CN102767980B - 一种二相流动力热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二相流动力热管系统，主要由冷凝器、储液分流装置、循环泵、蒸发器和电路控制元件构成；所述储液分流装置有储液罐、导气管的输入输出端以及回流孔构成，以实现气液二相流的收集、彻底分离与分流，使整个系统有一个稳定的气液二相流的循环；所述回流孔有回液孔和回气孔两种形式，回气孔位置处于储液罐内液面之上，回液孔位置处于储液罐内液面之下；所述冷凝器和蒸发器这两个换热器目的是实现能量的输运；所述循环泵接入蒸发器的进液端和冷凝器出液端之间；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分流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

一种二相流动力热管系统

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二相流热管系统。

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换热装置技术——一种二相流动力热管系统，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：

一种二相流动力热管系统，包括冷凝器、蒸发器、储液分流装置、循环泵和电路控制元件；以上所述冷凝器和蒸发器这两个换热器目的是实现能量的输运；所述储液分流装置接入蒸发器导气管和冷凝器导气管之间，其功能是储存工作介质，实现工作介质的气液分离，合理分配循环回路中的液体工作介质和气体工作介质的流量比例，以在循环回路中形成稳定的工作介质二相流；所述循环泵接入蒸发器导液管和冷凝器导液管之间，其功能是为二相流动力热管系统提供循环动力；所述电路控制元件控制着系统的运行状态。

以上所述储液分流装置连接于蒸发器导气管和冷凝器导气管之间，其包括储液罐、冷凝器输入端、回流孔一以及蒸发器输出端四个部分；所述回流孔一中包含孔的数量可以是一个或多个，主要是起到回液的作用，其位置按照一定间隔沿储液罐内冷凝器导气管的输送方向纵向分布；所述蒸发器输出端位于储液罐内液态制冷剂液面的上部，冷凝器输入端位于储液罐内液态制冷剂液面的上部，但是冷凝器导气管处于储液罐内的部分位于储液罐内液态制冷剂液面的下部；所述蒸发器、储液分流装置、冷凝器及循环泵通过相互间连接管道按上述顺序连接成一个单向二相流动力热管系统。

以上所述储液分流装置连接于蒸发器导气管和冷凝器导气管之间，其包括储液罐、冷凝器输入端、回流孔一、回流孔二以及蒸发器输出端五个部分；所述回流孔一和回流孔二中包含孔的数量可以是一个或多个，其位置按照一定间隔沿储液罐内蒸发器导气管和冷凝器导气管的输送方向纵向分布；所述蒸发器导气管和冷凝器导气管位于储液罐内的部分处于储液罐内液态制冷剂液面的下部，但是冷凝器输入端和蒸发器输出端都必须位于储液罐内液态制冷剂液面的上部；所述蒸发器、储液分流装置、冷凝器及循环通过相互间连接管道按上述顺序连接成一个双向二相流动力热管系统。

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、储存及分流；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，也可以在储液罐的制冷工质输入端设置滤网或挡板，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。

以上所述的回流孔一和回流孔二都有回液孔和回气孔两种形式，回气孔位置处于储液罐内液面之上，回液孔位置处于储液罐内液面之下，其也可以是一条沿纵向分布的回流缝，其可以代替多个纵向分布回流孔的作用，回流孔或者回流缝中流入的少量气态或者液态制冷剂的流量有其孔径大小和个数或者缝隙宽度和长度来控制，也就是经储液分流装置内液态工质液面高低来控制回流孔中的孔的个数或者回流缝的长度，使其流入的液态或者气态的补充量适宜，来满足整个循环系统的二相流循环的需求。

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分流装置，通过储液分流装置中的储液罐对系统管路中气液混合制冷剂进行过滤，通过储液分流装置中的回流孔对处于不同环境中的整个系统有一个稳定的二相流循环，这样在实现气液分离、储存和分流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。

通过加入储液分流装置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，不仅提高了每次设备循环一周的换热效率，而且实现了整个系统循环的稳定性，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，并且所用整个系统装置结构简单，环境友好。

附图说明

图1为该系统的第一种实施方式结构示意图。

图2为该系统的第二种实施方式结构示意图。

图3为该系统回流孔和回流缝的平面结构示意图。

图中：（1）冷凝器；（2）蒸发器；（3）储液分流装置；（4）循环泵；（5）储液罐；（6）冷凝器导液管；（7）蒸发器导液管；（8）蒸发器导气管；（9）冷凝器导气管；（10）蒸发器输出端；（11）冷凝其输入端；（12）回流孔一；（13）回流孔二。

具体实施方式一

图1所示一种二相流动力热管系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、储液分流装（3）置、循环泵（4）以及相互连接管道，所述储液分流装置（3）连接于蒸发器导气管（8）和冷凝器导气管（9）之间，其包括储液罐（5）、冷凝器输入端（11）、回流孔一（12）以及蒸发器输出端（10）四个部分；所述回流孔一（12）中包含孔的数量可以是一个或多个，主要是起到回液的作用，其位置按照一定间隔沿储液罐（5）内冷凝器导气管（9）的输送方向纵向分布；所述蒸发器输出端（10）位于储液罐（5）内液态制冷剂液面的上部，冷凝器输入端（11）位于储液罐（5）内液态制冷剂液面的上部，但是冷凝器导气管（9）处于储液罐（5）内的部分位于储液罐（5）内液态制冷剂液面的下部；所述蒸发器（2）、储液分流装置（3）、冷凝器（1）及循环泵（4）通过相互间连接管道按上述顺序连接成一个单向二相流动力热管系统；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输送泵（4）的带动下，它们从冷凝器（1）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，它们从蒸发器输出端（10）流入储液分流装置（3）中，气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在储液罐内分离，气态中间介质通过冷凝器输入端（11）和部分来补充整个循环稳定的少量液态中间介质通过回流孔一（12）一起进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，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（4），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（4）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

在特定环境下为了使该系统中冷凝器（1）和蒸发器（2）的功能调换，也就是冷凝器（1）起到蒸发器的作用，蒸发器（2）起到冷凝器的作用，在具体实施方式一的基础上进行改进。

循环泵（3）由单向循环泵换成可以直接改变方向的双向动力电机系统（比如罗茨电机），蒸发器导气管（8）处于储液分流装置（3）内的部分和冷凝器导气管（9）处于储液分流装置（3）内的部分设计相同，都是有一部分处于储液罐（5）内液面下部，上面分别分布具有一定间隔的回流孔二（13）和回流孔一（12），并且蒸发器输出端（10）和冷凝器输入端（11）都处于储液罐（5）内液面上部，该实施方式简单结构示意图如图2所示。

整个系统的正向和反向除了改变循环泵（4）的抽送方向，其他部件的启动和运行过程与具体实施方式一相同。

Claims (8)

1.一种二相流动力热管系统，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，还包括储液分流装置（3）和循环泵（4）两个部分；所述冷凝器（1）和蒸发器（2）这两个换热器目的是实现能量的输运；所述储液分流装置（3）接入蒸发器导气管（8）和冷凝器导气管（9）之间，其功能是储存工作介质，实现工作介质的气液分离，合理分配循环回路中的液体工作介质和气体工作介质的流量比例，以在循环回路中形成稳定的工作介质二相流；所述储液分流装置（3）包括储液罐（5）、冷凝器输入端（11）、回流孔一（12）、回流孔二（13）以及蒸发器输出端（10）五个部分；所述回流孔一（12）和回流孔二（13）分别都有回液孔和回气孔两种形式；所述蒸发器导气管（8）和冷凝器导气管（9）位于储液罐（5）内的部分处于储液罐（5）内液态制冷剂液面的下部，但是冷凝器输入端（11）和蒸发器输出端（10）都必须位于储液罐（5）内液态制冷剂液面的上部；所述循环泵（4）接入蒸发器导液管（7）和冷凝器导液管（6）之间，其功能是为二相流动力热管装置提供循环动力；所述电路控制元件控制着系统的运行状态；所述蒸发器（2）、储液分流装置（3）、冷凝器（1）及循环泵（4）通过相互间连接管道按上述顺序连接成一个双向二相流动力热管系统。

2.根据权利要求1所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述回流孔一（12）和回流孔二（13）中包含孔的数量是一个或多个。

3.根据权利要求1所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述回流孔一（12）和回流孔二（13）的位置按照一定间隔沿储液罐（5）内蒸发器导气管（8）和冷凝器导气管（9）的输送方向纵向分布。

4.根据权利要求1所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述储液罐（5）为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐（5）的功能是实现循环工作介质的气液分离、储存及分流；储液罐（5）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（5）的容积之和；储液罐（5）实现气液分离的方式选择简单的重力沉降分离，或者在储液罐（5）的制冷工质输入端设置滤网或挡板，以实现丝网分离或折流分离。

5.根据权利要求1所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述循环泵（4）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，所述容积式气液二相流循环泵从齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵、往复式活塞泵中选择，使气态制冷剂和液态制冷剂同时通过，并能够通过调节循环泵流量来实现调节系统传热量。

6.根据权利要求1所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，回气孔位置处于储液罐内液面之上，回液孔位置处于储液罐内液面之下。

7.根据权利要求1所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述回流孔一（12）和回流孔二（13）分别是一条沿管道纵向分布的回流缝，其能够代替多个纵向分布回流孔的作用。

8.根据权利要求7所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述回流孔一（12）和回流孔二（13）或者回流缝中流入的少量气态或者液态制冷剂的流量由其孔径大小和个数或者缝隙宽度和长度来控制，也就是经储液分流装置（3）内液态工质液面高低来控制回流孔中的孔的个数或者回流缝的长度，使其流入的液态或者气态的补充量适宜，来满足整个循环系统的二相流循环的需求。