CN112179186A

CN112179186A - 通用型高温热管式吸热器

Info

Publication number: CN112179186A
Application number: CN202011054113.1A
Authority: CN
Inventors: 李志刚; 姜玉雁; 胡和敏; 谭思聪; 王涛; 曾秒
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-01-05

Abstract

本公开提供一种热管式吸热器，包括：热管，为直筒形的热管，热管一端为热端，另一端为冷端；相变工质，密封在热管的内部；充装口，设置在热管上，用于向热管内充入相变工质；吸热流体管路，盘绕在热管冷端的管壳外表面或内部；放热流体管路，盘绕在热管热端的管壳外表面或内部。本公开还提供一种热管式吸热器，包括：热管，为环形热管，其蒸发段管路由多根并联的管束排列成凹面形；相变工质，密封在热管的内部；充装口，设置在热管上，用于向热管内充入相变工质；冷凝段管路，与热管的保温段管路连接，构成环路；放热流体管路，与冷凝段管路组成冷端换热器。

Description

通用型高温热管式吸热器

技术领域

本公开涉及能源动力、传热设备及高温热利用领域，尤其涉及一种通用型高温热管式吸热器。

背景技术

近年来，各种传统化石能源的清洁高效利用，各种新能源(如聚光太阳能、生物质能、核能等)与传统化石能源的多能互补综合利用，例如以能够稳定供应的燃气为主，以不稳定供给的太阳能等为辅的综合利用系统等，日益成为能源利用领域的重要策略之一。此外，各种先进的能源利用技术，如超临界二氧化碳(sCO2)或氮气(He)闭式Brayton循环动力/发电系统、高温裂解制氢、高温化学反应器等前沿技术也不断涌现，并经历着日新月异的发展。因此，客观上需要一种通用型高温吸热器，能够同时或独立地吸收多种形式热源(如高热流密度聚光太阳能，燃油、天然气或生物质燃气等高温火焰辐射、高温气冷堆、熔盐堆、钠冷堆的高温气体、熔盐、液态金属等流体介质)的高品位热能，并以独立或组合形式高效传递给各种发电、制氢或者化学反应器等设备，图1示出了满足这一系列的应用的多能互补通用型高温吸热器技术需求。

现有技术一般采取聚光太阳能、高温火焰与吸热流体直接换热，或者采用液态金属、熔盐、高温气体等放热流体以强制对流方式与吸热流体进行直接换热的方案，在实用中存在温度分布不均、局部过热、空间布局受限、不方便多种热源互补综合利用等一系列缺点。因此迫切需要一种通用型、能实现多热源互补利用，能解决温度不均匀性问题，并易于实现温度控制和超温保护的高温吸热装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

由于聚光太阳能或化石燃料燃烧火焰等高温热源的热流分布本身存在很大不均匀性，现有的热源与吸热流体直接换热方案容易造成局部热点及过高热应力、温度难以控制、可靠性差、运行寿命短、不便于热源与用能设备的灵活空间布局，也不方便多种热源互补综合利用等一系列问题。针对于现有的技术问题，本公开提出一种通用性高温热管式吸热器，用于至少部分解决上述技术问题之一。

(二)技术方案

本公开第一方面提供一种热管式吸热器，包括：热管1，其为直筒形的热管，热管1一端为热端，另一端为冷端；相变工质2，其密封在热管1的内部；充装口3，其设置在热管1上，用于向热管1内充入相变工质2；吸热流体管路4，其盘绕在热管1冷端的管壳表面；放热流体管路5，其盘绕在热管1热端的管壳外表面或内部。

可选地，热管1的热端的侧面为类圆柱面或圆柱面，端面为球面或椭球面或旋转抛物面等凹面形；或，热管1的热端的侧面为类长方形或长方形，端面为凹形柱面。

可选地，吸热流体管路4及放热流体管路5的截面为D形。

可选地，吸热流体管路4和放热流体管路5通过焊接或过盈配合或粘合剂或高导热率过渡材料等方式与热管1外表面紧密配合。

可选地，吸热流体管路4与放热流体管路5分别盘绕在热管1热端和冷端管壳的内部，吸热流体管路4的第一管口4a、第二管口4b以及放热流体管路5的第三管口5a、第四管口5b穿过热管1的管壳以引出。

可选地，在吸热流体管路4靠近冷端的一侧，热管1上还设有散热翅片6。

可选地，翅片6通过焊接或过盈配合或粘合剂或高导热率过渡材料等方式与热管1外表面紧密配合。

可选地，热管1的冷端还封有不凝性气体7。

可选地，热管1的管壳内表面还设有毛细芯1′。

本公开第二方面提供一种热管式吸热器，包括：热管1，其为环形热管，包括蒸发段管路e、保温段管路a及冷凝段管路c，其中，热管1的蒸发段管路e由多根并联的管束构成，总体上多根并联的管束排列呈凹面形；相变工质2，其密封在热管1的内部；充装口3，其设置在热管1上，用于向热管1内充入相变工质2；冷凝段管路c，其与热管1的保温段管路a连接，构成环路；放热流体管路5，其与冷凝段管路c组成冷端换热器。

可选地，冷端换热器采用管壳式换热器或毛细管束换热器或板式换热器或板翅式换热器或印刷电路板式换热器。

可选地，热管1的管壳内表面还设有毛细芯1′。

可选地，内部高温相变工质2根据设计工作温度可选择一定量的Na、K、Li等碱金属及其共熔合金。

(三)有益效果

本公开提出的一种通用性高温热管式吸热器，有益效果为：

1、由于对热管的结构进行设计，使得热管式吸热器具有热流密度调节的功能，能够在较宽的工作温度范围内具有自适应调节能力，既可利用高聚光比太阳能、高温火焰直接辐射、高温流体(液态熔盐、液态金属、He气等)热能，也可与现有各种化石能源取热装置(锅炉)结合使用，更充分地利用烟气高温段热能，从而具备通用性，实现多能互补。

2、该热管式吸热器结构紧凑，利用潜热实现高强度传热，内部工质流量小，传热量大。

3、该热管式吸热器具备均温性，液态金属蒸发和冷凝两个相变过程都有极高的对流换热系数和良好的等温性，可消除非均匀高热流输入导致的局部热点，保护受热面金属材料，提高工作稳定性和可靠性，延长设备运行寿命。

4、该热管式吸热器具备恒温性。通过向高温热管中预充一定量不凝气体，利用不凝气体的热胀冷缩效应自动调节冷凝段有效换热面积，从而实现吸热器工作温度的快速、精确控制，有利于相关设备高效稳定运行。

5、该热管式吸热器布局灵活，能够实现较远距离、极小温降传热，使放热工质(热源)与吸热工质(冷凝段)能够分离布置。

6、相变工质的蒸发和冷凝过程能够提供足够的压差，冷凝后依靠重力或毛细吸力回流，属于自驱动循环，无需额外驱动设备，节约电力消耗，并能够提高可靠性，减轻重量，节约成本。

7、设置毛细芯等措施，可实现反重力运行。

附图说明

图1示意性示出了多能互补通用型高温吸热器技术需求图；

图2示意性示出了根据本公开实施例一的热管式吸热器的结构图；

图3示意性示出了根据本公开实施例二和实施例三的热管式吸热器的结构图；

图4示意性示出了根据本公开实施例四的热管式吸热器的结构图；

图5示意性示出了根据本公开实施例五的热管式吸热器的结构图；

图6示意性示出了根据本公开实施例六的热管式吸热器的结构图；

图7示意性示出了根据本公开实施例七的热管式吸热器的结构图；

图8示意性示出了根据本公开实施例八的热管式吸热器的结构图。

【附图标记】

A-俯视图；B-正视剖面图；C-侧视图；D-等轴侧图；E-吸热流体管口放大图；F-放热流体管口放大图；e-蒸发段；a-保温段；c-冷凝段；r-辐射+自然对流散热段；N1-正常工况下不凝气与相变工质交界面；N2-超温保护状态下不凝气与相变工质交界面；

1-热管；1′-毛细芯；2-相变工质；3-充装口；4-吸热流体管路；4a-第一管口；4b-第二管口；5-放热流体管路；5a-第三管口；5b-第四管口；6-散热翅片；7-不凝性气体。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

本公开实施例一方面提供一种热管式吸热器，包括：热管1，其为直筒形的热管，热管1一端为热端，另一端为冷端。相变工质2，其密封在热管1的内部。充装口3，其设置在热管1上，用于向热管1内充入相变工质2。吸热流体管路4，其盘绕在所述热管1冷端的管壳外表面或内部。放热流体管路5，其盘绕在所述热管1热端的管壳外表面或内部。

为了更清楚的描述上述热管式吸热器的结构，下面结合不同的实施例对其进行详细介绍。

实施例一

图2示意性示出了本公开实施例一的热管式吸热器的结构图。

如图2所示，该高温热管式吸热器例如可以由刚性管壳1、内部高温相变工质2、充装口3、盘绕在热管1冷端管壳外表面的吸热流体管路4以及盘绕在热管1热端管壳外表面的放热流体管路5组成。管壳1内表面可以根据是否需要反重力传热而敷设或不敷设毛细芯1′。

在本实施例中，热管1的热端的侧面例如可以为类圆柱面(接近圆柱面)或圆柱面，便于和放热流体管路5相配合。热管1的热端的端面例如可以为球面或椭球面或旋转抛物面等凹面形，适于利用多次反射和吸收效应，同时或独立地高效吸收聚光太阳能和火焰辐射能。该吸热面形状更适于点聚焦太阳能、火焰或高温烟气加热面积较小的场合。热管1的冷端侧面例如可以为类圆柱面或圆柱面，便于和放热流体管路5相配合。

在本实施例中，热管1内部的高温相变工质2根据设计工作温度例如可以选择一定量的Na、K、Li等碱金属及其共熔合金，按照高温热管充装工艺经由充装口3充入管壳1内部并严密封口。在高温热管工作状态下，相变工质2在管壳内部的热端吸收聚光太阳能、火焰或者高温流体的热量而蒸发，形成蒸发段e。蒸汽沿保温段a运动到冷端，向吸热流体放热而冷凝，形成冷凝段c。然后冷凝液沿热管内壁返回蒸发段e。如此循环往复，将热量源源不断地从不同种类的高温热源传递到吸热流体。

在本实施例中，吸热流体管路4和放热流体管路5例如可以通过焊接、过盈配合、粘合剂或高导热率过渡材料等方式与热管1外表面紧密配合，吸热流体管路4和放热流体管路5截面例如可以为D形，便于同热管1外表面紧密配合，减小热阻，同时具有足够的承压能力。吸热流体管路4和放热流体管路5的尺寸、流程布置和管口(第一管口4a、第二管口4b、第三管口5a、第四管口5b)流向可根据流体种类及实际需求而优化设计。

实施例二

本公开实施例二的热管式吸热器的结构如示意图3所示。

本实施例提供的热管式吸热器与实施例一的不同之处在于：在吸热流体管路4靠近冷端的一侧，热管1上还可以设有散热翅片6。

散热翅片6例如可以通过焊接、过盈配合、粘合剂或高导热率过渡材料等方式与热管1外表面紧密配合。当热管1在常规工况下工作时，吸热流体已将冷凝段释放的热量取出，因而散热翅片6处于接近常温状态，不会向周围环境大量散热。当吸热流体管路4或其相连的用热设备出现故障或停机检修等异常状态，冷凝段c处热量不能正常被吸热流体带走，使散热翅片6所处的辐射+自然对流散热段r温度迅速上升，通过辐射和自然对流方式将热量释放到周围环境，内部相变工质参与两相循环，使辐射+自然对流散热段r转变为第二冷凝段，从而自动保护热管及其相连的热端部件不会因为温度过高而受到损害。

其它实施细节与实施例一类似，此处不再赘述。

实施例三

本公开实施例三的热管式吸热器的结构仍如示意图3所示。

本实施例提供的热管式吸热器与实施例二不同之处在于：热管1的冷端还封有不凝性气体7。不凝性气体7也可连接到一个外部贮气室(图中未示出)，例如可以采用如Ar、He、N2等。在热管1启动过程中，相变工质2蒸汽在冷凝段c中凝结并返回到蒸发段e，而不凝性气体7会逐渐被相变工质2排挤到热管1的冷端形成气塞，并完全覆盖辐射+自然对流散热段r，使辐射+自然对流散热段r温度较低，向环境散热极少。在热管1正常工况下，不凝性气体7与相变工质2交界面N1位于冷凝段c的某个位置，当热流负荷在较大范围内变化时，由于不凝性气体7的热胀冷缩效应，能够自动调节冷凝段c的有效换热面积，从而保持相变工质2的温度大致恒定，有利于相关设备长期的可靠稳定运行。当由于任何原因，冷凝段c处热量不能正常被吸热流体带走的非正常工况下，热管1内温度和压力均升高，不凝性气体7被进一步压缩到冷端，散热翅片6所处的辐射+自然对流散热段r温度迅速上升，通过辐射和自然对流方式将热量释放到周围环境，内部相变工质2参与两相循环，使辐射+自然对流散热段r转变为第二冷凝段，从而自动保护热管1及其相连的热端部件不会因温度过高而受到损害。此时不凝性气体7与相变工质2交界面N2位于辐射+自然对流散热段r的某个位置，利用不凝性气体7的热胀冷缩效应，能够自动调节辐射+自然对流散热段r的有效冷凝换热面积，从而在较宽热负荷变动范围内，保持相变工质2的温度大致恒定，对热管1和热源设备起到有效的控温和保护作用。

其它实施细节与实施例二类似，此处不再赘述。

实施例四

图4示意性示出了本公开实施例四的热管式吸热器的结构图。

如图4所示，本实施例提供的热管式吸热器与实施例一至三的不同之处在于：吸热流体管路4和放热流体管路5均置于热管1管壳的内部，吸热流体管路4的第一管口4a、第二管口4b以及放热流体管路5的第三管口5a、第四管口5b穿过热管1的管壳以引出。本实施例的结构相对于第三实施例略微复杂，但吸热流体管路4、放热流体管路5与热管1之间的接触热阻都进一步减小，从而能够进一步减小吸热器的整体热阻。

其它实施细节与实施例一至三类似，此处不再赘述。

实施例五

图5示意性示出了本公开实施例五的热管式吸热器的结构图。

如图5所示，本实施例提供的热管式吸热器与实施例一至四的不同之处在于：热管1的热端的侧面为类长方形或长方形，而非类圆柱面或圆柱面，端面为凹形柱面；热管1的冷端可以为长方形。此结构形式更适于线聚焦太阳能、火焰或高温烟气具有较大加热面积的情形。吸热流体管路4和放热流体管路5在热管外壳上的流程布局、翅片形状及布置方式、不凝气体的设置与否均可根据实际需要而设计，并不局限于图中示出的形式。吸热流体管路4和放热流体管路5横截面优选为D形，便于同热管外表面紧密配合，减小热阻，同时具有足够的承压能力。

其它实施细节与实施例一至三类似，此处不再赘述。

实施例六

图6示意性示出了本公开实施例六的热管式吸热器的结构图。

如图6所示，本实施例提供的热管式吸热器与实施例五的不同之处在于：吸热流体管路4和放热流体管路5均置于热管1管壳的内部，吸热流体管路4的第一管口4a、第二管口4b以及放热流体管路5的第三管口5a、第四管口5b穿过热管1的管壳以引出。本实施例的结构相对于第五实施例略微复杂，但吸热流体管路4、放热流体管路5与热管1之间的接触热阻都进一步减小，从而能够进一步减小吸热器的整体热阻。

其它实施细节与实施例五类似，此处不再赘述。

本公开实施例另一方面提供一种热管式吸热器，包括：热管1，其为环形热管，包括蒸发段管路e、保温段管路a及冷凝段管路c，其中，热管1的蒸发段管路e由多根并联的管束构成，总体上多根并联的管束排列呈凹面形。相变工质2，其密封在热管1的内部。充装口3，其设置在热管1上，用于向热管1内充入相变工质2。冷凝段管路c，其与热管1的保温段管路a连接，构成环路；放热流体管路5，其与热管1的冷凝段管路c组成冷端换热器。

实施例七

图7示意性示出了本公开实施例七的热管式吸热器的结构图。

如图7所示，本实施例提供的热管式吸热器与实施例一至六的主要不同之处在于：热管1外形为环路而非直筒形，热管1内蒸汽前进通道与冷凝液回流通道分离，避免了直筒形热管内部蒸汽和冷凝液在同一管道内部反向流动带来的携带极限等问题。蒸发段e由并联管束组成，并且优选地排列成总体上呈凹面形，便于利用多次反射和吸收效应充分吸收聚焦太阳能、高温火焰或高温气体的辐射能。热管1的冷凝段管路c与放热流体管路5组成冷端换热器，其形式例如可以为管壳式换热器或毛细管束换热器(一种紧凑式管壳换热器)。可根据吸热流体的性质、温度、压力、工艺要求等来确定热管相变工质与吸热流体的流程布局。

其它实施细节与实施例一至六类似，此处不再赘述。

实施例八

图8示意性示出了本公开实施例八的热管式吸热器的结构图。

如图8所示，本实施例提供的热管式吸热器与实施例七的主要不同之处在于：本实施例提供的热管式吸热器中，热管1的冷凝段管路c与放热流体管路5组成冷端换热器，其形式可为例如板式换热器、板翅式换热器或印刷电路板(PCHE)式换热器。同样地，冷凝段换热器形式和流程布置方式可由吸热流体的性质、温度、压力、工艺要求等来确定。

其它实施细节与实施例七类似，此处不再赘述。

通过上述实施例一至实施例八提供的热管式吸热器，既能独立利用多种形式热源(如聚光太阳能、高温火焰、高温流体)，又适合多种不同类型高温热源同时互补利用，具有很高的通用性，利用碱金属工质高温相变过程极高的传热能力和良好的等温性，可消除非均匀高热流输入导致的局部热点，保护受热面金属材料，提高工作稳定性和可靠性，延长设备运行寿命。通过加装散热翅片，能够利用辐射和自然对流实现对吸热器及关联设备的超温保护。此外，还可通过向高温热管中预充一定量不凝气体，利用不凝气体的热胀冷缩效应自动调节冷凝段有效换热面积，实现吸热器工作温度的快速、精确控制，有利于相关设备高效稳定运行。鉴于该些突出性的有点，本公开提供的通用型高温热管换热器可广泛应用于多种类型动力循环、热能利用、化工过程等场合。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种热管式吸热器，包括：

热管(1)，其为直筒形的热管，所述热管(1)一端为热端，另一端为冷端；

相变工质(2)，其密封在所述热管(1)的内部；

充装口(3)，其设置在所述热管(1)上，用于向所述热管(1)内充入所述相变工质(2)；

吸热流体管路(4)，其盘绕在所述热管(1)冷端的管壳外表面或内部；

放热流体管路(5)，其盘绕在所述热管(1)热端的管壳外表面或内部。

2.根据权利要求1所述的热管式吸热器，其中，所述热管(1)的热端的侧面为类圆柱面或圆柱面，端面为球面或椭球面或旋转抛物面；

或，所述热管(1)的热端的侧面为类长方形或长方形，端面为凹形柱面。

3.根据权利要求1所述的热管式吸热器，其中，所述吸热流体管路(4)及所述放热流体管路(5)的截面为D形。

4.根据权利要求1-3任一项所述的热管式吸热器，其中，所述吸热流体管路(4)和放热流体管路(5)通过焊接或过盈配合或粘合剂或高导热率过渡材料的方式与热管(1)外表面紧密配合。

5.根据权利要求1-3任一项所述的热管式吸热器，其中，在所述吸热流体管路(4)靠近冷端的一侧，所述热管(1)上还设有散热翅片(6)。

6.根据权利要求1-3任一项所述的热管式吸热器，其中，所述热管(1)的冷端还封有不凝性气体(7)。

7.根据权利要求1-3任一项所述的热管式吸热器，其中，所述热管(1)的管壳内表面还设有毛细芯(1′)。

8.一种热管式吸热器，包括：

热管(1)，其为环形热管，包括蒸发段管路(e)、保温段管路(a)及冷凝段管路(c)，其中，所述热管(1)的蒸发段管路(e)由多根并联的管束构成，总体上多根并联的管束排列呈凹面形；

相变工质(2)，其密封在所述热管(1)的内部；

冷凝段管路(c)，其与所述热管(1)的保温段管路(a)管路连接，构成环路；

放热流体管路(5)，其与热管(1)的冷凝段管路(c)组成冷端换热器。

9.根据权利要求8所述的热管式吸热器，其中，所述冷端换热器采用管壳式换热器或毛细管束换热器或板式换热器或板翅式换热器或印刷电路板式换热器的形式。

10.根据权利要求8或9所述的热管式吸热器，其中，所述热管(1)的管壳内表面还设有毛细芯(1′)。