一种固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统的制作方法

1.本发明属于颗粒储热领域，尤其涉及一种固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统。


背景技术：

2.风电、光伏等可再生能源受限于光照、风力等自然条件，其发电能力随时间波动很大，而储能技术可以消纳间歇性、不稳定的可再生能源，为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，有效提升传统电力系统的灵活性、经济性和安全性，同时，储能是分布式电力及区域微能网的撑基础，也是能源互联网的核心基础。因此，发展大规模储能技术是能源体系转型、能源高质量发展的关键环节。
3.传统的熔盐储能技术采用二元熔盐作为储热介质，而熔盐在温度过低或过高时存在凝固或分解的风险，既影响系统的安全运行，又限制了可利用温差，影响系统效率；此外还存在熔盐价格居高不下、大型熔盐储罐泄露事故频发等问题。为提高储热系统效率，降低储热成本，提高储热系统的安全性，研究新型储热技术尤为重要。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供了一种固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统，采用固体颗粒作为储热介质，大幅降低了储热系统的成本，提高了储热温度和利用温差，同时在换热时将颗粒分散在液体中，保留了液体介质高效的换热能力。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
6.一种固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统，包括高温颗粒储罐、低温颗粒储罐、高温液体储罐、低温液体储罐、颗粒分散器、固液分离器、换热器以及颗粒加热装置，
7.所述高温颗粒储罐的出口、所述高温液体储罐的出口均与所述颗粒分散器的进口连通，固体颗粒介质分散在液体介质中形成固液两相流，所述颗粒分散器内的固液两相流流经所述换热器的高温侧，进入所述固液分离器；
8.所述固液分离器用于分离固体颗粒介质和液体介质，分离后的固体颗粒介质进入所述低温颗粒储罐，液体介质进入所述低温液体储罐，所述低温颗粒储罐连通所述颗粒加热装置进口，所述加热装置的出口连通所述高温颗粒储罐；所述低温液体储罐内的低温液体介质流经所述换热器的低温侧，进入高温液体储罐。
9.本发明一实施方式，所述固体颗粒储换热系统还包括热泵，所述固液分离器流出的液体介质经过所述热泵的低温侧，进入所述低温液体储罐，所述换热器低温侧流出的液体经过所述热泵的高温侧，进入所述高温液体储罐。
10.本发明一实施方式，所述低温颗粒储罐和所述颗粒加热装置之间设置颗粒提升装置。
11.本发明一实施方式，所述换热器为液-液换热器。
12.本发明一实施方式，所述固体储热颗粒为陶瓷颗粒、碳化硅颗粒、石英砂颗粒、橄
榄石颗粒或钢渣颗粒中的任意一种或其混合。
13.本发明一实施方式，所述液体介质为液态金属、熔盐。
14.本发明一实施方式，所述高温颗粒储罐与所述颗粒分散器连通的管道上设置第一调节阀，所述颗粒分散器与所述换热器连通的管道上设置第一增压泵。
15.本发明一实施方式，所述高温液体储罐与所述颗粒分散器连通的管道上设置第二调节阀和第二增压泵。
16.本发明一实施方式，所述固液分离器与所述热泵连通的管道上设置第三增压泵。
17.本发明一实施方式，所述低温液体储罐与所述换热器连通的管道上设置第三调节阀和第四增压泵。
18.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
19.本发明将高温固体颗粒介质与高温液体介质在颗粒分散器内混合形成固液两相流，通过换热器将热量传递给液体侧流经的低温液体介质，换热器高温侧固液两相中含有固体颗粒，由于固体颗粒与换热器壁面的碰撞反而可以进一步提高换热器的换热能力；而吸热后的高温液体大部分进入发电系统发电或进入供热系统供热，剩余部分进入高温液体储罐作为高温颗粒的分散剂。因此；换热后的固液两相流经固液分离器进行固液分离，分离后的低温液体进入低温液体储罐进行下一轮的循环，低温固体颗粒进入低温颗粒储罐。本发明采用固体颗粒作为储换热的介质，利用温差提高换热效率，降低储热系统成本。
20.同时系统需要在发电或供热时运行，液体介质作为换热介质只需维持换热器正常运行即可，因此系统中的液体用量相对较少，液体储罐相对于固体颗粒储罐的规模小很多，也降低了储热系统的成本。
21.进一步，通过将固体颗粒分散在液体中形成固液两相流后再换热，换热器高温侧流经固液两相流，低温侧流经液体，可选用普通的液-液换热器，大幅提升了颗粒作为储热介质的换热性能，提高换热系统的换热效率，降低换热系统成本。
附图说明
22.图1为本发明实施例1的固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统流程示意图。
23.附图标记说明：1-高温颗粒储罐；2-第一调节阀；3-颗粒分散器；4-第一增压泵；5-换热器；6-固液分离器；7-低温颗粒储罐；8-颗粒提升装置；9-颗粒加热装置；10-高温液体储罐；11-第二调节阀；12-第二增压泵；13-热泵；14-低温液体储罐；15-第三调节阀；16-第三增压泵；17-第四增压泵。
具体实施方式
24.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
25.参看图1，一种固体与液体混合换热的固体颗粒储换热系统，应用于太阳能光热发电领域，液体介质为熔盐，例如氯化盐或碳酸盐，当然液体介质也可以为液态金属，包括液态纯金属和液态合金，例如液态纯金属例如液态钠，液态合金例如液体铅锂合金。其中的固体颗粒储换热系统包括高温颗粒储罐1、低温颗粒储罐7、高温液体储罐10、低温液体储罐
14、颗粒分散器3、固液分离器6、换热器5以及颗粒加热装置9，
26.颗粒分散器3的进口分别与高温颗粒储罐1的出口、高温液体储罐10的出口通过管道连通，固体颗粒分散在液体中形成固液两相流，颗粒分散器3中固体颗粒的体积分散率为15％-30％，颗粒分散器3内的固液两相流流经换热器5的高温侧，进入固液分离器6；
27.固液分离器6用于分离固体颗粒介质和液体介质，分离后的固体颗粒介质进入低温颗粒储罐7，液体介质进入低温液体储罐14，低温颗粒储罐7连通颗粒加热装置9进口，加热装置的出口连通高温颗粒储罐1；低温液体储罐14内的低温液体介质流经换热器5的低温侧，进入高温液体储罐10。
28.在需要发电或供热时，高温颗粒储罐1内的高温颗粒和高温液体分别进入颗粒分散器3内，固体颗粒分散在液体中形成固液两相流，固液两相流流入换热器5的高温侧释放热量，换热后的固液两相流进入固液分离器6中，分离后的低温液体进入低温液体储罐14，低温颗粒进入低温颗粒储罐7内，低温颗粒储罐7内的低温颗粒经颗粒加热装置9加热后进入高温颗粒储罐1。
29.低温液体储罐14内的低温液体流入换热器5低温侧吸收热量升温，升温后的高温液体进入发电系统发电或者进入供热系统供热，剩余部分进入高温液体储罐10作为高温颗粒的分散剂。
30.因此，本实施例一方面采用固体颗粒作为储换热介质，固体颗粒相对于液体熔盐储存成本降低，通过将颗粒分散在液体中形成两相流后再换热，解决了颗粒本身换热性能差的问题，进一步固液两相流与低温液体换热，使得换热过程为传统的液-液换热，大幅提升了颗粒作为储热介质的换热性能，提高换热系统的换热效率，换热器5可采用普通的液-液换热器5，进一步降低换热系统成本。
31.同时，换热器5高温侧固液两相流中含有固体颗粒，由于固体颗粒与换热器5壁面的碰撞反而可以进一步提高换热器5的换热能力。
32.另一方面，在现有技术中，液体熔盐的凝固点在低于295摄氏度，在高于565摄氏度会发生分解，可利用的温差有限。而在本发明中，可以将固体颗粒加热到很高的温度，增大换热器中固液两相流与液体熔盐的换热温差，增大系统的换热效率。
33.固体颗粒储换热系统还包括热泵13，固液分离器6流出的液体介质经过热泵13的低温侧，进入低温液体储罐14，换热器5低温侧流出的液体经过热泵13的高温侧，进入高温液体储罐10。
34.由于换热器5总是存在换热温差，因此换热后的液体温度与储罐内的液体温度不一致，固液分离器6分离后的低温液体温度略高于低温液体储罐14内的设计温度，而被加热后的高温液体温度略低于高温液体储罐10内的液体温度，为了使得换热后的液体温度恢复液体储罐的设计温度，防止在循环过程中系统进出口参数不断变化，通过热泵13将分离后低温液体的部分热量传递给高温液体，从而使得液体温度与液体储罐内的温度保持一致，也就是低温液体与低温液体储罐14内的温度保持一致，高温液体与高温液体储罐10内的温度保持一致。
35.颗粒加热装置9可以为吸热器，吸热器可以为太阳能光热发电系统中的吸热器，吸热器周围是定日镜场，固体颗粒在吸热器内被太阳能辐射加热，颗粒加热装置9也可以为电加热器。
36.低温颗粒储罐7和颗粒加热装置9之间设置颗粒提升装置8，低温颗粒储罐7内的低温颗粒经颗粒提升装置8提升至吸热器内被太阳能辐射。
37.高温颗粒储罐1与颗粒分散器3连通的管道上设置第一调节阀2，颗粒分散器3与换热器5连通的管道上设置第一增压泵4。
38.高温液体储罐10与颗粒分散器3连通的管道上设置第二调节阀11和第二增压泵12。
39.固液分离器6与热泵13连通的管道上设置第三增压泵16。
40.低温液体储罐14与换热器5连通的管道上设置第三调节阀15和第四增压泵17。
41.当储换热系统需要发电或供热时，第一调节阀2打开，换热系统启动，高温颗粒储罐1内的高温颗粒在颗粒分散器3中分散在来自高温液体储罐10中的高温液体中形成高温固液两相流，随后高温固液两相流在第一增压泵4的作用下进入换热器5高温侧，与来自低温液体储罐14中的低温液体换热，换热后的低温固液两相流进入固液分离器6中重新分离为低温固体颗粒和低温液体，低温液体进入热泵13的低温液体侧进一步释放热量，随后进入低温液体储罐14进行下一轮的循环；低温固体颗粒进入低温颗粒储罐7内，白天低温颗粒储罐7内低温颗粒经颗粒提升装置8提升至吸热器内，吸收来自定日镜场的太阳能辐射，被加热后的高温固体颗粒随后进入高温颗粒储罐1内存储。
42.而经换热器5换热后低温液体吸热升温，升温后的高温液体进入热泵13的高温液体侧进一步吸收热量，随后大部分高温液体进入发电系统发电或者进入供热系统供热，剩余部分进入高温液体储罐10作为高温颗粒的分散剂，因此液体介质至在系统需要发电或供热时运行，液体作为换热介质其储量只需维持换热器正常运行即可，因此系统中的液体用量相对较少，液体储罐相对与固体颗粒储罐规模很小。
43.高温固体颗粒与高温液体储罐10内的高温液体可以温度相同，也可以高温颗粒的温度略高于高温液体的温度。固体颗粒应具备良好的耐高温性能，在高温下化学性质稳定、且价格便宜，其形状可以是球形，也可以是椭球或其它形状，优选的固体颗粒有陶瓷颗粒、碳化硅颗粒、石英砂颗粒、橄榄石颗粒或钢渣颗粒。
44.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明做出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。