CN102914193A

CN102914193A - 自驱动分离热管式换热器

Info

Publication number: CN102914193A
Application number: CN2012103932511A
Authority: CN
Inventors: 蒋绿林; 陈俊华
Original assignee: H & C Environmental Science Inc
Current assignee: H & C Environmental Science Inc
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN102914193B

Abstract

本发明公开了一种自驱动分离热管式换热器，包括：蒸发器、冷凝器和储存容器，蒸发器的气相部分通过蒸汽下降管连接冷凝器的气相部分，冷凝器的气相部分还通过第一气相管路连接储存容器的气相部分，冷凝器的液相部分通过第一液相管路连接储存容器的液相部分，储存容器的液相部分还通过第二液相管路连接蒸发器的液相部分，储存容器的气相部分还通过第二气相管路连接蒸发器的气相部分。通过上述方式，本发明的自驱动分离热管式换热器能够解决热管回路中冷凝液依靠重力只能从高位传送至低位，即冷凝段（器）的安装位置必须高于蒸发段（器）的安装位置的问题，实现了分离热管回路中冷凝液从低位传送至高位，而不需外加任何动力。

Description

自驱动分离热管式换热器

技术领域

本发明涉及热能传输领域，特别是涉及一种自驱动分离热管式换热器。

背景技术

分离热管换热系统（热交换器）借助热管工质的相变过程——蒸发吸收热量和冷凝放出热量，以很小的温差传输大量的热能。典型分离热管包括蒸发段（器）和冷凝段（器），蒸发段（器）和冷凝段（器）是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通形成一个自然循环回路。工作时，在热管内的工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。这种分离热管又称重力分离热管。

重力分离式热管的冷凝段（器）必须高于蒸发段（器），液体下降管和蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力。

在实际应用中，许多场合会出现冷凝段（器）低于蒸发段（器）的状况，这时重力分离热管由于无法将低位冷凝液输送到高位蒸发器，使得分离热管无法运行而限制了其推广使用。

专利（申请号：03806651.3）提出了一种具有泵辅助的热管回路来解决重力分离热管无法工作的问题，但是其需要采用外加动力（泵）的形式才能将低位冷凝液输送到高位蒸发器。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种自驱动分离热管式换热器，能够解决分离热管式换热器热管回路中冷凝液依靠重力只能从高位传送至低位，即冷凝段（器）的安装位置必须高于蒸发段（器）的安装位置的问题，实现了分离热管回路中冷凝液从低位传送至高位，而不需外加任何动力。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种自驱动分离热管式换热器，包括：蒸发器、冷凝器和储存容器，所述蒸发器的气相部分通过蒸汽下降管连接冷凝器的气相部分，所述冷凝器的气相部分还通过第一气相管路连接储存容器的气相部分，所述冷凝器的液相部分通过第一液相管路连接储存容器的液相部分，所述储存容器的液相部分还通过第二液相管路连接蒸发器的液相部分，所述储存容器的气相部分还通过第二气相管路连接蒸发器的气相部分。

在本发明一个较佳实施例中，所述蒸发器、冷凝器和储存容器内的工质包括气相工质和液相工质，所述上部为气相工质，下部为液相工质。

在本发明一个较佳实施例中，所述储存容器的安装位置高于蒸发器的安装位置。

在本发明一个较佳实施例中，所述蒸发器的安装位置高于冷凝器的安装位置。

在本发明一个较佳实施例中，所述蒸发器的安装位置低于冷凝器的安装位置。

在本发明一个较佳实施例中，所述蒸汽下降管上安装有第一控制阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一气相管路上安装有第一单向阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一液相管路上安装有第二单向阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二液相管路上安装有第三单向阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二气相管路上安装有第二控制阀。

本发明的有益效果是：

一、解决了分离热管式换热器热管回路中冷凝液依靠重力只能从高位传送至低位，即冷凝段（器）的安装位置必须高于蒸发段（器）的安装位置的问题，实现了分离热管回路中冷凝液从低位传送至高位，而不需外加任何动力；

二、在分离热管换热器热管回路通过加装压力转换装置来输送冷凝液，实现了分离热管远距离输送；

三、压力转换装置是为机械装置，结构简单，成本低廉，运行可靠。

附图说明

图1是本发明自驱动分离热管式换热器的结构示意图；

图2是图1的简化原理图；

图3是本发明自驱动分离热管式换热器一工程实施例的应用结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、蒸发器，2、冷凝器，3、储存容器，4、第一控制阀，5、第三单向阀，6、第二单向阀，7、第一单向阀，8、第二控制阀，11、蒸汽下降管，12、第一气相管路，13、第一液相管路，14、第二液相管路，15、第二气相管路，16、高位蒸发器，17、第三控制阀，18、低位冷凝器，19、第四单向阀，20、冷凝储液器，21、第五单向阀，22、蒸发储液器，23、气相管路，24、高压引压管，25、低压引压管，26、第一供液管，27、第二供液管，28、第三供液管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明在分离热管式换热器的热管回路上加装一套装置，利用蒸发段（器）内的高压和冷凝段（器）内的低压之间的压差将冷凝段（器）内的冷凝液输送到蒸发段（器）内，实现低位冷凝段（器）的冷凝液输送至高位蒸发段（器）而不需要任何外加动力。换句话讲，利用蒸发段（器）内工质蒸发温度和冷凝段（器）内冷凝温度的温差所对应的饱和压力差。

例如，采用制冷剂R22作为分离热管工质，在蒸发段（器）内蒸发温度60℃时对应的蒸发压力为2426.57 kPa，冷凝段（器）内冷凝温度50℃时对应的冷凝压力为1942.31 kPa。10℃的换热温差（蒸发温度-冷凝温度）所带来的高低压差达到484.26 kPa。通过加装一套压力转换装置，实现分离热管式换热器热管回路中冷凝液从低位传送至高位，而不需外加任何动力，同时也实现了分离热管远距离输送。

本发明自驱动分离热管式换热器的具体实施过程如下：请参阅图1至图3，

图1为自驱动分离热管式换热器的组成，由蒸发器1、冷凝器2、储存容器3以及一些连接管路和阀门组成，储存容器3的安装位置高于蒸发器1，蒸发器1、冷凝器2、储存容器3和连接管路组成一个密闭的系统。

蒸发器1、冷凝器2和储存容器3内的工质呈气液两项状态，其中上部为气相，下部为液相。连接蒸发器1气相部分和冷凝器2气相部分的管路为蒸汽下降管11，在蒸汽下降管11上安装第一控制阀4。

冷凝器2和储存容器3之间由第一气相管路12和第一液相管路13两根管子分别连接冷凝器2和储存容器3的气相部分和液相部分，在第一气相管路12和第一液相管路13上分别安装流动方向为储存容器3→冷凝器2和流动方向为冷凝器2→储存容器3的第一单向阀7和第二单向阀6。

同样，储存容器3和蒸发器1之间由第二气相管路15和第二液相管路14两根管子连接储存容器3和蒸发器1的气相部分和液相部分，在第二气相管路15上安装第二控制阀8，在第二液相管路14安装流动方向储存容器3→蒸发器1的第三单向阀5。

本发明的自驱动分离热管式换热器的物理过程描述如下：

切断连接分离热管上蒸发器1与冷凝器2之间的蒸汽下降管11，即关闭第一控制阀4，此时蒸发器1内的压力最终为高温热源介质进口温度下的热管工作介质的饱和压力P₁，冷凝器2内的压力为低温热源介质进口温度下的热管工作介质的饱和压力P₂，显然有P₁＞P₂。

当连通蒸发器1与冷凝器2的蒸汽下降管11时，蒸发器1内的蒸汽将向冷凝器2内流动，这种流动不需要外加动力，由蒸发压力与冷凝压力差进行推动，并且无论蒸发器1与冷凝器2的相对位置如何，蒸汽总能够在这种正向压力的推动下到达冷凝器2。

这时，蒸发器1内的压力开始下降，蒸发器1内的液体开始蒸发吸收高温热源的热量，同时冷凝器2内的压力开始上升，蒸汽开始冷凝并向低温热源放出热量。

如果冷凝器2的安装位置高于蒸发器1的安装位置，则在重力的作用下，冷凝液经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行，液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着系统的正常运行而不再需要外加动力，最终蒸发器1的压力将稍高出冷凝器2的压力。

如果忽略流动阻力，则此时分离热管式换热器的工作压力为P，P₁＞P＞P₂，P的大小取决于开始时的蒸发速率与冷凝速率。当蒸发速率大于冷凝速率时，P更接近于P₁；当蒸发速率小于冷凝速率时，P更接近于P₂。

压力平衡后，若再切断蒸发器1与冷凝器2之间的气相管路时，蒸发器1内的压力会向P₁上升，冷凝器2内的压力会向P₂下降。

自驱动分离热管式换热器的供液原理就是利用切断蒸发器1与冷凝器2之间的气相管路所形成的较大压差，来推动液体向蒸发器储液器供液，进而完成向蒸发器1的供液。

具体工作过程如下：

工况一：关闭第一控制阀4和第二控制阀8，则储存容器3和冷凝器2中的压力下降接近P₂，此时蒸发器1的压力上升接近P₁。

工况二：打开第一控制阀4，关闭第二控制阀8，蒸发器1的高压蒸汽通过蒸汽下降管11迅速进入冷凝器2中，冷凝器2中的压力迅速升高，在压差△P= P₁- P₂的作用下，冷凝器2中的冷凝液通过上升的第一液相管路13进入储存容器3，在上升的第一液相管路13上安装有第二单向阀6，防止进入到储存容器3中的冷凝液倒流。

工况三：打开第二控制阀8，则储存容器3内气相压力和高位蒸发器1内压力相等，储存容器3内冷凝液在位差的作用下进入蒸发器1。同时，进入冷凝器2中的高压蒸汽冷凝，使得蒸发器1和冷凝器2中的压力回复到分离热管式换热器的工作压力P。

工况四：关闭第一控制阀4，储存容器3和冷凝器2中的压力下降到接近P₂，蒸发器1的压力上升接近P₁，完成一个循环。

图2是本发明给出的一个在图1基础上的简化原理图，由蒸发器1、冷凝器2、储存容器3以及一些连接管路和阀门组成，蒸发器1、冷凝器2、储存容器3和连接管路组成了一个密闭的系统。

蒸发器1、冷凝器2和储存容器3内的工质呈气液两相状态，其中上部为气相，下部为液相。连接蒸发器1和冷凝器2气相部分的管路为蒸汽下降管11，在蒸汽下降管11上安装有第一控制阀4。

冷凝器2和储存容器3之间由第一气相管路12和第一液相管路13分别连接冷凝器2和储存容器3的气相部分和液相部分，在第一气相管路12和第一液相管路13上分别安装流动方向为储存容器3→冷凝器2和流动方向为冷凝器2→储存容器3的第一单向阀7和第二单向阀6。

储存容器3和蒸发器1之间由第二液相管路14连接储存容器3和蒸发器1的液相部分，在第二液相管路14上安装流动方向为储存容器3→蒸发器1的第三单向阀5，省去了第二气相管路15和第二控制阀8。

具体工作过程如下：

工况一：关闭第一控制阀4，则储存容器3和冷凝器2中的压力下降接近P₂，此时蒸发器1内的压力上升接近P₁。

工况二：打开第一控制阀4，蒸发器1中的高压蒸汽通过蒸汽下降管11迅速进入冷凝器2中，冷凝器2中的压力迅速升高，在压差△P= P₁- P₂的作用下，冷凝器2中的冷凝液通过上升的第一液相管路13进入储存容器3，在上升的第一液相管路13上安装有第二单向阀6，防止进入储存容器3的冷凝液倒流。同时，储存容器3上部蒸汽压缩，压力上升至P₃，当P₁- P₃与冷凝液柱高度差压力相等时，停止供液。

工况三：进入冷凝器2中的高压蒸汽冷凝，使得蒸发器1与冷凝器2中的压力回复到分离热管式换热器的工作压力P。此时P₃＞P，冷凝器2中的冷凝液在压差的作用下向蒸发器1供液。

以上是典型原理案例及它的一种变型，下面介绍一种典型工程应用案例：

如图3所示，系统由高位蒸发器16、低位冷凝器18、蒸发储液器22、冷凝储液器20以及一些连接管路和阀门组成，这些容器和连接管路组成一个密闭的系统。

连接管路包括：

气相管路23，用于连接高位蒸发器16和低位冷凝器18；

高压引压管24，用于连接气相管路23和冷凝储液器20；

低压引压管25，用于连接蒸发储液器22和气相管路23；

第一供液管26，用于连接低位冷凝器18和冷凝储液器20；

第二供液管27，用于连接蒸发储液器22和冷凝储液器20；

第三供液管28，用于连接蒸发储液器22和高位蒸发器16。

在气相管路23与高压引压管24的接点和气相管路23与低压引压管25的接点之间设置有第三控制阀17，在第一供液管26上安装有流动方向为冷凝储液器20→低位冷凝器18的第四单向阀19，在第三供液管28上安装有流动方向为蒸发储液器22→高位蒸发器16的第五单向阀21。

具体工作原理如下：

当蒸发储液器22的液位下降到低液位时，关闭第三控制阀17。此时，高位蒸发器16内的压力开始上升，低位冷凝器18内的压力开始下降，其中高压引压管24虽然通向冷凝储液器20，当由于蒸汽不发生冷凝，所以不会影响高位蒸发器16内压力的升高，并且在第四单向阀19的作用下，液体不能返回低位冷凝器18。

此时，如果不考虑气体静压，在高压引压管24的作用下，冷凝储液器20内的压力等于高位蒸发器16内的压力；另一方面，在低压引压管25的作用下，蒸发储液器22内的压力等于低位冷凝器18内的压力，其中在第五单向阀21的作用下，高位蒸发器16内的高压不能进入蒸发储液器22。

于是在冷凝储液器20内建立高压，在蒸发储液器22内建立低压，在这样的压差ΔP作用下，冷凝储液器20内的工作介质液体开始向蒸发储液器22上升，随着ΔP越来越大，液体也上升得越高，直至到达蒸发储液器22，形成液体的输送。

冷凝储液器20内的液体不断减少，直至到达第二供液管27的入口，这时进入第二供液管27的便是气体；继续将第二供液管27内的液体压送到蒸发储液器22后，高压蒸汽进入低压引压管25（蒸发储液器22上部保证有一定的气体容积），此时第三控制阀17两端基本失去压差，打开第三控制阀17，蒸汽正常导通后，系统压力恢复到平衡压力（工作压力），此时在连通器原理下，蒸发储液器22对高位蒸发器16进入供液，冷凝储液器20进行储液，从而进入下一个循环。

若蒸发储液器22与冷凝储液器20的高度差为十米，不计流动阻力，则需要的压差约为：0.11MPa（按R22（二氟一氯甲烷），40℃时的密度1128.5kg/m3计算），以R22在40℃时为基础，温差约为3℃。

综上所述，本发明自驱动分离热管式换热器的有益效果是：

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种自驱动分离热管式换热器，其特征在于，包括：蒸发器、冷凝器和储存容器，所述蒸发器的气相部分通过蒸汽下降管连接冷凝器的气相部分，所述冷凝器的气相部分还通过第一气相管路连接储存容器的气相部分，所述冷凝器的液相部分通过第一液相管路连接储存容器的液相部分，所述储存容器的液相部分还通过第二液相管路连接蒸发器的液相部分，所述储存容器的气相部分还通过第二气相管路连接蒸发器的气相部分。

2.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述蒸发器、冷凝器和储存容器内的工质包括气相工质和液相工质，所述上部为气相工质，下部为液相工质。

3.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述储存容器的安装位置高于蒸发器的安装位置。

4.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述蒸发器的安装位置高于冷凝器的安装位置。

5.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述蒸发器的安装位置低于冷凝器的安装位置。

6.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述蒸汽下降管上安装有第一控制阀。

7.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述第一气相管路上安装有第一单向阀。

8.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述第一液相管路上安装有第二单向阀。

9.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述第二液相管路上安装有第三单向阀。

10.根据权利要求1所述的自驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述第二气相管路上安装有第二控制阀。