CN110345785A

CN110345785A - 一种热管换热器及换热装置

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Publication number: CN110345785A
Application number: CN201910590172.1A
Authority: CN
Inventors: 沈珂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2019-10-18

Abstract

本发明公开了一种热管换热器，包括一个或多个换热管道，所述换热管道内填充有工质，所述工质用于以液相工质的形态在所述吸热区汽化吸热，并以气相工质的形态在所述散热区液化放热；所述换热管道的管内径d满足如下公式：其中，σ_l为所述液相工质的表面张力，ρ_l和ρ_v分别为所述液相工质和所述气相工质的密度，g为重力加速度。采用本发明，提高了所述热管换热器的换热效率，减小了原材料消耗，降低了换热器的成本。

Description

一种热管换热器及换热装置

技术领域

本发明涉及除湿烘干、热回收技术领域，尤其涉及一种热管换热器及换热装置。

背景技术

在新风排风热回收、空气调节、烘干和气态有机质回收领域，为实现节能目的，已经广泛使用盘管形式的热管技术进行能量的转移。

其中典型的盘管形式热管如专利号为5921315的美国专利，目前国内使用的三维热管均以此专利为基础，采用该技术的热管典型管径为15.88mm、12.7mm和9.52mm，热管内部填充工质，利用工质的蒸发和冷凝进行热交换，工质以常规制冷空调用制冷剂为主，典型的如R134A、R22等。工质在换热管内流动的动力主要依赖重力，工质在冷凝段凝结成液体后，靠重力流动到蒸发段，在蒸发段吸热蒸发，以气态形式回流到冷凝段。

在垂直状态下，热管的运行与常规单根重力热管相比没有太大区别。在水平状态下，工质在热管内分层流动，上部为气相，下部为液相，由于冷凝段气体凝结导致压力降低，蒸发段气体蒸发压力上升，使得气相工质向冷凝段流动，与此同时，凝结的液相工质在重力作用下流入蒸发段形成循环。由于三维热管包括来回弯折的换热管，位于下部的换热管内存在较多液相工质，当受热后，液体蒸发形成的气泡会推动部分工质上升到较高的管路中，从而有利于工质在三维热管中的分布。但总体上，该种热管的工质分布存在上部管路分布少，下部管路分布较多的分布特征，使得下部管路的蒸发区域以沸腾换热为主，换热效果较好，上部管路的蒸发区域含液量少，换热以单相换热为主，换热效果较差。而冷凝区域与此相反，下部管路积液多，以单相换热为主，上部区域积液少，以相变换热为主，换热较好。总体上看，现有热管的管直径大，但有相当一部分的管壁处于单相换热状态，换热面积没有充分利用。

由于液体蒸发时的气泡会夹带或推动部分液相工质从较低的管路迁移到较高的管路，因此可以克服一部分重力影响，但由于这种夹带或推动能力有限。此外，由于管径较大，并且热管管壁处于承压状态，换热管壁壁厚也需要加大，这直接导致了原材料消耗量上升，产品成本上升。

为降低成本，现有的一种方案是采用脉动热管，脉动热管是由一根细长的管道通过弯折形成，其热量的传递是通过管道内部间隔的气柱和液塞之间的振荡来实现。但由于脉动热管的管径很小，工质在表面张力作用下，容易出现介质难以启动的情形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种热管换热器及换热装置，通过热管结构的改变，在不影响热管工质启动的前提下，减少现有换热器存在的单相换热问题以及由此导致的换热效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热管换热器，包括一个或多个换热管道，所述换热管道内填充有工质，所述工质用于以液相工质的形态在所述吸热区汽化吸热，并以气相工质的形态在所述散热区液化放热；

所述换热管道的管内径d满足如下公式：

其中，σ_l为所述液相工质的表面张力，ρ_l和ρ_v分别为所述液相工质和所述气相工质的密度，g为重力加速度。

进一步地，所述换热管道的管内径范围为2.4～4.0mm。

进一步地，所述换热管道用于吸热区和放热区的直管部分的长度均大于等于0.5m。

进一步地，所述换热管道在用于吸热区和放热区的部位分别设置多个弯曲部。

进一步地，所述换热管道在用于吸热区和/或放热区的管道内壁设置有内螺纹槽或沟槽。

进一步地，所述换热管道外设置有换热翅片。

进一步地，所述热管换热器的形状至少包括如下之一：

一字型、L型和U型。

进一步地，所述热管换热器还包括回路管道，所述回路管道与所述换热管道连接形成循环回路。

进一步地，所述换热管道或回路管道设置有流量控制阀。

本发明还提供一种换热装置，包括任一所述的一种热管换热器。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

所述热管换热器通过设置合理的管道内径，减少了换热管道内重力作用导致的单相换热问题，提高了热管换热器的换热效率；

所述热管换热器的管径较小，从而减小了原材料消耗，降低了换热器的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1-4是本发明实施例提供的四种热管换热器的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种热管换热器的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种一字型热管换热器的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种L型热管换热器的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种U型热管换热器的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种热管换热器的工质的非工作状态图；

图10是本发明实施例提供的一种热管换热器的工质的工作状态图；

图11是本发明实施例提供的一种热管换热器和对比例提供的一种换热器的热阻曲线图。

其中，图中附图对应标记为：

1-弯曲部 2-换热翅片 3-回路管道

4-气相工质 5-液相工质

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本发明实施例提供了一种热管换热器，如图1-4所示，所述热管换热器包括一个来回弯折的换热管道，所述换热管道两端封闭，内部填充有可以进行相变换热的工质，所述工质用于以液相工质的形态在所述吸热区汽化吸热，并以气相工质的形态在所述散热区液化放热；

所述换热管道的管内径d满足公式(1)：

所述气相工质的密度与所述热管换热器的环境相关，但由于气相工质密度相对于液相工质密度很小，因此，气相工质密度可以忽略，所述换热管道的管内径d也可以按公式(2)计算：

在本发明实施例中，所述工质可以为水，根据公式(1)，所述热管换热器的换热管道的管内径小于等于8.0mm；所述工质也可以为丙酮、乙醇或甲醇，根据公式(1)，所述热管换热器的换热管道的管内径小于等于6.0mm；所述工质还可以为其他常用的制冷剂，根据公式(1)，所述热管换热器的换热管道的管内径小于等于4.4mm。

优选的，所述换热管道的管内径范围为2.4～4.0mm。

在本发明实施例中，所述换热管道的一部分位于吸热区、一部分位于绝热区、一部分位于放热区，所述换热管道在用于吸热区和放热区的部位分别设置多个弯曲部1，所述弯曲部可以为U型弯曲。如图5所示，所述热管换热器在所述吸热区和放热区的弯曲部的数量可以不相等。

在一个具体的实施例中，为了保证工质的流动效果，在所述吸热区和放热区的所述弯曲部的数量均大于等于5。

在本发明实施例中，为了提高换热效率，所述绝热区的换热管道应采取保温措施，以避免漏热。

在本发明实施例中，为了提高所述热管换热器的换热效率，所述换热管道用于所述吸热区和放热区的直管部分的长度均大于等于0.5m。另外，为了满足不同的应用需求，所述换热管道在所述吸热区、绝热区和放热区的管长也可根据需要进行调整。

在本发明实施例中，所述热管换热器的形状至少可以包括如下之一：一字型、L型和U型。

具体的，如图6所示，所述热管换热器为一字型时，所述热管换热器的吸热区、绝热区与放热区位于同一平面内。

具体的，如图7所示，所述热管换热器为L型时，所述热管换热器的吸热区与放热区呈预设角度的夹角。

具体的，如图8所示，所述热管换热器为U型时，所述热管换热器的吸热区、绝热区和放热区共同构成U型结构。

在本发明实施例中，所述换热管道的材质可以为铜、不锈钢和铝等散热良好的金属材料。

在另一些实施例中，为了避免一个换热管道损坏时，整个热管换热器全部损坏，所述热管换热器可以包括多个所述换热管道，多个所述管道可拆卸连接，从而在保证热管换热器可靠性的同时，也便于维修。

在另一些实施例中，为了增加与外界空气的换热面积，从而进一步提高所述热管换热器的换热效率，所述换热管道在用于吸热区和/或放热区的管道内壁设置有内螺纹槽或沟槽。

在另一些实施例中，为了增加与外界空气的换热面积，从而进一步提高所述热管换热器的换热效率，所述换热管道外胀接有强化换热的换热翅片2。

在另一些实施例中，如图1、图2和图3所示，所述热管换热器还可以包括回路管道3，所述回路管道与所述换热管道连接形成循环回路。对于设有回流管道的热管换热器，所述回流管道可以位于放热区、吸热区或绝热区。

在另一些实施例中，所述换热管道或回路管道设置有流量控制阀，例如，在所述换热管道或回路管道设置单向阀以控制工质流动方向，也可以设置电磁阀或其他控制阀门以切断工质流动或调节工质流量。

在实际应用中，所述热管换热器的放热区通过较低温度的空气，吸热区通过较高温度的空气，吸热区的液相工质吸收空气中的热量后蒸发，以气相工质的形态流动至放热区并将热量释放至较低温度的空气中，气相工质在放热区液化，而后再次回到吸热区形成循环。

本发明实施例的所述热管换热器的工质的运动方式与传统热管中的工质有很大区别，传统热管以流动为主，而本发明实施例的所述热管换热器在不工作时，如图9所示，气相工质4和液相工质5分层；所述热管换热器工作时，如图10所示，液相工质在换热管道为塞状流和波动流的形态，液相工质间隙性封闭流道，并被气相工质推动在换热管道内形成单向的循环流动，所述换热管道内壁的温度有显著的上下波动特性。

本发明实施例的所述热管换热器与现有的热管换热器相比，极大地减小了换热管道的管内径。以常规三维热管常用的制冷剂R134A为例，现有以R134A为工质的热管管外径一般为15.88mm、12.7或9.52mm等，壁厚若按0.35mm计算，则管内径约为15.18、12或8.82mm等。而本发明实施例的所述热管换热器的管内径约为2.2-4.0mm，因此，通过减小换热管道的管内径，大幅地减小了原材料消耗，降低了换热器的成本。

如图11所示，本发明实施例的所述热管换热器与对比例的传统换热器相比，还降低了热阻。图11为在相同实验条件下获得的对比例和实施例的热阻曲线图，热阻曲线图的横坐标为加热功率(W)，纵坐标为热阻(℃/W)，主要实验参数包括：工质均为R134A，对比例的换热管道的管内径12.7mm，实施例的换热管道的管内径3.0mm。由图11可知，在不同的热量输入条件下，本发明实施例的热管换热器的热阻均小于所述对比例的传统换热器的热阻。因此，通过减小换热管道的管内径，可以提高所述热管换热器的换热效率。

另外，当换热器换热管道的管内径减小至一定程度时，很容易出现换热器难以启动的情形，而本发明实施例的所述热管换热器在工作时，介质在管道内呈塞状流和波动流状态，因此，在换热开始时即可启动工作，响应速度较快。

本发明还提供了一种换热装置，所述换热装置包括任一所述的一种热管换热器。

所述换热装置的实施例与所述热管换热器的实施例基于同样的发明构思。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种热管换热器，其特征在于，包括一个或多个换热管道，所述换热管道内填充有工质，所述工质用于以液相工质的形态在吸热区汽化吸热，并以气相工质的形态在散热区液化放热；

所述换热管道的管内径d满足如下公式：

2.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述换热管道的管内径范围为2.4～4.0mm。

3.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述换热管道用于吸热区和放热区的直管部分的长度均大于等于0.5m。

4.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述换热管道在用于吸热区和放热区的部位分别设置多个弯曲部。

5.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述换热管道在用于吸热区和/或放热区的管道内壁设置有内螺纹槽或沟槽。

6.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述换热管道外设置有换热翅片。

7.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述热管换热器的形状至少包括如下之一：

一字型、L型和U型。

8.根据权利要求1所述的一种热管换热器，其特征在于，所述热管换热器还包括回路管道，所述回路管道与所述换热管道连接形成循环回路。

9.根据权利要求1或8所述的一种热管换热器，其特征在于，所述换热管道或回路管道设置有流量控制阀。

10.一种换热装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的一种热管换热器。