一種相變換熱式固體顆粒換熱系統及光熱發電系統的製作方法
2024-04-12 22:06:05 1
1.本發明屬於顆粒換熱技術領域，尤其涉及一種相變換熱式固體顆粒換熱系統及光熱發電系統。
背景技術：
2.在現有的塔式光熱發電技術中，通常採用液體作為儲換熱介質，最典型的如熔鹽，但熔鹽存在腐蝕性高、儲能溫度低、可利用溫差小、儲能成本高、且存在凍堵風險等問題。
3.固體顆粒吸儲熱技術是一種新型的太陽能熱發電技術，由於顆粒吸熱溫度高，價格低廉，是一種理想的高溫吸熱和儲熱介質。在太陽能光熱發電技術中，還需要將固體顆粒儲存的熱量通過換熱器傳遞給發電系統的循環工質。目前的固體顆粒與發電系統循環工質的換熱器，主要在板式換熱器、流化床換熱器等方面進行研究。總體來說，現有的顆粒換熱器研究基本集中在循環工質與顆粒直接接觸換熱。但是，高溫顆粒直接接觸換熱一方面會導致換熱面磨損嚴重，發生換熱面局部破裂、爆管等風險；另一方面，換熱係數較低、換熱效果差。
技術實現要素：
4.為解決上述技術問題，本發明提供一種相變換熱式固體顆粒換熱系統及光熱發電系統，採用相變介質作為高溫固體顆粒和發電系統循環工質的中間換熱介質，利用相變介質的相變過程與顆粒/發電系統循環工質換熱，克服現有顆粒換熱系統的換熱係數低、換熱性能差、換熱面壁厚大且易磨損的問題，從而實現高效換熱能力的顆粒換熱系統。
5.為實現上述目的，本發明的技術方案為：
6.一種相變換熱式固體顆粒換熱系統，包括顆粒加料裝置、第一換熱器、第二換熱器，
7.所述顆粒加料裝置的底部具有第一出口，所述第一出口與所述第一換熱器的顆粒入口連通，所述第一換熱器用於將高溫顆粒的熱量直接接觸傳遞給相變介質，將相變介質由液相轉化為氣相；
8.所述第一換熱器的相變介質出口與所述第二換熱器的相變介質入口連通，所述第二換熱器的相變介質出口與所述第一換熱器的相變介質入口連通，所述第二換熱器的發電系統循環工質側與發電系統連接，所述第二換熱器用於將氣態相變介質的熱量傳遞給發電系統的循環工質。
9.本發明其中一實施方式，所述換熱系統還包括固液分離裝置，所述固液分離裝置的入口與所述第一換熱器的顆粒出口連通，用於分離所述低溫顆粒攜帶的相變介質。
10.本發明其中一實施方式，還包括防逆流旁路，用於向所述顆粒加料裝置提供正壓，保證高溫加料裝置內的高溫顆粒穩定進入第一換熱器，防止第一換熱器內相變介質氣化引起的壓力增大導致氣態相變介質回流。
11.本發明其中一實施方式，所述防逆流旁路包括第三換熱器，所述第三換熱器用於
高溫顆粒與相變介質換熱，所述固液分離裝置的液體出口與所述第三換熱器的相變介質入口連通，所述第三換熱器的相變介質出口與所述顆粒加料裝置入口連通，所述第三換熱器的顆粒入口與所述顆粒加料裝置的第二出口連通。
12.本發明其中一實施方式，所述第三換熱器的相變介質出口與所述顆粒加料裝置入口連通管道上設置第一增壓泵且/或所述固液分離裝置的液體出口與所述第三換熱器的相變介質入口連通管道上設置第一調節閥。
13.本發明其中一實施方式，所述第一出口處設置第二調節閥且/或所述第二出口處設置第三調節閥。
14.本發明其中一實施方式，所述第一換熱器內部設置布料器，用於均勻分布流入所述第一換熱器內的高溫顆粒。
15.本發明其中一實施方式，所述第一換熱器內設置過濾網，防止顆粒被氣化後的相變介質帶走。
16.本發明其中一實施方式，所述第二換熱器的相變介質出口與所述第一換熱器的相變介質入口連通管道上設置第二增壓泵。
17.本發明其中一實施方式，還包括高溫顆粒儲罐和低溫顆粒儲罐，所述高溫顆粒儲罐的出口與所述顆粒加料裝置的入口連通，所述低溫顆粒儲罐的入口分別與所述固液分離裝置的顆粒出口、第三換熱器的顆粒出口連通。
18.本發明其中一實施方式，所述高溫顆粒儲罐與所述顆粒加料裝置連通管道上設置第四調節閥。
19.基於相同的發明構思，本發明還提供一種太陽光熱發電系統，包括上述述的相變換熱式固體顆粒換熱系統。
20.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：
21.本發明通過設置第一換熱器和第二換熱器，第一換熱器用於高溫顆粒與相變介質直接接觸換熱，使液態相變介質氣化為氣態相變介質，第二換熱器用於氣態相變介質與發電系統的循環工質換熱，換熱後的氣態相變介質冷凝為液態相變介質，再次進入第一換熱器內與高溫換熱顆粒直接接觸換熱。因此本發明利用相變介質作為高溫固體顆粒和發電系統循環工質的中間換熱介質，高溫固體顆粒與相變介質直接接觸換熱，大幅度提高顆粒的換熱能力，同時避免顆粒與發電系統循環工質直接換熱的換熱面磨損。
22.另外，在高溫固體顆粒與相變介質直接接觸換熱的方式，利用相變材料的相變過程進行換熱，無需如傳統結構那樣設置大面積的換熱壁面，大幅降低換熱系統成本。
23.本發明還設置了一支防逆流旁路，為顆粒加料裝置提供正壓，保證其中的高溫固體顆粒能穩定進入第一換熱器內，防止第一換熱器中的相變介質氣化引起的壓力增大導致氣態相變介質逆流或堵塞管道。優選採用顆粒加料裝置內的高溫顆粒與固液分離裝置分離的液態相變介質換熱，液態相變介質被加熱氣化為氣態相變介質進入顆粒加料裝置，為顆粒加料裝置提供正壓，防止第一換熱器內形成的氣態相變介質在迴路中出現回流。
附圖說明
24.圖1為本發明實施例1的相變換熱式固體顆粒換熱系統流程示意圖。
25.附圖標記說明：1-高溫顆粒儲罐；2-第四調節閥；3-顆粒加料裝置；4-過濾網；5-均布器；6-第一換熱器；7-固液分離裝置；8-第二增壓泵；9-第二換熱器；10-第二調節閥；11-第三調節閥；12-第一調節閥；13-低溫顆粒儲罐；14-第三換熱器；15-第一增壓泵；
具體實施方式
26.以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的一種相變換熱式固體顆粒換熱系統及光熱發電系統作進一步詳細說明。根據下面說明，本發明的優點和特徵將更清楚。
27.實施例1
28.參看圖1，一種相變換熱式固體顆粒換熱系統，應用於太陽能光熱電站，包括顆粒加料裝置3、第一換熱器6、第二換熱器9，顆粒加料裝置3的底部具有第一出口，第一出口與第一換熱器6的顆粒入口連通，第一換熱器6用於將高溫顆粒的熱量直接接觸傳遞給相變介質，將相變介質由液相轉化為氣相；
29.第一換熱器6的相變介質出口與第二換熱器9的相變介質入口連通，第二換熱器9的相變介質出口與第一換熱器6的相變介質入口連通，第二換熱器9的發電系統循環工質側與發電系統連接，第二換熱器9用於將氣態相變介質的熱量傳遞給發電系統的循環工質。優選第二換熱器9的相變介質出口與第一換熱器6的相變介質入口連通管道上設置第二增壓泵8，為相變介質循環提供壓力。
30.顆粒加料裝置3內的高溫顆粒可以直接來自於光熱電站中太陽能吸熱器加熱後的高溫顆粒(其他應用環境下，顆粒加熱裝置可以是電加熱器等其他加熱方式)，優選先將加熱後的高溫顆粒儲存，然後再根據需要向顆粒加料裝置3內加入定量的高溫顆粒。高溫顆粒經過第一換熱器6換熱後的低溫顆粒可直接進入吸熱器內吸熱，由於高溫顆粒在第一換熱器6內與相變介質是接觸式換熱，從第一換熱器6內釋出的是顆粒與相變介質的混合料，因此優選換熱系統還包括固液分離裝置7，從第一換熱器6的顆粒出口流出的低溫顆粒首先流入固液分離裝置7，經固液分離裝置7分離後的低溫顆粒可直接進入吸熱器內吸熱，分離後的低溫顆粒優選先進行儲存。因此，本實施例的換熱系統還包括高溫顆粒儲罐1和低溫顆粒儲罐13，高溫顆粒儲罐1與顆粒加料裝置3連通，低溫顆粒儲罐13分別與固液分離裝置7的顆粒出口連通。
31.其中優選在高溫顆粒儲罐1與顆粒加料裝置3連通管道上設置第四調節閥2，用於調節向顆粒加料裝置3加入的高溫顆粒流量。
32.由於第一換熱器6內液態相變介質吸收高溫顆粒的熱量，氣化為氣態相變介質，導致第一換熱器6內的壓力增大，可能會發生氣體逆流至顆粒加料裝置3。為避免發生氣態相變介質逆流，本實施例的換熱系統還包括防逆流旁路，用於向顆粒加料裝置3提供正壓，保證高溫加料裝置內的高溫顆粒穩定進入第一換熱器6，防止第一換熱器6內相變介質氣化引起的壓力增大導致氣態相變介質回流。
33.向顆粒加料裝置3內提供正壓，可以向其內充入惰性氣體，優選採用本系統的高溫顆粒和固液分離裝置7分離的液態相變介質，進一步的，從節省成本、簡化系統、優化循環通路等方面考慮，結合已有結構，防逆流旁路包括第三換熱器14，第三換熱器14用於高溫顆粒與液態相變介質換熱，固液分離裝置7的液體出口與第三換熱器14的相變介質入口連通，第三換熱器14的相變介質出口與顆粒加料裝置3的入口連通，第三換熱器14的顆粒入口與顆
粒加料裝置3的第二出口連通，第三換熱器14的顆粒出口與低溫顆粒儲罐13連通。
34.優選在第三換熱器14的相變介質出口與顆粒加料裝置3入口連通管道上設置第一增壓泵15，氣化後的氣態相變介質經第一增壓泵15的作用下進入顆粒加料裝置3，固液分離裝置7的液體出口與第三換熱器14的相變介質入口連通管道上設置第一調節閥12，調節進入第三換熱器14的液態相變介質。
35.在顆粒加料裝置3的第一出口處設置第二調節閥10，第二出口處設置第三調節閥11，調節進入第一換熱器6和第三換熱器14的高溫顆粒流量。
36.第一換熱器6內部設置布料器5例如布料板，用於均勻分布流入第一換熱器6內的高溫顆粒，使高溫顆粒能夠均勻與液態相變介質接觸換熱。第一換熱器6內還設置過濾網4，防止顆粒被氣化後的相變介質帶走，過濾網的網孔直徑小於顆粒粒徑。
37.本實施例換熱系統的工作流程具體為：
38.高溫顆粒儲罐1中的高溫顆粒通過第四調節閥2進入顆粒加料裝置3中，顆粒在重力作用下由第一出口進入第一換熱器6，由第二出口進入第三換熱器14，第一換熱器6中的高溫顆粒經布料器5均布後與液態相變介質直接接觸換熱，換熱後的低溫顆粒攜帶部分液態相變介質進入固液分離裝置7中分離，其中顆粒進入低溫顆粒儲罐13，液態相變介質通過第一調節閥12進入第三換熱器14，與來自顆粒加料裝置3中的高溫顆粒換熱，換熱後的低溫顆粒進入低溫顆粒儲罐13，被加熱後的氣態相變介質在第一增壓泵15的作用下進入顆粒加料裝置3，為顆粒加料裝置3提供正壓，保證其中的高溫顆粒能穩定進入第一換熱器6中，防止第一換熱器6中相變介質氣化引起的壓力增大導致氣態相變介質逆流或堵塞管道。第一換熱器6中液態相變介質氣化後的氣態相變介質在壓力驅動下進入第二換熱器9的相變介質側，將熱量傳遞給自第二換熱器9的發電工質入口進入的低溫發電系統循環工質，被加熱後的發電循環工質從第二換熱器9的發電工質出口流出並進入發電系統發電，而冷凝後的液態相變介質在第二增壓泵8的作用下進入第一換熱器6完成循環。
39.本實施例採用的相變介質作為高溫固體顆粒和發電工質的中間換熱介質，相變介質在高溫下不分解，且不與顆粒發生反應，可以選用的有導熱油、液態金屬鈉等。
40.實施例2
41.本發明還提供一種太陽光熱發電系統，包括實施例1的相變換熱式固體顆粒換熱系統、集熱系統和發電系統，集熱系統用於太陽輻射加熱低溫顆粒，低溫顆粒儲罐13與集熱系統的入口連接，高溫顆粒儲罐與集熱系統的顆粒出口連接，第二換熱器9的發電工質側與發電系統連接。
42.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。