CN110388678A - 一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统 - Google Patents

一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，包括加热导热油并蓄热装置、供热装置和中央处理器；中央处理器分别与加热导热油并蓄热装置和供热装置连接，加热导热油并蓄热装置包括储油罐，储油罐内设置有管壳式换热器，管壳式换热器螺旋设置在导热油中，并与供热系统连接，用于对储油罐中的储热介质进行换热实现出口工况的稳定控制和输出，中央处理器用于实现自动控制。本发明将在用电低谷时段被加热的导热油的热量在其他时段释放并加热空气形成热风，不仅可以有效地利用低谷电价低的优势，还能利用自动控制系统实现出口热风工况的稳定控制和输出。

Description

一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统
技术领域
本发明属于供热技术领域，具体涉及一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统。
背景技术
随着国民经济的发展，人民生活水平的提高，我国特别是沿海地区用电结构发生了较大变化。当前存在着较大的用电问题：用电高峰时电力不足且用电峰谷差过大。针对这些问题，电业部门一方面加快电力建设的步伐，另一方面提出“削峰填谷”的政策以充分利用电力资源。目前，各地区电业部门纷纷公布用电政策和“峰谷分时电价”，以经济手段推动电力资源的充分利用。
针对低谷电价较低的优势，利用低谷电加热导热油以实现产热并蓄热，在用电高峰时释放热量是一种新型蓄热式系统。目前市场是存在的储热式低谷电加热的两种技术分别为储热式低谷电加热导热油热风炉技术和低谷电加热固体储热式供热机组技术。其中低谷电加热导热油炉是利用峰、谷、平电价差，在夜间用电低谷时段，将导热油加热到300℃，并以热能形式储存在储油罐内，供白天峰电或平电时段使用，以达到完全避峰、平电时段的用电量，在需要热量的时候将用电低谷时段的储存的热量通过导热油释放出来，导热油温在150-300℃可调，满足企业生产所需热量，并达到节约运行费用和避峰用电的目的。
在高温段(250～1000℃)通过储热材料实现热能的存储、释放，可以有效的解决能量需求与供应不匹配的现象，即高温储热技术，提高能源利用率。目前高温储热技术主要应用于太阳能热发电、建筑节能、航天技术、工业废热余热回收利用和电力上的“移峰填谷”等领域，并在全世界范围了得到了认可。
高温蓄热供热机组是利用夜间(23:00～7:00共8小时)价格较低的低谷电将储热介质加热到高温实现热量的储存，并在用电高峰期通过自控装置将热量按需释放，以达到“移峰填谷”、降低设备运行成本的效果。高温蓄热供热机组在技术上的重大突破在于采用液体储热材料一体化结构设计，将加热、储热、换热、供热及控制功能组合在一起，形成一台常压供热机组。
在市场上，这种储热材料主要是液相的导热油，包括燃气导热油锅炉和电加热导热油锅炉，其两种导热油系统流程基本相似：先将导热油存储在储油罐中，然后用循环泵将导热油送至电加热器(或者热油炉)中加热至所需温度后，将其供给各用热设备，然后经油气分离器，排除导热油中的气体和杂质后，最后再返回电加热器中加热，循环利用下去。其主要的设备有储油罐、循环泵、电加热器(热油炉)、热用户、油气分离器、膨胀槽等设备。
导热油系统分为开式和闭式。开式系统指系统中导热油与大气有接触的系统，闭式系统指系统中导热油与大气无接触的系统。从安全方面考虑往往采用闭式系统，因为如果导热油有毒，闭式系统不仅避免了导热油与空气中氧气的接触降低了导热油被氧化的风险，同时有效地控制了导热油有毒物质与外界的接触，减轻了对环境的影响。
低谷电加热导热油热风炉技术在经济性上具有良好而广阔的前景，在我国的发展已经具备了可行性和必要性，在整个热量利用系统中，换热器的作用是将导热油的热量置换到其他地方，因此换热器是整个系统的关键部分。现阶段换热器的类型与结构不能很好地与各种工作场合相适应，同时在复杂地形中不能提供满足工作需要的换热面积。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，将在用电低谷时段被加热的导热油的热量在其他时段释放并加热空气形成热风，不仅可以有效地利用低谷电价低的优势，还能利用自动控制系统实现出口热风工况的稳定控制和输出。针对我国现有的能源配置问题，开发了有效利用低谷电进行制热并蓄热、峰值释热的蓄热式系统技术，完成电力上的移峰填谷。
本发明采用以下技术方案：
一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，包括加热导热油并蓄热装置、供热装置和中央处理器；中央处理器分别与加热导热油并蓄热装置和供热装置连接，加热导热油并蓄热装置包括储油罐，储油罐内设置有管壳式换热器，管壳式换热器螺旋设置在导热油中，并与供热系统连接，用于对储油罐中的储热介质进行换热实现出口工况的稳定控制和输出，中央处理器用于实现自动控制。
具体的，管壳式换热器为全封闭结构，空气在管侧流动，导热油在壳侧流动。
具体的，加热导热油并蓄热装置包括注油泵、缓冲罐和氮气，注油泵与储油罐连接，储油罐的顶部设置有两路排气管线，一路接氮气，另一路经缓冲罐与注油泵连接。
进一步的，缓冲罐内设置有液位自动检测装置，液位自动检测装置与中央处理器连接。
具体的，供热系统包括风机，风机与管壳式换热器的进口端连接。
具体的，供热系统还包括送风旁路，送风旁路与管壳式换热器的出口连接。
进一步的，管壳式换热器的出口处设置有第二温度检测装置，第二温度检测装置用于将出口工质温度反馈给中央处理器，当出口风温度高于设计温度时，中央处理器调节送风旁路补充冷工质与热工质混合。
具体的，储油罐内沿储油罐的中轴安装有搅拌器，搅拌器经电动机与中央处理器连接，当出口风温度低于设计温度时，中央处理器调节搅拌器增加导热油一侧换热系数。
具体的，储油罐的底部设置有电加热器，电加热器通过第一温度检测装置与中央处理器连接，第一温度检测装置将检测的导热油的温度发送至中央处理器调节搅拌器的转速；在用电低谷以外的时段，电加热器关闭，储油罐中的高温导热油在注油泵1的驱动下通过换热器与由供热系统的风机驱动的低温空气进行换热，将空气加热到预定的温度并排出热风，实现出口工况的稳定控制和输出。
具体的，储油罐内还设置有用于监测油压的压力检测装置，压力检测装置与中央处理器连接用于控制安全阀排气。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，将导热油储油罐、导热油电锅炉、热风换热器三者整合为一套设备，系统更加紧凑，在满足设计要求下减少了设备占地面积和材料使用量，通过螺旋管式换热器的冷风与高温导热油进行换热，使得出口工质为具有设计温度的热风，通过在高温时混入冷风、低温时强化传热以实现出口热风工况的稳定控制和输出。
进一步的，导热油密度较大且黏度相对较高，在螺旋管内流动会存在较大的流动阻力，且此时重力对循环的帮助较小，因此令其在壳侧流动且流向为竖直向下，使其流动阻力较小，避免了换热器内压力过高和流动阻力过高的问题，提高了导热油的循环速率，避免了由于热工质速度较慢而引起的局部温度过高的问题。空气的黏度相对较低，令其在螺旋管流动，相比导热油在管内的流动，空气在壁面上形成的边界层更薄，流动阻力更小，较快的流动速率能使空气侧的换热系数相比在管内流动的情况有所提高，使得传热过程中热阻最高的部分热阻降低，大大提高换热器的传热系数。
进一步的，电加热导热油并蓄热装置可利用低谷电价较低的优势，利用低谷电加热导热油以实现产热并蓄热。将电能转化为热能储存在导热油中，并且在用电高峰期将其释放出来，达到了避峰用电，提高了用热企业的生产效益。
进一步的，在缓冲罐中设置液位自动检测装置可实时监测并控制其内部液位，保证其内部液位处在合理水平，使其能向系统提供稳定的基础压头，保证循环泵工作的稳定可靠。同时液位自动检测装置可使其中液相与气相的比例保持一个合理的水平，使得缓冲罐能稳定连续地将气体排出系统并回收导热油，提高了系统的效率及使用寿命。
进一步的，在用电高峰期，即电价较高的时段，用热企业关闭电加热蓄热系统并开启导热油供热系统，利用在电价较低时段储存的热量加热空气形成热风以供企业使用，降低了用热成本，提高了经济效益。
进一步的，送风旁路可根据出口热风温度的反馈数据进行调节流量，以达到控制出口热风温度，这有效地解决了由于导热油放热速率不恒定而造成出口工质参数变化的问题。
进一步的，增加了温度的监测系统及自动控制装置，当出口风温度高于设计温度时，温度检测装置将出口温度反馈给中央处理器，自动控制装置调节送风旁路补充冷风的调节风门，使得冷风与热风进行混合，控制出口空气温度维持在设计温度左右。由于导热油在工作过程中，温度会逐渐降低，从而影响出口风的温度。
进一步的，当气体聚集到一定量时压力检测装置将出口压力反馈给中央处理器，控制安全阀排气，使得储油罐罐体内维持稳定的运行参数。
综上所述，本发明将导热油储罐、导热油电锅炉、热风换热器三者整合为一套设备，不仅系统更加紧凑，在满足设计要求下减少了设备占地面积和材料使用量，并且其制造成本及运行成本大大降低，具有极佳的市场前景。出口热风温度自动控制系统充分考虑了导热油放热前后期温度变化对出口热风工况的影响，通过混入冷风和强化传热两种控制方式维持出口热风的温度在指定温度范围内。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
图2为本发明管壳式换热器设置示意图。
其中：1.注油泵；2.缓冲罐；3.搅拌器；4.氮气；5.管壳式换热器；6.电加热器；7.储油罐；8.风机。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，包括加热导热油并蓄热装置、供热装置和中央处理器，加热导热油并蓄热装置包括注油泵1、缓冲罐2、搅拌器3、氮气4、管壳式换热器5、电加热器6和储油罐7，供热装置包括风机8和送风旁路，管壳式换热器5为螺旋管式，设置在储油罐7内与风机8连接，用于对储热罐中的储热介质进行换热实现出口工况的稳定控制和输出，中央处理器分别与加热导热油并蓄热装置和供热装置连接用于实现自动控制。
请参阅图2，管壳式换热器5螺旋设置在导热油中，管壳式换热器5中管内的导热油受重力与循环泵压头的作用向下运动，此时重力可以辅助循环泵的作用，达到节能的目的；而空气由于其自身密度较小，重力对其影响不大，因此在换热器中整体的流向是向上的，与导热油形成逆流，此时相比顺流提高了平均传热系数，减少了换热器的换热面积。
注油泵1与储油罐7连接，管壳式换热器5设置在储油罐7的中下部，风机8与管壳式换热器5的进口端连接，送风旁路与管壳式换热器5的出口端连接，储油罐7的顶部连接有排气管线，排气管线分两路，一路与氮气4的管路连接，另一路经缓冲罐2与注油泵1连接，缓冲罐2内设置有液位自动检测装置，液位自动检测装置与中央处理器连接。
沿储油罐7的中轴安装有搅拌器3，搅拌器3包括多个，分别设置在管壳式换热器5的上方和下方，分别通过电动机与中央处理器连接，储油罐7的底部设置电加热器6，电加热器6包括多个且对称设置，管壳式换热器5下方的搅拌器3位于多个电加热器6之间，电加热器6通过第一温度检测装置与中央处理器连接，用于检测电加热器6周围导热油的温度，储油罐7内还设置有用于监测油压的压力检测装置，压力检测装置与中央处理器连接，管壳式换热器5的出口处设置有第二温度检测装置，第二温度检测装置与中央处理器连接，用于监测管壳式换热器5的出口工质温度，中央处理器根据管壳式换热器5出口工质温度控制搅拌器3工作。
在用电低谷以外的时段，电加热器6关闭，储油罐7中的高温导热油在注油泵1的驱动下通过螺旋管式管壳式换热器5与由风机8驱动的低温空气进行换热，将空气加热到预定的温度并排出热风，实现出口工况的稳定控制和输出。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，将导热油注入到储油罐7中，在用电低谷时段，储油罐7内的导热油由注油泵1提供循环动力，由电加热器6对其进行加热升温，此时，搅拌器3用于使导热油的温度分布均匀；
工作前，储油罐7中充满氮气4，壁面容器内部被空气接触氧化，氮气4经过排气管进入缓冲罐2，再排入大气中。
缓冲罐2的主要作用是冷凝导热油蒸汽，当冷凝的导热油过多时，注油泵1会将缓冲罐2中的导热油泵入储油罐8中。
当导热油在启动升温过程中，特别是初次投入运行，由于导热油自身残留水分等原因，会产生大量水蒸汽、空气及其它低沸点挥发物，借助缓冲罐2上的大气管将气体排到系统外，以确保系统正常可靠运行。
导热油开始加热蓄热时，由于电加热器6周围会出现局部高温，导致导热油分解，因此第一温度检测装置将温度数值反馈给中央处理器调节搅拌器3的转速，使得电加热器6周围的高温导热油与低温导热油充分混合换热，使得温度分布均匀。若是在初次投入运行的情况下系统启动升温，由于导热油自身残留水分等原因，会产生大量水蒸汽、空气及其它低沸点挥发物，借助排气管，由缓冲罐2上的大气管将气体排到系统外，以确保系统正常可靠运行。
在储油罐7导热油吸热的过程中，储油罐7内设有监测油压的压力检测装置，压力检测装置与中央处理器连接，时刻检测储油罐7内的参数变化。对导热油进行加热的时候，第一温度检测装置会及时检测出导热油的温度，当导热油局部升温速率过大时，通过中央处理器自动控制系统自动调节搅拌器3的转速，使得导热油温度分布均匀。
在导热油加热过程中，导热油内可能存在不稳定因素，导致气体的产成。当气体聚集到一定量时压力检测装置将出口压力反馈给中央处理器，控制安全阀排气，使得储油罐7罐体内维持稳定的运行参数。
换热前期的导热油温度较高，会导致出口热风温度会偏高。当出口风温度高于设计温度时，管壳式换热器5出口处设置的第二温度检测装置将出口温度反馈给中央处理器，自动控制装置调节旁路补充冷风的调节风门，使得冷风与热风进行混合，控制出口空气温度维持在设计温度左右。
导热油在工作过程中，温度会逐渐降低，在导热油放热中后期，温度较低的导热油不能满足使空气温度达到设计温度所需的换热量，从而影响出口风的温度，此时出口热风温度会低于设计温度，第二温度检测装置将出口温度反馈给中央处理器，自动控制装置控制电动机转速以调节导热油搅拌器3的转速，用于对进入导热油热流体进行扰流，增加管壳式换热器5中导热油一侧换热系数，以提高管壳式换热器传热系数，提高传热量，最终使得热风温度提高。
由于放热过程中导热油的温度在不断变化，前期导热油温度较高时，通过空气管路的旁路向主路混入冷风以使高于指定温度的热风温度降低到指定温度；中后期导热油温度较低时，通过搅拌器3搅拌导热油以增加管侧表面传热系数，提高管壳式换热器的传热系数，传热量提高则空气管路出口热风温度提高，通过调节搅拌机3的转速控制出口热风温度维持在预定值附近。
综上所述，本自动控制系统通过在高温时混入冷风、低温时强化传热以实现出口热风工况的稳定控制和输出。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，包括加热导热油并蓄热装置、供热装置和中央处理器；中央处理器分别与加热导热油并蓄热装置和供热装置连接，加热导热油并蓄热装置包括储油罐(7)，储油罐(7)内设置有管壳式换热器(5)，管壳式换热器(5)螺旋设置在导热油中，并与供热系统连接，用于对储油罐(7)中的储热介质进行换热实现出口工况的稳定控制和输出，中央处理器用于实现自动控制。
2.根据权利要求1所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，管壳式换热器(5)为全封闭结构，空气在管侧流动，导热油在壳侧流动。
3.根据权利要求1所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，加热导热油并蓄热装置包括注油泵(1)、缓冲罐(2)和氮气(4)，注油泵(1)与储油罐(7)连接，储油罐(7)的顶部设置有两路排气管线，一路接氮气(4)，另一路经缓冲罐(2)与注油泵(1)连接。
4.根据权利要求3所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，缓冲罐(2)内设置有液位自动检测装置，液位自动检测装置与中央处理器连接。
5.根据权利要求1所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，供热系统包括风机(8)，风机(8)与管壳式换热器(5)的进口端连接。
6.根据权利要求1或5所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，供热系统还包括送风旁路，送风旁路与管壳式换热器(5)的出口连接。
7.根据权利要求6所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，管壳式换热器(5)的出口处设置有第二温度检测装置，第二温度检测装置用于将出口工质温度反馈给中央处理器，当出口风温度高于设计温度时，中央处理器调节送风旁路补充冷工质与热工质混合。
8.根据权利要求1所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，储油罐(7)内沿储油罐(7)的中轴安装有搅拌器(3)，搅拌器(3)经电动机与中央处理器连接，当出口风温度低于设计温度时，中央处理器调节搅拌器(3)增加导热油一侧换热系数。
9.根据权利要求1所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，储油罐(7)的底部设置有电加热器(6)，电加热器(6)通过第一温度检测装置与中央处理器连接，第一温度检测装置将检测的导热油的温度发送至中央处理器调节搅拌器(3)的转速；在用电低谷以外的时段，电加热器(6)关闭，储油罐(7)中的高温导热油在注油泵1的驱动下通过换热器(5)与由供热系统的风机(8)驱动的低温空气进行换热，将空气加热到预定的温度并排出热风，实现出口工况的稳定控制和输出。
10.根据权利要求1所述的导热油炉耦合螺旋管式换热器集成蓄热供热系统，其特征在于，储油罐(7)内还设置有用于监测油压的压力检测装置，压力检测装置与中央处理器连接用于控制安全阀排气。
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