CN102748969A - 一种动力热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力热管系统，主要由冷凝器、回气装置、循环泵、蒸发器、储液罐和电路控制元件构成；所述冷凝器和蒸发器这两个实现能量的输运的换热器直接通过相互之间的管道连接起来；所述回气装置的进气端接入储液罐内的工作介质的液面上部，输出端接入冷凝器进气端；所述循环泵接入冷凝器的出液端和储液罐的进液端之间；所述电路控制元件控制着系统的运行状态；这种动力热管系统通过储液罐、回气装置和循环泵的设计，解决了热管换热设备中气液分离不彻底以及循环动力不足的问题，提高热管工作效率和实用性，并且所用整个系统装置结构简单，环境友好。

Description

一种动力热管系统

技术领域

本发明涉及热交换技术领域，具体的说，涉及一种新型的热管换热系统，特别是一种带循环泵的分体式热管装置。

背景技术

热管作为高效传热元件，在工程中的应用日益普及。热管不仅在余热回收、电子元器件冷却等方面得到广泛的应用，而且在传统的传热传质设备领域中，热管有替代循环水、循环油和水蒸汽传热的趋势。在环境温度较低时，热管还可以替代目前的空调系统，作为电子设备、电力设备、计算机房、通信机房的散热控温元件。

热管有多种结构形式，也有多种分类方法。按液体工作介质的回流动力进行分类，热管可为表面张力热管、重力热管、离心热管、脉动热管和动力热管等几大类。表面张力热管靠吸液芯对液体产生的表面张力回流液体；重力热管靠重力回流液体；离心热管靠转动产生的离心力回流液体；脉动热管靠蒸发产生气泡的膨胀力推动循环；这些热管的共同特点是热管内部没有运动部件，其优点是结构简单，适合小型化、微型化，其缺点是循环动力较弱，不适合大功率、远距离传输热量。

动力热管是指外加循环驱动力的热管系统，这种驱动力通常表现为一种特定形式的流体循环泵。动力热管的基本结构包括蒸发器、冷凝器、储液罐、循环泵四个部分，它们相互连接构成一个封闭循环回路，抽真空后加入工作介质就构成一个完整的动力热管。动力热管工作时，循环泵从储液罐抽出液态工作质送入蒸发器，液态工作质在蒸发器内受热蒸发变为气体，气体工作质通过导管进入冷凝器，并在冷凝器中冷却凝结成液体，液体工作质再经导液管流回储液罐，从而完成热管循环，同时热量从蒸发器端的高温热源流向冷凝器端的低温热源。动力热管的优点是循环动力强大，适合大功率、远距离传输热量。

上述动力热管系统要想实现理想的工作状态下，它的冷凝器必须具有良好的气液分离功能。如果在冷凝器中工质气液分离不充分，气体工质就会不断进入储液罐并形成积累。这种现象会造成两种结果：一是如果系统中的总气体工作质体积小于储液罐容积，气体工质在储液罐中的积累，最终导致全部气态工作质都积累到了储液罐，这时循环泵、蒸发器、冷凝器内流动的是单一液相工质，整个系统形成液体循环状态；在液态循环状态下，没有蒸发和冷凝过程，系统也就没有了热管传热功能，而且一旦形成的液体循环状态不能在工作状态下恢复正常，只有停机再重新开机才能恢复正常。二是如果系统中的总气体工作质体积大于储液罐容积，气体工质在储液罐中的积累，最终导致气态工质充满储液罐，这时循环泵将吸入气体，而动力热管系统的循环泵通常是为输送液体而设计的，气体的吸入会造成泵压急剧下降，从而造成循环动力不足，并造成蒸发器供液困难。为了使冷凝器具有彻底的气液分离功能，冷凝器通常采用直径较大、相互并联、竖立排管结构，这种结构散热效率较低，且体积较大。总之，目前的动力热管存在气液分离困难和循环动力不足的问题。正因为这样，动力热管并没有得到推广应用。

发明内容

本发明提供的一种新型的热管制冷装置技术——一种动力热管装置，就是为了解决目前动力热管工作时存在的气液分离不彻底和循环动力不足的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种动力热管装置，包括冷凝器、蒸发器、回气装置、循环泵、储液罐、相互连接管道和电路控制元件；所述冷凝器的输出端连接储液罐，其两者接口位于储液罐内的工作介质液面之上部，蒸发器输入端连接储液罐，其两者接口位于储液罐内的工作介质液面之下部，回气装置的输入端接入储液罐内工作介质液面上部，回气装置的输出端接入冷凝器的输入端；循环泵安装在储液罐和冷凝器之间，主要为整个系统提供动力支持；所述电路控制元件控制着系统中循环泵的开启和运转状态；此系统工作时，冷凝器与低温热源接触，气态工作介质在冷凝器内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体工作介质在循环泵的带动下，它们从冷凝器流出进入储液罐中，在储液罐中进行彻底的气液分离，气态中间介质通过回气装置进入到冷凝器导气管中进行下一次循环，液态制冷剂从蒸发器输入端输出，经蒸发器导液管进入到蒸发器中，蒸发器与高温热源接触，液态工作介质在蒸发器内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体中间介质在高速流动中相互混合形成气液二相流体以及通过回气装置输出的气态制冷剂，它们从冷凝器输入端进入到冷凝器中，这样就组成一种新型节能热管换热装置的循环过程。

以上所述回气装置可以是一个回气管，其输入端与储液罐相连接，且位置处于储液罐内液态制冷剂的液面上部，回气管的输出端和蒸发器回气管的输出端由一个三通管连接于冷凝器导气管的输入端，此回气管应选择储液罐到三通管的距离相匹配的长度，其流量有回气管的管径大小来控制，使经过回气管回流的气态制冷剂流量和进入冷凝器导气管的总流量相匹配，实现整个循环回路中形成一个稳定的气液换热循环。

以上所述回气装置可以是一排回气孔，其包含孔的数量可以是一个或者多个，回气孔的位置处于二相流管上，按照其管内工质流动方向依次分布，且此装置要求二相流管上分布有回气孔的管道部分位于储液罐内，其管道位置在储液罐内液面的上部，通过回气孔的气态制冷剂的流量有其孔的个数和孔径的大小来控制，使经过回气孔回流的气态制冷剂流量和进入冷凝器导气管的总流量相匹配，实现整个循环回路中形成一个稳定的气液换热循环。

以上所述储液罐为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐的功能是实现循环工作介质的气液分离和储存工作介质；储液罐容积大小应与蒸发器和冷凝器的容积相匹配，其容积应是大于蒸发器的容积，而小于蒸发器、冷凝器和整个系统的管路的总容积；系统内的工作介质液体所占的体积应是大于蒸发器的容积，但小于蒸发器与储液罐的容积之和；储液罐实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在蒸发器和储液罐接口处设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。

以上所述循环泵应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流循环泵，可以选为齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵、往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂可以同时通过，并可通过调节循环泵流量来实现调节系统传热量。

所述电路控制元件，主要是通过一些温度检测设备监控着高温环境和低温环境的一些温度变化，当高温环境端和低温环境端之间的温度差超过一定值时就会自动控制着循环泵的开启，该系统就开始了工作，当高温环境端和低温环境端之间的温度差小于一定值时就会自动控制着循环泵的关闭，由于不满足了工作条件，该系统就停止工作。

针对现有热管必须考虑热管系统运行时两个热交换器的高低位置差问题和制冷剂远距离输送问题，该系统中加入了输送动力（循环泵），在加入输送动力后，液态制冷剂和气态制冷剂的状态运行问题就得到了改善，整个热管的动力就不再是现有热管那种完全依靠气液自身属性产生的微小动力，而是循环泵产生的机械动力——可以使气态制冷剂向管路下部运动，液态制冷剂向管路上部运动；加入循环泵的同时也解决了热量传送距离的问题，因为有了输送动力，该系统远距离输送时的动力不再是靠系统内气态冷凝剂蒸发时产生的微小压差来实现，而是使用系统中加入的循环泵产生的机械动力来运作，所以当系统中的蒸发器（高温端）和冷凝器（低温端）距离较远时，也可以采用较为节能的细导热管传递制冷剂。

为了解决加入循环泵后出现的因气液分离不彻底而产生的效率低下问题，该系统中加入了储液罐以及回气装置，通过储液罐对系统管路中气液混合制冷剂进行过滤，而过滤后的气态制冷剂通过回气装置又回到了冷凝器中，这样在实现气液分离的同时提高了热管效率。

该系统内部所充的中间工作介质（系统内制冷剂）的选择，所选中间工作介质的气液临界点必须保持在工作温度的高温区温度和低温区温度之间，例如当工作温区在30°左右时，可以用氟利昂作为中间工作介质，工作温区在100°左右时，可以用水作为中间工作介质；另一点是工作中间介质充入系统后，系统内部压力必须高于一个大气压强，以确保空气不会进入系统内，造成系统损害；第三点是中间工作介质的选择必须和制造管路的材料相吻合，不能出现两者相损害现象。

通过加入储液罐以及储液罐和各个设备接管问题的设计就解决了现有热管中气液制冷剂分离不彻底的问题，提高了每次设备循环一周的换热效率，再通过系统中加入的气液循环泵，给整个热管系统提供了运行动力，这也就解决了传统热管系统运行时两个热交换器的高低位置差以及输送距离问题，从而降低了设备的使用条件限制，大幅度提高热管的换热效率。    

附图说明

图1为该系统的简单结构示意图。

图2为该系统的回气装置为一个有一定截面的回气管的简单结构示意图。

图3为该系统的回气装置为一排回气孔的简单结构示意图。

图中：（1）冷凝器；（2）蒸发器；（3）循环泵；（4）储液罐；（5）冷凝器导液管；（6）循环泵送液管；（7）蒸发器导液管；（8）蒸发器导气管；（9）冷凝器导气管；（10）三通管；（11）回气管；（12）二相流管；（13）~（15）管道端口；（16）回气孔；（17）回气装置。

具体实施方式一

如图2所示一种动力热管装置，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、循环泵（3）、储液罐（4）、回气管（11）、相互连接管道和电路控制元件，所述循环泵的输出端（13）连接储液罐（4），其两者接口（13）位于储液罐（4）内的工作介质液面之上部，蒸发器输入端（14）连接储液罐（4），其两者接口（14）位于储液罐（4）内的工作介质液面之下部，回流管（11）的气态制冷剂输入端接入储液罐（4）内工作介质液面上部，回气管（11）的气态制冷剂输出端接入冷凝器导气管（9）；循环泵（3）安装在储液罐（4）和冷凝器（1）之间，主要为整个系统提供动力支持；所述电路控制元件控制着系统中循环泵（3）的开启和运转状态；此系统工作时，包含一个由冷凝器（1）、冷凝器导液管（5）、循环泵（3）、循环泵送液管（6）、储液罐（4）、蒸发器导液管（7）、蒸发器（2）、蒸发器导气管（8）以及冷凝器导气管（9）顺次连接形成的大循环和一个由冷凝器（1）、冷凝器导液管（5）、循环泵（3）、循环泵送液管（6）、储液罐（4）、回流孔（11）以及冷凝器导气管（9）顺次连接形成的小循环，冷凝器（1）与低温热源接触，气态工作介质在冷凝器（1）内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体工作介质在循环泵（3）的带动下，它们从冷凝器（1）流出进入储液罐（4）中，在储液罐（4）中进行彻底的气液分离，气态中间介质通过回气管（11）进入到冷凝器导气管（9）中进行下一次循环，液态制冷剂从储液罐（4）输出，经蒸发器导液管（7）进入到蒸发器（2）中，蒸发器（2）与高温热源接触，液态工作介质在蒸发器（2）内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体中间介质在高速流动中相互混合形成气液二相流体以及通过回气管（11）输出的气态制冷剂，它们从冷凝器导气管（9）进入到冷凝器（1）中，这样就组成一种新型节能热管换热装置的循环过程。

系统焊接安装完毕后，先对该系统进行检漏，如果没有发现泄露部分，就对该系统进行抽真空，抽完真空后才向其内部加入制冷剂，这样系统的前期准备工作完成了。

当高温环境端比低温环境端温度相差范围没达到系统工作所需环境时，电路控制元件通过温度检测部分传出的信号，关闭循环泵（3），该系统处于停止状态；当高温环境端比低温环境端温度高出一定值时，由电路控制中检测温度部分检测到信号，再由控制电路控制着循环泵（3）自动开启，整个系统就处于正常运行状态。

该系统的工作过程是一种理想的工作状态，只能把高温能量带向低温处，不能把低温能量搬向高温处，而且系统安装完毕后冷凝器（1）和蒸发器（2）的工作性质不能调换，只能把单一地方的热量传送到低温区。

具体实施方式二

图3在图2所示一种动力热管装置的基础上，回气装置（17）是一排回气孔（16），回气孔（16）的位置处于二相流管（12）上按管内工质流动方向依次分布，且此装置要求二相流管（12）上分布有回气孔的管道部分处于储液罐（4）内，其位置在储液罐（4）内液面上部, 在储液罐（4）中气液分离出的气态中间介质经回气孔（16）回流至二相流管（12）最后进入冷凝器（1）进行下一次循环，其他部件和具体实施方式一相同。

Claims (7)

1.一种动力热管装置，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、导气管、导液管和电路控制元件，其特征在于，还包括回气装置（17）、循环泵（3）、储液罐（4）三部分；所述循环泵的输出端（13）连接储液罐（4），其两者接口（13）位于储液罐（4）内的工作介质液面之上部，蒸发器输入端（14）连接储液罐（4），其两者接口（14）位于储液罐（4）内的工作介质液面之下部，回气装置（17）的输入端接入储液罐（4）内工作介质液面上部，回气装置（17）的输出端接入冷凝器（1）输入端；循环泵（3）安装在储液罐（4）和冷凝器（1）之间，主要为整个系统提供动力支持；所述电路控制元件控制着系统中循环泵（3）的开启和运转状态；此系统工作时，冷凝器（1）与低温热源接触，气态工作介质在冷凝器（1）内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体工作介质在循环泵（3）的带动下，它们从冷凝器（1）流出进入储液罐（4）中，在储液罐（4）中进行彻底的气液分离，气态中间介质通过回气装置（17）进入到冷凝器导气管（9）中进行下一次循环，液态制冷剂从蒸发器输入端（14）输出，经蒸发器导液管（7）进入到蒸发器（2）中，蒸发器（2）与高温热源接触，液态工作介质在蒸发器（2）内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体中间介质在高速流动中相互混合形成气液二相流体以及通过回气装置（17）输出的气态制冷剂，它们从冷凝器（1）输入端进入到冷凝器（1）中，这样就组成一种新型节能热管换热装置的循环过程。

2.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述回气装置（17）可以是一个回气管（11），其输入端（15）与储液罐（4）相连接，且位置处于储液罐（4）内液态制冷剂的液面上部，回气管（11）的输出端和蒸发器导气管（8）的输出端由一个三通管（10）连接于冷凝器导气管（9）的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述回气装置（17）可以是一个回气管（11），由回气管（11）的管径大小来控制气态制冷剂的流量，使经过回气管（11）回流的气态制冷剂流量和进入冷凝器回气管的总流量相匹配，实现整个循环回路中形成一个稳定的气液换热循环。

4.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述回气装置（17）可以是一排回气孔（16），其包含孔的数量可以是一个或者多个，回气孔（16）的位置处于二相流管（12）上按管内工质流动方向依次分布，且此装置要求二相流管（12）上分布有回气孔的管道部分处于储液罐（4）内，其位置在储液罐（4）内液面上部。

5.根据权利要求4所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述回气装置（17）可以是一排回气孔（16），由回气孔（16）的数量和孔径的大小来控制气态制冷剂的流量，使经过回气孔（16）回流的气态制冷剂流量和进入冷凝器导气管的总流量相匹配，实现整个循环回路中形成一个稳定的气液换热循环。

6.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述储液罐（4）为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐（4）的功能是实现循环工作介质的气液分离和储存工作介质；储液罐（4）容积大小应与蒸发器（2）和冷凝器（1）的容积相匹配，其储液罐容积应是大于蒸发器（2）的容积，而小于蒸发器（2）、冷凝器（1）和整个系统的管路的总容积；系统内的工作介质液体所占的体积应是大于蒸发器（2）的容积，但小于蒸发器（2）与储液罐（4）的容积之和；储液罐（4）实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在蒸发器（2）和储液罐（4）接口（13）处设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。

7.根据权利要求1所述的一种动力热管装置，其特征在于，所述循环泵（3）应选用能够同时输送气体和液体的容积式气液二相流循环泵，可选择齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵、往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂可以同时通过，并可通过调节循环泵流量来实现调节系统传热量。

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