CN106052451A - 一种石墨显热换热装置及其换热方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨显热蓄热换热装置，包括石墨蓄热堆、抗氧化剂、耐火砖、换热循环风道、保温层、支撑钢架、进口连接管道、补气口、单向阀、氮气罐、变频风机、换热器、第一温度传感器、出口连接管道、第二温度传感器、压力传感器、控制柜、加热棒、第三温度传感器，石墨堆由若干加热石墨块、蓄热石墨块、换热石墨块错列叠加堆砌而成。本发明利用石墨的高热扩散性特点，提高了加热***的便利性；在提高蓄热密度和保证换热效果的同时，避免了和降低了石墨由于磨损和氧化带来的损耗，提高了石墨的使用寿命并降低了维护成本。

Description

一种石墨显热换热装置及其换热方法
技术领域
本发明涉及一种石墨蓄热换热装置及其换热方法，属于蓄热利用技术领域。
背景技术
储能技术是实现智慧能源网***的关键核心设备之一。蓄热技术是储能技术领域的重要组成部分。蓄热技术在太阳能热发电、工业烟气余热利用、峰谷电调节供热等方面有着广泛的应用前景。其中在峰谷电调节供热方面，通过蓄热技术将便宜的用电低谷时的电能转化成热能进行储存，在有热负荷需求时利用蓄热***进行直接供热，既达到了调节用电平衡的目的，又提高了供热***的经济性，具有很好的经济性。
蓄热技术主要包括显热蓄热和潜热相变蓄热两种方式，在显热蓄热方面，中国专利CN201510169131.7发明了一种电加热固体蓄热装置，但该发明采用的是低导热系数的蓄热砖，因此需要控制蓄热砖的尺寸大小，且要布置大量的加热丝以保证加热时***的均温性和换热的充分性，使得加热过程较为复杂；此外，为了保证***换热的均匀性，需要均匀布置风道，尽可能保证换热面布置的均匀性，这些都为***的设计带来复杂性。
因此，对于显热***而言，如何保证蓄热***在加热和放热过程中的均温性，同时避免***过于复杂，建立结构简单，安装方便的蓄热***，成为显热蓄热***发展面临的问题。
另外，对于蓄热***而言，单位质量蓄热密度越高，所需要的蓄热材料越小，***的经济性越好。因此，对于显热蓄热***而言，如何进一步提高蓄热***的蓄热温度，提高蓄热密度也是显热蓄热***发展的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出一种石墨显热蓄热换热装置及换热方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨显热蓄热换热装置，包括石墨蓄热堆、抗氧化剂、耐火砖、换热循环风道、保温层、进口连接管道、补气口、单向阀、氮气罐、变频风机、换热器、第一温度传感器、出口连接管道、第二温度传感器、压力传感器、控制柜、加热棒、第三温度传感器；石墨蓄热堆的***砌有耐火砖，石墨蓄热堆与耐火砖之间通过填埋抗氧化剂进行密封，耐火砖的***安装有保温层，其中两个短侧面和顶面的耐火砖与保温层之间留有空隙形成换热循环风道，长侧面的保温层与耐火砖紧密贴合，石墨蓄热堆的底部设有支撑钢架；进口连接管道分别与换热循环风道入口和换热器热源出口相连，进口连接管道上安装有变频风机，进口连接管道设有补气口，补气口与氮气罐相连，补气口与氮气罐之间装有单向阀；换热循环风道内装有压力传感器；换热器冷源出口安装有第一温度传感器；出口连接管道分别与换热循环风道出口和换热器热源入口相连，出口连接管道安装有第二温度传感器，石墨蓄热堆上分别安装有加热棒和若干第三温度传感器；第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、加热棒、第三温度传感器分别与控制柜相连。
石墨蓄热堆由若干加热石墨块、蓄热石墨块、换热石墨块错列叠加堆砌而成，石墨蓄热堆的四个侧面的和底面的***一层由加热石墨块或由加热石墨块和蓄热石墨块交叉布置组成，顶面一层由换热石墨块组成；内部由蓄热石墨块组成。
所述的加热石墨块上有加热棒安装孔，加热棒安装孔与换热器过渡配合安装，加热石墨块上的加热棒安装孔朝外布置。
所述的换热石墨块由换热孔道和连接块两部分组成，两者之间的高度比为1.0～3.0之间。
所述的石墨蓄热堆与耐火砖的高度差为石墨块的换热孔道的高度；石墨蓄热堆顶部与保温层之间的间隙为石墨块的换热孔道孔径的1-2倍。
所述的换热循环风道内的换热工质为氮气，换热循环风道内保持正压。
所述的换热器包括气-气式和气-液式，具体形式包括管壳式换热器和板式换热器。
所述的抗氧化剂包括碳化硅、二硅化钼、耐火砖粉末中任意一种。
一种利用所述石墨显热蓄热换热装置的换热方法，加热蓄热过程中，控制柜根据第三温度传感器的反馈，当石墨温度低于设定阀值时，控制加热棒加热石墨蓄热堆中的加热石墨块，石墨蓄热堆利用石墨的高热扩散系数特征，快速将加热石墨块的热量传递给蓄热石墨块和换热石墨块，使得整个石墨蓄热堆的温度分布均匀；抗氧化剂和耐火砖的布置，使得石墨蓄热堆的主体部分不与换热气体接触，避免了石墨的高温氧化。换热过程中，变频风机根据第二温度传感器和第一温度传感器的感应温度以及换热功率要求，调节循环风量，低温氮气经过进口连接管道、换热循环风道在换热孔道中换热后，经出口连接管道流入到换热器中，通过换热器实现换热。单向阀根据压力传感器的测量值实现开闭，当换热循环风道压力低于阀值时，单向阀开启，氮气罐向换热循环风道内补充氮气，保证正压，避免空气漏入。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明利用石墨的高热扩散性特点，采用局部换热的方式而其他接触面则采用密封隔氧处理，在保证蓄热密度和换热效果的同时，避免了换热风道均匀布置导致石墨由于磨损和氧化带来的损耗，提高了石墨的使用寿命并降低了维护成本。
(2)本发明的换热石墨块的局部布置，使得损耗石墨的更换更加方便，降低了维护成本。
(3)本发明利用石墨的高热扩散性，减少了加热原件的数量，实现了加热石墨块和蓄热石墨块的自由组合，使得加热***简单易行，降低了***的投资成本。
附图说明
图1是石墨显热蓄热换热装置示意图；
图2是石墨蓄热堆的布置示意图；
图3是加热石墨块的结构简图；
图4是换热石墨块的结构示意图。
图中：石墨蓄热堆1、抗氧化剂2、耐火砖3、换热循环风道4、保温层5、支撑钢架6、进口连接管道7、补气口8、单向阀9、氮气罐10、变频风机11、换热器12、第一温度传感器13、出口连接管道14、第二温度传感器15、压力传感器16、控制柜17、加热棒18、第三温度传感器19、加热石墨块20、蓄热石墨块21、换热石墨块22、加热棒安装孔23、换热孔道24、连接块25。
具体实施方式
如图1-4所示，一种石墨显热蓄热换热装置，包括石墨蓄热堆1、抗氧化剂2、耐火砖3、换热循环风道4、保温层5、进口连接管道7、补气口8、单向阀9、氮气罐10、变频风机11、换热器12、第一温度传感器13、出口连接管道14、第二温度传感器15、压力传感器16、控制柜17、加热棒18、第三温度传感器19；石墨蓄热堆1的***砌有耐火砖3，石墨蓄热堆1与耐火砖3之间通过填埋抗氧化剂2进行密封，耐火砖的***安装有保温层5，其中两个短侧面和顶面的耐火砖3与保温层之间留有空隙形成换热循环风道4，长侧面的保温层5与耐火砖3紧密贴合，石墨蓄热堆1的底部设有支撑钢架6；进口连接管道7分别与换热循环风道4入口和换热器12热源出口相连，进口连接管道7上安装有变频风机11，进口连接管道7设有补气口8，补气口8与氮气罐10相连，补气口8与氮气罐10之间装有单向阀9；换热循环风道4内装有压力传感器16；换热器冷源出口安装有第一温度传感器13；出口连接管道14分别与换热循环风道4出口和换热器12热源入口相连，出口连接管道14安装有第二温度传感器15，石墨蓄热堆1上分别安装有加热棒18和若干第三温度传感器19；第一温度传感器13、第二温度传感器15、压力传感器16、加热棒18、第三温度传感器19分别与控制柜17相连。
石墨蓄热堆1由若干加热石墨块20、蓄热石墨块21、换热石墨块22错列叠加堆砌而成，石墨蓄热堆1的四个侧面的和底面的***一层由加热石墨块20布置组成或由加热石墨块20和蓄热石墨块21交叉布置组成，顶面一层由换热石墨块22组成；内部由蓄热石墨块21组成。
所述的加热石墨块20上有加热棒安装孔23，加热棒安装孔23与换热器12过渡配合安装，加热石墨块20上的加热棒安装孔23朝外布置。
所述的换热石墨块22由换热孔道24和连接块25两部分组成，换热孔道24和连接块25的高度比为1.0～3.0之间。
所述的石墨蓄热堆1与耐火砖3的高度差(石墨蓄热堆1高于耐火砖3的高度)为石墨块22的换热孔道24的高度；石墨蓄热堆1顶部与保温层5之间的间隙为石墨块22的换热孔道24孔径的1-2倍。
所述的换热循环风道4内的换热工质为氮气，换热循环风道4内保持正压。
所述的换热器12包括气-气式和气-液式，具体形式包括管壳式换热器和板式换热器。
所述的抗氧化剂2包括碳化硅、二硅化钼、耐火砖粉末中任意一种。
一种利用所述石墨显热蓄热换热装置的换热方法，具体如下：加热蓄热过程中，控制柜17根据第三温度传感器19的反馈，当石墨温度低于设定阀值时，控制加热棒18加热石墨蓄热堆1中的加热石墨块20，石墨蓄热堆1利用石墨的高热扩散系数特征，快速将加热石墨块20的热量传递给蓄热石墨块21和换热石墨块22，使得整个石墨蓄热堆1的温度分布均匀；抗氧化剂2和耐火砖3的布置，使得石墨蓄热堆1的主体部分不与换热气体接触，避免了石墨的高温氧化。换热过程中，变频风机11根据第二温度传感器15和第一温度传感器13的感应温度以及换热功率要求，调节循环风量，低温氮气经过进口连接管道7、换热循环风道4在换热孔道24中换热后，经出口连接管道14流入到换热器12中，通过换热器12实现换热。单向阀9根据压力传感器16的测量值实现开闭，当换热循环风道4压力低于阀值时，单向阀9开启，氮气罐10向换热循环风道4内补充氮气，保证正压，避免空气漏入。
本发明的具体工作过程如下：
加热过程中，控制柜17根据第三温度传感器19的反馈，当石墨温度低于设定阀值时，控制加热棒18加热石墨蓄热堆1中的加热石墨块20，石墨蓄热堆1利用石墨的高热扩散系数特征，快速将加热石墨块20的热量传递给蓄热石墨块21和换热石墨块22，使得整个石墨蓄热堆1的温度分布均匀，当石墨温度高于设定阀值时，停止加热。换热过程中，开启变频风机11，低温氮气经过进口连接管道7、换热循环风道4在换热孔道24中换热后，经出口连接管道14流入到换热器12中，通过换热器12实现换热。在换热过程中，需要根据***的换热功率需求以及第二温度传感器15和第一温度传感器13的温度数值，调节变频风机流量，直到第一温度传感器13的温度满足要求。在整个过程中，单向阀9根据压力传感器16的测量值实现开闭，当换热循环风道4压力低于阀值时，单向阀9开启，氮气罐10向换热循环风道4内补充氮气，保证正压，避免空气漏入。
在具体实施过程中，不可避免的会漏入部分空气，导致在高温过程中对石墨蓄热堆1的换热石墨块22在氧化和磨损的作用下会出现损耗，而石墨蓄热堆1的主体部分则不会出现损耗，在具体操作过程中仅需要对换热石墨块22进行定期更换，大大降低了石墨蓄热堆1的损耗维护成本。
因此，本发明充分利用了石墨的高热扩散系数的特点，通过在顶部设置换热面保证有效换热，而主体部分则进行密封隔氧，在保证换热的同时，最大限度的减小了石墨的损耗，降低了***的维护成本，提高了***的经济性。

Claims (8)

1.一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于，包括石墨蓄热堆(1)、抗氧化剂(2)、耐火砖(3)、换热循环风道(4)、保温层(5)、进口连接管道(7)、补气口(8)、单向阀(9)、氮气罐(10)、变频风机(11)、换热器(12)、第一温度传感器(13)、出口连接管道(14)、第二温度传感器(15)、压力传感器(16)、控制柜(17)、加热棒(18)、第三温度传感器(19)；石墨蓄热堆(1)的***砌有耐火砖(3)，石墨蓄热堆(1)与耐火砖(3)之间通过填埋抗氧化剂(2)进行密封，耐火砖的***安装有保温层(5)，其中两个短侧面和顶面的耐火砖(3)与保温层之间留有空隙形成换热循环风道(4)，长侧面的保温层(5)与耐火砖(3)紧密贴合，石墨蓄热堆(1)的底部设有支撑钢架(6)；进口连接管道(7)分别与换热循环风道(4)入口和换热器(12)热源出口相连，进口连接管道(7)上安装有变频风机(11)，进口连接管道(7)设有补气口(8)，补气口(8)与氮气罐(10)相连，补气口(8)与氮气罐(10)之间装有单向阀(9)；换热循环风道(4)内装有压力传感器(16)；换热器冷源出口安装有第一温度传感器(13)；出口连接管道(14)分别与换热循环风道(4)出口和换热器(12)热源入口相连，出口连接管道(14)安装有第二温度传感器(15)，石墨蓄热堆(1)上分别安装有加热棒(18)和若干第三温度传感器(19)；第一温度传感器(13)、第二温度传感器(15)、压力传感器(16)、加热棒(18)、第三温度传感器(19)分别与控制柜(17)相连；石墨蓄热堆(1)由若干加热石墨块(20)、蓄热石墨块(21)、换热石墨块(22)错列叠加堆砌而成，石墨蓄热堆(1)的四个侧面的和底面的***一层由加热石墨块(20)或由加热石墨块(20)和蓄热石墨块(21)交叉布置组成，顶面一层由换热石墨块(22)组成；内部由蓄热石墨块(21)组成。
2.根据权利要求1所述的一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于所述的加热石墨块(20)上有加热棒安装孔(23)，加热棒安装孔(23)与换热器(12)过渡配合安装，加热石墨块(20)上的加热棒安装孔(23)朝外布置。
3.根据权利要求1所述的一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于所述的换热石墨块(22)由换热孔道(24)和连接块(25)两部分组成，换热孔道(24)和连接块(25)的高度比为1.0～3.0之间。
4.根据权利要求1所述的一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于所述的石墨蓄热堆(1)与耐火砖(3)的高度差为石墨块(22)的换热孔道(24)的高度；石墨蓄热堆(1)顶部与保温层(5)之间的间隙为石墨块(22)的换热孔道孔径的1-2倍。
5.根据权利要求1所述的一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于所述的换热循环风道(4)内的换热工质为氮气，换热循环风道(4)内保持正压。
6.根据权利要求1所述的一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于所述的换热器(12)包括气-气式和气-液式，具体形式包括管壳式换热器和板式换热器。
7.根据权利要求1所述的一种石墨显热蓄热换热装置，其特征在于所述的抗氧化剂(2)包括碳化硅、二硅化钼、耐火砖粉末中任意一种。
8.一种利用权利要求1所述石墨显热蓄热换热装置的换热方法，其特征在于：加热蓄热过程中，控制柜(17)根据第三温度传感器(19)的反馈，当石墨温度低于设定阀值时，控制加热棒(18)加热石墨蓄热堆(1)中的加热石墨块(20)，石墨蓄热堆(1)利用石墨的高热扩散系数特征，快速将加热石墨块(20)的热量传递给蓄热石墨块(21)和换热石墨块(22)，使得整个石墨蓄热堆(1)的温度分布均匀；抗氧化剂(2)和耐火砖(3)的布置，使得石墨蓄热堆(1)的主体部分不与换热气体接触，避免石墨的高温氧化；换热过程中，变频风机(11)根据第二温度传感器(15)和第一温度传感器(13)的感应温度以及换热功率要求，调节循环风量，低温氮气经过进口连接管道(7)、换热循环风道(4)在换热孔道(24)中换热后，经出口连接管道(14)流入到换热器(12)中，通过换热器(12)实现换热；单向阀(9)根据压力传感器(16)的测量值实现开闭，当换热循环风道(4)压力低于阀值时，单向阀(9)开启，氮气罐(10)向换热循环风道(4)内补充氮气，保证正压，避免空气漏入。
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