一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法。系统包括出口联箱、出口连接管、蓄热体、换热管、第一温度传感器、密封保温层、三通阀、止回阀、入口联箱、循环水泵、流量计、控制柜、补水连接管、蓄水池、第二温度传感器、第三温度传感器。本发明采用管路串联方法，通过在流动方向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；本发明换热过程中单根管路内的流量不变，换热过程相对简单，便于系统的设计和计算。通过本发明的实施，可以有效降低传统电锅炉的运行成本，经过计算，采用本发明的蒸汽系统成本与天然气系统相当，具有广泛的市场应用前景。
【专利说明】
一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统及方法，属于显热 蓄热换热技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着节能减排战略的推广，传统高能耗、高污染的中小燃煤锅炉将逐渐被替代和 淘汰，这给供热市场带来巨大的市场空间。当前，解决市场的供热需求主要靠热电厂的大型 供热机组，但这一机制需要较长时间的规划和建设，市场灵活性较差。为了分散性的供热需 求，天然气锅炉、电锅炉和太阳能锅炉存在巨大的发展空间，但是天然气锅炉系统存在供气 不足问题，电加热锅炉存在用电成本太高问题，太阳能锅炉存在热负荷不稳定问题。
[0003] 对于电锅炉的用电成本问题，蓄热技术为降低系统用电成本提供了很好的解决思 路，利用峰谷电的价格差，可以将电锅炉的运行成本降低到天然气水平，具有广泛的市场应 用前景。
[0004] 然而，蓄热技术包括显热蓄热技术和潜热蓄热技术，显热蓄热系统是利用蓄热材 料的热容量，通过温度升高或降低而实现热量的储存或释放过程。该系统结构比较简单，运 行安全性比相变换热系统要高，但主要存在的问题在于换热过程中，蓄热体的温度不断降 低，导致换热相同换热面积条件下的换热功率不断降低，存在输出功率不稳定的问题，只能 应用于对蒸汽参数要求不高的场合，不能满足对蒸汽参数和输出功率有严格要求的热利用 系统的需求，如供热锅炉等。
[0005] 因此，如何解决显热换热系统换热功率不断降低的问题，换热功率稳定，实现蓄热 系统在更大温度的范围内持续、稳定地产生满足需求的蒸汽，成为显热蓄热系统设计中亟 需解决的问题。
【发明内容】
[0006] 为解决上述问题，本发明提出一种基于并联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统 及方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，包括出口联箱、出口连接管、 蓄热体、换热管、第一温度传感器、密封保温层、三通阀、止回阀、入口联箱、循环水栗、流量 计、控制柜、补水连接管、蓄水池、第二温度传感器、第三温度传感器;蓄热体内安装有呈蛇 形布置的换热管，蓄热体外敷有密封保温层，循环水栗出口经补水连接管与入口联箱、换热 管顺次相连;换热管沿流动方向依次安装有若干三通阀，三通阀的另一个出口经出口连接 管与出口联箱相连，换热管末端通过止回阀经出口连接管与出口联箱相连;循环水栗入口 与蓄水池相连，蓄热体上安装有第一温度传感器，入口联箱内安装有第二温度传感器，出口 联箱内安装有第三温度传感器，补水连接管上装有流量计，流量计、温度传感器、三通阀、循 环水栗、第二温度传感器、第三温度传感器分别与控制柜相连。
[0009] 所述的换热管的数量大于等于1，当换热管数量大于1时，每根换热管入口与入口 联箱为并联连接。
[0010] 所述的蓄热体由若干石墨块堆砌而成，石墨块之间的半圆安装孔通过配合形成圆 孔，再与换热管配合连接。
[0011] 所述的蓄热体材料为石墨，其加热方式包括电加热和太阳能聚光加热。
[0012] 一种利用所述的基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统的换热方法:控制 柜根据需求给定循环流量G all值，从而每根换热管内分配的流量G为恒定，液体水在换热管 中通过与蓄热体换热，产生蒸汽经三通阀流入出口联箱排出；与此同时，控制柜根据出口联 箱内的第三温度传感器的温度以及蓄热体的第一温度传感器控制三通阀的开闭数量，从而 实现对换热面积的调整，使蓄热体的温度随着换热而降低，但换热管内的换热功率保持不 变，从而保证出口蒸汽的参数不变；
[0013] 控制柜对三通阀的控制方法如下：
[0014] 初始阶段，控制各个三通阀的开闭状态，使液体水只通过换热管的一部分后即流 入出口联箱;此时，开启的三通阀中，只有最后一个三通阀的流向是与入口联箱相通，其他 三通阀则是与换热管相通;在单根换热管内满足如下能量平衡：
[0015]
(1)
[0016] 式中，f为初始温度下换热管总平均换热系数，巧为蓄热体初始阶段平均温度，f 为单根换热管内流体平均温度，△ Η为换热管进出口流体焓差，Αο为初始阶段换热管有效换 热面积；
[0017] 设定出口蒸汽温度的最大波动值为2 ，对应的蒸汽焓差为2 Δ!Τ ;
[0018] 任意i时刻，当换热管内的功率达到如下关系式(2)时，控制柜控制当前流向出口 联箱的三通阀转向，使得流体继续沿着换热管流动至下一段进行换热，并控制下一个三通 阀通向出口联箱；
[0019]
v2)
[0020] 式中：?为瞬时总平均换热系数；歹为蓄热体平均瞬时温度;Ai为i时刻换热管有 效换热面积；
[0021] 此时，换热管的有效换热面积增大至A1+1，使得换热关系满足如下公式(3):
[0022]
(3)
[0023] 由此，完成一次换热面积的调控，使得系统换热功率保持相对稳定；
[0024]在调整过程中，i时刻开启的三通阀与i+Ι时刻开启的三通阀之间的换热管长度Δ li之间的关系为：
[0025]
(4)
[0026]其中，Ai+ι为i+Ι时刻换热管有效换热面积;d为换热管内径。
[0027] 与现有技术相比，本发明主要特点在于：
[0028] (1)本发明采用管路串联方法，通过在流动方向增加换热面积的方法来解决蓄热 体温度降低导致的平均换热系数和换热功率降低的问题。
[0029] (2)本发明采用串联方法，单根管路内的流量不变，换热过程相对简单，便于系统 的设计和计算。
[0030] (3)本发明通过串联方法调节单根换热管功率的同时，考虑并联管路实现对单根 管路流量的控制，扩展了系统的功率适应性。
[0031] (4)本发明蓄热体采用标准化块状结构，使得蓄热体结构可根据实际情况进行组 合，提高了适应性，半孔结构提高了蓄热体与管道之间安装的便利性。
【附图说明】
[0032]图1是本发明的一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统；
[0033] 图2是本发明的蒸汽发生换热管路布置示意图；
[0034] 图3是本发明的蓄热体内单根换热管单排串联布置示意图；
[0035] 图4是本发明的蓄热体内两根换热管单排串联布置示意图；
[0036] 图5是本发明的蓄热体内单根换热管多(两)排串联布置示意图；
[0037] 图6是本发明的蓄热体内多(两)根换热管多(两)排串联布置示意图；
[0038] 图中：出口联箱1、出口连接管2、蓄热体3、换热管4、第一温度传感器5、密封保温层 6、三通阀7、止回阀8、入口联箱9、循环水栗10、流量计11、控制柜12、补水连接管13、蓄水池 14、第二温度传感器15、第三温度传感器16、石墨块17和半圆安装孔18。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施 方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0040] 如图1-2所示，一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，包括出口联箱 1、出口连接管2、蓄热体3、换热管4、第一温度传感器5、密封保温层6、三通阀7、止回阀8、入 口联箱9、循环水栗10、流量计11、控制柜12、补水连接管13、蓄水池14、第二温度传感器15、 第三温度传感器16;蓄热体3内安装有呈蛇形布置的换热管4。蓄热体3外敷有密封保温层6， 循环水栗10出口经补水连接管13与入口联箱9、换热管4顺次相连;换热管4由多节管体组 成，沿流动方向依次安装有若干三通阀7，多节管体之间通过三通阀7连接，三通阀7的另一 个出口经出口连接管2与出口联箱1相连，换热管4末端通过止回阀8经出口连接管2与出口 联箱1相连;循环水栗10入口与蓄水池14相连，蓄热体3上安装有第一温度传感器5，入口联 箱9内安装有第二温度传感器15,出口联箱1内安装有第三温度传感器16,补水连接管13上 装有流量计11，流量计11、温度传感器5、三通阀7、循环水栗10、第二温度传感器15、第三温 度传感器16分别与控制柜12相连。
[0041] 如图3-6所示，所述的换热管4的数量大于等于1，当换热管4数量大于1时，每根换 热管入口与入口联箱9为并联连接。
[0042] 所述的蓄热体3由若干石墨块17堆砌而成，石墨块之间的半圆安装孔18通过配合 形成圆孔，再与换热管4配合连接。
[0043] 所述的蓄热体3材料为石墨，其加热方式包括电加热和太阳能聚光加热。
[0044] -种利用所述的基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统的换热方法:控制 柜12根据需求给定循环流量6 311值，从而每根换热管4内分配的流量G为恒定，液体水在换热 管4中通过与蓄热体3换热，产生蒸汽经三通阀7流入出口联箱1排出；与此同时，控制柜12根 据出口联箱1内的第三温度传感器16的温度以及蓄热体3的第一温度传感器5控制三通阀7 的开闭数量，从而实现对换热面积的调整，使蓄热体3的温度随着换热而降低，但换热管4内 的换热功率保持不变，从而保证出口蒸汽的参数不变；
[0045] 控制柜12对三通阀7的控制方法如下：
[0046] 初始阶段，控制各个三通阀7的开闭状态，使液体水只通过换热管4的一部分后即 流入出口联箱1;此时，开启的三通阀7中，只有最后一个三通阀7的流向是与入口联箱1相 通，其他三通阀7则是与换热管4相通;在单根换热管4内满足如下能量平衡：
[0047]
(1)
[0048] 式中，冗为初始温度下换热管4总平均换热系数，叉为蓄热体初始阶段平均温度， &为单根换热管内流体平均温度，△ Η为换热管进出口流体焓差，Αο为初始阶段换热管有效 换热面积；
[0049] 设定出口蒸汽温度的最大波动值为2 △ f，对应的蒸汽焓差为2 Δ把；
[0050] 任意i时刻，当换热管4内的功率达到如下关系式(2)时，控制柜12控制当前流向出 口联箱1的三通阀7转向，使得流体继续沿着换热管4流动至下一段进行换热，并控制下一个 三通阀7通向出口联箱1;
[0051 ]
(2)
[0052] 式中为瞬时总平均换热系数;歹为蓄热体平均瞬时温度;Ai为i时刻换热管有效 换热面积；
[0053] 此时，换热管4的有效换热面积由i时刻的Ai增大至i + Ι时刻的Ai+1，使得换热关系 满足如下公式(3):
[0054]
(3)
[0055] 由此，完成一次换热面积的调控，使得系统换热功率保持相对稳定；
[0056]在调整过程中，i时刻开启的三通阀与i + Ι时刻开启的三通阀之间的换热管4长度 A li之间的关系为：
[0057] {4)：
[0058] 炎」；^热管有效换热面积;d为换热管4内径。
[0059]本发明的具体工作过程如下：
[0060] 首先，蓄热体在谷电时间通过控制柜控制加热电路对蓄热体加热，使得蓄热体温 度升高至工作温度范围内；由于蓄热体采用的是石墨，具有较好的导热系数，因此，再加热 和放热过程中，蓄热体的温差不会太大，可以看成等温体。
[0061] 蓄热体加热不产汽时，控制三通阀使得换热管与出口联箱相连或者换热管之间贯 通，止回阀打开，避免空气膨胀导致内部压力过大;在工作时，控制柜根据循环流量需求以 及第一温度传感器的反馈判断蓄热体温度，此时，相应的单根换热管内的流量也是确定的， 因此控制器可根据蓄热体温度决定换热管面积或长度，从而决定三通阀的开启数量及转 向，使得各个三通阀之间的管路串联至最后一个三通阀流向出口联箱;随后，循环水栗将蓄 水池内的水经补水连接管输送到入口联箱分配到换热管内，开始换热产生蒸汽，蒸汽经出 口联箱汇集排出。
[0062] 此时，换热功率满足设计工况，即：
[0063]
(1)
[0064] 与此同时，随着换热的进行，蓄热体温度降低，假定蒸汽温度的最大波动值为2 Δ f，对应的蒸汽焓差为2ΔΗ'。控制柜根据预先设定的温度波动范围和相应的焓差，通过蓄 热体温度以及出口联箱内蒸汽温度双向反馈，当换热管内的换热功降低到如下临界关系：
[0065]
(2)
[0066] 控制柜控制当前流向出口联箱的三通阀转向，使得流体继续沿着换热管流动换 热，并控制下一个三通阀通向出口联箱，此时，换热管的换热面积变成了A 1+1，使得换热关系 满足如下公式(3):
[0067]
(3)
[0068] 此时，换热系统完成了一次面积的调控，使得系统换热功率保持相对稳定。
[0069]相应的，在调整过程中，i时刻开启的三通阀与i + Ι时刻开启的三通阀之间的距离 A li之间的关系为：
[0070]
(4)
[0071] 其中，d为换热管4内径。
[0072] 本发明采用管路串联方法，通过在流动方向增加换热面积的方法来解决蓄热体温 度降低导致的平均换热系数和换热功率降低的问题。本发明换热过程中单根管路内的流量 不变，换热过程相对简单，便于系统的设计和计算。
[0073] 通过本发明的实施，可以有效降低传统电锅炉的运行成本，经过计算，采用本发明 的蒸汽系统成本与天然气系统相当，具有广泛的市场应用前景。
【主权项】
1. 一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征在于包括出口联箱（1)、 出口连接管（2)、蓄热体(3)、换热管(4)、第一温度传感器(5)、密封保温层(6)、三通阀（7)、 止回阀（8)、入口联箱(9)、循环水栗（10)、流量计（11)、控制柜（12)、补水连接管（13)、蓄水 池（14)、第二温度传感器（15)、第三温度传感器（16);蓄热体(3)内安装有呈蛇形布置的换 热管(4)，蓄热体(3)外敷有密封保温层(6)，循环水栗（10)出口经补水连接管（13)与入口联 箱(9)、换热管(4)顺次相连;换热管(4)沿流动方向依次安装有若干三通阀（7)，三通阀（7) 的另一个出口经出口连接管（2)与出口联箱（1)相连，换热管(4)末端通过止回阀（8)经出口 连接管⑵与出口联箱⑴相连;循环水栗（10)入口与蓄水池（14)相连，蓄热体⑶上安装有 第一温度传感器(5 )，入口联箱(9)内安装有第二温度传感器(15 )，出口联箱（1)内安装有第 三温度传感器（16)，补水连接管（13)上装有流量计（11)，流量计（11)、温度传感器(5)、三通 阀（7)、循环水栗（10)、第二温度传感器(15)、第三温度传感器(16)分别与控制柜（12)相连。2. 根据权利要求1所述的一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征 在于所述的换热管(4)的数量大于等于1，当换热管(4)数量大于1时，每根换热管入口与入 口联箱(9)为并联连接。3. 根据权利要求1所述的一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征 在于所述的蓄热体(3)由若干石墨块（17)堆砌而成，石墨块之间的半圆安装孔（18)通过配 合形成圆孔，再与换热管(4)配合连接。4. 根据权利要求1所述的一种基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统，其特征 在于所述的蓄热体(3)材料为石墨，其加热方式包括电加热和太阳能聚光加热。5. -种利用权利要求1所述的基于串联调节的显热蓄热式直接蒸汽发生系统的换热方 法，其特征在于:控制柜（12)根据需求给定循环流量G all值，从而每根换热管(4)内分配的流 量G为恒定，液体水在换热管(4)中通过与蓄热体(3)换热，产生蒸汽经三通阀（7)流入出口 联箱（1)排出；与此同时，控制柜（12)根据出口联箱（1)内的第三温度传感器（16)的温度以 及蓄热体(3)的第一温度传感器(5)控制三通阀（7)的开闭数量，从而实现对换热面积的调 整，使蓄热体(3)的温度随着换热而降低，但换热管(4)内的换热功率保持不变，从而保证出 口蒸汽的参数不变； 控制柜(12)对三通阀(7)的控制方法如下： 初始阶段，控制各个三通阀（7)的开闭状态，使液体水只通过换热管(4)的一部分后即 流入出口联箱（1);此时，开启的三通阀（7)中，只有最后一个三通阀（7)的流向是与入口联 箱(1)相通，其他三通阀（7)则是与换热管(4)相通;在单根换热管(4)内满足如下能量平衡：(1) 式中，€为初始温度下换热管(4)总平均换热系数，?ν为蓄热体初始阶段平均温度，f 为单根换热管内流体平均温度，△ Η为换热管进出口流体焓差，Αο为初始阶段换热管有效换 热面积； 设定出口蒸汽温度的最大波动值为2 △ f，对应的蒸汽焓差为2 Δ把； 任意i时刻，当换热管(4)内的功率达到如下关系式(2)时，控制柜（12)控制当前流向出 口联箱(1)的三通阀（7)转向，使得流体继续沿着换热管(4)流动至下一段进行换热，并控制 下一个三通阀（7)通向出口联箱（1); (2:) 式中：Γ为瞬时总平均换热系数;f为蓄热体平均瞬时温度;Ai为i时刻换热管有效换热 面积； 此时，换热管(4)的有效换热面积增大至A1+1，使得换热关系满足如下公式(3):(3) 由此，完成一次换热面积的调控，使得系统换热功率保持相对稳定； 在调整过程中，i时刻开启的三通阀与i+Ι时刻开启的三通阀之间的换热管(4)长度Δ li 之间的关系为：(4) 其中，A i+1为i+1时刻换热管有效换热面积;d为换热管(4)内径。
【文档编号】F22B35/00GK105953202SQ201610323747
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】张良, 王涛, 王宇飞, 范利武, 郑梦莲, 俞自涛, 胡亚才
【申请人】浙江大学