CN108827047B

CN108827047B - 一种环路热管

Info

Publication number: CN108827047B
Application number: CN201810489936.3A
Authority: CN
Inventors: 郭春生; 陈子昂; 高军; 宁淑荣; 孙蛟; 年显勃
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: CN108827046A; CN107144161A; CN108827045B; CN108827046B; CN108827045A; CN108827047A; CN107144161B

Abstract

本发明提供了一种热管，包括蒸发集管、冷凝集管、上升管和回流管，所述上升管内设置分隔装置，所述上升管内设置分隔装置，所述上升管内部设置凹槽，所述分隔装置的外壳设置在凹槽内。本发明通过这种方式使得设置分隔装置的上升管的制造简单，成本降低。

Description

一种环路热管

技术领域

本发明属于热管领域，尤其涉及一种换热热管。

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。

一方面，热管在蒸发过程中，不可避免的会携带液体到上升管内，同时因为冷凝端的放热冷凝，从而使得冷凝端中存在液体，液体也不可避免的进入上升管，从而使得上升管内的流体是汽液混合物，同时热管在运行过程中会因为老化产生的不凝气体，不凝气体一般上升到热管上部的冷凝端，不凝气体的的存在导致热管冷凝端内的压力增加，压力使得液体向上升管内流动。大大的影响了换热的效率。

另一方面，从上升管出口到冷凝集管这一段，因为这一段的空间突然变大，空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的汽相(汽团)从上升管位置进入冷凝集管，由于气(汽)液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成撞击现象。气(汽)液相越不连续，气团聚集越大，撞击能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。

本发明人在前面申请中也设计了一种多管式分隔装置，参见图6所示。但是此种装置在运行中发现，因为管子之间是紧密结合在一起，因此三根管子之间形成的空间A相对较小，因为空间A是三根管子的凸弧形成，因此空间A的大部分区域狭窄，会造成流体难于进入通过，造成流体短路，从而影响了流体的换热，无法起到很好的稳流作用。同时因为上述结构的多根管子组合在一起，制造困难。

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，从而解决热管换热的情况下的换热系数低及其换热不均匀的问题。

发明内容

本发明提供了一种新的热管，从而解决前面出现的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种热管，包括蒸发集管、冷凝集管、上升管和回流管，所述上升管与蒸发集管和冷凝集管相连通，所述蒸发集管位于下部，所述冷凝集管位于上部，所述流体在蒸发集管内吸热蒸发，经过上升管进入冷凝集管，在冷凝集管内进行换热后冷凝，冷凝的流体通过回流管回到蒸发集管；所述上升管内设置分隔装置，同一根上升管内设置多个分隔装置，沿着上升管的高度方向，相邻分隔装置之间的间距不断减小。

作为优选，沿着上升管的高度方向，相邻分隔装置之间的间距不断减小的幅度越来越大。

作为优选，所述上升管内设置分隔装置，所述分隔装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括多个同心管和肋片，所述肋片连接相邻的同心管。

作为优选，所述同心管和肋片上设置连通孔。

作为优选，所述肋片的延长线穿过同心管的圆心

作为优选，上升管内设置多个分隔装置，距离上升管入口的高度为H，相邻分隔装置之间的距离为S，S＝F₁(H)，满足如下要求：

S’<0,S”>0。

作为优选，上升管内设置多个分隔装置，距离上升管入口的高度为H，分隔装置的长度为C，C＝F₂(H)，满足如下要求：

C’>0,C”>0。

作为优选，上升管内设置多个分隔装置，距离上升管入口的高度为H，分隔装置的环孔直径为D，D＝F₃(H)，满足如下要求：

D’<0,D”>0。

作为优选，所述上升管内壁设置凹槽，所述分隔装置的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与上升管的内壁对齐。

作为优选，上升管为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分隔装置。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离为S，分隔装置的长度为C，换热管的外径为W，相邻同心管的半径分别为R₂和R₁，其中R₂>R₁，相邻的肋片之间的圆弧的弧度为h，满足如下要求：

S/C＝a-b*LN(W/E)；

E＝((h*R₂ ²-h*R₁ ²)/2)^1/2；

其中LN是对数函数，a,b是参数，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；

其中分隔装置的间距是以相邻分隔装置相对的两端之间的距离；

34<W<58mm；

19<C<27mm；

50<S<70mm。

作为优选，a＝5.42，b＝1.72。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明通过分隔装置的间距变化，在上升管内存在汽液两相流动时，强化传热，同时减弱上升管的振动，降低噪声水平。

2)本发明提供了一种新式结构的分隔装置，相对于通过分隔装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于多管式分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

3)本发明通过设置环形分隔装置，相当于在上升管内增加了内面积，强化了换热，提高了换热效果。

4)本发明因为将汽液两相在上升管的整个横截面位置上进行了分割，避免了仅仅上升管内壁面进行分割，从而在整个上升管截面上实现扩大汽液界面以及汽相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动，降低了噪音和震动，强化了传热。

5)本发明通过在上升管高度方向上设置相邻分隔装置之间的距离、分隔装置的长度、环孔的外径等参数大小的规律变化，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

6)本发明通过对环形分隔装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现减振降噪的效果的最佳关系式。

附图说明

图1是本发明的热管结构示意图；

图2本发明分隔装置横截面结构示意图；

图3是本发明分隔装置在上升管内布置示意图；

图4是是本发明分隔装置在上升管内布置的另一个示意图。

图5是是本发明分隔装置在上升管内布置横截面示意图。

图6是是本发明分隔装置在上升管内布置弧度尺寸示意图。

图7是背景技术中的两相流管壳式换热器的结构示意图。

图中：1、蒸发集管，2、冷凝集管，3、上升管，4、分隔装置，41分隔装置外壳，42环孔，43肋片，44同心管，5、回流管

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。

如图1所示的一种热管，包括蒸发集管1、冷凝集管2、上升管3和回流管5，所述上升管3与蒸发集管1和冷凝集管2相连通，所述蒸发集管1位于下部，所述冷凝集管2位于上部，所述流体在蒸发集管1内吸热蒸发，经过上升管3进入冷凝集管2，在冷凝集管2内进行换热后冷凝，冷凝的流体通过回流管5回到蒸发集管1。

如图4-5所示，在上升管3内设置环形分隔装置4。所述环形分隔装置4的结构见图3。如图3所示，所述分隔装置4包括芯体和外壳41，所述芯体设置在外壳41中，所述外壳与上升管内壁连接固定，所述芯体包括多个同心管44和肋片43，所述肋片43连接相邻的同心管44。相邻的肋片43及其肋片43连接的同心管44之间限定形成环孔42。

本发明在换热管内设置环形分隔装置，通过分隔装置将两相流体中的液相和气相进行分离，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。相对于多管式分隔装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

本发明通过设置环形分隔装置，相当于在换热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将气液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个换热管截面上实现气液界面以及气相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

作为优选，作为优选，所述同心管44和/或肋片43上设置连通孔。

相邻环孔之间设置连通孔，通过连通孔实现环孔42之间的连通。

通过设置连通孔，可以保证相邻的环孔之间互相连通，能够均匀环孔之间的压力，使得高压流道的流体流向低压，同时也可以在流体流动的同时进一步分隔液相和气相，有利于进一步稳定两相流动。

作为优选，所述肋片的延长线穿过同心管的圆心。

作为优选，冷凝集管2内通入换热管道，所述换热管道中的流体和冷凝集管2内的蒸汽进行换热。

作为优选，上升管3和蒸发集管1都是吸热部。

作为优选，沿着上升管3内流体的流动方向(即图2的高度方向)，上升管3内设置多个分隔装置4，从上升管的入口到上升管的出口，相邻分隔装置之间的距离越来越短。设距离上升管入口的距离为H，相邻分隔装置之间的距离为S，S＝F₁(H)，即S是以高度H为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’<0；

主要原因是因为上升管内的汽体在上升过程中会携带者液体，在上升过程中，上升管不断的受热，导致气液两相流中的汽体越来越多，因为汽液两相流中的汽相越来越多，上升管内的换热能力会随着汽相增多而相对减弱，震动及其噪音也会随着汽相增加而不断的增加。因此需要设置的相邻分隔装置之间的距离越来越短。

此外，从上升管出口到冷凝集管这一段，因为这一段的空间突然变大，空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的汽相(汽团)从上升管位置进入冷凝集管，由于气(汽)液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成撞击现象。气(汽)液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的相邻分隔装置之间的距离越来越短，从而不断的在流体输送过程中分隔气相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以提高换热效果。

进一步优选，从上升管3的入口到上升管3的出口，相邻分隔装置之间的距离越来越短的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0；

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低9％左右的震动和噪音，同时提高7％左右的换热效果。

作为优选，每个分隔装置4的长度保持不变。

作为优选，除了相邻的分隔装置4之间的距离外，分隔装置其它的参数(例如长度、管径等)保持不变。

作为优选，沿着上升管3的高度方向，上升管3内设置多个分隔装置4，从上升管3的入口到上升管3的出口，分隔装置4的长度越来越长。即分隔装置的长度为C，C＝F₂(X)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

C’>0；

进一步优选，从上升管的入口到上升管的出口，分隔装置的长度越来越长的幅度不断增加。即C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0；

具体理由如相邻分隔装置之间的距离的变化相同。

作为优选，相邻分隔装置之间的距离保持不变。

作为优选，除了分隔装置的长度外，分隔装置其它的参数(例如相邻的间距、管径等)保持不变。

作为优选，沿着上升管3的高度方向，上升管3内设置多个分隔装置，从上升管3的入口到上升管3的出口，不同分隔装置4内的环孔41的水力直径越来越小。即分隔装置的环孔水力直径为D，D＝F₃(X)，D’是D的一次导数，满足如下要求：

D’<0；

作为优选，从上升管的入口到上升管的出口，分隔装置的环孔水力直径越来越小的幅度不断增加。即

D”是D的二次导数，满足如下要求：

D”>0。

具体理由如相邻分隔装置之间的距离的变化相同。

作为优选，分隔装置的长度和相邻分隔装置的距离保持不变。

作为优选，除了分隔装置的环孔水力直径外，分隔装置其它的参数(例如长度、相邻分隔装置之间的距离等)保持不变。

进一步优选，如图3所示，所述上升管3内部设置凹槽，所述分隔装置4的外壳42设置在凹槽内。

作为优选，外壳42的内壁与上升管3的内壁对齐。通过对齐，使得上升管内壁面表面上达到在同一个平面上，保证表面的光滑。

作为优选，外壳42的厚度小于凹槽的深度，这样可以使得上升管内壁面形成凹槽，从而进行强化传热。

进一步优选，如图4所示，上升管3为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分隔装置4。这种方式使得设置分隔装置的上升管的制造简单，成本降低。

通过分析以及实验得知，分隔装置之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，环孔的外径也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力(总承压为2.5Mpa以下，或者单根上升管的沿程阻力小于等于5Pa/M)的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，作为优选，相邻分隔装置之间的距离为S，分隔装置的长度为C，换热管的外径为W，相邻同心管的半径分别为R₂和R₁，其中R₂>R₁，相邻的肋片之间的圆弧的弧度为h，满足如下要求：

S/C＝a-b*LN(W/E)；

E＝((h*R₂ ²-h*R₁ ²)/2)^1/2；

其中LN是对数函数，a,b是参数，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；

34<W<58mm；

19<C<27mm；

50<S<70mm。

作为优选，5.3<a<5.6,1.5<b<1.8；

作为优选，a＝5.42，b＝1.72。

其中分隔装置的间距S是以相邻分隔装置相对的两端之间的距离；即前面分隔装置的尾端与后面分隔装置的前端之间的距离。具体参见图4的标识。

上面的公式中实际上将外壳41视为最外层的同心管来一起参与计算。

弧度h是以肋片43的中间线限定的弧度，参见图6；同心管的半径分别为R₂和R₁是以同心管的内径和外径的平均值来计算的。

作为优选，上升管长度L为3000－5500mm之间。进一步优选，3500－4500mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

进一步优选，随着W/R的增加，a不断减小，b不断的增加。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

作为优选，热管内流体是水。

作为优选，环孔42在分隔装置4的整个长度方向延伸。即环孔42的长度等于分隔装置4的长度。

作为优选，所述蒸发集管1的管径小于冷凝集管2的管径。

蒸发集管的内径为R1，冷凝集管的内径为R2，作为优选则0.45<R1/R2<0.88。

通过上述设置，可以进一步强化传热，能够提高7％以上的换热效率。

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

1.一种环路热管，包括蒸发集管、冷凝集管、上升管和回流管，所述上升管与蒸发集管和冷凝集管相连通，所述蒸发集管位于下部，所述冷凝集管位于上部，流体在蒸发集管内吸热蒸发，经过上升管进入冷凝集管，在冷凝集管内进行换热后冷凝，冷凝的流体通过回流管回到蒸发集管；

所述上升管内设置分隔装置，所述上升管内部设置凹槽，所述分隔装置设置在凹槽内；

所述分隔装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括多个同心管和肋片，所述肋片连接相邻的同心管。