CN112665415A - 一种沙浴式固体颗粒热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于热交换器技术领域，具体是涉及一种沙浴式固体颗粒热交换器。包括外壳、壳程进口、壳程出口和换热部，壳程进口与壳程出口分别设置在外壳上下侧，外壳内部具有容纳换热部的换热空间，换热部是由换热管缠绕在中心鼓风筒上形成的换热芯体，中心鼓风筒连接鼓风机构，其筒体内部形成第二鼓风腔，中心鼓风筒筒壁上开设鼓风孔，外壳上还设置有壳程进风口和壳程出风口，所述壳程进风口的进风方向与鼓风孔的出风方向相对。本发明采用圆柱式筒体，受力效果优于矩形筒体，本发明利用相对的壳程进风和中心鼓风筒鼓风方向，从外围与中心部位同时对固体颗粒进行鼓动，加强固体颗粒在换热腔内的扰动，使其进行沸腾式换热，显著提高了换热效率。

Description

一种沙浴式固体颗粒热交换器

技术领域

本发明属于热交换器技术领域，具体是涉及一种用于固体颗粒与液体、气体或超临界流体进行换热的沙浴式固体颗粒热交换器。

背景技术

目前，在太阳能塔式光热发电系统中，为了更好地实现对太阳能的利用以及储存，推出了采用固体颗粒作为中间介质，在中央集热塔上吸收来自太阳的能量，通过热交换器把热量传递给超临界CO₂，利用超临界CO₂布雷顿循环进行发电。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，现有技术中，固体颗粒与超临界CO₂之间的热交换器有流化床换热器、管壳式换热器及板壳式换热器，均采用方形外壳结构，占地面积较大，且外壳换热空间利用不充分，换热效率有待提高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种沙浴式固体颗粒热交换器。

本发明采用了以下技术方案：

一种沙浴式固体颗粒热交换器，包括外壳、壳程进口、壳程出口和换热部，壳程进口与壳程出口分别设置在外壳上下侧，外壳内部具有容纳换热部的换热空间，其特征在于：所述换热部是由换热管缠绕在中心鼓风筒上形成的换热芯体，所述中心鼓风筒与鼓风机构连接，所述中心鼓风筒筒体内部形成第二鼓风腔b，所述中心鼓风筒的筒壁上开设鼓风孔；所述外壳上还设置有壳程进风口和壳程出风口，所述壳程进风口的进风方向与所述鼓风孔的出风方向相对，且所述所述壳程进风口的进风和所述鼓风孔的出风均自壳程出风口流出。

优选的，所述外壳由圆柱形壳体和用于封闭壳体上下端的上封板、下封板组成，所述壳程进口设置在上封板上，所述壳程出口设置在下封板上，所述壳程进风口和壳程出风口设置在壳体上；所述壳程进口、壳程出口用于固体颗粒进出外壳。

优选的，所述换热芯体由多根换热管缠绕形成沿中心鼓风筒径向排布的多层换热结构，所述换热管自中心鼓风筒下端螺旋向上缠绕，每根换热管缠绕形成换热芯体的一层，同层的换热管之间及层与层间均具有间隙；每根所述换热管的下端均连接壳体上开设的管程流体进口管箱，上端连接壳体上开设的管程流体出口管箱。

优选的，所述壳程进风口设置在壳体外侧，所述壳体内侧设置有导流板，所述导流板环绕所述中心鼓风筒形成直径小于所述外壳的圆柱形，所述导流板上下端均与壳体内侧连接以围合形成第一鼓风腔a，所述壳程进风口在壳体上的进风位置位于第一鼓风腔a内，所述导流板上开设导流进风孔。

优选的，所述第一鼓风腔a内还设置有导流筒，所述导流筒罩盖壳程进风口周侧，且所述导流筒上下端不封闭形成流体出口。

优选的，所述壳程进口还包括分布盘，所述分布盘固设在上封板的底面，所述分布盘与上封板间形成缓冲腔c，所述壳程进口正对所述缓冲腔c，所述分布盘上开设多个分布孔。

优选的，所述分布孔以分布盘中心为圆心，沿圆周分布多排，每排位置与分布盘下方的换热芯体中缠绕的一层换热管对应，分布孔直径大于换热管直径。

优选的，所述分布盘直径小于所述上封板；所述壳程出风口设置在上封板上，且不与所述缓冲腔c重合或交错。

优选的，所述中心鼓风筒的上端固接在所述分布盘底面，下端伸出下封板并连接鼓风机构，所述中心鼓风筒内部形成第二鼓风腔。

优选的，所述鼓风孔设置在中心鼓风筒缠绕有换热管的部分。

优选的，任意所述鼓风孔与所述导流进风孔的中心法线不共线。

优选的，其特征在于，所述下封板为倾斜状，所述壳程出口设置在下封板低点。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用缠绕状换热芯体，可实现固体颗粒与管程流体之间的带旋流强化的逆流换热，极大地提高了换热效率。本发明上部设有分布盘，分布盘与上部筒体之间形成缓冲箱，一方面可以防止进口处固体颗粒对换热管束的冲击，另一方面可实现固体颗粒均匀的淋浴在换热管表面，实现壳程固体颗粒的均匀分布，避免因分布不均导致的换热效率降低的问题。

2)本发明设有第一鼓风腔a和中心鼓风筒，从外围与中心部位同时对固体颗粒进行鼓动，加强固体颗粒在换热腔内的扰动，进行沸腾式换热，进一步提高换热效率。固体颗粒与风混合后，固体颗粒在重力作用下向下运动从壳程下部出口排出，风在压差作用下向上运动从外壳上部排风口引出。风从鼓入到排出，实现横向与纵向方向的运动，对固体颗粒的扰动效果显著。

3)本发明外壳采用圆柱式筒体，与缠绕状换热芯体配合，一方面充分利用外壳空间，减少占地面积，另一方面圆柱式筒体受力效果优于矩形筒体，可降低筒体壁厚，节省材料。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A-A’方向的剖视图；

图3为导流板上开设导流进风口的局部示意图；

图4为中心鼓风筒在换热芯体缠绕处开设鼓风孔的示意图；

图5为分布盘上开设分布孔的示意图。

图中标注符号的含义如下：

10-换热芯体 11-壳体 12-上封板 13-下封板 14-壳程进口

15-壳程出口 21-壳程进风口 22-壳程出风口 30-换热芯体

31-换热管 40-中心鼓风筒 41-鼓风孔 51-管程进口管箱

52-管程出口管箱 60-导流板 61-导流进风口 62-导流筒

621-流体出口 70-分布盘 71-分布孔 a-第一鼓风腔 b-第二鼓风腔

c-缓冲腔

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明：

如图1-5所示，一种沙浴式固体颗粒热交换器，包括外壳10、壳程进口14、壳程出口15和换热部，外壳10由圆柱形壳体11和用于封闭壳体11上下端的上封板12、下封板13组成，壳程进口14设置在上封板12上，下封板13为倾斜状，壳程出口15设置在下封板13低点，壳程进口14、壳程出口15用于固体颗粒进出外壳10。

外壳10内部具有容纳换热部的换热空间，换热部是由多根换热管31缠绕在中心鼓风筒40上形成的具有多层换热结构的换热芯体30，中心鼓风筒40垂直设置在换热空间中心位置，换热管31沿中心鼓风筒40下端螺旋向上缠绕，每根换热管31缠绕形成换热芯体30的一层，相邻两层的换热管31缠绕的方向相反，即一层为顺时针方向，一层为逆时针方向。同层间的换热管31存在一定间隙，同时换热芯体30中的层与层之间也具有间隙，间隙构成了换热芯体30中可以使固体颗粒进入并与换热管31接触的若干个小单元的热交换空间。每根换热管31的下端均连接外壳10壳体11上开设的管程流体进口管箱51，上端连接外壳10壳体11上开设的管程流体出口管箱52。

管程流体进口管箱51和管程流体出口管箱52内部具有容纳流体的空间，其靠近外壳的一端设置为管板，管板分别封闭管程流体进口管箱51及管程出口管箱52的流体出口，换热管31穿过管板接入管程流体进口管箱51和管程流体出口管箱52的内部空间，保证流体可以进入换热管31中。

进一步的，管板嵌入外壳壳体11并于壳体11的内表面平齐，使得管程流体进口管箱51和管程流体出口管箱52不会占用外壳10内部的换热空间。

壳程进口14处设置有分布盘70，分布盘70用于承接并分散自管程进口14进入外壳10内部换热空间的固体颗粒。分布盘70固设在上封板12的底面，分布盘70与上封板12间形成缓冲腔c，壳程进口14正对缓冲腔c，分布盘70上开设多个分布孔71。

本实施例中，分布孔71以分布盘70中心为圆心，沿圆周方向自内而外分布多排，每排位置与分布盘70下方的换热芯体30中缠绕的一层换热管31对应，即每排分布空71与所对应的一层换热管31的水平投影重合，分布孔71直径大于换热管31直径，保证固体颗粒自分布孔71下落后可以均匀淋在每一层的换热管31上。

外壳10上还设置有壳程进风口21和壳程出风口22，壳程进风口21设置在壳体11外侧并穿过所述壳体11，壳体11内侧上设置导流板60，导流板60围合成直径小于外壳10的圆柱形，导流板60上下端均与壳体11内侧连接围合形成第一鼓风腔a，壳程进风口21位于第一鼓风腔a内，导流板60上开设导流进风孔61用于分散壳程进风口21的进风，导流进风孔61的大小、数量和排布方式根据不同工况的具体需求而定。

进一步的，第一鼓风腔a内还设置有导流筒62，导流筒62为半圆柱形，罩盖壳程进风口21周侧，且导流筒62上下端为敞口状形成流体出口621，使得进风从导流筒62的流体出口621流出，避免直接冲击导流板60使得导流进风孔61无法均匀出风。分布盘70的直径小于上封板12，壳程出风口22设置在上封板12上且不与缓冲腔c重合或交错。

中心鼓风筒40的上端固接在分布盘70底面中心，下端伸出下封板13并连接鼓风机构，鼓风机构向中心鼓风筒40鼓风，中心鼓风筒40内部形成第二鼓风腔b。中心鼓风筒40的筒壁上开设有鼓风孔41，鼓风孔的大小、数量和排布方式根据具体需要确定。鼓风孔41的出风方向与导流进风孔61的出风方向相对，且任意鼓风孔41与导流进风孔61的中心法线不共线。

工作时，固体颗粒自壳程进口14进入外壳10与分布盘70形成的缓冲腔c中，并自分布孔71流出，均匀淋浴在换热管31表面，并在重力作用下沿换热管缠绕层自上向下流动。管程流体自管程进口管箱51进入换热管31中，在换热管中沿换热管14缠绕在中心鼓风筒的方向自下向上螺旋形流动。

风从壳程进风口21进入第一鼓风腔a并被导流进风口61均匀分配流至换热空间，中心鼓风筒40内部在鼓风机构作用下形成第二鼓风腔b，风自第二鼓风腔b由鼓风孔41均匀进入换热空间。由于中心鼓风筒40设置于外壳10内部，因此鼓风孔的出风方向与导流进风孔61的进风方向相对，当固体颗粒淋浴在换热管31上并落入换热芯体30中形成的热交换空间时，会同时受到来自鼓风孔41和导流进风孔61的风流动影响，使固体颗粒在换热芯体30的热交换空间内进行鼓动，形成类似沸腾式运动，与换热管31进行换热，同时固体颗粒的下落速度减缓，增加了换热时间。

由于固体颗粒在重力作用下始终具有向下运动的总趋势，换热完成后，固体颗粒落出换热芯体30至下封板13上，并沿倾斜的下封板13滚动最终自壳程出口15流出外壳10，管程流体在换热管31内吸收来自固体颗粒的热量后自管程出口管箱52流出外壳10进行后续利用。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沙浴式固体颗粒热交换器，包括外壳(10)、壳程进口(14)、壳程出口(15)和换热部，壳程进口(14)与壳程出口(15)分别设置在外壳(10)上下侧，外壳(10)内部具有容纳换热部的换热空间，其特征在于：所述换热部是由换热管(31)缠绕在中心鼓风筒(40)上形成的换热芯体(30)；所述中心鼓风筒(40)连接鼓风机构，其筒体内部形成第二鼓风腔(b)，所述中心鼓风筒(40)的筒壁上开设鼓风孔(41)；所述外壳(10)上还设置有壳程进风口(21)和壳程出风口(22)，所述壳程进风口(21)的进风方向与所述鼓风孔(41)的出风方向相对，且所述所述壳程进风口(21)的进风和所述鼓风孔(41)的出风均自壳程出风口(22)流出。

2.如权利要求1所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述外壳(10)由圆柱形壳体(11)和用于封闭壳体(11)上下端的上封板(12)、下封板(13)组成，所述壳程进口(14)设置在上封板(12)上，所述壳程出口(15)设置在下封板(13)上，所述壳程进风口(21)和壳程出风口(22)设置在壳体(11)上；所述壳程进口(14)、壳程出口(15)用于固体颗粒进出外壳(10)。

3.如权利要求2所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述换热芯体(30)由多根换热管(31)缠绕形成沿中心鼓风筒(40)径向排布的多层换热结构，所述换热管(31)自中心鼓风筒(40)下端螺旋向上缠绕，每根换热管(31)缠绕形成换热芯体(30)的一层，同层的换热管(31)之间及层与层间均具有间隙；每根所述换热管(31)的下端均连接壳体(11)上开设的管程流体进口管箱(51)，上端连接壳体(11)上开设的管程流体出口管箱(52)。

4.如权利要求2所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述壳程进风口(21)设置在壳体(11)外侧，所述壳体(11)内侧设置有导流板(60)，所述导流板(60)环绕所述中心鼓风筒(40)形成直径小于所述外壳(10)的圆柱形，所述导流板(60)上下端均与壳体(11)内侧连接以围合形成第一鼓风腔(a)，所述壳程进风口(21)在壳体(11)上的进风位置位于第一鼓风腔(a)内，所述导流板(60)上开设导流进风孔(61)。

5.如权利要求4所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述第一鼓风腔(a)内还设置有导流筒(62)，所述导流筒(62)罩盖于壳程进风口(21)周侧，且所述导流筒(62)上下端敞开形成流体出口(621)。

6.如权利要求4所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述壳程进口(14)还包括分布盘(70)，所述分布盘(70)固设在上封板(12)的底面且位于中心鼓风筒(40)的上方，所述分布盘(70)与上封板(12)间围合形成缓冲腔(c)，所述壳程进口(14)正对所述缓冲腔(c)，所述壳程出风口(22)与所述缓冲腔(c)位置相异，所述分布盘(70)上开设多个分布孔(71)。

7.如权利要求6所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述分布孔(71)以分布盘(70)中心为圆心，沿圆周方向自内而外分布多排，每排位置与分布盘(70)下方的环绕中心鼓风筒(40)的一层换热管(31)对应，且分布孔(71)直径大于相对应的换热管(31)直径。

8.如权利要求6所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述中心鼓风筒(40)的上端固接在所述分布盘(70)底面，下端伸出下封板(13)并连接鼓风机构，所述鼓风孔(41)设置在中心鼓风筒(40)缠绕有换热管(31)的部分。

9.如权利要求8所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，任一所述鼓风孔(41)与任一导流进风孔(61)的中心法线不共线。

10.如权利要求2-9任一项所述的一种沙浴式固体颗粒热交换器，其特征在于，所述下封板(13)为倾斜状，所述壳程出口(15)设置在下封板(13)低点。

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