一种利用介质相变实现流体温度控制的换热装置及方法与流程

1.本发明属于换热器领域，涉及一种利用介质相变实现流体温度控制的换热装置及方法。


背景技术：

2.换热器作为一种常见的热工设备，被广泛应用于能源动力、石油化工、建筑供暖、医疗卫生等领域。现有换热器主要用途是实现两种或多种不同温度流体之间的热量传递，从而使流体达到所需温度。然而，对于一些对流体出口温度有较高要求的场合，比如超临界二氧化碳发电系统中，压缩机入口的二氧化碳温度需要被准确控制在紧邻临界点之上，通过普通换热器的换热设计计算难以实现对出口温度的精准控制，因此需要探索新型的换热器装置。
3.换热器按传热原理可以分为间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器和直接接触式换热器，其中，最常用的为间壁式换热器。间壁式换热器多用于两种流体换热，其中，两种流体在换热器内沿各自的通道流动，通过通道之间的固体壁面进行传热。当两种流体流量、温度固定时，换热量及最后的流体温度取决于换热器的面积，因此，换热器面积的准确设计直接影响到流体的最终出口温度。然而，对于以超临界二氧化碳为典型代表的复杂工艺流体，其换热系数剧烈多变，因此难以通过换热的准确设计和普通间壁式换热器结构实现对应工况下的出口温度准确控制，二氧化碳出口温度会随着工况变化而发生变化，从而影响整体发电系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种利用介质相变实现流体温度控制的换热装置及方法，实现相变介质饱和温度的控制，从而实现与两种饱和态相变介质接触换热的流体温度的稳定控制。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种利用介质相变实现流体温度控制的换热装置，包括本体、流体一通道、相变介质一腔体、相变介质二腔体和流体二通道；
7.流体一通道、相变介质一腔体、相变介质二腔体和流体二通道由外向内依次嵌套设置在本体内，且相互密封隔离，流体一通道、相变介质一腔体、相变介质二腔体和流体二通道的顶底部均设置有进口和出口，流体一通道和流体二通道内分别设置有换热流体，相变介质一腔体和相变介质二腔体内分别设置有不同饱和温度的相变介质。
8.优选的，相变介质一腔体内的相变介质的饱和温度等于流体一通道内换热流体的出口温度，相变介质二腔体内的相变介质的饱和温度等于流体二通道内换热流体的出口温度。
9.优选的，相变介质一腔体和相变介质二腔体顶部均设置有抽真空口。
10.优选的，流体一通道的进口位于流体一通道的顶部，流体一通道的出口位于流体
一通道的底部；流体二通道的进口位于流体二通道的底部，流体二通道的出口位于流体二通道的顶部。
11.优选的，流体一通道内的流体温度高于流体二通道内的流体。
12.优选的，相变介质一腔体和相变介质二腔体内均设置有肋片。
13.进一步，肋片分别设置在相变介质一腔体和相变介质二腔体的外圈内壁和内圈内壁上。
14.再进一步，外圈内壁上的肋片和内圈内壁上的肋片交错设置。
15.一种基于上述任意一项所述利用介质相变实现流体温度控制的换热装置的换热方法，包括以下过程：
16.往相变介质一腔体内注入相变介质一，往相变介质二腔体内注入相变介质二；流体一进入流体一通道，与相变介质一腔体内的相变介质一进行换热，相变介质一吸收来自流体一的热量，当达到相变介质一腔体压力对应的饱和温度时，相变介质一发生蒸发，整体变为饱和态，随着吸热过程的进行，相变介质一的温度保持在饱和温度不变，流体一冷却到相变介质一的饱和温度时，温度不再变化，流体一通道出口处的流体一温度保持恒定；
17.相变介质二腔体内的相变介质二吸收相变介质一腔体内的热量，同样在相变介质二腔体压力下发生相变，变为饱和态，温度保持恒定；流体二进入流体二通道，吸收来自于相变介质二的热量，当温度达到相变介质二的饱和温度时，温度不再变化，流体二通道出口处的流体二温度保持恒定。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.本发明通过在两个换热腔体之间设置两个相变介质腔体，采用介质相变的方式实现不同流体间的间接换热，利用相变过程流体温度不变的特性，使流体的出口温度保持恒定，从而实现温度的控制，避免了复杂流体换热设计计算引起的不准确性，对于变工况的流体换热，在流体温度、流量波动的情况下，在换热装置无须调整的条件下，仍能保证流体的出口温度恒定不变。
20.进一步，相变介质腔体的抽真空口能够连接真空泵，通过抽负压的方式使相变介质的饱和态状态变化，实现流体不同出口温度的控制。
21.进一步，相变介质腔体内设置有肋片，能够增加饱和状态下气液混合介质的均温性。
附图说明
22.图1为本发明的换热装置结构示意图；
23.图2为本发明的换热装置工作示意图。
24.其中：1-流体一通道；2-相变介质一腔体；3-相变介质二腔体；4-流体二通道；5-流体一入口；6-流体一出口；7-相变介质一注入口；8-相变介质一抽真空口；9-相变介质一排放口；10-相变介质二注入口；11-相变介质一抽真空口；12-相变介质一排放口；13-流体二出口；14-流体二入口；15-肋片。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
26.如图1所示，为本发明所述的利用介质相变实现流体温度控制的换热装置，主要包括本体、流体一通道1、相变介质一腔体2、相变介质二腔体3和流体二通道4。
27.本实施例中本体采用圆柱筒，本体内采用三个圆柱形的隔板，将本体内分隔为四个依次嵌套的腔体，且相互密封隔离，由外向内分别为流体一通道1、相变介质一腔体2、相变介质二腔体3和流体二通道4。
28.流体一通道1顶部设置有流体一入口5，底部设置有流体一出口6；相变介质一腔体2顶部设置有相变介质一注入口7和相变介质一抽真空口8，底部设置有相变介质一排放口9；相变介质二腔体3顶部设置有相变介质二注入口10和相变介质一抽真空口11，底部设置有相变介质一排放口12；流体二通道4底部设置有流体二入口14，顶部设置有流体二出口13。
29.如图2所示，相变介质一腔体2和相变介质二腔体3内均设置有肋片15，肋片15分别设置在相变介质一腔体2和相变介质二腔体3的外圈内壁和内圈内壁上，外圈内壁上的肋片15和内圈内壁上的肋片15交错设置，能够增加饱和状态下气液混合介质的均温性。
30.实际工作前，首先根据流体的温度控制需求确定相变介质一和相变介质二的饱和温度，其中，相变介质一和相变介质二的饱和温度应分别等于要获得的低温流体的出口温度或高温流体的出口温度。通过饱和温度的需求选择对应的相变介质种类和运行饱和压力。相变介质一通过相变介质一注入口7注入到相变介质一腔体2内，相变介质二通过相变介质二注入口10注入到相变介质二腔体3内。
31.相变介质一抽真空口8用于连接真空泵，通过真空泵抽取相变介质一腔体2内的压力，使相变介质一腔体2内达到对应相变介质一饱和温度的饱和压力大小，充注和抽负压工作完成后，封住相变介质一腔体上的相变介质一注入口7、相变介质一真空口8以及相变介质一排放口9，使其达到密封状态。
32.同样，相变介质二抽真空口11同样用于连接真空泵，通过真空泵使相变介质二腔体3内达到对应相变介质二饱和温度的饱和压力大小，充注和抽负压工作完成后，封住相变介质二腔体上的相变介质二注入口10、相变介质二真空口11以及相变介质二排放口12，使其达到密封状态。
33.如图2所示，实际工作中，考虑流体一为热流体、流体二为冷流体的工作情况，流体一通过流体一入口5进入流体一通道1，与相变介质一腔体2内的相变介质一进行换热，相变介质一吸收来自流体一的热量，当达到相变介质一腔体2压力对应的饱和温度时，相变介质一发生蒸发，整体变为饱和态，随着吸热过程的进行，相变介质一的温度保持在饱和温度不变，因此，流体一冷却到相变介质一的饱和温度时，温度不再变化，因此使流体一出口6处的流体一温度保持恒定；相变介质二腔体3内的相变介质二吸收相变介质一腔体2内的热量，同样在相变介质二腔体3压力下发生相变，变为饱和态，温度保持恒定；流体二通过流体二入口14进入流体二通道4，吸收来自于相变介质二的热量，当温度达到相变介质二的饱和温度时，温度不再变化，因此使流体二出口13处的流体二温度保持恒定。
34.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。