CN105806111B - 一种基于超热导原理的换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热系统，公开了一种基于超热导原理的换热系统，包含热交换模块、辅助循环模块及控制模块。热交换模块包含第一罐体与分隔件，分隔件将第一罐体内部分隔成相互独立的第一腔体与第二腔体。辅助循环模块包含第二罐体与加热/制冷装置，第二罐体具有第三腔体，第二罐体连接于第一罐体使得第三腔体与第一腔体形成密闭空间，加热/制冷装置固定于第二罐体。控制模块包含加热器、压力检测器及控制器。本发明提供的基于超热导原理的换热系统：当目标流体的组分、相态和流量于大范围内变化时，换热系统依然保持高效的换热效率。

Description

一种基于超热导原理的换热系统

技术领域

本发明涉及换热系统，特别涉及一种基于超热导原理的换热系统。

背景技术

换热器在石油化学及化学、食品等工业生产中起着重要作用。工业生产用换热器常采用温度不同的换热介质与输入流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热来实现换热介质与输入流体之间的换热。换热器的换热效率(导热系数)由换热面积、换热介质与输入流体温差、输入流体组分和相态、流体流速范围等因素决定，因此，换热器通常具有预先给定的输入流体的组分、相态以及流量范围，以确保输出流体的温度在预设范围内。然而于实验研究中，常常需要在大范围内变化输入流体的组分、相态和流量以观察对实验结果的影响，常规的换热器根本无法适应输入流体的这类大范围变化，从而影响换热效果。

设计人员可以通过增大换热面积的方式来提高换热效率，然而，这样会使得换热器体积增大，重量增加，设计和加工复杂，严重时受空间、重量制约而无法于其它环境中应用，例如实验室环境。设计人员还可以通过增大换热介质与输入流体的温差来提高换热效率，然而，使用过热/过冷的换热介质往往会遇到很多问题：过热的换热介质易变质、有害物质分解挥发；过冷的换热介质粘度增大、循环介质流量减少反而降低换热效率；加热、冷却甚至是高温/低温冷冻又给辅助装置提出了更苛刻的要求。过热的换热介质也易导致输入流体不稳定，例如发生分解、聚合等等变化，而过冷的换热介质也可能导致输入流体的粘度增大甚至凝固。

超热导移热的工作原理是：处于密闭空间的热区的液态工质吸热蒸发,转变为汽态工质，汽态工质自动流向密闭空间的冷区(相对热区而言)，并在冷区放热冷凝，转变为液态工质，该液态工质由重力或毛细张力等机制驱动，流回热区，由此实现热区和冷区之间的热转移。由于工质的载热是基于工质的汽化潜热，因此载热能力强；而汽态工质的传输则由其自生压力驱动，因此工质的传输能力强。如果工质在传输过程中的流阻可忽略，那么基于这项工作原理的导热体的导热系数可以接近于无穷大，因此称之为超热导体。目前已有利用超热导原理为高端电子设备和计算机中央处理器等散热方面的应用。然而，在这些以散热为目的的应用中，并不特别地对热区和/或冷区温度进行控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超热导原理的换热系统，其采用超热导原理，将所需转移的热量从处于空间限制和/或其它环境条件制约下的热区移出，载热的汽态工质在密闭空间的冷区冷凝，冷凝后的液态工质在重力作用下自动返回所述热区，通过调节与汽态工质换热的冷媒流量以维持密闭空间的压力为设定值，从而实现在大动态范围热交换时热区温度仍保持基本恒定。

类似地，采用超热导原理，将所需热量送至处于空间限制和/或其它环境条件制约下的冷区，汽态工质在所述冷区放热冷凝，冷凝后的液态工质在重力作用下自动流向密闭空间的热区，通过调节与液态工质换热的热媒流量或加热功率以维持密闭空间的压力为设定值，从而实现在大动态范围热交换时冷区温度仍保持基本恒定。

上述发明应用于，特别是实验室环境，以满足换热需求：当目标流体的组成、相态、流量于大范围内变化时，换热系统依然保持高效的换热效率并保持所涉各种物质的稳定性以及避免所涉各流道的畅通。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于超热导原理的换热系统，包含：热交换模块，包含第一罐体与至少一分隔件，所述分隔件将所述第一罐体内部分隔成相互独立的第一腔体与第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体分别用于容置换热介质与目标流体以进行热交换，于热交换过程中，所述换热介质由第一相态转变为第二相态；辅助循环模块，包含第二罐体与加热/制冷装置，所述第二罐体具有第三腔体，所述第二罐体连接于所述第一罐体使得所述第三腔体与所述第一腔体形成密闭空间，第二相态的所述换热介质由所述第一腔体进入所述第三腔体，所述加热/制冷装置固定于所述第二罐体以辅助所述换热介质由第二相态转变为第一相态，第一相态的所述换热介质由所述第三腔体回流入所述第一腔体；控制模块，包含加热器、压力检测器及控制器，所述加热器固定于所述第一罐体以加热所述第一腔体内的换热介质，所述压力检测器设置于所述密闭空间内以检测所述密闭空间内的当前压力值，所述控制器电性连接于所述加热器与所述压力检测器，所述控制器根据其内部的预设压力值与当前压力值控制所述加热器。

本发明实施方式相对于现有技术而言，提供了一种基于超热导原理的换热系统：当目标流体的组分、相态和流量于大范围内变化时，换热系统依然保持高效的换热效率。

优选的，所述控制模块还包含：机械式安全阀，固定于所述辅助循环模块且连通于所述密闭空间，所述机械式安全阀连接于所述密闭空间，当所述当前压力值等于或大于所述机械式安全阀内部的压力阈值时，所述机械式安全阀打开。从而提高了基于超热导原理的换热系统的安全性能。

优选的，所述控制模块还包含：紧急泄压旁路，固定于所述辅助循环模块且连通于所述密闭空间，所述紧急泄压旁路电性连接于所述控制器，当所述控制器接收到的所述当前压力值等于或大于所述预设压力值时，所述控制器控制打开所述紧急泄压旁路。紧急泄压旁路与机械式安全阀形成双保险，进一步提高了基于超热导原理的换热系统的安全性能。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施方式的基于超热导原理的换热系统的示意图；

图2是根据本发明的第一实施方式的基于超热导原理的换热系统的电路框图；

图3是根据本发明的第二实施方式的基于超热导原理的换热系统的示意图；

图4是根据本发明的第二实施方式的基于超热导原理的换热系统的电路框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种基于超热导原理的换热系统，请一并参考图1与图2。基于超热导原理的换热系统1包含热交换模块10、辅助循环模块11以及控制模块12。然而，本发明对此不作任何限制。

于本实施方式中，热交换模块10包含第一罐体101与分隔件102。分隔件102为耐压金属管，其形状可以为图1中所示的蛇形，然而本发明对此不作任何限制，金属管还可以为盘形、列形等。金属管102贯穿第一罐体101并将第一罐体101的内部空间分隔成相互独立的第一腔体S1与第二腔体S2。即，第一腔体S1为金属管102的外壁与第一罐体101形成的空间；第二腔体S2为金属管102的内壁所形成的空间。第一腔体S1用于容置换热介质。金属管102具有第一端102a与第二端102b，目标流体从金属管102的第一端102a流入第二腔体S2并从金属管的第二端102b流出第二腔体S2，容置于第二腔体S2中的目标流体与容置于第一腔体S1中的换热介质进行热交换。于热交换过程中，换热介质由第一相态转变为第二相态，换热介质通过相变吸收或释放的相变潜热以实现超热导换热。

其中，本发明对金属管的数量不作任何限制，金属管的数量对应于形成的第二腔体的数量。当金属管的数量为多个时，形成多路输入流体同时进行热交换。由于多条金属管同时设置于第一腔体S1中，即多条金属管内的输入流体均与第一腔体S1内的换热介质进行热交换，因此，即使多路输入流体各自的组分、相态和流量变化较大时，第一腔体S1内的换热介质仍能平衡温差，使得各条金属管内的输入流体均能保持良好的换热效率。

另外，于其它实施方式中，分隔件还可以为金属板，则第一腔体与第二腔体均为金属板与第一罐体形成的内部空间，第一罐体可以具有两个开口分别连通第二腔体，以供目标流体的流进与流出。

辅助循环模块11包含第二罐体111、连接管道112、加热/制冷装置113及加料管道114。具体而言，第二罐体111内部形成第三空腔S3，第二罐体111通过连接管道112连接于第一罐体101，使得第三空腔S3连通于第一腔体S1。其中，第一罐体101、第二罐体111及连接管道112形成密闭空间，以承受高压。较佳的，第一罐体101、第二罐体111及连接管道112为一体成型，以具有更好的密封性能；然而本实施方式对此不作任何限制，于其它实施方式中，第一罐体101、第二罐体111及连接管道112也可为柔性连接。加热/制冷装置113固定于第二罐体111，以辅助换热介质于该密封空间内循环使用。即，第一空腔S1内的第二相态的换热介质通过连接管道112进入第三空腔S3；加热/制冷装置113用于为第二罐体111加热或制冷，以使得进入第三空腔S3的换热介质由第二相态转变为第一相态；继而，第一相态的换热介质由第三空腔S3进入第一空腔S1，以与第二空腔S2内的目标流体进行热交换。加料管道114连接于第二罐体111，用于添加或者更换换热介质。于实际上的，加料管道的开口处连接有球阀115。当需要添加或者更换换热介质，打开球阀115；否则关闭球阀115以形成密封。

控制模块12包含加热器121、压力检测器122及控制器123。加热器121固定于第一罐体101的外壁，以加热第一腔体S1内的换热介质。压力检测器122设置于密闭空间内以检测密闭空间内的当前压力值，于本实施方式中，压力检测器122固定于连接管道113的内壁，然而本发明对此不作任何限制，压力感测器该可以固定于第一罐体的内壁或者第二罐体的内壁。控制器123电性连接于加热器121与压力检测器122，以根据其内部的预设压力值与当前压力值控制加热器。

具体而言，于超热导换热中，不同的换热介质具有不同的温度-饱和蒸汽压对照表，根据换热介质的不同以及目标流体的目标换热温度获取对应的饱和蒸汽压，并将该饱和蒸汽压设定为控制器123内部的预设压力值。表1所示为乙醇的温度-饱和蒸汽压对照表，具体说明如下。

表1

例如，当换热介质为乙醇，并且目标流体的目标换热温度为80℃～120℃范围中某值时，根据表1给出的数据，查表或简化差分得出该目标换热温度值对应的饱和蒸汽压值，如目标换热温度为100℃，其对应的饱和蒸汽压为0.2253Mpa。即，控制器123内部的预设压力值被设置为0.2253Mpa。

当基于超热导原理的换热系统1初始工作时，控制器123控制加热器121为第一腔体S1内的换热介质加热。换热介质吸热后气化使得密闭空间内的压力不断升高。压力检测器122检测密闭空间内的当前压力值并实时反馈至控制器123。控制器123判断当前压力值与预设压力值的差值是否小于预设误差值，若是，则控制加热器121停止加热，表示密闭空间内的当前压力值能够满足该目标流体的超热导换热的需求，即保持换热介质为饱和气液平衡状态。其中，预设压力控制误差值可以根据目标换热温度允许偏差范围设定，若目标换热温度偏差范围设定较大，则预设误差值可以较大；若标换热温度偏差范围设定较小，则预设误差值也较小。

进一步的，根据超热导换热中换热介质的相变方式的不同，辅助循环模块11与热交换模块10的设置位置亦不同。具体而言，当目标流体需要从高温状态变成低温状态时，换热介质进行气化相变以产生气化相变潜热。据此，辅助循环模块11设置于热交换模块10的上方位置(如图1所示)。因此，换热介质于第一腔体S1中由液态变为气态后，气态的换热介质沿着连接管道112上升进入第三腔体S3；加热/制冷装置113为第二罐体111制冷，使得进入第三腔体S3的气态的换热介质由气态转变为液态；继而，液态的换热介质于重力作用下沿着连接管道112向下流动至第一空腔S1，从而实现循环换热。相反的，当目标流体需要从低温状态变成高温状态时，换热介质进行凝结相变以产生凝结相变潜热。据此，辅助循环模块11设置于热交换模块10的下方位置(图未示出)。因此，换热介质于第一腔体S1中由气态变为液态后，液态的换热介质由于重力作用沿着连接管道112向下流动至第三腔体S3，加热/制冷装置113为第二罐体111加热，使得进入第三腔体S3的液态的换热介质由液态变为气态；继而，气态的换热介质沿着连接管道112上升进入第一空腔S1，从而实现循环换热。

本发明的第二实施方式涉及一种基于超热导原理的换热系统，请一并参考图3与图4。第二实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在本发明第二实施方式中，控制模块12还包含机械式安全阀124，连接于辅助循环模块的第二罐体111。机械式安全阀124处于关闭状态时，第一罐体101、连接管道112、第二罐体111及加料管道114形成密闭空间。机械式安全阀124根据其内部的压力阈值与当前压力值控制动作泄压。具体而言，压力阈值为根据密闭空间的极限承压能力来设定。若当前压力值等于或大于压力阈值，机械式安全阀15打开以释放密闭空间内的气体，从而避免因密闭空间内的压力过大而引起爆炸的危险。

进一步的，控制模块12还包含紧急泄压旁路126，连接于辅助循环模块的加料管道114且连通于密闭空间，并且，紧急泄压旁路126电性连接于控制器123。控制器123根据预设压力值与当前压力值控制紧急泄压旁路打开或关闭。即，若控制器123接收到的当前压力值等于或者大于控制器123内部储存的预设压力值时，控制器123控制打开紧急泄压旁路126。其中，控制器123内部储存的该预设压力值不小于机械式安全阀124内部的压力阈值。从而，当机械式安全阀124已经打开泄压但密闭空间内的压力还是没有得到缓解时，紧急泄压旁路126能够进一步辅助泄压。

进一步的，控制模块12还包含温度检测器125，其固定于连接管道的内壁以检测密闭空间的当前温度值。控制器123电性连接于温度检测器16以接收当前温度值。当控制器123无法接收到当前压力值(即压力检测器出现故障)时，控制器123根据其内部储存的温度阈值与当前温度值控制打开紧急泄压旁路126，还可以同时切断电加热回路并按相关安全规范报警，从而实现安全联锁。本发明对温度检测器的固定位置不作任何限制，于其它实施方式中，温度检测器还可以固定于第一罐体的内壁。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于超热导原理的换热系统，其特征在于，应用于实验室环境，所述换热系统包含：

热交换模块，包含第一罐体与至少一分隔件，所述分隔件将所述第一罐体内部分隔成相互独立的第一腔体与第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体分别用于容置换热介质与目标流体以进行热交换，于热交换过程中，所述换热介质由第一相态转变为第二相态；

辅助循环模块，包含第二罐体与加热/制冷装置，所述第二罐体具有第三腔体，所述第二罐体连接于所述第一罐体使得所述第三腔体与所述第一腔体形成密闭空间，第二相态的所述换热介质由所述第一腔体进入所述第三腔体，所述加热/制冷装置固定于所述第二罐体以辅助所述换热介质由第二相态转变为第一相态，第一相态的所述换热介质由所述第三腔体回流入所述第一腔体；

控制模块，包含加热器、压力检测器及控制器，所述加热器固定于所述第一罐体以加热所述第一腔体内的换热介质，所述压力检测器设置于所述密闭空间内以检测所述密闭空间内的当前压力值，所述控制器电性连接于所述加热器与所述压力检测器，所述控制器根据其内部的预设压力值与当前压力值控制所述加热器；

其中，所述预设压力值表示在密闭空间内，所述目标流体的目标换热温度对应的所述换热介质的饱和蒸汽压。

2.根据权利要求1所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述辅助循环模块还包含连接管道，所述第二罐体通过所述连接管道连接于所述第一罐体，所述第一罐体、所述连接管道及所述第二罐体形成所述密闭空间。

3.根据权利要求2所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述第一罐体、所述连接管道及所述第二罐体为一体成型。

4.据权利要求2所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述控制模块还包含：机械式安全阀，固定于所述辅助循环模块且连通于所述密闭空间，当所述当前压力值等于或大于所述机械式安全阀内部的压力阈值时，所述机械式安全阀打开。

5.据权利要求2所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述控制模块还包含：紧急泄压旁路，固定于所述辅助循环模块且连通于所述密闭空间，所述紧急泄压旁路电性连接于所述控制器，当所述控制器接收到的所述当前压力值等于或大于所述预设压力值时，所述控制器控制打开所述紧急泄压旁路。

6.根据权利要求5所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述控制模块还包含：温度检测器，设置于所述密闭空间内以检测所述密闭空间的当前温度值，所述温度检测器电性连接于所述控制器，所述控制器根据其内部储存的温度阈值、所述当前温度值以及所述当前压力值控制所述紧急泄压旁路。

7.根据权利要求1所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，当所述第一相态为液态且所述第二相态为气态时，所述辅助循环模块设置于所述热交换模块的上方位置，所述加热/制冷装置为所述第二罐体制冷。

8.根据权利要求1所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，当所述第一相态为气态且所述第二相态为液态时，所述辅助循环模块设置于所述热交换模块的下方位置，所述加热/制冷装置为所述第二罐体加热。

9.根据权利要求1所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述分隔件为金属管。

10.根据权利要求9所述的基于超热导原理的换热系统，其特征在于，所述金属管为蛇形、或者盘形、或者列形。