CN111895828B

CN111895828B - 一种具有均温结构的曲面散热水箱

Info

Publication number: CN111895828B
Application number: CN202010692017.3A
Authority: CN
Inventors: 韩菲; 匡以武; 陈熹挺; 余欣; 王文; 鲜麟; 周科; 冉旭
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN111895828A

Abstract

本发明公开了一种具有均温结构的曲面散热水箱，涉及换热器件技术领域，包括曲面水箱以及设置于所述曲面水箱内部的均温结构，其特征在于，所述均温结构包括：翅片，所述翅片设置在所述曲面水箱的内壁面上，所述翅片沿着通过所述曲面水箱的球心的垂直截面纵向布置，与所述曲面水箱的形状与曲率相匹配；热管，所述热管沿着通过所述曲面水箱的球心的垂直截面纵向布置有多层；所述热管包括：蒸发段，所述蒸发段的一端固定于所述曲面水箱的内壁上，另一端延伸至所述曲面水箱的中部；冷凝段，所述冷凝段贴附于所述曲面水箱的内壁面上，曲率与所述曲面水箱的壁面曲率相匹配。

Description

一种具有均温结构的曲面散热水箱

技术领域

本发明涉及换热器件技术领域，尤其涉及一种具有均温结构的曲面散热水箱。

背景技术

在换热器件技术领域，水箱作为一种蓄热、传热装置能够吸收太阳辐射并贮存热量，作为换料水箱可释放反应堆芯余热，因此，被广泛应用于空调、蓄热、核电等领域。水箱作为传热过程中的重要环节，其性能的好坏将影响系统整体的效能以及安全性，所以对于水箱性能的研究非常重要。

通常，有热阱功能的水箱中内置有换热装置，换热装置通过自然对流向水箱中的水散出热量，水箱中的水在换热装置处被加热在水箱壁面的低温区域放热，冷热流体密度差导致水流动驱动压头，在水箱内建立起自然对流循环，从而将热量传递给水箱壁面，最终将热量散至水箱所处的最终热阱中。由于对换热器出口水温存在最高温度的要求，水箱必须保证一定的散热能力；在特定条件下，若水箱中内置的换热器释放热流密度较大，会导致水箱内局部水温急剧上升甚至产生沸腾，一定时间内沸腾产生的蒸汽会使密闭水箱内压力上升，如果水箱无法在有限时间内将换热器释放出的热量传递至最终热阱，水箱内蒸汽则会处于高温高压状态，系统安全性无法保证。因此，提高水箱散热能力是保证系统安全性的必要条件，在水箱内增加强化换热结构是提高水箱散热能力的有效方法。

现有水箱结构并未考虑被动运行的强化换热措施，在特定条件下无法保证系统的安全性。因此，本领域的技术人员致力于开发一种具有均温结构的曲面散热水箱，来削弱水箱中的热分层，降低换热热阻，提升水箱的换热能力，以保证水箱的安全性。

发明内容

通过对传热过程的分析来看，在热量由换热器中工质向最终热阱传递的过程中，水箱内、外壁面的传热热阻占比较大，在热阻较大的环节采取相应措施降低热阻将能有效提高水箱的整体换热能力。

如果水箱内的对流换热是被动式换热模式，水箱内的均温结构需根据水体自然对流为主的运行方式确定换热结构，因此，一方面可以通过增大换热面积来提高换热能力，另一方面采用高导热非能动传热器件，如热管，来提高换热效率。通过对传热过程的分析来看，在热量由换热器中工质向最终热阱传递的过程中，水箱内、外壁面的传热热阻占比较大，在热阻较大的环节采取相应措施降低热阻将能有效提高水箱的整体换热能力。

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种具有均温结构的曲面散热水箱，通过热管和翅片等高效导热装置削弱水箱中的热分层现象，实现增加换热面积与减小换热热阻的效果，从而提高曲面水箱的换热能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有均温结构的曲面散热水箱，包括曲面水箱以及设置于所述曲面水箱内部的均温结构，所述均温结构包括：

翅片，所述翅片设置在所述曲面水箱的内壁面上，所述翅片沿着通过所述曲面水箱的球心的垂直截面纵向布置，与所述曲面水箱的形状与曲率相匹配；

热管，所述热管沿着通过所述曲面水箱的球心的垂直截面纵向布置有多层；

所述热管包括：

蒸发段，所述蒸发段的一端固定于所述曲面水箱的内壁上，另一端延伸至所述曲面水箱的中部；

冷凝段，所述冷凝段贴附于所述曲面水箱的内壁面上，曲率与所述曲面水箱的壁面曲率相匹配。

进一步地，所述翅片分为多段结构，每段均布置在所述曲面水箱的赤道面上部。

进一步地，所述翅片为条形翅片。

进一步地，所述翅片包括若干片，沿所述曲面水箱的赤道面呈弧形阵列均匀排布。

进一步地，所述热管采用水、氨、或R134a作为工作介质。

进一步地，所述热管包括若干根，沿所述曲面水箱的赤道面呈弧形阵列均匀排布。

进一步地，所述每层热管的所述蒸发段与所述翅片的对应段在高度上相对应。

进一步地，所述每片翅片与所述每根热管在所述曲面水箱的内壁面上沿赤道面相间交替阵列布置。

进一步地，所述翅片的个数为2～6个；所述翅片的高度为所述曲面水箱的直径的1/20，所述翅片的厚度为所述翅片的高度的1/10，所述翅片的每一段的弧长与所述翅片的每一段所在层数相关。

进一步地，所述热管的个数为4～8个；所述热管的管外径为15mm～20mm，所述热管的管壁厚度为1mm～2mm；所述冷凝段为弧形，所述冷凝段的长度与所述翅片的长度相等；所述蒸发段与所述冷凝段的夹角为90°～110°，所述蒸发段的长度为所述曲面水箱的直径的1/2。

本发明实施例提供的技术方案至少具有以下有益效果：

1、通过在曲面水箱内壁面采用适当排布的翅片能够增加换热面积，减小水箱内壁面的换热热阻，有利于提高水箱对外散热能力。

2、通过热管中介质相变的快速热传递特性使其具有极高的传热性能，在外界条件达到运行条件时即可触发工作，并且其结构简单、非能动的特点给系统的安全性和稳定性提供了保证。热管的应用能够极大的提升水箱的传热能力，有效削弱水箱内的温度分层现象，保证水箱的固有安全。

3、翅片与热管具有不同的强化换热方式，曲面水箱上部流动以自然对流循环为主，水流以较大流速向下冲刷曲面水箱内壁面，因此上部翅片以增加换热面积强化对流换热为主；水箱下部对流强度极弱，几乎为死区，对流换热效果极差，而热管蒸发段位于水箱下部，冷凝段紧贴水箱上部壁面，可将水箱下部的热量快速高效传递至水箱壁面，散至最终热阱，削弱热分层。翅片与热管通过两种途径强化水箱的散热能力，能够起到极好的强化换热效果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的透视图；

图2是图1所示较佳实施例的主视图；

图3是图1所示较佳实施例的翅片透视图；

图4是图1所示较佳实施例的热管透视图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1和图2所示，为本发明实施例所提供的一种具有均温结构的曲面散热水箱，包括曲面水箱10以及设置于曲面水箱10内部的均温结构，均温结构包括：

翅片20，翅片20设置在曲面水箱10的内壁面上，翅片20沿着通过曲面水箱10的球心的垂直截面纵向布置，与曲面水箱10的形状与曲率相匹配；

热管30，热管30沿着通过曲面水箱10的球心的垂直截面纵向布置有多层；

热管30包括：

蒸发段，蒸发段的一端固定于曲面水箱10的内壁上，另一端延伸至曲面水箱10的中部；

冷凝段，冷凝段贴附于曲面水箱10的内壁面上，曲率与曲面水箱10的壁面曲率相匹配。

一方面，曲面水箱10中的水吸收热源热量后通过对流换热传递给翅片20，另一方面水将吸收的热量传递给热管30的蒸发段，将热量输运至冷凝段后通过曲面水箱10的内壁面散至最终热阱。均温结构降低了水箱内壁面的换热热阻，并削弱了水箱内的热分层现象，从而提高水箱的散热能力。

翅片20分为多段结构，每段均布置在曲面水箱10的赤道面上部。

如图3所示，翅片20分为3段。

其中，翅片20为条形翅片。

其中，翅片20包括有若干片，沿曲面水箱的赤道面呈弧形阵列均匀排布。

热管30采用水、氨、或R134a作为工作介质。

热管30有多层，沿着通过曲面水箱10的球心的垂直截面纵向布置，每层热管的蒸发段与翅片20的对应段在高度上相对应。

如图4所示，热管30沿着通过曲面水箱10的球心的垂直截面纵向布置3层，3层热管的蒸发段分别与翅片20的3段结构在高度上相对应。

热管30包括若干根，沿曲面水箱10的赤道面呈弧形阵列均匀排布。

每片翅片20与每根热管30在曲面水箱10的内壁面上沿赤道面相间交替阵列布置。

翅片20的个数为2～6个；翅片20的高度为曲面水箱10的直径的1/20，翅片20的厚度为翅片20的高度的1/10，翅片20的每一段的弧长与翅片20的每一段所在层数相关。

热管30的个数为4～8个；热管30的管外径为15mm～20mm，热管30的管壁厚度为1mm～2mm；冷凝段为弧形，冷凝段的长度与翅片20的长度相等；蒸发段与冷凝段的夹角为90°～110°，蒸发段的长度为曲面水箱10的直径的1/2。

具体到图1和图2中，曲面水箱的直径为2m，翅片20个数为4个，相邻条形翅片20间的夹角为36°。翅片20的厚度为8mm，高度为80mm，每段翅片20的弧长对应的圆心角由上至下分别为24°、17°、15°，中间间隔弧长所对应的圆心角为3°。

热管30的个数为5个，相邻热管30间的夹角为36°。热管30的管外径为20mm，管壁厚度为1mm，弧形冷凝段所对应的圆心角由第一层至第三层分别为24°、17°、15°，蒸发段与冷凝段夹角由第一层至第三层分别为95°、100°、105°，蒸发段的长度为1mm～1.5mm。热管30的蒸发段通过焊接固定在曲面水箱内壁，条形翅片20通过氩弧焊满焊在曲面水箱内壁面。

曲面水箱10中的水吸收水箱中换热装置散出热量后，温差导致的密度差产生驱动压头，使水箱中的水发生自然对流，在水箱内建立起流动循环。由于换热器处于水箱中上部，因此水箱上部流动以自然对流循环为主，水流以较大流速向下冲刷曲面水箱内壁面，上部翅片20一方面增加了对流换热的换热面积，另一方面增加了对水流冲刷的扰动，减小了水箱内壁的传热热阻；而水箱下部对流强度极弱，几乎为死区，对流换热效果极差，热管30的蒸发段位于水箱下部，吸收水箱下部水的热量，当热管30内部工质达到沸点后热管开始工作，工质沸腾转化为气态流动至热管冷凝段。由于冷凝段紧贴水箱上部壁面，气态工质被冷凝释放汽化潜热至曲面水箱10的内壁面并传递至最终热阱，被液化的工质在重力的作用下流动至蒸发段重新进行循环。热管30可将水箱下部的热量快速高效地传递至水箱壁面，从而削弱水箱内部的热分层现象，提高换热效率。翅片20与热管30通过两种途径强化水箱的散热能力，能够起到极好的强化换热效果。

通过对增加强化换热结构的水箱与没有强化换热结构的水箱进行热阻分析计算后表明，本发明实施例的换热效果得到大幅提高，在换热器入口水温相同的情况下，换热量提升14％。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种具有均温结构的曲面散热水箱，包括曲面水箱以及设置于所述曲面水箱内部的均温结构，其特征在于，所述均温结构包括：

所述热管包括：

2.如权利要求1所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述翅片分为多段结构，每段均布置在所述曲面水箱的赤道面上部。

3.如权利要求1所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述翅片为条形翅片。

4.如权利要求2所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述翅片包括若干片，沿所述曲面水箱的赤道面呈弧形阵列均匀排布。

5.如权利要求1所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述热管采用水、氨、或R134a作为工作介质。

6.如权利要求4所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述热管包括若干根，沿所述曲面水箱的赤道面呈弧形阵列均匀排布。

7.如权利要求6所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述每层热管的所述蒸发段与所述翅片的对应段在高度上相对应。

8.如权利要求6所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述每片翅片与所述每根热管在所述曲面水箱的内壁面上沿赤道面相间交替阵列布置。

9.如权利要求8所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述翅片的个数为2～6个；所述翅片的高度为所述曲面水箱的直径的1/20，所述翅片的厚度为所述翅片的高度的1/10，所述翅片的每一段的弧长与所述翅片的每一段所在层数相关。

10.如权利要求8所述的具有均温结构的曲面散热水箱，其特征在于，所述热管的个数为4～8个；所述热管的管外径为15mm～20mm，所述热管的管壁厚度为1mm～2mm；所述冷凝段为弧形，所述冷凝段的长度与所述翅片的长度相等；所述蒸发段与所述冷凝段的夹角为90°～110°，所述蒸发段的长度为所述曲面水箱的直径的1/2。