TW202407264A - 流體加熱裝置 - Google Patents
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Abstract
本說明書描述了一種流體加熱裝置及其用途。所述流體加熱裝置能夠解決現有的流體加熱裝置的問題。例如，流體加熱裝置可以有效地響應碳中和。例如，即使在加熱大量流體時，流體加熱裝置也可以在短時間內將精確控制的熱量傳遞至流體。本說明書還描述了使用流體加熱裝置加熱流體的方法。
Description
本發明涉及一種流體加熱裝置及其應用。
本申請案請求基於申請日為2022年5月12日的韓國專利申請案第10-2022-0058137號的優先權，所述申請案的揭露內容透過參照其整體併入本文中。
用於加熱流體的裝置可用於多種用途。
例如，所述裝置可以用於生產石化產品的基礎原料(例如，諸如乙烯、丙烯和丁二烯等烯烴)的程序中。
為了生產烯烴，需要對透過在高溫裂解爐中精煉原油而獲得的諸如石腦油、乙烷、丙烷、廢塑料和生質柴油等熱分解原料進行所謂的裂解程序，其中在此程序中可以使用流體加熱裝置。
進行熱分解的裂解爐一般包含輻射部分、對流部分和蒸汽產生裝置等。作為熱分解原料的流體在透過諸如管線等的流水線輸送的同時能夠透過高溫熱而熱分解。通常，熱分解是透過將大量的熱能傳遞給從輻射部分輸送的流體來進行的。
諸如所述裂解爐之類的現有流體加熱裝置通常是大型裝置，並且由於裝置的性質，為了處理大量流體，熱量是基於整個管線來傳遞的，所述管線是透過流體流動流經的管線。此外，熱傳遞是透過燃燒化石燃料產生的火力進行的。
然而，採用這種現有方法，無法將熱量均勻地傳遞到流體流經的整個管線，無法控制施加到管線各部分的熱量的方位，或無法快速加熱管線。
此外，由於燃燒化石燃料的方法需要利用對流進行加熱，因此存在裝置的構造受到限制的問題。
此外，在現有方法中，由於使用化石燃料，在裝置運行期間會排放大量的溫室氣體，諸如二氧化碳。這使得難以實現應對氣候變遷的碳中和。
此外，在現有的流體加熱裝置的情況下，由於需要很長時間才能使加熱區域達到穩定狀態，所以火力的使用變得效率低下，並且在此程序中額外排放諸如溫室氣體的有害氣體。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
(專利文獻1)韓國已公開專利公開號第10-2021-0042969號。
[技術問題]
本發明的目的在於提供一種流體加熱裝置及其用途，以解決上述現有技術中的問題。
[技術方案]
本說明書描述了一種流體加熱裝置。
所述流體加熱裝置包含：流體流水線，所述流體流水線包含形成為允許流體流動的內部通道和圍繞所述內部通道的導電表面部分；以及加熱源。
所述加熱源可包含：電流進入部，其包含電連接到所述流體流水線的第一導體；電流容納部，其包含電連接到所述流體流水線並且與所述電流進入部分別存在的第二導體；以及電壓源。
所述加熱源可以被安裝為能夠在所述電流進入部和所述電流容納部之間形成電位差，所述電位差允許電流流過所述電流進入部、所述電流容納部和所述流體流水線，以及可以安裝所述流體加熱裝置以透過所述電流在所述表面部分產生熱量，從而將所述熱量傳遞給所述內部通道中的流體。
所述電壓源可以配置成形成選自由直流電、交流電、脈衝電流和雙極電流組成群組中的一或多種。
所述流體加熱裝置還可以包含與選自由所述第一導體和所述第二導體組成群組中的一或多個導體接觸以能夠進行熱交換的冷卻部。
所述流體加熱裝置的所述冷卻部可以不與所述流體流水線接觸。
所述流體加熱裝置的所述冷卻部可包含製冷劑和循環管線，其中所述循環管線可以形成為使得所述製冷劑在與所述第一導體和所述第二導體之一進行熱交換的同時進行循環，並且隨後與所述第一導體和所述第二導體中的另一個進行熱交換。
在流體加熱裝置中，與所述冷卻部接觸的所述導體可以是被絕緣的。
在流體加熱裝置中，所述流體流水線可以是絕熱的。
所述流體流水線可包含形成為允許所述流體流入所述流體流水線的入口和形成為允許流入所述流體流水線的所述流體流出的出口。
所述流體流水線可被安裝為使得連接所述入口和所述出口的假想線與重力方向形成80度至90度的角度。
所述入口的面積SA與所述出口的面積SB的比例SA/SB可以在0.8至1.2的範圍內。
所述流體加熱裝置可包含作為所述流體流水線的第一流體流水線和第二流體流水線，其中所述加熱源的所述電流進入部和所述電流容納部分別形成在所述第一流體流水線和所述第二流體流水線中。
在此，它們可以被形成為使得所述第一流體流水線的所述電流容納部變成所述第二流體流水線的所述電流容納部，或者所述第一流體流水線的所述電流進入部成為所述第二流體流水線的所述電流容納部。
所述流體加熱裝置可以包含作為所述流體流水線的複數個流體流水線，其中所述電流進入部和所述電流容納部可以分別被形成在所述複數個流體流水線中之各者中，並且形成為使得所述複數個流體流水線中的任意一個流體流水線的所述電流容納部成為另一流體流水線的所述電流進入部，或者所述複數個流體流水線中的任意一個流體流水線的所述電流進入部成為另一流體流水線的所述電流容納部。
在所述流體加熱裝置中，所述複數個流體流水線和所述加熱源可以形成串聯網路。
這種串聯網路可以滿足下面的方程式2。
[方程式2]
A - B = 1
在方程式2中，A可以是串聯網路中的電流進入部和電流容納部的總數，B可以是串聯網路中的流體加熱裝置的數量，並且電流進入部和電流容納部可以各自包含一或複數個導體。
在所述流體加熱裝置中，所述複數個流體流水線中之各者的內部通道可以彼此不連通。
本說明書還描述了使用所述流體加熱裝置對流體進行加熱的方法。
所述方法可包含在所述加熱源的所述電流進入部和所述電流容納部之間形成電位差，以使電流流過所述電流進入部、所述電流容納部和所述流體流水線，以及將透過所述電流的所述流動而在所述流體流水線的所述表面部分上產生的熱量傳遞至流經所述流體流水線的所述內部通道的所述流體。
[發明功效]
本申請案可以提供一種能夠解決現有技術的問題的流體加熱裝置及其用途。
在本說明書中描述的物理性質中，除非另有說明，測量溫度影響測量值的物理性質是在室溫下測量的物理性質。
本文使用的用語「室溫」是指沒有人工加熱或冷卻的自然溫度，並且可以是例如10℃至30℃的範圍內的任意一個溫度。在另一範例中，室溫可指約15℃或更高、約18℃或更高、約20℃或更高、或約23℃或更高，以及約27℃或更低範圍內的溫度，或大約25℃的溫度。
除非另有說明，本說明書中描述的溫度單位為攝氏度(℃)。
在本說明書中描述的物理性質中，除非另有說明，測量壓力影響測量值的物理性質是在常壓下測量的物理性質。
本文所用的用語「常壓」是指未人工加壓或減壓的自然壓力，並且通常可以指約730 mmHg至790 mmHg範圍內的溫度。
在本說明書中，用語「流體」是指可流動的材料。通常，氣體、液體和電漿被視為流體。
由本文描述的流體加熱裝置加熱的流體的非限制性範例可以是選自由水、蒸汽、空氣和碳氫化合物組成的群組中的一或多種。
在一個範例中，流體可以是透過接收作為待加熱物體的熱能而裂解的材料，並且這種流體的非限制性範例為碳氫化合物。碳氫化合物的非限制性範例可包括選自由石腦油、乙烷、丙烷、甲烷、廢塑料和生質柴油等組成的群組中的一或多種，並且可包括根據工業常識適用的材料。
在一個範例中，流體是待加熱的物體，其可以是用於進行裂解的材料，並且這種流體的非限制性範例可以包含選自由水、蒸汽和催化劑組成的群組中的一或多種。
當本說明書中描述的流體加熱裝置的流體流水線是下述反應器時，流體可以指反應前的材料或反應後的材料中的任意一種，或者可以指兩者。
本文描述的流體加熱裝置可以是其它設施的一部分。其它設施的非限制性範例可以是選自由蒸汽裂解器、重整器和烷烴脫氫器組成的群組中的一或多種。本文描述的流體加熱裝置可配置成在其它設施中執行至少一個程序。
在一個範例中，流體加熱裝置可以是蒸汽裂解器的一部分。蒸汽裂解裝置是進行蒸汽裂解的裝置，其可以是透過向其施加熱能將具有長碳鏈的碳氫化合物轉化為具有短碳鏈的碳氫化合物的設施。在此，具有長碳鏈的碳氫化合物的非限制性範例可以包含選自由石腦油、丙烷、丁烷和乙烷等組成的群組中的一或多種。透過蒸汽裂解，可以產生選自由氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、丙烯和丁二烯等組成的群組中的一或多種。
在一個範例中，流體加熱裝置可以是重整器的一部分。重整器可以指產生選自由蒸汽和碳氧化物組成的群組中的一或多種的設施，所述碳氧化物來自選自由天然氣、輕質汽油、甲醇、沼氣和生質等組成的群組中的一或多種材料。這種重整器還可以是從選自由甲烷和二氧化碳組成的群組中的一或多種產生氫氣的設施。
在一個範例中，所述流體加熱裝置可以是烷烴脫氫器的一部分。所述烷烴脫氫器可以是透過脫氫程序從烷烴產生烯烴的設施。
在下文中，將根據範例參照附圖更詳細地描述流體加熱裝置，但是這些是為了容易理解並且流體加熱裝置的範圍不限於此。此外，本說明書的附圖等中顯示的範例可以用於具體構造的具體描述，並且這些附圖中描述的構造可以用與實際比例不同的比例來顯示。
圖1顯示了流體加熱裝置(10)的一個範例。
如圖所示，流體加熱裝置(10)可以包含加熱部(100)。在一個範例中，加熱部(100)可以是待加熱流體被加熱的區域。
加熱部(100)可包含流體流水線(110)。流體流水線(100)可包含內部通道和圍繞內部通道的表面部分。內部通道可以由表面部分形成。內部通道可形成為使得流體可流過其中。
流體加熱裝置(10)的加熱部(100)可包含一或多個流體流水線(110)。
流體流水線(110)可至少包含內部通道和表面部分。圖2是具有這種表面部分(111)和內部通道(112)的流體流水線的橫截面形狀的範例。表面部分可以用圍繞內部通道的形式存在，並且內部通道可以由表面部分形成。
內部通道可形成為允許流體流動。流體可以是要被流體加熱裝置加熱的物體。
表面部分可以具有傳導性。也就是說，表面部分可以由導電材料形成。用語「傳導性」是指熱和/或電可以流動的性質。在一個範例中，流體流水線的表面部分可以是具有傳導性的材料，電流可以流過所述材料並透過這種電流的流動產生熱量。因此，透過電流的流動而產生熱量的現象也稱為電流的焦耳效應。在另一範例中，這種流體流水線的表面部分可被稱為電阻加熱表面部分。流體流水線可以被配置為使得表面部分是透過電流的流動而產生熱量的表面部分，並且流過內部通道的流體透過表面部分的熱量產生而被加熱。
在一個範例中，當流體透過加熱進行化學反應時，流體流水線可以被稱為反應器，並且加熱部可以被稱為反應部分。在此，當流體流水線被稱為反應器時，流體流水線可以是其中進行化學反應的儀器、機器或設施。化學反應可以指分子與分子之間或元件之間的鍵被破壞、或者分子與分子之間或元件之間形成新鍵的情況。
考慮到加熱的目的、流體所需的流量或時間，透過綜合考慮物理化學性質和待加熱流體中包括的成分的混合比例，可以將流體流水線(110)配置成最合適的形式，裝置的操作週期和/或包含裝置或包含在裝置中的設施的類型或尺寸等。
對構成表面部分的材料的類型沒有特別限制，並且可以使用已知能夠經由電流的焦耳效應透過電流的流動而發熱的材料。例如，可以使用具有能夠表現出上述效果和優異的耐熱性的適當程度的導熱率的材料。這種材料的非限制性範例包括選自由以下組成的群組中的一或多種：鎳；鉻合金；以及含有鎳和鉻的合金，但不限於此。在一個範例中，流體流水線可以是由所述材料組成的管線。
如上所述，流體流水線(110)可包含表面部分(111)和內部通道(112)。內部通道(112)可以是形成為允許流體流動的中空體。內部通道(112)可配置成使得流體連續流動，或者維持流體流動，但在一定時間段內在線的至少一部分中發生堵塞。其可以配置成使得流體流動的速度也保持恆定或隨著流動而變化。考慮到加熱流體的目的，可以控制流體流的形狀以顯示最合適的結果。例如，當流體流水線為上述反應器時，流體在流過內部通道時也可以發生化學反應，和/或也可以在被引入到內部通道中接著停滯在某個區域發生化學反應後被排出。流體可以用連續流的形式流動，並且在一些情況下，可以用被引入以進行化學反應的流的形式流動，接著變得停滯，並在經歷化學反應後流出。
流體流水線(110)的橫截面形狀不受限制。這種形狀可以考慮加熱的目的、被加熱流體中包括的成分的種類或混合比例來適當設計。圖2是流體流水線(110)的非限制性橫截面形狀的範例。當然，流體流水線(110)可以具有圖2中未顯示的橫截面形狀，例如，諸如選自由三角形、菱形、平行四邊形、橢圓形等各種形狀組成的群組中的一或多種形狀。
流體加熱裝置(10)的加熱部(100)中的流體流水線(110)的形狀和佈置沒有特別限制。例如，可以考慮加熱的目的以及待加熱流體的成分和/或混合比例等來設計形狀和佈置。例如，流體流水線(110)可以是管線形式或批次形式。
圖3(a)至圖3(d)是管線形式的流體流水線(110)的形狀和佈置的非限制性範例。圖3(a)顯示了重複U形的流體流水線(110)的形狀，而圖3(b)顯示了重複U形的流體流水線(110)佈置成交錯排列而彼此不重疊的範例。圖3(c)是U形流體流水線(110)的範例，而圖3(d)是直線流體流水線(110)的範例。
對流體流水線(110)的尺寸也沒有特別限制。可以考慮加熱的目的以及待加熱流體的成分和混合比例來適當地設計尺寸。流體流水線(110)的尺寸可以是管線形式的線(110)沿著流體流動方向的長度和/或批次形式的線(110)的內部空間的體積等等。
在一個範例中，流體加熱裝置(10)的加熱部(100)的流體流水線(110)可以是絕緣的。例如，線(110)可以被絕熱材料包圍。作為絕熱材料，可以使用眾所皆知的材料，沒有特別限制。例如，可以使用選自由石棉、玻璃、酚醛泡沫和氣凝膠等組成的群組中的一或多種作為絕熱材料。在諸如現有的高溫裂解爐的流體加熱裝置的情況下，由於空氣的流入和化石燃料燃燒所需的廢氣排放，加熱部，例如裂解爐的輻射部分等不能設置絕熱材料。然而，由於本文描述的流體加熱裝置(10)能夠在不引入空氣和排出廢氣的情況下加熱流體，因此可以用絕熱材料圍繞流體流水線(110)。當存在絕熱材料時，可以防止傳遞到流體流水線(110)的熱能損失，並且可以更有效地將熱量傳遞到流體。此外，透過有效地回收從第一導體和/或第二導體產生的熱量，而無需藉由絕熱材料透過下文描述的冷卻部降低加熱部的熱量，可以實現更有效的熱管理。
形成為允許流體被引入流體流水線(110)的位置(入口)和形成為允許流入流體流水線(110)的流體流出的位置(出口)中之各者之間的距離，並且接地可以實質上彼此相同。在此，基本相同的含義不僅包含完全相同的情況，還包含即使存在一定部分誤差但幾乎相似的情況。流體加熱裝置(10)中的流體流水線(110)的入口與地面之間的距離(H1)與流體流水線(110)的出口與地面之間的距離(H2)的比值(H1/H2)可以在適當的範圍內。例如，比值(H1/H2)的下限可以為0.8、0.82、0.84、0.86、0.88、0.9、0.92、0.94、0.96、0.98或1左右，並且其上限可以為1.2、1.15、1.1，可以是1.05、1.04、1.03、1.02、1.01或1左右。所述比值可以大於或等於或大於上述下限中的任何下限，可以小於或等於或小於上述上限中的任何上限，或者可以在大於或等於或大於上述下限中的任意下限，並且同時小於或等於或小於上述上限中的任意上限的範圍。在此，入口或出口與地面之間的距離H1或H2可以指入口和出口與地面之間的距離中的最短距離。
圖7是流體加熱裝置(10)的非限制性範例。如圖7所示，流體流水線(110)具有流體被引入的入口和流體流出的出口，其中入口與地面(G)之間的距離可稱為H1，而出口與地面(G)之間的距離可稱為H2。
上述流體流水線的佈置意味著連入口和出口的假想線實質上垂直於重力方向。因此，假想線與重力方向所成角度的下限可以為80度、82度、84度、86度、88度或90度左右，其上限可以為90度或88度左右。所述角度是假想線與重力方向形成的角度中較小的角度。所述角度可以大於或等於或大於上述下限中的任何下限，可以小於或等於或小於上述上限中的任何上限，或者可以在大於或等於或大於上述下限中的任意下限，並且同時小於或等於或小於上述上限中的任意上限的範圍。
連接入口和出口的假想線可以是連接入口和出口的位置的假想線，入口和出口的位置是確定距地面的距離H1和H2的標準，或者可以是分別連接入口和出口的重心的假想線。也就是說，假想線可以是連接當入口被切成橫截面時確認的橫截面重心(GA)和當出口被切成橫截面時確認的橫截面重心(GB)的假想線。
流體流水線(110)的入口的面積(SA)和出口的面積(SB)可以實質上相同。也就是說，面積SA和SB可以彼此完全相等，或者即使彼此不完全相等也可以近似相似。例如，面積SA和SB的比值SA/SB的下限可以是0.8、0.82、0.84、0.86、0.88、0.9、0.92、0.94、0.96、0.98或1左右，並且其上限可以是1.2、1.15、1.1、1.05、1.04、1.03、1.02、1.01或1左右。可以大於或等於或大於上述下限中的任何下限，可以小於或等於或小於上述上限中的任何上限，或者可以在大於或等於或大於上述下限中的任何下限，並且同時小於或等於或小於上述上限中的任何上限的一定範圍內。
在使用化石燃料的流體加熱裝置(諸如現有的高溫裂解爐)的情況下，必須利用對流現象來加熱流體，因此需要垂直佈置流體流水線。此外，為了應對垂直佈置時施加到下部的負載和高溫，它被設計成朝向管線下部具有更大的橫截面。這種設計降低了將熱量傳遞給流體的效率。在本說明書中描述的流體加熱裝置的情況下，可以在不利用對流現象的情況下進行有效的加熱和熱傳遞。因此，增加了管線設計的自由度。透過控制這種管線的出口和入口的佈置和面積，可以有效地加熱流體並將熱量有效地傳遞到流體。
如上所述，在本文描述的流體加熱裝置(10)中，加熱部(100)的流體流水線(110)被設計成使得管線(110)的表面部分可以根據電流的焦耳效應並將所述熱量傳遞給在內部通道中流動的流體透過通電而產生熱量。如果需要，流體可以透過傳遞的熱量進行化學反應(例如裂解)，由此可以產生烯烴(例如乙烯或丙烯)或氫氣等。在本說明書中，用語「加熱」意味著熱量被傳遞到任何物體(例如，流體)。熱量傳遞到的物體的溫度通常升高，但是在經歷等溫反應等或相變的情況下，可以在不升高溫度的情況下傳遞熱量。
加熱部的加熱(也就是說，向流體流水線供應電流)可以透過加熱源來執行。加熱源可以配置成能夠在流體流水線中感應電阻熱。
如圖1範例性所示，加熱源(200)可以向加熱部(100)的流體流水線(110)供應電流。加熱源(200)可包含電流進入部(220)、電流容納部(230)和電壓源(210)。電流進入部(220)和電流容納部(230)彼此分離地存在。在一個範例中，電流進入部(220)可以設置為比電流容納部(230)更靠近流體流水線的入口(例如，圖1中用R標記的部分)，如下所述。在另一範例中，電流進入部(220)可以設置為比電流容納部(230)更靠近流體流水線的出口(例如，圖1中標記為P的部分)，如下所述。在另一範例中，電流進入部(220)和電流容納部(230)中的任何一個可以設置為鄰近出口，而另一個可以設置為鄰近入口。在這種佈置中，電流進入部(220)和電流容納部(230)能夠根據加熱目的和流體狀態實現更有效的加熱。加熱源(200)被設計成使得包含電壓源(210)、電流進入部(220)、電流容納部(230)和流體流水線(110)的管線呈電路的形式，由此電流可以直接流過流體流水線(110)。也就是說，流體流水線可以由加熱源(200)供電。
因此，加熱源(200)被安裝成使得在電流進入部和電流容納部之間能夠形成電流能夠流過電流進入部(220)、電流容納部(230)和流體流水線(110)的電位差。如上所述，流體加熱裝置可被安裝為使得電流在表面部分上產生熱量(電阻熱)，以將熱量傳遞至流過內部通道的流體。
電流進入部(220)包含至少一或多個第一導體(240a)，並且電流容納部(230)包含至少一或多個第二導體(240b)。第一和第二導體(240a、240b)電連接至流體流水線(110)。在一個範例中，第一導體和第二導體(240a、240b)可以透過直接接觸流體流水線(110)的表面部分來電連接。
本文描述的流體加熱裝置(10)中的加熱源(200)的電壓源(210)透過在第一導體(240a)和第二導體(240b)之間形成電位差來產生電流，並且所述電流在流過流體流水線(110)時產生熱量。電壓源(210)可以是能夠提供直流電的直流電壓源，或者能夠提供交流電的交流電壓源。考慮到加熱的目的和待加熱的流體，電壓源可以被設計為能夠形成適當大小的電流。
流過流體流水線(110)的電流可以是直流電或交流電。直流電可以表示與時間無關地沿恆定方向流動的電流，並且交流電可以表示大小和相位隨時間週期性變化的電流。
在一個範例中，電壓源可以配置成形成選自由脈衝電流和雙極電流組成的群組中的一或多種。因此，加熱源(200)可以提供具有一定模式的電流。由此，可以根據目的精確且快速地控制流體流水線的溫度。例如，當加熱源(200)提供具有一定模式的電流時，流體流水線(110)的溫度可以在短時間內均勻升高。
具有一定模式的電流可以是例如如上所述的脈衝電流或雙極電流。脈衝電流可以具有例如在預定時間(t1)內形成恆定強度的直流電並且接著在預定時間(t2)內切斷電流的模式。此外，雙極電流可以具有在預定時間(t3)內形成恆定強度的直流電(A1)，接著形成恆定強度的直流電(A2)，同時在預定時間(t4)內具有與直流電(A1)的相位相反的相位的一定模式。相反相位是相位差約為180度左右的情況。此外，直流電流(A1)和直流電流(A2)的大小可以彼此不同。
圖8是脈衝電流和雙極電流的非限制性範例。然而，本說明書的電壓源提供的電流的模式不限於圖8。例如，在脈衝電流中，可以控制電流流動期間的時間和電流不流動期間的時間為非恆定的，並且對於每個週期可以不同地控制電流的強度，這在雙極型的情況下是相同的。此外，也可以形成脈衝型和雙極型混合形式的電流。
模式電流中，電流強度(A1, A2)和/或提供和阻斷電流的時間(t1, t2, t3, t4)的具體值可以考慮加熱的目的、待加熱流體的狀態和/或流體流水線(110)的形狀等來確定。
電壓源被形成為提供如上所述的脈衝或雙極電流，由此可以有效地穩定控制流體流水線(110)的發熱，同時抑制由電流致使的磁場的形成以最小化對週邊裝置的影響。例如，可以在透過提供電流來快速升高溫度的同時確保均勻性。
本說明書中描述的流體加熱裝置(10)中的加熱源(200)的電流進入部(220)透過第一導體(240a)將電流直接引入到流體流水線(110)中，並且電流容納部(230)透過第二導體(240b)直接接收來自流體流水線(110)的電流。也就是說，第一和第二導體(240a、240b)可以與流體流水線(110)直接電連接。
第一導體(240a)和第二導體(240b)可以配置成使得它們將電力引入到流體流水線(110)中，或者接收電力。作為第一導體(240a)和第二導體(240b)，可以使用具有能夠執行上述功能的適當導電率的材料。例如，第一導體(240a)和第二導體(240b)可以各自獨立地由選自鐵；鉻合金；鋁；以及合金(例如，其包含鐵、鉻和鋁的合金)，或包含它們中的一或多種組成。這些材料可以有效地應對由於產生用於流體加熱的熱量的流體流水線(110)的熱量等而致使的導電性和耐久性的降低，同時表現出適當的導電性。然而，如果顯示上述功能，則可用作導體的材料不限於此。
電流進入部(220)可以包含至少一個第一導體(240a)，而電流容納部(230)還可以包含至少一個第二導體(240b)。為了給流體流水線(110)通電，還可以使第一和第二導體(240a、240b)中之各者具有一個，但是當導體的導電性在管線(110)的操作期間被損壞時，在操作上也可能存在問題，因此在某些情況下，可以在電流進入部(220)和電流容納部(230)中之各者中安裝複數個導體，並且即使其中任意一個導體的導電性損壞，也可以控制複數個導體的排列，使得另一個導體可以工作。
本說明書中描述的流體加熱裝置(10)還可以包含冷卻部(300)。冷卻部(300)可以存在為能夠回收在向第一導體和/或第二導體供應電流的程序中可能產生的熱量。也就是說，由於上述焦耳效應，可能會在第一和/或第二導體中產生電阻熱，其中由於所述電阻熱致使的電阻等的增加，管線的加熱效率可能會降低。因此，可以在透過冷卻部(300)回收熱量的同時進行操作。這種冷卻部可以被包括在流體加熱裝置中，同時與選自由第一導體和第二導體組成的群組中的一或多個導體接觸以能夠進行熱交換。
因此，冷卻部(300)可以回收從選自由第一導體(240a)和第二導體(240b)組成的群組中的一或多個導體產生的熱量。
冷卻部(300)可以不接觸加熱部(100)的流體流水線(110)。在此，其不接觸的事實意味著冷卻部(300)和流體流水線(110)被設置為使得它們之間實質上不進行熱交換。例如，冷卻部(300)可以設置為不與流體流水線(110)的任意點接觸。由此，可以防止被加熱流體流水線(110)的溫度由於冷卻部的影響而降低的問題。
在本文描述的流體加熱裝置(10)中，冷卻部(300)可以接觸選自由第一導體(240a)和第二導體(240b)組成的群組中的一或多個。此時的接觸意味著冷卻部(300)處於能夠與第一導體(240a)和/或第二導體(240b)進行熱交換的狀態。因此，可以包括即使當冷卻部不與導體直接接觸時也可以進行熱傳導或熱交換的狀態，以及冷卻部與導體直接接觸的情況。冷卻部(300)所包括的構造可以設置為與第一導體(240a)和/或第二導體(240b)的至少一部分或全部直接接觸，或者進行熱傳導或熱交換，即使在其間放置單獨的層也可以進行。由此，冷卻部(300)可以直接回收從第一導體(240a)和/或第二導體(240b)產生的熱量。
如果本說明書中描述的流體加熱裝置(10)的冷卻部(300)係配置成能夠回收從第一導體(240a)和/或第二導體(240b)產生的熱量，則其可以形成為業內已知的方式，沒有特別限制。例如，冷卻部(300)可包含製冷劑(310)和循環管線。由此，在製冷劑(310)循環的同時，可以回收第一導體(240a)和/或第二導體(240b)中產生的熱量。例如，冷卻部(300)的製冷劑(310)可以接觸第一導體(240a)和/或第二導體(240b)以回收在第一導體(240a)和/或第二導體(240b)中產生的熱量。圖1是非限制性範例，其中冷卻部(300)透過製冷劑(310)回收在第一導體(240a)和第二導體(240b)中產生的熱量。
在本文描述的流體加熱裝置(10)中，考慮到第一導體(240a)和/或第二導體(240b)的形狀和材料等，冷卻部(300)可以具有適當的形狀。圖4是冷卻部(300)的非限制性範例。參照圖4，冷卻部(300)可包含製冷劑儲存空間(330)，所述製冷劑儲存空間(330)具有製冷劑(310)與第一導體(240a)的至少一部分接觸但製冷劑(310)不會洩漏到外面的適當內部空間。圖4的範例是冷卻部(300)的範例性形式，其中其形狀沒有特別限制，只要其配置成使得第一導體(240a)和/或第二導體(240b)以及製冷劑(310)可以彼此接觸，以回收在第一導體(240a)和/或第二導體(240a)中產生的熱量。
在本文描述的流體加熱裝置(10)中，如上所述，冷卻部(300)包含製冷劑(310)，其中製冷劑(310)可以回收在第一導體(240a)和/或第二導體(240b)中產生的熱量，同時透過循環管線循環。製冷劑(310)可以透過直接接觸選自由第一導體(240a)和第二導體(240b)組成的群組中的一或多個來回收熱量。
圖5是冷卻部(300)的製冷劑(310)循環系統的非限制性範例。如圖5所示，一旦在第一導體(240a)中回收熱量，製冷劑可在透過與單獨的冷卻器(320)和/或空氣交換熱量而被冷卻之後在循環時從第一導體(240a)回收熱量。儘管圖5僅顯示了第一導體(240a)，但是類似的系統可以應用於第二導體(240b)。
在一個範例中，其包含製冷劑和循環管線的冷卻部的循環管線可被形成為使得製冷劑在與第一導體和第二導體中的任意一個交換熱的同時循環，並且隨後與第一導體和第二導體中的另一個交換熱。
圖6是這種循環系統的一個非限制性範例。如圖6所示，製冷劑(310)可以循環，同時透過熱交換回收在第一導體(240a)中產生的熱量，接著透過熱交換回收在第二導體(240b)中產生的熱量。在此循環程序中，例如，回收第一導體(240a)中產生的熱量的製冷劑可在與第二導體(240b)熱交換之前透過與單獨的冷卻器(未顯示)和/或空氣熱交換而被冷卻，而回收第二導體(240b)中產生的熱量的製冷劑可連續循環，同時在與第一導體(240a)熱交換之前透過與單獨的冷卻器(未顯示)和/或空氣熱交換而被冷卻。
選自由冷卻部(300)回收熱量的第一導體(240a)和第二導體(240b)組成的群組中的一或多個可以包含絕緣處理。也就是說，接觸能夠進行熱交換的冷卻部的導體可以是絕緣的，並且例如可以被絕緣材料圍繞。由於第一導體(240a)和/或第二導體(240b)被連接到電壓源(210)以處於電流流動的狀態，因此可能由於外部因素而發生短路現象等。可以執行絕緣處理以防止這種短路現象等。例如，當冷卻部(300)使用製冷劑(310)時，製冷劑(310)可能在接觸第一導體(240a)和/或第二導體(240b)時致使短路。因此，例如，第一導體(240a)和/或第二導體(240b)的與製冷劑(310)接觸的至少一部分可以受到絕緣處理，諸如絕緣材料塗布。
在一個範例中，本說明書中描述的流體加熱裝置(10)可以滿足下面的方程式1。如此，它可以更有效地傳遞熱量。
[方程式1]
d ≥ L/2
方程式1中的d是第一導體(240a)和第二導體(240b)之間的直線距離。例如，d可以表示第一導體(240a)的重心和第二導體(240b)的重心之間的直線距離。
方程式1中的L表示流體在流體流水線(110)中流動的距離。在圖1的情況下，L可以表示流體流水線(110)在流體流動方向上的長度。
在一個範例中，本文描述的流體加熱裝置(20)包含加熱部(100)，所述加熱部(100)包括流體流水線(110)；以及向加熱部(100)的流體流水線(110)供應電流的加熱源(200)，其中加熱部(100)可以包含複數個流體流水線(110)。在這種情況下，如果需要的話，可以在適當修改的情況下，應用對加熱部(100)的各個流體流水線(110)和加熱源(200)的描述。
當本說明書中描述的流體加熱裝置(20)在加熱部(100)中包含複數個流體流水線(110)時，如上所述的電流進入部和電流容納部可以形成在複數個流體流水線中之各者中。在這種情況下，任何一個流體流水線的電流容納部可以被連接到另一流體流水線，並且因此配置成用作另一流體流水線的電流進入部。或者，在上述情況下，任意一個流體流水線的電流進入部可以連接到另一流體流水線，並因此配置成用作另一流體流水線的電流容納部。例如，當加熱部包含第一流體流水線和第二流體流水線作為流體流水線時，加熱源的電流進入部和電流容納部分別形成在第一流體流水線和第二流體流水線中，其中它們可以是形成為使得第一流體流水線的電流容納部變成第二流體流水線的電流容納部，或者第一流體流水線的電流容納部變成第二流體流水線的電流容納部。
因此，加熱部的所有複數個流體流水線(110)可以被電連接。
具體地，根據本文描述的方法，可以形成其中複數個流體流水線(110)彼此串聯電連接的網路。如此，可以用所需方式精確地控制複數個流體流水線的電加熱。例如，透過形成相同的電流，可以在複數個流體流水線中以高可預測性獲得相同的加熱效果。
為了形成這種串聯網路，複數個流體流水線必須對應於以下三種情況之一。
情況1：第一流體流水線的電流進入部連接到電壓源，並且電流容納部連接到第二流體流水線(電流容納部是第一流體流水線的電流容納部並且同時用作第二流體流水線的電流進入部)
情況2：第一流體流水線的電流進入部與第二流體流水線電連接，而電流容納部與第三流體流水線電連接(電流進入部為第一流體流水線的電流進入部，並且同時作為第二流體流水線的電流容納部，而電流容納部為第一流體流水線的電流容納部，並且同時作為第三流體流水線的電流進入部)
情況3：第一流體流水線的電流進入部與第二流體流水線連接，而電流容納部與電壓源連接(電流進入部為第一流體流水線的電流進入部，並且同時用作第二流體流水線的電流容納部)
因此，當形成串聯網路時，流體加熱裝置滿足下面的方程式2。
[方程式2]
A - B = 1
在方程式2中，A是串聯網路中的電流進入部和電流容納部的總數，並且B是串聯網路中的流體加熱裝置的數量。然而，在這種情況下，電流進入部和電流容納部中之各者可以包含一或複數個導體。
圖9是這種流體加熱裝置(20)的非限制性範例。如圖9所示，複數個流體流水線(110)可以透過包括導體(240a)的電流進入部(220)及電流容納部(230)電連接。導體的詳細描述如上所述，並且一或複數個這種導體可以存在於電流進入部和電流容納部中之各者中。
即使在圖9所示的結構中，上述冷卻部也可以設置在每個導體中，或者設置在電流進入部和電流容納部中。
如圖9所示，當複數個流體流水線(110)中之各者呈管線形式(其為直線形式)時，這種管線形式的各個流體流水線(110)可實質上並行地佈置。透過這種佈置，可以更有效地處理大量流體。
如上所述，當流體加熱裝置包含複數個流體流水線時，複數個流體流水線各自的內部通道可以彼此不連通。這意味著流過一個流體流水線的內部通道的流體被設計成不會流入另一流體流水線的內部通道。如圖9所示，其可以配置成使得引入到每個流體流水線(110)中的流體不流到另一個流體流水線(110)。因此，當流體流入一個流體流水線(110)時，其可能不會透過另一流體流水線(110)流出。所述結構有效地將熱能均勻地傳遞至在每個流體流水線(110)中流動的流體。在這種情況下，流體可以透過被並行地引入到複數個流體流水線(110)而並行地流出。
如圖9所示，本文描述的流體加熱裝置(20)還可以包含絕熱部(400)。也就是說，如上所述，加熱部或流體流水線可以是熱絕緣的。如上所述，本文描述的流體加熱裝置(10)可以在沒有空氣流入和廢氣排放的情況下加熱流體，從而可以用絕熱材料圍繞流體流水線(110)。當存在絕熱材料時，可以防止傳遞到流體流水線(110)的熱能損失，並且可以更有效地將熱量傳遞到流體。此外，雖然冷卻部並未透過絕熱材料來降低加熱部的熱量，但是透過有效地回收從第一導體和/或第二導體產生的熱量，可以進行更有效的熱管理。
本說明書還描述了使用流體加熱裝置加熱流體的方法。
這種加熱流體的方法可以包含以下步驟：在加熱源的電流進入部和電流容納部之間形成電位差，以使電流流過電流進入部、電流容納部和流體流水線，並且將由於電流的流動而在流體流水線的表面部分上產生的熱量傳遞至流過流體流水線的內部通道的流體。
如此施加的流體加熱裝置的詳細情況如上所述。例如，上述步驟中流動的電流可以是上述直流電、交流電、脈衝電流或雙極電流中的任意一種或兩種以上的組合。
10,20:流體加熱裝置
100:加熱部
110:流體流水線
200:加熱源
210:電壓源
220:電流進入部
230:電流容納部
240a:第一導體
240b:第二導體
111:表面部分
112:內部通道
300:冷卻部
310:製冷劑
320:冷卻器
330:製冷劑儲存空間
P,R:流體流水線
SA:面積
SB:面積
H1:距離
H2:距離
400:絕熱部
[圖1]和[圖9]是本文描述的流體加熱裝置的非限制性範例。
[圖2]是本文描述的流體流水線的橫截面的非限制性範例。
[圖3]是流體流水線的形狀和佈置的非限制性範例。
[圖4至圖6]是冷卻部的非限制性範例。
[圖7]是本文描述的流體加熱裝置的非限制性範例。
[圖8]是供應到本文描述的流體加熱裝置的電流模式的非限制性範例。
[圖9]是這種流體加熱裝置的非限制性範例。
10:流體加熱裝置
100:加熱部
110:流體流水線
200:加熱源
210:電壓源
220:電流進入部
230:電流容納部
240a:第一導體
240b:第二導體
300:冷卻部
310:製冷劑
P,R:流體流水線
Claims (15)
- 一種流體加熱裝置，其包含： 流體流水線，其包含形成為允許流體流動的內部通道和圍繞所述內部通道的導電表面部分；以及 加熱源， 其中所述加熱源包含： 電流進入部，其包含電連接到所述流體流水線的第一導體； 電流容納部，其包含電連接到所述流體流水線並且與所述電流進入部分別存在的第二導體；以及 電壓源，以及 其中所述加熱源係配置成在所述電流進入部和所述電流容納部之間形成電位差，所述電位差允許電流流過所述電流進入部、所述電流容納部和所述流體流水線，以及 其中所述流體加熱裝置設置為透過所述電流在所述表面部分產生熱量，並將所述熱量傳遞給所述內部通道中的流體。
- 如請求項1的流體加熱裝置，其中所述電壓源係配置成形成選自由直流電、交流電、脈衝電流和雙極電流組成群組中的一或多種。
- 如請求項1的流體加熱裝置，還包含與選自由所述第一導體和所述第二導體組成群組中的一或多個導體接觸以能夠進行熱交換的冷卻部。
- 如請求項3的流體加熱裝置，其中所述冷卻部不與所述流體流水線接觸。
- 如請求項3的流體加熱裝置，其中所述冷卻部包含製冷劑和循環管線，其中所述循環管線形成為使得所述製冷劑在與所述第一導體和所述第二導體之一進行熱交換的同時進行循環，並且隨後與所述第一導體和所述第二導體中的另一個進行熱交換。
- 如請求項3的流體加熱裝置，其中與所述冷卻部接觸的所述導體被絕緣。
- 如請求項1的流體加熱裝置，其中所述流體流水線是絕熱的。
- 如請求項1的流體加熱裝置，其中所述流體流水線包含形成為允許所述流體流入所述流體流水線的入口和形成為允許流入所述流體流水線的所述流體流出的出口，以及所述流體流水線設置為使得連接所述入口和所述出口的假想線與重力方向形成80度至90度的角度。
- 如請求項1的流體加熱裝置，其中所述流體流水線包含形成為允許所述流體流入所述流體流水線的入口和形成為允許流入所述流體流水線的所述流體流出的出口，以及所述入口的面積SA與所述出口的面積SB的比例SA/SB為0.8至1.2。
- 如請求項1的流體加熱裝置，其包含： 作為所述流體流水線的第一流體流水線和第二流體流水線， 其中所述加熱源的所述電流進入部和所述電流容納部分別形成在所述第一流體流水線和所述第二流體流水線中，使得所述第一流體流水線的所述電流容納部變成所述第二流體流水線的所述電流進入部，或者所述第一流體流水線的所述電流進入部成為所述第二流體流水線的所述電流容納部。
- 如請求項1的流體加熱裝置，其包含 作為所述流體流水線的複數個流體流水線， 其中所述電流進入部和所述電流容納部形成在所述複數個流體流水線中之各者中，使得所述複數個流體流水線中的任意一個流體流水線的所述電流容納部成為另一流體流水線的所述電流進入部，或者所述複數個流體流水線中的任意一個流體流水線的所述電流進入部成為另一流體流水線的所述電流容納部。
- 如請求項11的流體加熱裝置，其中所述複數個流體流水線與所述加熱源形成串聯網路。
- 如請求項12的流體加熱裝置，其中所述串聯網路滿足下面的方程式2： [方程式2] A - B = 1 其中，A為所述串聯網路中的電流進入部和電流容納部的數量總和，B為所述串聯網路中的流體加熱裝置的數量，以及所述電流進入部和所述電流容納部中之各者包含一或複數個導體。
- 如請求項11的流體加熱裝置，其中所述複數個流體流水線的所述內部通道彼此不連通。
- 一種利用請求項1至14中任一項的流體加熱裝置對流體進行加熱的方法，其包含 在所述加熱源的所述電流進入部和所述電流容納部之間形成電位差，以使電流流過所述電流進入部、所述電流容納部和所述流體流水線，以及 將透過所述電流的所述流動而在所述流體流水線的所述表面部分上產生的熱量傳遞至流經所述流體流水線的所述內部通道的所述流體。
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