CN109631640B

CN109631640B - 一种加热熏洗药液重力热管的设计方法

Info

Publication number: CN109631640B
Application number: CN201910086117.9A
Authority: CN
Inventors: 刘艳; 张丽荣; 赵炜
Original assignee: Qingdao Baiteng Technology Co Ltd
Current assignee: MUYANG XINKEDA QUARTZ PRODUCTS Co.,Ltd.
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: CN109631640A

Abstract

本发明提供了一种重力热管的设计方法，包括蒸发部、冷凝部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，进入冷凝部放热，然后通过重力回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，根据尺寸关系对重力热管进行了优化设计。本发明设计了新式重力热管的设计方法，确定了加热部件的各个尺寸的最优关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

Description

一种加热熏洗药液重力热管的设计方法

技术领域

本发明涉及一种重力热管，尤其是涉及一种电加热的重力热管。

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。

现有技术中热管可以采用多种热管，包括太阳能、烟气余热或者其它的热能，也可以采用电能。但是采用电能的情况下，一般单独采用在蒸发部内简单的设置电加热部件，但是此种情况下电加热效率较低，现有技术并没有采取具体的结构或者改进措施进一步提高加热效率。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的重力热管，从而解决重力热管加热的情况下的存在的加热效率低的问题。本发明在管内设置加热加热部件，通过设置加热部件的距离的变化，使得流体在加热管内充分进行加热，提高了换热效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种新式结构的重力热管，通过该种结构重力热管，能够实现重力热管加热的情况下的存在的加热效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种重力热管的设计方法，所述重力热管包括蒸发部、冷凝部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，进入冷凝部放热，然后通过重力回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，所述重力热管采取如下方法设计：

相邻加热部件之间的距离为S1，正四边形的边长为K2，加热部件为正四边形截面，加热部件正四边形截面的边长为B2，满足如下要求：

S1/B2＝a-b*(10*K2/B2)；

其中a,b是参数，其中0.735<a<0.740,2.67<b<2.68；

180<B2<360mm；

12<K2<45mm；

45<S1<170mm。

作为优选， a=0.734,b=2.675;

作为优选，随着K2/B2的增加，a越来越大，b越来越小。

一种重力热管的优化方法，所述重力热管包括蒸发部、冷凝部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，进入冷凝部放热，然后通过重力回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，优化方法如下：所述第一层的每个电热元件的加热功率是P1，第二层的每个电热元件的加热功率是P2，所述的加热部件长度是K1，正四边形通道的边长为K2，则满足下面的要求：

P2/P1=a-b*LN(K1/K2)；其中a,b是参数，3.25<a<3.30,0.92<b<0.93；

1.3<P2/P1<1.8；5.0< K1/K2<8.5；120<B2<280mm；

8<K2<30mm；

单根加热管的第一层和第二层的总加热功率为M，1500W<M<3500W。

作为优选， a=3.28，b=0.923。

作为优选，1.5<P2/P1<1.7；7.0< K1/K2<7.5；

一种重力热管的优化方法，所述重力热管包括蒸发部、冷凝部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，进入冷凝部放热，然后通过重力回到蒸发部，所述蒸发部包括加热部件，其特征在于，所述加热部件在竖直方向上延伸，其特征在于，加热部件下部设置供流体进入的流体通道，所述流体通道采取如下方法进行优化：沿着高度方向，所述流体通道的分布密度越来越小。

作为优选，沿着高度方向，所述开孔的分布密度越来越小的幅度不断的增加。

一种重力热管的优化方法，所述重力热管包括蒸发部、冷凝部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，进入冷凝部放热，然后通过重力回到蒸发部，所述蒸发部设置加热管，所述加热管采取如下方法优化：沿着加热管高度方向，加热管的管径不断的变大。

作为优选，沿着加热管高度方向，加热管的管径不断的变大的幅度越来越大。

本发明具有如下优点：

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1）本发明通过数值模拟和大量实验，确定了加热部件的各个尺寸的最优关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

2)本发明设计了加热管内加热部件的沿着竖直方向（即从下向上的方向）间隔的规律分布，可以进一步的提高加热效率。

3）本发明设计了一种新式结构的加热部件的重力热管，并在重力热管的加热部件内设置电热元件，通过此种结构，能够实现快速提供热流体，而且该重力热管具有加热迅速、温度分布均匀、安全可靠的功能，提高了加热效率。

4）本发明通过设置加热管内电热元件在加热管内沿着竖直方向（即从下向上的方向）的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

5）本发明设计了加热管内不同的电热元件加热功率沿着加热管长度方向的变化，能够进一步提高装置的安全性能和加热性能。

6）本发明通过数值模拟和大量实验，确定了不同层的电加热功率的最优的比例关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率，也为此种结构的加热管的设计提供了一个最佳的参考依据。

附图说明：

图1为本发明重力热管的结构示意图；。

图2为本发明重力热管优选结构示意图。

图3是加热管（加热部件）横切面结构示意图。

图4是图3加热管内加热部件A－A截面示意图。

图5是加热管纵向切面示意图。

图6是图1改进结构示意图。

图中：1-蒸发部； 2-冷凝部；3-加热管；4-电源；5-壳体；6-间隙；

7-加热部件；71-正四边形；72-正八边形；73-边；8-开孔；9-电加热器。

具体实施方式

图1-5展示了一种重力热管。如图1所示，所述重力热管包括蒸发部1、冷凝部2，所述液体在蒸发部1吸热蒸发，进入冷凝部2放热，然后通过重力回到蒸发部1，所述蒸发部包括电加热部件7，所述加热管3设置在蒸发部内，所述加热管3为竖直方向设置（垂直于蒸发部1的底部平面设置），加热管3包括管体和设置在管体内的加热部件7，所述加热部件7在加热管3竖直方向上延伸。

作为优选，所述加热管3的横截面是正四边形。

作为优选，所述的电热元件是电阻加热器。

作为优选，加热管3外部设置保温层。

作为优选，热管内设置毛细结构。通过设置毛细结构，促进液体尽快进入蒸发部。

作为优选，液体为、氨水、甲醇、丙酮或庚烷。

作为优选，冷凝部插入箱体内，箱体内设置药剂液体，例如熏洗使用的药液。用于加热熏洗使用的药液。

作为优选，加热管3内设置多个加热部件7，沿着加热管3的高度方向上（从下往上），加热部件7之间的间距越大。设距离加热管3底端的距离为H，相邻加热部件之间的间距为S，S=Q₁(H)，即S是以距离H为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’>0;

主要原因是避免上部蒸汽加热过快导致的干涸。通过设置下部的加热功率大于上部加热功率，使得流体充分在下部进行加热，上升过程中再加热上部的流体，一方面能够保证加热的充分均匀混合，另一方面还能避免因为上部加热过大导致的上部的流体先蒸发导致的加热干涸现象。因此需要设置的相邻加热部件之间的距离越来越短。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。

进一步优选，沿着加热管3的高度方向上，相邻加热部件之间的距离越来越大的幅度不断增加。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，能够进一步保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。需要说明的是，上述规律是申请人通过大量的实验和数值模拟得到的规律，并不是本领域的公知常识或者常规手段。

作为优选，所述加热部件7为菱形通孔71和正八边形通孔72组成，所述菱形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述菱形通孔71的四个边73分别是四个不同的正八边形通孔72的边，正八边形通孔72的四个互相间隔的边73分别是四个不同的菱形通孔71的边；菱形通孔71中设置电加热器9。菱形通孔四个夹角都是90度，即此菱形为正四边形。

本发明通过设置新式加热结构的重力热管，该加热结构将电加热器均匀分布在多个正八边形通道的周围，使得流体进入正八边形通道中通过电加热器能够均匀的加热，通过此种结构，可以通过一个装置能够实现快速提供蒸汽，而且该重力热管具有加热迅速、温度分布均匀、安全可靠的功能，提高了加热效率。

作为优选，加热管3内设置多个加热部件，沿着加热管3的高度方向上，不同加热部件的每个正四边形内布置的电加热器的加热功率逐渐减小。设距离加热管3底端的距离为H，相邻加热部件的每个正四边形内布置的电加热器功率为W，S=Q₃(H)，即W是以距离H为变量的函数，W’是W的一次导数，满足如下要求：

W’<0;

进一步优选，沿着加热管3的高度方向上，相邻加热部件的每个正四边形内布置的电加热器功率变小的幅度不断增加。即W”是S的二次导数，满足如下要求：

W”>0；

作为优选，所述加热管3下部设置流体通道8，保证热管蒸发部的流体能够进入加热管3进行加热；所述加热部件7设置在流体通道8上部，通过加热管内和管外进行加热，提高加热效率。

进行工作时，加热管3设置在蒸发部1内，蒸发部1内的流体通过管体上的流体通道8进入加热管3，然后流体在正八边形通孔内，通过加热管3内的加热部件7正四边形通孔内的电加热器进行加热，同时加热管3的外部的流体也通过加热管进行加热。通过加热管内外的同时加热，提高加热效率。

作为优选，正四边形通孔上下封闭，流体无法进入。

作为优选，加热管的管体就是加热部件的外壁面。作为优选，加热管与加热部件是一体化制造。

作为优选，所述加热管3内壁设置凹槽，所述加热部件7的外壁面设置在凹槽内。通过如此设置可以进一步提高加热部件安装的牢固性。

作为优选，加热管3为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置加热部件7。通过如此设置，可以使得加工方便，节省成本。

作为优选，所述的电热元件7是电阻加热器。

作为优选，电阻加热器7填充整个正四边形通道。通过如此设置能够保证电热元件与正四边形通道的壁面接触，进一步提高加热效率。

作为优选，菱形通孔的中心距离加热部件7的中心越远，则加热管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越大。例如，图3中，第一层的加热功率小于第二层的加热功率，但是第二层的加热功率也不同，具体的是四个顶角的加热功率大于非顶角的加热功率。通过竖直模拟和实验发现，距离中心越远，则因为加热涉及的面积越大，因此需要更多的加热功率，尤其是在最外层，因为还要加热加热管外部的液体，因此需要的加热管延伸方向上单位长度的加热功率更大。本发明通过设置加热管内电热元件距离加热部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，菱形通孔的中心距离加热部件7的中心越远，则加热管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。上述的加热幅度的变化也是经过大量的数值模拟和实验得到，并非本领域的公知常识。通过上述幅度的变化，能够进一步提高加热效率和加热均匀度。

作为优选，所述加热部件7是正八边形中心加热部件，正八边形通孔位于加热部件的中心。如图3所示。

进一步优选，所述加热部件7中心为正八边形通道，所述正四边形通道为围绕加热部件的两层结构，最外层是正八边形通道，所述外管的边长为8倍的正八边形通孔的边长。

通过大量的数值模拟和实验可以得知，不同层电热元件的加热功率要求不同才能达到均匀加热的目的，正四边形边长越长，则因为需要加热的体积越大，外部空间也越大，则需要的内外层的加热功率比例就越大；而加热管延伸方向上加热部件的长度越长，则因为整体的长度上的加热面积越大，加热的分布越均匀，因此导致的内外层的加热功率比例要求越小。因此本发明通过大量的竖直模拟和实验对于每一层的加热功率及其边长、高度进行了大量的研究，得出了最佳的加热功率关系。而对于上述的图3的结构而言，最外层加热功率与最内层的加热功率的比值是满足如下要求：

作为优选，所述第一层的每个电热元件的加热功率是P1，第二层的每个电热元件的加热功率是P2，所述的加热部件长度是K1，正四边形通道的边长为K2，则满足下面的要求：

P2/P1=a-b*LN(K1/K2)；其中a,b是参数，3.25<a<3.30,0.92<b<0.93；

1.3<P2/P1<1.8；5.0< K1/K2<8.5；

作为优选，a=3.28，b=0.923。

作为优选，1.5<P2/P1<1.7；7.0< K1/K2<7.5；

120<B2<280mm；

8<K2<30mm；

第一层和第二层分别是内层和外层。

作为优选，随着K1/K2增加，a逐渐减小，b逐渐增加。通过如此设置能够进一步使得加热均匀，提高加热效率。

作为优选，所述加热管3设置在蒸发部1的中间位置。通过如此设置，保证热流体加热的均匀性。

作为优选，所述加热管3的管体的横截面积边长是蒸发部1的横截面积的0.01-0.15倍。进一步优选为0.11-0.13倍。

作为优选，流体通道8是条状缝隙。

作为优选，流体通道8是开孔。如图5所示。需要说明的是，图5中仅仅是示意图，虽然图5中仅仅显示设置的1个或者一排开孔，实际上不仅仅局限于一个或者一排，可以在相邻的电加热棒9的之间的上下位置上设置多个或者多排。

作为优选，所述开孔形状可以是圆形或者方形。

作为优选，所述开孔设置在蒸发部1流体位的50%以下。通过如此设置，能够保证流体能够及时的进入加热管3内部进行加热，同时也避免开孔设置过高导致蒸汽从开孔溢出，避免整个蒸发部内压力过大，同时也避免过高处的流体进入加热管内，造成产生的蒸汽携带的流体分太多。

作为优选，连接电加热器9的导线通过流体通道进入。

作为优选，连接电加热器9的导线穿过加热管3底部进入加热管3。

作为优选，所述加热部件7沿着竖直方向间隔设置为多个，相邻两个加热部件7之间间隔的管体上设置流体通道。本发明设计了加热管内的加热部件的竖直方向间隔分布，并且在间隔的加热管上设置流体通道，可以保证不同位置处的流体及时进入加热管进行加热，可以进一步的提高加热效率。

作为优选，沿着竖直从下往上的方向，即加热管高度方向，加热管3的管径不断的变大。主要原因如下：1）通过增加加热管3的管径，可以减少蒸汽向上流动的阻力，使得加热管3内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动，从而进一步促进蒸汽上升。2）因为随着流体的不断的流动，液体在加热管3内不断的蒸发，从而使得汽体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加管径来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。

作为优选，沿着竖直方向从下往上的方向，加热管3的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进蒸汽流动，达到压力整体均匀。

作为优选，加热管3内设置多个加热部件，沿着加热管高度方向，不同加热部件的菱形的边长越来越小。距离加热管3入口的距离为H，菱形的边长为C，C=Q₂(H)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

C’<0；

主要原因是因为菱形边长越小，则制造越困难，但是整体加热的均匀性越好。因为越到上部，应该保持流体的整体加热均匀，避免加热不均匀而导致的部分烧干，而且越到上部，因为蒸汽要通过出口出去，也越是要加强蒸汽出气以及加热的均匀性。通过上述设置，可以节省成本，而且达到最好的加热均匀以及蒸汽产出效率，同时避免烧干。

进一步优选, 沿着加热管高度方向，不同加热部件的菱形的边长越来越小的幅度不断的增加。C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0。

作为优选，相邻加热部件之间的距离保持不变。

作为优选，菱形通孔中心距离加热部件的中心越远，则竖直方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越大。

因为通过实验和数值模拟可以得知，越是向外，则需要加热的体积越大，尤其是最外侧，需要加热周边的流体和加热管内的流体。本发明通过设置加热管内电加热器距离加热部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，菱形通孔距离加热部件的中心越远，则竖直方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。通过如此规律设置，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，沿着高度方向（即从下往上方向，下文出现的沿着高度方向，如果没有特殊说明，都是指从下往上方向），所述开孔设置为多排。

通过设置多排，可以保证不同的高度位置进流体，避免单独一个位置进流体，造成加热的不均匀，同时避免进入的流体被蒸发，造成加热管内干涸。

作为优选，沿着高度方向，所述开孔的分布密度越来越小。开孔分布的密度越来越小，也就是意味着开孔分布的越来越少，开孔的面积也就越来越小。

通过大量的数值模拟及其实验研究发现，通过设置开孔分布密度越来越小，主要原因是保证大部分流体在下部加热，在流体变成蒸汽上升过程中不断的有流体进入加热管3，持续加热。如果下部进流体少，则可能造成下部流体快速汽化，造成加热管3内压力过大，造成上部的流体也因为压力原因无法进入加热管。减少了加热管的干涸，同时提高了加热效率。

进一步优选，沿着高度方向，所述开孔的分布密度越来越小的幅度不断的增加。

经过大量的实验和数值模拟，经过上述的开孔分布密度的变化，能够进一步提高加热效率，提高蒸汽的产出效率，同时能够减少加热管内的干涸。

作为优选，沿着高度方向，单个开孔的面积越来越小。进一步优选，沿着高度方向，单个开孔的面积越来越小的幅度不断的增加。具体理由参见开孔分布密度的变化。

作为优选，沿着高度方向，所述每排开孔的面积之和越来越小。作为优选，沿着高度方向，所述每排开孔的面积之和越来越小的幅度不断增加。具体理由参见开孔分布密度的变化。

作为优选，沿着高度方向，所述每排开孔之间的间距越来越大。作为优选，沿着高度方向，所述每排开孔之间的间距越来越大的幅度不断增加。具体理由参见开孔分布密度的变化。

作为优选，沿着高度方向，电加热棒9的单位长度的加热功率不断的减少。通过设置电加热棒9的加热功率不断的减少，保证下部的流体快速加热，然后热流体通过自然对流到了上部，上部的流体及其下部的加热管3外部的流体快速进入，能够进一步提高加热效率。经过大量的实验和数值模拟，经过上述的加热管加热功率的变化，能够进一步提高10%左右的加热效率，节省加热时间。

作为优选，沿着高度方向，电加热棒9的单位长度的加热功率不断的减少的幅度不断的增加。

经过大量的实验和数值模拟，经过上述的电加热棒9加热功率幅度的变化，能够进一步提高5%加热效率，进一步节省加热时间。

作为优选，同一个加热部件内的同一个电加热棒9分为多段，沿着高度方向，不同段的单位长度的加热功率不同。其中沿着高度方向，不同段的单位长度的加热功率不断的降低。进一步优选，降低的幅度不断的增加。

作为优选，每段的长度相同。

作为优选，每段的单位长度的加热功率相同。

具体理由如上。

通过设置分段，可以进一步使得制造简单方便。

通过分析以及实验得知，竖直方向加热部件之间的间距不能过大，过大的话导致蒸汽产生的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致加热管内容易烧干，同理，菱形的边长也不能过大或者过小，过大导致加热不均匀，过小导致正四边形和八边形分布过密，造成流动阻力增加以及加工成本增加。因此本发明通过大量的实验，在优先满足蒸汽出汽量的情况下，使得阻力达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻加热部件之间的距离为S1，正四边形的边长为K2，加热部件为正四边形截面，加热部件正四边形截面的边长为B2，满足如下要求：

S1/B2＝a-b*(10*K2/B2)；

其中a,b是参数，其中0.735<a<0.740,2.67<b<2.68；

180<B2<360mm；

12<K2<45mm；

45<S1<170mm。

进一步优选，a=0.734,b=2.675;

进一步优选，随着K2/B2的增加，a越来越大，b越来越小。

作为优选，菱形通孔的边长K2是菱形通孔内边长和外边长的平均值，加热部件正四边形截面的边长B2是加热部件正四边形截面内边长和外边长的平均值。

相邻加热部件之间的距离为S1是以相邻加热部件相对的面的距离。例如右部加热部件的左端面与左部加热部件的右端面之间的距离。

作为优选，随着B2的增加，K2也不断增加。但是随着B2的增加，K2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着B2的增加，S1不断减小。但是随着B2的增加，S1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，加热部件正四边形截面的边长等于蒸发管的内壁面的边长。

加热部件高度H优选为100－500mm，进一步有选为200－300mm。

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。

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

1.一种加热熏洗药液重力热管的设计方法，所述重力热管包括蒸发部、冷凝部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，进入冷凝部放热，然后通过重力回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，电加热部件为竖直方向设置，其特征在于，所述重力热管采取如下方法设计：

所述电加热部件为菱形通孔和正八边形通孔组成，所述菱形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述菱形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的菱形通孔的边；菱形通孔中设置电加热器；菱形通孔四个夹角都是90度；电加热部件设置为多个，相邻电加热部件之间的距离为S1，正四边形的边长为K2，电加热部件为正四边形截面，电加热部件正四边形截面的边长为B2，满足如下要求：

S1/B2＝a-b*(10*K2/B2)；

其中a,b是参数，其中0.735<a<0.740,2.67<b<2.68；

180<B2<360mm；

12<K2<45mm；

45<S1<170mm；

冷凝部插入箱体内，箱体内设置熏洗使用的药液。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于， a=0.734,b=2.675。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，随着K2/B2的增加，a越来越大，b越来越小。