低温液体加热排放装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及低温液体加热技术领域，具体涉及一种低温液体加热排放装置及其使用方法。


背景技术：

2.空分装置是用来把空气中的各组份气体分离，生产氧气、氮气的一套工业设备。一般而言，空分装置指的是化工厂中的各种空气成分的分离装置，具体从空气中分离出氮气,氧气,氩气等气体以及其他一些气体。空分装置生产过程中，由于检修和事故，需要排放超低温液体——液氧(lo)、液氮(ln)、液氩(lar)和液空(la)——(温度通常低于
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180℃)，不能直接向环境排放，需要加热成常温气体后高空排放。
3.现行的加热方式是使用高压水蒸气，通过水蒸气喷射带动超低温液体，形成液滴与水蒸气高速混合换热。水蒸气与超低温液体的换热效率，完全决定于超低温液体的分散度和与水蒸气的接触程度。现行方法都是采用通过水蒸气高速喷射与超低温液体快速混合换热，使得超低温液体气化。为了保证超低温液体能够与水蒸气充分接触，快速换热，需要极大量水蒸气喷射撞击超低温液体，才能雾化超低温液体。
4.因而，现有的低温液体加热方式需要水蒸气喷射器和极大量水蒸气，且需要高压水蒸气，造成大量水蒸气的浪费。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种低温液体加热排放装置及其使用方法，解决了现有的低温液体加热方式需要消耗大量高压水蒸气的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
9.一种低温液体加热排放装置，包括加热排放系统，所述加热排放系统包括加热器、排放管、集水袋以及配套管道；
10.集液主管接入竖向设置的加热器上部，位于液体均布器上方，所述液体均布器四周与加热器上部内壁紧密连接；
11.蒸汽主管接通并伸入加热器下部；
12.所述排放管一端接通加热管下部另一侧，一端向上连通外界空气；
13.所述集水袋接通加热器底部，所述集水袋通过管道与水泵相连。
14.优选的，还包括排水控制系统，所述排水控制系统包括液位计、晶闸管、电子继电器和水泵电机；
15.第一液位计设置在集水袋处，所述第一液位计连接晶闸管的阳极；
16.第二液位计设置在加热器下部，且位于排放管接通处下方，所述第二液位计连接晶闸管的门极；
17.电子继电器控制端连接晶闸管阴极，电子继电器的被控输入端连接电源，电子继电器的被控输出端连接水泵电机；
18.所述水泵电机通过所述电子继电器接、断动力电，控制水泵向外排水。
19.优选的，所述加热器内部设置一节蒸气输入管段，所述蒸气输入管段开口端连接蒸汽主管，封闭端固定在加热管内；所述蒸气输入管段在背离液体均布器方向的侧壁上开孔。
20.优选的，所述蒸汽主管沿蒸汽流动方向依次设有副一路分支和副二路分支，所述副一路分支接通排放管，所述副二路分支接通集水袋；
21.所述副一路分支和副二路分支之间的蒸汽主管上设置第一阀门，所述副二路分支上设置第二阀门。
22.优选的，还包括温度检测器和温度运算器；
23.第一温度检测器设置在加热器上部，用于控制第一阀门的开启、关闭和开度调节；
24.第二温度检测器设置在排放管管口，第三温度检测器设置在外界空气中；
25.所述第二温度检测器、第三温度检测器与温度运算器相连，所述温度运算器用于控制第二阀门的开关。
26.优选的，所述液体均布器带有实心锥喷嘴。
27.一种低温液体加热排放装置的使用方法，包括：
28.低温液体经集液主管自加热器顶部，通过液体均布器进入加热器内部，与加热器内上部区域驻留气体换热形成低温气体膨胀向下流动；
29.蒸汽经蒸汽主管进入加热器下部；
30.蒸汽与所述低温气体换热，形成水滴或霰落入加热器底部，由通过管道与水泵相连的集水袋收集；
31.换热升温后的低温气体自排放管高空排放。
32.(三)有益效果
33.本发明提供了一种低温液体加热排放装置及其使用方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：
34.本发明中加热排放系统包括加热器、排放管、集水袋以及配套管道；集液主管接入竖向设置的加热器上部，位于液体均布器上方，所述液体均布器四周与加热器上部内壁紧密连接；蒸汽主管接通并伸入加热器下部；所述排放管一端接通加热管下部另一侧，一端向上连通外界空气；所述集水袋接通加热器底部，所述集水袋通过管道与水泵相连。低温液体与加热器内上部区域驻留气体换热形成低温气体膨胀向下流动，形成一段动态静止的同温层，防止了水汽的上升与渗入，在液体均布器孔口凝华堵塞；向下流动的低温气体温度仍然很低，与上升的高温水蒸气因巨大的温差和剧烈的换热，热空气混合水蒸气上升，而水蒸气冷却形成的水或冰下行，形成冷热气体剧烈对流，在同温层下形成一对流层，促进冷热流体换热，同时延长低温液滴的停留时间，促使液滴完全气化。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本发明实施例提供的一种低温液体加热排放装置的加热排放系统结构示意图；
37.图2为本发明实施例提供的一种低温液体加热排放装置的排水控制系统结构示意图。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本技术实施例通过提供一种低温液体加热排放装置及其使用方法，解决了现有的低温液体加热方式需要消耗极大量高压水蒸气的技术问题，实现降低水蒸气用量的同时，水蒸气与低温液体、气体之间充分的换热，。
40.本技术实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
41.本发明实施例中加热排放系统包括加热器、排放管、集水袋以及配套管道；集液主管接入竖向设置的加热器上部，位于液体均布器上方，所述液体均布器四周与加热器上部内壁紧密连接；蒸汽主管接通并伸入加热器下部；所述排放管一端接通加热管下部另一侧，一端向上连通外界空气；所述集水袋接通加热器底部，所述集水袋通过管道与水泵相连。低温液体与加热器内上部区域驻留气体换热形成低温气体膨胀向下流动，形成一段动态静止的同温层，防止了水汽的上升与渗入，在液体均布器孔口凝华堵塞；向下流动的低温气体温度仍然很低，与上升的高温水蒸气因巨大的温差和剧烈的换热，热空气混合水蒸气上升，而水蒸气冷却形成的水或冰下行，形成冷热气体剧烈对流，在同温层下形成一对流层，促进冷热流体换热，同时延长低温液滴的停留时间，促使液滴完全气化。
42.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
43.实施例：
44.如图1～2所示，本发明实施例提供了一种低温液体加热排放装置，其特征在于，包括加热排放系统和排水控制系统。
45.所述加热排放系统包括加热器10、排放管20、集水袋30以及配套管道。
46.集液主管101接入竖向设置的加热器10上部，位于液体均布器102上方，所述液体均布器102四周与加热器10上部内壁紧密连接。
47.所述液体均布器102带有实心锥喷嘴，用于将低温液体分散成液滴。通过安装有实心锥喷嘴的液体均布器102增加了低温液体与水蒸气的接触面积，提高了换热效果；
48.蒸汽主管103接通并伸入加热器10下部；所述加热器10内部设置一节蒸气输入管段104，所述蒸气输入管段104开口端连接蒸汽主管103，封闭端采用滑动吊支架支撑固定在加热管10内；所述蒸气输入管段104在背离液体均布器102方向的侧壁上开孔。
49.所述排放管20一端接通加热管10下部另一侧，一端向上连通外界空气；所述排放
管的底端开口与加热器10下部可以采用焊接接通，其顶端开口为气体放空口。
50.所述集水袋30接通加热器10底部，所述集水袋30通过管道与水泵相连，水蒸气与低温液体换热产生的水通过水泵抽出，排水口可以设置于集水袋30最底部。
51.如图1所示，所述集水袋30可以为一截内径比加热器10内径小得多的短管段，焊接于加热器底部。
52.所述低温液体包括lo、ln、lar、la。如图1所示，低温液体在集液主管101中聚集后输送至加热器10内；水蒸气自蒸汽主管103进入加热器10内部，会向上流动。通过安装有实心锥喷嘴的液体均布器102均布和分散低温液体，同时与相对热的已有空气换热，形成低温气体，向下流动，使得低温气体与水蒸气接触换热，实现对低温液体的加热气化。在安装有实心锥喷嘴的液体均布器102下与已有空气换热，在加热器10上部形成气塞并有干燥气体持续向下流动，形成一段动态静止的同温层，防止了水汽的上升与渗入，在安装有实心锥喷嘴的液体均布器102孔口凝华，堵塞孔口。向下流动的低温气体温度仍然很低，与高温水蒸气因巨大的温差和剧烈的换热，热空气混合水蒸气上升，而水蒸气凝结成的水或冰下行，形成冷热气体剧烈对流，在同温层下形成一对流层，促进冷热流体换热，并能延长低温液滴的停留时间。
53.理论上，气塞的高度最大可以达到排放管20进口上缘。而当加热结束后，水蒸气停止供给，气塞低于常温，仍然从环境吸热向外排放，将本体内的少量水汽带出本体，最终气塞仍然保持在加热器10本体上部，阻止水汽侵入加热器本体，导致堵塞低温液体进口和安装有实心锥喷嘴的液体均布器孔口。
54.需要说明的是，为了低温液体经由集液主管101，靠自身压力和重力，自然流入加热器10，低温液体进入加热器10的管口应不高于上游低温液体容器或管道的最低点。对此，解决方法是将加热器10下部安装于地面以下。
55.所述蒸汽主管103沿蒸汽流动方向依次设有副一路分支1031和副二路分支1032。
56.所述副一路分支1031接通排放管20。这是考虑到当排放管20向外排放的气体低于外界温度时，为了避免雾化排放管20管口附近的空气，影响生产环境，由副一路分支1031输送的水蒸气升温后在排放。
57.所述副二路分支1032接通集水袋30。由副二路分支1032输送的水蒸气可以防止冰堵塞集水袋30进、出水口，且形成的热水可以通过对流，加热加热器10底部汇集的冰水混合物，促进冰的熔解，防止聚集冻结，提高装置运行的可靠性。
58.所述副一路分支1031和副二路分支1032之间的蒸汽主管103上设置第一阀门v1，所述副二路分支1032上设置第二阀门v2。
59.所述加热排放系统还包括温度检测器和温度运算器。
60.第一温度检测器t1设置在加热器10上部，通过检测加热器10安装有实心锥喷嘴的液体均布器102下温度，检测是否有低温液体通过，且第一温度检测器t1通过检测到的温度信号，控制阀门v1的开启、关闭和开度调节。具体的，当第一温度检测器t1检测到温度低于目标温度，例如
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50℃时，开启水蒸气主管上的第一阀门v1，并根据第一温度检测器t1温度调节阀门开度；当第一温度检测器t1检测到温度高于
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50℃时，关闭蒸汽主管103上的第一阀门v1。
61.第二温度检测器t2设置在排放管20管口，检测排放管20管口气体温度；第三温度
检测器t3设置在外界空气中，可安装于能够准确检测出环境温度的任意处。
62.所述第二温度检测器t2、第三温度检测器t3与温度运算器pdt相连。即第二温度检测器t2和第三温度检测器t3将检测出的温度信号进行对比，由所述温差运算器pdt得出的温度差作为控制信号控制第二阀门v2的开关。当管口气体温度低于环境温度，则第二阀门v2打开；当管口气体温度高于环境温度，则第二阀门v2关闭。
63.所述排水控制系统包括液位计、晶闸管、电子继电器和水泵电机。
64.第一液位计l1设置在集水袋30处，控制了集水袋30内的最高保持液位，所述第一液位计l1连接晶闸管的阳极；第二液位计l2设置在加热器10下部，且位于排放管20接通处下方，控制了加热器10内最高可及液位，所述第二液位计l2连接晶闸管的门极；电子继电器控制端连接晶闸管阴极，电子继电器的被控输入端连接水泵电机动力电源，电子继电器的被控输出端连接水泵电机；所述水泵电机通过所述电子继电器接、断动力电，控制水泵向外排水。
65.所述第一液位计l1、第二液位计l2、晶闸管所通电流为直流电，通常为5～12v；水泵电机所用动力电为交流电，通常为220v。
66.需要说明的是，附图2所示的排水控制系统，仅仅展示了主要的电子元件，而主要电子元件选型后，适配的诸如电阻、二极管、三极管、反向器等电流、电压控制元件，电信号单向、反向和放大电子元件在实际实施中也是必须的，并未在附图2中具体展示。
67.具体的，所述排水控制系统原理如下：
68.加热器10内水位达到第一液位计l1通电位置，则第一液位计l1向晶闸管发出电信号，但在初始下晶闸管并不导通；水位进一步达到第二液位计l2通电位置，则第二液位计l2向晶闸管发出电信号，触发晶闸管第一液位计l1电路的持续导通。导通后的晶闸管会根据第一液位计l1电路的连通情况，控制电子继电器的闭合位置，当第一液位计l1被导通后，电子继电器闭合到220v电路导通位置，水泵电机通电，使得水泵启动和运行。通电后的电机直到第一液位计l1电路断电后才会断电，水泵停止运行。
69.本发明实施例还提供了一种低温液体加热排放装置的使用方法，具体包括：
70.低温液体lo、ln、lar、la经集液主管101自加热器10上部，通过液体均布器102进入加热器10内部，与加热器10内上部区域驻留气体换热形成低温气体膨胀向下流动。同时这些气体温度降低，被第一温度检测器t1检测到。当第一温度检测器t1检测到温度低于目标温度，如
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50℃时，开启水蒸气主管103上的第一阀门v1，并根据检测温度调节阀门开度；当温度检测器t1检测到温度高于
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50℃时，关闭水蒸气主管103上的第一阀门v1。
71.蒸汽经蒸汽主管103进入加热器10下部。
72.蒸汽与所述低温气体换热，形成水滴或霰落入加热器10底部，由通过管道与水泵相连的集水袋30收集。
73.换热升温后的低温气体自排放管20高空排放。
74.低温液体气液混合物与水蒸气换热后完全气化，进入排放管20继续与水蒸气换热，直至从排放管20管口高空常温排放；而加热管10和排放管20内水蒸气凝华或凝结成的冰水混合物，靠重力下行到加热管底部，为底部热水加热，完全转变为水，通过集水袋30被水泵抽出。
75.在集水袋30引入的副二路支路1032水蒸气，不但防止了冰堵塞集水袋进、出水口，
而且形成的热水可以通过对流，加热加热器10底部汇集的冰水，促进冰的熔解，防止聚集冻结，提高装置运行的可靠性。
76.加热器10中水蒸气与低温液体的换热，在加热器10内形成同温层和对流层。同温层由气体与低温液体换热形成，并因低温液体的气化，体积膨胀，向下流入对流层。在对流层内，水蒸气与低温气液混合物换热，造成对流层底部气体温度高、密度小，而顶部温度低、密度大，形成对流，其剧烈程度与温度差和换热量大小有关。当温度差越大，换热量越大，对流程度越剧烈、明显，这样的换热状况，对低温液体具有很高的温度和流量适应性。
77.当排放管管口气体温度低于环境温度，温差pdt控制第二阀门v2打开；否则关闭或不动作。
78.当水蒸气冷凝汇集到加热器底部和集水袋中，会首先导致第一液位检测器l1向晶闸管阳极发出电信号，由于晶闸管的电特性，向水泵供电电路不会因此而导通。随着换热的持续进行，加热器底部液位逐渐上升，当液位达到第二液位检测器l2导通位置时，l2向晶闸管门级发送电流信号，此时晶闸管阴阳极电路导通。
79.晶闸管导通后，控制电子继电器上的220v交流电开关切向水泵电机电路，向水泵电机供电，水泵启动，开始向外抽水。
80.当低温液体向加热器输送停止，一段时间后，第一温度检测器t1检测到温度高于控制温度，如
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50℃时，切断第一阀门v1，停止向加热器10供应水蒸气；当第二温度检测器t2检测到温度不低于环境温度，pdt也会切断第二阀门v2，整个换热过程停止，但排水过程不会停止。
81.当加热器10底部水位低于第二液位检测器l2导通位置时，l2电路断电，停止向晶闸管发送电流。因为晶闸管的电特性，l1的阴阳极电路不会断电，仍然控制继电器保持原位，向水泵电机供电的220v交流电不会断电，水泵仍然运行。
82.当集水袋30液位低于第一液位检测器l1导通位置时，l1电路断电，停止向晶闸管发送电流，导致晶闸管完全失电，电子继电器切断向水泵电机供电，水泵停止运转，排水过程停止。
83.整个装置随后处于待命状态，准备下一次低温液体排放。
84.综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：
85.1、本发明实施例中加热排放系统包括加热器、排放管、集水袋以及配套管道；集液主管接入竖向设置的加热器上部，位于液体均布器上方，所述液体均布器四周与加热器上部内壁紧密连接；蒸汽主管接通并伸入加热器下部；所述排放管一端接通加热管下部另一侧，一端向上连通外界空气；所述集水袋接通加热器底部，所述集水袋通过管道与水泵相连。低温液体与加热器内上部区域驻留气体换热形成低温气体膨胀向下流动，形成一段动态静止的同温层，防止了水汽的上升与渗入，在液体均布器孔口凝华堵塞；向下流动的低温气体温度仍然很低，与上升的高温水蒸气因巨大的温差和剧烈的换热，热空气混合水蒸气上升，而水蒸气冷却形成的水或冰下行，形成冷热气体剧烈对流，在同温层下形成一对流层，促进冷热流体换热，同时延长低温液滴的停留时间，促使液滴完全气化。
86.2、本发明实施例无人操作，自动化程度高。在低温液体流入后，自动启动，并维持持续换热，而换热生成的水也能通过自动启动、运行和停止，通过水泵排出。低温液体排放过程可以无人干预，自动启动、运行和关闭。
87.3、本发明实施例换热效率高，节约能源。低温气体和液滴向下运动过程中，因为下部温度高于上部，造成强烈的对流，提高了气塞气体、低温液滴和水蒸气之间的换热效果。而且，若低温液滴即使气化不完全，也会因强烈对流产生的曳力而增加停留时间。因此，水蒸气与低温液体和气体有充分的换热，可以降低水蒸气的用量。通过温度检测器控制阀门、液位检测器控制排水，提高能源提供的精准度，降低了能量消耗。
88.4、本发明实施例对水蒸气品质要求低，适应性广泛，相对于常用水蒸气喷射型加热器，本发明实施例可以使用低压水蒸气进行加热，甚至是稍高于常压的水蒸气，对水蒸气有广泛的适应性和选择范围。从而可以通过选择废弃水蒸气，达到节能的目的。
89.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
90.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。