CN102110830A - 一种液流电池用容积式换热设备 - Google Patents

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何清
周汉涛
李佳
杨洋
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Abstract

本发明涉及化工换热设备的设计和应用，特别是一种容积式换热设备的设计及其在液流电池中的应用。本发明提供的容积式换热设备主要包括循环水系统1、制冷系统2、补热装置3和补水装置4。其中，循环水系统1用于对液流电池进行冷却或加热；制冷系统2用于对循环水系统1进行冷却；补热装置3采用电加热方式，用于对循环水系统1进行加热；补水装置4采用阀门控制方式，用于对循环水系统1进行补水。本发明将换热器内置于液流电池电解液储液罐中，在不增加液流电池电解液流动阻力损失的前提下，实现对液流电池进行冷却或加热。具有设备布置简洁、紧凑，不影响液流电池管路密封性，且换热效率高的优点。

Description

一种液流电池用容积式换热设备
技术领域
本发明涉及化工换热设备的设计和应用，特别是一种容积式换热设备的设计及其在液流电池中的应用。
背景技术
目前，液流电池作为一种新的储能方式，倍受人们的关注和重视。在液流电池运转期间，电解液流经液流电池的泵和电堆，会带走泵和电堆工作时产生的热量。在导热性能不佳的非金属管路系统中，处于常温工作的电解液所携带的热量会逐渐积累，其温度因此会不断上升，当电解液温度升高到一定程度时，将严重影响到电解液的性状，致使液流电池性能衰减。此外，在环境温度较低的情况下，液流电池性能又会出现因电解液温度过低而衰减的情况。因此，有必要增设一种换热设备，对液流电池进行冷却或加热，使电解液处于最佳工作温度，确保液流电池稳定运行。
文献（朱顺良等. 大规模蓄电储能全钒液流电池研究进展. 化工进展, 2007, 26(2): 207-211）表明，目前，国内外的液流电池所采用的换热方式是：通过管路将换热设备、储液罐和电堆相互串接起来，换热设备因此成为电解液循环管路系统的一个组成部分，可对循环过程中的电解液直接进行冷却或加热，从而达到对液流电池进行换热的目的。
液流电池作为一种新的储能手段，其显著特点是电解液依赖于泵进行循环。为提高液流电池的储能效率，需尽可能减少泵的功耗，故而，液流电池在设计和安装时，要求电解液管路系统尽可能的简明、通畅，通过降低电解液流动阻力损失的方式来减少泵的功耗。然而，文献中介绍的液流电池的换热方式，需要使用传统化工换热设备（如板式、管壳式等换热设备）。显然，其存在如下缺陷：首先，由于电解液需流经换热设备，电解液流动阻力损失增加，液流电池的储能效率下降；其次，为了安装换热设备，必然要增加电解液循环系统中管路接口的数量，因而，这种换热方式从根本上降低了电解液循环管路系统的整体密封性；再次，换热设备体积较大，会加大液流电池机组的体积，不利于设备的搬运和安装。因此，有必要设计一种换热设备，其在实现对液流电池进行冷却或加热的同时，能够不增加液流电池电解液的流动阻力损失，同时保证电解液管路系统的密封性，不增加液流电池机组的体积。
发明内容
为了在不增加电解液流动阻力损失的前提下，解决液流电池的冷却或加热问题，本发明提供了一种液流电池用容积式换热设备，其与液流电池在设计和安装过程中均可以相对独立进行。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：所采用的容积式换热设备主要包括循环水系统1、制冷系统2、补热装置3和补水装置4，其中，循环水系统1用于对液流电池进行冷却或加热；制冷系统2用于对循环水系统进行冷却；补热装置3采用电加热方式，用于对循环水系统进行加热；补水装置4采用阀门控制，用于对循环水系统1进行补水。
本发明所述的循环水系统1包括换热器6、水箱7、水泵9、循环水回流管路9、泵吸入管路10和泵压出管路11，其中，所述换热器6出口和水箱7入口由循环水回流管路9连通；所述水箱7出口和换热器6入口依次由泵吸入管路10、水泵8和泵压出管路11连通；循环水由水泵8驱动通过管路在换热器6与水箱7之间循环流动；循环水可采用自来水、去离子水或冷冻盐水，但不局限于此。
本发明所述的换热器6为管束型盘管结构，其中单管横截面可采用单层或双层管壁结构设计，所述单层管壁结构12使用耐强酸腐蚀、耐高低温且耐高压的非金属材质，包括但不限于PTFE、FEP和PVDF，其壁厚为0.1mm-1mm；所述双层管壁结构13，其外层材质和单层管壁结构的可选材质相同，内层材质使用传热性能较好、耐高低温且耐高压的金属，包括但不限于铜、不锈钢、铝合金和钛合金，其内外层壁厚分别为0.5mm-2mm和0.1mm-1mm。
本发明所述的制冷系统2包括蒸发器14、散热器15、压缩机16、制冷剂回流管路17、压缩机吸入管路18和压缩机压出管路19，其中，所述蒸发器14出口和散热器15入口由制冷剂回流管路17连通；所述散热器15出口和蒸发器14入口依次由压缩机吸入管路18、压缩机16和压缩机压出管路19连通；制冷剂由压缩机16驱动在制冷系统2中循环流动；所述散热器15采用风冷或水冷方式进行散热。
本发明所述循环水系统1的换热器6直接放置在液流电池电解液储液罐20中；所述制冷系统2的蒸发器14和补热装置3安装于循环水系统1的水箱7中；启动循环水系统1，同时启动制冷系统2或补热装置3，可实现对液流电池5进行冷却或加热。
本发明的优点和积极效果表现为：本发明将换热器内置于液流电池电解液储液罐中，利用容积流的缓冲效应和容积式换热器的换热原理，在不增加液流电池电解液流动阻力损失的前提下，实现对液流电池进行冷却或加热。换热器内置于储液罐中，与储液罐形成一体，使设备布置简洁紧凑，降低设备成本，提高换热效率，同时，因不直接接入电解液循环管路中，保证了液流电池管路系统的密封性和安全性。
附图说明
图1是液流电池用容积式换热设备的结构流程图。
图2是换热器的结构示例。
图3是容积式换热设备在液流电池中使用时的安装结构示意图。
附图标识：1-循环水系统；2-制冷系统；3-补热装置；4-补水装置；5-液流电池；6-换热器；7-水箱；8-水泵；9-循环水回流管路；10-泵吸入管路；11-泵压出管路；12-单层管壁结构；13-双层管壁结构；14-蒸发器；15-散热器；16-压缩机；17-制冷剂回流管路；18-压缩机吸入管路；19-压缩机压出管路；20-液流电池电解液储液罐；21-电解液输送管路；22-换热器管束；23-液流电池电堆；24-换热装置主机。
图3中，所述容积式换热装置，除换热器及相关管路外，其余装置均安装在换热装置主机中。
具体实施方式
实施例一
按照图3所示容积式换热设备在液流电池中使用时的安装结构示意图，完成换热设备在液流电池中的安装，本实施例测试了换热设备对液流电池的换热效果。换热设备及液流电池各要素及换热结果如下：
换热管结构：单层管壁结构；
换热管材质：FEP；
换热器结构：管束绕圆盘旋；
换热管壁厚：0.45 mm；
换热总面积：2.4 m2 ；
散热器散热方式：风冷散热；
制冷系统制冷量：5.5 kW；
电解液浓度：3mol/L硫酸，1.5mol/L钒离子；
电解液体积：1.0 m3；
钒电池功率：10 kW；
循环泵总功率：0.7 kW；
钒电池总效率：82%；
环境温度：25 ℃。
在液流电池运转期间，电解液温度会随着时间的推移不断上升，每上升1℃需时至少2 h，当电解液温度上升至一定温度后，启动换热设备，电解液温度随时间推移会不断下降，且25 min内就可降低1℃。
实施例二
按照图3所示容积式换热设备在液流电池中使用时的安装结构示意图，完成换热设备在液流电池中的安装，本实施例测试了换热设备对液流电池的换热效果。换热设备及液流电池各要素及换热结果如下：
换热管结构：双层管壁结构；
换热管材质：铜管外喷FEP；
换热器结构：单管绕圆盘旋；
换热管壁厚：铜管层1.2 mm厚，FEP层0.3 mm厚；
换热总面积：2.2 m2 ；
散热器散热方式：风冷散热；
制冷系统制冷量：8.5 kW；
电解液浓度：3mol/L硫酸，1.5mol/L钒离子；
电解液体积：1.0 m3；
钒电池功率：10 kW；
循环泵总功率：0.7 kW；
钒电池总效率：83%；
环境温度：30 ℃。
在液流电池运转期间，电解液温度会随着时间的推移不断上升，每上升1℃需时至少2 h，当电解液温度上升至一定温度后，启动换热设备，电解液温度随时间推移会不断下降，且15 min内就可降低1℃。

Claims (5)

1.一种液流电池用容积式换热设备，其特征在于：所述的容积式换热设备主要包括循环水系统1、制冷系统2、补热装置3和补水装置4，其中，循环水系统1用于对液流电池进行冷却或加热；制冷系统2用于对循环水系统进行冷却；补热装置3采用电加热方式，用于对循环水系统进行加热；补水装置4采用阀门控制，用于对循环水系统1进行补水。
2.根据权利要求1所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于：所述的循环水系统1包括换热器6、水箱7、水泵9、循环水回流管路9、泵吸入管路10和泵压出管路11，其中，所述换热器6出口和水箱7入口由循环水回流管路9连通；所述水箱7出口和换热器6入口依次由泵吸入管路10、水泵8和泵压出管路11连通；循环水由水泵8驱动通过管路在换热器6与水箱7之间循环流动；循环水可采用自来水、去离子水或冷冻盐水，但不局限于此。
3.根据权利要求2所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于：所述的换热器6为管束型盘管结构，其中单管横截面可采用单层或双层管壁结构设计，所述单层管壁结构12使用耐强酸腐蚀、耐高低温且耐高压的非金属材质，包括但不限于PTFE、FEP和PVDF，其壁厚为0.1mm-1mm；所述双层管壁结构13，其外层材质和单层管壁结构的可选材质相同，内层材质使用传热性能较好、耐高低温且耐高压的金属，包括但不限于铜、不锈钢、铝合金和钛合金，其内外层壁厚分别为0.5mm-2mm和0.1mm-1mm。
4.根据权利要求1所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于：所述的制冷系统2包括蒸发器14、散热器15、压缩机16、制冷剂回流管路17、压缩机吸入管路18和压缩机压出管路19，其中，所述蒸发器14出口和散热器15入口由制冷剂回流管路17连通；所述散热器15出口和蒸发器14入口依次由压缩机吸入管路18、压缩机16和压缩机压出管路19连通；制冷剂由压缩机16驱动在制冷系统2中循环流动；所述散热器15采用风冷或水冷方式进行散热。
5.根据权利要求1所述的液流电池用容积式换热设备，其特征在于：所述的循环水系统1的换热器6直接放置在液流电池电解液储液罐20中；所述制冷系统2的蒸发器14和补热装置3安装于循环水系统1的水箱7中。
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