CN110765645B - 内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及储能技术领域，具体涉及一种内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，通过在压缩空气储能换热系统中的空气管道中设置一种变径螺旋管，拟定变径螺旋管的一种管径规格和相邻盘绕圆周的管径截面中心连线与空气管道的径向截面之间的夹角α，考虑在空气管道的规格、降温需求、热量损失条件一定的情况下，在满足降温所需的换热面积时，判断变径螺旋管能否按照两种不同直径的圆周盘绕并被容纳在空气管道内；判断为是时得出设计结果，判断为否时重新拟定变径螺旋管的管径规格或夹角α再次依步骤计算。通过在空气管道内设置前述的变径螺旋管，缓解现有的压缩空气储能换热系统中管壳式换热器占地面积大、换热储能效率低的问题。

Description

内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法

技术领域

本申请涉及储能技术领域，具体而言，涉及一种内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法。

背景技术

先进绝热压缩空气储能技术，因储热环节的存在，使压缩空气储能具备多能流输入和输出的特点，可在综合能源利用中扮演枢纽角色。该储热方式具有极大的环境友好性和技术领先性。目前，压缩空气的储换热过程均为管壳式换热器，管壳式换热气采用空气在换热弯管内流动、换热介质在管外流动的换热方式，这样会导致空气换热后压力损失较大，从而降低系统效率。且管壳式换热器存在占地面积大、结构复杂的缺陷。

发明内容

本申请旨在提供一种内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，用于解决现有压缩空气的储换热过程中管壳式换热器占地面积大、空气换热压力损失大、换热效率低的问题。

本申请的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，其目的在于将变径螺旋管沿空气管道的输送方向设置于所述空气管道内，其中所述变径螺旋管按照直径不等的两种圆周螺旋盘绕而成，所述变径螺旋管用于输送换热工质，所述设计方法包括以下步骤：

S101：根据空气的输入温度T_{air in}、需要达到的空气的输出温度T_{air out}及热损失系数a，计算所述空气管道中空气与换热工质之间的传热量Q；

S102：根据空气的输入温度T_{air in}、空气的输出温度T_{air out}和换热工质的输入温度T_{l in}及换热工质的输出温度T_{l out}，计算对数传热温差ΔT；

S103：根据所述空气管道的内径D_{air in}，确定所述变径螺旋管的较大盘绕直径D₁；

S104：拟定所述变径螺旋管的外径D_t和内径D_tin，并拟定相邻两个圆周的管径中心截面中心连线与空气管路径向截面之间的夹角α，根据所述变径螺旋管的外径D_t查表确定相邻两个圆周上的管径截面的中心距S，进而得到变径螺旋管的较小盘绕直径D₂；

S105：根据变径螺旋管的外径D_t、内径D_tin、空气和换热工质的物理参数，计算变径螺旋管的总传热系数k；

S106：根据总传热系数k、传热量Q、对数传热温差ΔT计算所需的换热面积A，根据换热面积A和变径螺旋管的内径D_tin计算出所需的变径螺旋管的长度L_t；

S107：根据变径螺旋管的长度L_t、较大盘绕直径D₁、较小盘绕直径D₂和中心距S计算变径螺旋管的盘绕高度H；

S108：判断高度H是否小于等于空气管道的长度L；

S109：若步骤S108中判断结果为否，则重新拟定变径螺旋管的外径Dt和内径D_tin，或重新拟定所述夹角α，并重复步骤S104～S108直至判断结果为是。

本申请提供的内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法的思路是通过在压缩空气储能换热系统中的空气管道中设置一种变径螺旋管，拟定变径螺旋管的一种管径规格及其相邻圆周管径截面中心连线与空气管道径向截面之间的夹角α，考虑在空气管道的规格、降温需求、热量损失条件一定的情况下，该拟定规格的变径螺旋管在满足降温所需的换热面积A时，判断其能否按照两种不同直径的圆周盘绕并被容纳在空气管道内；判断为是时得出设计结果，判断为否时重新拟定变径螺旋管的管径规格，或者重新拟定夹角α，再次依步骤计算。

通过在压缩空气储能换热系统中的空气管道内设置按照两种不同直径的圆周盘绕的变径螺旋管，在空气管道的输送方向上，变径螺旋管的变径结构能够增加空气扰动，提高空气侧的换热效率，进而提高整个换热管及换热系统的换热效率，整个换热管结构紧凑，缓解现有的压缩空气储能换热系统中管壳式换热器占地面积大、换热储能效率低的问题。

在本申请的一种实施例中，前述步骤S101中，根据空气的质量流量q_mg、空气的定压比热C_pg，利用公式Q_air＝C_pg·q_mg·(T_{air in}-T_{air out})计算空气在空气管道中的放热量Q_air；根据空气管道的热损失系数a，计算得到所述传热量Q为Q＝Q_air*a。

在本申请的一种实施例中，前述步骤103中，拟定变径螺旋管与空气管道之间的间隙x，根据空气管道的内径D_{air in}和间隙x确定所述较大盘绕直径D₁＝D_{air in}-2·x。

在变径螺旋管和空气管道的内壁之间设置一个间隙x后，空气管道的通道内不容易形成空气阻隔，保证空气流畅传输，稳定换热。

在本申请的一种实施例中，前述步骤S104中，利用所述夹角α和所述中心距S，得到相邻两个圆周沿空气管道的径向上的间距S₂＝S·cosα；根据较大盘绕直径D₁，计算较小盘绕直径D₂＝D₁-2·S·cosα。

将中心距S和夹角α代入三角函数可得到大小两个圆周的水平间距S₁和径向间距S₂，由径向间距S₂和较大盘绕直径D₁可以进一步得到较小盘绕直径D₂。

在本申请的一种实施例中，在步骤S105中，根据换热工质的对流传热系数h_in、变径螺旋管与空气管道之间的对流传热系数h_out、变径螺旋管的管壁的导热热阻r_w及变径螺旋管内径D_tin和变径螺旋管外径D_t，利用公式

计算总传热系数k。

在本申请的一种实施例中，前述的物理参数包括换热工质的雷诺数Re、导热系数λ_l，和空气的普朗特常数Pr，所述换热工质的对流传热系数h_in为

在本申请的一种实施例中，根据换热工质的雷诺数Re、导热系数λ_l，和空气的普朗特常数Pr，及变径螺旋管的外径D_t，计算所述变径螺旋管与空气管道之间的对流传热系数h_out为

/>

在本申请的一种实施例中，在步骤S106中，根据公式

得到换热面积A，根据公式/>

得到变径螺旋管的长度L_t。

换热工质在变径螺旋管内流动，变径螺旋管提供的换热面积就是其内表面积，其内表面积可以通过内表面圆周周长和整根变径螺旋管的长度得到，因此在已知内表面积的情况下可以反推得到变径螺旋管的长度L_t。

在本申请的一种实施例中，前述步骤S107中，根据所述夹角α和所述中心距S，得到相邻两个圆周沿空气管道的输送方向上的间距S₁＝S·sinα，利用公式

计算变径螺旋管的盘绕高度H。

由于相邻两个圆周的长度可以视作大小两种盘绕直径的周长之和，根据前面得出的水平间距S₁，较大盘绕直径D₁、较小盘绕直径D₂和变径螺旋管的长度L_t，即可得出盘绕高度H。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的设计方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的变直径螺旋换热管的立体结构示意图；

图3为本申请实施例提供的变径螺旋管的立体结构示意图；

图4为本申请实施例提供的沿空气管道的轴向剖切的变直径螺旋换热管剖面图；

图5为图4中IV部分的放大图；

图6为本申请实施例提供的第一排列方式的示意图；

图7为本申请实施例提供的第二排列方式的示意图；

图8为本申请实施例提供的第三排列方式的示意图。

图标：100－变直径螺旋换热管；10－空气管道；11－空气进口；12－空气出口；20－变径螺旋管；21－换热工质进口；22－换热工质出口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例

本申请提供一种沿空气管道10的输送方向布置变径螺旋管20的方法，以形成图2中所示的变直径螺旋换热管100，该变直径螺旋换热管100包括空气管道10和变径螺旋管20，其中变径螺旋管20是按照直径不等的两种圆周沿空气管道10的输送方向螺旋盘绕在空气管道10内。图3示出了变径螺旋管20的立体结构示意图，图4示出了变直径螺旋换热管100的沿空气管道10的轴向剖切的结构示意图。

空气从空气进口11进入，沿空气管道10的轴向流动至空气出口12输出。换热工质从换热工质进口21进入，沿变径螺旋管20流动至换热工质出口22输出。空气的流向与换热工质的流向反向布置，也可以说是逆流换热布置。

整个变直径螺旋换热管100结构紧凑，在空气管道10的输送方向上，变径螺旋管20的变径结构能够增加空气扰动，提高空气侧的换热效率，进而整个变直径螺旋换热管100的换热效率相对于现有技术有所提高，缓解现有的管壳式换热器占地面积大、换热储能效率低的问题。

本申请提供的变直径螺旋换热管100的设计方法的思路是通过拟定变径螺旋管20的一种管径规格(包括内径D_tin和外径D_t)，并拟定相邻两个圆周的管径中心截面中心连线与空气管路径向截面之间的夹角α，然后考虑在空气管道10的规格(包括内径D_{air in}、厚度和长度L)、降温需求、热量损失条件一定的情况下，该拟定规格的变径螺旋管20在满足降温所需的换热面积A时，其能否按照两种不同直径的圆周盘绕并被容纳在空气管道10内；判断为是时得出设计结果，判断为否时重新拟定变径螺旋管的管径规格再次依步骤计算。

设计步骤如图1所示，包括：

S101：计算所述空气管道10中空气与换热工质之间的传热量Q。

(1)在实际中，空气的输入温度T_{air in}、需要达到的空气的输出温度T_{air out}已知，本领域技术人员知晓在现有空气管道10中空气的质量流量q_mg、空气的定压比热C_pg，利用热力学公式可以得到空气在空气管道10中的放热量Q_air，即Q_air＝C_pg·q_mg·(T_{air in}-T_{air out})。

(2)根据空气管道10向外散失的热量，考虑热损失系数a，则可以得到总传热量Q，即Q＝Q_air·a。

可选地，热损失系数a为0.98。

S102：计算对数传热温差ΔT。

(1)本领域技术人员知晓换热工质的定压比热C_pl和质量流量q_ml，由于换热工质的输入温度T_{l in}已知，则换热工质的输出温度根据

得出。

(2)对数传热温差主要由换热的冷热流体两端的温差决定，前面已经说过，本申请中采用逆流换热布置，即换热工质进口和空气出口处于同一侧。则，空气的输出温度T_{air out}和换热工质的输入温度T_{l in}之间的温差的取绝对值ΔT₁＝|T_{air out}-T_{l in}|；同理换热工质出口和管道空气进口处于同一侧，换热工质的输出温度T_{l out}和空气的输入温度T_{air in}之间的温差取绝对值ΔT₂＝|T_{air in}-T_{l out}|。取ΔT_max为ΔT₁和ΔT₂中的较大者，取ΔT_min为ΔT₁和ΔT₂中的较小者，则对数传热温差ΔT可由下式进行计算：

/>

S103：确定所述变径螺旋管20的较大盘绕直径D₁。

为了被容纳于空气管道10，变径螺旋管20的较大盘绕直径D₁应小于空气管道10的内径D_{air in}，当变径螺旋管20在较大盘绕直径的位置处刚好与空气管道10的内壁贴合时，容易造成空气阻隔，对空气传输和换热造成负面影响，因此在设置变径螺旋管20的较大盘绕直径D₁时需要考虑一个间隙裕度后得出。也就是在变径螺旋管20和空气管道10的内壁之间设置一个间隙x。

由于变径螺旋管20的盘绕直径的大小也与盘绕高度H的大小相关，间隙x的值越小则盘绕高度H越小，变径螺旋管20越容易被空气管道10容纳。为了兼顾盘绕高度H和空气传输换热效果，发明人在1mm～3mm的取值范围内设置该间隙x。1mm～3mm的间隙使得变径螺旋管20既不会形成空气阻隔影响空气传输换热，也对变径螺旋管20的盘绕高度H的影响较小。

因此，根据空气管道10的内径D_{air in}，考虑间隙x后，得到较大盘绕直径D₁，即D₁＝D_{air in}-2·x。

S104：拟定一种管径规格的变径螺旋管20，确定变径螺旋管20的较小盘绕直径D₂。

这里所说的变径螺旋管20的管径规格就是指前述的内径D_tin和外径D_t，步骤S104中主要用到外径D_t。

根据拟定的变径螺旋管20的外径D_t，查询《管壳式换热器GB151－1999》中提供的换热管中心距推荐表(第22页，5.6.3.2换热管中心距，表12)，即可得到对应的中心距S。

《管壳式换热器GB151－1999》中的换热管中心距推荐表的内容如下：

换热管中心距 mm

再拟定相邻两个盘绕圆周的管径截面中心连线与空气管道10的径向平面之间的夹角α，利用三角函数得出相邻两个盘绕圆周的盘绕间距和盘绕半径差值。

图4是变直径螺旋换热管100的沿空气管道10的轴向剖切的结构示意图，图5示出了图4的局部放大图，其中可见前述的夹角α。空气管道10的轴向也可以说是空气输送方向。

根据中心距S和夹角α，利用三角函数能够得出：

盘绕间距就是相邻的较大圆周和较小圆周沿空气管道10的输送方向上的间距(以下简称水平间距S₁)，S₁＝S·sinα；

盘绕半径差值就是相邻的较大圆周和较小圆周沿空气管道10的径向方向上的间距(以下简称径向间距S₂)，S₂＝S·cosα。

较小盘绕直径D₂为D₂＝D₁-2·S·cosα。

由于变径螺旋管20是以一定水平间距和径向间距按照直径不等的两种圆周螺旋盘绕而成，因此，如图5所示，任意三个连续的盘绕圆周的管径中心两两连线呈等腰三角形，为保证任意两个盘绕圆周的中心距S大于等于推荐值，夹角α的拟定值为：30°≤α＜90°。

可选地，夹角α被拟定为60°或45°或30°。

当夹角α被拟定为60°时，为图6所示的第一排列方式；

当夹角α被拟定为45°时，为图7所示的第二排列方式；

当夹角α被拟定为30°时，为图8所示的第三排列方式。

S105：计算变径螺旋管20的总传热系数k。

总传热系数k利用公式

计算。

总传热系数计算公式中换热工质的对流传热系数h_in，根据本领域技术人员知晓的换热工质的雷诺数Re、导热系数λ_l，和空气的普朗特常数Pr，及变径螺旋管的内径D_tin得出，为

总传热系数计算公式中，变径螺旋管20与空气管道10之间的对流传热系数h_out，根据本领域技术人员知晓的换热工质的雷诺数Re、导热系数λ_l，和空气的普朗特常数Pr，以及变径螺旋管20的外径D_t得出，为

总传热系数计算公式中，在变径螺旋管20的规格已知的情况下，管壁的导热热阻r_w为本领域技术人员知晓的。

S106：计算所需的变径螺旋管20的长度L_t。

换热工质在变径螺旋管20内流动，变径螺旋管20提供的换热面积就是其内表面积，其内表面积可以通过变径螺旋管20的内径和整根变径螺旋管20的长度得到，因此在已知内表面积的情况下可以反推得到变径螺旋管20的长度L_t，因此：

(1)根据总传热系数k、传热量Q、对数传热温差ΔT计算所需的换热面积A，

(2)根据换热面积A和变径螺旋管20的内径D_tin计算变径螺旋管20的长度L_t，

S107：计算变径螺旋管20的盘绕高度H。

由于每按照大小两种直径盘绕一次可得到一个水平间距S₁，故盘绕高度H与水平间距S₁的商为按照大小两种直径盘绕的次数n，即

又，相邻两个圆周的长度π·(D₁+D₂)可以视作大小两种盘绕直径的周长之和，故变径螺旋管20的长度L_t与π·(D₁+D₂)的商也可以得到按照大小两种直径盘绕的次数n，即

因此，建立等式得出盘绕高度H的公式

代入之前步骤中得到的水平间距S₁，较大盘绕直径D₁、较小盘绕直径D₂和变径螺旋管20的长度L_t即可得出盘绕高度H。

S108：判断高度H是否小于等于空气管道10的长度L。

S109：若步骤S108中判断结果为否，则重新拟定变径螺旋管20的外径D_t和内径D_tin，或者重新拟定前述的夹角α，并重复步骤S104～S108直至判断结果为是。

需要说明的是，当判断结果为是后，如果空气管道内还有一定的可盘绕的余量(即高度H比长度L小得多时)，还可以进一步考虑中心距S大于常用推荐值的情况，或者进一步考虑相对较大的夹角α的值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，其特征在于，用于沿空气管道的输送方向在空气管道内设置变径螺旋管，所述变径螺旋管用于输送换热工质，所述变径螺旋管按照直径不等的两种圆周螺旋盘绕而成，所述的设计方法包括以下步骤：

S101：根据空气的输入温度T_{air in}、需要达到的空气的输出温度T_{air out}及热损失系数a，计算所述空气管道中空气与换热工质之间的传热量Q；

S102：根据空气的输入温度T_{air in}、空气的输出温度T_{air out}和换热工质的输入温度T_{l in}及换热工质的输出温度T_{l out}，计算对数传热温差ΔT；

S103：根据所述空气管道的内径D_{air in}，确定所述变径螺旋管的较大盘绕直径D₁；

S104：拟定所述变径螺旋管的外径D_t和内径D_tin，并拟定相邻两个圆周的管径中心截面中心连线与空气管路径向截面之间的夹角α，根据所述变径螺旋管的外径D_t查询《管壳式换热器GB151－1999》中提供的换热管中心距推荐表确定相邻两个圆周上的管径截面的中心距S，进而得到变径螺旋管的较小盘绕直径D₂；

S105：根据变径螺旋管的外径D_t、内径D_tin、空气和换热工质的物理参数，计算变径螺旋管的总传热系数k；

S106：根据总传热系数k、传热量Q、对数传热温差ΔT计算所需的换热面积A，根据换热面积A和变径螺旋管的内径D_tin计算出所需的变径螺旋管的长度L_t；

S107：根据变径螺旋管的长度L_t、较大盘绕直径D₁、较小盘绕直径D₂和中心距S计算变径螺旋管的盘绕高度H；

S108：判断高度H是否小于等于空气管道的长度L；

S109：若步骤S108中判断结果为否，则重新拟定变径螺旋管的外径D_t和内径D_tin，或重新拟定所述夹角α，并重复步骤S104～S108直至判断结果为是；

在步骤S105中，根据换热工质的对流传热系数h_in、变径螺旋管与空气管道之间的对流传热系数h_out、变径螺旋管的管壁的导热热阻r_w及变径螺旋管内径D_tin和变径螺旋管外径D_t，利用公式

计算总传热系数k；

所述的物理参数包括换热工质的雷诺数Re、导热系数λ_l，和空气的普朗特常数Pr，所述换热工质的对流传热系数h_in为

根据换热工质的雷诺数Re、导热系数λ_l，和空气的普朗特常数Pr，及变径螺旋管的外径D_t，计算所述变径螺旋管与空气管道之间的对流传热系数h_out为

在步骤S106中，根据公式

得到换热面积A，根据公式/>

得到变径螺旋管的长度L_t；

在步骤S107中，根据所述夹角α和所述中心距S，得到相邻两个圆周沿空气管道的输送方向上的间距S₁＝S·sinα，利用公式

计算变径螺旋管的盘绕高度H。

2.根据权利要求1所述的内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，其特征在于，在步骤S101中，根据空气的质量流量q_mg、空气的定压比热C_pg，利用公式Q_air＝C_pg·q_mg·(T_{air in}-T_{air out})计算空气在空气管道中的放热量Q_air；根据空气管道的热损失系数a，计算得到所述传热量Q为Q＝Q_air*a。

3.根据权利要求1所述的内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，其特征在于，在步骤103中，拟定变径螺旋管与空气管道之间的间隙x，根据空气管道的内径D_{air in}和间隙x确定所述较大盘绕直径D₁＝D_airin-2·x。

4.根据权利要求1所述的内置盘管式压缩空气换热系统的设计方法，其特征在于，在步骤S104中，利用所述夹角α和所述中心距S，得到相邻两个圆周沿空气管道的径向上的间距S₂＝S·cosα；再根据较大盘绕直径D₁，计算较小盘绕直径D₂＝D₁-2·S·cosα。

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