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技术

本发明专利技术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：主管路，嵌于蓄热体内，设有主管路常开出口阀；并联支路，嵌于蓄热体内并位于主管路的两侧；与主管路连通设置，入口处设置有并联支路常闭入口阀，出口设有并联支路常开出口阀。本发明专利技术还公开了换热方法，包括：首先开启主管路换热，主管路常开出口阀开启，而并联支路常闭入口阀均关闭，当蓄热体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，开启并联支路换热管路，同时关闭主管路常开出口阀，开启并联支路常闭入口阀。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于显热蓄热
，涉及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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术再有一个目的是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。为此，本专利技术提供的技术方案为：基于串并联结合调节的显热蓄热换热管路连接结构，包括：主管路，其嵌于蓄热体的中央部位；并联支路，其嵌于所述蓄热体内并位于所述主管路的两侧；其中，所述主管路与若干个所述并联支路的入口连通设置，所述主管路的出口设有主管路常开出口阀，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，当仅开启所述主管路换热时，所述主管路常开出口阀开启，而所述并联支路常闭入口阀关闭，当需要开启所述并联支路时，所述并联支路常闭入口阀开启，而所述主管路常开出口阀关闭。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。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'，首先开启主管路换热，主管路出口的主管路常开出口阀开启，而并联支路入口的并联支路常闭入口阀均关闭，所述主管路中的换热过程满足如下：式中，为主管路总平均换热系数，A0为主管路的换热面积，为蓄热体在当前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，ΔH为换热器进出口流体的设计焓差；当蓄热体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，开启并联支路这一换热管路：同时关闭所述主管路常开出口阀，开启所述并联支路常闭入口阀。优选的是，所述的换热方法中，单级串联支路的开启条件为：当换热过程满足如下平衡式时，开启所述单级串联支路：式中，为该阶段主管路平均换热系数，为该阶段主管路的工作流体平均瞬时温度，A1为并联支路的换热面积，N为支管路并联数，为并联支路中单个支管路的平均换热系数，为并联支路中单个支管路的工作流体平均瞬时温度。优选的是，所述的换热方法中，对于多级串联支路，开启第i级串联管路需关闭第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：式中，为开启第i级串联管路后的主管路的平均换热系数，为开启第i级串联管路后的主管路的工作流体平均瞬时温度，An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级串联管路优选的是，所述的换热方法中，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的管路直径、管路数量调整流体在并联支管路的Re。优选的是，所述的换热方法中，若涉及两相换热，设计管路时需按照换热形式分段考虑：在主管路与并联支路同时参与换热的分段控制阶段，主管路对应单相流体对流换热阶段，并联支路内按气液两相沸腾换热原理计算，原理如下：式中，Al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，Atp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，为并联支路中流体平均瞬时温度。优选的是，所述的换热方法中，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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n主管路，其嵌于蓄热体的中央部位；/n并联支路，其嵌于所述蓄热体内并位于所述主管路的两侧；/n其中，所述主管路与若干个所述并联支路的入口连通设置，所述主管路的出口设有主管路常开出口阀，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，当仅开启所述主管路换热时，所述主管路常开出口阀开启，而所述并联支路常闭入口阀关闭，当需要开启所述并联支路时，所述并联支路常闭入口阀开启，而所述主管路常开出口阀关闭。/n

【技术特征摘要】
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：
主管路，其嵌于蓄热体的中央部位；
并联支路，其嵌于所述蓄热体内并位于所述主管路的两侧；
其中，所述主管路与若干个所述并联支路的入口连通设置，所述主管路的出口设有主管路常开出口阀，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，当仅开启所述主管路换热时，所述主管路常开出口阀开启，而所述并联支路常闭入口阀关闭，当需要开启所述并联支路时，所述并联支路常闭入口阀开启，而所述主管路常开出口阀关闭。


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。


5.利用如权利要求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的换热方法，其特征在于，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'，
首先开启主管路换热，主管路出口的主管路常开出口阀开启，而并联支路入口的并联支路常闭入口阀均关闭，所述主管路中的换热过程满足如下：



式中，为主管路总平均换热系数，A0为主管路的换热面积，为蓄热体在当前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，ΔH为换热器进出口流体的设计焓差；
当蓄热体的平均瞬时温度降低至该...

【专利技术属性】
技术研发人员：王岩，张明明，卜一，王薇，张连鑫，
申请(专利权)人：北京市伟业供热设备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11