CN111076595B

CN111076595B - 一种板管式熔融盐蓄热部件及其蓄热罐

Info

Publication number: CN111076595B
Application number: CN202010027569.2A
Authority: CN
Inventors: 张立新; 张麒; 丁海超; 陈婷婷; 辛公明; 杜文静; 王湛; 陈岩; 袁宝强; 王之相
Original assignee: Shandong Huayu Pressure Vessel Co ltd
Current assignee: Shandong Huayu Pressure Vessel Co.,Ltd.
Priority date: 2020-01-10
Filing date: 2020-01-10
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2040-01-10
Also published as: CN111076595A

Abstract

本发明提供了一种板管式熔融盐蓄热部件，所述部件包括多个板管，板管包括第一面和第二面，第一面和第二面构成流体空间，其中第一面包括一个第一流体口，第一流体口设置第一面的中心，第二面包括两个第二流体口，两个第二流体口设置在第二面的相对的两个边部，相邻的板管的第一面和第一面相对设置，第二面和第二面相对设置，相邻板管通过相邻板管的第一流体口或者第二流体口形成流体流路。本发明的目的在于提供一种中心扩散型蓄热部件，这种蓄热部件改变常见蓄热部件的流体进第二流体口方式，并增设了挡板改善流体在板管中的均流性，以及布设柱肋改善蓄热部件的换热特性。

Description

一种板管式熔融盐蓄热部件及其蓄热罐

技术领域

本发明属于板管技术领域，具体涉及一种导流结构与柱肋相结合的板管式熔融盐蓄热部件。

背景技术

管壳式板管在能源动力、石油化工等工业领域有着十分广泛的应用，板管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。

平板式板管是目前各类板管中换热效率最高的一种板管，它具有占用空间小，安装拆卸方便的优点。其由冲压成形的凹凸不锈钢板组成，两相邻板片之间的凹凸纹路成180度相对组合，因此板式热交换器两板片之间的凹凸脊线形成了交错的接触点，将接触点以真空焊接方式结合后，就形成了板式热交换器的耐高压交错流通结构，这些交错的流通结构使得板式热交换器内的冷热流体产生强烈紊流而达到高换热效果。

扁平管近些年被广泛应用于汽车空调单元以及住宅或商业空调板管。此种扁平管内部设置多个小的通道，在使用时，换热流体流过扁平管内的多个通道。因为扁平管换热面积大，因此能够大大提高换热效果。

平板式板管被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对板管的需求量也越来越多，对板管的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式板管(板式、板翅式、压焊板式板管等)、热管式板管、直接接触式板管等得到了迅速的发展，但由于管壳式板管具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式板管的用量仍占全部板管用量的70％左右。

平板式板管结垢后，采取常规的蒸汽清扫、反冲洗等方式对板管进行清洗，生产实践证明，效果不是很好。只能将板管的封头拆卸下来，采用物理清理的方式，但采取该种方式进行清洗，操作复杂、耗时长，人力、物力投资较大，对连续化的工业生产带来极大的困难。

浸没式板管，是间壁式板管种类之一。它结构简单，制造、安装、清洗和维修方便，价格低廉，又特别适用于高压流体的冷却、冷凝，所以现代仍得到广泛应用。这种板管多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。

研究和工程应用都表明，浸没式液冷和热管都各自有着优异的换热性能。除此以外，相变材料由于其吸热放热过程温度平稳，可以使得整个系统达到均温的效果，因而在换热领域得到广泛应用。

近年来，为满足换热需求，已展开对熔融盐蓄热系统的研究，涉及蓄热部件结构、管道布置等诸多方面，发现蓄热部件结构对蓄热系统换热和功耗的影响尤为显著。蓄热部件的换热机构和流道结构可按照设备和热设计功耗进行各种不同的配置，这也是影响蓄热部件换热性能的主要因素。

柱肋：增设肋片有助于增加换热面积，并且可以增强对流场的扰动。通过增加肋片强化换热已被广泛应用于板管中。但此次设计不能单一地考虑换热效果，还应从系统经济性的角度出发，尽量避免增设肋片后出现的压降急剧增大而换热改善效果极小的局面。再考虑流体第一流体口时温度相对更低，所以，在中心高流速区域不布置肋片，以期改善板管压降，在周边低流速区域布置圆柱型肋片，加强扰动并增加换热面积，弥补流体温度升高所导致的换热能力的损失。

导流结构：为避免流体与板管对流换热过程中出现流动死区，借鉴板管中广泛采用的折流板，在板管中布设一些长直型的挡板作为导流结构，在流场某些区域改变流体的流向，以期改善流体在板管中的流场分布。

综上，将这种从盖板中间第一流体口、双边第二流体口，结合导流结构和柱肋的蓄热部件引入到板管中，有目的性的进行高效换热，并保证一定的均温性，满足板管正常工作要求。

因此，本专利同时提出了一种熔融盐蓄热部件及其蓄热器。旨在通过对罐内熔盐蓄热部件结构进行改进，以提高熔盐的蓄热效率，缩短蓄热所需时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板管式熔融盐蓄热部件，这种蓄热部件能够进一步加提高蓄热性能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种板管式熔融盐蓄热部件，所述部件包括多个板管，板管包括第一面和第二面，第一面和第二面构成流体空间，其中第一面包括一个第一流体口，第一流体口设置第一面的中心，第二面包括两个第二流体口，两个第二流体口设置在第二面的相对的两个边部，相邻的板管的第一面和第一面相对设置，第二面和第二面相对设置，相邻板管通过相邻板管的第一流体口或者第二流体口形成流体流路。

作为优选，板管包括基板和盖板，盖板和基板装配在一起形成流体空间，基板上设置第一流体入口，盖板上设置第二流体入口，所述基板上设置挡板和圆柱形肋片，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板、包围在第一挡板外部的第二挡板和包围在第二挡板外部的第三挡板；

第一挡板包括四块，相邻的第一挡板之间设置间隔，相邻的第一挡板之间呈垂直关系，四块第一挡板的延长线形成第一正方形；

第二挡板包括四块，相邻的第二挡板之间设置间隔，相邻的第二挡板之间呈垂直关系，四块第二挡板的延长线形成第二正方形，所述每块第一挡板的延长线通过两块第二挡板的中点；

第三挡板包括四块，相邻的第三挡板之间设置间隔，相邻的第三挡板之间呈垂直关系，四块第三挡板的延长线形成第三正方形，所述每块第二挡板的延长线通过两块第三挡板的中点；

第二挡板和第三挡板之间设置多个圆柱形肋片；

所述基板还包括设置在第三挡板外部的第四挡板，所述第四挡板为平行设置的两块，两块第三挡板的延长线经过一块第四挡板的中点；第一流体口位于两个第二流体口的中间位置。

作为优选，第一流体口和第二流体口投影位于同一直线上。

作为优选，基板和盖板是长方形结构。

作为优选，基板上设置凹槽，盖板上设置凸柱，通过凹槽和凸柱的配合使得基板和盖板连接。

作为优选，凹槽设置在基板的对角位置，位于两块第四挡板所形成的平行线的外部位置。

作为优选，凹槽是孔。

作为优选，盖板侧壁的下部设置垂至于侧壁的向外的延伸部，延伸部上设置螺孔，以与基板上相应位置的螺孔相配合。

本发明具有如下优点：

1）本方案采用单第一流体口、双第二流体口的流动方式，改善了以往单进单出的流动方式所导致的温度沿流动方向逐渐升高的现象，更进一步地改善了换热的均温性。

2）本方案中，板管内部设有导流结构，有效减少流体流动死区，进一步改善热流面的均温性。

3）本方案中采用圆柱型肋片，增强了对流场的扰动，并且扩展了换热面积，利于强化换热。

4）本发明通过大量的研究对板管结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估蓄热部件的换热性能和泵功消耗。

5）本发明对蓄热器的换热情况进行了数值模拟，从而得到了最佳的换热机构和流体流量关系。

附图说明：

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为蓄热部件的结构示意图；

图2为所述优选的板管的结构爆炸视图；

图3为板管基板结构示意图；

图4为板管盖板结构示意图；

图5为板管盖板尺寸示意图；

图6为蓄热罐结构示意图；

图7为基板结构示意图。

图中：1、第一流体口；2、第二流体口（201，202）；3、定位结构（在基板与盖板装配时，301与303，302与304相互配合）；4、导流结构（第一挡板401，第二挡板402，第三挡板403，第四挡板404）均为挡板；5、圆柱型肋片（501，502）；6、盖板留白区域601、602（此处加工螺纹孔，并与基板对应位置的螺纹孔通过螺钉配合、紧固，防止流体泄露）。板管7，第一面8，和第二面9，10基板，20盖板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

图1展示了一种板管式熔融盐蓄热部件。如图1所示，所述部件包括多个板管7，板管包括第一面8和第二面9，第一面和第二面构成流体空间，其中第一面包括一个第一流体口1，第一流体口设置第一面的中心，第二面包括两个第二流体口2，两个第二流体口2设置在第二面的相对的两个边部，相邻的板管7的第一面8和第一面8相对设置，第二面9和第二面9相对设置，相邻板管7通过相邻板管的第一流体口1或者第二流体口2形成流体流路。所述最上侧板管的第一面位于上部，第一流体口形成流体入口，最下侧板管的第一面位于下部，第一流体口形成第二流体口。

流体从上部的第一流体口1进入，然后从两侧的第二流体口2流出，然后流入相邻的下部的板管7，然后从两侧向中间的第一流体口流动，进入相邻的下部的板管，最后从最下部板管的第一流体口流出。流体与蓄热部件周围的熔融盐进行换热，从而把热量传递给周围的熔融盐或者从周围的熔融盐吸热。

本发明中的第一流第二流体口和第二流第二流体口分别位于中部和两侧，从而使得流体的流动从中部向两侧流动，或者从两侧向中部流动，使得流体能够在整个换热面上流动，改善了以往单进单出的流动方式所导致的温度沿流动方向逐渐升高的现象，更进一步地改善了换热的均温性。

如图2-3展示了一种优选的板管结构，所示的板管7包括基板10和盖板20，盖板20和基板10装配在一起形成空腔，空腔内供流体（优选水）流动，所述基板10上设置挡板401-404和圆柱形肋片501、502，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板401、包围在第一挡板401外部的第二挡板402和包围在第二挡板402外部的第三挡板403；

作为优选，如图2-3所示，第一挡板401包括四块，相邻的第一挡板401之间设置间隔，相邻的第一挡板401之间呈垂直关系，四块第一挡板401的延长线形成第一正方形；

第二挡板402包括四块，相邻的第二挡板402之间设置间隔，相邻的第二挡板402之间呈垂直关系，四块第二挡板402的延长线形成第二正方形，所述每块第一挡板401的延长线通过两块第二挡板402的中点；

第三挡板403包括四块，相邻的第三挡板403之间设置间隔，相邻的第三挡板403之间呈垂直关系，四块第三挡板403的延长线形成第三正方形，所述每块第二挡板402的延长线通过两块第三挡板403的中点；

第二挡板402和第三挡板403之间设置多个圆柱形肋片501；

所述基板还包括设置在第三挡板403外部的第四挡板404，所述第四挡板404为平行设置的两块，两块第三挡板403的延长线经过一块第四挡板404的中点；

所述板管包括设置在盖板20上部的第一流体口1和设置在基板10下部的第二流体口2，所述第一流体口1设置第一正方形的中心位置，所述第二流体口2设置两个，分别是201、202，分别设置在两块第四挡板404所形成的平行线的外部位置。

本申请的板管内部设有导流结构，尤其是通过设置多层的正方形挡板，使得流体流动范围广泛，有效减少流体流动死区，进一步改善热流面的均温性。

本申请的板管中，通过在第二和第三挡板、第三和第四挡板之间设置圆柱型肋片，没有在第一挡板内部以及第一和第二挡板之间设置圆柱形肋片，使得内部空间小的区域（第一挡板内部以及第一和第二挡板之间）的流动阻力小，在外部空间增大区域加强扰动，即增强了对流场的扰动，并且扩展了换热面积，利于强化换热，也能够避免流动阻力过大，适应范围广泛。

本申请采用单流体口、双流体口的流动方式，使得流体从中部向两侧流动，改善了以往单进单出的流动方式所导致的温度沿流动方向逐渐升高或者降低的现象，更进一步地改善了换热的均温性。

挡板401-404是导流结构作用，可视为更大尺寸的长直型肋片。通过设置这些挡板，也能起到扰流以及强化传热的作用。

作为优选，第一流体口1和第二流体口201、202的下部投影位于同一直线上，第一流体口1位于两个第二流体口201、202的中间位置。通过上述设置，使得流体分配更加均匀，换热性能更加均匀。

作为优选，基板10和盖板20是长方形结构。进一步优选是正方形结构。

作为优选，基板10上设置凹槽303、304，盖板20上设置凸柱301、302，通过凹槽和凸柱的配合使得基板和盖板连接。

作为优选，凹槽303、304设置在基板10的对角位置，位于两块第四挡板404所形成的平行线的外部位置。

作为优选，凹槽303、304是孔。

作为优选，所述的凸柱301、302设置螺纹孔。通过螺纹连接方式连接盖板10和基板20。

作为优选，盖板20侧壁的下部设置垂至于侧壁的向外的延伸部，延伸部上设置螺孔，以与基板上相应位置的螺孔相配合。

在第二挡板和第三挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越远。主要是随着距离基板的中心越远，越靠近第三挡板，流体的流动空间越小，流速会相对变快，通过设置相邻的圆柱形肋片501之间距离越远，使得流体流速保持相对的稳定，使得整体换热能够达到相对的均匀，避免局部受热不均匀，造成局部过早的损坏。

进一步优选，在第二挡板和第三挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越远的幅度不断的增加。上述的分布也是符合流体流动以及换热的分布规律变化，通过数值模拟和实验发现，能够进一步提高换热效率。

在第三挡板和第四挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越近。主要是随着距离基板的中心越远，流体的流动空间越大，流速会相对变慢，通过设置相邻的圆柱形肋片501之间距离越近，使得流体流速保持相对的稳定，使得整体换热能够达到相对的均匀，避免局部受热不均匀，造成局部过早的损坏。

进一步优选，在第三挡板和第四挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越近的幅度不断的增加。上述的分布也是符合流体流动以及换热的分布规律变化，通过数值模拟和实验发现，能够进一步提高换热效率。

在所设计的中心扩散型板管中，流体从所述盖板中心区域入口处或两侧部进入板管的腔体，经过所述基板导流结构，流体逐渐从板管中心第一流体口区域流向板管腔体的四周或者从四周流向中心，并且在流动过程中与各个流道（包括柱肋）表面对流换热，最后在所述板管边角处或者中心处汇流后，从蓄热部件盖板两侧流体口或者中心流体口流出，进行换热。

进一步地说，所述盖板加工有第一流体口。板管第一流体口内径为2mm左右，加工在所述盖板中心区域，接口的具体结构形式应保证流体不发生泄露。此外盖板应加工有能与基板配合的定位和紧固结构，以便进行装配。

进一步地说，所述导流结构，实际就是一些挡板，可视为更大尺寸的长直型肋片，为减小流阻，对所述导流结构进行圆角处理。流体从所述中心扩散型板管的盖板流入，经过所述导流结构，逐渐流向边角区域，可避免所述板管四个边角区域出现流动死区。

进一步地说，所述柱肋布置在板管腔体的低流速区域。在此次板管结构设计中，柱肋统一设计为圆柱型柱肋。其排列方式根据各个需要布设肋片的区域的流体大致流向确定为叉排或者顺排。

蓄热部件运行时，流体从板管第一流体口1流入板管，经过对称分布的挡板（挡板分布关于板管轴线对称，下同）401分流，呈发散状从四个方向流向四周；当流过挡板402时，去离子水再次分流，并由挡板402、403导流至柱肋501（柱肋也是关于板管轴线对称分布）区域，当经过挡板403之后，从水平方向流出的去离子水在左右两侧挡板404处分流，从竖直方向流出的去离子水在盖板内壁处分流，在经过柱肋502区域后流向蓄热部件的四个最外围的边角区域，有效地减少流动死区。最终去离子水分别在左右两处挡板404外侧汇流，然后经由盖板两处第二流体口201、202流入下一个板管，再进行相反的流动，最后流出蓄热部件。流出蓄热部件的去流体经由外部板管重新换热至要求温度，再一次流入蓄热部件参与换热，完成一个循环。

本发明还对上述板管结构进行了进一步的研究，研究了上述结构的换热情况。

第一挡板的长度设定为L ₁，且第二挡板的长度设定为L ₂，且第三挡板的长度设定为L ₃，第四挡板的长度设定为L ₄，且所述各类挡板厚度一致，统一设定为w；

第二挡板和第三挡板之间、第三挡板和第四挡板之间均设置多个圆柱形肋片，直径统一设定为d，第三挡板和第四挡板之间的圆柱形肋片如此设置：蓄热部件第二流体口201，202的轴线的连线的方向多排圆柱形肋片，相邻排均采用叉排,同一排相邻的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₁，相邻排的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₂；

第二挡板和第三挡板之间的圆柱形肋片如此设置：相对的两个第三挡板之间设置多排圆柱形肋片，多排圆柱形肋片与第三挡板平行设置，相邻排均采用叉排,同一排相邻的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₁，相邻排的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₂ 。

S ₁、S ₂以及其余结构尺寸参数标注如图4所示。当S ₁、S ₂变化时，即不是固定数值时，采取S ₁、S ₂的平均值。

所述板管流动换热性能与板管流道结构的尺寸参数经模拟计算拟合得关系式如下：

上述各式中：Nu_f为平均努塞尔数，Dp_w为板管进第二流体口压降，Re为流体的第一流体口雷诺数，D_e为挡板的等效直径，N_baffle、P_baffle为修正因子，S₁，S₂，d，L₁，L₂，L₃，L₄，w为板管流道相关结构尺寸，皆如前文所述；各个物理量定义式分别如下：

式5中ρ为换热流体(去离子水)密度，u为换热第一流体口速度，d₁为换热第一流体口管径，μ为换热流体动力粘度；

上述式7中，h为平均换热系数，λ为换热流体导热系数；

Q＝hAVt 8

式8中Q为热设计功耗，A为基板与流体接触的面的总面积(包括柱肋扩展表面)，在公式拟合的过程中，将温差定义方式采用板管最高温度与第一流体口流体的温度之差：

Vt＝t_max-t_in 9

由上述各式可以预估此类蓄热部件的换热性能和泵功消耗。

作为优选，本申请还要求保护一种换热器，所述换热器中设置至少一个如前面所述的蓄热部件。

作为优选，所述换热器是熔融盐蓄热罐。

作为优选，如图6所示，所述蓄热罐内设置多个蓄热部件，其中一个设置在蓄热罐的中心，成为中心蓄热部件，其它的围绕蓄热罐的中心分布，成为外围换热部件。通过如此结构设计，可以使得蓄热罐内流体充分达到换热目的，提高换热效果。

作为优选，外围蓄热部件的流体流量小于中心蓄热部件的流体流量。通过如此设计，使得中心达到更大的换热源，从而影响四周，达到更好的强化传热效果。

作为优选，同一水平换热截面上，流体要达到均匀的换热，避免换热分布不均匀。因此需要通过合理分配不同的蓄热部件中的流量的大小。通过实验发现，中心蓄热部件与外围蓄热部件的流体的流量的分配比例与两个关键因素相关，其中一个就是外围蓄热部件与蓄热罐中心之间的间距（即外围蓄热部件的圆心与中心蓄热部件的圆心的距离）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，优化了最佳的流体量的比例分配。

蓄热罐为圆形截面，内壁半径为R，所述中心蓄热部件的圆心设置在蓄热罐圆形截面圆心，外围蓄热部件的圆心距离蓄热罐圆形截面的圆心的距离为L，相邻外围蓄热部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，单个外围蓄热部件的流体量为M2，中心蓄热部件的流体量为M1，则满足如下要求：

M1/M2=a-b*Ln（R/L）；其中，Ln是对数函数，

a,b,c是系数，其中2.4688<a<2.4693,0.3266<b<0.3270；

作为优选，1.30< R/L <2.20；优选，1.45< R/L <2.0；

作为优选，2.2< M1/M2 <2.5，优选，2.3< 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。

进一步优选，a=2.4691,b=0.3268。

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

1.一种板管式熔融盐蓄热部件，所述部件包括多个板管，板管包括第一面和第二面，第一面和第二面构成流体空间，其中第一面包括一个第一流体口，第一流体口设置第一面的中心，第二面包括两个第二流体口，两个第二流体口设置在第二面的相对的两个边部，相邻的板管的第一面和第一面相对设置，第二面和第二面相对设置，相邻板管通过相邻板管的第一流体口或者第二流体口形成流体流路；

板管包括基板和盖板，盖板和基板装配在一起形成流体空间，基板上设置第一流体口，盖板上设置第二流体口，所述基板上设置挡板和圆柱形肋片，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板、包围在第一挡板外部的第二挡板和包围在第二挡板外部的第三挡板；

第二挡板和第三挡板之间设置多个圆柱形肋片；

2.如权利要求1所述的蓄热部件，其特征在于，第一流体口和第二流体口投影位于同一直线上。

3.如权利要求1所述的蓄热部件，其特征在于，基板和盖板是长方形结构。

4.如权利要求1所述的蓄热部件，其特征在于，基板上设置凹槽，盖板上设置凸柱，通过凹槽和凸柱的配合使得基板和盖板连接。

5.如权利要求4所述的蓄热部件，其特征在于，凹槽设置在基板的对角位置，位于两块第四挡板所形成的平行线的外部位置。

6.如权利要求4所述的蓄热部件，其特征在于，凹槽是孔。

7.如权利要求1所述的蓄热部件，其特征在于，盖板侧壁的下部设置垂直于侧壁的向外的延伸部，延伸部上设置螺孔，以与基板上相应位置的螺孔相配合。

8.一种蓄热罐，包括权利要求1-7之一所述的蓄热部件。