CN101251347A - 自保护自适应回路重力热管换热装置 - Google Patents

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吴静怡
夏再忠
王如竹
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Abstract

一种能源技术领域的自保护自适应回路重力热管换热装置，包括：蒸发器、上升管、冷凝器、下降管、第一液封弯头、旁通管、第二液封弯头、贮液室和蛇形软管。蒸发器位于整个装置最下方，冷凝器位于整个装置最上方，蒸发器上部通过上升管与冷凝器上部相连，冷凝器下部通过下降管与蒸发器下部相连，蒸发器下部通过旁通管和蛇形软管与贮液室相连，第一液封弯头焊接在下降管中部，第二液封弯头焊接在旁通管中部，蛇形软管一端与旁通管相连，另一端与贮液室下部相连。本发明能自动实现输出热水温度的稳定控制和高温高压保护，不含有任何运动部件、控制元件和阀门，构造简单、易于实现、安装方便、安全可靠。

Description

自保护自适应回路重力热管换热装置
技术领域
本发明涉及一种能源技术领域的余热回收装置，具体地说，涉及一种自保护自适应回路重力热管换热装置。
背景技术
在工业、交通、民用等多个领域，都有大量余热以副产品的形式产生，如高温烟气、废水、废汽等。对这些余热进行回收和利用是实现节能降耗的重要手段。在余热回收利用中，有两个问题需要解决：首先，当工况变化时，要控制输出温度的稳定；其次，要控制工作压力和温度，实现高温高压保护，保证安全性。为解决上述问题，常规的余热回收***采用旁通阀门、高压保护阀、变频水泵、节温器等设备，并通过复杂的控制***来实现控制，降低了***的经济性和可靠性。
回路重力热管是一种新型的高效传热装置，它利用工质相变进行换热、利用重力实现工质循环，具有结构紧凑、体积小以及无辅助动力等优点。由于热管内部为相变换热，热阻很小，因此传热效率很高且传热温差很小。同时，回路重力热管的蒸发段和冷凝段分开放置，通过上升管和下降管把两者连接起来，因此能够实现长距离的热量传递。回路重力热管的上述特点使得其成为余热回收利用中的理想换热装置。然而，一般的回路重力热管存在以下缺点：首先，当工况发生变化时，腔体内蒸汽温度和压力变化较大，从而使得输出温度变化较大；其次，当热量输入剧增或输出剧减时，腔体内压力和温度将迅速上升，会产生安全隐患。
经对现有技术的文献检索发现，专利申请号为200710026733.2，名称为一种多通道自调节回路热管装置的中国发明专利，公开了一种采用多通道回路和多沟槽吸液芯结构并带有补偿室的回路热管装置。该装置在补偿器上设置加热器和冷却器，虽然能对蒸发温度进行精确控制，但提高了安装成本。该装置在蒸发器内部和补偿室与蒸发器之间均设置了吸液芯，虽然使得其换热效果不因重力而受到影响，但也限制了该装置只适用于小容量换热场合，如电子元器件冷却等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于余热回收利用的自保护自适应回路重力热管换热装置，使其解决余热回收利用中的输出温度控制和高温高压保护的问题，简化***组成，提高***的经济性和可靠性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：蒸发器、上升管、冷凝器、下降管、第一液封弯头、旁通管、第二液封弯头、贮液室和蛇形软管。各部件连接方式为：蒸发器位于整个装置最下方，冷凝器位于整个装置最上方，蒸发器上部通过上升管与冷凝器上部相连，冷凝器下部通过下降管与蒸发器下部相连，蒸发器下部通过旁通管和蛇形软管与贮液室相连，第一液封弯头焊接在下降管中部，第二液封弯头焊接在旁通管中部，蛇形软管一端与旁通管相连，另一端与贮液室下部相连。
所述蒸发器包括：蒸发器换热管和蒸发器壳体。其中：蒸发器换热管均匀竖直排部焊接在蒸发器壳体内部。蒸发器中，热源流***于壳程，工质液***于管程，该布置形式可减少蒸发器中工质液体的总量，不仅能减小贮液室容量，而且能增加工质液位对腔体压力变化的灵敏度。
所述冷凝器包括：冷凝器换热管和冷凝器壳体。其中：冷凝器换热管均匀竖直排部焊接在冷凝器壳体内部。的目的。冷凝器中，冷却流***于壳程，工质蒸汽位于管程，该布置形式是为了便于凝结液的回流以及提高蒸汽流速。
所述工作液体，为水、甲醇、丙酮之一。当工作液体为水时，在其中加入异辛醇，在保证水的稳定性的同时，有效降低水的表面张力，起到改善冷凝表面性能的作用。
本发明中，贮液室下部通过蛇形软管与旁通管相连，因此贮液室高度可进行调节。通过调节贮液室高度，可对装置的最大工作压力和工作温度进行设定。
本发明工作过程具体如下：
根据工作温度和压力要求，调节贮液室高度。整个装置腔体内均抽真空，蒸发器内充入一定量的工质液体，以其液面刚好不漫过蒸发器换热管上部为准。蒸发器壳程与热源流体相连，冷凝器壳程与供水***相连。蒸发器内的工质液体被热源流体加热，发生相变变为饱和工质蒸汽，工质蒸汽通过上升管进入冷凝器，经换热后冷凝成工质液体，在重力作用下，经过第一液封弯头和下降管回流到蒸发器，从而完成一个闭路循环。同时，来自供水***的冷水从冷凝器壳程入口流入，吸收工质蒸汽释放的冷凝热后，被加热成温度较高的热水从出口流出，供各种场合使用。
当热源输入热量大于供水***带走的热量时，蒸发器内工质液体的蒸发速率将大于冷凝器内工质蒸汽的冷凝速率，从而使得装置腔体内压力升高。在压力差的作用下，蒸发器内的部分工质液体被压向贮液室，蒸发器内工质液面降低，使得蒸发器换热管的上端一部分裸露在工质液体之外不与其接触，从而不参与蒸发换热，因此蒸发器内总的蒸发换热面积减小了，最终当热源输入热量与供水***带走的热量平衡时液位不再变化。反之，当热源输入热量小于供水***带走的热量时，蒸发器内工质液体的蒸发速率将小于冷凝器内工质蒸汽的冷凝速率，从而使得装置腔体内压力降低。在压力差的作用下，贮液室内的工质液体流回蒸发器，蒸发器内工质液面升高，使得蒸发器换热管原本裸露在工质液体之外的上端一部分重新与工质液体相接触，参与蒸发换热，因此蒸发器内总的蒸发换热面积增加了，最终当热源输入热量与供水***带走的热量平衡时液位不再变化。
在上述过程中，装置腔体内压力的变化等于贮液室和蒸发器的液位差的变化量所对应的液体压强，合理设计贮液室的大小，可以使得工况变化时贮液室和蒸发器的液位差的变化量很小，从而使得装置腔体内饱和蒸汽压变化很小，其所对应的饱和蒸汽温度变化也很小，因此保证了供水***出口热水温度的稳定。因此，当工况发生变化时，本发明的自保护自适应回路重力热管换热装置通过自动调节蒸发器有效换热面积的大小，使得输入热量和输出热量平衡，同时稳定腔体内饱和蒸汽压力和温度，保证输出热水温度的稳定。
在危险工况下，如供水***停止或热源热量急剧增加时，对于一般的基于工质相变的换热装置如普通热管、真空锅炉等，装置腔体内压力将迅速上升，会产生安全隐患。因此，这些装置上一般均需配有压力传感器、安全阀等检测或保护装置。而对于本发明的自保护自适应回路重力热管换热装置，腔体内压力的上升将造成蒸发器内工质液面的迅速下降，直至蒸发器换热管全部裸露在液面之外时，工质液面不再下降，因为此时蒸发器不再参与蒸发换热，装置腔体内不再有多余蒸汽产生，压力不再升高。此时对应的蒸汽压力和温度即为装置的最大工作压力和温度，这一压力和温度的数值由贮液室的高度所决定，调节贮液室的高度即可对最大工作压力和温度进行设定。因此，本发明的自保护自适应回路重力热管换热装置具有高温高压自保护功能，且最大工作压力和温度可通过调节贮液室的高度进行设定。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明不含有任何运动部件、控制元件和阀门，利用基本的热力过程自动实现循环和控制；本发明能自动根据工况的变化调节蒸发器的有效换热面积，保证了热量输入输出的平衡，稳定腔体内饱和蒸汽压力和温度，保证输出热水温度的稳定；本发明能自动实现高温高压保护，保证了设备工作的安全性。本发明集热量回收利用、输出温度控制和高温高压保护于一体，具有构造简单、易于实现、安装方便、安全可靠等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中：1为贮液室，2为蒸发器，3为上升管，4为冷凝器，5为冷凝器换热管，6为冷凝器壳体，7为第一液封弯头，8为下降管，9为蒸发器换热管，10为蒸发器壳体，11为第二液封弯头、12为旁通管，13为蛇形软管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1利用自保护自适应回路重力热管换热装置对内燃机烟气余热进行回收，并将回收的余热用于加热生活热水
如图1所示，一种自保护自适应回路重力热管换热装置，包括：蒸发器2、上升管3、冷凝器4、下降管8、第一液封弯头7、旁通管12、第二液封弯头11、贮液室1和蛇形软管13。各部件连接方式为：蒸发器2位于整个装置最下方，冷凝器4位于整个装置最上方，蒸发器2上部通过上升管3与冷凝器4上部相连，冷凝器4下部通过下降管8与蒸发器2下部相连，蒸发器2下部通过旁通管12和蛇形软管13与贮液室1相连，第一液封弯头7焊接在下降管8中部，第二液封弯头11焊接在旁通管12中部，蛇形软管13一端与旁通管12相连，另一端与贮液室1下部相连。
所述蒸发器2包括：蒸发器换热管9和蒸发器壳体10。其中：蒸发器换热管9均匀竖直排部焊接在蒸发器壳体10内部。蒸发器2中，内燃机烟气位于壳程，工质液***于管程，该布置形式可减少蒸发器中工质液体的总量，不仅能减小贮液室1容量，而且能增加工质液位对腔体压力变化的灵敏度。
所述冷凝器4包括：冷凝器换热管5和冷凝器壳体6。其中：冷凝器换热管5均匀竖直排部焊接在冷凝器壳体6内部。冷凝器4中，冷水位于壳程，工质蒸汽位于管程，该布置形式是为了便于凝结液的回流以及提高蒸汽流速。
所述工作液体，为水。在其中加入异辛醇，在保证水的稳定性的同时，有效降低水的表面张力，起到改善冷凝表面性能的作用。
本实施例工作过程具体如下：
根据工作温度和压力要求，调节贮液室1高度。整个装置腔体内均抽真空，蒸发器2内充入一定量的水，以其液面刚好不漫过蒸发器换热管9上部为准。蒸发器2壳程与内燃机烟气相连，冷凝器4壳程与供水***相连。蒸发器2内的水被内燃机烟气加热，发生相变变为饱和水蒸汽，水蒸汽通过上升管3进入冷凝器4，经换热后冷凝成液态水，在重力作用下，经过第一液封弯头7和下降管8回流到蒸发器2，从而完成一个闭路循环。同时，来自供水***的冷水从冷凝器4壳程入口流入，吸收水蒸汽释放的冷凝热后，被加热成温度较高的热水从出口流出，以提供生活热水。
当内燃机烟气输入热量大于供水***带走的热量，如烟气温度升高时，蒸发器2内液态水的蒸发速率将大于冷凝器4内水蒸汽的冷凝速率，从而使得装置腔体内压力升高。在压力差的作用下，蒸发器2内的部分液态水被压向贮液室1，蒸发器2内水位降低，使得蒸发器换热管9的上端一部分裸露在液态水之外不与其接触，从而不参与蒸发换热，因此蒸发器2内总的蒸发换热面积减小了，最终当内燃机烟气输入热量与供水***带走的热量平衡时，水位不再变化。反之，当内燃机烟气输入热量小于供水***带走的热量时，蒸发器2内液态水的蒸发速率将小于冷凝器4内水蒸汽的冷凝速率，从而使得装置腔体内压力降低。在压力差的作用下，贮液室1内的部分液态水流回蒸发器2，蒸发器2内水位升高，使得蒸发器换热管9原本裸露在液态水之外的上端一部分重新与液态水相接触，参与蒸发换热，因此蒸发器2内总的蒸发换热面积增加了，最终当内燃机烟气输入热量与供水***带走的热量平衡时，水位不再变化。
在上述过程中，装置腔体内压力的变化等于贮液室1和蒸发器2中液位差的变化量所对应的液体压强，合理设计贮液室1的大小，可以使得工况变化时贮液室1和蒸发器2的液位差的变化量很小，从而使得装置腔体内饱和蒸汽压变化很小，其所对应的饱和蒸汽温度变化也很小，因此保证了供水***出口热水温度的稳定。因此，当工况发生变化时，本发明的自保护自适应回路重力热管换热装置通过自动调节蒸发器2有效换热面积的大小，使得输入热量和输出热量平衡，同时稳定腔体内饱和蒸汽压力和温度，保证输出热水温度的稳定。
在危险工况下，如供水***停止或内燃机烟气热量急剧增加时，腔体内压力的上升将造成蒸发器2内水位的迅速下降，直至蒸发器换热管9全部裸露在液态水之外，此时蒸发器2不再参与蒸发换热，装置腔体内不再有多余蒸汽产生，压力不再升高，水位不再下降。此时对应的蒸汽压力和温度即为装置的最大工作压力和温度，这一压力和温度的数值由贮液室1的高度所决定，调节贮液室1的高度即可对最大工作压力和温度进行设定。因此，本发明的自保护自适应回路重力热管换热装置具有高温高压自保护功能，且最大工作压力和温度可通过调节贮液室1的高度进行设定。

Claims (7)

1、一种自保护自适应回路重力热管换热装置，包括：贮液室(1)、蒸发器(2)、上升管(3)、冷凝器(4)、第一液封弯头(7)、下降管8)、第二液封弯头(11)、旁通管(12)、蛇形软管13，其特征在于：蒸发器(2)位于整个装置最下方，冷凝器(4)位于整个装置最上方，蒸发器(2)上部通过上升管(3)与冷凝器(4)上部相连，冷凝器(4)下部通过下降管(8)与蒸发器(2)下部相连，蒸发器(2)下部通过旁通管(12)和蛇形软管(13)与贮液室(1)相连，第一液封弯头(7)焊接在下降管(8)中部，第二液封弯头(11)焊接在旁通管(12)中部，蛇形软管(13)一端与旁通管(12)相连，另一端与贮液室(1)下部相连。
2、根据权利要求1所述的自保护自适应回路重力热管换热装置，其特征是，所述蒸发器(2)包括蒸发器换热管(9)和蒸发器壳体(10)，蒸发器换热管(9)均匀竖直排部焊接在蒸发器壳体(10)内部。
3、根据权利要求1或2所述的自保护自适应回路重力热管换热装置，其特征是，所述的蒸发器(2)中，热源流***于壳程，工质液***于管程。
4、根据权利要求1所述的自保护自适应回路重力热管换热装置，其特征是，所述的冷凝器(4)包括冷凝器换热管(5)和冷凝器壳体(6)，冷凝器换热管(5)均匀竖直排部焊接在冷凝器壳体(6)内部。
5、根据权利要求1或4所述的自保护自适应回路重力热管换热装置，其特征是，所述的冷凝器(4)中，冷却流***于壳程，工质蒸汽位于管程。
6、根据权利要求1所述的自保护自适应回路重力热管换热装置，其特征是，所述工作液体，为水、甲醇、丙酮之一。
7、根据权利要求6所述的自保护自适应回路重力热管换热装置，其特征是，当工作液体为水时，在其中加入异辛醇。
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