CN1837704A - 用于化工行业的热交换设备及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于化工行业的热交换设备和加热方法，包括形成循环系统的压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀，还包括热交换装置，所述热交换装置位于至少一条循环回路中，压缩机的输入端与热交换装置的输出端相连，所述方法包括如下步骤：1)将导热液与热泵式热交换设备中的热交换装置的冷凝管进行热交换，所述热泵式热交换设备依次通过如下步骤实现循环：经过压缩机、热交换装置、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。2)将此导热液作为加热液与化工用设备或剂液进行热交换。由于利用热交换装置吸收压缩机冷却装置中的制冷剂的余热用于化工行业中，尤其是电镀、橡胶和塑料等化工行业中，改变现有的化工行业普遍采用的电加热方式，节省能耗。

Description

用于化工行业的热交换设备及加热方法

技术领域

本发明涉及用于化工行业的热泵式制冷设备的余热利用设备，尤其涉及用于电镀化工行业或塑料和橡胶行业的热交换设备的余热利用设备。

背景技术

电镀化工行业是用电大户，主要用电是在电加热上，每个品种都需要电加热除油、电加热水钝化和清洗处理、金属电镀液升温恒温等，其中小型钝化水槽至少需4至6千瓦的电加热管，中型高温(93-100℃)除油槽需要20千瓦以上的电加热管，各生产线都必须具备上述钝化水槽、除油槽等设备，小型电镀化工厂就有几条生产线，大型电镀化工厂则有几十条生产线，其用电更多；另外，还有许多的金属镀液都必须电加热管进行加温，如铜、镍和铬等。还有一些金属镀液则需要进行降温，如锡、锌镀液等。

但由于电加热用电大，成本高得不偿失，例如一个中型高温除油槽需用电加热管20千瓦，按电镀行业连续生产计24小时需要480度电/天，同时每个月更换电加热管费用要1-2000元，还要注意漏电安全问题，因此现在电镀化工行业都通用电加热来实现除油、水钝化处理等。另外，电镀化工行业属强酸、碱性、温度又高，故对电加热管的材料要求也很高，且不耐用。尤其化学电镀不能用导电材料作加热管，用电又大，难度高。另外，在橡胶行业的橡胶油压机、每台机电加热要在12千瓦以上，同时也需要降低工作温度和工作环境在35-40摄氏度，其工作温度条件要求在140-200摄氏度，另塑料行业注塑机也同样需要以上条件，在目前我国及国际上还未有出现用热泵技术及其余热利用。目前只有用冷水机作为冷却而已。而冷水机又没有利用余热，余热外排污染环境。

发明内容

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供用于化工行业的热交换设备，实现余热利用，为化工行业提供再生热能加热处理，节省能源，减少环境废热排放。

为实现上述目的，本发明提出一种用于化工行业的热交换设备，包括形成循环系统的压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀，还包括热交换装置，所述热交换装置位于至少一条循环回路中，压缩机的输入端与热交换装置的输出端相连。

为实现上述目的，本发明还提出一种化工行业加热方法，包括如下步骤：

1)将导热液与热泵式热交换设备中的热交换装置的冷凝管进行热交换，所述热泵式热交换设备依次通过如下步骤实现循环：经过压缩机、热交换装置、冷凝器、蒸发器和膨胀阀。

2)将此导热液作为加热液与化工用设备或剂液进行热交换。

由于采用了以上的方案：

1、利用热交换装置吸收冷水机或空调机等热泵式循环系统排放的余热，用于化工行业中，尤其是电镀化工行业、塑料和橡胶行业中，改变现有的化工行业普遍采用的电加热方式，这样可以节省能耗。其能效比可达到1∶5-7，余热利用效率更高。

2、冷凝剂与第一热交换器和第二热交器进行交换，可以得到两种经加热的剂液，同时冷凝剂经过冷凝器、储液箱和膨胀阀后在蒸发器吸热制冷冷却水或空气等，从而实现三用热交换，其中冷凝器、储液箱、过滤器、膨胀阀和蒸发器可以直接采用现有的冷水机或空调机中的制冷系统或其它系统；同时实现冷水机或空调机的废热再生利用，得到用于化工行业的液体或导热油加热，从而代替电加热用于化工行业的加热作用。

3、采用储水箱便于对加热的液体进行温度控制，而采用储液箱则方便剂液流入液罐中。

4、采用多个冷凝管单元串联的方式，是为本发明积热升高温至140摄氏度之用。可以提高热交器中剂液的加热温度，实现对温度上的要求。实现冷、暖、热三用热交换。

5、采用耐腐蚀、耐高温材料的冷凝管和冷凝罐，如：金属钛管或镀镍合金铜管的冷凝管，以及不锈钢或氟高温塑料的冷凝罐，应用到化工行业可以耐酸碱，延长冷暖热三用热交换装置的使用寿命，提高冷暖热三用热交换装置的实用性。

6、采用微控制器，根据中温水的温度是否达到预定的温度，控制冷水入口的进水闸的通断，进行温度控制；控制制冷剂是否直接从压缩机流入冷凝器，以及蒸发器、第二蒸发器是哪一个或者全部工作，达到实现设备正常运转的前提下，充分综合利用能源，同时便于控制，以达到制冷制热的热交换物尽其用，是最节约的新科技。

附图说明

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

图1是用于化工行业的热交换设备的原理示意图。

图2是热交换装置的结构示意图。

图3是热交换装置剖视图。

图4是热交换冷凝器单元的结构示意图。

具体实施方式

实施例，如图1所示，用于化工行业的热交换设备包括压缩机1、热交换装置2、转换阀13、冷凝器3、储液罐4、过滤器5、电磁阀6、膨胀阀7、第二转换阀14、蒸发器8、第二蒸发器、微控制器12、进水闸15、探温头11。制冷剂存在一个或多个的闭环循环回路，其可在如下系统连接方式下形成：压缩机的一路经转换阀与冷凝器相连通，压缩机的另一路经热交换装置2和转换阀13与冷凝器相连通，另外也可以压缩机经热交换装置2和转换阀13与储液罐4相连通。储液罐4与过滤器5、电磁阀6膨胀阀7相连通。膨胀阀7经第二转换阀14与蒸发器8相连通，膨胀阀7经第二转换阀与第二蒸发器相连通，第二蒸发器和蒸发器与压缩机的制冷剂入口相连。总之，由转换阀13和第二转换阀14控制形成多个子循环系统。

如图2和图3所示，热交换装置2包括串联于循环系统的第一热交换器和第二热交换器。第一热交换器与第一种剂液进行热交换，所述第二交换器与第二种剂液进行热交换。根据实际需要，第一热交换器和第二热交换器也可以采用并联的方式。第一热交换器包括联于循环系统的第一冷凝管212、用于存储化工用剂液的第一冷凝罐211和储液箱10，第一冷凝管212与第一冷凝罐211内的剂液进行热交换，如图2所示，储液箱10的出水口与第一冷凝罐的入液口相连，所述储液箱10的入液口为第一冷热交换器的入液口。第二热交换器包括联于循环系统的第二冷凝管212、用于存储化工用剂液的第二冷凝罐211，第二冷凝管212与第二冷凝罐211内的剂液进行热交换。如图2所示，第二冷凝罐为用于存储冷水的水箱，所述水箱的入水口为第二冷凝罐的冷水入口，所述储水箱9的入水口与水箱的出水口相连，所述储水箱9的出水口为第二热交换器的温水出口。第一热交换器的第一冷凝管的出气口与第二热交换器的第二冷凝管的入气口相联，所述第一冷凝管和第二冷凝管分别包括相串联或并联或独立的多个冷凝管单元，所述第一冷凝罐和第二冷凝罐中分别包括相串联的多个液罐单元211。其中第二热交换器也可以采用一个冷凝管单元和一个液罐单元。冷凝管单元和液罐单元组成热交换冷凝器单元21。各液罐单元211的上盖上开有四个通孔，冷凝管单元212的出口和入口分别与液罐单元211上的两个通孔相连，各冷凝管单元212的出口与下一级冷凝管单元212的入口相连，形成冷凝气的通道。上盖上另外两个通孔分别作为液体的出口与入口，其中n个液罐单元211组成第二冷凝罐，每个液罐单元的液体出口与下一级液罐单元的液体入口相连，形成液流的通道，第一级液罐单元的液体入口与冷水入口相连，最后一级液罐单元的液体出口与储水箱9的入水口相连，储水箱9的出水口与钝化用水槽的入水口相连；另外m个液罐单元组成第一冷凝罐，其中n＜m，每个液罐单元的液体出口与下一级液罐单元的的液体入口相连，形成除油液或电镀液的通道，第一级液罐单元的液体入口与储液箱10的出口相连，除油液或电镀液通过过滤槽流入储液箱10中，最后一级液罐单元的液体出口与除油槽或电镀槽的入口相连。

在本实施例中，第一冷凝罐的数量为3个，第二冷凝罐的数量为5个，而冷凝管212为螺旋形双环结构。在本实施例中冷凝管为金属钛管或镀镍合金铜管，冷凝罐为304不锈钢或耐高温塑料制成。为了使其应用化工行业，冷凝管和冷凝罐中与化工工艺用剂液相接触的表面由耐腐蚀、耐高温材料制成。

本装置可应用于不同的领域，如应用于化学电镀行业、橡胶行业和注塑机行业。在电镀行业中，当为清洗水、导热油加热，则用镀镍铜管为冷凝管直接加热；当对除油液或强酸碱等液体加热，则采用钛管或对铜、镍、铬等金属液体加热。；当需要对化学镀液体加热时，首先加热冷凝罐里装入的导热液，所述导热液可以是导热油或酸碱溶液，所述导热油或酸碱溶液为高沸点溶液，可以加热至更高的温度。冷凝管与其热交换加热然后转泵出由非金属耐高温材料如：铁尼龙管循环对金属液体加热。采用非金属材料可以解决电镀液与金属材料反应吸附的问题。

为了适应化学电镀的需要其材料应由非金属材料制成。即采用尼龙纤维导热管转换加热，用耐高温塑料做电镀槽。

其中，探温头11置于第二热交换器中至少一个液罐单元中，探温头11最好置于第二热交换器最后一级的热交换冷凝器单元的液罐单元中，这样便于控制，探温头11的输出端与微控制器12的输入端相连，微控制器12的输出端控制冷水入口的进水闸15和冷凝器3的风扇，微控制器12接收探温头11测取的水的温度信号，微控制器12的控制端控制第二热交换器的入液口进水闸15，当探温头11测得的加热水温度满足设定的预定温度条件时，则微控制器12的输出控制冷水入口的进水闸15的关闭或打开。如果中温水的温度没有达到预定的温度，则微控制器12关断冷水入口的进水闸15，确保第二热交换器输出的水温达到钝化用水的标准。当水温超过预定的温度，则控制进水闸15打开，放水进入，控制水箱中水的温度范围，使得冷凝管在设定的温度范围工作，故此达到对冷凝回路温度的控制，从而保证了整个电镀化工的设备正常运行；另外，如果水温达到预定的温度，也可以由微控制器12控制冷凝器3的风扇根据温度阶段性的或按比例的控制送风功能的强弱，加速冷凝器3排放热能，以确保整个三用冷暖热交换装置的正常运作。

微控制器12的输出端控制转换阀13的选通方式，使制冷剂直接从压缩机1流入冷凝器3或者制冷剂流入热交换装置2中或者制冷剂流入冷凝器3和热交换装置2中。在本实施例中，转换阀13采用三通阀或四通阀或者气用电磁阀，三通阀的第一端与压缩机1的冷凝气输出端，三通阀的第二端与热交换装置2的冷凝气输出端相连，三通阀的第三端与冷凝器3的冷凝气输入端相连。微控制器12的输出端控制三通阀的选通。如果中温水的温度达到预定的温度，则微控制器12控制冷凝气不流入热交换装置2而是直接从压缩机1流入冷凝器3，以确保整个电镀化工设备的正常运作。

当然也可以采用四通阀，即四通阀的第四端与储液罐4的输入端相连。当四通阀转换使热交换装置2和储液罐4相连通时，压缩机的冷凝气直接经热交换装置2流入储液罐4。

其中，第二蒸发器与蒸发器8并联，微控制器12的输出端控制第二转换阀14的选通方式，选择蒸发器8和\或第二蒸发器工作。在本实施例中第二转换阀14采用三通阀、电磁阀或四通阀，三通阀的第一端与毛细管或膨胀阀7的输出端相连，第二端与蒸发器8的输入端相连，第三端与第二蒸发器的输入端相连。当三通阀处理不同状态，可以使制冷剂流入第二蒸发器，或者蒸发器，或者同时流入第二蒸发器和蒸发器8。蒸发器8置于冷水箱中，即为冷水机，第二蒸发器则可置于空气中，这样蒸发器可以起到冷却水吸收余热的功效，第二蒸发器起到调节空气的作用。蒸发器8置于空气中即为空调。当冷水箱中的冷却液的温度达到设定要求，微控制器12控制第二转换阀14转换状态，使第二蒸发器工作，使得第二蒸发器可以释放冷气，调节周围环境的空气温度。而热交换装置2实现高温高压气体与冷水、除油液或电镀液的热交换。

热交换装置2还包括保温层16，保温层16包覆各热交换冷凝器单元的外表面、储水箱9外表面和储油箱10外表面，用于保温。

该循环系统的具体工作过程如下：

通电后，电磁阀6打开，压缩机1接通工作，由压缩机1将蒸发器8内的气态制冷剂压缩成高压、高温气体输送给热交换装置2；同时冷水从冷水入口中进入第二热交换器的第二冷凝罐中，除油液或电镀液从储油箱10中进入第一热交换器的第一冷凝罐中。

在热交换装置2中，高压高温气体通过冷凝气的通道，分别与第一冷凝罐和第二冷凝罐中的水、除油液和电镀液进行热交换，由于第二热交换器位于冷凝气通道的最后一级，因此其第二冷凝罐中的水与冷凝气热交换后，水的温度可达55-65℃，而第一热交换器包括的热交换冷凝器单元位于冷凝气通道的前级且数量多，冷凝罐中的除油液或电镀液与冷凝气的热交换更充分，热交换后，除油液或电镀液的温度可达90-100℃。中温水从热交换冷凝器单元中出来进入储水箱9中，进而进入钝化用水槽中进行水钝化清洗处理；从储液箱10中流出的除油液或电镀液，经热交换冷凝器单元流出，产生高温除油液(或电镀液)进入除油槽(或电镀槽)中进行除油(或电镀)。

经过热交换装置2热交换的冷凝气进入冷凝器3中，进一步经过冷凝器3中的风扇风冷或水冷散热，成为高压液体，进入储液罐4中。

液态制冷剂在压力作用下再由储液罐4进入过滤器5过滤掉制冷剂中的杂质，然后经打开的电磁阀6进入膨胀阀7。

液态制冷剂经膨胀阀7后迅速减压膨胀，温度同时迅速下降，这一低压低温制冷剂进入蒸发器8中，由于压力骤然降低，液态制冷剂迅速沸腾蒸发并在蒸发器8中吸热成为气体。

如果蒸发器8置于冷水箱中，则冷水箱中的水被制冷剂吸热变成冷水，从而实现冷水机提供冷却水的功能；如果蒸发器8置于空气中，则空气被制冷剂吸热变成冷空气，起到空调机调节周围环境空气的作用。

实施例二：一种化工行业加热方法，包括如下步骤：1)将导热液与热泵式热交换设备中的热交换装置2中的冷凝管进行热交换，所述热泵式热交换设备依次通过如下步骤实现循环：经过压缩机、热交换装置2、冷凝器、蒸发器和膨胀阀7。2)当加热温度仍不能满足要求时，采用电加热管进一步加热导热液。3)将此导热液作为加热液与化工用设备或剂液进行热交换。

当上述方法具体应用于在塑料行业时，首先将导热油倒入热泵式热交换设备中的热交换装置中的冷凝罐中，导热油与冷凝管进行热交换，经加热的导热油泵入铜管中，所述铜管环绕于注塑机或干燥机的料桶周围，对注塑机机身进行环绕加热，当该加热装置需要加热超过140℃及恒温而现有加热油不能满足要求时，例如机身或模具的温度要求超过130℃，则可以采用电加热器对导热油进行辅助加热并实现恒温控制。

当上述方法具体应用于橡胶机模具加温，则其过程与注塑机加热基本相同，不同之处在于经冷凝管加热的导热油，在橡胶模具套的外围缠绕铜管，所述经加热的导热油可以流入缠绕于橡胶模套外围的铜管中，对橡胶模具加套进行加热，如果模具温度要求超过140℃，在流入橡胶模具套外围的铜管之前，用电加热辅助加热及自动恒温。

以上三种利用冷水机或空调机余热是属目前世界首创实用节能专利。

该方法具体应用于橡胶行业油压机和塑料行业注塑机，其主要原理是冷凝器的冷凝罐里面装的是导热油，其由多个冷凝罐的导热油经吸收冷凝管放出热能积热而升温，其温度可达140摄氏度左右，然后送上保温储油箱，然后由储油箱送高温油到橡胶机、油压机模具套板内，如果需要超过140℃高温可附加电加热器其温度可升到200摄氏度，另第一蒸发器可以对液压机液压油过行冷却，以保机械正常运转，第一蒸发器冷却油温达到目的后，通过探温器传信号到IC微控然后通知转换第二蒸发器起动，排出冷气、调节车间空气温度，塑料注塑机原理和做法与橡胶液压机相同，也有加热和冷却系统。

总之，本发明的冷暖热三用热交换的热能回收可以达到98％，相对于现有电镀化工行业中的电加热管，一台冷暖热三用热交换装置就可以减少电加热管24千瓦，还可以减少电加热管的损耗费用1000-2000元/月；除了经济上的效果，利用废热循环加温加热，还能避免电加热的废气排放，达到环保的目的。本发明最大实用独特是汇集空气热泵和水源热泵技术为一体，采用双冷凝、双蒸发多功能多用途集天地余热之精华、充分发挥热泵冷凝散热原理取其余热加热水、运热泵蒸发吸热的原理，使排热与吸热的原理尽其发挥，达到能源利用的高峰、也解决了环境热岛的问题，是最佳球保、安全、节能、省钱的实用技术。

Claims (18)

1、一种用于化工行业的热交换设备，其特征在于：包括形成循环系统的压缩机(1)、冷凝器(3)、蒸发器(8)和膨胀阀(7)，其特征在于：还包括热交换装置(2)，所述热交换装置(2)位于至少一条循环回路中，压缩机(1)的输入端与热交换装置(2)的输出端相连。

2、根据权利要求1所述的用于化工行业的冷暖热交换设备，其特征在于：所述热交换装置(2)包括相并联或串联的第一热交换器和第二热交换器，所述第一热交换器与第一种剂液进行热交换，所述第二交换单元与第二种剂液进行热交换。

3、根据权利要求1或2所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述第一热交换器包括连于循环系统的第一冷凝管(212)和用于存储化工用剂液的第一冷凝罐(211)，第一冷凝管(212)与第一冷凝罐(211)内的剂液进行热交换。

4、根据权利要求1或2所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述第二热交换器包括连于循环系统的第二冷凝管(212)和用于存储化工用剂液的第二冷凝罐(211)，第二冷凝管(212)与第二冷凝罐(211)内的剂液进行热交换。

5、根据权利要求1或2所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述第一热交换器和第二热交换器中之一或者两者分别还包括第一储液箱或者第二储液箱，第一储液箱与第一冷凝罐的入液口或出液口相连，所述第二储液箱与第二冷凝罐的出液口或入液口相连。

6、根据权利要求5所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述第一储液箱(10)的出液口与第一冷凝罐的入液口相连，第二储液箱为储水箱(9)，所述第二冷凝罐(211)为水箱，水箱出水口与储水箱入水口相连，所述储水箱上有出水口。

7、根据权利要求3所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述第一冷凝罐中装有导热液。

8、根据权利要求2所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述第一热交换器的第一冷凝管的出气口与第二热交换器的第二冷凝管的入气口相联，所述第一冷凝管和第二冷凝管中至少一个包括多个冷凝管单元，所述第一冷凝罐和第二冷凝罐中至少一个包括相串联的多个液罐单元，所述冷凝管单元分别与液罐单元内的剂液进行热交换。

9、根据权利要求3所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述冷凝管和冷凝罐中与化工工业用剂液相接触的表面由耐腐蚀、耐高温材料制成。

10、根据权利要求9所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述冷凝管为金属钛管或镀镍合金铜管、铜管或尼龙纤维管。

11、根据权利要求3所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：所述各冷凝罐主要由不锈钢或耐高温塑料制成。

12、根据权利要求1或2所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：还包括探温头(11)和微控制器(12)，探温头(11)置于第二冷凝罐中的液罐单元中，微控制器(12)接收探温头(11)测取的温度信号，微控制器(12)根据温度信号控制第二热交换器的入液口进水闸(15)通断。

13、根据权利要求12所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：还包括转换阀(13)，微控制器(12)的输出端控制转换阀(13)的选通方式，使制冷剂从压缩机(1)流经冷凝器(3)输出至储液罐(4)或者从压缩机(1)流经热交换装置(2)输出至储液罐(4)或者从压缩机(1)流经热交换装置(2)和冷凝器(3)输出至储液罐(4)。

14、根据权利要求1或2所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：还包括第二蒸发器，所述第二蒸发器与蒸发器(8)相并联或串联。

15、根据权利要求14所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：还包括第二转换阀(14)，所述第二蒸发器与蒸发器(8)相并联，微控制器(12)的输出端控制第二转换阀(14)的选通方式，选择蒸发器(8)和\或第二蒸发器工作。

16、如权利要求1所述的一种用于化工行业的热交换装置，其特征在于：包括可连于循环系统的冷凝管(212)和用于存储电镀化工用剂液的冷凝罐(211)，所述冷凝罐(211)内装有导热液，所述冷凝管与冷凝罐内的导热液进行热交换，所述冷凝管和冷凝罐中与导热液相接触的表面由耐腐蚀和耐高温材料制成。

17、一种化工行业加热方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将导热液与热泵式热交换设备中的热交换装置的冷凝管进行热交换，所述热泵式热交换设备依次通过如下步骤实现循环：经过压缩机、热交换装置(2)、冷凝器、蒸发器和膨胀阀(7)。

2)将此导热液作为加热液与化工用设备或剂液进行热交换。

18、根据权利要求17所述的用于化工行业的热交换设备，其特征在于：在所述步骤2)之前还包括如下步骤：采用电加热管进一步加热导热液。

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