CN100451529C - 一种双向双循环热管能量输运系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能源工程技术领域冷或热能量输运系统，尤其是一种利用高效传热热管系统构成低能耗高密度的双向双循环热管能量输运系统，将分离式热管的两类换热器(蒸发器和冷凝器)分别放置在冷、热能量供应源和冷、热能量用户处两个不同地方，通过输气母管、回液母管、储液罐、气液分离母管、分液器、等长度均液管、四通阀、循环溶液泵、回液泵、压力调节阀、回液管及连接管道等，有机连接为一个气液相通的整体，构成双向双循环热管能量输运系统。本发明投资省，热交换力强，效率高，可实现多种供给模式，设备使用寿命长，安装使用操作方便，可广泛用于各种低温差场合的能量输运，也可用于太阳能热和各种余热回收场合。

Description

一种双向双循环热管能量输运系统

技术领域：

本发明涉及一种能源工程技术领域冷或热能量输运系统，尤其是一种利用高效传热热管系统构成低能耗高密度的双向双循环热管能量输运系统。

背景技术：

能源的高效利用与节能问题已成为决定人类社会能否长期可持续快速发展的关键问题，正日益受到人们的重视，而如何利用好自然界的天然能源，如海洋能源、土壤能源或地下水能源，如何利用好人们在生活和生产过程中要排放到环境中的废水或废气中的能量，对人类解决能源的高效利用与节能问题具有十分重要的作用；在该类冷、热能量的利用过程中，常常需要有冷、热能量输运系统。

在人类实际生活和生产过程中，常常出现能够提供冷、热能量的地方(下称冷、热能量供应源)与使用冷、热能量的地方(下称冷、热能量用户处)有一段较远距离的场合，如海水(江水或湖水)热能的利用，海水(江水或湖水)所处位置和需要其热能的用户间往往有一段较远的距离；又如土壤能源或地下水能源的应用，可以获取该类冷、热能量的地方也往往与需要使用该能量的用户间存在一段较远的距离；再如生活废水中冷、热能量回收利用，废水的排放位置与需要能量的位置有一段距离；还有工业废水(气)中冷、热能的回收利用，工业废水(气)的排放位置与需要能量的用户位置也常常有较远一段距离；此外，诸如中央空调系统的供冷、供热，太阳能热利用、空气冷能回收与利用、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收、核能热利用等等领域也常常存在提供冷、热能量的地方与使用冷、热能量的地方有一段较远距离的场合。这时必须将冷、热能量从一个地方输运到另一个地方，即涉及到冷、热能量的输运问题。

目前，人类广泛应用的冷、热能量输运方法是利用某种液体工质做媒介，在提供冷、热能量的地方获取能量后，用溶液泵将该液体工质输运到需要冷、热能量的地方，放出冷、热能量后又被送回到提供冷、热能量的地方再次获取能量；如此循环，连续不断地输运能量。

这种方法的缺点是：

1、由于是利用液体的显热来携带热量，在冷、热能量供应源和冷、热能量用户处两个地方的换热过程中，其换热系数较发生相变过程的潜热输运过程的换热系数要小得多，故在同样温差下，传递同样热量所需的换热面积要大得多，使换热器的初投资增大。

2、由于液体的显热是通过温度升高或降低来携带能量的，温度升高才能携带热能，温度降低才能携带冷能，为减小换热温差过大产生的不可逆损失，液体工质的温度升高或降低值往往不希望过大，而由于液体的比热相对较小，使带走一定的能量，需要有大量的液体工质循环，这不仅增加了管道、保温材料的初投资，而且也增大了输运过程中与外界环境的热交换造成的能量损失，还增大了液体溶液泵，使其初投资和运行费用都较大。

通常能量的输运密度越大，等热值的输运成本越低，利用液体工质显热实现能量输运的方法，能量输运密度相对较小。为了降低输运成本，期望能找到一种输运密度大的能量输运系统。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，解决利用液体显热实现能量输运所存在的技术问题，提出一种利用特殊设计的高效热管系统构成的低能耗高密度冷、热能量输运系统方法，该系统以“潜热”的形式输运能量，故其能量输运密度高，在等热值的输运条件下，循环流量比“显热”形式输运能量的循环流量要小，能解决目前冷、热能量输运过程中存在不足。

为了实现上述目的，本发明将分离式热管的两类换热器(蒸发器或冷凝器)分别放置在冷、热能量供应源和冷、热能量用户处两个不同地方，通过输气母管、回液母管、储液罐、气液分离母管、分液器、等长度均液管、四通阀、溶液循环泵、回液泵、压力调节阀、回液管及连接管道而有机连接为一个气液相通的整体，构成双向双循环热管能量输运系统；通过溶液循环泵、分液器、等长度均液管、蒸发器及气液分离母管、压力调节阀和回液管的有机组合，形成具有强工作液输送力且分液均匀的相对独立的工作液循环(双循环中的小循环)。其每类换热器是一个，或是多个并联而成；整体系统可分为冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存四个子系统；其运行过程是：溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经循环溶液输送管输送到分液器，经分液器和等长度均液管，均匀地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经均匀分气管进入气液分离母管实现气液分离，随后，液态工质流经压力调节阀和回液管流到储液罐，形成液体工质小循环；而气相工质则经输气母管进入气液分离母管，由均匀分气管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，流入冷凝器的储液罐，再由回液泵送回到蒸发器的储液罐，形成热管工质大循环。液体工质小循环和热管工质大循环有机结合构成双向双循环热管能量输运系统。小循环的作用是合理控制或增大蒸发器中液体工质的循环量，解决了原有分离式热管工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环则使热量从与蒸发器接触的介质中传送到与冷凝器接触的介质中，完成了热量的潜热输运过程。回到储液罐中的工质经溶液循环泵再次送入蒸发器中，又开始了下一次潜热输运过程；如此循环往复，连续不断地实现能量的输运。

本发明中冷、热能量供应源放置的换热器是蒸发器，或是冷凝器；同样，冷、热能量用户处放置的换热器是冷凝器，或是蒸发器，由系统中两个四通阀的流通方向确定。本发明的双向能量传递功能指利用同一个系统，既将冷、热能量供应源的热量传递给冷、热能量用户，也能将冷、热能量供应源的冷量传递给接受冷、热能量用户。

本发明中冷、热能量供应源及冷、热能量用户是一个，或是多个；若两者各为一个，构成一供一系统；若冷、热能量供应源为多个，而冷、热能量用户是一个，构成多供一系统；若冷、热能量供应源为一个，而冷、热能量用户为多个，构成一供多系统；若冷、热能量供应源与冷、热能量用户分别都有多个，则构成多供多系统。

本发明中各蒸发器与冷凝器的安装高度不限，各自的储液罐分别低于两类换热器，保证冷凝液能够顺利回流到相应的储液罐。若换热器必须安装在相对应的储液罐下部，在该换热器下部加装一个小型储液罐及一个回流溶液泵；溶液循环泵与回液泵都安装在储液罐的下部，保证工作过程中始终有足够的溶液供泵使用，避免气蚀现象，延长泵的使用寿命。

本发明适于海水(江水或湖水)热能的利用、土壤热源或地下水热源的应用、生活废水中冷、热能的回收利用等本身温差较小场合的能量输运场合；而通过选用合理的热管工质，也可应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收与利用、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收、核能热利用等场合，易实现大型化，便于和大型工程相匹配。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是其能量输运密度高于利用液体的显热来携带能量的输运方式，减小了管道、保温材料的初投资，也减少了输运过程中与外界环境的热交换产生的能量损失，使液体溶液泵减小，投资降低；二是在冷、热能量供应源和冷、热能量用户处两个地方的换热过程中换热系数大，所需的换热面积小，换热器投资小；三是系统具有双向能量传递功能；四是系统具有一供一、多供一、一供多和多供多等各种能量输运模式；五是无需吸液芯结构，简化了热管内部结构，易实现大型化生产与应用，降低了热管成本；六是其蒸发段与冷凝段分别独立形成蒸发器与冷凝器，可任意方式(水平、垂直或按某一倾角)、在任意相对位置分别放置；七是增加了溶液循环泵等部件，形成了完整的热管系统，工作液输送力大、分液均匀，换热效率高；八是溶液循环泵与回液泵都安装在储液罐的下部，工作过程中始终有足够的溶液供泵使用，避免了气蚀现象，延长了泵的使用寿命；九是通过溶液循环泵的控制方便地实现能量输运量的调节。

附图说明：

图1为本发明的第一种热量输运工作流程结构原理示意图。

图2为本发明的第一种冷量输运工作流程结构原理示意图。

图3为本发明的第二种热量输运工作流程结构原理示意图。

图4为本发明的第二种冷量输运工作流程结构原理示意图。

图5为本发明的第三种热量输运工作流程结构原理示意图。

图6为本发明的第三种冷量输运工作流程结构原理示意图。

图7为本发明的第四种热量输运工作流程结构原理示意图。

图8为本发明的第五种热量输运工作流程结构原理示意图。

具体实施方式：

本发明实施中的主要部件包括冷、热能量供应源A，冷、热能量用户B，气液分离母管1、9、28和39，均匀分气管2、8、25和38，能量用户处换热器(蒸发器或冷凝器)3和26，等长度均液管4、6、27和36，输气母管5，能量供应源处换热器(蒸发器或冷凝器)7和37，压力调节阀10，分液器11、15、29和34，四通阀12和14，回液母管13，压力调节阀16，回液管17和18，储液罐19和20，溶液循环泵(回液泵)21，循环溶液输送管(回液管)22和23，溶液循环泵(或回液泵)24，流量调节阀30、32、35和40，输气支管31和33。

本发明包括能量供应源处换热器7、37和能量用户处换热器3、26两类换热器，每类换热器根据需要可能是1个，也可能是多个(附图中仅画出2个，实际应用时根据需要来确定具体数量)，各换热器根据供冷或供热不同运行工况是蒸发器，或是冷凝器；各换热器及冷凝液供液与分配、气液两相流动与分离、气相输送与分配、液相收集与储存四个子系统的工作原理及功效分别为：

能量供应源处换热器7、37：当能量供应源处提供热量时，换热器7、37为蒸发器，通过分液器15、34及等长度均液管6、36，换热器7、37的各管路中均匀获得液态工质，这些工质吸收与该换热器接触的介质的热量而发生气化，产生蒸发过程，形成的两相流经均匀分气管8、38进入气液分离母管9、39；其功效是：吸收能量供应源处的热能，并将该能量转变为循环工质的相变潜能，储存在气态循环工质中。当能量供应源处提供冷量时，换热器7、37为冷凝器，通过气液分离母管9、39及均匀分气管8、38，换热器7、37的各管路中均匀获得气态工质，这些工质吸收与该换热器接触的介质的冷量而发生相变，产生冷凝过程，形成的液体经等长度均液管6、36进入储液罐20；其功效是：吸收能量供应源处的冷能，并将该能量转变为循环工质的相变潜能，储存在液态循环工质中。

能量用户处换热器3、26：当能量供应源处提供热量时，换热器3、26为冷凝器，通过气液分离母管1、28及均匀分气管2、25，换热器3、26的各管路中均匀获得气态工质，这些工质将热量传递给与该换热器接触的介质而发生相变，产生冷凝过程，形成的液体经等长度均液管4、27进入储液罐19；其功效是：将能量供应处的热量提供给用户，完成高效的热量输运过程。当能量供应源处提供冷量时，换热器3、26为蒸发器，通过分液器11、29及等长度均液管4、27，换热器3、26的各管路中均匀获得液态工质，这些工质将冷量传递给与该换热器接触的介质而发生相变，产生蒸发过程，形成的两相流经均匀分气管2、25进入气液分离母管1、28；其功效是：将能量用户处的冷量提供给用户，完成高效的冷量传递过程。

冷凝液供液与分配子系统：在能量供应源处，溶液循环泵24从储液罐20中抽取液态工质，经循环溶液输送管23输送到分液器15、34中，经分液器15、34和等长度均液管6、36，均匀地将液态工质分配给换热器7、37中的每个管路；其功效是：将气液分离母管9、39分离出的液态工质再次均匀地送到蒸发器7、37中进行蒸发，形成小循环，以保证蒸发器的高效运行；同时，将冷凝器3、26冷凝的液体工质也送到蒸发器7、37中，形成大循环，完成热管系统所必需的液态工质从冷凝器到蒸发器的输送工作。在能量用户处，溶液循环泵21从储液罐19中抽取液态工质，经循环溶液输送管22输送到分液器11、29中，经分液器11、29和等长度均液管4、27，均匀地将液态工质分配给换热器3、26中的每个管路；其功效是：将气液分离母管1、28分离出的液态工质再次均匀地送到蒸发器3、26中进行蒸发，形成小循环，以保证蒸发器的高效运行；同时，将冷凝器7、37冷凝的液体工质也送到蒸发器3、26中，形成大循环，完成热管系统所必需的液态工质从冷凝器到蒸发器的输送工作。

气液两相流动与分离子系统：在能量供应源处，从换热器7、37出来的两相流，在溶液循环泵24提供的压力作用下，由均匀分气管8、38送入气液分离母管9、39，气液分离后，液体被送到储液罐20中，气体进入输气母管5中；其功效是：及时收集从蒸发器中流出的气液两相流，使蒸发器换热面的液态工质厚度保持在一定范围内，达到高效换热的效果，同时，完成气液分离的任务，形成气、液两个通路，构成本发明的双循环系统。在能量用户处，从换热器3、26出来的两相流，在溶液循环泵21提供的压力作用下，由均匀分气管2、25送入气液分离母管1、28，气液分离后，液体被送到储液罐19中，气体进入输气母管5中；其功效是：及时收集从蒸发器中流出的气液两相流，使蒸发器换热面的液态工质厚度保持在一定范围内，达到高效换热的效果，同时，完成气液分离的任务，形成气、液两个通路，构成本发明的双循环系统。

气相输送与分配子系统：从气液分离母管9、39分离出来的气态循环工质有一定的余压，使气态工质经输气支管33、输气母管5、输气支管31、进入气液分离母管1、28，由均匀分气管2、25均匀地分配到换热器3、26中的每一根换热管；该子系统的功效是：使蒸发器7、37中产生的气相工质均匀地分配到冷凝器3、26的每根换热管中，实现高效的冷凝换热过程。从气液分离母管1、28分离出来的气态循环工质有一定的余压，使气态工质经输气支管31、输气母管5、输气支管33、进入气液分离母管9、39，由均匀分气管8、38均匀地分配到换热器7、37中的每一根换热管；该子系统的功效是：使蒸发器3、26中产生的气相工质均匀地分配到冷凝器7、37的每根换热管中，实现高效的冷凝换热过程。

液相收集与储存子系统：在附图1、附图3、附图5所示的工作流程图中，液相收集分两部分：一部分是气液分离母管9、39中冷凝的液态工质经压力调节阀16和回液管18流入储液罐20，另一部分是在冷凝器3、26中冷凝下来的工质，流入储液罐19后，由回液泵21提供动力，经循环溶液输送管22、四通阀12、回液母管13、四通阀14回到储液罐20中。该子系统的功效是：收集与储存液态工质，通过压力调节阀16，使两条收集回路达到压力平衡，保证系统正常运行。

在附图7所示的工作流程图中，液相收集分两部分：一部分是气液分离母管9中冷凝的液态工质经压力调节阀16和回液管18流入储液罐20，另一部分是在冷凝器3中冷凝下来的工质，流入储液罐19后，在重力作用下，经回液母管13流回到储液罐20中。该子系统的功效是：收集与储存液态工质，通过压力调节阀16，使两条收集回路达到压力平衡，保证系统正常运行。

在附图2、附图4、附图6所示的工作流程图中，液相收集也分两部分：一部分是气液分离母管1、28中冷凝的液态工质经压力调节阀10和回液管17流入储液罐19，另一部分是在冷凝器7、37中冷凝下来的工质，流入储液罐20后，由回液泵24提供动力，经循环溶液输送管23、四通阀14、回液母管13、四通阀12回到储液罐19中。该子系统的功效是：收集与储存液态工质，通过压力调节阀10，使两条收集回路达到压力平衡，保证系统正常运行。

在附图8所示的工作流程图中，液相收集也分两部分：一部分是气液分离母管9中冷凝的液态工质经压力调节阀16和回液管18流入储液罐20，另一部分是在冷凝器3、26中冷凝下来的工质，流入储液罐19后，在重力作用下，经回液母管13流回到储液罐20中。该子系统的功效是：收集与储存液态工质，通过压力调节阀16，使两条收集回路达到压力平衡，保证系统正常运行。

下面结合实例对本发明作进一步详细的描述：

实施例1：

图1为应用本发明的第1种热量输运工作流程原理示意图，为一供一热量供给系统，即由A处的一个热量源提供热量给B处的一个用户；其主要部件包括蒸发器7和冷凝器3；还包括由溶液循环泵24、循环溶液输送管23、分液器15、等长度均液管6等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管8、气液分离母管9构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、气液分离母管1、均匀分气管2构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀16、回液管18、储液罐19、回液泵21、回液母管13和储液罐20构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器7、冷凝器3与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器7接触的介质中传递到与冷凝器3接触的介质中，完成一供一的热量输运过程。

该系统启动与运行过程如下：先将系统连通安装完毕，抽空后充入热管循环工质，再将两个四通阀12、14转为热量输运模式，启动溶液循环泵24，使蒸发器7内形成一定量的液态工质小循环，再打开蒸发器7的供热源系统和冷凝器3的用户系统，待储液罐19中的液态工质到一定液位后，启动回液泵21；一定时间后，该能量输运系统便进入正常工作阶段。在正常工作过程中，溶液循环泵24从储液罐20中抽取液态工质，经循环溶液输送管23输送到分液器15，经分液器15和等长度的均液管6，均匀地将液态工质分配给蒸发器7中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经均匀分气管8进入气液分离母管9实现气液分离；随后，液态工质流经调节阀16和回液管18回到储液罐20，形成了液体工质小循环，而气相工质则经输气母管5进入换热器3的气液分离母管1，由均匀分气管2将气体均匀输送到冷凝器3的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，由等长度均液管4将冷凝液送入储液罐19，再由回液泵21将液态工质送回储液罐20中，形成热管工质大循环。两个循环有机结合，构成本发明的双循环热管系统。小循环的作用是合理控制或增大蒸发器7中液体工质的循环量，解决原有热管工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环则使热量从与蒸发器7接触的介质中传送到与冷凝器3接触的介质中，完成热量的潜热传递过程。回到储液罐20中的工质经溶液循环泵24再次送入蒸发器7中，又开始了下一次换热过程，如此循环往复，连续不断地实现热量的输运过程。

实施例2：

图2为第1种冷量输运工作流程原理示意图，为一供一冷量供给系统，即由A处的一个冷量源提供冷量给B处的一个用户；其主要部件包括蒸发器3和冷凝器7；还包括由溶液循环泵21、循环溶液输送管22、分液器11、等长度均液管4等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管2、气液分离母管1构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、气液分离母管9、均匀分气管8构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀10、回液管17、储液罐20、回液泵24、回液母管13和储液罐19等构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器3、冷凝器7与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器3接触的介质中传递到与冷凝器7接触的介质中，完成了一供一的冷量输运过程。

实施例2是实施例1的逆向运行过程，表明系统具有双向运行特征，即利用同一个系统，既能够完成热量的输运，也能够完成冷量的输运。

该系统启动与运行过程如下：先将系统连通安装完毕，抽空后充入热管循环工质，再将两个四通阀12、14转为冷量输运模式，启动液态工质循环泵21，让蒸发器3形成一定量的液态工质小循环，再打开蒸发器3的用户系统和冷凝器7的能量供应源系统，待储液罐20中的液态工质到一定液位后，启动回液泵24；一定时间后，能量输运系统便进入正常工作阶段。在正常工作过程中，溶液循环泵21从储液罐19中抽取液态工质，经循环溶液输送管22输送到分液器11，经分液器11和等长度均液管4，均匀地将液态工质分配给蒸发器3中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经均匀分气管2进入气液分离母管1，实现气液分离；随后，液态工质流经调节阀10和回液管17回到储液罐19，形成了液态工质小循环，而气相工质则经输气母管5进入换热器7的气液分离母管9，由均匀分气管8将气体均匀输送到冷凝器7的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，由等长度均液管6将冷凝液送入储液罐20中，再由回液泵24将液态工质送回储液罐19中，形成热管工质大循环。两个循环有机结合，构成本发明的双循环能量输运系统。小循环的作用是合理控制或增大蒸发器3中液体工质的循环量，解决原有热管工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环则使热量从与蒸发器3接触的介质中传送到与冷凝器7接触的介质中，完成冷量的潜热传递过程。回到储液罐19中的工质经溶液循环泵21再次送入蒸发器3中，又开始了下一次换热过程，如此循环往复，连续不断地实现热量的输运过程。

实施例3：

图3为系统的第2种热量输运工作流程原理示意图，为一供多热量供给系统，即由A处的一个热量源提供热量给B处的多个用户；其主要部件包括能量供应处的蒸发器7和用户处的冷凝器3、26；还包括由溶液循环泵24、循环溶液输送管23、分液器15、等长度均液管6等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管8、气液分离母管9构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、输气支管31、气液分离母管1、28、均匀分气管2、25等构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀16、回液管18、储液罐19、回液泵21、回液母管13和储液罐20等构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器7、冷凝器3、26与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器7接触的介质中传递到与冷凝器3、26接触的介质中，完成了一供多的热量输运过程。

图3中用户处的冷凝器仅画出3、26两个，实际应用时冷凝器的数量没有限制。各用户处冷凝器供热量的多少可由流量调节阀40、32进行调节。

本实施例的启动与运行过程与实施例1基本相同，只是在运行过程中需根据用户的需求，适当调整流量调节阀30、32，满足各用户的用热量要求。

实施例4：

图4为系统的第2种冷量输运工作流程原理示意图，为一供多冷量供给系统，即由A处的一个冷量源提供冷量给B处的多个用户；其主要部件包括用户处的蒸发器3、26和能量供应处的冷凝器7；还包括由溶液循环泵21、循环溶液输送管22、分液器11、29、等长度均液管4、27等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管2、25、气液分离母管1、28构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、气液分离母管9、均匀分气管8构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀10、回液管17、储液罐20、回液泵24、回液母管13和储液罐19等构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器3、26和冷凝器7与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器3、26接触的介质中传递到与冷凝器7接触的介质中，完成一供多的冷量输运过程。

实施例4的运行过程恰好是实施例2的逆向运行过程，表明本发明的一个系统具有双向运行特征，即利用同一个系统，既能够完成热量的一供多输运，也能够完成冷量的一供多输运。

本实施例的启动与运行过程与实施例2基本相同，只是在运行过程中需根据用户的需求，适当调整流量调节阀30、32，满足各用户的用冷量要求。

实施例5：

图5为系统的第3种热量输运工作流程原理示意图，为多供多热量供给系统，即由A处的多个热量供应源提供热量给B处的多个用户；其主要部件包括能量供应处的蒸发器7、37和用户处的冷凝器3、26；还包括由溶液循环泵24、循环溶液输送管23、分液器15、34、等长度均液管6、36等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管8、38，气液分离母管9、39构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、输气支管33、31、气液分离母管1、28、均匀分气管2、25等构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀16、回液管18、储液罐19、回液泵21、回液母管13和储液罐20等构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器7、37和冷凝器3、26与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器7、37接触的介质中传递到与冷凝器3、26接触的介质中，完成多供多的热量输运过程。

图5中用户处的冷凝器仅画出3、26两个、热量供应处的蒸发器也仅画出7、37两个，实际应用时冷凝器、蒸发器的数量没有限制。各用户处冷凝器供热量的多少可由流量调节阀30、32进行调节，各能量供应处供热量的多少可由流量调节阀35、40进行调节。

本实施例的启动与运行过程与实施例1基本相同，只是在运行过程中需根据用户的需求，适当调整流量调节阀30、32，满足各用户的热量要求，同时，根据能量供应处各种热源的特点调节流量调节阀35、40。

实施例6：

图6为系统的第3种冷量输运工作流程原理示意图，为多供多冷量供给系统，即由A处的多个冷量源提供冷量给B处的多个用户；其主要部件包括用户处的蒸发器3、26和能量供应处的冷凝器7、37；还包括由溶液循环泵21、循环溶液输送管22、分液器11、29、等长度均液管4、27等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管2、25、气液分离母管1、28构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、输气支管33、31、气液分离母管9、39、均匀分气管8、38等构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀10、回液管17、储液罐20、回液泵24、回液母管13和储液罐19等构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器3、26和冷凝器7、37与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器3、26接触的介质中传递到与冷凝器7、37接触的介质中，完成了多供多的冷量输运过程。

实施例6是实施例3的逆向运行过程，表明系统具有双向运行特征，即利用同一个系统，既能够完成热量的多供多输运，也能够完成冷量的多供多输运。

本实施例的启动与运行过程与实施例2基本相同，只是在运行过程中需根据用户的需求，适当调整调节阀30、32，满足各用户的冷量要求，同时，根据能量供应处各种热源的特点调节35、40调节阀。

实施例7：

图7为系统的第4种热量输运工作流程原理示意图，为一供一热量供给系统，即由A处的一个热量源提供热量给B处的一个用户；该实施例与实施例1的区别在于，该实施例是单向供热系统，故省去了2个起换向作用的四通阀，同时，考虑B处储液罐19的位置高于A处储液罐20的位置，也省去了回液泵。其主要部件包括蒸发器7和冷凝器3；还包括由溶液循环泵24、循环溶液输送管23、分液器15、等长度均液管6等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管8、气液分离母管9构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、气液分离母管1、均匀分气管2构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀16、回液管18、储液罐19、回液母管13和储液罐20构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器7、冷凝器3与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与蒸发器7接触的介质中传递到与冷凝器3接触的介质中，完成了一供一的热量输运过程。

本实施例的启动与运行过程与实施例1相同，只是无启动回液泵的步骤。

实施例8：

图8为系统的第5种热量输运工作流程原理示意图，为一供多热量供给系统，即由A处的一个热量源提供热量给B处的多个用户；该实施例与实施例3较为类同，其区别在于，该实施例是单向供热系统，故省去了2个起换向作用的四通阀，同时，考虑B处储液罐19的位置高于A处储液罐20的位置，也省去了回液泵。其主要部件包括能量供应处的蒸发器7和能量用户处的冷凝器3、26；还包括由溶液循环泵24、循环溶液输送管23、分液器15、等长度均液管6等构成的冷凝液供液与分配子系统；由均匀分气管8、气液分离母管9构成的气液两相流动与分离子系统；由输气母管5、输气支管31、气液分离母管1、28、均匀分气管2、25构成的气相输送与分配子系统；由压力调节阀16、回液管18、储液罐19、回液母管13和储液罐20构成的液相收集与储存子系统；上述蒸发器7和冷凝器3、26与四个子系统有机连接为一体，连续不断地将热量从与能量供应处的蒸发器7接触的介质中传递到与能量用户处的冷凝器3、26接触的介质中，完成了一供多的热量输运过程。本实施例的启动与运行过程与实施例2相同，只是无启动回液泵的步骤。

实施例9：

下面以夏季输运功率为1000kW、温度为20℃的海水冷能，到10km以外的能量用户，用于中央空调系统作为带走冷凝器热量的冷源为例，具体分析采用显热能量输运与潜热能量输运的差别。空调系统若按80W/m²的用冷量计算，该能量输运系统可满足12500m²面积的空调工程。若按50W/m²的用冷量计算，该能量输运系统便可满足20000m²面积的空调工程。

利用绿色制冷剂R410A为热管循环工质，在热管系统内，制冷剂的蒸发与冷凝温度取23℃，该温度下，饱和压力为15.564bar，液态工质的密度为1064.7kg/m³，气态工质的密度为58.275kg/m³，汽化潜热为194.21kJ/kg。

按能量守恒定律分析，为输运1000kW的海水能量，R410A的循环工质量为18536.6kg/h，该循环量对应的输气母管内饱和蒸汽的体积流量为318.09m³/h，回液母管内饱和液体的体积流量为17.41m³/h。若输气母管内饱和蒸汽的流速取1m/s(考虑该流体密度较大，取的流速很小，这样管道压降也很小)，则输气母管的内径为336mm即可满足要求，取整选用标准的内径为360mm的管道。在该流速、该管径内流动的R410A饱和蒸汽，其流动阻力约为：2Pa/m，即：利用该管道实现1000kW的冷、热能量输运10km，压降也仅为0.2bar，其相变温度仅变化0.475℃，对被输运能量的品质影响很小；若输液母管内饱和液体的流速取0.2m/s，则输液母管的内径为176mm即可满足要求，取整为内径180mm的管道。

若采用显热输运，以液态水为媒介，假定水在各换热器内的温度变化量为4摄氏度。按能量守恒定律分析，为输运1000kW的海水能量，需要的液态水的流量为：215310kg/h，由于水的密度为998.2kg/m³，可得：体积流量为215.7m³/h，若输液母管内液体的流速也取0.2m/s，则输液母管的内径应为618mm，取整为内径630mm的管道。

比较上述数据可以看出，利用显热能量输运所需的管径是利用本发明的潜热能量输运系统所需管径的1.75倍和3.5倍，考虑不同管径的壁厚不同，显热能量输运系统的管道材料消耗将会是3-5倍的潜热能量输运系统的管道材料消耗。这使管道的初投资及管道保温材料的初投资都等比例上升，同时使输运过程中对环境的能量损失也大幅度增加。

另外，显热能量输运所需的液态水循环量是本发明的潜热能量输运过程液态水循环量的215.7/17.41＝12.39倍，而且，显热能量输运时液体输运是来回双程，故其管道压力损失比本发明的潜热能量输运的管道压力损失更大，所需的溶液泵功率将是本发明的15-20倍，这不仅增大了初投资，而且使运行费用也大幅度增大。

通过上面的分析还可看出，满足12500-20000m²面积的空调工程所需的海水能量输运系统，仅需要内径为180mm、360mm的两根管道便能完成10km-20km或更远距离的冷、热能量输运任务，而且其运行能耗非常低。若能量输运距离仅为1km-2km，所需管径要小得多，具体管径值可由流体阻力计算来确定。这一能量输运系统的应用，将使该空调系统的冷凝温度与冷凝压力大幅度下降，能效比大幅度提高，形成高效节能的空调系统。

Claims (5)

1、一种双向双循环热管能量输运系统，其特征在于将分离式热管的两类换热器分别放置在冷、热能量供应源和冷、热能量用户处两个不同地方，通过输气母管、回液母管、储液罐、气液分离母管、分液器、等长度均液管、四通阀、溶液循环泵、回液泵、压力调节阀、回液管及连接管道有机连接为一个气液相通的整体构成能量输运系统；通过溶液循环泵、分液器、等长度均液管、蒸发器及气液分离母管、压力调节阀和回液管有机组合，形成具有强工作液输送力且分液均匀的相对独立的工作液小循环；其运行过程是：溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经循环溶液输送管输送到分液器，经分液器和等长度均液管，均匀地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，经均匀分气管进入气液分离母管实现气液分离，随后，液态工质流经压力调节阀和回液管流到储液罐，形成液体工质小循环；而气相工质则经输气母管进入气液分离母管，由均匀分气管将气体输送到冷凝器的每个管路中，在冷凝管路中实现完全冷凝后，流入冷凝器的储液罐，再由回液泵送回到蒸发器的储液罐，形成热管工质大循环；液体工质小循环和热管工质大循环有机结合实现双向双循环热管能量输运；小循环控制或增大蒸发器中液体工质的循环量；大循环使热量从与蒸发器接触的介质中传送到与冷凝器接触的介质中，实现热量的潜热输运过程；回到储液罐中的工质经溶液循环泵再次送入蒸发器中，开始下一次潜热输运过程。

2、根据权利要求1所述的双向双循环热管能量输运系统，其特征在于所述的两类换热器是蒸发器或冷凝器，每类换热器使一个或多个并联，冷、热能量供应源放置的换热器是蒸发器或冷凝器；冷、热能量用户处放置的换热器是冷凝器或蒸发器；由系统中两个四通阀的流通方向确定双向能量传递功能，即利用同一个系统，将冷、热能量供应源的热量传递给冷、热能量用户，或将冷、热能量供应源的冷量传递给接受冷、热能量用户。

3、根据权利要求1所述的双向双循环热管能量输运系统，其特征在于冷、热能量供应源及冷、热能量用户是一个或多个；两者各为一个构成一供一系统；冷、热能量供应源为多个，冷、热能量用户是一个而构成多供一系统；冷、热能量供应源为一个，冷、热能量用户为多个，则构成一供多系统；冷、热能量供应源与冷、热能量用户分别有多个，则构成多供多系统。

4、根据权利要求1所述的双向双循环热管能量输运系统，其特征在于蒸发器与冷凝器的相对安装高度不限，各自的储液罐低于其换热器，使冷凝液能顺利回流到储液罐，换热器须安装在储液罐下部时，在回流管路安装一个回流溶液泵，溶液循环泵与回液泵都安装在储液罐的下部，工作过程中始终有足够的溶液供泵使用。

5、根据权利要求1所述的双向双循环热管能量输运系统，其特征在于该系统适于海水或江水或湖水热能的利用，土壤热源或地下水热源的应用，生活废水中冷、热能的回收利用场合；通过选用热管工质，用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收与利用、锅炉或动力机的余热或废热的回收、核能热利用场合。

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