CN106066129A - 一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器 - Google Patents
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Abstract
一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，上段换热外壳和中断绝热外壳之间设置有圆形隔断装置，上段换热外壳与下段换热外壳经过通道相连接，上段换热外壳中设置有可以运动的活塞和活塞环，上段换热外壳内壁周向分布有耐磨涂层和多孔结构介质层；活塞的下部设置有将活塞和上段换热外壳的腔体的高弹性薄膜层，上段换热外壳的内壁设置有能够开启圆形隔断装置的顶针机构；工作时，外界的冷流体流过上段换热外壳，使其内部的二氧化碳气体温度降低，由气态直接变为固态，随后固态二氧化碳在下段换热外壳中吸热变为气态；本发明采用气－固两相换热原理，工作介质为二氧化碳，对臭氧层破坏潜能(ODP)为零，温室效应潜能极小(GWP＝1)，并且无毒无腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换装置，具体涉及一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器。
背景技术
热管是一种密闭容器，其基本组成部件为壳体、吸液芯和工作液，待壳体抽真空后充入适量工作液，密闭壳体便构成热管。当热源对其一端供热时，工作液自热源吸收热量而蒸发汽化，携带潜热的蒸汽在压差作用下，高速传输至壳体的另一端，向冷源放出潜热而凝结，凝结液在吸液芯毛细抽吸力作用下从冷源端回流至热源端，以保持连续的物性循环。因为利用了工质的相变换热，使热管具备很多优点，如它的导热性、等温性比一般传热元件要好，而且冷热两侧面积可以任意改变，也可以进行较远距离的传热，对温度的控制度更好。
另一种常见热管为重力热管。与普通热管一样，利用工质的蒸发和冷凝且工质不需要外动力而自动循环来传递热量。但与普通热管不同之处是管内没有吸液芯，凝结液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠凝结液自身的重力，因此重力热管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，才能使冷凝液靠自身重力返回到蒸发段。
近年来，随着热管技术的发展，以及各领域对不同温区热能利用要求的不断提高，通常所用的热管换热器越来越受到限制，而低温热管换热器的需求越来越多。并且，现有低温热管换热器中多以氨或氟利昂作为工作工质，氨虽然不破坏臭氧层、也不产生温室效应，但其具有毒性和腐蚀性，氨一旦泄露，对人和环境会造成相当大的危害。而氟利昂不仅会造成温室效应，部分氟利昂还会破坏臭氧层。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，此热管换热器不仅有着以往换热器导热性好、等温性好等优点，并且其工作介质二氧化碳属于自然工质，环境性能优良，二氧化碳是自然界天然存在的物质，它对臭氧层破坏潜能(ODP)为零，其温室效应潜能极小(GWP＝1)。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，包括上段换热外壳1，中段绝热外壳2和下段换热外壳3，所述上段换热外壳1和中断绝热外壳2之间设置有圆形隔断装置10，上段换热外壳1与下段换热外壳3经过外部的通道12相连接，通道12上设置有单向阀11，单向阀11允许的流动方向为自下而上；
所述上段换热外壳1中设置有可以运动的活塞4，活塞4的圆周设置有活塞环5，上段换热外壳1内壁周向分布有耐磨涂层6和多孔结构介质层7；所述的耐磨涂层6覆盖在上段换热外壳1的内壁靠上位置，其表面分布有可促进气态二氧化碳形成固态晶核的成核剂，所述的多孔结构介质层7分布在上段换热外壳1内壁靠下的位置，活塞4的下部设置有高弹性薄膜层9，薄膜层9将活塞4和上段换热外壳的腔体完全隔开，上段换热外壳1的内壁上且活塞环5的行程末端位置处设置有能够开启隔断装置10的顶针机构8。
所述上段外壳1采用导热性好的金属材料制作，包括铝、不锈钢。
所述中断绝热外壳2由绝热材料制作。
所述下段换热外壳3由导热性好的金属材料制作，包括铝、不锈钢。
所述的隔断装置10由两片可以开闭的圆形机构13和密封条14组成，且隔断装置10的上表面也覆盖有多孔结构介质层7。
所述的上段换热外壳1的工作温度范围为170K～216K，下段换热外壳3的工作温度高于上段换热外壳1的工作温度。
所述的多孔结构介质层7的多孔结构内部吸附有N2、O2、或Ar。
本发明的有益效果：
第一，本发明所述热管换热器采用气－固两相换热原理，比起以往的某些以气－液两相换热为基础的换热器，其换热量更大。
第二，本发明所述热管换热器的工作介质为二氧化碳，比起以往的热管换热器，二氧化碳属于自然工质，环境性能优良，对臭氧层破坏潜能(ODP)为零，温室效应潜能极小(GWP＝1)，并且无毒无腐蚀性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明隔断装置10的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理做详细叙述。
参照图1，一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，包括上段换热外壳1，中段绝热外壳2和下段换热外壳3，所述上段换热外壳1和中断绝热外壳2之间设置有圆形隔断装置10，上段换热外壳1与下段换热外壳3经过外部的通道12相连接，通道12上设置有单向阀11，单向阀11允许的流动方向为自下而上；
所述上段换热外壳1中设置有可以运动的活塞4，活塞4的圆周设置有活塞环5，上段换热外壳1内壁周向分布有耐磨涂层6和多孔结构介质层7；所述的耐磨涂层6覆盖在上段换热外壳1的内壁靠上位置，其表面分布有可促进气态二氧化碳形成固态晶核的成核剂，所述的多孔结构介质层7分布在上段换热外壳1内壁靠下的位置，其多孔结构介质层7的多孔结构内部吸附有极少量N2、O2、或Ar，这些气体的存在可导致二氧化碳的相变温度显著降低，抑制成核。活塞4的下部设置有高弹性薄膜层9，薄膜层9将活塞4和上段换热外壳的腔体完全隔开。上段换热外壳1的内壁上且活塞环5的行程末端位置处设置有能够开启圆形隔断装置10的顶针机构8。
所述上段外壳1采用导热性好的金属材料制作，包括铝、不锈钢。
所述中断绝热外壳2由绝热材料制作。
所述下段换热外壳3由导热性好的金属材料制作，包括铝、不锈钢。
参照图2，所述的隔断装置10由两片可以开闭的圆形机构13和密封条14组成，且隔断装置10的上表面也覆盖有多孔结构介质层7。
所述的上段换热外壳1的工作温度范围为170K～216K，下段换热外壳3的工作温度高于上段换热外壳1的工作温度。
本发明的工作原理为：
参照图1，在工作之前，热管换热器内会密封有一定质量的二氧化碳，并且此时二氧化碳都位于上段换热外壳1内部薄膜层9和隔断装置10形成的密闭空间内，隔断装置10此时为关闭状态。
工作时，外界的冷流体流过热管换热器的上段换热外壳1的外部，使上段换热外壳1内部的二氧化碳气体的温度降低。由实际气体的状态方程可知，二氧化碳气体的温度降低的同时，密闭空间内压力也会随之降低。因此，在二氧化碳气体降温的同时，活塞4缓慢向下运动，保证密闭空间内二氧化碳的压力不变。当二氧化碳气体进一步受冷温度降低时，从二氧化碳的三相图可以知道，二氧化碳会由气体状态直接变为固态。
随后，由于成核剂的促进作用，二氧化碳气体会首先附着于耐磨涂层6上，随后形成晶体并长大。同时，由于多孔结构介质层7内部分布有极少量N2、O2、或Ar，这些气体的存在可导致二氧化碳的相变温度显著降低，抑制成核。所以，固态二氧化碳几乎会全部附着于耐磨涂层6上。
随着活塞4继续向下运动，固体二氧化碳会附着的越来越多。活塞4向下运动的过程中，活塞下端推动薄膜层9随之向下运动，薄膜层9的作用是防止二氧化碳气体的泄漏。当活塞4达到行程末端时，其顶端会碰到固态二氧化碳，将其从耐磨涂层6上推下。此时，上段换热外壳1的换热过程完成。
当活塞4达到行程末端时，同时，活塞环5会触发顶针机构8，使隔断装置10打开。固态二氧化碳经过中段绝热外壳2掉入下段换热外壳3的底部。掉下后顶针机构8弹出，控制隔断装置10关闭。此时，热流体流经下段换热外壳3的外部，将热量传递给固态的二氧化碳。固态二氧化碳受热后最终变为二氧化碳气体。由于下段换热外壳3内部的压力高于上段换热外壳1内部的压力，因此二氧化碳气体会通过通道12流经单向阀11回到上段换热外壳1内部。这样，装置就完成一个循环。
Claims (7)
1.一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，包括上段换热外壳(1)，中段绝热外壳(2)和下段换热外壳(3)，其特征在于，所述上段换热外壳(1)和中断绝热外壳(2)之间设置有圆形隔断装置(10)，上段换热外壳(1)与下段换热外壳(3)经过外部的通道(12)相连接，通道(12)上设置有单向阀(11)，单向阀(11)允许的流动方向为自下而上；
所述上段换热外壳(1)中设置有可以运动的活塞(4)，活塞(4)的圆周设置有活塞环(5)，上段换热外壳(1)内壁周向分布有耐磨涂层(6)和多孔结构介质层(7)；所述的耐磨涂层(6)覆盖在上段换热外壳(1)的内壁靠上位置，其表面分布有可促进气态二氧化碳形成固态晶核的成核剂，所述的多孔结构介质层(7)分布在上段换热外壳(1)内壁靠下的位置，活塞(4)的下部设置有高弹性薄膜层(9)，薄膜层(9)将活塞(4)和上段换热外壳(1)的腔体完全隔开，上段换热外壳(1)的内壁上且活塞环(5)的行程末端位置处设置有能够开启隔断装置(10)的顶针机构(8)。
2.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，其特征在于，所述上段外壳(1)采用导热性好的金属材料制作，包括铝、不锈钢。
3.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，其特征在于，所述中断绝热外壳(2)由绝热材料制作。
4.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，其特征在于，所述下段换热外壳(3)由导热性好的金属材料制作，包括铝、不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，其特征在于，所述的隔断装置(10)由两片可以开闭的圆形机构(13)和密封条(14)组成，且隔断装置(10)的上表面也覆盖有多孔结构介质层(7)。
6.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，其特征在于，所述的上段换热外壳(1)的工作温度范围为170K～216K，下段换热外壳(3)的工作温度高于上段换热外壳(1)的工作温度。
7.根据权利要求1所述的一种以二氧化碳为工质的低温热管换热器，其特征在于，所述的多孔结构介质层(7)的多孔结构内部吸附有N2、O2、或Ar。
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