流化床热交换器和方法与流程

本发明主要涉及一种用于热能积累和传递的装置、系统和方法。具体地，本发明使用基于可流化固体颗粒床的热能积累装置。

背景技术：

1、基于固体颗粒的流体床或可流化床的热能积累和传递装置在本领域中是已知的。

2、在上述系统中，热交换器浸没在颗粒床中。此类交换器可以基于例如由工作流体如蒸汽或co2穿过的管束。

3、在其最简单的配置中，颗粒床可以假设为等温的，即假设为其中每个以及任何颗粒具有相同温度的物质。由于整个流化床内的高热扩散率，这种假设是可以接受的。在这些条件下，热能以固体颗粒的显热形式储存在床中，由下式给出

4、q＝m*cp*δt[1]

5、其中：

6、q是流体床中储存的热能；

7、m是床内颗粒的总质量；

8、cp是颗粒的比热容；

9、δt是固体颗粒温度的差值(tmax-tmin)，其中tmin和tmax分别是热交换过程中床内颗粒的最低和最高工作温度。

10、鉴于此，当床已经充有热能时，即当它已经被加热时，这些能量可以通过浸没在床中的所述热交换器释放到传热流体(htf)，例如蒸汽、co2、超临界co2等。

11、当然，在htf中产生的温度总是低于床层温度并且可以调节(例如通过所谓的蒸汽减温器)以满足使用所需的条件。

12、为了更好地理解，图1至图3的图表显示了在假设tmin为350℃，tmax为620℃，蒸汽产生时间为6小时的情况下，床体(例如由沙粒制成)和传热流体(例如蒸汽)的可能温度趋势。

13、具体地，图1显示了蒸汽温度随着固体颗粒温度的降低而不断降低，图2显示的蒸汽生成曲线在前两个小时为500℃，然后随着固体颗粒温度的降低而降低，而图3显示整个期间的蒸汽生成恒定为300℃。

14、需要注意的是，以上图表显示在所有情况下，至少在一段时间间隔内，htf是在低于流化床最低温度的温度下生成的(在所示的示例中，tmin＝350℃)。

15、换句话说，对于其中需要htf在例如恒定500℃的应用，上面显示的解决方案无法适用，除非颗粒的最低温度增加到500℃以上(例如在530℃)。

16、然而，tmin的这种增加将对蓄热容量具有严重的负面影响，因为固体颗粒的工作δt将显著降低。继续上面的例子，δt将从(620-350)℃＝270℃减少到(620-530)℃＝90℃，这意味着如果必须在500℃而不是300℃下产生蒸汽，蓄热容量将减少1/3。

17、理论上，可以通过增加流化床最高温度(tmax)来弥补这种差距，但是这种增加可能是不可行的(和/或不经济的)，特别是因为制造热交换器的材料的工作限制的。再参考上面的例子，为了持续产生500℃的蒸汽，采用530℃的流化床最低温度(tmin)，并保持相同的蓄热容量，则流化床的最高温度应该从620℃提高到800℃(即530+δt＝530+270＝800℃)，这对于热交换器材料的限制可能是不实际的。

18、当在较高温度(例如500℃)生成蒸汽时，保持相同蓄热容量的另一种可能对策是增加固体颗粒的质量，但是同样，这将涉及更大的模块(在示例中，三倍大)，成本显著增加。

19、上述考虑在htf是超临界co2的情况下尤为重要，目前预计超临界co2可以驱动具有估计热电效率高达50％的涡轮机，前提是超临界co2以温度超过700℃(和超过200bar的压力)的方式传递到涡轮机。

20、在这些情况下，流化床应该在非常高的温度范围内工作(例如，从730℃到1000℃)，这即使对于固体颗粒是可能的，也由于上述材料限制而对于浸入式热交换器不可行，或者导致其使用寿命太短。

21、因此，需要基于流化颗粒床的装置、系统和方法，允许以更有效的方式积累和交换热能，特别是在某些应用领域。

技术实现思路

1、因此，本发明提出并解决的技术问题是提供一种基于固体颗粒流化床的热量储存和传递结构，从而能够克服上述关于已知技术的一个或多个缺点或关键问题。

2、本发明的一个目的是提供一种用于以热形式积累和传递能量的装置、设备、系统和/或方法，其尤其在保证持续产生高温传热流体以提供电能或热能提供给最终用户方面特别有效。

3、根据另一个方面，本发明旨在克服一些与热能储存器的传热机制本质地关联的性能限制，该热能储存器由配备有热交换器的暴露于热能源的固体颗粒流化床制成，该热交换器浸没在该流化床中。

4、上述目的通过根据权利要求1的设备和根据权利要求13的方法实现。

5、在从属权利要求中叙述了本发明的优选特征。

6、本发明基于一种装置，该装置允许在流化固体颗粒床中以热形式积累能量，并同时或延迟地将积累的能量转移到工作流体中。

7、本发明的配置允许基于最终用户的需要有效且灵活地使用输出能量。有利的是，积累的能量可以转化为电能或直接以热能形式使用，甚至可以在工业应用(chp，热电联产厂)中结合使用这两种形式。

8、本发明适用于所谓的“聚光太阳能”配置，其中通过阳光将热能充入存储床，即通过直接或间接照射在其上的太阳辐射，例如通过或不通过装置(例如位于床和太阳能/辐射之间的透明屏障)经过一次或多次反射或再照射后。

9、与其他基于固体颗粒的聚光太阳能解决方案相比，基于流化床技术的太阳能接收器/蓄热装置提供了缓冲时间来加热颗粒，能够更好地保证对固体颗粒温度的控制，以获得更高的性能和操作安全性。此功能在输入到接收器设备的太阳能突然瞬变时尤为重要，例如云的突然出现/消失，或者处理白天太阳辐射变化的任何时候：固体颗粒流化床的工作原理就像一个热飞轮，其具有出色的传热性能、高的热容量和均匀的温度场，并且能够吸收热冲击，这不仅是由于固体颗粒的耐温性，还得益于流化固体颗粒的连续混合，其提供了高热扩散率、暴露在聚集的阳光下的材料的连续更新和足够的停留时间以使颗粒达到使用所需的温度水平。

10、本发明还适用于一种配置，其中热敏电阻或热等效装置浸没在颗粒流化床中或与颗粒流化床热连接，即床内的热能充注是通过焦耳效应(从而通过电力)、通过热传热流体、通过废热，或它们的组合。具体地，床加热装置可以使用低成本电能，例如来自可再生能源，特别是风能或光伏能，或残余热能，即来自工业过程的热废料。

11、本发明还适用于混合解决方案，其中将热能充入床是通过不同能源的组合发生的，例如太阳光、电力、传热流体、废热或其他。

12、本发明的附加优点、特征和使用模式将从以下一些实施例的详细描述中变得明显，这些实施例以示例的方式而不是出于限制目的公开。

技术特征：

1.一种用于热能积累和传递的设备(100)，包含：

2.根据权利要求1所述的设备(100)，其特征在于，所述能量充注装置(1)被配置为通过太阳辐射加热所述床颗粒，所述太阳辐射通过或不通过位于其间的屏障装置直接或间接地照射在所述床颗粒上。

3.根据权利要求1或2所述的设备(100)，其特征在于，所述能量充注装置(1)被配置为通过电装置加热所述床颗粒，特别是通过一个或多个浸入颗粒床或与所述颗粒床热连接并通过焦耳效应加热所述床颗粒的电阻器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，包含设置在所述能量充注装置(1)或每个能量充注装置(1)下游或集成在其中的热槽(2)，所述热槽(2)配置为所述向量质量的存储容器且置于所述能量充注装置(1)或其暴露在所述能量源中的一部分与所述热交换装置(3)之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，包含设置在所述热交换装置(3)下游的冷槽(4)，所述冷槽(4)配置为所述向量质量的存储容器且置于所述热交换装置(3)与所述运输装置(5)的一部分之间，以将所述向量质量运回所述能量充注装置(1)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100’)，其特征在于，所述或每个能量充注装置(1)、所述热槽(2)、所述热交换装置(3)和/或所述冷槽(4)具有塔式布置，其中所述一个或多个能量充注装置(1)位于顶部且其他元件位于其下方。

7.根据权利要求5或6所述的设备(100)，其特征在于，所述冷槽(4)相对于所述或每个能量充注装置(1)、所述热槽(2)和/或所述热交换装置(3)横向布置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100”’)，其特征在于，包括多个热能充注装置(11-14)，每个热能充注装置具有容纳在外壳内的相应的固体颗粒的流化床，所述热能充注装置通过暴露于热能源充当蓄热装置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100”’)，其特征在于，包括多个热能充注装置(11-14)共用的热交换装置(300)和/或冷槽(400)，并且被配置为选择性地由所述充注装置的一个或多个相应的向量质量供料。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100’)，其特征在于，所述热交换装置(3)配置为以蒸汽、co2或超临界co2作为工作流体工作。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(100)，其特征在于，所述运输装置(5)包含一个或多个机械输送机(51、52)，优选地带式输送机，和/或一个或多个升降装置。

12.一种用于热能积累和传递的系统，包含多个设备(101、102)，每个设备根据前述权利要求中的任一项所述，所述多个设备相对于所述工作流体的流动平行布置。

13.一种用于以热形式积累和传递能量的方法，包含以下步骤：

14.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述能源为太阳能。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述能源是电能源，例如来自可再生能源的电能，或是余热能源，例如来自其他工厂的热废料。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，所述工作流体为蒸汽、co2或超临界co2。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，热能量充注步骤与热交换步骤同时进行。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述热交换步骤相对于任何热能量充注步骤推迟进行。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至12中任一项所述的设备或系统。

技术总结
一种用于热能积累和传递的设备(100)，包括：热能充注装置(1)，其具有容纳在外壳内的固体颗粒的流化床，并且通过暴露于热能源用作蓄热装置；以逆流交换运作的热交换装置(3)，其用于在床颗粒的已加热向量质量和工作流体之间交换热能；运输装置(5)，配置用于将床颗粒的向量质量从装置(1)供给到热交换装置(3)并且用于使向量质量的至少一部分从热交换装置(3)的下游返回至装置(1)；控制单元(10)，其与参数检测装置(6)相关联。

技术研发人员：马里奥·马伽蒂,富尔维奥·巴塞蒂
受保护的技术使用者：马迦迪动力股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14