分层式单罐堆积床储热装置

技术领域

本发明涉及储能技术领域，具体地，涉及一种分层式单罐堆积床储热装置。

背景技术

堆积床是一种新型的高效紧凑的储放热装置，其结构多为在容器内部堆积填充颗粒状或球状的储热介质。储放热工况时，换热流体从堆积床的缝隙中流过，换热流体与储热介质对流以实现换热。其中，储热过程中，储热介质吸热温度升高，从而储存热量，放热过程中，储热介质放热温度下降，实现放热。堆积床可应用于工业余热回收、太阳能利用、谷电利用等领域，可为用户供热、供蒸汽、发电等。相比传统的双罐储热装置，单罐储热装置具有结构紧凑、占地小、储热密度高等优点，在热储能领域得到了越来越广泛的应用。

相关技术中，单罐堆积床储热设备是在一个单罐内自由堆积一定数量的固体球体或者装填相变材料的相变球体，利用固体球体或相变球体的显热或者潜热来储存热量。然而，这种单罐堆积床存在安装时装填小球和拆卸时取出小球的困难，且在维护检修时中更换小球不易。此外，由于所有小球堆积在一起，容易导致底层的小球容受挤压而造成破损，对系统的稳定安全造成影响，且相关技术中的单罐结构也无法考虑在换热流体方向上孔隙率的变化，换热效率低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种分层式单罐堆积床储热装置，该装置的稳定性好、可靠性高、换热效率高。

本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置，包括：

罐体，所述罐体具有安装腔，所述安装腔沿上下方向延伸，所述安装腔内适于通入换热流体，所述换热流体沿所述上下方向流动；

安装件，所述安装件为N个，N个安装件在所述安装腔内沿所述上下方向可拆卸地布置，N＞3，所述安装件具有容纳室，相邻的所述安装件的容纳室连通，所述容纳室内适于设置储热件，所述换热流体在流动的过程中经过N个所述安装件，以与N个所述容纳室内的储热件进行热交换。

本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置，可以将储热件分散在N个容纳室内，从而将储热件的总重量进行分散，避免储热件全部堆积在一起，导致安装腔底部的承重过大，出现结构变形损坏的情况，和底层的储热件受积压严重，出现破损的情况，提高了该装置的安全可靠性，N个安装件可拆卸地布置，使得储热件可以先在罐体外穿入安装件，再将N个安装件依次装入安装腔，拆卸时，先将N个安装件取出安装腔，再将安装腔内的储热件拿出，相对于传统的单罐在装填和取出储热件而言，操作更简单、方便，此外，N个容纳室内可分别装填不同的储热件，可提高换热流体与储热件进行热交换的效率。

在一些实施例中，所述安装件包括底板和侧壁，所述侧壁围绕所述底板的周向设置，所述容纳室形成在所述侧壁和所述底板围成的腔室内，所述底板上具有多个开孔，多个开孔在所述底板上间隔布置。

在一些实施例中，所述安装件还包括吊耳，所述吊耳至少为两个，至少两个所述吊耳设在所述侧壁的内壁面上，且围绕所述侧壁的周向间隔布置，所述吊耳邻近所述侧壁的上端。

在一些实施例中，所述安装件具有卡槽，所述卡槽形成在所述侧壁的下端，所述卡槽由所述侧壁的下端朝向所述底板的中心轴线凹陷形成，所述底板的横截面积小于所述侧壁所围成的横截面积，所述卡槽与相邻的所述安装件的侧壁的上端卡接。

在一些实施例中，所述侧壁的上端在所述上下方向上凸出所述吊耳的尺寸与所述卡槽在所述上下方向上的尺寸相同。

在一些实施例中，所述安装件呈圆柱状，所述安装件的外壁面与所述安装腔的内壁面接触。

在一些实施例中，所述分层式单罐堆积床储热装置还包括保温组件，所述保温组件包括保温件和外壳，所述保温件包裹在所述罐体的外壁面，所述外壳包裹在所述保温件的外壁面。

在一些实施例中，所述罐体包括沿所述上下方向依次布置且连通的第一部分、中间部分和第二部分，所述安装腔形成在所述中间部分，所述第一部分具有第一腔室和第一开口，所述第一开口位于所述第一部分的顶部且与所述第一腔室连通，所述第二部分具有第二腔室和第二开口，所述第二开口位于所述第二部分的底部且与所述第一腔室连通，所述第一腔室和所述第二腔室与所述安装腔连通。

在一些实施例中，所述第一腔室的横截面积从所述第一部分的顶部到所述第一部分的底部逐渐增大，所述第二腔室的横截面积从所述第二部分的顶部到所述第二部分的底部逐渐减小。

在一些实施例中，所述分层式单罐堆积床储热装置还包括均流器、第一管道和第二管道，所述均流器设在所述第一腔室内且位于所述第一腔室的底部，所述第一管道与所述第一开口连通，所述第二管道与所述第二开口连通。

附图说明

图1是根据本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置的整体示意图。

图2是根据本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置采用不同孔隙率堆积的固体显热储热材料储热的方案示意图。

图3是根据本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置采用不同孔隙率堆积的固体显热-潜热储热材料复合储热的方案示意图。

图4是根据本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置的安装件的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置的安装件的俯视图。

附图标记：1、罐体；11、第一部分；111、第一腔室；112、第一开口；12、中间部分；121、安装腔；13、第二部分；131、第二腔室；132、第二开口；14、凸台；15、第一法兰；16、第二法兰；2、安装件；21、底板；211、开孔；22、侧壁；23、容纳室；24、吊耳；25、卡槽；3、储热件；31、固体显热储热材料；32、相变储热材料；33、换热流体通道；4、保温组件；41、保温件；42、外壳；5、均流器；51、穿孔；61、第一管道；62、第二管道；71、第三法兰；72、第四法兰。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-5所示，本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置包括罐体1和安装件2。罐体1具有安装腔121，安装腔121沿上下方向(如图1所示)延伸，安装腔121内适于通入换热流体，换热流体沿上下方向流动。

安装件2为N个，N个安装件2在安装腔121内沿上下方向可拆卸地布置，N＞3，安装件2具有容纳室23，相邻的安装件2的容纳室23连通，容纳室23内适于设置储热件3，换热流体在流动的过程中经过N个安装件2，以与N个容纳室23内的储热件3进行热交换。

本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置，设置N个安装件2，可以将储热件3分散在N个容纳室23内，从而将储热件3的总重量进行分散，避免储热件3全部堆积在一起，导致安装腔121底部的承重过大，出现结构变形损坏的情况，还可避免底层的储热件3受积压严重，出现破损的情况，提高了该装置的安全可靠性。

N个安装件2可拆卸地布置，使得储热件3可以先在罐体1外装入安装件2，再将N个安装件2依次装入安装腔121，拆卸时，先将N个安装件2取出安装腔121，再将安装腔121内的储热件3拿出，相对于传统的单罐在装填和取出储热件3而言，操作更简单、方便。此外，N个容纳室23内可分别装填不同的储热件3，提高换热流体与储热件3进行热交换的效率。

由此，本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置的这种结构形式既保留了外部罐体1的整体性，结构简单且安全可靠，又在内部通过分层的结构实现了安装和拆卸的便利性，以及储热件3堆积形式的多变性。这种分层结构使得多个安装件2沿上下方向可以采用不同的储热件3，且每层容纳室23内的储热件3的大小、材料均可根据需求调整，也可采用不同的堆积方式，实现沿换热流体流动方向孔隙率的变化，通过合理的设计可实现增大储热容量、节省储热件3、提高储热效率和提升储放热性能。此外，本发明的这种设计可以使得底层的储热件3不至于因为长时间挤压及频繁的变温工况引起的热疲劳造成破损，从而提高该装置的安全可靠性。

具体地，储热件3为固体显热储热材料31或相变储热材料32，可实现储换热一体化。换热流体可以是水、熔盐、导热油等。

在一些实施例中，如图2所示为采用不同孔隙率堆积的固体显热储热方案示意图，在安装腔121上部的容纳室23内装填直径相对较小的固体显热储热材料31，或采用更密集的堆积方式堆积，最终实现更小的孔隙率，从而使得上部高温储热件3的用量增大，增大了储热容量，进而提升了储热效率，固体显热储热材料31之间形成换热流体通道33，换热流体在换热流体通道33内流动，并与固体显热储热材料31进行换热。同时，在安装腔121下部的容纳室23内装填直径相对较大的固体显热储热材料31，或采用更大的孔隙率堆积，可一定程度节约储热材料用量，降低成本。在实际布置时可根据具体的储热要求设计合理的储热件3大小、分层方式等，主要原则是沿竖直向下方向有孔隙率下降的趋势，则储热性能更优。

如图3所示为采用不同相同孔隙率堆积的固体显热-潜热复合储热方案，在安装腔121上部的容纳室23内装填储热密度更大的相变储热材料32，相变储热材料32可以是金属材料等包裹着相变材料制成的储热球等，这样相同体积的储热材料可以储存更多的热量，提升储热效率，而安装腔121下部的容纳室23内装填储热密度相对较小的固体储热材料，实际布置时可根据具体的储热要求设计合理的储热材料材质和大小、分层方式等，主要原则是储热密度大的应该位于更上层。根据实际情况这两种储热方案可以根据相同原则进行不同的组合设计，以寻求最佳的储放热效率。由此，通过合理的设计可有效地提升该装置的储放热性能。

在一些实施例中，本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置可应用在谷电利用、光热发电、余热回收等领域，还可以工业供蒸汽、民用供热，应用前景广泛。

在一些实施例中，安装件2包括底板21和侧壁22，侧壁22围绕底板21的周向设置，容纳室23形成在侧壁22和底板21围成的腔室内，底板21上具有多个开孔211，多个开孔211在底板21上间隔布置，使得换热流体可在相邻的容纳室23内流动。

具体地，安装件2的结构简单，且N个安装件2的结构一样，使得安装件2可批量定制生产加工，从而提高安装件2的生产效率，降低加工制造成本。

在一些实施例中，安装件2还包括吊耳24，吊耳24至少为两个，至少两个吊耳24设在侧壁22的内壁面上，且围绕侧壁22的周向间隔布置，吊耳24邻近侧壁22的上端。

具体地，吊耳24为四个，四个吊耳24围绕侧壁22的周向间隔布置。安装件2在安装腔121内安装时，可通过吊耳24对安装件2进行吊装，从而便于安装件2在安装腔121内的安装和拆卸，还便于定期对容纳室23内的储热件3进行检修和更换。

在一些实施例中，安装件2具有卡槽25，卡槽25形成在侧壁22的下端，卡槽25由侧壁22的下端朝向底板21的中心轴线凹陷形成，底板21的横截面积小于侧壁22所围成的横截面积，卡槽25与相邻的安装件2的侧壁22的上端卡接。

具体地，多个安装件2沿上下方向安装时，位于上方的安装件2的卡槽25卡在位于下方的安装件2的侧壁22的上端，实现了相邻的安装件2之间的可拆卸地连接，还使得位于上方的安装件2不易落入位于下方的安装件2的容纳室23内，实现了相邻的安装件2的分层安装，且安装方式简单。

在一些实施例中，安装腔121的底部的内壁面上设有凸台14，凸台14与安装件2的卡槽25配合，使得位于底层的安装件2可安装凸台14上。

在一些实施例中，侧壁22的上端在上下方向上凸出吊耳24的尺寸与卡槽25在上下方向上的尺寸相同，使得多个安装件2沿上下方向安装时，位于下方的安装件2的吊耳24可对位于上方的安装件2的底板21进行支撑，进一步地提高安装件2安装的稳固性。

在一些实施例中，安装件2呈圆柱状，安装件2的外壁面与安装腔121的内壁面接触。具体地，底板21呈圆形，侧壁22围绕底板21的周向设置，使得安装件2整体呈圆柱状。安装腔121也呈圆柱状，且侧壁22的外壁面与安装腔121的内壁面适配，使得安装件2在安装腔121内安装的牢固，不易晃动。

在一些实施例中，分层式单罐堆积床储热装置还包括保温组件4，保温组件4包括保温件41和外壳42，保温件41包裹在罐体1的外壁面，外壳42包裹在保温件41的外壁面。

具体地，保温件41为保温棉，保温棉的导热系数低，可有效地降低罐内的储热件3通过罐体1的壁面向外界传递热量，从而提高该装置的储热效率。外壳42包裹在保温件41外，使得保温件41在罐体1上安装牢固。

在一些实施例中，罐体1包括沿上下方向依次布置且连通的第一部分11、中间部分12和第二部分13，安装腔121形成在中间部分12，第一部分11具有第一腔室111和第一开口112，第一开口112位于第一部分11的顶部且与第一腔室111连通，第二部分13具有第二腔室131和第二开口132，第二开口132位于第二部分13的底部且与第一腔室111连通，第一腔室111和第二腔室131与安装腔121连通。

具体地，罐体1还包括第一法兰15和第二法兰16，第一法兰15设在第一部分11的下端和中间部分12的上端之间，以连接第一法兰15的下端和中间部分12的上端，第二法兰16设在中间部分12的下端和第二法兰16的上端，以连接中间部分12的下端和第二法兰16的上端，使得第一部分11、中间部分12和第二部分13之间的连接方式简单且牢固。

具体地，罐体1的材质为耐高温不锈钢材质，且中间部分12呈圆柱状，使得罐体1的结构稳定，可避免因频繁储放热产生的热应力疲劳导致罐体1的变形或损害。

在一些实施例中，第一腔室111的横截面积从第一部分11的顶部到第一部分11的底部逐渐增大，第二腔室131的横截面积从第二部分13的顶部到第二部分13的底部逐渐减小。具体地，第一部分11和第二部分13呈锥形，第一腔室111的底部的横截面积和第二腔室131的顶部的横截面积与安装腔121的横截面相同。

在一些实施例中，分层式单罐堆积床储热装置还包括均流器5、第一管道61和第二管道62，均流器5设在第一腔室111内且位于第一腔室111的底部，第一管道61与第一开口112连通，第二管道62与第二开口132连通。

具体地，均流器5的外周面与第一腔室111的底部的内壁面连接，均流器5上设有多个间隔布置的穿孔51，以使从第一开口112通入第一腔室111内的换热流体流入安装腔121时，可沿罐体1的径向相对均匀的分布，减小沿罐体1径向分布的储热件3的温差，保证储热件3和换热流体沿罐体1径向温度分布的均匀性。

分层式单罐堆积床储热装置还包括第三法兰71和第四法兰72。第三法兰71与第一管道61的上端连通，第一管道61的下端与第一开口112连通，第四法兰72与第二管道62的下端连通，第二管道62的上端与第二开口132连通。通过第三法兰71和第四法兰72使第一管道61和第二管道62与外部管路连通，以使换热流体可通过第一管道61和第二管道62进出该装置。

具体地，储热时，换热流体通过第一管道61和第一腔室111进入安装腔121，通过第二腔室131和第二管道62流出安装腔121。放热时，换热流体通过第二管道62和第二腔室131进入安装腔121，通过第一腔室111和第一管道61流出安装腔121。

具体地，本发明实施例的分层式单罐堆积床储热装置在储热工况时，高温换热流体从第一开口112流入第一腔室111，再通过均流器5进入安装腔121内并先与上部的容纳室23内的储热件3进行换热，因此储热时位于安装腔121上部的储热件3的温度高于位于安装腔121下部的储热件3的温度，且沿换热流体流动方向呈现温度逐渐下降的趋势。

在放热工况时，安装腔121内部的储热件3都处于高温状态，低温换热流体从第二开口132流入第二腔室131，再从第二腔室131流入安装腔121内并先与底部的储热件3进行换热，优先带走底部储热件3的热量，因此放热时安装腔121下部储热件3的温度低于安装腔121上部储热件3的温度，且沿换热流体流动方向呈现温度逐渐增大的趋势。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。