【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及换热器领域，具体涉及一种基于三螺旋结构换热管的凝华分离塔及其实现方法。
技术介绍
1、双碳背景下，对于低碳绿色的综合能源系统的研究日益重要，综合能源系统涉及多种能源的转换和多种能量的交换，其中冷和热的交换尤为重要，因此高效的多流股换热器对于能量的转换和梯级回收利用具有重要作用。如以co2为工质的供冷和供热综合系统中，涉及到液态co2、气态co2和冷媒等多种流股，在此场景下多流股换热器具有换热面积大、换热效率高、集成度高的优点。另一方面，可以应用于多杂质混合气的分离中，通过不同温度的流股进行换热，对沸点和凝华温度不同的物料进行分离，并实现冷能和热能的循环利用，如对超临界co2-h2混合气的分离。
2、超临界co2和h2混合气的凝华分离流程中，凝华分离塔的管程需要初始混合气、h2和外供冷源三种流股，凝华阶段需要将h2和冷源的冷能传递给壳程低比例混合气使得co2发生凝华，熔化阶段需要将初始混合气携带的热能传递给附着在换热管表面的固态co2。目前对于co2和h2的低温凝华分离方法的研究，包括液氮直冷的雪化分离、膨胀阀节流以及制冷剂制冷等方式，雪化分离还需要继续对n2和co2进行分离，膨胀阀节流往往需要先液化再膨胀才能形成固态co2，而制冷剂则存在能耗高且传统制冷剂的温室效应等问题，目前的换热管，也主要以两种物料之间的换热为主，涉及三种及以上的物料换热切换，则需要多个换热器串联实现，系统集成度较差。
技术实现思路
1、针对超临界co2和h2混合气进行低温凝华熔化切换
2、本专利技术的一个目的在于提出一种基于三螺旋结构换热管的凝华分离塔。
3、本专利技术的基于三螺旋结构换热管的凝华分离塔包括：凝华分离塔壳体、供冷入口、h2入口、初始混合气入口、低比例混合气入口、回冷出口、侧壁h2出口、初始混合气出口、顶部h2出口、液态co2出口、三螺旋结构换热管、第一至第四阀门、供冷机组和控制系统；其中，凝华分离塔壳体为内部具有空间的封闭壳体；在凝华分离塔壳体的一侧壁设置有供冷入口、h2入口、初始混合气入口和低比例混合气入口，在凝华分离塔壳体的另一侧壁设置有回冷出口、侧壁h2出口和初始混合气出口，在凝华分离塔壳体的顶部设置有顶部h2出口，在凝华分离塔壳体的底部设置有液态co2出口；在凝华分离塔内设置有三螺旋结构换热管；
4、三螺旋结构换热管包括：h2管、初始混合气管和冷流管，其中，h2管、初始混合气管和冷流管通过螺旋的形式紧密贴合；h2管的入口连接至凝华分离塔的h2入口，h2管的出口连接至凝华分离塔的侧壁h2出口，初始混合气管的入口连接至凝华分离塔的初始混合气入口，初始混合气管的出口连接至凝华分离塔的初始混合气出口，冷流管的入口连接至凝华分离塔的供冷入口，冷流管的出口连接至凝华分离塔的回冷出口；
5、低比例混合气体通过管道连接至第一阀门的入口，第一阀门的出口连接至凝华分离塔的低比例混合气入口；初始混合气体通过管道连接至第二阀门的入口，第二阀门的出口连接至凝华分离塔的初始混合气入口；供冷机组的出口连接至第三阀门的入口，第三阀门的出口连接至凝华分离塔的供冷入口；凝华分离塔的顶部h2出口连接至凝华分离塔的h2入口；凝华分离塔的侧壁回冷流体出口连接至第四阀门的入口，第四阀门的出口通过管道连接至供冷机组的入口；
6、第一至第四阀门和供冷机组分别连接至控制系统；
7、经过液化分离的低比例混合气进入凝华分离塔进一步分离，凝华分离塔进行熔化或凝华；
8、当温度高于凝华温度时表明凝华过程完成，将凝华切换至熔化；通过控制系统控制第一至第四阀门对凝华分离塔的熔化或凝华进行切换，实现连续凝华分离；
9、凝华分离塔凝华时，位于三螺旋结构换热管外的低比例混合气在凝华分离塔内与来自供冷机组位于三螺旋结构换热管的冷流管内的供冷流体进行热交换，三螺旋结构换热管使得低温h2和供冷流体能够有效地将热量传递给低比例混合气，实现co2的凝华，固态co2附着在三螺旋结构换热管表面；凝华分离塔进行熔化时，前一阶段的凝华流程后在三螺旋结构换热管表面附着大量的固态co2与位于三螺旋结构换热管的初始混合气管内携带热能的初始混合气进行热交换；h2管、初始混合气管和冷流管在凝华和熔化过程中与壳程中的低比例混合气进行热交换，三螺旋结构使得流体在凝华分离塔内的流动行程增加，换热管的换热面积也得到提升，从而提高热交换效率；流体在换热管内呈现螺旋状流动，这种流动方式不仅增强了流体的混合和扰动，而且三螺旋结构换热管中的流体由于受到离心力、科氏力和浮力作用，产生一对呈反向涡旋的二次流；这种二次流的存在使得管侧膜传热系数得到显著提高，从而进一步增大换热系数，使得整个三螺旋结构换热管的传热效率得到显著提升，在对低比例混合气的凝华分离中，对初始混合气的热能和h2的冷能在熔化和凝华流程中分别进行了回收利用，降低分离能耗。
10、凝华分离塔凝华时，打开第一阀门，关闭第二阀门，打开第三阀门，同时打开第四阀门；低比例混合气经过第一阀门从凝华分离塔的低比例混合气入口进入至凝华分离塔，位于三螺旋结构换热管外；同时来自供冷机组的供冷流体经第三阀门从凝华分离塔的供冷入口进入位于凝华分离塔内三螺旋结构换热管的冷流管；位于三螺旋结构换热管外的低比例混合气在凝华分离塔内与来自供冷机组位于三螺旋结构换热管的冷流管内的供冷流体进行热交换，低比例混合气中的液态co2发生凝华附着在三螺旋结构换热管外壁上，而分离后的气态h2则从凝华分离塔的顶部h2出口流出，从凝华分离塔的h2入口进入位于凝华分离塔内三螺旋结构换热管的h2管，携带的冷能经过回收利用后，高纯度h2经三螺旋结构换热管的h2管从侧壁h2出口流出凝华分离塔并输出凝华分离系统，得到分离后的高纯度h2产品。
11、当凝华分离塔进行熔化时，关闭第一阀门，打开第二阀门，关闭第三阀门，同时关闭第四阀门；携带热能的初始混合气经第二阀门从凝华分离塔的初始混合气入口进入位于凝华分离塔内三螺旋结构换热管的初始混合气管；凝华分离塔经过前一阶段的凝华流程后，凝华分离塔内三螺旋结构换热管表面附着大量的固态co2，位于三螺旋结构换热管的初始混合气管内携带热能的初始混合气与固态co2进行热交换，固态co2熔化为液态co2，液态co2从凝华分离塔底部的液态co2出口流出，得到分离后的液态co2产品。
12、进一步，本专利技术采用第一凝华分离塔和第二凝华分离塔，第一至第四阀门采用第一至第四三通阀，构成本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于三螺旋结构换热管的凝华分离塔，其特征在于，所述凝华分离塔包括：凝华分离塔壳体、供冷入口、H2入口、初始混合气入口、低比例混合气入口、回冷出口、侧壁H2出口、初始混合气出口、顶部H2出口、液态CO2出口、三螺旋结构换热管、第一至第四阀门、供冷机组和控制系统；其中，凝华分离塔壳体为内部具有空间的封闭壳体；在凝华分离塔壳体的一侧壁设置有供冷入口、H2入口、初始混合气入口和低比例混合气入口，在凝华分离塔壳体的另一侧壁设置有回冷出口、侧壁H2出口和初始混合气出口，在凝华分离塔壳体的顶部设置有顶部H2出口，在凝华分离塔壳体的底部设置有液态CO2出口；
2.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，所述还包括压力表，在第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的顶部H2出口处分别设置压力表，通过实时监测H2的压力，监测凝华分离进程；在第二三通阀的第二端口和第三端口处分别设置压力表，实时监测初始混合气的压力，压力表连接至控制系统。
3.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，还包括温度传感器，在第一和第二凝华分离塔的顶部H2出口的管道上设置温度传感器，温度传感器连接至控
4.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，还包括安全阀，在第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的顶部H2出口处分别设置安全阀，安全阀连接至控制系统。
5.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，采用第一凝华分离塔和第二凝华分离塔，第一至第四阀门采用第一至第四三通阀，构成连续凝华分离系统；第一至第四三通阀和供冷机组分别连接至控制系统；低比例混合气体通过管道连接至第一三通阀的第一端口，第一三通阀的第二端口连接至第一凝华分离塔的低比例混合气入口，第一三通阀的第三端口连接至第二凝华分离塔的低比例混合气入口；初始混合气体通过管道连接至第二三通阀的第一端口，第二三通阀的第二端口连接至第一凝华分离塔的初始混合气入口，第二三通阀的第三端口连接至第二凝华分离塔的初始混合气入口；供冷机组的出口连接至第三三通阀的第一端口，第三三通阀的第二端口连接至第一凝华分离塔的供冷入口，第三三通阀的第三端口连接至第二凝华分离塔的供冷入口；第一凝华分离塔的顶部H2出口连接至第一凝华分离塔的H2入口，第二凝华分离塔的顶部H2出口连接至第二凝华分离塔的H2入口；第一凝华分离塔的侧壁回冷流体出口连接至第四三通阀的第二端口，第二凝华分离塔的侧壁回冷流体出口连接至第四三通阀的第三端口，第四三通阀的第一端口通过管道连接至供冷机组的入口；第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的侧壁H2出口合并至一个总H2出口，并通过管道输出，第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的初始混合气出口合并至一个总初始混合气出口，并通过管道输送至液化分离系统；第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的液态CO2出口合并至一个总液态CO2出口，并通过管道输出。
6.一种如权利要求1所述的基于三螺旋结构换热管的凝华分离塔的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤2)中，凝华分离塔凝华时，打开第一阀门，关闭第二阀门，打开第三阀门，同时打开第四阀门；低比例混合气经过第一阀门从凝华分离塔的低比例混合气入口进入至凝华分离塔，位于三螺旋结构换热管外；同时来自供冷机组的供冷流体经第三阀门从凝华分离塔的供冷入口进入位于凝华分离塔内三螺旋结构换热管的冷流管；位于三螺旋结构换热管外的低比例混合气在凝华分离塔内与来自供冷机组位于三螺旋结构换热管的冷流管内的供冷流体进行热交换，低比例混合气中的液态CO2发生凝华附着在三螺旋结构换热管外壁上，而分离后的气态H2则从凝华分离塔的顶部H2出口流出，从凝华分离塔的H2入口进入位于凝华分离塔内三螺旋结构换热管的H2管，携带的冷能经过回收利用后，高纯度H2经三螺旋结构换热管的H2管从侧壁H2出口流出凝华分离塔并输出凝华分离系统，得到分离后的高纯度H2产品。
8.如权利要求6所述的实现方法，其特征在于，在步骤2)中，当凝华分离塔进行熔化时，关闭第一阀门，打开第二阀门，关闭第三阀门，同时关闭第四阀门；携带热能的初始混合气经第二阀门从凝华分离塔的初始混合气入口进入位于凝华分离塔内三螺旋结构换热管的初始混合气管；凝华分离塔经过前一阶段的凝华流程后，凝华分离塔内三螺旋结构换热管表面附着大量的固态CO2，位于三螺旋结构换热管的初始混合气管内携带热能的初始混合气与固态CO2进行热交换，固态CO2熔化为液态CO2，液态CO2从凝华分离塔底部的液态CO2出口流出，得到分离后的液态...
【技术特征摘要】
1.一种基于三螺旋结构换热管的凝华分离塔，其特征在于，所述凝华分离塔包括：凝华分离塔壳体、供冷入口、h2入口、初始混合气入口、低比例混合气入口、回冷出口、侧壁h2出口、初始混合气出口、顶部h2出口、液态co2出口、三螺旋结构换热管、第一至第四阀门、供冷机组和控制系统；其中，凝华分离塔壳体为内部具有空间的封闭壳体；在凝华分离塔壳体的一侧壁设置有供冷入口、h2入口、初始混合气入口和低比例混合气入口，在凝华分离塔壳体的另一侧壁设置有回冷出口、侧壁h2出口和初始混合气出口，在凝华分离塔壳体的顶部设置有顶部h2出口，在凝华分离塔壳体的底部设置有液态co2出口；
2.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，所述还包括压力表，在第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的顶部h2出口处分别设置压力表，通过实时监测h2的压力，监测凝华分离进程；在第二三通阀的第二端口和第三端口处分别设置压力表，实时监测初始混合气的压力，压力表连接至控制系统。
3.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，还包括温度传感器，在第一和第二凝华分离塔的顶部h2出口的管道上设置温度传感器，温度传感器连接至控制系统，实时监测凝华分离塔的顶部h2出口处的温度；华分离塔凝华时，当温度高于凝华温度时表明凝华过程完成，必须将凝华切换至熔化，切换至另一凝华分离塔继续凝华。
4.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，还包括安全阀，在第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的顶部h2出口处分别设置安全阀，安全阀连接至控制系统。
5.如权利要求1所述的凝华分离塔，其特征在于，采用第一凝华分离塔和第二凝华分离塔，第一至第四阀门采用第一至第四三通阀，构成连续凝华分离系统；第一至第四三通阀和供冷机组分别连接至控制系统；低比例混合气体通过管道连接至第一三通阀的第一端口，第一三通阀的第二端口连接至第一凝华分离塔的低比例混合气入口，第一三通阀的第三端口连接至第二凝华分离塔的低比例混合气入口；初始混合气体通过管道连接至第二三通阀的第一端口，第二三通阀的第二端口连接至第一凝华分离塔的初始混合气入口，第二三通阀的第三端口连接至第二凝华分离塔的初始混合气入口；供冷机组的出口连接至第三三通阀的第一端口，第三三通阀的第二端口连接至第一凝华分离塔的供冷入口，第三三通阀的第三端口连接至第二凝华分离塔的供冷入口；第一凝华分离塔的顶部h2出口连接至第一凝华分离塔的h2入口，第二凝华分离塔的顶部h2出口连接至第二凝华分离塔的h2入口；第一凝华分离塔的侧壁回冷流体出口连接至第四三通阀的第二端口，第二凝华分离塔的侧壁回冷流体出口连接至第四三通阀的第三端口，第四三通阀的第一端口通过管道连接至供冷机组的入口；第一凝华分离塔和第二凝华分离塔的侧...
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