CN106767064B - 一种高效节能型无菌热管能量回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源与动力工程技术领域，涉及一种高效节能型无菌热管能量回收装置，将原料容器、最后一个热管子系统的冷凝段、卡箍、180度弯头、第一个热管子系统的冷凝段、加热灌、热管子系统的输气管、冷溶液泵、热管子系统的回液管、灭菌前冷溶液流动子系统、热管子系统的回液管管束、输运泵、热管子系统的输气管管束、冷却灌、最后一个热管子系统的蒸发段、第一个热管子系统的蒸发段、备用加热灌、热溶液泵、套管换热器内管和套管换热器外管连接为一体，包括灭菌前冷溶液流动子系统、灭菌后热溶液流动子系统和热管工质循环子系统三个子系统；节能效果好，方便拆装，避免了交叉污染，其结构设计科学合理，便于推广应用，应用环境友好。
Description
技术领域：
本发明属于能源与动力工程技术领域，涉及一种高效节能型无菌热管能量回收装置，特别是一种将高效节能的热管技术应用于医药与食品等有无菌要求的工业领域的能量回收系统。
背景技术：
制药和食品等行业对某些产品的生产工程都有高温灭菌工艺的要求，该工艺过程一般都是将处于室温的产品用蒸汽或电能加热到110℃左右，保温一段时间以完成灭菌过程后，再用制冷系统提供的冷冻水将灭菌后的产品冷却到室温，然后再进行下一个工艺；而这个加热和冷却的过程会消耗大量的热量和冷却水，运行成本高，经济效益低，不利于节能环保；灭菌后处于110℃的产品的能量可以用于加热灭菌前处于室温的产品，既可以降低加热过程中蒸汽或电能的消耗量，还能够减少冷却过程中冷冻水的消耗量，具有很好的节能效果。制药和食品等行业对某些产品都要求必须采用无菌换热设备，必须严格避免灭菌前与灭菌后的产品相接触，必须做到无卫生死角，以防交叉污染，但是目前难以找到能够满足这些要求的能量回收装置。因此，寻求设计一种高效节能型无菌热管能量回收装置，产品的能量可以用于加热灭菌前处于室温的产品，降低加热过程中蒸汽或电能的消耗量，减少冷冻水的消耗量，设置卡箍和180度弯头，方便拆装，保证生产和清洗无死角，达到无菌要求，灭菌前与灭菌后的溶液分别在不同管道中流动，完全避免了交叉污染。
发明内容：
本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，提出设计一种高效节能型无菌热管能量回收装置，解决普通高温消毒系统能量消耗大、冷冻水消耗量大的问题，解决普通套管式换热器存在无法处理的焊接点和死角的问题，避免灭菌前与灭菌后的溶液在同一换热器换热板两侧流动存在交叉污染的可能。
为了实现上述发明目的，本发明涉及的高效节能型无菌热管能量回收装置，其主体结构包括：将原料容器、最后一个热管子系统的冷凝段、卡箍、180度弯头、第一个热管子系统的冷凝段、加热灌、热管子系统的输气管、冷溶液泵、热管子系统的回液管、灭菌前冷溶液流动子系统、热管子系统的回液管管束、输运泵、热管子系统的输气管管束、冷却灌、最后一个热管子系统的蒸发段、第一个热管子系统的蒸发段、备用加热灌、热溶液泵、套管换热器内管和套管换热器外管连接为一体，其冷凝段的数量为2～500，蒸发段的数量与冷凝段的数量相同，构成的高效节能型无菌热管能量回收装置，包括灭菌前冷溶液流动子系统、灭菌后热溶液流动子系统和热管工质循环子系统三个子系统。
本发明涉及的灭菌前冷溶液流动子系统，其主体结构包括：原料容器、最后一个热管子系统的冷凝段、卡箍、180度弯头、第一个热管子系统的冷凝段、加热灌、热管子系统的输气管、冷溶液泵、热管子系统的回液管、套管换热器内管和套管换热器外管；冷溶液泵的一端通过管路与原料容器的底部出口相连通，冷溶液泵的另一端通过管路与最后一个热管子系统的冷凝段的套管换热器内管相连通，套管换热器内管的外面套有套管换热器外管，套管换热器外管的两端与套管换热器内管的外壁之间密封形成环形空间，套管换热器外管与热管子系统的输气管和热管子系统的回液管相连通；每相邻两个冷凝段的套管换热器内管之间通过180度弯头相连通，并通过卡箍加紧固定在一起，第一个热管子系统的冷凝段的一端与加热灌的输入口相连通，热管子系统的冷凝段的数量为2～500。
本发明涉及的灭菌后热溶液流动子系统，其主体结构包括：备用加热灌、输运泵、热溶液泵、第一个热管子系统的蒸发段、卡箍、180度弯头、最后一个热管子系统的蒸发段、套管换热器内管、套管换热器外管、热管子系统的输气管、热管子系统的回液管和冷却灌；备用加热灌的入口通过输运泵与加热灌的出口相连通，备用加热灌的出口通过热溶液泵与第一个热管子系统的蒸发段的套管换热器内管相连通，套管换热器内管的外面套有套管换热器外管，套管换热器外管的两端与套管换热器内管的外壁之间密封形成环形空间，套管换热器外管与热管子系统的输气管和热管子系统的回液管相连通；每相邻两个蒸发段的套管换热器内管之间通过180度弯头相连通，并通过卡箍加紧固定在一起；最后一个热管子系统的蒸发段的一端与冷却灌的输入口相连通，热管子系统的蒸发段与冷凝段的数量相同。
本发明涉及的热管工质循环子系统，其主体结构包括：第一个热管子系统的蒸发段、第一个热管子系统的冷凝段、热管子系统的回液管、热管子系统的输气管、最后一个热管子系统的蒸发段、最后一个热管子系统的冷凝段、第一和最后一个热管子系统的蒸发段之间的其余蒸发段、第一和最后一个热管子系统的冷凝段之间的其余冷凝段；第一个热管子系统的蒸发段和第一个热管子系统的冷凝段通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相连通，构成第一个热管工质循环子系统；最后一个热管子系统的蒸发段和最后一个热管子系统的冷凝段通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相连通，构成最后一个热管工质循环子系统；其余的蒸发段和其余的冷凝段数量相同，分别一一对应并通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相连通，构成其余热管工质循环子系统；热管工质循环子系统的数量与冷凝段的数量相同；所有的热管子系统的回液管构成热管子系统的回液管管束，所有的热管子系统的输气管构成热管子系统的输气管管束，热管子系统的回液管管束和热管子系统的输气管管束将灭菌前冷溶液流动子系统冷凝段的环形空间和灭菌后热溶液流动子系统蒸发段的环形空间一一对应相连通，构成热管工质循环子系统。
本发明涉及的高效节能型无菌热管能量回收装置，实现能量回收的过程是：将每个热管工质循环子系统都抽空后，分别充入适量的热管循环工质，在原料容器内有冷溶液、备用加热灌内有热溶液的前提下开始工作：同时启动冷溶液泵和热溶液泵，热溶液泵将完成高温灭菌过程的热溶液从备用加热灌中抽出并依次送入第一个热管子系统的蒸发段和最后一个热管子系统的蒸发段，被蒸发段内的热管工质冷却到一定程度后，进入冷却灌，在冷却灌中被冷却介质进一步冷却到要求的温度，完成冷却过程；冷溶液泵将冷溶液从原料容器中抽出并依次送入最后一个热管子系统的冷凝段和第一个热管子系统的冷凝段，被冷凝段内的热管工质加热到一定程度后，进入加热灌，在加热灌中被加热介质进一步加热到要求的灭菌温度，保持0.5～6小时后，完成高温灭菌过程，完成灭菌后的热溶液通过输运泵送入备用加热灌；第一个热管子系统的蒸发段和第一个热管子系统的冷凝段通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相互连接为第一个热管工质循环子系统，第一个热管子系统的蒸发段中的液态热管工质吸收热溶液的热量后相变为气体状态，气体状态的热管工质由热管子系统的输气管进入第一个热管子系统的冷凝段，在第一个热管子系统的冷凝段内，气体状态的热管工质被冷溶液冷却相变为液体状态，液体状态的热管工质在重力作用下由热管子系统的回液管再次返回到第一个热管子系统的蒸发段，如此循环，连续不断地将热溶液的热量传递给冷溶液，实现高效的能量回收。
本发明涉及的卡箍、180度弯头和套管换热器内管的材料为316或304不锈钢；各蒸发段或冷凝段之间通过180度弯头相连通，用卡箍固定连接，便于清洗与拆装，便于每个部件加工过程中进行全方位表面处理，保证无死角区域。
本发明涉及的热管子系统的蒸发段与冷凝段在实际布置时，冷凝段所在的高度高于蒸发段所在的高度100～1000mm，保证冷凝段冷凝的热管工质能够在重力作用下能够顺利流入蒸发段，实现热管工质的循环过程。
本发明涉及的热管子系统的蒸发段与冷凝段在实际布置时，可以是垂直布置(即管中心线与水平面成90度)，也可以是按10～80度角度倾斜布置，具体布置方式可根据换热器的整体布局来确定。
本发明与现有技术相比，降低加热过程中蒸汽或电能的消耗量，减少冷却过程中冷冻水的消耗量，节能效果好；采用卡箍和180度弯头连接，方便拆装，保证生产和清洗无死角，满足无菌要求；灭菌前与灭菌后的溶液分别在不同管道中流动，避免了交叉污染；其结构设计科学合理，拆装方便，便于推广应用，应用环境友好。
附图说明：
图1是本发明的整体结构原理示意图。
图2是本发明的热管工质循环子系统的整体结构原理示意图。
图3是本发明的蒸发段和冷凝段的整体结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的高效节能型无菌热管能量回收装置，将原料容器1、最后一个热管子系统的冷凝段2、卡箍3、180度弯头4、第一个热管子系统的冷凝段5、加热灌6、热管子系统的输气管7、冷溶液泵8、热管子系统的回液管9、灭菌前冷溶液流动子系统10、热管子系统的回液管管束11、输运泵12、热管子系统的输气管管束13、冷却灌14、最后一个热管子系统的蒸发段15、第一个热管子系统的蒸发段16、备用加热灌17、热溶液泵19、套管换热器内管21和套管换热器外管22连接为一体，其冷凝段的数量为2～500，蒸发段的数量与冷凝段的数量相同，构成的高效节能型无菌热管能量回收装置，包括灭菌前冷溶液流动子系统10、灭菌后热溶液流动子系统18和热管工质循环子系统20三个子系统。
本实施例涉及的灭菌前冷溶液流动子系统10，其主体结构包括：原料容器1、最后一个热管子系统的冷凝段2、卡箍3、180度弯头4、第一个热管子系统的冷凝段5、加热灌6、热管子系统的输气管7、冷溶液泵8、热管子系统的回液管9、套管换热器内管21和套管换热器外管22；冷溶液泵8的一端通过管路与原料容器1的底部出口相连通，冷溶液泵8的另一端通过管路与最后一个热管子系统的冷凝段2的套管换热器内管21相连通，套管换热器内管21的外面套有套管换热器外管22，套管换热器外管22的两端与套管换热器内管21的外壁之间密封形成环形空间，套管换热器外管22与热管子系统的输气管7和热管子系统的回液管9相连通；每相邻两个冷凝段的套管换热器内管21之间通过180度弯头4相连通，并通过卡箍3加紧固定在一起，第一个热管子系统的冷凝段5的一端与加热灌6的输入口相连通，热管子系统的冷凝段的数量为2～500。
本实施例涉及的灭菌后热溶液流动子系统18，其主体结构包括：备用加热灌17、输运泵12、热溶液泵19、第一个热管子系统的蒸发段16、卡箍3、180度弯头4、最后一个热管子系统的蒸发段15、套管换热器内管21、套管换热器外管22、热管子系统的输气管7、热管子系统的回液管9和冷却灌14；备用加热灌17的入口通过输运泵12与加热灌6的出口相连通，备用加热灌17的出口通过热溶液泵19与第一个热管子系统的蒸发段16的套管换热器内管21相连通，套管换热器内管21的外面套有套管换热器外管22，套管换热器外管22的两端与套管换热器内管21的外壁之间密封形成环形空间，套管换热器外管22与热管子系统的输气管7和热管子系统的回液管9相连通；每相邻两个蒸发段的套管换热器内管21之间通过180度弯头4相连通，并通过卡箍3加紧固定在一起；最后一个热管子系统的蒸发段15的一端与冷却灌14的输入口相连通，热管子系统的蒸发段与冷凝段的数量相同。
本实施例涉及的热管工质循环子系统20，其主体结构包括：第一个热管子系统的蒸发段16、第一个热管子系统的冷凝段5、热管子系统的回液管9、热管子系统的输气管7、最后一个热管子系统的蒸发段15、最后一个热管子系统的冷凝段2、第一和最后一个热管子系统的蒸发段之间的其余蒸发段、第一和最后一个热管子系统的冷凝段之间的其余冷凝段；第一个热管子系统的蒸发段16和第一个热管子系统的冷凝段5通过热管子系统的回液管9和热管子系统的输气管7相连通，构成第一个热管工质循环子系统；最后一个热管子系统的蒸发段15和最后一个热管子系统的冷凝段2通过热管子系统的回液管9和热管子系统的输气管7相连通，构成最后一个热管工质循环子系统；其余的蒸发段和其余的冷凝段数量相同，分别一一对应并通过热管子系统的回液管9和热管子系统的输气管7相连通，构成其余热管工质循环子系统；热管工质循环子系统的数量与冷凝段的数量相同；所有的热管子系统的回液管9构成热管子系统的回液管管束11，所有的热管子系统的输气管7构成热管子系统的输气管管束13，热管子系统的回液管管束11和热管子系统的输气管管束13将灭菌前冷溶液流动子系统10冷凝段的环形空间和灭菌后热溶液流动子系统18蒸发段的环形空间一一对应相连通，构成热管工质循环子系统20。
本实施例涉及的高效节能型无菌热管能量回收装置，实现能量回收的过程是：将每个热管工质循环子系统20都抽空后，分别充入适量的热管循环工质，在原料容器1内有冷溶液、备用加热灌17内有热溶液的前提下开始工作：同时启动冷溶液泵8和热溶液泵19，热溶液泵19将完成高温灭菌过程的热溶液从备用加热灌17中抽出并依次送入第一个热管子系统的蒸发段16和最后一个热管子系统的蒸发段15，被蒸发段内的热管工质冷却到一定程度后，进入冷却灌14，在冷却灌14中被冷却介质进一步冷却到要求的温度，完成冷却过程；冷溶液泵8将冷溶液从原料容器1中抽出并依次送入最后一个热管子系统的冷凝段2和第一个热管子系统的冷凝段5，被冷凝段内的热管工质加热到一定程度后，进入加热灌6，在加热灌6中被加热介质进一步加热到要求的灭菌温度，保持0.5～6小时后，完成高温灭菌过程，完成灭菌后的热溶液通过输运泵12送入备用加热灌17；第一个热管子系统的蒸发段16和第一个热管子系统的冷凝段5通过热管子系统的回液管9和热管子系统的输气管7相互连接为第一个热管工质循环子系统20，第一个热管子系统的蒸发段16中的液态热管工质吸收热溶液的热量后相变为气体状态，气体状态的热管工质由热管子系统的输气管7进入第一个热管子系统的冷凝段5，在第一个热管子系统的冷凝段5内，气体状态的热管工质被冷溶液冷却相变为液体状态，液体状态的热管工质在重力作用下由热管子系统的回液管9再次返回到第一个热管子系统的蒸发段16，如此循环，连续不断地将热溶液的热量传递给冷溶液，实现高效的能量回收。
本实施例涉及的卡箍3、180度弯头4和套管换热器内管21的材料为316或304不锈钢；各蒸发段或冷凝段之间通过180度弯头4相连通，用卡箍3固定连接，便于清洗与拆装，便于每个部件加工过程中进行全方位表面处理，保证无死角区域。
本实施例涉及的热管子系统的蒸发段与冷凝段在实际布置时，冷凝段所在的高度高于蒸发段所在的高度100mm，保证冷凝段冷凝的热管工质能够在重力作用下能够顺利流入蒸发段，实现热管工质的循环过程。
本实施例涉及的热管子系统的蒸发段与冷凝段相互垂直布置，即管中心线与水平面成90度。
实施例2：
本实施例涉及的高效节能型无菌热管能量回收装置的主体结构同实施例1所述，在使用时，将备用加热灌17内热溶液的温度控制在110℃，原料容器1内冷溶液的温度为20℃，经过本发明的能量回收装置后，热溶液的温度由110℃温度降低为50℃，而冷溶液的温度由20℃上升为80℃；在此基础上，在加热灌6内只把80℃加热到110℃便可，节约了(80-20)/(110-20)＝66.66％的加热量，而同时在冷却灌内，只把50℃冷却到25℃便可，节约了(110-50)/(110-25)＝70.59％的冷量；可见，本实施例实施后节能效果非常显著，能够大幅度降低生产过程的运行费用，节约成本，产生重大的经济效益。
本实施例涉及的热管子系统的蒸发段与冷凝段在实际布置时，冷凝段所在的高度高于蒸发段所在的高度1000mm，保证冷凝段冷凝的热管工质能够在重力作用下能够顺利流入蒸发段，实现热管工质的循环过程。
本实施例涉及的热管子系统的蒸发段与冷凝段按10～80度角度倾斜布置。
Claims (4)
1.一种高效节能型无菌热管能量回收装置，其特征在于该装置包括灭菌前冷溶液流动子系统、灭菌后热溶液流动子系统、热管子系统的回液管管束、热管子系统的输气管管束和热管工质循环子系统；灭菌前冷溶液流动子系统、灭菌后热溶液流动子系统、热管子系统的回液管管束、热管子系统的输气管管束和热管工质循环子系统连接为一体；
所述的灭菌前冷溶液流动子系统，其主体结构包括：原料容器、最后一个热管子系统的冷凝段、卡箍、180度弯头、第一个热管子系统的冷凝段、加热罐、热管子系统的输气管、冷溶液泵、热管子系统的回液管、套管换热器内管和套管换热器外管；冷溶液泵的一端通过管路与原料容器的底部出口相连通，冷溶液泵的另一端通过管路与最后一个热管子系统的冷凝段的套管换热器内管相连通，套管换热器内管的外面套有套管换热器外管，套管换热器外管的两端与套管换热器内管的外壁之间密封形成环形空间，套管换热器外管与热管子系统的输气管和热管子系统的回液管相连通；每相邻两个冷凝段的套管换热器内管之间通过180度弯头相连通，并通过卡箍加紧固定在一起，第一个热管子系统的冷凝段的一端与加热罐的输入口相连通，热管子系统的冷凝段的数量为2～500；
所述的灭菌后热溶液流动子系统，其主体结构包括：备用加热罐、输运泵、热溶液泵、第一个热管子系统的蒸发段、卡箍、180度弯头、最后一个热管子系统的蒸发段、套管换热器内管、套管换热器外管、热管子系统的输气管、热管子系统的回液管和冷却罐；备用加热罐的入口通过输运泵与加热罐的出口相连通，备用加热罐的出口通过热溶液泵与第一个热管子系统的蒸发段的套管换热器内管相连通，套管换热器内管的外面套有套管换热器外管，套管换热器外管的两端与套管换热器内管的外壁之间密封形成环形空间，套管换热器外管与热管子系统的输气管和热管子系统的回液管相连通；每相邻两个蒸发段的套管换热器内管之间通过180度弯头相连通，并通过卡箍加紧固定在一起；最后一个热管子系统的蒸发段的一端与冷却罐的输入口相连通，热管子系统的蒸发段与冷凝段的数量相同；
所述的热管工质循环子系统，其主体结构包括：第一个热管子系统的蒸发段、第一个热管子系统的冷凝段、热管子系统的回液管、热管子系统的输气管、最后一个热管子系统的蒸发段、最后一个热管子系统的冷凝段、第一和最后一个热管子系统的蒸发段之间的其余蒸发段、第一和最后一个热管子系统的冷凝段之间的其余冷凝段；第一个热管子系统的蒸发段和第一个热管子系统的冷凝段通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相连通，构成第一个热管工质循环子系统；最后一个热管子系统的蒸发段和最后一个热管子系统的冷凝段通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相连通，构成最后一个热管工质循环子系统；其余的蒸发段和其余的冷凝段数量相同，分别一一对应并通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相连通，构成其余热管工质循环子系统；热管工质循环子系统的数量与冷凝段的数量相同；所有的热管子系统的回液管构成热管子系统的回液管管束，所有的热管子系统的输气管构成热管子系统的输气管管束，热管子系统的回液管管束和热管子系统的输气管管束将灭菌前冷溶液流动子系统冷凝段的环形空间和灭菌后热溶液流动子系统蒸发段的环形空间一一对应相连通，构成热管工质循环子系统。
2.根据权利要求1所述的一种高效节能型无菌热管能量回收装置，其特征在于所述的卡箍、180度弯头和套管换热器内管的材料为316或304不锈钢；各蒸发段或冷凝段之间通过180度弯头相连通，用卡箍固定连接，便于清洗与拆装，便于每个部件加工过程中进行全方位表面处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种高效节能型无菌热管能量回收装置，其特征在于所述的热管子系统的冷凝段所在的高度高于蒸发段所在的高度100～1000mm，保证冷凝段冷凝的热管工质能够在重力作用下能够顺利流入蒸发段，实现热管工质的循环过程；所述的热管子系统的蒸发段与冷凝段在实际布置时，采用垂直布置，即管中心线与水平面成90度，或者按10～80度角度倾斜布置。
4.根据权利要求3所述的一种高效节能型无菌热管能量回收装置，其特征在于高效节能型无菌热管能量回收装置的实现能量回收的过程是：将每个热管工质循环子系统都抽空后，分别充入适量的热管工质，在原料容器内有冷溶液、备用加热罐内有热溶液的前提下开始工作：同时启动冷溶液泵和热溶液泵，热溶液泵将完成高温灭菌过程的热溶液从备用加热罐中抽出并依次送入第一个热管子系统的蒸发段和最后一个热管子系统的蒸发段，被蒸发段内的热管工质冷却到一定程度后，进入冷却罐，在冷却罐中被冷却介质进一步冷却到要求的温度，完成冷却过程；冷溶液泵将冷溶液从原料容器中抽出并依次送入最后一个热管子系统的冷凝段和第一个热管子系统的冷凝段，被冷凝段内的热管工质加热到一定程度后，进入加热罐，在加热罐中被加热介质进一步加热到要求的灭菌温度，保持0.5～6小时后，完成高温灭菌过程，完成灭菌后的热溶液通过输运泵送入备用加热罐；第一个热管子系统的蒸发段和第一个热管子系统的冷凝段通过热管子系统的回液管和热管子系统的输气管相互连接为第一个热管工质循环子系统，第一个热管子系统的蒸发段中的液态热管工质吸收热溶液的热量后相变为气体状态，气体状态的热管工质由热管子系统的输气管进入第一个热管子系统的冷凝段，在第一个热管子系统的冷凝段内，气体状态的热管工质被冷溶液冷却相变为液体状态，液体状态的热管工质在重力作用下由热管子系统的回液管再次返回到第一个热管子系统的蒸发段，如此循环，连续不断地将热溶液的热量传递给冷溶液，实现高效的能量回收。
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