CN112857113A - 微通道振荡流热管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于强制对流换热的微通道振荡流热管换热器，所述换热器分为蒸发段、冷凝段和绝热段，绝热段外表面要包裹上保温材料，蒸发段和冷凝段根据使用场景自行设置；所述换热器的主体是由一条扁管围绕第一方向和第二方向反复平行弯折的一个蛇形管路，蛇形管路的首尾两端连接到充灌口上；所述扁管内包括多个微通道；所述蛇形管路包括多个U形弯头、两个90°弯头、多个竖直平直段和一个水平平直段；竖直平直段之间相互平行且距离保持相同，沿其高度方向上排列多组翅片。根据本发明可以使多个微通道振荡流热管并联在一起提高所述换热器的换热量，通过加装翅片进一步强化传热，解决了现有振荡流热管换热器换热量小的问题。

Description

微通道振荡流热管换热器

技术领域

本发明专利涉及气液两相流、传热传质、余热回收利用、电子元器件散热、空间热控制、高效传热等技术领域，具体来说是一种微通道振荡流热管换热器。

背景技术

振荡流热管是一种具有高效传热能力的新型散热元件。通常情况下，是由细长毛细管经过反复弯折形成的蛇形管路，其工作过程可以表述为微小空间内的非稳态两相振荡流动相变传热过程。由于管道直径足够小，将管内抽成真空并充入工质后，工质会在表面张力和重力的作用下形成随机分布的汽-液柱塞。当振荡流热管蒸发段被加热时，管内真空度很高，使得工质汽化温度很低，汽化速度很快。随着加热的进行，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝段，气泡和气塞在冷凝端不断冷凝收缩并破裂，释放热量，使得压力下降，工质回流到蒸发段，管内汽-液柱塞分布的随机性和气泡膨胀的不确定性使得相邻管内压力不平衡。在蒸发段和冷凝端的压差以及相邻管内压力不平衡的共同作用下，交错分布的汽-液柱塞在振荡流热管内进行剧烈的往复振荡运动，从而实现热量的高效传递。因此，由振荡流热管组成的换热器也被认为是解决微小空间内高热流密度传热问题的最有效的方法之一。

振荡流热管的传热效率很高，但为了能够使充灌到振荡流热管中的工质形成良好的气-液塞相间分布的现象，振荡流热管的内径一般都比较小以提供较大的表面张力来减弱重力的影响，因此导致振荡流热管的换热面积比较小进而使得传热量不是很大。专利CN210464151 U发明了超临界振荡流热管，通过扩大振荡流热管的内径来提高传热量和传热极限，但是现有公开文献表明尽管增大振荡流热管的管径会增大传热量，但是会增大振荡流热管的热阻，降低其传热效率。

微通道通常是指通道的水力直径D_e≤1mm。当通道水力直径达到0.5～1mm时，对流换热系数可增大50％，但微型振荡流热管的尺寸太小导致换热系数的提高对其传热量的影响比较小，而且无法通过添加翅片来强化换热，这在很大程度上限制了微型振荡流热管换热器的应用。

因此，有必要研制一种具有高传热系数的同时能够增加传热量的新型振荡流热管换热器。

发明内容

为了解决以上所提出的技术问题，本发明提供了一种微通道振荡流热管换热器(图1)，不但具有较高传热效率，而且有着较高的换热量。

微通道振荡流热管换热器的正视图如图2所示，分为蒸发段(11)、冷凝段(12)和绝热段(13)，包括一根由多个平行并列的微通道(14)组成的扁管(15)，扁管(15)的横截面示意图如图3所示，所述扁管(15)包括多个上弯折的U形弯头(1)，多个向下弯折的U形弯头(2)，两个90°弯头(3)，多个竖直平直段(4)，一个水平平直管段(7)和一个充灌口(8)。竖直平直段(4)彼此之间相互平行且相邻的两个竖直平直段(4)之间的距离相等，在所述竖直平直段(4)之间沿着其高度方向上设置翅片(9)。微通道振荡流热管换热器除了翅片(9)和充灌口(8)需要通过钎焊或高频焊进行固定安装外，其余部分(1、2、3、4)均是由一条所述扁管(15)沿着第一方向(↑)和第二方向(↓)连续平行弯折而成，如图5所示。

扁管的横截面示意图如图3所示，其宽度为A，扁管的壁面厚度是T_w，在扁管(15)内存在多条平行的微通道(14)，扁管(15)中微通道(14)的数量没有限制，每条微通道(14)的内表面结构可以相同也可以不同，同一个扁管(15)中每个微通道(14)的截面形状可以是一样的也可以是不一样的，每一条微通道(14)的水力直径D_e可以是相同的也可以是不同的，但所有微通道(14)的水力直径D_e要满足如下要求；

式中D_e表示的是振荡流热管的水力直径(m)，σ表示的是充灌到振荡流热管内工质的表面张力(N/m)，ρ_l表示的是充灌到管内的工质处于液态时的密度(kg/m³)，ρ_v表示的充灌到管内的工质处于气态时的密度(kg/m³)，g表示的是重力加速度(N/kg)；在满足上式常规振荡流热管的水力直径(D_e)要求的的前提下，水力直径D_e还要求：1mm≥D_e≥0.5mm；扁管的壁厚T_w＝T-D_e≥0.1mm。

图1中向上弯折的U形弯头(1)的半径为R₁，1/4×A≤R₁≤4×A；向下弯折的U形弯头(2)的半径为R₂，R₁＝R₂；90°弯头(3)的半径为R₃，R₁≤R₃≤4×A；相邻的两个竖直平直(4)段之间的距离为d，d＝2×R₁；位于内侧的竖直平直段(5)的高度为H₁，位于两端的竖直平直段(6)的高度为H₂，H₁与H₂之间的关系要满足：H₂-H₁≥R₁；水平平直段(L)的长度为l，l＝2×(2×B-1)×R₁+(2×B-1)×T-2R₃。

图4是翅片(9)的示意图，翅片(9)为波纹型翅片，翅片(9)的波高为H₃，H₃＝2×R₁；翅片(9)的长度为H₄，H₄＝H₁；翅片(9)的宽为H_w，H_w＝A；翅片(9)的表面可以是光滑的也可以是开孔的，单位长度上翅片(9)的数量以及翅片(9)的样式根据具体的使用场景进行设计，要兼顾换热系数和压力损失。

图6是充灌口(8)的示意图，充灌口(8)位于水平平直段(7)的1/2处，充灌口(8)的长度为G_l，1.2×A≤G_l≤1.5×A；充灌口(8)一端要封闭，另一端不封闭，用于与灌液装置连接。在充灌口(8)管壁的径向方向上对称地铣出两条形状与扁管的横截面形状相同，尺寸略大于扁管的槽道，用于连接水平平直段(7)，槽道的长为C_l，0.01mm≤C_l-A≤0.1mm；槽道的宽为C_w，0.01mm≤C_w-T≤0.1mm；将沿着第一方向(↑)和第二方向(↓)反复平行折弯的扁管(15)的水平平直段(7)的首尾两端插入到预先铣好的两条槽道中，与槽道搭接好后通过焊接的方式将充灌口(8)和水平直管段(7)连接在一起；连接时要尽量保证槽道的几何中心和水平平直段(7)的几何中心处于同一水平线上；

充灌口(8)与水平平直段扁管(7)通过钎焊连接在一起，翅片(9)与竖直平直段(4)通过钎焊或高频焊连接在一起，成为一个闭合回路的微通道振荡流热管换热器。

微通道振荡流热管换热器组装完成之后，将充灌口(8)未封闭的一端与灌注装置连接在一起，先将此换热器内抽真空再灌注预先选择好的工质，工质根据自己的应用场景自行选择。

所述充灌到微通道振荡流热管换热器内工质的体积充液率为

管内处于高真空状态，液态工质充灌到管内后就会变为汽-液两相状态，所述液态工质为单一工质或混合工质，所述的单一工质为液态非金属，所述混合工质为液态金属与液态非金属的混合液或液态非金属与液态非金属的混合液。

沿着竖直平直段扁管(4)的高度方向划分蒸发段(11)、冷凝段(12)和绝热段(13)，绝热段(13)的外表面要包裹上保温材料(10)。蒸发段(11)长度为H_e，冷凝段(12)长度为H_c，绝热段(13)长度为H_ad。当蒸发段不包括水平平直段(7)时，R₁+T≤H_e≤H₁+R₁+T；H_e+H_c+H_ad＝H₂+2×T+R₁+R₃；当蒸发段包括水平平直段(7)时，H₂-H₁+R₃+T≤H_e≤H₂+R₃+T；H_e+H_c+H_ad＝H₂+2×T+R₁+R₃；绝热段长度：0≤H_ad≤H₁/3；蒸发段(11)、冷凝段(12)和绝热段(13)示意图如图2所示。

所述绝热段外表面包裹的保温材料(10)是由一整块保温材料构成，这一整块保温材料中预设有用于安装微通道振荡流热管换热器中竖直平直段(4)的槽道，槽道的数量为U，相邻的两个槽道的间距为Z，槽道的宽为x，槽道的长为y，保温材料(10)的结构示意图如图7所示。

其中，U＝2×B；Z＝2×R₁；0.01mm≤y-A≤0.02mm；0.01mm≤x-T≤0.02mm，要求绝热段的散热损失Q_loss不超过总传热量Q的2％，即Q_loss≤2％×Q，

与现有振荡流热管换热器技术相比，此换热器使用了多通道并联的方法，在一个扁管(15)中存在着多条平行的微通道(14)，也就意味着在一条扁管(15)中存在着s多条微通道振荡流热管，实现了从单通道振荡流热管换热到平行通道振荡流热管换热，换热量更高；此外，相比于传统微型振荡流热管换热器由于尺寸太小而无法添加翅片，此微通道振荡流热管换热器可以通过添加翅片来强化换热，进一步提高了换热量。

传统的微通道换热器本质上两相热虹吸管，而此微通道振荡流热管换热器具有振荡流热管高效传热的特点，与其相比启动速度更快，启动温差和热阻更小；现有公开的文献表明制冷剂分流不均会使微通道换热器的换热性能大幅下降，而微通道振荡流热管换热器内的工质在管内进行的是闭式循环振荡流动，没有集流管，不用考虑工质均匀分配的问题。

附图说明

图1表示的是本发明的微通道振荡流热管换热器的结构示意图；

图2a表示的是第一种蒸发段、冷凝段和绝热段分布的示意图；

图2b表示的是第二种蒸发段、冷凝段和绝热段分布的示意图；

图3a表示的是第一种扁管的横截面示意图；

图3b表示的是第二种扁管的横截面示意图；

图4a表示的是第一种翅片的示意图；

图4b表示的是第二种翅片的示意图；

图5表示的是扁管反复平行弯折的结构示意图；

图6表示的是充灌口的示意图；

图7表示的是保温材料的结构示意图；

图8表示的是干燥系统余热回收流程图；

附图标记说明。

1：向上弯折的U形弯头；2：向下弯折的U形弯头；3：90°弯头；4：竖直平直段；5：位于内侧的竖直平直段；6：位于两端的竖直平直段；7：水平平直段；8：充灌口；9：翅片；10：保温材料；11：蒸发段；12：冷凝段；13：绝热段；14：微通道；15：扁管；↑：第一方向；↓：第二方向

具体实施方式

在下面的描述中，会提供众多具体的细节以便提供对本发明更为透彻的理解。

实施例1是用作干燥系统的空气预热器，对干燥系统的尾气余热利用

图8是干燥系统的的流程图，被干燥物料由传送带输送到干燥机内，被预热的空气经过微通道振荡流热管空气预热器加热后，通过鼓风机加压，送入干燥系统的换热器中被加热至干燥所需的温度后，进入干燥机，对干燥机内的湿物料进行干燥，从干燥机排出的尾气经旋风除尘器净化后，由系统引风机送至微通道振荡流热管空气预热器，对所需预热的空气进行加热干燥后排空。从干燥器出来的尾气携带了输入干燥系统总热量的80％，利用好这部分能量可以大大提高能量利用率，符合现在节能减排的政策，但这部分余热的品位比较低，回收起来比较困难。而微通道振荡流热管换热器可以根据所使用的环境温度选择合适的工质充分利用这部分余热，此外微通道振荡流热管内的真空度很高，使得管内工质的汽化温度很低，启动速度很快，可以将热量高效的从蒸发段传递到冷凝段。

微通道振荡流热管换热器的主体是由扁管构成，扁管是由多个并排平行的微通道组成，每一个微通道都是一个振荡流热管。在相同的加热环境条件下，与现有技术中单通道振荡流热管传热相比，微通道振荡流热管换热器相当于是多个振荡流热管同时并联运行，传热量更多，不会影响振荡流热管的传热效率。

扁平微通道中的每个流道的内径更小意味着能承受的压力更大，通道内的真空度更高，通道内的不凝性气体会更少，减少了振荡流热管的热阻。

微通道振荡流热管中的水力直径为0.5～1mm，对流换热系数相比与常规振荡流热管可增大50％，现有技术中振荡流热管换热器也主要向微小型化发展，但微小型振荡流热管换热器受限于尺寸太小使得在气侧设置翅片的难度太大，大多都是采用光管没有添加翅片，尽管本发明的微通道振荡流热管换热器中的每个微通道的水力直径也很小，但这些微通道是并列排列在扁管中，使得此微通道振荡流热管换热器的纵向尺寸比较大，能够添加各种形式的翅片来强化传热，可显著提高传热效率。

Claims (10)

1.一种用于强制对流换热的微通道振荡流热管换热器，所述换热器分为蒸发段(11)、冷凝段(12)和绝热段(13)三部分，包括一根由多个平行并列的微通道(14)组成的扁管(15)，竖直平直段扁管(4)高度方向上布置的翅片(9)以及一个用于向微通道振荡流热管换热器充灌工质的充灌口(8)，充灌口(8)上设有用于连接水平平直段扁管(7)的细长槽道；所述扁管(15)的宽度为A，厚度为T；所述扁管(15)包括B个向上弯折的U形弯头(1)，(B-1)个向下弯折的U形弯头(2)，2个90°弯头(3)，2B个竖直平直段(4)，所述的2B个竖直平直段(4)包括(2B-2)个位于内侧的竖直平直段(5)和2个位于两端的竖直平直段(6)，1个水平平直段(7)；其中：B≥1。

2.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器，其特征在于，除了所述的充灌口(8)和翅片(9)需要通过采用钎焊或高频焊的方式与所述扁管(15)进行连接外，其余部分(1、2、3、4)均是由一条所述扁管(15)沿着第一方向(↑)和第二方向(↓)连续平行弯折而成。

3.根据权利要求2所述的微通道振荡流热管换热器中扁管(15)的连续平行弯折，其特征在于，所述向上弯折的U形弯头(1)的半径为R₁，向下弯折的U形弯头(2)的半径为R₂，90°弯头(3)的半径为R₃；

其中，1/4×A≤R₁＝R₂≤4×A；R₁≤R₃≤4×A；

所述竖直平直段(4)彼此之间相互平行且相邻的两个竖直平直段(4)的距离d均相等；

其中，d＝2×R₁；

所述位于内侧的竖直平直段(5)的高度为H₁，位于两端的竖直平直段(6)的高度为H₂；

其中，H₂-H₁≥R₁；

所述水平平直段(7)的长度为l；

其中，l＝2×(2×B-1)×R₁+(2×B-1)×T-2R₃。

4.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器的翅片(9)，其特征在于，翅片(9)为波纹型翅片，翅片(9)的波高为H₃，翅片(9)的长度为H₄，翅片(9)的宽为H_w，翅片(9)的组数为(2B-1)；

其中，H₃＝2×R₁；H₄＝H₁；H_w＝A；对于翅片的密度没有限制，根据应用场景自行设计。

5.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器的充灌口(8)，其特征在于，充灌口(8)一端要封闭，另一端不封闭，用于与灌液装置连接；所述充灌口(8)中预设的用于连接水平平直段(7)的槽道的形状要与扁管(15)的横截面形状相同，充灌口(8)的长度为G_l，槽道的长为C_l，槽道的宽为C_w；

其中，1.2×A≤G_l≤1.5×A；0.01mm≤C_l-A≤0.1mm；0.01mm≤C_w-T≤0.1mm，充灌口(8)位于水平平直段的1/2处。

6.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器的扁管(15)，其特征在于，扁管(15)壁厚为T_w；扁管(15)内部的N个平行并排的微通道(14)没有数量限制，每一条微通道(14)的内表面结构可以相同也可以不同，同一个扁管(15)中每个微通道(14)的截面形状可以是一样的也可以不一样的，每一条微通道(14)的水力直径可以是相同的也可以是不同的，但所有微通道(14)的水力直径D_e要满足如下要求；

式中σ表示的是充灌到振荡流热管内工质的表面张力(N/m)，ρ_l表示的是充灌到管内的工质处于液态时的密度(kg/m³)，ρ_v表示的充灌到管内的工质处于气态时的密度(kg/m³)，g表示的是重力加速度(N/kg)；

在满足上式水力直径(D_e)要求的的前提下，水力直径D_e还要求：1mm≥D_e≥0.5mm；

扁管的壁厚：T_w＝T-D_e≥0.1mm。

7.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器，其特征在于，沿着竖直平直段扁管(4)的高度方向上划分蒸发段(11)、冷凝段(12)和绝热段(13)，绝热段(13)外表面要包裹上保温材料；蒸发段(11)长度为H_e，冷凝段(12)长度为H_c，绝热段(13)长度为H_ad；

其中，当蒸发段不包括水平平直段(7)时，R₁+T≤H_e≤H₁+R₁+T，H_e+H_c+H_ad＝H₂+2×T+R₁+R₃；当蒸发段包括水平平直段(7)时，H₂-H₁+R₃+T≤H_e≤H₂+R₃+T，0≤H_ad≤H₁；H_e+H_c+H_ad＝H₂+2×T+R₁+R₃；绝热段长度：0≤H_ad≤H₁/3；

保温材料(10)是由一整块保温材料构成，在保温材料(10)中预设有用于安装微通道振荡流热管换热器中竖直平直段扁管(4)的槽道，槽道的数量为U，相邻的两个槽道的间距为Z，槽道的宽为x，槽道的长为y；

其中，U＝2×B；Z＝2×R₁；0.01mm≤y-A≤0.02mm；0.01mm≤x-T≤0.02mm，要求绝热段的散热损失Q_loss不超过总传热量Q的2％，即Q_loss≤2％×Q。

8.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器，其特征在于，所述振荡流热管内工质的体积充液率范围为

9.根据权利要求1所述的微通道振荡流热管换热器，其特征在于，先通过充灌口将扁管内进行抽真空，再充灌工质，所述工质在充入微通道振荡流热管换热器后变为汽-液两相状态，所述工质为单一或混合工质。

10.根据权利要求9所述的单一工质为液态非金属；所述混合工质为液态金属与液态非金属的混合液或液态非金属与液态非金属的混合液。

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