本发明涉及低温换热器热交换领域，更具体地，涉及一种防止低温换热器凝固堵塞的装置及方法。
背景技术：
可再生能源的迅速发展对电力系统提出新的挑战，大规模储能技术应用于电网系统，可平衡峰谷电差，保障电力系统稳定输出，因而受到广泛关注。现阶段实现商业化运行的大规模储能技术只有抽水蓄能和压缩空气储能。抽水蓄能电站对地理环境要求苛刻、建设周期长、工程投资较大，而压缩空气储能电站选址相对灵活，近年来发展的非补燃式压缩空气储能摆脱了对化石燃料的依赖，但大量高压空气的存储、低储能密度、安全性等问题使得该技术的推广受到制约。液态空气储能技术是在压缩空气储能技术的基础上，将高压空气降温液化，并进行常压储存，可极大降低存储条件的要求，能量储存密度也显著提高。
液态空气储能系统回收利用液态空气复温过程释放的冷量来实现储能阶段的空气液化，需要配备高效的热量传递设备。换热器因其优越的热量传递性能，已广泛应用于石油、化工、冶金、电力、机械、食品、制药等领域。应用于液态空气储能系统的低温换热器是换热器的一个特殊应用领域，运行在液氮温区至室温附近，可实现小温差换热的高效换热流程。
为实现液态空气储能系统冷箱的整体集成，低温换热器的设计必须满足紧凑高效的要求，即在满足小温差换热工况下，要求换热器具有较大的比表面积，这也使得低温换热器中冷热流体流动通道比较狭窄。同时，低温换热器的工作温度与环境相差较大，为避免漏热，低温换热器整体置于冷箱中，冷箱内填充珠光砂隔热保护。
低温换热器由于上述自身结构特点和使用环境，当冷热流体内含高凝固点杂质成分或换热过程偏离设计工况时，工质或其它杂质成分温度降低至其凝固点以下，易发生凝结，导致流体通道堵塞，影响系统正常工作。现有解决方案中，主要采用自然复温的方式，即通过系统漏热使低温换热器升温，凝固物质熔化。然而，系统内绝热措施使漏热量较小，换热器温度回升较慢，堵塞问题无法及时有效地解决。对于液态空气储能系统，低温换热器堵塞将严重影响整个系统的正常运转，因此快速复温的解决方案显得更加重要。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种防止低温换热器凝固堵塞的装置。一种防止低温换热器凝固堵塞的装置，包括：加热元件、流量监测装置和控温系统，所述加热元件缠绕在低温换热器的外表面，所述控温系统包括测温装置、调节器和执行机构，所述流量监测装置和所述测温装置均设置在所述低温换热器的出口端，所述加热元件与所述控温系统电连接，所述调节器用于根据流量电信号和温度电信号控制所述执行机构使所述加热元件所在的加热电路导通。
优选地，所述流量监测装置和所述测温装置与所述调节器电连接，所述调节器与所述执行机构电连接，所述执行机构设置在所述加热元件的加热电路中。
优选地，所述执行机构还包括：可变电阻，所述可变电阻串联设置在所述加热元件的加热电路中。
优选地，所述加热元件与所述控温系统之间采用防爆电线和防爆接线盒连接，所述防爆接线盒内壁涂有耐弧漆。
根据本发明的另一方面，提供一种防止低温换热器凝固堵塞的方法，包括：
当低温换热器内的工质开始凝固时，流量监测装置输出的流量电信号减弱，测温装置输出的温度电信号减弱，调节器仅在同时检测到流量电信号小于流量信号阈值且温度电信号小于温度信号阈值时，控制执行机构动作使得加热元件所在的加热电路导通；
当低温换热器内的工质开始熔化时，所述流量监测装置输出的流量电信号增强，所述调节器检测到流量电信号大于流量信号阈值时，控制所述执行机构断开所述加热电路。
优选地，所述流量信号阈值和所述温度信号阈值根据不同使用环境下低温换热器的工质发生凝固堵塞的临界点确定。
本发明提供的防止低温换热器凝固堵塞的装置及方法，通过控温系统采集流量信号和温度信号从而控制加热元件对低温换热器加热，结构简单，成本较低，适用于各类低温换热器，加热升温速率快，可极大缩短因换热器堵塞的停机时间，减少经济损失。
附图说明
图1为根据本发明的一种防止低温换热器凝固堵塞的装置的结构示意图；
附图标记：
1-低温换热器； 2-加热元件； 3-流量监测装置；
4-测温装置； 5-控温装置； 6-调节器；
7-执行机构。
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。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1根据本发明的一种防止低温换热器凝固堵塞的装置的结构示意图，如图1所示，一种防止低温换热器凝固堵塞的装置，包括：加热元件2、流量监测装置3和控温系统5，加热元件2缠绕在低温换热器1的外表面，控温系统5包括测温装置4、调节器6和执行机构7，流量监测装置3和测温装置4均设置在低温换热器1的出口端，加热元件2与控温系统5电连接，调节器6用于根据流量监测装置3的流量电信号和测温装置4的温度电信号控制执行机构7动作，从而使得加热元件2所在的加热电路导通。
具体地，加热元件2采用电阻丝或发热片，将其直接缠绕于低温换热器1的表面，为延长加热元件的使用寿命，可使用铠装电阻丝或发热片。流量监测装置3和测温装置4均装设在低温换热器1的出口端，流量监测装置3用于检测流出工质的流量并向调节器6反馈流量电信号，测温装置4用于检测流出工质的温度并向调节器6反馈温度电信号。并且，加热元件2与控温系统5电连接，控温系统5中的调节器6用于根据流量监测装置3的流量电信号和测温装置4的温度电信号，从而控制执行机构7使加热元件2所在的加热电路导通，实现对低温换热器1的加热控制，并且将温度测量值作为反馈信号，使换热器的温度上升至设定值，减少工质凝固堵塞的时间，提高系统工作效率。其中，执行机构7为继电器，通过继电器控制加热电路的导通和断开；流量监测装置3为孔板流量计，可适应多种温区下的流量测量，测量精度较高；测温装置4为温度传感器，包括热电偶或热电阻。
上述实施例提供的防止低温换热器凝固堵塞的装置，通过控温系统采集流量信号和温度信号从而控制加热元件对低温换热器加热，结构简单，成本较低，适用于各类低温换热器，加热升温速率快，可极大缩短因换热器堵塞的停机时间，减少经济损失。
在上述实施例的基础上，进一步地，流量监测装置3和测温装置4与调节器6电连接，调节器6与执行机构7电连接，执行机构7设置在加热元件2所在的加热电路回路中。
具体地，本实施例对控温系统的具体电路连接关系进行进一步的说明，流量监测装置3和测温装置4与调节器6电连接，从而将测得的流量电信号和温度电信号数据传送到调节器6中，调节器6根据接收到的流量电信号和温度电信号，进行条件判断，根据判断结果向执行机构7发送控制指令，执行机构7串联设在加热元件2所在的加热电路回路中，从而通过执行机构7的开关实现加热元件2对低温换热器1的温度控制，并将流量监测作为装置关闭的参考条件。
在上述各实施例的基础上，进一步地，执行机构7还包括：可变电阻，可变电阻串联设置在加热元件2的加热电路中。
具体地，本实施例对执行机构7的结构进一步优化，通过设置可变电阻，及时调整加热元件2的加热功率，提高升温效率。将测温装置4测得的温度值作为调节加热功率的反馈信号，由调节器6识别并给出动作信号，执行机构7通过响应调节器6的动作指令，从而改变可变电阻的阻值。当温度低于设定的加热温度时，调节器6控制执行机构7减小加热电路回路中可变电阻的阻值，使加热元件的电压增大，从而增大加热元件的加热功率；当温度接近或达到设定的加热温度时，调节器6控制执行机构7增大可变电阻的阻值，使加热元件功率减小，整个过程由调节器内置PID调节程序精确控制。
上述实施例提供的防止低温换热器凝固堵塞的装置，通过在执行机构中加设可变电阻，从而通过调节可变电阻的阻值实现加热功率的控制，提高加热效率，进一步减小低温换热器凝固堵塞的时间。
在上述各实施例的基础上，加热元件2与控温系统5之间采用防爆电线和防爆接线盒连接，防爆接线盒内壁涂有耐弧漆。由于大部分低温换热器运用在液态空气储能、空气分离以及石油化工等领域，工作环境比较复杂，因此，对装置的电线和接线盒都需要采用具有一定防爆等级的材料，以适应各种复杂的工况。
在上述各实施例的基础上，一种防止低温换热器凝固堵塞的方法，包括：当低温换热器内的工质凝固堵塞时，流量监测装置输出的流量电信号减弱，测温装置输出的温度电信号减弱，调节器仅在同时检测到流量电信号小于流量信号阈值且温度电信号小于温度信号阈值时，控制执行机构动作使得加热元件所在的加热电路导通；当低温换热器的整体温度上升，低温换热器内的工质熔化时，所述流量监测装置输出的流量电信号增强，所述调节器检测到流量电信号大于流量信号阈值时，控制所述执行机构断开所述加热电路。
具体地，流量监测装置和测温装置均装设在低温换热器的出口端，流量监测装置用于检测流出工质的流量并向调节器反馈流量电信号，测温装置用于检测流出工质的温度并向调节器反馈温度电信号。当低温换热器内的工质出现凝固时，流量监测装置输出的流量电信号会减弱，测温装置输出的温度电信号也会减弱，调节器仅在同时检测到流量电信号小于流量信号阈值且温度电信号小于温度信号阈值时，控制执行机构动作使得加热元件所在的加热电路导通。
其中，将温度电信号小于温度信号阈值作为加热电路导通的必要条件，主要出于安全考虑防止误启动，当换热器停机不工作时，满足流量电信号小于流量信号阈值的要求，但不满足温度电信号小于温度信号阈值的要求，这时调节器控制执行器切断加热电路；当换热器在工作阶段出现工质凝固时，必定同时满足流量电信号小于流量信号阈值且温度电信号小于温度信号阈值，此时才能导通加热电路，避免低温换热器非工作阶段启动装置。
当低温换热器的整体温度上升时，低温换热器内的工质开始熔化，流量监测装置输出的流量电信号逐渐增强，当调节器检测到流量电信号大于流量信号阈值时，控制执行机构断开所述加热电路。
流量信号阈值相当于流量电信号预先设置的流量目标值，温度信号阈值相当于温度电信号预先设置的温度目标值，通过与各自预先设置的目标值的比较结果，发出不同的控制信号，从而实现对加热电路的导通和断开。
上述实施例提供的防止低温换热器凝固堵塞的方法，通过调节器对流量电信号和温度电信号与预设值的判断结果，实现对低温换热器的加热控制，减少工质凝固堵塞的时间，提高系统工作效率。
在上述各实施例的基础上，流量信号阈值和温度信号阈值根据不同使用环境下低温换热器的工质发生凝固堵塞的临界点确定。低温换热器的工质发生凝固堵塞是一个量变到质变的过程，在工质缓慢凝固的过程中，低温换热器出口的流量会慢慢减小，同时低温换热器的出口温度也会降低，将工质发生凝固堵塞的临界点时的温度值和流量值确定为流量信号阈值和温度信号阈值，当低于流量信号阈值和温度信号阈值时，低温换热器已无法正常工作。并且，对于不同的应用环境，低温换热器的工质发生凝固堵塞的流量信号阈值和温度信号阈值是不同的，需要根据实际情况具体确定。
本发明提供的防止低温换热器凝固堵塞的装置及方法，通过控温系统采集流量信号和温度信号从而控制加热元件对低温换热器加热，结构简单，成本较低，适用于各类低温换热器，加热升温速率快，可极大缩短因换热器堵塞的停机时间，减少经济损失。
最后，本发明中的装置和方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。