一种高效紧凑式高压蓄热装置的制作方法

本发明涉及高压流体的热能存储和利用技术，具体涉及一种高效紧凑式高压蓄热装置，利用较小体积的高压填充床和有限的蓄热材料可同时高效完成对大量高压流体蓄热和对大量常/低压流体释热。

背景技术：

热能存储是指将热能以高温或低温的形式储存在各种蓄热介质中，以平衡能源需求的技术。目前热能存储已经广泛存在于日常生活和工业生产中，可用于供暖、提供热水以及热力发电等。如在太阳能发电系统中，通过蓄热设备可有效解决太阳能等可再生能源波动性和不连续的问题。在燃气轮机或压缩空气储能系统中，通过配备蓄热系统，可有效降低化石能源的使用量，同时提高系统效率。蓄热装备可以有效地解决生产过程中供需双方在空间和时间上的不匹配问题，提高系统的稳定性和能源的利用效率。

填充床蓄热是储热应用最广泛的一种储热方式，系统结构简单，投资成本较低。通常填充床蓄热压力为常压或者中压条件，当压力升高至跨临界或者超临界压力时，填充床内换热为高压换热。考虑到安全因素，高压蓄热的填充床需要能够承受高压高温，极大地增加了蓄热成本。且当蓄热容量增加时，常规蓄热方式下填充床体积规模相应增加，蓄热成本提高的同时，也增加了安全隐患。如通过填充床对超临界压缩空气储能系统中的超临界空气或超临界二氧化碳储能中的超临界二氧化碳进行蓄热时，蓄热压力将可达到10mpa级别，若超临界储能系统规模扩大，需要存储的热量相应增加。因此，大容量高压蓄热时，传统填充床蓄热消耗蓄热材料多、占用面积大、建造成本较高。

技术实现要素：

本发明针对常规高压蓄热装置成本较高和容量较小的问题，提供一种高效紧凑式高压蓄热装置，通过两个较小体积的高压填充床和一个常/低压储存仓，以较少的蓄热材料同时完成高压换热和常/低压换热，将热量从高压流体转移至常/低压流体中。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种高效紧凑式高压蓄热装置，包括至少两个高压填充床和一个常/低压存储仓；高压填充床设有高压流体入口、蓄热材料入口、高压流体出口和蓄热材料出口，常/低压存储仓设有物料入口、物料出口、常/低压流体入口和常/低压流体出口；高压填充床的蓄热材料出口与常/低压存储仓的物料入口相连，常/低压存储仓的物料出口与高压填充床的蓄热材料入口相连；高压流体在高压填充床中与蓄热材料进行换热，换热完成后，饱和蓄热材料进入常/低存储仓与常/低压流体进行换热，将热量转移到常/低压流体后，再输运至高压填充床中进行下一轮蓄热；通过高压填充床和常/低压存储仓中蓄热材料反复换热和转移，高压填充床内的高压换热与常/低压存储仓内的常/低压换热同时进行。

作为本发明的一种改进，所述的两个高压填充床交替进行蓄热，当其中一个高压填充床进行蓄热材料装入或转移时，另一个高压填充床处于正常蓄热模式。可保证高压蓄热过程的连续进行。

作为本发明的一种改进，所述的高压填充床和常/低压存储仓外部敷设有低导热系数的保温层。可尽量减少与外部环境之间的换热。

蓄热时，高温高压流体流过通过高压流体入口进入高压填充床，流动时与高压填充床内的蓄热材料表面接触进行换热，降温后经高压流体出口流出。蓄热材料吸收热量温度上升，当蓄热过程进行到一定程度，可认为蓄热材料达到饱和状态，此时，打开蓄热材料出口，饱和蓄热材料经相应的管道进入常/低压存储仓。该过程中，当其中一个高压填充床进行蓄热材料转移时，另一个高压填充床正常进行蓄热，两个高压填充床交替进行蓄热，以保证整体蓄热过程的连续进行。

释热时，低温常/低压流体通过常/低压流体入口进入常/低压存储仓，流动过程中与常/低压存储仓内的高温饱和蓄热材料表面接触进行换热，被加热后常/低压流体出口流出。饱和蓄热材料释放热量后温度降低变成非饱和状态，通过配套的输运通道运输至高压填充床的蓄热材料入口进入高压填充床进行下一轮蓄热。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明通过高压填充床中高压换热和常/低压存储仓中常/低压换热同期进行，蓄热材料不断在高压填充床和常/低压存储仓中装入和转移，仅利用较小体积的高压填充床和有限的蓄热材料即可完成对大量高压流体进行蓄热和对大量常/低压流体进行释热，具有具有高效、紧凑、蓄热容量大的优点。

附图说明

图1为本发明的高效紧凑式高压蓄热装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种高效紧凑式高压蓄热装置，包括两个高压填充床4、一个常/低压存储仓29以及配套的管道、阀门及控制系统。

左侧的高压填充床4的上端设有高压流体入口9和配套的阀门8，同时还设有蓄热材料入口2和配套的阀门1。左侧的高压填充床4的下端设有高压流体出口10和配套的阀门11，同时还设有蓄热材料出口5和配套的阀门6。

右侧的高压填充床4的上端设有高压流体入口13和配套的阀门12，同时还设有蓄热材料入口18和配套的阀门16。右侧的高压填充床4的下端设有高压流体出口14和配套的阀门15，同时还设有蓄热材料出口19和配套的阀门20。

下方的常/低压存储仓29顶面设有两个物料入口，分别为与蓄热材料出口5相连的物料入口7以及与蓄热材料出口20相连的物料入口21。常/低压存储仓29左侧面设有常/低压流体入口22和配套的阀门23，右侧面设有常/低压流体出口24和配套的阀门25。常/低压存储仓29右侧面下部还设有物料出口26和配套的阀门27，并通过带动力的输运通道28分别连接至左侧的蓄热材料入口2和右侧的蓄热材料入口18。

高压填充床4作为高压换热装置，壁面设计应可承受较高压力，例如设计压力为20mpa，内部用于填充蓄热材料3，蓄热材料3可以采用鹅卵石、陶瓷球、金属、混凝土、封装相变材料等，高压填充床4外部敷设有由导热系数低的保温材料构成的保温层17，以尽可能减少高压填充床4向周围环境散热。常/低压存储仓29可为普通容器，对壁面的厚度和材料无特殊要求，可根据需要选择大容量规格的存储仓不断存储来自高压填充床4的饱和的蓄热材料3，增加高压流体的蓄热规模。常/低压存储仓10外部同样敷设保温层17降低储存在其中的蓄热材料3的散热损失。

下面对本发明的工作过程进行详细说明：

蓄热开始时，打开阀门1和16，蓄热材料通过蓄热材料进口2和18进入两个高压填充床4后，再关闭阀门1和16。

打开阀门8、12、11和15，高温高压流体同时进入两个高压填充床4，在孔隙中流动时与蓄热材料3接触，将热量传递给蓄热材料3，温度降低后的高压流体通过流体出口10和阀门11、流体出口14和阀门15流出高压填充床4。高压填充床4内为高压换热，床体需耐高压设计，床体外面敷设保温层17以减少热量散失

以左侧的高压填充床4为例，当左侧的高压填充床4内蓄热材料3蓄热升温达到饱和状态时，关闭阀门8，打开阀门6，饱和蓄热材料经过蓄热材料出口5和物料入口7进入常/低压存储仓，关闭阀门6，打开阀门1，重新装入蓄热材料3，再关闭阀门1，打开阀门8，高温高压流体流进填充床开始新一轮蓄热。

右侧的高压填充床4的蓄热方法与上述方式相同。值得注意的是，为保证整体蓄热过程不间断，对高温高压流体进行连续蓄热，两个高压填充床4的蓄热材料3注入和转移的时间应该错开。容易理解的是，高压填充床4的数量可根据蓄热量增加至三个或三个以上。

饱和蓄热材料转移至常/低压存储仓29后，打开阀门23和25，低温常/低压流体通过常/低压流体入口22进入存储仓，与存储仓内饱和蓄热材料进行换热，温度升高后，高温常/低压流体通过常/低压流体出口24流出。常/低压存储仓29内为常/低压换热，仓体无需耐高压设计，仓体外面敷设保温层17以减少热量损失。

常/低压存储仓29内饱和蓄热材料换热后温度降低变成非饱和状态，打开阀门27，蓄热材料从物料出口26出来，经由输运通道28送至注入高压填充床4，进行新一轮蓄热。蓄热材料3在高压填充床4和常/低压存储仓29中循环使用，用量较少，且利用较小体积的高压填充床4即可完成对大量高压流体进行蓄热和对大量常/低压流体进行释热，具有高效、紧凑、蓄热容量大的优点。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。