CN111426218A - 一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器 - Google Patents

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李有霞
黄敏
陈红
巩李明
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Abstract

本发明提供了一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，属于换热器领域，包括壳体；所述壳体内设置有至少一个换热腔，所述换热腔内设置有用于超临界二氧化碳流动的换热管束，所述换热腔内设置有用于生成流化风的布风装置。通过换热管束隔离开超临界二氧化碳和固体颗粒，降低换热器压力，降低换热器的制造成本，以及维护成本。

Description

一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体而言，涉及一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器。
背景技术
温度达700℃以上，具有高效低成本潜力的sCO2太阳能热发电系统是目前国际太阳能热发电研究热点。欧盟和美国DOE从2018年启动该项技术研究计划。以sCO2为代表的太阳能热发电系统主要由高焦比聚光器，高温吸热器，超临界CO2换热器和超临界CO2透平等四个部分组成。
采用固体颗粒作为传热介质的太阳能利用技术，因颗粒吸热可升温至900～1000℃，突破传统熔盐的560℃左右的运行温度，为高温超临界CO2布雷顿循环提供了可能，被视为下一代最有前景的能匹配超临界工质循环的高效低成本光热发电技术。此外固体颗粒具有性能稳定，比热大的优势，价格便宜便于获取，易于存储，能够同时作为传热流体和储热介质，能够简化光热发电系统，有效降低发电成本。
固体颗粒作为高温吸热储热介质，需要通过超临界CO2与固体颗粒换热器换热，实现传储热介质和做功工质的能量转换驱动CO2透平做功。所以超临界CO2与固体颗粒换热器作为下一代太阳能热发电的核心设备，是否能够安全可靠运行直接关系到整个电站的安全性，其传热性能直接影响系统的能量转换效率，进而影响全电厂的经济性。
关于光热领域超临界CO2与固体颗粒换热器研发还处在研究阶段，如何提高高温颗粒换热能力是换热器设计的关键。
目前，光热领域超临界CO2与固体颗粒换热器已经提出了几种换热器(主要包括：翅片管式、蛇形盘管式、流化床式等)的结构设计，并给出了各种形式换热器换热性能以及最小生命周期下的花费评估。颗粒侧传热系数是有限的，实验室规模试验表明通过适当的设计管与翅片的间距，传热系数～100W/(m2·K)。流化床设计具有更高的颗粒传热系数(高达～600W/(m2·K))，通过颗粒侧流化以提高换热能力，但直接采用冷流体作为流化介质，高温颗粒直接加热冷却介质，换热器整体承受高压高温，系统成本较高。
发明内容
本发明提供了一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，旨在解决现有技术中超临界二氧化碳与固体颗粒换热器存在的上述问题。
本发明是这样实现的：
一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，包括壳体；
所述壳体内设置有至少一个换热腔，所述换热腔内设置有用于超临界二氧化碳流动的换热管束，所述换热腔内设置有用于生成流化风的布风装置。
在本发明的一种实施例中，所述壳体内通过隔墙隔离出所述换热腔，所述隔墙上具有用于固体颗粒通过的流通窗。
在本发明的一种实施例中，所述相邻两个所述换热腔的所述换热管束串联设置。
在本发明的一种实施例中，所述换热管束包括多屏换热管屏，每个所述换热腔的所述换热管屏与工质入口集箱和工质出口集箱连接，所述换热腔的所述工质入口集箱与相邻所述换热腔的所述工质出口集箱连接。
在本发明的一种实施例中，每个所述换热腔内的所有所述换热管屏错列布置。
在本发明的一种实施例中，所述壳体内设置有至少两个换热腔，所有所述换热腔串联设置，所述壳体上设置有用于固体颗粒进入的入料口，所述入料口与位于端部的所述换热腔连通。
在本发明的一种实施例中，每个所述换热腔对应的所述壳体底部设置有颗粒排尽口。
在本发明的一种实施例中，所述布风装置包括位于所述壳体底部的风箱，和均布于所述换热腔内底面用于出风的风帽；
所述风箱一端设置有用于连通供风装置的入风口，另一端与所有的所述风帽连通。
在本发明的一种实施例中，所述布风装置还包括布风板，所述风帽固定设置在所述布风板上，所述布风板铺设在所述换热腔内底面上。
在本发明的一种实施例中，所述壳体包括外壳和保温层，所述保温层固定铺设在所述外壳的内表面。
本发明的有益效果是：通过本发明提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，超临界二氧化碳在换热管内流动，高温固体颗粒在壳体内侧流动，壳体内侧设计压力低，设备整体成本较低。高温固体颗粒在壳体内侧经流化风流化后与换热管内超临界二氧化碳进行换热，提高固体颗粒侧的传热系数。固体颗粒在流化床换热器内绕墙流动，延长颗粒在换热器中的流程，加强冷却效果，提高换热效率。换热器壳体采取内保温或者外保温结构，防止固体颗粒磨损和减少换热器散热损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式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发明的某些实施例，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是本发明实施方式提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器的第一视角的剖视图；
图2是本发明实施方式提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器的第二视角的剖视图；
图3是本发明实施方式提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器的第一视角的结构示意图；
图4是本发明实施方式提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器的第三视角的结构示意图；
图5是本发明实施方式提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器的隔墙部分的局部示意图。
图标：100-壳体；110-外壳；130-保温层；210-换热腔；230-缓冲腔室；250-隔墙；251-流通窗；310-换热管束；311-换热管屏；330-工质入口集箱；350-工质出口集箱；400-布风装置；410-风箱；431-风帽；430-布风板；450-出风口；101-入料口；103-颗粒排尽口；105-出料口。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式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方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语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设备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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例
本实施例提供了一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，请参阅图1，这种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器包括壳体100，超临界二氧化碳通过壳体100内的换热管束310和在壳体100流化的固体颗粒进行热交换。
请参阅图1和图2，壳体100包括碳钢板形成的外壳110，和耐磨材料与绝热材料形成的保温层130，保温层130作为内衬固定铺设在外壳110的内表面。由外壳110的承受内部的压力保持形状，而保温层130隔离热量外逸，另一方面保温层130直接承受流态化的固体颗粒的持续冲击，因此采用耐磨材料以提高寿命。
请参阅图1和图5，在本实施例中，壳体100内部通过隔墙250隔离出两个串联设置的换热腔210，超临界二氧化碳和固体颗粒在换热腔210内实现换热。隔墙250的一侧与壳体100的内部完全密封连接，另一侧与壳体100的侧壁之间形成流通窗251，通过流通窗251实现换热腔210的连通。
在本实施例中，相邻的两个隔墙250的流通窗251设置在相对的两侧，这样可以保证固体颗粒绕墙流动，进一步增加固体颗粒的流动路径，提高换热效率。
为了降低换热器壳体100承受的压力，需要将超临界二氧化碳和固体颗粒隔离开来，换热腔210内需要提供超临界二氧化碳流通途径，而超临界二氧化碳为了便于循环利用，不能与固体颗粒直接接触，因此换热腔210内设置有换热管束310，换热管束310内实现超临界二氧化碳的流通，固体颗粒在换热腔210内换热管束310外的空间内流动，通过换热管束310本身的传热实现热量的传递。
请参阅图2、图3和图4，换热管束310包括多屏换热管屏311，每个换热腔210的换热管屏311与工质入口集箱330和工质出口集箱350连接，所有换热管屏311通过连接工质入口集箱330和工质出口集箱350形成并联设置。而相邻的两个换热腔210的换热管束310进行串联连接，即换热腔210的工质入口集箱330与相邻换热腔210的工质出口集箱350连接。
单个换热腔210内的所有换热管屏311错列布置，以增加固体颗粒与换热管屏311的接触频率。
为了提高固体颗粒和超临界二氧化碳在换热腔210内的换热效率，需要对固体颗粒进行流态化。为此，在每个换热腔210内设置有独立的布风装置400，
布风装置400包括位于壳体100底部的风箱410，和均布于换热腔210内底面用于出风的风帽431，风箱410一端设置有用于连通供风装置的入风口，另一端与所有的风帽431连通，通过均布的风帽431均匀地向换热腔210内释放向上的气流。
向上的流化风从壳体100顶部的出风口450集中排出。
在本实施例中，布风装置400布置在换热腔210底部，风帽431固定设置在布风板430上，布风板430可拆卸地铺设在换热腔210内底面上。
由于流态化的固体颗粒主要呈现竖直方向的运动，因此将换热管屏311的管体以水平分布为主可以增加换热效率。在本实施例中，所有的蛇形换热管屏311其换热管段呈现水平分布。
另外，在壳体100上设置有用于固体颗粒进入的入料口101，入料口101与位于端部的换热腔210连通。本实施例中，在入料口101与端部的换热腔210之间还设置有缓冲腔室230，入料口101进入的固体颗粒先在缓冲腔室230内的进行缓冲后进入到换热腔210内，避免对换热管屏311的冲击。与入料口101相对的，在壳体100上与入料口101相对的一侧的底部设置有出料口105，用于固体颗粒的排出。
在本实施例中，在每个换热腔210对应的壳体100底部设置有颗粒排尽口103，在换热器使用过程中，风帽431长时间运行存在磨损风险，存在固体颗粒漏入风箱410的可能，漏入风箱410中的固体颗粒可通过颗粒排尽口103排尽。
在本实施例中，串联的换热管屏311的整体流通方向为：超临界二氧化碳从远离入料口101的一端向靠近入料口101的一端流通。固体颗粒的整体流通方向为：从靠近入料口101的一端向远离入料口101的一端流通。
这样的设置使得靠近入料口101的一端的超临界二氧化碳已经经过一轮预热，相应的，远离入料口101的一端的固体颗粒也已经经过一轮预冷。以相对降低换热管束310内外的温差，保护换热管束310，避免产生过大的热应力，从而提高换热器的整体寿命。
通过本发明提供的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，超临界二氧化碳在换热管内流动，高温固体颗粒在壳体100内侧流动，壳体100内侧设计压力低，设备整体成本较低。高温固体颗粒在壳体100内侧经流化风流化后与换热管内超临界二氧化碳进行换热，提高固体颗粒侧的传热系数。固体颗粒在流化床换热器内绕墙流动，延长颗粒在换热器中的流程，加强冷却效果，提高换热效率。换热器壳体100采取内保温或者外保温结构，防止固体颗粒磨损和减少换热器散热损失。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，包括壳体；
所述壳体内设置有至少一个换热腔，所述换热腔内设置有用于超临界二氧化碳流动的换热管束，所述换热腔内设置有用于生成流化风的布风装置。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，所述壳体内通过隔墙隔离出所述换热腔，所述隔墙上具有用于固体颗粒通过的流通窗。
3.根据权利要求2所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，相邻两个所述隔墙上的所述流通窗设置在所述隔墙相对的两侧。
4.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，相邻两个所述换热腔的所述换热管束串联设置。
5.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，所述换热管束包括多屏换热管屏，每个所述换热腔的所述换热管屏与工质入口集箱和工质出口集箱连接，所述换热腔的所述工质入口集箱与相邻所述换热腔的所述工质出口集箱连接。
6.根据权利要求4所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，每个所述换热腔内的所有所述换热管屏错列布置。
7.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，所述壳体内设置有至少两个换热腔，所有所述换热腔串联设置，所述壳体上设置有用于固体颗粒进入的入料口，所述入料口与位于端部的所述换热腔连通。
8.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，所述布风装置包括位于所述壳体底部的风箱，和均布于所述换热腔内底面用于出风的风帽；
所述风箱一端设置有用于连通供风装置的入风口，另一端与所有的所述风帽连通。
9.根据权利要求8所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，所述布风装置还包括布风板，所述风帽固定设置在所述布风板上，所述布风板铺设在所述换热腔内底面上。
10.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳与固体颗粒换热器，其特征在于，所述壳体包括外壳和保温层，所述保温层固定铺设在所述外壳的内表面。
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