CN105758238B - U型热管阵列装置及包含其的空气调节系统 - Google Patents

Abstract

一种U型热管阵列装置，包括两个直臂部分和连接两个直臂部分的弯曲部分，其中：两个直臂部分一个为冷凝端，另一个为蒸发端，均包括多路水平管路；所述弯曲部分为多通管路，其用于连接冷凝端和蒸发端的水平管路；所述冷凝端远离弯曲部分一端还设置有一垂直的母管，该母管与冷凝端的多路水平管路连通；所述蒸发端的水平管路远离弯曲部分的端口通过连接管道两两连接。通过该设置该U型热管阵列装置，在空调、制冷、除湿、干燥等行业的空气调节中，房间温度控制不需要制备低温的冷源进行除湿，从而提高能源的利用率和房间舒适度。

Description

U型热管阵列装置及包含其的空气调节系统

技术领域

本发明涉及本发明涉及热交换领域，进一步涉及一种U形热管阵列装置，以及包含该装置的空气调节系统。

背景技术

根据公共建筑节能设计标准(GB50189-2005)，夏季室内温度在25℃，相对湿度40％-60％，按此要求空气的露点温度为16.6℃。由此，空调的任务可以看成是从25℃环境中提取热量排到室外环境，在16.6℃的露点温度条件下对室内空气除湿。

目前空调的控温和除湿都是采用低温冷冻水对空气进行冷却和冷凝除湿，再将冷却干燥的空气送入室内，实现排热排湿的目的。

在此过程中风机盘管要同时起到了控温和除湿的作用。由于采用冷凝除湿方法排除室内余湿，冷冻水的温度需要低于室内空气的露点温度，在考虑传热温差与介质输送温差的情况下，要达到16.6℃的露点温度需要约7℃的冷冻水。而在整个建筑中，占总负荷一半以上的显热负荷部分，可以采用高温冷源带走房间内的热量，但是为了达到除湿要求，却与除湿一起共用7℃的低温冷源进行处理，导致制冷系统COP大为降低，耗电负荷增加。而且，经过冷凝除湿后的空气虽然满足湿度要求，但由于温度过低，降低了房间的舒适性，而为了提高舒适性，有时还需要再加热，由此造成了能源的进一步浪费与损失。

针对降温除湿的技术缺陷，人们提出了一些带有热回收功能的除湿方案，其中热管或热虹吸管是热回收的常用设备。现有技术提供了一种U型热虹吸管，表冷器夹在中间，先对待除湿空气进行预降温，再通过热虹吸管回路将传热工质吸收的热量用于对冷却降温除湿后的空气的加温，最后再用加热器将空气加热到要求的温度。该发明中热虹吸管充分利用空气除湿过程中的降温和升温的热量变化，可以在不附加额外动力和能源消耗的条件下充分利用除湿器前后空气降温和加热的显热，实现空气先降温后加热的双重功效，减少了除湿过程中的能耗。

根据上述分析可知，现有技术存在以下技术缺陷：

1.在对室内环境进行调控的过程中，为了除湿的要求需要将冷冻水的温度降低到7℃以下，而房间的温度控制不需要如此低温的冷源，造成了能源品味的浪费。

2.经过冷凝除湿后的空气虽然湿度满足要求，但由于温度过低，降低了房间的舒适性，而为了提高舒适性，有时还需要再热，造成了能源的进一步浪费与损失。

3.普通热管阵列都是将独立的热管和热虹吸管组合起来制成的，这些热管和热虹吸管都是单根结构，无法做成复杂回路，不仅给大规模制造和充装带来不便，而且会存在温湿度分布不均匀的问题。此外，在空调热回收时又需要U型布置，这会对热管和热虹吸管的换热性能产生不利影响。普通热管内的汽、液以逆流形式工作，U型结构给回液造成困难。热虹吸管以汽液两相循环对流方式工作，U型结构会增加流动阻力，且会造成工作不稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种U型热管阵列装置及包含其的空气调节系统。

为实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种U型热管阵列装置，包括两个直臂部分和连接两个直臂部分的弯曲部分，其中，

所述两个直臂部分一个为冷凝端，另一个为蒸发端，两者均包括多路水平管路；

所述弯曲部分为多通管路，其用于连接冷凝端和蒸发端的水平管路；

所述冷凝端远离弯曲部分一端还设置有一垂直的母管，该母管与冷凝端的多路水平管路连通；

所述蒸发端的水平管路远离弯曲部分的端口通过连接管道两两连接。

根据本发明的一具体实施方案，所述蒸发端的多路水平管路包含蒸发端上部管路，所述蒸发端上部管路的至少部分管路被设置为一端连接多通管路，在蒸发端经一个或多个折返另一端再连接至多通管路。

根据本发明的一具体实施方案，所述冷凝端的多路水平管路包含冷凝端下部管路，所述冷凝端下部管路的至少部分管路被设置为一端连接至多通管路，在冷凝端经一个或多个折返另一端连接至多通管路。

根据本发明的一具体实施方案，所述母管设置有一换热介质充装口。

根据本发明的一具体实施方案，所述冷凝端的水平管路经过一段高度增加的连接管路连接至母管，以避免冷凝液回流。

根据本发明的一具体实施方案，所述母管为多根母管，分别与冷凝端的多路水平管路中的部分连通，使热管阵列形成多个封闭环路。

根据本发明的一具体实施方案，所述多根母管为垂直分布的多根母管。

根据本发明的一具体实施方案，所述弯曲部分的多通管路高度与水平方向呈1-30°的倾斜角度。

根据本发明的一具体实施方案，冷凝端和蒸发端的多路水平管路呈内外多层分布。

根据本发明的一方面，提供一种空气调节系统，包括以上任意方案所述的U型热管阵列装置，且所述两个直臂部分之间还设置有表面冷却装置。

通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明带母管环形热管阵列换热器与普通热管或热虹吸管相比，汽液对流干涉少，流动阻力小，利于U型布置，且蒸汽可以在整个换热器内弥漫，在冷源温度低的地方冷凝量也多，温度均匀性好，适应局部热源变化，适应冷热源分布不均匀的能力强；

(2)通过设置带母管环形热管换热器阵列，蒸汽可以在整个换热器内弥漫，在冷源温度低的地方，蒸发端与冷凝端的压差较大，冷凝量也多，温度均匀性好，适应局部热量变化，适应冷热源分布不均匀的能力强；

(3)冷凝端的水平管路经过一段高度增加的连接管路连接至母管，以避免冷凝液回流，尤其可设计为与母管接触的部分有一乙字形结构，从而避免了冷凝液进入到母管，在重力的作用下跌落到母管的底端，全部积聚到蒸发端的底部，影响热管换热器，同时也部分避免了汽液的逆向流动造成流动阻力增加，上述设计均减小了系统的热阻；

(4)热管阵列装置共用一个充装口，只需充装一次，充装工艺简单，成本大幅降低，由于内部容积大，充装率精度易于保证，给工业设计和制造带来方便；

(5)通过设置含该U型热管阵列装置，在空调、制冷、除湿、干燥等行业的空气调节中，房间的温度控制不需要制备低温的冷源进行除湿，从而提高能源的利用率，提高房间舒适度；

(6)通过设置多根母管的方案便于根据不同的工况要求进行模块化设计。

附图说明

图1是本发明一实施例的U型热管阵列装置的原理图。

图2是本发明一实施例的U型热管阵列装置的三维视图。

图3是本发明一实施例的隐藏翅片的U型热管阵列装置示意图。

图4是图3的冷凝端与母管的连接关系放大立体示意图。

图5是图3的冷凝端与母管的连接关系放大截面示意图。

图6是本发明又一实施例的U型热管阵列装置的三维视图。

图7是本发明又一实施例的U型热管阵列装置的三维视图。

图8是本发明又一实施例的U型热管阵列装置的三维视图。

图9是本发明又一实施例的U型热管阵列装置的三维视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明总体上的发明构思，提供一种U型热管阵列装置，包括两个直臂部分和连接两个直臂部分的弯曲部分，其中：

所述两个直臂部分一个为冷凝端，另一个为蒸发端，两者均包括多路水平管路；

所述弯曲部分为多通管路，其用于连接冷凝端和蒸发端的水平管路；

所述冷凝端远离弯曲部分一端还设置有一垂直的母管，该母管与冷凝端的多路水平管路连通；

所述蒸发端的水平管路远离弯曲部分的端口通过连接管道两两连接。

以下对各部件的设置结合附图进行具体说明。

如图1所示，热空气首先经过U型热管阵列装置1(以下简称：热管阵列)的蒸发侧101进行预冷，此时热空气的温度降低，相对湿度增加。继续流动经过表冷器2，此时热空气的温度继续降低，热空气达到露点温度，到达饱和状态，并析出其中的水分，然后空气经过热管阵列1的冷凝侧102吸收热量，温度升高，相对湿度下降。此时，将低温干燥的空气送入室内。

在此过程中，热管阵列的蒸发侧101吸收热空气中携带的热量，热管阵列中的工质吸收热量后蒸发，进入到冷凝侧102，在冷凝侧中，工质冷凝释放给空气，提高空气的温度，降低相对湿度。热管阵列的应用在保证室内湿度的情况下，既节省了空气再热的热量，也提高了房间的舒适性。

如图2是热管阵列的三维视图。为了更清楚的说明本专利中热管阵列的结构，图3将蒸发侧和冷凝侧的翅片隐藏，并加以详细说明。热管阵列换热器中的管路分为三部分，上部管路103-1、中部管路103-2、下部管路103-3三部分。三部分管路103-1、103-2、103-3通过母管104连接。

如图3上部103-1的结构示意图。在位于蒸发侧101和冷凝侧102中带有翅片的部分，内部的管路呈水平状态，而在连接蒸发侧101和冷凝侧102的管路103-1a和103-1b部分呈1°-30°的倾斜角度，保证凝结液体的顺利回流。管路103-1在蒸发侧多走一个回程，增加蒸发侧的换热面积。

如图3中部103-2的结构示意图。在位于蒸发侧101和冷凝侧102中带有翅片的部分，内部的管路呈水平状态，而在连接蒸发侧101和冷凝侧102的管路103-2a和103-2b部分呈1°-30°的倾斜角度，保证凝结液体的顺利回流。

如图3下部103-3的结构示意图。在位于蒸发侧101和冷凝侧102中带有翅片的部分，内部的管路呈水平状态，而在连接蒸发侧101和冷凝侧102的管路103-3a和103-3b部分呈1°-30°的倾斜角度，保证凝结液体的顺利回流。管路103-3在冷凝侧多走一个回程，增加冷凝侧的换热面积。

三部分管路103-1、103-2、103-3通过母管104连接，形成一个联通的整体。在母管104上安装有用于抽真空和注液的封装口。

管路103-1、103-2、103-3从冷凝侧出来后经过一高度逐渐增加的连接管路如图4所示(例如一乙字形结构，如图5所示)，使两侧形成一定的高差h达到或超过管径的尺寸，并与母管相连。设计成两侧具有一定高差结构的主要目的是防止冷凝液回流的时候进入到母管，全部坠落到母管的底部，导致工质不能在蒸发侧内部均匀的分布。

母管及乙字形过渡设计，使热管阵列的工作方式与普通热管和热虹吸管有很大不同。冷凝液体在重力作用下流回蒸发测，但是蒸汽在压力驱动下可从两个方向流向冷凝侧，母管使蒸汽在整个热管阵列内弥漫，在冷凝侧分布更加均匀。因此本热管阵列内汽液各以近乎独立的方式工作，流动阻力小，彼此干涉效果小，有利于在U型布置下工作。

该热管阵列的封装工艺和工作机理是：

(1)对热管阵列1进行超声波清洗，去除表面的油污。

(2)将热管阵列1放入高温干燥箱内，去除热管阵列内部的水分。

(3)通过母管上的封装口抽真空，当系统内部的压力小于1Pa时，关闭真空泵，并保持热管阵列1处于真空状态。

(4)在热管阵列内封装一定量的液体工质，这些工质可以为：乙醇、R134a、R22、R410a、R113等多种有机工质或氟利昂类工质，根据工质热物性参数的不同，充液率在20％-80％之间。

在热管阵列1中的工质相变过程如下：

工质在蒸发侧101中吸收热量蒸发，通过蒸发侧和冷凝侧之间的连接管路103-1a，103-1b，103-2a，103-2b，103-3a，103-3b输运到冷凝侧中，在冷凝侧中冷凝通过103-1a，103-1b，103-2a，103-2b，103-3a，103-3b流回到蒸发侧中。由于与母管接触的部分有一乙字弯，从而避免了冷凝液进入到母管后，导致在重力的作用下跌落到母管的底端，全部积聚到蒸发侧的底部，影响热管阵列1的性能。

1.热管阵列内U型管数量可以根据不同的工况要求进行组合。

2.根据不同的工况要求，可设计成内外双环路或多环路的结构。如图6为双环路结构示意图。

3.除了在管路的一侧设计一根母管的形式，还可在上部管路、中部管路、下部管路上各设计一根母管，如图7所示。

4.当设计成双环路或多环路的结构时，内外环的母管可以在底部或上部联通，也可以共用一根粗母管或与之等效的方腔，如图8所示。

5.当设计成双环路或多环路的结构时，可以在上中下部各段分别共用母管或方腔，如图9所示。

6.本发明中可采用的工质包括：乙醇、R134a、R22、R410a、R113等多种有机工质或氟利昂类工质。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种U型热管阵列装置，包括两个直臂部分和连接两个直臂部分的弯曲部分，其特征在于：

所述两个直臂部分一个为冷凝端，另一个为蒸发端，两者均包括多路水平管路；

所述弯曲部分为多通管路，其用于连接冷凝端和蒸发端的水平管路；

所述冷凝端远离弯曲部分一端还设置有一垂直的母管，该母管与冷凝端的多路水平管路连通；

所述蒸发端的水平管路远离弯曲部分的端口通过连接管道两两连接；

所述弯曲部分的多通管路高度与水平方向呈1-30°的倾斜角度；

其中，冷凝端和蒸发端的多路水平管路呈内外多层分布。

2.根据权利要求1所述的U型热管阵列装置，其特征在于，所述蒸发端的多路水平管路包含蒸发端上部管路，所述蒸发端上部管路的至少部分管路被设置为一端连接多通管路，在蒸发端经一个或多个折返另一端再连接至多通管路。

3.根据权利要求1所述的U型热管阵列装置，其特征在于，所述冷凝端的多路水平管路包含冷凝端下部管路，所述冷凝端下部管路的至少部分管路被设置为一端连接至多通管路，在冷凝端经一个或多个折返另一端连接至多通管路。

4.根据权利要求1所述的U型热管阵列装置，其特征在于，所述母管设置有一换热介质充装口。

5.根据权利要求1所述的U型热管阵列装置，其特征在于，所述冷凝端的水平管路经过一段高度增加的连接管路连接至母管，以避免冷凝液回流。

6.根据权利要求1所述的U型热管阵列装置，其特征在于，所述母管为多根母管，分别与冷凝端的多路水平管路中的部分连通，使热管阵列形成多个封闭环路。

7.根据权利要求6所述的U型热管阵列装置，其特征在于，所述多根母管为垂直分布的多根母管。

8.一种空气调节系统，包括权利要求1-7任意一项所述的U型热管阵列装置，且所述两个直臂部分之间还设置有表面冷却装置。