CN113280649A - 外置超临界二氧化碳大温差混合换热器及控制调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种外置超临界二氧化碳大温差混合换热器及控制调节方法，包括依次连接的热管线、渐扩管、混合管和渐缩管，热管线和渐扩管之间设置有热调阀，混合管外侧设置有冷管线和外套管，混合管内部设置有螺旋管，冷管线与外套管连接，穿过混合管的外套管与螺旋管连接，冷管线上设置有冷调阀，外套管通过法兰与所述混合管连接。外套管采用螺旋缠绕的方式贴在混合管的外围，且从一侧逐步延伸至另一侧。本发明提供的外置超临界二氧化碳大温差混合器及控制调节方法，能够实现在大温差条件下实现温度调节的技术效果，减少了热膨胀应力和热疲劳，提高了控温过程的可靠性。

Description

外置超临界二氧化碳大温差混合换热器及控制调节方法

技术领域

本发明属于换热器领域，具体说是涉及一种外置超临界二氧化碳大温差混合换热器及控制调节方法。

背景技术

换热器被广泛应用于化工、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，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器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换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

超临界二氧化碳热力循环技术是以超临界二氧化碳为工质构成的新型热力循环技术，在中高热源温度区间相比当前蒸汽朗肯循环技术具有高效率、占地面积小、系统简单等优点，是未来可以大规模替代当前蒸汽朗肯循环新型发电技术，具有广阔应用前景。

超临界二氧化碳热力系统的热源出口温度超过500℃，甚至在某些设计要求中达到700℃。在热力系统负荷控制的温度调节过程中，需要利用低温二氧化碳与高温二氧化碳进行混合，达到降低二氧化碳工质温度的目的。由于二氧化碳温度很高，要实现温度的迅速调节，低温二氧化碳工质的温度不宜太高；因此在大温差条件下实现温度的调节是非常必要的。基于以上背景需求，本发明提出了一种外置超临界二氧化碳大温差混合器结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外置超临界二氧化碳大温差混合器及控制调节方法，解决了如何实现在大温差条件下实现温度调节的技术问题，减少了热膨胀应力和热疲劳，提高了控温过程的可靠性。

一种外置超临界二氧化碳大温差混合器，包括依次连接的热管线、渐扩管、混合管和渐缩管，所述热管线和所述渐扩管之间设置有热调阀，所述混合管外侧设置有冷管线和外套管，所述混合管内部设置有螺旋管，所述冷管线与所述外套管连接，穿过所述混合管的外套管与所述螺旋管连接，所述冷管线上设置有冷调阀，所述外套管通过法兰与所述混合管连接。

所述外套管采用螺旋缠绕的方式贴在所述混合管的外围，且从一侧逐步延伸至另一侧。

所述外套管与所述混合管焊接连接，所述外套管采用二分之一半管。

所述外套管螺旋的螺距为管道直径的2-3倍。

螺距太小会使相邻两个管在热膨胀作用下产生相互挤压，不利于自由变形；螺距太大不利于利用混合管外部空间进行热量交换。

所述外套管的材料采用大线膨胀系数的不锈钢，所述不锈钢的线膨胀系数不低于14×10^-6℃^-1。

所述外套管通过金属圈滑动密封与所述混合器外壁接触。

所述外套管通过封闭套管与所述混合器外壁滑动接触。

本发明达成以下显著效果：本发明提出一种外置超临界二氧化碳大温差混合器结构，可以提高换热效率，有助于实现在大温差条件下实现温度调节，减少热膨胀应力和热疲劳，提高控温过程的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例中大温差混合器结构的整体示意图。

图2是本发明实施例中封闭套管与混合器外壁的接触结构图一。

图3是本发明实施例中封闭套管与混合器外壁的接触结构图二。

图4是本发明实施例中外套管尺寸变化图一。

图5是本发明实施例中外套管尺寸变化图二。

图6是本发明实施例中外套管与阀门开度的控制图。

其中，附图标记为：1、热管线；2、热调阀；3、渐扩管；4、混合管；5、渐缩管；6、内套管；7、冷管线；8、冷调阀；9、连接点；10、混合管出口；11、外套管；12、封闭套管；13、混合器外壁；14、金属箍圈；15、金属圈。

具体实施方式

为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

一种外置超临界二氧化碳大温差混合器结构，该结构主要包括热管线1、热调阀2、渐扩管3、混合管4、渐缩管5、内套管6、冷管线7、冷调阀8、连接点9、混合管出口10、外套管11。系统构成见图1。

热管线1接入高温超临界二氧化碳管线；热调阀2接在热管线1上，同时具有截止和调节功能，可以控制热管线1上的流量以及阀后的压力。渐扩管3用于连接热管线1和混合管4，使热管线1到混合管4的连接实现平滑过渡，减小阻力和压降损失。

混合管4是混合器的主体部分，为了容纳内部结构，混合管4内径大于热管线1内径。总体而言，混合管4的内部通流面积与热管线1的内部通流面积相当，以减少因流通面积改变而引起额外的形阻压降。渐缩管5用于连接混合管4和混合管出口10，使热混合管4到混合管出口10的连接实现平滑过渡，减小阻力和压降损失。

冷管线7接入高压低温二氧化碳，其注入压力略大于热管线1注入压力。冷调阀8接在冷管线7上，同时具有截止和调节功能，可以控制冷管线7上的流量以及阀后的压力。

外套管11缠绕在混合管4的外围，采用螺旋缠绕的方式，从一侧逐步延伸至另一侧。外套管11与混合管4采用焊接方式连接，外套管采用二分之一半管。外套管的缠绕方向与混合管内的流体流动方向完全逆向，即外套管与混合管可构成一个套管式换热器。

在外套管内，冷流体从右至左螺旋流动；混合管内热流体从左至右流动。内外流体通过管壳壁进行热量交换。外套管螺旋的螺距一般为管道直径的2-3倍。如果螺距太小，在热膨胀作用下，相邻两个管会产生相互挤压，不利于自由变形；如果螺距太大，外套管与混合管内流体的热量交换就不够充分，不利于充分利用混合管外部空间进行热量交换。

采用外部螺旋管进行流体输送，可以使流体在流动过程中，不仅产生轴向速度分量，也产生周向速度分量，在离心力作用下管道内产生截面二次流动，增强截面内流体工质的交混，有利于减少截面温度分布的不均匀性。通过外套管11的流体被预热后，通过连接点9进入混合管4内的内套管6。内套管6的缠绕方向与外套管11类似，其流通面积也相当，使两个结构内的流速基本变化不大。

外套管采用螺旋缠绕方式，选用大线膨胀系数的不锈钢作为材料。此膨胀系数能使得该结构具有一定的温度自调节能力。当外套管温度高于设定温度时，此时在温差作用下，具有高线膨胀系数的外套管，在长度方向伸长，增加了流体在管内的沿程流动距离，有助于加强高温流体与低温流体的换热，进而会起到抑制外套管温度上升的作用；反之，当外套管温度低于设定温度时，具有高线膨胀系数的外套管，在长度方向会缩短，减少了流体在管内的沿程流动距离，有助于减弱高温流体与低温流体的换热，进而会起到抑制外套管温度下降的作用。

作为一个改进，螺旋管6分为多段，沿着高温超临界二氧化碳的流动方向，螺旋管6的线膨胀系数逐渐增加。主要是沿着高温超临界二氧化碳的流动方向，温差越来越小，换热能力也越来越差，因此自然需要增加换热面积提高换热效率，因此不需要高的线膨胀系数。因此通过如此设置，一方面可以节省成本，同时也能使得热量在整体上换热均匀，形成类似逆流的换热效果，同时也能使得多个段延伸长度基本相同。

作为一个改进，沿着高温超临界二氧化碳的流动方向，螺旋管6的线膨胀系数逐渐增加幅度越来越大。这也是符合温差变化规律，也是申请人大量研究的结果，通过如此设置可以进一步提高换热效率。

外套管与混合器外壁的接触方式有两种。第一种，采用金属圈15滑动密封，利用金属箍圈14在外壁进行压紧，确保在端面上具有良好的密封力。在外套管与混合器外壁13之间，垫有可承高温的金属圈15，金属圈15起到保压和密封作用，同时可在一定的热膨胀作用下，可以沿轴向滑动。第二种，采用封闭套管12，封闭套管12为半圆形结构，自身具有较好的封闭性，利用金属箍圈14在外壁进行压紧，确保在端面上具有较好的接触；同时封闭套管12在混合器外壁13沿轴向可以滑动。

使用外套管11的目的，可以使冷侧流体与热侧流体在真正混合之前，通过热量传递，将热侧流体的温度先进行初步降温，将冷侧流体的温度进行初步升温，降低了两侧流体温度的温差。例如初始条件下，冷、热侧流体温差为500℃；通过外套管11，可使冷、热侧流体温差降低为300℃。然后再利用内套管6，进行二次热量传递；当最后冷流体从螺旋管出来后，冷、热侧流体温差变得较小，因此可以直接进行混合。

本发明的使用过程为，将热管线1接入高温超临界二氧化碳管线，将冷管线7接入高压低温超临界二氧化碳管线。通过热调阀2控制热管线1的流量，通过冷调阀8控制冷管线7的流量，使冷热管线上的流量相互匹配。从冷管线7流入的低温二氧化碳，先经过外套管11，被混合管4的流体进行加热；再通过连接点9后进入内套管6，在内套管6进行再次加热后，最终在内套管6的出口进行充分混合。

温度调节的步骤为：

(1)通过温度控制器，对混合管4出口流体的温度值进行设定；

(2)利用流体压力计，对混合管4出口的流体压力进行测量，利用温度传感器对混合管4出口的流体温度进行测量，通过测量的温度值和压力值，计算获得混合管4出口流体焓；

与此同时，利用热电偶分别测量热管线1的流体温度和冷管线7的流体温度，经计算分别获得热管线1流体焓和冷管线7流体焓；

设热管线1的流量和温度分别是m_i1和T_i1，冷管线7的流量和温度分别是m_i2和T_i2，混合管4出口10的流量、温度和压力分别是m₀、T₀和P₀。根据二氧化碳的物性方法，可以得到热管线1、冷管线7和混合管4出口10的流体焓分别是h_i1、h_i2和h₀。

h_i1＝h(p₀,T_i1) (1)

h_i2＝h(p₀,T_i2) (2)

h_o＝h(p₀,T_o) (3)

根据能量平衡方程和质量平衡方程：

m₀h_o＝m_i1h_i1+m_i2h_i2 (4)

m₀＝m_i1+m_i2 (5)

由此可以得到热管线1和冷管线7的流量比例是：

该流量比例与外套管11长度L、热调阀2和冷调阀8的开度有关系。当外套管11温度高于设定温度时，外套管11长度L变长，使该流量比例变小，即冷管线7流量增加，抑制外套管11温度上升。在此基础上，利用热调阀2和冷调阀8调节各自管线的阀门开度，使热管线1和冷管线7的比例满足公式(6)，可以实现在稳定状态下达到出口预定温度。其控制逻辑见图6。

最后根据冷热管线流量比例，利用阀门开度曲线，并结合阀门进出口压降，进而计算出冷热管阀门开度。

利用冷热管线流量比例与外套管11长度的比对表，获得外套管11最佳的长度值，所述的比对表，经过大量试验后获得，在此不在详述。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种外置超临界二氧化碳大温差混合换热器，其特征在于，包括依次连接的热管线、渐扩管、混合管和渐缩管，所述热管线和所述渐扩管之间设置有热调阀，所述混合管外侧设置有冷管线和外套管，所述混合管内部设置有螺旋管，所述冷管线与所述外套管连接，穿过所述混合管的外套管与所述螺旋管连接，所述冷管线上设置有冷调阀，所述外套管通过法兰与所述混合管连接。

2.根据权利要求1所述的外置超临界二氧化碳大温差混合器，其特征在于，所述外套管采用螺旋缠绕的方式贴在所述混合管的外围，且从一侧逐步延伸至另一侧。

3.根据权利要求2所述的外置超临界二氧化碳大温差混合换热器，其特征在于，所述外套管与所述混合管焊接连接，所述外套管采用二分之一半管。

4.根据权利要求3所述的外置超临界二氧化碳大温差混合换热器，其特征在于，所述外套管螺旋的螺距为管道直径的2-3倍。

5.根据权利要求4所述的外置超临界二氧化碳大温差混合换热器，其特征在于，所述外套管的材料采用大线膨胀系数的不锈钢，所述不锈钢的线膨胀系数不低于14×10^-6℃^-1。

6.根据权利要求1-5任一项所述的外置超临界二氧化碳大温差混合换热器，其特征在于，所述外套管通过金属圈滑动密封与所述混合器外壁接触。

7.根据权利要求1-5任一项所述的外置超临界二氧化碳大温差混合换热器，其特征在于，所述外套管通过封闭套管与所述混合器外壁滑动接触。

8.一种外置超临界二氧化碳的控制调节方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S01：通过温度控制器，对混合管出口流体的温度值进行设定；

步骤S02：利用流体压力计，对混合管出口的流体压力进行测量，利用温度传感器对混合管出口的流体温度进行测量，通过测量的温度值和压力值，计算获得混合管出口流体焓；

与此同时，利用热电偶分别测量热管线的流体温度和冷管线的流体温度，经计算分别获得热管线流体焓和冷管线流体焓；

设热管线的流量和温度分别是m_i1和T_i1，冷管线的流量和温度分别是m_i2和T_i2，混合管出口的流量、温度和压力分别是m₀、T₀和P₀，根据二氧化碳的物性方法，可以得到热管线、冷管线和混合管出口的流体焓分别是h_i1、h_i2和h₀，

h_i1＝h(p₀,T_i1)；

h_i2＝h(p₀,T_i2)；

h_o＝h(p₀,T_o)；

步骤S03：根据热管线、冷管线和混合管出口的流体焓，计算冷热管的流量比例，可以得到热管线和冷管线的流量比例是：

步骤S04：根据冷热管流量比例，利用阀门开度曲线，并结合阀门进出口压降，进而计算出冷热管线阀门开度；

利用冷热管线流量比例与外套管长度的比对表，获得外套管最佳的长度值。

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