CN106556169A - 一种单相流体管板式吸热器回路 - Google Patents

Abstract

一种单相流体管板式吸热器回路，其管板由下联箱(1)、上联箱(2)和吸热管(3)组成。吸热管(3)的顶部与上联箱(1)连通，吸热管(3)的底部与下联箱(2)连通。多根吸热管(3)并列布置在同一平面上，位于管板中间。吸热器回路由多个管板并排组成，带有第二止回阀(4’)的连接管道(5)和普通连接管道(6)用于连通相邻的管板，安装在相邻管板的下联箱(1)之间和上联箱(2)之间。阀门(7)安装在与吸热器回路相连的流入主管路(8)，流出主管路(9)和辅助管路(10)上。

Description

一种单相流体管板式吸热器回路

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电站用的高温吸热器，特别涉及一种高温单相流体管板式吸热器回路。

背景技术

太阳能热发电技术是新能源技术中的一种，可以替代常规化石能源提供清洁的电力。熔融盐是目前太阳能热发电技术中应用最广泛的传热和储热介质。熔融盐在吸热过程中不发生相变，因此***可以常压运行，且使用温度较高，可以提供高参数的蒸汽，有效提升发电***的效率。由于熔融盐的热容较大，它还广泛的作为蓄热介质，因此减少了传热流体与蓄热流体的换热环节。美国专利US5862800提到了高温熔融盐吸热器，采用625合金作为制作材料，详细描述了吸热器管板的结构，625合金的不同配比，并给出了分别采用625合金与316不锈钢作为制造原材料的对比情况，结果显示使用625合金可以使吸热器的面积减少近三分之一。该专利从材料角度减少了吸热器的面积，但是625合金昂贵，且并没有改变管板之间的连接方式，以及吸热器的运行策略，熔融盐在吸热器的排盐管道与排气管道容易发生冻堵。中国专利201210376125.5将光伏电池板布置在吸热器采光口的四周，将光伏电池板提供的电能转化为热能加热吸热器，防止熔融盐在吸热器中凝固。该专利有效的利用了采光口四周溢出的太阳能，并对吸热器本体的防冻起到了很好地辅助加热作用。但是，该专利也并未对吸热器管板的连接方式进行改进。常规熔融盐吸热器的有两种运行方式，分别为填充或排空模式以及正常运行模式。填充或排空模式下，所有的管板同时填充或排放熔融盐，以尽快充满或排空吸热器为目的。正常运行模式下，熔融盐在管板中依次蛇形流动，以充分提高出口温度为目的。因此，为了两种模式之间能够顺利切换，传统熔融盐吸热器的每根排盐管与排气管上都安装有一个阀门，数量十分多，导致吸热器***的成本增加。同时，在正常运行模式下，熔融盐在排盐和排气管道中静止不流动，而阀门的阀体散热较大，因此熔融盐冻堵在管道中的风险非常大。

发明内容

传统的熔融盐吸热器***阀门数量较多，管道布置复杂，因此散热严重，容易造成熔融盐发生冻堵，本发明的目的是克服现有以熔融盐为传热流体的吸热器的缺点，提出一种单相流体管板式吸热器回路。本发明通过减少吸热器***的阀门数量，精简吸热器的管道布置方案，达到节省投资，减少散热并防止单相流体冻堵的目的。本发明适用于以熔融盐为传热流体的吸热器以及其他单相流体为传热流体的吸热器。

本发明单相流体管板式吸热器回路包括由下联箱、上联箱和吸热管组成的管板、第一止回阀、带有第二止回阀的连接管道、普通连接管道、阀门、流入主管路、流出主管路和辅助管路。带有第二止回阀的连接管道和普通连接管道用于联通相邻的管板，安装在相邻管板的下联箱之间和上联箱之间。所述的阀门安装在与吸热器回路相连的流入主管路，流出主管路和辅助管路上。所述的第一止回阀安装在下联箱中，第二止回阀布置在连接管道中组成带有止回阀的连接管道。

所述的管板由下联箱、上联箱和吸热管组成。所述吸热管的顶部与上联箱连通，吸热管的底部与下联箱连通。多根吸热管并列布置在同一平面上，位于管板中间，用于将聚焦的太阳辐射转化为热能。吸热器回路由多个管板并排组成，多个管板之间通过带有第二止回阀的连接管道和普通连接管道分别连通相邻管板的上联箱和下联箱，带有第二止回阀的连接管道和普通连接管道与联箱的侧面水平连通，可以采取焊接、法兰等连接方式。

管板分为两种类型，当采用下联箱中间不设止回阀的第一管板类型组成吸热器回路时，流入主管路与吸热器回路入口侧管板的下联箱联通，流出主管路与吸热器回路出口侧管板的上联箱联通，多根辅助管路中的一部分与吸热器回路入口侧管板的上联箱联通，另一部分与吸热器回路出口侧管板的下联箱联通；当采用下联箱中间设有止回阀的第二管板类型组成吸热器回路时，流入主管路与吸热器回路入口侧管板的下联箱联通，流出主管路与吸热器回路出口侧管板的下联箱联通。多根辅助管路分为三部分，一部分辅助管路与吸热器回路入口侧管板的上联箱联通，另一部分与吸热器回路出口侧管板的上联箱联通，其余部分的辅助管路连通流入主管路与流出主管路。

止回阀布置在连接管道中组成带有止回阀的连接管道，普通连接管道中间不设止回阀。止回阀的功能在于使流体只能向一个方向流动，反向流动的流体无法通过本装置。

本发明涉及的吸热器采用熔融盐等单相流体为传热流体。熔融盐等单相流体通过流入主管路进入本发明吸热器回路，通过流出主管路流出本发明吸热器回路，辅助管路用于填充或排空吸热器回路。每条流入主管路、流出主管路以及辅助管路上均设置有阀门控制流体的通断。熔融盐等单相流体在吸热器回路内流动，不同模式下的流动路径不同，主要可以分为填充模式、正常运行模式和排空模式三种，三种模式的熔融盐等单相流体流动路径具体描述如下：

填充模式的目的是快速充满吸热器。通过操作阀门首先使熔融盐等单相流体从辅助管路进入吸热器的下联箱，并使熔融盐等单相流体同时自下而上一次性填充所有的吸热管，最终充满上联箱，然后熔融盐等单相流体从上联箱经过辅助管路流出吸热器。

正常运行模式的目的是使流体在吸热器内充分换热。设吸热管的数量为N，N为整数。当吸热器由多个下联箱中间不设止回阀的第一管板类型组成时，通过操作阀门使熔融盐等单相流体从流入主管路进入第一管板的下联箱，沿该管板的所有N根吸热管向上流动，汇集在上联箱中，然后通过普通连接管道进入第二管板的上联箱，沿该管板的吸热管向下流动汇集在下联箱中，再通过普通连接管道进入第三管板的下联箱，重复上述流动路径，最终流体通过流出主管路流出吸热器，熔融盐等单相流体在管板之间呈蛇形蜿蜒流动。当吸热器由多个下联箱中间设有止回阀的第二管板类型组成时，通过操作阀门使熔融盐等单相流体从流入主管路进入第一管板的下联箱，沿半侧吸热管向上流动，进入第一管板的上联箱，再沿另外半侧吸热管向下流动回到第一管板的下联箱，然后通过普通连接管道进入第二管板的下联箱，重复上述流动路径，最终熔融盐等单相流体经过流出主管路流出吸热器，熔融盐等单相流体在管板内蛇形流动。所述的半侧吸热管为N’/2根吸热管，N’为吸热管数量，N’为偶数，集中布置在一侧。

排空模式的目的是将熔融盐等单相流体快速排出吸热器。通过操作阀门首先使压缩气体推动熔融盐等单相流体从上联箱进入吸热管，沿吸热管自上而下一次性进入下联箱，然后再推动下联箱中的流体通过流入主管路排出吸热器，达到排空吸热器的目的。

本发明的特点是：

1.通过止回阀控制流体的流动方向，即流体只能沿一个方向流动，无法反向流动，在填充模式和排空模式时，流体从一侧进入，该方向为止回阀允许流体通过的方向，吸热器的所有管板变为并联状态；当处于正常运行模式时，流体从另外一侧进入，该方向为止回阀不允许流体通过的方向，起到隔断作用，吸热器的所有管板变为串联状态；

2.精简了吸热器管道的布置，减少了填充和排空管路上阀门的数量，通过阀门的开关可以切换填充模式、正常运行模式和排空模式，因此，有效精简了阀门数量和管路布置，降低了管路的冻堵风险。

附图说明

图1为管板类型1的结构图；

图2为管板类型2的结构图；

图3为以管板类型1为基本单元的吸热器回路布置方式；

图4为以管板类型2为基本单元的吸热器回路布置方式；

图中：1下联箱；2上联箱；3吸热管；4止回阀；5带有止回阀的连接管道；6普通连接管道；7a、7b、7c、7d、7e阀门；8流入主管路；9流出主管路；10a、10b、10c辅助管路。

具体实施方式

以下结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明单相流体管板式吸热器回路包括由下联箱1、上联箱2和吸热管3组成的管板、第一止回阀4、带有第二止回阀4’的连接管道5、普通连接管道6、阀门7、流入主管路8、流出主管路9和辅助管路10。所述的带有止回阀的连接管道5和普通连接管道6用于联通相邻的管板，安装在相邻管板的下联箱1之间和上联箱2之间。所述的阀门7安装在与吸热器回路相连的流入主管路8，流出主管路9和辅助管路10上。

图1所示为第一种结构形式的管板，由下联箱1，上联箱2和吸热管3组成。如图1所示，本实施例的管板中，吸热管3平行排列，布置在同一平面上，组成吸热面。吸热管3的顶部与上联箱2联通，吸热管3的底部与下联箱1联通。熔融盐等单相流体从上联箱2流入，分配到吸热管3中，在下联箱1中汇集流出，也可以从下联箱1中流入，分配到吸热管3中，在上联箱2中汇集并流出。

图2所示为第二种结构形式的管板，由下联箱1，上联箱2，吸热管3和第一止回阀4组成。本实施例的管板中，吸热管3平行排列，布置在同一平面上，组成吸热面。吸热管3的顶部与上联箱2联通，吸热管3的底部与下联箱1联通。下联箱1内的中间位置安装有第一止回阀4，熔融盐等单相流体只能从右侧向左侧单方向流动，不能从左侧向右侧反方向流动。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于填充模式时，熔融盐等单相流体首先从下联箱1的右侧进入，充满下联箱1，然后流入吸热管3，填充所有的吸热管3，再汇集到上联箱2；当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于正常运行模式时，当熔融盐等单相流体首先从下联箱1的左侧进入，然后沿半侧吸热管3向上流动汇集到上联箱2中，再从上联箱2中沿另外半侧吸热管3向下流动回到下联箱1中。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于排空模式时，压缩气体从上联箱2的右侧进入，将上联箱2中的流体压入吸热管3中，然后压入下联箱1，最终排空熔融盐。

图3所示为由图1所示第一种结构形式的管板组成的吸热器回路实施例1，由图1所示的管板、带有第二止回阀4’的连接管道5，普通连接管道6、第一阀门7a、第二阀门7b、第三阀门7c、第四阀门7d、流入主管路8、流出主管路9、第一辅助管路10a和第二辅助管路10b组成。其中第一阀门7a安装在流入主管路8上，第二阀门7b安装在第一辅助管路10a上，第三阀门7c安装在流出主管路9上，第四阀门7d安装在第二辅助管路10b上；流入主管路8通过第一阀门7a与流体入口侧管板的下联箱1联通，流出主管路9通过第三阀门7c与流体出口侧管板的上联箱2联通；第一辅助管路10a的一端与流入主管路8联通，第一辅助管路10a的另一端与流体出口侧管板的下联箱1联通，第二辅助管路10b通过第四阀门7d与流体入口侧管板的上联箱2联通。该吸热器回路由多个管板并排组成，每个管板的结构如图1所示。相邻管板的下联箱1之间通过连接管道连通，上联箱2之间通过连接管道连通。流入主管路8接入的第一个管板的下联箱与第二个管板的下联箱之间通过带有止回阀的连接管道5连通，然后交替使用普通连接管道6和带有止回阀的连接管道5连通其余相邻管板的下联箱1，例如第二个管板的下联箱与第三个管板的下联箱之间使用普通连接管道6联通，则第三个管板的下联箱与第四个管板的下联箱之间使用带有第二止回阀4’的连接管道5连通，以此类推。流入主管路8接入的第一个管板的上联箱与第二个管板的上联箱之间通过普通连接管道6连通，然后交替使用带有第二止回阀4’的连接管道5和普通连接管道6连通剩余相邻管板的上联箱2，例如第二个管板的上联箱与第三个管板的上联箱之间使用带有第二止回阀4’的连接管道5联通，则第三个管板的上联箱与第四个管板的上联箱之间使用普通连接管道6连通，以此类推。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于填充模式时，首先关闭位于流入主管路8上的第一阀门7a和位于流出主管路9上的第三阀门7c，打开位于第一辅助管路10a上的第二阀门7b与位于第二辅助管路10b上的第四阀门7d，熔融盐等单相流体经过第一辅助管路10a和第二阀门7b进入吸热器。所有管板的下联箱1连通，且下联箱1的流动阻力远小于吸热管3中的流动阻力，因此大部分熔融盐等单向流体首先从右至左将所有管板的下联箱1充满，然后沿吸热管3向上流动，进入上联箱2，并继续从右至左流动，最终通过第四阀门7d经过第二辅助管路10b流出。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于正常运行模式时，关闭位于第一辅助管路10a上的第二阀门7b与位于第二辅助管路10b上的第四阀门7d，打开位于流入主管路8上第一阀门7a和位于流出主管路9上的第三阀门7c，熔融盐等单相流体从流入主管路8经过第一阀门7a进入吸热器回路左侧第一个管板的下联箱1，由于跟相邻管板的下联箱1之间安装了带有第二止回阀4’的连接管道5，因此熔融盐等单相流体只能先经过第一个管板的吸热管3汇集到上联箱2中，然后进入到第二个管板的上联箱2中，由于第二个管板的上联箱2和第三个管板的上联箱2之间的连接管道为带有第二止回阀4’的5，连接管道上安装有第二止回阀4’，因此熔融盐等单相流体只能经过第二个管板的吸热管3汇集到下联箱1中，然后再重复该循环，达到蛇形流动的目的，最终熔融盐等单相流体经过阀门7c从流出主管路9流出；排空模式时，关闭位于第一辅助管路10a上的第二阀门7b与位于第二辅助管路10b上的第四阀门7d，打开位于流入主管路8上的第一阀门7a和位于流出主管路9上的第三阀门7c，压缩气体从流出主管路9经过第三阀门7c进入吸热器。由于多个上联箱2均联通，且流动阻力远小于吸热管3中的流动阻力，所以大部分压缩气体先将上联箱2中的流体都压入吸热管3中，并继续压入下联箱1中，然后从右至左将下联箱1中的流体经过第一阀门7a从流入主管路8中排出。

图4所示为由图2所示的第二种结构形式管板组成的吸热器回路实施例2，由图2所示的管板、带有止回阀的连接管道5，普通连接管道6、第一阀门7a、第二阀门7b、第三阀门7c、第四阀门7d和第五阀门7e、流入主管路8、流出主管路9、第一辅助管路10a、第二辅助管路10b和第三辅助管路10c组成。其中第一阀门7a安装在流入主管路8上，第二阀门7b安装在第一辅助管路10a上，第三阀门7c安装在流出主管路9上，第四阀门7d安装在第二辅助管路10b上，第五阀门7e安装在第三辅助管路10c上。流入主管路8通过第一阀门7a与流体入口侧管板的下联箱1联通，流出主管路9通过第三阀门7c与流体出口侧管板的下联箱联通；第一辅助管路10a的一端与流入主管路联通，第一辅助管路10a的另一端与流出主管路9联通；第二辅助管路10b通过第四阀门7d与流体入口侧管板的上联箱2联通，第三辅助管路10c通过第五阀门7e与流体出口侧管板的上联箱2联通。该吸热器回路由多个管板并排组成，每个管板的结构如图2所示。所有管板的下联箱之间都通过普通连接管道6连通，所有管板的上联箱之间都通过带有第二止回阀4’的连接管道5连通。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于填充模式时，首先关闭位于流入主管路8上的第一阀门7a、位于流出主管路9上的第三阀门7c和位于辅助管路10c上的第五阀门7e，打开位于辅助管路10a上的第二阀门7b和位于辅助管路10b上的第四阀门7d，熔融盐等单相流体经过第二阀门7b从第一辅助管路10a进入吸热器回路，由于所有管板的下联箱1都是连通的，且下联箱1的流动阻力远小于吸热管3中的流动阻力，因此大部分熔融盐等单相流体首先从右至左将所有管板的下联箱1充满，然后沿吸热管3向上流动，进入上联箱2，并从右至左流动，最终通过第四阀门7d经过第二辅助管路10b流出。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于正常运行模式时，关闭位于第一辅助管路10a上的第二阀门7b、位于辅助管路10b上的第四阀门7d与位于辅助管路10c上的第五阀门7e，打开位于流入主管路8上的第一阀门7a与位于流出主管路9上的第三阀门7c，熔融盐等单相流体从流入主管路8经过第一阀门7a进入吸热器回路第一个管板的下联箱，由于下联箱中间安装有第一止回阀4，因此流体只能先经过第一个管板的半侧吸热管3向上流动并汇集到上联箱2中，由于第一个管板的上联箱与第二个管板的上联箱之间的连接管道为带有第二止回阀4’的连接管道5，连接管道上安装有第二止回阀4’，因此流体只能经过第一个管板的另一半侧吸热管3向下流动并汇集到下联箱1中，才能进入第二个管板，然后再重复该循环，达到蛇形流动的目的。最终流体经过第三阀门7c从流出主管路9流出。当熔融盐等单相流体在吸热器内的流动处于排空模式时，关闭位于第一辅助管路10a上的第二阀门7b、位于流出主管路9上的第三阀门7c与位于第二辅助管路10b上的第四阀门7d，打开位于流入主管路8上的第一阀门7a与位于第三辅助管路10c上的第五阀门7e，压缩气体经过第五阀门7e，经过第三辅助管路10c进入吸热器回路，由于上联箱2都是联通的，且流动阻力远小于吸热管3中的流动阻力，所以大部分压缩气体先将上联箱2中的流体都压入吸热管3中，并继续压入下联箱1中，然后从右至左将下联箱1中的流体经过第一阀门7a从流入主管路8中排出。

Claims (3)

1.一种单相流体管板式吸热器回路，其特征在于：所述的单相流体管板式吸热器回路包括由下联箱(1)、上联箱(2)和吸热管(3)组成的管板，第一止回阀(4)，带有第二止回阀4’的连接管道(5)，普通连接管道(6)，阀门(7)，流入主管路(8)，流出主管路(9)和辅助管路(10)；所述的带有第二止回阀(4’)的连接管道(5)和普通连接管道(6)用于连通相邻的管板，安装在相邻管板的下联箱(1)之间和上联箱(2)之间；所述的阀门(7)安装在与吸热器回路相连的流入主管路(8)，流出主管路(9)和辅助管路(10)上；

所述的第一止回阀(4)安装在下联箱中，第二止回阀(4’)布置在连接管道中，组成带有第二止回阀(4’)的连接管道(5)；

所述的管板由下联箱(1)、上联箱(2)和吸热管(3)组成；所述吸热管(3)的顶部与上联箱(1)连通，吸热管(3)的底部与下联箱(2)连通；多根吸热管(3)并列布置在同一平面上，位于管板中间，用于将聚焦的太阳辐射转化为热能；吸热器回路由多个管板并排组成，带有第二止回阀(4’)的连接管道(5)和普通连接管道(6)用于连通相邻的管板，安装在相邻管板的下联箱(1)之间和上联箱(2)之间。

2.根据权利要求1所述的单相流体管板式吸热器回路，其特征在于：所述的管板分为两种类型，当采用下联箱中间不设止回阀的第一管板类型组成吸热器回路时，流入主管路与吸热器回路入口侧管板的下联箱联通，流出主管路与吸热器回路出口侧管板的上联箱联通，多根辅助管路中的一部分与吸热器回路入口侧管板的上联箱联通，另一部分与吸热器回路出口侧管板的下联箱联通；当采用下联箱中间设有止回阀的第二管板类型组成吸热器回路时，流入主管路与吸热器回路入口侧管板的下联箱联通，流出主管路与吸热器回路出口侧管板的下联箱联通；多根辅助管路分为三部分，一部分辅助管路与吸热器回路入口侧管板的上联箱联通，另一部分与吸热器回路出口侧管板的上联箱联通，其余部分的辅助管路连通流入主管路与流出主管路。

3.根据权利要求1或2所述的单相流体管板式吸热器回路，其特征在于：单相流体在吸热器回路内流动，不同模式下的流动路径不同，分为填充模式、正常运行模式和排空模式三种，三种模式的单相流体流动路径如下：

填充模式下，通过操作阀门首先使单相流体从辅助管路进入吸热器的下联箱，并使单相流体同时自下而上填充所有的吸热管，最终充满上联箱，然后从上联箱经过辅助管路流出吸热器；

正常运行模式下，当吸热器由多个下联箱中间不设止回阀的第一管板类型组成时，通过操作阀门使单相流体从流入主管路进入第一管板的下联箱，沿该管板的所有N根吸热管向上流动，N为吸热管的数量，N为整数；单相流体汇集在上联箱中，通过普通连接管道进入第二管板的上联箱，沿该管板的吸热管向下流动汇集在下联箱中，再通过普通连接管道进入第三管板的下联箱，重复上述流动路径，最终单相流体通过流出主管路流出吸热器；单相流体在管板之间呈蛇形蜿蜒流动；当吸热器由多个下联箱中间设有止回阀的第二管板类型组成时，通过操作阀门使单相流体从流入主管路进入第一管板的下联箱，沿半侧吸热管向上流动，进入第一管板的上联箱，再沿另外半侧吸热管向下流动回到第一管板的下联箱，然后通过普通连接管道进入第二管板的下联箱，重复上述流动路径，最终单相流体经过流出主管路流出吸热器，单相流体在管板内蛇形流动；所述的半侧吸热管为N/2根吸热管，其中N’为吸热管的数量，N’为偶数，集中布置在一侧；

排空模式下，通过操作阀门首先使压缩气体推动单相流体从上联箱进入吸热管，沿吸热管自上而下进入下联箱，然后再推动下联箱中的流体通过流入主管路排出吸热器，排空吸热器。