專利名稱：相變－液浴式換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換介質(zhì)不直接接觸的熱交換設(shè)備，特別涉及一種相變-液浴式換熱器。
背景技術(shù)：
相變換熱器可應(yīng)用于動(dòng)力、石油、化工、制藥、食品等廣泛的工業(yè)領(lǐng)域。最典型的相變換熱器是相變鍋爐。根據(jù)相變換熱室內(nèi)壓力的高低，相變鍋爐可被劃分為真空相變鍋爐、有壓相變鍋爐和常壓相變鍋爐三種類型?，F(xiàn)有的這三種相變鍋爐雖然都具有換熱面不會(huì)被干燒、爐內(nèi)不結(jié)垢、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是共同存在著下述顯著缺點(diǎn)(1)可調(diào)節(jié)性差。當(dāng)受熱流體所需的熱量減少時(shí)，例如受熱流體的流量需要減少或者受熱流體的溫度需要降低時(shí)，系統(tǒng)要通過(guò)調(diào)整減少予熱流體的放熱量，使其與吸熱量達(dá)到平衡。但是，由相變傳熱原理可知，當(dāng)傳熱量減少后，相變換熱室內(nèi)熱媒溫度必然會(huì)降低，相對(duì)應(yīng)的熱媒飽和壓力也必然會(huì)降低。當(dāng)予熱流體的放熱量減少時(shí)，例如，在余熱利用中，予熱流體流量或者溫度隨工藝過(guò)程變化而降低時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。相反，當(dāng)受熱流體所需的熱量增加，或者予熱流體的放熱量增加時(shí)，放熱量與吸熱量達(dá)到新的平衡后，相變換熱室內(nèi)的壓力必然會(huì)升高。總之，在對(duì)受熱流體或予熱流體的參數(shù)進(jìn)行較大幅度的調(diào)整后，相變換熱室內(nèi)的壓力會(huì)有較大幅度的改變，對(duì)安全運(yùn)行不利，這在一定程度上限制了相變換熱器的可調(diào)節(jié)性，也限制了相變換熱器的推廣應(yīng)用。
(2)對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求高。在相變換熱器運(yùn)行期間，受熱流體的參數(shù)或者予熱流體的參數(shù)有所改變時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須快速地進(jìn)行調(diào)整，否則，因放熱量與吸熱量之間不平衡，相變換熱室內(nèi)的壓力就會(huì)快速變化。這就對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了很高的要求，在某些場(chǎng)合，例如燃煤鍋爐、余熱利用等場(chǎng)合，往往難以實(shí)現(xiàn)。這更加限制了相變換熱器的推廣應(yīng)用。
(3)對(duì)安全保護(hù)系統(tǒng)要求高。相變換熱器運(yùn)行期間，也有可能會(huì)發(fā)生象受熱流體突然斷流一類的意外情況。在這種情況下，必須快速地切斷予熱流體，否則，相變換熱室內(nèi)的壓力就會(huì)飛升，危及設(shè)備及人身安全。因此，相變換熱器必須配置可靠性很高的安全保護(hù)系統(tǒng)。這一點(diǎn)也不利于相變換熱器的推廣應(yīng)用。
此外，真空相變鍋爐還存在下述問(wèn)題在負(fù)壓狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)易漏入空氣，而相變換熱器中即使存在微量空氣也會(huì)對(duì)凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響，導(dǎo)致傳熱特性惡化；啟動(dòng)前需預(yù)抽真空，運(yùn)行時(shí)需維持真空，所以必須配備抽真空設(shè)備，增加了設(shè)備投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；真空設(shè)備的加工、裝配、檢漏工藝都比較復(fù)雜，所以對(duì)制造水平的要求較高。
有壓相變鍋爐還存在下述問(wèn)題雖然在運(yùn)行狀態(tài)下是正壓，但因停用幾小時(shí)后就會(huì)變成負(fù)壓，所以仍難免有空氣漏入。啟動(dòng)時(shí)，這些空氣要么需用抽氣設(shè)備排除，要么需通過(guò)加熱法排除。若用抽氣設(shè)備排除，就要增加專用抽氣設(shè)備；若用加熱法排除，啟動(dòng)時(shí)勢(shì)必會(huì)損失一部分潔凈的熱媒，且當(dāng)熱媒液位降至最低點(diǎn)時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)充熱媒，給運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)一定的不便。另外，有壓相變鍋爐的工作壓力遠(yuǎn)高于大氣壓，超壓的安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有相變換熱器的缺點(diǎn)，提供一種能依靠熱媒液位變化及換熱面?zhèn)鳠崽匦宰兓瘉?lái)自動(dòng)保持換熱室內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定的相變-液浴式換熱器。
本發(fā)明技術(shù)方案的特點(diǎn)是在換熱器的管路中，依次串聯(lián)有換熱室、阻氣器、U形管、儲(chǔ)液箱、浮動(dòng)蓋，換熱室頂部裝有放氣閥和安全閥，側(cè)面裝有液位計(jì)，換熱室內(nèi)上部置有受熱流體換熱面、下部置有予熱流體換熱面，儲(chǔ)液箱位于換熱室頂部上方，浮動(dòng)蓋位于儲(chǔ)液箱頂部，換熱室中充有潔凈的液態(tài)熱媒。儲(chǔ)液箱容積大于換熱室扣除換熱面所占空間后的剩余容積與U形管容積之和。浮動(dòng)蓋與儲(chǔ)液箱頂部之間留有一定間隙，使儲(chǔ)液箱與大氣相通，形成開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生呼吸作用。
按上述方案設(shè)計(jì)的換熱器在運(yùn)行期間，根據(jù)換熱室內(nèi)熱媒液位變化及換熱面?zhèn)鳠崽匦宰兓闆r會(huì)出現(xiàn)相變換熱、相變換熱與液浴換熱并存、液浴換熱三種換熱方式。所謂相變換熱是指換熱室中的熱媒液位處在受熱流體換熱面和予熱流體換熱面之間，予熱流體換熱面浸沒(méi)在液態(tài)熱媒中，受熱流體換熱面處在液面上方的熱媒蒸汽中，液態(tài)熱媒吸收予熱流體的熱量后蒸發(fā)，所產(chǎn)生的熱媒蒸汽將熱量傳給受熱流體后凝結(jié)，蒸發(fā)與凝結(jié)同時(shí)進(jìn)行且蒸發(fā)量與凝結(jié)量保持相等的一種換熱方式。所謂液浴換熱是指予、受熱流體換熱面都被浸沒(méi)在同一液態(tài)熱媒之中，液態(tài)熱媒吸收予熱流體的熱量后上浮、將熱量傳給受熱流體后下沉的一種換熱方式。
本發(fā)明具體的工作原理可描述如下冷態(tài)啟動(dòng)前，換熱室中充滿潔凈的液態(tài)熱媒。啟動(dòng)初期，通過(guò)調(diào)節(jié)受熱流體進(jìn)口閥門的開(kāi)度，使受熱流體的吸熱量小于予熱流體的放熱量，換熱室中液態(tài)熱媒的溫度逐漸升高，體積逐漸增大，部分液態(tài)熱媒通過(guò)U形管被排擠至儲(chǔ)液箱。當(dāng)熱媒被加熱到飽和溫度時(shí)開(kāi)始蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽在浮力作用下上升至換熱室內(nèi)頂部，與此同時(shí)，液態(tài)熱媒繼續(xù)被排擠至儲(chǔ)液箱。當(dāng)換熱室中熱媒的液位下降到一定值時(shí)，通過(guò)協(xié)調(diào)控制，使受熱流體的吸熱量和予熱流體的放熱量之間達(dá)到熱平衡，換熱室液位穩(wěn)定，然后轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。正常運(yùn)行期間，換熱室內(nèi)的壓力略高于大氣壓，其表壓力就等于儲(chǔ)液箱的液位與換熱室中熱媒的液位之差。裝置中的阻氣器用于阻止氣泡進(jìn)入U(xiǎn)形管，并抑制流動(dòng)漩渦。液位計(jì)用于觀察換熱室中熱媒的液位。
在設(shè)計(jì)條件下，換熱室中的液位處在受熱流體換熱面和予熱流體換熱面之間，換熱器以相變換熱方式運(yùn)行。當(dāng)換熱量低于設(shè)計(jì)換熱量時(shí)，換熱室中的液位會(huì)有所升高，但在沒(méi)有高到淹沒(méi)受熱流體換熱面的情況下，換熱器仍以相變換熱方式運(yùn)行；在高到淹沒(méi)部分受熱流體換熱面的情況下，換熱器將以相變換熱和液浴換熱并存的方式運(yùn)行；在高到淹沒(méi)全部受熱流體換熱面的情況下，換熱器將以液浴換熱方式運(yùn)行。相反，當(dāng)換熱量高于設(shè)計(jì)換熱量時(shí)，換熱室中的液位會(huì)有所下降，但在沒(méi)有降低到使予熱流體換熱面露出液面的情況下，換熱器仍會(huì)保持相變換熱運(yùn)行方式。本發(fā)明不宜在換熱量比設(shè)計(jì)換熱量高出很多的條件下運(yùn)行。但通常情況下，設(shè)計(jì)換熱量也就是裝置長(zhǎng)期工作的最大換熱量。
在上述所有運(yùn)行工況下，換熱室內(nèi)的壓力都略高于大氣壓，且彼此之間相差不大。最高表壓等于儲(chǔ)液箱液面與換熱室中予熱流體換熱面最高部位之間的液位差，最低表壓等于儲(chǔ)液箱液面與換熱室最高部位之間的液位差。
換熱器在正常運(yùn)行期間，一般來(lái)說(shuō)，受熱流體或予熱流體的參數(shù)總會(huì)有一定波動(dòng)。本發(fā)明由于換熱室、儲(chǔ)液箱中的液位可以同步自發(fā)調(diào)整，進(jìn)而使換熱面?zhèn)鳠崽匦宰园l(fā)調(diào)整，所以對(duì)予、受熱流體的參數(shù)波動(dòng)有很強(qiáng)的緩沖、吸納能力，再加上U形管對(duì)熱媒的阻尼濾波作用，故能自動(dòng)保持換熱室內(nèi)壓力的相對(duì)穩(wěn)定。
本發(fā)明停用后，換熱室內(nèi)的蒸汽將逐漸凝結(jié)，體積逐漸減小，該過(guò)程中儲(chǔ)液箱內(nèi)的熱媒會(huì)依靠自重向換熱室里自動(dòng)填充。當(dāng)少量的不凝性氣體從換熱室頂部的手動(dòng)放氣閥排出后，熱媒最終會(huì)充滿整個(gè)換熱室。熱媒是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的潔凈液體，對(duì)換熱室有充液保養(yǎng)作用，使換熱室免受空氣腐蝕，無(wú)需在設(shè)備停用后采用額外的防腐保養(yǎng)措施。
本發(fā)明適用于各種換熱器，尤其是中小型工業(yè)鍋爐和余熱鍋爐，它除具有換熱面不會(huì)被干燒、爐內(nèi)不結(jié)垢、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)(1)調(diào)節(jié)性能優(yōu)越。因?yàn)楸景l(fā)明可依靠熱媒液位變化及換熱面?zhèn)鳠崽匦宰兓瘉?lái)自動(dòng)保持換熱室內(nèi)壓力的穩(wěn)定，能在換熱室壓力基本不變的條件下，對(duì)換熱量以及受熱流體、予熱流體的參數(shù)進(jìn)行較大范圍的調(diào)整，所以對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求可以相對(duì)降低一些。這將非常有利于本發(fā)明的推廣應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展。
(2)安全性高。本發(fā)明運(yùn)行期間，工作壓力只比大氣壓稍高一點(diǎn)，而且是開(kāi)放式系統(tǒng)，即使發(fā)生了受熱流體突然斷流而予熱流體又沒(méi)有被快速切斷的嚴(yán)重意外，換熱室內(nèi)的壓力也不會(huì)飛升。因?yàn)殡S著壓力的升高，換熱室內(nèi)的液體將會(huì)被迅速排擠至儲(chǔ)液箱，與此同時(shí)，予熱流體向熱媒的傳熱系數(shù)、傳熱量也會(huì)隨之迅速、大幅度地減小。當(dāng)換熱室內(nèi)的工作液體被全部排出后，換熱室內(nèi)剩余的蒸汽又會(huì)經(jīng)儲(chǔ)液箱上的浮動(dòng)蓋迅速排向大氣。此外，安全閥還有后備安全保障作用。所以換熱室不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重超壓現(xiàn)象。這將非常有利于本發(fā)明的推廣應(yīng)用。
(3)與真空相變鍋爐相比，不需要配置抽氣設(shè)備。本發(fā)明裝置在正常運(yùn)行期間，換熱室內(nèi)保持著微正壓，不會(huì)漏入不凝性氣體，即使熱媒析出少量不凝性氣體也可以通過(guò)換熱室上方的放氣閥定期排放掉，開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)換熱室中又充滿了熱媒，無(wú)需抽真空，所以不需要配置抽氣設(shè)備，降低了裝置的投資成本、運(yùn)行成本和維護(hù)成本。
(4)熱媒損耗少。本發(fā)明裝置停用后，換熱室中沒(méi)有空氣，啟動(dòng)時(shí)，無(wú)需用加熱法排除空氣，所以熱媒損失少。如果啟動(dòng)前換熱器中的熱媒量在充滿換熱室、U形管后尚有一定余量，則在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，不需要補(bǔ)充熱媒，既節(jié)約了熱媒成本又節(jié)省了運(yùn)行維護(hù)工作量。
(5)停用期間無(wú)需采用額外的防腐保養(yǎng)措施。由于換熱器停用后，換熱室將自動(dòng)充滿熱媒，而熱媒是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的潔凈液體，對(duì)換熱室有充液保養(yǎng)作用，使換熱室免受空氣腐蝕，所以停用期間無(wú)需采用額外的防腐保養(yǎng)措施，從而節(jié)約了裝置的維護(hù)保養(yǎng)成本。


圖1為相變-液浴式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
由圖1所示，在換熱器的管路中，依次串聯(lián)有換熱室4、阻氣器8、U形管9、儲(chǔ)液箱11、浮動(dòng)蓋13，換熱室4頂部裝有放氣閥15和安全閥14，側(cè)面裝有液位計(jì)10，換熱室4內(nèi)上部布置受熱流體換熱面3、下部布置予熱流體換熱面7，儲(chǔ)液箱11位于換熱室4頂部上方，其容積大于換熱室扣除換熱面所占空間后的剩余容積與U形管9容積之和，浮動(dòng)蓋13位于儲(chǔ)液箱11頂部，浮動(dòng)蓋13與儲(chǔ)液箱11頂部之間留有一定間隙，使儲(chǔ)液箱與大氣相通，形成開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生呼吸作用，換熱室中充有液態(tài)熱媒——潔凈水。圖中，1、2分別為受熱流體的出、進(jìn)口，5、6分別為予熱流體的出、進(jìn)口，12為充液口。冷態(tài)啟動(dòng)前，其換熱室4內(nèi)充滿傳熱用的熱媒。在啟動(dòng)加熱階段，熱媒受熱膨脹后被部分排擠至儲(chǔ)液箱11。通過(guò)調(diào)整受、予熱流體的熱平衡，使換熱室4中熱媒液位達(dá)到穩(wěn)定后轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。正常運(yùn)行期間，換熱室4內(nèi)的壓力略高于大氣壓，表壓力就等于儲(chǔ)液箱11液位與換熱室4液位之差。本換熱器運(yùn)行期間，根據(jù)換熱室內(nèi)熱媒液位變化及換熱面?zhèn)鳠崽匦宰兓瘯?huì)出現(xiàn)相變換熱、相變換熱和液浴換熱并存、液浴換熱三種換熱方式。當(dāng)受熱流體或予熱流體的參數(shù)波動(dòng)時(shí)，本換熱器依靠換熱室4內(nèi)熱媒液位變化及換熱面?zhèn)鳠崽匦宰兓瘉?lái)自動(dòng)保持換熱室4內(nèi)壓力的穩(wěn)定。換熱器停用后，隨著換熱室4內(nèi)蒸汽的逐漸凝結(jié)，儲(chǔ)液箱11內(nèi)的熱媒依靠自重向換熱室里自動(dòng)填充。當(dāng)少量的不凝性氣體從換熱室4頂部的手動(dòng)放氣閥15排出后，熱媒最終會(huì)充滿整個(gè)換熱室4。本發(fā)明中設(shè)有熱媒液位過(guò)低等保護(hù)信號(hào)，萬(wàn)一發(fā)生這類事故，保護(hù)設(shè)備迅速動(dòng)作，快速切斷予熱流體源。安全閥僅在不可預(yù)見(jiàn)的換熱室意外嚴(yán)重超壓情況下自動(dòng)動(dòng)作。
權(quán)利要求
1.一種相變-液浴式換熱器，其特征在于，換熱器管路中，依次串聯(lián)有換熱室(4)、阻氣器(8)、U形管(9)、儲(chǔ)液箱(11)、浮動(dòng)蓋(13)，換熱室(4)頂部裝有放氣閥(15)和安全閥(14)，側(cè)面裝有液位計(jì)(10)，換熱室(4)內(nèi)上部置有受熱流體換熱面(3)、下部置有予熱流體換熱面(7)，儲(chǔ)液箱(11)位于換熱室(4)頂部上方，浮動(dòng)蓋(13)位于儲(chǔ)液箱(11)頂部，換熱室(4)中充有潔凈的液態(tài)熱媒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變-液浴式換熱器，其特征在于，所述的儲(chǔ)液箱(11)的容積大于換熱室(4)扣除換熱面所占空間后的剩余容積與U形管(9)容積之和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變-液浴式換熱器，其特征在于，所述浮動(dòng)蓋(13)與儲(chǔ)液箱(11)頂部之間留有一定間隙，使儲(chǔ)液箱與大氣相通，形成產(chǎn)生呼吸作用的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相變-液浴式換熱器，其特征在于，所述的用于阻止熱媒中的氣泡進(jìn)入U(xiǎn)形管，并抑制流動(dòng)漩渦的阻氣器(8)置于換熱室(4)底部、U形管(9)的進(jìn)口側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相變－液浴式換熱器，特點(diǎn)是在換熱器管路中，依次串聯(lián)有換熱室、阻氣器、U形管、儲(chǔ)液箱、浮動(dòng)蓋，換熱室頂部裝有放氣閥、安全閥，側(cè)面裝有液位計(jì)，換熱室內(nèi)上、下部分別布置受熱流體換熱面、預(yù)熱流體換熱面，儲(chǔ)液箱位于換熱室頂部上方，浮動(dòng)蓋位于儲(chǔ)液箱頂部，換熱室中充有潔凈的液態(tài)熱媒。本發(fā)明依靠換熱室內(nèi)熱媒液位變化及換熱面?zhèn)鳠崽匦宰兓瘜?shí)現(xiàn)“相變－液浴”方式換熱，適用于各種換熱器，尤其是中小型工業(yè)鍋爐和余熱鍋爐，除具有爐內(nèi)不結(jié)垢、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，換熱室內(nèi)工作壓力穩(wěn)定，安全性高，不需配置抽氣設(shè)備，熱媒損耗少，停用期間不需采用額外的防腐保養(yǎng)措施。
文檔編號(hào)F24H7/00GK1470815SQ0312949
公開(kāi)日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月24日
發(fā)明者姚秀平, 齊進(jìn), 鄭莆燕, 王啟杰, 張莉 申請(qǐng)人:上海電力學(xué)院