CN114705066A - 一种狭缝夹层式流体系统高效换热装置及sofc系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热交换技术领域，尤其为一种狭缝夹层式流体系统高效换热装置及SOFC系统，包括中空结构体，所述中空结构体的内部通过间隔设置有若干个片状夹层，若干个所述片状夹层对中空结构体内部进行完全分隔，相邻所述片状夹层之间形成有换热空间，所述换热空间的上下对称两面或前后对称两面均开设有与外部连通的孔隙，本发明中换热装置内通过多个换热空间的设置，能够实现对流体中的流量进行高效的交换，应用于SOFC系统中可将尾气中的热量与进入电池堆中的空气进行热交换，有效提供了热交换的效率，有效提高了系统的热电联供效率，降低了SOFC系统尾气的排放温度，提高使用上的安全性,扩大SOFC系统的应用领域，更加节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及热交换技术领域，具体为一种狭缝夹层式流体系统高效换热 装置及SOFC系统。
背景技术
一般SOFC系统运转所需温度约在600-800摄氏度，有效将尾气余热回收, 用于预热进入燃料电池堆的气体,降低二者间的温度落差，将可稳定燃料电池 系统的运作效能，此外，重组器(reformer)也需要一定温度才能发挥催化转 化效果，因此直接利用尾气热源，除了可以提高系统总体的热电联供效率,降 低SOFC尾气的排放温度亦可提高使用上的安全性,扩大SOFC商品的应用领 域。
因此需要一种狭缝夹层式流体系统高效换热装置及SOFC系统对上述问题 做出改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种狭缝夹层式流体系统高效换热装置及SOFC系 统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种狭缝夹层式流体系统高效换热装置及SOFC系统，包括中空结构体， 所述中空结构体的内部通过间隔设置有若干个片状夹层，若干个所述片状夹 层对中空结构体内部进行完全分隔，相邻所述片状夹层之间形成有换热空间， 所述换热空间的上下对称两面或前后对称两面交替开设有与外部连通的孔隙， 孔隙遵循上下/前后/上下/前后/上下/前后交替开设；
相邻所述片状夹层的开设孔隙的对称面互相垂直，分别用于导入不同能 量状态的流体，流体分为给予能量的流体和接受能量的流体，给予能量的流 体通过相邻所述片状夹层中相同方向性的孔隙直接导入，接受能量的流体通 过相邻所述片状夹层中另一相同方向性的孔隙直接导入。
作为本发明优选的方案，所述中空结构体于给予能量流体的流入面和流 出面均对接有流体流动控制模块，所述中空结构体于接收能量流体的流入面 和流出面均对接流体流动控制模块。
作为本发明优选的方案，所述中空结构体垂直接受能量的流体导入方向 的面宽等分成流体流动控制模块的倍数,一面由流体流动控制模块完全覆盖, 另一面的覆盖方式为两端伸出流体流动控制模块的宽度,用于连接下一个换 热装置。
作为本发明优选的方案，所述中空结构体为长方体、正方体、球体或橄 榄球体构型。
作为本发明优选的方案，所述换热装置为不锈钢材材料,亦可为其它具有 热传导性的金属、合金材料或石墨材料。
作为本发明优选的方案，所述换热装置设置的数量不限，且相同的所述 换热装置之间可通过同轴串接或并排相连。
一种SOFC系统，包括上述的换热装置、气体预热模块、燃料预热模块以 及电池组,其特征在于：所述气体预热模块以及燃料预热模块以内部均设置有 若干个换热装置，且所述气体预热模块以及燃料预热模块以内部的换热装置 安装方式以立式双排并列串接；
作为本发明优选的方案，所述气体预热模块与电池组之间通过空气管线 连接，所述燃料预热模块通过燃料管线连接有重组器，重组器与电池组之间 连接有燃料管线，电池组连接有电池反应堆，电池组与重组器之间连接有空 气管线。
作为本发明优选的方案，所述换热装置采用SUS304不锈钢材料,钢板厚 度为1mm,夹层间距3mm,换热装置模块长宽高尺寸均为201mm，换热空间的上 下对称两面以及前后对称两面均开设的孔隙为宽1mm长190mm的空隙。
作为本发明优选的方案，所述换热装置侧面连接的流体流动控制模块分 为尾气导入控制模块和空气导入控制模块，空气导入控制模块分为两种，一 种与同一换热装置相接用于转换气体流向或用于与相邻的换热装置连接或用 于两终端连接外部进出口端，另一种用于相接两终端的空气导入控制模块， 且该空气导入控制模块中空单面开口,开口端对接导入进气的连接模块,其对 称面中央设有进气口。
作为本发明优选的方案，所述尾气导入控制模块和空气导入控制模块上 所设的连通换热空间的孔隙与换热装置中的换热空间层面呈垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中换热装置内通过多个换热空间的设置，能够实现对流体中的流 量进行高效的交换，应用于SOFC系统中，可将尾气中的热量与进入电池堆中 的空气进行热交换，有效提供了热交换的效率，有效提高了系统的热电联供 效率，降低了SOFC系统尾气的排放温度，提高使用上的安全性,扩大SOFC系 统的应用领域，更加节能环保。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的局部内部结构示意图；
图3为本发明中给予能量的流体的流动线路示意图；
图4为本发明中接受能量的流体的流动线路示意图；
图5为本发明同轴串接连接方式的示意图；
图6为本发明并排相连连接方式的示意图；
图7为应用本发明的SOFC系统的热电整合简易示意图；
图8为应用本发明的SOFC系统中气体预热/换热装置简易示意图；
图9为应用本发明的SOFC系统中换热装置导入尾气或进气的连接模块示 意图；
图10为应用本发明的SOFC系统中连接外部进出口与两终端导入进气模 块的对接模块示意图。
图11为100cm2单片SOFC电池堆、10组并排相连换热装置的试验结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部 的实施例,基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳 动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解本发明，下面将参照相关对本发明进行更全面的描述。给 出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并 不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明 的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另 一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一 个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文 所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只 是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技 术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用 的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所 使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组 合。
请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：
实施例1，请参照图1、2、3、4、5和6，一种狭缝夹层式流体系统高效 换热装置及SOFC系统，包括中空结构体，中空结构体的内部通过间隔设置有 若干个片状夹层，若干个片状夹层对中空结构体内部进行完全分隔，相邻片 状夹层之间形成有换热空间，换热空间的上下对称两面或前后对称两面交替 开设有与外部连通的孔隙，孔隙遵循上下/前后/上下/前后/上下/前后交替开 设；相邻片状夹层的开设孔隙的对称面互相垂直，分别用于导入不同能量状 态的流体，流体分为给予能量的流体和接受能量的流体，给予能量的流体通过相邻片状夹层中相同方向性的孔隙直接导入，接受能量的流体通过相邻片 状夹层中另一相同方向性的孔隙直接导入。
请参阅图3和图4，中空结构体于给予能量流体的流入面和流出面均对接 有流体流动控制模块，中空结构体于接收能量流体的流入面和流出面均对接 流体流动控制模块，中空结构体垂直接受能量的流体导入方向的面宽等分成 流体流动控制模块的倍数,一面由流体流动控制模块完全覆盖,另一面的覆盖 方式为两端伸出流体流动控制模块的宽度,用于连接下一个换热装置。
中空结构体为长方体、正方体、球体或橄榄球体构型，中空结构体的构 型可为多种，可适应多种使用环境，换热装置为不锈钢材材料,亦可为其它具 有热传导性的金属、合金材料或石墨材料，换热装置设置的数量不限，且相 同的换热装置之间可通过同轴串接或并排相连，换热装置的设置方式多样， 设置灵活，如图5和图6所示，可根据实际的使用情况进行组合连接。
实施例2，请参照图7、8、9和10，一种SOFC系统，包括上述的换热装 置、气体预热模块、燃料预热模块以及电池组,气体预热模块以及燃料预热模 块以内部均设置有若干个换热装置，且气体预热模块以及燃料预热模块以内 部的换热装置安装方式以立式双排并列串接，气体预热模块与电池组之间通 过空气管线连接，燃料预热模块通过燃料管线连接有重组器，重组器与电池 组之间连接有燃料管线，电池组连接有电池反应堆，电池组与重组器之间连 接有空气管线，换热装置采用SUS304不锈钢材料,钢板厚度为1mm,夹层间距3mm,换热装置模块长宽高尺寸均为201mm，换热空间的上下对称两面以及前后 对称两面均开设的孔隙为宽1mm长190mm的空隙，图1中标号①、③、⑤表 示空气管线,标号②、④、⑥代表燃料管线,标号⑦、⑧、⑨代表尾气，电池 反应堆在图中标号为⑩。
请参阅图9、10，换热装置侧面连接的流体流动控制模块分为尾气导入控 制模块和空气导入控制模块，空气导入控制模块分为两种，一种与同一换热 装置相接用于转换气体流向或用于与相邻的换热装置连接或用于两终端连接 外部进出口端，另一种用于相接两终端的空气导入控制模块，且该空气导入 控制模块中空单面开口,开口端对接导入进气的连接模块,其对称面中央设有 进气口，尾气导入控制模块和空气导入控制模块上所设的连通换热空间的孔 隙与换热装置中的换热空间层面呈垂直，尾气导入控制模块采用SUS304不锈 钢材料,钢板厚度为1mm，长宽尺寸皆为201mm,高为5mm，连通的孔隙是在离 边缘10mm处,以割出宽1mm长197mm的空隙来实现，空气导入控制模块分为 两种，一种是完全与同一换热装置相接,用于转换气体流向,或是用于连接相 邻的换热装置,或用于两终端连接外部进出口端,长宽高尺寸为201mm、 100.5mm、5mm,连通的孔隙是在离边缘10mm处,以割出宽1mm长96.5mm的缝 隙来实现,气体进出的两端,缝隙位置呈对角相对位置,第二种是用于相接两 终端空气导入控制模块长宽高尺寸为201mm、50.25mm、5mm,中空单面开口, 开口端对接导入进气的连接模块,其对称面中央设有进气口，尾气导入控制模 块和空气导入控制模块上所设的连通换热空间的孔隙与换热装置中的换热空 间层面呈垂直。
以100cm2单片SOFC电池堆,阳极燃料用100％氢气,流速为335sccm；阴 极气体用100％空气,流速为670sccm进行试验,如附图11所示，经10组并排 相连换热装置,尾气与进气换热率达88％以上。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。
Claims (10)
1.一种狭缝夹层式流体系统高效换热装置，其特征在于：包括中空结构体，所述中空结构体的内部通过间隔设置有若干个片状夹层，若干个所述片状夹层对中空结构体内部进行完全分隔，相邻所述片状夹层之间形成有换热空间，所述换热空间的上下对称两面或前后对称两面交替开设有与外部连通的孔隙，孔隙遵循上下/前后/上下/前后/上下/前后交替开设；
相邻所述片状夹层的开设孔隙的对称面互相垂直，分别用于导入不同能量状态的流体，流体分为给予能量的流体和接受能量的流体，给予能量的流体通过相邻所述片状夹层中相同方向性的孔隙直接导入，接受能量的流体通过相邻所述片状夹层中另一相同方向性的孔隙直接导入。
2.根据权利要求1所述的狭缝夹层式流体系统高效换热装置，其特征在于：所述中空结构体于给予能量流体的流入面和流出面均对接有流体流动控制模块，所述中空结构体于接收能量流体的流入面和流出面均对接流体流动控制模块。
3.根据权利要求2所述的狭缝夹层式流体系统高效换热装置，其特征在于：所述中空结构体垂直接受能量的流体导入方向的面宽等分成流体流动控制模块的倍数,一面由流体流动控制模块完全覆盖,另一面的覆盖方式为两端伸出流体流动控制模块的宽度,用于连接下一个换热装置。
4.根据权利要求1所述的狭缝夹层式流体系统高效换热装置，其特征在于：所述中空结构体为长方体、正方体、球体或橄榄球体构型。
5.根据权利要求1所述的狭缝夹层式流体系统高效换热装置，其特征在于：所述换热装置为不锈钢材材料,亦可为其它具有热传导性的金属、合金材料或石墨材料。
6.根据权利要求1所述的狭缝夹层式流体系统高效换热装置，其特征在于：所述换热装置设置的数量不限，且相同的所述换热装置之间可通过同轴串接或并排相连。
7.一种SOFC系统，包括如权利要求1-6所述的换热装置、气体预热模块、燃料预热模块以及电池组,其特征在于：所述气体预热模块以及燃料预热模块以内部均设置有若干个换热装置，且所述气体预热模块以及燃料预热模块以内部的换热装置安装方式以立式双排并列串接；
所述气体预热模块与电池组之间通过空气管线连接，所述燃料预热模块通过燃料管线连接有重组器，重组器与电池组之间连接有燃料管线，电池组连接有电池反应堆，电池组与重组器之间连接有空气管线。
8.根据权利要求7所述的SOFC系统，其特征在于：所述换热装置采用SUS304不锈钢材料,钢板厚度为1mm,夹层间距3mm,换热装置模块长宽高尺寸均为201mm，换热空间的上下对称两面以及前后对称两面均开设的孔隙为宽1mm长190mm的空隙。
9.根据权利要求7所述的SOFC系统，其特征在于：所述换热装置侧面连接的流体流动控制模块分为尾气导入控制模块和空气导入控制模块，空气导入控制模块分为两种，一种与同一换热装置相接用于转换气体流向或用于与相邻的换热装置连接或用于两终端连接外部进出口端，另一种用于相接两终端的空气导入控制模块，且该空气导入控制模块中空单面开口,开口端对接导入进气的连接模块,其对称面中央设有进气口。
10.根据权利要求9所述的SOFC系统，其特征在于：所述尾气导入控制模块和空气导入控制模块上所设的连通换热空间的孔隙与换热装置中的换热空间层面呈垂直。
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