CN102778155A - 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、蒸发器、二相稳流器一、二相稳流器二、循环泵和电路控制元件构成；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；所述二相稳流器一和二相稳流器二主要功能是首先实现工作介质的气液分离和缓存，然后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，提高热管效率；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两个二相稳流器和循环泵的设计，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、二相稳流器一、二相稳流器二、循环泵、导气管、导液管和电路控制元件，所述冷凝器和蒸发器这两个换热器主要是实现能量的输运；所述循环泵接入冷凝器输出端和蒸发器输入端之间，其功能是为二相流动力热管装置提供循环动力；所述二相稳流器一接入冷凝器输入端和蒸发器输出端之间，其包括单向二相稳流器一和双向二相稳流器一两种形式；所述二相稳流器二接入冷凝器输出端和蒸发器输入端之间，且二相稳流器二和循环泵在冷凝器输出端和蒸发器输入端之间的位置可以互换，其包括单向二相稳流器二和双向二相稳流器二两种形式；所述二相稳流器一和二相稳流器二的主要功能是暂时储存工作介质，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。

以上所述单向二相稳流器一包括气液分离器一、二相配流管一、二相稳流器一的输入端以及二相稳流器一的输出端；所述二相配流管一处于气液分离器一内的竖直二相流管，连接于二相稳流器一的输出端，其主要由回液孔一和回气口一两部分组成，主要是以回气为主为回液辅；所述回气口一位于气液分离器一内液态制冷工质的液面上部，回液孔一位于气液分离器一内液态制冷工质的液面下部。

以上所述双向二相稳流器一在单向二相稳流器一的基础上多了一个二相配流管二部件，二相配流管二处于气液分离器一内的竖直二相流管，其连接于二相稳流器一的输入端，其主要包括由回液孔二和回气口二两部分组成，主要也是以回气为主为回液辅，其他部件的链接和单向二相稳流器一一样；所述回气口二位于气液分离器一内液态制冷工质的液面上部，回液孔二位于气液分离器一内液态制冷工质的液面下部。

以上所述单向二相稳流器二包括气液分离器二、二相配流管三、二相稳流器二的输入端以及二相稳流器二的输出端；所述二相配流管三处于气液分离器二内的竖直二相流管，连接于二相稳流器二的输出端，其主要包括由回气孔一和回液口一两部分组成，主要是以回液为主为回气辅；所述回气孔一位于气液分离器二内液态制冷工质的液面上部，回液口一位于气液分离器二（5）内液态制冷工质的液面下部。

以上所述双向二相稳流器二在单向二相稳流器二的基础上多了一个二相配流管四部件，二相配流管四处于气液分离器二内的竖直二相流管，其连接于二相稳流器二的输入端，其主要包括由回气孔二和回液口二两部分组成，主要也是以回液为主为回气辅，其他部件的链接和单向二相稳流器二一样；所述回气孔二位于气液分离器二内液态制冷工质的液面上部，回液口二位于气液分离器二内液态制冷工质的液面下部。

以上所述所有回气孔和回液孔中孔的数量可以是一个或多个组成，可以是一条沿管道方向的回流缝，其代替多个沿管道输送方向分布的回气孔或者回液孔的作用；回气孔、回液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，也就是经每个气液分离器内液态工质液面高低来控制回气孔和回液孔中的孔的个数或者回流缝的长度，使其流入的液态和气态的补充量适宜，来满足整个循环系统的二相流循环的需求。

以上所述气液分离器一或气液分离器二都为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，其功能都是实现循环工作介质的气液分离与暂缓储存；所述气液分离器一或气液分离器二的容积可以很小，只需能够满足二相流管道内的二相制冷工质进入其里面实现气液的分离，不需要大量存储制冷工质；气液分离器一或气液分离器二实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在气液分离器一或气液分离器二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。

以上所述电路控制元件，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，该系统中加入了回气装置、回液装置以及两个气液分离器，通过回气装置和回液装置分别于气液分离器的结合，首先能够实现工作介质的气液分离和缓存，然后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，提高热管效率。

该系统内部所充中间工作介质（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。

通过加入两个气液分离器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为该系统的实施方式结构示意图。

图2为该系统的第一种实施方式结构示意图。

图3为该系统的第二种实施方式结构示意图。

图4为该系统的第三种实施方式结构示意图。

图5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）循环泵；（4）气液分离器一；（5）气液分离器二；（6）冷凝器二相流输出管；（7）循环泵二相流输出管；（8）蒸发器二相流输入管；（9）蒸发器二相流输出管；（10）冷凝器二相流输入管；（11）二相稳流器二输入端；（12）回液口一；（13）回气孔一；（14）二相稳流器一输入端；（15）回气口一；（16）回液孔一；（17）二相配流管三；（18）二相配流管一；（19）二相配流管二；（20）二相配流管四；（21）回气孔二；（22）回液孔二；（23）回液口二；（24）回气口二；（25）循环泵二相流输入管；（26）二相稳流器一；（27）二相稳流器二；（28）单向二相稳流器一；（29）双向二相稳流器一；（30）单向二相稳流器二；（31）双向二相稳流器二；（32）二相稳流器一输出端；（33）二相稳流器二输出端。

具体实施方式

本实施例实现时涉及的系统装置主体结构包括冷凝器（1），蒸发器（2），循环泵（3），气液分离器一（4），气液分离器二（5），冷凝器二相流输出管（6），循环泵二相流输出管（7），蒸发器二相流输入管（8），蒸发器二相流输出管（9），冷凝器二相流输入管（10），二相稳流器二输入端（11），回液口一（12），回气孔一（13），二相稳流器一输入端（14），回气口一（15），回液孔一（16），二相配流管三（17）、二相配流管一（18）、二相配流管二（19）、二相配流管四（20）、回气孔二（21）、回液孔二（22）、回液口二（23）、回气口二（24）、循环泵二相流输入管（25）、二相稳流器一（26）、二相稳流器二（27）、单向二相稳流器一（28）、双向二相稳流器一（29）、单向二相稳流器二（30）、双向二相稳流器二（31）、二相稳流器一输出端（32）、二相稳流器二输出端（33）以及以及电路控制元件；所述冷凝器（1）和蒸发器（2）这两个换热器主要是实现能量的输运；所述循环泵（3）主要是为二相流动力热管装置提供循环动力；所述二相稳流器一（26）和二相稳流器二（27）的主要功能是暂时储存工作介质，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；所述气液分离器一（4）和气液分离器二（5）的功能是暂时缓存工作介质，实现工作介质的气液分离；所述二相配流管三（17）、二相配流管一（18）、二相配流管二（19）以及二相配流管四（20）的主要作用是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；所述电路控制元件控制着系统的运行状态。

实施例1：

本实施例为第一种实施方式工作流程，如图2所示，冷凝器（1）、循环泵（3）、单向二相稳流器二（30）、蒸发器（2）以及单向二相稳流器一（28）通过连接管道按上述顺序连接为一体，构成单向二相流动力热管循环系统，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（3）的带动下，它们从冷凝器（1）经二相稳流器二输入端（11）进入单向二相稳流器二（30）的气液分离器二（5），气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在气液分离器二（5）内分离，液态中间介质通过回液口一（12）和部分来补充整个循环稳定的少量气态中间介质通过回气孔一（13）一起进入到蒸发器（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，它们从蒸发器二相流输出管（9）流入单向二相稳流器一（28）的气液分离器一（4）中，气液二相流中间工作介质又一次根据各自物理性质在气液分离器一（4）内分离，气态中间介质通过回气口一（15）和部分来补充整个循环稳定的少量液态中间介质通过回液孔一（16）一起进入到冷凝器（1）中，这样就完成了二相流动力热管系统的整个循环过程。

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。

实施例2：

本实施例为第二种第二种实施方式的工作流程，如图3所示，所述单向二相稳流器二（30）处于冷凝器（1）和循环泵（3）之间，蒸发器（2）和循环泵（3）之间直接由蒸发器二相流输入管（8）连接，这样冷凝器（1）、单向二相稳流器二（30）、循环泵（3）、蒸发器（2）以及单向二相稳流器一（28）通过连接管道按上述顺序连接为一体，构成单向二相流动力热管循环系统。

此系统工作时，循环泵（3）的从单向二相稳流器二（30）的气液分离器二（5）中抽取一定比例的二相流工质，这样液态中间介质通过回液口一（12）和部分来补充整个循环稳定的少量气态中间介质通过回气孔一（13）一起经循环泵（3）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，它们从蒸发器二相流输出管（9）流入单向二相稳流器一（28）的气液分离器一（4）中，气液二相流中间工作介质又一次根据各自物理性质在气液分离器一（4）内分离，气态中间介质通过回气口一（15）和部分来补充整个循环稳定的少量液态中间介质通过回液孔一（16）一起进入到冷凝器（1）中，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从冷凝器（1）进入单向二相稳流器二（30）中的气液分离器二（5），气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在气液分离器二（5）内分离，这样就完成了二相流动力热管系统的整个循环过程。

实施例3：

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。

[0033] 循环泵（5）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），双向二相稳流器一（29）与双向二相稳流器二（31）的设计相同，其通过倒转可以互换，该实施方式简单结构示意图如图3所示。

[0034] 该系统中冷凝器（1）和蒸发器（2）起正常作用时，具体工作实施方式和实施例1相同，其启动与运行过程与实施例1相同；当冷凝器（1）起到蒸发器的作用，蒸发器（2）起到冷凝器的作用时，其启动与运行过程与实施例2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，还包括二相稳流器一（26）、二相稳流器二（27）和循环泵（3）三个部分；所述冷凝器（1）和蒸发器（2）这两个换热器主要是实现能量的输运；所述循环泵（3）接入冷凝器（1）输出端和蒸发器（2）输入端之间，其功能是为二相流动力热管系统提供循环动力；所述二相稳流器一（26）接入冷凝器（1）输入端和蒸发器（2）输出端之间，其包括单向二相稳流器一（28）和双向二相稳流器一（29）两种形式；所述二相稳流器二（27）接入冷凝器（1）输出端和蒸发器（2）输入端之间，其包括单向二相稳流器二（30）和双向二相稳流器二（31）两种形式，二相稳流器二（27）和循环泵（3）在冷凝器（1）输出端和蒸发器（2）输入端之间的位置可以互换；所述二相稳流器一（26）和二相稳流器二（27）的主要功能是暂时储存工作介质，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；所述电路控制元件控制着系统的运行状态。

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，所述单向二相稳流器一（28）包括气液分离器一（4）、二相配流管一（18）、二相稳流器一的输入端（14）以及二相稳流器一的输出端（32）；所述气液分离器一（4）的功能是暂时缓存工作介质，实现工作介质的气液分离；所述二相配流管一（18）处于气液分离器一（4）内的竖直二相流管，连接于二相稳流器一的输出端（32），其主要包括由回液孔一（16）和回气口一（15）两部分组成，主要是以回气为主为回液辅；所述回气口一（15）位于气液分离器一（4）内液态制冷工质的液面上部，回液孔一（16）位于气液分离器一（4）内液态制冷工质的液面下部。

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，所述双向二相稳流器一（29）在单向二相稳流器一（28）的基础上多了一个二相配流管二（19）部件，二相配流管二（19）处于气液分离器一（4）内的竖直二相流管，其连接于二相稳流器一的输入端（14）；所述二相配流管二（19）主要由回液孔二（22）和回气口二（24）两部分组成，主要是以回气为主为回液辅，其他部件的链接和单向二相稳流器一（28）一样；所述回气口二（24）位于气液分离器一（4）内液态制冷工质的液面上部，回液孔二（22）位于气液分离器一（4）内液态制冷工质的液面下部。

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，所述单向二相稳流器二（30）包括气液分离器二（5）、二相配流管三（17）、二相稳流器二的输入端（11）以及二相稳流器二的输出端（33）；所述气液分离器二（5）的功能是暂时缓存工作介质，实现工作介质的气液分离；所述二相配流管三（17）处于气液分离器二（5）内的竖直二相流管，连接于二相稳流器二的输出端（33），其由回气孔一（13）和回液口一（12）两部分组成，主要是以回液为主为回气辅；所述回气孔一（13）位于气液分离器二（5）内液态制冷工质的液面上部，回液口一（12）位于气液分离器二（5）内液态制冷工质的液面下部。

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，所述双向二相稳流器二（31）在单向二相稳流器二（30）的基础上多了一个二相配流管四（20）部件，二相配流管四（20）处于气液分离器二（5）内的竖直二相流管，其连接于二相稳流器二的输入端（11），其由回气孔二（21）和回液口二（23）两部分组成，主要是以回液为主为回气辅，其他部件的链接和单向二相稳流器二（30）一样；所述回气孔二（21）位于气液分离器二（5）内液态制冷工质的液面上部，回液口二（23）位于气液分离器二（5）内液态制冷工质的液面下部。

6.根据权利要求2至5所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述回气孔（13；21）和回液孔（16；22）中孔的数量可以是一个或多个组成，可以是一条沿管道方向的回流缝，其代替多个沿管道输送方向分布的回气孔（13；21）或者回液孔（13；21）的作用；回气孔（13；21）、回液孔（13；21）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，也就是经气液分离器（4；5）内液态工质液面高低来控制回气孔（13；21）和回液孔（13；21）中的孔的个数或者回流缝的长度，使其流入的液态和气态的补充量适宜，来满足整个循环系统的二相流循环的需求。

7.根据权利要求2至5所述的一种二相流动力热管系统，其特征在于，所述气液分离器一（4）或气液分离器二（5）都为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，其功能都是实现循环工作介质的气液分离与暂缓储存；所述气液分离器一（4）或气液分离器二（5）的容积可以很小，只需能够满足二相流管道内的二相制冷工质进入其里面实现气液的分离，不需要大量存储制冷工质；气液分离器一（4）或气液分离器二（5）实现气液分离的方式可以选择简单的重力沉降分离，也可以在气液分离器一（4）或气液分离器二（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。

8.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（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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