CN105045311A - 一种基于可控热管的温控*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于可控热管的温控***，包括热管、箱组、第一温度传感器、第二温度传感器、流量控制阀和控制单元，热管套装在所述箱组内；箱组包括从上至下依次设置的冷凝箱、储热箱和蒸发箱；第一温度传感器和第二温度传感器分别设置在所述蒸发箱的进气口和出气口处；流量控制阀用于控制进入冷凝箱的冷却工质的流量。本发明利用相变材料储存热管传递的热量，并且通过不凝性气体来调节换热量，此外加上外部强制控制冷却换热量，实现双重调节，实现温度可控，并且储存的热量除了运用于释放加热低温来流，还可以运用到其他场合进行加热，能实现能量的充分运用。

Description

一种基于可控热管的温控***

技术领域

本发明属于热管领域，更具体地，涉及一种基于可控热管的温控***。

背景技术

热管是利用其内工质的蒸发和凝结实现相变传递热量。因此能够在小温差下传递很大的热流。IKE1973年为欧洲空间技术实验中心研制的恒温热管，热管材料是不锈钢，目的是减少热管壁的轴向导热。以氨作为工质，用不凝性气体氩来自行调节冷凝段换热面积来控制温度，是电反馈式主动温控。同时还研制了微波源温度控制。但这些温控***只有不凝性气体自行调节，可调量是单一的，而且响应具有一定的滞后性，因此大的温差控制比较困难，而且能量不能储存，对于能量利用有限。

相变蓄热技术在日常生活中的应用出现的比较早，在19世纪就出现了利用相变材料(phasechangematerial，简称PCM)制成的取暖装置。但在以后的近百年中蓄热技术的发展一直相当缓慢。20世纪60年代，随着载人空间技术的发展，美国的NASA大力发展相变技术在航天领域的应用，阿波罗15就曾使用石蜡作为PCM储存在飞行中产生的热量。从20世纪70年代以来，蓄热技术的基础理论和应用技术研究在发达国家(如美国、加拿大、日本、德国等)迅速崛起并得到不断发展。目前，相变储能的开发已逐步进入实用阶段，中低温蓄热主要用于废热回收、太阳能储存、特种服装及供暖和空调***。但在这些应用中PCM只是单纯的储存热量，储存的速率和量完全由传热条件所决定，并不能有效的控制储存量和速率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于可控热管的温控***，利用相变材料储存热管传递的热量，并且通过不凝性气体来调节换热量，此外加上外部强制控制冷却换热量，实现双重调节，实现温度可控，并且储存的热量除了运用于释放加热低温来流，还可以运用到其他场合进行加热，能实现能量的充分运用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于可控热管的温控***，其特征在于：包括热管、箱组、第一温度传感器、第二温度传感器、流量控制阀和控制单元，其中，

所述热管套装在所述箱组内，其开口朝上并且其开口端被封闭，其内设置有工质液体和不凝性气体；

所述箱组包括从上至下依次设置的冷凝箱、储热箱和蒸发箱，所述热管贯穿所述储热箱，其上部和下部分别伸入所述冷凝箱和蒸发箱内；

所述冷凝箱用于通入冷却工质以冷却热管的上部，所述储热箱中填充有由相变材料制成的储热块以储热，所述蒸发箱用于通入待降温的废气以加热热管的下部，从而使热管内的工质液体蒸发；

所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设置在所述蒸发箱的进气口和出气口处，分别用于检测进出蒸发箱的废气的温度；

所述流量控制阀用于控制进入冷凝箱的冷却工质的流量；

所述控制单元用于接收第一温度传感器和第二温度传感器反馈的温度，并基于此温度差来控制流量控制阀的开度大小，从而调节冷凝箱内热管上部与冷却工质的换热量，进而调节蒸发箱内热管下部与废气的换热量，最终实现对流出蒸发箱的废气的温度的调节。

优选地，所述热管的数量为多根。

优选地，所述热管的开口端通过波纹箱实现封闭，其中，所述波纹箱由可折叠皱纹片制成并可伸缩，从而可调节内的不凝性气体的压力。

优选地，所述热管的数量为多根，所述波纹箱固定安装在所述冷凝箱上，所述波纹箱包括箱主体和从箱主体上延伸的多个接头，每个接头分别塞入一热管内，从而将热管的开口端封闭。

优选地，所述热管包括管体及设置在管体上的翅片。

优选地，所述不凝性气体为氮气或惰性气体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明热管内蒸汽压的改变，导致不凝结气体在管内的所占空间发生改变，从而调节蒸汽的凝结换热面积，进而实现换热量的有效控制。

2)本发明波纹箱依据管内的蒸汽压来调节体积，从而有效保证管内的压力恒定，保证工质的沸点不变，实现热管稳定工作。

3)本发明热管内不凝结气体上升过程中首先与储热箱接触，从而凝结的换热量被储存在储热箱里的相变材料中，继续上升被冷凝箱里的冷却工质带走，这样在保证热量调节的过程中实现了能量储存。

4)本发明储热箱中的相变材料用于储存被热管回收的热量，当蒸发箱内的来流温度低于热管温度时，这时候相变储存的热量就会释放出来加热热管，保持蒸发箱内热管温度恒定，从而加热来流的低温流体，减小温度波动。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的热量传输路径示意图；

图3是本发明的温度控制流程图；

图4是本发明的基于模糊自适应PID的控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种基于可控热管1的温控***，包括热管1、箱组2、第一温度传感器3、第二温度传感器4、流量控制阀5和控制单元7，其中，

所述热管1套装在所述箱组2内，其开口朝上并且其开口端被封闭，其内设置有工质液体11和不凝性气体12；优选地，所述不凝性气体12为氮气或惰性气体

所述箱组2包括从上至下依次设置的冷凝箱21、储热箱22和蒸发箱23，所述热管1贯穿所述储热箱22，其上部和下部分别伸入所述冷凝箱21和蒸发箱23内；

所述冷凝箱21用于通入冷却工质以冷却热管1的上部，所述储热箱22中填充有由相变材料制成的储热块221以储热，所述蒸发箱23用于通入待降温的废气以加热热管1的下部，从而使热管1内的工质液体11蒸发；

所述第一温度传感器3和第二温度传感器4分别设置在所述蒸发箱23的进气口231和出气口232处，分别用于检测进出蒸发箱23的废气的温度；

所述流量控制阀5用于控制进入冷凝箱21的冷却工质的流量；

所述控制单元7用于接收第一温度传感器3和第二温度传感器4反馈的温度，并基于此温度差来控制流量控制阀5的开度大小，从而调节冷凝箱21内热管1上部与冷却工质的换热量，进而调节蒸发箱23内热管1下部与废气的换热量，最终实现对流出蒸发箱23的废气的温度的调节。

进一步，所述热管1的数量为多根，以进一步强化换热效果。

进一步，所述热管1的开口端通过波纹箱6实现封闭，其中，所述波纹箱6由可折叠皱纹片制成并可伸缩，从而可调节1内的不凝性气体12的压力。

进一步，所述热管1的数量为多根，所述波纹箱6固定安装在所述冷凝箱21上，所述波纹箱6包括箱主体和从箱主体上延伸的多个接头，每个接头分别塞入一热管1内，从而将热管1的开口端封闭。

进一步，所述热管1包括管体及设置在管体上的翅片13，以强化换热效果。

本发明具有若干根热管1组成，热管1内装有不凝性气体12和传热工质液体11，热管1与波纹箱6相连，波纹箱6可以伸缩，在热管1内部不凝性气体12压力改变的时候，波纹箱6的体积可以改变，从而保证热管1内压力的稳定。不凝性气体12与工质液体11不相容不反应，在本发明中提供改变换热面积的作用。热管1外装有翅片13增加换热面积，提高换热效率。储热箱22填充相变材料，用于储存管内工质在此阶段冷凝所释放的热量，控制单元7根据出入口温度的检测信号进行调节流量阀的开度，流量阀控制的是冷凝箱21的入口冷却工质流量，冷却工质可以是水或者空气。蒸发段的出入口的第一温度传感器3和第二温度传感器4检测信号可以提供给控制单元7。

本发明的工作过程如下：

蒸发箱23入口流体温度很高时，废气进入蒸发箱23，通过外掠热管1管束，实现与热管1传热过程，将热量传递给热管1内工质液体11，热管1内工质液体11不断升温达到沸点，从而在管内沸腾，形成蒸汽；

蒸汽上升，首先与热管1在储热箱22内的管壁部分接触形成液膜释放热量，被相变材料吸收，当储热箱22吸收速率比蒸汽形成速率小时，热管1内蒸汽就会越来越多，从而上升到冷凝箱21，蒸汽遇到冷凝箱21管壁继续凝结，从而释放热量到管外也就是冷凝箱21内的冷却工质。热量传输的路径如图2所示。

蒸汽冷凝之后最后形成液膜，液膜因为重力重新回流到热管1底部，从而循环蒸发冷凝，实现热量的传递。

整个过程可以通过蒸汽量的多少来调节不凝性气体12的体积，以改变蒸汽的冷凝面积，实现换热量的可调。

控制单元7根据蒸发箱23入口的第一温度传感器3和出口的第二温度传感器4的反馈信息来改变冷凝箱21入口工质流量来实现冷凝箱21内换热量的可调，控制单元7首先是判断出口温度是否在设定温度控制范围内，从而控制流量阀的开度。

温度控制流程图如图3所示。控制单元7采用的是模糊自适应算法，在普通PID的基础上通过模糊控制器时调整PID控制的控制参数，来实现变参数PID控制。温度控制流程图展示了热管1内部调节和外界强制调节，目的都是保证出口温度达到理想的设定值，当热管1内部调节满足条件时，这时强制冷却辅助控温就不会工作，当不满足条件时，辅助控温就会调节冷却工质的流量来调节换热量，保证出口温度达到要求。

如图4为基于模糊自适应PID的控制框图，模糊控制器根据设定输入和反馈值的差值以及差值的微分来进行模糊推理，通过模糊逻辑中的关系和设定的推理规则来实现来时时修正PID控制器的比例系数Kp,微分时间常数KI，积分时间常数Ke，PID控制器作用在流量控制阀这个控制对象中，时时调节阀的开度来调整流量，从而调整冷凝箱21里的换热量，来达到更加完美的控制效果。

本发明结合可控热管1和潜热储存技术实现温度的控制和能量的储存。热管1内填充不凝性气体12，当蒸发段来流温度高于设定温度且不断变化时，热管1内蒸汽压也会发生变化从而调节不凝性气体12在冷凝段的所占空间，进而调节冷凝段的换热面积，改变换热量。为了避免管内压力过大，不凝性气体12与波纹箱6相连，这样波纹箱6体积可调实现压力稳定，从而保证工质沸点恒定。

热管1释放的热量由两部分吸收：一部分是被储热块221吸收，另一部分是被冷却工质吸收。储热箱22填充的是相变材料，冷凝释放的热量被相变材料吸收，相变材料发生融化通过显热和潜热两部分实现热量储存。

控制单元7根据反馈信息和前馈信息进行调节冷却工流量，改变***换热量，保证蒸发段出口温度恒定。当蒸发段来流温度低于设定温度时，相变材料中储存的热量就会释放出来，保证蒸发段温度恒定，加热来流，提高出口温度。新型温控***通过这种方法实现温度的控制。对于温度波动不是很大的入口条件，***控制的鲁棒性非常好。在汽车行业和能源化工行业可以得到广泛应用，为实现节能减排提供新技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于可控热管的温控***，其特征在于：包括热管、箱组、第一温度传感器、第二温度传感器、流量控制阀和控制单元，其中，

所述热管套装在所述箱组内，其开口朝上并且其开口端被封闭，其内设置有工质液体和不凝性气体；

所述箱组包括从上至下依次设置的冷凝箱、储热箱和蒸发箱，所述热管贯穿所述储热箱，其上部和下部分别伸入所述冷凝箱和蒸发箱内；

所述冷凝箱用于通入冷却工质以冷却热管的上部，所述储热箱中填充有由相变材料制成的储热块以储热，所述蒸发箱用于通入待降温的废气以加热热管的下部，从而使热管内的工质液体蒸发；

所述第一温度传感器和第二温度传感器分别设置在所述蒸发箱的进气口和出气口处，分别用于检测进出蒸发箱的废气的温度；

所述流量控制阀用于控制进入冷凝箱的冷却工质的流量；

所述控制单元用于接收第一温度传感器和第二温度传感器反馈的温度，并基于此温度差来控制流量控制阀的开度大小，从而调节冷凝箱内热管上部与冷却工质的换热量，进而调节蒸发箱内热管下部与废气的换热量，最终实现对流出蒸发箱的废气的温度的调节。

2.根据权利要求1所述的一种基于可控热管的温控***，其特征在于：所述热管的数量为多根。

3.根据权利要求1所述的一种基于可控热管的温控***，其特征在于：所述热管的开口端通过波纹箱实现封闭，其中，所述波纹箱由可折叠皱纹片制成并可伸缩，从而可调节内的不凝性气体的压力。

4.根据权利要求3所述的一种基于可控热管的温控***，其特征在于：所述热管的数量为多根，所述波纹箱固定安装在所述冷凝箱上，所述波纹箱包括箱主体和从箱主体上延伸的多个接头，每个接头分别塞入一热管内，从而将热管的开口端封闭。

5.根据权利要求1所述的一种基于可控热管的温控***，其特征在于：所述热管包括管体及设置在管体上的翅片。

6.根据权利要求1所述的一种基于可控热管的温控***，其特征在于：所述不凝性气体为氮气或惰性气体。