CN213932169U - 基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，包括：蓄热体，其设置有多个贯通孔；换热管路，其包括主管路和并联支路，换热管束穿行过若干部不同的贯通孔而嵌于蓄热体内，主管路的出口处设有主管路常开出口阀，至少两个并联支路与主管路连通设置，并联支路与主管路连通的入口处设置有并联支路常闭入口阀，并联支路的出口设有并联支路常开出口阀。本实用新型减少显热蓄热换热器的总并联管路数，强化了换热管路的换热效率，减少单位体积的蓄热材料内布置的管段数，增强了管路排布的灵活性。

Description

基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构

技术领域

本实用新型属于显热蓄热技术领域，涉及基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构。

背景技术

蓄热技术的原理是加热储热介质，然后在需要能量时释放热量，通常用于补偿能源供需之间的不匹配。在能源系统中使用蓄热技术的优势包括提高整体效率和更好的可靠性，并且可以带来更好的经济性，降低投资和运营成本以及减轻对环境的污染，即更少的二氧化碳排放。从蓄热材料的角度，潜热蓄热要求材料吸收或释放足够的能量以在熔融/凝固过程中发生相变。工作温度变化的过程中没有发生相变或化学反应的则为显热蓄热材料。固体显热蓄热换热器的结构相对比较简单，运行安全性比潜热换热器要高，广泛应用于大型或小型能源系统中。其局限在于，蓄热体的温度随换热过程的进行不断降低，在相同换热面积的条件下换热功率也随之降低。为了提高系统输出功率的稳定性，中国专利CN106016219A提出在固体蓄热换热器中设置并联的换热管路，增加换热面积以弥补蓄热材料在低工作温区输出功率的不足。然而，在蓄热单元总流量固定的情况下增加并联管路数会减小单个管路内的流量。过低的管内流量会导致换热不充分，甚至引发流动沸腾不稳定性，影响换热器安全稳定运行。同时，过大的并联管路数使得进出口集箱的设计和布置困难，影响控制分流效果。在不改变换热管路内流量的情况下，中国专利CN105953202B 提出串联管路的方法，通过在流动方向上增加换热面积的方法来解决蓄热体温度降低导致的换热系数和换热功率降低的问题。由于串联管路不改变流量，换热过程相对简单，且串联管路数受到石墨体几何尺寸和管路长度的限制，石墨温度降至较低工作温区时对应的理论换热面积可能远大于串联管路实际可布置的有效换热面积。

固体显热蓄热换热器稳定有效运行的关键在于分段控制的设计，而分段控制的优化需要兼顾管路的传热性能和安全性能。因此，通过合理排布管路使得换热面积的调控范围与石墨工作温区相匹配的同时，保证管内流体的换热效果是固体显热蓄热换热器的设计难点。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构。

为此，本实用新型提供的技术方案为：

基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，包括：

蓄热体，其设置有多个贯通孔；

换热管路，其包括主管路和并联支路，所述换热管束穿行过若干部不同的贯通孔而嵌于所述蓄热体内，所述主管路的出口处设有主管路常开出口阀，至少两个所述并联支路与所述主管路连通设置，所述并联支路与所述主管路连通的入口处设置有并联支路常闭入口阀，所述并联支路的出口设有并联支路常开出口阀。

优选的是，所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构中，所述并联支路包括：

单级串联支路；

多级串联支路，所述多级串联管路包括多级顺次连通的串联管路，所述串联管路具有串联管路常闭入口阀；

所述主管路与所述单级串联支路、多级串联支路各自分别连通。

优选的是，所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，还包括：

出口联箱，所述主管路的出口通过所述主管路常开出口阀与所述出口联箱连通，所述并联支路的出口也与所述出口联箱连通。

优选的是，所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，还包括：

子联箱，其设置于所述多级串联支路中的所述串联管路的出口与所述串联管路常开出口阀之间，所述子联箱的入口与所述串联管路连通，所述子联箱的出口与所述串联管路常开出口阀连通。

优选的是，所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构中，所述子联箱与所述串联管路常开出口阀一一对应设置。

优选的是，所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构中，所述蓄热体由一体式或可拼接石墨块组成。

优选的是，所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构中，所述贯通孔包括圆形贯通孔和半圆形贯通孔，其中，所述圆形贯通孔位于所述蓄热体内，所述换热管路与所述圆形贯通孔过渡配合，所述半圆形贯通孔位于所述蓄热体的边缘，相邻的两个蓄热体的半圆形贯通孔配合形成圆形贯通孔后再与所述换热管路过渡配合连接。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1)减少显热蓄热换热器的总并联管路数，简化进出口集箱的布置，优化系统控制分流的效果；

2)串并联结合的管路设计增加了分段控制管路内径的可调性，可通过合适的管径设计避免并联支管路分流造成的平均换热系数降低，实现有效分段控制的同时兼顾传热效果，提升管路安全性能；

3)强化换热管路的换热效率，减少单位体积的蓄热材料内布置的管段数，增强管路排布的灵活性。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型其中一种技术方案中的蓄热换热管路布置示意图；

图2为本实用新型其中一种技术方案中的含多级串联支路的并联支路示意图；

图3为本实用新型其中一种技术方案中的各级管路连接流程图；

图中：主管路1、并联支路2、主管路常开出口阀3、并联支路常闭入口阀4、并联支路常开出口阀5、出口联箱6、蓄热体7、子联箱8、单级串联支路21、多级串联支路22、串联管路221，串联管路常闭入口阀222、串联管路常开出口阀223。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实用新型提供基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，包括：

蓄热体7，其设置有多个贯通孔；

换热管路，其包括主管路1和并联支路2，所述换热管束穿行过若干部不同的贯通孔而嵌于所述蓄热体7内，所述主管路1的出口处设有主管路常开出口阀3，至少两个所述并联支路2与所述主管路1连通设置，所述并联支路2与所述主管路1连通的入口处设置有并联支路常闭入口阀4，所述并联支路2的出口设有并联支路常开出口阀5。本实用新型的上述设计减少显热蓄热换热器的总并联管路数，简化进出口集箱的布置，优化系统控制分流的效果。在高温加热过程中，如果入口阀失灵，换热管内进水，液态水进入换热管会导致巨大的压力上升，如果出口处不常开，会有爆炸的危险。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，如图2和3所示，所述并联支路2包括：

单级串联支路21；

多级串联支路22，所述多级串联管路221包括多级顺次连通的串联管路221，所述串联管路221具有串联管路221常闭入口阀222；

所述主管路1与所述单级串联支路21、多级串联支路22各自分别连通。主管路1与并联支路2是并联的关系，二者均汇总到出口联箱中，并联支路常闭入口阀4用于开启并联支路。

本实用新型的串并联结合的管路设计增加了分段控制管路内径的可调性，可通过合适的管径设计避免并联支管路分流造成的平均换热系数降低，实现有效分段控制的同时兼顾传热效果，提升管路安全性能

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，还包括：

出口联箱6，所述主管路1的出口通过所述主管路常开出口阀3与所述出口联箱6连通，所述并联支路2的出口也与所述出口联箱6连通。出口联箱6汇集和分配流量，在出口联箱6处实现工质的汇合，

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，还包括：

子联箱8，其设置于所述多级串联支路22中的所述串联管路221的出口与所述串联管路221常开出口阀223之间，所述子联箱8的入口与所述串联管路221连通，所述子联箱8的出口与所述串联管路221常开出口阀223连通。所述的主管路1与并联支路2，多级串联支路22中的各级串联管路221之间可由子联箱8实现工质的汇合和再分配。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，所述子联箱8与所述串联管路221常开出口阀223一一对应设置。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，所述蓄热体7由一体式或可拼接石墨块组成。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，所述贯通孔包括圆形贯通孔和半圆形贯通孔，其中，所述圆形贯通孔位于所述蓄热体7内，所述换热管路与所述圆形贯通孔过渡配合，所述半圆形贯通孔位于所述蓄热体7的边缘，相邻的两个蓄热体7的半圆形贯通孔配合形成圆形贯通孔后再与所述换热管路过渡配合连接。换热管安装在蓄热体提前打好的孔中，安装孔和换热管为一一对应的。在实际制造过程中，为方便且精确控制打孔情况，往往采用在边界上打半圆孔、然后两块拼接起来的方式。

本实用新型还提供利用所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构的换热方法，包括如下步骤：

将换热器进出口流体的设计焓差计为ΔH，设计出口水温在每个工作阶段的波动范围为±ΔT，对应的蒸汽焓差波动范围为±ΔH'，

首先开启主管路1换热，主管路1出口的主管路常开出口阀3开启，而并联支路2入口的并联支路常闭入口阀4均关闭，所述主管路1中的换热过程满足如下：

式中，

为主管路1总平均换热系数，A₀为主管路1的换热面积，

为蓄热体7在当前工作温区的平均温度，

为主管路11内流体平均温度，G为主管路11的流量，ΔH 为换热器进出口流体的设计焓差；

当蓄热体7的平均瞬时温度

降低至该阶段换热面积无法满足出口温度要求，满足如下关系式时，开启并联支路2这一换热管路：

同时关闭所述主管路常开出口阀3，开启所述并联支路常闭入口阀4。

本实用新型的上述方法能够减少显热蓄热换热器的总并联管路数，简化进出口集箱的布置，优化系统控制分流的效果。

在上述方案中，作为优选，该换热方法中，单级串联支路21的开启条件为：

当换热过程满足如下平衡式时，开启所述单级串联支路21：

式中，

为该阶段主管路1平均换热系数，

为该阶段主管路1的工作流体平均瞬时温度，A₁为并联支路2的换热面积，N为支管路并联数，

为并联支路2中单个支管路的平均换热系数，

为并联支路2中单个支管路的工作流体平均瞬时温度。

本实用新型的串并联结合的管路设计增加了分段控制管路内径的可调性，可通过合适的管径设计避免并联支管路分流造成的平均换热系数降低，实现有效分段控制的同时兼顾传热效果，提升管路安全性能。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，该换热方法中，对于多级串联支路22，开启第i级串联管路221需关闭第i-1级的出口常开阀，打开第i级对应的入口常闭阀，

当该阶段换热过程满足如下平衡式时，开启所述多级串联支路22：

式中，

为开启第i级串联管路221后的主管路1的平均换热系数，

为开启第i级串联管路221后的主管路1的工作流体平均瞬时温度，A_n为已开启串联支路中任意一级的换热面积，

为已开启串联支路中任意一级支管路的平均换热系数，

为已开启串联支路中任意一级支管路的工作流体平均瞬时温度。

当换热过程满足如下平衡式时，开启第i+1级串联管路221

本实用新型强化换热管路的换热效率，减少单位体积的蓄热材料内布置的管段数，增强管路排布的灵活性。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，在整个显热蓄热换热器的换热过程中，换热管路内流体的换热形式为单相换热时，可以通过合理设计并联支路2的管路直径、管路数量调整流体在并联支管路的Re雷诺数。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，若涉及两相换热，设计管路时需按照换热形式分段考虑：在主管路1与并联支路2同时参与换热的分段控制阶段，主管路1对应单相流体对流换热阶段，并联支路2内按气液两相沸腾换热原理计算，原理如下：

式中，A_l为单相流体对流换热阶段所需换热面积，

为单相流体对流换热阶段的平均换热系数，A_tp为气液两相沸腾换热阶段所需换热面积，

为气液两相沸腾换热阶段的平均换热系数，

为并联支路2中流体平均瞬时温度。

在本实用新型的其中一个实施例中，作为优选，所述的并联支路的并联数量N和管径 d满足不发生沸腾传热工况下管内流动达到旺盛湍流状态。

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，现提供如下的实施例进行说明：

一种基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于包括主管路1、并联支路2、主管路常开出口阀3、并联支路常闭入口阀4、并联支路常开出口阀5、出口联箱6、蓄热体7。主管路1通过与若干并联支路2相连形成串并联结构，并联支路2入口设有并联支路常闭入口阀4，主管路1出口设有主管路常开出口阀3，并联支路2出口设有并联支路常开出口阀5。主管路1和并联支路2分别与出口联箱6相连；主管路1、并联支路2分别内嵌于蓄热体7内。

并联支路2包括单级串联支路21和多级串联支路22，多级串联管路22包括串联管路221，常闭入口阀222和常开出口阀223。每级串联管路221之间分别设有常闭入口阀 222，每级串联管路221设有出口与出口联箱6相连，出口设有常开出口阀223。

所述的主管路1与并联支路2，多级串联支路22中的各级串联管路221之间可由子联箱8实现工质的汇合和再分配。

所述的蓄热体7选取石墨为主要材料，由一体式或可拼接石墨块组成，石墨块上设有贯穿通孔实现换热管路的布置；贯穿通孔包括圆孔和半圆孔两种；其中，圆孔与换热管束之间过渡配合，石墨块之间的半圆安装孔通过配合形成圆孔，再与换热管配合连接。

所述的并联支路2的并联数量N和管径d满足不发生沸腾传热工况下管内流动达到旺盛湍流状态。

一种利用所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构的换热方法：蓄热体7的工作过程包含若干个工作温区，每个温区对应不同的分段控制。随着蓄热体7温度降低，各阶段的分段控制依次开启以达到增加换热面积的效果。换热器进出口流体的设计焓差为ΔH，设计出口水温在每个工作阶段的波动范围为±ΔT，对应的蒸汽焓差波动范围为±ΔH'。在石墨温度较高的换热阶段，首先开启主管路1换热。此时，主管路1出口的主管路常开出口阀3开启，并联支路2入口的并联支路常闭入口阀4关闭。主管路中的换热过程满足如下：

式中，

为主管路1总平均换热系数，A₀为主管路1的换热面积，

为蓄热体7在该工作温区的平均温度，

为主管路1内流体平均温度，G为主管路1的流量；

蓄热体7的平均瞬时温度

降低至该阶段换热面积无法满足出口温度要求时，需开启下一阶段换热管路，满足如下关系式：

并联支路2参与换热需关闭主管路常开出口阀3，开启并联支路常闭入口阀4。对于单级串联支路21，换热过程满足如下平衡式：

式中，

为该阶段主管路1平均换热系数，

为该阶段主管路1的工作流体平均瞬时温度，A₁为并联支路2的换热面积，N为支管路并联数，

为并联支路2中单个支管路的平均换热系数，

为并联支路2中单个支管路的工作流体平均瞬时温度。

对于多级串联支路22，开启第i级串联管路221需关闭第i-1级的出口常开阀223，打开第i级对应的入口常闭阀222。该阶段换热过程满足如下平衡式：

式中，

为开启第i级串联管路后的主管路1的平均换热系数，

为开启第i级串联管路后的主管路1的工作流体平均瞬时温度，A_n为已开启串联支路中任意一级的换热面积，

为已开启串联支路中任意一级支管路的平均换热系数，

为已开启串联支路中任意一级支管路的工作流体平均瞬时温度。

开启第i+1级串联管路221的换热过程满足如下平衡式：

在整个显热蓄热换热器的换热过程中，换热管路内流体的换热形式为单相换热时，可以通过合理设计并联支管路的管路直径、支管路数量来调整流体在并联支管路2的Re，进而提升换热效率，减小管路换热面积。

若涉及两相换热，设计管路时需按照换热形式分段考虑。在主管路1与并联支路2同时参与换热的分段控制阶段，主管路1对应单相流体对流换热阶段，并联支路2内按气液两相沸腾换热原理计算，原理如下：

式中，A_l为单相流体对流换热阶段所需换热面积，

为单相流体对流换热阶段的平均换热系数，A_tp为气液两相沸腾换热阶段所需换热面积，

为气液两相沸腾换热阶段的平均换热系数，

为并联支路2中流体平均瞬时温度。

这里说明的模块数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构和方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

如上所述，本实用新型减少显热蓄热换热器的总并联管路数，简化进出口集箱的布置、串并联结合的管路设计增加了分段控制管路内径的可调性，且强化了换热管路的换热效率，减少单位体积的蓄热材料内布置的管段数，增强了管路排布的灵活性。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，包括：

蓄热体，其设置有多个贯通孔；

换热管路，其包括主管路和并联支路，所述换热管束穿行过若干部不同的贯通孔而嵌于所述蓄热体内，所述主管路的出口处设有主管路常开出口阀，至少两个所述并联支路与所述主管路连通设置，所述并联支路与所述主管路连通的入口处设置有并联支路常闭入口阀，所述并联支路的出口设有并联支路常开出口阀。

2.如权利要求1所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，所述并联支路包括：

单级串联支路；

多级串联支路，所述多级串联管路包括多级顺次连通的串联管路，所述串联管路具有串联管路常闭入口阀；

所述主管路与所述单级串联支路、多级串联支路各自分别连通。

3.如权利要求1所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，还包括：

出口联箱，所述主管路的出口通过所述主管路常开出口阀与所述出口联箱连通，所述并联支路的出口也与所述出口联箱连通。

4.如权利要求2所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，还包括：

子联箱，其设置于所述多级串联支路中的所述串联管路的出口与串联管路常开出口阀之间，所述子联箱的入口与所述串联管路连通，所述子联箱的出口与串联管路常开出口阀连通。

5.如权利要求4所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，所述子联箱与所述串联管路常开出口阀一一对应设置。

6.如权利要求1所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，所述蓄热体由一体式或可拼接石墨块组成。

7.如权利要求1所述的基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，其特征在于，所述贯通孔包括圆形贯通孔和半圆形贯通孔，其中，所述圆形贯通孔位于所述蓄热体内，所述换热管路与所述圆形贯通孔过渡配合，所述半圆形贯通孔位于所述蓄热体的边缘，相邻的两个蓄热体的半圆形贯通孔配合形成圆形贯通孔后再与所述换热管路过渡配合连接。

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