CN202032927U - 分控相变换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种分控相变换热系统，包括：通过蒸汽管(11)和冷凝液管(21)相互连通而形成分控相变换热回路的吸热装置和放热装置，其特征是，该系统还包括：气流调节阀(6)及其气流调节阀控制器(8)；液流调节阀(24)及其液流调节阀控制器(25)，该气流调节阀(6)设置在该蒸汽管(11)的管路中并且该气流调节阀(6)的开度可控制，该液流调节阀(24)设置在该冷凝液管(21)的管路中并且该液流调节阀(24)的开度可控制。

Description

分控相变换热系统

技术领域

本实用新型属于安全可控的强化传热技术领域，特别适合应用于锅炉烟气和生产工艺尾气的余热回收利用等领域。 

背景技术

在国内外强化传热技术以及专用于余热回收利用的技术中，利用汽体凝结和液体沸腾蒸发换热系数高且温度均匀的特点，开发出许多高效相变换热技术。在降低锅炉排烟温度、回收余热提高热效率方面，常采用热管或其它相变换热技术，通过不同技术方案来控制烟气侧受热面的腐蚀和结灰速度，取得较好的效果。但现有技术在余热回收控制的有效性方面仍有很大的欠缺，所以设备实际使用寿命远达不到计算数据的理想状态。比如现有技术多采用通过对放热装置和吸热装置换热统一控制或仅对放热装置换热控制的方式来控制复合相变参数，由于热容和热阻的影响，特别是对于管路较长的大系统和风烟换热的系统，被控系统时间常数过大，不仅控制参数反应滞后，超调量大，造成吸热装置换热短时或局部失控，而且控制精度和稳定性也较差。特别是由于吸热装置管外烟气的对流换热系数比管内相变换热的换热系数相差极大，而换热管的热阻和热容又相对很小，外管壁温度随管内介质温度变化很快，调节滞后大的控制系统将使换热管的腐蚀几率大增。为此不得不被迫提高排烟温度，放大安全余量，降低了余热回收的效益。也有的相变换热系统使用放热装置或吸热装置流体再循环的方式来控制相变参数，不仅调节特性不好，控制滞后大，而且设备投资大，加大了设备现场布置困难，再循环还显著增加了系统的能耗。另外，传统相变换热技术采用重力自流的回水方式，必然要求冷凝管的位置高于蒸发管，这给现场安装和技术改造带来很大的困难，甚至无法实施。传统相变换热技术排空系统内不凝结气体时，必须要在吸热装置的吸热大于放热装置的放热时使得系统内为正压时才能进行，排空能力受到限制，降低了相变换热系数和系统适应性。封闭式的热管虽然一次性抽真空，但由于介质与金属的化学反应和气体析出等多种原 因，封闭管内的不凝结气体逐渐增多，效用逐渐下降。 

实用新型内容

针对现有相变换热技术的不足，本实用新型提出了一种对放热装置换热和吸热装置换热分别独立控制的分控相变换热技术，不仅提高了换热控制的可靠性和精度，提高了余热回收的效益，也可使得系统应用的适应性得到很大提高，对现场设备改造的布置设计更为灵活，应用范围也更广。 

因此，本实用新型提出一种分控相变换热系统，包括：通过蒸汽管和冷凝液管相互连通而形成分控相变换热回路的吸热装置和放热装置，其特征是，该系统还包括：气流调节阀及其气流调节阀控制器；液流调节阀及其液流调节阀控制器，该气流调节阀设置在该蒸汽管的管路中并且该气流调节阀的开度可控制，该液流调节阀设置在该冷凝液管的管路中并且该液流调节阀的开度可控制。 

在一个实施方式中，在该吸热装置上连接有测量该吸热装置中的气体压力的压力传感器、测量该吸热装置中的气体温度的温度传感器、测量该吸热装置中的液位的液位传感器以及测量该吸热装置的吸热管束的壁温的壁温传感器，该压力传感器和该温度传感器与该气流调节阀控制器通讯相连，该液位传感器和该壁温传感器与该液流调节阀控制器通讯相连。该气流调节阀的开度由该气流调节阀控制器根据该吸热装置的压力和温度来综合控制，该液流调节阀的开度由该液流调节阀控制器根据该吸热装置内的液位和该吸热装置的壁温来综合控制。 

在一个实施方式中，该系统还包括设置在该液流调节阀和该放热装置之间的冷凝液管的管路中的、用于使工质液体升压强制循环以及工质液体量平衡的泵。 

在一个实施方式中，该系统还包括储液箱，该储液箱的上部气侧通过储液箱气侧连通管以及呼吸管与该放热装置相连通，该储液箱的下部液体侧通过储液箱液体侧连通管连通至在该泵上游的冷凝液管管路。 

在一个实施方式中，该系统还包括与该放热装置相连以将该放热装置中汇集的不凝结气体排出该系统的排出装置。 

在一个实施方式中，该排出装置包括液封箱、虹吸管和排空管，该液封箱通过该虹吸管和在该虹吸管上游的呼吸管与该放热装置连通，该排空管直通大气或与低压系统或负压系统相连通，其中该虹吸管伸入该液封箱的液面 下并在该放热装置内的压力低于该液封箱内压力时形成虹吸水柱，该系统还包括排放阀，该排放阀连接在该放热装置和该储液箱液体侧连通管之间的冷凝液管。 

在一个实施方式中，在该虹吸管上游的呼吸管上安装有排空操作用阀门。 

在一个实施方式中，该系统还包括设置在该吸热装置的下部的放液阀。 

在一个实施方式中，该系统包括与该储液箱连接的补液阀或设置在该气流调节阀到该泵之间的管路上或该放热装置上的补液阀。 

在一个实施方式中，该系统还包括再循环管路，所述再循环管路的一端连接在储液箱的顶部，另一端连接在泵和液流调节阀之间。 

在一个实施方式中，该吸热装置包括吸热上集箱、吸热下集箱和连设在两者之间的吸热管束，该放热装置包括放热上集箱、放热下集箱和连设在两者之间的放热管束。 

附图说明

图1是本实用新型的分控相变换热系统的示意图。 

具体实施方式

本实用新型的分控相变换热系统的一个实施方式如附图1所示，主要组成部件包括：放液阀1；吸热下集箱2；吸热管束3；吸热上集箱4；气体压力传感器5；气流调节阀6；气体温度传感器7；气流调节阀控制器8；放热下集箱9；放热管束10；蒸汽管11；放热上集箱12；呼吸管13；储液箱19的气侧连通管14；虹吸管15；排空管16；液封箱17；补液阀18；储液箱19；储液箱19的液体侧连通管20；冷凝液管21；排放阀22；泵23；液流调节阀24；液流调节阀控制器25；壁温传感器26；液位传感器27。 

在该实施方式中，吸热装置包括吸热上集箱4、吸热下集箱2和连设在两者之间的吸热管束3，放热装置包括放热上集箱12、放热下集箱9和连设在两者之间的放热管束10；吸热装置和放热装置通过蒸汽管11和冷凝液管21相互连通而形成分控相变换热回路；该气流调节阀6设置在该蒸汽管11的管路中并且该气流调节阀6的开度由该气流调节阀控制器8根据该吸热装置的压力和温度来综合控制，该液流调节阀24设置在该冷凝液管21的管路中并且该液流调节阀24的开度由该液流调节阀控制器25根据该吸热装置内 的液位和该吸热装置的壁温来综合控制。 

在该实施方式中，在该吸热装置的吸热管束上连接有测量该吸热装置中的气体压力的压力传感器5、测量该吸热装置中的气体温度的温度传感器7、测量该吸热装置中的液位的液位传感器27以及测量该吸热装置的壁温的壁温传感器26。 

在该实施方式中，所述系统还包括设置在该液流调节阀24和该放热装置之间的冷凝液管21的管路中的、用于使工质液体升压强制循环以及工质液体量平衡的泵23。 

在该实施方式中，储液箱19的上部气侧通过储液箱气侧连通管14以及呼吸管13与该放热装置相连通，该储液箱19的下部液体侧通过储液箱液体侧连通管20连通至在该泵23上游的冷凝液管21管路。 

在该实施方式中，所述系统还包括与该放热装置相连以将该放热装置中汇集的不凝结气体排出该系统的排出装置。该排出装置包括液封箱17、虹吸管15和排空管16，该液封箱17通过该虹吸管15和在该虹吸管上游的呼吸管与该放热装置连通，该排空管16直通大气(或与低压系统或负压系统相连通)，其中该虹吸管15伸入该液封箱17的液面下并在该放热装置内的压力低于该液封箱内压力时形成虹吸水柱，该系统还包括排放阀22，该排放阀连接在该放热装置和该储液箱19液体侧连通管20之间的冷凝液管21。在该实施方式中，在虹吸管15上游的呼吸管上可安装有排空操作用阀门(未示出)。 

在该实施方式中，该系统还包括设置在该吸热装置的下部的放液阀1。 

在该实施方式中，该系统包括补液阀18，所述补液阀18与该储液箱19连接，所述补液阀18还可以设置在该气流调节阀6到该泵23之间的管路上或该放热装置上(未示出)。 

在该实施方式中，该系统还可以包括一端连接在储液箱19的顶部，另一端连接在泵23和液流调节阀24之间的再循环管路(未示出)。 

本实用新型的具体控制过程如下： 

气流调节阀6由气流调节阀控制器8来控制开度，气流调节阀控制器8是根据安装在吸热上集箱4的气体压力传感器5和气体温度传感器7的测量信号来实施综合控制。当气体压力传感器5测量的吸热上集箱4内的蒸汽压力与调节阀控制器8的设定值发生偏差，则气流调节阀控制器8相应调节气流调节阀6的开度，以纠正该运行偏差，使测量值与设定值保持一致。例如当气体压 力传感器5的压力测量值大于气流调节阀控制器8的设定值，则气流调节阀6开大，释放更多的蒸汽进入放热管束10，使得测量值回归设定值，反之亦然。该压力设定值根据烟气酸露点情况确定，一般该压力设定值对应的相变介质的饱和温度高于吸热装置烟气酸露点1～30℃。以在确保安全性的条件下，获得最佳的经济性。 

由于压力波是以声速传递的，不受系统热容的影响，吸热装置的吸热管束3的内壁工质蒸发相变换热的实际饱和温度随吸热上集箱4内部压力瞬间改变，滞后极小，因而通过压力信号来控制相变换热的饱和温度，控制对象的时间常数较小，控制系统更易稳定，调节特性更好。另外，特别是当管外为换热系数较小的气体对流换热时，由于换热管的热阻和热容相对很小，外管壁温度随内壁温度变化很快，传统相变换热调节滞后大的控制系统将可能会使吸热的吸热装置换热管的外壁温度低于酸露点，造成换热管的快速腐蚀。或者被迫放大安全余量，提高排烟温度，降低了经济性。 

由于饱和汽的压力和温度是一一对应的，所以气体温度传感器7测量的吸热上集箱4内的蒸汽温度值作为气流调节阀控制器8的调节信号，该信号变化速度较慢但相对比较稳定。通过比较运算吸热上集箱4内的蒸汽温度值和气流调节阀控制器8内的温度设定值，可以逐渐修正消除调节误差，提高控制吸热装置的吸热管束3的相变换热温度的稳定性、准确性和精度，保障吸热装置的吸热管束3的壁温有足够的安全余量，不发生低温腐蚀。气流调节阀控制器8内的温度设定值一般高于吸热装置烟气酸露点1～30℃，且与上述压力设定值对应的饱和温度相同。 

液流调节阀24由液流调节阀控制器25来控制开度，液流调节阀控制器25根据测量吸热装置的吸热管束3内液位的液位传感器27和吸热装置的壁温传感器26的测量信号来实施控制。当液位传感器27测量的吸热装置的吸热管束3内的液位与液流调节阀控制器25的设定值发生偏差，则液流调节阀控制器25相应调节液流调节阀24的开度，以纠正该运行偏差，使测量值与设定值保持一致。 

液流调节阀控制器25的壁温设定值是液流调节阀24开启的限制阀值，只有吸热装置的壁温传感器26测得的壁温值高于该壁温设定值，才允许液流调节阀24开启，否则液流调节阀24全关。吸热装置的壁温传感器26测量的温度值与液流调节阀控制器25的壁温设定值比较运算，当吸热装置的壁温传感器26测得的壁温值低于液流调节阀控制器25的壁温设定值，则液流调节阀控制 器25控制液流调节阀24完全关闭，无论吸热装置的吸热管束3内液位如何，吸热装置的吸热管束3内都不再进水，避免壁温进一步降低，以保护吸热装置的吸热管束3不发生低温腐蚀。该壁温设定值根据烟气酸露点情况确定，一般高于吸热装置烟气酸露点3～50℃。液流调节阀24关小后，泵23也可继续运行，将泵23出口水通过再循环管路(本附图未示出)返回到储液箱19，避免泵23汽蚀的发生。 

吸热装置的壁温传感器26一般安装在吸热管束3的烟气流出端、不易受积灰污染的外管壁上，确保其测得的壁温值能真实可靠地反映吸热管束3中最低壁温。该测得的壁温值低于液流调节阀控制器25的壁温设定值时还将发出报警信号，提示运行人员注意并采取相应措施，若壁温值继续降低而不能恢复，则打开放液阀1排空吸热装置的吸热管束3内的液体至回收系统(本附图未示出)。 

放热管束10内的相变参数(压力和温度)是由放热装置外部流体的吸热能力(即放热管束10的放热能力)和蒸汽管11内蒸汽的状态参数和流量等综合作用决定的，放热装置放热量增大，或来自吸热装置的蒸汽传热量减小，都会使放热管束10内的饱和温度和压力下降，反之亦然。由于气流调节阀6和液流调节阀24的作用，使其参数独立变化，不会对吸热装置相变的参数产生不利影响。 

当系统吸热装置外部流体放热量(即吸热装置的吸热管束3的吸热量)增大时，气流调节阀6开大，放热管束10内的饱和压力和温度逐渐升高，同时由于进入放热上集箱12的蒸汽过热度减小使放热管束10内的蒸汽对流换热空间减少，换热系数提高，可增大放热装置外部流体的吸热能力(即放热管束10的放热量增大)，放热装置、吸热装置的换热量接近新的平衡。当系统吸热装置的吸热管束3的吸热量减小时，气流调节阀6关小，放热管束10内的饱和压力和温度逐渐降低，同时由于进入放热上集箱12的蒸汽过热度增大，使放热管束10内的蒸汽对流换热空间增加，换热系数减小，都会减小放热管束10的放热能力，使放热装置、吸热装置的换热量接近新的平衡。 

呼吸管13可将放热上集箱12汇集的不凝结气体经过虹吸管15排到液封箱17，经排空管16排出系统。排空管16可直接通大气，也可联通低压或负压系统以增强排空能力。虹吸管15伸入液封箱17液面以下，可在放热上集箱12内的压力比液封箱17内压力低时，形成虹吸水柱，确保不会将不凝结气体倒吸回放热上集箱12内。在虹吸管15和储液箱19气侧连通管14之间的呼吸管13 上也可安装一个阀门(本附图未示出)，配合排空操作，增加排空系统应用的灵活性和适应性。 

吸热装置负荷增大，吸热装置的吸热管束3吸热增大，会使吸热装置的吸热管束3蒸发量增大，将使放热上集箱12内的压力将增高；关小排放阀22，放热管束10内液位增高，凝结放热能力下降，也将使放热上集箱12内的压力增高。当放热上集箱12内的压力大于液封箱17内的压力时，该压差将使虹吸管15内的液位低于液封箱17内的液位，该压差足够大时即可将虹吸管15内的气体排到液封箱17内。 

储液箱19的上部气侧通过储液箱19气侧连通管14与呼吸管13联通，储液箱19的下部液体侧通过储液箱19液体侧连通管20与冷凝液管21在排放阀22和泵23之间的位置联通。储液箱19的水位可保障泵23有足够吸入压头，不发生汽化。也可保持系统中运行水量的平衡。储液箱19的存水量可随着系统的运行工况变化而自动变化。当吸热装置的吸热管束3蒸发量突然增大，液流调节阀24开大时，水箱水位下降；当放热管束10放热量突然增大，水箱水位将上升。 

系统的放液阀1接在吸热下集箱2的下部，可以在机组启动、停机或吸热装置烟气温度过低时将吸热装置的吸热管束3中的存水放空至回收系统，然后关闭，保障换热管不受低温腐蚀。只有当吸热装置的壁温传感器26测量的壁温高于设定的安全值时，液流调节阀24才能开启，系统自动给吸热装置的吸热管束3补充液体，进入正常的相变换热运行。 

系统的补液阀18可连接在储液箱19上，根据储液箱19的水位自动补充液体；补液阀18也可连接在气流调节阀6到泵23之间的系统管路上或放热上集箱12上。 

本实用新型的优点： 

传统相变换热技术通过对放热装置和吸热装置换热统一控制或仅对放热装置换热控制的方式来控制相变参数，由于热容和热阻的影响，时间常数过大，不仅控制参数反应滞后，造成吸热装置换热短时或局部失控，而且控制精度和稳定性也较差。特别是由于烟气的对流换热系数与相变换热的换热系数相差极大，而换热管的热阻和热容相对很小，外管壁温度随内壁温度变化很快，调节滞后大的控制系统将使换热管的腐蚀几率大增。为此不得不被迫提高排烟温度，放大安全余量，降低了余热回收效益。 

本实用新型将吸热装置烟气侧的吸热换热器和放热装置的放热换热器 的换热分别独立控制。由于蒸发吸热和冷凝放热的饱和压力各自独立控制，可确保在放热装置和吸热装置换热大幅变化时，吸热装置换热管的壁温不受影响，可靠地保障换热管不受低温腐蚀损害。 

本实用新型采用吸热上集箱4内部压力信号和温度信号以及吸热装置的吸热管束3内液位信号和吸热装置的管束壁温信号的组合来实施多元、多层次的控制和保护。由于调节滞后小，调节特性更好，控制系统更稳定，控制精度、可靠性和设备安全性更高。吸热装置换热器吸热装置管内相变换热饱和温度波动幅度小、波动时间短，可显著降低吸热装置换热管的低温腐蚀几率，并减轻吸热装置换热管外表面的积灰，保障换热效率和功率。 

由于本实用新型的换热技术可更精确可靠地控制换热管壁温，不仅提高了换热器设备的寿命，还可比其它技术将换热管壁温安全余量减小，将烟气排烟温度降低更多，回收更多热量，有更高的节能减排效益。 

传统相变换热技术采用重力自流回水的自然循环方式，要求冷凝管的位置高于蒸发管，现场应用受到很大的限制，甚至无法实施。本实用新型设计的泵23升压强制循环和水量平衡系统，可使换热系统的各设备灵活布置，现场适应性大大增强，既不要求安装时放热装置放热换热器的位置必须高于吸热装置吸热换热器，也可实现冷、吸热装置之间的远距离传热。由于相变换热采用了相变流体介质的潜热传递能量，流体介质携带的能量密度很高，因而流体流量较小，泵23功耗很低。 

由于吸热装置、放热装置的分别控制，以及换热设备布置的灵活性，分控相变换热技术对换热器设计和改造具有更好的兼容性，可由已有暖风器或其它换热器替代部分或全部放热管束，不仅节约了投资，也降低了放热装置的管路阻力，降低了风机或泵的电耗。 

传统相变换热技术排出系统内不凝结气体时，必须要在吸热装置的吸热大于放热装置的放热系统为正压时才能进行，排空能力受到限制，不仅显著降低了相变换热系数，同时也使得应用范围受到限制。封闭式的热管虽然一次性抽真空，但由于介质与金属的化学反应、气体析出和不凝气漏入等多种原因，封闭管内的不凝结气体逐渐增多，效用逐渐下降。本实用新型设计的不凝气体排除系统可在任何工况下将气体可靠排除，且没有蒸汽损失，相变换热效能和设备寿命得到提高。 

传统相变换热技术对冷、吸热装置负荷变化的适应性较差，调节手段无法满足冷、吸热装置负荷大幅变化时设备的安全，低温腐蚀常在这时剧烈发 生。本实用新型可从机组启动到停运全过程对烟气侧的吸热换热器壁温实现可靠地控制，为烟气余热的安全、高效回收利用提供了关键和坚实的技术基础。 

Claims (11)

1.一种分控相变换热系统，包括：通过蒸汽管(11)和冷凝液管(21)相互连通而形成分控相变换热回路的吸热装置和放热装置，其特征是，该系统还包括：气流调节阀(6)及其气流调节阀控制器(8)；液流调节阀(24)及其液流调节阀控制器(25)，该气流调节阀(6)设置在该蒸汽管(11)的管路中并且该气流调节阀(6)的开度可控制，该液流调节阀(24)设置在该冷凝液管(21)的管路中并且该液流调节阀(24)的开度可控制。

2.根据权利要求1所述的分控相变换热系统，其特征是，在该吸热装置上连接有测量该吸热装置中的气体压力的压力传感器(5)、测量该吸热装置中的气体温度的温度传感器(7)、测量该吸热装置中的液位的液位传感器(27)以及测量该吸热装置的壁温的壁温传感器(26)，该压力传感器(5)和该温度传感器(7)与该气流调节阀控制器(8)通讯相连，该液位传感器(27)和该壁温传感器(26)与该液流调节阀控制器(25)通讯相连；

该气流调节阀(6)的开度由该气流调节阀控制器(8)根据该吸热装置的压力和温度来综合控制，该液流调节阀(24)的开度由该液流调节阀控制器(25)根据该吸热装置内的液位和该吸热装置的壁温来综合控制。

3.根据权利要求1所述的分控相变换热系统，其特征是，该系统还包括设置在该液流调节阀(24)和该放热装置之间的冷凝液管(21)的管路中的、用于使工质液体升压强制循环以及工质液体量平衡的泵(23)。

4.根据权利要求3所述的分控相变换热系统，其特征是，该系统还包括储液箱(19)，该储液箱(19)的上部气侧通过储液箱气侧连通管(14)以及呼吸管(13)与该放热装置相连通，该储液箱(19)的下部液体侧通过储液箱液体侧连通管(20)连通至在该泵(23)上游的冷凝液管(21)管路。

5.根据权利要求1所述的分控相变换热系统，其特征是，该系统还包括与该放热装置相连以将该放热装置中汇集的不凝结气体排出该系统的排出装置。

6.根据权利要求5所述的分控相变换热系统，其特征是，该排出装置包括液封箱(17)、虹吸管(15)和排空管(16)，该液封箱(17)通过该虹吸管(15)和在该虹吸管上游的呼吸管与该放热装置连通，该排空管(16)直通大气或与低压系统或负压系统相连通，其中该虹吸管(15)伸入该液封箱(17)的液面下并在该放热装置内的压力低于该液封箱内压力时形成虹吸水柱，该系统还包括排放阀(22)，该排放阀连接在该放热装置和该储液箱(19)液体侧连通管(20)之间的冷凝液管(21)。

7.根据权利要求6所述的分控相变换热系统，其特征是，在该虹吸管(15)上游的呼吸管上安装有排空操作用阀门。

8.根据权利要求1所述的分控相变换热系统，其特征是，该系统还包括设置在该吸热装置的下部的放液阀(1)。

9.根据权利要求4所述的分控相变换热系统，其特征是，该系统包括与该储液箱(19)连接的补液阀(18)或设置在该气流调节阀(6)到该泵(23)之间的管路上或该放热装置上的补液阀(18)。

10.根据权利要求3所述的分控相变换热系统，其特征是，该系统还包括再循环管路，所述再循环管路的一端连接在储液箱(19)的顶部，另一端连接在泵(23)和液流调节阀(24)之间。

11.根据权利要求1所述的分控相变换热系统，其特征是，该吸热装置包括吸热上集箱(4)、吸热下集箱(2)和连设在两者之间的吸热管束(3)，该放热装置包括放热上集箱(12)、放热下集箱(9)和连设在两者之间的放热管束(10)。

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