CN102538524A - 一种环路重力热管传热装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种环路重力热管传热装置，主要包括蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路，其中：蒸发器为管状，内部密封并装有工质，蒸汽管路的入口略探入蒸发器顶部，液体管路的出口穿过蒸发器顶部并插入至蒸发器底部；蒸汽管路的出口与冷凝器的上部连通，液体管路的入口与冷凝器下部连通。本发明一种环路重力热管传热装置，其热传输性能及使用扩展能力良好，可避免安装困难，满足任意大小的真空管集热器的热量传输需要，结构及制造工艺可靠且成本较低。

Description

一种环路重力热管传热装置

技术领域

本发明涉及一种能源利用领域的高效热传输装置，特别涉及一种新型环路重力热管传热原理及装置。

背景技术

环路重力热管传热装置在能源利用、尤其是在清洁能源利用领域具有普遍的应用。

例如，在青藏铁路的建设过程中，由于冬季和夏季的温差大，在冬季地表形成冻土层，到夏季受热地表软化，如果不加以控制，地表土壤的软硬变化将导致铁路路基失稳，从而带来灾害。在此，就利用了两相重力传热装置(俗称两相重力热管、热棒)来解决上述问题。当大气温度低于冻土的地温时，重力热管自动开始工作，源源不断地把冷量从环境空气中传入到地表下的土壤，从而实现冻土层厚度加大的目的(相应地可理解为利用热棒把深层土壤中的热量持续释放到环境冷空气中去)。当大气温度高于冻土地温，重力热管自动停止工作，不会将大气中的热量带入地基。青藏铁路有32公里路基采用了热棒措施，获得了基底地温降低、冻土上限上升的良好效果。

另外，近年来，随着世界范围内的能源危机，尤其是在2010年哥本哈根全球气候大会后，节能减排、绿色环保更是成为广泛共识。许多工业企业中的用热行业，也开始关注太阳能。改进太阳能集热器的结构，提高太阳能集热器的性能，已经成为当务之急。目前市场上针对太阳能集热器的热传输常用的方法包括以下几种：(1)单相(水)自循环；(2)单相(水)强迫循环；(3)(两相)重力热管；(4)(两相)环路重力热管。早期的热传输方法主要是第一种和第二种。然而单相水循环方式，由于工作介质-水具有很大的热容，再加上太阳热流密度不大(年平均200W/m2)，因此循环水温上升有限，并且单相流动换热系数也有限，即使对强迫循环而言，考虑到泵功率的消耗以及设备承压等问题，强化传热的效果也有限。

重力热管(thermosyphon heat pipe)，是现有比较成熟的传热装置，已经广泛使用在地热能利用以及太阳能热利用领域。重力热管的结构请参阅图1所示。重力式热管是利用重力作用，让处于负压密闭环境中的工质产生循环，使热量连续不断地从高温区(即吸热区)传递到低温区(即释热区)。由于利用了工质的相变传热，具有非常高的传热系数和较低的热阻，因此传热效率较高。但是，由于该重力热管在结构上的限制，每根热棒虽然外形尺寸较大，但是露在空气侧(即冷凝侧)的长度有限，无法得到足够的冷凝换热面，因此每根热管实际的热传输量有限，例如应用在青藏铁路上时，就需在铁轨两侧密集排列重力热管，才可达到需要的热传递效果，增加了施工成本和周期。同样，受制于重力热管的结构局限性，在太阳能热利用中，考虑到结构强度，也不能在冷凝侧(即蓄热罐)设置尺寸以及重量过大的蓄热或冷凝装置，因此现有的重力热管仍不能达到理想的传热效果。

而环路重力热管可以解决上述的问题。请参阅图2所示，为一款现有的环路重力热管示意图，环路重力热管主要包括带有蒸发槽道11的蒸发器10、冷凝器20、上行蒸汽管道30以及下行液体管道40。其中，冷凝器20布置在蒸发器10的上方，上行蒸汽管道30的两端分别与蒸发器10、冷凝器20的上方连接，下行液体管道40的两端分别与蒸发器10、冷凝器20的下方连通。工作时，位于蒸发器10内部的工作介质，接收从发热器件(例如平板集热器)传递过来的热量并蒸发，通过上行蒸汽管道30流到冷凝器20，在冷凝器20中把热量释放到蓄热罐或环境中，蒸汽冷凝转变为液体，并在重力作用下经由下行液体管道40返回蒸发器10，完成一次热力学循环。据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到蓄热介质中。环路重力热管由于采用了与蒸发器分体的冷凝器，可以通过任意增大或者改变冷凝器自身的结构和尺寸，因而可强化换热，降低热阻，提高热利用的效率。目前这种环路重力热管常见于和太阳能平板集热器配合使用。但是，现有的环路重力热管在实际使用中主要还存在以下问题：

1、该环路重力热管无法适用于现有太阳能真空管集热器上，由于真空管集热器为一端封闭的桶式结构，环路重力热管内部工质将无法从蒸发器下部进入蒸发器，并从上部离开蒸发器；

2、从地热利用考虑，现有的环路重力热管具有较高的施工难度，占地面积较大，工程造价也较高，不适于广泛推广。

由此可见，上述现有的传热装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种结构简单、轻便、造价低、易于安装、节省空间，且热传输效率高，可使用于太阳能真空管集热器上，并适用于地热利用等场合的新的环路重力热管传热装置，实属当前本领域的重要研究目标。

发明内容

本发明的目的是提出一种依靠重力循环的环路重力热管运行原理，并在此基础上，设计一款新型环路重力热管传热装置，该环路重力热管可以方便地使用在真空管集热器使用的场合以及地热利用的场合，可以实现高效热传输，同时具有轻便，易于安装，节省空间，造价低等特点，为地热利用以及太阳能热利用提供高效、廉价的热利用装置。

所要解决的技术问题是：(1)必须能够很好地满足真空管集热器的安装使用，达到和真空管充分并且有效地接触的目的；(2)可以最大程度地降低传热热阻，提高热传输效率，减少热损失；(3)其蒸发器结构节省空间，易于安装使用，易于真空管集热器维护/更换。并且所设计的环路重力热管结构制程简单可靠，成本较低，从而更加适于实用。本发明所提供的设计结构及制造工艺能够充分开拓环路重力热管的散热潜能。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下的技术原理方案来实现的：

为解决上述技术问题，本发明一种环路重力热管传热装置，主要包括蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路，其中：蒸发器为管状，内部密封并装有工质，蒸汽管路的入口略探入蒸发器顶部，液体管路的出口穿过蒸发器顶部并插入至蒸发器底部；蒸汽管路的出口与冷凝器的上部连通，液体管路的入口与冷凝器下部连通。

作为本发明的一种改进，所述的冷凝器为盘管式冷凝器。

所述的冷凝器为蛇形或螺旋形盘管式冷凝器。

所述的蒸汽管路或液体管路上设置有出口可封闭的三通结构。

所述的蒸发器、冷凝器为铜、铝或不锈钢材质；蒸汽管路、液体管路和三通结构为铜、铝、不锈钢或聚四氟乙烯材质。

所述的蒸发器与蒸汽管路、液体管路焊接或粘接，蒸汽管路、冷凝器、液体管路和三通结构焊接、粘接或一体成型。

所述的蒸发器内表面为光滑、沟槽、内螺旋沟槽表面或在内表面烧结有多孔材料层；冷凝器内壁面为光滑、直沟槽、螺旋沟槽或附着换热涂层的表面；蒸发器及冷凝器的外壁面为光滑表面或者设有翅片或肋结构。

所述的工质为水、丙酮、乙醇、三氧化二铝与水混合的纳米流体、氧化铜与水混合的纳米流体、氟利昂或液体金属。

所述的蒸发器为多个，相互并联，冷凝器设置在管路总路上。

采用这样的设计后，本发明至少具有如下优点：

1、本发明将液体管路直接内插入蒸发器外管内，可以很好地满足与太阳能真空管集热器等一端封闭的设备安装使用要求，达到和真空管充分、有效接触的目的；

2、本发明蒸发器内部为工作液体，工作液体受热沸腾产生蒸汽，蒸汽受热上升进入蒸发器顶部的蒸汽管路，通过液体管路和重力作用实现蒸发器内部液体和蒸汽的分离；

3、本发明提出了一种新的环路重力热管内部工质循环方法及原理，依靠重力作用以及管壁阻隔作用，可以使得在环路重力热管的蒸发器的一端实现液相和气相工质同时进出，而蒸发器另一端完全封闭；

4、依据本发明提出的一种特殊的蒸发器结构，通过和液体管路的配合使用，在重力作用下，可以实现控制工作介质在蒸发器内部单向流动的目的；

5、依据本发明提出的一种液体管路与蒸发器外管的结合结构，通过把液体管路内置于蒸发器外管内并插入至蒸发器外管底部，利用该结构达到把工质输送到蒸发器腔体内部的目的，同时起到在蒸发器内部隔绝蒸发区和液体区，以及实现液体有效持续补充的目的；

6、依据本发明提出的一种管道和壳体的结合结构，蒸发器、蒸汽管路、冷凝器以及液体管路分别或者同时通过焊接(软焊接，硬焊接或者扩散焊接)结合在一起。

7、本发明利用盘管式冷凝器增大了重力热管的冷端传热面积，最大程度地降低了传热热阻，提高了热传输效率，减少了热损失，并且节省安装空间，易于维护和更换；

8、本发明结构简单，易于加工，成本较低，从而更加适于实用，并能够充分开拓环路重力热管的散热潜能。

综上所述，本发明一种环路重力热管传热装置，其热传输性能及使用扩展能力良好，可避免安装困难，满足任意大小的太阳能真空管集热器的热量传输需要，结构及制造工艺可靠且成本较低。本发明具有上述诸多优点及实用价值，其不论在产品结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步，且较现有的只能适用于太阳能平板集热器的环路重力热管具有更加广泛的实用价值、突出的功效以及更低的成本，具有更加广泛的产业利用价值。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是现有两相重力热管的结构示意图。

图2是现有环路重力热管的结构示意图。

图3是本发明一种环路重力热管传热装置的结构示意图。

图4是本发明一种环路重力热管传热装置的蒸发器剖面结构示意图。

图5是本发明一种环路重力热管传热装置的蒸发器内壁结构示意图。

图6是本发明一种环路重力热管传热装置的蛇形冷凝器结构示意图。

图7是本发明一种环路重力热管传热装置的冷凝器内壁结构示意图。

图8是本发明一种环路重力热管传热装置的三通结构示意图。

图9是本发明一种环路重力热管传热装置的地热应用示意图。

图10是本发明一种环路重力热管传热装置的太阳能热应用示意图。

图11是本发明一种环路重力热管传热装置的并联结构示意图。

具体实施方式

请参阅图3所示，本发明一种环路重力热管传热装置，主要包括蒸发器1、冷凝器2、蒸汽管路3和液体管路4。

其中，请配合参阅图4所示，蒸发器1为管状蒸发器，内部密封并装有工质7，蒸汽管路3的入口略探入蒸发器1的顶部，液体管路4的出口穿过蒸发器1顶部并插入至蒸发器1的底部。蒸发器1的管壳内表面可以为图5(a)所示的光滑表面，也可以是其它结构表面以增强沸腾换热以及液体回流能力，例如图5(b)所示的直沟槽表面、图5(c)所示的螺旋沟槽表面，该螺旋沟槽结构可以是连续的，也可以是断续的，还可以如图5(d)所示，在其内表面烧结一层多孔材料，该多孔材料为普通烧结热管所通用的材料以及加工方法制备而成，以满足不同使用目的及加工需求。

冷凝器2优选为盘管式冷凝器，其上部入口与蒸汽管路3的出口连通，下部出口与液体管路4的入口连通。盘管的造型可以选择如图3所示的螺旋形、图6所示的蛇形或其他结构，加工方法为通用的铜管折弯法。盘管每一圈的直径或者形状可以相同、也可以不相同。冷凝器2的内壁面可以是光滑表面，也可以做出各种强化冷凝换热的结构，例如直沟槽、螺旋沟槽表面，或者在表面附着一层如图7所示的功能强化冷凝换热表面涂层(例如特氟隆Teflon)等；冷凝器2的外壁面可以是光滑表面，也可以加工有各种强化换热表面，例如设置翅片或肋表面，或者是和各种强化换热翅片结构的结合，其结构与普通空调冷凝器盘管-翅片结构基本一致，这里就不详细描述。

请配合参阅图8所示，可以在蒸汽管路3或液体管路4上设置出口可封闭的三通结构5，该三通结构5的出口可作为抽真空或罐装工质的专用接口，其在环路重力热管中的位置是可根据制造者的经验设置的，其材料应该和相连接的管材一致，并且通过焊接的方式与环路重力热管相连接(包括钎焊或者氩弧焊等)。在环路重力热管制造过程中，当所有的组件连接完毕，把三通结构5空置的一端与抽真空以及工质灌装装置连接在一起，等所需工质量充装完毕，把三通与同充装工质设备相连接的一端封闭，封闭方法可以是先通过冷焊法封闭，然后通过焊接法彻底封闭，该过程和制做方式与普通热管的制做方式完全一致，这里就不详细描述。

上述蒸发器1、冷凝器2是由具有高导热性能的管壳材料制成，例如铜、铝或不锈钢等。蒸汽管路3、液体管路4和三通结构5可以是具有高导热性能的铜、铝、不锈钢等金属管，也可以是其它非金属材料，例如聚四氟乙烯等。工质7可以是水、丙酮、氨、乙(二)醇、氟利昂类工质以及混合物(包括三氧化二铝与水混合的纳米流体、氧化铜与水混合的纳米流体等功能纳米流体)，或者金属(例如钠、锂等)，以及其他适于热管运行的所有工质。

蒸发器1与蒸汽管路3、液体管路4相连接处，可以通过焊接法(例如钎焊或者氩弧焊等)或者粘接法相连接。蒸汽管路3、冷凝器2、液体管路4和三通结构5焊接(软焊接，硬焊接或者扩散焊接)、粘接或一体成型，节省加工时间和成本。

需要说明的是，蒸汽管路3、液体管路4的管径尺寸可以保持一致或在不同弯折或结构处有所改变，也可以由两根以上管材拼接而成；冷凝器2管路尺寸以及内部结构可以和蒸汽管路3以及液体管路4相同或不相同，以满足不同使用以及强化对流换热的目的。

工作时，蒸发器1外表面接收从发热器件传递过来的热量，工质7在蒸发器1内部吸热发生沸腾相变从而产生蒸汽，蒸汽上升至蒸发器1顶部，进入蒸汽管路3。工质7发生相变以后产生的蒸汽只能进入蒸汽管路3，而无法进入液体管路4，其原因是在重力作用下，蒸汽密度小，受浮力作用在液体中上升，从而进入蒸发器1的上半部分空间，而蒸发器1底部温度主要是来自于液体管路4的液体，温度低，密度大，因此在液体管路4出口处蒸汽产生的可能性不大，因此实现了液体以及蒸汽的单向循环流动，并通过液体管路4壳壁的阻隔以及重力共同作用实现了液体与气体的分离。这也是本发明所提出的新的环路重力热管蒸发器的运行原理。

蒸汽经蒸汽管路3进入盘管式冷凝器2，蒸汽在冷凝器2中通过，把热量释放到流过冷凝器2的环境介质中(例如空气或者水等)，蒸汽经自然冷却或强制冷却后转变为液体，液体在重力的作用下经由液体管路4返回到蒸发器1，完成一次热力学循环。据此循环往复，持续不断地把热量从发热器件释放到周围空气中。

请参阅图9所示，为本发明环路重力热管传热装置的地热直接利用示意图。工作时，蒸发器1吸收来自深层土壤8的热量，液体在蒸发器1内部受热蒸发，然后进入蒸汽管路3，通过蒸汽管路3再进入冷凝器2，冷凝器2向冷空气环境释放热量，内部蒸汽变成液体，然后回到液体管路4，并在重力作用下返回蒸发器1，循环往复从而实现连续散热的目的。

再请参阅图10所示，为本发明一个具体应用实例的结构示意图。图中所示为一款带有环路重力热管太阳能热水器的示意图。蒸发器1与真空管9同心定位，工作时，真空管9吸收来自太阳的辐射能，液体在蒸发器1内部受热蒸发，然后进入蒸汽管路3，通过蒸汽管路3再进入冷凝器2，冷凝器2置于储水罐中，储水罐中的水吸收来自环路重力热管冷凝器2释放的热量，冷凝器2中蒸汽释放热量变成液体，回到液体管路4，并在重力作用下进入蒸发器1，循环往复从而实现连续不断地散热的目的。在环路重力热管制备好后，将抽真空/工质灌装的三通结构5的出口端封闭。

再请参阅图11所示，为本发明一个具体应用实例的结构示意图。图中所示有并联的蒸发器1，冷凝器2设置在管路的总路上。工作时，蒸发器1内部的工质受热蒸发，然后进入各自的蒸汽管路3，通过蒸汽管路3再进入冷凝器2，冷凝器2置于储水罐中，储水罐中的水吸收来自环路重力热管冷凝器2释放的热量，冷凝器2中蒸汽释放热量变成液体，回到液体管路4，并在重力作用下进入每个蒸发器1，循环往复从而实现连续不断地散热的目的。

本发明是一种带有回液管内插式蒸发器的环路重力热管，通过管路设置和重力配合，实现工质在蒸发器内部的单向流动和高效传热的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种环路重力热管传热装置，其特征在于主要包括蒸发器、冷凝器、蒸汽管路和液体管路，其中：

蒸发器为管状，内部密封并装有工质，蒸汽管路的入口略探入蒸发器顶部，液体管路的出口穿过蒸发器顶部并插入至蒸发器底部；

蒸汽管路的出口与冷凝器的上部连通，液体管路的入口与冷凝器下部连通。

2.根据权利要求1所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的冷凝器为盘管式冷凝器。

3.根据权利要求2所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的冷凝器为蛇形或螺旋形盘管式冷凝器。

4.根据权利要求1所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的蒸汽管路或液体管路上设置有出口可封闭的三通结构。

5.根据权利要求4所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的蒸发器、冷凝器为铜、铝或不锈钢材质；蒸汽管路、液体管路和三通结构为铜、铝、不锈钢或聚四氟乙烯材质。

6.根据权利要求5所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的蒸发器与蒸汽管路、液体管路焊接或粘接，蒸汽管路、冷凝器、液体管路和三通结构焊接、粘接或一体成型。

7.根据权利要求1所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的蒸发器内表面为光滑、沟槽、内螺旋沟槽表面或在内表面烧结有多孔材料层；冷凝器内壁面为光滑、直沟槽、螺旋沟槽或附着换热涂层的表面；蒸发器及冷凝器的外壁面为光滑表面或者设有翅片或肋结构。

8.根据权利要求1所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的工质为水、丙酮、乙醇、三氧化二铝与水混合的纳米流体、氧化铜与水混合的纳米流体、氟利昂或液体金属。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种环路重力热管传热装置，其特征在于所述的蒸发器为多个，相互并联，冷凝器设置在管路总路上。

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