CN102954718A

CN102954718A - 喷淋式热管换热器及其方法

Info

Publication number: CN102954718A
Application number: CN 201210294746
Authority: CN
Inventors: 张融; 项晓东
Original assignee: LANHU ENERGY TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Current assignee: LANHU ENERGY TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2013-03-06

Abstract

本发明公开了一种喷淋式热管换热器及其方法。该换热器包括：第一腔室；利用隔离墙与第一腔室分离的第二腔室；多根热管，每根热管由具有热界面的蒸发段和具有冷界面的冷凝段组成，其中，热管的蒸发段置于第一腔室，热管穿过绝缘墙，并且热管的冷凝段置于第二腔室；第一喷淋器，位于第一腔室，用于将第一工作流体喷射到热管的蒸发段；和第二喷淋器，位于第二腔室，用于将第二工作流体喷射到热管的冷凝段。

Description

喷淋式热管换热器及其方法

技术领域

本发明涉及换热器领域，特别涉及一种形成低温度差蒸汽的喷淋式热管换热器。

背景技术

热管是一种结合了导热和相变两种原理，高效地在两种固体表面传输热量的换热设备。在热管的热界面处，特别在非常低压情况下，液体与热传导表面接触，通过吸收该表面的热量转化为蒸汽。蒸汽流向冷界面，冷凝成液体，释放蒸汽的潜热。因而能有效的将热量从热界面传输至冷界面。然后，液体通过毛细管现象和/或重力的作用回到热界面，再次蒸发反复循环。热管的内压可以设定或者调节至能促进传热流体相变的温度，工作流体取决于热管理系统的工作条件。

典型的热管由密封的管子或管道组成，冷热两端采用高导热系数的材料，例如铜或铝。采用真空泵排出空的热管内的空气，然后，填充一定体积百分比的适合工作温度的工作流体(或冷却剂)。该种流体可以是水、酒精、丙酮、钠溶液或水银。由于局部真空会近似于或低于流体的蒸汽压力，部分流体将为液相，部分为气相。采用真空环境，避免了工作气体由于接触其他气体而扩散，因而蒸汽是以分子移动的速度传输到冷凝端。因此，气体传热速度的仅仅限制于气体位于冷端冷凝至液体的速度。

在管壁内，可选用毛细结构产生毛细压力，施加给液相的工作流体。毛细结构可以是典型的烧结金属粉末或一系列平行热管轴线的凹槽，它也可以用任何可对冷凝液体产生毛细压力的材料制成，冷凝液体依靠毛细作用回到热端。如果重力或其他加速度足够克服冷凝液体的表面张力，促使其流回热端，热管也可以不采用毛细结构。

热管不包含机械活动部件，最具代表性的是，其不需要维护。当工作流体的气压较低时，这一特性是非常具有意义的。材料的选择取决于热管工作时的温度条件，冷却剂的范围从极低温度应用(2-4°K)到水银(523-923°K)至纳(873-1473°K)甚至极高温度的铟(2000-3000°K)。大部分低温应用的热管采用组合氨(213-373°K)、甲醇(283-403°K)、乙醇(273-403°K)或水(303-473°K)作为工作流体。因为热管为真空，工作流体在充分低于大气压力沸点时沸腾，获得潜热。比如，水能在刚过273°K(0℃)时沸腾，因而，它能有效的在较低的温度传递潜热。

热管相对于许多其他散热机构的优势在于其高效的传热效率。从根本上来说，相对于等效截面的固体铜(其没有利用相变材料原理)，热管是一个更好的热导体。一些热管证明了其热通量达到230MW/m²或23kW/cm²以上。在某种意义上，热管是热能的超导体。

热管还具有以下独特的性能：蒸发段和冷凝段具有较小的温度差；可控的导热密度；可逆的传热路径和强大的环境适应能力。此外，热管换热器相比于常规换热器，具有以下优势，比如没有活动部件，更高的传热效率，更低的能量消耗。

在溴化锂吸收式热泵或制冷机组中，其吸收器在工作过程中，即在溴化锂浓溶液吸收低压水蒸气而变为稀释溴化锂溶液的过程中，会放出大量的吸收潜热。通常这些热量都是用冷却水冷却带出系统的。然而，在某些特定的应用中，如果能够将这些温度品质不高但量很大的潜热在很低的温差下转换成低压水蒸汽在加以应用，会产生很好的节能效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的热管换热器，能够在很低的温差下生成低压蒸汽。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种喷淋式热管换热器。在一个具体实施例中，该换热器包括第一腔室；第二腔室，与第一腔室通过隔离墙分离；多根热管，每根热管由具有热界面的蒸发段和具有冷界面的冷凝段组成；其中，热管的蒸发段置于第一腔室，热管的蒸发热源通常是溴化锂吸收器的吸收潜热，热管穿过隔离墙，并且热管的冷凝段置于第二腔室；第一喷淋器位于第一腔室，用于喷射第一工作流体至热管的蒸发段；第二喷淋器位于第二腔室，用于喷射第二工作流体至热管的冷凝段。

优选的，换热器还包括一个第一蒸汽口，位于第一腔室，作为第一蒸汽入口。

优选的，换热器还包括一个第二蒸汽口，位于第二腔室，作为第二蒸汽出口。

优选的，第一喷淋器喷射第一工作流体，吸附第一蒸汽，并产生热量。

优选的，第一喷淋器和/或第二喷淋器在热管段产生降膜换热。

优选的，热管从第一腔室到第二腔室位置逐渐上升，因此热管内冷凝的工作流体从第二腔室的冷凝段向下流向第一腔室的蒸发段。

优选的，换热器包括至少4根热管。

优选的，换热器包括至少10根热管。

优选的，第一工作流体为溴化锂溶液，第一蒸汽为水蒸汽。

优选的，第二工作流体为水。

优选的，第二蒸汽为水蒸汽。

本发明的实施方式还提供了一种从第一蒸汽传递潜热至第二蒸汽的方法，在一个具体实施例中，该方法包括：将第一蒸汽输入上述热管换热器的第一腔室；将第一工作流体输入热管换热器的第一喷淋器；将第二工作流体输入热管换热器的第二喷淋器；启动热管换热器，第一工作流体与第一蒸汽结合，获得热量，热量被热管的蒸发段吸收，并传输到位于第二腔室的热管的冷凝段，此处热量将第二工作流体转换为第二蒸汽；和将第二蒸汽排出第二腔室。

优选的，还包括：从第一腔室排出稀释的第一工作流体；重新浓缩/蒸发第一工作流体；和将第一工作流体再输入第一喷淋器。

可选的，采用吸收式制冷机重新浓缩第一工作流体。第一腔室即为溴化锂热泵或溴化锂制冷机的吸收器，当浓溴化锂溶液被喷淋或滴淋在热管表面时，会吸收处于同一腔室内的低压水蒸气，同时释放出大量的吸收潜热，作为热管换热器第一腔室内的热源。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：该热管换热器具有非常高的导热性质，在相同条件下，水铜热管的导热能力是固体铜管的280倍。而且，热管导热方向的温差是最小的，同时饱和蒸汽压差在同一方向也很小，能够形成低温差的蒸汽，具有卓越的等温线特性。本发明换热器的最大特点在于能够在第二腔室产生饱和温度只比第一腔式吸收发热温度低2至3度的低压蒸汽。这种特性是其他中来换热器无法做到的。该换热器还可以通过改变各自蒸发截面或冷凝截面的传热表面面积，调节导热密度。此外，该种热管换热器没有机械活动部件，无需维护，节约了成本。

附图说明

图1示出了本发明喷淋式热管换热器一个实施例的结构示意图；

图2示出了本发明喷淋式热管换热器的俯视图；

图3示出了本发明喷淋式热管换热器中一根热管的结构示意图；

图4示出了本发明喷淋式热管换热器中一组热管在一个平面的结构示意图；

图5示出了本发明喷淋式热管换热器的隔离墙的结构示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。

下面提供了热管换热器的多个实施例。该热管换热器能够在极低温度差的情况下，非常高效率的传热。

图1和图2示出了热管换热器101的一个实施例，图1、图2是该换热器的主视图和俯视图。如图所示，换热器包括第一腔室124和第二腔室125，通过隔离墙或隔离物119互相分离。在具体实施例中，具有一根或多根热管129，每根热管由具有热界面的蒸发段106和冷凝段108组成，热管129位于腔室内，其中，热管的蒸发段106位于第一腔室124，所述热管129穿过隔离墙或隔离物119，并且热管的冷凝段106位于第二腔室125。图4示出了单个平面的一组热管129的结构图，可选择任意的连接管109与热管连接，热管包括的蒸发段106、隔离段107和冷凝端108。特别的，第一喷淋器/喷头104置于第一腔室124，用于喷射第一工作流体126至所述热管的蒸发段106；第二喷淋器128位于第二腔室125，用于喷射第二工作流体127至热管的冷凝段108。在某个实施例中，第一工作流体通过流体口137进入第一喷淋器/喷头104，第二工作流体通过第二流体入口138进入第二喷淋器/喷头128。在多个实施例中，喷淋器用于产生降膜传热给热管。

图3示出了单根热管的结构，每根热管129由蒸发段106、隔离段107和冷凝段108组成。图4示出了一组热管的结构，其中，热管129包括蒸发段106、隔离段107和冷凝段108，并且热管与任选的连接管109连接。图5示出了隔离墙/隔离物119的结构，隔离墙119具有多个通孔，热管的隔离段107穿过该通孔。

在某个实施例中，第一蒸汽114从第一蒸汽入口134进入第一腔室124。第一工作流体126，通常是浓溴化锂溶液，通过喷淋或滴淋，在热管106的表面上形成降膜，同时吸收腔室一中的蒸汽134，在热管蒸发段106表面产生大象的吸收潜热，一方面工作流体一被稀释，另一方面，吸收时产生的热量传递给热管的蒸发段106。第一腔室124即为溴化锂热泵或溴化锂制冷机的吸收器，当浓溴化锂溶液被喷淋或滴淋在热管蒸发段106表面时，会吸收处于同一腔室内的低压水蒸气，同时释放出大量的吸收潜热，作为热管换热器第一腔室内的热源。稀释的工作流体115可以从第一腔室124通过流体口136排出，通过任意的蒸发器再利用(再浓缩)传输回到第一喷淋器104。

在某个实施例中，第二工作流体127通过第二喷淋器/喷头128喷射，在通过热管的冷凝段108表面时转换为蒸汽，热管释放热量给第二工作流体。蒸发的第二工作流体可以通过第二蒸汽出口135排出第二腔室125。

在某个实施例中，换热器包括至少2、或至少3、或至少4、或至少5、或至少6、或至少7、或至少8、或至少9、或至少10、或至少15、或至少20、或至少25、或至少30、或至少50、或至少80、或至少100根热管。

在多个优选例中，第一蒸汽114和第一工作流体126混合，用于产生热量。在某个具体实施例中，第一工作流体126为溴化锂溶液(LiBr)，第一蒸汽为水蒸汽。

在某个实施例中，如图1所示，在第一腔室124，溴化锂工作溶液126喷淋到热管蒸发段106，结合/吸收第一蒸汽114，将潜热传递给热管。热管中的介质蒸发并传递热量给第二腔室125的热管冷凝段108。在第二腔室125中，第二喷淋器128喷淋第二工作流体(例如，冷却水)至热管冷却段108。热管释放热量给水，从而水蒸发形成蒸汽112。在多个实施例中，利用喷淋器保证了最适宜的传热条件，尤其当两个腔室的温度差极小的时候。

上述描述说明了利用换热器将第一蒸汽114的热量传递给第二蒸汽112需受限于它的结构。比如说，在某个实施例中，第一喷淋器104可以喷淋高温工作流体，通过接触热管蒸发段106冷凝。冷凝的工作流体可以通过流体口136再次循环。在这个实施例中，第一蒸汽114和第一蒸汽口134可以任意的去除。

可以意识到，上述提到将溴化锂溶液作为工作流体，还可选用其他工作流体。在某个实施例中，溴化锂可以与其他材料结合，改善粘性/混合、增大运输、减少腐蚀性或改善其他性能。例如，在某个实施例中，溴化锂与有机盐结合(例如，含纳和/或钾的有机盐、醋酸盐、甲酸盐、乳酸盐等等。)所述防腐剂包括，但不限于，硝酸锂、铬酸盐、亚砷酸盐和钼酸锂。所述表面活性剂包括，但不限于，2-乙基-1-己醇、1-辛醇等等。

该换热器具有许多的优点。例如，热管具有非常高的导热性质。例如，在相同条件下，水铜热管的导热能力是固体铜管的280倍。根据Clausius-Clapeyrone方程的等温特性：

dT = \frac{T_{v}}{ρ_{v} k_{v}} dp

可以看出，热管导热方向的温差是最小的，同时饱和蒸汽压差在同一方向也很小。因此，热管具有卓越的等温线特性。

此外，导热密度是可调节的。比如，通过改变各自蒸发截面或冷凝截面的传热表面面积，或改变蒸发截面和冷凝截面之间传热表面面积比，人们可以容易的调节两端的导热密度。

上述阐述的实施例是对本发明的说明的而非限制。利用上述提供的内容，本领域的技术人员可以得到多种变化。例如，增加导热表面面积，将鳍结构应用在热管的外表面等等。

可以注意到，中间的隔离平面并不仅仅隔离左右腔室，也增加了热管换热器的机械结构强度。在某个优选例中，换热器的隔离区域应很好的密封，保证没有两种不同的混合溶液进入。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种热管换热器，包括：

第一腔室；

利用隔离墙与所述第一腔室分离的第二腔室；

多根热管，每根热管由具有热界面的蒸发段和具有冷界面的冷凝段组成，其特征在于，所述热管的蒸发段置于所述第一腔室，所述热管穿过所述隔离墙，并且所述热管的冷凝段置于所述第二腔室；

第一喷淋器，位于所述第一腔室，用于将第一工作流体喷射到所述热管的蒸发段；和

第二喷淋器，位于所述第二腔室，用于将第二工作流体喷射到所述热管的冷凝段。

2.根据权利要求1所述的热管换热器，其特征在于，所述换热器还包括一个第一蒸汽口，位于所述第一腔室，作为第一蒸汽入口。

3.根据权利要求2所述的热管换热器，其特征在于，所述换热器还包括一个第二蒸汽口，位于所述第二腔室，作为第二蒸汽出口。

4.根据权利要求3所述的热管换热器，其特征在于，所述第一喷淋器喷射第一工作流体，吸附所述第一蒸汽，并产生热量。

5.根据权利要求4所述的热管换热器，其特征在于，所述第一喷淋器和/或所述第二喷淋器在热管段产生降膜换热。

6.根据权利要求5所述的热管换热器，其特征在于，所述热管从第一腔室到第二腔室位置逐渐上升，因此热管内冷凝的工作流体从所述第二腔室的冷凝段向下流向所述第一腔室的蒸发段。

7.根据权利要求6所述的热管换热器，其特征在于，所述换热器包括至少4根热管。

8.根据权利要求6所述的热管换热器，其特征在于，所述换热器包括至少10根热管。

9.根据权利要求7或8所述的热管换热器，其特征在于，所述第一工作流体为溴化锂溶液，所述第一蒸汽为水蒸汽。

10.根据权利要求9所述的热管换热器，其特征在于，所述第二工作流体为水。

11.根据权利要求10所述的热管换热器，其特征在于，所述第二蒸汽为水蒸汽。

12.一种从第一蒸汽传递潜热至第二蒸汽的方法，其特征在于，包括：

将第一蒸汽输入权利要求3-11任一项所述热管换热器的第一腔室；

将所述第一工作流体输入所述热管换热器的第一喷淋器；

将所述第二工作流体输入所述热管换热器的第二喷淋器；

启动所述热管换热器，所述第一工作流体与所述第一蒸汽结合，获得热量，热量被热管的蒸发段吸收，并传输到位于第二腔室的热管的冷凝段，此处热量将第二工作流体转换为第二蒸汽；和

将所述第二蒸汽排出所述第二腔室。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

从所述第一腔室排出稀释的第一工作流体；

重新浓缩/蒸发所述第一工作流体；和

将所述第一工作流体再输入所述第一喷淋器。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，采用吸收式制冷机重新浓缩所述第一工作流体。