CN102636061A

CN102636061A - 一种混合换热蓄能管壳式蒸发器

Info

Publication number: CN102636061A
Application number: CN2012101460658A
Authority: CN
Inventors: 李朝波; 曾志勇; 邓金云
Original assignee: JIANGXI DESHUN ENERGY-SAVING TECHNOLOGY Co Ltd; SHENZHEN ZHONGKUANG INVESTMENT MANAGEMENT CO Ltd
Current assignee: JIANGXI DESHUN ENERGY-SAVING TECHNOLOGY Co Ltd; SHENZHEN ZHONGKUANG INVESTMENT MANAGEMENT CO Ltd
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种混合换热蓄能管壳式蒸发器，它主要应用于工质的高效蒸发，特别适用于热源波动且传热系数较低的场合，该混合换热蓄能管壳式蒸发器包括壳体和换热管，其主要特征是在换热管间注入液态蓄热介质，在蓄热介质的上部设置气液分离空间，在液态蓄热介质内设置有一根或者一根以上的导流管，每根导流管上分布一个或者一个以上的导流管出口，高温流体首先通过换热管间接加热蓄热介质，蓄热介质与低温流体直接混合接触实现换热蒸发，由于液态蓄热介质能起到蓄热和传热作用，解决了热源波动造成系统工作不稳定等问题，同时也提高了系统的换热系数和热利用率，该蒸发器具有结构简单、热效率高、成本低、适用性强等优点。

Description

一种混合换热蓄能管壳式蒸发器

技术领域

本发明涉及一种混合换热蓄能管壳式蒸发器，具体地说是一种在换热管间填充液态蓄热介质，在蓄热介质上方设置气液分离空间，适用于热源存在波动且导热系数较低的混合换热蓄能管壳式蒸发器。

背景技术

管壳式换热器广泛应用于化工、能源和冶金等工业领域，为了满足节能、经济、可靠以及适用性强等要求，人们已经开发了多种适用不同领域、具有不同特点的管壳式换热器。目前，基于有机朗肯循环技术的发电技术引起了越来越多的关注，其主要特点是通过采用沸点较低的有机工质代替水蒸汽推动动力机做功，以实现中低温热源利用发电的技术。

所述有机朗肯循环发电装置主要由蒸发器、动力机、发电机、冷凝器、工质泵等组成。有机朗肯循环主要应用于中低温热源，而常见的这类热源情况比较复杂，往往存在热源流量或者温度不稳定的情况，比如说工业余热受生产工艺和生产状况的影响，太阳能的辐射强度受天气变化影响。这种热源温度或流量的波动情形影响蒸发器的稳定连续运行，工质的蒸发温度或蒸发量都会随之而波动，从而影响系统的持续稳定运行和热量的充分利用。当热源温度或流量降低时，工质蒸发温度下降、蒸发量降低，甚至有可能造成系统无法运行。而当热源温度或者流量高于设计值时，又会造成热量利用不充分等情况。

此外，换热器中经常存在传热不均、导热系数较低、设备投资大以及设备腐蚀等常见问题，因此，如何在有机朗肯循环发电系统中充分高效利用这类存在温度或流量波动的热源是一个亟待研究的课题。

另外，在有机朗肯循环发电系统中，人们提出采用先通过余热锅炉逆流换热加热导热油，然后导热油在蒸发器里直接与有机循环工质混合接触换热的方法，这种方法的缺点在于增加设备，系统较复杂，难于维护等缺点。在蓄热管壳式换热器上，人们也提出了一些解决方案，如中国专利申请号为200920104250.4、名称为“一种多层泡沫金属管壳式换热器”和中国专利申请号为200820081601.X、名称为“一种换热储能装置”，分别在换热管内填充多层泡沫金属或相变吸热材料，这种方式能够提高传热面或者实现部分蓄热的目的，但同时也增加了结构的复杂性，占用了换热管或者壳体的流体通行空间。

发明内容

针对上述换热器在热源波动情况下的缺点和困难，本发明提供一种新型高效的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其主要方法是在换热管间填充液态蓄热介质。这种介质既能实现高效传热且传热均匀，还能起到蓄热的作用，充分利用热能。由于蓄热介质的比热容高，能够在热源流量大、温度高时充分吸收热量，而在热源流量小、温度低时，释放蓄存在介质中的热量，起到缓冲的作用。同时，通过液态蓄热介质还具有传热均匀、热稳定性好、防腐蚀以及导热性优良等特点，解决了现有换热器在应用于热源波动情况下的热量高效稳定利用等问题。

本发明的技术方案如下所述：一种混合换热蓄能管壳式蒸发器，在管壳式换热器的换热管间，填充一种比热容高、饱和压力小、导热系数较高、密度较大的液态蓄热介质，高温流体走管程，与蓄热介质通过换热管间接换热；低温流体工质走壳程，与液态蓄热介质直接混合接触换热。由于低温工质与蓄热介质换热蒸发后会产生蒸汽，气泡在形成、聚并、运移以及逃逸过程中，会剧烈搅动蓄热介质，从而使蓄热介质体系热量保持均匀，提高换热效率。在蓄热介质的上部区域设置气液分离空间，使液态蓄热介质与蒸发出来的工质实现分离，工质气体由连接管送出换热器主体。

所述液态蓄热介质要求具有高比热容、高导热系数、高热稳定性、高密度以及低腐蚀性和低饱和蒸汽压力，可以采用有机物质、无机盐等物理化学性能好的蓄热介质，也可以混合加入其它提高蓄热特性的材料，比如说金属粉末。

所述液态蓄热介质选用与直接混合接触流体工质具有较好的互溶性，以实现二者之间的充分接触和良好的换热效果。

所述气液分离空间要满足不同情形下，蒸发出来的工质与蓄热介质的有效分离，根据实际需要，可以在该空间安装除沫罩。

另外，由下部的进口连接管进入的蒸发器的工质，在蒸发器内部设置有一根或者一根以上的导流管，每根导流管上分布一系列出口，出口可以为一个或者一个以上，并且均匀分布，数量根据大小、流速和工质类型而确定。

同时，导流管形状可以是环形，但不限于环形，导流管的数量根据需要而确定。

由上所述，由导流管引入工质，主要作用在于增大与液态蓄热价值的接触面积，使工质与蓄热介质接触、溶解更充分，使热量传递更充分高效。同时也防止工质在速度较高的情况下，出现节涌等问题。

本发明与现有技术相比，具有结构简单、传热均匀、成本较低、热利用率高、适用范围广等优点。由于壳体间填充液态蓄热介质，能够实现高效快捷的换热，并起到蓄热的效果，使其在热源温度或者流量波动的情形下，能够缓冲这种影响，对维护系统持续稳定运行具有良好的作用。此外，由于气泡搅动蓄热介质，从而使换热更高效快速。因此，本发明所述管壳换热器，既保留了传统管壳式换热器的结构和优点，又充分利用液态蓄热介质的特性，适用于各种热源波动情形下的高效稳定温度换热。

附图说明

附图1 为本发明的混合换热蓄能管壳式换热器之结构示意图。

附图2为附图1中A—A向视图。

在图中，1、气液分离空间；2、进口连接管；3、液态蓄热介质；4、封头盖（或底）；5、管板；6、换热管；7、换热器壳体；8、除沫罩；9、出口连接管；11、导流管；12、导流管出口。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1所示，本发明混合换热蓄能管壳式换热器，包括换热器壳体7、换热管6、进口连接管2、出口连接管9、封头盖（或底）4和管板5，以及填充在换热管间的液态蓄热介质3和蓄热介质上方的气液分离空间1，在气液分离空间1中可安装除沫罩8。

上述液态蓄热介质3具有优良的物理化学性能，所述液态蓄热介质3可以是有机物质、无机物质或者是二者的混合物，包括但不限于中长链烷烃或低温熔融盐。

选择材料时，首先是要求蓄热介质3的比热容大于工质的比热容。对于有机朗肯循环系统，所采用的有机工质一般是低沸点的小分子，其热容相对较低，以三氟二氯乙烷（R123)和二氧化碳为例，其在常温常压下的等压热容分别为110.24J/mol.K和37.17J/mol.K，而常规低温熔融盐的热容为300~800J/mol.K。

同时，有机工质的饱和蒸发压力要远大于蓄热介质，甚至可以说蓄热介质几乎没有蒸汽压。因此液态蓄热介质既能够在热源流量或者温度波动的时候，起到蓄热的作用，同时也不会大量蒸发。

另外，蓄热介质还具有良好的其它性能，比如说化学稳定性、热稳定性、导热性以及密度等，且最好是与混合工质互溶。以采用低温熔融盐为例，其一般具有非常优良的溶解能力，优良的化学稳定性和热稳定性。除了低温熔融盐，还有一些其它的有机物或者无机物，有机物主要包括石蜡、脂肪酸、醇类；无机物也可以选用水合物无机盐或者无机盐等，该类物质也具有较高的热容，良好的物理化学性质。此外，蓄热介质也可是多种物质的混合，以实现不同介质特性的互补，甚至可以添加金属颗粒，以提高蓄热和传热性能。

上述气液分离空间1根据实际情况设定大小和配置，主要考虑蓄热介质的用量，在高温工作状态下的液态蓄热介质体积膨胀系数，以及高温工作状态下工质蒸发时产生气泡带动蓄热介质的沸腾等。在考虑这些情况下，设计合适的气液分离空间1。同时，可以在气液分离空间中装设除沫罩8，以防止在高温状态下蓄热介质被夹带出换热器。

另外，如图2所示，由下部的进口连接管进入的蒸发器的工质，在蒸发器内部设置有一根或者一根以上的导流管11，每根导流管11上分布一系列导流管出口12，导流管出口12可以为一个或者一个以上（图示为一个），并且均匀分布，数量根据大小、流速和工质类型而确定。

同时，导流管11形状可以是环形，但不限于环形，导流管的数量根据需要而确定。

由上所述，由导流管11引入工质，主要作用在于增大与液态蓄热价值的接触面积，使工质与蓄热介质接触、溶解更充分，使热量传递更充分高效。同时也防止工质在速度较高的情况下，出现节涌等问题。

本发明混合换热蓄能管壳式换热器一般适用于立式结构。高温流体从上部进口连接管2直接导入换热管6，经与液态蓄热介质3间接换热后从下部释放出来。低温流体从下部进口连接管注入换热器壳体7中的液态蓄热介质3，与蓄热介质充分接触换热后蒸发，经过气液分离空间1，蒸发出来的气体从蒸发器顶部的出口连接管9出来。为了使混合工质与蓄热介质的充分接触，可以分设多个低温流体注入口。

Claims

1.一种混合换热蓄能管壳式蒸发器，包括壳体和设置在壳体内的换热管，其特征在于，所述换热管间填充液态蓄热介质，在所述液态蓄热介质上部的壳体内设置气液分离空间，在液态蓄热介质内设置有一根或者一根以上的导流管，每根导流管上分布一个或者一个以上的导流管出口。

2.根据权利1所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质比热容大于工质的比热容。

3.根据权利1所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质其饱和蒸发压力小于工质饱和蒸发压力。

4.根据权利1或者2或者3所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质是有机物质。

5.根据权利1或者2或者3所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质是无机物质。

6.根据权利1或者2或者3所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质是无机物质和有机物质的混合物。

7.根据权利1所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质是中长链烷烃。

8.根据权利1所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质是低温熔融盐。

9.根据权利1或者2或者3所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述液态蓄热介质加入有金属粉末。

10.根据权利1所述的混合换热蓄能管壳式蒸发器，其特征是，所述导流管形状是环形。