專利名稱：雙熱能存儲罐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及熱能存儲系統(tǒng)的領(lǐng)域，并且更具體地涉及溫躍層 (thermocline)存儲罐的設(shè)計的改進。
背景技術(shù)：
熱能存儲系統(tǒng)通常用在必須使能量收集與能量輸送脫離的應(yīng)用中。 太陽能收集系 統(tǒng)是該應(yīng)用的典型示例，由于在沒有太陽輻射的期間通常存在對于能量的需求，所以當(dāng)不 能收集能量時，仍然要輸送能量以滿足所述需求。太陽能收集系統(tǒng)的尺寸可以從用于加熱水的小型家用收集器系統(tǒng)到大得多的收 集器系統(tǒng)(如太陽能發(fā)電設(shè)備中的收集器系統(tǒng))。存儲熱能的一種方式包括采用流體的顯熱。在太陽輻射期間，通過加熱所述流體 存儲熱能，以便在沒有太陽輻射的期間，在冷卻流體時輸送熱能以滿足在能量收集不可用 的期間的能量需求。太陽能發(fā)電設(shè)備中的顯熱存儲系統(tǒng)的普通設(shè)計包括兩個存儲罐，這兩個存儲罐保 持一定體積的熱流體。每個罐都容納處于不同溫度的所述流體，以便使一個存儲罐容納一 定體積處于給定“冷”溫度的熱流體，而另一個存儲罐容納一定體積處于給定較熱溫度的熱 流體。在設(shè)備工作時，在太陽輻射期間，熱流體從冷罐取出并用來自太陽能收集器系統(tǒng) 的熱能來加熱，繼而將所述熱流體倒入熱罐中。在沒有太陽輻射的期間，從熱罐取出熱流 體，使其流過熱交換器，在所述熱交換器處冷卻所述熱流體，由此提供發(fā)電所需的熱能。必須注意到，借助所述存儲系統(tǒng)，每個罐的尺寸都必須設(shè)定成保持全部體積的熱 流體，以便使系統(tǒng)的總存儲容量事實上是設(shè)備的熱存儲流體存量的總體積的兩倍。在實踐中，太陽能發(fā)電設(shè)備的存儲系統(tǒng)的罐可以達到相當(dāng)大的尺寸，并且對于上 述的“冗余”存儲體積的需求在額外的罐的制造成本、存儲系統(tǒng)的增加的熱損失、或者與額 外的罐相關(guān)聯(lián)的輔助設(shè)備、管道系統(tǒng)等的成本方面導(dǎo)致若干缺點。所以，期望的是從存儲系統(tǒng)去除冗余的體積，并且當(dāng)前有提供該問題的解決方案 的若干途徑。最普通的解決方案是溫躍層罐，其中全部體積的熱流體被保持在單個罐中。在 該單個罐中，冷流體和熱流體兩部分流體存儲成一種在另一種上面，并且由于流體在兩個 不同溫度下的密度差異所導(dǎo)致的自然分層或者溫躍層保持冷流體和熱流體基本分離。就是 說，通常比熱流體密度更大的冷流體存儲在熱流體的下面，并且由于密度的差異所導(dǎo)致的 浮力幫助維持分離的兩部分熱流體和冷流體，在兩部分流體之間的界面中有相當(dāng)陡峭的溫 度變化。當(dāng)在收集熱能時，從罐的底部取出冷流體，并且已加熱的流體返回到罐的頂部，而 當(dāng)要輸送熱能時，從罐的頂部取回?zé)崃黧w，并且冷流體返回到罐的底部。由于正從罐取出的具有所述溫度之一的流體的量總是基本上等于引入的具有另 一溫度的流體的量，罐中所存儲的流體的總質(zhì)量在存儲系統(tǒng)的整個操作循環(huán)中基本上保持恒定。這樣，單個溫躍層罐總是在全容量下工作(即，充滿或者幾乎充滿所存儲的流體)，而 使得存儲效率最優(yōu)。然而，諸如兩部分流體之間的傳導(dǎo)性的傳熱、或者由于罐的自然分層和邊緣能量 損失的組合效應(yīng)所導(dǎo)致的對流等若干現(xiàn)象可以使容納在罐中的流體的豎直熱特性分布 (thermal profile)顯著地劣化，尤其當(dāng)界面區(qū)域處于罐的底部或者頂部附近時。上述的溫躍層罐的一種變型方案是混合介質(zhì)的溫躍層罐，其中罐不僅填充有熱流 體，而且填充有某種固體材料。固體材料有助于系統(tǒng)的總熱容，并且固體材料通常比熱流體 便宜。此外，固體材料還幫助抑制冷流體和熱流體之間的對流質(zhì)量傳遞，使得溫躍層效應(yīng)比 單個介質(zhì)的存儲罐的情況更加有效。然而，與混合流體-固體的存儲介質(zhì)的使用相關(guān)出現(xiàn)了一些問題，這些問題包括 (a)與熱流體接觸且受到熱循環(huán)的固體介質(zhì)的相容性和長期的物理/化學(xué)穩(wěn)定 性。(b)由于重復(fù)的操作循環(huán)所導(dǎo)致的固體介質(zhì)在罐的底部上的沉積，導(dǎo)致在底部附 近的罐壁中的應(yīng)力增大，從而需要較厚的罐壁。若干專利已經(jīng)說明了與這些類似的溫躍層存儲概念，例如美國專利No. 4，124，061 和 5，197，513。在本專利申請中，說明了改進的溫躍層存儲系統(tǒng)的變型方案。在所說明的解決方 案中，采用水平的物理阻隔件以分離和熱隔離兩部分流體。物理阻隔件具有在冷流體的較 高密度和熱流體的較低密度之間的中間密度，以便使物理阻隔件在兩種流體之間的界面中 浮動，并且使物理阻隔件與該界面一起在罐內(nèi)部沿著豎直方向行進。由于該特征，阻隔件在罐內(nèi)部跟隨所存儲的熱流體和冷流體之間的界面豎直地行 進，自然地得到與所述界面的位置一致的豎直位置?？紤]作為太陽能發(fā)電設(shè)備的存儲系統(tǒng)的典型日常工作循環(huán)的示例，在早晨的第一 個小時，本發(fā)明中所考慮到的單個存儲罐充滿較冷的流體，可能僅有最小殘留量的較熱流 體留在頂部上，并且阻隔件處于罐的頂部附近。在白天期間，隨著從太陽區(qū)域收集熱能，從罐取出較冷的流體，同時將較熱的流體 引入到罐中。隨著罐中的較熱的流體的量增加并且較冷的流體的量減少，較熱的流體和較 冷的流體之間的界面區(qū)域朝向罐的底部豎直地運動，阻隔件跟隨所述界面運動。這樣，在從 太陽場收集熱能期間的某個點處，存儲罐充滿較熱的流體，可能僅有最小殘留量的較冷流 體留在底部上，并且物理阻隔件處于罐的底部附近。阻隔件從其在罐中的最高位置到其最低位置的移動在罐的充能周期中進行。以類 似的方式發(fā)生完成罐的整個典型日常循環(huán)的釋能周期，其中從罐的頂部取出較熱的流體并 且將較冷的流體引入到罐的底部，并且阻隔件從罐的底部豎直地運動到罐的上部。在兩部分流體之間使用物理阻隔件防止了兩個區(qū)域之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，并且大大地 減少了兩部分流體之間的傳導(dǎo)性的傳熱，從而顯著地改進了溫躍層的性能。同時，避免了與 混合介質(zhì)的存儲溶液的使用相關(guān)的缺點。物理阻隔件的總體布置包括不透流體的外殼和放置在上述殼中的隔熱材料。在美 國專利No. 4，523，629中已經(jīng)說明了用于分離兩部分流體的物理阻隔件的概念。在所述專 利中，示出了阻隔件的一種特定實施例，其適于應(yīng)用在100° F和175° F之間的水的存儲中。該專利還提及該發(fā)明在太陽能發(fā)電設(shè)備存儲系統(tǒng)中的可能應(yīng)用，但是沒有公開用于該 應(yīng)用的具體構(gòu)造。然而，必須注意到，有若干問題會影響物理阻隔件且必須解決以便產(chǎn)生可行的和 可靠的設(shè)計。這些問題在上述專利中說明的水存儲應(yīng)用的情況中不是關(guān)鍵，但是在太陽能 發(fā)電設(shè)備存儲系統(tǒng)中所見的要求更高的情況中變得更加嚴(yán)重，其中溫度更高而且所存儲的 流體之間的溫差更高。從對于這些問題的解釋，應(yīng)當(dāng)理解，需要特定的解決方案，以便解決或者至少減輕 這些問題。本專利所要做的正是提出這樣的解決方案，其大大改進了發(fā)明的特征并且擴展 了發(fā)明的應(yīng)用范圍。為了使物理阻隔件必須面對的問題更加清楚，將考慮真實的太陽能發(fā)電設(shè)備存儲 系統(tǒng)中常見的存儲罐的某些操作條件作為示例。所考慮到的特定示例是在高度約15m和直徑40m的豎直圓柱形罐中存儲在292°C 和386°C之間的熔融硝酸鹽的混合物。影響物理阻隔件的問題之一屬于其可能構(gòu)造材料。美國專利No. 4，523，629中說 明的阻隔件包括不透流體的殼，其由諸如聚碳酸酯和膠質(zhì)玻璃⑧的某種塑料制成；和封裝 到該殼中的某種隔熱材料，例如聚氨酯泡沫或者玻璃纖維。如該專利中所闡述的，在所述阻 隔件中的殼的功能是防止水吸收和提供結(jié)構(gòu)剛度以維持阻隔件的預(yù)定構(gòu)造。然而，典型地存在于太陽能發(fā)電設(shè)備存儲系統(tǒng)中的溫度范圍大大高于用于塑料的 容許極限，所以必須考慮其它種類的材料用于構(gòu)造阻隔件。另外，對于普通的太陽能發(fā)電設(shè)備存儲罐的靜壓力值，考慮到這些罐所需阻隔件 的巨大尺寸，實際上外殼不可能單獨承受該壓力載荷，而維持幾乎不變的體積。如在美國專利No. 4，523，629中提及的，物理阻隔件需要滿足的一條約束與其密 度相關(guān)為了在熱流體和冷流體的界面中浮動，對于阻隔件的結(jié)構(gòu)必須選擇適當(dāng)?shù)牟牧辖M 合，以便獲得熱流體的密度和冷流體的密度之間的中間密度。另外，阻隔件必須具有足夠的 結(jié)構(gòu)強度，以便在由所存儲流體施加的靜載荷的全范圍下維持其體積幾乎不變。 在所述專利中，所描述的調(diào)節(jié)阻隔件的重量的方式包括增加某些外部重量，以便 獲得期望的密度。雖然這可能對于小型阻隔件是適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，但是就大型阻隔件而言， 很可能所需的重量過大，至少對于總重調(diào)節(jié)來說成為不是那么有效的解決方案。影響物理阻隔件的另一個問題與其使用時的熱變形相關(guān)。由于阻隔件的上表面處 于所存儲流體的熱溫度下，而下表面處于所存儲流體的冷溫度下，所以在阻隔件中形成彎 曲變形的整體狀態(tài)，以容許阻隔件的上部和下部之間的熱膨脹差異。例如，當(dāng)橫過其厚度的 溫差是94°C時，由普通的碳鋼制成的厚30cm且直徑40m的平面盤將具有球形變形的形狀， 并且其最大撓曲量將在0. 9m的量級。這些大的變形減小了存儲罐的有效高度，并且另外還可以導(dǎo)致阻隔件中的結(jié)構(gòu)問 題。除此之外，彎曲的阻隔件改變兩種存儲的流體之間的自然的平面界面，從而很可能流體 將從阻隔件的一側(cè)流到另一側(cè)，以便恢復(fù)界面的自然平面形狀。這樣，損失了相當(dāng)多的阻隔 件的隔離能力。在阻隔件的設(shè)計中也必須關(guān)心經(jīng)濟因素，以便生產(chǎn)節(jié)省成本的設(shè)計。必須考慮到， 如果具有阻隔件的單個罐比兩個罐更加昂貴，則傳統(tǒng)的兩個罐的選擇將總是優(yōu)選的。這意味著用于阻隔件的材料選擇以及制造方法在阻隔件設(shè)計中是非常重要的。因此，非常重要 的是考慮用于阻隔件的材料應(yīng)是便宜的和廣泛可得到的。在本專利申請中說明的阻隔件包括對所有這些提及的問題提供解決方案的設(shè)計 特征，所述設(shè)計特征在本文中進行概述。本發(fā)明的說明本質(zhì)上僅僅是示例性的，因此不脫離本發(fā)明要旨的變型方案都在本 發(fā)明的范圍內(nèi)。這些變型方案不應(yīng)認(rèn)為脫離了本發(fā)明的精神和范圍
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及熱能存儲罐，并且更具體地涉及溫躍層存儲罐，所述溫躍層存儲罐包 括阻隔件，所述阻隔件物理地分離在不同的溫度下存儲的兩部分流體。本發(fā)明的阻隔件目標(biāo)由于多個設(shè)計特征克服了先前提及的問題，所述多個設(shè)計特 征對于領(lǐng)域和應(yīng)用區(qū)域增強了阻隔件的使用并擴展了其可應(yīng)用性，對于這些領(lǐng)域和應(yīng)用區(qū) 域迄今為止沒有提供具體的設(shè)計方案或者構(gòu)造，例如在太陽能發(fā)電設(shè)備中的熱存儲。本發(fā)明所考慮的存儲罐優(yōu)選地是豎直的圓柱形類型的，但是在本發(fā)明的應(yīng)用的范 圍內(nèi)也可以考慮到其它類型的罐，只要罐沿著其整個高度或縱向軸線具有基本上均勻的水 平截面或者橫截面(即，罐是棱柱形的)即可，以便使浮動的阻隔件可以在罐內(nèi)部沿著其縱 向軸線自由地行進。阻隔件基本上包括一個不透流體的外殼和放置在殼內(nèi)部的某一(某些)填充材 料。阻隔件具有在不同名義溫度下所存儲的流體的密度之間的中間密度，以便使阻隔件在 兩部分所存儲的流體之間的界面中浮動。阻隔件的橫截面的形狀優(yōu)選地與罐的橫截面的形狀相同，以便使阻隔件有效地覆 蓋在不同溫度下存儲在罐中的流體之間的接觸面積，并且使阻隔件能夠同時沿著罐的縱向 軸線自由地行進。因而，在豎直的圓柱形罐的情況下，阻隔件將具有盤的形式，所述盤的直 徑與罐的直徑大致相同，并且罐具有足夠的厚度以將兩部分存儲的流體充分地分離和隔 熱。然而，阻隔件外邊界和罐殼之間可以留有一些間隙或空隙，以便適應(yīng)例如在制造 中的公差或與理論形狀不同的可能偏差、或者使用時的膨脹和變形。另外，可以在阻隔件中形成多個縱向通孔，以用于使管道系統(tǒng)或者儀器穿過、導(dǎo)引寸。適于用在諸如太陽能發(fā)電設(shè)備中的熱能存儲的應(yīng)用中的本發(fā)明的新穎特征包 括(a)提供松散且耐壓縮的材料作為用于阻隔件的填充材料，這消除了與填充材料 中的熱變形相關(guān)的任何問題，并且使阻隔件能夠容易地承受所存儲的流體的壓力載荷和在 不必對其外殼添加復(fù)雜且昂貴的結(jié)構(gòu)的情況下維持幾乎不變的體積。(b)將阻隔件的內(nèi)部填充材料分成兩層，一層是隔熱層而另一層是重量調(diào)節(jié)層，這 樣實現(xiàn)將阻隔件的密度容易調(diào)節(jié)到期望值的有效方式。(c)阻隔件的外殼在阻隔件的上表面和下表面中的一個或者兩個中設(shè)有非平面的 幾何結(jié)構(gòu)，這大大增加了阻隔件的剛度并且減少了其熱變形。(d)在阻隔件殼的外部區(qū)域上添加波狀或者直線的圓周凸起部(lobe)，以便使殼的上表面和下表面之間的連接更加有柔性，并且大大減少熱變形和熱應(yīng)力。 (e)將阻隔件拆分成多個較小的獨立本體，這些獨立本體排列成一個在另一個旁 邊以完成模塊化的阻隔件，這在很大程度上減小了與熱變形相關(guān)的問題以及在單個較大部 件中存在的制造問題。將從以下提供的詳細(xì)的說明更加完全理解包含有這些和其它新穎特征的本發(fā)明 的使用和可應(yīng)用性。


以下簡要地說明了幫助更好理解本發(fā)明的某些附圖。這些附圖也說明了作為非限 制性的示例的
具體實施例方式圖1是本發(fā)明中考慮到的雙熱能存儲罐的示意性的豎直剖視圖，示出罐內(nèi)的兩部 分流體和阻隔件的總體布置。圖2是本發(fā)明的阻隔件目標(biāo)的豎直剖視圖，示出在第一優(yōu)選實施例中的若干細(xì) 節(jié)。圖3a示出沿著圖2的線3_3得到的阻隔件的水平剖視圖。圖3b是阻隔件的示意性俯視圖，僅示出阻隔件中的多個孔的示例性布置。圖4a示出在第二優(yōu)選實施例中的阻隔件的一半的豎直視圖，其中局部剖視以示 出內(nèi)部結(jié)構(gòu)和填充材料。圖4b是阻隔件的外殼的局部豎直視圖，示出該外殼的外部區(qū)的輪廓線的不同于 圖4a中所表示的可替代構(gòu)造。圖5是第三優(yōu)選實施例中的阻隔件的俯視圖，示出阻隔件的示例性拆卸。圖6是表示圖5中所示的阻隔件的不同的本體之間的示例性連接的放大圖。
具體實施例方式圖1示出熱存儲系統(tǒng)(1)的示意性布置，所述熱存儲系統(tǒng)可以是太陽能發(fā)電設(shè)備 的存儲系統(tǒng)。存儲系統(tǒng)(1)包括溫躍層存儲罐(2)，所述溫躍層存儲罐存儲處于不同溫度 的兩部分流體。一部分較冷的流體(4)通常比一部分較熱的流體(3)密度更大，并且一部 分較冷的流體(4)存儲在一部分較熱的流體(3)下方。罐可以典型地是豎直的圓柱形類型 的，其直徑約40m且高度約15m。在許多普通的太陽能應(yīng)用中，冷流體將通常處于約300°C 的溫度，并且熱流體將處于約400°C的溫度，而且在這兩種溫度下存儲的流體將典型地是熔 融硝酸鹽的混合物。圖1中示意性地表示的由附圖標(biāo)記(13)指示的本發(fā)明的阻隔件目標(biāo)位于熱流體 和冷流體之間的界面中，以使熱流體和冷流體物理地分離和隔熱，以便最小化兩部分流體 之間的熱傳導(dǎo)。如先前所述，阻隔件基本上包括不透流體的外殼，該殼基本上具有與罐的橫截面 相同的形狀；和某一(某些)填充材料，所述填充材料放入所述殼內(nèi)部以填充殼的內(nèi)部空 間。優(yōu)選地以與罐殼的材料相同的材料制造阻隔件的外殼，所述材料對于在 4000C -450°C以下的上操作溫度可能是碳鋼，并且對于在該值以上的上操作溫度可能是不銹鋼。對于所考慮到的特定情況，阻隔件的平均厚度在所有提出的實施例中將優(yōu)選地在 0. 2m至0. 4m之間的量級，以便實現(xiàn)流體之間的適當(dāng)隔離，而不會在罐內(nèi)部占據(jù)過多空間。圖1也示出如何從罐取出或者收集熱能。當(dāng)收集熱能時，借助冷泵(6)經(jīng)由冷流 體出口管路(5)從罐的底部取出冷流體。流體循環(huán)通過加熱流體的熱輸入裝置(7)，繼而經(jīng) 由熱流體進入管路(8)返回到罐的頂部。另一方面，當(dāng)取出熱能時，借助熱泵(10)從罐的 頂部經(jīng)由熱流體出口管路(9)取出熱流體，所述熱泵迫使熱流體通過冷卻該熱流體的熱取 出裝置(11)，繼而經(jīng)由冷流體進入管路(12)返回到罐。必要的測量裝置可以既添加到阻隔件，又添加到溫躍層罐，以便適當(dāng)?shù)乇O(jiān)測和控 制存儲系統(tǒng)的操作。該系統(tǒng)的儀器可以例如包括一排豎直布置的熱電偶，以獲得罐的豎直 的溫度分布；和高度變送器(level transmitter)，以監(jiān)測所存儲流體的總高度、阻隔件在 罐內(nèi)部的豎直位置和阻隔件的水平狀態(tài)。即使熱輸入裝置(7)和熱取出裝置(11)在圖1中表示為分離的部件，但在商業(yè)化 太陽能發(fā)電設(shè)備中這兩個裝置將通常是同一個裝置，可能是油-熔鹽熱交換器。參照圖2，阻隔件(21)的不透流體的外殼基本上包括頂板(21a)、底板(21b)以及 連接頂板和底部的周邊豎直封閉板(21c)。在正常操作中，垂直溫度梯度將橫過阻隔件的厚度發(fā)展，并且阻隔件殼的底板和 頂板的溫度將基本分別是所存儲的冷流體和熱流體的溫度。由于該溫度分布，在阻隔件的 上部和下部的熱膨脹之間將存在差異，并且將在阻隔件殼中形成熱應(yīng)力和熱變形的狀態(tài)。雖然如以下將說明的，由于填充材料的粒狀或小磚塊形式而解決了填充材料中的 不同的熱膨脹的問題，但是對于阻隔件的外殼仍然存在該問題。對于阻隔件提供某些設(shè)計 特征，以便解決該問題，這些設(shè)計特征被引入到為阻隔件所提出的不同實施例中。在第一實施例中，如可以參見圖2，阻隔件的頂板(21a)給定為非平面的形狀，例 如圓錐形或者球形(在該情況下表現(xiàn)為圓錐形)。由于該特征，大大增大了阻隔件殼的剛 度，從而大大減少了由于橫過阻隔件的熱梯度而導(dǎo)致的整個阻隔件的總體彎曲。即使在圖2中以顯著的方式表現(xiàn)上板(21a)的錐形，實際上必要的錐形遠(yuǎn)沒有如 此顯著的，并且在阻隔件的外邊界上實現(xiàn)的上板和下板之間的最大分離將優(yōu)選地在0. 5m 的量級。阻隔件的外殼中的另一個問題是在殼的豎直封閉板中有較高的應(yīng)力，這是由于阻 隔件應(yīng)容納的在上板和下板徑向膨脹之間的差異而導(dǎo)致的。以兩種方式解決該問題首先，增大在周邊中兩個板之間的豎直距離，其次盡可能 減小豎直板(21c)的厚度，以便增大該豎直板的柔性。豎直板的厚度減小具有減小從罐的 熱側(cè)到罐的冷側(cè)通過該板的熱傳 導(dǎo)的額外優(yōu)點。圖2也示出由附圖標(biāo)記(22)和(23)表示的用于阻隔件的不同的填充材料層。參 見該圖，阻隔件內(nèi)部的填充材料優(yōu)選地分成兩個不同的水平層。這兩個層中的一層(23)用 于隔熱目的，即，使阻隔件具有隔熱能力，并且該層通常輕于另一層，而優(yōu)選地位于第二層 上面。第二層(22)是密度調(diào)節(jié)層，其目的是調(diào)節(jié)阻隔件的總重，以便實現(xiàn)最終的期望密度。 在兩個層之間，可以增加金屬箔(24)，以便使兩個填充層物理上保持分離，并且防止兩層的 材料之間的任何可能混合。
兩層的材料具有剛性和耐壓縮的額外特征。這樣，阻隔件的填充材料基本上負(fù)責(zé) 承受所存儲流體的壓力載荷和維持阻隔件的幾乎不變的體積。這樣，避免了阻隔件的外殼 在填充“軟”材料時所需要的重且昂貴的結(jié)構(gòu)。此外，為了消除與填充材料中的熱變形相關(guān)的問題，兩層的材料以粒狀形式或者 小單塊(例如類似于磚塊)形式供給，并且在阻隔件的結(jié)構(gòu)中，填充材料以松散的形式位于 外殼內(nèi)部，而不會對不同部件之間的熱生長帶來任何限制。這樣，避免與單個較大的單體元 件會具有的不同的熱膨脹相關(guān)的問題，并且另外地，填充材料可以在阻隔件內(nèi)部的空間中 流動，以便方便地填充所有內(nèi)部空間和孔隙。若干種耐火磚以及粒狀形式的不同類型的膨脹粘土(例如珍珠巖、蛭石或者 arlite)都被認(rèn)為是用于阻隔件的隔熱層的適當(dāng)材料，只要保證大量填充材料的適當(dāng)包裝 或者搗實，以便在阻隔件的操作期間沒有沉積并因此不會出現(xiàn)顯著的體積變化即可。這些 材料具有較低的熱導(dǎo)率，足夠的剛度和耐壓縮性，并且可以在高于太陽能發(fā)電設(shè)備存儲罐 中典型地存在的溫度的溫度下操作。另外，這些材料是用在構(gòu)造中的非常普通的材料，而具 有合理的低價格。至于阻隔件的其它層的材料，除了材料的剛度和耐壓縮性以外，材料的最重要的 物理特征是其密度。沙子、水泥和多種類型的巖石可以是用于該層的適當(dāng)材料。即使期望 用單種隔熱材料作為用于阻隔件的填充物，也可能無法得到滿足足夠密度和較低的導(dǎo)熱率 二者的適當(dāng)材料。例如，考慮到所存儲流體是在大約300°C和400°C之間的溫度的熔融硝酸鹽的混 合物的典型實例，其中密度在冷溫度和熱溫度下分別為大約1840kg/s和1900kg/s，阻隔件 的填充材料所需要的密度可以較好地處于1000kg/m3或者更高的范圍內(nèi)。然而，上面提出的適當(dāng)?shù)母魺岵牧暇哂械陀谠摲秶芏嗟拿芏戎?，并且預(yù)見到如 果用于太陽能發(fā)電設(shè)備中的普通的熔融鹽存儲罐的阻隔件的適當(dāng)設(shè)計僅填充有這些隔熱 材料中的任何一種，則所述適當(dāng)設(shè)計將具有過小的重量。為了解決該狀況，如上所述，阻隔件內(nèi)部的填充物被分成兩層。兩層中的一層負(fù)責(zé) 向阻隔件提供隔離能力，而另一層提供必需的總重調(diào)節(jié)，以便獲得阻隔件的期望密度。一旦阻隔件完成并且完全封閉，則通過將多個外部壓載物(ballast)附裝到阻隔 件，可以對阻隔件進行額外的最終重量調(diào)節(jié)。這些外部壓載物既可以剛性地附裝到阻隔件， 或者可以簡單地放置到阻隔件上，以便一旦阻隔件處于操作中時就可以將重量添加到阻隔 件或者從阻隔件去除，以進一步調(diào)節(jié)阻隔件的重量和密度。這樣例如可以借助多個重物實 現(xiàn)，所述多個重物放置在阻隔件的頂部上并且可以在任何時候從罐的頂部去除，以便用較 重或者較輕的重物替換它們。在圖4a中示出由附圖標(biāo)記(33)和(34)表示的這些外部壓載物?？梢詤⒁娫搱D 4a，壓載物(33)永久地固定到阻隔件的外殼，即固定到其底板或者固定到其頂板。焊接是 將這些壓載物附裝到阻隔件殼的優(yōu)選方法。另一方面，可調(diào)節(jié)的壓載物(34)簡單地放置到 阻隔件的頂面上，并且可以在任何時候借助繩索(35)用其它較輕或較重的重物替換，所述 繩索向上延伸到罐頂并且通過罐頂中形成的某些孔從罐出來?？烧{(diào)節(jié)的壓載物(34)也可 以根據(jù)需要用于適當(dāng)?shù)仄胶庾韪艏?。再次參照圖2，阻隔件優(yōu)選地添加有某些通孔(26)。對于每個孔都添加有某些豎直封閉頸圈(28)，這些頸圈焊接到頂板和底板二者。這些孔可以用于導(dǎo)引阻隔件在罐內(nèi)部 的運動，這可以借助豎直柱(27)來實現(xiàn)，所述豎直柱(27)接合到這些孔中并且固定到罐。
對于阻隔件孔(26)的豎直封閉頸圈(28)，必須考慮到豎直封閉頸圈要容納阻隔 件外殼(21)的上板(21a)和下板(21b)之間的徑向熱膨脹的差異。因此，這些頸圈優(yōu)選地 設(shè)置成伸縮接頭或者柔性金屬軟管的形式，并具有波狀輪廓線(附圖中未示出)，所述波狀 輪廓線使這些頸圈具有足夠的柔性以容納阻隔件外殼(21)的上板(21a)和下板(21b)之 間的所述熱膨脹的差異。柱(27)優(yōu)選地具有管狀截面，以便最小化從罐的熱側(cè)通過這些柱到冷側(cè)的熱通 量。孔(26)可以具有其它的額外功能，例如用于儀器、管線等通過。圖3b是阻隔件殼的俯 視圖，僅示出殼中的某些孔的示例性布置?？梢詤⒁娫搱D，與阻隔件的中心軸線偏移的孔在 阻隔件的徑向方向上是細(xì)長的，以便容納其徑向膨脹。阻隔件殼(21)的上板和下板二者添加有由標(biāo)準(zhǔn)的擠塑型材制成的某些肋部(21) 結(jié)構(gòu)。用于下板的肋部給下板提供足夠的結(jié)構(gòu)強度，以便在阻隔件開始使用之前承受阻隔 件的自身重量。該結(jié)構(gòu)優(yōu)選地位于下板(21b)上方，從而處于阻隔件殼內(nèi)部，具有將殼的內(nèi) 部空間分成分離的隔間的額外功能，目的是更好地導(dǎo)引填充材料在殼內(nèi)部的放置。另一方 面，用于上板(21a)的肋部增大了該板的剛度，以便避免板的屈曲。另外，上板和下板的肋部結(jié)構(gòu)具有這樣的功能，即將阻隔件的周邊區(qū)域中的填充 材料保持成與豎直封閉板緊密接觸，防止填充材料和豎直封閉板之間的任何分離，所述分 離可能是由于阻隔件的外殼的徑向熱膨脹和內(nèi)部填充材料的徑向熱膨脹之間的差異所產(chǎn) 生的。為了在阻隔件開始使用之前充分地支撐阻隔件，并且也為了在阻隔件使用時限制 阻隔件在罐內(nèi)部的向下運動，由附圖標(biāo)記(25)示意性地表示的多個支腿固定在阻隔件的 下板(21b)下方。圖3a示出在底板(21b)中的固定支腿(25)和肋部(29)的可能布置的 示例。圖4b中示出進一步改進外殼相對于熱變形的性能的又一種方式，在圖4b中繪制 出用于本發(fā)明的第二優(yōu)選實施例。參見圖4b，在阻隔件的周邊區(qū)域中實現(xiàn)有一些周向波狀 凸起部(32b)。該特征給殼的上板和下板之間的聯(lián)接添加柔性，以便使上板和下板彼此部分 地脫離。這樣，上板和下板(21a，21b)之間的連接像柔性接頭一樣工作，從而使每個板都能 夠自由地獲得其相對應(yīng)的膨脹尺寸。為了使制造更容易，所述周向凸起部可以由直段制成，如同圖4a中所示的由附圖 標(biāo)記(32a)表示的周向凸起部。該圖也包括局部剖視圖，其示出阻隔件內(nèi)部的填充材料作 為一排磚塊(36)的示例性布置(該附圖中的填充材料的不同層之間沒有區(qū)別)。在圖5中示意性地示出的本發(fā)明的另一種構(gòu)造中，阻隔件被分成多個分離且獨立 的本體(51)，每個本體都具有自身的不透流體的金屬外殼，在所述金屬外殼內(nèi)部具有相應(yīng) 的填充材料層。作為示例，分開阻隔件的一種方式可以將阻隔件破壞成一個圓形中心件和 多個外部環(huán)形扇形。該構(gòu)造的優(yōu)點來自于以下事實，S卩，減小了每個獨立本體的尺寸，從而大大地減小 了與阻隔件中的不同的熱膨脹相關(guān)的問題。另外，由于阻隔件的構(gòu)造的模塊化而增強了阻 隔件的構(gòu)造。
為了避免不同本體的任何豎直分離，這些本體彼此組裝，使得在這些本體之間允 許某種相對自由度的同時確保它們的內(nèi)聚力，以便使每個本體作為獨立的部件工作。這可 以通過在每個本體的外部邊緣設(shè)置多個突出部(52)而實現(xiàn)，以便使相鄰本體的相鄰邊緣 可以借助繩索或者鏈條(53)或者其它類似的裝置系到彼此。在所提出的用于阻隔件殼的構(gòu)造中，通過豎直封閉金屬板(21c)引導(dǎo)高的熱通 量，所述豎直封閉金屬板具有高的導(dǎo)熱率并且熱連接處于不同溫度的罐的兩個區(qū)域。可以在阻隔件中引入一個額外特征，以設(shè)法減少通過豎直板(21)的熱通量。該特 征包括使豎直板的輪廓線具有彎曲形狀，與圖3c中所示類似，而代替直線形狀。如圖3c中 示意性地示出，該板具有波紋狀的形狀，在板上形成有多個豎直凸起部(31)。通過這樣，約 束通過金屬的傳導(dǎo)路徑，并且顯著地減少經(jīng)過該路徑的熱通量。 此處說明的特征中的許多被實施用于阻隔件的不同實施例。然而，這些特征中的 許多組合可以被實施用于單個阻隔件。例如，阻隔件外殼在其外周邊附近的波狀形狀以及 用于阻隔件殼的上板和下板(21a，21b)中的任一個或者二者的非平面的幾何結(jié)構(gòu)可以同 時添加到阻隔件。
權(quán)利要求
1.一種雙熱能存儲罐，所述雙熱能存儲罐包括阻隔件，所述阻隔件由于在不同溫度下 存儲的兩部分流體的密度差異而在所述兩部分流體的界面中浮動，并且所述阻隔件具有在 不同名義溫度下所存儲的流體的密度之間的中間密度，其特征在于，所述阻隔件至少包括不透流體的外殼，和在所述不透流體的外殼內(nèi)部的填充材料；并且所述填充材料由剛性且耐壓縮的材料制成，并以松散的形式放置于所述外殼內(nèi) 部，而不會對不同元件之間的熱生長帶來任何限制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，第二填充材料還至少包括第一水平隔熱層；第二水平密度調(diào)節(jié)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，第二填充材料還包括在所 述第一水平層和所述第二水平層之間的分離層；所述裝置使得所述第一層和第二層保持分 離，以防止所述第一層和第二層之間的任何可能的混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述不透流體的外殼以與 罐殼的構(gòu)造材料相同的構(gòu)造材料制成，并且所述材料對于在400°C -450°C以下的上操作溫 度是碳鋼，而對于在400°C _450°C以上的上操作溫度是不銹鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述第一水平層的材料和所 述第二水平層的材料以粒狀形式或者以小的單塊形式供給。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件還包括多個外部 壓載物，以便一旦所述阻隔件完成或者完全封閉，則提供額外的重量調(diào)節(jié)或者平衡所述阻 隔件。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述外部壓載物是從以下選擇 的至少一個外部能調(diào)節(jié)的壓載物；外部不能調(diào)節(jié)的壓載物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件的不透流體的外 殼包括單個本體，所述單個本體包括第一上板；第二底板；第三豎直板，所述第三豎直板封閉所述第一板和第二板之間的周邊空間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述第一上板和第二底板中的 至少一個具有非平面的幾何結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述非平面的幾何結(jié)構(gòu)是從以 下選擇的至少一個圓錐幾何結(jié)構(gòu)；多邊形幾何結(jié)構(gòu)；球形幾何結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，對于所述第三豎直板的圓周橫截面輪廓線，所述第三豎直板具有波狀或者波紋狀的形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件外殼的圓周橫 截面輪廓線在其外周邊附近具有多個波狀的或者直的凸起部，以便增大所述阻隔件外殼的 上板和下板之間的連接中的柔性，從而減少所述阻隔件外殼的熱變形。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件分成多個分離 且獨立的本體，每個本體都包括不透流體的外殼；和在所述不透流體的外殼內(nèi)部的填充材料；并且所述填充材料由剛性且耐壓縮的材料制成，并以松散的形式放置于所述外殼內(nèi) 部，而不會對不同元件之間的熱生長帶來任何限制。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件的不同的本體彼 此組裝，使得由于組裝相鄰本體的繩索或鏈條，而在允許本體之間相對自由度的同時確保 它們的內(nèi)聚力。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件包括至少一個 水平通孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，用于所述阻隔件通孔的至少 一個封閉頸圈設(shè)置成伸縮接頭或者柔性金屬軟管的形式，以便具有足夠的柔性以適當(dāng)?shù)厝?納所述阻隔件外殼的上板和下板之間的熱膨脹差異。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述至少一個孔與固定到所 述罐的一個柱接合。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述柱具有管狀截面，以便最 小化通過所述柱的熱傳導(dǎo)，并允許將其用于其它目的，例如用于儀器通過或者流體傳輸。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件還包括多個肋 部，所述多個肋部附裝到所述不透流體的外殼的上板和下板二者，以便提供結(jié)構(gòu)強度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述肋部具有防止所述填充 材料和所述不透流體的外殼之間的任何徑向分離的額外目的。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20所述的雙熱能存儲罐，其特征在于，所述阻隔件增加有多個支 腿，以便支撐所述阻隔件的重量并限制所述阻隔件在所述罐內(nèi)部向下運動。
全文摘要
提出了一種溫躍層存儲罐，其包括阻隔件，所述阻隔件在不同溫度下存儲的兩部分流體之間浮動，以在物理上將兩部分流體分離和隔熱。浮動的阻隔件包括擴大其應(yīng)用范圍的多個設(shè)計特征，使浮動的阻隔件能夠在比如太陽能發(fā)電設(shè)備的熱存儲系統(tǒng)的領(lǐng)域中使用。
文檔編號F28D20/00GK102132122SQ200980132726
公開日2011年7月20日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月1日
發(fā)明者J·M·拉塔佩雷茨, J·布蘭科洛倫佐 申請人:Sener工程系統(tǒng)私人控股公司