CN207317300U - 一种砂工质换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及太阳能光热发电中的换热技术领域，尤其涉及一种砂工质换热器，包括多个砂工质换热单元，砂工质换热单元包括对流换热室，多个砂工质换热单元的对流换热室平行且间隔设置；对流换热室的顶部设有砂工质入口、底部设有砂工质出口，砂工质通过自身重力沿砂工质入口至砂工质出口方向流动，对流换热室内设有用于流通取热工质的管束层。由以上技术方案可知，该砂工质换热器，通过砂工质提供热能，砂工质具有成本低、使用温度高存储热量多的优点，同时，依靠砂工质自身的重力即可实现与换热管内传热介质的换热，可不额外消耗动力，适用于砂子作为传热介质和储热介质的太阳能发电系统,能够实现太阳能发电系统的平稳持续发电。

Description

一种砂工质换热器

技术领域

本实用新型涉及太阳能光热发电中的换热技术领域，尤其涉及一种以砂工质为传热介质的砂工质换热器。

背景技术

随着世界能源消耗的不断增加和石油等不可再生能源的日益减少,能源短缺已经成为严重影响人们生活和制约社会发展的重大问题。在众多的可再生能源中，太阳能资源非常丰富，太阳能发电愈加受到人们的重视。太阳能直接发电技术中，聚光式太阳能热发电具有较高的发电效率，应用前景较好。

聚光式太阳能热发电技术通过聚光镜聚焦太阳能转化为工质的热能，进而推动热力发电系统发电,同时还会通过储热系统存储聚焦得到的热能实现对外电力输出的调节，实现平稳供电。目前，聚光式太阳能热发电系统采用的传热工质主要有水/水蒸汽和熔盐。水蒸汽具有很多其他工质无法替代的优点，如导热率高、无毒、无腐蚀、易于输运等。但水蒸汽在高温时存在高压问题，通常高压采用增加管壁厚度来解决，而增加管壁使得传热效率降低，进而增加吸热器及输送管路的成本。熔盐在相变过程中存在过冷和相分离的缺点，影响储热能力，且熔盐系统管路中使用的泵、阀价格昂贵且使用寿命较短，熔盐还具有一定的毒性，泄漏会造成环境污染。

因此在聚光式太阳能热发电技术中,本实用新型的申请人采用砂子作为集热器的传热介质和储热介质。砂子有一些优秀的属性，首先它是廉价的，同时可以在1000摄氏度的高温下使用，而熔盐的使用温度仅在600摄氏度。更高的温度可以带来更热的蒸汽，从而带来更高的发电效率。由于水或熔盐等传热介质能够在一定压力的推动下在传输管路中流动,而砂子与水和熔盐的性质不同,压力无法推动其在传输管路中流动,因此,使用砂子作为传热介质和储热介质的太阳能发电系统,需要提供专门针对砂工质的砂水换热器,以实现平稳发电。

实用新型内容

本实用新型提供一种砂工质换热器，其适用于砂子作为传热介质和储热介质的太阳能发电系统,能够实现太阳能发电系统的平稳持续发电。

根据本实用新型的实施例，提供了一种砂工质换热器，包括多个所述砂工质换热单元，所述砂工质换热单元包括对流换热室，多个所述砂工质换热单元的所述对流换热室平行且间隔设置；

所述对流换热室的顶部设有砂工质入口、底部设有砂工质出口，砂工质通过自身重力沿所述砂工质入口至所述砂工质出口方向流动；

所述对流换热室内设有管束层，所述管束层包括多层用于流通取热工质的换热管，所述换热管内取热工质流动方向与所述砂工质流动方向相互垂直；

所述管束层沿所述砂工质流动方向依次包括过热段、蒸发段及预热段，所述蒸发段和所述过热段之间连接有汽水分离器。

进一步的，所述管束层由单根换热管逐层弯曲成形，包括水平部和弯曲部。

进一步的，所述对流换热室沿砂工质流动方向依次包括多个子换热室，每个所述子换热室内均包括所述管束层，相邻的所述子换热室的所述管束层首尾连通；

所述砂工质入口设于最顶部的所述子换热室的入口上，所述砂工质出口设于最底部的所述子换热室的出口上。

进一步的，所述砂工质出口包括多个出料口，每个所述出料口上均设有流量调节阀。

进一步的，所述砂工质入口连接有导流通道。

进一步的，所述导流通道和/或所述出料口为缩口结构。

进一步的，所述对流换热室呈长方体形。

进一步的，所述管束层中的换热管包括陶瓷管和设置在所述陶瓷管内腔的金属管；所述陶瓷管与所述金属管之间的空腔填充有导热系数大于金属管导热系数的导热材料。

进一步的，所述对流换热室内设有多个所述管束层，每个所述砂工质换热单元内所述管束层的数量相同，多个所述管束层并联连接。

进一步的，多个所述蒸发段连接第一联箱，多个所述过热段连接第二联箱，所述第一联箱和所述第二联箱与所述汽水分离器连接。

由以上技术方案可知，本申请中的砂工质换热器，使用时，砂工质由砂工质入口进入对流换热室内，砂工质靠自身重力流动，与管束层内的取热工质完成换热，换热后的砂工质由砂工质出口排出；其中，管束层内的取热工质由下向上输送，即与砂工质流动方向相反，对流换热的方式使得管束层最先与砂工质接触的部分的温度最高，管束层内温度由高到低，分别为过热段、蒸发段和预热段，管束层内的取热工质在不同的阶段为不同的状态，由下向上温度逐渐升高，最终过热段排出饱和蒸汽。

该砂工质换热器，通过砂工质提供热能，砂工质具有成本低、使用温度高存储热量多的优点，同时，依靠砂工质自身的重力即可实现与换热管内传热介质的换热，可不额外消耗动力，适用于砂子作为传热介质和储热介质的太阳能发电系统,能够实现太阳能发电系统的平稳持续发电。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的换热器的结构示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为图1中A处的侧视图；

图4为图1中B处的局部放大图；

图5为本实用新型提供的管束层的一种结构的主视图；

图6为本实用新型提供的管束层中换热管的截面图。

图中：

1、砂工质换热单元；2、对流换热室；3、过热段；4、蒸发段；5、预热段；6、管束层；7、出料口；8、导流通道；9、汽水分离器；10、第一联箱；11、第二联箱；12、第三联箱；61、换热管；610、陶瓷管；611、金属管；612、导热材料；613、传热翅片。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-6所示，一种砂工质换热器，包括多个砂工质换热单元1，砂工质换热单元1包括对流换热室2，多个砂工质换热单元1的对流换热室2平行且间隔设置；

对流换热室2的顶部设有砂工质入口、底部设有砂工质出口，砂工质通过自身重力沿砂工质入口至砂工质出口方向流动；

对流换热室2内设有管束层6，管束层6包括多层用于流通取热工质的换热管61，换热管61内取热工质流动方向与砂工质流动方向相互垂直；

管束层6沿砂工质流动方向依次包括过热段3、蒸发段4及预热段5，蒸发段4和过热段3之间连接汽水分离器9。

该砂工质换热器，由砂工质提供热量，砂工质进入砂工质换热单元1之前，需要进行储热，使得砂工质具有高温。通入砂工质换热单元1后，与对流换热室2内的管束层6中的取热工质完成热交换，其中，取热工质为水、导热油、熔盐等，可根据工程应用选择。

多个砂工质换热单元1的对流换热室2平行且间隔设置。砂工质与管束层6之间的对流换热系数与砂工质的流速成正比关系，即砂工质流速越高，对流换热系数越大。其中，增加砂工质流速的方式是减小砂工质的流通面积。在单位空间内设置多个砂工质换热单元1，且砂工质换热单元1之间设置一定的空间间隙，在单位空间不变、砂工质总量不变的情况下，砂工质的流通面积减少，进而可提高砂工质的流速。

同时，多换砂工质热单元1间隔设置的方式，可提高砂工质换热单元1的换热高度，提高换热效率。管束层6的换热管61的长度不变，当砂工质换热单元1的流通面积减少时，换热管61在弯曲时，在宽度方向(横向)没有足够的空间，因此，只能向高度方向(纵向)弯曲叠加，进而提高管束层6整体的高度，可增加对流换热的行程及时间，使得砂工质与取热工质换热更充分，从而提高换热效率。而且，相邻的砂工质换热单元1之间设置间隙，间隙的空间可作为检修通道，为砂工质换热单元1的拆装及后期的维护维修提供便捷。

管束层6中的取热工质由下向上流动，上升方向与砂工质的流动方向相对设置，即对流设置，其中，管束层6中的换热管61的设置方式可以是单根形式，如图5所示，对流换热室2内的管束层由单根换热管61逐层弯曲成形；或者还可采用分模块的形式设置，如，对流换热室2包括多个子换热室，每个子换热室中的各换热管61与相邻的子换热室中的换热管61首尾连通，此状态取热工质以一个子换热室为一个单位模块，逐个模块的向上提升。

该砂工质换热单元1能以砂工质为换热工质，砂工质具有成本低、可高温环境使用、换热效率高等优点，使用时，砂工质由砂工质入口进入对流换热室2，由砂工质出口排出对流换热室2，砂工质靠自身的重力在对流换热室2内流动，无需额外的驱动，可节约提供驱动装置所需的成本；同时，减少驱动装置占用空间，进而可降低整体空间。

作为实施方式优选方案，砂工质出口包括多个出料口7，每个出料口7上均设有流量调节阀。

使用时，出料口7配合流量调节阀，可调节砂工质换热单元1的启停，即出料口7全部或部分开启，砂工质换热单元1处于开启状态，若出料口7全部关闭，则砂工质换热单元1关闭，停止换热；而且，在使用时，可能需要改变砂工质换热单元1的负荷，可通过调节出料口7的数量、流量调节阀的流量或两方式相配合的方式改变砂工质换热单元1的负荷，如，当砂工质换热单元1的负荷变小时，可减少出料口7的开启数量，或调低全部/部分流量调节阀的流量，或同时采用上述两种方式，最终，调低砂工质的流量及速度，以调低砂工质换热单元1负荷。

同时，通过流量调节阀调节出料口7的流量，还可以控制砂工质流动的稳定性与均匀性，从而确保蒸汽供应的稳定。

作为实施方式优选方案，砂工质入口连接有导流通道8。导流通道8的作用是利于砂工质进入到砂工质入口。

优选的，导流通道8和/或出料口7为缩口结构。导流通道8及出料口7均可采用缩口结构，其形状为漏斗状，对砂土工质具有一定的汇聚导流的作用，利于砂工质的流动，导流通道8的入口较大，出口较小，其接收面积较大，内部侧壁呈倾斜状对砂土工质具有较好的收集汇聚及导流的作用。

优选的，对流换热室2呈长方体形。砂工质入口至砂工质出口之间为垂直距离，没有弯折等障碍，利于砂工质垂直落下完成热交换。

作为实施方式优选方案，多个蒸发段4连接第一联箱10，多个过热段3连接第二联箱11，第一联箱10和第二联箱11与汽水分离器9的出口连接。

多个主蒸汽出口连接第三联箱12。

由过热段3最终排出饱和蒸汽，过热段的出口为主蒸汽出口，各个管束层6的主蒸汽出口连接第三联箱12。通过第一联箱10、第二联箱11及第三联箱12将多个砂工质换热单元1并联连接。多个砂工质换热单元1共用一个汽水分离器9，汽水分离器9的饱和蒸汽通过第二联箱11重新分配至管束层6的换热管61内继续进行过热，直至产生合格的过热蒸汽。采用并联设置的方式，可以根据换热功率启用一组或多组砂工质换热单元1，始终确保砂土工质及取热工质处于最佳流速下，从而保证最佳的换热效率。

如5和6所示，管束层6中的换热管61包括陶瓷管610和设置在陶瓷管610内腔的金属管611；陶瓷管610与金属管611之间的空腔填充有导热系数大于金属管611导热系数的导热材料612。陶瓷管610的外表面上还设有传热翅片613。

本实施例中的换热管61采用多层嵌套式结构，内部水工质流通管材根据主蒸汽温度压力优选采用钢管，外部采用陶瓷管610解决了高温及砂工质磨损问题，钢管和陶瓷管610之间灌注高导热系数材料，如铝等来强化换热。陶瓷管610外表面上的传热翅片613，能够强化砂侧对流换热系数，实现强化传热。

换热器包括多个砂工质换热单元1，每个砂工质换热单元1的对流换热室2内均设有多个管束层6，每个砂工质换热单元1内的管束层6的数量相同，多个管束层6并联连接。管束层6的换热管61的数量、长度、换热面积根据公式计算所得，具体的，设换热器功率为Q，水工质进口温度、压力、焓值分别为T1、P1、h1，出口参数为T2、P2、h2，密度为ρ，管束内径为d，外径为D，最佳流速为v，管束层数量增加传热翅片后总对流换热系数为h，砂土工质进出口温度分别为Ta、Tb，换热温差为换热面积换热管束长度

使用时，砂工质(高温)由导流通道8进入砂工质入口，从而进入到对流换热室2内，完成换热的砂工质(低温)由砂工质出口排出，取热工质，以水为例，水由管束层6的最底层通入，逐渐向顶层流动，最顶层的管束层6与砂土工质先接触，此处的温度最高，随着砂土工质的流动，越向下水被提升的温度越低，因此，管束层6内被分为过热段3、蒸发段4和预热段5；

与预热段5相接触的砂土工质已经分别在过热段3和蒸发段4进行换热，相对温度较低，但是，该处与砂土工质相接处的水的温度也相对较低，因此，仍能实现换热，充分利用砂工质温度，达到预热的效果；随着水向上流动，水接触的砂工质的温度越高，在蒸发段4水被蒸发呈水汽状态，该状态下的水汽进入到汽水分离器9，汽水分离器9将饱和的蒸汽通入到过热段3继续加热，直至产生合格的蒸汽。

应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种砂工质换热器，其特征在于，包括多个所述砂工质换热单元，所述砂工质换热单元包括对流换热室，多个所述砂工质换热单元的所述对流换热室平行且间隔设置；

所述对流换热室的顶部设有砂工质入口、底部设有砂工质出口，砂工质通过自身重力沿所述砂工质入口至所述砂工质出口方向流动；

所述对流换热室内设有管束层，所述管束层包括多层用于流通取热工质的换热管，所述换热管内取热工质流动方向与所述砂工质流动方向相互垂直；

所述管束层沿所述砂工质流动方向依次包括过热段、蒸发段及预热段，所述蒸发段和所述过热段之间连接有汽水分离器。

2.根据权利要求1所述的砂工质换热器，其特征在于，所述管束层由单根换热管逐层弯曲成形，包括水平部和弯曲部。

3.根据权利要求1所述的砂工质换热器，其特征在于，所述对流换热室沿砂工质流动方向依次包括多个子换热室，每个所述子换热室内均包括所述管束层，相邻的所述子换热室的所述管束层首尾连通；

所述砂工质入口设于最顶部的所述子换热室的入口上，所述砂工质出口设于最底部的所述子换热室的出口上。

4.根据权利要求1所述的砂工质换热器，其特征在于，所述砂工质出口包括多个出料口，每个所述出料口上均设有流量调节阀。

5.根据权利要求4所述的砂工质换热器，其特征在于，所述砂工质入口连接有导流通道。

6.根据权利要求5所述的砂工质换热器，其特征在于，所述导流通道和/或所述出料口为缩口结构。

7.根据权利要求1所述的砂工质换热器，其特征在于，所述对流换热室呈长方体形。

8.根据权利要求1所述的砂工质换热器，其特征在于，所述管束层中的换热管包括陶瓷管和设置在所述陶瓷管内腔的金属管；所述陶瓷管与所述金属管之间的空腔填充有导热系数大于金属管导热系数的导热材料。

9.根据权利要求2所述的砂工质换热器，其特征在于，所述对流换热室内设有多个所述管束层，每个所述砂工质换热单元内所述管束层的数量相同，多个所述管束层并联连接。

10.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，多个所述蒸发段连接第一联箱，多个所述过热段连接第二联箱，所述第一联箱和所述第二联箱与所述汽水分离器连接。