CN111509263B - 传热介质循环流动系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传热介质循环流动系统与控制方法。循环流动系统包括循环管路、换热器与循环泵。循环管路至少包括第一管路和第二管路，第一管路中传热介质的平均温度低于第二管路中传热介质的平均温度。换热器带有冷媒入口、冷媒出口、热媒入口、热媒出口。冷媒入口与第一管路的出口连接，冷媒出口与第二管路的入口连接，热媒入口与第二管路的出口连接，热媒出口与第一管路的入口连接。循环泵安装在第一管路中，用于推动传热介质在循环管路中流动。本发明利用低温循环泵控制高温区域散热介质流速，提高了循环泵的稳定性和使用寿命，降低了设备的制造与维护成本。本发明可以应用于所有类似场景中，其工程意义较为显著。

Description

传热介质循环流动系统与控制方法

技术领域

本发明涉及一种传热介质循环流动系统与控制方法，具体涉及一种利用低温循环泵控制高温区域散热介质流速的方法，属于热能工程技术领域。

背景技术

在某些应用场景中，会涉及到需要在保证工作器件工作温度的同时，对发热元件进行散热或供热的情况，而在这类应用场景中，对散热介质的动力原件(例如相关的泵、阀门等)的要求颇高。

例如：在高温燃料电池电堆工作时，燃料电池的工作温度为160～170℃；同时会发出大量的热。此时，一方面需要通过散热介质将电堆发出的热量带走，同时还需要保证整个电堆的温度区间维持在160～170℃。在目前市场已有的方案中，都是利用三乙二醇(TEG)作为散热介质，然后通过选型可以耐受160℃高温的循环泵来对系统进行循环。但是，目前几乎所有市场上的循环泵，其温度耐受上限都只有120℃，虽然可以勉强在160℃工况下工作，但是其性能表现、寿命等都受到有较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：循环泵在高温工况使用时耐受上限低，容易损坏。

为了解决上述技术问题，本发明在循环管路中增设了一个中心换热装置，使循环管路的部分管路段温度大大降低，低温循环泵设置在此低温管路段，控制高温区域散热介质流动。具体技术方案如下：

本发明的第一方面，提供了一种传热介质循环流动系统，包括：

循环管路，循环管路至少包括第一管路和第二管路，第一管路中传热介质的平均温度低于第二管路中传热介质的平均温度；

第一换热装置，第一换热装置带有冷媒入口、冷媒出口、热媒入口、热媒出口；冷媒入口与第一管路的出口连接，冷媒出口与第二管路的入口连接；热媒入口与第二管路的出口连接，热媒出口与第一管路的入口连接；

流体输送装置，流体输送装置安装在第一管路中，用于推动传热介质在循环管路和第一换热装置中流动。

在一些实施例中，流体输送装置包括循环泵，循环泵的设计工作温度低于第二管路中传热介质的平均温度。

在一些实施例中，循环泵控制传热介质的流速。

在一些实施例中，第一换热装置包括液-液换热器。

在一些实施例中，第二管路从热源吸热。

在一些实施例中，第二管路与热源之间依靠第二换热装置进行热交换。

在一些实施例中，第一管路向受热体放热。

在一些实施例中，第一管路与受热体之间依靠第三换热装置进行热交换。

本发明的第二方面，提供了一种传热介质循环流动控制方法，包括：

选取循环管路的第一流动段和第二流动段；

在第一流动段与第二流动段之间设置第一换热装置，用于使第一流动段内的传热介质与第二流动段内的传热介质进行热交换；

第一换热装置使循环管路分为高温管路与低温管路；

在低温管路中设置流体输送装置，用于推动传热介质在循环管路和第一换热装置中流动。

在一些实施例中，传热介质在第一流动段的流向与在第二流动段的流向相反。

本发明的有益效果：利用低温循环泵控制高温区域散热介质流速，提高了循环泵的稳定性和使用寿命，降低了设备的制造与维护成本。本发明可以应用于所有类似场景中，其工程意义较为显著。

附图说明

图1是本发明实施例1中应用在燃料电池电堆的示意图；

图2是本发明实施例2中应用在甲醇重整反应器中的示意图。

以上各图中的附图标记如下：

110 第一管路

111 管路段

112 管路段

113 管路段

210 第二管路

211 管路段

212 管路段

213 管路段

311液-液换热器

312 燃料电池电堆

313 冷却空调

314 水冷凝器

410 低温循环泵

120 第一管路

121 管路段

122 管路段

123 管路段

220 第二管路

221 管路段

222 管路段

223 管路段

321液-液换热器

322 重整反应器

323 水冷凝器

324 换热器

420 液体循环泵

具体实施方式

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

本发明的不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

[工作原理]

在循环管路中，如果没有进行热量控制，管路各处的温度接近，这样就要求流体输送装置(循环泵)适应较高温度。常见的循环泵都不耐高温，使用在高温环境下，其寿命大为降低，增加了使用与维护成本。为了能使低温循环泵应用在更多高温场合，可以通过热设计改变循环管路中的区域温度分布，形成一个温度较低的管路区，其平均温度接近低温循环泵的设计工作温度。在这段管路上安装使用低温循环泵，可以达到其正常使用寿命。

本发明在循环管路的不同流动段(第一流动段与第二流动段)之间设置中心换热装置，用于使第一流动段内的传热介质与第二流动段内的传热介质进行热交换。由此，中心换热装置将循环管路分为高温管路与低温管路两部分。在低温管路中设置低温循环泵，控制高温区域散热介质流速。为了使其更好地进行热交换，传热介质在第一流动段的流向与在第二流动段的流向相反。

[系统结构]

根据上述工作原理设计的循环系统，只要由循环管路、中心换热装置、流体输送装置组成。中心换热装置可以是任何形式的换热器，例如管式换热器、板式换热器等。循环管路中传热介质通常是冷却液或导热油，流体输送装置采用低温循环泵。循环管路中的流动物质也可以是气体，相应的流体输送装置采用风机或起类似作用的装置代替。

循环管路包括第一管路和第二管路，第一管路中传热介质的平均温度低于第二管路中传热介质的平均温度。中心换热装置采用液-液换热器，液-液换热器带有冷媒入口、冷媒出口、热媒入口、热媒出口；冷媒入口与第一管路的出口连接，冷媒出口与第二管路的入口连接；热媒入口与第二管路的出口连接，热媒出口与第一管路的入口连接；流体输送装置安装在第一管路中，用于推动传热介质在循环管路和中心换热装置中流动，并可控制传热介质的流速。

在不同的应用场景，还可以附带其他吸热或放热装置。例如，令第二管路从发热工作元件吸热，第二管路与热源之间依靠换热器进行热交换，此处工作元件可以为任何形式的需要通过冷却液控制运行温度的设备。令第一管路向外界或特定受热体放热，第一管路与受热体之间依靠换热器进行热交换。此处所用换热器为能使液体冷却液进行加热或降温的任何形式的热交换设备，根据实际情况的需要进行选型，例如：液液间壁式换热器、电加热器、蓄热式换热器、复式换热器、流体连接间接式换热器、燃烧加热器、冷却空调等。

[应用场合]

本发明可以应用于任何需要通过低温循环装置控制高温区域的热流体流速的场景，包括但不限于大型高温燃料电池发电厂，车载燃料电池系统，需要精确控制反应温度的高温反应器(例如甲醇重整反应器)等。本发明也可以用于使用冷却液预热系统的场景，可以省去不必要的加热所需热量，提高系统效率；例如：在高温燃料电池系统预热时，传统方法是将整个水箱中的冷却液全部加热至系统运行温度，在本专利所设计的系统中，只需要加热整个循环中的很小一部分，就可以将工作元件预热，在冷却时，也只需要将这一小部分的冷却液冷却，大大减少了能量损耗和加热、降温时间。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

实施例1

实施例1是应用本发明提供的方法与系统，为燃料电池电堆降温的实施例。燃料电池的工作温度为160～170℃，同时会发出大量的热。

如图1所示，燃料电池电堆312的冷却液在循环管路中循环，循环管路主要由第一管路110、第二管路210和液-液换热器311组成。经过液-液换热器311的作用，第一管路110中冷却液的平均温度低于第二管路210中冷却液的平均温度。低温循环泵410安装在第一管路110中，用于推动冷却液在第一管路110、第二管路210和液-液换热器311中流动，如图1中箭头方向所示。

为了便于描述，将第一管路110标记为管路段111、管路段112、管路段113，将第二管路210标记为管路段211、管路段212、管路段213。液-液换热器311带有冷媒入口、冷媒出口、热媒入口、热媒出口。冷媒入口与第一管路110的出口连接，冷媒出口与第二管路210的入口连接；热媒入口与第二管路210的出口连接，热媒出口与第一管路110的入口连接。这样在低温循环泵410工作时，冷却液依次在管路段111、管路段112、管路段113、液-液换热器311的冷媒管路、管路段211、管路段212、管路段213、液-液换热器311的热媒管路循环。

燃料电池电堆降温的工作流程如下：

(1)低温循环泵410将90℃的上行冷却液送入液-液换热器311的冷媒管路中，与燃料电池电堆312中流出的约170℃的下行冷却液进行热交换，此时90℃的上行冷却液被加热到大约165℃，而约170℃的下行冷却液被降温到约95℃；

(2)约165℃的上行冷却液在套管式水冷凝器314中进行热平衡，使其温度达到燃料电池电堆312的入口温度160℃；

(3)160℃的上行冷却液流入燃料电池电堆312中并与其发生热交换，成为170℃的下行冷却液；

(4)170℃的下行冷却液流入液-液换热器311中，与90℃的上行冷却液进行热交换，被降温到大约95℃；

(5)降温后约95℃的下行冷却液流入冷却空调313中进行热平衡，使下行冷却液的温度达到上行冷却液的要求温度(也即为低温循环泵410的工作温度90℃)，然后重新流入低温循环泵410成为上行冷却液，进行下一轮循环。

实施例2

甲醇重整器的反应温度需要控制在230～250℃。温度过高，则会对催化剂造成不可逆的损伤；温度过低，则反应产物达不到质量要求。甲醇重整反应是一个吸热反应，因此需要使用某种方法，使得既能在给重整反应供热的同时，又可以稳定地控制温度。实施例2是应用本发明提供的方法与系统，为甲醇重整反应的重整反应器提供反应所需热量的实施例。

如图2所示，重整反应器322的导热油在循环管路中循环，循环管路主要由第一管路120、第二管路220和液-液换热器321组成。经过液-液换热器321的作用，第一管路120中导热油的平均温度低于第二管路220中导热油的平均温度。液体循环泵420安装在第一管路120中，用于推动导热油在第一管路120、第二管路220和液-液换热器321中流动，如图2中箭头方向所示。

为了便于描述，将第一管路120标记为管路段121、管路段122、管路段123，将第二管路220标记为管路段221、管路段222、管路段223。液-液换热器321带有冷媒入口、冷媒出口、热媒入口、热媒出口。冷媒入口与第一管路120的出口连接，冷媒出口与第二管路220的入口连接；热媒入口与第二管路220的出口连接，热媒出口与第一管路120的入口连接。这样在低温循环泵410工作时，导热油依次在管路段121、管路段122、管路段123、液-液换热器321的冷媒管路、管路段221、管路段222、管路段223、液-液换热器321的热媒管路循环。

为重整反应器加热的工作流程如下：

(1)液体循环泵420将90℃的上行导热油送入液-液换热器321中，与从重整反应器322中流出的约230℃的下行导热油进行热交换，此时90℃的上行导热油被加热到大约220℃，而约230℃的下行导热油被降温到约100℃；

(2)约220℃的上行导热油在换热器324中进行加热控温，使其温度达到重整反应器322的入口温度250℃；换热器324可以是任何形式的换热装置，例如燃烧加热器、电加热器、热风换热器等；

(3)250℃的上行导热油流入重整反应器322中并与其发生热交换，成为230℃的下行导热油；

(4)230℃的下行导热油流入液-液换热器321中，与90℃的上行导热油进行热交换，被降温到大约100℃；

(5)降温后约100℃的下行导热油流入套管式水冷凝器323中进行热平衡，使下行导热油的温度达到上行导热油的要求温度(也即为液体循环泵420的工作温度90℃)，然后重新流入液体循环泵420成为上行导热油，进行下一轮循环。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种传热介质循环流动系统，其特征在于，包括：

循环管路，所述循环管路至少包括第一管路和第二管路，所述第一管路中传热介质的平均温度低于所述第二管路中传热介质的平均温度；

第一换热装置，所述第一换热装置带有冷媒入口、冷媒出口、热媒入口、热媒出口；所述冷媒入口与所述第一管路的出口连接，所述冷媒出口与所述第二管路的入口连接；所述热媒入口与所述第二管路的出口连接，所述热媒出口与所述第一管路的入口连接；

流体输送装置，所述流体输送装置安装在所述第一管路中，用于推动传热介质在所述循环管路和所述第一换热装置中流动。

2.根据权利要求1所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述流体输送装置包括循环泵，所述循环泵的设计工作温度低于所述第二管路中传热介质的平均温度。

3.根据权利要求2所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述循环泵控制所述传热介质的流速。

4.根据权利要求1所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述第一换热装置包括液-液换热器。

5.根据权利要求1所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述第二管路从热源吸热。

6.根据权利要求5所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述第二管路与所述热源之间依靠第二换热装置进行热交换。

7.根据权利要求1所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述第一管路向受热体放热。

8.根据权利要求7所述的一种传热介质循环流动系统，其特征在于，所述第一管路与所述受热体之间依靠第三换热装置进行热交换。

9.根据权利要求1所述的一种传热介质循环流动系统的控制方法，其特征在于，包括：

选取循环管路的第一流动段和第二流动段；

在所述第一流动段与所述第二流动段之间设置第一换热装置，用于使所述第一流动段内的传热介质与所述第二流动段内的传热介质进行热交换；

所述第一换热装置使所述循环管路分为高温管路与低温管路；

在所述低温管路中设置流体输送装置，用于推动传热介质在所述循环管路和所述第一换热装置中流动。

10.根据权利要求9所述的一种传热介质循环流动系统的控制方法，其特征在于，所述传热介质在所述第一流动段的流向与在所述第二流动段的流向相反。

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