CN112178610A - 带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统 - Google Patents

带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统 Download PDF

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CN112178610A CN202011158033.0A CN202011158033A CN112178610A CN 112178610 A CN112178610 A CN 112178610A CN 202011158033 A CN202011158033 A CN 202011158033A CN 112178610 A CN112178610 A CN 112178610A
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李银宾
黄伟光
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Abstract

本发明提供一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统。蒸汽发生器包括预热段、蒸发段及进料管，其中：预热段包括第一壳体及第一加热装置，第一加热装置包括第一热源设备及第一导热翅片；蒸发段包括第二壳体及第二加热装置，第二加热装置包括第二热源设备及第二导热翅片；第一导热翅片及第二导热翅片沿径向呈分叉结构，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure DDA0002743384380000011
其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径，和/或不同壳体内的流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。本发明有助于提高蒸汽发生器的流量和温度控制精度。

Description

带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统
技术领域
本发明涉及蒸汽发生器设备领域，尤其涉及一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统。
背景技术
蒸汽发生器是利用外部热源把工质等液态工质加热成气态、可根据需求持续提供一定流量和温度的蒸气的装置，广泛用于化工、能源、食品等行业。随着各行业科学技术的发展、智能化和自动化的普及，对设备的响应时间、稳定性、控制精度等各方面提出了更高的要求。为了适应更高标准的需求，必须对加热器的关键部件进行改进。而加热装置是整个蒸汽发生器的核心，对蒸汽发生器性能、稳定性有着至关重要的影响，必须提出更优的加热装置从而提高蒸汽发生器的性能。蒸汽发生器中液态工质的加热、汽化、工质蒸气的温升动态性能受制于加热装置的温度分布。而加热装置的导热结构决定了加热装置的温度分布，影响热源温度变化时的响应时间。导热结构形成的流体通道影响流体的流动状态，换热性能。所以加热装置结构决定蒸汽发生器的换热效率、流量、温度控制精度以及系统稳定性。
目前市场上蒸汽发生器使用的加热装置结构多为光管、直翅、螺旋等结构形式，上述结构类型的加热装置存在温度分布不均匀、变工况时达到稳态时间较长、蒸汽发生器的出气流量、温度波动性较大等问题。
公开号为CN108302516B，名称为“一种分段式蒸汽发生器及其系统”的发明专利公布了一种分段式的蒸汽发生器，该方案的蒸汽发生器分为预热段和蒸发段两段，加热装置采用环形热翅片管，同时与侧壁形成环形的上升流体流道，通过监测预热段及蒸发段出口位置的温度，调节预热段加热装置功率，使得预热段出口处的液位保持平稳，控制预热段的换热面积，保证汽化过程在一定换热面积和换热功率下进行，确保汽化过程的稳定性；通过控制蒸发段加热装置功率，确保工质蒸气出口温度。该方案存在以下缺点：1、在有限的空间内，加热装置采用环形翅片结构使得实际传热热阻仍然较大，空间上温度分布均匀性较差，从加热器热源到翅片末端温差较大，换热效率及传热速度仍有提高的空间；2、随着工况的变化调节加热器功率时，该结构的翅片温度达到稳态的响应时间相对较长，即变工况时系统波动较大；3、流体侧为环形流道，流体(特别是工质蒸气)与加热体的接触仍然较差，流量变化导致流体整体温度达到均匀稳态时间较长，出口流体温度控制精度及稳定性等较差。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统，通过优化加热装置结构，以进一步优化换热效率、提高系统的流量、温度控制精度，降低系统变工况时蒸气的流量及温度等的波动。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，包括工质进料管、预热段及位于所述预热段上方，且与所述预热段相连通的蒸发段：所述预热段包括第一壳体及位于所述第一壳体内的第一加热装置，所述第一加热装置包括第一热源设备及与所述第一热源设备相连接且沿所述第一热源设备的周向分布的第一导热翅片，所述第一导热翅片自所述第一热源设备向所述第一壳体方向延伸；所述蒸发段包括第二壳体及位于所述第二壳体内的第二加热装置，所述第二加热装置包括第二热源设备及与所述第二热源设备相连接且沿所述第二热源设备的周向分布的第二导热翅片，所述第二导热翅片自所述第二热源设备向所述第二壳体方向延伸；所述蒸发段的孔隙率大于所述预热段的孔隙率，其中，孔隙率是指流体通道横截面积与对应其所在位置的壳体围成的空间的横截面积之比；所述工质进料管与最底部的所述预热段的第一壳体相连通；
所述第一导热翅片和第二导热翅片沿对应壳体的径向呈分叉结构，导热翅片之间及导热翅片与对应的壳体之间的间隙构成流体通道，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000021
k为大于等于2的整数，其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，当前段导热翅片的分叉数量为k，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径；和/或不同壳体内的流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
可选地，所述预热段为2个及2个以上，所述2个及2个以上预热段沿流体上升方向依次堆叠，且不同预热段的流体通道按流体上升方向进行分叉，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
可选地，所述蒸发段为2个及2个以上，所述2个及2个以上蒸发段沿流体上升方向依次堆叠，且不同蒸发段的流体通道按流体上升方向进行分叉，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
可选地，所述第一导热翅片和第二导热翅片的分叉形状选自树状分叉、蜂窝状分叉、植物茎脉分叉及雪花分叉中的一种或多种。
在一可选方案中，所述第一导热翅片及第二导热翅片均为树形分叉结构。
在另一可选方案中，所述第一导热翅片为树形分叉结构，所述第二导热翅片为蜂窝状分叉结构。
在另一可选方案中，所述第一导热翅片和所述第二导热翅片均为蜂窝状分叉结构。
在又一可选方案中，所述第一导热翅片为蜂窝状分叉结构，所述第二导热翅片为树形分叉结构。
可选地，所述预热段和蒸发段的孔隙率为0.4～0.95。
本发明还提供一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器系统，包括如上述任一方案中所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器以及计量泵，所述计量泵连接于工质箱及所述带仿生结构加热装置的蒸汽发生器中的所述工质进料管之间。
如上所述，本发明的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统，具有以下有益效果：本发明采用仿生结构的加热装置，可以有效提高温度分布均匀性，增加单位体积内的换热面积，提高加热装置与流体的换热效率；由于加热装置采用仿生结构，相应形成的流体通道为分叉结构，比如为树状分叉结构，有利于降低流体阻力，增加换热效率，故蒸汽发生器工况变化时，热源设备的温度变化可以更快速地反映给导热翅片，可以减少响应时间，弱化变工况时系统的波动性。即本发明可以在减小流体阻力的同时提高流体换热性能，减少响应时间，最终提高蒸汽发生器的流量和温度控制精度。
附图说明
图1显示为本发明的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器的模块示意图。
图2和3显示为图1中的预热段于一示例中的结构示意图。
图4-6显示为图1中的蒸发段和预热段于不同示例中的结构示意图。
图7显示为蜂窝结构中孔隙率的示意图。
图8显示为本发明的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器系统的结构示意图。
元件标号说明
A 预热段
B 蒸发段
S 第一导热翅片固体横截面积
F 流体通道横截面积
1，1’ 第一壳体
2，2’ 第一导热翅片
3，3’ 预热段流体通道
4，4’ 第一热源设备
5 第二壳体
51 蒸汽出口
6 第二导热翅片
7 蒸发段流体通道
8 第二热源设备
9 工质进料管
10 计量泵
11 工质箱
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，包括工质进料管9、预热段A及位于所述预热段A上方，且与所述预热段A相连通的蒸发段B：所述预热段A包括第一壳体1及位于所述第一壳体1内的第一加热装置，所述第一加热装置包括第一热源设备4及与所述第一热源设备4相连接且沿所述第一热源设备4的周向分布的第一导热翅片2，所述第一导热翅片2自所述第一热源设备4向所述第一壳体1方向延伸(第一导热翅片2与第一壳体1之间可以有间距也可以没有间距，具体根据所述第一导热翅片2的结构而定，比如如果是树形分叉，则可以有间距，如果是蜂窝状分叉，则可以局部有间距，局部没有间距，本实施例中不做严格限制)；所述蒸发段B包括第二壳体及位于所述第二壳体5内的第二加热装置，所述第二加热装置包括第二热源设备8及与所述第二热源设备8相连接且沿所述第二热源设备8的周向分布的第二导热翅片6，所述第二导热翅片6自所述第二热源设备8向所述第二壳体5方向延伸(第二导热翅片6与第二壳体5之间可以有间距也可以没有间距，具体根据所述第二导热翅片5的结构而定，比如如果是树形分叉，则可以有间距，如果是蜂窝状分叉，则可以局部有间距，局部没有间距，本实施例中不做严格限制)；所述蒸发段B的孔隙率大于所述预热段A的孔隙率，其中，孔隙率是指流体通道横截面积与对应其所在位置的壳体围成的空间的横截面积之比；所述进工质进料管9与最底部的所述预热段A的第一壳体1相连通；所述工质进料管9供应的工质包括但不限于工质、氟利昂、氨、溴化锂、CO2等液体或多种物质的混合；
所述第一导热翅片2和第二导热翅片6沿对应壳体的径向呈分叉结构，导热翅片之间及导热翅片与对应的壳体之间的间隙构成流体通道(所述第一导热翅片2之间及第一导热翅片2与所述第一壳体1之间的间隙构成预热段流体通道3，所述第二导热翅片6之间及第二导热翅片6与所述第二壳体5之间的间隙构成蒸发段流体通道7)，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000051
k为大于等于2的整数，其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，当前段导热翅片的分叉数量为k，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径；和/或不同壳体内的流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
工质自所述工质进料管9进入到所述预热段A，经所述第一加热装置加热后沿所述预热段流体通道3上升进入所述蒸发段B(工质经预热段预热后已经变为蒸汽状态)，被所述第二加热装置继续加热转换成均匀的蒸汽，经位于所述第二壳体5上的蒸汽出口51(蒸汽出口51优选位于第二壳体5靠近顶部的侧壁)输送到所需的工作站点。本发明采用仿生结构的加热装置，可以有效提高温度分布均匀性，增加单位体积内的换热面积，提高加热装置与流体的换热效率；由于加热装置采用仿生结构，相应形成的流体通道为分叉结构，比如为树状分叉结构，有利于降低流体阻力，增加换热效率，故蒸汽发生器工况变化时，热源设备的温度变化可以更快速地反映给导热翅片，可以减少响应时间，弱化变工况时系统的波动性。即本发明可以在减小流体阻力的同时提高流体换热性能，减少响应时间，最终提高蒸汽发生器的流量和温度控制精度。
需要说明的是，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000052
或分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构是因为本申请的发明人经大量实验发现，此结构下系统传递能量及物质的阻力和耗散最小。
举例而言，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000053
的具体意思是指，如图2及图3所示，假设所述第一导热翅片2为树形分叉，且更具体地，所述第一导热翅片2每次分叉数量为2，即当前段导热翅片分叉出两个分支，其每个分支又继续分叉为两个分支，照此方式按2n级数持续分叉下去。如图3示例了其中一个导热翅片分叉前后的局部结构示意图，K为分叉前，分叉后的两个分支为K+1，K+2，则分叉前后导热翅片横截面当量直径满足：D3 K＝D3 K+1+D3 K+2。按该结构分叉的导热翅片，翅片之间的间隙及翅片与壳体之间的间隙构成流体通道，热源设备产生的热量可以通过导热翅片迅速传导到流体，可以提高加热装置本体温度分布均匀性、提高换热能力。
而不同壳体内的流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构的举例如下：假设预热段为多个，包括第n个(n为大于等于1的整数)预热段及与之相接触且位于其上部的第n+1个预热段，第n个预热段的第一导热翅片2采用如图5所示的蜂窝状分叉结构，第n+1个预热段的第一导热翅片2’采用如图6所示的蜂窝状分叉结构；第n个预热段的第一导热翅片2位于第一壳体1内，且位于第一热源设备4的周向，且自第一热源设备4向第一壳体1的方向延伸，第一导热翅片2内分布(优选均匀分布)的多个蜂窝孔构成预热段流体通道3，第n+1个预热段的第一导热翅片2’位于第一壳体1’内，且位于第一热源设备4’的周向，且自第一热源设备4’向第一壳体1’的方向延伸，第一导热翅片2’内分布(优选均匀分布)的多个蜂窝孔构成预热段流体通道3’，由于第n+1个预热段与第n个预热段相接触且位于第n个预热段的上方，流体经第n个预热段加热后，通过第n个预热段的预热段流体通道3流向第n+1个预热段的预热段流体通道3’，第n+1个预热段的预热段流体通道3’的数量大于第n个预热段的预热段流体通道3的数量，对应第n个预热段的预热段流体通道3内的流体上升到第n+1个预热段时，流体通道分叉为多个预热段流体通道3’(或者说第n个预热段的预热段流体通道3的流体上升流向若干个第n+1个预热段的预热段流体通道3’而实现分叉)，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构，即第n个预热段流体通道3的横截面当量直径的立方等于由其分叉出的对应第n+1个预热段的多个预热段流体通道3’的横截面当量直径的立方之和。
作为示例，所述第一壳体1及第二壳体5均优选圆柱空心壳体，有利于减少流体上升阻力以及利于提高及流体受热均匀性。所述第一热源设备4优选位于所述第一壳体1的正中间，所述第二热源设备8优选位于所述第二壳体5的正中间。所述第一热源设备4和第二热源设备8的结构可以相同或不同，所述第一壳体1和第二壳体5的材质优选相同，其大小可以不同。作为示例，所述蒸发段B的孔隙率大于所述预热段A的孔隙率，以满足流体加热上升过程中体积不断增加的需要，其中，孔隙率是指流体通道横截面积与对应其所在位置的壳体围成的空间的横截面积之比。比如，预热段A的孔隙率是指预热段流体通道3横截面积与其所在位置的第一壳体1的横截面积之比，蒸发段B的孔隙率是指蒸发段流体通道7横截面积与其所在位置的第二壳体5的横截面积之比。在一优选示例中，所述预热段A和蒸发段B的孔隙率为0.4～0.95。
所述预热段A可以为单个，也可以为多个，比如为2个及2个以上，当为2个或2个以上时，所述2个及2个以上预热段沿流体上升方向依次堆叠，且不同预热段A的流体通道按流体上升方向进行分叉，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。不同预热段的第一导热翅片2的分叉结构可以相同或不同，本实施例中不做严格限制。不同预热段A的第一壳体1的大小可以不同，以能满足承载对应导热翅片及流体流通需求为宜。
同样地，所述蒸发段B可以为单个，也可以为多个，比如为2个及2个以上，所述2个及2个以上蒸发段B沿流体上升方向依次堆叠，且不同蒸发段B的流体通道按流体上升方向进行分叉，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。不同蒸发段B的第二导热翅片6的分叉结构可以相同或不同，本实施例中不做严格限制。不同蒸发段的B第二壳体5的大小可以不同，以能满足承载对应导热翅片及流体流通需求为宜。
所述第一导热翅片2及第二导热翅片6的分叉结构可以根据需要选择，比如可选自树状分叉、蜂窝状分叉、植物茎脉分叉及雪花分叉中的一种或多种。比如所述第一导热翅片2和第二导热翅片6的分叉形状可以相同或不同，而当预热段A为多个时，不同预热段A的第一导热翅片2的分叉形状可以相同或不同；同样地，而当蒸发段B为多个时，不同蒸发段B的第二导热翅片6的分叉形状可以相同或不同，即第一导热翅片2及第二导热翅片6的分叉形状可以在上述结构中随意组合，只要分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构和/或流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构即可。
所述蒸汽发生器还可以进一步包括测温元件及电控器等部件以精确控制对应段的温度，保证汽化过程在一定的换热面积和换热功率下进行，保证汽化过程的稳定性。由于本发明重点在于对加热装置的改进，对其他部分不做过多展开，具体内容可参考公开号为CN108302516B的专利中的记载。
为使本发明的技术方案和优点更加突出，下面结合附图对本发明的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器做进一步示例说明。
实施例一
如图1至图4所示，本实施例提供的一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器包括预热段A及位于所述预热段A上方，且与所述预热段A相连通的蒸发段B，以及工质进料管9，其中：所述预热段A包括第一壳体1(或者也可以称之为预热段密封侧壁)及位于所述第一壳体1内的第一加热装置，所述第一加热装置包括第一热源设备4，及与所述第一热源设备4相连接且沿所述第一热源设备4的周向分布的第一导热翅片2，所述第一导热翅片2自所述第一热源设备4向所述第一壳体1方向延伸，所述第一导热翅片2之间及第一导热翅片2与所述第一壳体1之间的间隙构成预热段流体通道3；所述工质进料管9连接于所述第一壳体1底部；所述蒸发段B包括第二壳体5(或者也可以称之为蒸发段密封侧壁)及位于所述第二壳体5内的第二加热装置，所述第二加热装置包括第二热源设备8，及与所述第二热源设备8相连接且沿所述第二热源设备8的周向分布的第二导热翅片6，所述第二导热翅片6自所述第二热源设备8向所述第二壳体5方向延伸，所述第二导热翅片6之间及第二导热翅片6与所述第二壳体5之间的间隙构成蒸发段流体通道7；所述第一导热翅片2及第二导热翅片6沿对应壳体的径向呈分叉结构，即第一导热翅片2及第二导热翅片6越远离对应的热源设备，分叉越多，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000081
其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，当前段导热翅片分叉出k段，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径，即当前段导热翅片的横截面当量直径的立方等于由当前段导热翅片分叉出的所有导热翅片的横截面当量直径的立方之和，且蒸发段流体通道7的横截面积大于预热段流体通道3的横截面积。
本实施例中，所述第一导热翅片2和第二导热翅片6均为树形分叉，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足前述最佳结构。可以看到，第二导热翅片6的分叉密度分布大于第一导热翅片2的分叉密度分布(对比图2及图4可知，在同样的空间内，蒸发段B的导热翅片分支数量大于预热段A的导热翅片分支数量)，以适应其所在位置的流体受热及流体需要，进一步提高加热装置本体温度分布均匀性及提高换热能力。
当然，在该实施例中，预热段和蒸发段均可以为单个或多个，预热段和蒸发内的导热翅片的结构可以随意组合，只要分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构和/或流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构即可。
本实施例的预热段和蒸发段的导热翅片均采用树状分叉结构，由此对应形成树状分叉流体通道，有利于提高系统温度分布均匀性，增加换热性能，降低流动阻力。蒸汽发生器在稳态工作时，预热段更稳定地产生蒸汽，蒸发段出口的蒸气温度更稳定。当工况变化时，流体侧快速响应以较短时间达到稳态，降低系统的波动性，提高工质蒸气的流量及温度的控制精度。
实施例二
如图4及图7所示，本实施例提供另外一种结构的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，包括预热段A及位于所述预热段A上方，且与所述预热段A相连通的蒸发段B，以及工质进料管，其中：所述预热段A包括第一壳体及位于所述第一壳体1内的第一加热装置，所述第一加热装置包括第一热源设备4，及与所述第一热源设备4相连接且沿所述第一热源设备4的周向分布的第一导热翅片2，其中，所述第一导热翅片2采用类似图5所示的蜂窝结构，所述第一导热翅片2上的蜂窝孔构成预热段流体通道3，比如图7中F为蜂窝结构中流体通道的横截面面积，S为蜂窝结构固体，即第一导热翅片2固体横截面面积，蜂窝结构的加热装置采用孔隙率表示蜂窝的结构参数，孔隙率即流体横截面面积F与整个蜂窝结构所占横截面面积S之比(整个蜂窝结构所占横截面面积也即第一壳体1的横截面面积)；所述工质进料管9连接于所述第一壳体1底部；所述蒸发段B包括第二壳体位于所述第二壳体内的第二加热装置，所述第二加热装置包括第二热源设备，及与所述第二热源设备相连接且沿所述第二热源设备的周向分布的第二导热翅片，所述第二导热翅片自所述第二热源设备向所述第二壳体方向延伸，所述第二导热翅片之间及第二导热翅片与所述第二壳体之间的间隙构成蒸发段流体通道；所述第二导热翅片采用类似图4所示的树形分叉结构(为使图示简洁，并重复画图表示)，第二导热翅片沿第二壳体的径向呈分叉结构，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000091
其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，当前段导热翅片的分叉数量为k，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径，且蒸发段流体通道的横截面积大于预热段流体通道的横截面积。预热段采用蜂窝结构加热装置的蒸汽发生器相比传统结构，稳态时温度分布均匀、压降小、换热性能更好。
同样地，本实施例中，预热段和蒸发段均可以为单个或多个，预热段和蒸发内的导热翅片的结构可以随意组合，只要分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构和/或流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构即可。
实施例三
本实施例还提供另一种结构的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，本实施例与实施二的主要区别在于，实施例二中的预热段A的第一导热翅片为蜂窝结构而蒸发段B的第二导热翅片为树形分叉结构，而本实施例则正好相反，即本实施例中的第一导热翅片采用如图2或4所示的树形分叉结构而蒸发段B的第二导热翅片采用如图5或6所示的蜂窝结构(同样地，为使图示更加简洁，并未重复画图表示)。具体地，本实施例的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器包括预热段A及位于所述预热段A上方，且与所述预热段A相连通的蒸发段B，以及工质进料管，其中：所述预热段A包括第一壳体及位于所述第一壳体内的第一加热装置，所述第一加热装置包括第一热源设备，及与所述第一热源设备相连接且沿所述第一热源设备的周向分布的第一导热翅片，所述第一导热翅片自所述第一热源设备向所述第一壳体方向延伸，所述第一导热翅片之间及第二导热翅片与所述第一壳体之间的间隙构成预热段流体通道；所述工质进料管连接于所述第一壳体底部；所述蒸发段B包括第二壳体及位于所述第二壳体内的第二加热装置，所述第二加热装置包括第二热源设备，及与所述第二热源设备相连接且沿所述第二热源设备的周向分布的第二导热翅片，其中，所述第二导热翅片为蜂窝结构，所述第二导热翅片上的蜂窝孔构成蒸发段流体通道；所述第一导热翅片为树形分叉，其沿第一壳体的径向呈分叉结构，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure BDA0002743384360000101
其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，当前段导热翅片的分叉数量为k，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径，且蒸发段流体通道的横截面积大于预热段流体通道的横截面积。
同样地，本实施例中，预热段和蒸发段均可以为单个或多个，预热段和蒸发内的导热翅片的结构可以随意组合，只要分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构和/或流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构即可。
当然，上述实施例只是对本发明提供的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器做例示性说明而非限定，比如本发明还可以是第一导热翅片和所述第二导热翅片均为蜂窝状分叉结构，或预热段为多个，和/或蒸发段为多个，多个第一导热翅片和/或多个第二导热翅片在树状分叉、蜂窝状分叉、植物茎脉分叉及雪花分叉中随意选择，具体不做严格限制。只要分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构和/或流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构即可。
实施例四
如图8所示，本发明还提供一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器系统，包括如前述任一方案，包括但不限于实施例一至三所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，以及计量泵10，所述计量泵10连接于工质箱11及所述带仿生结构加热装置的蒸汽发生器中的所述工质进料管9之间。所述带仿生结构加热装置的蒸汽发生器的结构请参考前述内容，此处不再赘述；所述计量泵10连接于所述带仿生结构加热装置的蒸汽发生器中的所述工质进料管9以及工质箱11之间，通过所述工质进料管9向所述预热段A中通入工质，以补偿所述预热段A中因工质的汽化所造成的工质的损失，确保液位保持稳定，所述计量泵10可控制工质的流量，使工质的流量精准化。
作为示例，所述计量泵包括柱塞式计量泵、机械隔膜式计量泵及液压隔膜式计量泵中的一种。本实施例中，采用价格较低且流量精度较高的柱塞式计量泵作为所述计量泵，在另一是实例中也可采用其他类型的计量泵，此处不作限制。
本实施例的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器系统与现有技术的主要区别在于采用仿生结构的加热装置，相较于现有技术，加热装置导热翅片的温度分布更均匀，换热面积更大，加热装置围成的多孔流体通道内流体与加热装置本体的换热效率更高，可以稳定、高效的把热量传递给流体。同时翅片围成的例如树状结构的多孔流体通道阻力小，系统压降小，稳态时的流量、温度控制精度更高。瞬态变化时，比如需要控制工质蒸气出口温度升高时，通过电控器增加加热装置热源设备功率，热源温度升高，加热装置导热结构可以更迅速的传递热源设备的温度变化并达到稳态，减少加热装置变化响应时间，弱化加热器翅片温度波动。同时流体通道阻力小，更快速的达到流动稳定，减小系统流量的波动。
综上所述，本发明的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器及系统，可以有效提高温度分布均匀性，增加单位体积内的换热面积，提高加热装置与流体的换热效率；由于加热装置采用仿生结构，相应形成的流体通道为分叉结构，比如为树状分叉结构，有利于降低流体阻力，增加换热效率，故蒸汽发生器工况变化时，热源设备的温度变化可以更快速地反映给导热翅片，可以减少响应时间，弱化变工况时系统的波动性。即本发明可以在减小流体阻力的同时提高流体换热性能，减少响应时间，最终提高蒸汽发生器的流量和温度控制精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于，包括工质进料管、预热段及位于所述预热段上方，且与所述预热段相连通的蒸发段：
所述预热段包括第一壳体及位于所述第一壳体内的第一加热装置，所述第一加热装置包括第一热源设备及与所述第一热源设备相连接且沿所述第一热源设备的周向分布的第一导热翅片，所述第一导热翅片自所述第一热源设备向所述第一壳体方向延伸；所述蒸发段包括第二壳体及位于所述第二壳体内的第二加热装置，所述第二加热装置包括第二热源设备及与所述第二热源设备相连接且沿所述第二热源设备的周向分布的第二导热翅片，所述第二导热翅片自所述第二热源设备向所述第二壳体方向延伸；所述蒸发段的孔隙率大于所述预热段的孔隙率，其中，孔隙率是指流体通道横截面积与对应其所在位置的壳体围成的空间的横截面积之比；
所述工质进料管与最底部的所述预热段的第一壳体相连通；
所述第一导热翅片和第二导热翅片沿对应壳体的径向呈分叉结构，导热翅片之间及导热翅片与对应壳体之间的间隙构成流体通道，分叉前后的导热翅片横截面当量直径满足最佳结构:
Figure FDA0002743384350000011
k为大于等于2的整数，其中，Dm为当前段导热翅片的横截面当量直径，当前段导热翅片的分叉数量为k，Dk为由当前段导热翅片分叉出的第k段导热翅片的横截面当量直径；和/或不同壳体内的流体通道按流体上升方向进行分叉，且分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
2.根据权利要求1所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述预热段为2个及2个以上，所述2个及2个以上预热段沿流体上升方向依次堆叠，且不同预热段的流体通道按流体上升方向进行分叉，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
3.根据权利要求1或2任一项所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述蒸发段为2个及2个以上，所述2个及2个以上蒸发段沿流体上升方向依次堆叠，且不同蒸发段的流体通道按流体上升方向进行分叉，分叉前后的流体通道的横截面当量直径满足所述最佳结构。
4.根据权利要求3所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述第一导热翅片和第二导热翅片的分叉形状选自树状分叉、蜂窝状分叉、植物茎脉分叉及雪花分叉中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述第一导热翅片及第二导热翅片均为树形分叉结构。
6.根据权利要求4所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述第一导热翅片为树形分叉结构，所述第二导热翅片为蜂窝状分叉结构。
7.根据权利要求4所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述第一导热翅片和所述第二导热翅片均为蜂窝状分叉结构。
8.根据权利要求4所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述第一导热翅片为蜂窝状分叉结构，所述第二导热翅片为树形分叉结构。
9.根据权利要求1所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器，其特征在于：所述预热段和蒸发段的孔隙率为0.4～0.95。
10.一种带仿生结构加热装置的蒸汽发生器系统，其特征在于，包括：
如权利要求1～9中任一所述的带仿生结构加热装置的蒸汽发生器；以及
计量泵，所述计量泵连接于工质箱及所述带仿生结构加热装置的蒸汽发生器中的所述工质进料管之间。
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