一种热阻可调的换热器、热阻调控系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种热阻可调的换热器、热阻调控系统及其使用方法。

背景技术

管壳式换热器是一种以管束壁面作为传热面的传统换热器，又被称为列管式换热器。管壳式换热器具有结构简单、选材范围广、易清洗与更换传热管、适应高温高压工况等优点，应用十分广泛。

传统的管壳式换热器的换热管都是单层管结构，管侧与壳侧分别走不同工质，换热管一旦发生破裂会导致两侧介质混合，具有一定的危险性。同时，对于管壳两侧介质温差过大的情况，较大的热应力会严重影响换热器结构。而且单层传热管具有固定的换热面积以及传热热阻，对于差异巨大的工况，单一换热器难以满足需求，需要重新设计制造，所耗人力物力较大。

因此，目前的管壳式换热器难以满足不同工况介质的换热，使得换热器的应用范围比较狭窄，且存在一定的危险性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的管壳式换热器难以满足不同工况介质的换热，使得换热器的应用范围比较狭窄，且存在一定的危险性，目的在于提供一种热阻可调的换热器、热阻调控系统及其使用方法，解决了目前的管壳式换热器难以满足不同工况介质的换热，使得换热器的应用范围比较狭窄，且存在一定的危险性的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

第一方面，本申请提供一种热阻可调的换热器，包括管侧介质进口、管侧介质出口、壳侧介质进口、壳侧介质出口、上封头、下封头、上管板、下管板、壳体、传热管、导热介质底部进出口和导热介质顶部进出口，所述传热管为双层传热管，所述双层传热管由外到内依次为外管、间隙、内管，所述双层传热管间隙内根据换热器运行工况填充导热介质。

本申请的换热器中的传热管采用双层结构，即可通过调节双层传热管间隙中的导热介质的种类与组分，同时可以结合管壳两侧介质温度、流量调节实现换热器换热能力与多种换热功率水平相差较大的工况相匹配。

传热管采用双层传热管结构，内外两层传热管之间留有一定间隙，根据主回路工况不同，可以填充不同的介质，从而在较大范围内调节传热管热阻，实现换热器换热能力的大幅度调节；同时，高温高压介质沿管侧流经换热器，温度或压力较低的介质沿壳侧流经换热器，有效降低了双层管换热器外壳的厚度；管壳两侧的介质逆流，换热更加充分。

本申请中的换热器可以实现双层传热管间隙内的介质的灵活切换以及惰性气体组分的在线调节，从而实现双层管换热器换热能力的在线调节。

进一步的，所述双层传热管间隙内填充的导热介质可以是液态金属钠或惰性气体。

其中，双层传热管间隙在功率水平高、管壳两侧温差小的工况下填充液态金属钠，降低传热管的热阻，增强双层管换热器换热能力，与系统的高功率水平相匹配。

其中，双层传热管间隙在功率水平低、管壳两侧温差大的工况下充入惰性气体，提高传热管的热阻，降低双层管换热器的换热能力，与相对低的功率水平相匹配。

其中，在使用液态金属钠作为导热介质时，导热介质顶部进出口为液态金属钠出口，导热介质底部进出口为液态金属钠入口；在使用惰性气体作为导热介质时，导热介质顶部进出口为惰性气体进口，导热介质底部进出口为惰性气体出口。

进一步的，所述上管板的中间设置有与所述导热介质顶部进出口连接的间隙；所述下管板的中间设置有与所述导热介质底部进出口连接的间隙。

本申请通过在上管板的中间设置与导热介质顶部进出口连接的间隙，在下管板的中间设置与导热介质底部进出口连接的间隙，可以有效减少气体死区，在使用两种惰性气体填充双层传热管间隙时，可以确保两种惰性气体均匀混合以得到所需要的导热系数。

第二方面，本申请提供一种热阻调控系统，包括上述换热器，还包括与所述导热介质底部进出口连接的管道一，与导热介质顶部进出口连接的管道二。

进一步的，所述管道一上连接有隔离阀一，所述管道二上连接有隔离阀二；所述管道一和管道二均连接储钠罐，所述管道一延伸至所述储钠罐的底部，所述管道二的出口位于所述储钠罐的顶部。

进一步的，在导热介质顶部进出口与隔离阀二之间的管道二的水平段上设置有一段弯管。

通过在导热介质顶部进出口与隔离阀二之间的水平管道中设置一段弯管，即可在使用液态金属钠作为导热介质时，为液态金属钠的热膨胀留有一定缓冲空间，避免双层传热管间隙中液态金属钠热膨胀造成内部压力过大，提高了设备运行的安全性。

进一步的，所述储钠罐顶部还连接有气管，所述气管上连接有支管一、支管二和支管三，所述支管一连接氦气瓶，所述支管二连接氩气瓶，所述支管三连接真空系统；所述支管一上连接有氦气控制阀，所述支管二上连接有氩气控制阀，所述支管三上连接有真空控制阀。

惰性气体组分可在线调节，以调节双层管换热器的换热能力，同时针对管壳两侧温差过大，通过惰性气体填充双层传热管间隙，可将温差建立在气隙两侧，从而降低内外两侧传热管收到的温差导致的热应力。

第三方面，本申请提出一种热阻调控系统的使用方法，用于功率水平高、管壳两侧介质温差小的工况和功率水平低、管壳两侧介质温差大的工况；其中功率水平高、管壳两侧介质温差小的工况中，双层传热管间隙中充入液态金属钠；功率水平低、管壳两侧介质温差大的工况中，双层传热管间隙中充入氦气或氦气与氩气的混合气体。

进一步的，针对功率水平高、管壳两侧介质温差小的工况的具体操作方法为：向双层传热管间隙中充入液态金属钠之前，所有阀门均处于关闭状态；打开隔离阀一、隔离阀二和真空控制阀，启动真空系统，抽取储钠罐上方空腔、管道以及双层传热管间隙中的气体，然后关闭隔离阀二和真空控制阀，打开氦气控制阀，通过氦气瓶向储钠罐上方空腔充入氦气，同时储钠罐中的液态金属钠在氦气压力的作用下通过隔离阀一沿着管道一由导热介质底部进出口被压入双层传热管间隙中，之后关闭隔离阀一和氦气控制阀，打开隔离阀二和真空控制阀，启动真空系统对储钠罐中的氦气进行适量抽取，使隔离阀二与弯管之间的钠在重力作用下排出，以保证在管道二中留有一定空间用于缓冲钠的热膨胀，最后关闭隔离阀二与真空控制阀，完成液态钠的充入。

进一步的，针对功率水平低、管壳两侧介质温差大的工况的具体操作方法为：若双层传热管间隙中有液态金属钠，需要先将液态金属钠排入储钠罐中；向双层传热管间隙中充入惰性气体之前，所有阀门均处于关闭状态；打开真空阀，启动真空系统抽取储钠罐与管道中的惰性气体，之后关闭真空阀，打开隔离阀一和隔离阀二，使液态金属钠在重力的作用下自行排除储钠罐中；再关闭隔离阀一，打开氦气控制阀和氩气控制阀，向储钠罐上方空腔以及控制阀二所在的管道二中充入惰性气体，惰性气体沿着管道经隔离阀二通过导热介质顶部进出口充入双层传热管间隙中，之后关闭隔离阀二、氦气控制阀和氩气控制阀，完成惰性气体的充入。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明提供的热阻可调的双层管换热器，采用了传统的固定管板式换热器主体结构，主体结构紧凑；同时采用双层传热管的设计，通过调节传热管间隙导热介质的种类与组分，同时可结合管壳两侧介质温度、流量调节实现换热器换热能力与多种换热功率水平相差较大的工况相匹配。

(2)本发明提供的热阻可调的双层管换热器，传热管采用双层传热管结构，内外两层传热管之间留有一定间隙，根据主回路工况不同可填充不同介质，从而在较大范围内调节传热管热阻，实现换热器换热能力的大幅度调节；同时，高温高压介质沿管侧流经换热器，温度或压力较低的介质沿壳侧流经换热器，有效降低双层管换热器外壳厚度；管壳两侧介质逆流，换热更加充分。

(3)本发明提供的热阻可调的双层管换热器，双层传热管间隙在换热能力要求高的工况下填充液态金属钠，降低传热管热阻，增强双层管换热器换热能力，与系统的高功率水平相匹配；为避免双层传热管间隙中液态金属钠的热膨胀问题，在导热介质顶部进出口与隔离阀二之间的水平管道中设置一段弯管，为液态金属钠的热膨胀留有一定缓冲空间。

(4)本发明提供的热阻可调的双层管换热器，双层传热管间隙在功率水平低、管壳两侧温差大的工况下充入惰性气体，提高传热管热阻，降低双层管换热器换热能力，与相对低的功率水平相匹配；惰性气体组分可在线调节，以调节双层管换热器的换热能力；同时针对管壳两侧温差过大，通过惰性气体填充间隙可将温差建立在气隙两侧，从而降低内外两侧传热管受到的温差导致的热应力；上下管板中间均留有较窄的间隙与惰性气体进出口相连，可有效减少气体死区，使惰性气体能够较快充分混合以得到所需的气体导热系数。

(5)本发明提供的热阻可调的双层管换热器，设置一种液态金属钠与惰性气体切换的系统，可以实现双层传热管间隙内介质的灵活切换以及惰性气体组分的在线调节，从而实现双层管换热器换热能力的在线调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为本发明中一种热阻调控系统的结构示意图；

图2为本发明中换热器主体部分的主视图；

图3为图2中A-A方向的剖视图；

图4为图3中B处的放大图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-管侧介质进口，2-管侧介质出口，3-壳侧介质进口，4-壳侧介质出口，5-上封头，6-下封头，7-上管板，8-下管板，9-壳体，10-传热管，11-导热介质底部进出口，12-导热介质顶部进出口，13-外管，14-间隙，15-内管，16-氦气瓶，17-氩气瓶，18-真空系统，19-储钠罐，V1-隔离阀一，V2-隔离阀二，V3-氦气控制阀，V4-氩气控制阀，V5-真空控制阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，接或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图2～4所示，该实施例提供一种热阻可调的换热器，包括管侧介质进口1、管侧介质出口2、壳侧介质进口3、壳侧介质出口4、上封头5、下封头6、上管板7、下管板8、壳体9、导热介质顶部进出口12、导热介质底部进出口11和传热管10，传热管10为双层传热管10，双层传热管10由外到内依次为外管13、间隙14、内管15，双层传热管10的间隙14内根据换热器运行工况填充导热介质。

具体的，双层传热管10的间隙14内填充的导热介质包括液态金属钠或惰性气体。

其中，双层传热管10的间隙14在功率水平高、管壳两侧温差小的工况下填充液态金属钠，降低传热管10的热阻，增强双层管换热器换热能力，与系统的高功率水平相匹配。

其中，双层传热管10的间隙14在功率水平低、管壳两侧温差大的工况下充入惰性气体，提高传热管10的热阻，降低双层管换热器的换热能力，与相对低的功率水平相匹配。

具体的，上管板7的中间设置有与导热介质顶部进出口12连接的间隙；下管板8的中间设置有与导热介质底部进出口11连接的间隙。通过在上管板7的中间设置与导热介质顶部进出口12连接的间隙14，在下管板8的中间设置与导热介质底部进出口11连接的间隙，可以有效减少气体死区，在使用两种惰性气体填充双层传热管10的间隙时，可以确保两种惰性气体均匀混合以得到所需要的导热系数。

该换热器中的传热管10采用双层结构，即可通过调节双层传热管10的间隙14中的导热介质的种类与组分，同时可以结合管壳两侧介质温度、流量调节实现换热器换热能力与多种换热功率水平相差较大的工况相匹配。同时传热管10采用双层传热管10结构，外管13与内管15之间留有一定间隙14，根据主回路工况不同，可以填充不同的介质，从而在较大范围内调节传热管10热阻，实现换热器换热能力的大幅度调节；同时，高温高压介质沿管侧流经换热器，温度或压力较低的介质沿壳侧流经换热器，有效降低了双层管换热器外壳的厚度；管壳两侧的介质逆流，换热更加的充分。该换热器还可以实现双层传热管10的间隙14内的介质的灵活切换以及惰性气体组分的在线调节，从而实现双层管换热器换热能力的在线调节。

实施例2

基于实施例1，如图1～4所示，该实施例提供一种热阻调控系统，除了包括实施例1中的换热器外，还包括与导热介质底部进出口11连接的管道一，与导热介质顶部进出口12连接的管道二；管道一上连接有隔离阀一V1，管道二上连接有隔离阀二V2；管道一和管道二均连接储钠罐19，管道一延伸至储钠罐19的底部，管道二的出口位于储钠罐19的顶部。

具体的，在导热介质顶部进出口12与隔离阀二V2之间的管道二的水平段上设置有一段弯管。通过在导热介质顶部进出口12与隔离阀二V2之间的水平管道中设置一段弯管，即可在使用液态金属钠作为导热介质时，为液态金属钠的热膨胀留有一定缓冲空间，避免双层传热管10间隙14中液态金属钠热膨胀造成内部压力过大，提高了设备运行的安全性。

具体的，储钠罐19顶部还连接有气管，气管上连接有支管一、支管二和支管三，支管一连接氦气瓶16，支管二连接氩气瓶17，支管三连接真空系统18；支管一上连接有氦气控制阀V3，支管二上连接有氩气控制阀V4，支管三上连接有真空控制阀V5。惰性气体组分可在线调节，以调节双层管换热器的换热能力，同时针对管壳两侧温差过大，通过惰性气体填充双层传热管10的间隙14，可将温差建立在气隙两侧，从而降低内外两侧传热管10受到的温差导致的热应力。

该热阻调控系统既可用于功率水平高、管壳两侧介质温差小的工况，也可用于功率水平低、管壳两侧介质温差大的工况；其中功率水平高、管壳两侧介质温差小的工况中，双层传热管10的间隙14中充入液态金属钠；功率水平低、管壳两侧介质温差大的工况中，双层传热管10的间隙14中充入氦气或氦气与氩气的混合气体。

1)该热阻调控系统用于功率水平高、管壳两侧介质温差小的工况时的操作方法为：向双层传热管10的间隙14中充入液态金属钠之前，所有阀门均处于关闭状态；打开隔离阀一V1、隔离阀二V2和真空控制阀V5，启动真空系统18，抽取储钠罐19上方空腔、管道以及双层传热管10的间隙14中的气体，然后关闭隔离阀二V2和真空控制阀V5，打开氦气控制阀V3，通过氦气瓶16向储钠罐19上方空腔充入氦气，同时储钠罐19中的液态金属钠在氦气压力的作用下通过隔离阀一V1沿着管道一由导热介质底部进出口11被压入双层传热管10的间隙14中，之后关闭隔离阀一V1和氦气控制阀V3，打开隔离阀二V2和真空控制阀V5，启动真空系统18对储钠罐19中的氦气进行适量抽取，使隔离阀二V2与弯管之间的钠在重力作用下排出，以保证在管道二中留有一定空间用于缓冲钠的热膨胀，最后关闭隔离阀二V2与真空控制阀V5，完成液态钠的充入。

2)该热阻调控系统用于功率水平低、管壳两侧介质温差大的工况的具体操作方法为：若双层传热管10的间隙14中有液态金属钠，需要先将液态金属钠排入储钠罐19中；向双层传热管10的间隙14中充入惰性气体之前，所有阀门均处于关闭状态；打开真空阀，启动真空系统18抽取储钠罐19与管道中的惰性气体，之后关闭真空阀，打开隔离阀一V1和隔离阀二V2，使液态金属钠在重力的作用下自行排除储钠罐19中；再关闭隔离阀一V1，打开氦气控制阀V3和氩气控制阀V4，向储钠罐19上方空腔以及控制阀二所在的管道二中充入惰性气体，惰性气体沿着管道经隔离阀二V2通过导热介质顶部进出口12充入双层传热管10的间隙14中，之后关闭隔离阀二V2、氦气控制阀V3和氩气控制阀V4，完成惰性气体的充入。

该热阻调控系统通过设置一种液态金属钠与惰性气体切换的装置，可以实现双层传热管10的间隙14内介质的灵活切换以及惰性气体组分的在线调节，从而实现双层管换热器换热能力的在线调节。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。