CN102997727A - 热驱动分离热管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热驱动分离热管式换热器，包括：蒸发器、蒸发储液器、冷凝器、冷凝储液器和热驱动加热装置，蒸发器的气相部分通过第一气管连接冷凝器的气相部分，冷凝器通过冷凝液管连接冷凝储液器，冷凝储液器通过供液管连接蒸发储液器气相部分，蒸发储液器的液相部分通过液体连通管连接蒸发器的液相部分，热驱动加热装置设置在冷凝储液器的内部或蒸发器内部。通过上述方式，本发明热驱动分离热管式换热器在热管回路上加装一套热驱动加热装置，利用高温热源或其它外来热源来加热这一装置内的工作介质，能够实现低位冷凝器的冷凝液输送至高位蒸发器，达到利用热能来驱动分离热管不断运行的目的。

Description

热驱动分离热管式换热器

技术领域

本发明涉及分离热管换热领域，特别是涉及一种热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来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），其蒸发段和冷凝段是分开的，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），液体下降管与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，这时候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应用。

一篇现有专利（申请号：03806651.3）提出了一种具有泵辅助的热管回路来解决以上的问题，采用外加动力（泵）的形式将低位冷凝液输送到高位蒸发器，解决了重力分离热管无法工作的问题，但泵是较为复杂的电力运动部件，除了选型困难外，还存在其运动噪音高、有泄漏隐患、维护复杂和费用高的缺陷；另外，为了达到适应负荷变化的目的，定频泵的定流量特点，会增加系统与控制的复杂性，而采用变频技术，也同样增加了控制的复杂程度与系统投资。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种热驱动分离热管式换热器，在分离热管回路上加装一套热驱动加热装置，利用高温热源或其它外来热源来加热这一装置内的工作介质，能够实现低位冷凝器的冷凝液输送至高位蒸发器，达到利用热能来驱动分离热管不断运行的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种热驱动分离热管式换热器，包括：蒸发器、蒸发储液器、冷凝器、冷凝储液器和热驱动加热装置，所述蒸发器的气相部分通过第一气管连接冷凝器的气相部分，所述冷凝器通过冷凝液管连接冷凝储液器，所述冷凝储液器通过供液管连接蒸发储液器气相部分，所述蒸发储液器的液相部分通过液体连通管连接蒸发器的液相部分，所述热驱动加热装置设置在冷凝储液器的内部或蒸发器内部。

在本发明一个较佳实施例中，所述冷凝液管上设置有第一单向阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述热驱动加热装置设置在冷凝储液器的内部，所述冷凝储液器还通过气体连通管连接冷凝器。

在本发明一个较佳实施例中，所述气体连通管上设置有控制阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述热驱动加热装置设置在蒸发器的内部，所述蒸发器内热驱动加热装置的气相部分还通过第二气管连接冷凝器的气相部分。

在本发明一个较佳实施例中，所述冷凝器还通过引压管连接冷凝储液器。

在本发明一个较佳实施例中，所述第二气管上设置有控制阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述蒸发器通过液体连通管连接热驱动加热装置，所述液体连通管上设置有第二单向阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述冷凝储液器与冷凝器一体制作，所述蒸发储液器与蒸发器一体制作。

本发明的有益效果是：本发明热驱动分离热管式换热器在分离热管回路上加装一套热驱动加热装置，利用高温热源或其它外来热源来加热这一装置内的工作介质，使其产生高于工作压力P的高压P_s，再利用这个P_s把冷凝液体输送至蒸发器内，能够实现低位冷凝器的冷凝液输送至高位蒸发器，达到利用热能来驱动分离热管不断运行的目的。

附图说明

图1是本发明热驱动分离热管式换热器的原理示意图；

图2是本发明热驱动分离热管式换热器一较佳实施例的结构示意图；

图3是本发明热驱动分离热管式换热器另一较佳实施例的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、蒸发器，2、冷凝器，3、第一单向阀，4、热驱动加热装置，5、冷凝储液器，6、控制阀，7、蒸发储液器，8、第二单向阀，11、第一气管，12、供液管，13、冷凝液管，14、气体连通管，15、液体连通管，16、第二气管，17、引压管。

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。

请参阅图1至图3，

一种热驱动分离热管式换热器，包括：蒸发器1、蒸发储液器7、冷凝器2、冷凝储液器5和热驱动加热装置4。

所述蒸发器1的气相部分通过第一气管11连接冷凝器2的气相部分，所述冷凝器2通过冷凝液管13连接冷凝储液器5，所述冷凝液管13上设置有第一单向阀3，第一单向阀3控制冷凝液从冷凝器2输送至冷凝储液器5。

所述冷凝储液器5通过供液管12连接蒸发储液器7气相部分（当不设置蒸发储液器7时，直接连接至蒸发器1气相部分），所述蒸发储液器7的液相部分通过液体连通管15连接蒸发器1的液相部分。

所述热驱动加热装置4设置在冷凝储液器5或蒸发器1内部。

当所述热驱动加热装置4设置在冷凝储液器5内部时，所述冷凝储液器5的气相部分通过气体连通管14连接冷凝器2的气相部分，所述气体连通管14上设置有控制阀6，所述控制阀6控制冷凝储液器5的压力恢复到冷凝压力。当所述冷凝储液器5向外换热良好时，则省略气体连通管14和控制阀6。

所述冷凝器储液器5的液相部分通过供液管12连接蒸发储液器7的气相部分，所述蒸发储液器7的液相部分通过液体连通管15连接蒸发器1的液相部分。当省略蒸发储液器7时，所述冷凝储液器5的液相部分直接通过供液管12连接蒸发器1的气相部分。

当所述加热装置4设置在蒸发器1内部时，所述加热装置4的气相部分还通过第二气管16连接冷凝器2气相部分，所述第二气管16上设置有控制阀6；同时，所述加热装置4的气相部分通过第二气管16、引压管17连接冷凝储液器5。此时控制阀6能实现冷凝储液器5获得高压以输送液体和恢复工作压力以进行储液。

本发明的具体实施例如下：

实施例一

所述热驱动加热装置4设置在冷凝储液器5内部，所述冷凝储液器5的气相部分通过气体连通管14连接冷凝器2的气相部分，所述气体连通管14上设置有控制阀6，所述控制阀6控制冷凝储液器5的压力恢复到冷凝压力。当所述冷凝储液器5向外换热良好时，则省略气体连通管14和控制阀6。

实施例一的具体工作过程描述如下：

蒸发器1内的热管工质吸收高温热源的热量，蒸发变成气体，气体经第一气管11流入冷凝器2，气体被低温热源吸热后冷凝成液体。

工质气体流向冷凝器2，这种流动不需要外加动力，由蒸发和冷凝作用形成的压差推动（若不能流动，则蒸发器1内的压力向Ps_t1（Ps_t1表示在t₁温度下的工质的饱和压力）上升，冷凝器2内的压力向Ps_t2（Ps_t2表示在t₂温度下的工质的饱和压力）下降，显然Ps_t1大于Ps_t2，所以气体必然向冷凝器2流动），并且无论蒸发器1与冷凝器2的相对位置如何，只要高低温热源存在一个较小的温差，工质蒸汽总能够在这种正向压差的推动下达到冷凝器2。

这个压差的大小等于气态工质从蒸发器到冷凝器的流动阻力与静压头的矢量和。若忽略流动阻力与静压头，则这个压差趋于零。蒸发器1内的压力与冷凝器2内的压力相等，即在换热稳定时，蒸发器1与冷凝器2均在压力P下工作，则有Ps_t1＞P＞Ps_t2，P的大小取决于开始时的蒸发速率与冷凝速率。当初始的蒸发速率大于冷凝速率时，P更接近于Ps_t1；反之，P更接近于Ps_t2。

换热一段时间后，冷凝储液器5的冷凝液不断增加，蒸发器1内的液态工质不断减少。当需要输送冷凝液到蒸发器1时，关闭控制阀6，启动驱动热源，用热驱动加热装置4对冷凝储液器5内的饱和液态工质进行加热，则在第一单向阀3的逆止作用下（液态工质不能回流到冷凝器2），冷凝储液器5内的压力由P开始升高。这样就在冷凝储液器5与蒸发器1（或蒸发储液器7）之间形成一个正向的压差ΔP，ΔP在这个压差的作用下，液态工质克服了流动阻力与静压头，开始向蒸发器1（或蒸发储液器7）流动，随着ΔP的不断增大，液态工质一直流动到蒸发器1（或蒸发储液器7）内。

如果系统设置蒸发储液器7，则液态工质在蒸发储液器7内暂存，然后再对蒸发器1进行补充。

液体补充充足后，即停止驱动热源的加热，打开控制阀6，则冷凝储液器5的压力很快恢复到工作压力P，在连通器作用下再进行冷凝液的储存。如果冷凝储液器5与低温热源之间可以通过壳体进行换热，则控制阀6与气体连通管14可以省去。因为在驱动热源停止加热后，冷凝储液器5在散热的情况下，也能很快恢复到工作压力P，实现对气态工作的储存。冷凝储液器5恢复储液后，即开始为下一次供液做好准备，进入下一个供液周期。

实施例二：

本实施例中，所述热驱动加热装置4设置在蒸发器1的内部。所述蒸发器1内的热装置4的气相部分还通过第二气管16连接冷凝器2的气相部分。所述第二气管16上设置有控制阀6。

所述加热装置4的气相部分还通过第二气管16、引压管17连接冷凝储液器5的气相部分。

所述加热装置4的液体在连通器的作用下，来自液体连通管15的供应，所述液体连通管15上设置有第二单向阀8。

实施例二的具体工作过程描述如下：

蒸发器1内的热管工质吸收高温热源的热量，蒸发变成气体，气体经第一气管11和第二气管16流入到冷凝器2，被低温热源吸热后，冷凝成液体。工质气体从蒸发器1流向冷凝器2的原理如实施例一中所述。在系统正常工作时，压力为P（不考虑气态工质的流动阻力与静压头）。

换热一段时间后，冷凝储液器5内的冷凝液不断增加，蒸发器1内的液态工质不断减少。当需要输送冷凝液到蒸发器1时，关闭控制阀6，这时蒸发器1内置的热驱动加热装置4在第二单向阀8的逆止作用下，液体不能回流，而蒸发出的工质又得不到冷凝（因控制阀6关闭），因此其内的工质在高温热源加热作用下，压力由P向Ps_t1升高。

此时，冷凝储液器5在引压管14以及单向阀3的作用下，其内的压力与蒸发器1内置的热驱动加热装置4的压力一同升高。这样就在冷凝储液器5与蒸发储液器7之间形成一个正向的压差ΔP，在这个压差ΔP的作用下，液态工质克服了流动阻力与静压头，开始从供液管12向蒸发储液器7流动，随着ΔP的不断增大，液态工质一直流动到蒸发储液器7内，在蒸发储液器7内暂存，然后再对蒸发器1进行补充。

液体补充充足后，即打开控制阀6，则蒸发器1内置的热驱动加热装置4内的压力很快向工作压力P降低。于是冷凝储液器5的压力便很快恢复到工作压力P，在连通器作用下再进行冷凝液的储存，即开始为下一次供液做好准备，进入下一个供液周期。

本实施例中，驱动热管运行的热源即是高温热源本身。

本发明热驱动分离热管式换热器的有益效果是：

一、利用热能来实现分离热管换热器中冷凝液体的输送，来保障分离热管的正常运行，从而解决了重力分离热管换热器中冷凝段（器）安装位置必须高于蒸发段（器）安装位置的问题，由于热能来源便利（利用换热器本身的高温热源或其它高于换热器低温热源的热源都能实现对分离热管的驱动），所以本发明大大拓宽了分离热管换热器的使用场合；

二、采用简单的加热装置（加热器或换热器），在系统中形成驱动分离热管换热器循环运行的动力，而不是采用泵，解决了泵的选型困难、运行噪音高、有泄漏隐患、维护复杂、初投资和维护费用高的问题，加热装置的结构和制造简单，不受系统大小的限制，也极大的拓宽了分离热管换热器的使用场合，另外，由于加热装置不是运动部件，也从根本上提升了系统的可操作性、稳定性与可靠性；

三、采用了独立的加热装置：一方面独立的加热装置摆脱了仅采用换热器本身高温热源的限制，使“热驱动”的实现更加灵活，从而使得换热器的使用更加方便、应用更加灵活；另一方面，独立的加热装置不影响热管气路的流动，从而实现了分离热管换热器的连续运行（热能的传输实现了连续，不会间断）；

四、热驱动的形式多样，热源可以是换热器本身所在的高温热管，可以是来自于各种形式的电能，也可以是方便取用的其它热源；

五、能够适应负荷变化（换热量变化）的控制，通过对驱动热源的控制来适应换热负荷的变化，控制的依据可以是温度、压力或是液位等参数，当采用电加热作为驱动热源时，控制更加简捷方便。

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 (9)

1.一种热驱动分离热管式换热器，其特征在于，包括：蒸发器、蒸发储液器、冷凝器、冷凝储液器和热驱动加热装置，所述蒸发器的气相部分通过第一气管连接冷凝器的气相部分，所述冷凝器通过冷凝液管连接冷凝储液器，所述冷凝储液器通过供液管连接蒸发储液器气相部分，所述蒸发储液器的液相部分通过液体连通管连接蒸发器的液相部分，所述热驱动加热装置设置在冷凝储液器的内部或蒸发器内部。

2.根据权利要求1所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述冷凝液管上设置有第一单向阀。

3.根据权利要求1所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述热驱动加热装置设置在冷凝储液器的内部，所述冷凝储液器还通过气体连通管连接冷凝器。

4.根据权利要求3所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述气体连通管上设置有控制阀。

5.根据权利要求1所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述热驱动加热装置设置在蒸发器的内部，所述蒸发器内热驱动加热装置的气相部分还通过第二气管连接冷凝器的气相部分。

6.根据权利要求5所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述冷凝器还通过引压管连接冷凝储液器。

7.根据权利要求5所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述第二气管上设置有控制阀。

8.根据权利要求5所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述蒸发器通过液体连通管连接热驱动加热装置，所述液体连通管上设置有第二单向阀。

9.根据权利要求1所述的热驱动分离热管式换热器，其特征在于，所述冷凝储液器与冷凝器一体制作，所述蒸发储液器与蒸发器一体制作。

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