本實(shí)用新型涉及一種強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，特別是涉及一種高溫鐵基蓄熱裝置中的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)以及具有該結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)光通過(guò)匯聚生產(chǎn)的熱能具有間歇性，若需要根據(jù)生產(chǎn)或生活的需要使用，就必須將其高效、可靠、經(jīng)濟(jì)的存儲(chǔ)。高效是指存儲(chǔ)過(guò)程快捷、方便，在存儲(chǔ)和重新使用過(guò)程中熱能損失小，可靠是指熱能存儲(chǔ)的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、安全，經(jīng)濟(jì)是指熱能存儲(chǔ)裝置的投資、運(yùn)行成本低。

常規(guī)熱電廠由于其發(fā)電及供熱每日負(fù)荷波動(dòng)大，夜晚低負(fù)荷時(shí)容易導(dǎo)致脫硝等環(huán)保設(shè)施無(wú)法投運(yùn)，過(guò)低的負(fù)荷下需要投油穩(wěn)定燃燒，嚴(yán)重影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。

蓄熱方式很多，目前太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域高溫蓄熱的主流技術(shù)是利用熔鹽進(jìn)行蓄熱。熔鹽為兩種或兩種以上無(wú)機(jī)鹽按比例的混合物，該混合物在特定溫度下會(huì)熔化，被規(guī)?；貌⒌玫介L(zhǎng)周期驗(yàn)證的熔鹽為硝酸鈉與硝酸鉀按照6：4的比例混合物，加熱到220℃時(shí)即開(kāi)始熔化。蓄熱過(guò)程是在熔鹽熔化后將其再加熱升溫，利用其升溫的顯熱進(jìn)行熱能存儲(chǔ)，在蒸汽生產(chǎn)時(shí)利用熔鹽溫降放熱加熱水或蒸汽，整個(gè)過(guò)程是在熔鹽的熔化狀態(tài)下完成的。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可利用熔鹽的流動(dòng)性及熔鹽良好的導(dǎo)熱性能在不同的換熱器間進(jìn)行熱傳遞，其局限性也是顯而易見(jiàn)的，安全使用溫度必須高于250℃，系統(tǒng)保溫要求高、熱損失大。為防止凝固，在涉及熔鹽的管路、閥門(mén)、換熱器等環(huán)節(jié)必須附加電伴熱。限制了使用的靈活性。同時(shí)驅(qū)動(dòng)熔鹽流動(dòng)的熔鹽泵使用條件苛刻，國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn)，且使用的安全性、可靠性、壽命無(wú)法保障。由于熔鹽的溫度下限為250℃，該溫度以下的熱能無(wú)法利用，極大的限制了其有效蓄熱量。當(dāng)無(wú)外部加熱的時(shí)間，例如夜晚、或陰天，維持系統(tǒng)的高溫必須耗費(fèi)大量的額外的電能，因此該系統(tǒng)的整體運(yùn)行成本高，嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)熔鹽及復(fù)雜的蓄熱系統(tǒng)的成本高昂，大幅度增加了發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)投資。當(dāng)然有些熔鹽的腐蝕性也會(huì)對(duì)系統(tǒng)壽命及安全造成影響。

目前熔鹽材料技術(shù)得到較大的發(fā)展，使得熔鹽利用的溫度空間得到有效拓寬，但熔鹽蓄熱系統(tǒng)的構(gòu)架是一致的。其安全使用溫度仍高于100℃，高溫運(yùn)行需借助熔鹽泵，無(wú)法根本解決熔鹽蓄熱所面臨的上述問(wèn)題。

此前的所有太陽(yáng)能光熱技術(shù)均無(wú)法直接生產(chǎn)高溫蒸汽，利用熔鹽蓄熱都是在間接生產(chǎn)蒸汽的方式下采用的，即需要熔鹽直接光照加熱或與非水介質(zhì)換熱后實(shí)現(xiàn)蓄熱，再通過(guò)熔鹽與水介質(zhì)換熱實(shí)現(xiàn)熔鹽的放熱。蓄熱方式最終目的都是再次生產(chǎn)蒸汽，蒸汽是熱能傳遞、使用最好的介質(zhì)，比如常規(guī)電站、核電站及各種工業(yè)熱利用。在此條件下，熔鹽是最好的蓄熱方式，也是無(wú)奈的選擇。

本申請(qǐng)人申請(qǐng)的實(shí)用新型專(zhuān)利201510288209.7有效的解決了上述問(wèn)題，通過(guò)使用鐵基粉末空隙填充熔鹽的蓄熱介質(zhì)，并結(jié)合其合理的換熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了蓄熱效率；簡(jiǎn)化了蓄熱裝置；運(yùn)行可靠、方便、安全；裝置成本低廉；運(yùn)行及維護(hù)成本較低。

但該實(shí)用新型在換熱的經(jīng)濟(jì)性方面與液體(水)—蒸汽換熱器相比有較大的差距，表現(xiàn)在該蓄熱裝置內(nèi)填充的蓄熱介質(zhì)與金屬換熱器間的位置相對(duì)固定，以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱傳遞，而液體(水)—蒸汽換熱器以熱傳導(dǎo)加對(duì)流換熱的方式進(jìn)行熱傳遞，后者的等效導(dǎo)熱系數(shù)是前者的十多倍到數(shù)十倍。要保證蓄熱裝置與液體(水)—蒸汽換熱器換熱相似，就需等效大幅度增加換熱面積或大幅度減少蒸汽流量。雖然蓄熱裝置相較液體(水)—蒸汽換熱器換熱面積大很多，但該蓄熱裝置在參與換熱的面積大幅度增加的同步增加了換熱介質(zhì)，導(dǎo)致蓄熱裝置的冗余熱大幅度增加，對(duì)蓄熱裝置的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行的靈活性帶來(lái)了極大的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是能夠提高蓄熱裝置的蓄熱換熱能力，并且改善蓄熱裝置的使用靈活性和蓄熱裝置的成本的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種高溫蓄熱裝置的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括封閉的容器，所述容器的頂部連通有至少一根吹氣管道和至少一根抽氣管道，至少一根管道豎向插入至容器的底部，所述容器的周壁能夠從外向內(nèi)滲透高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料并且隔離其他固體蓄熱材料。

為了更好的吸入高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料和將無(wú)機(jī)蓄熱材料從管道頂部排出，所述管道的頂部設(shè)有單向閥，當(dāng)容器為負(fù)壓吸入時(shí)該單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)容器為正壓吹氣時(shí)所述單向閥打開(kāi)使得高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠從管道的頂部向外輸送。

為了節(jié)省成本簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，所述至少一根吹氣管道和至少一根抽氣管道為至少一根氣壓管道，通過(guò)所述氣壓管道能夠?qū)θ萜鬟M(jìn)行抽真空和吹氣處理。

優(yōu)選地，所述容器的周壁至少部分表面為滲透表面，該滲透表面能夠滲透高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料并且隔離其他固體蓄熱材料。

優(yōu)選地，所述滲透表面為兩層，一層為具有孔洞的固定層，另一層為濾網(wǎng)層。

具上述強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置，包括金屬箱體以及位于金屬箱體內(nèi)的多層上下水平間隔設(shè)置的換熱管，所述金屬箱體內(nèi)包圍所述換熱管填充有蓄熱介質(zhì)，所述蓄熱介質(zhì)包括固體蓄熱材料和高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料，其特征在于：所述容器位于所述金屬箱體的底部，所述管道的頂部延伸至金屬箱體的頂部位于蓄熱介質(zhì)的上方，所述吹氣管道和抽氣管道的另一端均伸出位于金屬箱體外側(cè)。

優(yōu)選地，所述固體蓄熱材料包括至少兩種以上固體鐵基材料組成的混合物，所述無(wú)機(jī)蓄熱材料為熔鹽和/或?qū)嵊汀?/p>

優(yōu)選地，所述至少兩種以上固體鐵基材料組成的混合物為鐵礦石粉末與碎鐵塊或者鐵礦石粉末與碎鐵粉末。

為了均勻換熱，每一層的換熱管為蛇形管，沿金屬箱體的水平方向來(lái)回設(shè)置，并且相鄰層的換熱管在垂直方向上的投影交錯(cuò)設(shè)置。

為了防止固體蓄熱材料壓壞換熱管，所述金屬箱體內(nèi)多層換熱管之間設(shè)有水平間隔設(shè)置的鐵板，所述鐵板與金屬箱體固定，并且鐵板上設(shè)有多個(gè)間隔分布的通孔供蓄熱介質(zhì)的流動(dòng)以及管道的通過(guò)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于該強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)以及具有該結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置，能夠?qū)⒏邷叵鲁室后w的無(wú)機(jī)蓄熱材料不斷地上下循環(huán)，能夠極大地提升換熱管與蓄熱介質(zhì)的換熱強(qiáng)度和換熱效果。并且大大提高了蓄熱裝置的蓄熱能力，也提高了蓄熱轉(zhuǎn)換效率，并且降低了成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用到能源領(lǐng)域節(jié)能減排特點(diǎn)十分突出前景廣闊。

附圖說(shuō)明

圖1為具有本實(shí)用新型實(shí)施例的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置的示意圖。

圖2為具有本實(shí)用新型實(shí)施例的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置的俯視示意圖。

圖3為具有本實(shí)用新型實(shí)施例的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置的另一方向的示意圖。

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)中的容器的滲透表面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1-3所示，為具有本實(shí)用新型實(shí)施例的強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)的高溫蓄熱裝置的示意圖，該高溫蓄熱裝置利用蒸汽和水作為流動(dòng)換熱介質(zhì)，進(jìn)行儲(chǔ)熱和放熱。也可以是本申請(qǐng)人的在先申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)枮?01410310238.4的基礎(chǔ)上所用的高溫蓄熱裝置，在先申請(qǐng)201410310238.4能夠利用太陽(yáng)能的熱能，直接將水轉(zhuǎn)換成蒸汽，因此，本實(shí)用新型實(shí)施例中的高溫蓄熱裝置，可以利用于上述申請(qǐng)的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)中。

如圖1-3所示，本實(shí)用新型的高溫蓄熱裝置包括中空的金屬箱體1，位于金屬箱體1內(nèi)的多層上下水平間隔設(shè)置的換熱管2，以及包圍所述換熱管2填充金屬箱體1的蓄熱介質(zhì)3，該蓄熱介質(zhì)3填滿整個(gè)金屬箱體1的內(nèi)部空間。該每層的換熱管2均為蛇形管，即沿金屬箱體1的水平方向延伸來(lái)回彎曲設(shè)置，并且相鄰層的換熱管在垂直方向上的投影交錯(cuò)設(shè)置，使得金屬箱體1內(nèi)的蓄熱介質(zhì)3加熱更加均勻。每層的換熱管2采用彈性懸吊方式定位在金屬箱體1內(nèi)，這樣的設(shè)置使得換熱管能夠充分并且較大面積地與蓄熱介質(zhì)3接觸。該蓄熱介質(zhì)3包括固體蓄熱材料，該固體蓄熱材料為包括至少兩種鐵基材料的混合物，優(yōu)選地，該混合物為鐵礦石粉末與碎鐵塊或粉末按比例混合的混合物，優(yōu)選地，該鐵礦石粉末與碎鐵塊或粉末的重量比例為2:1-3:1，也可以采用其他鐵金屬塊或者粉末，只要其具有較高的蓄熱性能即可，也可以在鐵基材料的混合物的基礎(chǔ)上添加其他金屬碎塊或粉末，優(yōu)選地，為了加強(qiáng)換熱，可以添加少量的石墨和/或鋁。并且該蓄熱介質(zhì)3還包括高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料，例如熔鹽和/或?qū)嵊停埯}和導(dǎo)熱油可以填充所有固體縫隙，極大地降低熱阻，而且大幅度增加換熱面積，能夠?qū)崿F(xiàn)高效換熱，大幅度降低換熱溫度端差。

該金屬箱體1兩端分別設(shè)有連接管4，連接管4的下方插入至蓄熱介質(zhì)3中上方露出于所述金屬箱體1，并且連接管4分別連接至每一層的換熱管2。優(yōu)選地，該兩側(cè)的連接管為多根，如圖1所示。該金屬箱體1的兩端的連接管分別連接至位于金屬箱體1的兩端上方的蒸汽分聯(lián)箱和凝結(jié)水分聯(lián)箱，并且分別通過(guò)蒸汽分聯(lián)箱和凝結(jié)水分分聯(lián)箱連接至外界的管道。

該高溫蓄熱裝置蓄熱時(shí)的工作原理為：由鍋爐加熱或者太陽(yáng)能集熱裝置產(chǎn)生的高溫蒸汽經(jīng)外界換熱管進(jìn)入蒸汽分聯(lián)箱，通過(guò)蒸汽分聯(lián)箱將蒸汽分導(dǎo)入金屬箱體1內(nèi)的換熱管2，換熱管2將熱量傳遞到蓄熱介質(zhì)3，蓄熱介質(zhì)3被加熱，同時(shí)換熱管2內(nèi)的蒸汽得到逐步冷卻，直至凝結(jié)變?yōu)槟Y(jié)水，凝結(jié)水在凝結(jié)水分聯(lián)箱匯聚，最終通過(guò)外界連接的水箱連接至外界的管道，或者可以通過(guò)外界的管道再次進(jìn)入鍋爐加熱裝置或者太陽(yáng)能集熱裝置，再次形成蒸汽，完成循環(huán)，此時(shí)，蓄熱介質(zhì)3被加熱的同時(shí)存儲(chǔ)熱能。

該高溫蓄熱裝置放熱的工作原理是：高壓水經(jīng)外界的水管通過(guò)凝結(jié)水分聯(lián)箱導(dǎo)入，被分到多層的換熱管2中，水被蓄熱介質(zhì)3加熱升溫、汽化，蒸汽被進(jìn)一步加熱變成高溫過(guò)熱蒸汽，進(jìn)入蒸汽分聯(lián)箱匯聚，最終由蒸汽分聯(lián)箱導(dǎo)入至外界的管道，導(dǎo)入至熱能利用設(shè)備，熱能利用設(shè)備的凝結(jié)水可通過(guò)外界的管道再次通過(guò)水泵導(dǎo)入至凝結(jié)水分聯(lián)箱完成循環(huán)，此時(shí)，蓄熱介質(zhì)3被冷卻的同時(shí)釋放熱能。

優(yōu)選地，由于蓄熱介質(zhì)主要為固體的鐵基材料，因此在蓄熱和放熱的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮，導(dǎo)致蓄熱介質(zhì)3的局部塌陷而引起換熱管2局部受力過(guò)大，導(dǎo)致?lián)p壞或者工作不安全，因此，在金屬箱體1內(nèi)，在多層的換熱管2之間，設(shè)有多塊水平上下間隔設(shè)置的鐵板7，該鐵板7與金屬箱體1之間相互固定，可以是直接固定連接或者通過(guò)支撐件固定連接，并且鐵板7上設(shè)有多個(gè)均勻間隔分布的通孔，供蓄熱介質(zhì)3的流動(dòng)以及連接管4和管道62通過(guò)。該金屬箱體1的外側(cè)設(shè)有外部保溫層8，優(yōu)選地，該保溫層8為硅酸鋁和/或氣凝膠。

并且該高溫蓄熱裝置內(nèi)設(shè)有強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，該強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)包括延伸位于金屬箱體1的底部的至少一個(gè)容器5，該容器5的周壁封閉，并且其周壁能夠從外向內(nèi)滲透蓄熱介質(zhì)3中的高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料，即該無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠滲透入容器5內(nèi)，但是蓄熱介質(zhì)3中的固體蓄熱材料被隔離在容器5內(nèi)。容器5的頂部連通有連通至金屬箱體1外界的吹氣管道以及抽氣管道，該吹氣管道用于對(duì)容器5進(jìn)行吹氣加壓，該抽氣管道用于將容器5內(nèi)進(jìn)行抽真空的處理?？梢允侨鐖D3所示，該容器5的頂部連接一氣壓管道61，該氣壓管道61連通至金屬箱體1的外側(cè)，該氣壓管道61同時(shí)為抽氣管道和吹氣管道，同時(shí)起到抽氣成真空和吹氣加壓的作用。

該容器5內(nèi)還插入設(shè)有至少一根管道62，該管道62插入至容器5的底部，并且該管道62從容器5的頂部向上延伸，并且其頂部延伸伸出位于金屬箱體1內(nèi)的蓄熱介質(zhì)3的上方。因此，當(dāng)通過(guò)抽氣管道對(duì)容器5進(jìn)行抽真空處理時(shí)，蓄熱介質(zhì)3中的無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠快速滲透入容器5內(nèi)，而當(dāng)通過(guò)吹氣管道對(duì)容器5進(jìn)行加壓時(shí)，容器5內(nèi)的無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠通過(guò)管道62向上從管道62的頂部噴出位于蓄熱介質(zhì)3的頂部。以此使得蓄熱介質(zhì)3內(nèi)的無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠在金屬箱體1內(nèi)進(jìn)行上下的循環(huán)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)更好地?fù)Q熱蓄熱，提高換熱蓄熱的效率。

并且該管道62的頂部設(shè)有一單向閥63，該單向閥63使得無(wú)機(jī)蓄熱材料僅能從管道62向外排出。當(dāng)容器5為負(fù)壓吸入時(shí)該單向閥63處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)容器5為正壓吹氣時(shí)所述單向閥63打開(kāi)使得高溫下呈液體的無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠從管道62的頂部向外輸送。

該容器5可以為沿金屬箱體1的底面平行延伸有多個(gè)，或者也可以是呈矩陣狀分布有多個(gè)，也可以是其他排布方式，例如彼此錯(cuò)開(kāi)均勻設(shè)置，或者不均勻設(shè)置均可。并且該容器5連接有至少一根管道62，使得容器5內(nèi)的底部各處的無(wú)機(jī)蓄熱材料能夠通過(guò)上述方式被運(yùn)送至蓄熱介質(zhì)3的頂部，實(shí)現(xiàn)熱能的均勻循環(huán)。

如圖4所示，該容器5中至少部分表面為滲透表面，該滲透表面可以滲透無(wú)機(jī)蓄熱材料和隔離固體蓄熱材料，該容器5的滲透表面的結(jié)構(gòu)為兩層，一層為具有孔洞51的固體層52，另一層為濾網(wǎng)層53，該濾網(wǎng)層53位于固體層52的外側(cè)，也可以是兩層的位置互換，只要能夠?qū)崿F(xiàn)其滲透無(wú)機(jī)蓄熱材料和隔離固體蓄熱材料的功能即可。

該強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒏邷叵鲁室后w的無(wú)機(jī)蓄熱材料不斷地上下循環(huán)，能夠極大地提升換熱管2與蓄熱介質(zhì)3的換熱強(qiáng)度和換熱效果。并且大大提高了蓄熱裝置的蓄熱能力，也提高了蓄熱轉(zhuǎn)換效率，并且降低了成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用到能源領(lǐng)域節(jié)能減排特點(diǎn)十分突出前景廣闊。

盡管以上詳細(xì)地描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，但是應(yīng)該清楚地理解，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。