[發明專利]一種基于并聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法

有效

• 申請號: 201610318705.7
• 申請日: 2016-05-16
• 公開（公告）號: CN106016219B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發明（設計）人: 張良;王濤;王宇飛;范利武;鄭夢蓮;俞自濤;胡亞才
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: F22B1/28
• 分類號: F22B1/28;F22B1/00;F22B35/00;F28D20/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 張法高,傅朝棟

技術領域

本發明涉及一種基于并聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法，屬于顯熱蓄熱換熱技術領域。

背景技術

儲能作為能源利用的重要環節，對工業節能和可再生能源利用具有十分重要的作用。以熱能形式提供的能量占了能源利用中相當大的比例，因此蓄熱技術成為儲能技術中的關鍵部分。在目前間歇性能源的能量儲存以及工業余熱回收利用中，顯熱蓄熱由于原理簡單、技術成熟、材料來源豐富、成本低廉而得到了廣泛應用。

顯熱蓄熱是利用蓄熱材料的熱容量，通過溫度升高或降低而實現熱量的儲存或釋放過程。現有的顯熱蓄熱設計中換熱面積不可調節，蓄熱系統的換熱功率隨著蓄熱體溫度的變化而變化，存在輸出功率不穩定的問題，只能應用于對蒸汽參數要求不高的場合，不能滿足對蒸汽參數和輸出功率有嚴格要求的熱利用系統的需求，如電廠鍋爐等。

因此，如何保證蓄熱體以恒定換熱功率將熱量傳遞給工質，實現蓄熱系統在更大溫度的范圍內持續、穩定地產生滿足需求的蒸汽，成為顯熱蓄熱系統設計中亟需解決的問題。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出一種基于并聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統及方法。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于并聯調節的顯熱蓄熱式直接蒸汽發生系統，包括出口聯箱、出口連接管、蓄熱體、換熱管束、第一溫度傳感器、密封保溫層、電動閥、入口連接管、入口聯箱、循環水泵、流量計、控制柜、補水連接管、蓄水池、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器；蓄熱體內安裝有換熱管束，蓄熱體安裝有密封保溫層，換熱管束經入口連接管和出口連接管以并聯方式分別與入口聯箱和出口聯箱連接，每個入口連接管和出口連接管上均安裝有獨立的電動閥，循環水泵出口經補水連接管與入口聯箱相連，循環水泵入口與蓄水池相連，蓄熱體上安裝有第一溫度傳感器，入口聯箱內安裝有第二溫度傳感器，出口聯箱內安裝有第三溫度傳感器，補水連接管上裝有流量計，流量計、溫度傳感器、電動閥、循環水泵、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器分別與控制柜相連。

所述的蓄熱體由若干石墨塊堆砌而成，石墨塊上設有貫穿通孔實現與換熱管束之間的過渡配合；貫穿通孔包括圓孔和半圓孔兩種；其中，圓孔與換熱管束之間過渡配合，兩塊石墨塊之間半圓孔通過配合形成圓孔，再與換熱管束配合連接。

所述的蓄熱體材料為石墨，其加熱方式包括電加熱和太陽能聚光加熱。

所述的循環水泵為變頻泵，以達到相同蓄熱系統根據需求負荷的變化調整循環流量的效果。

一種利用所述的基于并聯調節的蓄熱式直接蒸汽發生系統的換熱方法，步驟如下：控制柜根據設定的循環流量G值，開啟循環水泵，循環水泵通過變頻達到目標流量；與此同時，控制柜根據第二溫度傳感器測得的入口溫度、第三溫度傳感器設定的出口蒸汽溫度以及第一溫度傳感器測得的蓄熱體溫度，開啟入口連接管和出口連接管上相同換熱管束進出口的電動閥，循環水在入口聯箱中進行流量分配后，等流量流入不同的換熱管束進行加熱，產生蒸汽在出口聯箱中匯集后流出；此時，換熱管束每根換熱管中的換熱過程滿足如下能量平衡方程：

式中，為初始階段總平均換熱系數，為蓄熱體初始階段平均溫度，為單根換熱管內流體平均溫度，G為循環流量，N₀為初始階段開啟換熱管數量，ΔH為換熱管束進出口流體焓差,A為單根換熱管換熱面積；

隨著換熱過程的進行，蓄熱體(3)平均瞬時溫度的逐漸降低，當平均瞬時溫度滿足如下關系式(2)時：

式中：為第i階段總平均換熱系數；N_i為第i階段開啟換熱管數量；為第i+1階段總平均換熱系數；N_i+1為第i+1階段開啟換熱管數量；

控制柜控制電動閥將換熱管束開啟的數量由第i階段的N_i增加到第i+1階段的N_i+1，從而增大換熱面積，實現蓄熱體在工作溫度范圍內穩定、持續的輸出一定熱力學參數的工質；

其中，N_i+1＞N_i；對于選定系統而言，為已知參數，其關系式滿足：

式中:為第i階段蓄熱體的平均溫度。

本發明與現有技術相比，具有如下優點：

(1)本發明利用換熱管路并聯的方法，通過改變換熱面積和減小單個管路內的流量的方法，有效的解決了顯熱蓄熱體換熱過程中溫度不斷降低導致單位換熱面積換熱功率不斷減小的問題，提高了系統輸出功率的穩定性。