一种液态金属高温换热器和换热系统的制作方法

本发明涉及换热技术领域，具体涉及一种用于液态金属的换热器和换热系统。

背景技术：

目前，换热器被广泛应用于石油化工、能源、冶金、制冷、核能等工业领域。近年来，随着工况参数的提高以及对资源和环境保护要求的提升，换热器的工作环境温度开始朝着高温高压的方向发展。这就要求换热器不仅要具备良好的换热效果，而且还要具备耐高温性、耐高压性和耐腐蚀性。而以镓基、铋基合金为代表的液态金属除了具有无毒、化学性质稳定、低粘度、高导热性和良好的流动性等特点以外，还具有非常宽的液态温区，其液态温区的范围可从室温至2000℃高温，因此采用液态金属作为换热工质是提高换热效果的一种新型高效的方式。

但是现有的换热器通常由、钢、铜、铝等常规金属制成，换热器在高温下长期运行时容易被液态金属腐蚀，从而导致换热器使用寿命大大缩短。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种换热效率高、不易被腐蚀、使用寿命长的用于液态金属的换热器和换热系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于液态金属的高温换热器，该换热器包括壳体以及两个分别设置在所述壳体两端的管箱，所述管箱通过管板与所述壳体连接；所述壳体内设有多个换热管，所述换热管的两端分别探出相应的管板、以与两个所述管箱共同构成用于液态金属流动的通道；所述壳体的侧壁上设有壳程入口和壳程出口，所述管箱上设有管程入口和管程出口；所述管箱和所述换热管由难熔金属合金制成。

其中，当所述液态金属的工作温度不超过700℃时，所述液态金属为铋基合金，所述难熔金属合金为钨合金、钼合金或钛合金。

其中，所述铋基合金包括20～40wt％bi、40～75wt％in、5～20wt％sn和0～2wt％zn，所述钨合金包括99.5～100wt％w，所述钼合金包括99.5～100wt％mo，所述钛合金包括99.5～100wt％ti。

其中，当所述液态金属的工作温度不超过500℃时，所述液态金属为镓基合金，所述难熔金属合金为钨合金或钛合金。

其中，所述镓基合金包括50～90wt％ga、10～40wt％in、0～30wt％sn和0～2wt％zn，所述钨合金包括99.5～100wt％w，所述钛合金包括99.5～100wt％ti。

其中，当所述液态金属的工作温度不超过400℃时，所述液态金属为镓基合金，所述难熔金属合金为钼合金。

其中，所述镓基合金包括50～90wt％ga、10～40wt％in、0～30wt％sn和0～2wt％zn，所述钼合金包括99.5～100wt％mo。

其中，两个所述管箱中的其中一个所述管箱内设有隔板，所述隔板沿所述管箱的轴向延伸、以将所述管箱的内部空间分隔成上管程空间和下管程空间；所述管程入口和所述管程出口位于所述壳体的同一侧、且分别与所述上管程空间和所述下管程空间连通。

其中，所述壳体内设有多个沿所述壳体的轴向依次间隔设置的折流板，所述折流板上设有用于穿设所述换热管的通孔，相邻的两个所述折流板与所述壳体的内壁围设形成s形流道。

为实现上述目的，本发明还提供了一种用于液态金属的换热系统，该系统包括多个上述所述的用于液态金属的换热器，多个所述用于液态金属的换热器依次串联。

本发明结构简单、安装便捷，通过在壳体的两端设置由难熔金属合金制成的管箱、并在壳体内设置由难熔金属合金制成的换热管，就可显著提高该换热器的耐高温性、耐高压性和耐腐蚀性，从而就能扩大其适用范围，使其在换热时能够长期采用液态金属作为换热介质，由此不仅能够提高换热效果，而且还可大幅减小液态金属对换热器的腐蚀作用，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1中的一种用于液态金属的换热器的结构示意图；

图2是本发明实施例2中的一种用于液态金属的换热系统的结构示意图。

附图标记：

1、管程入口；2、管程出口；3、壳程入口；4、壳程出口；

5、隔板；6、管板；7、折流板；8、换热管；9、壳体；

10、管箱；1-1、初级高温换热器的管程入口；

1-2、初级高温换热器的管程出口；

1-3、初级高温换热器的壳程入口；

1-4、初级高温换热器的壳程出口；

2-1、末级高温换热器的管程入口；

2-2、末级高温换热器的管程出口；

2-3、末级高温换热器的壳程入口；

2-4、末级高温换热器的壳程出口。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统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发明的限制。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种用于液态金属的高温换热器，该换热器包括壳体9以及两个分别设置在壳体9两端的管箱10，管箱10通过管板6与壳体9连接；壳体9内设有多个换热管8，换热管8的两端分别探出相应的管板6、以与两个管箱10共同构成用于液态金属流动的通道，也就是说，换热管8的两端分别与两个管箱10连通；壳体9的侧壁上设有壳程入口3和壳程出口4，管箱10上设有管程入口1和管程出口2；管箱10和换热管8由难熔金属合金制成。

使用时：若流入换热器的液态金属为高温流体，待换热工质为水或有机物等低温流体时，可将管程入口1和管程出口2分别与外部热源的出口和进口连通。由此，从外部热源吸收热量的液态金属便能通过管程入口1流入管箱10中，与此同时，低温待换热工质则可通过壳程入口3流入壳体9中。液态金属流经换热管8时便不断将自身热量释放给流入壳程空间即位于壳体9内壁与换热管8外壁之间的低温待换热工质，低温待换热工质吸热升温后直接通过壳程出口4排出该换热器、以给后续生产生活提供热能；而放热降温后的液态金属则通过管程出口2重新流入外部热源吸收外部余热。

若流入换热器的液态金属为低温流体，待换热工质为熔岩等高温流体时，可将壳程入口3和壳程出口4分别与外部热源例如太阳能塔式熔岩电站的出口和进口连通。由此，从外部热源吸收热量的待换热工质便通过壳程入口3流入壳体9内，与此同时，温度较低的液态金属则通过管程入口1流入管箱10。流入壳程空间即位于壳体9内壁与换热管8外壁之间的高温待换热工质会不断将自身热量释放给流经换热管8的低温液态金属，低温液态金属吸热升温后直接通过管程出口2排出该换热器，而放热降温后的待换热工质则通过壳程出口4重新流入外部热源吸热。

可见，该换热器通过在壳体9的两端设置由难熔金属合金制成的管箱10、并在壳体9内设置由难熔金属合金制成的换热管8，就可显著提高该换热器的耐高温性、耐高压性和耐腐蚀性，从而就能扩大其适用范围，使其在换热时能够长期采用液态金属作为换热介质，由此不仅能够提高换热效果，而且还可大幅减小液态金属对换热器的腐蚀作用，延长使用寿命。

下面以400℃、500℃和700℃的工况为例，对难熔金属合金的具体选择进行说明：

当液态金属工作温度不超过700℃时，液态金属优选采用铋基合金，此时，难熔金属合金优选采用钨合金、钼合金或钛合金。具体地，其中，铋基合金可包括20～40wt％bi、40～75wt％in、5～20wt％sn和0～2wt％zn。当然更优选的，铋基合金包括20～30wt％bi、50～70wt％in、15～20wt％sn和0.5～1wt％zn。若难熔金属合金采用钨合金，则该钨合金包括99.5～100wt％w，也就是说，该钨合金中杂质的重量百分比小于0.05。若难熔金属合金采用钼合金，则该钼合金包括99.5～100wt％mo，也就是说，该钼合金中杂质的重量百分比小于0.05。若难熔金属合金优选采用钛合金，该钛合金包括99.5～100wt％ti，也就是说，该钛合金中杂质的重量百分比小于0.05。

当液态金属工作温度不超过500℃时，除了采用不超过700℃时列举的几种组合方式以外，液态金属还可采用镓基合金，此时，难熔金属合金优选采用钨合金或钛合金。具体地，其中，镓基合金可包括50～90wt％ga、10～40wt％in、0～30wt％sn和0～2wt％zn。当然更优选的，镓基合金包括65～75wt％ga、15～25wt％in、10～15wt％sn和0.5～1wt％zn。若难熔金属合金采用钨合金，则该钨合金包括99.5～100wt％w，也就是说，该钨合金中杂质的重量百分比小于0.05。若难熔金属采用钛合金，则该钛合金包括99.5～100wt％ti，也就是说，该钛合金中杂质的重量百分比小于0.05。

当液态金属工作温度不超过400℃时，除了采用不超过700℃和不超过500℃时列举的几种组合方式以外，液态金属还可采用镓基合金，此时，难熔金属合金优选采用钼合金。具体地，其中，镓基合金可包括50～90wt％ga、10～40wt％in、0～30wt％sn和0～2wt％zn。当然更优选的，该镓基合金包括65～75wt％ga、15～25wt％in、10～15wt％sn和0.5～1wt％zn。钼合金包括99.5～100wt％mo，也就是说，该钼合金中杂质的重量百分比小于0.05。

进一步地，两个管箱10中的其中一个管箱10内设有隔板5，隔板5沿管箱10的轴向延伸、以将管箱10的内部空间分隔成上管程空间和下管程空间；管程入口1和管程出口2位于壳体9的同一侧、且分别与上管程空间和下管程空间连通。由此，换热时液态金属需依次流经上管程空间、与上管程空间连通的换热管8、未设置隔板5的管箱10、与下管程空间连通的换热管8以及下管程空间后才能从管程出口2排出。可见，通过在其中一个管箱10内设置隔板5，就可延长液态金属在换热器内的换热时间、提高换热效率。

进一步地，为了提高壳体侧即待换热工质的换热效率。壳体9内可设置多个沿壳体9的轴向依次间隔设置的折流板7，折流板7上设有用于穿设换热管8的通孔，相邻的两个折流板7与壳体9的内壁围设形成s形流道。

实施例2

本发明还提供了一种用于液态金属的换热系统，该系统包括多个上述所述的用于液态金属的换热器，多个用于液态金属的换热器依次串联，也就是说，相邻的两个用于液态金属的换热器中其中一个用于液态金属的换热器的管程出口和壳程出口分别与另一个用于液态金属的换热器的管程入口和壳程入口连通。

下面以包括两个用于液态金属的换热器的换热系统为例，对该换热系统的使用方法进行说明：

如图2所示，其中一个用于液态金属的换热器为初级高温换热器，另外一个用于液态金属的换热器为末级高温换热器。其中，初级高温换热器的管程出口1-2与末级高温换热器的管程入口2-1连通，初级高温换热器的壳程出口1-4与末级高温换热器的壳程入口2-3连通。

使用时，将700℃的液态金属和常温水分别通过初级高温换热器的管程入口1-1和初级高温换热器的壳程入口1-3注入该初级高温换热器中，放热降温后液态金属通过初级高温换热器的管程出口1-2流入末级高温换热器的管程入口2-1，此时流入末级高温换热器的管程入口2-1的液态金属温度只有400℃，与此同时，吸热升温后的水则流入末级高温换热器的壳程入口2-3。液态金属与水在末级高温换热器中充分换热后便通过末级高温换热器的管程出口2-2排出末级高温换热器，此时液态金属温度降低至150℃，与此同时，再次吸热升温后的水则从末级高温换热器的壳程出口2-4排出。

可见，该系统通过将多个用于液态金属的换热器依次串联，就可实现分级换热、提高整个系统的换热能力和效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。