CN106091358B - 一种用于低温流体的加热器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于低温流体的加热器及其应用。本申请用于低温流体的加热器，包括加热筒、加热筒端盖、出液管、进液管、套管和加热层；加热筒为一端开口的圆柱筒，加热筒端盖固定于加热筒开口处，将其密封；出液管和进液管固定在加热筒端盖上，穿透加热筒端盖伸入加热筒中，进液管伸入到加热筒近底端位置，出液管伸入到近开口端的位置；加热层均匀包裹在加热筒外表面，加热筒密封固定在套管内，加热层和套管间具空隙，使用时，该空隙为真空环境。本申请的加热器，结构紧凑、小巧轻便、安装灵活、安全可靠、高效隔热，能够精确地计算和控制低温流体的加热功率，解决了现有低温流体加热器结构复杂、体积庞大的问题，提高了加热效率。
Description
技术领域
本申请涉及低温流体加热领域，特别是涉及一种用于低温流体的加热器及其应用。
背景技术
低温流体，通常是指其沸点低于120开尔文(缩写K)，即约零下153摄氏度，的流体。低温流体加热，与常规的流体加热不同的是，第一，必须要严格控制加热量，加热器提供的热量与低温流体吸收的热量必须是精确计算的；第二，加热必须均匀，否则容易出现低温流体气化，引发压力超压的危险。
公告号为CN 204963158U的中国专利中，就描述了一种常规液体的加热器，液体流经连接在加热器箱体两端的进液管和出液管，加热带可拆装地包裹在加热器箱体的表面，加热器箱体内部安装有平行交错排列的阻流板以增强传热。这种结构的加热器可以用于常规流体加热；但是，如果用于低温流体则不能有效的防止环境向箱体漏热，容易造成低温液体吸收环境热量出现气化进而发生压力超压的危险。
低温流体的沸点低于120K(约负153摄氏度)，而室温环境约20摄氏度(即约293K)，如果像常规液体加热那样，直接将加热器暴露在室温环境中，一方面，加热器内的低温流体会迅速吸收室温环境的热量，当低温液体吸收的热量超过了低温液体的汽化潜热，则低温液体会气化成低温气体。由于低温下液体和气体的密度通常会相差十倍甚至百倍，由此会造成密闭空间内流体的压力迅速上升，进而超过容器允许的工作压力。另一方面，如果加热带直接暴露在室温环境中，一部分加热热量会损失到环境中，从而无法精确的知道低温流体吸收的热量。
对此，日本的一件专利申请JP2010-129368 A中，就描述了一种低温液体电加热器，其将加热管均匀地布置在壳体内，低温流体在壳体内流动，流经加热管外部后被加热，沿着流体流动方向上均匀分布阻流板以增强加热效果。然而，低温流体与加热管接触面积有限，可能出现局部温度过热的显现，加热器内部结构复杂，加热管及阻流板加工工艺复杂；并且，加热器体积较大且必须放置于真空冷箱内，以防止环境漏热，从而造成加热器的使用不便。
发明内容
本申请的目的是提供一种结构改进的用于低温流体的加热器及其应用。
本申请采用了以下技术方案：
本申请公开了一种用于低温流体的加热器，包括加热筒1、加热筒端盖2、出液管3、进液管4、套管6和加热层7；加热筒1为一端开口的细长的圆柱筒，加热筒端盖2固定于加热筒1的开口处，将加热筒1密封；出液管3和进液管4固定在加热筒端盖2上，穿透加热筒端盖2伸入到加热筒1中，并且，进液管4伸入到加热筒1的中下部接近底端的位置，而出液管3伸入到加热筒1的中上部接近开口端的位置；加热层7均匀的包裹在加热筒1的外表面，附着加热层7的加热筒1被密封固定在套管6内，仅出液管3和进液管4伸出在外面，并且，加热层7和套管6之间具有空隙，使用时，该空隙为真空环境。
需要说明的是，本申请的关键在于，将加热筒整体放置在套筒中，并且，两者之间具有空隙，对低温流体进行加热时，该空隙为真空环境；而加热层设计在加热筒外表面。本申请的加热器，第一，避免了室温向低温流体漏热，进而避免了由此造成的压力超压的危险；第二，减小了加热层的热量外泄，以保障低温流体被精确高效加热。其中，出液管3和进液管4伸入加热筒1的位置设计，也是为了更高效的对低温流体进行加热。
优选的，加热层7和套管6之间采用支撑板5隔开，形成空隙。
可以理解，只要加热层7和套管6之间形成空隙即可，采用支撑板5隔开只是其中一种简单有效的方式；当然，为了避免支撑板5进行热量传递，造成加热层热量损失或影响低温流体加热的准确性，本申请优选的方案中，支撑板5采用绝热材料制备。
优选的，出液管3和进液管4上都安装有温度传感器。
需要说明的是，出液管3和进液管4上安装温度传感器，其目的是监测低温流体的温度以及被加热后的情况，以便能够根据低温流体被加热前后的温度进一步计算精确获得被加热的功率，进而根据反馈的情况进一步控制调节加热功率。
优选的，加热层7为电加热元件。
可以理解，电加热元件是加热器中比较常规使用，也是比较容易控制调节的一种加热方式，不排除加热层还可以采用其它加热元件。
优选的，加热筒1和加热筒端盖2都采用导热材料制备。
可以理解，加热层7在加热筒1的外表面，为了给低温流体加热，加热筒1和加热筒端盖2必须采用导热材料制备，至少加热筒1必须采用导热材料制备，本申请的优选方案中，优选采用无氧铜或不锈钢导热材料。
本申请的另一面公开了本申请的加热器在低温流体加热中的应用，这些低温流体包括但不仅限于液氦、液氢、液氧、液氮或液氩。
需要说明的是，本申请的加热器就是针对低温流体加热而设计的，其准确的加热功率控制，尤其适用于各种易燃易爆的危险性高的低温流体。
本申请的再一面公开了本申请的加热器在模拟热冲击的低温流体循环系统中的应用。
本申请公开了一种模拟热冲击的低温流体循环系统，包括冷源11、动力元件12、热冲击模拟元件13和终端用户14；冷源11、动力元件12、热冲击模拟元件13和终端用户14形成封闭式的低温流体循环系统，低温流体在动力元件12的驱动下在循环系统中循环流动；冷源11为循环系统提供冷量，热冲击模拟元件13为本申请的加热器，用于提供热量，模拟终端用户14在工作状态下的产生的热冲击。
需要说明的是，在采用一些大型制冷机作为冷源对一些终端用户进行降温时，终端用户正常运行时会消耗低温流体循环系统中的冷量，该冷量在正常运行时是恒定的；但是，在终端用户突然没有热负荷产生或者热负荷突然发生变化时，热量传递就会失衡，特别是大型的制冷机，通常都是昂贵而精密的设备，热量传递失衡极可能会对其造成损坏。因此，利用本申请的加热器能够准确提供热能的特点，对终端用户的热冲击进行准确模拟，从而避免了前面提到的终端用户突然没有热负荷产生对冷源造成的损坏。
可以理解，本申请中的冷源就是制冷机，特指一些大型的制冷机；而本申请中的低温流体循环系统，实际上就是针对终端用户14的制冷或降温系统。本申请的终端用户14可以是各种大型的需要大型制冷机进行降温或温度控制的设备，在此不做具体限定。
本申请的有益效果在于：
本申请的用于低温流体的加热器，结构紧凑、小巧轻便、安装位置灵活、安全可靠、高效隔热，且加热效率高，能够精确地计算和控制施加给低温流体的加热功率，尤其适用于各种易燃易爆危险的低温流体加热。本申请的低温流体加热器，解决了现有低温流体加热器结构复杂、体积庞大、使用不便等问题，实现了简单而高效的对低温流体进行加热，同时，也提高加热效率。
附图说明
图1是本申请实施例中用于低温流体的加热器的结构示意图；
图2是本申请实施例中低温流体加热器的连接结构示意图；
图3是本申请实施例中模拟热冲击的制冷循环系统结构示意图；
图中1为加热筒、2为加热筒端盖、3为出液管、4为进液管、5为支撑板、6为套管、7为加热层、8和9为低温流体连接管、10为低温流体真空外管、11为冷源、12为动力元件、13为热冲击模拟元件、14为终端用户。
具体实施方式
本申请的用于低温流体的加热器，使用时，在加热层和套管之间的空隙为真空环境，与日本专利申请JP2010-129368 A中的加热器相比，无需将加热器整体置于真空冷箱内，结构紧凑、小巧轻便，容易使用。本申请的加热器采用细长圆柱筒结构的加热筒，加热层均匀的包裹在加热筒外表面，与日本专利布置于内部的加热管相比，本申请的加热器制备更加简单，并且，加热层经过加热筒均匀传递热量给低温流体，与低温流体直接接触加热管的方式相比，加热更加均匀。
本申请的进液管位于加热筒底部，出液管位于加热筒顶部，使用时，低温流体由底板升到顶部后才被排出，在这个过程中，整个加热筒内壁都是加热面积，低温流体受热面积大，无需额外增设阻流板，也能充分实现加热，加热筒内部结构简单。可以理解，在加热层的功率不变的情况下，低温流体流动速度越慢，或加热筒的圆柱筒越长，低温流体在加热筒中的时间越久，接受的热量也越多；当然，也可以通过提高加热层的功率，来提供更多的热量。
本申请的低温流体加热器，真空套筒能够起到良好的隔热效果，使得整个加热器形成一个孤立的系统，加热器不与外界环境进行传热传质，即外界室温既不会向加热器内的低温流体漏热，加热器自身也不会向外界辐射热能，理论上，可以实现加热层的热量能全部被低温流体吸收，提高了加热效率。
下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。
实施例一
本例的用于低温流体的加热器，如图1所示，包括加热筒1、加热筒端盖2、出液管3、进液管4、套管6、支撑板5和加热层7；加热筒1为一端开口的细长的圆柱筒，加热筒端盖2固定于加热筒1的开口处，将加热筒1密封；出液管3和进液管4固定在加热筒端盖2上，穿透加热筒端盖2伸入到加热筒1中，并且，进液管4伸入到加热筒1的中下部接近底端的位置，而出液管3伸入到加热筒1的中上部接近开口端的位置，出液管3和进液管4上都安装有温度传感器；加热层7均匀而紧密的包裹在加热筒1的外表面，附着加热层7的加热筒1被密封固定在套管6内，仅出液管3和进液管4伸出在外面，并且，加热层7和套管6由支撑板5隔开，形成空隙。本例的加热筒1和加热筒端盖2都采用导热材料制备，具体的，本例采用无氧铜或不锈钢制备；而支撑板采用绝热材料制备，具体的，本例采用环氧树脂G-10制备。本例的加热层7为电加热元件，该电加热元件设有电源接头和开关。
本例的低温流体加热器，使用时，如图2所示，加热器的出液管3和进液管4分别与待加热低温流体的低温流体连接管8、9连接，加热器的套管6与低温流体真空外管10连接；连接好并确保加热层7和套管6之间的空隙为真空状态后，将加热层7与电源连接，开启电源开关，控制电加热元件的功率，以对低温流体进行加热。在加热的过程中，通过出液管3和进液管4上安装的温度传感器，监测低温流体的温度以及被加热后的情况，以便能够根据低温流体被加热前后的温度，计算精确获得被加热的功率，进而根据该结果反馈，进一步控制调节加热层的功率。
本例的低温流体加热器，低温流体通过进液管4进入加热器筒1，充满加热器筒1的内部空间，通过加热器筒1的良好导热性能，低温流体充分吸收加热层7的热量，被加热后的流体经出液管3流出加热器。在加热器的进液管4和出液管3的外壁面上，分别设置有温度传感器以监测进出口流体的温度，进而能根据进出口的温度变化情况调整加热层7的加热元件功率。加热层7与套管6之间的空隙为真空环境，一方面防止了低温流体泄漏至环境中，另一方面能有效地隔绝环境漏热对低温流体的影响，从而实现低温流体在加热器中安全高效地被加热。由于加热层7外是真空环境，一方面能减小加热元件的热量损失，另一方面能有效的避免室温环境向低温流体的漏热，从而保证低温流体只吸收加热元件的热量，因此，可以被准确、高效的加热。
实施例二
本例将实施例一的低温流体加热器应用于模拟热冲击的低温流体循环系统，本例的模拟热冲击的低温流体循环系统，如图3所示，包括冷源11、动力元件12、热冲击模拟元件13和终端用户14，冷源11、动力元件12、热冲击模拟元件13和终端用户14形成封闭式的低温流体循环系统，低温流体在动力元件12的驱动下在循环系统中循环流动。其中，热冲击模拟元件13即为实施例一的低温流体加热器，用于给低温流体提供热量，模拟终端用户14在工作状态下的产生的热冲击；冷源11为循环系统提供冷量。
本例的低温流体为低温液氮，终端用户14在没有进入工作模式也就没有热冲击。采用低温流体电加热器模拟热冲击，即通过电加热器精确控制施加给低温流体的加热功率，模拟热冲击造成低温流体吸收热负荷而出现温升的情况，使得低温流体循环系统的整体冷量需求恒定，从而保证了冷源11的稳定运行。对于采用大型制冷机作为冷源的低温流体循环系统，采用低温流体电加热器进行模拟，能够避免冷量需求波动对于大型制冷机的冲击。
例如，当低温流体循环系统运行时，终端用户会消耗一定的冷量，即热冲击，如600W。再加上低温流体循环系统自身漏热的热负荷，如800W，低温流体循环系统的整体热负荷为1400W。当大型制冷机正常运行时，其提供的冷量是一定的，即1400W。若终端用户突然没有热负荷产生时，大型制冷机仍然提供1400W的冷量，而低温流体循环系统的整体热负荷仅有800W，热量传递无法平衡。此时，开启低温流体电加热器，施加600W的加热功率，则低温流体循环系统仍能保持1400W的热负荷，从而大型制冷机的运行工况不会发生变化，有效地避免了热负荷的变化，即冷量需求波动，对于大型制冷机的冲击。大型制冷机通常有昂贵的精密设备如透平，如果短时间内制冷机负载的热负荷大幅度波动，透平的运行会失稳，可能会发生损坏，因此大型制冷机通常要求稳定运行。
本例具体的，在中子慢化器中进行了试验，即以终端用户为中子慢化器。当有中子束流时，中子慢化器内会有热负荷产生。当没有中子束流时，中子慢化器不会有热负荷产生，此时为避免制冷机的运行受到干扰，采用实施例一的加热器施加热负荷来进行平衡。由于采用了实施例一的低温流体加热器，使得中子慢化器的低温流体循环系统运行稳定，有效的避免了制冷机因热冲击而造成损坏。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于低温流体的加热器，其特征在于：包括加热筒(1)、加热筒端盖(2)、出液管(3)、进液管(4)、套管(6)和加热层(7)；
所述加热筒(1)为一端开口的细长的圆柱筒，所述加热筒端盖(2)固定于所述加热筒(1)的开口处，将加热筒(1)密封；
所述出液管(3)和进液管(4)固定在所述加热筒端盖(2)上，穿透加热筒端盖(2)伸入到所述加热筒(1)中，并且，所述进液管(4)伸入到所述加热筒(1)的中下部接近底端的位置，而所述出液管(3)伸入到所述加热筒(1)的中上部接近开口端的位置；
所述加热层(7)均匀的包裹在所述加热筒(1)的外表面，附着加热层(7)的加热筒(1)被密封固定在所述套管(6)内，仅所述出液管(3)和进液管(4)伸出在外面，并且，加热层(7)和套管(6)之间具有空隙，使用时，该空隙为真空环境。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于：加热层(7)和套管(6)之间采用支撑板(5)隔开，形成空隙。
3.根据权利要求2所述的加热器，其特征在于：所述支撑板(5)采用绝热材料制备。
4.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于：所述出液管(3)和进液管(4)上都安装有温度传感器。
5.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于：所述加热层(7)为电加热元件。
6.根据权利要求1-5任一项所述的加热器，其特征在于：所述加热筒(1)和加热筒端盖(2)都采用导热材料制备。
7.根据权利要求6所述的加热器，其特征在于：所述导热材料包括但不仅限于无氧铜或不锈钢。
8.根据权利要求1-7任一项所述的加热器在低温流体加热中的应用，所述低温流体包括但不仅限于液氦、液氢、液氧、液氮或液氩。
9.根据权利要求1-7任一项所述的加热器在模拟热冲击的低温流体循环系统中的应用。
10.一种模拟热冲击的低温流体循环系统，其特征在于：包括冷源(11)、动力元件(12)、热冲击模拟元件(13)和终端用户(14)；
所述冷源(11)、动力元件(12)、热冲击模拟元件(13)和终端用户(14)形成封闭式的低温流体循环系统，低温流体在所述动力元件(12)的驱动下在循环系统中循环流动；
所述冷源(11)为循环系统提供冷量，所述热冲击模拟元件(13)为权利要求1-7任一项所述的加热器，用于提供热量，模拟所述终端用户(14)在工作状态下的产生的热冲击。
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| CN201610591667.2A CN106091358B (zh) | 2016-07-25 | 2016-07-25 | 一种用于低温流体的加热器及其应用 |
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-
2016
- 2016-07-25 CN CN201610591667.2A patent/CN106091358B/zh active Active
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