CN103727823A

CN103727823A - 一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管及其制造方法

Info

Publication number: CN103727823A
Application number: CN201310684841.4A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 汤勇; 张仕伟; 韩晓东; 陆龙生
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-04-16

Abstract

本发明涉及一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，包括管体，管体的一段是冷凝段，另一段是蒸发段；管体外对应冷凝段为外翅片结构，对应蒸发段为外沟槽结构。本发明还涉及一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，包括：管体的加工，外翅片单元、上端盖和下端盖的加工，外翅片结构的加工，吸液芯的加工和封装步骤。本发明具有加工工艺简单可靠，用于竖式热管冷凝器时，冷凝效果好，维护简单的优点，属于冷凝器的零部件技术领域。

Description

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管及其制造方法

技术领域

本发明涉及冷凝器的零部件，特别是涉及一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管及其制造方法。

背景技术

工业生产中实现两种物料之间热量传递的设备统称为冷凝器，冷凝器是在石油化工、冶金、电力、轻工、食品等行业普遍应用的一种通用工艺设备。在炼油、化工装置中冷凝器占总设备数量的40%左右。近年来，随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，利用冷凝器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。冷凝器是典型的工艺设备，应用十分普遍，几乎任何化工生产工艺都离不开它。

热管式冷凝器也是冷凝器中的一种，热管是一种具有高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管体内液体工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性。热管在冷凝器中的应用可有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小、有利于控制露点腐蚀等优点。可以应用于冶金、化工、炼油、锅炉、陶瓷、交通、轻纺、机械等行业中。

而目前热管式冷凝器使用的主要传热元件为重力热管，但这种热管对于管体内液体工质的蒸发、冷凝和回流没有很好的强化作用，不利于增加热管的换热性能和冷凝器的总体性能。而且很多应用在冷凝器中的热管都是管体没有外部结构的光管或者只在管体的冷凝段加工有翅片的单结构热管，而在热管的蒸发段没有加工强化结构，不利于冷凝器中蒸汽在管体的蒸发段表面的冷凝换热，在管体上冷凝器的液体容易形成比较厚的液膜层，冷凝量越大，液膜层越厚，这极大的减低了冷凝器中蒸汽的换热系数，不利于冷凝器的总体性能。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有更好冷凝效果的用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管及其制造方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，包括管体，管体的一段是冷凝段，另一段是蒸发段；管体外对应冷凝段为外翅片结构，对应蒸发段为外沟槽结构。采用这种结构后，即管体外复合了外翅片结构和外沟槽结构，一方面，外翅片结构具有增加散热面积、强化散热效率的作用；另一方面，外沟槽结构具有强化蒸汽冷凝传热作用；总的来说，复合结构有效提高冷凝效果。

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，还包括上端盖、下端盖和吸液芯；上端盖安装于管体靠近冷凝段的一端，下端盖安装于管体靠近蒸发段的一端，吸液芯紧贴管体的内壁；下端盖为圆锥形。采用这种结构后，在复合外结构热管竖直放置时，圆锥形的下端盖利于冷凝器中冷凝液的集聚和下落。

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，还包括一真空管，真空管的一端与上端盖的外侧相接，另一端封闭；真空管、管体、上端盖和下端盖构成一容纳液体工质的密闭空间。采用这种结构后，真空管可对管体内部充入液体工质和抽真空，结构简单，操作方便。

外翅片结构包括沿着管体轴向依次套叠在管体外的多个外翅片单元；外沟槽结构包括均匀分布在管体外壁的多条外沟槽，外沟槽的长度方向与管体的长度方向一致。采用这种结构后，复合外结构热管结构简单、制作方便；外沟槽的横截面形状可为三角形、波浪形、U形或矩形等。外翅片单元的中间是套接管体的圆环部分薄片，圆环部分外围是沿着圆周均匀布置的外翅片薄片。

冷凝段占管体总长度的2/5至3/5。采用这种结构后，即蒸发段相应占管体总长度的3/5至2/5，能取得较好的冷凝效果。

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，在竖式热管冷凝器中沿着竖直方向设置，冷凝段朝上，蒸发段朝下。采用这种结构后，利于冷凝器中冷凝液的集聚和下落。

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，包括如下步骤：a.管体的加工：制作管体；根据外沟槽的参数制作拉拔模具，利用拉拔设备在管体外壁对应蒸发段处加工出外沟槽结构；b.外翅片单元、上端盖和下端盖的加工：冲压制作外翅片单元、上端盖和下端盖；上端盖的外侧焊接真空管；c.外翅片结构的加工：对应冷凝段，将外翅片单元依次套叠在管体外；对管体进行胀管，使外翅片单元和管体过盈紧密接触；将管体和外翅片单元保温烧结成一体；d.吸液芯的加工：将下端盖与管体密封；一芯棒从管体上端插入且位于管体的中心，在芯棒和管体的内壁之间填充制作吸液芯的材料，与管体一同烧结处理，吸液芯紧密贴合在管体内壁；e.封装：取出芯棒；上端盖与管体密封，通过真空管将液体工质注入管体内，通过真空管对管体内抽真空，密封真空管。采用这种方法后，加工工艺简单可靠。

复合外结构热管的管体、外翅片单元、上端盖、下端盖和真空管在加工结合和密封结合前均经过清洗步骤；清洗步骤为将零部件放入体积浓度5%～10%的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留溶液；烧结过程，烧结温度为材料熔点的0.7至0.8倍，烧结时间为30min至120min，烧结过程采用分段升温；烧结炉为氢气、氮气或氧气保护气氛烧结炉，或为真空烧结炉。采用这种方法后，即采用清洗步骤和选择合适的烧结参数，可保证加工过程可靠进行。

外翅片单元与吸液芯的材料相同，只用一道烧结工序。采用这种方法后，采用相同材料可省略工序，简化步骤，节约时间。

步骤a中，管体的材料为铜、铝或钢；步骤d中，吸液芯的材料选用金属粉末和金属纤维中的一种或两种，吸液芯的孔隙率为50%-90%；步骤e中，液体工质为纯净水、丙酮、甲醇或乙醇。采用这种方法后，管体内部的吸液芯的孔隙率高，具有接触热阻小，导热速度快及毛细力强的特点。

总的说来，本发明具有如下优点：加工工艺简单可靠，用于竖式热管冷凝器时，冷凝效果好，维护简单。

1.本发明的用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，其管体外是外翅片结构和外沟槽结构相结合的复合结构，管体的冷凝段为外翅片结构，翅片为烧结成型，使翅片与管体烧结为一体，不存在接触热阻；外翅片结构可以有效增加散热面积、强化散热效率。

2.管体的蒸发段为外沟槽结构，用于竖式热管冷凝器中，蒸汽在外沟槽的表面凝结，冷凝液在外沟槽的毛细力作用下迅速扩散，由槽峰迅速流到槽谷，使槽峰的冷凝液膜层变的极薄，这种使冷凝换热表面的冷凝液非均匀分布的方法获得的平均冷凝传热系数要比光管上的均匀厚度液膜的传热系数高得多，可有效强化冷凝换热。

3.复合外结构热管在冷凝器中为竖直放置，使得外沟槽的方向为沿着管体的外表面竖直向下，使冷凝液在槽道的毛细力和重力的作用下及时向下排走；下端盖为圆锥形，利于冷凝器中冷凝液的集聚和下落。

4.管体内部的吸液芯的孔隙率高，比表面积大，传热面积大，有效地提高了毛细力，降低了液体回流阻力，同时带三维毛细力强化结构能增加内部蒸汽传播时绕流效果，提高蒸汽在内壁面的传热效果，降低了内壁面热阻；而且烧结式吸液芯结构稳定，不易脱落，使用性能可靠。

附图说明

图1是一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的主视图。

图2是图1的剖视图。

图3是一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的立体图。

图4是复合外结构热管安装于竖式热管冷凝器的示意图。

图5a、5b、5c、5d为外沟槽的横截面形状示意图。

其中，1为真空管，2为上端盖、3为外翅片单元、4为管体，5为外沟槽，6为下端盖，7为吸液芯，8为蒸汽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例中，外沟槽的横截面形状为矩形；吸液芯为铜粉烧结芯，粒径约为200目枝形铜粉；复合外结构热管各部分的尺寸可根据具体情况自行确定。

一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，包括：上端盖、管体、下端盖、外翅片单元、吸液芯、真空管和液体工质。上端盖套入管体顶部的外阶梯口内，与管体外壁密封配合。吸液芯与管体的内壁紧密贴合。管体内部充装有液体工质，液体工质可以为纯净水、丙酣、甲醇和乙醇中的任意一种。管体内部为真空密封。

上端盖的外侧的中部设置有与管体内部相通的真空管，真空管的最外端密封。

下端盖为圆锥形，利于冷凝器中冷凝液的集聚和下落。

管体为圆筒形，外壁为复合外结构，即管体外对应冷凝段为外翅片结构，管体外对应蒸发段为外沟槽结构，蒸发段占管体总长度的2/5至3/5。

图4列举了复合外结构热管的其中一种应用(应用不限于图示方式)，左边箭头表示冷源进，右边箭头表示冷源出。冷凝段的冷源可为风冷或水冷；复合外结构热管在冷凝器中为竖直放置。

如图5a、5b、5c、5d所示，外沟槽的横截面可为三角形、波浪形、U形或矩形等。

吸液芯的材料为金属粉末和金属纤维中的一种或两种混合，吸液芯孔隙率为50%-90%。

液体工质为纯净水、丙酮、甲醇和乙醇中的任意一种。

管体的材料为铜、铝或钢。

上述用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，可通过如下步骤实现：

a.管体的加工：

（1）通过轧制、热挤压、冷挤压或其他压铸方法制造圆筒形的管体；

（2）在管体的上端的外壁加工出阶梯口；

（3）根据外沟槽的外形设计参数制作出拉拔模具，利用拉拔设备在管体的外表面加工出相应形状的沿着周向均匀、紧密排列的竖直外沟槽，多条外沟槽形成外沟槽结构，分布在蒸发段；外沟槽结构占管体总长度的2/5至3/5；

b.外翅片单元、上端盖和下端盖的加工：

（1）根据外翅片单元、上端盖和下端盖的设计参数制作出相应冲压模具，利用冲压设备制造出相应的零部件；

（2）其中上端盖的中部焊接有真空管；

c.外翅片结构的加工：

（1）将制备好的外翅片单元按所占管体长度的比例逐次层叠在管体外；

（2）将装配好的热管体采用机械胀管、液压胀管等方式进行胀管，使外翅片单元与管体过盈紧密接触；

（3）将胀管完成的管体放入真空烧结炉或者气氛保护炉中，进行保温烧结；

d.吸液芯的加工：

将下端盖与管体焊接密封好，由管体的上端插入相应的芯棒，芯棒位于管体的中心位置，在芯棒与管体的内壁所形成的空间中填入金属粉末或金属纤维，然后连同管体放入烧结炉中进行烧结，烧结完毕后，待冷却至室温取出芯棒；

e.封装：

取出芯棒后，将上端盖置于管体阶梯口内焊接密封，然后将液体工质通过真空管加入到管体内，再通过真空管对管体抽真空，最后密封真空管。

所有复合外结构热管的零部件在加工结合或者密封结合之前都有清洗步骤，具体是，首先将零部件放入体积浓度5%～10%的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留溶液。

外翅片单元与吸液芯的材料相同，只用一道烧结工序。烧结温度为熔点的0.7至0.8倍，烧结时间为30min至120min，烧结过程采用分段升温；烧结炉为氢气、氮气或氧气保护气氛烧结炉，或为真空烧结炉。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，包括管体，管体的一段是冷凝段，另一段是蒸发段，其特征在于：所述管体外对应冷凝段为外翅片结构，对应蒸发段为外沟槽结构。

2.按照权利要求1所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，其特征在于：它还包括上端盖、下端盖和吸液芯；上端盖安装于管体靠近冷凝段的一端，下端盖安装于管体靠近蒸发段的一端，吸液芯紧贴管体的内壁；下端盖为圆锥形。

3.按照权利要求2所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，其特征在于：它还包括一真空管，真空管的一端与上端盖的外侧相接，另一端封闭；真空管、管体、上端盖和下端盖构成一容纳液体工质的密闭空间。

4.按照权利要求1所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，其特征在于：所述外翅片结构包括沿着管体轴向依次套叠在管体外的多个外翅片单元；外沟槽结构包括均匀分布在管体外壁的多条外沟槽，外沟槽的长度方向与管体的长度方向一致。

5.按照权利要求1所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，其特征在于：所述冷凝段占管体总长度的2/5至3/5。

6.按照权利要求1所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管，其特征在于：它在竖式热管冷凝器中沿着竖直方向设置，冷凝段朝上，蒸发段朝下。

7.按照权利要求3所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

a.管体的加工：制作管体；根据外沟槽的参数制作拉拔模具，利用拉拔设备在管体外壁对应蒸发段处加工出外沟槽结构；

b.外翅片单元、上端盖和下端盖的加工：冲压制作外翅片单元、上端盖和下端盖；上端盖的外侧焊接真空管；

c.外翅片结构的加工：对应冷凝段，将外翅片单元依次套叠在管体外；对管体进行胀管，使外翅片单元和管体过盈紧密接触；将管体和外翅片单元保温烧结成一体；

d.吸液芯的加工：将下端盖与管体密封；一芯棒从管体上端插入且位于管体的中心，在芯棒和管体的内壁之间填充制作吸液芯的材料，与管体一同烧结处理，吸液芯紧密贴合在管体内壁；

e.封装：取出芯棒；上端盖与管体密封，通过真空管将液体工质注入管体内，通过真空管对管体内抽真空，密封真空管。

8.按照权利要求7所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，其特征在于：

所述复合外结构热管的管体、外翅片单元、上端盖、下端盖和真空管在加工结合和密封结合前均经过清洗步骤；清洗步骤为将零部件放入体积浓度5%～10%的稀酸溶液中洗去表面油污及加工后残留碎屑，然后将其放入乙醇溶液中超声波清洗，最后用清水冲洗洗去表面残留溶液；

所述烧结过程，烧结温度为材料熔点的0.7至0.8倍，烧结时间为30min至120min，烧结过程采用分段升温；烧结炉为氢气、氮气或氧气保护气氛烧结炉，或为真空烧结炉。

9.按照权利要求7所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，其特征在于：所述外翅片单元与吸液芯的材料相同，只用一道烧结工序。

10.按照权利要求7所述的一种用于竖式热管冷凝器的复合外结构热管的制造方法，其特征在于：所述步骤a中，管体的材料为铜、铝或钢；步骤d中，吸液芯的材料选用金属粉末和金属纤维中的一种或两种，吸液芯的孔隙率为50%-90%；步骤e中，液体工质为纯净水、丙酮、甲醇或乙醇。