一种新型梯级相变储热以及蒸汽发生系统

1.本发明属于工程热物理技术领域，涉及一种新型梯级相变储热以及蒸汽发生系统。

背景技术：

2.随着国民经济的发展，相变储能系统在新能源利用、冶金、核工程等各个领域逐渐得到广泛应用。近年来，发电厂急需一种能为工厂生产高温高压蒸汽的储能系统，以便充分利用电厂的热资源。在该系统中，当电厂有额外的富余蒸汽时，可将高温高压蒸汽的能量转变为相变介质(熔融盐)的能量储存起来；反之，则可通过相变介质储存的能量将水转变为工厂所需的高温高压蒸汽。
3.在传统的熔融盐相变储能系统中，一般通过特制的熔融盐泵驱动熔融盐在换热器内换热，并在单罐/双罐中将热量存储起来。由于特制防腐蚀熔融盐泵、管壳式换热器、防冻系统的存在，该系统存在体积大、建设和运行以及维护成本昂贵、操作难度大等缺点。同时，该系统的蓄热/放热的能力强烈依赖于斜温层的厚度，且稳定性受熔融盐进出影响较大，导致该系统的稳定运行还存在一定的技术难题。
4.2019年1月31日，授权号为cn 107030292 a的中国专利公开了一种蒸汽发生器的汽水分离结构及该蒸汽发生器。该装置包括安装于蒸汽发生器筒体内部的第一汽水分离筒和第二汽水分离筒，蒸汽发生器内生成的蒸汽自水面通过第一汽水分离筒的第一蒸汽通孔经通气间隙，沿着第二汽水分离筒的侧壁往上走并由出汽口出汽；蒸汽通过第一蒸汽分离筒时，部分冷凝水附着于第一蒸汽分离筒内壁并滑落至回流管内，第二汽水分离筒与筒体的筒壁的间隙可提高蒸汽流速并实现汽水二次分离，喇叭口状外型让蒸汽上升通道内的汽水充分接触，使得蒸汽中的水份凝聚成水珠并重力作用下坠落回流。该装置通过两个汽水分离筒实现汽水二次分离，由此降低了蒸汽发生器出气口的蒸汽含水量。然而该装置为体积较大罐形装置，无论是安装于地下或是地面，占地面积均较大，柔性较差，安装和使用成本较高，不适用于小面积，低成本的场合。
5.2020年5月5日，公开号为cn 210462964 u的中国专利公开了一种熔盐储能用蒸汽发生器，该蒸汽发生器包括壳体组件、管箱组件、封头组件；所述壳体组件包括圆柱形壳体和斜锥壳体；所述管箱组件包括管箱壳体、分层隔板和u型换热管束；所述封头组件包括前封头和后封头；所述圆柱形壳体两端分别与斜锥壳体的大圆端、后封头通过密封固定连接，所述斜锥壳体小圆端与管板固定在一起，管板、斜锥壳体、圆柱形壳体和后封头围成壳程封闭空腔；管箱壳体前端焊接前封头，管箱壳体、前封头及管板围成的空间内布置分层隔板，在管板上安装u型换热管束，前封头、管箱壳体、u型换热管束和管板围成管程封闭空腔。该蒸汽发生器集换热、储热和汽水分离功能于一体，更经济、安全性、热损失小。然而该装置结构复杂，加工难度大，成本较高，且占地面积较大，给实际的使用带来了一定的困难。
6.2020年11月6日，公开号为cn 211875977 u的中国专利公开了一种相变储热式蒸汽发生器，包括内胆和设置在内胆中的盘管，所述内胆中填充有相变储热材料，所述盘管埋
没在相变储热材料中，所述盘管的下方设置有与盘管连通的进水管，所述盘管的上方设置有与所述盘管连通的出气管，所述进水管和出气管均延伸到所述内胆的外部，水从进水管进入到盘管中，在盘管中经过相变储热材料加热气化形成蒸汽后，从出气管中排出。本实用新型的一种相变储热式蒸汽发生器，利用相变储热材料实现热量的存储并作为蒸汽发生器的能源，实现了能源在时间和强度上的错峰利用。然而该装置结构较为简单，导致其功能较为单一，欠缺柔性，难以满足实际工业生产中的复杂需求。
7.基于上述问题，本发明拟设计一种新型梯级相变蓄热系统。和传统系统相比，其最大特点是不需要昂贵的熔融盐泵、换热器和防冻系统，大大降低成本。该发明不仅可提出一种低成本高效率的相变蓄热系统，而且可为电厂
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工厂蒸汽发生系统的稳定和安全运行提供技术支撑。

技术实现要素：

8.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种新型相变蓄热以及蒸汽发生系统。
9.为了解决上述问题，本发明拟设计一种新型梯级相变储热以及蒸汽发生系统。该系统包括两个显热储能单元a、c和一个潜热储能单元b，潜热单元b位于显热单元a和c之间，三个单元通过管道连接。显热单元a接有入口1以及出口2两个管道，分别设有阀门1.1与1.2，其中出口2管道额外设有单向阀2.1。
10.显热单元c接有出口1以及入口2两个管道，分别设有阀门1.13和1.12。潜热储能单元b由多个蓄热子系统串联而成，蓄热子系统连接闭合回路，回路和单元a之间设有汽包3、单向阀2.2和阀门1.3；回路和单元c之间设有压力计7和温度计8。
11.当该系统用于产生高品质蒸汽时，液态水作为导热流体(htf)从入口1经过阀门1.1进入显热储能单元a进行预热，然后在潜热储能单元b蒸发为水蒸气，水蒸气经过汽包3进行净化和水汽分离，品质较高的水蒸气依次通过阀门1.11、温度计8和压力计7进入显热单元c过热并最终经过阀门1.13从出口1输出。汽包分离出的水则经过单向阀2.2与阀门1.3重新进入潜热单元b进行加热沸腾，直至生成高品质蒸汽。
12.当有富余蒸汽需要进行储热时，将多余蒸汽从入口2通入，经阀门1.12进入显热单元c，依次经过压力计、7温度计8和阀门1.10进入潜热单元b冷凝，经阀门1.6进入显热单元a冷却并最终经单向阀2.1与阀门1.2从出口2排出。
13.本发明中，显热单元a与c均设有多个并联管道且管道外均设有保温材料4。
14.本发明中，汽包为圆柱形容器，上方为挡板，挡板设有均匀开孔，下方为浮标。
15.本发明中，蓄热子系统由多个管道并联组成，管道外设有相变材料。每个蓄热子系统设有独立的进出口阀门。
16.有益效果：本发明将显热储能装置和潜热储能装置结合，通过对显热、潜热单元之间连接管道的设计，大大提高了系统的适用性。在该系统中，当有额外的富余蒸汽时，可将高温高压蒸汽的能量转变为相变介质(如熔融盐)的能量储存起来；反之，则可通过相变介质储存的能量将水转变为工厂所需的高温高压蒸汽。其中的潜热储能单元通过梯级相变，可进一步利用熔融盐的蓄热能力、提高系统的稳定性，并且可实现不同出口温度的蒸汽的供给。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
18.图1是本发明系统结构示意图。
19.图中：阀门为1.1～1.13，单向阀为2.1与2.2，汽包3，保温材料4，相变材料5与6，压力计7，温度计8。
20.图2是蓄热子系统备选方案的原理示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步说明。
22.本发明公开了一种新型梯级相变储热以及蒸汽发生系统，如图1所示。该系统包括两个显热储能单元a、c和一个潜热储能单元b，潜热单元b位于显热单元a和c之间，三个单元通过管道连接。显热单元a接有入口1以及出口2两个管道，分别设有阀门1.1与1.2，其中出口2管道额外设有单向阀2.1。显热单元c接有出口1以及入口2两个管道，分别设有阀门1.13和1.12。潜热储能单元b由多个蓄热子系统串联而成，蓄热子系统连接闭合回路，回路和单元a之间设有汽包3、单向阀2.2和阀门1.3；回路和单元c之间设有压力计7和温度计8。
23.本实施例中，汽包为圆柱形容器，上方为挡板，挡板设有均匀开孔，下方为浮标。挡板增加了蒸汽经过阻力。在孔板下面形成气垫使蒸汽均匀地从各孔逸出，当蒸汽品质较差时，多余的水分会在板面下形成水滴，水滴汇聚最终经回路流回潜热单元，以保障产生蒸汽的品质。
24.本实施例中，单向阀2.1用于防止入口1或者显热单元a的流体倒流，单向阀2.2用于防止系统内的流体直接进入汽包。
25.本实施例中，显热储能单元a与c的保温材料4，均使用带保温棉的混凝土，保温棉用于防止热损失，混凝土为多孔介质，储热能力较好。并且混凝土可以防止诸如冷水直接进入潜热储能模块b等情况造成的热冲击，混凝土预热或者冷却作用可以让相变体系更稳定。
26.本实施例中，蓄热子系统由多个管道并联组成，管道外设有相变材料。每个蓄热子系统设有独立的进出口阀门。蓄热子系统也可根据实际需求换用图2所示的备选方案，柔性满足实际需求。
27.工作过程：
28.当该系统用于产生高品质蒸汽时，液态水作为导热流体(htf)从入口1经过阀门1.1进入显热储能单元a进行预热，然后在潜热储能单元b蒸发为水蒸气，水蒸气经过汽包3进行净化和水汽分离，品质较高的水蒸气依次通过阀门1.11、温度计8和压力计7进入显热单元c过热并最终经过阀门1.13从出口1输出。汽包分离出的水则经过单向阀2.2与阀门1.3重新进入潜热单元b进行加热沸腾，直至生成高品质蒸汽。
29.当有富余蒸汽需要进行储热时，将多余蒸汽从入口2通入，经阀门1.12进入显热单元c，依次经过压力计、7温度计8和阀门1.10进入潜热单元b冷凝，经阀门1.6进入显热单元a冷却并最终经单向阀2.1与阀门1.2从出口2排出。
30.当需要不同出口温度的供给蒸汽时，可将潜热储能单元b中的相变材料5和6根据实际需求，调整为不同质量和种类的相变材料(如熔融盐)。应当注意的是，潜热储能单元b
中的蓄热子系统可以有多个，而图1中仅以2个为例。通过蓄热子系统的进出口阀门1.4、1.5、1.7、1.8实现不同出口温度的蒸汽的供给，增加系统的柔性和适用性。
31.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种新型梯级相变储热以及蒸汽发生系统，其特征在于：包括两个显热储能单元(a)、(c)和一个潜热储能单元(b)，潜热单元(b)位于显热单元(a)和(c)之间，三个单元通过管道连接。2.根据权利要求1所述的显热单元(a)，其特征在于：该单元接有入口(1)以及出口(2)两个管道，分别设有阀门(1.1)与(1.2)，其中出口(2)管道额外设有单向阀(2.1)。3.根据权利要求1所述的显热单元(c)，其特征在于：该单元接有出口(1)以及入口(2)两个管道，分别设有阀门(1.13)和(1.12)。4.根据权利要求1所述的显热单元(a)与(c)，其特征在于：设有多个并联管道且管道外均设有保温材料(4)。5.根据权利要求1所述的潜热储能单元(b)，其特征在于：所述单元由多个蓄热子系统串联而成，蓄热子系统连接闭合回路，回路和单元(a)之间设有汽包(3)、单向阀(2.2)和阀门(1.3)；回路和单元(c)之间设有压力计(7)和温度计(8)。6.根据权利要求5所述的汽包(3)，其特征在于：汽包为圆柱形容器，上方为挡板，挡板设有均匀开孔，下方为浮标。7.根据权利要求5所述的蓄热子系统，其特征在于：所述蓄热子系统由多个管道并联组成，管道外设有相变材料，每个蓄热子系统设有独立的进出口阀门。

技术总结

本发明公开了一种新型的梯级相变储热以及蒸汽发生系统，属于工程热物理领域。本发明通过相变材料(PCM)的相变来进行热量的存储和释放，使用汽包进行蒸汽和水的分离和蒸汽净化，采用阀门和单向阀来控制导热流体(HTF)的流向，通过压力计和温度计来检测系统内的温度和压力，将显热储能单元和潜热储能单元结合，潜热储能单元由多个蓄热子系统串联组成，增加了相变材料的种类和质量，进一步利用了相变材料的蓄热能力、提高系统的稳定性，并且可实现不同出口温度的蒸汽的供给以及富余蒸汽的热能储存。能储存。能储存。