能量时,冷流体通过嵌入的管道,从而被混凝土加热。然后,加热的流体可用于驱动热卡诺过程或利用储存的热量的其他过程。也可以使用液体储存容器来代替使用固体储存器,例如,大型热油储存器或熔融盐,其中通常通过使流体通过热交换器以加热辅助流体来执行热提取过程,此过程将被用于卡诺或其他过程。储存热能的第三种方式是通过使用相变材料,例如,在某一温度下熔化或沸腾的材料,其中使用相对大量的热量来促进相变。一旦相变过程反转,热量在相变材料的沸点或熔点再次释放。

本发明利用固体储热容器,并且新颖性涉及给蓄热器充热和放热的方法,通过提供一种新颖且有效的方法来储存热能以及从这样的蓄热器中提取能量而无需嵌入管道,通过该方法可以防止在储存容器中形成较热区或较冷区。

本发明包括输入系统、储热容器和输出系统。此外,本发明可以包括用于回收使用过的传热流体的不同部分的系统;以及用于从储热容器中去除所有传热流体的系统,该系统优选用于维护或报废拆除。

所述输入系统包括用于在接近环境压力的压力下产生传热液体的饱和蒸汽的系统。典型的实施方案是使主要流体回路(热源)和待蒸发的传热流体通过热交换器,所述热交换器将热量从热源传递到传热介质,从而蒸发传热流体。然后,蒸发的传热流体作为非加压蒸汽进入储热容器。

储热容器包括一定体积的颗粒材料,其中所述材料的颗粒优选是无孔的。所述材料的颗粒性质将确保在颗粒之间形成空隙,使得空隙将形成互连的网格,来自输入系统的蒸发的传热流体可以通过该网格流动。如果颗粒不是多孔的且颗粒的温度低于传热流体的沸点,则蒸发的传热流体将冷凝在颗粒的表面上,从而释放将被颗粒吸收的蒸发热,由此储存热量。在冷凝之后,此时液态(且更密集)的传热流体将被收集在储热容器的底部(通过重力),并且通过机械装置(例如,通过泵)移除。在液相中除去的传热流体的比例越高,所述系统将具有越高的热力学效率。

当通过该吸热的颗粒达到接近所述传热流体的沸点的温度时,该过程将不再能够将能量从蒸发的传热介质转移至储热容器。然而,通过使用串联使用的具有不同沸点的多种传热液体,可以将热量传递到蓄热器,直到蓄热器达到具有最高沸点的传热流体的沸腾温度。在输入系统中不使用具有高沸点的单一流体的原因是,输入介质越冷,典型的热源(例如,集中的太阳能发电厂)将越有效。该温度将由所用传热液体的沸点来设定,因为热源液体不会冷却到热交换器中的传热流体的沸点以下。通过蓄热容器的温度监控,通常控制和选择要喷射的传热流体。通过使用气相蒸汽的冷凝将热量传递到储热容器,与使用管道系统相比获得了以下三个主要优点。首先,在储热容器中不需要管道,从而显着降低了储热容器的成本。其次,可以调整蓄热容器的粒度以提供不同的系统输入/输出功率(通过控制系统的表面与体积之比)。最后一个主要优点是这种系统在蓄热器的温度分布方面是自动调平的。这种效果是由于蒸发的传热流体冷凝时的体积变化。考虑到蓄热容器较冷的容积,该容积中的冷凝速率将更高,因此流到该容积的质量流将会增加,从而增加该特定的较冷容积的加热速率,直到温度与其余容积的温度相同。考虑到根据蓄热器温度不同传热流体的交换,该特征是尤其重要的。如果所供应的蒸发的传热液体的高比率不会冷凝(或通过较高蒸发点的流体的再蒸发),则系统的传热效率将会降低。因此,良好的温度体积控制是该系统的重要特征,这里通过使用传热过程(蒸发/冷凝)来实现,该传热过程也引起体积和密度变化。

该系统的另一个特征是储热容器颗粒应该优选不是多孔的,因为在材料的孔中会发生冷凝,这在很大程度上会阻止冷凝的液体向下流到机械液体收集系统。如果防止向下流,则一旦使用下一个传热流体,液体将重新蒸发(在更高的温度下),结果导致热力学效率较差。此外,还需要在系统中使用更大量(通常是昂贵的)传热流体,因此产生更昂贵的系统。一种进一步减少对传热流体的需求的方法和改进该系统的充热/放热特性是对颗粒进行表面处理,使得液体传热流体在表面上形成液滴,从而更快地运行。

所述输出系统的工作方式与所述输入系统的工作方式相反;在储液容器的顶部供应液体传热流体的淋洒。一旦液体传热液体与蓄热器的热颗粒接触,液体传热介质就会蒸发,从而吸收能量并增加体积。体积增加将会使蒸发的传热液体从蓄热容器(其未被加压,但朝向气体收紧)逸出到热交换器系统,在热交换器系统中,热的且蒸发的传热流体将冷凝,由此将蒸发的热量传递到另一个过程。例如:蒸汽轮机中的水/蒸汽;或有机朗肯循环(orc)系统中的压力流体;或蒸汽发生器中的水/蒸汽。在热交换器中冷凝之后,液体流体可以在循环过程中再次进入存储器中。一旦储热容器的温度达到流体的沸点,就必须使用较低沸点的流体。不开始使用最低沸点液体的原因是提取热能的温度(其等于所用流体的沸点)应该尽可能高,例如,确保卡诺过程(例如,蒸汽轮机/orc发电机)的发电效率更高。

当该系统在输入系统和输出系统中都使用多种传热流体时,包括分离和分别存储不同传热液体的机构将是有利的,因此它们可以在两个系统中以最佳的热力学方式多次使用。

该系统的另一个特征是分别将传热液体从输入系统转移至储液器,以及从储液器转移到输出系统不需要使用机械泵。此外,通过相应地布置储液器的入口和出口,可以使用重力分别从储液器或输出系统收集冷凝的液体。

储热容器的典型实现方式是使用具有相对窄的尺寸范围的石材或岩石。典型尺寸(取决于需要提取能量的速度以及储热容器的体积大小)将在10~500mm的范围内。典型的尺寸范围是直径在±50%范围内,以便在颗粒周围形成所需的空隙网络,因为具有非常宽的尺寸分布通常会产生密集的结构。此外,它还将取决于本地材料来源。另一种实现方式是使用其中具有相变材料的金属容器。这会增加成本,但允许在所述相变材料的相变温度下存储更多能量。如果储热容器的容积受到限制,这可能是优选的解决方案。

对于传热流体的数量和类型的选择取决于热源和预期用途的温度。所述选择将影响热力学效率,因为每种传热液体的沸点将决定可能的输入和输出温度。通过具有很少(不混溶或共沸)流体,将实现相对较大的沸点差异,并且通过具有更多的共沸流体,所述系统将具有更好的热力学性能,但是成本和复杂性水平会增加。不同液体的沸点的典型差异在10℃~80℃的范围内。通过使用更多的共沸流体具有更小的沸点差异(或者在极端情况下通过使用传热流体的非共沸混合物,其中当混合物的组成改变时沸点连续变化)将热力学性能提高到最大水平,但是还需要更先进的系统来控制混合物并收集和储存所述流体。

所公开的蓄热器的创造性步骤是颗粒状的无孔材料与使用具有不同沸点的多种传热液体输入和输出热能的蒸发/冷凝过程的组合,这解决了通过强制流动(没有任何体积变化)来控制粒状材料中的热分布的挑战以及仅通过使用单一液体而具有有限的热力学效率的问题。此外,使用多种液体不需要蓄热器加压(特别是在热提取期间),从而也降低了系统的成本和复杂性。

本发明涉及一种蓄热器,至少包括以下部件:

-输入系统,其包含热源和用于产生传热流体或传热流体的混合物或多种传热流体的气相的系统;

-包含固体的、无孔的颗粒材料的储热容器;

-输出系统,其包含散热器、将液体流体注入所述储热容器的系统、以及收集蒸发的流体的系统,所述液体流体在与所述固体的、无孔的颗粒材料接触时蒸发而形成所述蒸发的流体,

其特征在于,所述蓄热器具有液体回收系统,在该液体回收系统中,可以通过机械装置来回收来自输入系统的冷凝液体或来自输出系统的非蒸发液体。

本发明还涉及一种蓄热器,其中,蓄热容器颗粒材料包括直径为10~300mm且具有凸起形状的石材,并且填充率为0.5~0.9。

本发明还涉及一种蓄热器,其特征在于,通过所述传热流体的相变而发生进出所述储热容器的热传递的比例优选为至少50%,更优选为60%,更优选为70%,甚至更优选为80%,甚至更优选90%,最优选95%以上。

本发明还涉及一种蓄热器,其中,由于分别与在所述固体的、无孔的颗粒状材料以及输入系统和输出系统中的所述相变有关的体积变化,所述相变驱动所需要的质量传递,因此不使用机械泵以分别在无孔的颗粒材料以及输入系统和输出系统之间转移蒸发的传热液体。

本发明还涉及一种蓄热器,其中,所述颗粒具有至少45度的后退接触角,更优选地大于50度,更优选地大于55度,更优选地大于60度,更优选地大于65度,更优选大于70度,甚至更优选大于75度,甚至更优选大于80度,甚至更优选大于85度,最优选大于90度,其中所述接触角是颗粒材料的表面处理过程的结果。

本发明还涉及一种蓄热器,其特征在于,所述储热容器在小于1巴的过压下被最大程度地加压,更优选地在小于0.5巴的过压下,甚至更优选地在小于0.25巴的过压下,更优选地在小于0.1巴的过压下,最优选地所述储热容器不被加压。

本发明还涉及一种蓄热器,其中,工作温度范围为环境温度至250℃,更优选为环境温度至300℃,甚至更优选为环境温度至350℃,更优选为环境温度至400℃,甚至最优选为环境温度至高于400℃。

本发明还涉及一种蓄热器,其中所使用的多种液体具有不同的沸点,并且在所述蓄热器的充热和放热期间被依次使用。

本发明还涉及一种蓄热器,其中所使用的传热液体具有依赖于压力的沸点,并且所述压力是可改变的,以根据所述蓄热器的温度状态来设定所述传热液体的沸点。

本发明还涉及一种不带任何气相机械泵的蓄热器。

蒸发热意指蒸发焓。

凸起颗粒是指如下颗粒的形状,在该颗粒中,颗粒表面上的凹陷区域中没有聚集大量液体,因此由于液体中的重力引力而会流掉。对于本申请中的所有方法和目的,如果等于或小于颗粒体积的1%的液体体积可以聚集在颗粒的凹表面区域中,则颗粒被定义为凸状颗粒。

所述颗粒是指由各粘结部组成的材料,所述各粘结部能够形成机械稳定的聚集体,且在各颗粒之间具有空隙(或空气)。

所述后退接触角是指在液体后退侧在固体与滚动的液体之间的角度。该角度越大,则液体滚动的可能性越大,并且越小的液滴将能够滚动,并且滚动将以相对于水平的越小的角度发生。

给定物体的直径是指具有相同质量和密度的球形物体的当量直径。因此,对由直径限定的粒状材料的尺寸范围的要求并不意味着颗粒状材料需要由球形材料组成。

所述尺寸分布是指物体尺寸的相对铺展。所述分布可以遵循正态分布或其他分布,并且所述铺展被定义为两个标准偏差,等于在所述铺展范围内具有95%的对象物。

所述加压意指设计成能够在显著的内部过压下机械稳定的构造。在这种情况下,“显著的”被定义为大于1巴的过压。

石材或岩石是指天然存在的矿物质,其或者是天然颗粒状或能够被加工成粒状材料。

所述相变材料是指在特定温度下在固相和液相之间变化的材料。

所述孔是指具有尺寸范围小于10mm的孔的材料。

所述传热流体是指能够为液态和气态的流体,通过相关的蒸发焓而发生相变以将两种状态分开。

所述热力学效率是指从输入系统到输出系统的能量质量损失(或熵增长)。给出的示例是,与在输入系统和蓄热器之间需要较高的温度梯度的系统相比,能够将热源冷却到更接近储热容器的当前温度(通过输入系统)的系统将具有更高的热力学效率,因为熵增加将会更低。

所述沸点是指大气压下的沸点。

所描述的所有特征可以组合使用,只要它们不与其不相容即可。

附图说明

现在参照附图详细地描述根据本发明的方法和装置。附图示出了实施本发明的一种方式,并且其不应被解释为限制落入所附权利要求书的范围内的其他可能实施方式。

图1表示了本发明的一个实施方式的流程图。热源(1)提供热流体(2)物流,热流体(2)进入热交换器(3),在热交换器(3)中,热流体输送其部分热能,作为冷回流(4)返回热源。热能被输送到液体传热流体(5)物流,所述传热流体在接收到热能时蒸发以形成气态传热流体(6)。气态传热流体被引入到储热容器(7),在储热容器(7)中,其冷凝且由此将热能输送到储热容器中。在冷凝之后,此时的液体传热流体优选地通过重力在蓄热器的底部聚集,并再次移动通过热交换器(3)。任何未冷凝的传热流体将被收集在冷凝器(9)中,并且冷凝物将被存储在蓄热容器(10)中。

当要使用储热容器(7)中的能量时,液体传热流体(11)被分配到储热容器中,在储热容器中,液体传热流体蒸发,形成气态传热流体(12),其被传输到热交换器(13)中,在该热交换器中凝结,从而释放热能。释放的能量可以用来蒸发冷凝的工作流体(14)以形成蒸发的工作流体(15),其可以驱动涡轮机(16)。

图2表示了颗粒蓄热器的一个实施方式的截面图,所述颗粒蓄热器包括气密外壳(21)和随机堆叠的颗粒材料(22),并且颗粒之间具有空隙(23)。此外,还有与输入系统和输出系统(24)连接的外部连接部以及用于回收冷凝的传热液体(25)的回收系统。

具体实施方式

在一个实施例中,将在350℃下输送热油的集中太阳能发电厂用作热源。热油通过逆流热交换器加热并蒸发一系列沸点分别为100、150、200、250、300和345℃的传热流体,而储热容器分别在50~100、100~150、150~200、200~250、250~300和300~345℃的温度间隔内是加热的。在这些流体蒸发期间,热油到集中太阳能发电厂的返回温度分别为50、100、150、200、250、300和345℃,确保了适度的热力学效率,在热油的返回温度和蓄热容器之间的平均温度梯度为25℃。

储热容器由容纳在气密金属容器中的石料储存器组成,该金属容器的尺寸为12米(长)×2.35米(宽)×2.6米(高),并且在该金属容器的外侧用陶瓷石棉绝缘。所述石头的平均直径为150毫米,尺寸分布(铺展)为50毫米。石头的形状是圆形的,因此在它们之间形成互连的空气网络,平均宽度为10~30mm,允许相对无阻碍的传热流体流动。所述金属容器的底部略微倾斜,因此在所述金属容器的最低点限定了一块小的区域,在该区域,放置了泵形式的机械提取装置。在所述金属容器的顶部,喷嘴以1米的间距11×2方式布置,每个喷嘴能够传输0.3千克/秒的液体流量。传热流体的平均蒸发热为300kj/kg,这相当于2mw的最大提取功率。所述金属容器中的石子的填充率为75%,总比热容为44.5kwh/k(所使用的石材的比热为0.84kj/(kg*k),石材的密度为2600kg/m3)。对于完全充热的容器(345℃),这对应于大约13mwh的可用能量含量(当放热至50℃温度时)。所述输出系统通过管道将热蒸发的传热流体收集到所述金属容器中。蒸发的传热流体通过热交换器,其中将热量传输到orc发电机中的工作气体,从而产生电力。然后,将冷凝的传热流体再注入到所述金属容器中。用于能量提取的一系列流体的沸点分别为300、250、200、150、100和50℃,存储温度间隔分别为345~300、300~250、250~200、200~150、150~100和100~50℃,获得在蓄热器和蒸发的传热流体之间的平均热梯度(损失)为25℃。

尽管已经结合特定实施例描述了本发明,但是不应该将本发明解释为以任何方式限于所给出的实施例。本发明的范围由所附的权利要求书来阐述。在权利要求书的上下文中,术语“包括”或“包含”不排除其他可能的元件或步骤。此外,提及诸如“一个”或“一种”等不应被解释为排除多个。权利要求书中关于附图中所示元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外,可以有利地组合在不同权利要求中提及的各个特征,并且在不同的权利要求中提及这些特征并不排除这些特征的组合是不可能和有利的。本申请中引用的所有专利和非专利参考文献也通过引用整体并入本文。

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