CN1470843A - 多级液浴式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级液浴式换热器，它由多个换热室串联组成，形成梯级逆流液浴换热方式。每级换热室的予、受热流体换热面浸入同一液态热媒之中，换热室底部置有搅拌器，顶部设置膨胀罐、安全阀，膨胀罐与换热室相通，浮动盖位于膨胀罐顶部，浮动盖与膨胀罐顶部之间留有一定间隙，使膨胀罐与大气相通，形成开放式结构。本发明利用热媒有效隔离换热流体，并以常压、开放方式运行。运行期间，换热器中充满热媒，停用后，换热器无需采用额外的防腐保养措施。本发明特别适合石油、化工、制药、食品、动力等工业领域中需要对换热流体进行有效隔离，以免引起燃烧、爆炸、剧毒物质扩散、流体固化、腐蚀、产品被污染等严重不良后果的低温换热场合。

Description

多级液浴式换热器

技术领域

本发明涉及一种热交换介质不直接接触的热交换设备，特别涉及一种通过热媒进行热交换的多级液浴式换热器。

背景技术

在石油、化工、制药、食品、动力等工业领域中，有很多场合需要在两种换热流体被有效隔离的条件下将低温热量从予热流体传给受热流体，否则可能会引起燃烧、爆炸、剧毒物质扩散、流体固化、腐蚀、产品被污染等严重不良后果。例如，在利用燃天然气锅炉排烟的低温余热来加热液化天然气的场合，就要避免因换热器泄漏引起排烟与液化天然气混合而导致的燃烧和爆炸。现有的普通管壳式换热器难以完全避免两种流体之间的相互渗漏，如果管子或管板破裂，两种流体会直接混合在一起。现有的双管板换热器也只解决了管板渗漏或破裂所引起的流体混合问题而不能解决管子渗漏或破裂所引起的流体混合问题，并且加工难度大、成本高。

现有的热管换热器、有压相变换热器虽然可以利用热媒将予、受热流体有效隔离，但要传输低温热量并且希望把予热流体的出口温度降到60℃以下时，热管换热器和有压相变换热器均需采用低沸点工质，如氨水、氟利昂、甲醇、丙酮等作热媒，低沸点工质本身就是易燃、易爆或有毒、有害物质，在予热流体换热面或受热流体换热面发生泄漏或破裂的情况下也会引起严重不良后果，而且热管换热器加工制造难度大、成本高，有压相变换热器对调节保护系统的要求高，制造成本高，运行维护复杂。现有的真空相变换热器虽然可以将予、受热流体有效隔离，并且可以用无害的纯水作热媒，但在低温换热范围内，换热器必须在极高的真空下工作，而极高真空的设备不仅加工制造困难、成本高、对调节保护系统的要求高，而且运行维护复杂。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有换热器在隔离予热流体和受热流体方面所存在的缺点并为了提高能量利用率，提供一种利用液态热媒有效隔离换热流体，并以常压、开放式梯级逆流液浴换热方式运行的多级液浴式换热器。

本发明的技术方案特点是：换热器由多个换热室串联组成，予热流体、受热流体方向相反地依次流过串联的多个换热室，  形成梯级逆流液浴换热，每级换热室内上部置有受热流体换热面，下部置有予热流体换热面，每级换热室内的予、受热流体换热面都被浸入换热室内置有的同一液态热媒之中，换热室底部置有搅拌器，顶部设置膨胀罐、安全阀，膨胀罐与换热室连成一体并与换热室相通，浮动盖位于膨胀罐顶部，浮动盖与膨胀罐顶部之间留有一定间隙，使膨胀罐与大气相通，形成产生呼吸作用的开放式结构。

本发明提供了一种通过液态热媒将换热流体有效隔离以避免燃烧、爆炸、剧毒物质扩散、流体固化、腐蚀、产品被污染等严重不良后果的换热技术方案。本发明与背景技术相比，具有如下优点：

(1)与现有的普通管壳式换热器相对比，能避免两种换热流体在换热器中因管板、管子泄漏混合引起燃烧、爆炸、剧毒物质扩散、流体固化、腐蚀、产品品质污染等严重不良后果。

(2)与现有的双管板换热器相对比，液浴式换热器既解决了管板泄漏引起的换热流体混合问题，又解决了管子泄漏引起的换热流体混合问题，而且结构简单，加工容易，成本低。换热管外是洁净的热媒，不结垢，无腐蚀，壳侧易清洗、予、受热流体换热面分开布置，可根据使用要求选用不同材料，有利于合理选材。

(3)与现有的热管换热器和有压相变换热器相对比，液浴式换热器在低温余热回收利用的场合，可采用无害的洁净水作热媒，从而可以避免采用易燃、易爆或有毒、有害的低沸点热媒所引起的问题。

(4)与现有的真空相变换热器相对比，液浴式换热器虽然同样可在低温范围内选用无害的洁净水作热媒，但始终处于常压下运行，因而避免了真空相变换热器加工制造困难、成本高、对调节保护系统要求高、需配置抽真空设备、运行维护复杂等问题。

(5)停用期间无需采用额外的防腐保养措施。因为无论换热器在启动、停用还是在正常运行阶段，其换热室中都充满了经过严格处理的洁净液体，对换热室有充液保养作用，使换热室免受空气腐蚀，所以停用期间无需采用额外的防腐保养措施，从而节约了装置的维护保养成本。

(6)由于采用了梯级逆流液浴换热方式，所以可有效提高能量利用率。

附图说明

图1为多级换热室串联示意图；

图2为每个换热室结构示意图。

具体实施方式

多级液浴式换热器由多个换热室串联组成，予热流体、受热流体方向相反地依次流过串联的多个换热室，形成梯级逆流液浴换热，由图1所示，1为第一级换热室，2为第二级换热室，3为第n级换热室，4、7为予热流体的进口、出口，5、6为受热流体的出口、进口。由图2所示，每级换热室内上部置有受热流体换热面8，下部置有予热流体换热面10，每级换热室内的予、受热流体换热面都被浸入换热室内置有的同一液态热媒之中，换热室底部置有搅拌器13，顶部设置膨胀罐19、安全阀20，膨胀罐与换热室连成一体并与换热室相通，浮动盖18位于膨胀罐19顶部，浮动盖与膨胀罐顶部之间留有一定间隙，使膨胀罐与大气相通，形成产生呼吸作用的开放式结构，使换热室内压力与室外大气压基本持平。图2中，15、11为予热流体进口、出口，9、16为受热流体进口、出口，17为液位计，14为换热室壳体，在每一级换热室的底部还置有用于收集、排放微量漏入的、密度大于热媒密度的予、受热流体的排污罐12。

在本发明中，换热室中用于换热媒介目的的流体集合被称为“热媒”；热媒中能用相同分子式表示的物质集合被称为“热媒质”。按此定义，本发明每个换热室只放置一种热媒，但不同的换热室可以采用相同品种的热媒也可以采用不同品种的热媒。任一种热媒既可以由一种热媒质组成，也可以由多种热媒质按照不同的比例混合而成。本发明装置启动前，每个换热室中充满传热用的液态热媒。所选择的液态热媒须具备以下六个条件：(1)化学组成稳定；(2)传热性能好；(3)无毒无害；(4)与换热室壳体材料、换热面材料有良好的相容性，即洁净且不引起换热室壳体和换热面结垢、腐蚀；(5)与予热流体和受热流体有良好的相容性，即分别与少量的予、受热流体在换热室内相混合以及与少量的予、受热流体在换热室共同混合时均不至于引起严重的不良后果；(6)常压沸点温度高于换热室最高工作温度并有一定裕度。

多级液浴式换热器在启动初期，通过调节受热流体流量，使受热流体的吸热量小于予热流体的放热量，换热室中液态热媒的温度逐渐升高，体积逐渐增大，部分液态热媒通过U形管被排挤至膨胀罐。当热媒温度被加热到一定值时，通过协调调节，使受热流体的吸热量和予热流体的放热量之间达到热平衡、受热流体的出口温度达到要求值，转入正常运行阶段。

所谓“液浴”式换热是指予、受热流体换热面都被浸入在同一液态热媒之中进行换热的一种传热方式。本发明装置在启动、正常运行和停运阶段，液态热媒始终充满换热室，所有换热面全部淹没在热媒中，运行时，予热流体通过热媒将热量间接地传递给受热流体，热媒无相变，传热过程以对流方式进行。为提高传热效率，可采取以下两个强化传热措施：(1)用搅拌器驱动热媒在换热室内上下强制流动；(2)在热媒中加适量的软金属短丝以增强紊流扰动。

本发明要求予热流体、受热流体的管内压力高于换热室内热媒的压力，这样，即使管板存在微量渗漏，也只会使予、受热流体渗入热媒中，而不会使予热流体混入受热流体，或者受热流体混入予热流体。同时，由于所选择的热媒同予、受热流体有良好的相容性，所以即使管板有微量渗漏，也不会产生不良后果。在管板存在微量渗漏的情况下，如果漏入的予、受热流体的密度小于热媒密度，它们会自动上升，经膨胀罐、浮动盖被及时排至换热室外；如果漏入的微量予、受热流体的密度大于热媒密度，它们会自动沉降至换热器底部的排污罐中，当数量累积到一定量时进行排放。当予热流体换热面管子或受热流体换热面管子因磨损等原因而破裂时，只要两侧的管子不是同时破裂，同样不会引起不良后果。

在附图1中，各换热室中热媒的工作温度是不同的。予热流体依次流过n级换热室时温度逐级降低，受热流体逆向流过n级换热室时温度逐级升高。这种梯级逆流液浴换热方式可以有效地提高能量利用率。

在运行过程中，当予热流体的流量或温度发生波动时，由于各换热室热媒的热惯性较大，所以对受热流体的出口温度影响较小。

本发明设有热媒液位低等保护信号，万一发生危急情况，保护设备迅速动作，快速切断予热、受热流体源。

安全阀仅在不可预见的换热室意外严重超压情况下自动动作。

本发明装置在停用过程中，先逐渐调低予热流体的流量，然后匹配性地调低受热流体的流量。这样既可以利用停用过程继续换热，又能改善受热部件的受热特性，使其避免受到较大温度变化的冲击，延长其使用寿命。

本发明装置在停用期间由于热媒始终充满整个换热室，而热媒是经过严格处理的洁净液体，对换热室有充液保养作用，使换热室免受空气腐蚀，无需在设备停用后采用额外的防腐保养措施。本发明特别适合石油、化工、制药、食品、动力等工业领域中需要对换热流体进行有效隔离，以免引起燃烧、爆炸、剧毒物质扩散、流体固化、腐蚀、产品被污染等严重不良后果的低温换热场合。

Claims (3)

1、一种多级液浴式换热器，其特征在于，换热器由多个换热室串联组成，予热流体、受热流体方向相反地依次流过串联的多个换热室，形成梯级逆流液浴换热，每级换热室内上部置有受热流体换热面(8)，下部置有予热流体换热面(10)，每级换热室内的予、受热流体换热面都被浸入换热室内置有的同一液态热媒之中，换热室底部置有搅拌器(13)，顶部置有膨胀罐(19)、安全阀(20)，膨胀罐与换热室连成一体并与换热室相通，浮动盖(18)位于膨胀罐(19)顶部，浮动盖与膨胀罐顶部之间留有一定间隙，形成使膨胀罐与大气相通，产生呼吸作用的开放式结构。

2、根据权利要求1所述的多级液浴式换热器，其特征在于，所述的每个传热室采用两个强化传热措施：(1)在换热室底部置有驱动液态热媒在换热室内上下强制流动的搅拌器(13)；(2)液态热媒中加有适量的以增强紊流扰动的软金属短丝。

3、根据权利要求1所述的多级液浴式换热器，其特征在于，所述的每一级换热室的底部置有用于收集、排放微量漏入的、密度大于热媒密度的予、受热流体的排污罐(12)。

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