CN217005476U - 换热装置及液态空气储能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种换热装置及液态空气储能系统。换热装置包括至少两个换热装置本体，在其中一个换热装置本体的顶端的两侧分别设置有热流体进口和冷流体出口，在换热装置本体的底端的两侧分别设置有冷流体进口和热流体出口，在另外一个换热装置本体的顶端的两侧分别设置有冷流体进口和热流体出口，在换热装置本体的底端的两侧分别设置有热流体进口和冷流体出口；恒温装置，恒温装置设置在换热装置本体的两端。该换热装置可以维持正常工作时建立的温度梯度，避免能源的浪费。降低了换热装置本体的轴向导热温差，减缓了换热装置本体的轴向导热，另一方面降低了大温跨换热装置本体的制造成本。可以削弱交替启动过程的非稳态效应。

Description

换热装置及液态空气储能系统

技术领域

本实用新型涉及蓄冷设备领域，特别是涉及一种换热装置及液态空气储能系统。

背景技术

低温换热装置在石油、化工、天然气、冶金、医药等领域是一种很常见的核心设备。随着近几年低温技术的广泛应用与迅速发展，对低温换热器需求的增多，大大地推进了低温换热装置的进步。但过程工业中常涉及间歇运行工况，如液化天然气、空分及储能等领域，换热装置存在非稳态启动，导致换热装置的传热性能受到影响，进一步地，将影响系统的整体效率。

以液态空气储能系统为例，由于储能系统所具备的削峰填谷属性，液态空气储能系统间歇运行，因而导致了液态空气储能系统的蓄冷单元交替运行。在用能低谷时，空气被含冷却器的压缩机组加压至高压，通过蓄冷单元的换热装置获得冷能，低温空气流经降压装置，完成液化并存储于液态空气储罐。经过静置期，当用能高峰时，液态空气经过低温泵加压，通过蓄冷单元的换热装置释放冷能，空气升温完成气化，常温带压空气经过再热装置加热后通过膨胀机组膨胀发电。在液态空气储能系统运行过程中，蓄冷单元作为核心单元，所涉及的换热装置交替启停，蓄冷单元每次重新启动后都会存在一个非稳态阶段。在非稳态运行过程中，换热装置各换热流体的出口处于非设计工况，从而影响系统整体性能。

对于涉及换热过程的典型间歇运行工况，换热装置在正常工作状态下会建立起稳定的温度梯度，换热装置间歇运行、停止工作后，在静置过程中，其内部建立的稳态温度分布会因换热装置轴向导热而被削弱，在下一周期换热器启动过程中会耗费一定的时间重新建立温度梯度。尤其是涉及大温跨换热的低温换热装置，非稳态传热效应对换热装置传热效率及系统整体效率的影响更加显著。

以液态空气储能系统中的蓄冷单元传热装置为例，在温度梯度的重建过程中，液化侧换热装置的空气出口温度会高于设计工况，导致空气液化率下降；复温侧换热器的空气出口温度会低于设计工况，导致复温侧空气可回收冷量减少，降低蓄冷系统冷量回收效率和系统性能。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种换热装置，可以维持正常工作时建立的温度梯度。

本实用新型实施例提供一种换热装置，包括：

至少两个换热装置本体，在其中一个所述换热装置本体的顶端的两侧分别设置有热流体进口和冷流体出口，在所述换热装置本体的底端的两侧分别设置有冷流体进口和热流体出口，在另外一个所述换热装置本体的顶端的两侧分别设置有冷流体进口和热流体出口，在所述换热装置本体的底端的两侧分别设置有热流体进口和冷流体出口；

恒温装置，所述恒温装置设置在所述换热装置本体的两端。

根据本实用新型第一方面实施例提供的换热装置，通过串联至少两个换热装置本体，可以维持正常工作时建立的温度梯度，大幅减小下次循环时，换热装置启动过程建立新的温度梯度所消耗的能量，避免了能源的浪费。通过串联至少两个换热装置本体，使得各个换热装置本体中的冷热端温差较小，换热装置本体温跨较小，一方面降低了换热装置本体的轴向导热温差，减缓了换热装置本体的轴向导热，另一方面降低了大温跨换热装置本体的制造成本。而对比单独采用端部恒温的换热装置，换热装置在静置期的轴向导热将显著减弱，换热装置本体在启动过程的非稳态效应将得到有效抑制。对于液态空气储能系统蓄冷单元所涉及的换热装置，可以削弱交替启动过程的非稳态效应，确保系统的液化率和复温后的空气温度满足设计工况要求，确保系统整体的稳定性和较高的整体运行效率。

根据本实用新型的一个实施例，所述恒温装置内填充有相变工质，在所述恒温装置内还设置有换热盘管，所述换热盘管与所述相变工质接触。

根据本实用新型的一个实施例，所述恒温装置内设置有压缩制冷设备和/或吸收制冷设备。

根据本实用新型的一个实施例，在所述恒温装置与所述换热装置本体之间还设置有导流装置，所述导流装置与所述热流体进口和所述冷流体出口连通，或者导流装置与所述冷流体进口和所述热流体出口连通。

根据本实用新型的一个实施例，所述换热装置本体的内部设置有多个相互独立的流道，多个所述流道分别与所述导流装置连通。

根据本实用新型的一个实施例，所述流道包括供热流体流动的第一流道以及供冷流体流动的第二流道；

所述第一流道的流入端与所述热流体进口相连通，所述第一流道的流出端与所述热流体出口相连通；所述第二流道的流入端与所述冷流体进口相连通，所述第二流道的流出端与所述冷流体出口相连通。

根据本实用新型的一个实施例，在所述恒温装置的外壁面设置有隔热层。

根据本实用新型的一个实施例，在所述换热装置本体的外壁面设置有绝热保温层。

根据本实用新型的一个实施例，所述换热装置本体为板壳式、板翅式、板式、螺旋板式、缠绕管式中的至少一种。

本实用新型第二方面实施例提供一种液态空气储能系统，包括上述的换热装置。

根据本实用新型第二方面实施例提供的液态空气储能系统，通过设置如本实用新型第一方面实施例中的换热装置，可以维持正常工作时建立的温度梯度，避免了能源的浪费。一方面能够降低换热装置本体的轴向导热温差，减缓了换热装置本体的轴向导热，另一方面还能够降低大温跨换热装置本体的制造成本。还可以削弱交替启动过程的非稳态效应，确保系统的液化率和复温后的空气温度满足设计工况要求，确保系统整体的稳定性和较高的整体运行效率。

本实用新型中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

根据本实用新型第一方面实施例提供的换热装置，通过串联至少两个换热装置本体，可以维持正常工作时建立的温度梯度，大幅减小下次循环时，换热装置启动过程建立新的温度梯度所消耗的能量，避免了能源的浪费。通过串联至少两个换热装置本体，使得各个换热装置本体中的冷热端温差较小，换热装置本体温跨较小，一方面降低了换热装置本体的轴向导热温差，减缓了换热装置本体的轴向导热，另一方面降低了大温跨换热装置本体的制造成本。而对比单独采用端部恒温的换热装置，换热装置在静置期的轴向导热将显著减弱，换热装置本体在启动过程的非稳态效应将得到有效抑制。对于液态空气储能系统蓄冷单元所涉及的换热装置，可以削弱交替启动过程的非稳态效应，确保系统的液化率和复温后的空气温度满足设计工况要求，确保系统整体的稳定性和较高的整体运行效率。

根据本实用新型第二方面实施例提供的液态空气储能系统，通过设置如本实用新型第一方面实施例中的换热装置，可以维持正常工作时建立的温度梯度，避免了能源的浪费。一方面能够降低换热装置本体的轴向导热温差，减缓了换热装置本体的轴向导热，另一方面还能够降低大温跨换热装置本体的制造成本。还可以削弱交替启动过程的非稳态效应，确保系统的液化率和复温后的空气温度满足设计工况要求，确保系统整体的稳定性和较高的整体运行效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的换热装置的示意性结构图。

附图标记：

100、换热装置本体；102、热流体进口；104、冷流体出口；106、冷流体进口；108、热流体出口；110、恒温装置；112、换热盘管；114、流道。

具体实施方式

为使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实用新型中的附图，对实用新型中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于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，都属于实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本实用新型第一方面实施例提供一种换热装置，包括：

至少两个换热装置本体100，在其中一个换热装置本体100的顶端的两侧分别设置有热流体进口102和冷流体出口104，在换热装置本体100的底端的两侧分别设置有冷流体进口106和热流体出口108，在另外一个换热装置本体100的顶端的两侧分别设置有冷流体进口106和热流体出口108，在换热装置本体100的底端的两侧分别设置有热流体进口102和冷流体出口104；

恒温装置110，恒温装置110设置在换热装置本体100的两端。

根据本实用新型第一方面实施例提供的换热装置，通过串联至少两个换热装置本体100，可以维持正常工作时建立的温度梯度，大幅减小下次循环时，换热装置启动过程建立新的温度梯度所消耗的能量，避免了能源的浪费。通过串联至少两个换热装置本体100，使得各个换热装置本体100中的冷热端温差较小，换热装置本体100温跨较小，一方面降低了换热装置本体100的轴向导热温差，减缓了换热装置本体100的轴向导热，另一方面降低了大温跨换热装置本体100的制造成本。而对比单独采用端部恒温的换热装置，换热装置在静置期的轴向导热将显著减弱，换热装置本体100在启动过程的非稳态效应将得到有效抑制。对于液态空气储能系统蓄冷单元所涉及的换热装置，可以削弱交替启动过程的非稳态效应，确保系统的液化率和复温后的空气温度满足设计工况要求，确保系统整体的稳定性和较高的整体运行效率。

请继续参见图1，在本实用新型第一方面实施例中，换热装置包括至少两个相互串联的换热装置本体100，下面以换热装置本体100是三个为例。

其中，在第一个换热装置本体100的顶端的两侧分别设置有热流体进口102和冷流体出口104，在换热装置本体100的底端的两侧分别设置有冷流体进口106和热流体出口108；在第二个换热装置本体100的顶端的两侧分别设置有冷流体进口106和热流体出口108，在换热装置本体100的底端的两侧分别设置有热流体进口102和冷流体出口104；在第三个换热装置本体100的顶端的两侧分别设置有热流体进口102和冷流体出口104，在换热装置本体100的底端的两侧分别设置有冷流体进口106和热流体出口108。

换而言之，无论换热装置本体100的数量为奇数个或偶数个，则按照串联顺序，排列为奇数的换热装置本体100上的热流体进口102、冷流体出口104、冷流体进口106以及热流体出口108的设置方式相同，排列为偶数的换热装置本体100上的热流体进口102、冷流体出口104、冷流体进口106以及热流体出口108的设置方式相同。

可以理解的是，如图1所示，第一个换热装置本体100的顶端的两侧分别设置有热流体进口102和冷流体出口104，在换热装置本体100的底端的两侧分别设置有冷流体进口106和热流体出口108，与第一个换热装置本体100对应的，第二个换热装置本体100的顶端与第一个换热装置本体100的热流体进口102位置对应的是冷流体进口106，第二个换热装置本体100的顶端与第一个换热装置本体100的冷流体出口104位置对应的是热流体出口108；第二个换热装置本体100的底端与第一个换热装置本体100的冷流体进口106位置对应的是热流体进口102，第二个换热装置本体100的底端与第一个换热装置本体100的热流体出口108位置对应的是冷流体出口104；与第二个换热装置本体100对应的，第三个换热装置本体100的顶端与第二个换热装置本体100的冷流体进口106位置对应的是热流体进口102，第三个换热装置本体100的顶端与第二个换热装置本体100的热流体出口108位置对应的是冷流体出口104；第三个换热装置本体100的底端与第二个换热装置本体100的热流体进口102位置对应的是冷流体进口106，第三个换热装置本体100的底端与第二个换热装置本体100的冷流体出口104位置对应的是热流体出口108。

也即，如图1所示，虚线为热流体的流动路径，实线为冷流体的流动路径，当热流体通过第一个换热装置本体100的顶端的热流体进口102进入第一个换热装置本体100中后，由上向下流动并从第一个换热装置本体100的底端的热流体出口108流出，再从第二个换热装置本体100的底端的热流体进口102流入第二个换热装置本体100，由下向上流动并从第二个换热装置本体100的顶端的热流体出口108流出，再从第三个换热装置本体100的顶端的热流体进口102进入第三个换热装置本体100中，由上向下流动并从第三个换热装置本体100的底端的热流体出口108流出。

当冷流体通过第一个换冷装置本体的底端的冷流体进口106进入第一个换冷装置本体中后，由下向上流动并从第一个换冷装置本体的顶端的冷流体出口104流出，再从第二个换冷装置本体的顶端的冷流体进口106流入第二个换冷装置本体，由上向下流动并从第二个换冷装置本体的底端的冷流体出口104流出，再从第三个换冷装置本体的底端的冷流体进口106进入第三个换冷装置本体中，由下向上流动并从第三个换冷装置本体的顶端的冷流体出口104流出。

根据本实用新型的一个实施例，在换热装置本体100的外壁面设置有绝热保温层。

其中，绝热保温层可以是聚酯类的保温棉或发泡保温材料，在本实用新型实施例中，绝热保温层采用聚酯类的保温棉制成。通过设置绝热保温层，能够避免外界环境向换热装置本体100中漏热。

根据本实用新型的一个实施例，换热装置本体100为板壳式、板翅式、板式、螺旋板式、缠绕管式中的至少一种。在本实用新型实施例中，换热装置本体100采用板翅式换热器。

在换热装置本体100的顶端和底端分别设置有恒温装置110，通过设置恒温装置110，能够保证在应温区的相变工质处于固—液混合状态，维持每个换热装置本体100的端部温度。其中，恒温装置110的设置方式至少可以为以下两种：

设置方式一：

在这种设置方式中，恒温装置110内填充有相应温区的相变工质，在恒温装置110内还设置有换热盘管112，换热盘管112与相变工质接触。

设置方式二：

在这种设置方式中，恒温装置110内设置有压缩制冷设备和/或吸收制冷设备。

根据本实用新型的一个实施例，在恒温装置110的外壁面设置有隔热层。

其中，隔热层可采用真空结构或填充粉末保温材料的夹层结构。通过设置隔热层，能够避免外界环境向恒温装置110中漏热。在本实用新型实施例中，隔热层采用真空结构。

根据本实用新型的一个实施例，在恒温装置110与换热装置本体100之间还设置有导流装置，导流装置与热流体进口102和冷流体出口104连通，或者导流装置与冷流体进口106和热流体出口108连通。

通过在恒温装置110与换热装置本体100之间设置导流装置，使得冷流体或者热流体流入换热装置本体100中时，能够通过导流装置的导流，均匀地流入换热装置本体100中，实现换热流体的流向布置以及换热流体在横截面上的均布，还能够实现换热流体的平稳换热并建立稳定的轴向梯度。

其中，导流装置可以是导流板、导流槽等结构，只要能够实现导流的作用即可。此外，需要说明的是，由于导流装置是实现对换热流体的导向，因此，在本实用新型实施例中，导流装置可以使用能够承受温差波动较大的材料制成。

根据本实用新型的一个实施例，换热装置本体100的内部设置有多个相互独立的流道114，多个流道114分别与导流装置连通。

在本实用新型实施例中，流道114可以包括第一流道以及第二流道。也即，在换热装置本体100的内部分别构造有供热流体流动的第一流道以及供冷流体流动的第二流道，该第一流道的流入端与热流体进口102相连通，该第一流道的流出端与热流体出口108相连通。

该第二流道的流入端与冷流体进口106相连通，该第二流道的流出端与冷流体出口104相连通。具体地，分别向换热装置本体100内的第一流道中注入相应的热流体，向第二流道中注入相应的冷流体，两股流体在换热装置本体100中的相应流道中进行热量传递，热量从热流体传递给冷流体，通过换热使热流体与冷流体的物性达到预设指标。

需要说明的是，所谓“第一流道的流入端”和所谓“第二流道的流出端”均可为如图1所示的上端；所谓“第二流道的流入端”和所谓“第一流道的流出端”均可为如图1所示的下端。

下面就该换热装置的具体使用流程进行解释说明，具体来说，在换热装置正常工作时，进行换热的冷流体和热流体逆流依次通过多级串联的换热装置本体100，流经各级换热装置本体100内嵌的导流装置，实现换热流体的流向布置以及换热流体在横截面的均布，换热流体平稳换热并建立稳定的轴向梯度。

在换热装置静置过程中，在流道114持续通入小流量的换热流体，并在各级换热装置本体100的换热盘管112通入低温流体，确保恒温装置110内相应温区的相变工质处于固—液混合状态。在换热装置正常工作和静置过程，各级换热装置本体100的外壁面均包裹绝热保温层，恒温装置110外壁面具有隔热层。

换热装置本体100采用多级串联形式，在不改变换热装置本体100的传热总长的基础上，将换热装置本体100分为多段串联，避免了大温跨换热装置本体100的高制作成本，并降低了换热装置本体100的轴向温度梯度，减弱了各级换热装置本体100轴向导热的驱动力，削弱了换热装置整体的轴向导热。

在静置过程中，小流量的换热流体流经换热装置，一定程度上能够维持换热装置的轴向温度梯度。在静置过程，恒温装置110内的换热盘管112通入低温流体，确保恒温装置110内工质处于相变温度附近，维持各级换热装置本体100的冷热端温度，进而维持轴向温度梯度。

本实用新型第二方面实施例提供一种液态空气储能系统，包括上述的换热装置。

根据本实用新型第二方面实施例提供的液态空气储能系统，通过设置如本实用新型第一方面实施例中的换热装置，可以维持正常工作时建立的温度梯度，避免了能源的浪费。一方面能够降低换热装置本体100的轴向导热温差，减缓了换热装置本体100的轴向导热，另一方面还能够降低大温跨换热装置本体100的制造成本。还可以削弱交替启动过程的非稳态效应，确保系统的液化率和复温后的空气温度满足设计工况要求，确保系统整体的稳定性和较高的整体运行效率。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种换热装置，其特征在于，包括：

至少两个换热装置本体(100)，在其中一个所述换热装置本体(100)的顶端的两侧分别设置有热流体进口(102)和冷流体出口(104)，在所述换热装置本体(100)的底端的两侧分别设置有冷流体进口(106)和热流体出口(108)，在另外一个所述换热装置本体(100)的顶端的两侧分别设置有冷流体进口(106)和热流体出口(108)，在所述换热装置本体(100)的底端的两侧分别设置有热流体进口(102)和冷流体出口(104)；

恒温装置(110)，所述恒温装置(110)设置在所述换热装置本体(100)的两端。

2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述恒温装置(110)内填充有相变工质，在所述恒温装置(110)内还设置有换热盘管(112)，所述换热盘管(112)与所述相变工质接触。

3.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述恒温装置(110)内设置有压缩制冷设备和/或吸收制冷设备。

4.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，在所述恒温装置(110)与所述换热装置本体(100)之间还设置有导流装置，所述导流装置与所述热流体进口(102)和所述冷流体出口(104)连通，或者导流装置与所述冷流体进口(106)和所述热流体出口(108)连通。

5.根据权利要求4所述的换热装置，其特征在于，所述换热装置本体(100)的内部设置有多个相互独立的流道(114)，多个所述流道(114)分别与所述导流装置连通。

6.根据权利要求5所述的换热装置，其特征在于，所述流道(114)包括供热流体流动的第一流道以及供冷流体流动的第二流道；

所述第一流道的流入端与所述热流体进口相连通，所述第一流道的流出端与所述热流体出口相连通；所述第二流道的流入端与所述冷流体进口相连通，所述第二流道的流出端与所述冷流体出口相连通。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的换热装置，其特征在于，在所述恒温装置(110)的外壁面设置有隔热层。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的换热装置，其特征在于，在所述换热装置本体(100)的外壁面设置有绝热保温层。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的换热装置，其特征在于，所述换热装置本体(100)为板壳式、板翅式、板式、螺旋板式、缠绕管式中的至少一种。

10.一种液态空气储能系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的换热装置。

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