CN102538242A - 超导热管式热交换器及其充液方法 - Google Patents

超导热管式热交换器及其充液方法 Download PDF

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Abstract

一种超导热管式热交换器及其充液方法，由热气流管、溢流口封头、冷凝套管、气液孔、冷凝室、回流管、充液三通阀、集热/蒸发器构成的密封相通的闭路循环系统。将超导液体介质装入注液计量器内，通过充液管与充液三通阀连接，打开充液三通阀阀芯，挤压注液计量器活塞，向集热/蒸发器、热气流管等组成的闭路循环系统内注入。本超导热管式热交换器具有制造成本低、传热速度快、寿命长、无机械运行、故障率极低、换热效率高等优点。

Description

超导热管式热交换器及其充液方法
技术领域
本发明属供热设备领域，确切地说是超导热管式热交换器及其充液方法。
背景技术
目前太阳能热管技术用于紧凑式真空管太阳热水器较多，而太阳能热水工程采用多支热管组合到联集箱换热，再将联集箱的热能通过防冻液及水强制循环，输送到保温水箱内或通过换热器进行热交换，是一种半超导热管，半防冻液循环的太阳能集热循环系统，存在着很多问题。如换热效率低，控制器和循环水泵运行中经常出现故障，抗低温能力差，使用寿命短，而且经常出现冻坏循环系统的故障，所以得不到广泛的推广使用。
平板集热器存在着怕冻的技术瓶颈问题，至今未能解决，如何将超导热管技术应用到大型平板集热工程，和分体式平板太阳能集热器系统，解决低温抗冻问题，成了太阳能行业的一大技术难题，特别是平板超导热管系统充装介质时，需要在安装现场进行抽真空排气，再充装超导液，即使有一定专业知识的技术人员也很难掌握，造成热管管内存留不可凝性气体多，最终导致不传热和换热效率低下等问题。
发明内容
本发明的任务是提供一种高性能超导热管式热交换器，配套简便的充装超导液装置，采用“注液排气/热蒸回流式”充液方法，使分体式余热回收器、分体式平板太阳热水器家用机，紧凑式平板太阳热水器，大型平板太阳能热水工程都能高效持久运行。
为了实现上述任务，本发明超导热管式热交换器的热气流管下端及回流管安装在保温水箱底部的水箱封盖上，便于水箱密封和安装拆卸。将热气流管上端进行缩口，制成溢流口封头，将冷凝套管两头缩口，套在热气流管外并密封两头，构成冷凝室，在冷凝套管上端缩口位置内的热气流管壁上向下预先开设至少1个气液孔，使热气流管与冷凝室相通，便于充装超导液介质时排气及热蒸气进入冷凝套管的冷凝室内，在冷凝套管下端缩口位置与回流管连接并密封，回流管下端与充液三通阀、集热/蒸发器下端连接，集热/蒸发器上端与热气流管下端连接成密封相通的闭路循环系统。
本发明的特点：冷凝器(换热器)安装在水箱封盖上便于拆卸和现场安装，将分体的集热/蒸发器、1+n个集热/蒸发器与冷凝器组成一个较大的闭路相变循环集热换热系统，充液时排气彻底，操作简便，该超导热管式热交换器具有制造成本低、传热速度快、寿命长、无机械运行、故障率极低、换热效率高等优点。
附图说明
图1是本发明超导热管式热交换器及其充液方法原理图。
图2是本发明充液装置示意图。
图3是本发明超导液储液罐充液示意图。
图4是本发明超导热盘管式热交换器及其充液方法原理图。
图5是本发明超导热盘管式热交换器卧式水箱及其充液方法原理图。
图6是本发明超导热盘管式热交换器1+n个集热/蒸发器及其充液方法原理图。
图7是本发明防冻液式热交换器原理图。
图8是本发明防冻液盘管式热交换器原理图。
1.溢流口封头 2.气液孔 3.水箱冷水 4.热气流管 5.冷凝套管 6.冷凝室 7.回流管 8.水箱封盖 9.注液计量器 10.充液管 11.三通阀 12.集热/蒸发器 13.容量刻度 14.电加热器 15.三通管 16.换热管 17.液位显示器18.气液连通管 19.热水管 20.热交换管 21.热交换室 22.活塞 23.阀芯24.储液罐阀门 25.超导液储液罐 26.排气管 27.储液罐 28.气液盒。
具体实施方式
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下：
由图1至3可知，本发明超导热管式热交换器由热气流管4、溢流口封头1、冷凝套管5、气液孔2、冷凝室6、回流管7、充液三通阀11、集热/蒸发器12构成。超导热管式热交换器的热气流管4下端及回流管7安装密封在保温水箱底部的水箱封盖8及水箱壁上，冷凝套管5上端至溢流口封头1的热气流管4上端管留有至少1mm长度，用于存储系统运行中泄露的少量不可凝气体，以延长每次充液使用期限；顶端有溢流口封头1，将热气流管4上端缩口成溢流口封头1，便于充装液体介质时排气和溢流，最后压堵封口密封，将冷凝套管5两头缩口，套在热气流管4外并密封两头，构成冷凝室6，在冷凝套管5上端缩口位置内的热气流管4壁上向下预先开设至少1个气液孔2，使热气流管4与冷凝室6相通，便于充装介质时排气及蒸汽进入冷凝套管5的冷凝室6内，在冷凝套管5下端缩口位置与回流管7连接并密封，回流管7下端与充液三通阀11、集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热气流管4下端连接成密封相通的闭路循环系统。并对热气流管4、溢流口封头1、冷凝套管5、回流管7组成的冷凝器外表面进行防腐处理。
超导热管式热交换器工作前，首先对集热/蒸发器12、热气流管4等组成的闭路循环系统充装超导液。当集热/蒸发器12开始集热工作时，超导液体介质受热开始蒸发，热蒸汽向上运动产生气流，进入热气流管4，通过气液孔2进入冷凝室6内，由于冷凝套管5外面水箱冷水3的作用使热蒸汽凝结为液体向下流动，经回流管7、充液三通阀11，返回到集热/蒸发器12再次集热、蒸发，依次集热、蒸发、冷凝、回流，周而复始不断给水箱冷水3加热。
由图1至6可知，本发明另一实施例为超导热盘管式热交换器，由热气流管4、溢流口封头1、三通管15、换热管16、回流管7、充液三通阀11、集热/蒸发器12构成。超导热盘管热交换器的热气流管4下端及回流管7密封安装在保温水箱底部的水箱封盖8及水箱壁上，还可以将换热管16安装在水箱壁上，热气流管4、回流管7在水箱外面进行保温处理；换热管16上端至溢流口封头1的热气流管4上端管留有至少1mm长度，用于存储系统运行中泄露的少量不可凝气体，以延长每次充液的使用期限；顶端是溢流口封头1，将热气流管4上端制成溢流口封头1，便于充装液体介质时排气和溢流，最后压堵封口密封，将换热管16制成螺旋盘管状(可以是蛇形管、栅形管)，螺旋上端与热气流管4中段的三通管15焊接连通，螺旋下端与回流管7连接，回流管7下端与充液三通阀11、集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热气流管4下端连接；采用1+n个集热/蒸发器12时，1+n个集热/蒸发器12的下端相互连接，1+n个集热/蒸发器12的上端与热气流管4下端顺坡连接成密封相通的并联闭路循环系统。并对溢流口封头1、热水管19、三通管15、换热管16、回流管7组成的换热器外表面进行防腐处理。
由图1、7可知，本发明另一实施例为防冻液式热交换器，由液位显示器17、气液连通管18、溢流口封头1、热水管19、热交换管20、热交换室21、回流管7、集热/蒸发器12构成。热水管19下端及回流管7安装在保温水箱底部的水箱封盖8及水箱壁上，热水管19上端是溢流口封头1，热交换管20上端至溢流口封头1的热水管19上端管留有至少1mm长度；将热交换管20两头缩口，中间为圆管、波纹管、螺旋管，套在热水管19外并密封两头，构成热交换室21，在热交换管20上端内缩口位置的热水管19壁上向下预先开设至少1个气液孔2，使热水管19与热交换室21相通，便于充装防冻液介质时排气及防冻液进入热交换管20的热交换室21内，热交换管20下端缩口位置与回流管7连接并密封，回流管7下端与充液三通阀11、集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热水管19下端连接成密封相通的循环系统；液位显示器17安装在水箱外壳适当位置，液位显示器17通过气液连通管18与热水管19、回流管7的任意一根连通并密封，以显示热水管19内的液位。并对溢流口封头1、热水管19、热交换管20、回流管7组成的换热器外表面进行防腐处理。
由图1、8可知，本发明另一实施例为防冻液盘管式热交换器，由液位显示器17、气液连通管18、排气管26、储液罐27、热水管19、三通管15、换热管16、回流管7、集热/蒸发器12构成。热水管19下端及回流管7安装在保温水箱底部的水箱封盖8及水箱壁上，热水管19上端有储液罐27，储液罐27内插入气液连通管18，气液连通管18经热水管19下端管壁开孔引出接气液连通管18，气液连通管18另一端与液位显示器17下端连通，液位显示器17上端接排气管26，液位显示器17安装在水箱外壳适当位置，以显示储液罐27内的；将换热管16制成螺旋管状(可以是蛇形管、栅形管)，螺旋上端与热水管19上段的三通管15焊接连通，螺旋下端与回流管7连接，回流管7下端与集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热水管19下端连接成的循环系统；并对储液罐27、热水管19、三通管15、换热管16、回流管7组成的换热器外表面进行防腐处理。
本发明防冻液式热交换器工作前，应对集热/蒸发器12、热水管19等组成的循环系统进行充装防冻液。当集热/蒸发器12开始集热工作时，防冻液介质受热密度减小，向上运动，进入热水管19，经过气液孔2进入热交换管20的热交换室21内与外面水箱冷水3进行热交换，防冻液冷却密度增大，向下运动，经回流管7返回到集热/蒸发器12内再次集热循环，周而复始给水箱冷水3加热。液位显示器17显示出热水管19内的液位，当防冻液蒸发液位低于下限值时，从溢流口封头1处添加防冻液或纯净水。
本发明防冻液盘管式热交换器工作前，应对集热/蒸发器12、热水管19等组成的循环系统进行充装防冻液。当集热/蒸发器12开始集热工作时，防冻液介质受热密度减小，向上运动，进入热水管19，经过三通管15进入换热管16内与外面水箱冷水3进行热交换，防冻液冷却密度增大，向下运动，经回流管7返回到集热/蒸发器12内再次集热循环，周而复始给水箱冷水3加热。液位显示器17显示出储液罐27内的液位，当防冻液蒸发液位低于下限值时，从排气管处添加防冻液或纯净水。
由图1至6可知，本发明超导热管式热交换器的充液装置由注液计量器9、电加热器14、活塞22、充液管10构成。在注液计量器9的一端与充液管10连接，靠近充液管10的注液计量器9内靠近充液管10处安装电加热器14，从另一端安装活塞22，注液计量器9壳面设计有容量刻度13。需要充液时将充液管10与充液三通阀11连接。
本发明超导热管式热交换器、超导热盘管式热交换器采用“注液排气/热蒸回流式”充液方法：
由图1至6可知，“注液排气/热蒸回流式”充液方法是：将热气流管4、回流管7顺坡安装在高于集热/蒸发器12、充液三通阀11的位置，先将超导液介质(超导液在常压常温及略低温环境下为液体)装入注液计量器9内，经充液管10与充液三通阀11连接，打开充液三通阀11的阀芯23，挤压注液计量器9内的活塞22，超导液介质经充液管10、充液三通阀11，向回流管7、集热/蒸发器12下端管组成的三通管及的闭路循环系统内注入，溢流口封头1开始排气，当溢流口封头1处向外溢流超导液介质时，将溢流口封头1压堵封口，记下注液计量器9的容量刻度13，使集热/蒸发器12集热，给冷凝套管5加热，再将电加热器14通电加热，使超导液受热蒸发，蒸气向上运动，压迫下面的超导液介质向注液计量器9回液，回液保留集热/蒸发器12内有适当的容量或当充液三通阀11开始冒蒸气时，关闭充液三通阀11的阀芯23，停止电加热，取下充液装置，即充液完成。
本发明超导热管式热交换器、超导热盘管式热交换器采用“喷气式”充液方法：
由图1至6可知，超导热管式热交换器、超导热盘管式热交换器的“喷气式”排气充液方法是：将热气流管4、回流管7安装在高于集热/蒸发器12、充液三通阀11的位置，先将超导液储液罐25(超导液在常温常压下为气体)的储液罐阀门24与充液管10连接，充液管10另一头与充液三通阀11连接，打开充液三通阀11的阀芯23，打开储液罐阀门24，储液罐内的超导液气体经充液管10、充液三通阀11，向回流管7、集热/蒸发器12下端管组成的三通管及的闭路循环系统内喷入，喷入的超导液气体分成两路，一路经集热/蒸发器12、热气流管4，向溢流口封头1排气；另一路经回流管7、冷凝室6、气液孔2、热气流管4向溢流口封头1排气，将管道内的不可凝气体排尽后，将溢流口封头1压堵封口，将超导液的液体介质灌入集热/蒸发器12内有合适的容量后，关闭储液罐阀门24及充液三通阀11的阀芯23，取下充液管10、储液罐25，即充液完成。
综合上述，本发明超导热管式热交换器及其充液方法，将分体的集热/蒸发器、1+n个集热/蒸发器与冷凝器、换热器组成一个较大的闭路相变循环热交换系统(防冻液自然循环热交换系统)，采用独特的注液排气/热蒸回流式充液方法，排气彻底，充装超导液介质简便，避免了因使用真空泵抽真空，排气残留不可凝气体造成的换热效率低下问题。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种超导热管式热交换器，由热气流管4、溢流口封头1、冷凝套管5、气液孔2、冷凝室6、回流管7、充液三通阀11、集热/蒸发器12构成，其特征在于热气流管4上端有溢流口封头1，冷凝套管5两头缩口，套在热气流管4中段外并密封两头，构成冷凝室6，在冷凝套管5上端缩口位置贴近热气流管4壁上向下预先开设至少1个气液孔2，在冷凝套管5下端缩口位置与回流管7连接并密封，热气流管4下端及回流管7安装密封在水箱封盖8及水箱壁上，回流管7下端通过充液三通阀11与集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热气流管4下端连接成密封相通的闭路循环系统。
2.一种超导热盘管式热交换器，由热气流管4、溢流口封头1、三通管15、换热管16、回流管7、充液三通阀11、集热/蒸发器12构成，其特征在于热气流管4上端有溢流口封头1，将换热管16制成螺旋盘管状(可以是蛇形管、栅形管)，螺旋上端与热气流管4中段的三通管15焊接连通，螺旋下端与回流管7连接，回流管7下端与充液三通阀11、集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热气流管4下端连接，采用1+n个集热/蒸发器时，1+n个集热/蒸发器12的下端相互连接，1+n个集热/蒸发器的上端与热气流管4下端顺坡连接成密封相通的并联闭路循环系统。
3.一种防冻液式热交换器，由液位显示器17、气液连通管18、溢流口封头1、热水管19、热交换管20、热交换室21、回流管7、集热/蒸发器12构成，其特征在于热水管19上端有溢流口封头1，热交换管20两头缩口，中间为圆管、波纹管、螺旋管，套在热水管19中段外并密封两头，构成热交换室21，在热交换管20上端内缩口位置的热水管19壁上向下预先开设至少1个气液孔2，使热水管19与热交换室21相通，热交换管20下端缩口位置与回流管7连接并密封，热水管19下端及回流管7安装在保温水箱底部的水箱封盖8及水箱壁上，回流管7下端与充液三通阀11、集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热水管19下端连接成密封相通的循环系统；液位显示器17安装在水箱外壳适当位置，气液连通管18与热水管19、回流管7的任意一根连通密封。
4.一种防冻液盘管式热交换器，由液位显示器17、气液连通管18、排气管、储液罐27、热水管19、三通管15、换热管16、回流管7、集热/蒸发器12构成，其特征在于热水管19上端有储液罐27，储液罐27内插入气液连通管18，气液连通管18经热水管19下端管壁开孔，由气液盒28引出接气液连通管18，气液连通管18另一端与液位显示器17下端连通，液位显示器17上端接排气管26，液位显示器17安装在水箱外壳适当位置；将换热管16制成螺旋管状(可以是蛇形管、栅形管)，螺旋上端与热水管19上段的三通管15焊接连通，螺旋下端与回流管7连接，热水管19下端及回流管7安装在保温水箱底部的水箱封盖8及水箱壁上，回流管7下端集热/蒸发器12下端连接，集热/蒸发器12上端与热水管19下端连接成的循环系统；
5.根据权利要求3、4所述的防冻液式热交换器、防冻液盘管式热交换器，其特征在于液位显示器17安装在水箱外壳适当位置，液位显示器17通过气液连通管18与热水管19、回流管7的任意一根连通并密封，以显示热水管19内的液位。
6.根据权利要求1至4所述的超导热管式热交换器、超导热盘管式热交换器、防冻液式热交换器、防冻液盘管式热交换器，其特征在于冷凝套管5上端有溢流口封头1，冷凝套管5上端至溢流口封头1的热气流管4上端管留有至少1mm长度；热交换管20上端有溢流口封头1，热交换管20上端至溢流口封头1的热水管19上端管留有至少1mm长度；换热管16上端有溢流口封头1，换热管16上端至溢流口封头1的热水管19上端管留有至少1mm长度；将热气流管4、溢流口封头1、冷凝套管5、回流管7组成的冷凝器外表面，溢流口封头1、热水管19、热交换管20、回流管7组成的换热器外表面，溢流口封头1、热水管19、三通管15、换热管16、回流管7组成的换热器外表面进行防腐处理。
7.一种超导热管式热交换器、超导热盘管式热交换器的“注液排气/热蒸回流式”充液方法：其特征在于将热气流管4、回流管7顺坡安装在高于集热/蒸发器12、充液三通阀11的位置，将装有超导液介质(超导液在常压常温及略低温环境下为液体)的注液计量器9通过充液管10与充液三通阀11连接，打开充液三通阀11的阀芯23，挤压注液计量器9内的活塞22，超导液介质经充液管10、充液三通阀11，向回流管7、集热/蒸发器12下端管组成的三通管及的闭路循环系统内注入，溢流口封头1开始排气，当溢流口封头1处向外溢流超导液介质时，将溢流口封头1压堵封口，记下注液计量器9的容量刻度13，让集热/蒸发器12集热，给冷凝套管5加热，再将电加热器14通电加热，使超导液介质产生热蒸汽，蒸汽向上运动，压迫下面的超导液介质向注液计量器9回液，回液保留集热/蒸发器12内有适当的容量或当充液三通阀11开始冒蒸气时，关闭充液三通阀11，停止电加热，取下充液装置，即充液完成。
8.一种超导热管式热交换器、超导热盘管式热交换器的“喷气式”排气充液方法：其特征在于将热气流管4、回流管7安装在高于集热/蒸发器12、充液三通阀11的位置，先将超导液储液罐25(超导液在常温常压下为气体)的储液罐阀门24与充液管10连接，充液管10另一头与充液三通阀11连接，打开充液三通阀11的阀芯23，打开储液罐阀门24，储液罐内的超导液气体经充液管10、充液三通阀11，向回流管7、集热/蒸发器12下端管组成的三通管及的闭路循环系统内喷入，喷入的超导液气体分成两路，一路经集热/蒸发器12、热气流管4，向溢流口封头1排气；另一路经回流管7、冷凝室6、气液孔2、热气流管4向溢流口封头1排气，将管道内的不可凝气体排尽后，将溢流口封头1压堵封口，将超导液的液体介质灌入集热/蒸发器12内有合适的容量后，关闭储液罐阀门24及充液三通阀11的阀芯23，取下充液管10、储液罐25，即充液完成。
9.根据权利要求1、2、7所述的超导热管式热交换器及其充液方法，其特征在于充液装置由注液计量器9、活塞22、电加热器14、充液管10构成，在管式注液计量器9的一端与充液管10连接，注液计量器9内靠近充液管10处安装电加热器14，从另一端安装活塞22，注液计量器9壳面设计有容量刻度13的容量刻度表，需要充液时将充液管10与充液三通阀11连接。
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