CN105466264A - 超导纤维传热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于热传导设备技术领域，尤其是涉及一种超导纤维传热装置。它解决了现有传热装置换热效率低等技术问题。本传热装置包括具有内腔且两端封闭的中空导热管体，在中空导热管体一端分别设有工质进口与工质出口，工质进口上对应设有工质进口换热器，工质出口上对应设有工质出口换热器，中空导热管体内设有当导热工质自工质进口流入后能将导热工质导流至中空导热管体另一端后并自工质出口流出的导流结构，在中空导热管体内设有若干位于内腔内且由碳纤维材料制成的碳纤维丝状体。优点在于：外部提供的输送动力可以减小到零的程度纳米颗粒悬浮和/或就近聚积，使用简单安全，无需日常维护。

Description

超导纤维传热装置

技术领域

本发明属于热传导设备技术领域，尤其是涉及一种超导纤维传热装置。

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，便于纳米粒子再次启动的超导纤维传热装置。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本超导纤维传热装置，其特征在于，本传热装置包括具有内腔且两端封闭的中空导热管体，在中空导热管体一端分别设有工质进口与工质出口，所述的工质进口上对应设有工质进口换热器，所述的工质出口上对应设有工质出口换热器，所述的中空导热管体内设有当导热工质自工质进口流入后能将导热工质导流至中空导热管体另一端后并自工质出口流出的导流结构，在中空导热管体内设有若干位于内腔内且由碳纤维材料制成的碳纤维丝状体。优选地，中空导热管体的一端的工质进口换热器与工质出口换热器为钢管/铜管/塑料管，采用光管或带金属翅片形式，做成直管或蛇形盘管结构，中空导热管体与工质进口换热器以及工质出口换热器采用间壁导热换热，也可以流体直接接触管壁进行对流换热，且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材料为钢管/铜管/塑料金属复合管/塑料管，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％。

在上述的超导纤维传热装置中，所述的导流结构为当中空导热管体处于导热状态时能使导热工质呈螺旋状流动的螺旋导流结构。

在上述的超导纤维传热装置中，所述的导流结构包括设置在中空导热管体内且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的工质进口与工质出口一端的内部相互连通。

在上述的超导纤维传热装置中，所述的螺旋结构包括轴向设置在中空导热管体内且呈螺旋状设置的螺旋板，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，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。

在上述的超导纤维传热装置中，所述的导热工质为纳米颗粒超导介质，所述的碳纤维丝状体分别沿中空导热管体轴向设置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/或就近聚积于所述碳纤维丝状体与螺旋板上从而为下次更快地热传导启动做好准备。碳纤维丝状体材料为一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的纤维材料，耐压值≥0.2MPa，可以弯曲，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碳纤维丝状体与螺旋板上，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。

在上述的超导纤维传热装置中，每一根碳纤维丝状体分别依次轴向贯穿于两个螺旋通道，且所述的每一根碳纤维丝状体的端部均不超出螺旋板的端部，所述的碳纤维丝状体相互平行且嵌设于螺旋板上。优选地，这里的碳纤维丝状体轴向嵌设在螺旋板上。

在上述的超导纤维传热装置中，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。

在上述的超导纤维传热装置中，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，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。

在上述的超导纤维传热装置中，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。

在上述的超导纤维传热装置中，所述的中空导热管体下端部还设有与驱动轴相连且位于叶轮下方的旋转毛刷。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，塑料纤维，直径0.01-0.1mm。

与现有的技术相比，本超导纤维传热装置的优点在于：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可以减小到零的程度，只仅靠流体自身的热能驱动便可；2、无温度差时，纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒悬浮和/或就近聚积，能为下次热传导做好准备；3、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/热两侧可互反运行；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为本发明提供的嵌设有碳纤维丝状体的螺旋板的结构示意图。

图4为本发明提供的螺旋板的结构示意图。

图中，中空导热管体1、工质进口11、工质出口12、工质进口换热器2、工质出口换热器3、导流结构4、螺旋通道41、螺旋板42、间距43、碳纤维丝状体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。

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1-4所示，本超导纤维传热装置，包括具有内腔且两端封闭的中空导热管体1，在中空导热管体1一端分别设有工质进口11与工质出口12，工质进口11上对应设有工质进口换热器2，工质出口12上对应设有工质出口换热器3，中空导热管体1内设有当导热工质自工质进口11流入后能将导热工质导流至中空导热管体1另一端后并自工质出口12流出的导流结构4，在中空导热管体1内设有若干位于内腔内且由碳纤维材料制成的碳纤维丝状体5，优选地，中空导热管体1的一端的工质进口换热器2与工质出口换热器3为钢管/铜管/塑料管，采用光管或带金属翅片形式，做成直管或蛇形盘管结构，中空导热管体1与工质进口换热器2以及工质出口换热器3采用间壁导热换热，也可以流体直接接触管壁进行对流换热，且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；所述的中空导热管体1材料为钢管/铜管/塑料金属复合管/塑料管，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1内容积的3％-100％。

具体地，本实施例中的导流结构4为当中空导热管体1处于导热状态时能使导热工质呈螺旋状流动的螺旋导流结构，例如，这里的导流结构4可以包括设置在中空导热管体1内且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41的螺旋结构，两个螺旋通道41中的一个的一端与工质进口11相连通，剩余一个螺旋通道41的一端与工质出口12相连通，且两个螺旋通道41的另一端在中空导热管体1远离设有的工质进口11与工质出口12一端的内部相互连通，其中，这里的螺旋结构包括轴向设置在中空导热管体1内且呈螺旋状设置的螺旋板42，螺旋板42周向外侧分别与中空导热管体1的周向内侧相互密封，螺旋板42下端部与中空导热管体1下端底部之间具有间距43，螺旋通道41在间距43内相互连通，即这里的螺旋板42呈双螺旋结构，其材质为钢/铜/塑料，螺旋板将中空导热管体1隔开，形成两个螺旋通道41，两个螺旋通道41仅在中空导热管体1的底部连通。

进一步地，本实施例中的导热工质为纳米颗粒超导介质，碳纤维丝状体5分别沿中空导热管体1轴向设置且当中空导热管体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/或就近聚积于所述碳纤维丝状体5与螺旋板42上从而为下次更快地热传导启动做好准备，这里的碳纤维丝状体5材料为一种含碳量在95％以上的高强度、高模量纤维的纤维材料，耐压值≥0.2MPa，可以弯曲，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42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碳纤维丝状体5与螺旋板42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。其中，为了提高碳纤维丝状体的稳定性，每一根碳纤维丝状体5分别依次轴向贯穿于两个螺旋通道41，且每一根碳纤维丝状体5的端部均不超出螺旋板42的端部，碳纤维丝状体5相互平行且轴向嵌设于螺旋板42上。

更具体地，本实施例中的间距43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，这里的搅拌机构6包括通过转动安装结构设置在螺旋板42下端部且能周向转动的叶轮61，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而转动。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42上，螺旋板42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，也能促进导热工质流动，防止纳米颗粒超导介质中的纳米颗粒沉积。另外，为了防止导热工质中的纳米粒子沉积于中空导热管体1底部，中空导热管体1下端部还设有与驱动轴64相连且位于叶轮61下方的旋转毛刷66，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66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，塑料纤维，直径0.01-0.1mm。

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、工质进口11、工质出口12、工质进口换热器2、工质出口换热器3、导流结构4、螺旋通道41、螺旋板42、间距43、碳纤维丝状体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 (10)

1.一种超导纤维传热装置，其特征在于，本传热装置包括具有内腔且两端封闭的中空导热管体(1)，在中空导热管体(1)一端分别设有工质进口(11)与工质出口(12)，所述的工质进口(11)上对应设有工质进口换热器(2)，所述的工质出口(12)上对应设有工质出口换热器(3)，所述的中空导热管体(1)内设有当导热工质自工质进口(11)流入后能将导热工质导流至中空导热管体(1)另一端后并自工质出口(12)流出的导流结构(4)，在中空导热管体(1)内设有若干位于内腔内且由碳纤维材料制成的碳纤维丝状体(5)。

2.根据权利要求1所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的导流结构(4)为当中空导热管体(1)处于导热状态时能使导热工质呈螺旋状流动的螺旋导流结构。

3.根据权利要求2所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的导流结构(4)包括设置在中空导热管体(1)内且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(41)的螺旋结构，两个螺旋通道(41)中的一个的一端与工质进口(11)相连通，剩余一个螺旋通道(41)的一端与工质出口(12)相连通，且两个螺旋通道(41)的另一端在中空导热管体(1)远离设有的工质进口(11)与工质出口(12)一端的内部相互连通。

4.根据权利要求3所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的螺旋结构包括轴向设置在中空导热管体(1)内且呈螺旋状设置的螺旋板(42)，所述的螺旋板(42)周向外侧分别与中空导热管体(1)的周向内侧相互密封，所述的螺旋板(42)下端部与中空导热管体(1)下端底部之间具有间距(43)，所述的螺旋通道(41)在间距(43)内相互连通。

5.根据权利要求4所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的导热工质为纳米颗粒超导介质，所述的碳纤维丝状体(5)分别沿中空导热管体(1)轴向设置且当中空导热管体(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/或就近聚积于所述碳纤维丝状体(5)与螺旋板(42)上从而为下次更快地热传导启动做好准备。

6.根据权利要求4所述的超导纤维传热装置，其特征在于，每一根碳纤维丝状体(5)分别依次轴向贯穿于两个螺旋通道(41)，且所述的每一根碳纤维丝状体(5)的端部均不超出螺旋板(42)的端部，所述的碳纤维丝状体(5)相互平行且嵌设于螺旋板(42)上。

7.根据权利要求4或5或6所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的间距(43)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)。

8.根据权利要求7所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的搅拌机构(6)包括通过转动安装结构设置在螺旋板(42)下端部且能周向转动的叶轮(61)，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)。

9.根据权利要求8所述的超导纤维传热装置，其特征在于，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(42)上，所述的螺旋板(42)通过轴承(65)与驱动轴(64)相连。

10.根据权利要求9所述的超导纤维传热装置，其特征在于，所述的中空导热管体(1)下端部还设有与驱动轴(64)相连且位于叶轮(61)下方的旋转毛刷(66)。