CN103868382A - 一种新型热管取暖系统及传热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型热管取暖系统及传热方法。突破传统取暖器形式，本发明系统包括多个并排热虹吸管、热水贮存器、热水进水管和热水出水管，多个并排热虹吸管的蒸发段置于热水贮存器中，其冷凝段置于室内空气中；热虹吸管的管体上焊接有若干金属翅片；热水进水管处设有内嵌式螺旋丝。来流热水通过热水进水管以强制对流方式一次增强换热，后经过内嵌螺旋丝由其扰动作用再次增强换热。待注入热水贮存器后与热虹吸管接触传递热量，最终由热虹吸管进行对外放热。本发明充分利用热虹吸管的高效传热特性，并辅以翅片增大传热面积，大大增强换热量，达到节约能源与强化传热供暖的双重效益。

Description

一种新型热管取暖系统及传热方法

技术领域

本发明涉及一种创新性节能型取暖设备的结构和设计，具体来说是一种应用热虹吸管技术并辅以一定数量金属翅片进行强化换热，同时减少设备制造成本的新型强效散热设备。

背景技术

北方集中供暖的采暖能耗作为耗能大户，一直备受我国政府关注。目前，我国北方地区的集中供暖主要使用以铸铁散热器、钢制散热器、铝制散热器为代表的传统型散热器。传统型散热器虽基本满足人们对舒适度的要求，但是由于其金属耗量大，传热效率低，能耗大，且现在已有的改进方法并不足以克服其缺点，故其并不是理想的散热器。如：在铸铁散热器中采用暗装暖气罩的改进方法，虽然在一定程度上达到供暖需求和装饰需求，但是其散热量受到影响，且装饰成本提高；实用新型专利CN201220712197.8《一种带有下进水口与下出水口的铸铁散热器》，对传统散热器的侧进、出水口进行了一定改进，在满足装饰需求的同时兼具有耐腐蚀、使用寿命长的特点。但此设备亦有明显不足之处：管内热水流动阻力依然较大，由此导致能耗较大，同时散热量较小。显然能量不能被充分利用，达到较好节能的目的。

热虹吸管作为一种高效传热元件，具有极高的导热性能和高散热效率，采用这种元件可大大提高散热器的散热效果和节能效果。

发明内容

本发明的目的在于，针对传统集中供暖型取暖装置耗能大、散热效果差的问题，以及之前解决方案中制作成本较高、节能效率低等不足，提供一种用来提高传热效率的创新型设计的新型热管取暖系统，该系统在提高传热效率的基础上又能最大限度的减少生产用料以降低成本，从而达到有效节能、显著散热效果及经济用料的目的。本发明的另一个目的是提供一种该系统的传热方法。

本发明实现上述目的所采用装置的技术方案是：

一种新型热管取暖系统，包括多个并排热虹吸管、热水贮存器、热水进水管和热水出水管，其中，多个并排热虹吸管的蒸发段置于热水贮存器中，其冷凝段置于室内空气中；所述热虹吸管的管体上焊接有若干金属翅片；所述热水进水管处设有内嵌式螺旋丝。

进一步地，所述热虹吸管的整个管体相对水平方向有一定的倾角，以此均匀充分释放至室内，达到采暖需求。

进一步地，所述金属翅片与热虹吸管的管体垂直。

热虹吸管为高效导热元件，以热虹吸管代替传统散热片的创新型技术，使来流热媒通过内嵌式螺旋丝的热水进水管很快与置于热水贮存器中的多个并排热管蒸发段（焊接有翅片的蒸发段）充分接触，带有螺旋丝的进水管破坏层流底层，加强了来流体扰动，提高换热效率，另热水在管外流动，这样就减少流动阻力，因而在输入相同热量的情况下，相比于传统型可损失的热量大大减小，从而有效利用能量，此外，热水贮存器采用导热材料，其本身也可吸收热水热量向外散热；热管蒸发段中的工作液体吸收热量蒸发；然后热管蒸发段内蒸汽蒸腾上升至冷凝段，利用管体金属翅片增大换热面积和热管自身高效传热作用，大大提高换热效率，从而达到一节能、双重散热、三效强化传热的目的。

本发明的方法具体如下：首先，来流热水通过内嵌有螺旋丝的热水进水管进入热水贮存器，热水贮存器吸收热量向室内散热；置于热水贮存器中的热虹吸管蒸发段中的传热工质液体吸收热量蒸发；然后，在密度差的作用下，传热工质蒸汽上升至热虹吸管冷凝段，将热量释放至室内；冷凝凝结的工质液体在重力的作用下沿管壁返回至热虹吸管蒸发段，形成循环；随着来流热水的不断补给，热水不断的放热，传热工质的不断吸热-放热，最终形成一系列工质循环，完成传热。

本发明的基本原理：

本发明采用多个并排热虹吸管高效传热技术，利用传热工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力而自行循环。工质液体在蒸发段吸热蒸发变为气体，并迅速上升至冷凝段放热凝结，冷凝工质液体依靠重力作用，从热管冷凝段返回到蒸发段，完成吸热-放热循环过程，保证热水热量高效利用；内部采用内嵌式螺旋丝技术破坏层流底层，加强来流热水的扰动，强化管外热水对流换热系数，增强换热效果；外部采用热管管体焊接金属翅片技术，增强换热表面积，提高换热效率。

本发明的有益效果是，采用“仙人掌”式热虹吸管技术，通过热虹吸管的高效传热及平行翅片列增大换热面积，大大提高换热效率；热虹吸管由真空密封，通过其内部工作液体自身的重力作用，循环工作，实现零滴漏。进水管内嵌入螺旋丝，增强内部工质扰动，进一步加强换热。并且热虹吸管内没有吸液芯，结构简单、制造方便，成本低廉，用料经济不需要维护，工作可靠。因而，相对于传统型取暖装置，本发明用料经济、热导热能力强、散热量大、能耗低，是较理想的取暖器，能满足人们舒适度的高品质要求和符合现代社会追求科学节能的理念。随着全球节能意识的日益深入，本发明的新型热管取暖器将具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的新型热管取暖系统示意图；

图2为本发明的新型热管取暖系统中热管焊接翅片结构半剖图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，新型热管取暖器以4个并排热管为主要元件，置于热水贮存器2中，热水贮存器2使用易导热材料，热水进水管1由滤网、内嵌式螺旋丝6构成，并置于贮存器右下侧，热水出水管5置于贮存器左下侧，水阀8置于热水进水管1上方。首先，来流热水通过进水管1（相对于热水贮存器2截面积较小的带有螺旋丝6的圆管）进入热水贮存器2，来流热水通过进水管1具有一定的速度，且进水管具有较合适的截面积，使热水处于强制对流状态，进水管1内嵌有螺旋丝用以加强扰动增强换热。来流热水的一部分热量通过热水贮存器2散热至室内；另一部分热量在强制对流下，穿过多个并排热管的蒸发段3（焊接有翅片7，以此增大传热面积，增强传热效果）；然后，蒸发段3内的传热工质吸收来流热水的温度，工作液体在真空密闭热管内，快速升温，传热工质蒸发变成气体，迅速上升至热管的冷凝段4；热管冷凝段4管体沿径向焊接有若干金属翅片7，拥有较大的传热面积和与水平方向合适的角度，因而传热工质在冷凝段4充分且均匀的将热量释放至室内环境；最后，释放热量后的传热工质冷凝凝结为工质液体，再沿管壁回流到热管蒸发段，形成循环。

本发明采用热虹吸管技术，是以热虹吸管作为高效导热元件代替传统散热片的创新型技术，使来流热水通过内嵌式螺旋丝6的热水进水管1很快与置于热水贮存器2中的多个并排热管蒸发段3充分接触，带有螺旋丝6的进水管1破坏层流底层，加强来流扰动，且热水在管外流动，以此减少流动阻力，因而在输入相同热量的情况下，相比于传统型可损失的热量大大减小，从而有效利用能量，此外，热水贮存器2本身吸收热水热量向外散热；热管蒸发段3中的工作液体吸收热量蒸发；然后热管蒸发段3内蒸汽9蒸腾上升至冷凝段4；在热管冷凝段4，利用管体金属翅片7增大换热面积和热管自身高效传热作用，大大提高换热效率；热工质蒸汽遇冷凝段表面冷凝液化成工质液体10，在重力作用下沿管内壁回流至热管蒸发段，完成一个循环，随着热水的不断供给，完成一系列吸热-放热循环，高效将热量释放至室内，从而达到一节能、双重散热、三效强化传热的目的。

焊接有金属翅片的热虹吸管须按照一定形式置于热水贮存器2中。热虹吸管的整个管体相对水平方向有一定的倾角，以此均匀充分释放至室内，达到采暖需求。热水贮存器2的管材、外形(圆形或方形)等要有一定的耐压，耐腐蚀的特性且使用易于散热的材料。另外，为了保证热管高性能工作，传热工质需要配以与之相容性良好的管材，从而保证稳定的高效传热性能。

热管内常用的传热工质及其与之良好相容的管材，如下表1：

表1：常用传热工质及其相关参数

传热工质	工作温度℃	管材	寿命
				水	20～250	铜	>10年
氨	-40～100	铝	>10年
				丙酮	0～120	铝、铜	>10年

综上所述，本发明主要通过以下技术来实现节能化的高效传热：

（一）两相闭式热虹吸管换热技术

热虹吸管是一种具有极高导热性能的传热元件，热管是内部抽真空并充入一定量工作液体的封闭管道或系统，管的下端为蒸发段（加热段），上端为冷凝段（冷却段）。当热管的蒸发段一端受热后其内部传热工质蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段，在此段遵循Nusselt的数值平板层流膜状凝结理论形成饱和蒸汽的膜状凝结并对外放热，而后液体靠冷凝液自身重力的作用回流到蒸发段。如此循环不已，使热虹吸管可以良好的传递热量。同时在原有基础上模仿“仙人掌”形状在热虹吸管蒸发段和冷凝段分别嵌入若干翅片组成平行翅片列，增大其换热面积，强化散热效果。因此，本技术内部通过热虹吸管本身两相闭式回路结构并应用重力辅助回流来实现热管内工质循环和传热，以此使热量快速传导；外部以焊接平行翅片列，再次加强换热，双重强化使其传热能力超过任何已知金属的传热能力，具有显著散热效果。

（二）双重散热技术

本发明中贮水器采用散热片所用原料（如：铝合金、铸铁等），不仅可以作为热水蓄水装置为热虹吸管提供热量，其自身也可以作为一个散热装置进行散热。热虹吸管主要由冷凝段进行放热，垂直方向上散热量大；贮水器使用导热材料，水平方向上辐射热量大。热虹吸管、贮水器双重散热且散热方向相互补，进一步增强换热。

（三）内嵌式螺旋丝技术

螺旋丝是一种简易且经济的强化换热元件，在不对管表面产生任何破坏的前提下可以显著增加管侧换热。加入螺旋丝元件可加强对层流底层的扰动,使层流底层受到破坏,但对主流的扰动却比较小,并且可以强化管内对流换热,使对流换热系数提高，从而达到进一步增强换热的目的。

Claims (4)

1.一种新型热管取暖系统，包括多个并排热虹吸管、热水贮存器、热水进水管和热水出水管，其特征在于，多个并排热虹吸管的蒸发段置于热水贮存器中，其冷凝段置于室内空气中；所述热虹吸管的管体上焊接有若干金属翅片；所述热水进水管处设有内嵌式螺旋丝。

2.根据权利要求1所述的一种新型热管取暖系统，其特征在于，所述热虹吸管的整个管体相对水平方向有一定的倾角。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型热管取暖系统，其特征在于，所述金属翅片与热虹吸管的管体垂直。

4.如权利要求1所述一种新型热管取暖系统的传热方法，其特征在于，具体流程如下：首先，来流热水通过内嵌有螺旋丝的热水进水管进入热水贮存器，热水贮存器吸收热量向室内散热；置于热水贮存器中的热虹吸管蒸发段中的传热工质液体吸收热量蒸发；然后，在密度差的作用下，传热工质蒸汽上升至热虹吸管冷凝段，将热量释放至室内；冷凝凝结的工质液体在重力的作用下沿管壁返回至热虹吸管蒸发段，形成循环；随着来流热水的不断补给，热水不断的放热，传热工质的不断吸热-放热，最终形成一系列工质循环，完成传热。

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