CN109506506A - 一种直径优化的热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热管，包括下集管、上集管、换热管束和回流管，所述换热管束与下集管和上集管相连通，所述下集管是蒸发端，所述冷凝端包括上集管，所述流体在下集管内吸热蒸发，在上集管内冷凝，冷凝的流体通过回流管回到下集管；回流管连接下集管和上集管的两侧端部的位置，所述下集管中设置电加热装置；距离上管箱中心的距离为L，换热管4的直径为R，则R＝T（L），表示R为L的函数，则满足如下要求：T’（L）>0，其中T’（L）为T（L）的一阶导数。本发明通过上述的优选设置，可以进一步提高换热效率，增加换热的均匀性。通过实验发现，通过上述设置可以提高10％左右的换热效率。

Description

一种直径优化的热管

技术领域

本发明属于热管领域，尤其涉及一种盘管热管。

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。

现有技术中的热管在换热过程中都是静止状态，仅仅依靠热管冷凝端的散热，许多发明的改进也仅仅是冷凝端的强化传热的结构的改进。另一方面，现有技术中没有对热管的不同位置采用不同的加热功率，造成热管的效率低下。

针对上述问题，本发明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，包括下集管、上集管、换热管束和回流管，所述换热管束与下集管和上集管相连通，所述下集管是蒸发端，所述冷凝端包括上集管，所述流体在下集管内吸热蒸发，在上集管内冷凝，冷凝的流体通过回流管回到下集管；回流管连接下集管和上集管的两侧端部的位置，所述下集管中设置电加热装置；所述电加热装置从下集管的中部向下集管的两端，发热功率不断的减少。

作为优选，从下集管的中部向下集管的两端，电加热装置的发热功率不断的减少的幅度越来越大。

作为优选，所述电加热装置为电加热棒。

作为优选，所述电加热装置位于下集管的中部位置和底部之间的位置。

作为优选，所述换热管束为盘管，每个盘管包括圆弧形的多根换热管，相邻换热管的端部连通，使多根换热管形成串联结构，并且使得换热管的端部形成换热管自由端

作为优选，所述电加热装置的中心线与下集管的中心线的距离是下集管的管内半径的1/4-1/3。

作为优选，多根圆弧形的换热管的中心线为同心圆的圆弧。

作为优选，所述同心圆是以上集管的横截面的中心为圆心的圆。

作为优选，所述盘管为多个，所述多个盘管为并联结构。

作为优选，下集管的内径为R1，上集管的内径为R2，换热管的外径为D，相邻换热管的中心线的距离是L，满足如下关系：

10*（R1/R2）=a-b*Ln(5*D/L)，其中Ln是对数函数，a,b是系数，

其中17.03<a<18.12,9.15<b<10.11；

55mm<R1<100mm；95mm<R2<145mm；

25mm<D<80mm；40mm<L<120mm；

0.45<R1/R2<0.88；

0.5<D/L<0.7。

作为优选，a=17.54,b=9.68。

作为优选，回流管连接下集管和上集管的两侧端部的位置。

作为优选，所述下集管的管径小于上集管的管径。

作为优选，下集管的内径为R1，上集管的内径为R2，则0.45<R1/R2<0.88。

作为优选，所述盘管为多个，所述多个盘管为并联结构。

作为优选，随着距离下集管的中心越远，相邻换热管之间的距离越来越大。

与现有技术相比较，本发明的板式换热器及其换热管壁具有如下的优点：

1）通过设置从下集管的中部向下集管的两端的加热功率的变化，进一步的提高了加热效率，提高了热管的换热效率。

2）通过设置控制装置，使得热管的使用过程中能够更加满足实际需要，使用者可以根据需要控制热管的应用温度，避免了传统热管的无法很好的进行温度控制而产生的过热或者过冷现象，进一步实现了热管设备的自动化及其应用领域的广泛性。

3）本发明提供了一种新式的电热热管，通过在热管中设置电加热装置，利用电能来进行换热，避免传统热管的应用范围的单一及其热源的限制，使得热管的应用领域更加广泛，能够达到环保节能的目的，提高了热管的利用效率。

4）本发明首次提出了盘管式的热管结构，并且，通过设置盘管，换热流体受热后会产生体积膨胀，诱导盘管自由端产生振动。从而使得周围流体形成进一步扰流，进一步强化传热。

5）本发明对盘管换热管的管径大小以及管间距距离下集管的中心线的距离变化的设置，进一步提高了热管的换热效果。

6）本发明通过大量的试验，优化了热管的参数的最佳关系，从而进一步提高换热效率。

附图说明

图1为热管装置正面示意图。

图2是图1中的A-A截面视图。

图3是图2结构的尺寸示意图。

图4是图1的设置电加热装置的结构示意图。

图5是图4中的进行优化的结构示意图。

图6是抛物线截面形状的电加热装置的结构示意图。

图中：1、下集管，2、上集管，3、盘管，4、换热管，5、回流管，6、自由端，7、自由端，8、电加热装置，9抽真空装置，10电源。

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。

本发明的一个目的是提供一个电加热的热管，例如如图4－6所示。

一种热管，包括下集管1、上集管2、换热管束和回流管5，所述换热管束与下集管1和上集管2相连通，所述下集管1是蒸发端，所述冷凝端包括上集管2，所述流体在下集管1内吸热蒸发，在上集管2内冷凝，冷凝的流体通过回流管回到下集管1；回流管连接下集管1和上集管2的两侧端部的位置，所述下集管1中设置电加热装置8；所述热管还包括温度控制系统，所述温度控制系统用于控制热管内的蒸汽温度。

热管的下集管1、上集管2和换热管束组成了流体流通的通道。上集管2上设置了抽真空管9，真空泵通过抽真空口管9，将下集管1、上集管2和换热管束的内腔抽成真空，然后通过抽真空管9灌入适量的传热流体，传热流体最后流入到下集管1中。待传热流体的注入量达到标准容量后，再将抽真空管9进行密封。

作为优选，所述下集管1中设置电加热装置8，使用电热加装置8来加热下集管1中的流体。所述流体在下集管1内吸收电热蒸发，经过盘管3的至少一部分和上集管2进行换热后，在上集管2内冷凝，冷凝的流体通过回流管5回到下集管1。

作为优选，电加热装置8横截面优选为圆形。

作为优选，电加热装置8是电加热棒。

作为优选，所述电加热装置8位于下集管1的中部位置以下，即所述电加热装置位于下集管的中部位置和底部之间的位置。

作为优选，所述电加热装置8的中心线与下集管的中心线的距离是下集管1的管内半径的1/4-1/3。

通过实验发现，此位置能够达到加热效果的最优，从而达到换热效果的最优。

作为优选，所述热管还包括温度控制系统，所述温度控制系统用于控制热管内的蒸汽温度。所述换热管束内设置温度传感器，用于测量盘管内生成的蒸汽的温度。加热棒通电加热，受热后流体在真空状态下迅速雾化，充满于各换热管束、上集管2、下集管1。当温度传感器测量的温度达到预定的第一温度，温度控制器控制加热装置停止加热，当温度传感器测量的温度低于预定的第二温度，温度控制器控制加热棒进行加热。

作为优选，所述第一温度和第二温度相同。

作为优选，第一温度高于第二温度5－20摄氏度。优选为8－13摄氏度。

作为优选，所述电加热装置8从下集管1的中部（例如图5中的M位置）向下集管的两端（例如图5中的E、F位置），发热功率不断的减少。即电热装置8中部位置发热功率最高，两端的发热功率最低。

作为优选，从下集管1的中部向下集管的两端，电加热装置的发热功率不断的减少的幅度越来越大。

通过上述的优化的设计，可以进一步提高换热效率。通过实验发现，通过上述设置可以提高换热效率。

作为优选，所述电加热装置8分为多段，从下集管1的中部（例如图5中的M位置）向下集管的两端（例如图5中的E、F位置），所述不同段的电加热装置的发热功率不断的减少。即电热装置8中部位置发热功率最高，两端的发热功率最低。

作为优选，从下集管1的中部向下集管1的两端，不同段的电加热装置的发热功率不断的减少的幅度越来越大。

通过上述的优化的设计，一方面便于加工，可以进一步提高换热效率。通过实验发现，通过上述设置可以提高15％左右的换热效率。

图5展示了电加热装置8分为多段的结构。

所述电加热装置采用电阻加热的方式。

作为优选，所述电加热装置为棒状电阻。作为优选，数量为一个或者多个。

作为优选，所述电加热装置为电阻丝。作为优选，数量为一个或者多个。

作为优选，所述电加热装置（作为优选一个或者多个棒状电阻或者一个或者多个电阻丝）从下集管1的中部向下集管的两端，电加热装置的外径越来越大，即电加热装置越来越粗。即电热装置中部位置最细，两端的最粗。例如如图5、6所示，通过上述的优化设置，达到电加热装置不同位置的发热功率不同，从而提高电加热的效率。

作为优选，从下集管1的中部向下集管的两端，电加热装置外径变大的幅度越来越大。

通过采用外径变化，使得中间的电阻最大，发热率最大，使得流体蒸发，向两端开始发热率逐渐降低，冷流体从两端流下，从而提高热管的换热效率。

通过实验发现，通过上述的优化设置，使得电加热的利用效率最高，使得热管达到最佳的电热利用效率，能够提高10％左右的热利用率。

作为优选，电加热装置的外部形状为抛物线的形状，如图6所示。

作为优选，流体是水。

进一步优选，所述换热管束是盘管，具体设置盘管的热管的描述如下：

如附图1所示，所述热管，包括下集管1、上集管2、盘管3和回流管5，所述盘管3与下集管1和上集管2相连通，所述下集管1是蒸发端，所述冷凝端包括上集管2以及盘管3的至少一部分，所述流体在下集管1内吸热蒸发，经过盘管3的至少一部分和上集管2进行换热后，在上集管2内冷凝，冷凝的流体通过回流管5回到下集管1。

作为优选，盘管3为一个或者多个，例如，图1展示了多个盘管3。

如图1所示，上集管2位于下集管1的上部。

如图2所示，每个盘管3包括圆弧形的多根换热管4，相邻换热管4的端部连通，使多根换热管4形成串联结构，并且使得换热管4的端部形成换热管自由端6、7。

热管在进行工作时，通过上集管2以及盘管3与其他流体进行换热。其他流体可以仅仅与盘管3的一部分进行换热，例如图2中的与下集管1连接的盘管3的部分不参与换热。

作为优选，不参与换热的部分是绝热端。即此时热管包括蒸发端、冷凝端和绝热端，其中蒸发端是下集管1，绝热端是与下集管1连接的盘管3的一部分，其余部分是冷凝端。

作为优选，仅仅将下集管1作为蒸发端，上集管2和盘管作为冷凝端，没有绝热端。

本发明提供了一种新的结构的热管，通过设置盘管，换热流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导盘管1自由端6、7产生振动，换热管自由端6、7在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。

通过实验发现，相对于现有技术的一直处于静置状态的热管，换热效率提高25－35％。

作为优选，所述下集管1、上集管2以及盘管3都是圆管结构。

作为优选，回流管5连接下集管1和上集管2的两侧端部的位置。这样保证流体在上集管2内的流动路径长，能够进一步增加换热时间，提高换热效率。

作为优选，换热管4是弹性换热管。将换热管4设置弹性换热管，可以进一步增加自由端的扰流，可以进一步提高换热系数。

作为优选，多根圆弧形的换热管4的中心线为同心圆的圆弧。

作为优选，所述同心圆是以上集管2的中心为圆心的圆。即盘管3的换热管4围绕着上集管2的中心线布置。

如图2所示，换热管4不是一个完整的圆，而是留出一个口部，从而形成换热管的自由端。所述口部的圆弧所在的角度为70－120度，即图3夹角b和c之和是70－120度。

作为优选，所述下集管1的管径小于上集管2的管径。

下集管的内径为R1，上集管的内径为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，提高8－15％的换热效率。

作为优选，随着距离上集管2的中心越远，相邻换热管4之间的距离越来越大。例如如图2所示，沿着上集管2的中心为圆心的径向方向，换热管BC之间的距离大于AB之间的距离，换热管CD之间的距离大于BC之间的距离。

作为优选，相邻换热管4之间的距离越来越大的幅度不断的增加。

通过上述的优选设置，可以进一步提高换热效率，增加换热的热量分布的均匀性。通过实验发现，通过上述设置可以提高8－12％的换热效率。

作为优选，随着距离上集管2的中心越远，换热管4的直径越来越大。距离上管箱2中心的距离为L，换热管4的直径为R，则R＝T（L），表示R为L的函数，则满足如下要求：T’（L）>0，其中T’（L）为T（L）的一阶导数。

作为优选，换热管4的直径越来越大的幅度不断的增加。满足如下要求：T”（L）>0，其中T”（L）为T（L）的二阶导数。

通过上述的优选设置，可以进一步提高换热效率，增加换热的均匀性。通过实验发现，通过上述设置可以提高10％左右的换热效率。

作为优选，如图1所示，所述盘管4为多个，所述多个盘管4为并联结构。

在试验中发现，下集管1、上集管2以及换热管4之间的距离关系可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果换热管4之间距离过大，则换热效率太差，换热管4之间的距离太小，则换热管4分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端6、7的振动会产生影响，从而影响换热。因此下集管1、上集管2的管径的大小与换热管4之间的距离具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

下集管的内径为R1，上集管的内径为R2，换热管的外径为D，相邻换热管的中心线的距离是L，满足如下关系：

10*（R1/R2）=a-b*Ln(5*D/L)，其中Ln是对数函数，a,b是系数，

其中17.03<a<18.12,9.15<b<10.11；

55mm<R1<100mm；95mm<R2<145mm；

25mm<D<80mm；40mm<L<120mm；

0.45<R1/R2<0.88；优选为0.5-0.8，进一步优选为0.59<R1/R2<0.71；

0.5<D/L<0.7；优选0.58<D/L<0.66。

作为优选，17.32<a<17.72,9.45<b<9.91；

进一步优选，a=17.54,b=9.68。

作为优选，换热管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，随着R1/R2的增加，a的数值不断的增加，b的数值不断的减小。通过这种变化，使得热管的结构参数更加优化合理，计算的数据更加准确。

下集管1和上集管2中心线的距离为320－380mm；优选为340－360mm。

作为优选，换热管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

如果相邻的换热管的直径不同，换热管的直径D取值为相邻的换热管直径的平均值。

进一步优选，同一盘管换热管4的中心线位于同一平面上。作为优选，所述平面垂至于下集管1和上集管2的中心线形成的平面。作为优选，不同盘管换热管4的中心线形成的平面互相平行。

进一步优选，相邻盘管3之间的距离为盘管换热管4外部直径的2.8-3.6倍。相邻盘管3之间的距离是以盘管换热管4的中心线所在的平面之间的距离来计算的。

进一步优选，如果盘管换热管直径不同，则取同一盘管的换热管的直径的平均值来作为盘管的平均直径。例如图2所示取换热管A－D的平均值。然后相邻的两个盘管3的直径平均值来计算相邻盘管的距离。

作为优选，换热管在同一侧的自由端6、7的端部对齐，在同一个平面上，端部的延长线（或者端部所在的平面）经过下集管1的中线，如图3所示。

作为优选，如图2所示，盘管3的内侧换热管的第一端与上集管2连接，第二端与相邻的外侧换热管一端连接，盘管3的最外侧换热管的一端与下集管1连接，相邻的换热管的端部连通，从而形成一个串联的结构。

作为优选，下集管1和上集管2的中心的连线所在的平面为竖直方向。

如图3所示，第一端6所在的平面与下集管1和上集管2中心线所在的平面形成的夹角c为40－65度。

第二端7所在的平面与下集管1和上集管2中心线所在的平面形成的夹角b为55－65度。

通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得换热效率达到最优。

如图2所示，盘管的换热管4为4个，换热管A、B、C、D联通。当然，不局限于四个，可以根据需要设置多个，具体连接结构与图2相同。

所述盘管3为多个，多个浮动盘管1分别独立连接下集管1和上集管2，即多个浮动盘管1为并联结构。

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 (2)

1.一种热管，包括下集管、上集管、换热管束和回流管，所述换热管束与下集管和上集管相连通，所述下集管是蒸发端，所述冷凝端包括上集管，所述流体在下集管内吸热蒸发，在上集管内冷凝，冷凝的流体通过回流管回到下集管；回流管连接下集管和上集管的两侧端部的位置，所述下集管中设置电加热装置；距离上管箱中心的距离为L，换热管4的直径为R，则R＝T（L），表示R为L的函数，则满足如下要求：T’（L）>0，其中T’（L）为T（L）的一阶导数。

2.如权利要求1所述的热管，满足如下要求：T”（L）>0，其中T”（L）为T（L）的二阶导数。