CN111928704B - 一种两相流体复合换热系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种两相流体复合换热系统，属于机载换热技术领域，包括：用于吸收热源处排散热量的可变换热系数蒸发器和用于排散热量给冷源的可变换热系数冷凝器，蒸发器和冷凝器之间形成有内外循环管路；串联设置的气液存储与分离组件和动力组件，其中，气液存储与分离组件和动力组件之间具有第一流路及第二流路，且气液存储与分离组件和动力组件的串路将蒸发器和冷凝器分置于两侧；多个设置在内循环管路、外循环管路及第一流路、第二流路上的控制阀门；连接多个控制阀门的主控制装置，主控制装置根据接收的冷热源温度及两相流体复合换热系统的状态信息实现多个控制阀门的开度调节。

Description

一种两相流体复合换热系统
技术领域
本申请属于机载换热技术领域，特别涉及一种两相流体复合换热系统。
背景技术
两相流体换热一种通过两相介质(液态与气态，或是液态与固态)所组成的流动系统，两相流体换热具有换热效率高、适应大热流冷却等特点。在机载换热领域，通常采用蒸发循环制冷或泵驱两相流动散热，然而前者功耗较大，而后者适应冷源的温度范围较窄。
此外，蒸发器和冷凝器是换热系统中关键换热设备，当换热设备的结构参数确定时，换热性能也就基本确定了。但实际工作中，由于换热设备两侧的流体参数在实时的变化，可能需要换热设备/换热器的换热性能可调。
发明内容
本申请的目的是提供了一种两相流体复合换热系统，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
本申请的技术方案是：一种两相流体复合换热系统，包括：
用于吸收热源处排散热量的可变换热系数蒸发器和用于排散热量给冷源的可变换热系数冷凝器，所述可变换热系数蒸发器和可变换热系数冷凝器之间形成有内循环管路和外循环管路；
串联设置的气液存储与分离组件和动力组件，其中，所述气液存储与分离组件和动力组件之间具有第一流路及第二流路，且所述气液存储与分离组件和动力组件连接于所述内循环管路而将蒸发器和冷凝器分置于两侧；
多个控制阀门，其设置在所述内循环管路、外循环管路及第一流路、第二流路上，其中，在冷凝器向蒸发器流通的循环管路上设有膨胀阀，以及在蒸发器向冷凝器流通的循环管路设有单向阀；
连接多个控制阀门的主控制装置，所述主控制装置根据接收的冷热源温度及两相流体复合换热系统的状态信息实现多个控制阀门的开度调节。
在本申请一实施例中，所述可变换热系数冷凝器包括：
第一边界壁板、第二边界壁板以及平行设置在第一边界壁板和第二边界壁板之间的中间隔板；
中间隔板与第一边界壁板、第二边界壁板的边缘设有可伸缩的活动隔板，通过所述活动隔板使得中间隔板与第一边界壁板之间形成第一腔、中间隔板与第二边界壁板之间形成第二腔，其中，在所述第一腔内具有开度调节机构而将所述第一腔分割成两部分，中间隔板上设有调节阀门从而将第二腔与第一腔的两个部分进行连通；
压力调节与工质输运装置，通过串联控制阀门分别联通于第二腔和第一腔的任一部分；
辅助控制装置，通连接于控制阀门从而实现所述控制阀门的开度调节。
进一步的，所述可变换热系数蒸发器与所述可变换热系数冷凝器结构相同。
在本申请一实施例中，所述气液存储与分离组件包括：
用于存放液态工质的第一罐体和用于存放气态工质的第二罐体，所述第一罐体上部具有用于容纳气态工质的气态空间，且所述气态空间通过连接接口与第二罐体进行连接，所述第一罐体的下部连接液态工质出口管路，且第一罐体的气态空间引出具有单向阀的液态工质回流管路，所述液态工质回流管路一部分通过气态工质引流管路连接至第二罐体，所述液态工质回流管路另一部分联通至气态工质出口管路；以及
与第一罐体的侧面相切连通的工质入口管路，通过工质入口管路进入第一罐体的工质在第一罐体内实现气液分离。
进一步的，所述气液存储与分离组件还包括：
设置在第一罐体气态空间的气囊；
与所述气囊通过压力调节管进行连接的压力调节机构，通过控制所述压力调节机构来来实现气态空间内的气囊膨胀或伸缩，从而控制所述第一罐体气态空间的压力。
进一步的，所述第二罐体的顶部设有安全阀。
在本申请一实施例中，当所述两相流体换热系统在蒸发循环制冷状态时，所述动力组件从气液存储与分离组件中吸入气态工质，对气态工质加压；当所述两相流体换热系统在流动散热状态时，所述动力组件从气液存储与分离组件中吸入液态工质，对液态工质加压。
在本申请一实施例中，所述控制装置与控制阀门通过有线或无线的方式进行驱动控制。
本申请的两相流体复合换热系统具有蒸发循环制冷与泵驱两相流动散热两种工作状态，其可以根据冷源、热源、系统状态信息等参数调节系统运行，将蒸发循环制冷与泵驱两相流动散热的优势互补。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请的两相流体复合换热系统示意图。
图2为本申请的两相流体复合换热系统示意图。
图3为本申请的两相流体复合换热系统示意图。
图4为本申请的两相流体复合换热系统示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
为了克服现有技术中的缺点，如图1所示，本申请提供了一种两相流体复合换热系统，所述主要两相流体复合换热系统主要包括：动力组件1、蒸发器2、冷凝器3、气液存储与分离组件4、膨胀阀5、单向阀8、主控制装置9、控制阀门11-14、21-25。
其中，蒸发器2用于吸收热源处排散的热量，而冷凝器3用于将热量排散给冷源。
本申请中蒸发器2与冷凝器3均为换热系数可变的换热装置。
下面以图2所示的冷凝器3为例进行说明，可变换热系数的冷凝器3主要包括：第一边界壁板313、第二边界壁板315、中间隔板314以及活动隔板307-310、压力调节与工质输运装置302和控制阀门303/304等。
第一边界壁板313、中间隔板314、第二边界壁板315构成换热装置的主要隔板，而中间隔板314大致的平行于第一边界壁板313或是第二边界壁板315，且处于两边界壁板之间。换热系统内的工质通过第二边界壁板315与外界的冷源或热源实现换热。
活动隔板307、308、309、310具有可伸缩变形的特性，例如其可以采用弹性伸缩材料制成，或是采用折线弹性结构。活动隔板307、308、309、310分别安装在中间隔板314与第一边界壁板313和第二边界壁板315的边缘部位，使得第一边界壁板313与中间隔板314之间和中间隔板314与第二边界壁板315之间的空间能够形成间距可变的第一腔和第二腔。第一腔内具有开度调节机构311，其将第一腔分割成了两个腔。开度调节机构311根据第一边界壁板313与中间隔板314之间的间距变化可开启或关闭。
在开度调节机构311张开或闭合时，第一腔的两个腔能够实现连通与封闭。同时，在中间隔板314上设有两个调节阀门312，调节阀门312可根据两侧压差变化而开启或关闭。通过两个调节阀门312可以使得第二腔能够与第一腔的两个分腔进行连通。
需要说明的是，本申请中的活动隔板307、308、309、310采用导热系数较小的材料制成。
压力调节与工质输运装置302分别通过管路与第二腔和第一腔连通，在管路上分别串接有控制阀门304和控制阀门303，通过控制阀门304的开闭，可以压力调节与工质输运装置302从管路抽吸第二腔内的工质，并通过控制阀门303开闭，使压力调节与工质输运装置302抽吸的工质输运到工质入口305，从而实现中间隔板314向上移动，如图3所示。其中，工质入口305可以用来引入来流工质，工质出口306将换热后的工质排出。
可以理解是，中间隔板314即可以向上移动，其同样也可以向下移动。压力调节与工质输运装置302通过控制阀门303所在管路抽吸第一腔内的工质，并通过控制阀门304所在管路将工质输运到第二腔内，即可实现中间隔板314的向下移动。
辅助控制装置301连接于控制阀门303、304及压力调节与工质输运装置302，其可以用来控制压力调节与工质输运装置302的运行状态(即抽吸方向)、控制阀门303/304的开启与关闭。
需要说明的是，本申请中的辅助控制装置301可以与主控制装置9合并，即采用一个控制装置进行控制。
需要说明的是，蒸发器2与冷凝器3除了可以是本申请中的上述换热系数可变的换热结构，还可以是普通的板翅式或套管式等形式的换热器/换热结构。
本申请中，动力组件1用于为两相流体复合换热系统提供动力，当气液存储与分离组件4和动力组件1之间的第一流路6通过气态工质时，对气态工质加压，当通过第二流路7提供液态工质时，对液态工质加压。
如图4所示，本申请中的气液存储与分离组件4用于对于来流工质进行快速的气液分离与气液存储，以使换热系统适应处于振动等运动状态。
本申请的气液存储与分离组件4主要组成包括：第一罐体401、第二罐体403及管路等。
第一罐体401主要用于存放液态工质，其上部有较小空间是气态工质。第二罐体403用于存放气态工质，第一罐体401与第二罐体403之间通过连接接口402进行连接。
工质入口管路404用于引入来流工质，其与第一罐体401的侧面相切设置，利用离心力作用，使得来流工质进入第一罐体401后迅速的实现气液分离。
液态工质出口管路405位于第一罐体401的下部，用于引出液态工质，其与第二流路7相接。
气态工质出口管路406自第一罐体401上部的较小空间角度向上引出，其一岔路与第一流路6相接，另一岔路与液态工质回流管路407相接，液态工质回流管路407通过气态工质引流管路408相接于第二罐体403上的弯管409，其中气态工质引流管路408深入第二罐体403内部，与弯管409相接，弯管409与气态工质引流管路408成一定角度，液态工质回流管路407一端与气态工质出口管路406、气态工质引流管路408相接，另一端与第一罐体401相接，液态工质回流管路407上设置单向阀413，只允许流体由液态工质回流管路407与气态工质出口管路406、气态工质引流管路408的相接处向第一罐体401内流动。
另外，第一罐体401上部的较小气态空间内设置气囊410，气囊410通过压力调节管路411与压力调节机构412连接，压力调节机构412受主控制装置9控制。通过控制气囊410的膨胀与收缩，可以控制第一罐体401内的气压。
在本申请中，气液存储与分离组件4中设置安全阀414。
控制阀门11-14/21-25安装于蒸发器2与冷凝器3之间的循环管路上和气液存储与分离组件4与动力组件1之间的流路上，通过主控制装置9能够控制其开启与关闭。
膨胀阀5设置在控制阀门24/25之间的管路上，在换热系统按照蒸发循环制冷状态运行时工作，在换热系统按照泵驱两相流动散热状态运行时停止工作。其中，控制阀门24-25分别串联在膨胀阀5进出口的管路上，通过控制阀门24-25的开启与关闭可以控制膨胀阀5支路是否工作。
第一流路6与气液存储与分离组件4的气态工质出口管路406相接，第二流路7与气液存储与分离组件4的液态工质出口管路405相接。
另外，单向阀8安装于泵驱两相流动散热状态运行时，蒸发器2出口到冷凝器3入口之间的管路上。
主控制装置9采集冷源、热源和换热系统状态信息等参数，根据相关参数控制动力组件1对气态工质的加压或停止和对液态工质的加压或停止、控制气液存储与分离组件4中压力调节机构412的调压状态、调节控制阀门11-14/21-25的开启与关闭。
本申请的两相流复合换热系统整体的换热过程如下：
1)当热源所维持的温度高于冷源的温度时，换热系统按泵驱两相流动散热状态运行，主控制装置9控制控制阀门11-14打开，控制控制阀门21-25关闭，动力组件1对液态工质加压，通过第二流路7吸收气液存储与分离组件4内的液态工质，液态工质经加压后通过管路进入蒸发器2内，吸收热源产生的热量，变成气液两相状态，而后通过管路进入冷凝器3中，经冷源冷却，气态逐渐变为液态，最后通过管路进入气液存储与分离组件4中；
2)当热源所维持的温度低于冷源的温度时，换热系统按蒸发循环制冷状态运行，主控制装置9控制控制阀门21-25打开，控制控制阀门11-14关闭，动力组件1对气态工质加压，通过第一流路6吸收气液存储与分离组件4内的气态工质，气态工质经过动力组件1后变成高温高压气态，通过管路进入冷凝器3中，经冷源散热后逐渐变为液态，通过管路进入膨胀阀5中，经节流后变为低温低压状态，通过管路进入蒸发器2中，吸收热源产生的热量，最后通过管路进入气液存储与分离组件4中。
如图2和图3所示为本申请中的冷凝器3/蒸发器2为换热系数可变的换热装置工作过程示意图，具体过程如下：
1)正常换热状态下，辅助控制装置301控制控制阀门303-304关闭，压力调节与工质输运装置302停止运行，开度调节机构311关闭，两调节阀门312开启，工质从工质入口305进入冷凝器3内，按图2箭头所示方向进行流动，经第二边界壁板315与冷源或热源换热，最后经工质出口306流出换热装置；
2)当需要降低工质与冷源或热源的换热时，辅助控制装置301控制控制阀门303-304打开，压力调节与工质输运装置302运行，通过控制阀门304所在支路管道从中间隔板314与第二边界壁板315之间的空间抽吸工质，送入工质入口305处，中间隔板314与第二边界壁板315之间的空间负压逐渐增大，调节阀门312在两侧压差作用下关闭，活动隔板309与活动隔板310缩小，活动隔板307与活动隔板308增大，开度调节机构311打开，此时状态如图3所示，工质按图3中箭头所示方向进行流动，中间隔板314与第二边界壁板315之间接近真空，工质与第二边界壁板315外的冷源或热源换热降低；
3)当需要恢复工质与冷源或热源的换热时，辅助控制装置301控制控制阀门303-304打开，压力调节与工质输运装置302反向运行，从工质入口305处抽吸工质，送入中间隔板314与第二边界壁板315之间的空间，调节阀门312在两侧压差作用下打开，中间隔板314与第二边界壁板315之间的真空状态被破坏，活动隔板309与活动隔板310增大，活动隔板307与活动隔板308缩小，开度调节机构311关闭，换热装置恢复到图2所示状态，工质与冷源或热源的换热作用增强。
需要说明的是，图2和图3中所示为上下两个腔体，即第一边界壁板313与中间隔板314之间的第一腔体和中间隔板314与第二边界壁板315之间的第二腔体。根据换热效率及需求，可增设为多个腔体或环形换热系统等其他利用空间压力变化调节工质与冷源或热源换热系数的换热系统。
最后，如图4所示为本申请中的气液存储与分离组件4的工作过程如下：：
1)正常工作状态下，工质入口管路404与第一罐体401侧面相切，进入第一罐体401中的工质在离心力作用下迅速进行气液分离，液态工质通过液态工质出口管路405流出气液存储与分离组件4，气态工质通过气态工质出口管路406流出气液存储与分离组件4；
2)当换热系统处于振动等运动状态时，且若此时换热系统按蒸发循环制冷状态运行，通过气态工质出口管路406、气态工质引流管路408、弯管409之间的构造关系、角度关系、第一罐体401与第二罐体403之间的相对大小关系，保证液态工质难以进入气态工质出口管路406中，即使有少量液态工质进入气态工质出口管路406，则通过液态工质回流管路407使液态工质回流到第一罐体401中，单向阀413避免第一罐体401内的液态工质流入气态工质出口管路406中，最终保证气态工质出口管路406始终输出气态工质；
3)当换热系统处于振动等运动状态时，且若此时换热系统按泵驱两相流动散热状态运行，则主控制装置9控制压力调节机构412通过压力调节管路411对气囊410加压，将连接接口402堵住，避免第一罐体401中的液态工质流入第二罐体403中，同时增大第一罐体401内压力，保证第一罐体401内完全为液体状态，进而保证液态工质出口管路405始终输出液态工质；
4)当换热系统处于超压状态时，通过安全阀414进行泄压；
5)当换热系统处于振动等运动状态时，需要气液分离、储液等装置稳定运行
本申请中提供的两相流体复合换热系统是一种具有蒸发循环制冷与泵驱两相流动散热两种工作状态的换热系统，其可以根据冷源、热源、换热系统状态信息等参数而调节换热系统运行，将蒸发循环制冷与泵驱两相流动散热的优势互补。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种两相流体复合换热系统，其特征在于，包括：
用于吸收热源处排散热量的可变换热系数蒸发器和用于排散热量给冷源的可变换热系数冷凝器，所述可变换热系数蒸发器和可变换热系数冷凝器之间形成有内循环管路和外循环管路；
串联设置的气液存储与分离组件和动力组件，其中，所述气液存储与分离组件和动力组件之间具有第一流路及第二流路，且所述气液存储与分离组件和动力组件连接于所述内循环管路而将蒸发器和冷凝器分置于两侧；
多个控制阀门，其设置在所述内循环管路、外循环管路及第一流路、第二流路上，其中，在冷凝器向蒸发器流通的循环管路上设有膨胀阀，以及在蒸发器向冷凝器流通的循环管路设有单向阀；
连接多个控制阀门的主控制装置，所述主控制装置根据接收的冷热源温度及两相流体复合换热系统的状态信息实现多个控制阀门的开度调节；
当所述两相流体换热系统在蒸发循环制冷状态时，所述动力组件从气液存储与分离组件中吸入气态工质，对气态工质加压；当所述两相流体换热系统在流动散热状态时，所述动力组件从气液存储与分离组件中吸入液态工质，对液态工质加压。
2.如权利要求1所述的两相流体复合换热系统，其特征在于，所述可变换热系数冷凝器包括：
第一边界壁板、第二边界壁板以及平行设置在第一边界壁板和第二边界壁板之间的中间隔板；
中间隔板与第一边界壁板、第二边界壁板的边缘设有可伸缩的活动隔板，通过所述活动隔板使得中间隔板与第一边界壁板之间形成第一腔、中间隔板与第二边界壁板之间形成第二腔，其中，在所述第一腔内具有开度调节机构而将所述第一腔分割成两部分，中间隔板上设有调节阀门从而将第二腔与第一腔的两个部分进行连通；
压力调节与工质输运装置，通过串联控制阀门分别联通于第二腔和第一腔的任一部分；
辅助控制装置，通连接于控制阀门从而实现所述控制阀门的开度调节。
3.如权利要求2所述的两相流体复合换热系统，其特征在于，所述可变换热系数蒸发器与所述可变换热系数冷凝器结构相同。
4.如权利要求1所述的两相流体复合换热系统，其特征在于，所述气液存储与分离组件包括：
用于存放液态工质的第一罐体和用于存放气态工质的第二罐体，所述第一罐体上部具有用于容纳气态工质的气态空间，且所述气态空间通过连接接口与第二罐体进行连接，所述第一罐体的下部连接液态工质出口管路，且第一罐体的气态空间引出具有单向阀的液态工质回流管路，所述液态工质回流管路一部分通过气态工质引流管路连接至第二罐体，所述液态工质回流管路另一部分联通至气态工质出口管路；以及
与第一罐体的侧面相切连通的工质入口管路，通过工质入口管路进入第一罐体的工质在第一罐体内实现气液分离。
5.如权利要求4所述的两相流体复合换热系统，其特征在于，所述气液存储与分离组件还包括：
设置在第一罐体气态空间的气囊；
与所述气囊通过压力调节管进行连接的压力调节机构，通过控制所述压力调节机构来实现气态空间内的气囊膨胀或伸缩，从而控制所述第一罐体气态空间的压力。
6.如权利要求4所述的两相流体复合换热系统，其特征在于，所述第二罐体的顶部设有安全阀。
7.如权利要求1所述的两相流体复合换热系统，其特征在于，所述控制装置与控制阀门通过有线或无线的方式进行驱动控制。
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