一種高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置及太陽能光熱電站的製作方法

2024-04-12 21:05:05 1

1.本發明屬於換熱技術領域，尤其涉及一種高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置及太陽能光熱電站。


背景技術：

2.陶瓷顆粒的儲能密度高，儲熱溫度高且價格低，是一種優良的儲能介質材料。顆粒儲罐和顆粒換熱器是儲能技術的主要設備，其中換熱器是顆粒儲能技術的核心設備之一，其主要作用是將高溫顆粒的熱量傳遞給循環發電系統，如sco2循環、空氣循環及水/蒸汽循環。循環發電系統的壓力普遍較高，因此目前常規採用的換熱形式為間接換熱，即顆粒與發電循環介質不直接接觸換熱。但是，顆粒在換熱器中主要為堆積流，其孔隙率較高，大量空氣填充在顆粒之間，導致其換熱係數低，極大增加了顆粒換熱器的設備成本。
3.而顆粒與高壓氣體直接接觸換熱可以有效避免換熱係數低的問題，降低換熱器成本。目前能夠實現高壓氣體與顆粒直接換熱的技術主要有兩類：(1)採用高壓氣體直接進入高溫顆粒儲罐換熱，但大規模儲罐需要按照帶壓儲罐設計，儲罐成本難以控制；(2)布置兩個換熱器，錯開運行，第一換熱器換熱時與高溫顆粒儲罐關斷，防止高壓氣體進入儲罐。第二換熱器與顆粒儲罐聯通，將高溫顆粒充滿換熱器。待第一換熱器換熱完成後，打開第一換熱器聯通閥門與顆粒儲罐聯通，第二換熱器關閉聯通閥門，並與高壓氣體接觸換熱，從而完成錯峰運行，並保證顆粒儲罐常壓運行，而換熱器帶壓運行，但是此種方法會導致換熱器數量增多，且對運行控制要求較高。


技術實現要素：

4.針對上述的技術問題，本發明提供一種高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置及太陽能光熱電站，換熱器中顆粒與高壓氣體直接換熱，在換熱器與高低溫顆粒儲罐的顆粒流道上設置若干氣體阻流件，將高壓氣體抑制在顆粒流道內，使高壓氣體無法進入高低溫顆粒儲罐，顆粒儲罐始終處於常壓運行，降低顆粒儲罐和換熱器成本。
5.為實現上述目的，本發明的技術方案為：
6.一種高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置，包括高溫顆粒儲罐、低溫顆粒儲罐、換熱器和若干高溫顆粒流道、若干低溫顆粒流道；
7.所述換熱器設置在所述高溫顆粒儲罐的下部，所述高溫顆粒儲罐通過若干所述高溫顆粒流道與所述換熱器的顆粒進口連通；所述低溫顆粒儲罐設置在所述換熱器的下部，所述低溫顆粒儲罐通過所述低溫顆粒流道與所述換熱器的顆粒出口連通；所述換熱器還具有氣體進口和氣體出口；
8.所述高溫顆粒流道上設置與其相通的若干第一氣體阻流件，所述第一氣體阻流件用於分流來自所述高溫顆粒流道中的氣體並使其沿著偏向所述高溫顆粒流道中的來氣方向重新流入所述高溫顆粒流道中；所述低溫顆粒流道上設置與其相通的若干第二氣體阻流件，所述第二氣體阻流件用於分流來自所述低溫顆粒流道中的氣體並使其沿著偏向所述低
溫顆粒流道中的來氣方向重新流入所述低溫顆粒流道中；所述第一氣體阻流件和第二氣體阻流件均具有導流進口和導流出口。
9.本發明一實施方式中，所述第一氣體阻流件的氣體壓降小於所述高溫顆粒流道上的對應所述第一氣體阻流件的所述導流進口至所述導流出口的流道段的氣體壓降；
10.所述第二氣體阻流件的氣體壓降小於所述低溫顆粒流道上的對應所述第二氣體阻流件的所述導流進口至所述導流出口的流道段的氣體壓降。
11.本發明一實施方式中，所述導流進口的朝向與所述高溫顆粒流道或所述低溫顆粒流道中的高壓氣體前進方向所成夾角小於或等於90度；
12.所述導流出口的朝向與所述高溫顆粒流道或所述低溫顆粒流道中的高壓氣體前進方向所成夾角小於90度。
13.本發明一實施方式中，所述導流入口和/或所述導流出口設有濾網。
14.本發明一實施方式中，所述第一氣體阻流件或所述第二氣體阻流件的設置數量n≥d2/d2，其中d為相對應的所述第一氣體阻流件或所述第二氣體阻流件的通道直徑，d為相對應的所述高溫顆粒流道或所述低溫顆粒流道的通道直徑。
15.本發明一實施方式中，所述第一氣體阻流件和/或所述第二氣體阻流件的通道直徑均大於或等於顆粒粒徑的5倍。
16.本發明一實施方式中，所述第一氣體阻流件和/或所述第二氣體阻流件為u型管。
17.本發明一實施方式中，所述高溫顆粒流道和/或低溫顆粒流道為豎直管道。
18.本發明一實施方式中，所述高溫顆粒流道和/或低溫顆粒流道為存在具有傾斜度的折彎部分的管道。
19.本發明一實施方式中，所述換熱器在所述氣體進口處設置布風板；或者所述換熱器具有對應所述第一氣體進口的進氣腔，進氣腔中設置布風板。
20.本發明一實施方式中，所述氣體進口設置在換熱器的底部。
21.本發明一實施方式中，通入所述換熱器的氣體為二氧化碳、空氣、氮氣或水蒸氣。
22.本發明一實施方式中，在所述高溫顆粒流道上部和/或所述低溫顆粒流道上設置顆粒流量調節閥。
23.基於相同的發明構思，本發明還提供了一種太陽能光熱電站，包括上述任意實施方式所述的高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置。
24.本發明由於採用以上技術方案，使其與現有技術相比具有以下的優點和積極效果：
25.本發明的高溫顆粒通過高溫顆粒流道依靠重力自上而下進入換熱器，與換熱器內的高壓氣體直接接觸換熱完成後，低溫顆粒通過低溫顆粒流道依靠重力自上而下流入低溫顆粒流道。高壓氣體自氣體進口進入換熱器，與高溫顆粒直接接觸換熱後，從氣體出口排出。本發明使高壓氣體與顆粒直接接觸換熱，提高了換熱性能，降低了換熱器成本，同時顆粒連續流動保證了出口高壓氣體溫度的穩定。
26.由於換熱器在換熱器件處於高壓狀態，高壓氣體會進入高溫顆粒流道和低溫顆粒流道內，由於第一氣體阻流件的存在，部分氣體分流進入第一氣體阻流件，並且第一氣體導流件還可以使進入第一氣體阻流件的氣體以偏向高溫顆粒流道中的來氣方向，也就是換熱器所在的方向重新流入高溫顆粒流道中，從第一氣體阻流件導流出口流出的氣體動能與高
溫顆粒流道中的氣體動能發生對衝，依此第一氣體阻流件內的氣體動能與顆粒流道內的氣體動能達到平衡後，氣體被抑制在高溫顆粒流道內，無法進入高溫顆粒儲罐；低溫顆粒流道的原理與高溫顆粒流道的原理相同，由於第二氣體阻流件的作用，使高壓氣體抑制在低溫顆粒流道內。因此，本發明在顆粒流道上增加氣體阻流件，抑制了高壓氣體從換熱器回流至高低溫顆粒儲罐，使得高低溫顆粒儲罐常壓運行，同時不影響顆粒的連續流動換熱，大幅降低高低溫顆粒儲罐的成本。故本發明既能達到優良的換熱效果，又能確保運行安全穩定。
附圖說明
27.圖1為本發明實施例1的高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置示意圖；
28.圖2為本發明實施例1的高溫顆粒流道一種實施方式示意圖；
29.圖3為本發明實施例1的低溫顆粒流道一種實施方式示意圖；
30.圖4為本發明實施例1的高溫顆粒流道另一種實施方式示意圖；
31.圖5為本發明實施例1的低溫顆粒流道另一種實施方式示意圖。
32.附圖標記說明：1-高溫顆粒儲罐；2-高溫顆粒流道；3-換熱器；301-氣體進口；302-氣體出口；303-布風板；4-低溫顆粒流道；5-低溫顆粒儲罐；6-第一氣體阻流件；7-第二氣體阻流件；8-第一側管；9-第二側管；10-顆粒流量調節閥。
具體實施方式
33.以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的一種高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置及太陽能光熱電站作進一步詳細說明。根據下面說明，本發明的優點和特徵將更清楚。
34.實施例1
35.參看圖1-5，一種高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置，包括高溫顆粒儲罐1、低溫顆粒儲罐5、換熱器3和若干高溫顆粒流道2、若干低溫顆粒流道4；
36.換熱器3設置在高溫顆粒儲罐1的下部，高溫顆粒儲罐1通過高溫顆粒流道2與換熱器3的顆粒進口連通；
37.低溫顆粒儲罐5設置在換熱器3的下部，低溫顆粒儲罐5通過低溫顆粒流道4與換熱器3的顆粒出口連通，換熱器3還具有氣體進口301和氣體出口302；
38.高溫顆粒流道2上設置與其相通的若干第一氣體阻流件6，第一氣體阻流件6用於分流來自高溫顆粒流道2中的氣體並使其沿著偏向高溫顆粒流道2中的來氣方向重新流入高溫顆粒流道2中，
39.低溫顆粒流道4上設置若干第二氣體阻流件7，第二氣體阻流件7用於分流來自低溫顆粒流道4中的氣體並使其沿著偏向低溫顆粒流道4中的來氣方向重新流入低溫顆粒流道4中；
40.其中，第一氣體阻流件6和第二氣體阻流件7均包括主體、導流進口和導流出口。
41.高溫顆粒儲罐1內的高溫顆粒通過高溫顆粒流道2依靠重力自上而下進入換熱器3，與高壓氣體直接接觸換熱完成後，低溫顆粒通過低溫顆粒流道4依靠重力自上而下流入低溫顆粒流道4，進而流入低溫顆粒儲罐5。
42.高壓氣體自氣體進口301進入換熱器3，與高溫顆粒直接接觸換熱後，從氣體出口302排出。由於換熱器3內處於高壓狀態，高壓氣體會進入高溫顆粒流道2和低溫顆粒流道4，
以高溫顆粒流道2為例說明，由於第一氣體阻流件6的存在，部分氣體分流從導流進口進入第一氣體阻流件6，第一氣體阻流件6使其沿著偏向高溫顆粒流道中的氣體來氣方向從導流出口重新流入高溫顆粒流道2中，也就是說第一氣體阻流件6的主體會改變流入第一氣體阻流件6氣體的流向而使其與高溫顆粒流道2中的氣體發生相向對衝，因此隨著第一氣體阻流件6的數量的增多，直到第一氣體阻流件6內的氣體動能與高溫顆粒流道2內的氣體動能達到平衡後，氣體被抑制在高溫顆粒流道2內，無法進入高溫顆粒儲罐1；低溫顆粒流道4的原理與高溫顆粒流道2的原理相同，由於第二氣體阻流件7的作用，使高壓氣體抑制在低溫顆粒流道4內。因此，在顆粒流道上增加氣體阻流件，抑制了高壓氣體從換熱器3回流至高低溫顆粒儲罐5，使得高溫顆粒儲罐1和低溫顆粒儲罐5常壓運行，同時不影響顆粒的連續流動換熱，大幅降低高、低溫顆粒儲罐5的成本。
43.同時高壓氣體與高溫顆粒在換熱器3內直接接觸換熱，減小了換熱熱阻，換熱效率高，提高了換熱性能，降低了換熱器3成本，同時顆粒連續流動保證了換熱器3氣體出口302的高壓氣體溫度的穩定。
44.高壓氣體可以為二氧化碳、空氣、氮氣或水蒸氣，但不限於此。
45.進一步地，第一氣體阻流件6的氣體壓降小於高溫顆粒流道2上的對應第一氣體阻流件6的導流進口至導流出口的流道段氣體壓降；
46.第二氣體阻流件7的氣體壓降小於低溫顆粒流道4上的對應第二氣體阻流件7的導流進口至導流出口的流道段氣體壓降。
47.還是以第一氣體阻流件6為例，進入高溫顆粒流道內的高壓氣體，遇到第一氣體阻流件後，部分氣體進入第一氣體阻流件，經過第一氣體阻流件的氣體，從導流出口流出的氣體的單位體積內的壓力是大於高溫顆粒流道內對應第二氣體阻流件7的導流進口至導流出口的流道段單位體積的氣體壓力，但是由於進入第一氣體阻流件的氣體體積較小，因此第一氣體阻流件6的氣體壓降小於高溫顆粒流道2上的對應第一氣體阻流件6的導流進口至導流出口的流道段氣體壓降，進一步可能需要多個第一氣體阻流件，才能將氣體抑制在高溫顆粒流道內。
48.為進一步保證使高壓氣體抑制在顆粒流道內並方便設置，發明人基於本技術方案進行了特別設計，經過研究及實踐後，對不同的顆粒流道及氣體阻流件的主體流道的直徑和相應的氣體阻流件的設置量進行實際試驗，並對所得到的效果進行對比，最終得出相應顆粒流道上的氣體阻流件的數量如下設置：第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7的設置數量n≥d2/d2，其中d為相對應的第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7的通道直徑，d為相對應的高溫顆粒流道2或低溫顆粒流道4的通道直徑。例如，d＝50mm，d＝10mm，則數量n設置在25個以上為宜。
49.進一步地，導流進口的朝向與高溫顆粒流道2或低溫顆粒流道4中的高壓氣體前進方向所成夾角小於或等於90度，這樣設置確保導流進口能夠引流顆粒流道中的一部分高壓氣體，導流進口可以在實際允許的範圍內設置得較大，例如設置成擴開口的形狀，該夾角也可以在實際允許的範圍內設置得較小，例如進一步設置成60度、45度甚至更小；
50.導流出口的朝向與高溫顆粒流道2或低溫顆粒流道4中的高壓氣體前進方向所成夾角小於90度，這樣設置確保導流出口的流出氣體能夠與顆粒流道中的高壓氣體發生對衝，導流出口可以在實際允許的範圍內設置得較小，例如進一步設置成60度、45度甚至更
小。
51.為防止顆粒堵塞第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7以及使顆粒和氣體換熱更為有效充分，第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7的通道直徑均大於或等於顆粒粒徑的5倍。為阻礙顆粒流入第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7，導流入口、導流出口分別安裝濾網，濾網僅允許氣體通過而不允許顆粒流過。參看圖3，第一氣體阻流件6和第二氣體阻流件7的主體可為u型管，當然也可以為其他形式的管道，在此不做限制。u型管包括第一側管8和第二側管9，第一側管8和第二側管9可以平行，即規則的u型管，也可以不平行設置，靠近換熱器3的第一側管8的管口即為導流入口，遠離換熱器3的第二側管9的管口即為導流出口。
52.高壓氣體的流向向上，部分氣體進入u型管的第一側管8內，經u型底部改變流向從第二側管9流出，使第一側管8管口的氣體流向與第二側管9管口流出的氣體流向相反。
53.顆粒流道可以為豎直管道或連續折彎管道，具體參看圖2-3，高溫顆粒流道2、低溫顆粒流道4為豎直管道。
54.具體參看圖4-5，高溫顆粒流道2、低溫顆粒流道4為存在具有傾斜度的連續折彎管道，第一氣體阻流件6設置在高溫顆粒流道2的每段折彎管道的斜下方，第二氣體阻流件7設置在與低溫顆粒流道4的每段折彎管道的斜上方。當然高溫顆粒流道2和/或低溫顆粒流道4也可以為部分或全部螺紋式的管道，在此不做限制。
55.在顆粒流道為具有折彎部分的管道時，高溫顆粒流道2、低溫顆粒流道4的每段折彎管道的傾斜度不應小於顆粒的自然堆積角，以保證顆粒的順利流動。
56.同一換熱裝置內的高溫顆粒流道2和低溫顆粒流道4可以如圖1所示，都為豎直管道，也可都為圖4和圖5所示的連續折彎管道，也可以分別是圖2和圖5所示設置的管道。
57.換熱器3在氣體進口301處設置布風板303，或換熱器具有第一進口的進氣腔，進氣腔中設置布風板(圖中未顯示)，使進入換熱器3內的高壓氣體在氣體進口所在橫截面均分分布，使高壓氣體與高溫顆粒充分接觸。
58.氣體進口301設置在換熱器3的底部，氣體出口302設置在換熱器3的上部，布風板303可沿換熱器3底部的周向設置，可用於將換熱器3內的顆粒聚攏在換熱器3的顆粒出口，保證換熱後的低溫顆粒自顆粒出口流出，進而流入低溫顆粒管道。
59.在高溫顆粒流道2上部、低溫顆粒流道4的下部設置顆粒流量調節閥10，在本實施例中，在低溫顆粒流道4的下部設置顆粒流量調節閥10。通過第二氣體阻流件7的作用，氣體被抑制在低溫顆粒流道4內，氣體處於靜止狀態，不影響低溫顆粒自身流動，低溫顆粒依靠重力連續下落，流入低溫顆粒儲罐5內，維持高壓氣體與顆粒的連續換熱，同時通過顆粒流量調節閥10調節顆粒流量。
60.高溫顆粒儲罐1內的高溫顆粒通過高溫顆粒流道2依靠重力自上而下進入換熱器3，在換熱器3內與高壓氣體直接接觸換熱完成後，低溫顆粒通過低溫顆粒流道4依靠重力自上而下流入低溫顆粒流道4，進而流入低溫顆粒儲罐5。高壓氣體自氣體進口301進入換熱器3，經過布風板303均勻布風后進入換熱器3內，與高溫顆粒直接接觸換熱後，從氣體出口302排出。
61.此時，換熱器3內處於高壓狀態，高壓氣體進入高溫顆粒流道2與低溫顆粒流道4，由於第一氣體阻流件6和第二氣體阻流件7的存在，部分氣體會分流進入第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7，而後通過第一氣體阻流件6或第二氣體阻流件7改變氣體流向後，與高
溫顆粒流道2或低溫顆粒流道4內的氣體平衡部分氣體動能，隨著第一氣體阻流件6和第二氣體阻流件7數量的增多，高溫顆粒流道2或低溫顆粒流道4內的高壓氣體會不斷的分流進入第一氣體阻流件6和第二氣體阻流件7，高壓氣體被抑制在高溫顆粒流道2和低溫顆粒流道4內，使高壓氣體無法進入高溫顆粒儲罐1和低溫顆粒儲罐5。
62.本實施例採用帶有氣體阻流件的顆粒流道結構簡單，低成本實現高壓氣體的阻流。
63.實施例2
64.基於相同的發明構思，本實施例提供一種太陽能光熱電站，包括實施例1的高壓氣體與顆粒接觸式換熱裝置，太陽能光熱電站還包括集熱系統、發電系統，集熱系統可以為塔式太陽能集熱系統或蝶式太陽能集熱系統等，集熱系統利用太陽能輻射加熱低溫顆粒儲罐5內的顆粒，被加熱後的顆粒存至高溫顆粒儲罐1；發電系統內的循環氣體從氣體進口301進入換熱器3，與換熱器3內的高溫顆粒換熱，從氣體出口302流出，利用發電系統發電。
65.上面結合附圖對本發明的實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式。即使對本發明做出各種變化，倘若這些變化屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則仍落入在本發明的保護範圍之中。