CN111219948A - 间歇运行换热装置及端部恒温方法 - Google Patents

间歇运行换热装置及端部恒温方法 Download PDF

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CN111219948A CN202010124710.0A CN202010124710A CN111219948A CN 111219948 A CN111219948 A CN 111219948A CN 202010124710 A CN202010124710 A CN 202010124710A CN 111219948 A CN111219948 A CN 111219948A
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高诏诏
季伟
安保林
郭璐娜
许浩
陈六彪
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Abstract

本发明涉及能源化工技术领域，公开了一种间歇运行换热装置及端部恒温方法，包括：换热装置本体，在所述换热装置本体上分别构造有与所述换热装置本体的内部相连通的热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口，靠近所述热流体进口和所述冷流体出口的端部构造为热端，靠近所述冷流体进口和所述热流体出口的端部构造为冷端；液池，在所述液池的内部容纳有固液相变工质，所述换热装置本体的冷端与所述液池相接触；以及低温冷却部件，设置在所述液池中，用于使所述换热装置本体的冷端温度保持恒定。该间歇运行换热装置具有维持换热装置的两端温度稳定性的优点。

Description

间歇运行换热装置及端部恒温方法
技术领域
本发明涉及能源化工技术领域，特别是涉及一种间歇运行换热装置及端部恒温方法。
背景技术
随着能源结构不断优化，可再生能源快速发展，但可再生能源固有的间歇性、不稳定性导致了大量弃风、弃光、限电现象发生，而大规模储能技术通过将风电、光电产生的富余电力进行存储，并在用电高峰时释放，回馈电网***，有效地提高了电力***对可再生能源的接纳能力，并起到了削峰填谷的作用。其中，液态空气储能技术作为一种颇具前景的大规模储能技术，利用风电、光电或低谷电将空气压缩至高压，并通过蓄冷单元释放蓄冷工质的冷能将高压空气降温成低温高压空气，经节流装置液化为常压液态空气存储于储罐，用电高峰时，液态空气通过蓄冷单元释放冷量到蓄冷工质，升温气化变为常温空气，通过膨胀机组做功发电。
蓄冷单元主要完成冷量的回收利用，通常由多级换热器组成，是液态空气储能技术空气液化和复温过程的核心设备，换热器的性能对蓄冷的效率、整个储能***的效率有重大影响。
其他涉及采用换热器间歇运行的***，如液化天然气、空分等相关***，换热器的传热性能同样将对***整体效率产生重要影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种间歇运行换热装置及端部恒温方法，以至少解决现有技术中的换热器正常工作状态下建立的稳定温度梯度，在静置过程中将因换热器的轴向导热而被破环，整个换热器将趋向于某一温度，下一次循环，换热器将消耗一定的时间和能量来建立新的温度梯度。此外，在温度梯度重建的过程中，换热器出口工况的不稳定将对整个***的效率和稳定性产生重要影响的技术问题之一。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种间歇运行换热装置，包括：换热装置本体，在所述换热装置本体上分别构造有与所述换热装置本体的内部相连通的热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口，靠近所述热流体进口和所述冷流体出口的端部构造为热端，靠近所述冷流体进口和所述热流体出口的端部构造为冷端；液池，在所述液池的内部容纳有固液相变工质，所述换热装置本体的冷端与所述液池相接触；以及低温冷却部件，设置在所述液池中，用于使所述换热装置本体的冷端温度保持恒定。
其中，在所述液池的内部构造有上端具有开口的容纳腔，在所述容纳腔内容纳有所述固液相变工质。
其中，在所述换热装置本体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，所述第一流道的始端与所述热流体进口相连通，所述第一流道的末端与所述热流体出口相连通；所述第二流道的始端与所述冷流体进口相连通，所述第二流道的末端与所述冷流体出口相连通。
其中，所述低温冷却部件包括沉浸式换热器。
其中，在所述沉浸式换热器中通有低温液体，所述沉浸式换热器浸入所述固液相变工质中。
其中，所述换热装置本体的所述冷端浸入到所述液池中，或在所述液池的开口的上端面盖合有导热板，其中，所述换热装置本体的所述冷端与所述导热板相接触。
其中，在所述换热装置本体的所述热端设有加热部件或制冷部件。
其中，所述加热部件包括加热丝或加热电阻；所述制冷部件包括相应温区低温冷箱、低温冷却件或半导体制冷片。
根据本发明的第二方面，还提供一种间歇运行换热装置的端部恒温方法，包括：分别向换热装置本体内的流道中注入相应的热流体和冷流体，两股流体在所述换热装置本体中的不同流道中进行热量传递，热量从热流体传递给冷流体，通过换热使所述热流体与所述冷流体的物性达到预设指标；待间歇运行换热装置处于停机状态时，所述热流体和所述冷流体处于非流动状态，此时向低温冷却部件中通入低温液体，以维持液池中的固液相变工质处于固液两相状态。
其中，所述方法还包括：所述换热装置本体的冷端通过导热板传热或直接浸入所述液池中以维持所述换热装置本体的所述冷端的温度恒定；若所述换热装置本体的热端温度大于环境温度且所述热端温度与所述环境温度相差较大时，则在所述热端增设加热部件；若所述换热装置本体的热端温度小于环境温度且所述热端温度与所述环境温度相差较大时，则在所述热端增设制冷部件。
(三)有益效果
本发明提供的间歇运行换热装置，与现有技术相比，具有如下优点：
换热装置本体的底部安装有该液池，换热装置本体的冷端可以直接浸入液池中的固液相变工质中或通过导热板传热，以确保换热装置本体的冷端的温度恒定。
当换热装置本体处于静置时，即换热装置本体的冷热流体不流动时，低温冷却部件中通入低温液体，如液氮等来维持固液相变工质处于固液两相状态，固液相变工质通过传热过程来维持换热装置本体的冷端温度的恒定。
附图说明
图1为本发明的实施例的间歇运行换热装置的整体结构示意图；
图2为本发明的实施例的间歇运行换热装置的端部恒温方法的步骤流程示意图。
附图标记：
1：换热装置本体；11：热流体进口；12：热流体出口；13：冷流体进口；14：冷流体出口；1a：热端；1b：冷端；2：液池；21：固液相变工质；22：开口；23：容纳腔；3：低温冷却部件；31：沉浸式换热器；4：第一流道；5：第二流道；6：导热板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，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发明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，图中示意性地显示了该间歇运行换热装置包括换热装置本体1、液池2以及低温冷却部件3。
在本申请的实施例中，具体地，液态空气储能技术的固有间歇运行特性，使得蓄冷单元处于交替启停运行模式，即蓄冷单元液化侧的换热装置处于工作模式时，复温侧的换热装置处于停机模式，待空气液化过程完成，静置8小时后到达用能高峰，蓄冷单元复温侧的换热装置处于工作模式，此时液化侧的换热装置处于停机模式。如此交替往复，蓄冷单元中的换热装置也处于间歇运行状态。
换热装置正常工作状态下建立的稳定温度梯度，在静置过程中将因换热装置的轴向导热而被破环，整个换热装置将趋向于某一温度，下一次循环，换热装置将消耗一定的时间和能量来建立新的温度梯度。此外，在温度梯度重建的过程中，换热装置的出口工况的不稳定将对整个储能***的效率和稳定性产生重要影响，如液化侧换热装置因启动的非稳态传热导致空气温度高于设计工况，从而降低了低温高压空气的液化，复温侧换热装置因启动非稳态传热导致空气复温后的温度低于设计工况，从而降低了空气的膨胀发电性能，进而影响整个储能***的效率。故通过经济、合理、有效的方式来减少换热装置的非稳态传热对储能***的效率、经济性等指标均具有重要影响。
在该换热装置本体1上分别构造有与该换热装置本体1的内部相连通的热流体进口11、热流体出口12、冷流体进口13和冷流体出口14，靠近该热流体进口11和该冷流体出口14的端部构造为热端1a，靠近该冷流体进口13和该热流体出口12的端部构造为冷端1b。
在该液池2的内部容纳有固液相变工质21，该换热装置本体1的冷端1b与该液池2相接触。
低温冷却部件3设置在该液池2中，用于使该换热装置本体1的冷端1b温度保持恒定。
换热装置本体1的底部安装有该液池2，换热装置本体1的冷端1b可以直接浸入液池2中的固液相变工质21中或通过导热板6传热，以确保换热装置本体1的冷端1b的温度恒定。
当换热装置本体1处于静置时，即换热装置本体1的冷热流体不流动时，低温冷却部件3中通入低温液体，如液氮等来维持固液相变工质21处于固液两相状态，固液相变工质21通过传热过程来维持换热装置本体1的冷端1b温度的恒定。
需要说明的是，该换热装置可以为复温侧或液化侧的多级换热装置中较低温度的一级换热装置或为复温侧或液化侧的单级换热装置。如为实现常温空气液化的单级换热装置，换热装置的热流体为空气，热流体进口11的温度约为10℃～25℃，热流体出口12的温度约为-140℃～-180℃；换热装置的冷流体为蓄冷工质，冷流体进口13的温度约为-142℃～-182℃，冷流体出口14的温度约为5℃～20℃，换热装置本体1靠近空气的进口端和蓄冷工质的出口端的一端为热端1a，热端1a的平均温度与环境温度相近，热端1a无需恒温部件，换热装置靠近空气的出口端和蓄冷工质的进口端的一端为冷端1b，通过液池2、低温冷却部件3实现冷端恒温。
若为液化侧多级换热装置中较低温度的一级换热装置，换热装置的热流体为空气，热流体进口11的温度约为-70℃～-100℃，热流体出口12的温度约为-140℃～-180℃。换热装置的冷流体为蓄冷工质，冷流体进口13温度约为-142℃～-182℃，冷流体出口14温度约为-80℃～-110℃，此时换热装置本体1靠近空气的进口端和蓄冷工质的出口端的一端为热端1a，热端1a的平均温度与环境温度相差较大，热端1a需增设相应温区较低温冷箱、低温冷却件，换热装置靠近空气的出口端和蓄冷装置的进口端的一端为冷端1b，通过液池2、低温冷却部件3实现冷端恒温。
如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该液池2的内部构造有上端具有开口22的容纳腔23，在该容纳腔23内容纳有该固液相变工质21。需要说明的是，该固液相变工质21能够给换热装置本体1的冷端1b进行换热冷却，以确保该换热装置本体1的冷端1b的温度恒定。
该换热装置优先采用结构紧凑的板翅式换热器，但不限于板翅式换热器。例如，也可使用板壳式、板式、螺旋板式等板面式换热器及蛇管式、套管式、缠绕管式、管壳式等管式换热器。
该固液相变工质21的常压凝固点处于换热装置本体1的冷端1b的平均温度以下，并接近换热装置本体1的冷端1b的平均温度，如换热装置本体1的冷端1b的平均温度为-170±3℃，则液池2中的固液相变工质21可取常压下凝固点约为-175℃的溴三氟甲烷固液相变工质。
需要说明的是，固液相变工质21需与换热装置本体1的冷端1b的平均温度相匹配，固液相变工质21的凝固点要低于换热装置本体1的冷端1b的平均温度，并接近换热装置本体1的冷端1b的平均温度，使得换热装置本体处于静置过程时，固液相变工质21处于两相混合状态，以更好地维持换热装置本体1的冷端1b的温度的稳定。
如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该换热装置本体1的内部分别构造有供热流体流动的第一流道4以及供冷流体流动的第二流道5，该第一流道4的始端与该热流体进口11相连通，该第一流道4的末端与该热流体出口12相连通。
该第二流道5的始端与该冷流体进口13相连通，该第二流道5的末端与该冷流体出口14相连通。具体地，分别向换热装置本体1内的第一流道4中注入相应的热流体，向第二流道5中注入相应的冷流体，两股流体在该换热装置本体1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，通过换热使该热流体与该冷流体的物性达到预设指标。
需要说明的是，所谓“第一流道4的始端”和所谓“第二流道5的末端”均可为如图1所示的上端；所谓“第二流道5的始端”和所谓“第一流道4的末端”均可为如图1所示的下端。
在本申请的一个优选的实施例中，该低温冷却部件3包括沉浸式换热器，在沉浸式换热器中优先采用沉浸式换热器31，但不限于盘管式换热器。需要说明的是，通过将该低温冷却部件3设计成盘管式，从而可以有效地增大该低温冷却部件3与液池2中的固液相变工质21的接触面积，提高换热效率。
如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，在该沉浸式换热器中通有低温液体，该沉浸式换热器浸入该固液相变工质21中。具体地，该沉浸式换热器31中通入低温液体以使得该固液相变工质21处于固液两相混合状态，具体地，可在该沉浸式换热器31中通入液氮或液化天然气等。
如图1所示，在本申请的一个优选的实施例中，该换热装置本体1的该冷端1b浸入到该液池2中，或在该液池2的开口22的上端面盖合有导热板6，其中，该换热装置本体1的该冷端1b与该导热板6相接触。具体地，将换热装置本体1放置在导热板6上，导热板6的一侧与换热装置本体1的冷端1b相接触，另一侧与液池2中的固液相变工质21相接触。
在本申请的一个优选的实施例中，在该换热装置本体1的热端1a设有加热部件或制冷部件。具体地，该换热装置本体1的热端1a优先采用与空气对流换热，也可根据换热装置的热端工况，采用加热或冷却部件的方式来维持热端1a的温度恒定。
在本申请的一个优选的实施例中，该加热部件包括加热丝或加热电阻。该制冷部件包括相应温区低温冷箱、低温冷却件或半导体制冷片。
如图2所示，根据本发明的第二方面，还提供一种间歇运行换热装置的端部恒温方法，包括：
步骤S1，分别向换热装置本体1内的流道中注入相应的热流体和冷流体，两股流体在该换热装置本体1中的不同流道中进行热量传递，热量从热流体传递给冷流体，通过换热使该热流体与该冷流体的物性达到预设指标。
步骤S2，待间歇运行换热装置处于停机状态时，该热流体和该冷流体处于非流动状态，此时向该低温冷却部件中通入低温液体，以维持该液池2中的该固液相变工质21处于固液两相状态，维持冷端1b温度的稳定。
本发明的间歇运行换热装置及端部恒温方法应用于液态空气储能蓄冷单元，但不限于液态空气储能蓄冷单元，适用于交替运行，对换热装置本体1的进出口状态参数有稳定性要求的其余换热器部件及低温换热应用场合。
在本申请的一个优选的实施例中，该方法还包括：该换热装置本体1的冷端1b通过导热板6传热或直接浸入该液池2中以维持该换热装置本体1的该冷端1b的温度恒定。
若该换热装置本体1的热端1a温度大于环境温度且热端温度与环境温度相差较大时，则在该热端1a增设加热部件。
若该换热装置本体1的热端1a温度小于环境温度且热端温度与环境温度相差较大时，则在该热端1a增设制冷部件。需要说明的是，该制冷部件可为相应温区冷箱及低温冷却部件，该加热部件可为加热丝。
综上所述，本发明的间歇运行换热装置能够有效维持换热装置两端温度的稳定性，保证换热装置以设计工况运行，避免或减少换热装置出现偏工况运行的情况，大大地提高了换热装置的性能。
本发明的间歇运行换热装置有效维持换热装置的温度梯度的稳定性，减少换热装置交替启动传热过程的非稳态效应，保证间歇运行工况下换热装置的进出口工况及传热性能的稳定性。
本发明的间歇运行换热装置结构简单、操作方便，有效提高了***整体的效率和经济性。
此外，涉及液态空气储能***时，保证了空气液化侧的液化率、空气复温过程中的冷量回收率，使液态空气储能***整体满足设计工况运行，从而提高了***的整体效率，并有效降低了***的非稳态能耗成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种间歇运行换热装置，其特征在于，包括：
换热装置本体，在所述换热装置本体上分别构造有与所述换热装置本体的内部相连通的热流体进口、热流体出口、冷流体进口和冷流体出口，靠近所述热流体进口和所述冷流体出口的端部构造为热端，靠近所述冷流体进口和所述热流体出口的端部构造为冷端；
液池，在所述液池的内部容纳有固液相变工质，所述换热装置本体的冷端与所述液池相接触；以及
低温冷却部件，设置在所述液池中，用于使所述换热装置本体的所述冷端温度保持恒定。
2.根据权利要求1所述的间歇运行换热装置，其特征在于，在所述液池的内部构造有上端具有开口的容纳腔，在所述容纳腔内容纳有所述固液相变工质。
3.根据权利要求1所述的间歇运行换热装置，其特征在于，在所述换热装置本体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，所述第一流道的始端与所述热流体进口相连通，所述第一流道的末端与所述热流体出口相连通；
所述第二流道的始端与所述冷流体进口相连通，所述第二流道的末端与所述冷流体出口相连通。
4.根据权利要求1所述的间歇运行换热装置，其特征在于，所述低温冷却部件包括沉浸式换热器。
5.根据权利要求4所述的间歇运行换热装置，其特征在于，在所述沉浸式换热器中通有低温液体，所述沉浸式换热器浸入所述固液相变工质中。
6.根据权利要求2所述的间歇运行换热装置，其特征在于，所述换热装置本体的所述冷端浸入到所述液池中，或在所述液池的开口的上端面盖合有导热板，其中，所述换热装置本体的所述冷端与所述导热板相接触。
7.根据权利要求1所述的间歇运行换热装置，其特征在于，在所述换热装置本体的所述热端设有加热部件或制冷部件。
8.根据权利要求7所述的间歇运行换热装置，其特征在于，所述加热部件包括加热丝或加热电阻；所述制冷部件包括相应温区低温冷箱、低温冷却件或半导体制冷片。
9.一种间歇运行换热装置的端部恒温方法，其特征在于，包括：
分别向换热装置本体内的流道中注入相应的热流体和冷流体，两股流体在所述换热装置本体中的不同流道中进行热量传递，热量从热流体传递给冷流体，通过换热使所述热流体与所述冷流体的物性达到预设指标；
待间歇运行换热装置处于停机状态时，所述热流体和所述冷流体处于非流动状态，此时向低温冷却部件中通入低温液体，以维持液池中的固液相变工质处于固液两相状态。
10.根据权利要求9所述的间歇运行换热装置的端部恒温方法，其特征在于，所述方法还包括：所述换热装置本体的冷端通过导热板传热或直接浸入所述液池中以维持所述换热装置本体的所述冷端的温度恒定；
若所述换热装置本体的热端温度大于环境温度且所述热端温度与所述环境温度相差较大时，则在所述热端增设加热部件；
若所述换热装置本体的热端温度小于环境温度且所述热端温度与所述环境温度相差较大时，则在所述热端增设制冷部件。
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