CN109974492A - 一种无动力相变冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无动力相变冷却系统，由一次换热器和二次换热器串联组成闭合回路，该闭合回路内填充适宜的流体热工介质，热工介质在一次换热器中受热蒸发产生第一次相变，压力升高后顺势进入二次换热器，进而与外界大气、冷却水进行热交换，由此，热工介质冷凝成液态产生第二次相变，冷凝后的热工介质在压差和重力作用下回流到一次换热器底部，完成一次换热周期，该工作期内一般无须外界动力供给，但为提高该系统使用更广泛更可靠，该系统仍然备份了一套小功率外加强制水冷系统，以备极端工况时选用，进一步提高了该系统应用的灵活性。

Description

一种无动力相变冷却系统

技术领域

本发明一种无动力相变冷却系统，属于冷却系统技术领域，具体涉及一种节能型冷却装置。

背景技术

在钢铁、有色金属等重工业行业，其工艺用循环水冷却系统，大多采用恒流、恒压中央集中供水站运行方式，工艺和设备冷却用户往往远离中央供水站几百米甚至上千米，这种供水模式虽然降低占地面积，却带来供水压力高、供水流量严重过剩等问题，不可避免造成大量能耗。

这种中央集中供水冷却系统，其冷却塔都有一个共同特征：冷却塔的效能严重受季节天气、环境温度等条件变化的影响；夏季换热效果差、冬季效果最好，其冷却效果在这两季节相差可达数倍。因此，需要冷却同样的生产工艺发热量，由于夏季循环水进出管温差小，所需流量大，而在冬季，因其温差大，故需要的流量最小。但系统设计条件是按照全部负载最大发热量在炎热夏季的最大流量和最大压力来满足其工作需求，因此，在90%以上的时间里，其供水流量和供水压力都将严重过剩。

对于大多数运行的工业循环水冷系统，以上两种原因造成系统能源浪费率高达60%以上，有些系统甚至高达80%以上。

针对以上问题，现在虽然有了专利号为CN201310115024，名为《一种循环水温控节能运行系统》的节能运行控制系统，但该发明提供的系统和运行方式过于复杂，可靠度低，且设备成本过高，实际节能效果有限等缺点，只适用于中小型冷却系统的节能改造。

发明内容

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种无动力相变冷却系统，无须动力或仅需少量动力就能正常换热，且该换热系统具有自适应性强、使用灵活，适合单体设备分散冷却运用，可大面推广运用，其节能效果可达到最大化。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种无动力相变冷却系统，包括蒸发器和冷凝器，所述蒸发器包括蒸发器积液箱、蒸发管和蒸发器外壳，所述积液箱与蒸发管底部直接相连通，所述蒸发管是由若干内径为ф3mm～ф8mm的紫铜管或高压不锈钢管构成一个矩形阵列，所述蒸发管出口汇集一起通过管道接在冷凝器的进口上，所述冷凝器外壳是包覆在矩阵式蒸发管的外在保护壳体，由一定强度支撑的钢结构组成，所述冷凝器外壳上设有工艺介质受冷液的进液管道和出液管道，且所述进液管道位于出液管道的上方，使得需要冷却的工艺介质通过进液管道进入蒸发器与矩阵式蒸发管发生热交换，且冷却后的工艺介质通过管道重新参与设备或工艺循环；

所述冷凝器由若干内径为ф3mm～ф8mm的紫铜管或高压不锈钢管构成的矩形阵列管式热交换器，该矩形阵列管式热交换器的散热管外壁直接敞开面向外界大气，所有散热管出口最后汇集在一起形成冷却回液管道，所述冷却回液管道的出口接蒸发器积液箱入口。

所述冷却回液管道上设置有加料装置，所述加料装置包括加料开关阀、单向阀及加料漏斗组成，正常情况下，加料阀处于关闭状态，仅在维修或需要添加热工质时才开启该装置。

所述冷凝器的矩形阵列管式热交换器上方设置有雾化喷淋管组，所述雾化喷淋管组通过出水管道连接在地井蓄水池内，所述出水管道上设置有动力泵组系统，所述冷凝器的矩形阵列管式热交换器下方设置有热水收集盘，所述热水收集盘通过回流管道连接在地井蓄水池内。

所述管道上设置有安全阀，所述安全阀的最高额定工作压力为1.5kg/cm²。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明利用相变发应热进行热交换，极大提升热工介质单位热交换功率，这样可以极大地节约设备体积与工程造价，是最大程度降低水的用量与单位能耗，这是本发明的核心精神与实现该技术的要点。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为蒸发器积液箱、2为蒸发管、3为蒸发器外壳、4为管道、5为冷凝器、6为冷却回液管道、7为加料装置、8为进液管道、9为出液管道、10为安全阀、11为地井蓄水池、12为动力泵组系统、13为出水管道、14为雾化喷淋管组、15为热水收集盘、16为回流管道。

具体实施方式

本发明适合于发热功率较大的工艺介质冷却应用，其构成主要由一次换热器、二次换热器和辅助冷却系统组成；一次换热器和二次换热器由高压管道连接成一个整体，一次换热器中充有适量换热工质，连接管道内径远小于冷凝器散热管等效总内径；在功能上，一次换热器作为蒸发器，二次换热器作为冷凝器使用。为简化叙述，后文将一次换热器统称为蒸发器，二次换热器统称为冷凝器。蒸发器与被冷工艺介质进行热交换，使得蒸发器中的传热工质受热蒸发，体积膨胀，压力升高，通过连接管道进入冷凝器。冷凝器与外界大气进行热交换，其交换主要靠冷凝器强大外表面散热进行，可充分利用自然风、雨和低温井水等进行二次冷却。蒸发器内的工质受热进入冷凝器后，因其突遇管道面积和体积急剧增大状况，工质压力也即显著降低，工质流速变慢，通过其冷凝器外表进行散热冷却，压力逐渐减低，如此经过冷凝后的工质，通过一定压力差和自身重力又回流到蒸发器底部参与再循环。

本发明适合于被冷却工艺介质温度要求在40℃～70℃的工艺系统，换热系统的关键是封闭式换热器中需要选择合适的工质，该工质液体沸点适合于20℃～40℃之间，该工质可以是单一液体，也可选用2种以上的混合液体，要求该工质液体在蒸发器和冷凝器中均能发生相变吸热或放热反应，使得单位工质交换的热值功率足够大，以降低设备系统体积和成本。

本发明充分利用工质受热沸腾压力急剧增大，冷却后压力显著降低形成足够压差，从而使工质回流到蒸发器底部重新参与再循环，一般情况下无须外加动力；且被冷却介质温度越高，蒸发器中的工质受热蒸发越激烈，驱动压力就越高，进行热交换的功率就越大，因此具有自适应性强，系统简单可靠，维护方便，系统节能效率能够达到最大化。

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的阐述。

本发明涉及的新型换热器主要由三部分组成：蒸发器、冷凝器和辅助散热系统。

如图1所示，蒸发器由蒸发器积液箱1，蒸发管2，蒸发器外壳3，蒸发器工艺介质受冷液的进液管道8及出液管道9组成。积液箱1与蒸发管2底部直接相连通，蒸发管2是由若干内径为ф3mm～ф8mm的紫铜管或高压不锈钢管构成一个矩形阵列，蒸发管2出口汇集一起通过管道4接在冷凝器进口上，冷凝器外壳3是包覆在矩阵蒸发管的外在保护壳体，由一定强度支撑的钢结构组成，冷凝器外壳3上设有工艺介质受冷液的进液管道8和出液管道9，需要冷却的工艺介质通过进液管道8进入冷凝器与矩阵蒸发管发生热交换，冷却后的工艺介质通过管道9重新参与设备或工艺循环。

蒸发器出口经管道4接冷凝器5入口，冷凝器和蒸发器结构相似，都是由若干内径为ф3mm～ф8mm的紫铜管或高压不锈钢管构成的矩形阵列管式热交换器，矩形阵列散热管外壁直接敞开面向外界大气，所有管道出口最后汇集在一起形成冷却回液管道6，其出口接蒸发器储液箱1入口。当热工介质在蒸发器中受热蒸发进入冷凝器中，突遇设备空间和面积增大，造成热工介质压力急剧降低，进而使热工介质降压减速，有利于热工介质充分扩散，通过其管壁将热量传递到管壁外，最终将热量散发到大气中。该冷凝器设备构成的关键是必须有足够的强度结构件做支撑，因此在管道阵列中设由有高强度的钢管作为支撑骨架，管道阵列横排与竖排之间留有便于大气畅通的足够空间，使通常保持其间距为冷凝阵列管道外径的1.5～3.0倍,以方便从任何方向来的对流空气均便于通过。

可见，该冷凝器的作用是将内部热工介质通过管壁与大气进行热交换，热工介质冷却后又形成液体又回流到蒸发器进入下一个循环工作周期。因此，任何影响该冷凝器热交换的因素都将影响其换热效果。这种装备除受设备自身因素设计及制造条件影响外，还将严重受大自然温度、风速以及雨天的影响，因此，其设计时需要考虑最恶劣天气状况下的换热需求。为保证热交换系统最可靠运行，外设一套辅助强制冷却系统，通过该系统在任何条件下均能强制启动，增强其冷却效果。该系统由地井蓄水池11，动力泵组系统12，出水管道13，雾化喷淋管组14，热水收集盘15，回流管道16组成。泵组12主要由泵入口过滤器、进液阀门、电机—泵及出口单向阀及压力表组成动力系统，设计要求泵出口压力为2.0～5.0MPa，喷嘴出水雾化直径为0.01mm～0.1mm。经过热交换后的水大部分通过雾化和吸热后散发进入流通空气，但仍有一小部分会因重力下落进入收集盘，最后回流进深井储水池。

为增加系统安全性和可靠性，在蒸发器出口管线4上增设安全阀10，当管道内压力大于最高额定工作压力1.5kg/cm2时，安全阀10自动开启卸压，低于系统最高额定压力0.5～1.0kg/cm2时，安全阀自动关闭。为便于向管道内添加工质，在蒸发器入口管道上增加加料装置7，具体由加料开关阀、单向阀及加料漏斗组成；正常情况下，加料阀处于关闭状态，仅在维修或需要添加热工质时才开启该装置。

以上热交换系统中，在进行热交换过程中，热工介质首先在蒸发器中受热（沸腾）蒸发，热工介质吸收大量热能后由液态转变为汽态，发生第一次相变；但当热工介质进入冷凝器中，热工介质与外界进行热交换，放出大量热量后温度降低冷凝为液态，发生第二次相变。该换热系统经过第二次相变后放出大量热，在冷凝器外壁上，随将雾化后的水附吸转化为低压水蒸汽随风散发进入大气，因此，这是发生的第三次相变。前两次相变反应是同一种工质在换热器和冷凝内进行的，而第三次相变反应是发生在冷凝器管壁外进行的，其工作介质是冷却水；前两种相变发应是必须发生的，而后一种相变发应仅在雨天或启动强制冷却时才发生。

利用相变发应热进行热交换，极大提升热工介质单位热交换功率，这样可以极大地节约设备体积与工程造价，是最大程度降低水的用量与单位能耗，这是本发明的核心精神与实现该技术的要点。

为达到顺利使热工介质能够发生前两次相变发应，对于热工介质的选择必须有严格的技术要求：

1、热工介质必须无毒或低毒，对环境友好；

2、热工介质必须有较大比热熔，有很大的相变反应热；

3、热工介质在标准大气压下沸点温度以20℃～45℃为宜；

4、热工介质冷凝温度以20℃～35℃为宜；

5、热工介质对设备和管道友好，尽量选用腐蚀性小的工作介质；

6、热工介质可以选用纯单一介质，也可选用2种或2种以上的混和工作介质，如选用水：液氨=50：50的混合介质作为冷却热工质。

必须指出，外加辅助冷却系统，只是为提高本系统可靠性，以及应对极少数恶劣天气下的换热器的稳定运行，因此，该系统在常年大部分时间里无须启动。除华南少部分地区。在中国南方，年均气温约20℃，因此，及时在南方，大部分时间里都能达到无动力使用该冷却系统，在中国长江以北应用其效果将更好，基本无须附加动力雾化冷却装置。以此做到最佳节能效果。

在某钢厂，使用二十辊冷轧不锈钢薄板，轧辊及带钢冷却系统使用轧制油来冷却，轧制后工艺用油温度达到40℃～70℃，原设计使用集中净循环水冷却该工艺用油，每台轧制净循环水设计流量为80M3/H,设计压力5.0kg/cm2，每台轧机经测算实际消耗的电能为12kW·h/H，每年需要消耗电能约10.2万度电能。经改造使用本发明无动力冷却系统后，冷却后油温达到33℃以下，达到设计要求，而电能消耗仅0.75万度/年,节能率达93%,节能效果良好,因几乎无动力,设备系统。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种无动力相变冷却系统，其特征在于，包括蒸发器和冷凝器（5），所述蒸发器包括蒸发器积液箱（1）、蒸发管（2）和蒸发器外壳（3），所述积液箱（1）与蒸发管（2）底部直接相连通，所述蒸发管（2）是由若干内径为ф3mm～ф8mm的紫铜管或高压不锈钢管构成一个矩形阵列，所述蒸发管（2）出口汇集一起通过管道（4）接在冷凝器（5）的进口上，所述冷凝器外壳（3）是包覆在矩阵式蒸发管（2）的外在保护壳体，由一定强度支撑的钢结构组成，所述冷凝器外壳（3）上设有工艺介质受冷液的进液管道（8）和出液管道（9），且所述进液管道（8）位于出液管道（9）的上方，使得需要冷却的工艺介质通过进液管道（8）进入蒸发器与矩阵式蒸发管（2）发生热交换，且冷却后的工艺介质通过管道（9）重新参与设备或工艺循环；

所述冷凝器（5）由若干内径为ф3mm～ф8mm的紫铜管或高压不锈钢管构成的矩形阵列管式热交换器，该矩形阵列管式热交换器的散热管外壁直接敞开面向外界大气，所有散热管出口最后汇集在一起形成冷却回液管道（6），所述冷却回液管道（6）的出口接蒸发器积液箱（1）入口。

2.根据权利要求1所述的一种无动力相变冷却系统，其特征在于，所述冷却回液管道（6）上设置有加料装置（7），所述加料装置（7）包括加料开关阀、单向阀及加料漏斗组成，正常情况下，加料阀处于关闭状态，仅在维修或需要添加热工质时才开启该装置。

3.根据权利要求1所述的一种无动力相变冷却系统，其特征在于，所述冷凝器的矩形阵列管式热交换器上方设置有雾化喷淋管组（14），所述雾化喷淋管组（14）通过出水管道（13）连接在地井蓄水池（11）内，所述出水管道（13）上设置有动力泵组系统（12），所述冷凝器的矩形阵列管式热交换器下方设置有热水收集盘（15），所述热水收集盘（15）通过回流管道（16）连接在地井蓄水池（11）内。

4.根据权利要求1所述的一种无动力相变冷却系统，其特征在于，所述管道（4）上设置有安全阀（10），所述安全阀（10）的最高额定工作压力为1.5kg/cm²。