CN103471194B - 一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统，包括组合蒸发段、集汽箱、蒸汽流通管道、冷凝段、分液箱、液体流通管道等，液体流通管道与蒸发段入口连接，构成一个循环回路。所述组合蒸发段包含有至少两套以上的蒸发器进行吸热，可根据降温需求和洞体内外环境温差大小来决定；冷凝段在洞外的布置高度高于蒸发段，保证液体回流。本发明可以在洞体内外温差较大(50℃～60℃)或较小(25℃～30℃)的情况下，都能实现稳定工作，将高温洞体排出的热流体的温度降低到接近洞外环境温度，从而大幅度地减小红外辐射特性。本发明系统结构简单，系统运行无需额外动力，能耗低但换热效率高，相比其他的传热设备，具有简单、可靠、易实现和节能环保的优点。

Description

一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统
技术领域
本发明属于热管技术领域，涉及一种用于减小高温洞体排放的热流体温度的装置及系统。
背景技术
目前一些重要的基地设施一般都布置在山体、沙漠、地下等具备良好隐蔽条件的位置，以求避开侦查飞机或卫星雷达的侦查和红外探测。这些场所中开辟有大型工程洞体，进行相应的生产、实验和防备任务。由于工程洞体内部有热源，流出洞体气流的温度明显高于环境温度。洞体出口流体的温度过高会表现出明显的红外辐射特性，易于被红外探测发现，这会给工程洞体带来极大的安全隐患。
这种安全隐患在冬季和夏季显得尤为突出。在冬季，洞体外温度相比其他季节要低，从而洞体内外的温度差较大，红外辐射特性非常明显。因此，降温需求在冬季就显得最大。传统的装置或方法通过水汽喷淋或强制风冷的形式可以达到温度降低要求，但由于需要庞大的电力或动力系统，相当于间接地引入了另外一种红外辐射源。在夏季，洞体外环境温度很高，洞体内外的温差在全年最小，但在如此高的环境温度下继续降低温度显得难上加难。因此，降温效率低的问题在夏季就显得很突出。传统的设备和方法在不引入高热源设备的前提下无法有效地解决此类问题。
热管是一种高效的传热部件，被称为热的“超导体”。热管已成功地应用于航天器热控制、电子设备冷却、余热回收、太阳能热水器、永久冻土层的稳定以及地热利用等具有传热需求的所有方面。分离式热管换热器结构简单、无动力部件，不仅有较高的传热效率，且冷、热侧可以分开安装、布置灵活，具有较强的工程适应性，可以实现远距离传热，有效地解决大面积散热的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一套分离式热管换热系统，用于大型高温洞体降温，达到减小红外辐射，消除设施目标存在的安全隐患。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统，包括：组合蒸发段、集汽箱、蒸汽流通管道、冷凝段、分液箱和液体流通管道；
所述蒸汽流通管道将组合蒸发段、集汽箱和冷凝段连接为一个连通的整体，使得蒸汽经过组合蒸发段和集汽箱之后，流到冷凝段进行冷凝；
液体流通管道将冷凝段、分液箱和组合蒸发段连接为一个连通的整体，使得冷凝后生成的液体经过分液箱之后流转回组合蒸发段再次循环。
组合蒸发段包括两套蒸发器，一套为环形蒸发器，一套为栅栏蒸发器。
所述冷凝段采用对流散热的方式工作。
冷凝段最低点处的海拔高度大于组合蒸发段最高点的海拔高度。
所述组合蒸发段、集汽箱、蒸汽流通管道、冷凝段、分液箱和液体流通管道的材料均为不锈钢或铝合金。
所述组合蒸发段的出口、集汽箱的入口、集汽箱的出口和冷凝段的入口均通过阀门与蒸汽流通管道连接；所述冷凝段的出口、分液箱的入口、分液箱的出口和组合蒸发段的入口均通过阀门与液体流通管道连接。
所述蒸汽流通管道的直径大于液体流通管道的直径。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.采用分离式热管换热系统，洞体内大量热量被集中在一起进行处理，相比热量在空气中掺混进行降温而言，具备较强的针对性，降温效果明显；相比喷淋、强制风冷散热，降温效率非常高。
2.结构简单，无动力部件。采用分离式热管换热系统，依靠热管工质自身的相变驱动力和重力回流作用，就可实现连续稳定运转，无需配套相关的电力设备和高功率动力设备。一方面系统结构简单，装配方便，易于实现工程应用；另一方面，相比传统的喷淋、强制风冷散热方式，不会引入额外的红外辐射热源。
3.热、冷流体可以完全分离，实现远程换热。把加热段和冷却段分别布置在需要的位置，只增加直径较小的汽、液连接管，与传统的散热方法相比，避免了大量换热气体的大管路输送。分离式热管换热器可以将热源的热量输送到较远的地点散出，实现远离现场的热量传输，显著降低红外辐射。
4.加热段、冷却段传热面积比例可以大幅调整。分离型热管换热器的加热段和冷却段完全独立分开，不仅可以改变换热管的长度，还可以增加或减少管子的数量，这就可以使两段面积可以调整的幅度大大增加，这是其他散热方法无法做到的。
附图说明
图1为本发明换热系统的结构示意图；
图2为本发明换热系统的整体结构耦合图；
图3为本发明换热系统的洞内系统装置图；
图4为本发明换热系统的环形蒸发器设计图；
图5为本发明换热系统的栅栏蒸发器设计图；
图6为本发明换热系统的降温能力评估计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
如图1所示，本发明的分离式热管换热系统，包括安装在洞体内部靠近高温热流体的组合蒸发段1、集汽箱2、蒸汽流通管道3、安装在洞体外部大气环境中的冷凝段4、分液箱5和液体流通管道6。
蒸汽流通管道3将组合蒸发段1、集汽箱2和冷凝段4连接为一个连通的整体，使得蒸汽经过组合蒸发段1和集汽箱2之后，流到冷凝段4进行冷凝；液体流通管道6将冷凝段4、分液箱5和组合蒸发段1连接为一个连通的整体，使得冷凝后生成的液体经过分液箱5之后流转回组合蒸发段1再次循环。
如图2所示，为采用本发明方案的换热系统在实际情况中的布局结构。整个系统根据山体7上的洞体8的大小尺寸进行设计，它们的装配和安置关系如图2所示。冷凝段4布置在山体7的顶部，远离洞体8，通过蒸汽流通管道3和液体流通管道6与系统的其他部件实现连接。蒸汽流通管道3和液体流通管道6可依山势走向布置，并采取隔热保温措施。为了增加整个分离式热管系统的驱动力，以及避免冷凝段4与洞体8区域产生红外相互影响，可以将冷凝段4的布置高度继续提高。图中箭头10表示蒸汽流通管道3中的蒸汽工质上升方向，箭头11表示液体流通管道6中的液体工质回流方向。对于同样质量的工质，由于汽化状态的体积比液态体积大，因此蒸汽流通管道3的管径明显比液体流通管道6要大很多。
将洞体8沿纵向剖开，就可以清晰地观察到系统在洞体8中的各个部件，如图3所示。其中，系统的组合蒸发段1由环形蒸发器1-A和栅栏蒸发器1-B组成，它们用来吸收从热空气管9排出的热流体中的热量。图4显示了环形蒸发器1-A结构图。环形蒸发器1-A由环形吸热腔12和联排吸热管13组成，整个环形蒸发器1-A固定在基座14上。图5显示了栅栏蒸发器1-B的结构图。栅栏蒸发器1-B由横排热管15、竖排热管16和固定支杆17组成，并通过固定支杆17固定到洞体8的壁面上。
本发明的分离式热管换热系统的工作过程如下：
1.高温的热流体经过扩张型的热空气管9后，流动速度加快，进入环形蒸发器1-A。热流体冲刷环形蒸发器1-A的环形吸热腔12的内壁面和联排吸热管13的外壁面。
2.环形吸热腔12和联排吸热管13中的循环工质快速吸热达到饱和温度，从而产生相变，工质由液态变成气态。如图4所示，液态工质从环形蒸发器1-A的底部进入，吸热蒸发变成气态，从环形蒸发器1-A的顶部流出，从而达到吸热降温的目的。环形吸热腔12的长度和联排吸热管13的排数可以根据降温需求和流动阻力的大小进行综合平衡考虑。由于环形吸热腔12的换热面积足够大，多排吸热管13的换热面积很大，所以环形蒸发器1-A的降温效率高，降温效果显著。
3.热流体从环形蒸发器1-A中流出后，由于沿途不断放出大量热量，温度会有明显的降低，形成二次热流体。此时，排放的二次热流体与洞体8外的环境温度相比，在春、夏、秋季节情况下基本温差不大，红外辐射大大减弱，基本满足设计需求。如果在寒冷的冬季，洞体8外的温度很低，此时需要进一步降温，在环形蒸发器1-A后可加装第二套分离式热管——栅栏蒸发器1-B。
4.二次热流体进入环形蒸发器1-A后面的栅栏蒸发器1-B，热流体冲刷栅栏蒸发器1-B的横排热管15的外壁面和竖排热管16的外壁面，温度会得到进一步降低，从而排出洞体8后的温度会与洞外环境温度相差不大，红外辐射得到显著的降低。
5.液态循环工质从横排热管15的左端和竖排热管16的底端流入，工质吸热蒸发产生相变，由液态变成气态，之后从横排热管15的右端和竖排热管16的顶端流出。横排热管15的排数和竖排热管16的排数可以根据降温需求和流动阻力的大小进行综合平衡考虑。
6.组合蒸发段1中的所有热蒸汽，按照图2至图4中箭头10所示的蒸汽工质上升方向流动，经集汽箱2汇集后，在浮升力的作用下一起从蒸汽流通管道3流向位于山体7顶部的冷凝段4。
7.蒸汽流通管道3的热蒸汽流经冷凝段4时放出热量，工质由气相冷凝成液相，并在蒸汽压力和重力的双重作用下，按照图2至图4中箭头11所示的液体工质回流方向流动，工质重新回到组合蒸发段1中，并按照过程1-7持续进行循环。
8.冷凝段4处冷凝装置的设计方案可以采取自然冷却（自然风）或强制对流冷却两种方式。相对理想的强制对流冷却方式是水浴冷却。在一个闭式水箱中，用循环水不停地冲刷分离式热管系统的冷凝段4，热量由冷凝段传递给循环水，最后被循环水带走。为了显著地提高冷凝段的换热效果，可以采用带肋片的冷凝管，在水箱中布置成蛇形状，增大换热面积。
9.整个分离式热管换热系统建立后，系统降温能力评估结果如图6所示。图中Tgas表示被处理后的高温热流体的温度，Qc表示系统单位长度的换热量。结果显示，在环境温度为30℃，仅采用一套环形蒸发器的情况下，可以将洞体8中的高温热流体从65℃降至35℃，接近于外界大气环境的温度，从而显著地降低了洞体8出口处的红外辐射强度。

Claims (3)

1.一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统，其特征在于包括：组合蒸发段(1)、集汽箱(2)、蒸汽流通管道(3)、冷凝段(4)、分液箱(5)和液体流通管道(6)；
所述蒸汽流通管道(3)将组合蒸发段(1)、集汽箱(2)和冷凝段(4)连接为一个连通的整体，使得蒸汽经过组合蒸发段(1)和集汽箱(2)之后，流到冷凝段(4)进行冷凝；
液体流通管道(6)将冷凝段(4)、分液箱(5)和组合蒸发段(1)连接为一个连通的整体，使得冷凝后生成的液体经过分液箱(5)之后流转回组合蒸发段(1)再次循环；
组合蒸发段(1)包括两套蒸发器，一套为环形蒸发器(1-A)，一套为栅栏蒸发器(1-B)；
环形蒸发器(1-A)由环形吸热腔12和联排吸热管13组成，整个环形蒸发器(1-A)固定在基座(14)上；栅栏蒸发器(1-B)由横排热管(15)、竖排热管(16)和固定支杆(17)组成，并通过固定支杆(17)固定到洞体(8)的壁面上；冷凝段(4)最低点处的海拔高度大于组合蒸发段(1)最高点的海拔高度；
所述组合蒸发段(1)的出口、集汽箱(2)的入口、集汽箱(2)的出口和冷凝段(4)的入口均通过阀门与蒸汽流通管道(3)连接；所述冷凝段(4)的出口、分液箱(5)的入口、分液箱(5)的出口和组合蒸发段(1)的入口均通过阀门与液体流通管道(6)连接；
所述冷凝段(4)采用对流散热的方式工作，冷凝段(4)采取自然冷却或强制对流冷却，所述强制对流冷却方式是水浴冷却：在一个闭式水箱中，用循环水不停地冲刷冷凝段(4)，热量由冷凝段(4)传递给循环水，冷凝段(4)中采用带肋片的冷凝管，在所述闭式水箱中布置成蛇形状。
2.根据权利要求1所述的一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统，其特征在于：所述组合蒸发段(1)、集汽箱(2)、蒸汽流通管道(3)、冷凝段(4)、分液箱(5)和液体流通管道(6)的材料均为不锈钢或铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种用于减小高温洞体红外辐射的分离式热管换热系统，其特征在于：所述蒸汽流通管道(3)的直径大于液体流通管道(6)的直径。
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