CN103939978A - 一种散热器及其自动控制热量的热力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种散热器，散热器包括翅片管，所述翅片管为圆弧形封闭式翅片管，翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小。本发明可以对散热器的结构进行改进，使其达到换热效率最大化，以节约能源，达到环保节能的目的。

Description

一种散热器及其自动控制热量的热力系统

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种结构优化的散热器，属于F28领域。 

背景技术

目前供暖系统中，逐渐的采用了按照热量计费的方式，但是目前根据热量计费的费用收取以及如何进行热量的控制却一直在探索的阶段，本发明就是提供一种具有热量控制的热力系统。

此外，散热器中，目前广泛的适用翅片管散热器，通过翅片可以扩大散热面积，增强换热效果，但是翅片管的散热器类型、以及翅片管参数的设定都影响者散热效果的好坏，而且目前在能源危机的情况下，急需要节约能源，满足社会的可持续发展，因此需要开发一种新的翅片管，同时需要将翅片管的结构进行优化，使其达到换热效率最大化，以节约能源，达到环保节能的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的散热器及其具有热量控制的热力系统。

 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种翅片管散热器，包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为圆弧型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述圆弧形金属板的圆心所在的中心轴线与基管的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行，所述的散热器的第一翅片、第二翅片、第三翅片、第四翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小。

所述的散热器的第一翅片、第二翅片、第三翅片、第四翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小的幅度越来越低。

所述的散热器的第一翅片、第二翅片、第三翅片、第四翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部为抛物线结构

一种自动控制热量供应的热力系统，包括热源厂供水管、热源厂回水管、调节阀、进水温度传感器、出水温度传感器、热交换器、热用户送水管、热用户回水管、用户散热器、循环泵、流量计、热量表、可编程控制器，其特征在于，热源供水管与热交换器连接，在热源厂供水管上设置调节阀，用于调节进入热交换器的热水量，在调节阀和热交换器之间的管道上设置进水温度传感器，用于测量热交换器的进水温度；

热交换器与热用户给水管和热用户回水管连接，热用户给水管和热用户回水管之间连接热用户散热器，热用户回水管的水通过与热交换器中的热源厂提供的热水进行间接换热，然后再通过热用户给水管到达用户散热器中进行供暖；所述循环泵设置在用户散热器和和热交换器之间的热用户回水管上；

热交换器与热源厂回水管连接，在热源厂回水管上设置流量计，用于检测热源厂回水管中的水的流量；在流量计和热交换器之间的热源厂回水管上设置出水温度传感器，用于测量热交换器的出水温度；

所述热量表与进水温度传感器、出水温度传感器和流量计进行数据连接，并根据测量的进水温度、出水温度和水的流量来计算热用户的耗费的热量；

所述可编程控制器与循环泵、热量表和调节阀进行数据连接，用于对热力系统进行自动控制；热量表将用户的热量使用的数据传递给可编程控制器，可编程控制器根据用户购买的热量与目前使用的热量进行对比，如果热量已经用完，可编程控制器控制调节阀进行完全关闭，同时停止循环泵的运行。

可编程控制器自动计算用户剩余的热量，在用户热量剩余量达到第一数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于正常开度的第一开度，同时将循环泵调整到低于正常运行功率的第一功率；在用户热量剩余量达到低于第一数据第二数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第一开度的第二开度，同时将循环泵调整到低于第一功率的第二功率；在用户热量剩余量达到低于第二数据第三数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第二开度的第三开度，同时将循环泵调整到低于第二功率的第三功率；在用户热量剩余量达到低于第三数据第四数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第三开度的第四开度，同时将循环泵调整到低于第三功率的第四功率；在用户热量剩余量达到低于第四数据第五数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第四开度的第五开度，同时将循环泵调整到低于第四功率的第五功率；在用户热量剩余量达到低于第五数据第六数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第五开度的第六开度，同时将循环泵调整到低于第五功率的第六功率；最后在用户热量剩余量达到接近零的时候，可编程控制器调整调节阀完全关闭，同时停止循环泵的运行。

所述的热用户散热器为前面提到的散热器。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）本发明提供了一种新的可以进行热量控制的供暖系统，由用户自己购买热量，一旦热量用完，则自动停止供暖。

2）在用户购买热量即将用完的时候，系统通过逐步降低供暖量来提醒用户，使用户及时购买。

3）本发明通过多次试验，设计了不同管径、不同高度、夹角的翅片进行试验，从而得到一个最优的翅片优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

4）通过用户散热器的外部翅片包围的空间沿着外部空气的流通方向逐渐缩小，以增加翅片所形成的烟筒效应。

5）对外部翅片的所包围的空间进行多次试验进行设计，得出了外部翅片的曲线抛物线形的趋势，已达到最优的烟筒效应。

6)研发了新的散热器基管和翅片的材料，加强了传热。

附图说明

图1是本发明热力系统的示意图；

图2是本发明用户散热器的示意图；

图3是翅片管的横截面示意图；

图4是图3从左侧看的一个实施例的示意图；

图5是图3从左侧看的一个优化的实施例示意图；

图6是图3从左侧看的另一个优化的实施例示意图。

附图标记如下：

1热源厂供水管，2热源厂回水管，3调节阀，4流量计，5进水温度传感器，6出水温度传感器，7热交换器，8热用户给水管，9热用户回水管，10循环泵，11热量表，12可编程控制器，13现实操作界面，14上集管，15基管中没有翅片的部分，16翅片管，17下集管， 18基管，19第一翅片，20空隙部分，21第一连接片，22第二翅片，23第四翅片，24第三翅片，25第二连接片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。 

如图1所示，一种自动控制热量供应的热力系统，包括热源厂供水管1、热源厂回水管2、调节阀3、进水温度传感器5、出水温度传感器6、热交换器7、热用户送水管8、热用户回水管9、用户散热器、循环泵10、流量计4、热量表11、可编程控制器12，所述的热源供水管1与热交换器7连接，在热源厂供水管1上设置调节阀3，用于调节进入热交换器7的热水的流量，在调节阀3和热交换器7之间的管道上设置进水温度传感器5，用于测量热交换器7的进水温度；

热交换器7与热用户给水管8和热用户回水管9连接，热用户给水管8和热用户回水管9之间连接热用户散热器（参见图2），热用户回水管9的水通过与热交换器7中的热源厂提供的热水进行换热，然后再通过热用户给水管8到达用户散热器中进行供暖；所述循环泵10设置在热用户回水管9上；

热交换器7与热源厂回水管2连接，在热源厂回水管2上设置流量计4，用于检测热源厂回水管2中的水的流量；在流量计4和热交换器7之间的热源厂回水管2上设置出水温度传感器，用于测量热交换器7的出水温度；

所述热量表11与进水温度传感器5、出水温度传感器6和流量计4进行数据连接，并根据测量的进水温度、出水温度和水的流量来计算热用户的耗费的热量；

所述可编程控制器12与循环泵10、热量表11和调节阀4进行数据连接，用于对热力系统进行自动控制；热量表11将用户的热量使用的数据传递给可编程控制器13，可编程控制器13根据用户购买的热量与目前使用的热量进行对比，如果热量已经用完，可编程控制器控制调节阀进行完全关闭，同时停止循环泵的运行。

上述的热力系统还可以包括显示操作面板，现实操作面板类可以供用户进行查询、缴费购买热量等操作。

热量表可以时时的将用户使用的热量提供给可编程控制器，也可以按照一定的时间进行提供，例如每天进行一次结算。

可编程控制器自动计算用户剩余的热量，在用户热量剩余量达到第一数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于正常开度的第一开度，同时将循环泵调整到低于正常运行功率的第一功率；在用户热量剩余量达到低于第一数据第二数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第一开度的第二开度，同时将循环泵调整到低于第一功率的第二功率；在用户热量剩余量达到低于第二数据第三数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第二开度的第三开度，同时将循环泵调整到低于第二功率的第三功率；在用户热量剩余量达到低于第三数据第四数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第三开度的第四开度，同时将循环泵调整到低于第三功率的第四功率；在用户热量剩余量达到低于第四数据第五数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第四开度的第五开度，同时将循环泵调整到低于第四功率的第五功率；在用户热量剩余量达到低于第五数据第六数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第五开度的第六开度，同时将循环泵调整到低于第五功率的第六功率；最后在用户热量剩余量达到接近零的时候，可编程控制器调整调节阀完全关闭，同时停止循环泵的运行。

可编程控制器通过上述的逐步关闭调节阀和降低泵的运行功率的操作，可以是供暖逐步的停止，这样用户就可以感觉到供暖量在逐渐的下降，从而使其知道你购买的热量已经临近用完，需要尽快购买。

上述的操作可以在一定的时间段内完成，例如几天内或者一个周内完成完成，这样用户才能逐渐感觉到供暖量的减少，从而提醒他主动购买热量。

上述的用户操作可以通过网络实现，从而实现无卡式热量收费管理系统, 实现了收费和热网充值的无卡传递, 热用户在网上缴费后获得根据缴费数额取得的缴费密码, 并在一定时间内在机组运行管理程序上充值, 充值后金额与密码均失效， 从而大大降低了热网收费中的资金风险.

当然，用户也可以通过现实操作面板直接使用网上银行进行购买操作。

当然，本发明还提供了一种散热器，此种散热器可以作为单独的一个散热器产品进行保护。

所述的热用户散热器是翅片管散热器，包括上集管14、下集管17和连接上集管14和下集管17的翅片管16，所述翅片管16包括圆形基管18和第一翅片19、第二翅片22，第一翅片19和第二翅片22设置在基管18的外部并且第一翅片19和第二翅片22的延长线相交于基管18的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片19和第二翅片22沿着通过基管中心轴线的第一平面B镜像对称；所述翅片管包括第三翅片24和第四翅片23，所述第三翅片24、第四翅片23沿着第二平面C分别与第一翅片19和第二翅片22镜像对称，所述第二平面C与第一平面B垂直而且经过基管18的中心轴线；所述第一翅片19和第二翅片22之间设置第一连接片21，所述第三翅片24和第四翅片27之间设置第二连接片25，第一连接片21和第二连接片25为圆弧型金属板；所述圆弧形金属板的中心轴线与基管18的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行。

优选的是，相邻基管的第一翅片互相平行，表示相邻基管的第二翅片也互相平行， 同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。

需要解释的是，如图3所示，基管的中心轴线就是基管18的横切面上的圆心点的集合形成的一条线，圆弧形金属板的中心轴线就是横切面上圆弧形金属板的圆心点的集合形成的一条线。所述圆弧形金属板的中心轴线与基管18的中心轴线重合就是指在横切面上，圆弧形金属板和基管是同心圆。

优选的是，所有翅片管的尺寸都相同。

通过上述的设置，使得翅片与连接片之间形成一个空隙部分20，在对流换热的时候，空隙部分20就形成了一种烟筒效应，能够增强换热。

第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间，该空间形成一定的空隙，能够形成烟筒效应，加强对流，强化传热。

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，当然，因为镜像对称，第三翅片和第四翅片的长度也自然是L。但是在实践中发现，换热过程中.如果翅片夹角过小，则会阻碍换热，因为翅片夹角过小的话，导致第一翅片、第二翅片的距离太近，则温度边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，气体温度接近管壁温度而逐渐接近热饱和，流动阻力增大，最终反而恶化换热,外翅片的优势发挥不出来，同样的原因，随着夹角的不断地增大，使得连接片距离基管的距离原来越近，同样使得温度边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，气体温度接近管壁温度而逐渐接近热饱和，流动阻力增大，最终反而恶化换热，因此夹角具有一个最佳值。

对于翅片长度，如果太长，则因为基管的热量无法及时到达翅片的端部或者即使达到效果也不明显，如果太短，则扩展换热面积太小，无法达到一个好的换热效果，因此翅片的高度也有一个最佳值。

对于两个翅片管之间的距离，首先如果距离太近或者完全靠近，则两个翅片管的连接片之间距离的空间（参见图2）太小，则空气无法通过翅片之间的间隙进入翅片管之间形成的空隙，此时的换热只能依靠从散热器底部进入空气，无法达到很好的对流换热效果，同样的原因，如果距离太远，则翅片管的第一第二第三第四翅片无法形成有效烟筒效果的空隙，从而导致换热效果变差，因此对于两个翅片管之间的距离也需要一个合适的数值。

如图3所示，对于翅片沿着基管轴向上的高度H，也需要具有一个合适的数值，如果翅片高度太高，则在翅片的上部，因为边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，导致换热的恶化，同理，高度太低，则换热没有充分发挥，从而影响换热效果。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的散热器的试验数据总结出的最佳的散热器的翅片管的尺寸关系。因为翅片管还有夹角A、翅片长度L、翅片高度H这三个变量，因此，引入两个无量纲量sin(A/2)、L/R、H/R，这里R是基管的半径，从换热效果中的散热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

    所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c

H/(R×10)= e×Sin(A/2) ²-f×Sin(A/2)+h其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<R<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25。

通过计算结果后再进行试验，通过计算边界以及中间值的数值，所得的结果基本上与公式相吻合，误差基本上在4%以内，最大的相对误差不超过6%，平均误差是2%。；

系数优化的最佳结果是：a为0.0412,b为0.02715，c为0.03628， e为22，f为44.37，h为23.86。

优选的是，相邻基管中心轴线之间的距离为S=d×（L+R）×sin(A/2)，其中d为1.1-1.2。

如图3所示，相邻基管中心轴线之间的距离就是横切面上两个基管圆心之间的距离。

d的优化结果是1.118。

作为一个优选，所述的热交换器7为板式热交换器。

作为一个优选，如图5、6所示，所述的散热器的第一翅片和第二翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小。通过这样设置，可以使得空气在翅片的空隙中的流动过程中，空隙部分20面积越来越小，从而使其流速越来越快，烟筒效应越来越明显，从而增强换热。

作为一个优选，所述的散热器的第一翅片和第二翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小的幅度越来越低。实验证明，在散热器中，通过这样设置，换热效果要明显优于变化的幅度不变或者逐渐变大的情况。

作为一个优选，所述的散热器的第一翅片和第二翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部为抛物线结构。这种设置是翅片的变化起到了流线型的效果，达到最好的换热效果，同时因为下部外延出一部分，使更多的空气进入空隙部分。

对于图5和图6的两种情况，散热器的翅片依然可以采用所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H四者满足的公式，但是考虑加工方便性，可以在高度方向上将翅片管分为几部分，每一部分采取平均的翅片高度H，但是长度L保持不变，采用总的长度的方式，通过平均的翅片高度来确定夹角A。

当然也可以直接将采用平均的翅片高度，算出一个夹角，沿着翅片的高度夹角保持不变。

当然，特殊情况下，因为制造的困难，翅片也不一定非要满足上述的几个参数的优化公式，也可以设置为便于制造的方式，例如如图6所示，翅片为直线的方式，高度一直保持不变，但是圆弧形封闭片距离翅片管基管的圆心的距离，沿着基管的高度不断的减小。

作为优选的是，圆弧形封闭片距离翅片管基管的圆心的距离，沿着高度方向上呈抛物线式的流线型变化，同时因为下部外延出一部分，使更多的空气进入空隙部分

当然，图6的实施例，也可以满足上述的优化的公式，但是制造起来比较麻烦。

基管和翅片的材料优选的是铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：1.4％ Cu ，2.8％ Mg ，3.2％ Ag ，1.2％ Mn ，0.42％ Zr ，0.15％ Fe ，1.18％ Ti，18.38％ Si，0.4% Cr,1.1% Ni,其余为 Al 。

铝合金的制造方法为：采用真空冶金熔炼，氩气保护浇注成圆坯，经过650℃均匀化处理，在450℃，采用热挤压成棒材，然后再经过600℃固溶淬火后，在200℃进行人工时效处理。导热系数为在50-70摄氏度温度下大于250W/(m*k）。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种翅片管散热器，包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为圆弧型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述圆弧形金属板的圆心所在的中心轴线与基管的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行，其特征在于所述的散热器的第一翅片、第二翅片、第三翅片、第四翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小。

2.如权利要求1所述的热力系统，其特征在于所述的散热器的第一翅片、第二翅片、第三翅片、第四翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部逐渐变小的幅度越来越低。

3.如权利要求2所述的热力系统，其特征在于所述的散热器的第一翅片、第二翅片、第三翅片、第四翅片的翅片高度从用户散热器的下部到上部为抛物线结构。

4.一种自动控制热量供应的热力系统，包括热源厂供水管、热源厂回水管、调节阀、进水温度传感器、出水温度传感器、热交换器、热用户送水管、热用户回水管、用户散热器、循环泵、流量计、热量表、可编程控制器，其特征在于，热源供水管与热交换器连接，在热源厂供水管上设置调节阀，用于调节进入热交换器的热水量，在调节阀和热交换器之间的管道上设置进水温度传感器，用于测量热交换器的进水温度；

热交换器与热用户给水管和热用户回水管连接，热用户给水管和热用户回水管之间连接热用户散热器，热用户回水管的水通过与热交换器中的热源厂提供的热水进行间接换热，然后再通过热用户给水管到达用户散热器中进行供暖；所述循环泵设置在用户散热器和和热交换器之间的热用户回水管上；

热交换器与热源厂回水管连接，在热源厂回水管上设置流量计，用于检测热源厂回水管中的水的流量；在流量计和热交换器之间的热源厂回水管上设置出水温度传感器，用于测量热交换器的出水温度；

所述热量表与进水温度传感器、出水温度传感器和流量计进行数据连接，并根据测量的进水温度、出水温度和水的流量来计算热用户的耗费的热量；

所述可编程控制器与循环泵、热量表和调节阀进行数据连接，用于对热力系统进行自动控制；热量表将用户的热量使用的数据传递给可编程控制器，可编程控制器根据用户购买的热量与目前使用的热量进行对比，如果热量已经用完，可编程控制器控制调节阀进行完全关闭，同时停止循环泵的运行。

5.如权利要求4所述的热力系统，其特征在于，可编程控制器自动计算用户剩余的热量，在用户热量剩余量达到第一数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于正常开度的第一开度，同时将循环泵调整到低于正常运行功率的第一功率；在用户热量剩余量达到低于第一数据第二数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第一开度的第二开度，同时将循环泵调整到低于第一功率的第二功率；在用户热量剩余量达到低于第二数据第三数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第二开度的第三开度，同时将循环泵调整到低于第二功率的第三功率；在用户热量剩余量达到低于第三数据第四数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第三开度的第四开度，同时将循环泵调整到低于第三功率的第四功率；在用户热量剩余量达到低于第四数据第五数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第四开度的第五开度，同时将循环泵调整到低于第四功率的第五功率；在用户热量剩余量达到低于第五数据第六数据的时候，可编程控制器调整调节阀到低于第五开度的第六开度，同时将循环泵调整到低于第五功率的第六功率；最后在用户热量剩余量达到接近零的时候，可编程控制器调整调节阀完全关闭，同时停止循环泵的运行。

6.如权利要求4或5所述的热力系统，其特征在于，所述的热用户散热器为权利要求1-3之一的散热器。