CN102721309B - 一种动力热管装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力热管***，主要由冷凝器、回液装置、循环泵、蒸发器、储液罐和电路控制元件构成；所述回液装置的进液端接入储液罐内的工作介质的液面下部，冷凝器的进气口和蒸发器的出气口接入储液罐内的工作介质的液面上部；所述循环泵接入蒸发器的进液端，即安装在回液装置的出液端和冷凝器出液端的汇合处的三通管之后；所述电路控制元件控制着***的运行状态；这种动力热管***通过储液罐、回液装置和循环泵的设计，解决了热管换热设备中气液分离不彻底以及循环动力不足的问题，提高热管工作效率和实用性，并且所用整个***装置结构简单，环境友好。

Description

一种动力热管装置
技术领域
本发明涉及热交换技术领域，具体的说，涉及一种新型的热管换热***，特别是一种带循环泵的分体式热管装置。
背景技术
热管作为高效传热元件，在工程中的应用日益普及。热管不仅在余热回收、电子元器件冷却等方面得到广泛的应用，而且在传统的传热传质设备领域中，热管有替代循环水、循环油和水蒸汽传热的趋势。在环境温度较低时，热管还可以替代目前的空调***，作为电子设备、电力设备、计算机房、通信机房的散热控温元件。
热管有多种结构形式，也有多种分类方法。按液体工作介质的回流动力进行分类，热管可为表面张力热管、重力热管、离心热管、脉动热管和动力热管等几大类。表面张力热管靠吸液芯对液体产生的表面张力回流液体；重力热管靠重力回流液体；离心热管靠转动产生的离心力回流液体；脉动热管靠蒸发产生气泡的膨胀力推动循环；这些热管的共同特点是热管内部没有运动部件，其优点是结构简单，适合小型化、微型化，其缺点是循环动力较弱，不适合大功率、远距离传输热量。
动力热管是指外加循环驱动力的热管***，这种驱动力通常表现为一种特定形式的流体循环泵。动力热管的基本结构包括蒸发器、冷凝器、储液罐、循环泵四个部分，它们相互连接构成一个封闭循环回路，抽真空后加入工作介质就构成一个完整的动力热管。动力热管工作时，循环泵从储液罐抽出液态工作质送入蒸发器，液态工作质在蒸发器内受热蒸发变为气体，气体工作质通过导管进入冷凝器，并在冷凝器中冷却凝结成液体，液体工作质再经导液管流回储液罐，从而完成热管循环，同时热量从蒸发器端的高温热源流向冷凝器端的低温热源。动力热管的优点是循环动力强大，适合大功率、远距离传输热量。
上述动力热管***要想实现理想的工作状态下，它的冷凝器必须具有良好的气液分离功能。如果在冷凝器中工质气液分离不充分，气体工质就会不断进入储液罐并形成积累。这种现象会造成两种结果：一是如果***中的总气体工作质体积小于储液罐容积，气体工质在储液罐中的积累，最终导致全部气态工作质都积累到了储液罐，这时循环泵、蒸发器、冷凝器内流动的是单一液相工质，整个***形成液体循环状态；在液态循环状态下，没有蒸发和冷凝过程，***也就没有了热管传热功能，而且一旦形成的液体循环状态不能在工作状态下恢复正常，只有停机再重新开机才能恢复正常。二是如果***中的总气体工作质体积大于储液罐容积，气体工质在储液罐中的积累，最终导致气态工质充满储液罐，这时循环泵将吸入气体，而动力热管***的循环泵通常是为输送液体而设计的，气体的吸入会造成泵压急剧下降，从而造成循环动力不足，并造成蒸发器供液困难。为了使冷凝器具有彻底的气液分离功能，冷凝器通常采用直径较大、相互并联、竖立排管结构，这种结构散热效率较低，且体积较大。总之，目前的动力热管存在气液分离困难和循环动力不足的问题。正因为这样，动力热管并没有得到推广应用。
发明内容
本发明提供的一种新型的热管换热装置技术——一种动力热管装置，就是为了解决目前动力热管工作时存在的气液分离不彻底和循环动力不足的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：一种动力热管装置，包括冷凝器、蒸发器、回液装置、循环泵、储液罐和电路控制元件；所述冷凝器的进气口连接储液罐，其两者接口位于储液罐内的工作介质液面之上部，蒸发器的出气口连接储液罐，其两者接口位于储液罐内的工作介质液面之上部，回液装置的进液端接入储液罐中，其两者接口位于储液罐内工作介质液面之下部；循环泵安装在回液装置出液端和冷凝器出液端的汇合处之后，再接入蒸发器的进液端；所述电路控制元件控制着装置中循环泵的开启和运转状态；此装置工作时，冷凝器与低温热源接触，气态工作介质在冷凝器内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体工作介质在循环泵的带动下，它们从冷凝器进入到蒸发器中，蒸发器与高温热源接触，液态工作介质在蒸发器内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体中间介质在高速流动中相互混合形成气液二相流体，它们从蒸发器流出进入储液罐中，气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在储液罐内分离，气态中间介质通过冷凝器导气管接口进入到冷凝器中进行下一次循环，液态中间介质通过回液装置从接口输出，输出的液态中间介质和从冷凝器出来的液态中间介质汇合同时进入到蒸发器中，这样就组成一种新型节能热管换热装置的循环过程。
以上所述储液罐为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐的功能是实现循环工作介质的气液分离和储存工作介质；储液罐容积大小应与蒸发器和冷凝器的容积相匹配，其容积应是大于蒸发器的容积，而小于蒸发器、冷凝器和整个装置的管路的总容积；装置内的工作介质液体所占的体积应是大于蒸发器的容积，但小于蒸发器与储液罐的容积之和；储液罐实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在蒸发器和储液罐接口处设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。
以上所述循环泵应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流循环泵，可以选为齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵、往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂可以同时通过，并可通过调节循环泵流量来实现调节整个装置传热量。
以上所述回液装置可以是可控制流量的可调性阀门，可以是一定大小截面的管道，也可以是一个回液孔，作用是使通过回液装置的制冷剂流量不超过通过循环泵总制冷剂流量的三分之一，最优配置是制冷剂通过回液装置的大小是三通管输出总的制冷剂的六分之一至三分之一。
以上所述回液装置可以是一定大小截面的竖直导液管，此竖直导液管尽量是直的，整个管道竖直方向上最高处不能超出储液罐内液面的高度，并且要求储液罐在三通管的上部，使两者有一定高度差，以致储液罐内液体由于重力作用通过此竖直导液管回流至三通管，经循环泵送至蒸发器，进行循环。此导液管应选择储液罐到三通管的距离相匹配的长度，其流速有它进液口的横截面来控制，使制冷剂由储液罐通过回液装置流入三通管的流量不超过三通管总流出制冷剂流量的三分之一。
以上所述回液装置可以一个回液孔，其回液孔的孔径大小适宜，使储液罐内制冷液体进入回液孔的流量不超过流进输出制冷剂流量的三分之一，其位于冷凝器导液管上合适位置，此装置要求冷凝器导液管的管道穿过储液罐，且冷凝器导液管的管道在储液罐内液面下部，其位置尽可能靠近储液罐底部，以致储液罐内储存的液态制冷剂由于重力和内外压差的作用通过回液孔与冷凝器出液端输出的制冷剂汇聚于冷凝器导液管，经循环泵送至蒸发器，进行循环。
所述电路控制元件，主要是通过一些温度检测设备监控着高温环境和低温环境的一些温度变化，当高温环境端和低温环境端之间的温度差超过一定值时就会自动控制着循环泵的开启，该装置就开始了工作，当高温环境端和低温环境端之间的温度差小于一定值时就会自动控制着循环泵的关闭，由于不满足了工作条件，该装置就停止工作。
针对现有热管必须考虑热管装置运行时两个热交换器的高低位置差问题和制冷剂远距离输送问题，该装置中加入了输送动力（循环泵），在加入输送动力后，液态制冷剂和气态制冷剂的状态运行问题就得到了改善，整个热管的动力就不再是现有热管那种完全依靠气液自身属性产生的微小动力，而是循环泵产生的机械动力——可以使气态制冷剂向管路下部运动，液态制冷剂向管路上部运动；加入循环泵的同时也解决了热量传送距离的问题，因为有了输送动力，该装置远距离输送时的动力不再是靠装置内气态冷凝剂蒸发时产生的微小压差来实现，而是使用装置中加入的循环泵产生的机械动力来运作，所以当装置中的蒸发器（高温端）和冷凝器（低温端）距离较远时，也可以采用较为节能的细导热管传递制冷剂。
为了解决加入循环泵后出现的因气液分离不彻底而产生的效率低下问题，该装置中加入了储液罐以及回液装置，通过储液罐对装置管路中气液混合制冷剂进行过滤，而过滤后的液态制冷剂通过回液装置和循环泵又回到了蒸发器中，这样在实现气液分离的同时提高了热管效率。
该装置内部所充的中间工作介质（***内制冷剂）的选择，所选中间工作介质的气液临界点必须保持在工作温度的高温区温度和低温区温度之间，例如当工作温区在30°左右时，可以用氟利昂作为中间工作介质，工作温区在100°左右时，可以用水作为中间工作介质；另一点是工作中间介质充入装置后，装置内部压力必须高于一个大气压强，以确保空气不会进入装置内，造成装置损害；第三点是中间工作介质的选择必须和制造管路的材料相吻合，不能出现两者相损害现象。
通过加入储液罐以及储液罐和各个设备接管问题的设计就解决了现有热管中气液制冷剂分离不彻底的问题，提高了每次设备循环一周的换热效率，再通过***中加入的气液循环泵，给整个热管***提供了运行动力，这也就解决了传统热管***运行时两个热交换器的高低位置差以及输送距离问题，从而降低了设备的使用条件限制，大幅度提高热管的换热效率。
附图说明
图1为该装置的简单结构示意图。
图2为该装置的回液装置为可调控的回液节流阀的简单结构示意图。
图3为该装置的回液装置为一个有一定截面的竖直导液管的简单结构示意图。
图4为该装置双向调温简单结构示意图。
图5为该装置的回液装置为一回液孔的简单结构示意图。
图中：（1）冷凝器；（2）回液装置；（3）循环泵；（4）蒸发器；（5）储液罐；（6）回液管；（7）回液节流阀；（8）三通管；（9）回液孔；（11）冷凝器导气管；（12）冷凝器导液管；（21）单向阀一；（22）单向阀二；（31）三通管一；（32）三通管二；（41）蒸发器导气管；（42）蒸发器导液管；（51）~（53）管道接口。
具体实施方式一
如图1所示一种动力热管装置，包括冷凝器（1）、蒸发器（4）、回液装置（2）、循环泵（3）、储液罐（5）和电路控制元件；所述冷凝器（1）的进气口连接储液罐（5），其两者接口（51）位于储液罐（5）内的工作介质液面之上部，蒸发器（4）的出气口连接储液罐（5），其两者接口（53）位于储液罐（5）内的工作介质液面之上部；图2是在图1的基础上，所述回液装置（2）是一个可调控的回液节流阀（7），其的进液端接入储液罐（5）中，其两者接口（52）位于储液罐（5）内工作介质液面之下部；循环泵（3）安装在三通管（8）输出与蒸发器（4）的进液端之间；所述电路控制元件控制着装置中循环泵（3）的开启和运转状态；此装置工作时，冷凝器（1）与低温热源接触，气态工作介质在冷凝器（1）内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体工作介质在循环泵（3）的带动下，它们从冷凝器（1）进入到蒸发器（4）中，蒸发器（4）与高温热源接触，液态工作介质在蒸发器（4）内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体中间介质在高速流动中相互混合形成气液二相流体，它们从蒸发器（4）流出进入储液罐（53）中，气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在储液罐内分离，气态中间介质通过接口（51）进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，液态中间介质通过回液节流阀（7）从接口（52）输出，输出的液态中间介质和从冷凝器（1）出来的液态中间介质汇合同时进入到蒸发器（4）中，这样就组成一种新型节能热管换热装置的循环过程。
装置焊接安装完毕后，先对该装置进行检漏，如果没有发现泄露部分，就对该装置进行抽真空，抽完真空后才向其内部加入制冷剂，这样该装置的前期准备工作完成了。
当高温环境端比低温环境端温度相差范围没达到***工作所需环境时，电路控制元件通过温度检测部分传出的信号，关闭循环泵（3），该装置处于停止状态；当高温环境端比低温环境端温度高出一定值时，由电路控制中检测温度部分检测到信号，再由控制电路控制着循环泵（3）自动开启，整个***就处于正常运行状态。
当该装置冷凝器（1）吸收外界能量后，气态制冷剂变成液态制冷剂，通过循环泵（3）的抽送进入蒸发器（4）中，而大部分液态制冷剂吸收外界热量又变成气态制冷剂，小部分液态制冷剂被气态制冷剂带出蒸发器（4）从接口（53）进入储液罐（5），混合态制冷剂在储液罐（4）内进行一次分离，而分离出来的气体制冷剂又通过在储液罐内液面上部的接口（51）进入冷凝器（1）中进行下一次循环。
由于循环泵在抽取过程中可能产生强抽现象，也就是把储液罐中的气态制冷剂从接口（51）中抽取完，使储液罐中液面产生变化，为了避免这种现象的产生，在储液罐内液面下部加入了接口（52），通过回液节流阀（7）分担部分循环泵（3）的抽送压力，同时这个管路也使储液罐（5）中因气液制冷剂分离产生的液态制冷剂重新进入蒸发器（4）中吸热蒸发，提高工作效率，这样就组成了整个装置的循环回路。
该装置的工作过程是一种理想的工作状态，只能把高温能量带向低温处，不能把低温能量搬向高温处，而且***安装完毕后冷凝器（1）和蒸发器（4）的工作性质不能调换，只能把单一地方的热量传送到低温区。
具体实施方式二
图3在图1所示一种动力热管装置的基础上，回液装置（2）是一定大小截面的竖直导液管（81），此竖直导液管（81）尽量要求直的，其长度应与储液罐（5）到三通管（8）的距离相匹配，其流速有它进液口的横截面来控制，整个管道竖直方向上最高处不能超出储液罐（5）内液面的高度，并且要求储液罐（5）在三通管（8）的上部，使两者有一定高度差，以致储液罐（5）内液体由于重力作用通过此竖直导液管（81）回流至三通管（8），经循环泵（3）送至蒸发器（4）。其他部件和具体实施方式一相同。
具体实施方式三
在特定环境下为了使该装置中冷凝器（1）和蒸发器（4）的功能调换，也就是冷凝器（1）起到蒸发器的作用，蒸发器（4）起到冷凝器的作用，在具体实施方式一的基础上进行改进。
循环泵（3）由单向循环泵换成可以直接改变方向的双向动力电机***（比如罗茨电机），从储液罐（5）的连接接口（52）出来的管路经过回液装置（2）不再是一个支路，而是分成两条支路，每条支路各接入一个单向阀，单向阀的方向是从接口（52）向外流出，一条支路上安装的单向阀一（21）的出口端接入到循环泵（3）和冷凝器（1）之间三通管（32），另一条支路上安装的单向阀二（22）的出口接入到循环泵（3）和蒸发器（4）之间三通管（31），该实施方式简单结构示意图如图4所示。
***焊接安装完毕后，先对该装置进行检漏，如果没有发现泄露部分，就对该装置进行抽真空，抽完真空后才向其内部加入制冷剂，这样***的前期准备工作完成了。
当高温环境端比低温环境端温度相差范围没达到***工作所需环境时，电路控制元件通过温度检测部分传出的信号，关闭循环泵（3），该装置处于停止状态；当蒸发器（4）外界高温环境端比冷凝器（1）外界的低温环境端温度高出一定值时，由电路控制中检测温度部分检测到信号，再由控制电路控制着循环泵（3）自动开启，输送方向是从冷凝器（1）端输送向蒸发器（4）端，整个***就处于正常运行状态。
当该装置冷凝器（1）吸收外界能量后，气态制冷剂变成液态制冷剂，通过循环泵（3）的抽送进入蒸发器（4）中，而大部分液态制冷剂吸收外界热量又变成气态制冷剂，小部分液态制冷剂被气态制冷剂带出蒸发器（4）从接口（53）进入储液罐（5），混合态制冷剂在储液罐（4）内进行一次分离，而分离出来的气体制冷剂又通过在储液罐内液面上部的接口（51）进入冷凝器（1）中进行下一次循环。
由于循环泵在抽取过程中可能产生强抽现象，也就是把储液罐中的气态制冷剂从接口（51）中抽取完，使储液罐中液面产生变化，为了避免这种现象的产生，在储液罐内液面下部加入了接口（52），通过单向阀一（21）分担部分循环泵（3）的抽送压力，同时这个管路也使储液罐（5）中因气液制冷剂分离产生的液态制冷剂重新进入蒸发器（4）中吸热蒸发，由于（22）是单向阀门，所以从循环泵（3）出来的液态制冷剂不可能回灌进入储液罐（5），这样就形成了把蒸发器（4）端外界的热量转移到冷凝器（1）端外界。
当冷凝器（1）端外界温度高于蒸发器（4）端外界温度时，用户又需要把冷凝器（1）端外界能量搬运到蒸发器（4）端外界时候，可以控制循环泵（3）的输送方向改变，使其输送方向从蒸发器（4）端向冷凝器（1）端输送，这样就把冷凝器（1）变成蒸发器使用，蒸发器（4）变成冷凝器使用，而储液罐（5）中多余的液态制冷剂是通过单向阀二（22）进入到回路中的，这样就实现了在特定条件下***循环方向的改变，以满足用户需求。
具体实施方式四
图5在图1所示一种动力热管装置的基础上，所述回液装置（2）是一个回液孔（9），其位于冷凝器导液管（12）上合适位置，此装置要求冷凝器导液管（12）的管道穿过储液罐（5），且冷凝器导液管（12）的管道在储液罐（5）内液面下部，其位置尽可能靠近储液罐（5）底部，以致储液罐（5）内储存的液态制冷剂由于重力和压强的作用通过回液孔（9）与冷凝器（1）出液端输出的制冷剂汇聚于冷凝器导液管（12），经循环泵（3）送至蒸发器（4），进行循环。其他部件和具体实施方式一或具体实施方式二相同。

Claims (5)

1.一种动力热管装置，包括冷凝器（1）、蒸发器（4）、导气管、导液管和电路控制元件，其特征在于，还包括回液装置（2）、循环泵（3）、储液罐（5）三部分；所述电路控制元件控制着装置中循环泵（3）的开启和运转状态；所述冷凝器（1）的进气口连接储液罐（5），其两者接口51位于储液罐（5）内的工作介质液面之上部，蒸发器（4）的出气口连接储液罐（5），其两者接口53位于储液罐（5）内的工作介质液面之上部；所述储液罐（5）的连接接口52出来的管路经过回液装置（2）分成两条支路，每条支路各接入一个单向阀，单向阀的方向是从接口52向外流出，一条支路上安装的单向阀一（21）的出口端接入到循环泵（3）和冷凝器（1）之间三通管（32），另一条支路上安装的单向阀二（22）的出口接入到循环泵（3）和蒸发器（4）之间三通管（31），这样在特定环境下为了使该装置中冷凝器（1）和蒸发器（4）的功能调换，也就是冷凝器（1）起到蒸发器的作用，蒸发器（4）起到冷凝器的作用，即当蒸发器（4）外界高温环境端比冷凝器（1）外界的低温环境端温度高出一定值时，由电路控制中检测温度部分检测到信号，再由控制电路控制着循环泵（3）自动开启，输送方向是从冷凝器（1）端输送向蒸发器（4）端，整个装置就处于正常运行状态；当冷凝器（1）端外界温度高于蒸发器（4）端外界温度时，需要把冷凝器（1）端外界能量搬运到蒸发器（4）端外界时候，通过控制循环泵（3）的输送方向改变，使其输送方向从蒸发器（4）端向冷凝器（1）端输送，冷凝器（1）变成蒸发器使用，蒸发器（4）变成冷凝器使用，这样就实现了在特定条件下该装置循环方向的改变。
2.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述循环泵（3）为可以直接改变方向的双向动力电机***。
3.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述储液罐（5）为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐（5）的功能是实现循环工作介质的气液分离和储存工作介质；储液罐（5）容积大小应与蒸发器（4）和冷凝器（1）的容积相匹配，其储液罐容积应是大于蒸发器（4）的容积，而小于蒸发器（4）、冷凝器（1）和整个装置的管路的总容积；装置内的工作介质液体所占的体积应是大于蒸发器（4）的容积，但小于蒸发器（4）与储液罐（5）的容积之和；储液罐（5）实现气液分离的方式选择简单的重力沉降分离，或者在蒸发器（4）和储液罐（5）接口53处设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。
4.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述循环泵（3）应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流循环泵，使气态制冷剂和液态制冷剂可以同时通过，并可通过调节循环泵流量来实现调节整个装置的传热量。
5.根据权利要求4所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述容积式气液二相流循环泵是齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵或往复式活塞泵。
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