强迫分层的蓄热装置的制作方法

本发明涉及储热技术领域，尤其是涉及一种强迫分层的蓄热装置。

背景技术：

水储热技术利用水的显热储存热能，在储热阶段将热量储存在蓄热装置中，在供热阶段向热用户释放热量，可适用于火电灵活性改造、热电联产、消纳弃风弃光等可再生能源、太阳能利用、工业余热利用等储热系统，具有提高能源利用效率、平衡热能供求和环境保护的重要意义。

水储热技术中蓄热装置通常采用自然分层的蓄热装置，蓄热装置内冷热水由于密度差而不是惯性作用产生重力流(密度流)，形成冷热水混合作用较小和厚度较薄的斜温层(冷热流体之间的过渡层)，斜温层上部为热水、斜温层下部为冷水，通过自然分层的热水和冷水的上下平移运动来实现储热和放热。储热时，被热源加热的热水通过上部布水器进入蓄热装置，底部冷水排出至热源加热。放热时，热水通过上部布水器排出至热用户供热，热用户出口的较低温度的回水通过下部布水器进入蓄热装置。

为了降低蓄热装置中进水对自然分层的影响，蓄热装置内通常设置上部和下部布水器，要求水流以较低和均匀的流速流入水罐，降低进水对蓄热装置内水扰动和对斜温层的破坏。

相关技术中的多圈管式布水器，首先，该布水器沿罐体的轴向布水，该布水方式对整个罐体内的扰动较为严重；其次，布水器在布水管上开孔，通过在每一圈布水管开孔间距不相等来确保每一圈布水管的布水面积相等，从而实现布水器出口近似的均匀和低速流动，但是该开孔方式会导致布水管加工困难，难以实现量产，外圈开口间距较大，造成了布水管材料的浪费，在外圈开口间距大于内圈，导致了在内圈和外圈之间孔出口流量局部不均匀，蓄热装置内不能形成上下平移的密度流、斜温层厚度增厚、蓄热装置效率降低。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种进水流量分配均匀的强迫分层的蓄热装置。

根据本发明实施例的强迫分层的蓄热装置，所述蓄热装置包括：壳体，所述壳体限定出用于容纳蓄热介质的容纳腔，所述壳体内设有适于漂浮在所述蓄热介质中的浮板，所述浮板相对于所述壳体的内周壁沿竖向可活动地装配，所述浮板将所述容纳腔分为位于所述浮板上方的第一温区和位于所述浮板下方的第二温区，第一温区与所述第二温区连通，所述浮板的密度大于所述第一温区的蓄热介质的密度且小于所述第二温区蓄热介质的密度；第一布水器，所述第一布水器设于所述第一温区，且用于与热水管连通；第二布水器，所述第二布水器设于所述第二温区，且用于与冷水管连通；其中，所述蓄热装置设置为在工作时所述第一温区的蓄热介质的温度高于所述第二温区的蓄热介质的温度，以使所述第一温区的蓄热介质的密度小于所述第二温区的蓄热介质的密度。

根据本发明的强迫分层的蓄热装置，通过设置浮板，从而将蓄热装置的容纳腔分为第一温区和第二温区，从而有效抑制蓄热装置内的高温蓄热介质和低温蓄热介质的混合，降低斜温层厚度，从而提高蓄热装置的蓄热效率，且浮板无需设置能动设备，运行稳定可靠、成本低、后续维护简单。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述浮板与所述壳体的内周壁之间具有间隙以使所述第一温区与所述第二温区连通。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述浮板的密度为ρ，满足：950kg/m³≤ρ≤990kg/m³。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述容纳腔具有圆形截面，所述浮板为圆盘形。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述壳体包括：外保温层和内保温层，所述外保温层覆盖于所述内保温层外，所述内保温层限定出容纳腔。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述第一布水器和所述第二布水器均为盘式布水器，所述第一布水器和所述第二布水器在轴向的端部设有分别与所述热水管和所述冷水管连通的管接口，所述第一布水器和所述第二布水器的径向侧部设有沿径向向外的布水口。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述第一布水器的管接口设于所述第一布水器的上端，所述第二布水器的管接口设于所述第二布水器的下端。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述第一布水器的管接口设有内径从上到下逐渐变大的第一扩散器，所述第二布水器的管接口设有内径从下到上逐渐变大的第二扩散器。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述第一布水器和所述第二布水器均包括：沿竖向间隔开相对设置的挡板和底板，所述管接口开设于所述挡板，所述布水口设于所述挡板和所述底板之间。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述挡板的直径等于所述底板的直径，且所述挡板与所述底板对中布置。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述第一布水器和所述第二布水器均包括：多个沿所述管接口周向间隔开设置的隔板，所述隔板连接在所述挡板和所述底板之间，且所述隔板沿径向延伸。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，所述隔板的径向内端延伸至所述管接口的边沿，所述隔板的径向外端延伸至所述底板的外周沿。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的蓄热装置连通在蓄热系统的结构示意图；

图2和图3是根据本发明实施例的第一布水器的剖视图。

附图标记：

热源1，容纳腔2，热源出口阀3，热水阀4，热水管5，第一布水器6a，第二布水器6b，内壁层8，外保温层9，冷水管10，冷水阀11，储热循环泵12，热用户13，放热循环泵14，蒸汽阀15，安全阀16，溢流阀17，排污阀18，热水出口温度测点19，冷水出口温度测点20，智能控制器21，第一扩散器61a，挡板62，底板63，隔板64，管接口65，浮板7，第一温区81；第二温区82。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的蓄热系统。

如图1所示，本发明实施例的蓄热系统包括：热源1、热源出口阀3、热水阀4、热水管5、冷水管10、冷水阀11、储热循环泵12、热用户13、放热循环泵14、蒸汽阀15、安全阀16、溢流阀17、排污阀18、蓄热装置。

其中，热源1的出水端通过热水管5与第一布水器6a相连，热源1的回水端通过冷水管10与第二布水器6b相连，热用户13的进水端与热源1的出水端相连，热用户13的出水端与热源1的回水端相连。换言之，蓄热装置和热用户13并联在热源1的出水端与回水端之间。第一布水器6a可选择性地与热源1的出水端相连，第二布水器6b可选择性地与热源1的回水端相连，热用户13的进水端可选择性地与热源1的出水端相连，热用户13的出水端可选择性地与热源1的回水端相连，热用户13的进水端可选择性地与第一布水器6a相连，热用户13的出水端可选择性地与第二布水器6b相连。

热源1可以加热回水以向出水端供应热水，热源1将电能、电厂蒸汽的热能或太阳能转换为水的热能。热源1可包括锅炉、太阳能集热器等加热装置，也可包括蒸汽-水换热装置，也可以来源于火电的谷电、热电联产、消纳弃风弃光等可再生能源、太阳能利用、工业余热等。热用户13可以为供暖用户等。

在一些实施例中，热源1的出水端设有热源出口阀3，热源出口阀3可以为电动调节阀，调节从热源1出口的热水总流量，热源1的回水端设有储热循环泵12，储热循环泵12用于给回水加压，蓄热装置和热用户13并联在热源出口阀3与储热循环泵12之间。第一布水器6a通过热水管5与热源出口阀3相连，热水管5设有热水阀4，热水阀4为电动调节阀，根据所要求的蓄热装置的储热量/储热功率，调节进入蓄热装置的热水流量。第二布水器6b通过冷水管10与储热循环泵12的进水口相连，冷水管10设有冷水阀11，冷水阀11为电动调节阀，根据蓄热量和蓄热功率的需求，热源出口阀3和热水阀4控制热水流量及液位。蓄热装置内储满热水时，液位最大高度不超过限制。热用户13的出水端可以设有放热循环泵14，热水经热用户13换热后，成为回水，回水通过放热循环泵14加压。

蓄热装置顶部设置蒸汽阀15，蒸汽阀15用于控制进入蓄热装置的蒸汽流量和罐内压力；蓄热装置顶部设置安全阀16，安全阀16用于蓄热装置内压力超过限值则向大气自动排放；蓄热装置上部设置溢流阀17，当液位超过限值则溢流；蓄热装置底部设置排污阀18，用于启动前和运行过程中排污。

在蓄热装置的储热阶段，水被热源1加热，流经热水管5道、热水阀4和第一布水器6a流入蓄热装置，随着储热阶段热水的流入，蓄热装置内的高温热水区增厚、斜温层向下运动，蓄热装置底部冷水流出，经过冷水管10和储热循环泵12加压后流回热源1继续加热。

在蓄热装置的放热阶段，热水流经热水管5和热水阀4流入热用户13，热用户13的换热器可为水-水换热器或水-空气换热器等。热水经热用户13换热后，成为回水，回水通过放热循环泵14加压，经冷水管10、冷水阀11和第二布水器6b流入蓄热装置，冷水阀11调节回水流量。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的蓄热装置。

如图1所示，蓄热装置包括：壳体、第一布水器6a和第二布水器6b。

壳体限定出用于容纳蓄热介质的容纳腔2，蓄热介质可以为水，壳体可以包括：外保温层9和内壁层8，外保温层9覆盖于内壁层8外，内壁层8限定出容纳腔2，内壁层8的材料可以为不锈钢；外保温层9的材料为使用上限温度高于110℃，导热系数小于0.05w/(mk)且热稳定性较高的保温材料。

壳体内设有适于漂浮在蓄热介质中的浮板7，浮板7相对于壳体的内周壁沿竖向可活动地装配，浮板7将容纳腔2分为位于浮板7上方的第一温区81和位于浮板7下方的第二温区82，第一温区81与第二温区82连通，以使浮板7便于在容纳腔2内浮动，浮板7的密度大于第一温区81的蓄热介质的密度且小于第二温区82蓄热介质的密度。

例如当蓄热介质为水时，容纳腔2内的热水和冷水由于密度不同会在容纳腔2内形成分层，即热水的密度小在容纳腔2上方，冷水的密度大在容纳腔2的下方，在热水和冷水间可以形成一定厚度的斜温层，即斜温层上部为热水、斜温层下部为冷水。

浮板7可活动的安装在容纳腔2内，将容纳腔2分为第一温区81和第二温区82，且浮板7的密度大于第一温区81的蓄热介质的密度且小于第二温区82蓄热介质的密度，即浮板7的密度大于浮板7上端的热水的密度，且浮板7的密度小于浮板7下端的冷水的密度，热水储存在浮板7上方的第一温区81内、冷水储存在浮板7下端的第二温区82内。

由此，浮板7的密度大于第一温区81的蓄热介质的密度且小于第二温区82蓄热介质的密度，例如当蓄热介质为水时，浮板7可以位于热水和冷水间的斜温层处，在蓄热装置进行储热阶段或放热阶段时，容纳腔2内的热水或冷水的进出会导致斜温层相对壳体的上升或下降，漂浮在斜温层处的浮板7会随着斜温层上升和下降，从而使浮板7可以将容纳腔2内分为可随着容纳腔2内的蓄热介质进出自动调节的第一温区81和第二温区82，将温度高的换热介质和温度低的换热介质分开，防止温度高的换热介质和温度低的换热介质在容纳腔2内产生传热和交混、斜温层增厚等情况的发生，提高蓄热装置的换热效率。

如图1所示，第一布水器6a和第二布水器6b布置在容纳腔2内，第一布水器6a布置在容纳腔2的顶端的第一温区81处，用于将热水管5中的蓄热介质导入容纳腔2的第一温区81，或将第一温区81内的蓄热介质从容纳腔2中导出。第二布水器6b布置在容纳腔2的底端的第二温区82处，用于将冷水管10中的蓄热介质导入容纳腔2的第二温区82，或将第二温区82内的蓄热介质从容纳腔2中导出。

根据本发明的强迫分层的蓄热装置，通过设置浮板7，从而将蓄热装置的容纳腔2分为第一温区81和第二温区82，从而有效抑制蓄热装置内的高温蓄热介质和低温蓄热介质的混合，降低斜温层厚度，从而提高蓄热装置的蓄热效率，且浮板7无需设置能动设备，运行稳定可靠、成本低、后续维护简单。

下面参照图1-图3描述根据本发明的强迫分层的蓄热装置的一些实施例。

如图1所示，根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，浮板7与壳体的内周壁之间具有间隙以使第一温区81与第二温区82连通，这样，可以减小浮板7与壳体的内周壁间的摩擦，方便浮板7在容纳腔2内的上下滑动，且可以使第一温区81和第二温区82间可以通过水蒸气等，便于第一温区81和第二温区82的压力的释放等。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，浮板7的密度为ρ，满足：950kg/m3≤ρ≤990kg/m3，这样，浮板7可以漂浮在温度高的蓄热介质与温度低的蓄热介质间的斜温层中，当然，浮板7的密度可以根据蓄热装置内蓄热介质的设计温度进行设计，即温度高的蓄热介质的设计温度越高浮板7的密度越小，从而保证浮板7可以漂浮在温度高的蓄热介质和温度低的蓄热介质间的斜温层处。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，容纳腔2具有圆形截面，浮板7为圆盘形，这样可以便于浮板7与容纳腔2的配合，且使浮板7在容纳腔2内上下滑动的过程中不易被卡住，从而提升蓄热装置的稳定性。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，如图1所示，壳体包括：外保温层9和内保温层，外保温层9覆盖于内保温层外，内保温层限定出容纳腔2，在一些示例中，内壁层88限定出容纳腔22，内壁层8的材料可以为不锈钢；外保温层9的材料为使用上限温度高于110℃，导热系数小于0.05w/(mk)且热稳定性较高的保温材料。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，第一布水器6a和第二布水器6b均为盘式布水器，第一布水器6a在轴向的端部设有与热水管5连通的管接口65，第二布水器6b在轴向的端部设有与冷水管10连通的管接口65，第一布水器6a和第二布水器6b的径向侧部设有沿径向向外的布水口，管接口65用于将热水管5或冷水管10内的蓄热介质导入布水器，布水口用于将导入到布水器的蓄热介质导入容纳腔2。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，第一布水器6a的管接口65设于第一布水器6a的上端，第二布水器6b的管接口65设于第二布水器6b的下端，这样，温度高的蓄热介质可以从容纳腔2的上方由热水管5导入第一温区81，温度低的蓄热介质可以从容纳腔2的下方由冷水管10导入第二温区82，这样可以将蓄热装置的冷或热的换热介质进出蓄热装置的路径分开，便于将热的蓄热介质导入第一温区81，将冷的蓄热介质导入第二温区82。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，如图2所示，第一布水器6a的管接口65设有内径从上到下逐渐变大的第一扩散器61a，第二布水器6b的管接口65设有内径从下到上逐渐变大的第二扩散器，第一扩散器61a和第二扩散器可以为渐扩管。

在一些具体的示例中，第一扩散器61a的上端与热水管5相连，第一扩散器61a可以为由上到下管径逐渐增大的渐扩管，第二扩散器的下端与冷水管10相连，第二扩散器可以为由下到上管径逐渐增大的渐扩管。

第一扩散器61a和第二扩散器的设置，可以当蓄热介质由热水管5流入第一布水器6a或蓄热介质由冷水管10流入第二布水器6b的过程中减少水阻，起到导流的作用，使蓄热介质在容纳腔2及冷热水管5间的流通更顺畅。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，如图2和图3所示，第一布水器6a和第二布水器6b均包括：沿竖向间隔开相对设置的挡板62和底板63，管接口65开设于挡板62，布水口设于挡板62和底板63之间，这样，从热水管5或冷水管10流入到布水器处的蓄热介质可以受到底板63的导向，从挡板62和底板63间流入到容纳腔2内，以第一布水器6a为例，蓄热介质由热水管5经管接口65从上向下流入布水器，蓄热介质流出管接口65后冲击在底板63上，并经过底板63和挡板62的导向向底板63的径向的各个方向，并最终从挡板62和底板63间的布水口流出第一布水器6a，蓄热介质经第二布水器6b从冷水管10流入容纳腔2内的过程与第一布水器6a处类似，在此不再赘述。

挡板62和底板63的设置，对流入到第一布水器6a或第二布水器6b的蓄热介质起到导向和缓冲的作用，使蓄热介质流入容纳腔2的流速较慢，从而减少蓄热装置内水流的扰动，增强蓄热装置的安全性及蓄热效率。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，如图3所示，挡板62的直径等于底板63的直径，且挡板62与底板63对中布置，这样，可以使冲击到底板63上的蓄热装置不会溅射到壳体的上部的内壁上等，使挡板62可以对蓄热介质起到向下导向的作用，使蓄热介质可以顺畅的流入到容纳腔2内，且挡板62与底板63的直径相同便于布水器的制造和装配，从而降低布水器的制造成本。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，如图2所示，第一布水器6a和第二布水器6b均包括：多个沿管接口65周向间隔开设置的隔板64，隔板64连接在挡板62和底板63之间，且隔板64沿径向延伸，这样，多个隔板64可以在第一步水器和第二布水器6b上形成多个布水口，隔板64用于对流入布水器的蓄热介质起到分流的作用，使蓄热介质可以通过不同的布水口流入容纳腔2，隔板64也可以对蓄热装置起到降低流速的作用，进而降低蓄热装置的进水过程中的进水扰动，也防止进水对浮板7的冲击，使浮板7可以稳定的起到热水和冷水分层的作用。

根据本发明一个实施例的强迫分层的蓄热装置，隔板64的径向内端延伸至管接口65的边沿，隔板64的径向外端延伸至底板63的外周沿，这样，隔板64可以将蓄热介质从流出管接头后就对蓄热介质起到导向的作用，并将蓄热介质导出到底板63的外周沿处，并流入容纳腔2内。

在一些实施例中，强迫分层的蓄热装置还可以包括热水出口温度测点19、冷水出口温度测点20和智能控制器21，热水出口温度测点19可以位于蓄热装置的热水出口处，用于测量从蓄热装置流出的热水的温度，冷水出口温度测点20可以位于蓄热装置的冷水出口处，用于测量从蓄热装置流出的冷水的温度，智能控制器21用于根据热水出口温度测点19测得的水温控制放热循环泵14或根据冷水出口温度测点20测得的水温控制储热循环泵12的工作，以使蓄热装置的控制过程可以更便捷。

下面参照图1-图3描述根据本发明的一个实施例的强迫分层的蓄热装置的工作过程(以蓄热介质为水为例)：

热源1用于加热水，热源1装置可为电锅炉，在夜间低谷电时期或使用弃风电量期间启动热源1，电能转换为水的热能进行蓄热。

在蓄热阶段，热源1加热水，流经热源出口阀3、热水阀4、热水管5、和第一布水器6a流入蓄热装置，蓄热装置内的第一温区81(即高温水区)增厚、浮板7下沉平移移动，蓄热装置底部冷水流出，经过第二布水器6b、冷水管10、冷水阀11和蓄热循环泵加压后流回热源1继续加热。当浮板7到达第二布水器6b时，蓄热装置蓄满热水，蓄热装置底部冷水出口温度测点20测到出口水温升至所设置的水温后，则智能控制器21控制蓄热循环泵停止，蓄热阶段结束。

在放热阶段，热水流经热水管5和热水阀4流入热用户13。热水经热用户13换热后，成为低温回水，低温回水通过放热循环泵14加压，经冷水管10、冷水阀11和第二布水器6b流入蓄热装置，蓄热装置内的低温水区增厚、浮板7上浮平移移动，蓄热装置上部热水流出。当浮板7到达第二布水器6b时，蓄热装置充满冷水，蓄热装置上部热水出口温度测点19测到出口水温降至所设置的水温后，则智能控制器21控制放热循环泵14停止，放热阶段结束。

根据本发明的强迫分层的蓄热装置通过设置受浮力驱动自动平移的浮板7，有效隔离了热水区域和冷水区域、能够实现蓄热介质分层，降低了蓄热装置进水扰动、抑制了冷热水的对流交混、降低了冷热水的导热，提高了蓄热装置效率，提供了一种普遍适用于热电联产、火电深度调峰、谷电利用等区域供热系统的高效节能储热方式，且浮板7无需设置能动设备，运行稳定可靠、成本低、后续维护简单。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。