CN109883248B - 一种脉动管束换热组件及其熔融盐蓄热罐 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉动管束换热组件及其熔融盐蓄热罐，包括盘管、进口立管和出口立管，所述盘管为多个，每个盘管包括圆弧形的多根换热管，相邻换热管的端部连通，使多根换热管形成串联结构，并且使得换热管的端部形成换热管自由端，进口立管连接第一根换热管的进口，出口立管连接最后一根换热管的出口，所述进口立管通过脉动管连接第一根换热管的进口，所述进口立管的入口连接脉动流发生装置，用于在换热管内产生脉动流。本发明设计了换热管内是脉动流，能够进一步提高换热效率，强化管外和管内的对流传热过程，缩短熔融盐蓄热所需时间，同时实现管内除垢的效果。

Description

一种脉动管束换热组件及其熔融盐蓄热罐

技术领域

本发明属于换热器技术领域，尤其涉及一种脉动管束换热组件及其熔融盐蓄热罐。

背景技术

管壳式换热器在能源动力、石油化工等工业领域有着十分广泛的应用，换热器的强化换热技术对节能降耗具有重要意义。其中被动强化换热技术由于不需要外界高品质能量输入而达到强化换热的目的，是当前重要的研究方向。

利用流体诱导传热元件振动实现强化换热是被动强化换热的一种形式，可将换热器内对流体振动诱导的严格防止转变为对振动的有效利用，使传动元件在低流速下的对流换热系数大幅度的提高，并利用振动抑制传热元件表面污垢，减低污垢热阻，实现复合强化传热。

换热器及其相关技术经过近几十年的迅速发展，取得了令人鼓舞的进步，然而一些长期未能解决的问题更加凸现出来。换热器内流体诱导振动和传热表面积垢，是世界公认的亟待解决的突出问题。流体诱导振动会导致剧烈的噪声与传热管束的损坏，传热管束表面积垢会造成巨大的能量与资源损失。在换热器内完全防止管束振动是不可能的，而通过增加传热管束的强度来防止振动从而避免管束的损坏与噪声，并不总是有效的。利用流体诱导传热管束的振动实现强化换热是无源强化换热的一种形式，通过对振动的有效利用，可在实现强化换热的同时抑制传热表面积垢，降低污垢热阻，实现复合强化换热。

CN101738129B公开的“用于弹性管束换热器强化传热的振动诱导装置”，在进水管上设置与弹性管束浮动质量块一一对应的脉动管，并在脉动管内部安装扰流体，通过流体绕流扰流体生成具有一定强度和频率的脉动流，冲击弹性管束的质量块，诱导弹性管束振动。然而，由于这种装置的顶部密封结构，导致内部流场存在流动“死区”，流体流入各分支脉动管的流量和流动的稳定性较差，部分脉动管出口处不能生成脉动流，且生成脉动流的强度和频率不一致，无法实现强化换热所需的预期振动。以诱导换热器内六排弹性管束振动的六分支振动诱导装置为例，当入口流体介质为水且流速为0.4m/s时，通过改变各部分的结构参数，至少有1个脉动流管内不能生成脉动流，且其余脉动流管内生成脉动流强度(通过设立监测点，检测流体速度，以流速变化的幅值表征脉动流的强度。)的最大相对误差高于14.5％，脉动流频率最大相对误差高于5.0％。此外，通过管道阀门调节进入脉动管的流体流量，不能解决上述问题。

CN105135931A公开的换热器内弹性管束振动诱导的均布式脉动流发生装置，采用下述技术方案：该装置，包括竖管、分支弯管、导流管、脉动流管、扰流体和壳程进水管；竖管上分布有间距一致的分支弯管，每个分支弯管上连接有导流管，导流管上连接脉动流管，脉动流管上设置有扰流体；壳程进水管设置在竖管的底端。使用时，将上述均布式脉动流发生装置的一端固定在换热器的上封头上，一端悬置于换热器底部。通过控制进入竖管的流体流量，可以在各脉动流管出口生成均匀一致的且具有一定频率和强度的脉动流。当脉动流的频率接近弹性管束的某阶固有频率时，可以诱导弹性管束按该阶固有频率所对应的阵型振动。当流速较低时，生成脉动流的频率和强度较低，可以诱导弹性管束以低阶固有频率及其所对应的阵型振动；当流速较高时，生成脉动流的频率和强度较高，可以诱导弹性管束以高阶固有频率及其所对应的阵型振动。此外，在上述均布式脉动流发生装置的制造过程中，可根据换热器的实际使用情况，改变某个分支弯管、导流管和/或脉动流管的内径，或改变相应扰流体的尺寸和/或形状，可以控制该分支出口生成脉动流的频率和强度，从而控制所对应弹性管束的振动。

基于上述弹性管束换热器实际工程应用中存在的问题及现有用于弹性管束换热器振动诱导装置存在的不足，上述的弹性管束换热器都是单独采用脉冲管，即需要单独设置一根竖管来作为脉冲管，使得整个弹性管束换热器内部结构复杂，而且影响内部流体的流动，而且上述的弹性管束都是串联的结构，脉冲管设置在浮动质量块中，也无法高效的参与换热。因此需要对上述结构进行改进。

此外，熔融盐蓄热技术是将固态无机盐或混合无机盐加热融化，并通过熔融盐循环回路将存储的热量进行传递，从而实现熔融盐的蓄热传热功能。与传统的蓄热工质相比，熔融盐具有传热性能好、使用温度范围广(从几十到一千多摄氏度)、工作压力低、投资少等优点，被认为是一种理想的高温传热蓄热工质。近年来，随着太阳能光热发电、先进核能、余热利用以及区域供暖的快速发展，熔融盐作为一种有效的蓄热和传热介质得到了广泛应用。

熔盐蓄热罐是一种在太阳能光热发电或熔盐蓄热区域供热技术中重要的设备。但是这种蓄热罐存在体积大，熔盐耗量多，电加热或高温流体加热不均匀，熔盐蓄热时间较长等问题。虽然液态熔盐传热过程所对应的表面传热系数和水的对流传热特性相差不大，但是在熔盐罐内，熔盐的蓄热是依靠导热和自然对流过程来实现，必然存在蓄热过程所需时间较长，蓄热速度较慢等问题。如何提高基于熔融盐的蓄热和传热过程的强度，减少蓄热所需时间，是大型储能系统中必须要解决的问题。

因此，本发明同时提出了一种内置脉动管束换热组件的熔融盐蓄热罐。旨在通过对罐内熔盐施加振动，强化熔盐的导热过程，同时将对应的自然对流传热提升为强制对流传热，以提高熔盐的蓄热效率，缩短蓄热所需时间。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种新式结构脉动管束换热组件、换热器和熔融盐蓄热罐，能够快速提供换热，减少结垢，同时提高了加热效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种脉动管束换热组件，包括盘管、进口立管和出口立管，所述盘管为多个，每个盘管包括圆弧形的多根换热管，相邻换热管的端部连通，使多根换热管形成串联结构，并且使得换热管的端部形成换热管自由端，进口立管连接第一根换热管的进口，出口立管连接最后一根换热管的出口，所述进口立管通过脉动管连接第一根换热管的进口，所述进口立管的入口连接脉动流发生装置，用于在换热管内产生脉动流。

作为优选，所述脉动管从进口立管倾斜向上连接第一根换热管的进口。

作为优选，脉动管与进口立管通过焊接方式连接。

作为优选，进口立管的入口设置在进口立管的下端。

作为优选，所述的多个盘管是并联结构，具有独立的进口和出口。

作为优选，沿着进口立管的高度方向，所述脉动管设置为多个，从上向下方向，脉动管的管径不断变大。

作为优选，沿着进口立管的从上向下方向，脉动管的管径不断变大的幅度不断的增加。

作为优选，沿着进口立管的高度方向，所述脉动管设置为多个，从上向下方向，相邻脉动管的间距不断变小。

作为优选，沿着进口立管的从上向下方向，相邻脉动管之间的间距不断变小的幅度不断的增加。

一种换热器，所述换热器中设置至少一个如前面所述的种脉动管束换热组件。

作为优选，所述换热器是熔融盐蓄热罐。

作为优选，所述蓄热罐内设置多个脉动管束换热组件，其中一个设置在蓄热罐的中心换热组件和其它的形成围绕蓄热罐的中心分布的外围换热组件。

作为优选，外围换热组件的脉动流的流量小于中心换热组件的脉动流的流量。

作为优选，中心换热组件与外围换热组件的脉动流的流量的比例由外围换热组件中心与蓄热罐的中心的间距以及蓄热罐的内径来决定。

本发明具有如下优点：

1)进口立管通过脉动管连接第一根换热管的进口,省去了单独的脉动管，使得进口立管和脉动管合而为一，实现结构简单，控制方便，换热效率高的技术效果。

2)将脉动管沿着高度方向设置管径的大小的变化，使得脉动管根据高度实现不同的脉动流量，实现根据不同位置的需要强化换热效果不同，进一步有针对性的提高换热效果，减少结垢的形成。

3)将脉动管沿着高度方向设置间距的大小的变化，使得脉动管根据高度实现脉动流量的合适分配，实现根据不同位置的需要强化换热效果不同，进一步有针对性的提高换热效果，减少结垢的形成。

4)将脉动管束换热组件应用到熔融盐蓄热罐中，并将其按照中心环形分布方式进行排列，进一步提高熔融盐蓄热罐的蓄热效果，降低结垢。

5)将盘管内的多个脉动管束换热组件中的脉动流量按照不同的位置进行合理分布和优化，进一步提高脉动换热的技术效果。也为此种结构的熔融盐蓄热罐的设计提供了一个最佳的参考依据。

6)设计了新的熔融盐蓄热罐的换热系统，使得能够根据需要调整脉动流的流量以及是否开启脉动除垢模式，进一步提高了换热的智能化。

附图说明：

图1为本发明的脉动盘管结构简图。

图2为本发明的脉动流发生装置简图。

图3是本发明的脉动盘管组件简图。

图4是本发明的内置脉动盘管的熔融盐蓄热罐简图。

图5是本发明的内置脉动盘管的熔融盐蓄热罐俯视简图。

图6是本发明的熔盐蓄热罐工作过程的系统图。

图7是本发明熔盐蓄热罐内部换热组件的尺寸结构示意图。

图中：1.罐体，2.壳程出口，3.壳程入口，4.脉动盘管组件，5.支座，6－10脉动盘管组件，11.配重块，12.脉动盘管，13.脉冲管，14.管程进口立管，15.换热管，16.配重块，17.管程出口立管，18.蓄热罐，19.余热利用换热器，20.电磁泵，21.调节阀，22.旁通阀。

具体实施方式

图1-3展示了一种脉动管束换热组件6，所述组件包括盘管12、进口立管14和出口立管16，所述盘管12为多个，如图3所示，沿着高度方向设置多个，每个盘管12包括圆弧形的多根换热管15，相邻换热管15的端部连通，使多根换热管15形成串联结构，并且使得换热管的端部形成换热管自由端(图1设置承重块的位置)，所述多根换热管沿着同一个圆心从圆心向外部依次分布，进口立管14连接最外端的换热管的进口，出口立管17连接最内端的换热管15的出口，所述进口立管14通过脉动管13连接最外端换热管的进口，所述进口立管14的入口连接脉动流发生装置，用于在换热管15内产生脉动流，从而进一步促进弹性换热管束的振动，来进行强化传热，减少结垢。

所述的多个盘管12为并联结构，沿着进口立管14的高度方向设置。

所述流体从进口立管14的入口通过脉动管进入最外端换热管，在流体的流动以及脉动流的冲击下，换热管束产生振动，然后最外端换热管通过换热管内部的流动最后通过最内侧换热管的出口流道出口立管，最后通过出口立管流出。

相对于现有技术，本发明通过进口立管通过脉动管连接第一根换热管的进口,省去了单独的脉动管，使得进口立管和脉动管合而为一，实现结构简单，控制方便，换热效率高的技术效果。结合外部的脉动流发生装置，可以实现随时控制脉动流生成。

作为优选，所述脉动管13从进口立管14倾斜向上连接最外端换热管15的进口。通过如此倾斜设计，产生较低流速下的脉动流，获得较低频率的脉动流工况。获得较低流速下的受控脉动流。

作为优选，脉动管13与进口立管14通过焊接方式连接。

作为优选，所述进口立管16的入口方向位于进口立管16的下端。通过设置在下端，使得脉冲流从下端向上端流动，依次填充满盘管，能够保证脉动流充分填充满整个换热管内，减小换热短路。

作为优选，如图2所示，沿着进口立管14的高度方向，所述脉动管13设置为多个。沿着进口立管14的上端到下端的方向上，脉动管13的管径不断变大。因为在实验以及实践中发现，随着换热的不断的进行，越往下端，下端的换热管越容易结垢，因此通过此下端的管径分布的大一些，使得下端分配的脉动流的流量也越多，从而使得振动的频率也越大，除垢效果也越好，从而导致换热效果整体明显增强。

作为优选，沿着进口立管14的上端到下端的方向上，脉动管的管径不断变大的幅度不断的增加。因为在实验以及实践中发现，随着换热的不断的进行，从上往下，结垢的速度不是成正比分布，而是结垢的增加幅度也不断变大，因此通过此下端的管径变化幅度大一些，使得下端分配的脉动流的流量增加幅度也越多，从而使得振动的频率增加幅度也越大，除垢效果也越好，从而导致换热效果整体明显增强。

作为优选，沿着进口立管14的高度方向，所述脉动管13设置为多个，沿着进口立管14的上端到下端的方向上，脉动管13的间距不断变小。因为在实验以及实践中发现，随着换热的不断的进行，越往下端，换热效果越好，因此通过此下端的脉动管分布的密一些，使得下端分配的脉动流的流量也越多，从而使得振动的频率也越大，换热效果也越好，从而导致换热效果整体明显增强。

作为优选，沿着进口立管14的上端到下端的方向上，脉动管13之间的间距不断变小的幅度不断的增加。因为在实验以及实践中发现，随着换热的不断的进行，从上往下，换热效果增加的速度不是成正比分布，而是换热效果的幅度也不断变大，因此通过此下端的分布密度变化幅度大一些，使得下端分配的脉动流的流量增加幅度也越多，从而使得振动的频率增加幅度也越大，换热效果也越好，从而导致换热效果整体明显增强。

作为优选，沿着进口立管14的高度方向，所述盘管12设置为多个。

作为优选，本申请还要求保护一种换热器，如图4所示，所述换热器中设置至少一个如前面图1－3所述的种脉动管束换热组件。

作为优选，所述换热器是熔融盐蓄热罐。

作为优选，如图5所示，所述蓄热罐内设置多个脉动管束换热组件4－8，其中一个设置在蓄热罐的中心，成为中心换热组件6，其它的围绕蓄热罐的中心分布，成为外围换热组件7－10。通过如此结构设计，可以使得蓄热罐内流体充分达到震动目的，提高换热效果。

作为优选，外围换热组件7－10的脉动流的流量小于中心蓄热罐6的脉动流的流量。通过如此设计，使得中心达到更大的震动频率，形成中心振动源，从而影响四周，达到更好的强化传热和除垢效果。

作为优选，同一水平换热截面上，流体要达到均匀的振动，避免换热分布不均匀。因此需要通过合理分配不同的换热组件中的脉动流量的大小。通过实验发现，中心换热组件与外围管束换热组件的脉动流的流量的分配比例与两个关键因素相关，其中一个就是外围换热组件与蓄热罐中心之间的间距(即外围换热组件的圆心与中心换热组件的圆心的距离)以及蓄热罐的直径相关。因此本发明根据大量数值模拟和实验，优化了最佳的脉动流量的比例分配。

蓄热罐为圆形截面，内壁半径为R，所述中心换热组件的圆心设置在蓄热罐圆形截面圆心，外围换热组件的圆心距离蓄热罐圆形截面的圆心的距离为L，相邻外围换热组件的圆心分别与圆形截面圆心进行连线，两根连线形成的夹角为A，单个外围换热组件的脉动流量为M2，中心换热组件的脉动流量为M1，则满足如下要求：

M1/M2＝a*(R/L)²-b*(R/L)+c；

a,b,c是系数，其中0.107<a<0.109,0.574<b<0.575,2.94<c<2.95；

作为优选，1.25<R/L<2.21；优选，1.26<R/L<2；

作为优选，2<M1/M2<2.5。优选，2.2<M1/M2<2.4；

作为优选，其中35°<A<80°。

作为优选，四周分布数量为4－5个。

作为优选，R为2000－3000毫米，优选是2500mm；L为1200－2400毫米，优选为1800mm；换热管的直径为12－20毫米，优选16mm；脉动盘管的最外侧直径为500－700毫米，优选600mm。立管的管径为100－116毫米，优选108毫米，立管的高度为1.8-2.2米，优选为2米,相邻的脉冲管的间距是80－120mm。优选100毫米左右。

总加热功率优选为5000-8000W，进一步优选为6500W。

进一步优选，a＝0.108,b＝0.5747,c＝2.9445。

图5为内置脉动盘管的熔融盐蓄热罐总体方案简图。罐体内壳侧空间为熔融盐。完成蓄热后的熔融盐自罐体1顶部的壳程出口2流入到熔融盐换热设备，自罐体下端的壳程出口3流回到熔盐罐。罐内布置了五组脉动盘管组件，借助管内脉动流诱导形成的振动实现强化液态熔盐的传热过程。支座5需要根据实际情况进行设计，通常为便于排盐，也可以将罐体1部分置于地面以下。

脉动盘管12通过螺纹与脉冲管11进行连接。连接后的脉动盘管能够在脉动流的诱导下，进行可控振动。振动的频率和振幅是由脉动流的频率以及脉动盘管的结构特征共同确定。

图1为脉动盘管结构简图。脉动盘管用换热管15通过配重块11,16进行连接，形成一个完整的管程回路。同时换热管15的材质通常为不锈钢、铜管等。所用管材的、换热管15的弯曲半径、尺寸等参数直接决定了脉动盘管的振动特性，需要根据管外熔盐的类别和工作温区进行匹配设计。

图6为熔盐蓄热罐工作过程的系统图。智能控制的脉动管束换热组件熔融盐蓄热系统，包括蓄热罐18、脉动发生装置20、脉动管束换热组件、调节阀21和旁通阀22，所述脉动管束换热组件设置在蓄热罐内，并且与脉动发生装置连接；脉动发生装置通过入口管路连接脉动管束换热组件的入口，脉动管束换热组件的出口通过出口管路连接脉动发生装置，脉动发生装置和蓄热罐之间的入口管路上设置调节阀，旁通管路设置在出口管路和入口管路之间，所述旁通管路在入口管路的连接点位于调节阀与蓄热罐。

蓄热罐18内布置的脉动盘管所需管内工质通常为高温水，可以由现场制作的余热利用换热器19发生。高温水经过电磁泵20，产生脉动流。管路上配置的调节阀21，用于调节脉动流的产生的时间和发生强度，从而诱导和控制脉动盘管实现预期振动，实现管束的振动强化换热，提高换热效率。配置的旁通阀22，适用于不需要脉动流振动工况。这种设计能够减少固态熔盐对脉动盘管的振动破坏作用。

所述系统还包括控制器，电磁泵、调节阀21、旁通阀22与控制器进行数据连接，所述控制器可以控制电磁泵频率的大小以及调节阀21、旁通阀22的开闭和幅度大小。

正常工作情况下，调节阀21关闭，旁通阀22打开，流体正常进入熔盐蓄热罐，通过流体的流动冲击脉动管束振动。当需要进行振动除垢或者提高换热效果的时候，例如换热效率下降，此时控制器控制旁通阀关闭，调节阀21打开，控制器控制电磁泵产生脉动流。

当然作为优选,可以一直采用脉动流的方式进行换热.

控制器可以根据需要控制脉动流的大小。例如当换热组件振动噪音过大，控制器自动控制脉动流的频率或者流量减小，避免设备损坏。

通过上述的智能控制，可以实现脉动流产生以及产生的频率和速度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种换热器，所述换热器包括脉动管束换热组件，脉动管束换热组件包括盘管、进口立管和出口立管，所述盘管为多个，每个盘管包括圆弧形的多根换热管，相邻换热管的端部连通，使多根换热管形成串联结构，并且使得换热管的端部形成换热管自由端，进口立管连接第一根换热管的进口，出口立管连接最后一根换热管的出口，其特征在于，所述进口立管通过脉动管连接第一根换热管的进口，所述进口立管的入口连接脉动流发生装置，用于在换热管内产生脉动流；所述脉动管束换热组件设置在换热器内，并且与脉动发生装置连接；脉动发生装置通过入口管路连接脉动管束换热组件的入口，脉动管束换热组件的出口通过出口管路连接脉动发生装置，脉动发生装置和换热器之间的入口管路上设置调节阀，旁通管路设置在出口管路和入口管路之间，所述旁通管路在入口管路的连接点位于调节阀与换热器之间，所述换热器还包括控制器，脉动发生装置、调节阀、旁通阀与控制器进行数据连接，所述控制器可以控制脉动发生装置频率的大小以及调节阀、旁通阀的开闭；正常工作情况下，调节阀关闭，旁通阀打开，流体进入换热器进行换热；当需要进行振动除垢或者提高换热效果的时候，此时控制器控制旁通阀关闭，调节阀打开，控制器控制脉动发生装置产生脉动流。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述脉动管从进口立管倾斜向上连接第一根换热管的进口。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，脉动管与进口立管通过焊接方式连接。

4.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器是熔融盐蓄热罐。

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