本實用新型涉及一種強化換熱結構，特別是涉及一種高溫鐵基蓄熱裝置中的強化換熱結構以及具有該結構的高溫蓄熱裝置。

背景技術：

太陽光通過匯聚生產的熱能具有間歇性，若需要根據生產或生活的需要使用，就必須將其高效、可靠、經濟的存儲。高效是指存儲過程快捷、方便，在存儲和重新使用過程中熱能損失小，可靠是指熱能存儲的裝置結構簡單、運行穩定、安全，經濟是指熱能存儲裝置的投資、運行成本低。

常規熱電廠由于其發電及供熱每日負荷波動大，夜晚低負荷時容易導致脫硝等環保設施無法投運，過低的負荷下需要投油穩定燃燒，嚴重影響生產經濟性。

蓄熱方式很多，目前太陽能熱發電領域高溫蓄熱的主流技術是利用熔鹽進行蓄熱。熔鹽為兩種或兩種以上無機鹽按比例的混合物，該混合物在特定溫度下會熔化，被規模化利用并得到長周期驗證的熔鹽為硝酸鈉與硝酸鉀按照6：4的比例混合物，加熱到220℃時即開始熔化。蓄熱過程是在熔鹽熔化后將其再加熱升溫，利用其升溫的顯熱進行熱能存儲，在蒸汽生產時利用熔鹽溫降放熱加熱水或蒸汽，整個過程是在熔鹽的熔化狀態下完成的。該技術的優點是可利用熔鹽的流動性及熔鹽良好的導熱性能在不同的換熱器間進行熱傳遞，其局限性也是顯而易見的，安全使用溫度必須高于250℃，系統保溫要求高、熱損失大。為防止凝固，在涉及熔鹽的管路、閥門、換熱器等環節必須附加電伴熱。限制了使用的靈活性。同時驅動熔鹽流動的熔鹽泵使用條件苛刻，國內無法生產，且使用的安全性、可靠性、壽命無法保障。由于熔鹽的溫度下限為250℃，該溫度以下的熱能無法利用，極大的限制了其有效蓄熱量。當無外部加熱的時間，例如夜晚、或陰天，維持系統的高溫必須耗費大量的額外的電能，因此該系統的整體運行成本高，嚴重影響其經濟性。同時熔鹽及復雜的蓄熱系統的成本高昂，大幅度增加了發電系統的建設投資。當然有些熔鹽的腐蝕性也會對系統壽命及安全造成影響。

目前熔鹽材料技術得到較大的發展，使得熔鹽利用的溫度空間得到有效拓寬，但熔鹽蓄熱系統的構架是一致的。其安全使用溫度仍高于100℃，高溫運行需借助熔鹽泵，無法根本解決熔鹽蓄熱所面臨的上述問題。

此前的所有太陽能光熱技術均無法直接生產高溫蒸汽，利用熔鹽蓄熱都是在間接生產蒸汽的方式下采用的，即需要熔鹽直接光照加熱或與非水介質換熱后實現蓄熱，再通過熔鹽與水介質換熱實現熔鹽的放熱。蓄熱方式最終目的都是再次生產蒸汽，蒸汽是熱能傳遞、使用最好的介質，比如常規電站、核電站及各種工業熱利用。在此條件下，熔鹽是最好的蓄熱方式，也是無奈的選擇。

本申請人申請的實用新型專利201510288209.7有效的解決了上述問題，通過使用鐵基粉末空隙填充熔鹽的蓄熱介質，并結合其合理的換熱結構設計，提高了蓄熱效率；簡化了蓄熱裝置；運行可靠、方便、安全；裝置成本低廉；運行及維護成本較低。

但該實用新型在換熱的經濟性方面與液體(水)—蒸汽換熱器相比有較大的差距，表現在該蓄熱裝置內填充的蓄熱介質與金屬換熱器間的位置相對固定，以熱傳導的方式進行熱傳遞，而液體(水)—蒸汽換熱器以熱傳導加對流換熱的方式進行熱傳遞，后者的等效導熱系數是前者的十多倍到數十倍。要保證蓄熱裝置與液體(水)—蒸汽換熱器換熱相似，就需等效大幅度增加換熱面積或大幅度減少蒸汽流量。雖然蓄熱裝置相較液體(水)—蒸汽換熱器換熱面積大很多，但該蓄熱裝置在參與換熱的面積大幅度增加的同步增加了換熱介質，導致蓄熱裝置的冗余熱大幅度增加，對蓄熱裝置的經濟性及運行的靈活性帶來了極大的影響。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是能夠提高蓄熱裝置的蓄熱換熱能力，并且改善蓄熱裝置的使用靈活性和蓄熱裝置的成本的強化換熱結構。

本實用新型解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種高溫蓄熱裝置的強化換熱結構，其特征在于：包括封閉的容器，所述容器的頂部連通有至少一根吹氣管道和至少一根抽氣管道，至少一根管道豎向插入至容器的底部，所述容器的周壁能夠從外向內滲透高溫下呈液體的無機蓄熱材料并且隔離其他固體蓄熱材料。

為了更好的吸入高溫下呈液體的無機蓄熱材料和將無機蓄熱材料從管道頂部排出，所述管道的頂部設有單向閥，當容器為負壓吸入時該單向閥處于關閉狀態，當容器為正壓吹氣時所述單向閥打開使得高溫下呈液體的無機蓄熱材料能夠從管道的頂部向外輸送。

為了節省成本簡化結構，所述至少一根吹氣管道和至少一根抽氣管道為至少一根氣壓管道，通過所述氣壓管道能夠對容器進行抽真空和吹氣處理。

優選地，所述容器的周壁至少部分表面為滲透表面，該滲透表面能夠滲透高溫下呈液體的無機蓄熱材料并且隔離其他固體蓄熱材料。

優選地，所述滲透表面為兩層，一層為具有孔洞的固定層，另一層為濾網層。

具上述強化換熱結構的高溫蓄熱裝置，包括金屬箱體以及位于金屬箱體內的多層上下水平間隔設置的換熱管，所述金屬箱體內包圍所述換熱管填充有蓄熱介質，所述蓄熱介質包括固體蓄熱材料和高溫下呈液體的無機蓄熱材料，其特征在于：所述容器位于所述金屬箱體的底部，所述管道的頂部延伸至金屬箱體的頂部位于蓄熱介質的上方，所述吹氣管道和抽氣管道的另一端均伸出位于金屬箱體外側。

優選地，所述固體蓄熱材料包括至少兩種以上固體鐵基材料組成的混合物，所述無機蓄熱材料為熔鹽和/或導熱油。

優選地，所述至少兩種以上固體鐵基材料組成的混合物為鐵礦石粉末與碎鐵塊或者鐵礦石粉末與碎鐵粉末。

為了均勻換熱，每一層的換熱管為蛇形管，沿金屬箱體的水平方向來回設置，并且相鄰層的換熱管在垂直方向上的投影交錯設置。

為了防止固體蓄熱材料壓壞換熱管，所述金屬箱體內多層換熱管之間設有水平間隔設置的鐵板，所述鐵板與金屬箱體固定，并且鐵板上設有多個間隔分布的通孔供蓄熱介質的流動以及管道的通過。

與現有技術相比，本實用新型的優點在于該強化換熱結構以及具有該結構的高溫蓄熱裝置，能夠將高溫下呈液體的無機蓄熱材料不斷地上下循環，能夠極大地提升換熱管與蓄熱介質的換熱強度和換熱效果。并且大大提高了蓄熱裝置的蓄熱能力，也提高了蓄熱轉換效率，并且降低了成本，具有明顯的經濟效益和社會效益，應用到能源領域節能減排特點十分突出前景廣闊。

附圖說明

圖1為具有本實用新型實施例的強化換熱結構的高溫蓄熱裝置的示意圖。

圖2為具有本實用新型實施例的強化換熱結構的高溫蓄熱裝置的俯視示意圖。

圖3為具有本實用新型實施例的強化換熱結構的高溫蓄熱裝置的另一方向的示意圖。

圖4為本實用新型實施例的強化換熱結構中的容器的滲透表面結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。

如圖1-3所示，為具有本實用新型實施例的強化換熱結構的高溫蓄熱裝置的示意圖，該高溫蓄熱裝置利用蒸汽和水作為流動換熱介質，進行儲熱和放熱。也可以是本申請人的在先申請，申請號為201410310238.4的基礎上所用的高溫蓄熱裝置，在先申請201410310238.4能夠利用太陽能的熱能，直接將水轉換成蒸汽，因此，本實用新型實施例中的高溫蓄熱裝置，可以利用于上述申請的太陽能光熱系統中。

如圖1-3所示，本實用新型的高溫蓄熱裝置包括中空的金屬箱體1，位于金屬箱體1內的多層上下水平間隔設置的換熱管2，以及包圍所述換熱管2填充金屬箱體1的蓄熱介質3，該蓄熱介質3填滿整個金屬箱體1的內部空間。該每層的換熱管2均為蛇形管，即沿金屬箱體1的水平方向延伸來回彎曲設置，并且相鄰層的換熱管在垂直方向上的投影交錯設置，使得金屬箱體1內的蓄熱介質3加熱更加均勻。每層的換熱管2采用彈性懸吊方式定位在金屬箱體1內，這樣的設置使得換熱管能夠充分并且較大面積地與蓄熱介質3接觸。該蓄熱介質3包括固體蓄熱材料，該固體蓄熱材料為包括至少兩種鐵基材料的混合物，優選地，該混合物為鐵礦石粉末與碎鐵塊或粉末按比例混合的混合物，優選地，該鐵礦石粉末與碎鐵塊或粉末的重量比例為2:1-3:1，也可以采用其他鐵金屬塊或者粉末，只要其具有較高的蓄熱性能即可，也可以在鐵基材料的混合物的基礎上添加其他金屬碎塊或粉末，優選地，為了加強換熱，可以添加少量的石墨和/或鋁。并且該蓄熱介質3還包括高溫下呈液體的無機蓄熱材料，例如熔鹽和/或導熱油，熔鹽和導熱油可以填充所有固體縫隙，極大地降低熱阻，而且大幅度增加換熱面積，能夠實現高效換熱，大幅度降低換熱溫度端差。

該金屬箱體1兩端分別設有連接管4，連接管4的下方插入至蓄熱介質3中上方露出于所述金屬箱體1，并且連接管4分別連接至每一層的換熱管2。優選地，該兩側的連接管為多根，如圖1所示。該金屬箱體1的兩端的連接管分別連接至位于金屬箱體1的兩端上方的蒸汽分聯箱和凝結水分聯箱，并且分別通過蒸汽分聯箱和凝結水分分聯箱連接至外界的管道。

該高溫蓄熱裝置蓄熱時的工作原理為：由鍋爐加熱或者太陽能集熱裝置產生的高溫蒸汽經外界換熱管進入蒸汽分聯箱，通過蒸汽分聯箱將蒸汽分導入金屬箱體1內的換熱管2，換熱管2將熱量傳遞到蓄熱介質3，蓄熱介質3被加熱，同時換熱管2內的蒸汽得到逐步冷卻，直至凝結變為凝結水，凝結水在凝結水分聯箱匯聚，最終通過外界連接的水箱連接至外界的管道，或者可以通過外界的管道再次進入鍋爐加熱裝置或者太陽能集熱裝置，再次形成蒸汽，完成循環，此時，蓄熱介質3被加熱的同時存儲熱能。

該高溫蓄熱裝置放熱的工作原理是：高壓水經外界的水管通過凝結水分聯箱導入，被分到多層的換熱管2中，水被蓄熱介質3加熱升溫、汽化，蒸汽被進一步加熱變成高溫過熱蒸汽，進入蒸汽分聯箱匯聚，最終由蒸汽分聯箱導入至外界的管道，導入至熱能利用設備，熱能利用設備的凝結水可通過外界的管道再次通過水泵導入至凝結水分聯箱完成循環，此時，蓄熱介質3被冷卻的同時釋放熱能。

優選地，由于蓄熱介質主要為固體的鐵基材料，因此在蓄熱和放熱的過程中會出現熱脹冷縮，導致蓄熱介質3的局部塌陷而引起換熱管2局部受力過大，導致損壞或者工作不安全，因此，在金屬箱體1內，在多層的換熱管2之間，設有多塊水平上下間隔設置的鐵板7，該鐵板7與金屬箱體1之間相互固定，可以是直接固定連接或者通過支撐件固定連接，并且鐵板7上設有多個均勻間隔分布的通孔，供蓄熱介質3的流動以及連接管4和管道62通過。該金屬箱體1的外側設有外部保溫層8，優選地，該保溫層8為硅酸鋁和/或氣凝膠。

并且該高溫蓄熱裝置內設有強化換熱結構，該強化換熱結構包括延伸位于金屬箱體1的底部的至少一個容器5，該容器5的周壁封閉，并且其周壁能夠從外向內滲透蓄熱介質3中的高溫下呈液體的無機蓄熱材料，即該無機蓄熱材料能夠滲透入容器5內，但是蓄熱介質3中的固體蓄熱材料被隔離在容器5內。容器5的頂部連通有連通至金屬箱體1外界的吹氣管道以及抽氣管道，該吹氣管道用于對容器5進行吹氣加壓，該抽氣管道用于將容器5內進行抽真空的處理。可以是如圖3所示，該容器5的頂部連接一氣壓管道61，該氣壓管道61連通至金屬箱體1的外側，該氣壓管道61同時為抽氣管道和吹氣管道，同時起到抽氣成真空和吹氣加壓的作用。

該容器5內還插入設有至少一根管道62，該管道62插入至容器5的底部，并且該管道62從容器5的頂部向上延伸，并且其頂部延伸伸出位于金屬箱體1內的蓄熱介質3的上方。因此，當通過抽氣管道對容器5進行抽真空處理時，蓄熱介質3中的無機蓄熱材料能夠快速滲透入容器5內，而當通過吹氣管道對容器5進行加壓時，容器5內的無機蓄熱材料能夠通過管道62向上從管道62的頂部噴出位于蓄熱介質3的頂部。以此使得蓄熱介質3內的無機蓄熱材料能夠在金屬箱體1內進行上下的循環，進而能夠實現更好地換熱蓄熱，提高換熱蓄熱的效率。

并且該管道62的頂部設有一單向閥63，該單向閥63使得無機蓄熱材料僅能從管道62向外排出。當容器5為負壓吸入時該單向閥63處于關閉狀態，當容器5為正壓吹氣時所述單向閥63打開使得高溫下呈液體的無機蓄熱材料能夠從管道62的頂部向外輸送。

該容器5可以為沿金屬箱體1的底面平行延伸有多個，或者也可以是呈矩陣狀分布有多個，也可以是其他排布方式，例如彼此錯開均勻設置，或者不均勻設置均可。并且該容器5連接有至少一根管道62，使得容器5內的底部各處的無機蓄熱材料能夠通過上述方式被運送至蓄熱介質3的頂部，實現熱能的均勻循環。

如圖4所示，該容器5中至少部分表面為滲透表面，該滲透表面可以滲透無機蓄熱材料和隔離固體蓄熱材料，該容器5的滲透表面的結構為兩層，一層為具有孔洞51的固體層52，另一層為濾網層53，該濾網層53位于固體層52的外側，也可以是兩層的位置互換，只要能夠實現其滲透無機蓄熱材料和隔離固體蓄熱材料的功能即可。

該強化換熱結構能夠將高溫下呈液體的無機蓄熱材料不斷地上下循環，能夠極大地提升換熱管2與蓄熱介質3的換熱強度和換熱效果。并且大大提高了蓄熱裝置的蓄熱能力，也提高了蓄熱轉換效率，并且降低了成本，具有明顯的經濟效益和社會效益，應用到能源領域節能減排特點十分突出前景廣闊。

盡管以上詳細地描述了本實用新型的優選實施例，但是應該清楚地理解，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。