一种以液态金属为传热介质的热交换装置及方法与流程

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1.本发明属于热交换装置技术领域，具体属于一种以液态金属为传热介质的热交换装置及方法。

背景技术：

2.钢铁厂高炉熔渣是高品位热能资源，温度可达1500℃，含热量高，热能回收意义极大。我国每年高炉渣的产量巨大，目前这些高炉熔渣几乎都是采用水淬工艺，该工艺方法不能高效回收高炉渣中的高温热能，并且造成了水资源的浪费，镓基液态金属是一种优异的换热工质，换热能力强。利用镓基液态金属介质可以将1500℃的高炉熔渣中的热量提取出来，换热后的液态金属介质温度可达到550-600℃，如何将这部分热量加以利用，目前还未见在工业中有应用。

技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种以液态金属为传热介质的热交换装置及方法，装置简单，结构稳固牢靠，将提取了高温熔融的高炉渣热量的高温镓基液态金属作为换热介质，利用该换热介质与常温除氧水换热，将水从液态转变为气态，得到工业可使用的2mpa的高品质蒸汽，达到回收利用热量目的。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种以液态金属为传热介质的热交换装置，包括密封连通的壳程箱和管程箱，管程箱上半部和下半部采用隔板隔开，壳程箱包括下部的换热区和上部的蒸汽存储区，所述换热区中设置有换热管束，换热管束的进口与管程箱下半部连通用于通入高温镓基液态金属，换热管束的出口与管程箱上半部连通用于排出换热后的低温镓基液态金属，壳程箱换热区底部设置进水口，壳程箱蒸汽存储区顶部设置蒸汽出口，所述高温镓基液态金属为提取了高温熔融的高炉渣热量的高温镓基液态金属。
5.进一步的，所述管程箱和壳程箱之间用管板连接，换热管束的端头固定于管板上。
6.进一步的，换热管束采用u型管束，换热管束采用s31608不锈钢材质并在管内壁喷涂耐高温的防腐材料。
7.进一步的，管程箱下半部开设液态金属进口，上半部开设液态金属出口，液态金属进口管与管程箱下半部的液态金属进口连通，液态金属出口管与管程箱上半部液态金属出口连通。
8.进一步的，液态金属进口管和液态金属出口管都以法兰连接在管程箱上，法兰密封处采用耐高温耐腐蚀金属缠绕垫。
9.进一步的，液态金属进口管和液态金属出口管采用不锈钢材料，并在管内壁涂敷耐高温的防腐涂层。
10.进一步的，所述管程箱采用s31608不锈钢材质并在管程箱内部喷涂耐高温的防腐材料；
11.壳程箱采用q345r材质。
12.进一步的，壳程箱顶部设置有压力表、温度表、安全阀口、检修孔、液位计，压力表用于测量壳程箱内蒸汽的压力；温度表于测量壳程箱内蒸汽的温度；安全阀口用于确保换热装置的安全性；液位计用于测量壳程箱中除氧水的液位；检修孔用于清理换热管束上的污物；壳程箱底部设置有排污口管，用于排出壳程箱内产生污垢。
13.进一步的，在壳程箱内部还设置有换热管支架用于支撑换热管束。
14.本发明还提供一种以液态金属为传热介质的热交换装置的使用方法，除氧水从壳程箱换热区底部进水口进入壳程箱换热区，高温镓基液态金属从管程箱的液态金属进口管进入换热管束，换热管束中的高温镓基液态金属与壳程箱换热区的除氧水进行热交换，除氧水吸热热量后气化产生2mpa的饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽存储区并通过壳程箱蒸汽存储区顶部的蒸汽出口管排出进入蒸汽管道供工业使用；
15.镓基液态金属放热后流回管程箱上半部，经管程箱上液态金属出口管流出。
16.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
17.本发明提供一种以液态金属为传热介质的热交换装置，以镓基液态金属作为换热工质，因其换热能力强，本发明采用镓基液态金属走管程，除氧水走壳程的方式，换热管束中镓基液态金属流动路径更长，增强换热效果，并且换热管束设置在壳程箱内下半部，壳程箱从其底部进水口通入除氧水，除氧水与换热管束中镓基液态金属换热，产生2mpa饱和蒸汽存储于壳程箱上部，饱和蒸汽经蒸汽出口排出用于工业生产。
18.进一步的，本发明以镓基液态金属作为换热工质，镓基液态金属在常温下呈液态，其运动粘性比较小，用于代替传统的以水作为换热工质，不仅节省了水源，而且其因液态金属导热能力更高，传热速率更快，具有明显的换热效率相比传统以水为工质的换热器，因此本发明管程侧为液态金属工质可采用小体积装置，壳程侧中需同时盛装水和蒸汽因此需采用大容积装置，使装置机械结构缩小，占地面积更小，节省大量机械材料成本。
19.进一步的，由于镓基液态金属换热能力强，换热速率快的特点，本发明的换热管束采用u型换热管束，使液态金属形成往返换热路径，管程流动路径更长，换热效果增强。液态金属沿换热管均匀流动，保证了液态金属在管程中流动的均匀性，使得除氧水和液态金属可以充分换热减少热应力的影响。
20.进一步的，本发明采用的液态金属具有较高的沸点，在100℃～1000℃内都不会发生相变。因此在装置的换热过程中可以一直保持液态，不会因相变而产生系统压力过高的问题，降低了换热管的承压，降低换热管成本。
21.进一步的，本发明壳程箱依据理论设计容积，满足除氧水吸收热量产生饱和蒸汽平稳，蒸汽、输出连续，产生饱和蒸汽压力为2mpa，可满足保证用户要求的蒸汽压力，无需再增加汽包或者蒸汽蓄热器。
附图说明
22.图1为基于镓基液态金属为传热介质的热交换装置结构示意图；
23.附图中：1-液态金属进口管；2-液态金属出口管；3-管板；4-换热管束；5-壳程箱；6-压力表；7-温度表；8-蒸汽出口；9-安全阀口；10-液位计；11-检修孔；12-进水口；13-排污口管；14-换热管束支架；15-管程箱。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
25.如图1所示，本发明提供一种以液态金属为传热介质的热交换装置，包括液态金属进口管1、液态金属出口管2、管板3、换热管束4、壳程箱5、管程箱15，液态金属进口管1和液态金属出口管2，管程箱15上半部和下半部用隔板隔开，管程箱15下半部开设液态金属进口，上半部开设液态金属出口，液态金属进口管1与管程箱15下半部的液态金属进口连通，液态金属出口管2与管程箱15上半部液态金属出口连通；管程箱15和壳程箱5之间用管板3连接，壳程箱5包括下部的换热区和上部的蒸汽存储区，所述换热区中设置有换热管束4，换热管束4的端头固定于管板3上，换热管束4的进口与管程箱15下半部连通用于通入高温镓基液态金属，换热管束4的出口与管程箱15上半部连通用于排出换热后的低温镓基液态金属，壳程箱5换热区底部设置进水口12用于将除氧水通入壳程箱5中，壳程箱5蒸汽存储区顶部设置蒸汽出口8用于将蒸汽通入蒸汽管道供工业使用。
26.优选的，镓基液态金属介质为镓、镓铟合金或镓铟锡合金，最低熔点可达-19℃，最高沸点则高达2400℃，导热系数高20～80w/m.k，换热能力强，换热效率高，而且换热均匀，因此采用较小体积的管程箱15即可，壳程箱5中填充除氧水，除氧水充水量为60％～70％，换热管束4只布置在壳程箱5的下半部分，因此壳程箱5下半部分与除氧水进行换热产生2mpa的饱和蒸汽，壳程箱5上半部分为汽水空间，因此壳程箱5的体积需满足产生2mpa的饱和蒸汽的要求。
27.优选的，管程箱15作为镓基液态金属的进口和出口箱，采用s31608不锈钢材质并在管程箱内部喷涂耐高温的防腐材料，设计成本低，具有较高的经济效益。
28.优选的，液态金属进口管1和液态金属出口管2都以法兰连接在从管程箱15上，法兰密封处采用耐高温耐腐蚀金属缠绕垫，保证液态金属不发生泄漏。
29.优选的，液态金属进口管1和液态金属出口管2采用不锈钢材料，并在管内壁涂敷耐高温的防腐涂层。
30.优选的，换热管束4采用u型管束，换热效率高，换热均匀。换热管采用s31608不锈钢材质并在管内壁喷涂耐高温的防腐材料。
31.优选的，壳程箱5为除氧水换热装置，除氧水吸热气化产生蒸汽，换热效率高，换热均匀。壳程箱采用q345r材质，壳程箱5需具有一定的蒸汽负荷空间，满足产生2mpa的饱和蒸汽的要求。
32.优选的，在壳程箱5顶部设置有压力表6和温度表7，用于测量壳程箱5内蒸汽的压力和温度；在壳程箱5上设置安全阀口9，用于确保换热装置的安全性；壳程箱5上设置液位计10，用于测量壳程箱5中除氧水的液位，壳程箱5顶部设置有检修孔11，用于清理换热管束4上的污物；壳程箱5底部设置有排污口管13，用于排出壳程箱5内产生污垢。
33.优选的，在壳程箱5内部设置有换热管支架14用于在换热管束4底部起支撑作用。
34.本发明的一种以液态金属为传热介质的热交换装置使用时，除氧水从壳程箱5底部进水口12进入到壳程箱5内，提取了高温熔融的高炉渣热量的高温镓基液态金属从管程箱15的液态金属进口管1进入换热管束4，换热管束4中的高温液态金属与壳程箱5内的除氧水进行热交换，除氧水吸热热量后气化可直接产生2mpa的饱和蒸汽，蒸汽从壳程箱5顶部蒸汽出口8排出进入蒸汽管道供工业使用。
35.高温镓基液态金属放热后流回管程箱15上半部，经管程箱15上液态金属出口管2流出。

技术特征：

1.一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，包括密封连通的壳程箱(5)和管程箱(15)，管程箱(15)上半部和下半部采用隔板隔开，壳程箱(5)包括下部的换热区和上部的蒸汽存储区，所述换热区中设置有换热管束(4)，换热管束(4)的进口与管程箱(15)下半部连通用于通入高温镓基液态金属，换热管束(4)的出口与管程箱(15)上半部连通用于排出换热后的低温镓基液态金属，壳程箱(5)换热区底部设置进水口(12)，壳程箱(5)蒸汽存储区顶部设置蒸汽出口(8)，所述高温镓基液态金属为提取了高温熔融的高炉渣热量的高温镓基液态金属。2.根据权利要求1所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，所述管程箱(15)和壳程箱(5)换热区通过管板(3)连接，换热管束(4)的端头固定于管板(3)上。3.根据权利要求1所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，换热管束(4)采用u型管束，换热管束(4)采用s31608不锈钢材质并在管内壁喷涂耐高温的防腐材料。4.根据权利要求1所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，管程箱(15)下半部开设液态金属进口，上半部开设液态金属出口，液态金属进口管(1)与管程箱(15)下半部的液态金属进口连通，液态金属出口管(2)与管程箱(15)上半部液态金属出口连通。5.根据权利要求4所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，液态金属进口管(1)和液态金属出口管(2)都以法兰连接在管程箱(15)上，法兰密封处采用耐高温耐腐蚀金属缠绕垫。6.根据权利要求4所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，液态金属进口管(1)和液态金属出口管(2)采用不锈钢材料，并在管内壁涂敷耐高温的防腐涂层。7.根据权利要求1所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，所述管程箱(15)采用s31608不锈钢材质并在管程箱(15)内部喷涂耐高温的防腐材料；壳程箱(5)采用q345r材质。8.根据权利要求1所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，壳程箱(5)顶部设置有压力表(6)、温度表(7)、安全阀口(9)、检修孔(11)、液位计(10)，压力表(6)用于测量壳程箱(5)内蒸汽的压力；温度表(7)于测量壳程箱(5)内蒸汽的温度；安全阀口(9)用于确保换热装置的安全性；液位计(10)用于测量壳程箱(5)中除氧水的液位；检修孔(11)用于清理换热管束(4)上的污物；壳程箱(5)底部设置有排污口管(13)，用于排出壳程箱(5)内产生污垢。9.根据权利要求1所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置，其特征在于，在壳程箱(5)内部还设置有换热管支架(14)用于支撑换热管束(4)。10.权利要求1～9中任一项所述的一种以液态金属为传热介质的热交换装置的使用方法，其特征在于，除氧水从壳程箱(5)换热区底部进水口(12)进入壳程箱(5)换热区，高温镓基液态金属从管程箱(15)的液态金属进口管(1)进入换热管束(4)，换热管束(4)中的高温镓基液态金属与壳程箱(5)换热区的除氧水进行热交换，除氧水吸热热量后气化产生2mpa的饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽存储区并通过壳程箱(5)蒸汽存储区顶部的蒸汽出口(8)排出进入蒸汽管道供工业使用；
镓基液态金属放热后流回管程箱(15)上半部，经管程箱(15)上液态金属出口管(2)流出。

技术总结

本发明公开一种以液态金属为传热介质的热交换装置及方法，包括密封连通的壳程箱和管程箱，管程箱上半部和下半部采用隔板隔开，壳程箱包括下部的换热区和上部的蒸汽存储区，所述换热区中设置有换热管束，换热管束的进口与管程箱下半部连通用于通入高温镓基液态金属，换热管束的出口与管程箱上半部连通用于排出换热后的低温镓基液态金属，壳程箱换热区底部设置进水口，壳程箱蒸汽存储区顶部设置蒸汽出口。本发明装置简单，结构稳固牢靠，将提取了高温熔融的高炉渣热量的高温镓基液态金属作为换热介质，利用该换热介质与常温除氧水换热，将水从液态转变为气态，得到工业可使用的2MPa的高品质蒸汽，达到回收利用热量目的。达到回收利用热量目的。达到回收利用热量目的。