预制模块化固体储热装置及固体储热系统的制作方法

本发明属于固体储热技术领域，具体涉及一种预制模块化固体储热装置及固体储热系统。

背景技术：

储热即热能储存，是能源科学技术中的重要分支，在能量转换和利用的过程中，常常存在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，由于储能技术可解决能量供求在时间上和空间上不匹配的矛盾，因而是提高能源利用率的有效手段。

可再生能源存在普遍，分布广泛，但难于利用，主要在于其不仅分散，而且不能连续，能量强度受日照、昼夜交替、季节特征的变化而变化，因此在使用过程中难以连续、稳定，通过储热技术，可以实现按天、按季存储与释放。可再生能源利用中最重要的问题之一，就是解决存储问题。

工业余热资源因为载体多样、分布分散、衰变快、不可储存、稳定性差等原因，一直未得到大量应用；工业生产过程排出的余热一般波动很大，而且与用热负荷的波动并不同步，所以实现工业余热的回收利用时，通过储热技术来平衡用热负荷是余热回收的重点，工业余热间歇式储存器主要用于蒸汽热能回收、烟气，热风热能回收。现有的固体储热装置普遍存在结构比较复杂、储热效率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种预制模块化固体储热装置及固体储热系统，以解决现有的固体储热装置结构复杂、储热效率低、实施难度大的问题。

本发明采用以下技术方案：预制模块化固体储热装置，包括：

一箱式壳体，为空心腔体；

多个换热管，用于供换热工质流动，每个换热管沿蛇形布置，且贯穿设置于箱式壳体内；相邻换热管上下交错排布，且等间隔平行设置；在沿着每个换热管10延伸方向上的任意相同位置处，位于中间的换热管中心与位于相邻两侧的换热管中心三点连线形成正三角形；

储能介质，位于箱式壳体内部，填充于箱式壳体内壁和管道外壁之间。

进一步的，每个进口管与水平线的进口夹角为0°～-90°。

进一步的，每个出口管与水平线的出口夹角为0°～90°。

进一步的，包括一组或n组换热管束，每组换热管束包括间隔相等的多个换热管，同一组换热管束中的各个换热管所对应的进口管的进口夹角均相同，同一组换热管束中的各个换热管所对应的出口管的出口夹角均相同。

进一步的，相邻换热管的间距大于换热管直径。

进一步的，预制模块化固体储热装置还包括：

一入口联箱，其上连接有多个进口管，用于连接每个换热管的一端口；

一出口联箱，其上连接有多个出口管，用于连接每个换热管的另一端口。

进一步的，入口联箱上方设置有排气管，出口联箱下方设有排污管。

进一步的，箱式壳体内部设置有与换热管垂直支撑架，换热管贯穿支撑架设置。

进一步的，箱式壳体外面包裹隔热保温层。

本发明采用的第二种技术方案为：储热系统，包括多个预制模块化固体储热装置，多个预制模块化固体储热装置串联且相互绝热，相邻预制模块化固体储热装置之间的出口联箱和入口联箱连通。

本发明的有益效果是：换热管采用蛇形布置，管道在变向的时候采用弯管连接，大大减少了换热管在中间环节使用三通的比例，降低系统流动阻力，减少系统泵功的消耗，降低了成本；采用每相邻三个换热管中心形成正三角形的排布形式，可以使储热材料更均衡的受热；采用进出口管与水平线存在一定的夹角，可以利于排气和排污；将储热模块采用模块的设计和组装，可以实现工厂标准化加工，可以实现异地预制和组装，减少现场施工场地，缩短项目整体实施工期，节约管理成本。

【附图说明】

图1为本发明预制模块化固体储热装置的主视图；

图2为图1的a-a视图；

图3-图6分别为本发明预制模块化固体储热装置的换热管的四种形式的结构示意图；

图7为图2的b-b视图；

图8-1为固体储热装置中常见的换热管布置关系示意图；

图8-2为本发明预制模块化固体储热装置的换热管布置关系示意图；

图9为本发明储热系统的结构示意图。

其中，1.入口联箱，2.排气管，3.进口管，4.箱式壳体，5.支撑架，6.储能介质，7.出口管，8.排污管，9.出口联箱，10.换热管。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种预制模块化固体储热装置，如图1所示，包括箱式壳体4，其为空心腔体；以及储能介质6，位于箱式壳体4内部，填充于箱式壳体4内壁和管道外壁之间。箱式壳体4的作用是固定换热管10和储存储热工质的。箱式壳体4内部设置有与换热管10垂直支撑架5，换热管10贯穿支撑架5设置，用于增加箱式壳体4的强度。箱式壳体4外面包裹隔热保温层，保温层作用是减少模块组与大气环境的热量交换，保证热量存储效率。储热工质通常为固体材料，如石子、砂石、铁矿石、沙土岩石、高性能混凝土及其他高温固体材料等。换热工质通常为气体或液体。

如图2所示，预制模块化固体储热装置还包括多个换热管10，用于供换热工质流动，每个换热管10沿蛇形布置，且贯穿设置于箱式壳体4内。每个换热管10采用蛇形布置，换热管管道在变向的时候采用弯管连接，只有在换热管两端连接联箱，大大减少了换热管10在中间环节使用三通的比例，降低系统流动阻力，减少系统泵功的消耗，降低了成本。换热管10有一部分暴露在箱式壳体4外，便于设备检查与维护。

同时，如图7所示，将相邻换热管10一上一下的交错排布，而且相邻的换热管10之间间隔相等且互相平行。其中，在沿着每个换热管10延伸方向上的任意相同位置处，垂直这些换热管10的轴线方向切开，那么在各个换热管10的各个截面上可以找到各个换热管10的中心，这些中心满足以下关系：任意一个换热管10的中心与相邻两侧的换热管中心这三点的连线要形成正三角形。

如图8-1所示，固体储热装置中常见的换热管布置关系是，各个换热管相互平行等间隔设置，这样的设计下，其换热管之间的间隙见图中阴影区域所示。如图8-2所示，本发明预制模块化固体储热装置的换热管布置关系是，相邻的换热管一上一下错排布置。通过两种布置关系的对比分析可知，本发明采用的布置关系可以使得换热管之间形成最小的换热间隙，在相同结构参数以及相同类型换热管的前提下，本发明的换热管间隙面积相较于图8-1的换热管间隙面积可以缩小至48％。所以说在相等的截面下，本发明的传热更均匀，利于储热材料更均匀的吸收或释放热量，得到更好的储热效果。

预制模块化固体储热装置还包括入口联箱1，其上设置有多个进口管3，入口联箱1上方设置有排气管2。进口管3用于连接每个换热管10的一端口；每个进口管3与水平线的夹角为0°～-90°。该角度的设计利于高点排汽，减少工质流动中未排净气体增加换热流动震动。

预制模块化固体储热装置还包括出口联箱9，其上设置有多个出口管7，出口联箱9下方设有排污管8。出口管7用于连接每个换热管10的另一端口；每个出口管7与水平线的夹角为0°～90°。该角度设计，利用低点排污，减少工质流动中杂质堵塞管路。

按照上述设定规则，进口管3和出口管7的角度设置有多种形式，具体如下：

如图3所示，进口管3与水平线的进口夹角为a，a＝0°，出口管7与水平线的出口夹角为b，b＝0°；这种角度设计是现在储热模块常用的形式。

如图4所示，进口管3与水平线的进口夹角为a，0°＞a＞-90°，出口管7与水平线的出口夹角为b，b＝0°；采用该角度设计，更易于换热工质在进口管3处产生的气体向上移动，便于空气从排气管2排出。

如图5所示，进口管3与水平线的进口夹角为a，a＝0°，出口管7与水平线的出口夹角为b，0°＜b＜90°；采用该角度设计，更易于换热工质在出口管7处产生的固体杂质向下沉积，便于杂质从排污管8排出。

如图6所示，进口管3与水平线的进口夹角为a，0°＞a＞-90°，出口管7与水平线的出口夹角为b，0°＜b＜90°。采用该角度设计，可以同时实现下列两个效果，更易于换热工质在进口管3处产生的气体向上移动，便于空气从排气管2排出；更易于换热工质在出口管7处产生的固体杂质向下沉积，便于杂质从排污管8排出。

预制模块化固体储热装置可以包括一组或n组换热管束，n为偶数，每组换热管束中包括多个间隔相同的换热管10，同一组换热管束中的各个换热管10所对应的进口管3的进口夹角均相同，同一组换热管束中的各个换热管10所对应的出口管7的出口夹角均相同。如图1所示，预制模块化固体储热装置包括两组换热管束，相邻的换热管10分别属于两组换热管束，相邻的换热管一上一下错排布置，且相互之间间隔相等平行设置。其中一组换热管束如图4所示，所有的进口管3与水平线的夹角为a，0°＞a＞-90°，所有的出口管7与水平线的夹角为b，b＝0°。另一组换热管束如图5所示，所有的进口管3与水平线的夹角为a，a＝0°，所有的出口管7与水平线的夹角为b，0°＜b＜90°。这种形式的组合，既保证了排气和排污的效果，又最大化的利用了箱式壳体4内部的空间。

同时，相邻换热管10的间距应大于换热管10直径。多组换热管束的作用是均匀换热，实现更加有效的换热效果。

本发明的预制模块化固体储热装置的工作过程为：

1、储热模式：高温换热工质分别经每个进口管3进入，流经换热管10后，再经各个出口管7流出。在换热工质流经换热管10的过程中，可以将换热工质携带的热量储存至储热工质内。

2、放热模式，换热工质反向流动，分别从每个出口管7进入，流经换热管10后，再分别经每个进口管3流出，再换热工质流经换热管10的过程中，可以将储热工质内储存的热量释放至换热工质并输出。

本发明还提供了一种储热系统，如图9所示，包括多个预制模块化固体储热装置，多个预制模块化固体储热装置串联且相互绝热，相邻预制模块化固体储热装置之间的出口联箱9和入口联箱1连通。将储热模块采用模块的设计和组装，可以实现工厂标准化加工，便于控制成品质量。预制模块化固体储热装置可以异地预制和组装，减少现场施工场地，缩短项目整体实施工期，节约管理成本。当然，预制模块化固体储热装置也可以现场施工。

本发明一种储热系统的工作过程为：

1、储热模式：高温换热工质分别经每个进口管3进入，流经换热管10后，再经各个出口管7流出；然后再依次流经下一个预制模块化固体储热装置。在换热工质流经换热管10的过程中，可以将换热工质携带的热量储存至储热工质内。

2、放热模式，换热工质反向流动，分别从每个出口管7进入，流经换热管10后，再分别经每个进口管3流出，然后再依次流经下一个预制模块化固体储热装置。在换热工质流经换热管10的过程中，可以将储热工质内储存的热量释放至换热工质并输出。

实施例

采用二个预制模块化固体储热装置串联组成一个储热系统。换热工质采用vp-1导热油，换热结构采用预制模块固体储热的换热管10，换热管10的管径为dn10以上的标准管，换热管数量为35个，采用了280个直插三通焊接，其余为弯管，比现有技术少了420个直插三通焊接，联箱上的进口管3均为-45°、出口弯管角度均为45°。

该模块运行后，试验期平均充放热流量为9.68m3/h，平均压力损失为10.88kpa；充、放热过程中有效能损失小，平均储热品质系数为0.886；储热量为1mwh，实际有效放热量0.87mwh，24h散热损失和防凝放热0.13mwh,平均系统循环测试阻力10.88kpa，小于现有技术通常的循环测试阻力30kpa。在同等储热规模条件下，一般储热效率是85％，而该模块的热量损失小，具有较高的储热效率，试验平均值为93.61％。由此可见本发明的预制模块化固体储热装置具有较高的储热效率。