CN102519284A

CN102519284A - 热管换热器和换热方法

Info

Publication number: CN102519284A
Application number: CN2011104291483A
Authority: CN
Inventors: 金应荣; 刘锦云; 贺毅; 栾道成; 周华; 陈建文
Original assignee: Xihua University
Current assignee: Xihua University
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102519284B

Abstract

本发明涉及热能与动力工程领域，具体涉及一种热管换热器和换热方法，热管换热器包括：热管壳体，其包括单一的内空间，传热介质填充在所述内空间下部分；至少一个散热器，其内填充有散热介质，所述散热器位于所述内空间下部分，并被所述传热介质完全浸没；至少一个集热器，其内填充有集热介质，所述集热器位于所述内空间上部分，所述集热器位于所述传热介质液面上方；保温层，其包裹在所述热管壳体外壁上；排气充液口，其设置在所述热管壳体的顶部或侧壁上部，通过所述排气充液口向所述热管壳体内注入所述传热介质，并排出所述热管壳体中的气体。本发明提供的热管换热器结构简单，便于维护，换热效果更佳。

Description

热管换热器和换热方法

技术领域

本发明涉及热能与动力工程领域，具体涉及一种热管换热器和换热方法。

背景技术

热管换热器具有换热效率高、温度均匀、可在小温差条件下换热等特点，在工程上得到了广泛的应用。常见的热管换热器中，用一层隔板将散热介质和集热介质隔离，在隔板上安装适当数量的热管，将热管的一端置于散热介质中，以吸收热量，将另一端置于集热介质中，以释放热量，散热介质和集热介质均在热管外部流动。

这种热管换热器的结构复杂，维护困难，使用寿命较短。

发明内容

本发明提供一种热管换热器和换热方法，结构简单，便于维护。

本发明提供了一种热管换热器，包括：

热管壳体，其包括单一的内空间，传热介质填充在所述内空间下部分；

至少一个散热器，其内填充有散热介质，所述散热器位于所述内空间下部分，并被所述传热介质完全浸没；

至少一个集热器，其内填充有集热介质，所述集热器位于所述内空间上部分，所述集热器位于所述传热介质液面上方；

保温层，其包裹在所述热管壳体外壁上；

排气充液口，其设置在所述热管壳体的顶部或侧壁上部，通过所述排气充液口向所述热管壳体内注入所述传热介质，并排出所述热管壳体中的气体。

在本发明的各实施例中，优选地，所述的热管换热器进一步包括：

防爆安全阀，其安装在所述热管壳体的顶部或侧壁上部，所述防爆安全阀在检测到所述热管壳体内部的气压到达一定值时打开；和/或

再生排气阀，其安装在所述排气充液口处，通过所述再生排气阀向所述热管壳体内注入或补充所述传热介质，并排出所述热管壳体中的气体，其中，气体包括不凝结气体。

在本发明的各实施例中，优选地，所述再生排气阀包括全金属结构。

在本发明的各实施例中，优选地，所述热管壳体的形状包括圆筒盒状或方形盒状；和/或，所述集热器和/或所述散热器包括缠绕成螺旋状的管道；和/或，所述集热器和/或所述散热器包括绕成连续波浪形的管道；和/或，所述集热器和/或所述散热器包括并联的多根管道。

在本发明的各实施例中，优选地，在所述散热器的管道外和/或所述集热器的管道外安装翼片；和/或，所述散热器的管道和/或所述集热器的管道为扁形管。

在本发明的各实施例中，优选地，所述的热管换热器进一步包括以下中的至少一种：

压力传感器，其连接到所述热管壳体内部，通过所述压力传感器检测所述热管壳体内部的气压值；

温度传感器，其用于检测以下中的至少一种的温度：所述传热介质、所述散热介质、所述集热介质、所述散热器、所述集热器；

至少一个控制阀门，其安装在所述散热器和/或所述集热器上，以控制安装有所述控制阀门的所述散热器中的散热介质和/或所述集热器中的集热介质的流量。

本发明还提供了应用前述热管换热器的一种换热方法，包括以下步骤：

传热介质吸收散热介质的热量，并汽化、沸腾，变成蒸汽；

蒸汽状态的传热介质从热管壳体内部下方对流到所述热管壳体内部上方，将热量传递给集热介质，然后冷凝成液态；

液态的传热介质在重力作用下从所述热管壳体内部上方回流到所述热管壳体内部下方；

其中，传热介质的汽化、沸腾、对流、冷凝和回流在热管壳体的内空间中完成。

在本发明的各实施例中，优选地，根据以下中的至少一种控制所述散热介质和/或所述集热介质的流量以控制热管换热器的换热量：

所述传热介质的材料、所述传热介质的温度、所述散热介质的温度、填充有所述散热介质的散热器的管道的材料、所述集热介质的温度、填充有所述集热介质的集热器的管道的材料。

在本发明的各实施例中，优选地，通过增大所述散热器的散热面积和/或增大所述集热器的集热面积来增大热量交换面积，以提高所述传热介质在所述散热器和所述集热器之间的传热效率。

通过本发明各实施例提供的热管换热器和换热方法，能够带来以下至少一种有益效果：

1.热管换热器结构简单，便于维护。相对于传统的热管换热器来说，本发明的热管换热器采用单一的热管，将散热器和集热器包容在热管壳体内，不用再设置隔板将散热介质和集热介质隔离，也不用在隔板上安装热管，比传统热管换热器的结构简单，便于制造和维护。

2.热管换热器具有再生能力。当本发明的热管换热器内聚集的不凝结气体较多时，可以通过再生排气阀将其排除，恢复热管换热器的性能。

3.增大热交换面积。本发明提供的热管换热器不通过热管壳体换热，而通过热管壳体内散热器和集热器的表面换热，增大了热交换面积。

4.换热效率高，换热效果好，换热充分。本发明的热管换热器在热管壳体包容的相对封闭的内空间内进行换热，热量浪费少，换热效率高。同时，散热器表面上温度越高处传热介质汽化速度越快，使散热器有保持温度均匀的趋势，从而使散热介质的热量被充分地传输出来；集热器表面上温度越低处气相传热介质冷凝速度越快，使集热器有保持温度均匀的趋势，从而使集热介质能够充分地吸收热量。这一过程能够充分发挥热管的均温作用，取得良好的换热效果。

5.具有双层壁热管换热器的特点。集热器和散热器被填充传热介质的空间隔离，能够防止集热器内的集热介质和散热器内的散热介质发生相互渗漏，使热管换热器具备了双层壁热管换热器的特点，可以用于热泵等产品中。

6.能够用于高压介质之间的换热。当集热器和散热器都用承压管材制造时，热管换热器可以承受较高的压力，可用于高压介质之间的换热。

7.具有较长的使用寿命。因为接触传热介质的是热管壳体的内表面、集热器和散热器的外表面，这些表面都可以方便地进行清洗和适当的防护处理，从而改善它们与传热介质的相容性，延长热管换热器的使用寿命。

8.具有选择换热功能。当热管换热器含有多个散热器和多个集热器时，通过关闭或开启串联安装在散热器或集热器外部的阀门，可以根据需要让任意一个散热器或多个散热器释放的热量传输给任意一个集热器或多个集热器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明的热管换热器的一种实施例的示意图。

图2为本发明的热管换热器的另一种实施例的示意图。

图3为图2中的A-A视图。

图4为本发明的热管换热器的一种实施例中，再生排气阀的局部放大图。

图5为本发明的热管换热器中具有多个集热器的一种实施例的示意图。

图6为本发明的热管换热器中具有多个散热器的一种实施例的示意图。

图7为本发明的换热方法的一种实施例的步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种热管换热器，包括：

保温层，其包裹在所述热管壳体外壁上；

在本发明的各实施例中，优选地，如图1和图2中的热管换热器采用单一的热管，将散热器和集热器包容在热管壳体内，使热管换热器的结构简单，便于制造和维护。图1和图2中的热管换热器将换热过程集中在热管壳体包容的没有分隔的空间内进行，并通过热管壳体内散热器和集热器的表面换热，使换热面积更大，换热更充分、更完全。

在图1和图2中，传热介质3填充在热管壳体1内的下半部，且浸没过设置在热管壳体1下方的散热器4。传热介质3不填满热管壳体1，因为整个换热过程中，需要通过传热介质3从散热器4吸取热量并汽化、沸腾，蒸汽状态的传热介质3将热量传递给集热器2后冷凝回流来完成传热过程。传热介质3的汽化、沸腾和冷凝引起对流传热，使热管的传热特性得到充分发挥。优选地，传热介质可汽化，可选择易汽化和易冷凝的传热介质，例如水。

散热器提供热量来源，设置在热管壳体的内部下方，集热器设置在热管壳体的内部上方，集热器借助于传热介质的传热作用，吸收散热器提供的热量。散热器内填充的散热介质温度高于集热器内填充的集热介质温度，为散热器和集热器的热量交换提供条件。优选地，散热器和集热器都可设置为一个或多个，以满足不同工作环境对换热量的要求、热量等温分配的要求、热量汇集的要求，以及满足不同散热器对不同集热器之间选择传热的要求。由于热管具有均温的功能，在图1中，当集热器2由一个增加为多个后，热管换热器可以将散热器4提供的热量等温地分配给每个集热器，从而赋予热管换热器等温分配热量的功能；由于热管具有汇集热量的作用，在图1中，当散热器4由一个增加为多个时，热管换热器可以把多个散热器提供的热量汇集到集热器2中，从而赋予热管换热器汇集热量的功能。如图5所示为设有一个散热器和多个集热器的热量等温分配式热管换热器，散热器4为1个，集热器2为多个，例如为3个。图6所示为设有一个集热器和多个散热器的热量汇集式热管换热器，散热器4为多个，例如为3个，集热器2为1个。热管换热器也可同时设置有多个散热器和多个集热器。

保温层能够对换热过程中的热量进行保温，避免热量在传递过程中流失过多。如图1，图2，图5，图6所示，热管壳体1外面包裹有保温层5。

通过排气充液口向热管壳体内部注入传热介质，之后再从排气充液口对热管壳体内部抽真空，抽真空后，排气充液口封闭。如图1，图2，图5，图6所示，热管壳体1的顶部或侧壁上部设有排气充液口6。

防爆安全阀可以确保热管换热器在使用时的安全性。当热管壳体内部气压超过设计允许值时，防爆安全阀会自动打开，以降低热管壳体内部的气压，保证热管换热器使用时的安全性。

热管换热器的金属构件受到传热介质的缓慢腐蚀会产生不溶于传热介质的不凝结气体，例如热管换热器金属构件为钢件，传热介质为水时，铁与水反应会产生少量氢气，氢气为不溶于水的不凝结气体，需要从再生排气阀排出。通过再生排气阀可以定期或不定期地排出热管壳体中的不凝结气体，使热管换热器的性能得到恢复，即赋予热管换热器再生能力，保证热管换热器的效率，延长热管换热器的使用寿命。再生排气阀还可发挥排气充液口的功能，可通过再生排气阀对热管换热器的内空间注入传热介质，并抽真空，当传热介质消耗较多时，也可通过再生排气阀向热管壳体内部补充传热介质。

优选地，防爆安全阀安装在热管壳体的顶部或侧壁上部，再生排气阀可直接安装在排气充液口处，安装方便，结构简单。热管换热器可同时安装防爆安全阀和再生排气阀，也可只安装防爆安全阀或再生排气阀。

市场上销售的阀可用作再生排气阀，优选地，选择全金属结构的阀，在高温下工作的可靠性更高。图4所示为再生排气阀的一种实施例，在图4中，再生排气阀包括阀芯9、阀座7、密封垫8。优选地，阀座7可焊接在热管壳体上，密封垫8可用与传热介质有良好相容性的材料制造，例如纯铝、紫铜。在使用图4的再生排气阀时，拧下阀芯9，更换密封垫8后轻轻拧上阀芯9，在阀芯9尾部接上真空系统，用密封材料，例如真空泥，临时封堵阀芯9与阀座7的连接部位(图4中的B处)，抽真空至设计要求值，拧紧阀芯9，拆除真空系统、清除密封材料即可。

热管壳体可根据工作环境的需要和客户的要求做成不同形状，例如圆筒盒状(如图1所示)或方形盒状(如图2所示)。

集热器和散热器可用管材制造，可缠绕成螺旋状或绕成连续波浪形状，或分别由多根管道并联组成(如图3所示)，这样都可增加单位体积内集热器和/或散热器的管道的长度，提高热管换热器的换热效率。

在所述散热器的管道外和/或所述集热器的管道外安装翼片，类似于暖气片上的翼片，可增加散热器的散热面积和/或集热器的集热面积，提高热管换热器的换热效率。

散热器的管道和/或集热器的管道可制成扁形管，如现在一些家庭用的扁形的暖气片，也可增加散热器的散热面积和/或集热器的集热面积，提高热管换热器的换热效率。

压力传感器可连接到热管壳体的内部，能够时刻检测热管壳体的内部气压值，当内部气压值超过传热介质的温度所对应的允许压力值时，就需要打开再生排气阀，排除不凝结气体。所述允许压力值根据所述传热介质在对应温度的蒸气压、允许的不凝结气体含量和所述热管壳体的容积确定，例如为所述传热介质在对应温度的蒸气压的1.1倍-2倍。

温度传感器用于检测传热介质和/或散热介质和/或集热介质和/或散热器和/或集热器的温度，保证散热介质的温度高于集热介质的温度。例如，对于有多个散热器的热管换热器，当温度传感器检测到散热介质的温度低于集热器的温度时，就及时关闭串联安装在相应散热器上的控制阀门，保障热管换热器正常工作。

控制阀门用于开启或关闭一个或多个散热器，和/或开启或关闭一个或多个集热器，实现对散热器和集热器的开启或关闭，这样可以选择性地换热。通过控制控制阀门的开启数量和开启程度，可以控制散热介质和/或集热介质的流量。

本发明还提供了应用前述热管换热器的一种换热方法，其特征在于，包括以下步骤：

传热介质吸收散热介质的热量，并汽化、沸腾，变成蒸汽；

蒸汽状态的传热介质从热管壳体内部下方对流到所述热管壳体内部上方，将热量传递给集热介质，并冷凝成液态；

在如图7所示的本发明的一个实施例中，应用热管换热器的换热方法包括：

步骤701：传热介质吸收散热介质的热量，并汽化、沸腾，变成蒸汽；

步骤702：蒸汽状态的传热介质通过扩散或对流将热量传输给集热介质，并冷凝成液态；

步骤703：液态的传热介质在重力作用下回流。

在热管壳体包容的没有分隔的独立空间内使用这一换热方法，使换热更完全、更充分、换热效果更好。

传热介质的材料和/或传热介质的温度影响热管换热器的换热效率。例如当传热介质易汽化、易冷凝时，能够加快换热过程的进行，这时可适当控制散热介质和集热介质的流动速度，保证换热过程的换热效率满足要求。例如传热介质的温度的高低也能体现换热效率的高低。

散热介质的温度和/或填充有所述散热介质的散热器的管道的材料能够影响换热效率。例如当散热介质的温度较高时，可适当降低散热介质的流动速度，保证换热更充分进行。例如当散热器的管道材料易传热，例如为铁质，则也可适当加快散热介质的流动速度。

集热介质的温度和/或填充有所述集热介质的集热器的管道的材料也能够影响换热效率。例如当集热介质的温度较低时，可适当降低散热介质的流动速度，保证换热更充分进行。例如当集热器的管道材料易传热，例如为铁质，则也可适当加快散热介质的流动速度。

增大热量交换面积，能够提高传热介质在散热器和集热器之间的传热效率，即提高热管换热器的换热效率。增大热量交换面积可通过增大散热器的散热面积和/或增大集热器的集热面积来实现，例如可将散热器和/或集热器的管道缠绕成螺旋状或连续波浪形状，或者在散热器和/或集热器的管道外安装翼片，或者包括多个并联的管道，或者将散热器和/或集热器的管道做成扁形管。

在本发明的一个实施例中，如图1，热管壳体1包容了一个没有分隔的内部空间，将填充有集热介质的集热器2置于热管壳体1内部的上部，填充有散热介质的散热器4置于热管壳体1内部的下部，排气充液口设置在热管壳体1上方或侧壁上部，通过排气充液口6充入传热介质3，并让散热器4完全浸没在传热介质3中，集热器2不接触液态的传热介质3，之后再通过排气充液口6对热管壳体1内部抽真空，抽真空后封闭排气充液口。在热管壳体1外包裹有保温层5，从而构成了本发明提供的热管换热器。

在如图2所示的本发明的一个实施例中，传热介质3吸收散热器4内的散热介质的热量后，在散热器4表面汽化、沸腾，沸腾产生的蒸汽将热量传输给集热器2内的集热介质后，在集热器2表面冷凝成液滴，在重力作用下回流到热管壳体1下部。传热介质3的汽化、沸腾、冷凝引起对流传热，使热管的传热特性得到充分发挥。

本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。

显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种热管换热器，其特征在于，包括：

保温层，其包裹在所述热管壳体外壁上；

2.如权利要求1所述的热管换热器，其特征在于，进一步包括：

3.如权利要求2所述的热管换热器，其特征在于，所述再生排气阀包括全金属结构。

4.如权利要求1-3任一项所述的热管换热器，其特征在于，

所述热管壳体的形状包括圆筒盒状或方形盒状；和/或

所述集热器和/或所述散热器包括缠绕成螺旋状的管道；和/或

所述集热器和/或所述散热器包括绕成连续波浪形的管道；和/或

所述集热器和/或所述散热器包括并联的多根管道。

5.如权利要求1-4任一项所述的热管换热器，其特征在于，

在所述散热器的管道外和/或所述集热器的管道外安装翼片；和/或

所述散热器的管道和/或所述集热器的管道为扁形管。

6.如权利要求1-5任一项所述的热管换热器，其特征在于，进一步包括以下中的至少一种：

7.一种应用权利要求1-6所述的热管换热器的换热方法，其特征在于，包括以下步骤：

传热介质吸收散热介质的热量，并汽化、沸腾，变成蒸汽；

8.如权利要求7所述的换热方法，其特征在于，根据以下中的至少一种控制所述散热介质和/或所述集热介质的流量以控制热管换热器的换热量：

9.如权利要求7-8任一项所述的换热方法，其特征在于，通过增大所述散热器的散热面积和/或增大所述集热器的集热面积来增大热量交换面积，以提高所述传热介质在所述散热器和所述集热器之间的传热效率。