CN103090711A - 一种动力热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力热管系统，主要由冷凝器、冷凝器风扇、压缩机、储液罐、蒸发器、蒸发器风扇和电路控制元件构成；所述压缩机接入蒸发器的进液端和冷凝器出液端之间；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储液分流装置和循环泵的设计，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，可以实现远距离、大功率和低温差传热，并根据需要调节传热量。

Description

一种动力热管系统

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，特别是一种动力热管系统。

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。

上述动力热管循环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制冷装置技术——一种动力热管系统，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：

一种动力热管系统，包括冷凝器、冷凝器风扇、蒸发器、蒸发器风扇、压缩机、储液罐、气液二相配流管、相互间的连接管道以及电路控制元件；所述压缩机是能够同时输送气体和液体的小功率压缩机，可选择齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵或者往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂能够同时通过，并可通过调节压缩机的流量来实现调节系统传热量。所述储液罐为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐容积大小与蒸发器和冷凝器的容积相匹配，其储液罐容积大于蒸发器的容积，而小于蒸发器、冷凝器和整个系统的管路的总容积；系统内的工作介质液体所占的体积大于蒸发器的容积，但小于蒸发器与储液罐的容积之和。所述气液二相配流管是一根直管，其主要由两个端口和位于气液二相配流管上的回流孔构成；所述气液二相配流管位于储液罐的内部，与储液罐的外接端口相连接；所述回流孔有回液孔和回气孔两种形式，回气孔位置处于储液罐内工作介质的液面之上，回液孔位置处于储液罐内工作介质的液面之下；这样蒸发器、冷凝器、储液罐、气液二相配流管、压缩机 通过相互间连接管道连接成一种动力热管系统。

以上所述动力热管系统内的循环工作介质是氟利昂。

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压缩机的开启，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压缩机的关闭，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（压缩机），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，而是压缩机产生的机械动力——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；加入压缩机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压缩机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。

为了解决加入压缩机后出现的因气液分离不彻底而产生的效率低下问题，该系统中加入了储液罐以及气液二相配流管，通过储液罐对系统管路中气液混合制冷剂进行分离，而分离后的气液态制冷剂通过气液二相配流管和压缩机回到了蒸发器中，这样在实现气液分离的同时提高了热管效率。

本发明与现有技术相比，通过加入储液罐以及储液罐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，提高了每次设备循环一周的制冷效率，再通过系统中加入的压缩机，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。    

附图说明

图1为该动力热管系统的第一种方案工作流程图。

图2为该动力热管系统的第二种方案工作流程图。

图3为该动力热管系统的第三种方案工作流程图。

图4为该动力热管系统的第四种方案工作流程图。

图5为该动力热管系统的第五种方案工作流程图。

图中：（1）冷凝器；（11）冷凝器风扇；（2）蒸发器；（21）蒸发器风扇；（3）压缩机；（31）蒸发器压缩机；（32）冷凝器压缩机；（4）储液罐；（5）气液二相配流管；（6）回流孔；（7）回液装置；（8）回气装置。 

具体实施方式一

如图1所示一种动力热管系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、压缩机（3）、储液罐（4）、气液二相配流管（5）以及链接管道，所述压缩机（3）、蒸发器（2）、冷凝器（1）、储液罐（4）以及位于储液罐（4）内部的气液二相配流管（5）按照上述顺序通过相互间的连接管道链接起来就组成了一个动力热管循环系统；所述动力热管循环系统工作时，压缩机（3）从储液罐（4）内抽取大量液态制冷工质和通过回流孔（6）的部分补充整个循环稳定的少量气态制冷工质，经蒸发器导液管进入蒸发器（2），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，它们经二相流管输送至冷凝器（1），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经冷凝器导液管进入储液罐（4）中，其进行气液分离，然后气液制冷中间介质经气液二相配流管（5）的作用，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，这样就可以在所述动力热管循环系统的循环回路中形成稳定的工作介质二相流，提高了整个系统的工作效率。

具体实施方式二

如图2所示一种动力热管系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、压缩机（3）、储液罐（4）、气液二相配流管（5）以及链接管道，所述压缩机（3）、蒸发器（2）、储液罐（4）、位于储液罐（4）内部的气液二相配流管（5）以及冷凝器（1）按照上述顺序通过相互间的连接管道链接起来就组成了一个动力热管循环系统；所述动力热管循环系统工作时，压缩机（3）从储液罐（4）内按照一定比例通过气液二相配流管（5）的一个端口抽取大量气态制冷工质和通过回流孔（6）抽取少量液态制冷工质，输送至冷凝器（1），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，冷凝的液体经压缩机（3）送入到蒸发器（2），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，它们经二相流管输送至储液罐（4）中，气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在储液罐（1）内分离，这样就可以在所述热管循环系统的循环回路中形成稳定的工作介质二相流，提高了整个系统的工作效率。

具体实施方式三

如图3所示一种动力热管系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、蒸发器压缩机（31）、冷凝器压缩机（32）、储液罐（4）以及链接管道，将以上所有元件通过连接管道及温度调节与控制部分有机连接为一个整体，就构成了双循环动力热管循环系统，通过蒸发器（2）、储液罐（4）、蒸发器压缩机（31）的有机组合，形成独立的工作液循环；通过冷凝器（1）、冷凝器压缩机（32）、储液罐（4）、的有机组合，形成独立的热管工作气循环；这样整个系统包括两个小循环，分别是工质液循环和工质气循环，两循环的有机结合构成整个系统的工质大循环，储液罐（4）的作用是储存从蒸发器（2）和冷凝器（1）输出的制冷工质，使其进行气液分离，然后重新再分配，液态制冷工质回到蒸发器（2），气态制冷工质回到冷凝器（1）；所述动力热管循环系统工作时，蒸发器压缩机（31）抽取储液罐（4）内的液态制冷工质，输送到蒸发器（2），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，进入储液罐（4）进行气液分离，此时在冷凝器压缩机（32）的抽压力作用下，储液罐（4）内的气态制冷工质进入到冷凝器（1），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经冷凝器压缩机（32）进入储液灌（4）中，其进行气液分离、储存与分配，然后进行下一次循环。

具体实施方式四

如图4所示一种动力热管系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、压缩机（3）、储液罐（4）、回液装置（7）、链接管道和电路控制元件；所述冷凝器（1）的进气口连接储液罐（4），其两者接口位于储液罐（4）内的工作介质液面之上部，蒸发器（2）的出气口连接储液罐（4），其两者接口位于储液罐（4）内的工作介质液面之上部；所述回液装置（7）有三种形式，分别是可控制流量的可调性回液节流阀、一定大小截面的竖直导液管或一个回液孔；所述回液装置（7）进液端接入储液罐（4）中，其两者接口位于储液罐（4）内工作介质液面之下部；压缩机（3）安装在回液装置（7）和冷凝器（1）的输出端与蒸发器（2）的进液端之间；所述电路控制元件控制着系统中压缩机（3）的开启和运转状态；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压缩机（3）的带动下，它们从冷凝器（1）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（2）流出进入储液罐（4）中，气液二相流中间工作介质根据各自物理性质在储液罐（4）内分离，气态中间介质进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，液态中间介质通过回液装置（7）输出，这样从回液装置（7）输出的液态中间介质和从冷凝器（1）出来的液态中间介质汇合同时进入到蒸发器（2）中，这样就组成一种动力热管的循环过程。

具体实施方式五

如图5所示一种动力热管系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（2）、压缩机（3）、储液罐（4）、回气装置（8）、相互连接管道和电路控制元件，所述压缩机（3）的输出端连接储液罐（4），其两者接口位于储液罐（4）内的工作介质液面之上部，蒸发器（2）的输入端连接储液罐（4），其两者接口位于储液罐（4）内的工作介质液面之下部，回气装置（8）有两种形式，分别是一个回气管或位于蒸发器（2）输出端和冷凝器（1）输入端之间管道上的一个回气孔；所述的回气管的气态制冷剂输入端接入储液罐（4）内工作介质液面上部，回气管的气态制冷剂输出端接入蒸发器（2）输出端和冷凝器（1）输入端之间的管道上；所述回气孔位于储液罐（4）内工作介质液面上部；所述压缩机（3）安装在储液罐（4）和冷凝器（1）之间，主要为整个系统提供动力支持；所述电路控制元件控制着系统中压缩机（3）的开启和运转状态；整个系统包含一个由冷凝器（1）、压缩机（3）、储液罐（4）、蒸发器（2）顺次连接形成的大循环和一个由冷凝器（1）、压缩机（3）、储液罐（4）、回气装置（8）顺次连接形成的小循环；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压缩机（3）的带动下，它们从冷凝器（1）流出进入储液罐（4）中，在储液罐（4）中进行彻底的气液分离，气态中间介质通过回气装置（8）进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，液态制冷剂从储液罐（4）经蒸发器（2）导液管进入到蒸发器（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以及通过回气装置（8）输出的气态制冷剂，进入到冷凝器（1）中进行下一次循环，这样就完成了整个热管循环系统的循环过程。

Claims (2)

1.一种动力热管系统，包括冷凝器（1）、冷凝器风扇（11）、蒸发器（2）、蒸发器风扇（21）、相互间的连接管道以及电路控制元件，其特征在于，还包括压缩机（3）、储液罐（4）和气液二相配流管（5）三个部分；所述压缩机（3）是能够同时输送气体和液体的小功率压缩机，可选择齿轮泵、罗茨泵、螺杆泵、转子活塞泵或者往复式活塞泵，使气态制冷剂和液态制冷剂能够同时通过，并可通过调节压缩机的流量来实现调节系统传热量；所述储液罐（4）为一外表面设有隔热层的耐高压密封容器，储液罐（4）容积大小与蒸发器（2）和冷凝器（1）的容积相匹配，其储液罐容积大于蒸发器（2）的容积，而小于蒸发器（2）、冷凝器（1）和整个系统的管路的总容积；系统内的工作介质液体所占的体积大于蒸发器（2）的容积，但小于蒸发器（2）与储液罐（4）的容积之和；所述气液二相配流管（5）是一根直管，其主要由两个端口和位于气液二相配流管上的回流孔（6）构成；所述气液二相配流管（5）位于储液罐（4）的内部，与储液罐（5）的外接端口相连接；所述回流孔（6）有回液孔和回气孔两种形式，回气孔位置处于储液罐内工作介质的液面之上，回液孔位置处于储液罐内工作介质的液面之下；这样蒸发器（2）、冷凝器（1）、储液罐（4）、气液二相配流管（5）、压缩机（3）通过相互间连接管道连接成一种动力热管循环系统。

2.根据权利要求1所述的一种动力热管系统，其特征在于，所述动力热管系统内的循环工作介质是氟利昂。

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