CN110440617A - 一种热管式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热管式换热器，该热管式换热器包括：多孔介质材料、一体式热管和高温换热器；一体式热管包括依次连接的热管冷凝段、热管绝热段和热管蒸发段；热管蒸发段嵌入多孔介质材料中，热管冷凝段嵌入高温换热器中。本发明通过燃气和空气在多孔介质材料内的混合燃烧，使得烟气与多孔介质材料扩大了换热表面积，强化了传热效果，提高了换热系数，同时采用一体式换热管，将高温热量均匀输送到动力装置的加热器中，实现动力装置中燃料的高效、高温和均匀的换热过程，从而解决了当前直接利用高温烟气加热发动机导致的加热管易烧坏、换热难以强化的问题，且更便于后期的装配及安装。

Description

一种热管式换热器

技术领域

本发明涉及换热器装置领域，尤其涉及一种热管式换热器及包括该热管式换热器的动力装置。

背景技术

热声效应是热在主要为高压惰性气体的弹性介质中引起声学自激振荡的物理现象。利用热在压力气体中产生自激振荡这一热声现象，可以实现将热转换为压力波动，即声波，压力波是交变机械能，即将热能转化为了机械能。

热管技术充分利用了热声效应中的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。

热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成。将管内负压后充以适量的沸点低、易挥发的液体金属工质，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据应用需要在两段中间可布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环下去，热量由热管的一端传至另—端，直到热管两端温度相等时热扩散停止。当加热段在下，冷却段在上，热管呈竖直放置时，工作液体的回流靠重力足可满足，无须毛细结构的管芯，这种不具有多孔体管芯的热管被称为热虹吸管。热虹吸管结构简单，在工程上被广泛应用，在一定程度上避免了燃气混合不均而燃烧温度不均，导致高温换热器受热不均，从而烧毁发动机的可能性。

热声发动机的高温换热器是热声发动机上的核心部件之一，它将时均的热量从外热源传递给惰性气体工质。高温换热器首先应具有加热功率大的特点，为热声发动机的热功转换提供足够的热量；其次，高温换热器应满足在足够的换热面积的情况下具有较小的流动阻力；此外其轴向长度和换热面的布置方式还应该满足一定的声学条件。采用高温燃气加热虽可以利用天然气燃烧释放的高温热源，加大传热温差，在一定程度上提高热流密度，但天然气直接与空气混合燃烧不易控制，燃烧温度不均匀，极易烧毁发动机的高温换热器。因此，采用合理的加热方式成为了影响热声发动机性能的关键因素。

现有的热管式换热器存在气体与高温换热器的换热系数小，气体与壁面的换热面积受到约束，难以强化换热的问题。

发明内容

为了解决目前热管传热驱动的动力装置中存在燃料燃烧和换热不均匀，气体与高温换热器的换热系数小的问题，本发明提供了一种热管式换热器，包括：多孔介质材料、一体式热管和高温换热器；一体式热管包括依次连接的热管冷凝段、热管绝热段和热管蒸发段；热管蒸发段嵌入多孔介质材料中，热管冷凝段嵌入高温换热器中。

优选地，高温换热器内部设有多个换热装置，多个换热装置互相平行固定于高温换热器的内部，热管冷凝段垂直贯穿多个换热装置。

优选地，换热装置为翅片板或气体工质换热管。

优选地，热管冷凝段的上端部固定连接有气泡收集器，气泡收集器和热管冷凝段连通。

优选地，一体式热管的形状为直线形、L形或环形。

优选地，一体式热管中填充有液态金属工质，液态金属工质为纳、钾或纳钾合金。

优选地，一体式热管的材料为不锈钢、钨、钛、铌或钼。

优选地，多孔介质材料为蜂窝陶瓷材料或泡沫陶瓷材料，多孔介质材料包括SiC材料。

另外，本发明还提供了一种包括该热管式换热器的动力装置，该热声发动机还包括主水冷器、回热器、热缓冲管段和次水冷器，主水冷器、回热器、高温换热器、热缓冲管段和次水冷器依次连接。

优选地，该动力装置还包括燃气空气混合装置和预热换热器，多孔介质材料、燃气空气混合装置和预热换热器依次连接。

优选地，该动力装置还包括燃气进气管和尾气出气管，燃气进气管与预热换热器连接，多孔介质材料、尾气出气管、燃气空气混合装置和预热换热器依次连接。

优选地，燃气进气管包括天然气进气管和空气进气管，天然气进气管和空气进气管分别与预热换热器连接。

本发明提供了一种热管式换热器及包括该热管式换热器的动力装置，通过燃气和空气在多孔介质材料内的混合燃烧，使得烟气与多孔介质材料扩大了换热表面积，强化了传热效果，提高了换热系数，同时采用一体式换热管，将高温热量均匀输送到动力装置的加热器中，实现动力装置中燃料的高效、高温和均匀的换热过程，从而解决了当前直接利用高温烟气加热动力装置导致的加热管易烧坏、换热难以强化的问题，且更便于本热管式换热器及包括该热管式换热器的动力装置的后期装配及安装。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例的热管式换热器的系统示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例的高温换热器的结构示意图；

图3为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图；

图4为根据本发明一个优选实施例的高温换热器的结构示意图；

图5为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图；

图6为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图；

其中：

1.主水冷器 2.回热器 3.热管冷凝段

4.换热装置 5.热缓冲管段 6.次冷水器

7.热管绝热段 8.多孔介质材料 9.气体混合装置

10.预热换热器 11.热管蒸发段 12.气体流道

13.气体工质换热管 14.高温换热器壳体 15.气体收集泡

16翅片板 17.天然气进气管 18.空气进气管

19.尾气出气管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“内”、“外”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造作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个优选实施例的热管式换热器的系统示意图，如图1所示，本发明提供了一种热管式换热器，包括：多孔介质材料8、一体式热管和高温换热器；一体式热管包括依次连接的热管冷凝段3、热管绝热段7和热管蒸发段11；热管蒸发段11嵌入多孔介质材料8中，热管冷凝段3嵌入高温换热器中。

具体地，本实施例中，将热管冷凝段3、热管绝热段7和热管蒸发段11依次连接，通过一体化制备而成一体式热管。与传统方式中采用多根热管并联排放使用相比，该一体式热管将多根热管集合制备而成为一体式结构，不仅制备简单、安装方便，且热源交换充分。

同时，将热管蒸发段11嵌入多孔介质材料8中，多孔介质材料8作为燃烧的装置作为燃气的燃烧场所，多孔介质材料8的孔隙增大了燃气换热的表面积，强化了本热管式换热器的传热效果；同时，将热管冷凝段3嵌入高温换热器中，燃气燃烧散发的高温热量，通过多孔介质材料8传导给热管冷凝段3，再经过热管绝热段7泵送至热管冷凝段3，即将燃气燃烧所得的高温热量通过多孔材料传导给一体式热管，再通过一体式热管传递给高温换热器，避免燃气加热后直接将热量传递给高温换热器，使得燃气混合燃烧不均匀而使热管受热不均，极易烧毁发动机的高温换热器。

本实施例将热管冷凝段3、热管绝热段7和热管蒸发段11通过一体化制备为一体式热管，且将一体式热管的热管蒸发段11嵌入多孔材料中，通过多孔介质内燃气的预混燃烧及间接传热，使得燃烧的温度均匀，防止热管局部温度过高而烧坏，且强化了本热管式换热器的传热效果，实现燃料与热管之间的高温均匀换热，且热管的一体化结构便于后期装配，节约了成本。

基于上述实施例，图2为根据本发明一个优选实施例的高温换热器的结构示意图，图4为根据本发明一个优选实施例的高温换热器的结构示意图，如图2和图4所示，高温换热器内部设有多个换热装置4，换热装置4为翅片板或气体工质换热管13，多个换热装置4互相平行固定于高温换热器内部，多个换热装置4之间呈等间距的叉排布置。当换热装置4为翅片板时，从回热管通入高温换热器的惰性气体通过多个翅片板之间的气体流道12，此时，一体式热管包括多个热管冷凝段3，每个热管冷凝段3垂直贯穿多个翅片板本身；当换热装置4为气体工质换热管13时，从回热器通入高温换热器的惰性气体从多个气体工质换热管13管内流过，此时，一体式热管仅包括一个热管冷凝段3，多个气体工质换热管13垂直贯穿热管冷凝段3本身。

进一步地，热管冷凝段3垂直贯穿互相平行固定于高温换热器内部的换热装置4，通过热管冷凝段3中的液态金属工质的凝结放热，加热高温换热器内部的惰性气体，从而实现一体式热管中的热量与高温换热器中的热量交换，使得热声发动机完成高效、高温及均匀的换热过程。

基于上述实施例，图3为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图，如图3所示，热管冷凝段3的端部固定连接有气体收集泡15，气体收集泡15和热管冷凝段3连通，用于收集一体式热管工作过程中产生的不凝性气体，防止不凝性气体阻碍热管传热，提高热管的传热效率。

进一步地，一体式热管的形状并不局限，可根据实际需要设计制作，如直线型或L型。

进一步地，一体式热管的材料为不锈钢、钨、钛、铌或钼，以适合作为高温热管在600-800℃的工作温度使用。

进一步地，一体式热管中填充有液态金属工质，液态金属工质为纳、钾或纳钾合金，以适合作为高温热管使用。

需要说明的是，出于导热系数、抗热冲击能力和硬度方面等方面考虑，多孔介质材料为蜂窝陶瓷材料或泡沫陶瓷材料，多孔介质材料包括SiC。

基于上述实施例，另一方面，本发明还提供了一种包括该热管式换热器的动力装置，本发明中动力装置主要指热声发动机。

本热声发动机包括燃气进气管和尾气出气管19，燃气进气管与预热换热器10连接，多孔介质材料8、尾气出气管19、气体混合装置9和预热换热器10依次连接。

其中，燃气进气管包括天然气进气管17和空气进气管18，天然气进气管17和空气进气管18分别与预热换热器10连接。

具体地，燃气和空气分别通过燃气进气管进入预热换热器10预热，再从预热换热器10进入气体混合装置9混合，混合充分后进入多孔介质材料8中燃烧，将燃烧的尾气从尾气出气管19排出，将尾气出气管19、气体混合装置9和预热换热器10依次连接，燃烧后的尾气按顺序先后经过气体混合装置9以及预热换热器10，使其余热最大化的被利用后经过处理排放到空气中。

基于上述实施例，如图1所示，本热声发动机还包括气体混合装置9和预热换热器10，多孔介质材料8、气体混合装置9和预热换热器10依次连接。

具体地，燃气和空气在进入多孔介质材料8中燃烧之前，先依次进入预热换热器10和气体混合装置9，一方面，利用排放的尾气预热，在燃烧之前先加热至一定温度，使得后续在多孔介质材料8中燃烧更加充分，能更好地控制燃气和空气燃烧的程度，节约了工作时间的同时也提高了工作效率；另一方面，也充分利用了尾气余热，符合节能、环保和减排的要求与号召。

基于上述实施例，如图1所示，本热声发动机还包括主水冷器、回热器2、热缓冲管段5和次水冷器，主水冷器1、回热器2、高温换热器、热缓冲管段5和次水冷器6依次连接。

需要说明的是，主水冷器1中通入高压惰性气体，惰性气体主要为氦气。

具体地，在惰性气体进入高温换热器前还依次通过主水冷器1和回热器2，再进入高温换热器中被凝结放热的液态金属工质加热升温，在高温换热器中升温后进入热缓冲管段5和次水冷器6。

基于上述实施例，下面给出两个具体的实施例，以对本热管式换热器的工作流程作出详细说明。

实施例一

图2为根据本发明一个优选实施例的高温换热器的结构示意图，

图3为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图，如图2和图3所示，本实施例的结构采用直线型一体式热管，该结构主要有热管冷凝段3，热管绝热段7，多孔介质材料8，热管蒸发段11，高温换热器壳体14和气体收集泡15组成。该结构将传统的多根并联排放的热管统一加工成直线型一体式叉排结构，该结构的热管分别共用同一个热管蒸发段11、热管绝热段7和热管冷凝段3，利用热管蒸发段11和热管冷凝段3中的吸热芯等结构保证内部的工作介质可以循环下去，确保热量的高效传输。

热管蒸发段11从多孔介质材料8中获得热量，经过热管绝热段7，在热管冷凝段3分成叉排的结构形式，插入换热装置4为翅片板的高温换热器壳体14中，与热声发动机内部的惰性气体实现热量的交换与传递。利用重力和内部的吸热芯等结构，实现以钠钾合金为液体金属工质的循环，使得热量可以被高效地泵送到热声发动机中。此外，在热管工作的过程中，会产生一些不凝性气体，阻碍热管的高效传热过程，因此在热管冷凝段3端部设置气体收集泡15结构，将不凝性气体收集起来，保证热管的高效工作。

实施例二

图4为根据本发明一个优选实施例的高温换热器的结构示意图，

图5为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图，如图4和图5所示，本实施例的结构采用L型一体式热管，该结构由热管冷凝段3、热管绝热段7、多孔介质材料8、热管蒸发段11、高温换热器壳体14、气体收集泡15和气体工质换热管13组成。该结构分别共用同一个热管蒸发段11、热管绝热段7和热管冷凝段3。在热管的冷凝段3上垂直贯穿插入等间距叉排的气体工质换热管13，其材料可以为导热性良好的金属材料。热声发动机的惰性气体工质从管内流过，通过管壁与气态的钠钾合金发生热交换。在使用时，一体式热管呈垂直放置，热管蒸发段11从多孔介质材料8处获得热量，穿过热管绝热段7，在热管冷凝段3，热管内的蒸汽在其壁面凝结放热，实现热量的交换与传递。利用重力和内部的吸热芯等结构，实现以钠钾合金为液体金属工质的循环，使得热量可以被高效地泵送到热声发动机中。同样地，在热管冷凝段3端部设置气体收集泡15结构，将不凝性气体收集起来，保证热管的高效工作。

实施例三

图6为根据本发明一个优选实施例的一体式热管的示意图，如图6所示，本实施例的结构采用环形一体式热管。液体工质在燃烧器内的多孔介质燃烧后经过热管蒸发段11，并沿热管绝热段7上升进入热声发动机的高温换热器，在高温换热器内冷凝后延环形热管流回燃烧器，构成一个流动环路。热声发动机的惰性气体工质从高温换热器内部流过，通过管壁与气态的钠钾合金发生热交换。在使用时，该环形热管从高温热源处获得热量，在热管的冷凝段3，热管内的蒸汽在其壁面凝结放热，实现热量的交换与传递，并受到重力的作用进行循环流动，热管中的吸热芯等结构可使得导热工质可以循环利用，并保证热量可以被高效地泵送到热声发动机中。气体收集泡16用来收集热管循环使用时产生的不凝性气体，防止其阻碍热管的高效传热，保证热管的正常工作。

本发明提供了一种热管式换热器及包括该热管式换热器的动力装置，通过燃气和空气在多孔介质材料内的混合燃烧，使得烟气与多孔介质材料扩大了换热表面积，强化了传热效果，提高了换热系数，同时采用一体式换热管，将高温热量均匀输送到动力装置的加热器中，实现动力装置中燃料的高效、高温和均匀的换热过程，从而解决了当前直接利用高温烟气加热动力装置导致的加热管易烧坏、换热难以强化的问题，且更便于本热管式换热器及包括该热管式换热器的动力装置的后期装配及安装。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热管式换热器，其特征在于，包括：多孔介质材料、一体式热管和高温换热器；

所述一体式热管包括依次连接的热管冷凝段、热管绝热段和热管蒸发段；所述热管蒸发段嵌入所述多孔介质材料中，所述热管冷凝段嵌入所述高温换热器中。

2.根据权利要求1所述的一种热管式换热器，其特征在于，所述高温换热器内部设有多个换热装置，多个所述换热装置互相平行固定于所述高温换热器的内部，所述热管冷凝段垂直贯穿多个所述换热装置。

3.根据权利要求2所述的一种热管式换热器，其特征在于，所述换热装置为翅片板或气体工质换热管。

4.根据权利要求1所述的一种热管式换热器，其特征在于，所述热管冷凝段的上端部固定连接有气泡收集器，所述气泡收集器和所述热管冷凝段连通。

5.根据权利要求1所述的一种热管式换热器，其特征在于，所述一体式热管的形状为直线形、L形或环形。

6.根据权利要求1所述的一种热管式换热器，其特征在于，所述多孔介质材料为蜂窝陶瓷材料或泡沫陶瓷材料，所述多孔介质材料包括SiC材料。

7.一种包括权利要求1-6任一项所述的热管式换热器的动力装置，其特征在于，还包括主水冷器、回热器、热缓冲管段和次水冷器，所述主水冷器、回热器、高温换热器、热缓冲管段和次水冷器依次连接。

8.根据权利要求7所述的一种动力装置，其特征在于，还包括燃气空气混合装置和预热换热器，多孔介质材料、所述燃气空气混合装置和所述预热换热器依次连接。

9.根据权利要求8所述的一种动力装置，其特征在于，还包括燃气进气管和尾气出气管，所述燃气进气管与所述预热换热器连接，所述多孔介质材料、所述尾气出气管、所述燃气空气混合装置和所述预热换热器依次连接。

10.根据权利要求9所述的一种动力装置，其特征在于，所述燃气进气管包括天然气进气管和空气进气管，所述天然气进气管和所述空气进气管分别与所述预热换热器连接。