CN108981438B - 一种换热器及换热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换热器及换热方法,其中换热器包括壳体以及设置在壳体内的相变蓄热管束,在所述壳体上设置有第一流体出入口和第二流体出入口,所述相变蓄热管束与所述第一流体出入口连接,所述壳体包括第一流体分配腔、第一流体汇合腔以及第二流体流动腔;所述第二流体出入口与所述第二流体流动腔连通;所述相变蓄热管束由多根相变蓄热套管组成,所述相变蓄热套管包括内管、外管以及位于内管与外管之间的空腔,所述空腔包括第一流体流动腔以及相变蓄热腔;在所述相变蓄热腔内设置有相变材料。本发明结构简约紧凑、安装维护方便、易于组合扩展、单位体积蓄热与换热能力强,工作适应性与灵活性高,可实现能量的梯级利用。
Description
技术领域
本发明属于相变蓄能换热装置技术领域,特别涉及一种结构紧凑、蓄热与换热高效及工作方式灵活多样的换热器。
背景技术
随着科技的进步和社会的发展,围绕能源应用而产生的环境、生态破坏等问题日益严重。为此,世界各国在寻找新型清洁能源的同时,也更加注重节能减排技术的发展。其中,相变蓄能技术依靠相变材料的强大蓄热能力实现了能量的有效存储与释放,具有储能密度高、储能/释能温度波动小等优点,故其在电力“移峰填谷”、太阳能热储存、废热/余热的回收等领域展现出良好的应用前景。值得注意的是,相变蓄热型换热器作为相变蓄能技术的基本设备,已成为相变蓄能技术的研究热点。
然而,当前相变蓄热型换热器型式仍主要以串联式的套管型相变蓄热结构为主,如专利CN10148388 A公开的一种相变蓄热换热器采用串接盘管作为主要换热结构,专利CN104848720 A所公开的一种快速反应相变蓄热式换热器则采用了多个套管型相变蓄热单元串联的设计结构。这一类型的相变蓄热型换热器所使用的串联式结构往往具有较长的管程,造成沿程流阻过大,管程后部换热温差驱动力损失明显,导致该类相变蓄热型换热器往往泵功消耗较高、相变换热效率有限,单位体积总换热功率难以提升。此外,串联式相变蓄热单元管程内部流动组织形式单一,且管路拆装维护较为复杂,这都制约了该类相变蓄热型换热器工作方式的灵活性和多样性,同时增加了其安装维护成本。
发明内容
技术问题
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,提供一种结构紧凑、安装维护方便、工作方式灵活多样、单位体积蓄热与换热能力强的相变蓄热型换热器。
技术方案
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种换热器,包括壳体以及设置在壳体内的相变蓄热管束,在所述壳体上设置有第一流体出入口和第二流体出入口,所述相变蓄热管束与所述第一流体出入口连接,其特征在于:所述壳体包括第一流体分配腔、第一流体汇合腔以及第二流体流动腔;所述第二流体出入口与所述第二流体流动腔连通;所述相变蓄热管束由多根相变蓄热套管组成;所述相变蓄热套管包括内管、外管以及位于内管与外管之间的空腔,所述空腔包括第一流体流动腔以及相变蓄热腔;所述内管一端与所述第一流体分配腔连通,所述内管另一端在所述相变蓄热套管内部与所述第一流体流动腔连通;所述第一流体流动腔的出口连接至所述第一流体汇合腔;在所述相变蓄热腔内设置有相变材料。
所述相变材料腔沿所述相变蓄热套管的轴向分段布置,且其可根据所述换热器内的沿程流体温度与换热强度来选择分段数量和填充不同相变温度的相变材料,从而实现能量的梯级利用。
所述第一流体流动腔以及相变蓄热腔在所述空腔内间隔分布。
所述第二流体流动腔内设置有折流板。
所述第一流体分配腔、第一流体汇合腔以及第二流体流动腔由位于所述壳体内的管板分割而成。
所述相变蓄热套管呈阵列状布置在所述壳体内。
所述相变材料由相变基材和填料组成;其中,相变基材的质量分数为50%~95%。该相变材料强化了传统单一相变基材导热性能,提升了储热与释热的热响应速度与换热效率。
所述相变基材包括高温相变基材、中温相变基材以及低温相变基材,其中高温相变基材为Na2SO4、Na2CO3、MgCl2或KOH;中温相变基材为NaOH/KOH或Na2S2O3·5H2O;低温相变基材为石蜡、月桂酸或柠檬酸钠。
所述填料为膨胀石墨、金属颗粒、泡沫金属、碳纳米管、石墨泡沫中的一种或两种以上的组合。
所述相变蓄热套管外壁上设置有金属翅片。
所述金属翅片形状是圆形、方形或波浪形,且金属翅片的间距可根据蓄/放热功率等具体要求来调节。
壳体是方体或者圆柱体结构,可以根据其内部的实际压力水平和安装要求来选择。
基于上述任一所述换热器的换热方法,其特征在于:通过控制所述第一流体出入口和/或第二流体出入口的关闭或打开,使所述换热器处于边蓄热边取热以及全蓄热-全取热交替两种换热模式,工作模式灵活多样,工作适应性好。其中:
边蓄热边取热模式为:供热流体与取热流体同时进入换热器的壳程与管程,供热流体通过第二流体入口进入换热器,一部分热量直接通过管束内外强制对流换热被取热流体带走,另一部分热量则通过加热熔化相变材料腔内的相变材料蓄积起来;
全蓄热-全取热交替模式为:全蓄热工作模式下,换热器管程内取热流体关闭,壳程内供热流体开启,供热流体由第二流体入口进入换热器壳程,通过相变蓄热管束来加热熔化相变材料腔内的相变材料,从而将热量存储在相变材料中;全取热工作模式下,相变蓄热型换热器壳程内供热流体关闭,管程内取热流体开启,取热流体从第一流体入口流入分流管箱,而后进入相变蓄热套管的内管中取热;随后,取热流体经由内管另一端折返流入相变蓄热套管的外管中继续取热。
有益效果
与现有技术相比,本发明涉及的相变蓄热型换热器的有益效果在于:(1)换热器以阵列式内插相变蓄热管束作为相变蓄/换热单元,并采用管壳式整体设计,结构简约紧凑、安装维护方便、易于组合扩展,单位体积蓄热与换热能力强;(2)相变蓄热套管内相变材料填充腔采用多段、多腔室设计,可根据沿程流体温度与实际蓄/换热强度来选择分段数量和填充不同相变温度的相变材料,从而实现能量的梯级利用,且管束外耦合的高导热率金属翅片有效扩展了换热面积,强化了蓄/换热性能;(3)相变蓄热套管内采用相变基材与高导热率骨架/填料相互耦合的复合型相变材料填充,有效改善了相变基材自身的导热性能,提升了相变蓄热/取热效率;(4)换热器具有“边蓄热边取热”和“全蓄热-全取热交替”两种工作模式,并可根据实际蓄/换热需求灵活选择,显著提高了换热器适用性和工作灵活性。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图;
图2为本发明的立体结构装配示意图;
图3为本发明的工质流动过程示意图;
图4为本发明的相变蓄热套管示意图;
图5a为本发明中相变材料腔腔数为3的相变蓄热套管截面示意图;
图5b为本发明中相变材料腔腔数为4的相变蓄热套管截面示意图;
图5c为本发明中相变材料腔腔数为5的相变蓄热套管截面示意图;
图6为本发明中相变材料的梯级利用示意图;
图7a为本发明圆形翅片结构的相变蓄热管束截面图;
图7b为本发明矩形翅片结构的相变蓄热管束截面图;
图7c为本发明波纹形翅片结构的相变蓄热管束截面图;
图8a为本发明外壳体采用圆柱体结构的截面示意图;
图8b为本发明外壳体采用方体结构的截面示意图。
其中,1-封头,2-第一流体入口,3-第一流体出口,4-折流板,5-壳体,51-第一流体分配腔,52-第一流体汇合腔,53-第二流体流动腔,6-外管,7-第二流体出口,8-法兰,9-第二流体入口,10-外管管板,11-相变材料腔,12-内管,13-管箱,14-相变蓄热管束,15-内管管板,16-翅片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案做进一步说明。
图1和图2分别是本发明的立体结构示意图和装配图。由图可知,本发明所提出的相变蓄热型换热器,包括相变蓄热管束14、壳体5、折流板4、管箱13、管板10和封头1。相变蓄热管束14由多根呈阵列布置的相变蓄热套管组成。相变蓄热套管由内管12与外管6通过嵌套组成,内管12嵌套于外管6中,内管12入口端与管箱13中的内管管板15通过焊接固定,外管6的出口端与外管管板10通过焊接固定,内管12尾部与外管6尾部之间留有流体折返的空间,在内、外管之间形成折返式内、外管程。在内管12和外管6之间设置有相变材料腔11,相变材料腔与管程内流体区域沿相变蓄热套管周向相间布置。
壳体5包括第一流体分配腔51、第一流体汇合腔52以及第二流体流动腔53;在第一流体分配腔51上设置有第一流体入口2,在第一流体汇合腔52上设置有第一流体出口3,在第二流体流动腔53上设置有第二流体入口9和第二流体出口7。第一流体入口连接第一流体入口2。第一流体出口连接第一流体出口3。第二流体出入口连接第二流体出口7和第二流体入口9。
相变蓄热管束14贯穿折流板4呈阵列状布置在壳体5内,其出入口分别焊接固定在外管管板10和内管管板15上,内管管板15焊接固定在管箱13内壁上,外管管板10焊接固定在壳体5上。通过法兰连接的方式将管箱13和封头1中的一个密封连接在壳体5的一端,封头1中的另一个也通过法兰连接的方式密封连接在壳体5的另一端,这样便在相变蓄热管束14与壳体5之间形成壳程。管箱13的外室和内室分别设置了第一流体入口2和第一流体出口3。壳体5两侧分别设置了第二流体入口9与第二流体出口7。这样的总体结构设计简约紧凑、安装维护方便、易于组合扩展。
如图3所示,是本发明的工质流动过程示意图。图中虚线表示壳程第二流体(供热流体)流动过程,其从第二流体入口9进入壳体5中,在折流板4的作用下形成如图所示的流动,最终通过第二流体出口7流出。图中黑实线表示管程第一流体(取热流体)流动过程,其从第一流体入口2进入管箱13的外室中,而后通过内管12进入每一根相变蓄热套管,在流经相变蓄热套管内、外管之间形成的折返式内、外管程后,由外管6出口端流入管箱13的内室并通过第一流体出口3流出。
相变蓄热型换热器具有“边蓄热边取热”与“全蓄热-全取热交替”两种工作模式,工作模式灵活多样,工作适应性好。在“边蓄热边取热”工作模式下,壳程供热流体与管程取热流体同时开启,这样,一部分热量直接通过管束内外强制对流换热被取热流体带走,另一部分热量则通过加热熔化相变材料腔内的相变材料蓄积起来。在“全蓄热-全取热交替”工作模式下,全蓄热过程与全取热过程非同时交替进行。全蓄热工作模式下,只开启壳程供热流体,通过加热熔化相变材料腔内的相变材料将热量存储在相变材料中。全取热工作模式下,只开启管程内取热流体取热,取热过程中,取热流体所获得的热量全部来自于相变材料腔内相变材料的凝固释热,同时相变材料实现蓄热能力再生。
如图4、5所示,设置在相变蓄热套管内、外管间的周向相变材料腔11采用多腔室(腔数≥3)结构,其腔壁与内管12外壁及外管6内壁焊接固定,且其个数可根据相变蓄热型换热器的蓄/放热功率来灵活设置,从而有效提升了相变蓄热型换热器的工作灵活性。图5a~5c分别给出了相变材料腔11的3腔室、4腔室及5腔室横截面分布示意图。
如图6所示,相变材料腔11沿相变蓄热套管的轴向分段布置,并按照“温度对口、梯级利用”的原则,在供热流体的流动方向上布置熔点依次降低的相变蓄热材料,其分段个数及每一段所填充的相变材料可根据供热流体的温度及取热流体的温度来灵活调整。以图5为例,沿相变蓄热管束14在相变材料腔11中分段填充PCM1、PCM2、PCM3三种相变蓄热材料,其对应的相变温度是Tml、Tm2、Tm3,其中Tm1>Tm2>Tm3)。这样的设计可保证供热流体与相变蓄热材料之间的传热温差驱动力,提高蓄热效率,实现能量的梯级利用。
相变材料是在单一相变基材中添加了高导热率填料(如膨胀石墨、金属颗粒、泡沫金属、碳纳米管、石墨泡沫等)的复合相变材料。相变基材种类可根据具体的工作温度选用,如高温相变基材Na2SO4、Na2CO3、MgCl2、KOH等;中温相变基材NaOH/KOH、Na2S2O3·5H2O等;低温相变基材石蜡、月桂酸、柠檬酸钠等。复合相变材料强化了传统单一相变基材的导热性能,提升了储热与释热的热响应速度与换热效率。
相变蓄热管束14外耦合有高热导率金属翅片16,翅片形状可以为圆形、方形或波浪形,并通过焊接或胀接的方式与相变蓄热管束14连接固定。图7a~7c分别给出了圆形、方形或波浪形翅片的示意图。如图所示,圆形翅片可以耦合在单个相变蓄热套管外,而方形或波浪形翅片则可以整体耦合在相变蓄热管束14外,翅片的具体选型和翅片间距可根据蓄/放热功率等具体要求来调节。
如图8a、8b所示,相变蓄热管束14中的每根相变蓄热套管在壳体5中呈错列布置,且壳体5是方体或者圆柱体结构,可以根据其内部的实际压力水平和安装要求来选择:圆柱体壳体结构适用于高压环境下,但是圆柱体壳体的紧凑性不如方体壳体。
Claims (9)
1.一种换热器,包括壳体以及设置在壳体内的相变蓄热管束,在所述壳体上设置有第一流体出入口和第二流体出入口,所述相变蓄热管束与所述第一流体出入口连接,其特征在于:所述壳体包括第一流体分配腔、第一流体汇合腔以及第二流体流动腔;所述第二流体出入口与所述第二流体流动腔连通;所述相变蓄热管束由多根相变蓄热套管组成;所述相变蓄热套管包括内管、外管以及位于内管与外管之间的空腔,所述空腔包括第一流体流动腔以及相变蓄热腔;所述内管一端与所述第一流体分配腔连通,所述内管另一端在所述相变蓄热套管内部与所述第一流体流动腔连通;所述第一流体流动腔的出口连接至所述第一流体汇合腔;在所述相变蓄热腔内设置有相变材料。
2.如权利要求1所述的换热器,其特征在于:所述第一流体流动腔以及相变蓄热腔在所述空腔内间隔分布;所述相变蓄热腔沿所述相变蓄热套管的轴向分段布置,且其可根据所述换热器内的沿程流体温度与换热强度来选择分段数量和填充不同相变温度的相变材料,从而实现能量的梯级利用。
3.如权利要求1所述的换热器,其特征在于:在所述第二流体流动腔内设置有折流板。
4.如权利要求1所述的换热器,其特征在于:所述第一流体分配腔、第一流体汇合腔以及第二流体流动腔由位于所述壳体内的管板分割而成。
5.如权利要求1所述的换热器,其特征在于:所述相变蓄热套管呈阵列状布置在所述壳体内。
6.如权利要求1所述的换热器,其特征在于:所述相变材料由相变基材和填料组成;其中,相变基材的质量分数为50%~95%。
7.如权利要求6所述的换热器,其特征在于:所述相变基材包括高温相变基材、中温相变基材以及低温相变基材,其中高温相变基材为Na2SO4、Na2CO3、MgCl2或KOH;中温相变基材为NaOH或Na2S2O3·5H2O;低温相变基材为石蜡、月桂酸或柠檬酸钠;所述填料为膨胀石墨、金属颗粒、泡沫金属、碳纳米管、石墨泡沫中的一种或两种以上的组合。
8.如权利要求1所述的换热器,其特征在于:在所述相变蓄热管束外壁上设置有金属翅片。
9.基于权利要求1-8任一所述换热器的换热方法,其特征在于:通过控制所述第一流体出入口和/或第二流体出入口的关闭或打开,使所述换热器处于边蓄热边取热以及全蓄热-全取热交替两种换热模式,其中:
边蓄热边取热模式为:供热流体与取热流体同时进入换热器的壳程与管程,供热流体通过第二流体入口进入换热器,一部分热量直接通过管束内外强制对流换热被取热流体带走,另一部分热量则通过加热熔化相变材料腔内的相变材料蓄积起来;
全蓄热-全取热交替模式为:全蓄热工作模式下,换热器管程内取热流体关闭,壳程内供热流体开启,供热流体由第二流体入口进入换热器壳程,通过相变蓄热管束来加热熔化相变蓄热腔内的相变材料,从而将热量存储在相变材料中;全取热工作模式下,相变蓄热型换热器壳程内供热流体关闭,管程内取热流体开启,取热流体从第一流体入口流入分流管箱,而后进入相变蓄热套管的内管中取热;随后,取热流体经由内管另一端折返流入相变蓄热套管的外管中继续取热。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Xiangdong Inventor after: Chen Yongping Inventor after: Sun Qing Inventor after: Wu Liangyu Inventor before: Chen Yongping Inventor before: Sun Qing Inventor before: Liu Xiangdong Inventor before: Wu Liangyu |
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GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |