CN112687912B - 液流电池换热装置及安装换热装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及散热领域，提供一种液流电池换热装置(22)及安装换热装置方法，装置(22)包括毛细管架，其为长形，长度适于竖直设置在液流电池的储液罐(21)内；多根毛细管(221)，布设于所述毛细管架；至少一对连接组件(222)，设置在所述换热装置(22)的上端，每对连接组件(222)分别将所述毛细管(221)的进液端和出液端固定连接至所述储液罐(21)的上部，实现该毛细管(221)与外部的流体连通。本装置采用换热装置内置的方式，能够减小空间的占用，且易于安装和拆卸。

Description

液流电池换热装置及安装换热装置的方法

技术领域

本发明涉及散热领域，尤其涉及一种液流电池换热装置及安装换热装置的方法。

背景技术

近年来，风力发电和光伏发电高速发展，风光发电并网规格也越来越大，由于风光发电的间歇性和随机性的特点，大规模风光发电并网将影响一定区域内电网的稳定性。电力储能技术作为新能源接入领域的关键环节之一，能有效弥补风光发电的间歇性、波动性缺点。其中，全钒液流电池储能具有运行安全、循环寿命长、适用于大规模储能、绿色环保等优点，近来来日益得到重视。

钒电池的功率和容量相互独立，电池功率取决于电堆的功率，电池能量储存在电解液中。由此可见，电解液是全钒液流储能系统的核心。钒电池储能系统既需要高浓度的电解质溶液以实现电池的高能量密度，又要有高稳定性和高电化学活性以实现高倍率放电特性、电压效率、能量效率和低维护成本。在实际应用中，随着充放电的进行，电解液的温度会持续升高，电解液及电池性能性能受到温度因素影响很大，随着电解液温度升高，电解液粘度会降低，流动性和活性增强，系统的充放电效率会提高。但当温度过高且五价钒达到一定浓度时，就会有五氧化二钒晶体析出，造成流道堵塞，从而使电池性能急剧恶化，直至失效，所以在充放电的过程中，对系统的温度进行有效的控制显得十分关键。

全钒液流储能电池工作时，正极产生两种价态离子V(IV)和V(V)，负极产生两种价态离子V(II)和V(III)，不同价态离子在一定温度下稳定性存在差异。在电堆中，正负极电解液存在交叉渗透，反映过程中会涉及热反应，特别是放电过程中，电堆发热更明显。温度的变化不仅会影响电解质本身的稳定性，更会对电极活性物质在电极上的电化学反应产生影响，从而影响电池性能。

目前液流电池常用的换热方式有水冷和风冷两种方式，水冷和风冷循环换热装置是通过冷却水或冷风与高温电解液进行热交换达到降温作用。换热器换热面积相同的前提下，水冷的换热效果明显优于风冷。在实际应用中，水冷换热器一般是外置式，为给储罐内电解液降温，需在储罐外额外增加管路并连接换热器，或将换热器串联在管路中，这种方案增加了占地空间和泵的功耗，使得换热成本大幅增加。

如图1所示，图1为常见的一种组合式换热器1安装图，在已制作好的储罐11的顶部或侧面加工有用于安装、检修用的人孔111。对于直径较大的换热器12，制作好后无法放入储罐11内部。因此，通常将换热器12加工成多个圆弧组合式的结构，将多段圆弧形的换热器12框架从储罐人孔111放入，再在储罐12内部拼接起来，在储罐11内部盘绕毛细管，完成换热器12在储罐11内部的组装。这种组合式换热器1结构十分不方便安装、维修。

中国专利申请号CN201821297562.7公开了用于全钒液流电池系统的换热储罐，该换热储罐为一种夹套式换热储罐，包括外桶及承装电解液的内桶，内桶被安装与外桶中，内桶与外桶之间为夹套层，外桶壁上具有连通与夹套层的换热介质进、出口，夹套层以内桶壁，外桶壁、桶底壁、盖板所形成以隔绝内、外桶的封闭空间，夹套层被挡流板分区为若干个相对独立的挡流分区，并在挡流板上开出使唤热介质能够在不同挡流分区间流动的间隙孔，冷却介质为水。这种方式冷热介质没有直接接触，实际是通过冷却水给内桶桶壁降温达到给电解液降温的目的，由于电解液具有腐蚀性，使用的储罐一般都是用耐腐蚀的PP、PPH、PE等塑料材料，这些材料本身散热效果差，所以这种方式散热效果不佳。而且夹套式储罐结构，储罐有效容积小，制造工艺难度大、制作成本高。

中国专利申请号CN201720664886.9公开了一种杂酸蒸馏反应釜用换热器，该换热器为反应釜中的内置换热器，包括反应釜壁，所述反应釜壁的内部安装有毛细管架，所述毛细管架通过横向架和竖向架组合而成，所述毛细管架上均匀分布有多个孔，所述孔内穿过毛细管，多组毛细孔均匀间隔分别盘绕在毛细管架上，并在其两端形成蒸汽出口和蒸汽入口。这种内置换热器安装方法需要先在反应釜内部固定若干毛细管架，再将多组毛细管从毛细管架上的孔内均匀间隔穿过，盘绕毛细管的工步都需要人在反应釜内部进行，十分不方便。一旦换热器出现问题需要维修时，则无法取出换热器，且这种换热器的毛细管架为组合式结构，需要专业技术人员去反应釜制造厂家现场在反应釜内部进行拼装或将制造好的反应釜运输至换热器厂家由专业技术人员在反应釜内部进行拼装，会给生产带来诸多不便。

因此，亟需发明一种能够提升散热效果并且方便安装维护的液流电池换热装置。

发明内容

本发明的技术目的就在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种液流电池换热装置及安装换热装置的方法，能够明显提升散热效果，减少换热装置的占用体积，同时还方便安装维护。

作为本发明的第一个方面，本发明提供一种液流电池换热装置，包括：

毛细管架，其为长形，长度适于竖直设置在液流电池的储液罐内；

多根毛细管，布设于所述毛细管架；

至少一对连接组件，设置在所述换热装置的上端，每对连接组件分别将所述毛细管的进液端和出液端固定连接至所述储液罐的上部，实现该毛细管与外部的流体连通。

根据本发明一示例实施方式，所述毛细管架包括多个多孔板，所述毛细管穿设在该多孔板上。

根据本发明一示例实施方式，所述换热装置还包括包围在毛细管架的外壁，所述外壁上设有多个供电解液进入的第一通孔。

根据本发明一示例实施方式，所述换热装置还包括设置在所述毛细管架顶部的固定法兰，用于与所述储液罐顶部固定连接。

根据本发明一示例实施方式，所述换热装置还包括设置在所述毛细管架底部的固定法兰，用于与所述储液罐底部固定连接。

根据本发明一示例实施方式，每对连接组件包括毛细管接头、外丝接头和两个活套半法兰，其中：

所述毛细管接头包括上部和下部，下部承接所述毛细管的进液端或出液端，上部内壁为内螺纹结构，

所述外丝接头下部外壁上具有外螺纹，与所述毛细管接头的所述内螺纹配合；所述毛细管接头上部具有一扩大部；

所述活套半法兰加工有阶梯孔，合围后该阶梯孔卡在所述毛细管接头的扩大部。

根据本发明一示例实施方式，所述毛细管接头的顶部设有凹槽，所述连接组件还包括O型圈，所述O型圈设置在凹槽上，用于实现毛细管接头与所述外丝接头之间的密封。

根据本发明一示例实施方式，所述连接组件还包括设置在活套半法兰下端面的密封垫，用于实现所述活套半法兰下端面与所述储液罐之间的密封。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种在液流电池储液罐中安装所述换热装置的方法，将所述换热装置竖直布置在所述储液罐内，将所述至少一对连接组件分别连接至储液罐顶部的进液口和出液口。

根据本发明一示例实施方式，在储液罐的对应位置设置储液罐固定法兰，用于与毛细管架顶部和/或底部的固定法兰对接。

根据本发明一示例实施方式，在储液罐的对应位置设置冷却水进口法兰和冷却水出口法兰，所述一对毛细管接头分别从所述冷却水进口法兰和冷却水出口法兰穿出储液罐，并密封连接。

根据本发明一示例实施方式，所述两个活套半法兰夹紧所述毛细管接头，并可拆卸地固定在所述冷却水进口法兰或冷却水出口法兰的上方。

根据本发明一示例实施方式，所述储罐固定法兰上设有多个第二通孔。

本发明的有益效果是：

本发明提供的液流电池换热装置，解决了钒电池电解液散热的问题，具有以下几个方面的优越性。

(1)采用换热装置内置的方式，能够减小空间的占用，不增加液流电池电解液的流动阻力损失。

(2)换热装置为一个整体，可方便地与储液罐安装与拆卸，便于维护。

(3)安装换热装置时整个换热装置放入储液罐，再将毛细管接头从储液罐顶部对应的法兰从内到外穿出来，用活套半法兰固定在储液罐顶部的法兰上。

(4)设置了O型圈和密封圈，密封效果好。

(5)换热装置不需要额外的泵、管道，也不需要将换热装置串联到系统的管路中，直接将自来水管连接到换热装置的进口接头上即可。

(6)换热装置采用氟塑料换热装置，具备良好的耐高温、耐老化、耐腐蚀性能。

(7)相较于储罐外部做夹层的换热方式，采用本发明的内置换热装置具有制作工艺简单、制作成本低的优点。

附图说明

图1给出了现有技术中组合式换热器的结构图；

图2给出了第一种实施方式的储液罐和换热装置组合结构的结构图；

图3给出了第一种实施方式的储液罐的结构图；

图4给出了第一种实施方式的换热装置的结构图；

图5是本发明一实施例的毛细管架的一多孔板的示意图；

图6给出了第一种实施方式的毛细管和连接组件的连接关系图；

图7是图6的爆炸图；

图8给出了第一种实施方式的毛细管接头的结构图；

图9给出了第一种实施方式的活套半法兰的结构图；

图10给出了第二种实施方式的储液罐和换热装置组合结构的结构图。

其中，1—组合式换热装置，11—储罐，111—人孔，12—换热装置，2—储液罐和换热装置组合结构，21—储液罐，211—人孔，212—冷却水进口法兰，213—冷却水出口法兰，214—储液罐固定法兰，215—第二通孔，216—电解液出口法兰，217—电解液进口法兰，218—透明观测管固定法兰，22—换热装置，221—毛细管，222—连接组件，222A—毛细管接头，222B—外丝接头，222C—活套半法兰，222D—O型圈，222E—密封垫，223—换热装置固定法兰，224—外壁，225—第一通孔，226—第三通孔，227—多孔板，23—透明观测管。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

根据本发明的第一个实施方式，如图2所示，提供了一种储液罐和换热装置组合结构2，可以用于需要换热的场合，如全钒液流电池领域，给储液罐内的电解液换热；又如化工、能源等需要水冷换热的领域。该储液罐和换热装置组合结构2包括储液罐21、换热装置22和透明观测管23。换热装置22可以根据需要设置多个。

如图3所示，储液罐21包括人孔211、冷却水进口法兰212、冷却水出口法兰213、储罐固定法兰214、第二通孔215、电解液出口法兰216、电解液进口法兰217、透明观测管固定法兰218。人孔211设置在储液罐21的顶部，换热装置22通过人孔211放入储液罐21内。冷却水进口法兰212和冷却水出口法兰213均设置在储液罐21顶部，分别对应储液罐21顶部的进液口和出液口，用于供换热装置22的毛细管221的进液端和出液端穿出储液罐21。储液罐21的内壁顶部和底部均固定有储液罐固定法兰214，储液罐固定法兰214上设有多个第二通孔215。第二通孔215为腰型孔，可以防止电解液进入储液罐固定法兰214的腔体内，形成“死液”。电解液出口法兰216为多个，设置在储液罐21的顶部。电解液进口法兰217为多个，设置在储液罐21的底部。使用时，先将换热装置22放入储液罐21内并进行安装，向储液罐21内加入电解液进行反应，换热装置22浸泡在电解液内。透明观测管固定法兰218与透明观测管23连接，用于工作人员从外部观察储液罐21内部的情况。

如图4所示，换热装置22整体为圆柱体结构，高度适于竖直设置在储液罐21内，可以根据需要调整换热装置的结构。换热装置22包括多根毛细管221、两对连接组件222、换热装置固定法兰223、毛细管架和外壁224，其中毛细管架、换热装置固定法兰223、外壁224、活套半法兰222C采用PP材料，毛细管221、毛细管接头222A采用氟塑料材质，氟塑料材质具备良好的耐高温、耐老化、耐腐蚀性能。毛细管架顶部设有供毛细管221穿过的圆形的第三通孔226，毛细管架顶部还与换热装置固定法兰223固定连接。该换热装置固定法兰223与储液罐21内壁顶部的储液罐固定法兰214固定连接。如图5所示，毛细管架包括多个多孔板227，毛细管221穿设在多孔板227上，毛细管221盘绕多圈，使得毛细管221与电解液有更大的接触面积。毛细管221穿出并高于毛细管架的部分的长度大于毛细管架的顶部到冷却水入口法兰212或冷却水出口法兰213的距离。毛细管221穿出第三通孔226的两端分别为进液端和出液端，该两端分别与连接组件222固定连接。毛细管221采用PFA、FEP、PTEP材料。PFA、FEP材质的毛细管221采用焊接工艺实现与毛细管接头222A连接，这种材料及工艺密封性更优、耐压高，缺点是成本较高。PTFE材质的毛细管221采用胀接的工艺实现与毛细管接头222A连接，这种材料及工艺成本相对低廉，但密封性和耐压强度不如前者。毛细管221内的液体为自来水、去离子水或冷冻盐水，但不局限于此。如果使用自来水，可以直接将自来水接到毛细管221的进液端，再从出液端排出。毛细管架底部与换热装置固定法兰223固定连接。该换热装置固定法兰223与储液罐21内壁底部的储罐固定法兰214固定连接。

如图6和图7所示，连接组件222为一对，可以根据实际情况增加或减少连接组件222的数量。每对连接组件222用于连接毛细管221并固定在储液罐21上，包括毛细管接头222A、外丝接头222B、两个活套半法兰222C、O型圈222D和密封垫222E。毛细管接头222A由储液罐21内向外伸出，其余器件(外丝接头222B、两个活套半法兰222C、O型圈222D和密封垫222E)在储液罐21外与毛细管接头222A连接。毛细管接头222A包括上部和下部，其下部与毛细管221的进液端或出液端连通，如图6-8所示，上部的内壁为内螺纹结构，与外丝接头222B下部的外壁上的外螺纹相匹配。毛细管接头222A为倒阶梯形状，其上部的外径大于下部的外径。毛细管接头222A上部的外径小于冷却水进口法兰212和冷却水出口法兰213的内径，使得毛细管接头222A能够通过冷却水进口法兰212或冷却水出口法兰213从储罐21内部穿出储液罐21。毛细管接头222A采用PFA、FEP、PTEP材料。如图9所示，活套半法兰222C为半环形结构，两个活套板法兰222C可以合并成一个环形结构。两个活套半法兰222C内圈为阶梯孔，与毛细管接头222A的倒阶梯形状相匹配，使得合围后的两个活套半法兰222C的阶梯孔卡在毛细管接头222A的到阶梯形状的上部。两个活套半法兰222C夹紧毛细管接头222A，并可拆卸地固定在冷却水进口法兰212或冷却水出口法兰213的上方。将活套法兰做成2个“半法兰”的形式是便于毛细管接头222A从储液罐21内安装固定到储液罐21外部。毛细管接头222A的顶部设有凹槽，O型圈222D设置在凹槽上，用于实现毛细管接头222A与外丝接头222B的密封。外丝接头222B包括固定在外丝接头222B外壁上的环形挡圈。外丝接头222B和毛细管接头222A的螺纹结构拧紧后，环形挡圈卡在外丝接头222A上方，O型圈222D顶部与外丝接头222B的环形挡圈底部贴合，达到密封效果。密封垫222E设置在活套半法兰222C下端，位于冷却水出口法兰212之间、或活套半法兰222C和冷却水出口法兰212之间，用于实现活套半法兰222C下端面与储液罐21之间的密封。

如图4所示，筒状结构的外壁224包围在毛细管架的外部，外壁224上设有多个供电解液进入的第一通孔225，第一通孔225为腰型孔。电解液从第一通孔225进入换热装置22内部，并与毛细管221内的液体进行充分的热量交换，从而降低电解液的温度。

采用液流电池换热装置2进行换热，首先需要安装该装置，安装步骤如下：

S1：将换热装置22的部分结构固定：

S101：在毛细管架上间隔均匀地开设若干第三通孔226，第三通孔226的直径大于毛细管221的外径，使得毛细管221可以穿出；

S102：在毛细管架的顶部和底部焊接上换热装置固定法兰223；

S103：将多根毛细管221盘绕毛细管架并将每根毛细管221的进液端和出液端从毛细管架上的第三通孔226穿出；

S104：再将毛细管221穿进毛细管接头222A下部，并与毛细管接头222A热熔在一起，毛细管接头222A下方需要预留一定长度的活动毛细管221，该长度需要大于第三通孔226到储罐固定法兰214的距离；

S105：在换热装置22的外壁224上开设多个第一通孔225，将外壁224焊接在毛细管架上。

S2：将换热装置22与储液罐21固定：

S201：将换热装置22(毛细管221、毛细管架、换热装置固定法兰223、毛细管接头222A和外壁)从储液罐21的人孔211放入，再通过PP/尼龙螺栓螺母将换热装置22的换热装置固定法兰223和储液罐21的储罐固定法兰214固定连接；

S202：将毛细管接头222A分别从冷却水进口法兰212和冷却水出口法兰213从内到外伸出，在毛细管接头222A顶部的凹槽上放置O型圈222D，外丝接头222B在储罐21外部与毛细管接头222A拧紧进行螺纹连接，并与O型圈222D的顶部贴合；

S203：通过2个活套半法兰222C夹紧毛细管接头222A的上部；

S204：在活套半法兰222C与冷却水进口法兰212或冷却水出口法兰213之间垫上密封垫222E，并与冷却水进口法兰212或冷却水出口法兰213固定连接。

S3：将毛细管221与外部冷却水管连接：冷却水管可以直接使用自来水管，将自来水管与外丝接头222B连接，采用PVC胶水粘接，可以利用自来水管网自身的水压，让冷却水在换热装置22内部循环，起到换热的效果，这种方式可以减少换热装置22外部的管路连接，也不需要额外给换热装置22配置输送泵，可以有效降低液流电池储能系统的功耗。

根据本发明的第二个实施方式，提供了一种液流电池换热装置2，如图10所示，该液流电池换热装置2为立式结构，其余结构均与第一个实施方式的液流电池换热装置2相同。

储罐的形式并不仅仅局限于卧式或立式储罐，也可以是非标的槽体、反应釜等各类容器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (11)

1.一种用于液流电池的换热装置（22），其特征在于，包括：

毛细管架，其为长形，长度适于竖直设置在液流电池的储液罐（21）内；

多根毛细管（221），布设于所述毛细管架；

至少一对连接组件（222），设置在所述换热装置（22）的上端，每对连接组件（222）分别将所述毛细管（221）的进液端和出液端固定连接至所述储液罐（21）的上部，实现该毛细管（221）与外部的流体连通；

每对连接组件（222）包括毛细管接头（222A）、外丝接头（222B）和2个活套半法兰（222C），其中：

所述毛细管接头（222A）包括上部和下部，下部承接所述毛细管（221）的进液端或出液端，上部内壁为内螺纹结构，

所述外丝接头（222B）下部外壁上具有外螺纹，与所述毛细管接头（222A）的所述内螺纹配合；所述毛细管接头（222A）上部具有一扩大部；

所述活套半法兰（222C）加工有阶梯孔，合围后该阶梯孔卡在所述毛细管接头（222A）的扩大部；

所述毛细管接头（222A）的顶部设有凹槽，所述连接组件（222）还包括O型圈（222D），所述O型圈（222D）设置在凹槽上，用于实现毛细管接头（222A）与所述外丝接头（222B）之间的密封；

储液罐（21）包括冷却水进口法兰（212）、冷却水出口法兰（213），冷却水进口法兰（212）和冷却水出口法兰（213）均设置在储液罐（21）顶部；所述活套半法兰（222C）可拆卸地固定在冷却水进口法兰（212）或冷却水出口法兰（213）的上方。

2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述毛细管架包括多个多孔板（227），所述毛细管（221）穿设在该多孔板（227）上。

3.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，还包括包围在毛细管架的外壁（224），所述外壁（224）上设有多个供电解液进入的第一通孔（225）。

4.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，还包括设置在所述毛细管架顶部的固定法兰（223），用于与所述储液罐（21）顶部固定连接。

5.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，还包括设置在所述毛细管架底部的固定法兰（223），用于与所述储液罐（21）底部固定连接。

6.根据权利要求1所述的液流电池换热装置，其特征在于，所述连接组件（222）还包括设置在活套半法兰（222C）下端面的密封垫（222E），用于实现所述活套半法兰（222C）下端面与所述储液罐（21）之间的密封。

7.一种在液流电池储液罐中安装权利要求1-6任一项所述换热装置的方法，其特征在于：将所述换热装置（22）竖直布置在所述储液罐（21）内，将所述至少一对连接组件（222）分别连接至储液罐（21）顶部的进液口和出液口。

8.在液流电池储液罐中安装权利要求4或5所述换热装置的方法，其特征在于，在储液罐（21）的对应位置设置储液罐固定法兰（214），用于与毛细管架顶部或底部的固定法兰（223）对接。

9.在液流电池储液罐中安装权利要求1所述的换热装置的方法，其特征在于，在储液罐（21）的对应位置设置冷却水进口法兰（212）和冷却水出口法兰（213），所述一对毛细管接头分别从所述冷却水进口法兰（212）和冷却水出口法兰（213）穿出储液罐（21），并密封连接。

10.在液流电池储液罐中安装权利要求9所述的换热装置的方法，其特征在于，所述两个活套半法兰（222C）夹紧所述毛细管接头（222A），并可拆卸地固定在所述冷却水进口法兰（212）或冷却水出口法兰（213）的上方。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述储罐固定法兰（214）上设有多个第二通孔（215）。

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