CN111504099B - 一种稳流装置尺寸变化的杆翅式环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种稳流装置尺寸变化的杆翅式环路热管，包括蒸发集管、冷凝集管、上升管和回流管，所述上升管内设置稳流装置，所述稳流装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与上升管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆，所述径向杆上设置多根从径向杆向下延伸的翅片；所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱，所述径向杆一端固定在芯柱内，沿着上升管的高度方向，上升管内设置多个稳流装置，从上升管的入口到上升管的出口，稳流装置的翅片的翅片尖部顶点距离翅片所在的径向杆的距离越来越长。本发明通过稳流装置尺寸变化从而进一步实现降噪减震效果，同时也能进一步强化传热。

Description

一种稳流装置尺寸变化的杆翅式环路热管

交叉申请

本发明要求申请号:2017106556912，申请日:2017年08月03日，发明创造名称:一种杆翅式环路热管的优先权，其公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明属于热管领域，尤其涉及一种换热热管。

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。

本申请人在前面的曾经申请过改进上述问题的热管，例如多管式等结构，虽然上述结构在解决上述问题起到了很好地效果，还需要进一步改进。

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换热系数低及其换热不均匀的问题。

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：

一种杆翅式环路热管，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；所述上升管内设置稳流装置，所述稳流装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与上升管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆，所述径向杆上设置多根从径向杆向下延伸的翅片，所述翅片具有尖部，所述尖部朝下。

作为优选，所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱，所述径向杆一端固定在芯柱内。

作为优选，所述上升管内壁设置凹槽，所述稳流装置的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与上升管的内壁对齐。

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稳流装置。

作为优选，所述的三角形翅片是等腰三角形翅片，所述等腰三角形的底边位于径向杆上。

作为优选，等腰三角形的顶角的大小为A，等腰三角形的底边的长度为Y，相邻等腰三角形之间的距离为J，则满足如下要求：

Y/J＝d-a*sin(A)³-b*sin(A)²-c*tan(A)；其中sin是三角函数，a,b,c,d是参数；

0.360<a<0.365,

0.495<b<0.496,

0.084<c<0.085，

0.411<d<0.412，4<A<33°，

0.18<Y/J<0.42。

作为优选，a＝0.363，b＝0.4956，c＝0.0846，d＝0.4114。

作为优选，径向杆为5-10根，所述径向杆之间的夹角都相等。

作为优选，径向杆为8根。

作为优选，等腰三角形的底边的长度为上升管内径的0.02-0.03倍。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明在上升管内设置杆翅式稳流装置，通过杆翅式稳流装置将两相流体分离成液相和汽相，将液相分割成小液团，将汽相分割成小气泡，促使汽相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。

2)本发明通过设置杆翅式稳流装置，相当于在上升管内增加了内翅片，强化了换热，提高了换热效果。

3)本发明因为将汽液两相在上升管的整个横截面位置上进行了分割，避免了仅仅上升管内壁面进行分割，从而在整个上升管截面上实现扩大汽液界面以及汽相边界层与冷却壁面的接触面积并增强扰动，降低了噪音和震动，强化了传热。

4)本发明通过在上升管高度方向上设置相邻稳流装置之间的距离、稳流装置的长度、翅片尺寸等参数大小的规律变化，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

5)本发明通过在径向方向上设置相邻翅片尺寸、间距等参数大小的规律变化，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

6)本发明通过对杆翅式稳流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，实现减振降噪和强化传热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是上升管内截面结构示意图；

图3是图2的A-A截面结构示意图；

图4是是本发明稳流装置优选的等腰三角形实施例示意图；

图5是本发明稳流装置尺寸参数示意图。

图中：1、蒸发集管，2、冷凝集管，3、上升管，4、稳流装置，41芯柱，42径向杆，43翅片，44外壳，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；所述上升管3内设置稳流装置4，所述稳流装置4如图2-4所示，所述稳流装置包括芯体和外壳44，所述芯体设置在外壳44中，所述外壳44与上升管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆42，所述径向杆42上设置多根从径向杆42向下延伸的翅片43，所述翅片43具有尖部，所述尖部朝下。

本发明在上升管3内设置杆翅式稳流装置，与前面的申请相比，主要是通过杆翅式稳流装置的尖部，将两相流体中的上升的液相和汽相进行分离，将上升中的液相分割成小液团，从而促进液相快速吸热进一步变为汽相，同时将上升的汽相分割成小气泡，避免液相和汽相的完全分开，促使上升中液相汽相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，同时还具有强化传热效果。通过实验发现，与前面的申请相比，此结构能够提高15％以上的减振降噪的效果，同时能够提高10％以上的传热效果。

本发明通过设置杆翅式稳流装置，相当于在上升管3内增加了内翅片，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将汽液两相在上升管3的所有横截面位置进行了分割，从而在整个上升管截面上实现汽液界面以及汽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，所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱41，所述径向杆42一端固定在芯柱41内。

通过设置芯柱，能够进一步固定径向杆42。

作为优选，回流管5连接蒸发集管1和冷凝集管2的两侧端部的位置。这样保证流体在冷凝集管2内的流动路径长，能够进一步增加换热时间，提高换热效率。

进一步优选，上升管3为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置稳流装置4。这种方式使得设置稳流装置的上升管的制造简单，成本降低。

作为优选，如图3-4所示，所述翅片43为三角形翅片。因为三角形翅片本身具有三个尖部，这样可以充分利用尖部向下进行稳流作用。

本发明通过设置径向杆以及沿着径向杆向外延伸的三角形翅片，可以进一步增加换热面积，提高换热效果，而且因为设置三角形翅片，通过三角形翅片的类似针状结构的三角形尖部，可以进一步增加扰流，使得流体充分混合，可以进一步的破坏气泡的增大和聚集，提高了换热效果。

进一步优选，径向杆横截面为矩形，优选为正方形。

进一步优选，径向杆横截面为圆形。

作为优选，径向杆的工程直径为芯柱的工程直径的0.21-0.42倍，优选为0.32倍。

作为优选，所述的径向杆为杆状物，从圆心沿着径向一直延伸到冷凝管的内壁。

作为优选，每个径向杆上设置多个三角形翅片，所述的多个三角形翅片是相似形。即不同三角形翅片的三个互相对应的内角相同。

作为优选，所述径向杆为圆杆，其直径为0.7－1.1mm，优选为0.8mm。

作为优选，翅片从圆杆的中心线向下延伸。所述翅片为平板结构。所述平板结构延伸面经过芯柱的中心线，而且平板结构延伸面经过径向杆的中心线。

作为优选，如3，4所示，同一径向杆上设置多个翅片43，所述翅片43为相似形(即翅片具有相同的形状)，从上升管3的芯柱41向径向延伸方向上，同一径向杆上的翅片的尺寸越来越大。即距离芯柱41(即距离上升管中心轴线)的距离为S1，翅片的尺寸为C1，C1是距离S1的函数，即C1＝F₄(S1)，满足如下要求：

C1’>0,，其中C1’是C1的一次导数。

因为换热主要发生在上升管管壁，因此通过增加上升管管壁的翅片43尺寸，使得管壁附近的切割汽相和液相的能力增强，通过重点加强管壁附近的切割能力，能够有针对性的针对具体情况进行降噪减震，从而进一步实现降噪减震效果，同时也能进一步强化传热。

进一步优选，从上升管的芯柱向径向延伸方向上，同一径向杆上的翅片的尺寸越来越大的幅度不断的增加。即C1”>0，其中C1”分别是C1的二次倒数。

通过数值模拟以及实验研究表明，上述的增加幅度的变化，能够进一步实现降噪减震，效果能够调高接近9％。

作为优选，同一径向杆42上设置多个翅片43，从上升管3的芯柱41向径向延伸方向上，所述的翅片43之间的间距不断的减小。所述的翅片之间的间距不断的减小的幅度不断的增加。

即距离芯柱的距离为S1，翅片的间距为J1，J1＝F₅(S1)，满足如下要求：

J1’<0,J1”>0，其中J1’，J1”分别是J1的一次导数和二次倒数。

具体原理同上。因为换热主要发生在上升管管壁，因此通过增加上升管管壁的翅片43的分布，使得管壁附近的切割汽相和液相的能力增强，通过加强管壁附近的降噪减震，从而进一步实现降噪减震效果，同时也能进一步强化传热。

作为优选，三角形的一条底边位于径向杆42上，与该边对应的角的顶点与该边的中点的连线与径向杆形成的夹角为75-135°。主要是通过上述角度的设置，能够使得翅片的尖部最大程度上进行汽液两相的切割，从而进一步提高本发明的效果。

作为优选，该边对应的角的顶点与该边的中点的连线与径向杆形成的夹角为90°

作为优选，如图4所示，所述的三角形翅片是等腰三角形翅片，所述等腰三角形的底边位于径向杆上。

通过分析以及实验得知，翅片43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，翅片的高度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。

等腰三角形的顶角的大小为A，等腰三角形的底边的长度为Y，相邻等腰三角形之间的距离为J，则满足如下要求：

Y/J＝d-a*sin(A)³-b*sin(A)²-c*tan(A)；其中sin是三角函数，a,b,c,d是参数；

0.360<a<0.365,

0.495<b<0.496,

0.084<c<0.085，

0.411<d<0.412，4<A<33°，

0.18<Y/J<0.42。

其中相邻等腰三角形之间的距离J是相邻的三角形底边的中点之间的距离。

作为优选，a＝0.363，b＝0.4956，c＝0.0846，d＝0.4114。

作为优选，5<A<30°。

作为优选，径向杆为5-10根，所述径向杆之间的夹角都相等。

作为优选，径向杆为8根。

作为优选，等腰三角形的底边的长度为上升管内径的0.02-0.03倍。

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，沿着上升管3内流体的流动方向(即图3的高度方向)，上升管3内设置多个稳流装置4，从上升管的入口到上升管的出口，相邻稳流装置之间的距离越来越短。设距离上升管入口的距离为H，相邻稳流装置之间的距离为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稳流装置之间的距离越来越短。

此外，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，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，此时设置的相邻稳流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，相邻稳流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9％左右的震动和噪音，同时提高7％左右的换热效果。

作为优选，每个稳流装置4的长度保持不变。

作为优选，除了相邻的稳流装置4之间的距离外，稳流装置其它的参数(例如长度、管径等)保持不变。

作为优选，沿着上升管3的高度方向，上升管3内设置多个稳流装置4，从上升管3的入口到上升管3的出口，稳流装置4的翅片的高度(即翅片尖部顶点距离翅片所在的径向杆的距离)越来越长。即稳流装置的翅片高度为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，从上升管的入口到上升管的出口，稳流装置的翅片高度越来越长的幅度不断增加。即C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0；

具体理由如相邻稳流装置之间的距离的变化相同。

作为优选，相邻稳流装置之间的距离保持不变。

作为优选，除了稳流装置的长度外，稳流装置其它的参数(例如相邻的间距、管径等)保持不变。

作为优选，沿着上升管3的高度方向，上升管3内设置多个稳流装置，从上升管3的入口到上升管3的出口，不同稳流装置4内的翅片分布密度的越来越大。即稳流装置的翅片分布密度为M，M＝F₃(H)，M’是M的一次导数，满足如下要求：

M’>0；

作为优选，从上升管的入口到上升管的出口，稳流装置的管子直径越来越小的幅度不断增加。即

M”是D的二次导数，满足如下要求：

M”>0。

具体理由如相邻稳流装置之间的距离的变化相同。

作为优选，稳流装置的长度和相邻稳流装置的距离保持不变。

作为优选，除了稳流装置的管子直径外，稳流装置其它的参数(例如长度、相邻稳流装置之间的距离等)保持不变。

相邻稳流装置之间的距离为S，上升管的内径为W，其中稳流装置的间距S是相邻稳流装置相邻的径向杆中心轴线之间的距离。

34mm<W<58mm；

50mm<S<80mm。

作为优选，上升管长度L为3000－5500mm之间。进一步优选，3500－4500mm之间。

进一步优选，40mm<W<50mm；

55mm<S<60mm。

作为优选，S大于翅片的高度的1.4倍。

优选，所述翅片的高度为相邻的径向杆上两个最大的翅片高度的平均值。即第一径向杆上翅片的最高高度和第二径向杆上翅片的最高高度的加权平均。

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。

作为优选，等腰三角形的底边的长度为上升管内径的0.02-0.03倍。

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。

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 (3)

1.一种稳流装置尺寸变化的杆翅式环路热管，包括蒸发集管、冷凝集管、上升管和回流管，所述上升管内设置稳流装置，所述稳流装置包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与上升管内壁连接固定，所述芯体包括从芯体中心向径向延伸的多根径向杆，所述径向杆上设置多根从径向杆向下延伸的翅片；所述芯体包括设置在芯体中心的芯柱，所述径向杆一端固定在芯柱内，其特征在于，沿着上升管的高度方向，上升管内设置多个稳流装置，从上升管的入口到上升管的出口，稳流装置的翅片尖部顶点距离翅片所在的径向杆的距离越来越长。

2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，从上升管的入口到上升管的出口，稳流装置的翅片尖部顶点距离翅片所在的径向杆的距离越来越长的幅度不断的增加。

3.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，所述翅片具有尖部，所述尖部朝下。

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