一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置及系统的制作方法

本申请涉及储能技术领域，具体而言，涉及一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置及系统。

背景技术：

目前较为成熟的大规模储能技术主要有抽水蓄能、蓄电池储能和压缩空气储能三种。压缩空气储能与抽水蓄能相比建设限制条件较少，与蓄电池储能相比环境友好。作为一种大规模储能技术，压缩空气储能具有容量大、使用寿命长、造价成本低、适用范围广等优点。是实现电网“削峰填谷”、解决风电、光伏等波动性新能源消纳问题最经济有效的技术手段之一。

相比于存在碳排放和污染等问题的补燃式压缩空气储能电站，无污染的高效非补燃式压缩空气储能逐渐成为储能领域的一个研究热点。非补燃式压缩空气储能系统最为常见的实现方式是先进绝热压缩空气储能技术。由于采用了回热系统和补热环节，实现压力势能和热能的解耦，故可摒弃燃料的补燃并且实现效率的提升。但是，目前常规采用的换热设备为管壳式换热器，这种管壳式换热器空气侧的换热效率较低。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置及系统，以改善现有的管壳式换热器的空气侧的换热效率较低的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置，包括用于输送换热气体的气体输送管和用于输送换热工质的变径螺旋管，所述变径螺旋管沿所述气体输送管的输送方向布置于所述气体输送管内。

上述技术方案中，气体输送管用于输送气体工质(如空气)，变径螺旋管用于输送换热工质(比如水、油液等)，在气体输送管内流动的气体工质与在变径螺旋管内流动的换热工质可进行热交换。螺旋管为变径螺旋管，且变径螺旋管沿气体输送管的输送方向布置于气体输送管内，空气进入气体输送管内后，变径螺旋管的变径结构可增加空气的扰动，提高了空气侧换热系数，加强了空气侧的换热，进而提高了空气侧的换热效率。

在本申请的一些实施例中，所述变径螺旋管由管道按照直径不等的两种圆周螺旋盘绕而成。

上述技术方案中，变径螺旋管由管道按照直径不等的两种圆周螺旋盘绕而成，结构简单，便于成型制造。

在本申请的一些实施例中，所述变径螺旋管包括沿轴向间隔分布的多个第一圆周部和沿轴向间隔分布且与所述第一圆周部的直径不等的多个第二圆周部；

每相邻的两个第一圆周部之间设置一个第二圆周部。

上述技术方案中，变径螺旋管中每相邻的两个第一圆周部之间设置一个第二圆周部，即第一圆周部与第二圆周部按照一大一小错落布置，使得变径螺旋管在气体输送管内形成错落相间的布管形态，对气态输送管内的空气流体而言，相当于在错落的第一圆周部和第二圆周部之间横掠，增加了空气之间的扰动，使得换热更充分。

在本申请的一些实施例中，所述第一圆周部的轴线与所述第二圆周部的轴线平行。

上述技术方案中，第一圆周部的轴线与第二圆周部的轴线平行，即第一圆周部的轴线与第二圆周部的轴线未重合，这种结构进一步增加了空气之间的扰动，使得换热更充分。

在本申请的一些实施例中，所述管道的管径为16-25mm。

上述技术方案中，管道的管径为16-25mm，使得管道的整体管径较小，可提高在变径螺旋管内流动的换热工质流速，从而提高变径螺旋管内侧的换热系数。

在本申请的一些实施例中，所述变径螺旋管的外壁贴于所述气体输送管的内壁。

上述技术方案中，变径螺旋管的外壁贴于气体输送管的内壁，可降低空气在气体输送管内换热过程中产生的压降，减少能量损失。

在本申请的一些实施例中，所述变径螺旋管具有工质输入端和工质输出端；

所述工质输入端和所述工质输出端均穿过所述气体输送管的周壁位于所述气体输送管外。

上述技术方案中，变径螺旋管的工质输入端和工质输出端均穿过气体输送管的周壁位于气体输送管外，这种结构使得换热工质更容易进入或流出变径螺旋管。

在本申请的一些实施例中，所述气体输送管为两端开放的直管。

上述技术方案中，气体输送管为两端开放的直管，结构简单，便于螺旋管的布设，提高了空气在气体输送管内的流动性。

另外，本申请实施例的变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置还具有如下附加的技术特征：

第二方面，本申请实施例提供一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热系统，包括气体压缩装置、储气库、第一储热器、第二储热器、动力输出装置和多个第一方面实施例提供的变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；

多个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置包括第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置和第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；

气体压缩装置与所述储气库的进气口通过所述第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管连接；所述动力输出装置与所述储气库的出气口通过所述第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管连接；

所述第一储热器具有第一进口和第一出口，所述第二储热器具有第二进口和第二出口，第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的变径螺旋管连接于所述第一出口与所述第二进口之间，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的变径螺旋管连接于所述第二出口与所述第一进口之间。

上述技术方案中，储能时，气体压缩装置压缩空气，并将带有热量的空气通过第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管输送至储气库中，第一储热器中的低温换热工质通过第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的变径螺旋管进入至第二储热器中，在此过程中，第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置内的变径螺旋管内的换热工质的流动方向与第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管内的空气的流动方向相反，第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置内的变径螺旋管内的换热工质与第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管内的空气进行热交换，换热工质吸收热量后储存在第二储热器中。在释能时，储气库中的空气通过第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管输送至动力输出装置中，第二储热器中的高温换热介质通过第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的变径螺旋管进入至第一储热器中，在此过程中，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置内的变径螺旋管内的换热工质的流动方向与第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管内的空气的流动方向相反，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置内的变径螺旋管内的换热工质与第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管内的空气进行热交换，空气吸收热量后进入动力输出装置，以将热能转变为动力输出装置的动能输出。

在本申请的一些实施例中，所述气体压缩装置包括多个串联的压缩机，所述动力输出装置包括多个串联的膨胀机，多个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置还包括第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置和第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；

每相邻的两个压缩机之间通过一个第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管连接，每相邻的两个膨胀机之间通过一个第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的气体输送管连接；

每个第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的变径螺旋管连接于所述第一出口与所述第二进口之间；

每个第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的变径螺旋管连接于所述第二出口与所述第一进口之间。

上述技术方案中，在储能时，从第一储热器流向第二储热器的换热介质与每两个压缩机之间的空气可通过第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置进行热交换，使得第二储热器内能够存储更多的热能。在释能时，从第二储热器流向第一储热器的换热介质与每两个膨胀机之间的空气可通过第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置进行换热，使得各个膨胀机能够利用到更多的热能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置的结构示意图；

图2为图1所示的变径螺旋管的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的变直径螺旋管式压缩空气储能换热系统的示意图；

图4为本申请一些实施例提供的变直径螺旋管式压缩空气储能换热系统的示意图。

图标：100-变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；10-气体输送管；11-气体进口；12-气体出口；20-变径螺旋管；21-管道；22-第一圆周部；23-第二圆周部，24-工质输入端；25-工质输出端；200-变直径螺旋管式压缩空气储能换热系统；210-气体压缩装置；211-压缩机；220-储气库；221-进气口；222-出气口；230-第一储热器；231-第一进口；232-第一出口；240-第二储热器；241-第二进口；242-第二出口；250-动力输出装置；251-膨胀机；260-第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；270-第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；280-第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置；290-第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例

如图1所示，本申请实施例提供一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100，包括用于输送换热气体的气体输送管10和用于输送换热工质的变径螺旋管20，变径螺旋管20沿气体输送管10的输送方向布置于气体输送管10内。

气体输送管10用于输送气体工质，变径螺旋管20用于输送换热工质，在气体输送管10内流动的气体工质与在变径螺旋管20内流动的换热工质可进行热交换。本实施例中，气体工质为空气；换热工质为液体，比如水、油液等。

螺旋管为变径螺旋管20，且变径螺旋管20沿气体输送管10的输送方向布置于气体输送管10内，空气进入气体输送管10内后，变径螺旋管20的变径结构可增加空气的扰动，提高了空气侧换热系数，加强了空气侧的换热，进而提高了空气侧的换热效率。

需要说明的是，气体输送管10的输送方向即为气体工质在气体输送管10内流动的方向。

其中，气体输送管10为两端开放的直管。这种结构的气体输送管10结构简单，便于螺旋管的布设，提高了空气在气体输送管10内的流动性。在其他实施例中，气体输送管10也可以是弯管，比如圆弧管。

气体输送管10为两端开放结构，气体输送管10的一端为气体进口11，气体输送管10的另一端为气体出口12。在其他实施例中，气体输送管10也可为两端封闭结构，将气体进口11和气体出口12均设于气体输送管10的周壁上。

气体输送管10具有很好的热传导能力。示例性的，气体输送管10为金属材质，比如铜、铝等。

变径螺旋管20也具有很好的热传导能力。示例性的，变径螺旋管20为金属材质，比如铜、铝等。

进一步地，如图2所示，变径螺旋管20由一管道21按照直径不等的两种圆周螺旋盘绕而成。这种变径螺旋管20结构简单，便于成型制造。

可选地，管道21的直径为16-25mm。这种结构使得管道21的整体管径较小，可提高在变径螺旋管20内流动的换热工质流速，从而提高变径螺旋管20内侧的换热系数。

可选地，变径螺旋管20包括沿轴向间隔分布的多个第一圆周部22和沿轴向间隔分布且与第一圆周部22的直径不等的多个第二圆周部23，每相邻的两个第一圆周部22之间设置一个第二圆周部23。

变径螺旋管20中每相邻的两个第一圆周部22之间设置一个第二圆周部23，即第一圆周部22与第二圆周部23按照一大一小错落布置，使得变径螺旋管20在气体输送管10内形成错落相间的布管形态，对气态输送管内的空气流体而言，相当于在错落的第一圆周部22和第二圆周部23之间横掠，增加了空气之间的扰动，使得换热更充分。

本实施例中，第一圆周部22的轴线与第二圆周部23的轴线平行。这种结构使得第一圆周部22的轴线与第二圆周部23的轴线未重合，这种结构进一步增加了空气之间的扰动，使得换热更充分。在其他实施例中，第一圆周部22的轴线与第二圆周部23的轴向也可重合设置。

本实施例中，每相邻的两个第一圆周部22之间设置一个第二圆周部23。在其他实施例中，第一圆周部22与第二圆周部23也可以是其他布置方式，比如，每相邻的两个第一圆周部22之间设置两个第二圆周部23。

在其他实施例中，变径螺旋管20也可有管道21按照直径不等的三种及以上圆周螺旋盘绕而成。

可选地，继续参照图1，变径螺旋管20的外壁贴于气体输送管10的内壁，这种结构可降低空气在气体输送管10内换热过程中产生的压降，减少能量损失。

可选地，变径螺旋管20具有工质输入端24和工质输出端25，工质输入端24和工质输出端25均穿过气体输送管10的周壁位于气体输送管10外。这种结构使得换热工质更容易进入或流出变径螺旋管20。此外，这种结构还可起到稳固变径螺旋管20的作用。

需要说明的是，变径螺旋管20的工质输入端24和工质输出端25即为管道21的两端。

如图3所示，本申请第二方面实施例提供一种变直径螺旋管式压缩空气储能换热系统200，包括气体压缩装置210、储气库220、第一储热器230、第二储热器240、动力输出装置250和第一方面实施例提供的多个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100，所有变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100中的一个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100为第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260，所有变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100中的一个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100为第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270。

气体压缩装置210与储气库220的进气口221通过第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260的气体输送管10连接；动力输出装置250与储气库220的出气口222通过第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270的气体输送管10连接。

第一储热器230具有第一进口231和第一出口232，第二储热器240具有第二进口241和第二出口242，第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260的变径螺旋管20连接于第一出口232与第二进口241之间，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270的变径螺旋管20连接于第二出口242与第一进口231之间。

变直径螺旋管式压缩空气储能换热系统200具有储能过程和释能过程。储能时，气体压缩装置210压缩空气，并将带有热量的空气通过第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260的气体输送管10输送至储气库220中，第一储热器230中的低温换热工质通过第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260的变径螺旋管20进入至第二储热器240中，在此过程中，第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260内的变径螺旋管20内的换热工质的流动方向与第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260的气体输送管10内的空气的流动方向相反，第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260内的变径螺旋管20内的换热工质与第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260的气体输送管10内的空气进行热交换，换热工质吸收热量后储存在第二储热器240中。在释能时，储气库220中的空气通过第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270的气体输送管10输送至动力输出装置250中，第二储热器240中的高温换热介质通过第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270的变径螺旋管20进入至第一储热器230中，在此过程中，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270内的变径螺旋管20内的换热工质的流动方向与第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270的气体输送管10内的空气的流动方向相反，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270内的变径螺旋管20内的换热工质与第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270的气体输送管10内的空气进行热交换，空气吸收热量后进入动力输出装置250，以将热能转变为动力输出装置250的动能输出。

本实施例中，气体压缩装置210为一个压缩机211，动力输出装置250为一个膨胀机251。

需要说明的是，可通过泵来实现第二储热器240与第一储热器230之间的换热介质的循环流动。

在本申请的一些实施例中，如图4所示，气体压缩装置210包括多个串联的压缩机211，动力输出装置250包括多个串联的膨胀机251，所有变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100中的一个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100为第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置280，所有变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100中的一个变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置100为第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置290。

每相邻的两个压缩机211之间通过一个第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置280的气体输送管10连接，每相邻的两个膨胀机251之间通过一个第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置290的气体输送管10连接。

每个第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置280的变径螺旋管20连接于第一出口232与第二进口241之间；

每个第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置290的变径螺旋管20连接于第二出口242与第一进口231之间。

上述结构使得第一变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置260和各个第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置280并联在第一出口232与第二进口241之间，第二变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置270和各个第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置290并联在第二出口242与第一进口231之间。在储能时，从第一储热器230流向第二储热器240的换热介质与两个压缩机211之间的空气可通过第三变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置280进行热交换，使得第二储热器240内能够存储更多的热能。在释能时，从第二储热器240流向第一储热器230的换热介质与两个膨胀机251之间的空气可通过第四变直径螺旋管式压缩空气储能换热装置290进行换热，使得各个膨胀机251能够利用到更多的热能。

示例性的，压缩机211为三个，膨胀机251为两个。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。