一种气化器换热管道及其自增压气化器
阅读说明：本技术 一种气化器换热管道及其自增压气化器 (Gasifier heat exchange pipeline and self-pressurization gasifier thereof ) 是由 高生明 曹成虎 楼旭铼 杨清万 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种气化器换热管道及其自增压气化器,其中换热管道为螺旋管道,管道的横截面为星型结构,星型结构的每个尖角处均固定有沿所述换热管道的轴心线方向设置的翅片,且星型结构的每个侧边上还设有沿所述换热管道的轴心线方向设置的半圆凸起。本发明通过优化管道结构来提升换热面积和换热效率,解决在密闭环境中空气流动交换缓慢的问题,使得气化器在工作过程中与大气充分换热。(The invention provides a gasifier heat exchange pipeline and a self-pressurization gasifier thereof, wherein the heat exchange pipeline is a spiral pipeline, the cross section of the pipeline is of a star-shaped structure, fins arranged along the axial lead direction of the heat exchange pipeline are fixed at each sharp corner of the star-shaped structure, and semicircular bulges arranged along the axial lead direction of the heat exchange pipeline are further arranged on each side edge of the star-shaped structure. The invention improves the heat exchange area and the heat exchange efficiency by optimizing the pipeline structure, solves the problem of slow air flow exchange in a closed environment, and ensures that the gasifier fully exchanges heat with the atmosphere in the working process.)
技术领域
本发明涉及气化器，特别是涉一种气化器换热管道及其自增压气化器。
背景技术
氮气是惰性气体，在工业生产中常作为保护器和喷吐气，因此也可以作为冷却系统，如加工中心和数据中心，可以通过气化器将液氮增压气化为氮气，并通过喷涂器将其喷到空气中，达到冷却降温的效果。
目前，对于如液氮的低温液体气化，国内一般采用空温式气化器进行处理。空温式气化器是一种翅片管气化器，以大气环境中自然对流的空气作为热源，通过导热性能良好的铝材翅片管与低温液体进行热交换，使其气化成一定温度的气体。空温式气化器是依靠自身显热和吸收外界大气环境热量进行工作，无需额外动力和能源消耗，相对于其他气化器，具有无污染、绿色环保、安全简单、维护方便、运行成本低及使用不受条件限制等优点。
空温式气化器的核心装置是换热管道，即从尽可能小的大气环境中换取更多的热量实现气化功能，目前国内生产的空温式气化器多采用导热性良好防锈铝合金的圆形翅片管，其结构为：翅片管中间为圆心空管，管外分布径向翅片，液体在管道中间流动，而通过翅片吸收外界大气热量传递到管内，使液滴吸收气化。例如公告号为CN211344783U、公告日为2020.8.25的中国专利：双层管式气化器，该气化器采用的是常用的圆形翅片管，换热效率低。空温式气化器的换热效率主要由换热管道的换热面积所确定，为了达到一定的流量和工作效率，只能采用增加翅片的设计，由于没有优化设计，因此国内的空温式气化器大多存在以下缺点：设备过于庞大，占据空间较大、由于翅片的增加使得造价过高，换热效率过低导致产品流量不足；同时，在使用空温式气化器气化低温液体作为冷却系统时，由于工作环境常为密闭场所，因此空气流动交换较为缓慢困难，气化器与大气环境的换热效率也较差。
发明内容
本发明提供一种气化器换热管道及其自增压气化器，通过优化管道结构来提升换热面积和换热效率，解决在密闭环境中空气流动交换缓慢的问题，使得气化器在工作过程中与大气充分换热。
本发明的技术方案如下：
一种气化器换热管道，所述换热管道为螺旋管道，管道的横截面为星型结构，星型结构的每个尖角处均固定有沿所述换热管道的轴心线方向设置的翅片，且星型结构的每个侧边上还设有沿所述换热管道的轴心线方向设置的半圆凸起。
本发明所设计的管道结构的横截面为星形，翅片分布在管道的每个尖角处，且还在侧边上增加圆形凸起，该星状管道结构使得管道与空气的接触面积增加，直接增大液体流动表面的换热面积，不需要过多设计增加翅片，因此翅片与空气环境的有效换热面积也得到保证，可有效提高换热效率。
进一步，了避免相邻两侧边上的半圆型凸起发生干涉，所述半圆凸起固定在所述侧边的中部，且直径小于侧边边长的2/3。
进一步，星型结构的侧边数量少于20。
随着星型结构的侧边数增加，其外周长也会不断增加，换热管道的换热面积随之增加，但侧边数过多时，侧边上的凸起结构也会变小，同时每条侧边在换热工作中的换热效率也会下降，因此星型结构的换热管道的侧边数应控制在20以内，以保证较优的换热效率。
进一步，所述翅片的高度小于所述换热管道的内螺旋半径的2/3。
为了增加换热管道的换热效率，设计管道呈螺旋上升，同时为避免螺旋管道内侧分布的翅片碰触，螺旋管道内侧的翅片高度应根据内螺旋的半径相应减少，翅片高度不应超过内螺旋半径的2/3，保证螺旋管道内侧的侧壁与空气的接触与换热；而螺旋管道外侧分布的翅片与对流空气接触更为充分，作为与环境换热的主要翅片，同时该翅片的高度不会影响管道外壁与空气的换热，因此其翅片高度可根据占地空间加长。
进一步，所述半圆凸起与所述换热管道一体成型。
进一步，所述换热管道的螺旋长度L需使换热管道从工作环境中的总吸热量Q与液氮通过换热管道吸热转化为氮气的吸热量Q1相等。
换热管道的螺旋长度设计应使液氮在通过换热管道后可以完全被气化，则需要使换热管道从工作环境中的总吸热量Q与液氮通过换热管道吸热转化为氮气的吸热量Q1相等。
进一步，假设换热管道在工作过程中接触的空气温度保持不变，即与空气的传热系数不变，则换热管道从工作环境中的总吸热量Q为：
式中：K为总传热系数，F1为换热管道的表面周长，TA为环境温度，T0为氮气饱和温度，T为液氮温度；
总传热系数K的计算公式为：
式中：δ为换热管道的壁厚，λ为管材导热系数，η为翅片的换热效率，αA为管材与空气传热系数，F2为翅片的总面积；
其中，F1、F2的推导公式为：
F1＝πDi·L
F2＝(πDo-N·x+2N·y)·L
式中：L为换热管道的螺旋长度，Di为换热管道的内切圆直径，Do为换热管道的外接圆直径，N为翅片数目，x为翅片厚度，y为翅片高度；
液氮吸热转化为氮气的吸热量Q1为：
Q1＝M·(S+Cp·ΔT)
式中：M为液氮质量，S为液氮气化热，Cp为氮气定压比热容，ΔT为氮气升温量；
由于总吸热量Q与吸热量相等，则：
代入F1、F2的计算公式得到：
根据以上公式计算得到换热管道的螺旋长度L。
本发明还提供一种自增压气化器，包括上述的换热管道、输入管路和输出管路，所述输入管路与所述换热管道的入口连接，所述换热管道的出口与所述输出管路的一端连接，所述输出管路的另一端设有喷嘴。
进一步，气化器还设有控制器，所述输入管路与所述换热管道的入口之间设有流量控制阀，所述输出管道上设有温度传感器和压力传感器，所述流量控制阀、温度传感器及压力传感器均与所述控制器电性连接。
液氮由输入管路运输至换热管道，在连接处安装有流量控制阀，当液氮在换热管道中吸热升温完全气化后，最终气化为氮气通过输出管道输出，并且喷嘴增强氮气的喷出流速，输出管道中安装的温度传感器和压力传感器，即时监控输出氮气的压力和温度，并根据所需压力将信号反馈至控制器，由控制器控制流量控制阀，进而调控液氮的流量，最后使通过喷嘴喷出的氮气达到所需的温度和压力。通过出口处压力传感器及温度传感器对氮气的即时监控，以使控制器及对入口处的流量控制器进行控制，可以根据所需氮气的气压及温度来进行调控，使气化后的氮气可以满足更多的工作需求，应用范围更广。
进一步，气化器还设有吹风装置，所述吹风装置与所述控制器电性连接，所述吹风装置用于产生对流空气并吹向所述换热管道。
气化器工作环境的空气对流主要由工作环境中的吹风装置调控，吹风装置产生的对流空气可以保证换热管道接触的大气温度维持在一个稳定的范围内，保证气化器换热效率的稳定性。
本发明的有益效果为：
本发明将现有的圆形管道改变为星型并带半圆凸起的管道结构，通过改变管道结构来增加换热面积提升换热效率，无需过多增加径向翅片，极大的减少了生产成本，同时减少了体积，在增加换热面积的同时也增加了管道的流量，提升了气化器的工作效率。同时，应用该换热管道的自增压气化器可根据所需工作氮气的温度和压力，通过调整输入液氮的流量控制阀来进行调控气化后氮气的压力与温度达到所需值，使气化后的氮气可以满足更多的工作需求，应用范围更广。
附图说明
图1为现有的圆形翅片管道的截面示意图；
图2为本发明的换热管道的截面示意图；
图3为本发明气化器的工作原理示意图；
图中：换热管道1、侧边101、翅片2、半圆凸起3、输入管路4、输出管路5、喷嘴6、吹风装置7、流量控制阀8、温度传感器9、压力传感器10。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
目前国内生产的空温式气化器管道结构如图1所示，管道中央为圆形，并在圆形管道周围呈星状分布径向的翅片2。为了增加管道的换热面积，提升换热效率，通常采用增加翅片2的方式，但当管道分布翅片2过多时，单个翅片2与空气的有效接触面积减少，过多的增加翅片2数量在提升换热效率上起到的效果变少，反而会使得生产成本更高。
实施例1：
如图2和图3所示，本发明提供一种换热管道，换热管道1为螺旋管道，管道的横截面为星型结构，星型结构的每个尖角处均固定有沿换热管道1的轴心线方向设置的翅片2，且星型结构的每个侧边101上还设有沿换热管道1的轴心线方向设置的半圆凸起3，半圆凸起3与换热管道1一体成型。
该星状的管道结构使得管道与空气的接触面积增加，直接增大液体流动表面的换热面积，不需要过多设计增加翅片2，因此翅片2与空气环境的有效换热面积也得到保证，可有效提高换热效率。
对比现有的翅片圆形管道与本发明的星状管道结构的散热面积，在翅片2数目相同的情况下，即对比两者占据空间大小相同时横截面外周长大小，因此以圆形管道外圆为外接圆设计，计算本发明的换热管道的周长，换热管道1的总周长计算过程如下：
首先计算星型的侧边101长度：
已知；
L2＝2X2
X2+L2＝R2
式中：L为星型的侧边101的长度，X为星型两角处间距一半长度，R为外接圆半径；
可得：
因此星型结构的总周长为其中n为星型的侧边101的数量；
同时，换热管道1的每条侧边101上还分布有半圆凸起3，因此换热管道1的总周长为：
L2＝L1-nR1+nπR1
式中：R1为半圆凸起3的直径。
在设计侧边101上的半圆凸起3时，为了避免相邻两侧边101上的半圆凸起3发生干涉，半圆凸起3的直径应小于侧边101边长的2/3；
因此在相同空间大小，即本发明的星型结构的外接圆与现有的圆形管道结构直径相同时，使用本发明的换热管道1，其总周长的增加量为：
通过上述的计算公式可以得知：随着星型结构的侧边101数量增加，换热管道1的总周长也会不断增加，换热面积随之增加，但侧边数过多时，边上的半圆凸起3结构也会变小，同时每条侧边101在换热工作中的换热效率也会下降，因此星型结构的换热管道1的侧边101数量应控制在20以内，以保证较优的换热效率。
在本实施例中，为了增加换热管道1的换热效率，管道呈螺旋上升，因此在管道的设计加工中，需避免螺旋管道内侧分布的翅片2碰触，螺旋管道内侧的翅片2的高度应根据内螺旋的半径相应减少，翅片2的高度不应超过内螺旋半径的2/3，保证螺旋管道内侧的侧壁与空气的接触与换热；而螺旋管道外侧分布的翅片2与对流空气接触更为充分，作为与环境换热的主要翅片，同时该翅片2的高度不会影响管道外壁与空气的换热，因此其翅片2高度可根据占地空间加长。
在本实施例中，因为管道的横截面结构为复杂图形，且具有大量半圆形结构，弯管加工过程中需避免因挤压或拉伸造成的结构变形，在制作螺旋弯管时安装防皱模防止弯曲过程中结构变形，同时根据预先设计螺旋管道内侧的翅片间距对换热管道进行弯曲。
在本实施例中，换热管道1的螺旋长度L设计应使液氮在通过换热管道1后可以完全被气化，则需要使换热管道1从工作环境中的总吸热量Q与液氮通过换热管道1吸热转化为氮气的吸热量Q1相等。
换热管道1的螺旋长度设计过程如下：
假设换热管道1在工作过程中接触的空气温度保持不变，即与空气的传热系数不变，则换热管道1从工作环境中的总吸热量Q为：
式中：K为总传热系数，F1为换热管道1的表面周长，TA为环境温度，T0为氮气饱和温度，T为液氮温度；
总传热系数K的计算公式为：
式中：δ为换热管道1的壁厚，λ为管材导热系数，η为翅片的换热效率，αA为管材与空气传热系数，F2为翅片的总面积；
其中，F1、F2的推导公式为：
F1＝πDi·L
F2＝(πDo-N·x+2N·y)·L
式中：L为换热管道1的螺旋长度，Di为换热管道1的内切圆直径，Do为换热管道1的外接圆直径，N为翅片2数目，x为翅片2厚度，y为翅片2高度；
液氮吸热转化为氮气的吸热量Q1为：
Q1＝M·(S+Cp·ΔT)
式中：M为液氮质量，S为液氮气化热，Cp为氮气定压比热容，ΔT为氮气升温量；
由于总吸热量Q与吸热量相等，则：
代入F1、F2的计算公式得到：
根据以上公式计算可得，将液氮经过换热管道1换热后，可以完全气化的换热管道1的螺旋长度L。
参阅图3，本发明还提供一种自增压气化器，包括上述的换热管道1、输入管路4和输出管路5，输入管路4与换热管道1的入口连接，换热管道1的出口与输出管路5的一端连接，输出管路5的另一端设有喷嘴6；气化器还设有吹风装置7，吹风装置7用于产生对流空气并吹向换热管道1；气化器还设有控制器(图中未示出)，输入管路4与换热管道1的入口之间设有流量控制阀8，输出管道5上设有温度传感器9和压力传感器10，吹风装置7、流量控制阀8、温度传感器9及压力传感器10均与控制器电性连接。
气化器的工作原理图如图3所示，气化器工作环境的空气对流主要由工作环境中的吹风装置7调控，吹风装置7产生的对流空气可以保证换热管道1接触的大气温度维持在一个稳定的范围内，保证气化器换热效率稳定性。液氮由输入管路4运输至换热管道1，换热管道1和输入管路4的连接处安装有流量控制阀8，换热管道1的螺旋长度由预先设计可得，管道呈螺旋状上升分布，充分满足换热管道1与空气的接触，液氮在换热管道1中吸热气化为氮气，气压上升，氮气流通至输出管道5的出口处，输出管道5的出口处连接有喷嘴6用于喷出氮气，输出管道5内安装有温度传感器9与压力传感器10，实时监控氮气的温度和压力，同时传感器反馈信号给控制器，控制器根据所需工作氮气的温度和压力，通过流量控制阀8调整输入液氮的流量来进行调控气化后氮气的压力与温度达到所需值，使气化后的氮气可以满足更多的工作需求，应用范围更广。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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