专利名称：相变－液浴式换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换介质不直接接触的热交换设备，特别涉及一种相变-液浴式换热器。
背景技术：
相变换热器可应用于动力、石油、化工、制药、食品等广泛的工业领域。最典型的相变换热器是相变锅炉。根据相变换热室内压力的高低，相变锅炉可被划分为真空相变锅炉、有压相变锅炉和常压相变锅炉三种类型。现有的这三种相变锅炉虽然都具有换热面不会被干烧、炉内不结垢、使用寿命长等优点，但是共同存在着下述显著缺点(1)可调节性差。当受热流体所需的热量减少时，例如受热流体的流量需要减少或者受热流体的温度需要降低时，系统要通过调整减少予热流体的放热量，使其与吸热量达到平衡。但是，由相变传热原理可知，当传热量减少后，相变换热室内热媒温度必然会降低，相对应的热媒饱和压力也必然会降低。当予热流体的放热量减少时，例如，在余热利用中，予热流体流量或者温度随工艺过程变化而降低时，也会出现同样的情况。相反，当受热流体所需的热量增加，或者予热流体的放热量增加时，放热量与吸热量达到新的平衡后，相变换热室内的压力必然会升高。总之，在对受热流体或予热流体的参数进行较大幅度的调整后，相变换热室内的压力会有较大幅度的改变，对安全运行不利，这在一定程度上限制了相变换热器的可调节性，也限制了相变换热器的推广应用。
(2)对自动调节系统要求高。在相变换热器运行期间，受热流体的参数或者予热流体的参数有所改变时，自动调节系统必须快速地进行调整，否则，因放热量与吸热量之间不平衡，相变换热室内的压力就会快速变化。这就对自动调节提出了很高的要求，在某些场合，例如燃煤锅炉、余热利用等场合，往往难以实现。这更加限制了相变换热器的推广应用。
(3)对安全保护系统要求高。相变换热器运行期间，也有可能会发生象受热流体突然断流一类的意外情况。在这种情况下，必须快速地切断予热流体，否则，相变换热室内的压力就会飞升，危及设备及人身安全。因此，相变换热器必须配置可靠性很高的安全保护系统。这一点也不利于相变换热器的推广应用。
此外，真空相变锅炉还存在下述问题在负压状态下运行时易漏入空气，而相变换热器中即使存在微量空气也会对凝结换热产生十分有害的影响，导致传热特性恶化；启动前需预抽真空，运行时需维持真空，所以必须配备抽真空设备，增加了设备投资及运行维护费用；真空设备的加工、装配、检漏工艺都比较复杂，所以对制造水平的要求较高。
有压相变锅炉还存在下述问题虽然在运行状态下是正压，但因停用几小时后就会变成负压，所以仍难免有空气漏入。启动时，这些空气要么需用抽气设备排除，要么需通过加热法排除。若用抽气设备排除，就要增加专用抽气设备；若用加热法排除，启动时势必会损失一部分洁净的热媒，且当热媒液位降至最低点时必须及时补充热媒，给运行维护带来一定的不便。另外，有压相变锅炉的工作压力远高于大气压，超压的安全风险相对较高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有相变换热器的缺点，提供一种能依靠热媒液位变化及换热面传热特性变化来自动保持换热室内压力相对稳定的相变-液浴式换热器。
本发明技术方案的特点是在换热器的管路中，依次串联有换热室、阻气器、U形管、储液箱、浮动盖，换热室顶部装有放气阀和安全阀，侧面装有液位计，换热室内上部置有受热流体换热面、下部置有予热流体换热面，储液箱位于换热室顶部上方，浮动盖位于储液箱顶部，换热室中充有洁净的液态热媒。储液箱容积大于换热室扣除换热面所占空间后的剩余容积与U形管容积之和。浮动盖与储液箱顶部之间留有一定间隙，使储液箱与大气相通，形成开放式结构，产生呼吸作用。
按上述方案设计的换热器在运行期间，根据换热室内热媒液位变化及换热面传热特性变化情况会出现相变换热、相变换热与液浴换热并存、液浴换热三种换热方式。所谓相变换热是指换热室中的热媒液位处在受热流体换热面和予热流体换热面之间，予热流体换热面浸没在液态热媒中，受热流体换热面处在液面上方的热媒蒸汽中，液态热媒吸收予热流体的热量后蒸发，所产生的热媒蒸汽将热量传给受热流体后凝结，蒸发与凝结同时进行且蒸发量与凝结量保持相等的一种换热方式。所谓液浴换热是指予、受热流体换热面都被浸没在同一液态热媒之中，液态热媒吸收予热流体的热量后上浮、将热量传给受热流体后下沉的一种换热方式。
本发明具体的工作原理可描述如下冷态启动前，换热室中充满洁净的液态热媒。启动初期，通过调节受热流体进口阀门的开度，使受热流体的吸热量小于予热流体的放热量，换热室中液态热媒的温度逐渐升高，体积逐渐增大，部分液态热媒通过U形管被排挤至储液箱。当热媒被加热到饱和温度时开始蒸发，蒸发产生的蒸汽在浮力作用下上升至换热室内顶部，与此同时，液态热媒继续被排挤至储液箱。当换热室中热媒的液位下降到一定值时，通过协调控制，使受热流体的吸热量和予热流体的放热量之间达到热平衡，换热室液位稳定，然后转入正常运行。正常运行期间，换热室内的压力略高于大气压，其表压力就等于储液箱的液位与换热室中热媒的液位之差。装置中的阻气器用于阻止气泡进入U形管，并抑制流动漩涡。液位计用于观察换热室中热媒的液位。
在设计条件下，换热室中的液位处在受热流体换热面和予热流体换热面之间，换热器以相变换热方式运行。当换热量低于设计换热量时，换热室中的液位会有所升高，但在没有高到淹没受热流体换热面的情况下，换热器仍以相变换热方式运行；在高到淹没部分受热流体换热面的情况下，换热器将以相变换热和液浴换热并存的方式运行；在高到淹没全部受热流体换热面的情况下，换热器将以液浴换热方式运行。相反，当换热量高于设计换热量时，换热室中的液位会有所下降，但在没有降低到使予热流体换热面露出液面的情况下，换热器仍会保持相变换热运行方式。本发明不宜在换热量比设计换热量高出很多的条件下运行。但通常情况下，设计换热量也就是装置长期工作的最大换热量。
在上述所有运行工况下，换热室内的压力都略高于大气压，且彼此之间相差不大。最高表压等于储液箱液面与换热室中予热流体换热面最高部位之间的液位差，最低表压等于储液箱液面与换热室最高部位之间的液位差。
换热器在正常运行期间，一般来说，受热流体或予热流体的参数总会有一定波动。本发明由于换热室、储液箱中的液位可以同步自发调整，进而使换热面传热特性自发调整，所以对予、受热流体的参数波动有很强的缓冲、吸纳能力，再加上U形管对热媒的阻尼滤波作用，故能自动保持换热室内压力的相对稳定。
本发明停用后，换热室内的蒸汽将逐渐凝结，体积逐渐减小，该过程中储液箱内的热媒会依靠自重向换热室里自动填充。当少量的不凝性气体从换热室顶部的手动放气阀排出后，热媒最终会充满整个换热室。热媒是经过严格处理的洁净液体，对换热室有充液保养作用，使换热室免受空气腐蚀，无需在设备停用后采用额外的防腐保养措施。
本发明适用于各种换热器，尤其是中小型工业锅炉和余热锅炉，它除具有换热面不会被干烧、炉内不结垢、使用寿命长等优点外，还具有如下显著优点(1)调节性能优越。因为本发明可依靠热媒液位变化及换热面传热特性变化来自动保持换热室内压力的稳定，能在换热室压力基本不变的条件下，对换热量以及受热流体、予热流体的参数进行较大范围的调整，所以对自动调节系统的要求可以相对降低一些。这将非常有利于本发明的推广应用与技术发展。
(2)安全性高。本发明运行期间，工作压力只比大气压稍高一点，而且是开放式系统，即使发生了受热流体突然断流而予热流体又没有被快速切断的严重意外，换热室内的压力也不会飞升。因为随着压力的升高，换热室内的液体将会被迅速排挤至储液箱，与此同时，予热流体向热媒的传热系数、传热量也会随之迅速、大幅度地减小。当换热室内的工作液体被全部排出后，换热室内剩余的蒸汽又会经储液箱上的浮动盖迅速排向大气。此外，安全阀还有后备安全保障作用。所以换热室不会出现严重超压现象。这将非常有利于本发明的推广应用。
(3)与真空相变锅炉相比，不需要配置抽气设备。本发明装置在正常运行期间，换热室内保持着微正压，不会漏入不凝性气体，即使热媒析出少量不凝性气体也可以通过换热室上方的放气阀定期排放掉，开始启动时换热室中又充满了热媒，无需抽真空，所以不需要配置抽气设备，降低了装置的投资成本、运行成本和维护成本。
(4)热媒损耗少。本发明装置停用后，换热室中没有空气，启动时，无需用加热法排除空气，所以热媒损失少。如果启动前换热器中的热媒量在充满换热室、U形管后尚有一定余量，则在较长的时期内，不需要补充热媒，既节约了热媒成本又节省了运行维护工作量。
(5)停用期间无需采用额外的防腐保养措施。由于换热器停用后，换热室将自动充满热媒，而热媒是经过严格处理的洁净液体，对换热室有充液保养作用，使换热室免受空气腐蚀，所以停用期间无需采用额外的防腐保养措施，从而节约了装置的维护保养成本。
图1为相变-液浴式换热器结构示意图。
具体实施例方式
由图1所示，在换热器的管路中，依次串联有换热室4、阻气器8、U形管9、储液箱11、浮动盖13，换热室4顶部装有放气阀15和安全阀14，侧面装有液位计10，换热室4内上部布置受热流体换热面3、下部布置予热流体换热面7，储液箱11位于换热室4顶部上方，其容积大于换热室扣除换热面所占空间后的剩余容积与U形管9容积之和，浮动盖13位于储液箱11顶部，浮动盖13与储液箱11顶部之间留有一定间隙，使储液箱与大气相通，形成开放式结构，产生呼吸作用，换热室中充有液态热媒——洁净水。图中，1、2分别为受热流体的出、进口，5、6分别为予热流体的出、进口，12为充液口。冷态启动前，其换热室4内充满传热用的热媒。在启动加热阶段，热媒受热膨胀后被部分排挤至储液箱11。通过调整受、予热流体的热平衡，使换热室4中热媒液位达到稳定后转入正常运行。正常运行期间，换热室4内的压力略高于大气压，表压力就等于储液箱11液位与换热室4液位之差。本换热器运行期间，根据换热室内热媒液位变化及换热面传热特性变化会出现相变换热、相变换热和液浴换热并存、液浴换热三种换热方式。当受热流体或予热流体的参数波动时，本换热器依靠换热室4内热媒液位变化及换热面传热特性变化来自动保持换热室4内压力的稳定。换热器停用后，随着换热室4内蒸汽的逐渐凝结，储液箱11内的热媒依靠自重向换热室里自动填充。当少量的不凝性气体从换热室4顶部的手动放气阀15排出后，热媒最终会充满整个换热室4。本发明中设有热媒液位过低等保护信号，万一发生这类事故，保护设备迅速动作，快速切断予热流体源。安全阀仅在不可预见的换热室意外严重超压情况下自动动作。
权利要求
1.一种相变-液浴式换热器，其特征在于，换热器管路中，依次串联有换热室(4)、阻气器(8)、U形管(9)、储液箱(11)、浮动盖(13)，换热室(4)顶部装有放气阀(15)和安全阀(14)，侧面装有液位计(10)，换热室(4)内上部置有受热流体换热面(3)、下部置有予热流体换热面(7)，储液箱(11)位于换热室(4)顶部上方，浮动盖(13)位于储液箱(11)顶部，换热室(4)中充有洁净的液态热媒。
2.根据权利要求1所述的相变-液浴式换热器，其特征在于，所述的储液箱(11)的容积大于换热室(4)扣除换热面所占空间后的剩余容积与U形管(9)容积之和。
3.根据权利要求1所述的相变-液浴式换热器，其特征在于，所述浮动盖(13)与储液箱(11)顶部之间留有一定间隙，使储液箱与大气相通，形成产生呼吸作用的开放式结构。
4.根据权利要求1所述的相变-液浴式换热器，其特征在于，所述的用于阻止热媒中的气泡进入U形管，并抑制流动漩涡的阻气器(8)置于换热室(4)底部、U形管(9)的进口侧。
全文摘要
本发明涉及一种相变－液浴式换热器，特点是在换热器管路中，依次串联有换热室、阻气器、U形管、储液箱、浮动盖，换热室顶部装有放气阀、安全阀，侧面装有液位计，换热室内上、下部分别布置受热流体换热面、预热流体换热面，储液箱位于换热室顶部上方，浮动盖位于储液箱顶部，换热室中充有洁净的液态热媒。本发明依靠换热室内热媒液位变化及换热面传热特性变化实现“相变－液浴”方式换热，适用于各种换热器，尤其是中小型工业锅炉和余热锅炉，除具有炉内不结垢、使用寿命长等优点外，还具有如下显著优点调节性能优越，换热室内工作压力稳定，安全性高，不需配置抽气设备，热媒损耗少，停用期间不需采用额外的防腐保养措施。
文档编号F24H7/00GK1470815SQ0312949
公开日2004年1月28日 申请日期2003年6月24日 优先权日2003年6月24日
发明者姚秀平, 齐进, 郑莆燕, 王启杰, 张莉 申请人:上海电力学院