CN109916207A - 一种上升管直径变化的环路热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环路热管,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,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;其特征在于,沿着上升管内流体流动的方向,上升管的管径不断的增加。本发明通过增加上升管的管径,可以减少流动的阻力,使得上升管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动,从而进一步促进环路热管的循环流动,强化传热,同时减弱上升管的振动,降低噪声水平。
Description
技术领域
本发明属于热管领域,尤其涉及一种环路热管。
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多种解决上述问题的热管装置,例如多管式,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。再例如2017102671998结构,虽然该结构解决了流体短路现象,但是却存在流通面积大大缩小的问题,导致流动阻力的增加。再例如2017102949490的环形分隔装置,环形结构中分隔装置采用环形结构,导致整体上分隔装置环空在周向上分隔不均匀,而且因为存在环形结构,使得环空的四个夹角的位置出现了小于90度的锐角,这会导致在小于90度的锐角部分存在流体流动短路的问题。
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存在的稳流不均匀的换热问题。使得气体和液体充分进行混合,提高了换热效果
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,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;其特征在于,所述上升管内设置分隔装置,所述分隔装置是片状结构,所述片状结构在上升管的横截面上设置;所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成,所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长,所述正方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正方形通孔的边。
作为优选,所述上升管的横截面是正方形。
作为优选,沿着流体流动的方向,上升管的管径不断的增加。
作为优选,沿着流体流动的方向,上升管的管径不断的增加的幅度越来越大。
作为优选,上升管内设置多个分隔装置,距离上升管入口的距离为H,相邻分隔装置之间的间距为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,距离上升管入口的距离为H,正方形通孔的边长为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,距离上升管入口的距离为H,上升管的直径为D,D=F3(H),满足如下要求:
D’>0,D”>0。
作为优选,所述分隔装置所述上升管内壁设置缝隙,所述分隔装置的外端设置在缝隙内。
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S1,正方形通孔的边长为L1,上升管为正方形截面,上升管的正方形截面边长为L2,满足如下要求:
S1/L2=a*(L1/L2)2+b*(L1/L2)-c
其中a,b,c是参数,其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21,0.43<c<0.44;
9<L2<58mm;
1.9<L1<3.4mm;
15<S1<31mm。
进一步优选,a=39.87,b=9.20,c=0.432
进一步优选,随着L1/L2的增加,a,b越来越大,从越来越小。
作为优选,随着L2的增加,L1也不断增加。但是随着L2的增加,L1不断增加的幅度越来越小。
作为优选,随着L2的增加,S1不断减小。但是随着L2的增加,S1不断减小的幅度越来越小。
作为优选,所述蒸发部包括多个上升管,所述多个上升管是并联的平行结构。
作为优选,相邻分隔装置之间的距离为S1,正方形的边长为L1,上升管为正方形截面,上升管的边长为L2,相邻上升管中心之间的间距为S2满足如下要求:
相邻分隔装置之间的距离为S1,正方形的边长为L1,上升管为正方形截面,上升管的边长为L2,相邻上升管中心之间的间距为S2满足如下要求:
S2/L2=d*(S1/L2)2+e-f*(S1/L2)3-h*(S1/L2);
其中d,e,f,h是参数,
0.280<d<0.285,1.342<e<1.350,0.060<f<0.065,0.169<h<0.171;
9<L2<58mm;
1.9<L1<3.4mm;
15<S1<31mm。
16<S2<76mm。
作为优选,随着S1/L2的增加,d,e越来越大,f,h越来越小。
作为优选,随着L2的增加,S2不断增加,但是随着L2的增加,S2不断增加的幅度越来越小。
与现有技术相比较,本发明具有如下的优点:
1)本发明通过增加上升管的管径,可以减少流动的阻力,使得上升管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动,从而进一步促进环路热管的循环流动;因为随着流体的不断的流动,液体在上升管内不断的蒸发,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;通过上升管的管径的增加,可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。
2)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置,通过正方形和正八边形,使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度,从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置,避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的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。相对于现有技术中的分隔装置,进一步提高稳流效果,强化传热,而且制造简单。
3)本发明通过合理的布局,使得正方形和正八边形通孔分布均匀,从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀,避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。
4)本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布,从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀,而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化,使得分隔效果更好。
5)本发明通过设置分隔装置为片状结构,使得分隔装置结构简单,成本降低。
6)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、分隔装置的孔的边长、上升管的管径、管间距等参数大小的规律变化,研究了上述参数的最佳的关系尺寸,从而进一步达到稳流效果,降低噪音,提高换热效果。
7)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本发明分隔装置另一个横截面结构示意图;
图4是本发明分隔装置在上升管内布置示意图;
图5是是本发明分隔装置在上升管内布置横截面示意图。
图中:1、蒸发集管,2、冷凝集管,3、上升管,4、分隔装置,41正方形通孔,42正八边形通孔,43边,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。
上升管内设置分隔装置4,所述分隔装置4的结构如图2、3所示。所述分隔装置4是片状结构,所述片状结构在上升管3的横截面上设置;所述分隔装置4为正方形和正八边形结构组成,从而形成正方形通孔41和正八边形通孔42。如图1所述正方形通孔41的边长等于正八边形通孔42的边长,所述正方形通孔的四个边43分别是四个不同的正八边形通孔的边43,正八变形通孔的四个互相间隔的边43分别是四个不同的正方形通孔的边43。
本发明采用新式结构的分隔装置,具有如下优点:
1)本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的分隔装置,通过正方形和正八边形,使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度,从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置,避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的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。相对于现有技术中的分隔装置,进一步提高稳流效果,强化传热,而且制造简单。
2)本发明通过合理的布局,使得正方形和正八边形通孔分布均匀,从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀,避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。
3)本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布,从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀,而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化,使得分隔效果更好。
4)本发明通过设置分隔装置为片状结构,使得分隔装置结构简单,成本降低。
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,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,所述分隔装置包括两种类型,如图2,3所示,第一种类型是正方形中心分隔装置,正方形位于上升管或者冷凝管的中心,如图3所示。第二种是正八边形中心分隔装置,正八边形位于上升管或者冷凝管的中心,如图2所示。作为一个优选,上述两种类型的分隔装置相邻设置,即相邻设置的分隔装置类型不同。即与正方形中心分隔装置相邻的是正八边形中心分隔装置,与正八边形中心分隔装置相邻的是正方形中心分隔装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布,从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀,而且通过相邻的分隔装置的大孔和小孔的位置变化,使得通过大孔的流体接下来通过小孔,通过小孔的流体接下来通过大孔,进一步进行分隔,促进汽液的混合,使得分隔和换热效果更好。
作为优选,所述上升管3的横截面是正方形。
作为优选,沿着流体流动的方向,上升管3的管径不断的增加。主要原因如下:1)通过增加上升管的管径,可以减少流动的阻力,使得上升管内蒸发的汽体不断的向着管径增加的方向运动,从而进一步促进环路热管的循环流动。2)因为随着流体的不断的流动,液体在上升管内不断的蒸发,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。3)通过上升管的管径的增加,可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。
作为优选,沿着流体流动的方向,上升管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,能够进一步的促进环路热管的循环流动,达到压力整体均匀,减少冲击现象。
作为优选,上升管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,分隔装置之间的间距越小。设距离上升管入口的距离为H,相邻分隔装置之间的间距为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,从上升管出口到上集管或者冷凝集管这一段,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7%左右的震动和噪音,同时提高8%左右的换热效果。
作为优选,上升管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,正方形的边长越来越小。距离上升管入口的距离为H,正方形的边长为C,C=F2(H),C’是C的一次导数,满足如下要求:
C’<0;
进一步优选,上升管3的入口到上升管3的出口,正方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。
具体理由参见前面分隔装置间距变化。
作为优选,相邻分隔装置之间的距离保持不变。
作为优选,所述上升管内壁设置缝隙,所述分隔装置的外端设置在缝隙内。
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。
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,正方形的边长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,相邻分隔装置之间的距离为S1,正方形通孔的边长为L1,上升管为正方形截面,上升管正方形截面的边长为L2,满足如下要求:
S1/L2=a*(L1/L2)2+b*(L1/L2)-c
其中a,b,c是参数,其中39.8<a<40.1,9.19<b<9.21,0.43<c<0.44;
9<L2<58mm;
1.9<L1<3.4mm;
15<S1<31mm。
进一步优选,a=39.87,b=9.20.c=0.432
进一步优选,随着L1/L2的增加,a,b越来越大,c越来越小。
作为优选,正方形通孔的边长L1是正方形通孔内边长和外边长的平均值,上升管正方形截面的边长L2是上升管内边长和外边长的平均值。
作为优选,正方形通孔的外边长等于上升管正方形截面的内边长。
作为优选,随着L2的增加,L1也不断增加。但是随着L2的增加,L1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L2的增加,S1不断减小。但是随着L2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。
通过分析以及实验得知,上升管的间距也要满足一定要求,例如不能过大或者过小,无论过大或者过小都会导致换热效果不好,而且因为本申请上升管内设置了分隔装置,因此分隔装置也对上升管间距有一定要求。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。
相邻分隔装置之间的距离为S1,正方形的边长为L1,上升管为正方形截面,上升管的边长为L2,相邻上升管中心之间的间距为S2满足如下要求:
S2/L2=d*(S1/L2)2+e-f*(S1/L2)3-h*(S1/L2);
其中d,e,f,h是参数,
0.280<d<0.285,1.342<e<1.350,0.060<f<0.065,0.169<h<0.171;
9<L2<58mm;
1.9<L1<3.4mm;
15<S1<31mm。
16<S2<76mm。
相邻上升管中心之间的间距为S2是指上升管中心线之间的距离。
进一步优选,d=0.282,e=1.347,f=0.062,h=0.170;
作为优选,随着S1/L2的增加,d,e越来越大,f,h越来越小。
作为优选,随着L2的增加,S2不断增加,但是随着L2的增加,S2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。
作为优选,上升管长度L为2000-2500mm之间。进一步优选,2200-2300mm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。
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,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。
作为优选,所述上升管的管径大于回流管的管径。主要是增加回流管的阻力,降低上升管的阻力,使得蒸汽从蒸发部流动更容易,环路热管更好的形成循环。
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 (5)
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,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;其特征在于,沿着上升管内流体流动的方向,上升管的管径不断的增加。
2.如权利要求1所述的环路热管,其特征在于,沿着上升管内流体流动的方向,上升管的管径不断的增加的幅度越来越大。
3.如权利要求1所述的环路热管,其特征在于,所述上升管内设置分隔装置,所述分隔装置是片状结构,所述片状结构在上升管的横截面上设置;所述分隔装置为正方形通孔和正八边形通孔组成,所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长,所述正方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正方形通孔的边。
4.如权利要求1所述的热管,其特征在于,所述分隔装置包括下面两种类型中的至少一种,第一种类型是正方形中心分隔装置,正方形通孔位于上升管的中心,第二种类型是正八边形中心分隔装置,正八边形通孔位于上升管的中心。
5.一种环路热管,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,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;其特征在于,所述上升管内设置分隔装置。
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