CN110174014B - 基于可逆化学反应物化热效应的化学热管及传热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于可逆化学反应物化热效应的化学热管，包括合成反应段和分解反应段，热管内设置有贯穿合成反应段和分解反应段的竖直提升管，所述合成反应段自上而下设置有液体分布器、填料室和填料托板，所述合成反应段和分解反应段均设置有内翅片和外翅片。本发明可以采用工质为氨基甲酸铵及二氧化碳和氨气，利用氨基甲酸铵发生分解/合成反应过程中伴随显著的物化热效应实现热量的传递，单位热容量显著增大，且传热能力不受传统热管声速限、毛细限、携带限、沸腾限等传热极限的限制。
Description
技术领域
本发明涉及传热元件，具体涉及一种基于可逆化学反应物化热效应的化学热管及传热方法。
背景技术
蒸发-冷凝型传统热管是依靠自身内部工作液体相变来实现热量传递的传热元件，具有传热系数高、传热温差小、无需外部动力等诸多优良特性。但热管的传热能力也受到诸如声速限、毛细限、携带限、沸腾限等传热极限的限制，而这些传热极限又均与相变热密切相关。
现阶段传统热管为蒸发-冷凝型热管，利用工质相变物理过程实现传热，由于工质相变潜热有限、气泡形成条件影响复杂造成传统热管存在单位热容量小，传热能力受限的缺点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于可逆化学反应物化热效应的化学热管及传热方法，解决现有热管单位热量小，传热能力受限的问题。
技术方案：本发明所述的基于可逆化学反应物化热效应的化学热管，包括合成反应段和分解反应段，热管内设置有贯穿合成反应段和分解反应段的竖直提升管，所述合成反应段自上而下设置有液体分布器、填料室和填料托板，所述合成反应段和分解反应段均设置有内翅片和外翅片。
为将液体均匀布施于填料层，所述液体分布器通过支承连接件与化学热管内壁固定，所述液体分布器表面均匀布置有布液孔。
防止布液器内液体沿竖直提升管回流，所述竖直提升管具有上管口和下管口，所述下管口为喇叭形，所述上管口位于合成反应段气相区，上管口边缘高于液体分布器边沿，所述下管口位于分解反应段液相区。
方便合成反应段液体回流入分解反应段，所述下管口与化学热管内壁之间留有缝隙。所述填料托板上均匀设置有通孔。
本发明所述的基于可逆化学反应物化热效应的化学热管的传热方法，包括以下步骤：
(A)热流体外掠分解反应段，在内外翅片的导热作用下分解反应段内温度升高，氨基甲酸铵工质发生分解反应，吸收热量，生成二氧化碳和氨气并继续吸收热量脱离载体流体，分解反应段内工作液体中出现气泡；
(B)分解反应段内产生的气泡由竖直提升管下端喇叭状开口收集，气泡在压差及升力作用下推动部分工作液体沿竖直提升管上升，竖直提升管中形成气塞与液塞间隔分布的气液两相流，流体于上端开口处气液两相分离，液体落入液体分布器内在重力作用下通过布液孔均匀布于填料室；
(C)填料室内气液两相充分接触，当冷流体外掠合成反应段，在内外翅片的导热作用下合成反应段内温度低于分解反应段，在压力和温度共同影响下，氨气和二氧化碳发生合成反应，放出热量加热冷流体，生成氨基甲酸铵固体溶解于载体流体；
(D)合成反应段填料室内溶有氨基甲酸铵的流体在重力作用下通过填料托板通孔返回分解反应段，由此形成循环，即完成传热。
有益效果：本发明可以采用工质为氨基甲酸铵及二氧化碳和氨气，利用氨基甲酸铵发生分解/合成反应过程中伴随显著的物化热效应实现热量的传递，单位热容量显著增大，且传热能力不受传统热管声速限、毛细限、携带限、沸腾限等传热极限的限制。
本发明利用化学可逆反应实现传热，可逆反应强烈依赖于温度和压强，合成反应段温度低于分解反应段时可逆反应即可在温度和压力作用下朝着一定方向进行，热管易于驱动，本发明利用气泡泵效应提供动力驱动工作液体提升，利用重力作用使液体回流，装置无需附加动力设备即可完成工质循环进而实现循环传热。
本发明结构无运动部件及毛细芯，装置稳定可靠。本发明可以采用丙二醇作为传热和载体流体，无毒且可以提高氨基甲酸铵的分解速率，强化传热。本发明可应用于废热的回收或用于热流体散热。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是图1中A-A剖面的液体分布器截面剖视结构示意图；
图3是图1中B-B剖面的填料室截面剖视结构示意图；
图4是图1中C-C剖面的竖直提升管下端开口截面剖视结构示意图；
图5是图1中D-D剖面的分解反应段内翅片截面剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-5所示，基于可逆化学反应物化热效应的化学热管沿轴向分为等长的合成反应段12及分解反应段13，合成反应段12内结构自上而下包括液体分布器3、填料室4及填料托板5，竖直提升管2垂直置于管壳1内部且贯穿合成反应段12内液体分布器3、填料室4及填料托板5。竖直提升管2上端开口位于合成反应段气相区，上端管口边缘高于液体分布器3边沿，防止布液器3内液体沿竖直提升管回流；下端开口位于分解反应段液相区，开口呈喇叭状用于收集分解反应段13中反应生成气体，且开口边缘与管壳1内壁间留有一定孔隙用于合成反应段液体回流入分解反应段。分解反应段13竖直提升管端口15以下液相区内均匀布置适量内翅片82，外翅片7均匀布置于分解反应段13及合成反应段12管壳外壁面，中间隔板9位于管壳1轴向中部且与管壳外壁面相连。如图2所示，液体分布器3由固定于管壳1内壁的支承连接件5支撑，液体分布器表面均匀布置适量布液孔14，液体分布器3外缘有一定高度的边沿且边沿与管壳内壁间留有一定缝隙，缝隙宽度应根据所选用载体流体性质，保证液体可顺利回流的最小宽度即可。填料室4内均匀布置适量内翅片81，内翅片与管壳1内壁及竖直提升管2外壁相接。
本发明应用于热量回收时，可用于回收120℃以下低品位热源的热量。热流体外掠分解反应段13时，在内外翅片的导热作用下分解反应段内温度升高，氨基甲酸铵工质发生分解反应，吸收热量，生成二氧化碳和氨气并继续吸收热量脱离载体流体，分解反应段内工作液体中出现气泡。气泡由竖直提升管下端喇叭状开口15收集，气泡在压差及升力作用下推动部分工作液体沿竖直提升管上升，竖直提升管中形成气塞10与液塞11间隔分布的气液两相流，流体于上端开口处气液两相分离，液体落入液体分布器3内在重力作用下通过布液孔14均匀布于填料室4，填料室4内气液两相充分接触。当冷流体外掠合成反应段12，在内外翅片的导热作用下合成反应段内温度低于分解反应段，在压力和温度共同影响下，氨气和二氧化碳发生合成反应，放出热量加热冷流体，生成氨基甲酸铵固体溶解于载体流体。流体在重力作用下通过填料托板6通孔返回分解反应段13，由此形成工质循环，实现循环传热。
本发明应用于散热时可有效快速对120℃以下低品位热源热量进行移除，其循环流程与用于热量回收相同。
本发明利用热管分解反应端氨基甲酸铵发生分解反应过程吸收大量的热量对热源进行冷却散热；利用热管合成反应端氨气与二氧化碳合成反应过程放出大量的热量用于冷源的加热，进行热量回收。利用气泡泵效应所产生的密度差和压差在内管中形成气液两相流并推动工质转移，无需附加动力装置即可实现工作液体的提升。利用化学反应热、相变潜热、显热共同作用实现传热，相比传统热管单位热容量及传热效率得到有效提高。
本发明溶剂载体为有机醇。有机醇包括但不限于丙二醇或乙二醇中的一种或两种的混合物，优选为丙二醇。本发明使用有机醇溶解氨基甲酸铵，提高热流密度并且提高化学反应速率。
Claims (5)
1.一种基于可逆化学反应物化热效应的化学热管，其特征在于，包括合成反应段(12)和分解反应段(13)，热管内设置有贯穿合成反应段(12)和分解反应段(13)的竖直提升管(2)，所述合成反应段(12)自上而下设置有液体分布器(3)、填料室(4)和填料托板(6)，所述合成反应段(12)和分解反应段(13)均设置有内翅片和外翅片，所述竖直提升管(2)具有上管口和下管口，所述下管口为喇叭形，所述上管口位于合成反应段(12)气相区，上管口边缘高于液体分布器(3)边沿，所述下管口位于分解反应段(13)液相区。
2.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应物化热效应的化学热管，其特征在于，所述液体分布器(3)通过支承连接件(5)与化学热管内壁固定，所述液体分布器(3)表面均匀布置有布液孔(14)。
3.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应物化热效应的化学热管，其特征在于，所述下管口与化学热管内壁之间留有预设宽度的缝隙。
4.根据权利要求1所述的基于可逆化学反应物化热效应的化学热管，其特征在于，所述填料托板(6)上均匀设置有通孔。
5.一种基于可逆化学反应物化热效应的化学热管的传热方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)热流体外掠分解反应段(13)，在内外翅片的导热作用下分解反应段内温度升高，氨基甲酸铵工质发生分解反应，吸收热量，生成二氧化碳和氨气并继续吸收热量脱离载体流体，分解反应段(13)内工作液体中出现气泡；
(B)分解反应段(13)内产生的气泡由竖直提升管下端喇叭状开口收集，气泡在压差及升力作用下推动部分工作液体沿竖直提升管(2)上升，竖直提升管(2)中形成气塞与液塞间隔分布的气液两相流，流体于上端开口处气液两相分离，液体落入液体分布器内在重力作用下通过布液孔均匀布于填料室(4)；
(C)填料室(4)内气液两相充分接触，当冷流体外掠合成反应段，在内外翅片的导热作用下合成反应段内温度低于分解反应段，在压力和温度共同影响下，氨气和二氧化碳发生合成反应，放出热量加热冷流体，生成氨基甲酸铵固体溶解于载体流体；
(D)合成反应段(12)填料室内溶有氨基甲酸铵的流体在重力作用下通过填料托板(6 )通孔返回分解反应段，由此形成循环，即完成传热。
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