CN112146493B - 一种镜像对称的水控振动环路热管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环路热管，包括中部蒸发管、左集管、右集管和管组，所述管组包括左管组和右管组，左管组与左集管和中部蒸发管相连通，右管组与右集管和中部蒸发管相连通，从而使得中部蒸发管、左集管、右集管和管组形成加热流体封闭循环，热源设置在中部蒸发管内，中部蒸发管内部设置液位感知元件，用于检测中部蒸发管内的流体的液位，所述液位感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的流体的液位来控制热源是否进行加热，从而控制管组振动。本发明环路热管在根据液位控制热源进行加热，能够实现弹性换热管周期性的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及换热效果。

Description

一种镜像对称的水控振动环路热管

技术领域

本发明涉及一种环路热管，尤其涉及一种弹性震动振动除垢式环路热管。

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。

目前的热管，尤其是多管路的环路热管，例如如图1所述的环路热管，包括双集管，一个集管蒸发，一个集管冷凝，从而形成振动除垢式热管。从而提高了热管的换热效率，减少结垢。但是上述的热管的换热均匀度不够，仅仅在一侧进行冷凝，而且换热量也少，因此需要进行改进，开发一种新式结构的热管系统。

但是在应用中发现，持续性的热源的加热会导致内部电加热装置的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致盘管振动性能大大减弱，从而影响盘管的除垢以及加热的效率。

但是，在实践中发现，通过固定性周期性变化来调整管束的振动，会出现滞后性以及周期会出现过长或者过短的情况。因此本发明对前面的申请进行了改进，对振动进行智能型控制，从而使得内部的流体能够实现的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及加热效果。

本申请是对在先多个单位共同研发的项目的改进。

发明内容

本发明针对现有技术中弹性的不足，提供一种新式结构的弹性热管。该弹性热管能够提高除垢以及换热效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种环路热管，包括中部蒸发管、左集管、右集管和管组，所述管组包括左管组和右管组，左管组与左集管和中部蒸发管相连通，右管组与右集管和中部蒸发管相连通，从而使得中部蒸发管、左集管、右集管和管组形成加热流体封闭循环，热源设置在中部蒸发管内，中部蒸发管内部设置液位感知元件，用于检测中部蒸发管内的流体的液位，所述液位感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的流体的液位来控制热源是否进行加热，从而控制管组振动。

作为优选，如果液位感知元件检测的液位低于一定数值，控制器控制热源停止加热。液位感知元件检测的液位高于一定数值，则控制器控制热源进行加热。

作为优选，所述管组为多个，每个管组包括圆弧形的多根弧形管，相邻弧形管的端部连通，使多根弧形管形成串联结构，并且使得弧形管的端部形成弧形管自由端；中部蒸发管包括第一管口和第二管口，第一管口连接左管组的入口，第二管口连接右管组的入口，左管组的出口连接左集管，右管组的出口连接右集管；所述第一出口和第二出口设置在中部蒸发管一侧；左管组和右管组沿着中部蒸发管的轴心所在的面镜像对称。

作为优选，所述左管组的弧形管是以左集管的轴线为圆心分布，所述右管组的弧形管是以右集管的轴线为圆心分布。

作为优选，左管组和右管组沿着中部蒸发管的轴心所在的面镜像对称。

作为优选，中部蒸发管的中心与左集管的中心之间的距离等于中部蒸发管的中心与右集管1的中心之间的距离，为L，左集管的管径、中部蒸发管的管径、右集管的半径为R，弧形管中最内侧弧形管的轴线的半径为R1,最外侧弧形管的轴线的半径为R2,则满足如下要求：

R1/R2＝a*Ln(R/L)+b；其中a,b是参数，其中0.6212<a<0.6216，1.300<b<1.301。

作为优选，沿着中部蒸发管的高度方向，所述同一侧管组设置为多个，从上向下方向，同一侧管组的管径不断变小。

本发明具有如下优点：

1、本发明环路热管在根据液位控制热源进行加热，能够实现弹性换热管周期性的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及换热效果。

2、本发明通过高度方向上的管组管径以及间距分布的设置，可以进一步提高加热效率。

3、本发明通过高度方向上的管组管径以及间距分布的设置，可以进一步提高加热效率。

4、本发明通过大量的实验和数值模拟，优化了环路热管的参数的最佳关系，从而实现最优的加热效率。

5、本发明设计了一种新式结构的多环路热管三角形的布局图，并对布局的结构参数进行了优化，通过上述布局可以进一步提高加热效率。

附图说明：

图1为本发明环路热管的俯视图。

图2为本发明环路热管的主视图。

图3是本发明环路热管另一个实施例的主视图。

图4是本发明环路热管的尺寸结构示意图。

图5是本发明环路热管在圆形截面加热器中的布局示意图。

图6是控制流程示意图。

图中：1、管组，左管组11、右管组12、21、左集管，22，右集管，3、自由端，4、自由端，5、自由端，6、自由端，7、弧形管，8、中部蒸发管，9、热源，10第一管口，13第二管口，左回流管14，右回流管15

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，一种环路热管，包括中部蒸发管8、左集管21、右集管22和管组1，所述管组1包括左管组11和右管组12，左管组11与左集管21和中部蒸发管8相连通，右管组12与右集管22和中部蒸发管8相连通，从而使得中部蒸发管8、左集管21、右集管22和管组1形成加热流体封闭循环，中部蒸发管8内填充相变流体，热源9设置在中部蒸发管8内，每个管组1包括圆弧形的多根弧形管7，相邻弧形管7的端部连通，使多根弧形管7形成串联结构，并且使得弧形管7的端部形成弧形管自由端3-6；中部蒸发管包括第一管口10和第二管口13，第一管口10连接左管组11的入口，第二管口13连接右管组12的入口，左管组11的出口连接左集管21，右管组12的出口连接右集管22；所述第一管口10和第二管口13设置在在中部蒸发管8一侧。左管组和右管组沿着中部蒸发管的轴心所在的面镜像对称。

作为优选，所述左集管21与中部蒸发管8之间设置左回流管14，所述右集管22与中部蒸发管8之间设置右回流管14。作为优选，所述回流管设置在底部。

所述流体在中部蒸发管8进行加热蒸发，沿着弧形管束向左右两个集管21、22流动，流体受热后会产生体积膨胀，从而形成蒸汽，而蒸汽的体积远远大于水，因此形成的蒸汽会在盘管内进行快速冲击式的流动。因为体积膨胀以及蒸汽的流动，能够诱导弧形管自由端产生振动，换热管自由端在振动的过程中将该振动传递至周围换热流体，流体也会相互之间产生扰动，从而使得周围的换热流体形成扰流，破坏边界层，从而实现强化传热的目的。流体在左右集管冷凝放热后又通过回流管回流到中部蒸发管。

本发明通过对现有技术进行改进，将冷凝集管和管组分别设置为左右分布的两个，使得左右两侧分布的管组都能进行振动换热除垢，从而扩大换热振动的区域，越能够使的振动更加均匀，换热效果更加均匀，增加换热面积，强化换热和除垢效果。

作为优选，所述左管组的弧形管是以左集管的轴线为圆心分布，所述右管组的弧形管是以右集管的轴线为圆心分布。通过将左右集管设置为圆心，可以更好的保证弧形管的分布，使得振动和加热均匀。

作为优选，所述管组为多个。

作为优选，左管组和右管组沿着中部蒸发管的轴心所在的面镜像对称。通过如此设置，能够使得换热的弧形管分布更加合理均匀，提高换热效果。

作为优选，所述集管8、21、22沿着高度方向上设置。

作为优选，左管组21和右管组22在高度方向上错列分布，如图2所示。通过错列分布，能够使得在不同高度上进行振动换热和除垢，使得振动更加均匀，强化换热和除垢效果。

作为优选，沿着中部蒸发管8的高度方向，所述管组2(例如同一侧(左侧或者右侧))设置为多个，从上向下方向，管组2(例如同一侧(左侧或者右侧))的管径不断变小。

作为优选，沿着中部蒸发管8的从上向下方向，管组(例如同一侧(左侧或者右侧))的弧形管管径不断变小的幅度不断的增加。

通过管组的管径幅度增加，可以保证更多的蒸汽通过上部进入左右箱体，保证所有管组内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

作为优选，沿着中部蒸发管8的高度方向，所述同一侧(左侧或者右侧)管组设置为多个，从上向下方向，同一侧(左侧或者右侧)相邻管组的间距不断变大。

作为优选，沿着第一集管的高度方向，同一侧(左侧或者右侧)管组之间的间距不断变大的幅度不断的增加。

通过管组的间距幅度增加，可以保证更多的蒸汽通过上部进入左右集管，保证所有管组内蒸汽的分配均匀，进一步强化传热效果，使得整体振动效果均匀，换热效果增加，进一步提高换热效果以及除垢效果。通过实验发现，采取此种结构设计可以取得更好的换热效果以及除垢效果。

在试验中发现，左集管21、右集管22、中部蒸发管8的管径、距离以及弧形管的管径可以对换热效率以及均匀性产生影响。如果集管之间距离过大，则换热效率太差，弧形管之间的距离太小，则弧形管分布太密，也会影响换热效率，集管以及换热管的管径大小影响容纳的液体或者蒸汽的体积，则对于自由端的振动会产生影响，从而影响换热。因此左集管21、右集管22、中部蒸发管8的管径、距离以及弧形管的管径具有一定的关系。

本发明是通过多个不同尺寸的热管的数值模拟以及试验数据总结出的最佳的尺寸关系。从换热效果中的换热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

中部蒸发管8的中心与左集管21的中心之间的距离等于中部蒸发管8的中心与右集管21的中心之间的距离，为L，左集管21的管径、中部蒸发管8的管径、右集管22的半径为R，弧形管中最内侧弧形管的轴线的半径为R1,最外侧弧形管的轴线的半径为R2,则满足如下要求：

R1/R2＝a*Ln(R/L)+b；其中a,b是参数，Ln是对数函数，其中0.6212<a<0.6216，1.300<b<1.301；作为优选，a＝0.6214，b＝1.3005。

作为优选，35<R<61mm；114<L<190mm；69<R1<121mm，119<R2<201mm。

作为优选，管组的弧形管的数量为3－5根，优选为3或4根。

作为优选，0.55<R1/R2<0.62；0.3<R/L<0.33。

作为优选，0.583<R1/R2<0.615；0.315<R/L<0.332。

作为优选，左集管21、右集管22、中部蒸发管8的圆心在一条直线上。

作为优选，弧形管的半径优选为10－40mm；优选为15－35mm，进一步优选为20－30mm。

作为优选，自由端3、4的端部之间以左集箱的中心轴线为圆心的弧度为95－130角度，优选120角度。同理自由端5、6和自由端3、4的弧度相同。通过上述优选的夹角的设计，使得自由端的振动达到最佳，从而使得加热效率达到最优。

作为优选，所述的环路热管可以作为浸没式换热组件，浸没在流体中加热流体，例如可以作为空气散热器加热组件，也可以作为热水器加热组件。

研究以及实践中发现，持续性的功率稳定性的热源的加热会导致内部环路热管的流体形成稳定性，即流体不在流动或者流动性很少，或者流量稳定，导致管组1振动性能大大减弱，从而影响管组1的除垢以及加热的效率。因此需要对上述环路热管进行如下改进。

在本申请人的在先申请中，提出了一种周期性的加热方式，通过周期性的加热方式来不断的促进管组的振动，从而提高加热效率和除垢效果。但是，通过固定性周期性变化来调整管组的振动，会出现滞后性以及周期会出现过长或者过短的情况。因此本发明对前面的申请进行了改进，对振动进行智能型控制，从而使得内部的流体能够实现的频繁性的振动，从而实现很好的除垢以及加热效果。

本发明针对在先研究的技术中的不足，提供一种新式的智能控制振动的电加热环路热管。该热管能够提高了加热效率，从而实现很好的除垢以及加热效果。

一、基于压力自主调节振动

作为优选，环路热管内部设置压力感知元件，用于检测环路热管内部的压力，所述压力感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的压力来控制热源是否进行加热。

作为优选，压力感知元件检测的压力高于一定数值，则控制器控制热源停止加热，如果压力感知元件检测的压力低于一定数值，控制器控制热源进行加热。

通过压力感知元件检测的压力，能够在满足一定的压力情况下，内部的流体的蒸发基本达到了饱和，内部流体的体积也基本变化不大，此种情况下，内部流体相对稳定，此时的管束振动性变差，因此需要进行调整，使其进行振动，从而停止加热。使得流体进行体积变小从而实现振动。当压力降低到一定程度时，此时内部流体又开始进入稳定状态，此时需要加热使得流体重新蒸发膨胀，因此需要进行启动热源进行加热。

作为优选，压力感知元件设置在中部蒸发管和/或者左集管和/或者右集管内。

作为优选，压力感知元件设置在中部蒸发管、左集管和右集管内。此时可以选择多个管箱的压力平均值作为调节数据。

作为优选，压力感知元件设置在自由端。通过设置在自由端，能够感知自由端的压力变化，从而实现更好的控制和调节。

二、基于温度自主调节振动

作为优选，环路热管内部设置温度感知元件，用于检测环路热管内部的温度，所述温度感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的温度来控制热源是否进行加热。

作为优选，温度感知元件检测的温度高于一定数值，则控制器控制热源停止加热，如果温度感知元件检测的温度低于一定数值，控制器控制热源进行加热。

通过温度感知元件检测的压力，能够在满足一定的温度情况下，内部的流体的蒸发基本达到了饱和，内部流体的体积也基本变化不大，此种情况下，内部流体相对稳定，此时的管束振动性变差，因此需要进行调整，使其进行振动，从而停止加热。使得流体进行体积变小从而实现振动。当温度降低到一定程度时，此时内部流体又开始进入稳定状态，此时需要加热使得流体重新蒸发膨胀，因此需要进行启动热源进行加热。

作为优选，温度感知元件设置中部蒸发管和/或者左集管和/或者右集管内的上端。

作为优选，温度感知元件设置在中部蒸发管、左集管和右集管内的上端。此时可以选择多个管箱的温度平均值作为调节数据。

作为优选，温度感知元件设置在自由端。通过设置在自由端，能够感知自由端的温度变化，从而实现更好的控制和调节。

三、基于液位自主调节振动

作为优选，中部蒸发管内部设置液位感知元件，用于检测中部蒸发管内的流体的液位，所述液位感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的流体的液位来控制热源是否进行加热。

作为优选，如果液位感知元件检测的液位低于一定数值，控制器控制热源停止加热。液位感知元件检测的液位高于一定数值，则控制器控制热源进行加热。

通过液位感知元件检测的液位，能够在满足一定的液位(例如最低下限)情况下，内部的流体的蒸发基本达到了饱和，内部流体的体积也基本变化不大，此种情况下，内部流体相对稳定，此时的管束振动性变差，因此需要进行调整，使其进行振动，从而停止加热。使得流体进行体积变小从而实现振动。当液位升高到一定程度时，此时内部流体又开始进入稳定状态，此时需要加热使得流体重新蒸发膨胀，因此需要进行启动热源进行加热。

四、基于速度自主调节振动

作为优选，管束自由端内部设置速度感知元件，用于检测管束自由端内的流体的流速，所述速度感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的流体的速度来控制热源是否进行加热。

作为优选，如果速度感知元件检测的速度高于一定数值，控制器控制热源停止加热。速度感知元件检测的液位低于一定数值，则控制器控制热源进行加热。

通过速度感知元件检测的速度，能够在满足一定的速度(例如最高上限)情况下，内部的流体的蒸发基本达到了饱和，形成了稳定流动，内部流体的速度也基本变化不大，此种情况下，内部流体相对稳定，此时的管束振动性变差，因此需要进行调整，使其进行振动，从而停止加热。使得流体进行体积变小从而实现振动。当速度下降到一定程度时，此时内部流体又开始进入稳定状态，此时需要加热使得流体重新蒸发膨胀，因此需要进行启动热源进行加热。

作为优选，所述箱体是圆形截面，设置多个电加热装置，其中一个设置在圆形截面圆心的中心电加热装置和其它的形成围绕圆形截面圆心分布的电加热装置。

作为优选，管组1的管束是弹性管束。

通过将管组1的管束设置弹性管束，可以进一步提高换热系数。

进一步优选，所述热源是电加热棒。

所述管组1为多个，多个管组1为并联结构。

如图6所示的加热器，例如热水器，具有圆形截面的壳体，所述的多个环路热管设置在圆形壳体内。作为一个优选，所述的环路热管在壳体内设置三个，所述的环路热管的左集箱、右集箱以及中部蒸发管的中心连线的延长线形成了圆形截面的内接正三角形。通过如此设置，能够使得可以使得加热器内流体充分达到震动和换热目的，提高换热效果。

通过数值模拟以及实验得知，所述的环路热管的尺寸以及圆形截面的直径对于换热效果具有很大的影响，环路热管尺寸过大会导致相邻的间距太小，中间形成的空间太大，中间加热效果不好，加热不均匀，同理，环路热管尺寸过小会导致相邻的间距太大，导致整体加热效果不好。因此本发明通过大量的数值模拟和实验研究得到了在最佳的尺寸关系。

左集箱和右集箱的中心之间的距离为L1，内接正三角形的边长为L2，弧形管中最内侧弧形管的轴线的半径为R1,最外侧弧形管的轴线的半径为R2，则满足如下要求：

10*(L1/L2)＝d*(10*R1/R2)-e*(10*R1/R2)²-f；其中d,e,f是参数，

39.75<d<39.76,3.385<e<3.386,113.2<f<113.3；

进一步优选，d＝39.754,e＝3.3856,f＝113.27；

其中优选720<L2<1130mm。优选0.3<L1/L2<0.6。

进一步优选0.32<L1/L2<0.4。

作为优选，左集管21、右集管22、中部蒸发管8的圆心在一条直线上。

作为优选，自由端的端部之间形成的开孔面向加热器的内部开口。使得向内部进行换热和振动，强化传热。

通过上述的三个环路热管结构优化的布局，能够使得整体换热效果达到最佳的换热效果。

热源优选为电加热器。

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 (2)

1.一种环路热管，包括中部蒸发管、左集管、右集管和管组，所述管组包括左管组和右管组，左管组与左集管和中部蒸发管相连通，右管组与右集管和中部蒸发管相连通，从而使得中部蒸发管、左集管、右集管和管组形成加热流体封闭循环，热源设置在中部蒸发管内，所述管组为多个，每个管组包括圆弧形的多根弧形管，相邻弧形管的端部连通，使多根弧形管形成串联结构，并且使得弧形管的端部形成弧形管自由端；中部蒸发管包括第一管口和第二管口，第一管口连接左管组的入口，第二管口连接右管组的入口，左管组的出口连接左集管，右管组的出口连接右集管；所述第一管口和第二管口设置在中部蒸发管一侧；左管组和右管组沿着中部蒸发管的轴心所在的面镜像对称；中部蒸发管内部设置液位感知元件，用于检测中部蒸发管内的流体的液位，所述液位感知元件与控制器进行数据连接，控制器根据检测的流体的液位来控制热源是否进行加热，从而控制管组振动。

2.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，如果液位感知元件检测的液位低于一定数值，控制器控制热源停止加热；液位感知元件检测的液位高于一定数值，则控制器控制热源进行加热。

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