一种低温负压加热器及其设计方法技术

一种低温负压加热器，包括外壳和设于外壳内并依次串联连接的第一级加热器、连接管道和第二级加热器，第一级加热器的一端设有流体入口，第二级加热器的一端设有流体出口；第一级加热器内设有流道，每条流道的相对两侧的侧壁设有加热棒，且第一级加热器的流道内的加热棒交错对称设置；第二级加热器的结构和第一级加热器的结构相同。上述低温负压加热器通过将两级加热器串联并缩短连接管道及其他辅助管道的长度，减少了工质流动距离从而减小流动沿程损失，降低压降损失。采用加热棒交错对称布置的形式，降低了温度分布不均匀的情况，减少了

【技术实现步骤摘要】
一种低温负压加热器及其设计方法
本专利技术涉及制冷装置
，尤其涉及一种低温负压加热器及其设计方法。
技术介绍
随着我国大科学装置的不断发展，提供稳定的低温环境成为一种必需环节，大型低温制冷装置系统可以提供大制冷量的稳定输出，能够满足这种需求。在该系统的测试平台中，需要在负压的条件下，对从冷箱中流出的冷工质加热到额定温度，保证系统的顺利运行。对于小流量负压加热器，常常采用多圆形管道并联的方式，单级加热器布置形式，直接将工质加热到额定温度，冷工质在管道内流动，管壁作为热源对其进行加热，这样的系统简单紧凑。对于大流量的工况，多圆形管道并联的方式中工质的流动状态很容易从层流转变为湍流，造成压降增大。对于大流量负压加热器，常常采用横截面为矩形的多管道并联方式；为便于控制，常采用多级加热器串联的布置形式，工质在管道内流动，设置加热棒对冷工质加热。对于这种方式来说，由于加热棒的存在，无法使整个流道拥有均匀的加热温度，靠近加热棒的工质温度高，远离加热棒的工质温度低，导致流道内工质温度分布不均匀，造成较大的损失。
技术实现思路
鉴于此，有必要提供一种适用于大流量的，加热温度均匀，压降小，损失小的低温负压加热器及其设计方法。一种低温负压加热器，包括外壳、第一级加热器、第二级加热器和连接管道，所述第一级加热器、所述第二级加热器和所述连接管道均设于所述外壳内，所述第一级加热器的一端、所述第二级加热器的一端通过所述连接管道连通，所述第一级加热器的另一端设有流体入口，所述流体入口伸出所述外壳，所述第二级加热器的另一端设有流体出口，所述流体出口伸出所述外壳；所述第一级加热器内设有流道，每条所述流道的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒，且所述第一级加热器的流道内的所述加热棒交错对称设置；所述第二级加热器的结构和所述第一级加热器的结构相同。在一个实施例中，所述外壳设有第一安装口和第二安装口，所述第一级加热器通过第一连接导杆吊装在第一上端法兰上，所述第一上端法兰固定在所述第一安装口，所述第二级加热器通过第二连接导杆吊装在第二上端法兰上，所述第二上端法兰固定在所述第二安装口。在一个实施例中，所述第一级加热器与所述第一上端法兰之间设有第一隔热屏，所述第二级加热器与所述第二上端法兰之间设有第二隔热屏。在一个实施例中，所述第一级加热器设有第一引线，所述第一引线伸出所述第一上端法兰，所述第一引线和所述第一级加热器的加热棒连接；所述第二级加热器设有第二引线，所述第二引线伸出所述第二上端法兰，所述第二引线和所述第二级加热器的加热棒连接。在一个实施例中，还包括温度传感器、温度采集系统和温度控制系统，所述流体入口、所述第一级加热器的出口、所述第二级加热器的进口和所述流体出口均设有所述温度传感器，所述温度传感器和所述温度采集系统连接，所述温度采集系统和所述温度控制系统连接，所述第一级加热器的加热棒和所述第二级加热器的加热棒均与所述温度控制系统连接。在一个实施例中，每条所述流道内的加热棒的数量为两条，两条所述加热棒分别固定设于所述流道的相对两侧的侧壁上。在一个实施例中，所述加热棒包括铜管和加热丝，所述加热丝设于所述铜管内部，所述铜管焊接于所述流道的内壁。一种低温负压加热器的设计方法，包括如下步骤：S1、设计要求参数；S2、计算第一级加热器和第二级加热器所需总加热功率；S3、计算第一级加热器和第二级加热器的流道数目和尺寸；S4、计算第一级加热器和第二级加热器内的加热棒功率及每条流道的长度；S5、设计第一级加热器和第二级加热器内的加热棒安装位置及压降计算；S6、判断第一级加热器和第二级加热器流体出口处温度是否满足要求，若流体出口处温度不满足要求，则回到S3，若流体出口处温度满足要求，则进入下一步；S8、判断第一级加热器和第二级加热器的流道的压降是否满足要求，若压降不满足要求，则回到S3；若压降满足要求，则进入下一步；S9、设计连接管路、流体入口管路和流体出口管路。在一个实施例中，所述参数包括进口压力、流体的初始温度、流体加热后温度和流体的最大流量。在一个实施例中，S3中，计算流道数目和尺寸时，为减少熵增，保证每一个流道拥有相同的流动状态和进出口温度，使加热器每个流道内加热功率一致，使每个流道内具有相同的加热棒数目；冷工质流量保持一致，冷工质平均流入每个流道内，保证每个流道具有相等的水力直径。上述低温负压加热器通过选择适合大流量变工况的两级加热器串联的形式，缩短连接管道及其他辅助管道的长度，减少了工质流动距离从而减小流动沿程损失，降低压降损失。采用加热棒交错对称布置的形式，可以采用较少加热棒，在每个流道内减少了加热棒数量，减少了流动损失，减小了法兰密封的困难，采用加热棒交错对称布置的形式，降低了冷工质经过第一加热器和第二加热器温度分布不均匀的情况，减少了损失。上述低温负压加热器设计方法，采用先整体结构后局部细节、先重要部件后辅助部件的设计思路，利用简化模型对设计方案进行数值模拟，留有足够余量，满足工程要求。附图说明图1为一实施方式的低温负压加热器的结构示意图；图2是一实施方式的第一级加热器的横截面结构示意图；图3是一实施方式的加热功率控制流程图；图4是一实施方式的低温负压加热器的设计方法流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，一实施方式的低温负压加热器100，包括外壳10、第一级加热器20、第二级加热器30和连接管道40。第一级加热器20、第二级加热器30和连接管道40均设于外壳10内。第一级加热器20的一端、第二级加热器30的一端通过连接管道40连通。具体的，如图1所示，第一级加热器20、连接管道40和第二级加热器30呈U型设置。第一级加热器20的另一端设有流体入口50，流体入口50伸出外壳10。第二级加热器30的另一端设有流体出口60，流体出口60伸出外壳10。请参考图2，第一级加热器20内设有流道22，每条流道22的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒24，且第一级加热器20的流道内的加热棒24交错对称设置。具体的，每条流道22内的加热棒24的数量为两条。两条加热棒24的结构相同。两条加热棒24分别固定设于流道22相对两侧的侧壁上。进一步的，加热棒24包括铜管和加热丝。加热丝设于铜管内部，铜管焊接于流道22的内壁。进一步的，为满足大流量冷工质的加热要求，如图2所示，流道22横截面为矩形。流道22的材料为高热导率的铜。当加热棒24加热时，热量一部分传递给流道22固体壁面，一部分传递给冷工质。由于流道22固体壁面材料有很高的热导率，在稳定状态时可以近似认为流道22固体表面具有相同的温度，且温度高于冷工质温度，可以形成从流道22固体壁面向冷工质传递热量的稳定温差。第二级加热器30的结构和第一级加热器20的结构相同。第二级加热器30和第一级加热器20的加热功率相同。第一级加热器20将冷工质加热到中间温度，第二级加热器30将冷工质继续加热到额定温度。在图1所示的实施方式中，外壳10设有第一安装口(图未标)和第二安装口(图未标)。第一级加热器20通过第一连接导杆26吊装在第一上端法兰70上，第一上端法兰70固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温负压加热器，其特征在于，包括外壳、第一级加热器、第二级加热器和连接管道，所述第一级加热器、所述第二级加热器和所述连接管道均设于所述外壳内，所述第一级加热器的一端、所述第二级加热器的一端通过所述连接管道连通，所述第一级加热器的另一端设有流体入口，所述流体入口伸出所述外壳，所述第二级加热器的另一端设有流体出口，所述流体出口伸出所述外壳；所述第一级加热器内设有流道，每条所述流道的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒，且所述第一级加热器的流道内的所述加热棒交错对称设置；所述第二级加热器的结构和所述第一级加热器的结构相同。

【技术特征摘要】
1.一种低温负压加热器，其特征在于，包括外壳、第一级加热器、第二级加热器和连接管道，所述第一级加热器、所述第二级加热器和所述连接管道均设于所述外壳内，所述第一级加热器的一端、所述第二级加热器的一端通过所述连接管道连通，所述第一级加热器的另一端设有流体入口，所述流体入口伸出所述外壳，所述第二级加热器的另一端设有流体出口，所述流体出口伸出所述外壳；所述第一级加热器内设有流道，每条所述流道的相对两侧的侧壁分别固定设有加热棒，且所述第一级加热器的流道内的所述加热棒交错对称设置；所述第二级加热器的结构和所述第一级加热器的结构相同。2.如权利要求1所述的低温负压加热器，其特征在于，所述外壳设有第一安装口和第二安装口，所述第一级加热器通过第一连接导杆吊装在第一上端法兰上，所述第一上端法兰固定在所述第一安装口，所述第二级加热器通过第二连接导杆吊装在第二上端法兰上，所述第二上端法兰固定在所述第二安装口。3.如权利要求2所述的低温负压加热器，其特征在于，所述第一级加热器与所述第一上端法兰之间设有第一隔热屏，所述第二级加热器与所述第二上端法兰之间设有第二隔热屏。4.如权利要求2所述的低温负压加热器，其特征在于，所述第一级加热器设有第一引线，所述第一引线伸出所述第一上端法兰，所述第一引线和所述第一级加热器的加热棒连接；所述第二级加热器设有第二引线，所述第二引线伸出所述第二上端法兰，所述第二引线和所述第二级加热器的加热棒连接。5.如权利要求1所述的低温负压加热器，其特征在于，还包括温度传感器、温度采集系统和温度控制系统，所述流体入口、所述第一级加热器的出口、所述第二级加热器的进口和所述流体出口均设有所述温度传感器，所述温度传感器和所述温度采集系统连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍继浩，商晋，吕翠，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11