CN113175835A - 一种利用热管的炉渣余热蓄热装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用热管的炉渣余热蓄热装置及其方法，该装置利用热管强化相变蓄热器吸热和放热的过程，而且利用热管作为蓄热器的开关，实现余热回收利用的目的。该装置包括蓄热器本体、第一高温热管组、第二高温热管组、热管头部保护套等。该装置有三种工作状态，分别是吸热状态、蓄热状态和放热状态。吸热状态时，蓄热器倒置，利用热管从余热源吸热；蓄热状态时，热管中的介质在头部凝固，正立放置；放热状态时，仅高温热管二工作，蓄热器中的热量通过热管向上端传递。该装置不仅可以有效吸收炉渣余热，而且利用热管实现蓄热器高效吸热放热。

Description

一种利用热管的炉渣余热蓄热装置及其方法
技术领域
本发明属于余热利用及新能源技术领域，具体涉及一种利用热管的炉渣余热蓄热装置及其方法。
背景技术
锅炉的热损失主要包括排烟热损失、散热损失、化学不完全燃烧损失、机械不完全燃烧损失、排污热损失以及灰渣物理热损失等。灰渣物理热损失就是锅炉排出的灰渣，还具有较高的温度，它所携带的物理显热。从锅炉中排出的灰渣仍有很高的温度(800-900℃)。这部分热量尚未在锅炉上加以利用因而造成损失。因此在锅炉排渣和出灰时，应尽可能降低飞灰和渣的温度，减少物理显热，降低灰渣物理热损失。
相变储热相较于显热储热，有以下优点：储热和释热过程近似等温，温控方便；储热密度较高，约为显热储热***的1.5-2倍。但目前相变蓄热存在释热困难的问题，本发明创造性地利用热管强化相变材料的导热过程。
因此，本发明利用热管吸收炉膛余热的蓄热装置，不仅可以回收炉渣余热，而且可以利用余热实现能源的梯级利用。
发明内容
本发明公开了一种利用炉渣余热蓄热的温差发电装置及其发电方法，旨在回收炉渣余热实现能源梯级利用。
本发明公开了一种利用热管的炉渣余热蓄热装置，其包括蓄热器本体、第一高温热管组、第二高温热管组和保护套；
所述蓄热器本体内填充有相变材料，所述第一高温热管组由若干第一热管排列组成，第二高温热管组由若干第二热管排列组成；第一热管和第二热管均竖向排列，其尾端均设置在所述蓄热器本体内部与相变材料接触，头端均位于蓄热器本体外部；所述第一高温热管组的工作温度高于相变材料的相变温度，所述第一高温热管组的工作温度低于所述相变材料的相变温度；
所述保护套上设有若干导热热管套，导热热管套的数量、分布形式和尺寸均与位于蓄热器本体外部的热管的数量、分布形式和尺寸相匹配，保护套与蓄热器本体可拆卸连接。
进一步的，所述的蓄热器本体的外壳为绝热外壳。
进一步的，所述的第一高温热管组和第二高温热管组位于蓄热器本体内的部分的外壁上设有针肋，增大与相变材料的接触面积。
进一步的，相变材料的相变温度在650-750℃；第一热管的工作温度比相变材料的相变温度高40-80℃，第二热管的工作温度比相变材料的相变温度低40-80℃。
进一步的，所述的第一热管和第二热管交叉排列，或者分别排列在蓄热器本体(1)的不同区块。
进一步的，所述第一热管内的介质为钠、钾或铿；第二热管内的介质为钠、钾或铿。
进一步的，所述的相变材料为氯化物、碳酸盐。
本发明进一步公开了所述余热蓄热装置的蓄热方法：
蓄热时，首先在第一热管和第二热管裸露在蓄热器本体外部的头部戴上保护套，蓄热器整体翻转倒置，将第一热管和第二热管的头部伸入炉渣中，保护套保持热管洁净不受破坏，第一热管和第二热管内的工质由于重力原因都流向热管头部，工质受到炉渣余热加热后变成饱和蒸汽，向蓄热器内部的热管尾端放热，相变材料吸收热管尾端的热量，并融化蓄热；
完全融化后的蓄热器以倒置方式移出炉渣，此时，热管内工质在头部，蓄热器内的相变材料无法向热管内工质传热，因而热管处于不工作状态，不会对外散热；
放热时，蓄热器正置，先用外部热源加热融化热管内的工质，融化后的工质受重力影响流向尾部，由于高温热管一的工作温度高于相变材料的温度，所以高温热管一并不工作，高温热管二中的工质受相变材料加热变成饱和蒸汽进入热管头部，一方面持续加热未融工质，另一方面持续输出稳定热源。
本发明还公开了一种基于所述余热蓄热装置的温差发电装置，其包括所述余热蓄热装置，以及冷水池、热电偶、逆变器和变压器；
所述第二高温热管组的热管头端设置所述热电偶的热端，热电偶的热端通过并联的导线与热电偶的冷端相连；热电偶的冷端置于冷水池中；同时热电偶热端与冷端又分别与逆变器的正负极输入端相连，逆变器与变压器相连。
与现有技术相比，本发明利用相变材料吸收炉膛余热用于发电调峰，不仅可以回收炉渣余热，提高燃料利用率，而且创新性地将热管于蓄热器结合起来；存储的余热可以在需要使用时随时取用，可以用于调峰，可以进行异地运输，非常便捷。存储的余热在后续应用时通过热管释放，可获得高温、高效且稳定的热源。
本发明通过对蓄热器主体的正置和倒置来实现相变材料的蓄热和放热；相变材料与热管配合工作，热管分别两类，一类是工作温度高于相变温度的第一热管，一类是工作温度低于相变温度的第二热管。当蓄热器主体正立放置时，第一热管不工作，第二热管工作，此时热管下端是蒸发段，上端是冷凝段；当蓄热器主体倒立放置时，第一热管和第二热管均工作，下端是蒸发段，上端在蓄热器内，是冷凝段。本发明巧妙的利用该方式实现了炉渣余热的回收利用。
本发明还可进一步利用温差发电实现调峰目的，可以简化调峰过程，减少值守人员工作量，降低危险，利用温差发电将蓄热器储存的余热热能直接转变为电能，减少了灰渣物理热损失，使余热能进一步的利用范围更加广泛，提高了能源利用率。
附图说明
图1为装置整体示意图；
图2为蓄热器主体示意图；
图3为蓄热器热管排布俯视图；
图4为热管头部保护套示意图。
图中，蓄热器本体1、第一高温热管组2、第二高温热管组3、保护套4、针肋5、保温层或绝热外壳6、冷水池7、逆变器8、变压器9。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，为一种利用炉渣余热蓄热的温差发电装置的实施例，包括蓄热器本体1、第一高温热管组2、第二高温热管组3和保护套4；
所述蓄热器本体1内填充有相变材料，所述第一高温热管组2由多干第一热管排列组成，第二高温热管组3由多个第二热管排列组成；第一热管和第二热管均竖向排列，其尾端均设置在所述蓄热器本体1内部与相变材料接触，头端均位于蓄热器本体1外部；所述第一高温热管组2的工作温度高于相变材料的相变温度，所述第一高温热管组2的工作温度低于所述相变材料的相变温度；
如图3所示，所述保护套上设有多个导热热管套，导热热管套的数量、分布形式和尺寸均与位于蓄热器本体外部的热管的数量、分布形式和尺寸相匹配，导热热管套可选择耐高温的金属或陶瓷材料。保护套除导热热管套外的其它部分对是否导热关系不大，建议选择耐高温的绝热材料。保护套与蓄热器本体1可拆卸连接，或者保护套设计为具有足够容纳蓄热器本体的空间，从而在蓄热阶段，将蓄热器本体导致后，直接套设在保护套内。
在本发明的一个优选方案中，所述第一热管和第二热管内的介质可以选择为液体金属，如钠、钾或铿等；所述的相变材料为氯化物、碳酸盐等高温熔融盐，例如氯化镁、氢氧化锂和氟化锂的混合盐、Na2CO3-BaCO3/MgO。为了匹配炉渣余热的温度，相变材料的相变温度建议在650-750℃；第一热管的工作温度建议比相变材料的相变温度高40-80℃，第二热管的工作温度建议比相变材料的相变温度低40-80℃。在本发明的一个具体实施例中，通过材料的选择，控制高温热管一的工作温度在750℃左右，相变材料的相变温度在700℃左右，高温热管二的工作温度在650℃左右。热管本身具有非常好的传热效率，在该实施的材料工况下，余热蓄热装置无论是在蓄热阶段还是放热阶段都具有非常高的效率。
所述的蓄热器本体的外壳为绝热外壳或设置有保温层6。所述的第一高温热管组2和第二高温热管组位于蓄热器本体内的部分的外壁上设有针肋5，增大与相变材料的接触面积。
如图2所示，在本发明的一个具体实施例中，所述的第一热管组和第二热管组交分别排列在蓄热器本体1的不同区块。
所述保护套仅在蓄热阶段与蓄热器外壳整体相连，倒置时蓄热器和保护套与支撑架相连。
蓄热时，首先在热管头部戴上保护套，蓄热器整体利用翻转装置(翻转装置能固定住保护套和蓄热器本体)倒置，热管头部伸入炉渣中，保护套可以保持热管洁净不受破坏。热管内的工质由于重力原因都流向热管头部，受到炉渣余热加热后变成饱和蒸汽，向蓄热器内部的热管尾部放热，热管尾部设有针肋，强化热管向相变材料散热。完全融化后的蓄热器以倒置方式移出炉渣。此时，热管内工质在头部，蓄热器内的相变材料无法向热管内工质传热，因而热管处于不工作状态，不会对外散热，可以进行蓄热
热管中的介质在常温环境中还可以逐渐冷却凝固，完全凝固后，工质会附着在热管头部因而即使正置时也不会掉落。
需要应用蓄热器内的热量时，蓄热器以正立方式放置。放热时，蓄热器正置，先用外部热源加热融化热管内的工质，融化后的工质受重力影响流向尾部，由于高温热管一的工作温度高于相变材料的温度，所以第一热管并不工作，第二热管中的工质受相变材料加热变成饱和蒸汽进入热管头部，一方面持续加热未融工质，另一方面持续输出稳定热源。
本发明的炉渣余热蓄热装置存储的余热可以在需要使用时随时取用，可以用于调峰，可以进行异地运输，非常便捷，存储的余热在后续应用时通过热管释放，可获得高温、高效且稳定的热源。例如可以加热空气、水蒸气等介质，高温空气可以用于十二醇硫酸钠喷雾干燥、高岭土喷雾干燥等场合；高温水蒸气可以用于汽轮机等场合；本发明还可以作为朗肯循环的热源。
如图4所示，为本发明炉渣余热蓄热装置的一种应用，其是利用炉渣余热蓄热的温差发电装置。其包括余热蓄热装置1，以及冷水池7、热电偶、逆变器8和变压器9；
所述第二高温热管组3的热管头端设置所述热电偶的热端，热电偶的热端通过并联的导线与热电偶的冷端相连；热电偶的冷端置于冷水池中；同时热电偶热端与冷端又分别与逆变器的正负极输入端相连，逆变器与变压器相连。
所述冷端是可以与热电偶在不同温度条件下产生热电势的金属，冷端工作时应浸入冷水池。所述冷端和热电偶均是以并联方式与逆变器相连。
所述冷水池是足够大的常温水池；常温是指与环境温度一致，排除受蓄热器或其他可能存在的热源影响；足够大是指水池能保持相对恒定，不会由于导线导热而升温。
发电时，将蓄热器本体正置，取下保护套，第一热管和第二热管内的工质受重力影响流向尾部(若工质已经凝固，则先加热使其融化)，由于第一热管的工作温度高于相变材料的温度，所以第一热管组在此时并不工作第二热管中的工质受相变材料加热变成饱和蒸汽进入第二热管的头部；第二热管组上的热电偶热端贴片包裹住第二热管头部；热电偶热端贴片处于稳定的热端，热电偶负极金属则置于冷水池中，此时冷热两端产生稳定的热电势，可以恒定的产生直流电，直流电经过逆变器转化为交流电，再经过变压器进行升压；每个第二热管的热电偶贴片及其冷端都以并联方式与逆变器相连，调峰时只需增减热电偶对。
以上所述，仅是本发明的一个实施案例，并未对本发明做任何形式上的限制，虽然本实施案例只是相对较好的方案之一，在不脱离本发明结构技术方案范围内，可适当利用本发明中的结构或内容做出适当的优化，或修饰为等同变化效果的等效实施方案。但凡未脱离本发明中的结构技术方案内容，依据本发明的技术实质对上述案例进行简单的修改、优化，等同变化与修饰，均属本发明方案技术范围内。

Claims (9)

1.一种利用热管的炉渣余热蓄热装置，其特征在于，包括蓄热器本体(1)、第一高温热管组(2)、第二高温热管组(3)和保护套(4)；
所述蓄热器本体(1)内填充有相变材料，所述第一高温热管组(2)由若干第一热管排列组成，第二高温热管组(3)由若干第二热管排列组成；第一热管和第二热管均竖向排列，其尾端均设置在所述蓄热器本体(1)内部与相变材料接触，头端均位于蓄热器本体(1)外部；所述第一高温热管组(2)的工作温度高于相变材料的相变温度，所述第一高温热管组(2)的工作温度低于所述相变材料的相变温度；
所述保护套上设有若干导热热管套，导热热管套的数量、分布形式和尺寸均与位于蓄热器本体外部的热管的数量、分布形式和尺寸相匹配，保护套与蓄热器本体(1)可拆卸连接。
2.如权利要求1所述的利用热管的炉渣余热蓄热装置，其特征在于所述的蓄热器本体的外壳为绝热外壳。
3.如权利要求1所述的利用热管的炉渣余热蓄热装置，其特征在于所述的第一高温热管组(2)和第二高温热管组位于蓄热器本体内的部分的外壁上设有针肋，增大与相变材料的接触面积。
4.如权利要求1所述的利用热管的炉渣余热蓄热装置，其特征在于，相变材料的相变温度在650-750℃；第一热管的工作温度比相变材料的相变温度高40-80℃，第二热管的工作温度比相变材料的相变温度低40-80℃。
5.如权利要求1所述的利用热管的炉渣余热蓄热装置，其特征在于，所述的第一热管和第二热管交叉排列，或者分别排列在蓄热器本体(1)的不同区块。
6.如权利要求1所述的利用热管的炉渣余热蓄热装置，其特征在于，所述第一热管内的介质为钠、钾或铿；第二热管内的介质为钠、钾或铿。
7.如权利要求1所述的利用炉渣余热蓄热的温差发电装置，其特征在于，所述的相变材料为氯化物、碳酸盐。
8.一种如权利要求1-7任一项所述余热蓄热装置的蓄热方法，其特征在于：
蓄热时，首先在第一热管和第二热管裸露在蓄热器本体外部的头部戴上保护套，蓄热器整体翻转倒置，将第一热管和第二热管的头部伸入炉渣中，保护套保持热管洁净不受破坏，第一热管和第二热管内的工质由于重力原因都流向热管头部，工质受到炉渣余热加热后变成饱和蒸汽，向蓄热器内部的热管尾端放热，相变材料吸收热管尾端的热量，并融化蓄热；
完全融化后的蓄热器以倒置方式移出炉渣，此时，热管内工质在头部，蓄热器内的相变材料无法向热管内工质传热，因而热管处于不工作状态，不会对外散热；
放热时，蓄热器正置，先用外部热源加热融化热管内的工质，融化后的工质受重力影响流向尾部，由于高温热管一的工作温度高于相变材料的温度，所以高温热管一并不工作，高温热管二中的工质受相变材料加热变成饱和蒸汽进入热管头部，一方面持续加热未融工质，另一方面持续输出稳定热源。
9.一种基于权利要求1-7任一项所述余热蓄热装置的温差发电装置，其特征在于包括权利要求1-7任一项所述余热蓄热装置，以及冷水池(7)、热电偶、逆变器(8)和变压器(9)；
所述第二高温热管组(3)的热管头端设置所述热电偶的热端，热电偶的热端通过并联的导线与热电偶的冷端相连；热电偶的冷端置于冷水池中；同时热电偶热端与冷端又分别与逆变器的正负极输入端相连，逆变器与变压器相连。
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