用于加热熔盐的装置和方法与流程

本发明涉及熔盐加热领域，更具体地涉及使用电极加热熔盐的装置和方法。

背景技术：

熔盐是一种流动性极好的传热和储热介质，具有蒸汽压低、适用温度范围宽、化学性质稳定、热容量大、不燃烧、廉价易制取等特点，在储热领域尤其是中高温储热领域有着广泛的应用前景。

目前熔盐电加热多是采用电热棒通过热传导的间接方式加热，电热丝的工作温度越高使用寿命越短，电热丝与外套管之间的绝缘越好传热就越差，所以不利于在熔盐的高温大功率电加热中应用。

电极式加热方法是电流直接通过熔盐产生热，熔盐自身就是发热体，不存在间接加热带来的问题，但由于熔盐具有很高的电导率，以往的电极加热技术手段都无法将电极表面的电流密度控制在一个合理的范围内，难以避免电极材料的腐蚀和熔盐电解。

公开于本发明背景部分的信息仅仅旨在增强对本发明的一般背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种使用电极加热熔盐的装置和方法。本发明能够成功解决在任意电压下的各种离子导体中实现电极低电流密度工作的技术的难题，不仅适用于熔盐电极式加热，也适用于其他具有流动性的离子导体的电极式加热，利用本发明可以设计制造适用于各种电压范围的各种功率大小的熔盐电加热设备。

为达到上述目的，本发明提供一种用于加热熔盐的装置，其包括：盐液箱；至少一组熔盐电极，每组熔盐电极包括多个熔盐电极箱，多个熔盐电极箱设置在比盐液箱高的位置；至少一组进电极绝缘管道，每组进电极绝缘管道中管道的数量与每组熔盐电极中多个熔盐电极箱的数量相同，进电极绝缘管道的第一端流体连通至多个熔盐电极箱中相应的一个熔盐电极箱，进电极绝缘管道的第二端流体连通至连接管道，以使得熔盐能够流动通过进电极绝缘管道；至少一组出电极绝缘管道，每组出电极绝缘管道中管道的数量与每组熔盐电极中多个熔盐电极箱的数量相同，出电极绝缘管道的第一端流体连通至多个熔盐电极箱中相应的一个熔盐电极箱；出电极绝缘管道的第二端流体连通至盐液箱，以使得熔盐能够流动通过出电极绝缘管道；至少一个连接管道，所述连接管道的数量等于进电极绝缘管道的组的数量，连接管道的第一端流体连通至进电极绝缘管道的第二端，连接管道的第二端流体连通至盐液箱；至少一个熔盐循环泵，所述熔盐循环泵设置在连接管道中，并用于将盐液箱中的熔盐泵送到熔盐电极箱；以及电源装置，其包括多相交流电并且多相交流电的相数与多个熔盐电极箱的数量相同，电源装置的多相交流电的每一相电连接至多个熔盐电极箱中相应的一个熔盐电极箱。

在上述的用于加热熔盐的装置中，每组熔盐电极的多个熔盐电极箱为三个，多相交流电为三相交流电，每组进电极绝缘管道包括三条进电极绝缘管道，每组出电极绝缘管道包括三条出电极绝缘管道。

在上述的用于加热熔盐的装置中，每组进电极绝缘管道中各个管道内流动的熔盐产生电阻值相同的第一电阻值电阻，每组出电极绝缘管道中各个管道内流动的熔盐产生电阻值相同的第二电阻值电阻。

在上述的用于加热熔盐的装置中，进电极绝缘管道与水平面呈特定夹角设置，每组进电极绝缘管道中的各个管道相对于水平面的夹角是相同的，每组进电极绝缘管道中的各个管道的长度是相同的，并且每组进电极绝缘管道中的各个管道的流通截面积是相同的，以保证每组进电极绝缘管道的各个管道的流量是相同的；出电极绝缘管道与水平面呈特定夹角设置，每组出电极绝缘管道中的各个管道相对于水平面的夹角是相同的，每组出电极绝缘管道中的各个管道的长度是相同的，并且每组出电极绝缘管道中的各个管道的流通截面积是相同的，以保证每组出电极绝缘管道的各个管道的流量是相同的。

在上述的用于加热熔盐的装置中，熔盐电极箱采用耐腐蚀、耐高温金属材料制成具有特定内表面积的容器，并具有进电极绝缘管道连接端口和出电极绝缘管道连接端口，进电极绝缘管道的第一端流体连通至相应的熔盐电极箱的进电极绝缘管道连接端口，出电极绝缘管道的第一端流体连通至相应的熔盐电极箱的出电极绝缘管道连接端口；并且熔盐电极箱外壁连接有导电铜排。

根据本发明的用于加热熔盐的装置，其进一步包括：至少一个预加热器，其设置在盐液箱中，用于加热盐液箱中的盐；以及控制器，其电连接至预加热器、电源装置和熔盐循环泵，以控制预加热器的开启或关闭、电源装置的供电或断电以及熔盐循环泵的转速。

本发明进一步提供一种用于加热熔盐的方法，其使用根据上述的用于加热熔盐的装置，所述方法包括以下步骤：使用预加热器加热盐液箱中的盐，并将盐加热到能够流动的熔融状态；待盐处于能够流动的熔融状态后，关闭预加热器；使用熔盐循环泵将盐液箱中的熔盐通过连接管道和进电极绝缘管道泵送到熔盐电极箱，并控制熔盐循环泵的转速，使得进入熔盐电极箱中的熔盐的量多于从熔盐电极箱中通过出电极绝缘管道流走的熔盐的量；待熔盐通过连接管道和进电极绝缘管道进入熔盐电极箱后，开启电源装置以供电，从而加热熔盐；待熔盐电极箱中的熔盐达到预定液位高度时，控制熔盐循环泵的转速，使得进入熔盐电极箱中的熔盐的量等于从熔盐电极箱中通过出电极绝缘管道流走的熔盐的量。

通过上述的各个示例性实施方案，利用本发明的优点是：可以根据任意电源电压和加热功率设计绝缘管道和熔盐电极，组成适用的熔盐加热装置。本发明的电极式加热熔盐的装置和方法采用熔盐自身为发热体，无热传导损失，也没有电热丝干烧风险，唯一运动部件是熔盐循环泵，一旦泵停止运行加热也随之停止。最重要的是本发明成功解决了在任意工作电压下各种高电导率离子导体中实现电极低电流密度工作的技术难题。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施方案的用于加热熔盐的装置的示意图。

图2是根据本发明的另一示例性实施方案的用于加热熔盐的装置的示意图。

应当理解的是，附图并非按比例地绘制，而是展示了稍微简化后呈现的说明本发明的基本原理的各种特征。在本发明的附图中，相同的附图标记表示本发明的相同的或等同的部分。

具体实施方式

下面将详细地参考本发明的各种实施方案，这些实施方案的示例显示在附图中并且描述如下。尽管将结合本发明的示例性实施方案来描述本发明，但是将理解的是，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施方案。正相反，本发明旨在不但覆盖本发明的示例性实施方案，而且覆盖包括在如所附权利要求所定义的本发明的精神和范围之内的各种替代形式、修改形式、等效形式以及其它实施方案。

下文中，本发明的各种示例性实施方案将参考附图更具体地描述。

图1示出了根据本发明的示例性实施方案的用于加热熔盐的装置100，其可以包括：

盐液箱10，其由耐高温、耐腐蚀材料制成并接地；

至少一组熔盐电极20，每组熔盐电极20包括多个熔盐电极箱，所述多个熔盐电极箱设置在比盐液箱10高的位置；

至少一组进电极绝缘管道30，每组进电极绝缘管道中管道的数量与每组熔盐电极中多个熔盐电极箱的数量相同，进电极绝缘管道30的第一端(靠上的一端)流体连通至多个熔盐电极箱中相应的一个熔盐电极箱，进电极绝缘管道30的第二端(靠下的一端)流体连通至连接管道12，以使得熔盐可以流动通过进电极绝缘管道30；

至少一组出电极绝缘管道40，每组出电极绝缘管道中管道的数量与每组熔盐电极中多个熔盐电极箱的数量相同，出电极绝缘管道40的第一端(靠上的一端)流体连通至多个熔盐电极箱中相应的一个熔盐电极箱，出电极绝缘管道40的第二端(靠下的一端)流体连通至盐液箱10，以使得熔盐可以流动通过出电极绝缘管道40；

至少一个预加热器11，其设置在盐液箱10中，以对盐液箱中的盐进行预加热；

至少一个连接管道12，连接管道12的数量等于进电极绝缘管道的组的数量，连接管道12的第一端流体连通至进电极绝缘管道30的第二端，连接管道12的第二端流体连通至盐液箱10，以将相应的进电极绝缘管道30流体连通至盐液箱10；

至少一个熔盐循环泵13，其设置在连接管道12中，并用于将盐液箱10中的熔盐泵送到熔盐电极箱20；

电源装置50，其包括多相交流电并且多相交流电的相数与多个熔盐电极箱的数量相同，电源装置50的多相交流电的每一相电连接至多个熔盐电极箱中相应的一个熔盐电极箱；以及

控制器60，其电连接至预加热器11、电源装置50和熔盐循环泵13，以控制预加热器11的开启或关闭、电源装置50的供电或断电以及熔盐循环泵13的转速。

具体地，在本示例性实施方案中，每组熔盐电极20的多个熔盐电极箱为三个(在图1中分别使用附图标记21、22、23来表示)，所述多相交流电为三相交流电(使用l1、l2、l3来表示)，每组进电极绝缘管道30包括三条进电极绝缘管道(在图1中分别使用附图标记31、32、33来表示)，每组出电极绝缘管道40包括三条出电极绝缘管道(在图1中分别使用附图标记41、42、43来表示)。具体地，三相交流电的每一相l1、l2、l3分别电连接至三个熔盐电极箱21、22、23。本领域技术人员可以理解的是，三相交流电仅是示例，更多相或更少相的交流电也是可行的，例如两相交流电也是可行的。

在图1所示的实施方案中，只示出了一组熔盐电极20，但是本领域技术人员可以理解的是，可以设置两组、三组或者更多组熔盐电极20，并且每组熔盐电极20包括多个熔盐电极箱(图示为每组熔盐电极20包括三个熔盐电极箱21、22、23)。相应地，以三相交流电为示例，在包括三组熔盐电极20的情况下，三相交流电的l1相分别电连接至每组熔盐电极20的第一熔盐电极箱21，三相交流电的l2相分别电连接至每组熔盐电极20的第二熔盐电极箱22，三相交流电的l3相分别电连接至每组熔盐电极20的第三熔盐电极箱23。进一步地，图1只示出了一组进电极绝缘管道30和一组出电极绝缘管道40，也就是说，对于一组熔盐电极20，设置了一组进电极绝缘管道30和一组出电极绝缘管道40。但本领域技术人员可以理解的是，根据需要，对于一组熔盐电极20可以设置两组或两组以上并列设置的进电极绝缘管道30以及两组或两组以上并列设置的出电极绝缘管道40。

具体地，在本示例性实施方案中，每组进电极绝缘管道30中各个管道内流动的熔盐产生电阻值相同的第一电阻值电阻，也就是说，各个进电极绝缘管道31、32、33内流动的熔盐产生的电阻值是彼此相同的。并且，每组出电极绝缘管道40中各个管道内流动的熔盐产生电阻值相同的第二电阻值电阻，也就是说，各个出电极绝缘管道41、42、43内流动的熔盐产生的电阻值是彼此相同的。

为了使得各个进电极绝缘管道31、32、33内流动的熔盐产生的电阻值彼此相同，所述进电极绝缘管道可以具有圆形、椭圆形、矩形、六边形或其他封闭形状的截面，每根绝缘管道是一根完整管道或者是由多段短管组合而成，每组进电极绝缘管道具有相同的流通截面积和相同的长度，从而保证每组进电极绝缘管道的各个管道内充满熔盐液体后具有相同的电阻值。进一步地，所述进电极绝缘管道与水平面呈特定夹角倾斜设置或者竖直设置，优选地，所述进电极绝缘管道竖直设置，用以保证依靠重力流动的熔盐有足够的流量能将全部发热量带出。每组进电极绝缘管道中的各个管道相对于水平面的夹角是相同的，以确保每组进电极绝缘管道具有相同的流通截面积和相同的长度，从而保证每组进电极绝缘管道的各个管道内充满熔盐液体后具有相同的电阻值。

相似地，为了使得各个出电极绝缘管道41、42、43内流动的熔盐产生的电阻值彼此相同，所述出电极绝缘管道可以具有圆形、椭圆形、矩形、六边形或其他封闭形状的截面，每根绝缘管道是一根完整管道或者是由多段短管组合而成，每组出电极绝缘管道具有相同的流通截面积和相同的长度，从而保证每组出电极绝缘管道的各个管道内充满熔盐液体后具有相同的电阻值。进一步地，所述出电极绝缘管道与水平面呈特定夹角倾斜设置或者竖直设置，优选地，所述出电极绝缘管道与水平面呈特定夹角倾斜设置，用以保证依靠重力流动的熔盐有足够的流量能将全部发热量带出。每组出电极绝缘管道中的各个管道相对于水平面的夹角是相同的，以确保每组出电极绝缘管道具有相同的流通截面积和相同的长度，从而保证每组出电极绝缘管道的各个管道内充满熔盐液体后具有相同的电阻值。

在本发明的示例性实施方案中，熔盐电极箱21、22、23为采用耐腐蚀、耐高温金属材料制成的具有特定内表面积的容器，并具有进电极绝缘管道连接端口和出电极绝缘管道连接端口，进电极绝缘管道的第一端流体连通至相应的熔盐电极箱的进电极绝缘管道连接端口，出电极绝缘管道的第一端流体连通至相应的熔盐电极箱的出电极绝缘管道连接端口。具体地，进电极绝缘管道的连接端口设置在熔盐电极箱21、22、23的底部，出电极绝缘管道连接端口设置在熔盐电极箱21、22、23的侧部。进一步地，熔盐电极箱外壁连接有导电铜排(未图示)。

图2是根据本发明的另一示例性实施方案的用于加热熔盐的装置的示意图。图2所示的用于加热熔盐的装置与图1所示的用于加热熔盐的装置相同，区别仅在于进电极绝缘管道连接端口和出电极绝缘管道连接端口的位置不同。具体地，在该实施方案中，进电极绝缘管道的连接端口设置在熔盐电极箱21、22、23的侧部，出电极绝缘管道连接端口设置在熔盐电极箱21、22、23的底部。

下面，具体描述使用上述的用于加热熔盐的装置来加热熔盐的方法，所述方法包括以下步骤：使用预加热器11加热盐液箱10中的盐，并将盐加热到能够流动的熔融状态；待盐处于能够流动的熔融状态后，关闭预加热器11；使用熔盐循环泵13将盐液箱10中的熔盐通过连接管道12和进电极绝缘管道30泵送到熔盐电极箱20，并控制熔盐循环泵13的转速，使得进入熔盐电极箱20中的熔盐的量多于从熔盐电极箱20中通过出电极绝缘管道40流走的熔盐的量；待熔盐通过连接管道12和进电极绝缘管道30进入熔盐电极箱20后，开启电源装置50以供电，从而加热熔盐；待熔盐电极箱20中的熔盐达到预定液位高度时，控制熔盐循环泵13的转速，使得进入熔盐电极箱20中的熔盐的量等于从熔盐电极箱20中通过出电极绝缘管道40流走的熔盐的量。

通过上述的加热熔盐的方法，熔盐从盐液箱10通过连接管道12和进电极绝缘管道30泵送到熔盐电极箱20，然后熔盐电极箱20中的熔盐通过重力经由出电极绝缘管道40流入盐液箱10，以此形成循环。在上述循环的同时，开启电源装置50以供电，从而使熔盐被加热。

本发明以三相交流电为例，使用电极加热熔盐，相当于使用了三相交流电的星形接法。星型接法，接不接零线，电流都会在相线之间流转，假如三相负载相同，三相电流的矢量和为零，从而中性线电流为零。因此，只要保证电极之间相平衡，即流过电极的熔盐流量、流速相同，电极大小相同，电极就可以加热熔盐。

在本发明的示例性实施方案中，通过预加热器11加热时，可以将盐加热到200-275℃以使盐处于可以流动的熔融状态，从而能够形成上述循环；进一步地，开启电源装置50后，可以将熔盐加热到300-600℃，甚至最高到800℃。

在本发明的优选实施方案中，熔盐电极20连接三相交流电，熔盐在上述循环的过程中被加热，被加热后的高温熔盐流入盐液箱10，熔盐被熔盐循环泵13从盐液箱10输送至高位而流入熔盐电极箱20不断循环，熔盐在循环过程中同时将热量带出。

通过本发明被加热的熔盐可以应用于：通过换热器，提供不同温度下工业用的高温蒸汽，可以直接给电厂汽轮机提供高温蒸汽，也可以给酿酒，制药，矿业等提供不同温度的蒸汽。进一步地，本发明可以利用电厂调峰的电力，将电转换成热量储存起来或者使用。本发明也可以直接利用废弃的清洁能源产生的电力直接转化成热量储存或者直接使用。

在本发明的示例性实施方案中，在熔盐循环泵13停止后，在重力作用下熔盐电极箱20、进电极绝缘管道30以及出电极绝缘管道40内的熔盐全部、或者基本全部回落到盐液箱10中，加热也随之停止。具体地，本发明的熔盐电极箱具有容器形状，在加热时确保电极内部有足够的液位高度从而保证电极与熔盐有足够的接触面积，停止加热时又能在重力作用下使熔盐全部或者基本全部从电极中流出以防止冻结。在某些实施方案中，在熔盐电极箱内部或许会有少量的熔盐滞留，但只要不影响再次使用时熔盐的流动就不会有不良影响，再次使用时热的熔盐会将滞留冻结的熔盐融化，从而使其保持流动。

在本发明的示例性实施方案中，根据上述的用于加热熔盐的方法，当准备要结束加热时，可以控制熔盐循环泵13的转速，使得进入熔盐电极箱20中的熔盐的量小于从熔盐电极箱20中通过出电极绝缘管道40流走的熔盐的量。这样，熔盐电极箱20中的液位高度可以逐渐降低，并且当降低到一定高度时再结束加热，从而进一步提高效果，并且更易于防止熔盐冻结。

通过上述的各个示例性实施方案，利用本发明的优点是：可以根据任意电源电压和加热功率设计绝缘管道和熔盐电极，组成适用的熔盐加热装置。本发明的电极式加热熔盐的装置和方法采用熔盐自身为发热体，无热传导损失，也没有电热丝干烧风险，唯一运动部件是熔盐循环泵，一旦泵停止运行加热也随之停止。最重要的是本发明成功解决了在任意工作电压下各种高电导率离子导体中实现电极低电流密度工作的技术难题。

最后，为了更清楚地说明本发明，申请人结合示例说明如下。本发明绝缘管的大小设计，是将流经绝缘管的熔盐看作是一个圆柱形电阻，其阻值为r＝ρ*l/s，这里r就是圆柱形电阻阻值，ρ是熔盐电导率，l是绝缘管长度，s是绝缘管横截面内径面积，当l/s达到一定数值时，可以使流经绝缘管熔盐的电阻很大，因此通过绝缘管后，熔盐电流就很小了。

前面的对本发明具体的示例性实施方案所呈现的描述出于说明和描述的目的。它们并非旨在穷举，或者将本发明限制为公开的精确的形式，且显然的是，根据以上教导，可以进行很多修改和变化。示例性实施方案的选择和描述是为了解释本发明的某些原理及其实际应用，从而使得本领域技术人员能够制造并利用本发明的各种示例性实施方案及其不同替代形式和修改形式。本发明的范围旨在通过所附权利要求及其等效形式来限定。