CN105466259B - 带螺旋结构的单管超级热传导装置 - Google Patents

带螺旋结构的单管超级热传导装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于热传导设备技术领域，尤其是涉及一种带螺旋结构的单管超级热传导装置。它解决了现有传热装置换热效率低等技术问题。本热传导装置包括两端封闭的中空导热管体，中空导热管体内具有用于放置导热工质的内腔，在中空导热管体一端分别设有工质进口与工质出口，中空导热管体内设有能将内腔轴向分割呈两个相互独立且均呈螺旋状轴向分布的螺旋通道的螺旋结构，两个螺旋通道中的一个的一端与工质进口相连通，剩余一个螺旋通道的一端与工质出口相连通，且两个螺旋通道的另一端在中空导热管体远离设有工质进口与工质出口一端的内部相互连通。优点在于：纳米颗粒悬浮和/或就近聚积，导热效果号，使用简单安全，无需日常维护。

Description

带螺旋结构的单管超级热传导装置
技术领域
本发明属于热传导设备技术领域，尤其是涉及一种带螺旋结构的单管超级热传导装置。
背景技术
加热、冷却、导热将热能，从A面传导至B面是日常生活，工农业各领域广为应用的一种基本的过程。常见的导热方式有以下几种；第1，在温度差作用下的间壁式导热，第2，其热能在流体介质或连续固体材料中的传输，第3，以光/声/电磁波形态的超接触方式传播。其中尤以通过流体将热能完成一定距离输送的方式最为普遍常用。优点是流体介质可选范围广，分配合流推动方式灵活，缺点是输送过程需要外部部力，如泵/风机等，特别的当流体是液体物质时，因其容重大，摩擦阻力大，耗电耗能成本高。在某些场合下有些应用例中其输送能耗甚至是主要的制约因素。对于具有超导能力的重力热管，脉动热管，含纳米粒子的复合液体方式，含纳米粒子的气体方式，存在有:稳定性差，热传导效率低，热传导效果差，二个端点间的重力高度差限制，纳米粒子沉降聚团后不能再次启动的隐患，冷热二端之间不能在真实的运行系统中任意互换，单双管方式限制，传输长度限制等问题。
为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种重力热管强化传热结构[申请号：201310353861.3]，包括设置于重力热管内腔的导流筒，导流筒内部形成汽态工质的上升通道，导流筒外侧壁与重力热管内侧管壁之间形成液态工质的下降通道，导流筒的上部设有将上升通道与下降通道导通的通汽口，导流筒的下部设有将下降通道与上升通道导通的回流口。
上述方案在一定程度上解决了现有重力热管热传导效果差的问题，但是该方案依然存在着：稳定性差，热传导效率低，纳米粒子沉降聚团后不能再次启动的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种结构简单合理，热传导效率高的带螺旋结构的单管超级热传导装置。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本带螺旋结构的单管超级热传导装置，其特征在于，本热传导装置包括两端封闭的中空导热管体，所述的中空导热管体内具有用于放置导热工质的内腔，在中空导热管体一端分别设有工质进口与工质出口，所述的中空导热管体内设有能将内腔轴向分割呈两个相互独立且均呈螺旋状轴向分布的螺旋通道的螺旋结构，两个螺旋通道中的一个的一端与工质进口相连通，剩余一个螺旋通道的一端与工质出口相连通，且两个螺旋通道的另一端在中空导热管体远离设有工质进口与工质出口一端的内部相互连通。优选地，本装置可以埋在地下，通过管壁与土壤换热，也可以应用于地表，进行垂直方向传热，由于中空导热管体两端端点之间的温度差作用推动管内导热工质运动并带动纳米粒子运动，使得本装置易于热量的传导且能够在任意的高度差，即小于或等于100米，足够的长度下，小于或等于1000米，不改变安装位置的情况下，可双向任选热流传递方向，在-35-1000℃范围内的温度效率为95-99％，轴向导热能量密度15-30W/mm2；所述的中空导热管体具有气密性，耐压值≥0.2MPa，可以弯曲；所述的中空导热管体为光管、波纹管与螺纹管中的任意一种，且所述的中空导热管体为钢管、铜管、塑料金属复合管和塑料管中的任意一种；所述的导热工质主要成分为粒径1-20纳米的碳粒子/二氧化钛/R123/水/溴化锂溶液/R134a，灌注量为中空导热管体内容积的3％-100％。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的螺旋结构包括轴向设置在中空导热管体内且以中空导热管体轴心呈螺旋状设置的螺旋板，所述的螺旋板下端部与中空导热管体下端底部之间具有间距，所述的螺旋通道在间距内相互连通。即这里的螺旋板呈双螺旋结构，其材质为钢/铜/塑料，螺旋板将中空导热管体隔开，形成两个螺旋通道，两个螺旋通道仅在中空导热管体的底部连通。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的导热工质为纳米颗粒超导介质，所述的螺旋板周向外侧分别与中空导热管体的周向内侧相互密封且当中空导热管体两端无温度差时能使纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒悬浮和/或就近聚积于所述螺旋板上从而为下次更快地热传导启动做好准备。由于中空导热管体两端之间的温度差作用推动管内导热工质运动并带动纳米粒子运动，由于螺旋板存在并在内部热流的作用下旋转并带动更多的纳米粒子参与到悬浮碰撞运动之中，以此将热量由温度高的一端传送至温度低的一端，当工作停止，中空导热管体两端无温度差，中空导热管体内流体静止，部分纳米粒子悬浮或就近聚积在螺旋板上，为下次更快的热启动做好准备，以此往复循环作用以完成热量的传递。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的间距处设有能对导热工质进行搅拌从而防止纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒沉积的搅拌机构。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的搅拌机构包括通过转动安装结构设置在螺旋板下端部且能周向转动的叶轮，且所述的叶轮朝向螺旋通道设置。即通过叶轮的周向转动来对导热工质进行搅拌，从而防止导热工质中的纳米粒子沉积在中空导热管体的底部。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的叶轮能在导热工质的热流作用下直接被带动旋转；或者所述的叶轮上连接有能驱动叶轮旋转的动力机构。即叶轮主动或被动转动，可以随导热工质运动而转动，也可以通过动力机构而转动。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的转动安装结构包括固定设置在中空导热管体内的固定支架，所述的固定支架内穿设有能周向转动的驱动轴，所述的叶轮固定设置在驱动轴上，且所述的驱动轴端部延伸至螺旋板上，所述的螺旋板通过轴承与驱动轴相连。叶轮优选采用斜流叶片形式，这样能提高搅拌效果，防止纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒沉积。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的中空导热管体底部设有能防止导热工质沉积在中空导热管体底部的防沉积结构。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的防沉积结构包括设置在中空导热管体底部且位于叶轮下方的旋转毛刷，且所述的旋转毛刷与驱动轴固定相连。优选地，这里的旋转毛刷与中空导热管体侧壁以及底部，保持合适的距离，避免旋转毛刷晃动和卡死，其中，旋转毛刷材质为碳纤维、不锈钢纤维、铜纤维与塑料纤维中任意一种，直径0.01-0.1mm。
在上述的带螺旋结构的单管超级热传导装置中，所述的中空导热管体至少一端设有横向设置的换热器，且所述的换热器一端设有位于中空导热管体一侧的换热器流体入口，另一端设有位于中空导热管体另一侧的换热器流体出口。优选地，这里的中空导热管体两端均设有换热器，且换热器与中空导热管体内的导热工质进行间壁导热换热，也可以流体直接接触管壁进行对流换热，在中空导热管体外表面可安装有与换热器相连的翅片结构。
与现有的技术相比，本带螺旋结构的单管超级热传导装置的优点在于：1冷热量从A处传递至B处的过程中，由其外部提供的输送动力在气态介质场合可以减小到零的程度，只仅靠流体自身的热能驱动便可。2用一根管就可传输冷、热能量，并且在已安装的实际应用中，冷/热端可互反运行。3传输管A处至B处的实际安装位置的高度差可达100米，延伸长度可达1000米以上。4使用简单安全，无需日常维护。
附图说明
图1为本发明提供的结构示意图。
图2为本发明提供的A-A处的剖视图。
图3为本发明提供的螺旋板的结构示意图。
图4为本发明提供的本装置设有换热器时的结构示意图。
图中，中空导热管体1、螺旋结构2、螺旋通道21、螺旋板22、工质进口3、工质出口4、间距5、搅拌机构6、叶轮61、动力机构62、固定支架63、驱动轴64、轴承65、旋转毛刷66、换热器7、换热器流体入口71、换热器流体出口72、翅片结构73。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1-3所示，本带螺旋结构的单管超级热传导装置，包括两端封闭的中空导热管体1，中空导热管体1内具有用于放置导热工质的内腔，在中空导热管体1一端分别设有工质进口3与工质出口4，中空导热管体1内设有能将内腔轴向分割呈两个相互独立且均呈螺旋状轴向分布的螺旋通道21的螺旋结构2，两个螺旋通道21中的一个的一端与工质进口3相连通，剩余一个螺旋通道21的一端与工质出口4相连通，且两个螺旋通道21的另一端在中空导热管体1远离设有工质进口3与工质出口4一端的内部相互连通，优选地，本装置可以埋在地下，通过管壁与土壤换热，也可以应用于地表，进行垂直方向传热，由于中空导热管体1两端端点之间的温度差作用推动管内导热工质运动并带动纳米粒子运动，使得本装置易于热量的传导且能够在任意的高度差，即小于或等于100米，足够的长度下，小于或等于1000米，不改变安装位置的情况下，可双向任选热流传递方向，在-35-1000℃范围内的温度效率为95-99％，轴向导热能量密度15-30W/mm2；其中，中空导热管体1具有气密性，耐压值≥0.2MPa，可以弯曲；中空导热管体1为光管、波纹管与螺纹管中的任意一种，且中空导热管体1为钢管、铜管、塑料金属复合管和塑料管中的任意一种；导热工质主要成分为粒径1-20纳米的碳粒子/二氧化钛/R123/水/溴化锂溶液/R134a，灌注量为中空导热管体内容积的3％-100％。
具体地，本实施例中的螺旋结构2包括轴向设置在中空导热管体1内且以中空导热管体1轴心呈螺旋状设置的螺旋板22，螺旋板22下端部与中空导热管体1下端底部之间具有间距5，螺旋通道21在间距5内相互连通，即这里的螺旋板22呈双螺旋结构，其材质为钢/铜/塑料，螺旋板22将中空导热管体1隔开，形成两个螺旋通道21，两个螺旋通道21仅在中空导热管体1的底部连通。其中，这里的导热工质为纳米颗粒超导介质，螺旋板22周向外侧分别与中空导热管体1的周向内侧相互密封且当中空导热管体1两端无温度差时能使纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒悬浮和/或就近聚积于所述螺旋板22上从而为下次更快地热传导启动做好准备，这是由于中空导热管体1两端之间的温度差作用推动管内导热工质运动并带动纳米粒子运动，由于螺旋板22存在并在内部热流的作用下旋转并带动更多的纳米粒子参与到悬浮碰撞运动之中，以此将热量由温度高的一端传送至温度低的一端，当工作停止，中空导热管体1两端无温度差，中空导热管体1内流体静止，部分纳米粒子悬浮或就近聚积在螺旋板22上，为下次更快的热启动做好准备，以此往复循环作用以完成热量的传递。
进一步地，本实施例中的间距5处设有能对导热工质进行搅拌从而防止纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒沉积的搅拌机构6。其中，这里的搅拌机构6可以包括通过转动安装结构设置在螺旋板22下端部且能周向转动的叶轮61，且叶轮61朝向螺旋通道21设置，即通过叶轮61的周向转动来对导热工质进行搅拌，从而防止导热工质中的纳米粒子沉积在中空导热管体1的底部，这里的叶轮61能在导热工质的热流作用下直接被带动旋转；或者叶轮61上连接有能驱动叶轮61旋转的动力机构62，即叶轮61主动或被动转动，可以随导热工质运动而转动，也可以通过动力机构62而转动。更具体地，这里的转动安装结构包括固定设置在中空导热管体1内的固定支架63，固定支架63内穿设有能周向转动的驱动轴64，叶轮61固定设置在驱动轴64上，且驱动轴64端部延伸至螺旋板22上，螺旋板22通过轴承65与驱动轴64相连，叶轮61优选采用斜流叶片形式，这样能提高搅拌效果，防止纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒沉积。为了防止导热工质中的纳米颗粒沉积在中空导热管体1底部，中空导热管体1底部设有能防止导热工质沉积在中空导热管体1底部的防沉积结构。这里的防沉积结构包括设置在中空导热管体1底部且位于叶轮61下方的旋转毛刷66，且旋转毛刷66与驱动轴64固定相连，优选地，这里的旋转毛刷66与中空导热管体1侧壁以及底部，保持合适的距离，避免旋转毛刷晃动和卡死，其中，旋转毛刷66材质为碳纤维、不锈钢纤维、铜纤维与塑料纤维中任意一种，直径0.01-0.1mm。
如图4所示，本装置在使用时，中空导热管体1至少一端设有横向设置的换热器7，且换热器7一端设有位于中空导热管体1一侧的换热器流体入口71，另一端设有位于中空导热管体1另一侧的换热器流体出口72，优选地，这里的中空导热管体1两端均设有换热器7，且换热器7与中空导热管体1内的导热工质进行间壁导热换热，也可以流体直接接触管壁进行对流换热，在中空导热管体1外表面可安装有与换热器7相连的翅片结构73，这样更加提高了换热效果。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了中空导热管体1、螺旋结构2、螺旋通道21、螺旋板22、工质进口3、工质出口4、间距5、搅拌机构6、叶轮61、动力机构62、固定支架63、驱动轴64、轴承65、旋转毛刷66、换热器7、换热器流体入口71、换热器流体出口72、翅片结构73等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种带螺旋结构的单管超级热传导装置，其特征在于，本热传导装置包括两端封闭的中空导热管体(1)，所述的中空导热管体(1)内具有用于放置导热工质的内腔，在中空导热管体(1)一端分别设有工质进口(3)与工质出口(4)，所述的中空导热管体(1)内设有能将内腔轴向分割呈两个相互独立且均呈螺旋状轴向分布的螺旋通道(21)的螺旋结构(2)，两个螺旋通道(21)中的一个的一端与工质进口(3)相连通，剩余一个螺旋通道(21)的一端与工质出口(4)相连通，且两个螺旋通道(21)的另一端在中空导热管体(1)远离设有工质进口(3)与工质出口(4)一端的内部相互连通；所述的螺旋结构(2)包括轴向设置在中空导热管体(1)内且以中空导热管体(1)轴心呈螺旋状设置的螺旋板(22)，所述的螺旋板(22)下端部与中空导热管体(1)下端底部之间具有间距(5)，所述的螺旋通道(21)在间距(5)内相互连通；所述的间距(5)处设有能对导热工质进行搅拌从而防止纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒沉积的搅拌机构(6)；所述的搅拌机构(6)包括通过转动安装结构设置在螺旋板(22)下端部且能周向转动的叶轮(61)，且所述的叶轮(61)朝向螺旋通道(21)设置；所述的转动安装结构包括固定设置在中空导热管体(1)内的固定支架(63)，所述的固定支架(63)内穿设有能周向转动的驱动轴(64)，所述的叶轮(61)固定设置在驱动轴(64)上，且所述的驱动轴(64)端部延伸至螺旋板(22)上，所述的螺旋板(22)通过轴承(65)与驱动轴(64)相连；所述的中空导热管体(1)底部设有能防止导热工质沉积在中空导热管体(1)底部的防沉积结构；所述的防沉积结构包括设置在中空导热管体(1)底部且位于叶轮(61)下方的旋转毛刷(66)，且所述的旋转毛刷(66)与驱动轴(64)固定相连。
2.根据权利要求1所述的带螺旋结构的单管超级热传导装置，其特征在于，所述的导热工质为纳米颗粒超导介质，所述的螺旋板(22)周向外侧分别与中空导热管体(1)的周向内侧相互密封且当中空导热管体(1)两端无温度差时能使纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒悬浮和/或就近聚积于所述螺旋板(22)上从而为下次更快地热传导启动做好准备。
3.根据权利要求2所述的带螺旋结构的单管超级热传导装置，其特征在于，所述的叶轮(61)能在导热工质的热流作用下直接被带动旋转；或者所述的叶轮(61)上连接有能驱动叶轮(61)旋转的动力机构(62)。
4.根据权利要求1所述的带螺旋结构的单管超级热传导装置，其特征在于，所述的中空导热管体(1)至少一端设有横向设置的换热器(7)，且所述的换热器(7)一端设有位于中空导热管体(1)一侧的换热器流体入口(71)，另一端设有位于中空导热管体(1)另一侧的换热器流体出口(72)。
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