CN108225068A - 一种拓展蒸发端面积的热管蓄热换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拓展蒸发端面积的热管蓄热换热器，包括重力热管，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述蒸发端设置在蓄热器中，所述蓄热器设置在热源中，所述冷凝端设置在冷源的容器中，所述蓄热器的横截面积大于冷源所在的容器的横截面积。本发明通过设置蓄热器，可以将热源中的热量储存起来，而且通过蓄热器的横截面积大于冷源所在的容器的横截面积，可以进一步的增加蓄热器与热源的换热面积，而且可以储存更多的热量，进一步满足加热的要求。

Description

一种拓展蒸发端面积的热管蓄热换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器技术，尤其涉及一种拓展蒸发端面积的热管蓄热换热器。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括核电领域，例如核电的余热利用等。

现有技术中，热管的外形影响了蒸发端的吸热面积，因此一般蒸发端吸热范围比较小，在热源中有时候需要设置多个热管来满足吸热需求；而且多蒸发端存在的时候，各个蒸发端因为处于热源的位置不同，会产生吸热不均匀的现象。

在目前的热管蓄热器中，基本上都是采用重力热管，而且因为热管冷凝端蒸发端管径相同，导致受热面积小，无法更好的拓展换热面积，因此针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管蓄热器，进一步提高换热效果，充分利用热源，降低能耗，提高效果。

发明内容

本发明提供了一种新的热管结构，扩展蒸发端的吸热范围，节约能源。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种拓展蒸发端面积的热管蓄热换热器，包括重力热管，所述热管包括蒸发端和冷凝端，其特征在于，所述蒸发端设置在蓄热器中，所述蓄热器设置在热源中，所述冷凝端设置在冷源的容器中，所述蓄热器的横截面积大于冷源所在的容器的横截面积。

作为优选，所述热源是地热能。

作为优选，所述蓄热器中蓄热材料的熔点是60-80摄氏度。

作为优选，所述蓄热器中的蓄热材料是石蜡。

作为优选，所述蓄热器的横截面积是容器横截面积的10-26倍。

作为优选，所述热管包括竖直部分、水平部分和竖直管，其中竖直部分的底端连通水平部分，所述水平部分从竖直部分的底端向着远离竖直部分的方向延伸，所述水平部分下部连通多个竖直管，其中竖直管是热管的蒸发端，竖直部分是热管的冷凝端。

作为优选，所述水平部分为扁平管结构，竖直管为圆管结构。

作为优选，水平部分为方形结构。

作为优选，所述的竖直管为多排，其中相邻两排为错列布置。

作为优选，竖直管的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形，所述竖直管的圆心位于等腰三角形顶角的点的位置。

作为优选，竖直管的外径为d，同一排的相邻的竖直管圆心之间的距离为L，竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形的顶角为A，则满足下面要求：

Sin(A)＝a-b*Ln(d/L),其中Ln是对数函数，a,b是参数，满足如下要求：

0.095<a<0.105,0.29<b<0.31；0.1<d/L<0.7。

作为优选，随着d/L的逐渐变小，a越来越大,b越来越大。

作为优选，15°<A<80°。

作为优选，20°<A<40°。

作为优选，0.2<d/L<0.5。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明通过蓄热器的横截面积大于冷源所在的容器的横截面积，可以进一步的增加蓄热器与热源的换热面积，而且可以储存更多的热量，进一步满足加热的要求。

2)本发明对热管的蒸发端的结构进行了改进，将热管的蒸发端延伸到更远的方向，在不改变热管的冷凝端体积的情况下，使得热管的蒸发端的吸热面积增加，这样可以扩大热管的吸热范围，可以吸收热源最远端的热量。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小，能够提高40％以上的换热效率。同时减少换热器的体积和占地面积，使得结构紧凑。

3)本发明在相邻的蒸发端设置连通管，可以在竖直管受热不同而导致压力不同的情况下，可以使得压力大的蒸发端内的流体快速的流向压力小的蒸发端，从而保持整体压力均衡，避免局部过热或者过冷。

4)进行了大量的数值模拟和实验的研究，对热管在蓄热器中的分布结构进行了最优的结构，而且通过研究得出热管分布的最优关系式，进一步提高热管的分布，达到最佳的热吸收，降低成本。

5)本发明在相邻的热管之间设置连通管，实现热管之间的压力均衡，换热均衡。

附图说明

图1为本发明热管结构示意图。

图2为图1从底部观察的示意图。

图3为本发明设置连通管的热管局部结构示意图。

图4为本发明热管具体实施方式结构示意图。

图5为图4的本发明热管之间设置连通管的结构示意图。

图6是图2的局部放大标注示意图。

图中：1竖直部分 2水平部分 3竖直管 4蓄热器 5冷源 6热源 7连通管 8连通管9容器

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。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

一种热管，包括竖直部分1、水平部分2和竖直管3，其中竖直部分1的底端连通水平部分2，所述水平部分2从竖直部分1的底端向着远离竖直部分1的方向延伸，所述水平部分2下部连通多个竖直管3，其中竖直管3是热管的蒸发端，竖直部分1是热管的冷凝端。

本发明热管在运行中，通过竖直管3从热源中吸收热量，然后竖直管3中的流体进行蒸发，通过水平部分进入到竖直部分，然后在竖直部分将热量释放给冷源，流体进行冷凝，依靠重力的作用再进入竖直管3。

本发明对热管的通过设置热管的蒸发端的结构进行了改进，将热管的蒸发端延伸到更远的方向，在不改变热管的冷凝端体积的情况下，使得热管的蒸发端的吸热面积增加，这样可以扩大热管的吸热范围，可以吸收热源最远端的热量。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小，能够提高45％以上的换热效率。同时减少冷凝端的体积和占地面积，使得结构紧凑。

此外，本发明通过设置多个竖直管3作为热管的蒸发端，使得每个竖直管3作为一个个独立的吸热管加入热量的吸收，也增加了整体热管蒸发端的吸热面积。

作为优选，所述热源可以是土壤或者锅炉尾气等。

作为优选，所述冷源为水或者空气。

作为优选，所述水平部分2为扁平管结构，竖直管3为圆管结构。通过设置水平部分为扁平管结构，可以增加竖直管3的分布，进一步提高热量的吸收。

进一步优选，水平部分2为方形结构。

作为优选，如图2所示，所述的竖直管3为多排，其中相邻两排为错列布置。通过错列布置，可以进一步提高热管的吸热量。

作为优选，竖直管3位于相邻排的相邻竖直管3的圆心连接线段的中线的延长线上。即竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管3圆心构成等腰三角形，所述竖直管的圆心位于等腰三角形顶角的点的位置。

作为优选，如图3所示，至少两个相邻的竖直管3之间设置连通管8。在研究中发现，在竖直段吸热的过程中，会出现不同位置的吸热管的吸收热量不同，导致竖直管3之间的压力或者温度不同，这样会导致部分竖直管3受热过高，造成寿命缩短，一旦一个竖直管3出现问题，可能导致整个热管出现无法使用的问题。本发明通过大量的研究，在相邻的竖直管设置连通管8，可以在竖直管受热不同而导致压力不同的情况下，可以使得压力大的竖直管3内的流体快速的流向压力小的竖直管3，从而保持整体压力均衡，避免局部过热或者过冷。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，相邻的竖直管3之间设置多个连通管8。通过设置多个连通管，能够使得流体在吸热蒸发过程中不断的均衡压力，保证整个竖直管内的压力均衡。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，相邻连通管8之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的连通管，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同集热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，相邻连通管之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，连通管8的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同集热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，连通管8的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

图4展示了一种热管利用系统，作为优选，如图4所示，热管的竖直管3设置在蓄热器4中。所述蓄热器4设置在热源中。所述热源可以是地热能。

作为优选，所述蓄热器4中蓄热材料的熔点是60-80摄氏度，优选65摄氏度。

作为优选，所述蓄热器4中的蓄热材料是石蜡。

本发明通过设置蓄热器4，可以将热源6中的热量储存起来，而且因为蓄热器的热熔比较大，因此可以储存更多的热量，因此热管可以更加充分的利用干热源6的热量，而且因为设置蓄热器，蓄热器与热源6接触面积更大，而且可以大大的减小热管和热源6之间的接触热阻，安装方便，吸热效果要远好于热管单独的放置在热源6中。因此通过设置蓄热器可以大大提高热管的吸热效率。通过实验发现，通过设置蓄热器，可以提高15-20％的加热效率，可以进一步节约能源。

作为优选，所述热源为干热岩层的地热能，所述冷源是水，热管用于页岩气的开采中加热水产生蒸汽，将蒸汽引入页岩层来进行页岩气的开采。

作为优选，所述蓄热器4的横截面为方形结构，所述蓄热器4的横截面积大于冷源所在的容器9的横截面积。通过蓄热器4的横截面积大于冷源所在的容器9的横截面积，可以进一步的增加蓄热器与热源6的换热面积，而且可以储存更多的热量，进一步满足加热的要求。

作为优选，所述蓄热器4和容器9的横截面积是正方形结构。蓄热器4的边长大于容器9的边长。

作为优选，所述蓄热器4的横截面积是容器9横截面积的10-26倍，优选是18倍。

作为优选，从蓄热器4的中心向蓄热器的外壁的方向，蓄热器4中的蓄热材料的蓄热能力逐渐变弱。

采取蓄热材料的蓄热能力的逐渐变化，可以进一步提高蓄热能力，能够实现竖直管3的均匀加热。因为越到蓄热器外壁，则因为和热源直接接触，因此此处的温度最高，蓄热材料可以直接被加热，在蓄热材料被充分蓄热后，热量会向蓄热器的内部传递。通过蓄热器蓄热材料的蓄热能力的变化，可以保证外部蓄热材料达到蓄热饱和后，会立刻将热量向内部传递，保证内部也存储热量。这样，竖直管3在蓄热器中的不同位置都能充分吸热，避免有的热管过热，有的热管吸热不够，保证整体热管的吸热均匀，避免部分过热蒸汽损坏，造成产品的维护困难。通过这样设置，可以是热管整体的使用寿命达到相同。同时使得冷源也整体加热均匀。

作为优选，从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向，蓄热材料的蓄热能力逐渐减弱的幅度逐渐增加。通过实验和数值模拟发现，采取这种设置，可以进一步提高热管的吸热均匀度。

作为优选，从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向，连通管8数量不断增加。此目的是为了设置更多的连通管，因为越靠近蓄热器4的外壁方向，蓄热量最多，流体受热也多，竖直管3内的蒸汽压力也越大，因此通过上述设置，能够保证在流体受热过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向，连通管8数量不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体受热过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向，连通管8的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为越靠近蓄热器4的外壁方向，蓄热量最多，流体受热也多，竖直管3内的蒸汽压力也越大，因此通过上述设置，能够保证在流体受热过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向，连通管8的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

在蓄热器内装满了蓄热用石蜡。石蜡类相变蓄热材料具有相变潜热高、几乎没有过冷现象、融化时蒸汽压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、没有相分离和腐蚀性，以及价格低等优点，成为蓄热材料的首选。石蜡内嵌竖直管3。竖直管3吸收来自蓄热器内石蜡的热量，在顶端竖直部分放热，实现对冷源的加热。

通过数值模拟和实验发现，竖直管3之间的距离，包括同一排的距离和相邻排之间的距离不能过小，过小会导致热管分布过多，导致每根热管的吸热量不足，过大会导致热管分布太少，导致热管过热，因此本申请通过大量的数值模拟和实验，总结出来热管竖直管3分布的最优化的分布，使得热管既不能吸热量不足，又不能吸热量过大。

如图6所示，竖直管3的外径为d，同一排的相邻的竖直管3圆心之间的距离为L，竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管3圆心构成等腰三角形的顶角为A，则满足下面要求：

Sin(A)＝a-b*Ln(d/L),其中Ln是对数函数，a,b是参数，满足如下要求：

0.095<a<0.105,0.29<b<0.31；

进一步优选，所述a＝0.1016,b＝0.3043。

作为优选，随着d/L的逐渐变小，a越来越大,b越来越大。

作为优选，15°<A<80°。

进一步优选，20°<A<40°。

0.1<d/L<0.7，进一步优选，0.2<d/L<0.5。

上述经验公式是通过大量数值模拟和实验得到，通过上述关系式得到的结构，能够实现最优化的热管结构，而且经过试验验证，误差基本上在3％以内。

热管的吸热能力900－1100W，进一步优选为1000W；

热源的温度100－120摄氏度，进一步优选为110℃。

图2所示的热管水平部分优选为正方形，边长为400－600毫米，进一步优选为500毫米。

竖直管3外径d为9－12毫米，进一步优选为11mm。

作为优选，如图4所示，所述系统中包括了两个热管，所述两个热管的水平部分2分别朝向相对的方向延伸.通过设置两个对称的热管，可以在不同方向上吸热，满足换热的需求。

作为优选，如图5所示，互相靠近的两个热管的竖直管3之间设置连通管7。通过设置连通管，可以避免热管之间受热不均匀，实现热管之间的压力均衡，避免不同热管之间的受热不均匀导致的缺陷。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，相邻连通管7之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的连通管，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，相邻连通管7之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，连通管7的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直管3下部向竖直管3上部，连通管7的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

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 (10)

1.一种拓展蒸发端面积的热管蓄热换热器，包括重力热管，所述热管包括蒸发端和冷凝端，其特征在于，所述蒸发端设置在蓄热器中，所述蓄热器设置在热源中，所述冷凝端设置在冷源的容器中，所述蓄热器的横截面积大于冷源所在的容器的横截面积。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述热源是地热能。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述蓄热器中蓄热材料的熔点是60-80摄氏度。

4.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述蓄热器中的蓄热材料是石蜡。

5.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述蓄热器的横截面积是容器横截面积的10-26倍。

6.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述热管包括竖直部分、水平部分和竖直管，其中竖直部分的底端连通水平部分，所述水平部分从竖直部分的底端向着远离竖直部分的方向延伸，所述水平部分下部连通多个竖直管，其中竖直管是热管的蒸发端，竖直部分是热管的冷凝端。

7.如权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述的竖直管为多排，其中相邻两排为错列布置。

8.如权利要求7所述的换热器，其特征在于，竖直管的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形，所述竖直管的圆心位于等腰三角形顶角的点的位置。

9.如权利要求8所述的换热器，其特征在于，竖直管的外径为d，同一排的相邻的竖直管圆心之间的距离为L，竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形的顶角为A，则满足下面要求：

Sin(A)＝a-b*Ln(d/L),其中Ln是对数函数，a,b是参数，满足如下要求：

0.095<a<0.105,0.29<b<0.31；0.1<d/L<0.7。

10.如权利要求9所述的换热器，其特征在于，随着d/L的逐渐变小，a越来越大,b越来越大。