CN108105993B - 一种低温负压加热器及其设计方法 - Google Patents

一种低温负压加热器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种低温负压加热器，包括外壳和设于外壳内并依次串联连接的第一级加热器、连接管道和第二级加热器，第一级加热器的一端设有流体入口，第二级加热器的一端设有流体出口；第一级加热器内设有流道，每条流道的相对两侧的侧壁设有加热棒，且第一级加热器的流道内的加热棒交错对称设置；第二级加热器的结构和第一级加热器的结构相同。上述低温负压加热器通过将两级加热器串联并缩短连接管道及其他辅助管道的长度，减少了工质流动距离从而减小流动沿程损失，降低压降损失。采用加热棒交错对称布置的形式，降低了温度分布不均匀的情况，减少了损失，且可以减少加热棒的数量，减少了流动损失。此外，还提供一种上述低温负压加热器设计方法。

Description

一种低温负压加热器及其设计方法
技术领域
本发明涉及制冷装置技术领域，尤其涉及一种低温负压加热器及其设计方法。
背景技术
随着我国大科学装置的不断发展，提供稳定的低温环境成为一种必需环节，大型低温制冷装置系统可以提供大制冷量的稳定输出，能够满足这种需求。在该系统的测试平台中，需要在负压的条件下，对从冷箱中流出的冷工质加热到额定温度，保证系统的顺利运行。
对于小流量负压加热器，常常采用多圆形管道并联的方式，单级加热器布置形式，直接将工质加热到额定温度，冷工质在管道内流动，管壁作为热源对其进行加热，这样的系统简单紧凑。对于大流量的工况，多圆形管道并联的方式中工质的流动状态很容易从层流转变为湍流，造成压降增大。
对于大流量负压加热器，常常采用横截面为矩形的多管道并联方式；为便于控制，常采用多级加热器串联的布置形式，工质在管道内流动，设置加热棒对冷工质加热。对于这种方式来说，由于加热棒的存在，无法使整个流道拥有均匀的加热温度，靠近加热棒的工质温度高，远离加热棒的工质温度低，导致流道内工质温度分布不均匀，造成较大的损失。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种适用于大流量的，加热温度均匀，压降小，损失小的低温负压加热器及其设计方法。
一种低温负压加热器，包括外壳、第一级加热器、第二级加热器和连接管道，所述第一级加热器、所述第二级加热器和所述连接管道均设于所述外壳内，所述第一级加热器的一端、所述第二级加热器的一端通过所述连接管道连通，所述第一级加热器的另一端设有流体入口，所述流体入口伸出所述外壳，所述第二级加热器的另一端设有流体出口，所述流体出口伸出所述外壳；
所述第一级加热器内设有流道，每条所述流道的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒，且所述第一级加热器的流道内的所述加热棒交错对称设置；
所述第二级加热器的结构和所述第一级加热器的结构相同。
在一个实施例中，所述外壳设有第一安装口和第二安装口，所述第一级加热器通过第一连接导杆吊装在第一上端法兰上，所述第一上端法兰固定在所述第一安装口，所述第二级加热器通过第二连接导杆吊装在第二上端法兰上，所述第二上端法兰固定在所述第二安装口。
在一个实施例中，所述第一级加热器与所述第一上端法兰之间设有第一隔热屏，所述第二级加热器与所述第二上端法兰之间设有第二隔热屏。
在一个实施例中，所述第一级加热器设有第一引线，所述第一引线伸出所述第一上端法兰，所述第一引线和所述第一级加热器的加热棒连接；所述第二级加热器设有第二引线，所述第二引线伸出所述第二上端法兰，所述第二引线和所述第二级加热器的加热棒连接。
在一个实施例中，还包括温度传感器、温度采集系统和温度控制系统，所述流体入口、所述第一级加热器的出口、所述第二级加热器的进口和所述流体出口均设有所述温度传感器，所述温度传感器和所述温度采集系统连接，所述温度采集系统和所述温度控制系统连接，所述第一级加热器的加热棒和所述第二级加热器的加热棒均与所述温度控制系统连接。
在一个实施例中，每条所述流道内的加热棒的数量为两条，两条所述加热棒分别固定设于所述流道的相对两侧的侧壁上。
在一个实施例中，所述加热棒包括铜管和加热丝，所述加热丝设于所述铜管内部，所述铜管焊接于所述流道的内壁。
一种低温负压加热器的设计方法，包括如下步骤：
S1、设计要求参数；
S2、计算第一级加热器和第二级加热器所需总加热功率；
S3、计算第一级加热器和第二级加热器的流道数目和尺寸；
S4、计算第一级加热器和第二级加热器内的加热棒功率及每条流道的长度；
S5、设计第一级加热器和第二级加热器内的加热棒安装位置及压降计算；
S6、判断第一级加热器和第二级加热器流体出口处温度是否满足要求，若流体出口处温度不满足要求，则回到S3，若流体出口处温度满足要求，则进入下一步；
S8、判断第一级加热器和第二级加热器的流道的压降是否满足要求，若压降不满足要求，则回到S3；若压降满足要求，则进入下一步；
S9、设计连接管路、流体入口管路和流体出口管路。
在一个实施例中，所述参数包括进口压力、流体的初始温度、流体加热后温度和流体的最大流量。
在一个实施例中，S3中，计算流道数目和尺寸时，为减少熵增，保证每一个流道拥有相同的流动状态和进出口温度，使加热器每个流道内加热功率一致，使每个流道内具有相同的加热棒数目；冷工质流量保持一致，冷工质平均流入每个流道内，保证每个流道具有相等的水力直径。
上述低温负压加热器通过选择适合大流量变工况的两级加热器串联的形式，缩短连接管道及其他辅助管道的长度，减少了工质流动距离从而减小流动沿程损失，降低压降损失。采用加热棒交错对称布置的形式，可以采用较少加热棒，在每个流道内减少了加热棒数量，减少了流动损失，减小了法兰密封的困难，采用加热棒交错对称布置的形式，降低了冷工质经过第一加热器和第二加热器温度分布不均匀的情况，减少了损失。
上述低温负压加热器设计方法，采用先整体结构后局部细节、先重要部件后辅助部件的设计思路，利用简化模型对设计方案进行数值模拟，留有足够余量，满足工程要求。
附图说明
图1为一实施方式的低温负压加热器的结构示意图；
图2是一实施方式的第一级加热器的横截面结构示意图；
图3是一实施方式的加热功率控制流程图；
图4是一实施方式的低温负压加热器的设计方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施方式的低温负压加热器100，包括外壳10、第一级加热器20、第二级加热器30和连接管道40。
第一级加热器20、第二级加热器30和连接管道40均设于外壳10内。第一级加热器20的一端、第二级加热器30的一端通过连接管道40连通。具体的，如图1所示，第一级加热器20、连接管道40和第二级加热器30呈U型设置。
第一级加热器20的另一端设有流体入口50，流体入口50伸出外壳10。第二级加热器30的另一端设有流体出口60，流体出口60伸出外壳10。
请参考图2，第一级加热器20内设有流道22，每条流道22的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒24，且第一级加热器20的流道内的加热棒24交错对称设置。具体的，每条流道22内的加热棒24的数量为两条。两条加热棒24 的结构相同。两条加热棒24分别固定设于流道22相对两侧的侧壁上。
进一步的，加热棒24包括铜管和加热丝。加热丝设于铜管内部，铜管焊接于流道22的内壁。进一步的，为满足大流量冷工质的加热要求，如图2所示，流道22横截面为矩形。流道22的材料为高热导率的铜。当加热棒24加热时，热量一部分传递给流道22固体壁面，一部分传递给冷工质。由于流道22固体壁面材料有很高的热导率，在稳定状态时可以近似认为流道22固体表面具有相同的温度，且温度高于冷工质温度，可以形成从流道22固体壁面向冷工质传递热量的稳定温差。
第二级加热器30的结构和第一级加热器20的结构相同。第二级加热器30 和第一级加热器20的加热功率相同。第一级加热器20将冷工质加热到中间温度，第二级加热器30将冷工质继续加热到额定温度。
在图1所示的实施方式中，外壳10设有第一安装口(图未标)和第二安装口(图未标)。第一级加热器20通过第一连接导杆26吊装在第一上端法兰70上，第一上端法兰70固定在第一安装口。第二级加热器30通过第二连接导杆36吊装在第二上端法兰80上，第二上端法兰80固定在第二安装口。
如图1所示，进一步的，第一级加热器20与第一上端法兰70之间设有第一隔热屏75。第一连接导杆26穿设于第一隔热屏75内。第二级加热器30与第二上端法兰80之间设有第二隔热屏85。第二连接导杆36穿设于第二隔热屏 85内。第一隔热屏75和第二隔热屏85用于防止第一级加热器20和第二级加热器30热量流失。
如图1所示，第一级加热器20设有第一引线28，第一引线28伸出第一上端法兰70。第一引线28和第一级加热器20的加热棒24连接。第二级加热器 30设有第二引线38，第二引线38伸出第二上端法兰80。第二引线38和第二级加热器30的加热棒连接。
上述低温负压加热器100还包括温度传感器(图未示)、温度采集系统(图未示)和温度控制系统(图未示)。流体入口50、第一级加热器20的出口、第二级加热器30的进口和流体出口60均设有温度传感器，温度传感器和温度采集系统连接，温度采集系统和温度控制系统连接。第一级加热器20的加热棒和第二级加热器30的加热棒均与温度控制系统连接。具体的，第一级加热器 20的加热棒和第二级加热器30的加热棒分别通过第一引线28和第二引线38 与外部温度控制系统连接。便于控制第一级加热器20和第二级加热器30的加热功率。流体入口50、第一级加热器20的出口、第二级加热器30的进口和流体出口60均设有温度传感器，用于即时测量冷工质温度，并通过温度采集系统收集，反馈给温度控制系统，便于进行加热功率的调节。两级加热器功率单独调节控制。按照额定设计工况，第一级加热器出口应该达到中间温度，第二级加热器出口应该达到额定温度。若未达到额定温度，相应调节该级加热功率，使其满足额定要求。
如图3所示为低温负压加热器100加热功率控制流程图。
低温负压加热器100的第一级加热器20和第二级加热器30分开进行加热功率调节，包括以下步骤：
S10、输入额定加热功率。
S20、检测第一级加热器和第二级加热器的出口流体温度。
S30、判断第一级加热器和第二级加热器的出口流体温度是否达到预设温度，若否，则进行S40后返回S20，若是，则进行S50。
S40、调节加热功率。
S50、维持现有加热功率。
上述低温负压加热器100通过即时温度测量反馈，可以完成变工况下的加热功率调节，具有更强的适用性。
进一步的，流体入口50、流体出口60、连接管道40、第一级加热器20 和第二级加热器30的外壁均包覆有绝热材料。进一步的，外壳10与各管道外壁的空间抽真空，减少与外界环境的换热。
上述低温负压加热器100运行时，冷工质从流体入口50进入，自上而下通过第一级加热器20，由第一级加热器20下部进入连接管道40，从第二级加热器30底部进入，自下而上通过第二级加热器30，由第二级加热器30上部经流体出口60排出。
传统的低温负压加热器，加热棒较多时，可以获得更加均匀的温度分布，但由于焊接等实际操作中的原因，不可避免的增大了流动阻力，也增加了上端法兰的密封困难程度；加热棒较少时，又无法获得均匀的出口温度分布，导致损失增大。与传统的低温负压加热器相比，上述低温负压加热器100通过选择适合大流量变工况的两级加热器串联的形式，缩短连接管道及其他辅助管道的长度，减少了工质流动距离从而减小流动沿程损失，降低压降损失。采用采用加热棒交错对称布置的形式，可以采用较少加热棒，在每个流道内减少了加热棒数量，减少了流动损失，减小了法兰密封的困难，采用加热棒交错对称布置的形式，降低了冷工质经过第一加热器和第二加热器温度分布不均匀的情况，减少了/>损失。
此外，请参考图4，还提供一种低温负压加热器的设计方法，包括如下步骤：
S1、设计要求参数。
参数包括进口压力、流体的初始温度、流体加热后温度和流体的最大流量等。
S2、计算第一级加热器和第二级加热器所需总加热功率。
S3、计算第一级加热器和第二级加热器的流道数目和尺寸。
S3中，计算流道数目和尺寸时，为减少熵增，应保证每一个流道拥有相同的流动状态和进出口温度，使加热器每个流道内加热功率一致，需使每个流道内具有相同的加热棒数目；冷工质流量保持一致，冷工质平均流入每个流道内，保证每个流道具有相等的水力直径。
S4、计算第一级加热器和第二级加热器内的加热棒功率及每条流道的长度。
S5、设计第一级加热器和第二级加热器内的加热棒安装位置及压降计算。
S6、判断第一级加热器和第二级加热器流体出口处温度是否满足要求，若流体出口处温度不满足要求，则回到S3，若流体出口处温度满足要求，则进入下一步。
S7、判断第一级加热器和第二级加热器的流道的压降是否满足要求，若压降不满足要求，则回到S3；若压降满足要求，则进入下一步。
S8、设计连接管路、流体入口管路和流体出口管路。
下面以冷工质为氦气为例具体进行说明。
设计参数包括进口压力0.04MPa，加热温度从20K到300K，设计流量最大流量30g/s。
(1)计算所需总加热功率。由于第一级加热器和第二级加热器中压降很小，这里可以使用氦气的定压比热容，查NIST可知氦气在0.04MPa下的定压比热容约为5.193J/(g·K)。将氦气从20K升温至300K所需能量：
P需：所需功率，W
Cp：定压比热容，J/(g·K)
总质量流量，g/s
ΔT：总温差，K
计算得所需功率为43621.2J，约为43.6kW。为充分满足要求，设计时留有足够的功率余量，低温负压加热器输入的总功率设计值为50kW。
(2)计算流道数目及尺寸。为减少熵增，应尽量保证每一个流道拥有几乎相同的流动状态、进出口温度。基于以上原则，第一级加热器和第二级加热器每个流道内加热功率一致，需使每个流道内具有相同的加热棒数目；冷工质流量也应该保持一致，冷工质要平均流入每个流道内，保证每个流道具有近似相等的水力直径，可以考虑在流道前设置导流装置。同时，为获得较低压降损失的流动，应始终保持冷工质在流动过程中处于层流状态。流动状态用雷诺数进行判定，雷诺数计算公式为：
雷诺数
rh：水力半径，m
Dh：水力直径，m
G：平均质量通量，kg/(m2·s)
μ：动力粘度，Pa·s
水力直径计算公式：
Dh＝4rh
Ac：横截面积，m2
L：流道长度，m
A：在流道长度L上的总面积，m2
在本实例中，每级加热器的流道数为12个，水力直径为45mm左右，每一流道内有两条加热棒，两级加热器共计48条加热棒。
(3)计算加热棒功率及每一级流道长度。由于每个加热棒的功率相同，可以求得每个加热棒的功率，计算公式为：
p：每个加热棒的功率，W
P：设计加热功率，W
n：加热棒数量，个
计算可得每条加热棒功率为1042W。
按照实际系统的额定电流及电压，根据加热功率与电阻的关系公式，可以求得每个加热棒电阻值，计算公式为：
R：每个加热棒电阻值，Ω
p：每个加热棒的功率，W
I：额定设计电流，A
根据加热丝生产厂家的标定，综合考虑在低温下的材料的特殊性，可以求出所需加热丝型号的长度，即加热棒的长度，计算公式为：
l：加热棒长度，m
R：每个加热棒电阻值，Ω
k：每米电阻值，Ω/m
本实例中，计算得到加热棒电阻部分为长度为1500mm(不包括引线等)，每一级加热器流道长度设计最小值应大于加热棒电阻部分。
(4)设计加热棒安装位置及压降计算。根据已确定的设计尺寸，根据不同工况条件，利用简化模型，对两级加热器单独进行仿真模拟。为保证每一个流道内的温度分布均匀，改变加热棒焊接安装位置，仿真结果对比，以确定工质具有最小温差的安装位置。仿真模拟可初步得到理想情况下的压降损失，保证结果满足要求，若压降过大，则需调整第一级加热器和第二级加热器结构尺寸，重新设计。
(5)设计连接管路、进出口管路及其他部件。连接管路连接两级加热器的下端，尽量减小沿程损失和局部损失；进出口管路尺寸要与低温负压加热器上游及下游设备相配合，保证冷工质稳定的流过低温负压加热器。其他部件的设计按照一般机械设计原则，参考机械设计手册和实际工况进行设计。
上述低温负压加热器设计方法，采用先整体结构后局部细节、先重要部件后辅助部件的设计思路，利用简化模型对设计方案进行数值模拟，留有足够余量，满足工程要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低温负压加热器，其特征在于，包括外壳、第一级加热器、第二级加热器和连接管道，所述第一级加热器、所述第二级加热器和所述连接管道均设于所述外壳内，所述第一级加热器的一端、所述第二级加热器的一端通过所述连接管道连通，所述第一级加热器的另一端设有流体入口，所述流体入口伸出所述外壳，所述第二级加热器的另一端设有流体出口，所述流体出口伸出所述外壳；所述外壳与各管道外壁的空间抽真空；
所述第一级加热器内设有流道，每条所述流道的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒，且所述第一级加热器的流道内的所述加热棒交错对称设置；所述流道横截面为矩形；所述流道的材料为高热导率的铜；当所述加热棒加热时，热量一部分传递给流道固体壁面，一部分传递给冷工质；
所述第二级加热器的结构和所述第一级加热器的结构相同；
所述低温负压加热器的所述第一级加热器和所述第二级加热器分开进行加热功率调节，包括以下步骤：
S10、输入额定加热功率；
S20、检测第一级加热器和第二级加热器的出口流体温度；
S30、判断第一级加热器和第二级加热器的出口流体温度是否达到预设温度，若否，则进行S40后返回S20，若是，则进行S50；
S40、调节加热功率；
S50、维持现有加热功率。
2.如权利要求1所述的低温负压加热器，其特征在于，所述外壳设有第一安装口和第二安装口，所述第一级加热器通过第一连接导杆吊装在第一上端法兰上，所述第一上端法兰固定在所述第一安装口，所述第二级加热器通过第二连接导杆吊装在第二上端法兰上，所述第二上端法兰固定在所述第二安装口。
3.如权利要求2所述的低温负压加热器，其特征在于，所述第一级加热器与所述第一上端法兰之间设有第一隔热屏，所述第二级加热器与所述第二上端法兰之间设有第二隔热屏。
4.如权利要求2所述的低温负压加热器，其特征在于，所述第一级加热器设有第一引线，所述第一引线伸出所述第一上端法兰，所述第一引线和所述第一级加热器的加热棒连接；所述第二级加热器设有第二引线，所述第二引线伸出所述第二上端法兰，所述第二引线和所述第二级加热器的加热棒连接。
5.如权利要求1所述的低温负压加热器，其特征在于，还包括温度传感器、温度采集系统和温度控制系统，所述流体入口、所述第一级加热器的出口、所述第二级加热器的进口和所述流体出口均设有所述温度传感器，所述温度传感器和所述温度采集系统连接，所述温度采集系统和所述温度控制系统连接，所述第一级加热器的加热棒和所述第二级加热器的加热棒均与所述温度控制系统连接。
6.如权利要求1所述的低温负压加热器，其特征在于，每条所述流道内的加热棒的数量为两条，两条所述加热棒分别固定设于所述流道的相对两侧的侧壁上。
7.如权利要求1所述的低温负压加热器，其特征在于，所述加热棒包括铜管和加热丝，所述加热丝设于所述铜管内部，所述铜管焊接于所述流道的内壁。
8.一种如权利要求1至7任一项所述低温负压加热器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、设计要求参数；
S2、计算第一级加热器和第二级加热器所需总加热功率；
S3、计算第一级加热器和第二级加热器的流道数目和尺寸；
S4、计算第一级加热器和第二级加热器内的加热棒功率及每条流道的长度；
S5、设计第一级加热器和第二级加热器内的加热棒安装位置及压降计算；
S6、判断第一级加热器和第二级加热器流体出口处温度是否满足要求，若流体出口处温度不满足要求，则回到S3，若流体出口处温度满足要求，则进入下一步；
S8、判断第一级加热器和第二级加热器的流道的压降是否满足要求，若压降不满足要求，则回到S3；若压降满足要求，则进入下一步；
S9、设计连接管路、流体入口管路和流体出口管路。
9.如权利要求8所述的低温负压加热器的设计方法，其特征在于，所述参数包括进口压力、流体的初始温度、流体加热后温度和流体的最大流量。
10.如权利要求8所述的低温负压加热器的设计方法，其特征在于，S3中，计算流道数目和尺寸时，为减少熵增，保证每一个流道拥有相同的流动状态和进出口温度，使加热器每个流道内加热功率一致，使每个流道内具有相同的加热棒数目；冷工质流量保持一致，冷工质平均流入每个流道内，保证每个流道具有相等的水力直径。
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