專利名稱：直熱式汽水換熱器及換熱機(jī)組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對水蒸氣和冷水進(jìn)行直接熱交換的直熱式汽水換熱器，以及使用了這種換熱器的直熱機(jī)組。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中的換熱器品種繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是普遍都存在換熱效率低的問題，在節(jié)能、環(huán)保問題日益突出的今天，換熱效率的高低直接決定了換熱器的品質(zhì)和生命。同質(zhì)二元混合物特性研究的最新研究成果指出同質(zhì)二元混合物在汽、液二相流向液體單相流轉(zhuǎn)變的過程中，除了發(fā)生熱量的傳遞之外，也發(fā)生熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。在無序轉(zhuǎn)變的條件下，這種轉(zhuǎn)變會表現(xiàn)為瞬間的，間斷的熱量傳遞和強(qiáng)烈的汽水撞擊。在通常情況下，這種無序轉(zhuǎn)變都是需要盡力消除的。但如果這種轉(zhuǎn)變處在有序控制下，則會表現(xiàn)為連續(xù)的、平穩(wěn)地?zé)崃總鬟f和規(guī)律的能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的結(jié)果是對液體的瞬間加熱和產(chǎn)生單向的，大于原系統(tǒng)狀態(tài)的輸出壓力。這一原理，導(dǎo)致了直熱機(jī)組的發(fā)明，并指導(dǎo)了其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。本發(fā)明正是在上述理論的指導(dǎo)下設(shè)計的一種換熱效率很高(接近于1)的直熱式換熱器以及使用了這種換熱器的直熱機(jī)組。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種直熱式換熱器，該換熱器在蒸汽和冷水交匯處設(shè)有沿水流方向逐漸減小的錐形面，該錐形面逐漸收口形成一個狹小通道，由于這種直熱式換熱器的特殊結(jié)構(gòu)，使得蒸汽和水在引射的過程中，高速進(jìn)入收縮段形成的狹小通道。在這一狹小通道中，混合物借助于一種特殊結(jié)構(gòu)，迅速完成雙相流向單相流的轉(zhuǎn)變。在相變的過程中，強(qiáng)烈的凝結(jié)過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力波，這一壓力波在設(shè)備出口產(chǎn)生單向的巨大的壓力突變。這一突變的結(jié)果，是使裝置出口壓力急劇增大。在一個密閉的環(huán)路系統(tǒng)中，這一壓力足以推動環(huán)路系統(tǒng)內(nèi)部液體的循環(huán)。這里，我們注意到，在兩相混合物相變的過程中，也伴隨著相與相之間的換熱過程，這將標(biāo)志兩相完善的換熱，這也是在這種裝置中，其換熱效率幾近于1的根本原因。
概括起來，利用這種特殊裝置進(jìn)行換熱和推動系統(tǒng)循環(huán)的運(yùn)行方式，就是利用蒸汽作為能源(無須其他的能源)，首先通過裝置進(jìn)行換熱，再產(chǎn)生高壓切入系統(tǒng)并推動系統(tǒng)循環(huán)這樣的過程。因而達(dá)到增壓和瞬時加熱的效果，是瞬時加熱器與增壓泵的結(jié)合。
本發(fā)明還提供了一種使用了所述直熱式換熱器的直熱機(jī)組，該直熱機(jī)組與現(xiàn)有技術(shù)大體相似，包括蒸汽源、熱交換器、循環(huán)泵、排水閥、凝水箱等，但是利用了本發(fā)明的熱交換器。該直熱機(jī)組可以設(shè)計制作成“單相變區(qū)”式的，即只有一個完整的相變區(qū)的結(jié)構(gòu)，也可以把它設(shè)計制作成雙相變區(qū)或稱補(bǔ)充相變區(qū)式結(jié)構(gòu)。其中經(jīng)過熱交換器被加熱的水增壓后進(jìn)入到擴(kuò)散段后即被送入到用戶管道中。補(bǔ)充水口可以用來做為本裝置工作狀態(tài)檢測口，這樣，使本裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)自動化控制。
另外，該裝置雖然可以以代替換熱器這一最可靠的方式并入原系統(tǒng)突現(xiàn)其節(jié)能特點(diǎn)，但由于其只以蒸汽為能源，就可表現(xiàn)為換熱器、電機(jī)、機(jī)械泵的三重特征，因此，從另一個方面表現(xiàn)出來了節(jié)約能源—電能的特點(diǎn)。電能消耗是在上述供熱系統(tǒng)中能源消耗總量的0.15-0.2，使用新的節(jié)能裝置，可以節(jié)省下來原使用電能的50％以上。這可以通過在系統(tǒng)中更換功率小的電機(jī)及機(jī)械泵來實(shí)現(xiàn)。
此外，本發(fā)明還為上述換熱機(jī)組設(shè)計了自動控制系統(tǒng)，該自動控制系統(tǒng)可以完成直熱機(jī)組啟動、運(yùn)行、關(guān)閉以及重新啟動等過程的自動智能化控制，并且具有實(shí)時工作狀態(tài)監(jiān)測與監(jiān)控的功能；對直熱機(jī)組進(jìn)行故障檢測與報警、參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)恢復(fù)等智能化管理的功能?？刂葡到y(tǒng)采用可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。自動控制系統(tǒng)硬件采用可編程控制器為核心部件，其結(jié)構(gòu)緊湊，具有工業(yè)級高穩(wěn)定性、高可靠性和高抗干擾性。并且配備大屏幕數(shù)碼顯示屏，具備參數(shù)顯示清楚、系統(tǒng)狀態(tài)顯示多、多層操作文件顯示、操作簡單明了等特點(diǎn)。可以實(shí)現(xiàn)直熱機(jī)組啟動、運(yùn)行、關(guān)閉、調(diào)節(jié)的全自動化控制，對各種參數(shù)的實(shí)時顯示、監(jiān)測；定時啟停和預(yù)定時啟?？刂疲贿\(yùn)行參數(shù)和報警值可任意設(shè)定；備有手動操作控制鍵，在應(yīng)急狀態(tài)下可人為干預(yù)處理。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)節(jié)約蒸汽在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中，汽水熱交換器的耗汽量Gs等于Gs1＝Gw*CP*(t1-t2)/k*『i``(pn)-CP*tK』式中Gw(噸/小時)-熱交換器耗水量；t1(℃)-熱交換器出口的水溫；t2(℃)-熱交換器前的水溫；K-汽水熱交換器的效率；i``(Pn)(千卡/公斤)-壓力為Pn的進(jìn)入熱交換器的蒸汽的焓值；tK(℃)-從熱交換器出來的冷凝水的焓值；CP(千卡/公斤*度)-常壓下水的比熱(計算中如缺此值，則取作等于1)。的耗汽量等于Gs2＝GCM*CP*(t出口——t入口)/K*[i``(pn)-CP*t入口]式中GCM(噸/小時)-通過裝置的混合物耗量；
t出口(℃)-裝置出口的水溫；t入口(℃)-裝置入口處的水溫；i``(pn)(千卡/公斤)-進(jìn)入裝置的壓力為Pn的蒸汽的焓值；CP(千卡/公斤*度)-常壓下水的比熱(計算此值取作1)。
由此，蒸汽的節(jié)約量為ΔGn＝Gs1-Gs2(噸/小時)(2)節(jié)約電能在新系統(tǒng)中使用網(wǎng)路(循環(huán))泵時，電能的節(jié)省取決于在泵的吸入口建立揚(yáng)程和流量時所需要的電功率，這種增壓和流量是可以由直熱機(jī)組全部或部分實(shí)現(xiàn)的。這一增壓值，隨著蒸汽和水進(jìn)入裝置時的參數(shù)的變化而變化，因此電能的節(jié)約值也隨之變化，而且在供暖系統(tǒng)中，其節(jié)約值還隨著外部空氣溫度的降低而增大。電能的節(jié)約值，可用經(jīng)驗(yàn)方法予以測定，測量出在新系統(tǒng)中由泵所建立的增壓值ΔH新，減去必需的電功率N新，將其與現(xiàn)存系統(tǒng)中的必需電功率N現(xiàn)存(當(dāng)增壓值為ΔH現(xiàn)存)相比即可求得。要注意，測量一定要在系統(tǒng)中的循環(huán)水量GB相同時的條件下進(jìn)行。所需電功率用下式進(jìn)行計算N＝GB*ΔH/(367*n液壓)式中N(千瓦)-網(wǎng)路(循環(huán))泵電機(jī)所需電功率；GB(噸/小時)-網(wǎng)路(循環(huán))泵循環(huán)量；ΔH(米)-泵的吸入口與增壓后的壓力差(增壓值)；n液壓-泵的液壓效率(如缺數(shù)據(jù)，則取作等于0.7)為了進(jìn)一步節(jié)約電能，應(yīng)當(dāng)根據(jù)在新系統(tǒng)中所需電功率最大值來確定新采用較小泵的功率。在供暖系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)熱負(fù)荷，熱水循環(huán)量，管網(wǎng)壓力與所提供的直熱機(jī)組工作參數(shù)都吻合的情況下，可以完全取消循環(huán)泵。
(3)降低用于修理和供暖季節(jié)前的準(zhǔn)備工作費(fèi)用用于修理和供暖季節(jié)前的準(zhǔn)備工作的費(fèi)用大小，取決于汽水熱交換器的狀態(tài)。而直熱機(jī)組裝置的拆卸、檢查并安裝復(fù)位，大約只需要2小時。


圖1是本發(fā)明的直熱式汽——水熱交換機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A是本發(fā)明的直熱式換熱機(jī)組的示意性的主視圖；圖2B是本發(fā)明的直熱式換熱機(jī)組的示意性的俯視圖；圖2C是本發(fā)明的直熱式換熱機(jī)組的示意性的側(cè)視圖；。
具體實(shí)施例方式
圖1所示直熱汽——水熱交換機(jī)由殼體及芯體兩部分組成。其外殼體為三段式結(jié)構(gòu)，第一段殼體S1上設(shè)有蒸汽進(jìn)口K1，在第二段殼體S2上設(shè)有一低溫水進(jìn)口K2，第三段殼體S3上設(shè)有一運(yùn)行啟動口K3和一工作狀態(tài)檢測點(diǎn)K4，此外，第三段殼體上還設(shè)有高溫水出口K5。殼體內(nèi)部由相互關(guān)聯(lián)的芯體組成。第一段芯體C1固定在第一段殼體與第二段殼體之間，其收縮口位于第二段芯體C2入口漸縮管腔中。第二段芯體固定在第二段殼體與第三段殼體之間，其末端處于狀態(tài)檢測點(diǎn)位置，其狹小出口與第三段芯體C3入口同心，相互之間保有一段空腔。第三段芯體嵌接固定在第三段殼體上，其漸擴(kuò)拉伐爾出口與殼體出口平齊。在第一段芯體外緣設(shè)有可使芯體C1橫向移動的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，一個優(yōu)選方案是使用蝸輪副T來調(diào)節(jié)芯體C1的橫向移動，從而調(diào)節(jié)第一段芯體的收縮口外壁與第二段芯體入口漸縮管腔內(nèi)壁之間的間隙。
本發(fā)明的詳細(xì)工作原理敘述如下。在設(shè)備開始工作的時候，低溫水入口K2已開啟。此時，需先行通過殼體S3的K4口減壓，然后，由蒸汽進(jìn)口K1引入蒸汽，這時，低溫水由殼體S2的K2口進(jìn)入設(shè)備殼體S2與芯體C1、芯體C2構(gòu)成的空腔內(nèi)，并由芯體C1與芯體C2構(gòu)成的環(huán)隙進(jìn)入芯體內(nèi)部，在這一部位，低溫水與高溫蒸汽接觸，由于汽、水之間的顯著溫度差異和腔體內(nèi)壓力與引發(fā)壓力之間的壓力差異造成在汽、液接觸的環(huán)錐面產(chǎn)生急劇的相變，在接觸面及后面的通道形成很強(qiáng)的負(fù)壓區(qū)，致使低溫水入口以及蒸汽入口與環(huán)錐面的壓差進(jìn)一步加大，相變進(jìn)一步加強(qiáng)，在熱水高速通過由芯體C2及芯體C3構(gòu)成的狹小通道后，再經(jīng)漸擴(kuò)的拉伐爾管減速增壓后形成穩(wěn)定的壓力，這一壓力成為熱水供出的動力。在這一裝置中，穩(wěn)定的汽、液二相流向液體單相流的轉(zhuǎn)變會在熱量傳遞的同時，也產(chǎn)生壓力能。其出口壓力可以是入口蒸汽或入口水壓的數(shù)倍。
本發(fā)明的又一特征是芯體C1與芯體C2之間的環(huán)隙可由設(shè)在芯體C1外緣的蝸輪副T來調(diào)節(jié)，從而保證了在工作系統(tǒng)水壓不同的情況下，能根據(jù)實(shí)際需要在設(shè)備的工作參數(shù)范圍內(nèi)對芯體C1與芯體C2之間的環(huán)隙進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，從而對汽、水比進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)。這解決了在設(shè)備組裝完成之后，其芯體C1與芯體C2之間的環(huán)型空隙不可調(diào)節(jié)的難題，這一環(huán)隙是入口汽、水比例的關(guān)鍵，是設(shè)備能否正常工作甚至是設(shè)備能否工作的重要參數(shù)。
本發(fā)明的一種直熱式熱交換機(jī)組使用了上述熱交換器，其它特征與現(xiàn)有技術(shù)相似，如圖2A-C所示，包括供水匯集管1，啟動閥2，回水控制閥3，回水匯集管4，蒸汽主干管5，溫度傳感器6，蒸汽控制閥7，直熱交換機(jī)8，啟動閥門9，供水緩沖器10，止回閥門11，供水閥門12。
專門為本發(fā)明的直熱式熱交換機(jī)組而設(shè)計的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直熱機(jī)組啟動、運(yùn)行、關(guān)閉、調(diào)節(jié)的全自動化控制，對各種參數(shù)的實(shí)時顯示、監(jiān)測；定時啟停和預(yù)定時啟停控制；運(yùn)行參數(shù)和報警值可任意設(shè)定；備有手動操作控制鍵，在應(yīng)急狀態(tài)下可人為干預(yù)處理。
權(quán)利要求
1.一種直熱汽——水熱交換器，由殼體及芯體兩部分組成，其特征在于其殼體為三段式結(jié)構(gòu)，第一段殼體上設(shè)有蒸汽進(jìn)口(K1)，在第二段殼體上設(shè)有一低溫水進(jìn)口(K2)，第三段殼體上設(shè)有一運(yùn)行啟動口(K3)和一工作狀態(tài)檢測點(diǎn)(K4)，此外，第三段殼體上還設(shè)有高溫水出口(K5)，殼體內(nèi)部由相互關(guān)聯(lián)的芯體組成，第一段芯體固定在第一段殼體與第二段殼體之間，其收縮口位于第二段芯體入口漸縮管腔中，第二段芯體固定在第二段殼體與第三段殼體之間，其末端處于狀態(tài)檢測點(diǎn)位置，其狹小出口與第三段芯體入口同心，相互之間保有一段空腔，第三段芯體嵌接固定在第三段殼體上，其漸擴(kuò)拉伐爾出口與殼體出口平齊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于在第一段芯體外緣設(shè)有可使第一段芯體橫向移動，從而調(diào)節(jié)第一段芯體的收縮口外壁與第二段芯體入口漸縮管腔內(nèi)壁之間的間隙的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱交換器，其特征在于所述調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是蝸輪副(T)。
4.一種直熱汽——水熱交換機(jī)組，包括蒸汽源、熱交換器、循環(huán)泵、排水閥、凝水箱以及其它熱交換機(jī)組的必要部件，其特征在于使用了如權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的熱交換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換機(jī)組，其特征在于還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)直熱機(jī)組啟動、運(yùn)行、關(guān)閉、調(diào)節(jié)的全自動化控制，對各種參數(shù)的實(shí)時顯示、監(jiān)測；定時啟停和預(yù)定時啟?？刂?；運(yùn)行參數(shù)和報警值可任意設(shè)定；備有手動操作控制鍵，在應(yīng)急狀態(tài)下可人為干預(yù)處理。
全文摘要
一種直熱汽——水熱交換器，由殼體及芯體兩部分組成，其特征在于其殼體為三段式結(jié)構(gòu)，第一段殼體上設(shè)有蒸汽進(jìn)口(K1)，在第二段殼體上設(shè)有一低溫水進(jìn)口(K2)，第三段殼體上設(shè)有一運(yùn)行啟動口(K3)和一工作狀態(tài)檢測點(diǎn)(K4)，此外，第三段殼體上還設(shè)有高溫水出口(K5)，殼體內(nèi)部由相互關(guān)聯(lián)的芯體組成，第一段芯體固定在第一段殼體與第二段殼體之間，其收縮口位于第二段芯體入口漸縮管腔中，第二段芯體固定在第二段殼體與第三段殼體之間，其末端處于狀態(tài)檢測點(diǎn)位置，其狹小出口與第三段芯體入口同心，相互之間保有一段空腔，第三段芯體嵌接固定在第三段殼體上，其漸擴(kuò)拉伐爾出口與殼體出口平齊。在第一段芯體外緣設(shè)有可使第一段芯體橫向移動，從而調(diào)節(jié)第一段芯體的收縮口外壁與第二段芯體入口漸縮管腔內(nèi)壁之間的間隙的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
文檔編號F28C3/00GK1587881SQ20041007049
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月5日
發(fā)明者王鑫, 陳紅 申請人:王鑫, 陳紅