CN102778152A - 一种热管能量输运系统用的风冷换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于能量输运设备技术领域，涉及一种热管能量输运系统用的风冷换热装置，补充水供给与控制子系统使水箱中的水位高度不变；循环水循环与分配子系统使循环水正常循环；热管本体子系统中热管工质将热量传递给空气得到冷却后返回到原热管系统中实现深度冷却；空气流动与处理子系统在风机的动力下，进风通过热管冷凝器实现均匀相变冷却后，通过挡水板将水滴回收，再将高湿度空气排出；中央控制器通过外环境温湿度信号线获得室外温湿度数值，依据中央控制器的控制程序，采用不同的冷却方式进行控制；五个子系统水电气连通有机配合组成风冷换热系统实现风冷换热功效；其结构简单，换热效率高，节省能源，热污染小，应用范围广。

Description

一种热管能量输运系统用的风冷换热装置

技术领域：

本发明属于能量输运设备技术领域，涉及一种高效、节能、环保的风冷换热装置，特别是一种热管能量输运系统用的风冷换热装置。

背景技术：

目前，许多工农业生产工艺都涉及将余热或废热排放到环境空气中的过程，如大型设备润滑油的冷却，各种有多余热量的化工生产工艺，通讯基站房间、各类电源柜和控制柜等内部区域，由于内热源的存在，都需要将内热源产生的热量传递到外部环境中，即将热能从一个区域输运到另外一个区域。热管技术实现了“潜热”形式输运能量，是一种输运密度大的能量输运方法；为实现提高能量输运的效率，热管已由单根热管演变为多根复合热管，并由连体式热管演变成分离式热管；分离式热管在工业应用中具有布置灵活、易于实现大型化等优点；然而，普通分离式热管存在工作液输送力不够、分液不均匀、使用效果远不如连体式热管等缺点，另外，现有的普通分离式热管大都采用垂直布管，焊接部位特别多，其集气母管及输气母管的管径都大，阻碍了分离式热管的推广应用，难以形成大规模应用的商业化产品；为推广分离式热管技术，本发明人曾公开一种“双循环可控热管系统”（专利号：200610045059.8），能够彻底解决分离式热管中存在的缺点；本发明人还公开了“一种双向双循环能量输运系统”（专利号：200710013149.3），实现了利用热管原理以“潜热”形式输运能量的过程，具有能量输运密度高等优点，但该系统结构较为复杂，必须进行全面的优化设计和合理的控制手段，才能保证系统的长期稳定运行；为简化系统，本发明人公开出“一种气液两相流能量输运方法”（专利号：201210004575.1）便于实现优化设计和控制，能够解决目前冷、热能量输运过程中存在的缺陷。但是，上述各种热管能量输运系统中，风冷换热装置常常是其必需装置；风冷换热装置效率的高低直接决定着热管系统的能量输运效率，故提高风冷换热装置效率对热管系统节能效果有很大影响。现有的热管能量输运系统的风冷换热装置一般采用的是带风机的翅片管换热器，通过空气干球温度的升高来带走热量，即以显热的形式进行能量传递，这种换热方式在环境干球温度较高的季节，换热效率较低，经常出现换热量无法满足要求的情况，且随着温室效应和热岛效应的日益加剧，这些缺陷也越来越突出。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有热管能量输运系统采用的风冷换热装置中存在的缺点，寻求设计并提出一种适于热管能量输运系统的高效风冷换热装置，解决利用带风机的翅片管换热装置，通过空气干球温度的升高来带走热量，这种“显热”方式中存在的空气温升高、换热效率低等问题。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括水箱、引水管、供水泵、补水管、控水阀、回水管、接水盘、风机、热管冷凝器、排气、热管液态工质回流管、进风、供水管、外密封壳、挡水板、热管蒸发器组合、热管气态（气液两相流）工质送入管、热管气态（气液两相流）工质分配器、热管气态（气液两相流）工质均分管、内密封板、分水器、热管冷凝器风机控制线、挡水板控制线、控水阀控制线、热管蒸发器组合控制线、中央控制器、供水泵控制线、外环境温湿度信号线、外环境温湿度传感器、吸液芯、升液帘和布液芯；按功能划分为补充水供给与控制、循环水循环与分配、热管本体、空气流动与处理及中央控制五个子系统；水箱、补水管和控水阀连通构成补充水供给与控制子系统，使水箱中的水位高度不变；水箱、引水管、供水泵、供水管、分水器、挡水板、接水盘和回水管连通构成循环水循环与分配子系统，使循环水正常循环，并均匀分配到热管冷凝器和进风接触的所有表面；热管蒸发器组合、热管气态（气液两相流）工质送入管、热管气态（气液两相流）工质分配器、热管气态（气液两相流）工质均分管、热管冷凝器和热管液态工质回流管连通构成热管本体子系统，热管工质将热量传递给进风来的空气后得到冷却，再返回到原热管系统中，使需要冷却的工质在不与空气直接接触的前提下实现深度冷却；进风、热管冷凝器、外密封壳、内密封板、挡水板、风机和排气连通构成空气流动与处理子系统，在风机的动力作用下，进风均匀通过充满水膜的热管冷凝器，利用空气吸湿能力实现均匀相变冷却，然后，通过挡水板将液态水滴成功回收，再将高湿度空气及时排出；热管冷凝器风机控制线、挡水板控制线、控水阀控制线、热管蒸发器组合控制线、中央控制器、供水泵控制线、外环境温湿度信号线和外环境温湿度传感器电气连通构成中央控制子系统，中央控制器通过外环境温湿度信号线从外环境温湿度传感器获得室外温湿度数值，依据中央控制器内部的控制程序，当外环境温度较高、湿度较低时，采用水膜冷却方式，而当外环境温度较低、湿度较高时，采用空气直接冷却方式进行控制；五个子系统水电气连通有机配合组成风冷换热系统实现风冷换热功效；采用水膜冷却方式时，补充水供给与控制子系统及时补水，循环供水与分配子系统使循环水保证在热管冷凝器上形成均匀水膜，产生蒸发相变现象，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器，将热量传递给热管冷凝器外表面水膜，产生蒸发相变现象，形成的水蒸汽被空气流动与处理子系统及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中；或采用空气直接冷却方式，补充水供给与控制、循环供水与分配子系统停止运行，挡水板转为导流板工作方式，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器，将热量传递给热管冷凝器外表面空气，热量被流动的空气及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中。

本发明中的循环供水与分配子系统或采用无泵子系统，即应用仿生材料或具有毛细效应的材料实现供水与分配功能，其循环供水与分配子系统由吸液芯将接水盘中的水吸收后，通过升液帘将水升高并分布到升液帘的每个部位，再通过布液芯将升液帘的水分配给热管冷凝器的每个换热面，形成液膜。

本发明装置能够根据室外温湿度变化，灵活选用不同的冷却方式，达到最佳节能效果，其具体温湿度控制参数的确定应根据水资源情况和气候变化特征等因素进行综合分析，设定优化控制方案。

本发明中的挡水板结构为可调整角度式，当补充水供给与控制子系统及循环供水与分配子系统启动运行时，挡水板调整为挡水方式，保证挡水效果；当补充水供给与控制子系统及循环供水与分配子系统停止运行时，挡水板调整为导流方式，能够减小挡水板引起的气流阻力，增大通风量，提高换热效果。

本发明中的水箱结构大小与接水盘对应，若工作方式为间歇式，且夜晚不工作，水箱应选大一些，水箱中的水具有蓄冷功能，可在夜晚将水箱中水冷却到对应的湿球温度，白天工作时，进一步提高热管能量输运系统的效率；若工作方式为连续式，同时接水盘较大，可将水箱和接水盘合二为一，使循环供水与分配子系统结构简单。

本发明装置将需要冷却的工质在不与空气直接接触的前提下实现深度冷却，其工作机理是：热管冷凝器表面形成的液态水薄膜在空气掠过时，由于非饱和空气具有吸湿作用，传质过程强化传热，实现空气干球温度不变（甚至降低）时也能带走很多能量的过程，而且液态水薄膜所达到的温度低于空气干球温度，甚至达到空气的湿球温度；进风相对湿度越低，水薄膜所达到的温度比空气干球温度越低，深度冷却效果越好。

本发明也应用于采用普通带风机的翅片管换热器作冷凝器的空调制冷设备，能够大幅度提高其制冷效率。

本发明与现有技术相比具有以下优点：一是以“完全潜热”或“潜热加显热”的形式完成冷却过程，其能量输运密度高于利用空气显热来携带热量的冷却方式，故换热效果增强，换热效率提高；二是热管冷凝器表面液态水薄膜所达到的温度能够低于空气干球温度，甚至接近空气的湿球温度，从而能够使热管冷凝器内被冷却介质冷却到更低温度工况，实现高效深度冷却；三是排出的低温高湿空气不仅没有热污染，有利于减小“温室效应”和“热岛效应”，且低温高湿空气对外界高温低湿环境可起到很好的温湿度调节效果；四是被冷却介质不与空气直接接触，特别适用于热管室外冷凝器、制冷空调风冷冷凝器等封闭循环场合；五是省去了中间介质冷却水环节，系统结构简单、总换热热阻小、换热效率高；六是应用于各类民用或商用的中小型热管系统或中小型制冷空调装置中，有广阔的市场和巨大的节能潜力；七是适用于热管能量输运系统，其进风、排气皆为水平方向，结构简单紧凑；八是实时测量室外温湿度，并依据中央控制器内部的优化控制程序确定冷却方式，当外环境温度较高、湿度较低时，采用水膜冷却方式，而当外环境温度较低、湿度较高时，采用空气直接冷却方式，可达到最佳节能和节水效果；八是采用的挡水板为可调整角度式，当补充水供给与控制子系统及循环供水与分配子系统启动运行时，挡水板调整为挡水方式，保证挡水效果，而当补充水供给与控制子系统及循环供水与分配子系统停止运行时，挡水板调整为导流方式，能够减小挡水板引起的气流阻力，增大通风量，提高换热效果；九是设置的水箱对于间歇式工作方式具有蓄冷功能，可以在夜晚将水箱中水冷却到对应的湿球温度，白天工作时，能够进一步提高热管能量输运系统的效率；十是循环供水与分配子系统可以是无泵子系统，应用特种仿生材料或其它具有毛细效应的材料来实现供水与分配功能。

附图说明：

图1为本发明的第一种风冷换热装置结构原理和工作流程示意图。

图2为本发明的第二种风冷换热装置结构原理和工作流程示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例的主体结构包括水箱1、引水管2、供水泵3、补水管4、控水阀5、回水管6、接水盘7、风机8、热管冷凝器9、排气10、热管液态工质回流管11、进风12、供水管13、外密封壳14、挡水板15、热管蒸发器组合16、热管气态（气液两相流）工质送入管17、热管气态（气液两相流）工质分配器18、热管气态（气液两相流）工质均分管19、内密封板20、分水器21、热管冷凝器风机控制线22、挡水板控制线23、控水阀控制线24、热管蒸发器组合控制线25、中央控制器26、供水泵控制线27、外环境温湿度信号线28、外环境温湿度传感器29、吸液芯30、升液帘31和布液芯32；按功能划分为补充水供给与控制、循环水循环与分配、热管本体、空气流动与处理及中央控制五个子系统；水箱1、补水管4和控水阀5连通构成补充水供给与控制子系统，使水箱1中的水位高度不变；水箱1、引水管2、供水泵3、供水管13、分水器18、挡水板15、接水盘7和回水管6连通构成循环水循环与分配子系统，使循环水正常循环，并均匀分配到热管冷凝器9和进风12接触的所有表面；热管蒸发器组合16、热管气态（气液两相流）工质送入管17、热管气态（气液两相流）工质分配器18、热管气态（气液两相流）工质均分管19、热管冷凝器9和热管液态工质回流管11连通构成热管本体子系统，热管工质将热量传递给进风12来的空气后得到冷却，再返回到原热管系统中，使需要冷却的工质在不与空气直接接触的前提下实现深度冷却；进风12、热管冷凝器9、外密封壳14、内密封板17、挡水板15、风机8和排气10连通构成空气流动与处理子系统，在风机8的动力作用下，进风12均匀通过充满水膜的热管冷凝器9，利用空气吸湿能力实现均匀相变冷却，然后，通过挡水板15将液态水滴成功回收，再将高湿度空气及时排出；热管冷凝器风机控制线22、挡水板控制线23、控水阀控制线24、热管蒸发器组合控制线25、中央控制器26、供水泵控制线27、外环境温湿度信号线28和外环境温湿度传感器29电气连通构成中央控制子系统，中央控制器26通过外环境温湿度信号线28从外环境温湿度传感器29获得室外温湿度数值，依据中央控制器26内部的控制程序，当外环境温度较高、湿度较低时，采用水膜冷却方式，而当外环境温度较低、湿度较高时，采用空气直接冷却方式进行控制；五个子系统水电气连通有机配合组成风冷换热系统实现风冷换热功效；采用水膜冷却方式时，补充水供给与控制子系统及时补水，循环供水与分配子系统使循环水保证在热管冷凝器9上形成均匀水膜，产生蒸发相变现象，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器9，将热量传递给热管冷凝器9外表面水膜，产生蒸发相变现象，形成的水蒸汽被空气流动与处理子系统及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中；或采用空气直接冷却方式，补充水供给与控制、循环供水与分配子系统停止运行，挡水板15转为导流板工作方式，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器9，将热量传递给热管冷凝器9外表面空气，热量被流动的空气及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中。

本实施例中的水箱1和接水盘7为分体结构或合二为一，将接水盘7直接作为水箱使用，使循环供水与分配子系统结构简单。

本实施例换热工作中，当迎风面风速较小或热管冷凝器上水面较薄，不会出现空气带液滴的现象时，可省去挡水板15以简化系统结构，减小空气流动阻力。

实施例1：

本实施例所涉及的第一种适于热管能量输运系统的高效风冷换热装置结构原理和工作流程示意图如图1所示，包括由水箱1、补水管4和控水阀5连通构成的补充水供给与控制子系统；由水箱1、引水管2、供水泵3、供水管13、分水器18、挡水板15、接水盘7和回水管6连通构成的循环供水与分配子系统；由热管蒸发器组合16、热管气态（气液两相流）工质送入管17、热管气态（气液两相流）工质分配器18、热管气态（气液两相流）工质均分管19、热管冷凝器9和热管液态工质回流管11连通构成的热管本体子系统；由进风12、热管冷凝器9、外密封壳14、内密封板17、挡水板15、风机8和排气10连通构成的空气流动与处理子系统；由热管冷凝器风机控制线22、挡水板控制线23、控水阀控制线24、热管蒸发器等组合控制线25、中央控制器26、供水泵控制线27、外环境温湿度信号线28和外环境温湿度传感器29水气及电信息连通构成的中央控制子系统；其启动与运行过程如下：先将风冷换热装置系统按图1所示水电气连通安装组成一体式结构系统装置，中央控制器26通过外环境温湿度信号线28从外环境温湿度传感器29获得室外温湿度数值，依据中央控制器26内部的优化控制程序，当外环境温度较高、湿度较低时，采用水膜冷却方式，通过补水管4将水箱1加入适量液态水，由控水阀5控制具体加入的水量；启动供水泵3，水箱1中液态水经引水管2进入供水泵3加压后，经供水管13送入分水器18，分水器18将水均匀分配到热管冷凝器9与进风12接触的所有表面，形成水膜，部分液态水在重力作用下，落入接水盘7后，经回水管6送回水箱1与补充水混合后，再次进入供水泵3，形成供水与分配循环，保证热管冷凝器9所有表面始终具有水膜；随后，启动风机8，在风机8的动力作用下，进风12均匀通过充满水膜的热管冷凝器9，由于空气处于非饱和状态，具有吸湿能力，使热管冷凝器9表面水膜发生蒸发现象，实现均匀相变冷却，使从热管气态（气液两相流）工质送入管17进入热管冷凝器9的需要冷却的工质得到完全冷凝后，由热管液态工质回流管11流回到原装置中，完成高效节能的冷却过程；当外环境温度较低、湿度较高时，采用空气直接冷却方式，补充水供给与控制、循环供水与分配子系统停止运行，挡水板15转为导流板工作方式，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器9，将热量传递给热管冷凝器9外表面空气，热量被流动的空气及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中。

实施例2：

本实施例涉及的第二种风冷换热装置结构原理和工作流程示意图如图2所示，包括由接水盘7、补水管4和控水阀5连通构成的补充水供给与控制子系统；由吸液芯30、升液帘31、布液芯32、挡水板15和接水盘7连通构成的循环供水与分配子系统；由热管蒸发器等组合16、热管气态（气液两相流）工质送入管17、热管气态（气液两相流）工质分配器18、热管气态（气液两相流）工质均分管19、热管冷凝器9和热管液态工质回流管11连通构成热管本体子系统；由进风12、热管冷凝器9、外密封壳14、挡水板15、风机8和排气10连通构成的空气流动与处理子系统；其启动与运行过程如下：先将风冷换热装置各部件按图2所示分别水、电、气连通安装成一体式系统装置，中央控制器26通过外环境温湿度信号线28从外环境温湿度传感器29获得室外温湿度数值，依据中央控制器26内部的优化控制程序，当外环境温度较高、湿度较低时，采用水膜冷却方式，通过补水管4将接水盘7加入适量液态水，由控水阀5控制具体加入的水量；吸液芯30吸收接水盘7中的液态水，并均匀地分布到升液帘31的每个部位，再通过布液芯32将升液帘31的水分配给热管冷凝器9的每个换热面，形成液膜，部分液态水在重力作用下，落入接水盘7后，与补充水混合后，再次被吸液芯30吸收，形成供水与分配循环，保证热管冷凝器9所有表面始终具有水膜；随后，启动风机8，在风机8的动力作用下，进风12均匀通过充满水膜的热管冷凝器9，由于空气处于非饱和状态，具有吸湿能力，使热管冷凝器9表面水膜发生蒸发现象，发生均匀相变冷却，使从热管气态（气液两相流）工质送入管17进入热管冷凝器9的需要冷却的工质得到完全冷凝后，由热管液态工质回流管11流回到原装置中，完成高效节能的冷却过程；当外环境温度较低、湿度较高时，采用空气直接冷却方式，补充水供给与控制子系统停止运行，挡水板15转为导流板工作方式，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器9，将热量传递给热管冷凝器9外表面空气，热量被流动的空气及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中。

本实施例实现风冷换热的测试结果显示，其运行成本低，节省能源，环境友好，应用范围广，经济效益好，便于推广和开发高效节能的热管新产品。

Claims (6)

1.一种热管能量输运系统用的风冷换热装置，其特征在于主体结构包括水箱、引水管、供水泵、补水管、控水阀、回水管、接水盘、风机、热管冷凝器、排气、热管液态工质回流管、进风、供水管、外密封壳、挡水板、热管蒸发器组合、热管气态工质送入管、热管气态工质分配器、热管气态工质均分管、内密封板、分水器、热管冷凝器风机控制线、挡水板控制线、控水阀控制线、热管蒸发器组合控制线、中央控制器、供水泵控制线、外环境温湿度信号线、外环境温湿度传感器、吸液芯、升液帘和布液芯；按功能分为补充水供给与控制、循环水循环与分配、热管本体、空气流动与处理及中央控制五个子系统；由水箱、补水管和控水阀连通构成补充水供给与控制子系统，使水箱中的水位高度不变；由水箱、引水管、供水泵、供水管、分水器、挡水板、接水盘和回水管连通构成循环水循环与分配子系统，使循环水正常循环，并均匀分配到热管冷凝器和进风接触的所有表面；由热管蒸发器组合、热管气态工质送入管、热管气态工质分配器、热管气态工质均分管、热管冷凝器和热管液态工质回流管连通构成热管本体子系统，热管工质将热量传递给进风来的空气后得到冷却，再返回到原热管系统中，使需要冷却的工质在不与空气直接接触的前提下实现深度冷却；由进风、热管冷凝器、外密封壳、内密封板、挡水板、风机和排气连通构成空气流动与处理子系统，在风机的动力作用下，进风均匀通过充满水膜的热管冷凝器，利用空气吸湿能力实现均匀相变冷却，然后，通过挡水板将液态水滴成功回收，再将高湿度空气及时排出；由热管冷凝器风机控制线、挡水板控制线、控水阀控制线、热管蒸发器组合控制线、中央控制器、供水泵控制线、外环境温湿度信号线和外环境温湿度传感器电气连通构成中央控制子系统，中央控制器通过外环境温湿度信号线从外环境温湿度传感器获得室外温湿度数值，依据中央控制器内部的控制程序，当外环境温度高和湿度低时，采用水膜冷却方式，而当外环境温度低和湿度高时，采用空气直接冷却方式进行控制；五个子系统水电气连通有机配合组成风冷换热系统实现风冷换热功效；采用常规的水膜冷却方式，补充水供给与控制子系统及时补水，循环供水与分配子系统使循环水在热管冷凝器上形成均匀水膜，产生蒸发相变现象，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器，将热量传递给热管冷凝器外表面水膜，产生蒸发相变现象，形成的水蒸汽被空气流动与处理子系统及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中；或采用空气直接冷却方式，补充水供给与控制、循环供水与分配子系统停止运行，挡水板转为导流板工作方式，需要冷却的工质通过热管本体子系统进入热管冷凝器，将热量传递给热管冷凝器外表面空气，热量被流动的空气及时带走，如此循环往复，连续不断地将热管能量输运系统的热量传递到外界环境空气中。

2.根据权利要求1所述的热管能量输运系统用的风冷换热装置，其特征在于循环供水与分配子系统或采用无泵子系统，应用仿生材料或具有毛细效应的材料实现供水与分配，其循环供水与分配子系统由吸液芯将接水盘中的水吸收后，通过升液帘将水升高并分布到升液帘的每个部位，再通过布液芯将升液帘的水分配给热管冷凝器的每个换热面，形成液膜。

3.根据权利要求1所述的热管能量输运系统用的风冷换热装置，其特征在于根据室外温湿度变化，选用不同的冷却方式，达到节能效果，其具体温湿度控制参数的确定根据水资源情况和气候变化特征的因素进行分析，设定控制方案。

4.根据权利要求1所述的热管能量输运系统用的风冷换热装置，其特征在于挡水板结构为可调整角度式，当补充水供给与控制子系统及循环供水与分配子系统启动运行时，挡水板调整为挡水方式，保证挡水效果；当补充水供给与控制子系统及循环供水与分配子系统停止运行时，挡水板调整为导流方式，减小挡水板引起的气流阻力，增大通风量，提高换热效果。

5.根据权利要求1所述的热管能量输运系统用的风冷换热装置，其特征在于水箱结构大小与接水盘对应，工作方式为间歇式，且夜晚不工作，水箱选大一些，水箱中的水具有蓄冷功能，在夜晚将水箱中水冷却到对应的湿球温度，提高热管能量输运系统的效率；或工作方式为连续式，同时接水盘较大，将水箱和接水盘合二为一，使循环供水与分配子系统结构简单。

6.根据权利要求1所述的热管能量输运系统用的风冷换热装置，其特征在于将需要冷却的工质在不与空气直接接触的前提下实现深度冷却，其工作机理是：热管冷凝器表面形成的液态水薄膜在空气掠过时，由于非饱和空气具有吸湿作用，传质过程强化传热，实现空气干球温度不变时带走很多能量的过程，且液态水薄膜所达到的温度低于空气干球温度，或达到空气的湿球温度；进风相对湿度越低，水薄膜所达到的温度比空气干球温度越低，深度冷却效果越好。

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