CN112923763A - 一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热*** - Google Patents

Abstract

一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，包括上主管道、上集气腔、蓄热管、下集气腔、连接管和下主管道；若干蓄热管平行分布，相邻的两个蓄热管之间通过连接管连通，形成蓄热管簇；蓄热管簇的两端分别设置有上集气腔和下集气腔，上集气腔和下集气腔均与蓄热管簇内部连通；上集气腔上设置有上主管道，下集气腔上设置有下主管道。本发明的鹅卵石蓄热***工作温度区间大，变负荷能力强，适应性好。本发明可以根据工作的温度区间和热负荷的大小，灵活的调整串联和并联的蓄热管的根数。并联管数越多能够应对的最大流量就越大，串联管数越多能够应对的最高温度就高，使得整体的蓄热***具有很强的变负荷能力。

Description

一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***

技术领域

本发明属于储能蓄热领域，特别涉及一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***。

背景技术

在传统的储能蓄热研究中，蓄热的形式多分为两种：显热蓄热和相变蓄热。两者的区分在于蓄热过程温度变化和蓄热原理的不同。显热蓄热利用高热容的材料，在较小的温升下存储较多的能量，而相变蓄热则利用蓄热材料在相变临界点附近的高潜热来蓄热。

为方便换热和存储，显热蓄热采用的材料多为液体，例如水或导热油。水廉价易得，但是工作温度要求在100摄氏度以下，限制了水蓄热的应用领域；导热油工作温度区间可以达到300摄氏度但成本相对较高，且存在燃爆的危险不便于大规模的应用。

相变蓄热多采用冰水或者有机材料在固-液临界温度附近吸热或放热完成相变蓄热。相变蓄热可以保证蓄热过程的稳定，出口温度的恒定以及较大的储蓄热密度，但是相变蓄热材料成本较高，***复杂，同样不便于大范围的推广应用。

已有的蓄热***要么成本高，要么工作温度受限，要么安全性较差，总之不便于大规模的储能蓄热时的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，包括上主管道、上集气腔、蓄热管、下集气腔、连接管和下主管道；若干蓄热管平行分布，相邻的两个蓄热管之间通过连接管连通，形成蓄热管簇；蓄热管簇的两端分别设置有上集气腔和下集气腔，上集气腔和下集气腔均与蓄热管簇内部连通；上集气腔上设置有上主管道，下集气腔上设置有下主管道。

进一步的，每个蓄热管的两端分别设置有上三通阀，相邻的蓄热管之间连接方式为：第一根蓄热管的下端三通阀与第二根蓄热管的下端三通阀通过连接管相连接，第二根蓄热管的上端三通阀与第三根蓄热管的上端三通阀通过连接管相连接。

进一步的，上集气腔和下集气腔连接到其所在位置的三通阀上；上主管道设置在上集气腔的几何中心，下主管道设置在下集气腔的几何中心。

进一步的，蓄热管包括鹅卵石蓄热段、上隔板、下隔板、上滤网和下滤网；鹅卵石蓄热段为柱状密封管体，鹅卵石蓄热段的内部上端自上而下设置有上隔板和上滤网，鹅卵石蓄热段的内部下端自上而下设置有下滤网和下隔板；鹅卵石蓄热段内填充有鹅卵石。

进一步的，鹅卵石在蓄热管内从上到下，鹅卵石的直径由大到小再到大，中间直径最小部分鹅卵石的直径不小于1cm，上下两端直径最大部分，鹅卵石的直径不大于10cm。

进一步的，蓄热管簇的外侧套设有隔热保温腔，隔热保温腔外形呈正六棱柱，圆柱状的蓄热管在其中交错排布，相邻的三根蓄热管分布呈等边三角形；蓄热管之间的间距恒定。

进一步的，蓄热管之间及蓄热管与隔热保温腔的外壁之间用干燥的沙子填充，沙子的直径不大于2mm。

进一步的，三通阀由电信号操作，控制蓄热管的出口管道在关闭，与集气腔相连通和与连接管相连通这三个状态间转换。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的鹅卵石蓄热***价格低廉，建造工期短，维护成本低。本发明蓄热管内的蓄热材料为不同直径的鹅卵石或其他石材，隔热保温腔的填充材料为干燥的沙子，鹅卵石和沙子都廉价易得，而且可以就地取材，缩短了材料的运输时长，进而缩短了建造的工期。隔热保温腔整体埋于地下，侧壁面与上下壁面可用水泥等建材建造，成本低廉。整个隔热保温腔和蓄热管的结构简单，运动部件少，热稳定性好，易损坏部件少，所以维护成本低。

本发明的鹅卵石蓄热***隔热效果好。隔热保温腔内的填充材料为直径小于2mm的干燥沙子，利用干燥沙子在掩埋过程中形成的多孔结构，填充的沙子可以形成与气凝胶相类似的结构，由于空气的导热系数是常接触的材料中最低的，而干燥沙子堆积形成的多孔结构很好的限制了空气的对流过程，所以干燥沙子堆积而成的隔热保温腔隔热效果好。且在隔热保温腔的***增加了隔热防水的材料，进一步强化了隔热保温腔的保温性能，同时避免了水对干燥沙子堆积而成的保温层的隔热保温效果的不良影响。

本发明的鹅卵石蓄热***蓄热效果好，换热面积大，换热效率高。蓄热管内的蓄热材料为不同直径的鹅卵石，其中占主导地位的是直径为1cm的小直径的鹅卵石。1cm的直径的鹅卵石相互堆积的过程会在蓄热管内形成弯曲复杂的流道，且鹅卵石颗粒的直径较小，所以相对比表面积会比较大，比表面积的增大有助于提升蓄热器的换热性能，改善换热效果。

本发明的鹅卵石蓄热***工作温度区间大，变负荷能力强，适应性好。本发明中所使用的蓄热材料为鹅卵石，鹅卵石的主要成分为二氧化硅，隔热材料而沙子，主要成分同样是二氧化硅。二氧化硅的热稳定性好，熔点达到1480摄氏度，而且不易发生反应，所以用鹅卵石做蓄热材料，干燥沙子做隔热材料可以实现很高温度的蓄热。本发明的鹅卵石蓄热***在每根蓄热管的出口处设有一个三通阀，可以根据工作的温度区间和热负荷的大小，灵活的调整串联和并联的蓄热管的根数。串联管数越多能够应对的最高温度就高使得整体的蓄热***工作的温度区间很宽，具有很强的变负荷能力。

附图说明

图1为本发明实例中所述一种具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***的主视图。

图2为本发明实例中所述一种具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***的俯视图。

图3为本发明实例中所述一种具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***7根蓄热管相连组成群组的示意图。

图4为本发明实例中所述蓄热管的结构。

图1和图2中：1为上主管道，2为上集气腔，3为上三通阀，4为蓄热管，5为隔热保温腔，6为连接管，7为下三通阀，8为下集气腔，9为下主管道。图4中41和49分别为上下隔板，42，48分别为上下滤网，43为鹅卵石蓄热段。图3中：3C1，3C2，3A1-3A6，3B1-3B6均为三通阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图4，一种具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***，包括上主管道，上集气腔，上控制阀，上连接管，蓄热管，下连接管，下控制阀，下集气腔，下主管道依次相连构成蓄热通道，以及***的隔热保温腔。

***的隔热保温腔外形呈六棱柱，隔热保温腔内竖直放置有多根蓄热管，蓄热管之间及其与隔热保温堆之间填充干燥的沙粒，隔热保温腔***包裹一层隔热防水的材料；

上主管道，上集气腔，上控制阀，蓄热管，下控制阀，下集气腔，下主管道相连组成工作介质流经的通道；蓄热管从上到下有上隔板，上滤网，鹅卵石，下滤网和下隔板这些结构；滤网由多层金属网密铺组成；隔板为圆形平板，上有多个圆柱通孔；

每根蓄热管的出口处连接一个三通阀，三通阀的另外两个接口一个与集气腔相连，另一个通过连接管道与相邻的一根蓄热管的三通阀相接；三通阀由电信号操控，使控制蓄热管的出口管道在关闭，与集气腔相连通和与连接管相连通这三个状态间转换；

连接管连接相邻的蓄热管，第一根与第二根的上端相连，第二根与第三根的下端相连，第三根与第四根的上端相连，通过这样依次连接的方式将整个保温堆内的全部热管串联。

优选的，***的隔热保温腔为内有多个贯穿的圆柱通孔的正六棱柱；通孔的布置采用交错排布的方式，相邻通孔中心间距恒定；通孔的材质为钢或其他耐高温的材料，用干燥的直径小于2mm的沙粒填充六棱柱外壁面和圆柱通孔壁面之间的区域；隔热保温腔的侧壁面及上下壁面由一层防水，保温的材料包裹。

优选的，蓄热管内的鹅卵石采用直径1cm～10cm的鹅卵石；在蓄热管内从上到下分多层，鹅卵石直径的分布规律为从大到小再到大，其中直径最小的鹅卵石分布厚度最大。

优选的，多根蓄热管之间的工作方式，由三通阀控制。蓄热时，随着工作区间和热负荷要求的不同，通过电磁阀控制蓄热管出口的连接，以串联或并联的方式将多根蓄热管相接工作。当工作温度高，热负荷小时，通过多根蓄热罐串联的方式工作，增大蓄热管的沿程长度，增大工作介质换热面积，确保出口的温度达到要求的范围。当工作温度低，但热负荷要求大时，可以通过多根蓄热管并联的方式，增大流量，降低流阻，满足大热量存储的需求。放热时，同样受需求的热量和工作区间的不同，需要合理安排蓄热管的串联和并联的连接方式，但放热时还需要合理考虑不同蓄热管的温度差异，按温度梯度合理串联相邻的蓄热器。

蓄热过程：假设空气为工作介质，在短时间的蓄热过程中，不考虑单根蓄热管达到热饱和的状态。此时，热空气从下方的主管道进入下集气腔，事先根据工作的温度区间和蓄热要求确定串联和并联的蓄热管根数，并据此调节对应三通阀的状态。由于热空气的入口在下方，出口在上方，所以蓄热管串联的根数只能为奇数根，且沿工作介质的流程，第2n-1(n>0)根蓄热管内，热空气从下向上流，第2n根蓄热管内，热空气从上向下流。最终在历经了奇数根蓄热管后，热空气从蓄热管的上方排出。集气腔采集并联工作的多根蓄热管排出的空气，最终将这些空气排入上主管道。

在长时间的蓄热过程中，则需要考虑单根热管达到热饱和的情况。这里我们以工作方式为3根蓄热管串联为例。随着蓄热过程的进行，第一根和第二根蓄热管的内鹅卵石的温度逐渐上升，当前两根蓄热管内鹅卵石的温度与热空气的温度相近时，前两根蓄热管已不再能存储更多的热量，继续接入蓄热通道只会带来流动阻力，此时需要适时的将即将达到热饱和状态的蓄热管断开连接，并重新以第3根热管下端为入口，出口处串联两根热管，重新组成3根蓄热管串联的工作方式。

放热过程：同样假设空气为工作介质，此时冷空气从上方的主管道进入集气腔，根据工作的温度区间和热负荷要求确定串联和并联的蓄热管的数量，确定对应三通阀的状态。冷空气流程按照温度从低到高的顺序依次流过串联的蓄热管被加热后排至下端的集气腔中，最终从下主管道排出。在长时间的加热过程中，需要考虑串联的多根蓄热管中，前几根热量输出殆尽的情况，此时需要断开前两根蓄热管的连接。并在第三根蓄热管后再串联两根温度逐渐递增的蓄热管。

本发明所述的实验***整体结构埋于地下，利用地下土壤进行保温，同时设计了图1，图2中所示的正六边形的隔热保温腔5，用干燥的沙子进行填充，同样起到很好的隔热保温作用。在隔热保温腔5内竖直放置有多根蓄热管4，蓄热管4内有蓄热用的鹅卵石。在空气从上向下的流动过程中，空气首先流经上主管道1，然后进入集气腔2，之后进入事先打开三通阀3对应的蓄热管4内，然后从蓄热管流出经过下三通阀7，之后进入下集气腔8最后，经下主管道9排出。本发明所述的具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***，利用鹅卵石蓄热，利用干燥沙粒进行隔热，沙石的温度适应性好，耐高温，而且都可以就地取材，廉价易得，建造成本低。干燥沙子堆积形成的介质与多孔材料类似，包裹大量的空气，隔热效果好；鹅卵石的密度和比热容较大，鹅卵石粒堆积形成的流道换热面积大，换热性能好，蓄热能力强。本发明所述的具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***可以配合储能***进行蓄热，尤其适用于偏远山区的独立储能蓄热***。

具体的，如图1，图2所示，本发明提供了一种具有变负荷能力的廉价鹅卵石蓄热***包括上下的主管道1,9，上下的集气腔2,8，上下的三通阀3,7，蓄热管4，隔热保温腔5。每根蓄热管4两端的三通阀3,7通过连接管6与相邻的蓄热管4相连接。

具体的，如图3所示，蓄热管4在通过两端的三通阀3与彼此相连接时，连接方式为：第一根蓄热管4的下端三通阀3C2与第二根蓄热管4的下端三通阀3B6相连接，第二根蓄热管4的上端三通阀3B5与第三根蓄热管4的上端三通阀3B4相连接，通过这样依次首-首，尾-尾相连接的方式将整个隔热保温腔5内的所有蓄热管4串联起来。

具体的，三通阀由电信号进行操控，控制蓄热管4在出口关闭，与集气腔3,7相通，与连接管6相通这三个状态间转换。

具体的，如图4所示，单根蓄热管内圆柱部分的两端有上下隔板41,49和上下滤网42,48。中间为鹅卵石蓄热段43。鹅卵石蓄热段43内的鹅卵石直径分布从上到下按照由大到小再到大的顺序排布。

具体的，由于鹅卵石蓄热***内部的蓄热材料为鹅卵石，热稳定性好，换热能力强，所以蓄热***的流动介质视工作区间的不同，可以是空气，导热油或其他的流体。

基于上述的实验***，本发明在蓄热过程中按照热负荷大小和工作区间温度高低的不同，蓄热***工作方式按照M*N的方式进行区分，其中N表示串联工作的蓄热管4的数量，每N根蓄热管组成一个完整通道，M表示并联的完整通道的数量：

1.在蓄热***按照M*1(M>＝1)这种方式工作时，每个完整的通道内都只含有1根蓄热管4，M根蓄热管并联工作。蓄热过程，热空气从***的下端流入下主管道9，然后进入下集气腔8内。根据工作方式M*1，事先打开M根蓄热管的下三通阀7与下集气腔8相通。进入下集气腔8的热空气经下三通阀7后进入蓄热管4的下部，在蓄热管内经下隔板49，下滤网48后进入鹅卵石蓄热段43，热空气在鹅卵石堆积形成的孔隙内流动，热量被低温的鹅卵石不断的带走，温度逐渐降低至预定温度，后经上滤网42，上隔板41，流经上三通阀3，进入上集气腔2，在上集气腔2内，对M根并联工作的蓄热管4排出的冷空气进行收集后最终排入上主管道1；

2.在蓄热***按照M*N(M>＝1,N>1)这种方式工作时，每个完整通道内包含N根蓄热管4，同时M个完整通道并连工作。蓄热过程热空气从下端进入，上端排出；放热过程冷空气从上端进入，下端排出，所以串联的蓄热管4的数量N一定为奇数。我们这里结合图1和图3，并以图3中所展示的2*3的方式展开介绍。在确定了2*3的工作方式后，我们需要调节三通阀的状态。从左往右数第一根蓄热管封闭不用，所以调节三通阀3C1,3C2处于关闭状态。从左往右数第二至第四根组成一个完整通道，第五至第七根组成一个完整的通道。以第二至第四根组成的完整通道为例，我们需要调节三通阀3B1,3B6为与集气腔相通的状态，调节三通阀3B2,3B3,3B4,3B5为与连接管相通的状态。此时，在蓄热时，热空气从第二根蓄热管4下端的三通阀3B6进入，后经第二根蓄热管上三通阀3B5进入3B4，然后进入第三根蓄热管4的上端，从上到下流经第三根蓄热管后经下三通阀3B3进入下连接管，然后进入3B2之后进入第四根蓄热管，从第四根蓄热管从下往上流动后进入上三通阀3B1，排入上集气腔2，后经上主管道1排出。

3.在确定了蓄热***的M*N的工作方式后，当蓄热***的蓄热时间足够长时，会存在蓄热***的蓄热管4需要从退出工作通道，封闭保存的情况。以图3为例，假设图中的工作方式为1*3，即左侧第二根到第四根热管串联组成完整工作通道，其余蓄热管封闭，不参与蓄热。此时，热空气从左侧第二根蓄热管4的下三通阀3B6进入，后依次流过第二根蓄热管4，上三通阀3B5，连接管6，上三通阀3B4，第三根蓄热管4，下三通阀3B3，连接管6，下三通阀3B2，第四根蓄热管4，上三通阀3B1，排入上集气腔2，经收集后进入上主管道1。经过长时间蓄热后，从左往右数第二根和第三根蓄热管6内的鹅卵石已经与蓄热温度接近，即完整工作通道内前两根蓄热管的蓄热能力接近饱和。为了减小流动阻力，增加蓄热能力，并保存已经交换的热量，此时调节三通阀3B6,3B5,3B4,3B3为关闭状态，调节下三通阀3B2与下集气腔相通，调节三通阀3B1,3A1,3A2,3A3与连接管相通，调节上三通阀3A4与上集气腔2相同，重新组成一组由3根蓄热管串联的完整工作通道。此时热空气从左侧第四根蓄热管4的下三通阀3B2进入，后依次流过第五根蓄热管4，上三通阀3B1，连接管6，上三通阀3A1，第三根蓄热管4，下三通阀3A2，连接管6，下三通阀3A3，第四根蓄热管4，上三通阀3A4，排入上集气腔2，经收集后进入上主管道1。

Claims (8)

1.一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，包括上主管道(1)、上集气腔(2)、蓄热管(4)、下集气腔(8)、连接管(6)和下主管道(9)；若干蓄热管(4)平行分布，相邻的两个蓄热管(4)之间通过连接管(6)连通，形成蓄热管簇；蓄热管簇的两端分别设置有上集气腔(2)和下集气腔(8)，上集气腔(2)和下集气腔(8)均与蓄热管簇内部连通；上集气腔(2)上设置有上主管道(1)，下集气腔(8)上设置有下主管道(9)。

2.根据权利要求1所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，每个蓄热管(4)的两端分别设置有三通阀(3)，相邻的蓄热管(4)之间连接管(6)的连接方式为：第一根蓄热管(4)的下端三通阀与第二根蓄热管(4)的下端三通阀通过连接管(6)相连接，第二根蓄热管(4)的上端三通阀与第三根蓄热管(4)的上端三通阀通过连接管(6)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，上集气腔(2)和下集气腔(8)连接到其所在位置的三通阀(3)上；上主管道(1)设置在上集气腔(2)的几何中心，下主管道(9)设置在下集气腔(8)的几何中心。

4.根据权利要求1所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，蓄热管(4)包括鹅卵石蓄热段(43)、上隔板(41)、下隔板(49)、上滤网(42)和下滤网(48)；鹅卵石蓄热段(43)为柱状密封管体，鹅卵石蓄热段(43)的内部上端自上而下设置有上隔板(41)和上滤网(42)，鹅卵石蓄热段(43)的内部下端自上而下设置有上滤网(42)和下隔板(49)；鹅卵石蓄热段(43)内填充有鹅卵石。

5.根据权利要求4所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，鹅卵石在蓄热管内从上到下，鹅卵石的直径由大到小再到大，中间直径最小部分鹅卵石的直径不小于1cm，上下两端直径最大部分，鹅卵石的直径不大于10cm。

6.根据权利要求1所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，蓄热管簇的外侧套设有隔热保温腔(5)，隔热保温腔(5)外形呈正六棱柱，圆柱状的蓄热管(4)在其中交错排布，相邻的三根蓄热管(4)分布呈等边三角形；蓄热管(4)之间的间距恒定。

7.根据权利要求6所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，蓄热管(4)之间及蓄热管与隔热保温腔(5)的外壁之间用干燥的沙子填充，沙子的直径不大于2mm。

8.根据权利要求1所述的一种具有变负荷能力的鹅卵石蓄热***，其特征在于，三通阀(3)由电信号操作，控制蓄热管(4)的出口管道在关闭，与集气腔相连通和与连接管相连通这三个状态间转换。

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