CN106016219B - 一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法 - Google Patents

一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法，本装置包括出口联箱、出口连接管、蓄热体、换热管束、第一温度传感器、密封保温层、电动阀、入口连接管、入口联箱、循环水泵、流量计、控制柜、补水连接管、蓄水池、第二温度传感器、第三温度传感器。本发明利用换热管路并联的方法，通过改变换热面积和减小单个管路内的流量的方法，有效的解决了显热蓄热体换热过程中温度不断降低导致单位换热面积换热功率不断减小的问题，提高了系统输出功率的稳定性，为替代传统中小煤锅炉和电锅炉，利用峰谷电提供稳定蒸汽提供了有效的解决方案，具有很好的应用前景。

Description

一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法，属于显热蓄热换热技术领域。
背景技术
储能作为能源利用的重要环节，对工业节能和可再生能源利用具有十分重要的作用。以热能形式提供的能量占了能源利用中相当大的比例，因此蓄热技术成为储能技术中的关键部分。在目前间歇性能源的能量储存以及工业余热回收利用中，显热蓄热由于原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉而得到了广泛应用。
显热蓄热是利用蓄热材料的热容量，通过温度升高或降低而实现热量的储存或释放过程。现有的显热蓄热设计中换热面积不可调节，蓄热系统的换热功率随着蓄热体温度的变化而变化，存在输出功率不稳定的问题，只能应用于对蒸汽参数要求不高的场合，不能满足对蒸汽参数和输出功率有严格要求的热利用系统的需求，如电厂锅炉等。
因此，如何保证蓄热体以恒定换热功率将热量传递给工质，实现蓄热系统在更大温度的范围内持续、稳定地产生满足需求的蒸汽，成为显热蓄热系统设计中亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，包括出口联箱、出口连接管、蓄热体、换热管束、第一温度传感器、密封保温层、电动阀、入口连接管、入口联箱、循环水泵、流量计、控制柜、补水连接管、蓄水池、第二温度传感器、第三温度传感器；蓄热体内安装有换热管束，蓄热体安装有密封保温层，换热管束经入口连接管和出口连接管以并联方式分别与入口联箱和出口联箱连接，每个入口连接管和出口连接管上均安装有独立的电动阀，循环水泵出口经补水连接管与入口联箱相连，循环水泵入口与蓄水池相连，蓄热体上安装有第一温度传感器，入口联箱内安装有第二温度传感器，出口联箱内安装有第三温度传感器，补水连接管上装有流量计，流量计、温度传感器、电动阀、循环水泵、第二温度传感器、第三温度传感器分别与控制柜相连。
所述的蓄热体由若干石墨块堆砌而成，石墨块上设有贯穿通孔实现与换热管束之间的过渡配合；贯穿通孔包括圆孔和半圆孔两种；其中，圆孔与换热管束之间过渡配合，两块石墨块之间半圆孔通过配合形成圆孔，再与换热管束配合连接。
所述的蓄热体材料为石墨，其加热方式包括电加热和太阳能聚光加热。
所述的循环水泵为变频泵，以达到相同蓄热系统根据需求负荷的变化调整循环流量的效果。
一种利用所述的基于并联调节的蓄热式直接蒸汽发生系统的换热方法，步骤如下：控制柜根据设定的循环流量G值，开启循环水泵，循环水泵通过变频达到目标流量；与此同时，控制柜根据第二温度传感器测得的入口温度、第三温度传感器设定的出口蒸汽温度以及第一温度传感器测得的蓄热体温度，开启入口连接管和出口连接管上相同换热管束进出口的电动阀，循环水在入口联箱中进行流量分配后，等流量流入不同的换热管束进行加热，产生蒸汽在出口联箱中汇集后流出；此时，换热管束每根换热管中的换热过程满足如下能量平衡方程：
式中，为初始阶段总平均换热系数，为蓄热体初始阶段平均温度，为单根换热管内流体平均温度，G为循环流量，N0为初始阶段开启换热管数量，ΔH为换热管束进出口流体焓差,A为单根换热管换热面积；
随着换热过程的进行，蓄热体(3)平均瞬时温度的逐渐降低，当平均瞬时温度满足如下关系式(2)时：
式中：为第i阶段总平均换热系数；Ni为第i阶段开启换热管数量；为第i+1阶段总平均换热系数；Ni+1为第i+1阶段开启换热管数量；
控制柜控制电动阀将换热管束开启的数量由第i阶段的Ni增加到第i+1阶段的Ni+1，从而增大换热面积，实现蓄热体在工作温度范围内稳定、持续的输出一定热力学参数的工质；
其中，Ni+1＞Ni；对于选定系统而言，为已知参数，其关系式满足：
式中:为第i阶段蓄热体的平均温度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明利用换热管路并联的方法，通过改变换热面积和减小单个管路内的流量的方法，有效的解决了显热蓄热体换热过程中温度不断降低导致单位换热面积换热功率不断减小的问题，提高了系统输出功率的稳定性。
(2)本发明采用直接换热产生蒸汽方法，不同于传统的二次换热，减小系统的换热设备，降低了系统的复杂性和投资。
(3)本发明通过将蓄热体块状标准化，便于系统蓄热规模根据需求进行调整，同时，圆孔和半圆孔结构的组合，使得系统安装更加便利。
附图说明
图1是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的示意图；
图2是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的蓄热体与换热管布置结构示意图；
图3是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的蓄热体与换热管布置布置A-A截面图；
图4是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的入口联箱和连接管结构简图；
图5是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的出口联箱和连接管结构简图；
图6是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的蓄热体的三种石墨块结构简图:a:圆孔与单侧半圆孔结构，b:圆孔与双侧半圆孔结构，c：双侧半圆孔结构。
图7是显热蓄热式直接蒸汽发生系统的石墨块分层堆叠布置示意图。
图中：出口联箱1、出口连接管2、蓄热体3、换热管束4、第一温度传感器5、密封保温层6、电动阀7、入口连接管8、入口联箱9、循环水泵10、流量计11、控制柜12、补水连接管13、蓄水池14、第二温度传感器15、第三温度传感器16、石墨块17、圆孔18、半圆孔19。
具体实施方式
如图1-5所示的一种基于并联调节的蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征在于包括出口联箱1、出口连接管2、蓄热体3、换热管束4、第一温度传感器5、密封保温层6、电动阀7、入口连接管8、入口联箱9、循环水泵10、流量计11、控制柜12、补水连接管13、蓄水池14、第二温度传感器15、第三温度传感器16；蓄热体3内安装有换热管束4，蓄热体3安装有密封保温层6，换热管束4经入口连接管8和出口连接管2以并联方式分别与入口联箱9和出口联箱1连接，每个入口连接管8和出口连接管2上均安装有独立的电动阀7，循环水泵10出口经补水连接管13与入口联箱9相连，循环水泵10入口与蓄水池14相连，蓄热体3上安装有第一温度传感器5，入口联箱9内安装有第二温度传感器15，出口联箱1内安装有第三温度传感器16，补水连接管13上装有流量计11，流量计11、温度传感器5、电动阀7、循环水泵10、第二温度传感器15、第三温度传感器16分别与控制柜12相连。
如图6-7所示，蓄热体3由若干石墨块17堆砌而成，石墨块上设有贯穿通孔实现与换热管束4之间的过渡配合。贯穿通孔包括圆孔18和半圆孔19两种；其中，圆孔18与换热管束4之间过渡配合，两块石墨块之间半圆孔19通过配合形成圆孔，再与换热管束4配合连接。所述的蓄热体3材料为石墨，其加热方式包括电加热和太阳能聚光加热。所述的循环水泵10为变频泵。
所述的一种基于并联调节的蓄热式直接蒸汽发生系统的换热方法，其特征在于：控制柜12根据设定的循环流量G值，开启循环水泵10循环水泵10通过变频达到目标流量。与此同时，控制柜12根据第二温度传感器15测得的入口温度，第三温度传感器16设定的出口蒸汽温度，以及第一温度传感器5测得的蓄热体3温度，开启入口连接管8和出口连接管2上相同换热管束4进出口的电动阀7，循环水通过入口联箱9中进行流量分配后，等流量流入不同的换热管束4进行加热，产生蒸汽在出口联箱1中汇集后流出。此时，换热管束4每根换热管中的换热过程满足如下能量平衡方程：
式中，为初始阶段总平均换热系数，为蓄热体初始阶段平均温度，为单根换热管内流体平均温度，G为循环流量，N0为初始阶段开启换热管数量，ΔH为换热管束进出口流体焓差,A为单根换热管换热面积。
随着换热过程的进行，蓄热体3平均瞬时温度的逐渐降低，当平均瞬时温度满足如下关系式2：
式中：为第i阶段总平均换热系数；Ni为第i阶段开启换热管数量；为第i+1阶段总平均换热系数；Ni+1为第i+1阶段开启换热管数量；
控制柜12控制电动阀7将换热管束4开启的数量由第i阶段的Ni增加到第i+1阶段的Ni+1，从而增大换热面积，实现蓄热体3在工作温度范围内稳定、持续的输出一定热力学参数的工质；
其中，Ni+1＞Ni；对于选定系统而言，为已知参数，其关系式满足：
式中:为第i阶段蓄热体的平均温度。
本发明的具体工作过程如下：
开始换热前，蓄热体利用谷电时间通过控制柜开关对蓄热体进行加热，在输入热量的作用下温度升高至工作温度范围内。开始工作时，控制柜根据蓄热体平均温度控制电动阀的开闭，开启一定数量的换热管，工质水以恒定的流量从入口联箱进入开启的换热管，依次经历加热、相变、过热的过程，最终从出口联箱产生满足需求的过热蒸汽。
在换热过程中，由于蓄热体采用的是石墨，具有较好的导热系数，因此，再加热和放热过程中，蓄热体的内部温差分布的不均匀性不会太大，可以看成等温体，能有效利用蓄热体整体的蓄热量。
随着换热过程的进行，蓄热体温度不断降低，换热功率随之减小，当蓄热体平均温度降低至设定阈值时，控制柜控制电动阀开启更多换热管，通过增加换热面积来补偿由于蓄热体温度降低带来的换热功率减小的问题，使输出功率维持在相对稳定的范围内。
本发明在换热过程中根据蓄热体温度变化灵活调节换热面积，在蓄热体温度较高时，减小换热面积，蓄热体温度较低时，增大换热面积，可以实现蓄热体在一定的温度范围内稳定、持续的输出一定热力学参数的工质，有效地解决了显热蓄热随着蓄热体温度变化输出功率不稳定的问题。
本发明在实施过程中，可以很好的利用峰谷电的价格差异特性，利用谷电进行储热，从而达到降低用能成本，提高系统经济性的目的，于此同时，也达到调节用电负荷的目的。能够很好的替代传统的燃煤锅炉和电锅炉、补充天然气锅炉市场，具有很好的市场应用前景。

Claims (4)

1.一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征在于包括出口联箱(1)、出口连接管(2)、蓄热体(3)、换热管束(4)、第一温度传感器(5)、密封保温层(6)、电动阀(7)、入口连接管(8)、入口联箱(9)、循环水泵(10)、流量计(11)、控制柜(12)、补水连接管(13)、蓄水池(14)、第二温度传感器(15)、第三温度传感器(16)；蓄热体(3)内安装有换热管束(4)，蓄热体(3)安装有密封保温层(6)，换热管束(4)经入口连接管(8)和出口连接管(2)以并联方式分别与入口联箱(9)和出口联箱(1)连接，每个入口连接管(8)和出口连接管(2)上均安装有独立的电动阀(7)，循环水泵(10)出口经补水连接管(13)与入口联箱(9)相连，循环水泵(10)入口与蓄水池(14)相连，蓄热体(3)上安装有第一温度传感器(5)，入口联箱(9)内安装有第二温度传感器(15)，出口联箱(1)内安装有第三温度传感器(16)，补水连接管(13)上装有流量计(11)，流量计(11)、温度传感器(5)、电动阀(7)、循环水泵(10)、第二温度传感器(15)、第三温度传感器(16)分别与控制柜(12)相连；所述的蓄热体(3)由若干石墨块(17)堆砌而成，石墨块上设有贯穿通孔实现与换热管束(4)之间的过渡配合；贯穿通孔包括圆孔(18)和半圆孔(19)两种；其中，圆孔(18)与换热管束(4)之间过渡配合，两块石墨块之间半圆孔(19)通过配合形成圆孔，再与换热管束(4)配合连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征在于所述的蓄热体(3)材料为石墨，其加热方式包括电加热和太阳能聚光加热。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征在于所述的循环水泵(10)为变频泵。
4.一种利用权利要求1所述的基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统的换热方法，其特征在于：控制柜(12)根据设定的循环流量G值，开启循环水泵(10)，循环水泵(10)通过变频达到目标流量；与此同时，控制柜(12)根据第二温度传感器(15)测得的入口温度、第三温度传感器(16)设定的出口蒸汽温度以及第一温度传感器(5)测得的蓄热体(3)温度，开启入口连接管(8)和出口连接管(2)上相同换热管束(4)进出口的电动阀(7)，循环水在入口联箱(9)中进行流量分配后，等流量流入不同的换热管束(4)进行加热，产生蒸汽在出口联箱(1)中汇集后流出；此时，换热管束(4)每根换热管中的换热过程满足如下能量平衡方程：
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式中，为初始阶段总平均换热系数，为蓄热体初始阶段平均温度，为单根换热管内流体平均温度，G为循环流量，N0为初始阶段开启换热管数量，ΔH为换热管束进出口流体焓差,A为单根换热管换热面积；
随着换热过程的进行，蓄热体(3)平均瞬时温度的逐渐降低，当平均瞬时温度满足关系式(2)时，控制柜(12)控制电动阀(7)将换热管束(4)开启的数量由第i阶段的Ni增加到第i+1阶段的Ni+1，从而增大换热面积，实现蓄热体(3)在工作温度范围内稳定、持续的输出一定热力学参数的工质；
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式中：为第i阶段总平均换热系数；Ni为第i阶段开启换热管数量；为第i+1阶段总平均换热系数；Ni+1为第i+1阶段开启换热管数量；
其中，Ni+1＞Ni；对于选定系统而言，为已知参数，其关系式满足：
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式中:为第i阶段蓄热体的平均温度。
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