CN113015419A - 一种恒温换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于热交换工程技术领域，特别是涉及一种恒温换热装置，包括壳体，所述壳体顶部设置有压力变送器、真空维持口、蒸发液注入口、液位计，所述壳体内部上层设置有冷却管路，所述壳体内部下层设置有恒温管路，所述冷却管路和恒温管路的两端均从壳体的轴向壁面穿出，冷却管路的整体宽度大于恒温管路的整体宽度。本发明主要利用液体沸点与气压的相关性，改变换气器内部压力，使蒸发液温度一直保持在沸点，实现恒温保持。此外，热流体与蒸发液之间以沸腾方式换热，冷流体与蒸发液蒸汽中之间以冷凝方式换热，可以在较低的冷、热流体温差下也能达到较高的换热效率，满足在室内常温附近的恒温液冷循环。

Description

一种恒温换热装置

技术领域

本发明属于热交换工程技术领域，特别是涉及一种恒温换热装置。

背景技术

由于大功率精密电子器件/传感器性能的提升，其耗电量越来越大，对应其散热功率不断增加，为保证其稳定的工作性能及长时连续工作能力，对设备的精密控温冷却技术提出了十分严格的要求，特别是一些对温度敏感的特殊传感器或执行器件，其最佳工作温度处于室内常温附近的极窄温度范围，因此需要能满足在常温环境下更高精确控温和更大热负载冲击的环境控制系统。

目前对散热功率较大的环境控制系统，主要采用液冷循环的方式来实现热量的转移与交换，但现有换热器受限于制冷设备的制冷量调节速率，热负载波动较大的情况下温度波动较大。对于部分设备采用的大热容蓄冷技术，由于增加了一个体积较大的蓄冷池，以提高换热器瞬时峰值的吸热量，但工程应用过程中存在全系统设备体积大，以及冷、热流体温差越小换热效率越低等问题。而这些问题的出现主要就受到现有的换热装置在室内常温附近温度换热性能差的影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种恒温换热装置。本发明主要利用液体沸点与气压的相关性，改变换气器内部压力，使蒸发液温度一直保持在沸点，实现恒温保持。此外，热流体与蒸发液之间以沸腾方式换热，冷流体与蒸发液蒸汽中之间以冷凝方式换热，可以在较低的冷、热流体温差下也能达到较高的换热效率，满足在室内常温附近的恒温液冷循环。

本发明的实现过程如下：

一种恒温换热装置，包括壳体，所述壳体顶部设置有压力变送器、真空维持口、蒸发液注入口、液位计，所述壳体内部上层设置有冷却管路，所述壳体内部下层设置有恒温管路，所述冷却管路和恒温管路的两端均从壳体的轴向壁面穿出，冷却管路的水平排布宽度≥恒温管路的水平排布宽度。

进一步，所述冷却管路与壳体内顶部之间设置有第一空腔，所述真空维持口、蒸发液注入口均与第一空腔相连通；压力变送器的感压口与第一空腔相连通，用于测量壳体内的真空度；液位计的探针伸入第一空腔中，用于感应液面高度，实现蒸发液补充功能；所述恒温管路壳体内底部之间设置有第二空腔。

进一步，所述壳体包括侧壁和两个壁面，所述冷却管路和恒温管路的两端与壳体的两个壁面接触处采用焊接、胶粘剂或机械密封密封。

进一步，所述冷却管路包括两端的冷却管接头和若干根平行设置的冷却管组成，若干根冷却管的两端端头均与两端的冷却管接头连接；所述恒温管路包括两端的恒温管接头和若干根平行设置的恒温管组成，若干根恒温管的两端端头均与两端的恒温管接头连接。

进一步，若干根冷却管外围包裹有金属海绵导热外套，所述金属海绵导热外套为开放性连续孔洞的高导热金属海绵体。

进一步，所述金属海绵导热外套下部半包裹恒温管。

进一步，所述恒温管为螺旋管或带翅片管。

进一步，所述螺旋管包括圆形接头段、变截面段、非圆形截面逆时针扭转段、扭转过渡段和非圆形截面顺时针扭转段，非圆形截面逆时针扭转段的一端和非圆形截面顺时针扭转段的一端通过扭转过渡段连接，所述非圆形截面逆时针扭转段的另一端依次连接有变截面段、圆形接头段，所述非圆形截面顺时针扭转段的另一端也依次连接有变截面段、圆形接头段；非圆形截面逆时针扭转段和非圆形截面顺时针扭转段为类等边三角形截面，所述类等边三角形截面是围绕管道截面中心点，以120°为旋转角的旋转对称图形，每个旋转角内存在一个连续曲线的外凸圆角，3个外凸圆角之间平滑连续过渡。

进一步，所述螺旋管为常用的椭圆形截面螺旋扁管。

进一步，在使用过程中，需要从蒸发液注入口注入蒸发液，通过液位计控制加入量，使蒸发液液面超过所有的恒温管，浸没所有的冷却管。

本发明的积极效果：

(1)由于蒸发液的汽化潜热远比比热容大，能保持沸点温度以有效应对热流体带来的输入热量波动，充分换热后可确保恒温管路内热流体出口温度始终保持恒定温度。

(2)由于恒温管路在蒸发液中以沸腾方式换热，冷却管路在蒸发液蒸汽中以冷凝方式换热，这两种换热方式换热效率高，确保在温差较小的冷、热流体之间仍能实现高效换热。

(3)大流量和流速的恒温管路采用螺旋管，在流体进入管道后会随着管壁形状变化，从圆形截面到不同角度非圆形截面再到圆形截面的加、减速流动，同时流体随着非圆形截面顺时针扭转段和非圆形截面逆时针扭转段的周期性螺旋流动，这两种流动方式的叠加，使流体内部湍流加剧，实现了湍流程度高、换热系数高，管道内部流阻小不易结垢。此外流体产生的湍流会引起管道震动，加速附着在管道外壁蒸发液蒸汽气泡破裂或飘散，增强沸腾换热效果。

(4)螺旋管的类等边三角形截面，相比于现在使用的螺旋扁管(Twisted tube)，能保证周长与截面面积之比较大的同时，还能减小不同方向上的弯曲刚度和扭转刚度差异，在无支撑段管道长径比较大且管内流体流速较大时降低引起的管道震动幅度，从而使换热器可以简化结构，缩小体积，降低制造成本。

(5)冷却管路优选使用的金属海绵外套，其开放性孔洞能最大限度地捕获飘散的蒸发液蒸汽气泡，使之冷却破裂，提高冷凝换热效果。此外减少蒸发液的蒸发量可以减低维持真空状态的真空泵抽气量以及换热器壳体内蒸发液的补充量，降低运行成本。

附图说明

图1为实施例1所述恒温换热装置结构示意图；

图2为实施例1所述恒温换热装置的内部结构示意图；

图3为图2的剖面示意图；

图4为实施例1所述螺旋管的结构示意图；

图5为实施例1所述螺旋管的类等边三角形截面示意图；

图6为实施例2所述恒温换热装置的内部结构示意图；

图中，1壳体，11侧壁，12壁面，2压力变送器，3真空维持口，4蒸发液注入口，5液位计，6第一空腔，7第二空腔，81冷却管接头，82冷却管，83金属海绵导热外套，91恒温管接头，92恒温管，921圆形接头段，922变截面段，923非圆形截面逆时针扭转段，924扭转过渡段，925非圆形截面顺时针扭转段。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供一种恒温换热装置，具体是通过调节气压改变蒸发液沸点，在沸点温度恒定的环境下，蒸发液的液、气形态相互转换实现热量的交换，使热流体通过恒温换热装置后，其温度能一直稳定保持在蒸发液沸点温度。此装置恒温精度好，换热效率高。

实施例1

本实施例所述恒温换热装置，见图1-3，包括壳体1，所述壳体1顶部设置有压力变送器2、真空维持口3、蒸发液注入口4、液位计5，所述壳体1内部上层设置有冷却管路，所述壳体1内部下层设置有恒温管路，所述冷却管路和恒温管路的两端均从壳体1的轴向壁面穿出，所述壳体1包括侧壁11和两个壁面12，所述冷却管路和恒温管路的两端与壳体1的两个壁面12接触处采用焊接、胶粘剂或机械密封(所述机械密封可以是法兰、垫片等)密封。冷却管路的水平排布宽度≥恒温管路的水平排布宽度。所述冷却管路与壳体1内顶部之间设置有第一空腔6，所述真空维持口3、蒸发液注入口4均与第一空腔6相连通；压力变送器2的感压口与第一空腔6相连通，用于测量壳体1内的真空度；液位计5的探针伸入第一空腔6中，用于感应液面高度，实现蒸发液补充功能；所述恒温管路壳体1内底部之间设置有第二空腔7。在使用过程中，需要从蒸发液注入口4注入蒸发液，通过液位计5控制加入量，使蒸发液液面超过所有的恒温管92，浸没所有的冷却管82。

其中，所述冷却管路包括两端的冷却管接头81和若干根平行设置的冷却管82组成，若干根冷却管82的两端端头均与两端的冷却管接头81连接；所述恒温管路包括两端的恒温管接头91和若干根平行设置的恒温管92组成，若干根恒温管92的两端端头均与两端的恒温管接头91连接。若干根冷却管82外围包裹有金属海绵导热外套83，所述金属海绵导热外套83为开放性连续孔洞的高导热金属海绵体。所述金属海绵导热外套83下部半包裹恒温管92。所述恒温管92为螺旋管或带翅片管。所述螺旋管，见图4，包括圆形接头段921、变截面段922、非圆形截面逆时针扭转段923、扭转过渡段924和非圆形截面顺时针扭转段925，非圆形截面逆时针扭转段923的一端和非圆形截面顺时针扭转段925的一端通过扭转过渡段924连接，所述非圆形截面逆时针扭转段923的另一端依次连接有变截面段922、圆形接头段921，所述非圆形截面顺时针扭转段925的另一端也依次连接有变截面段922、圆形接头段921；非圆形截面逆时针扭转段923和非圆形截面顺时针扭转段925为类等边三角形截面，见图5，所述类等边三角形截面是围绕管道截面中心点，以120°为旋转角的旋转对称图形，每个旋转角内存在一个连续曲线的外凸圆角，3个外凸圆角之间平滑连续过渡。

实际上，本实施例中，冷却管路是固定在壳体1的内部上层，并嵌入在金属海绵导热外套83中；恒温管路是固定在壳体1的内部下层。

实施例2

本实施例所述恒温换热装置，见图6，包括壳体1，所述壳体1顶部设置有压力变送器2、真空维持口3、蒸发液注入口4、液位计5，所述壳体1内部上层设置有冷却管路，所述壳体1内部下层设置有恒温管路，所述冷却管路和恒温管路的两端均从壳体1的轴向壁面穿出，所述壳体1包括侧壁11和两个壁面12，所述冷却管路和恒温管路的两端与壳体1的两个壁面12接触处采用焊接、胶粘剂或机械密封(所述机械密封可以是法兰、垫片等)密封。冷却管路的水平排布宽度≥恒温管路的水平排布宽度。所述冷却管路与壳体1内顶部之间设置有第一空腔6，所述真空维持口3、蒸发液注入口4均与第一空腔6相连通；压力变送器2的感压口与第一空腔6相连通，用于测量壳体1内的真空度；液位计5的探针伸入第一空腔6中，用于感应液面高度，实现蒸发液补充功能；所述恒温管路壳体1内底部之间设置有第二空腔7。在使用过程中，需要从蒸发液注入口4注入蒸发液，通过液位计5控制加入量，使蒸发液液面超过所有的恒温管92，浸没所有的冷却管82。

其中，所述冷却管路包括两端的冷却管接头81和若干根平行设置的冷却管82组成，若干根冷却管82的两端端头均与两端的冷却管接头81连接；所述恒温管路包括两端的恒温管接头91和若干根平行设置的恒温管92组成，若干根恒温管92的两端端头均与两端的恒温管接头91连接。若干根冷却管82外围包裹有金属海绵导热外套83，所述金属海绵导热外套83为开放性连续孔洞的高导热金属海绵体。所述金属海绵导热外套83下部半包裹恒温管92。所述恒温管92为带翅片管。

实际上，本实施例中，冷却管路是固定在壳体1的内部上层，并嵌入在金属海绵导热外套83中；恒温管路是固定在壳体1的内部下层。

实施例3

与实施例2不同的是，所述恒温管92为螺旋管，所述螺旋管为常用的椭圆形截面螺旋扁管。螺旋扁管，Twisted tube，是瑞典Alards公司首先提出、美国Koch Heat TransferCompany,LP公司经过改进的一种强化换热管。

本发明中，根据换热需求的不同工况，选择恒温管92种类的选择、冷却管82的数量选择和恒温管92的数量。当管道内流量和流速较小时可采用具有高换热面积特征的管路系统，如实施例2中的带翅片管。当管道内流量和流速较大时优选采用螺旋管路系统，如实施例1和实施例3中的螺旋管。本发明中涉及的压力变送器2、液位计5为常规的压力变送器、液位计。在使用过程中涉及的，外部的真空管路、外部的注水管路(蒸发液管路)、外部的热流体循环管路、外部的冷流体循环管路均为现有技术中常见的管路，这些管路只是在使用过程中配合本发明所述恒温换热装置进行工作，所以不再详述。冷却管路的整体宽度大于恒温管路的整体宽度，而若干根冷却管82外围包裹有金属海绵导热外套83，也就是说金属海绵导热外套83的水平宽度大于恒温管路的整体宽度，此外，所述金属海绵导热外套83下部半包裹恒温管92，这些设计的作用是增加捕获飘散的蒸发液蒸汽气泡的面积。

此外，本发明中蒸发液是液体沸点与气压的相关性明确，可通过调节气压控制液体沸点的已知物性液体。最常用的为水。

本发明所述恒温换热装置的工作过程是：

当蒸发液为水时，使用前，先将外部的真空管路、外部的注水管路(蒸发液管路)连接至壳体1的真空维持口3和蒸发液注入口4，恒温管路通过恒温管接头91接入外部的热流体循环管路，冷却管路通过冷却管接头81接入外部的冷流体循环管路；然后从蒸发液注入口4注入蒸发液，通过液位计5控制蒸发液的加入量，使蒸发液液面超过恒温管路，浸没冷却管路；然后根据换热温度，通过真空维持口3抽真空和压力变送器2监测压力，将壳体1内气压稳定保持在温度(或沸点)对应真空度(如水的沸点与真空度相关，按绝对压力计算，1kpa时水的沸点约为7℃；10kpa时水的沸点约为46℃；100kpa时水的沸点约为100℃)；最后启动外部的热流体循环管路和外部的冷流体循环管路进行热交换。若使用过程中液位计5监测到蒸发液液面未能浸没冷却管路，蒸发液注入口4补充注入蒸发液，使其完全浸没冷却管路。

本发明所述恒温换热装置的工作原理是：

恒温管路带来的热量使蒸发液在沸点温度蒸发，冷却管路将蒸发液蒸汽重新凝结成液态，利用蒸发液的液、气形态转换实现热量的快速交换。由于蒸发液自身比热容大，气化时液体温度稳定在沸点，只要恒温管路能够确保热流体在换热装置内部完成全部热交换，就能使热流体在恒温管路出口处温度不会高于蒸发液沸点温度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种恒温换热装置，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)顶部设置有压力变送器(2)、真空维持口(3)、蒸发液注入口(4)、液位计(5)，所述壳体(1)内部上层设置有冷却管路，所述壳体(1)内部下层设置有恒温管路，所述冷却管路和恒温管路的两端均从壳体(1)的轴向壁面穿出，冷却管路的水平排布宽度≥恒温管路的水平排布宽度。

2.根据权利要求1所述恒温换热装置，其特征在于：所述冷却管路与壳体(1)内顶部之间设置有第一空腔(6)，所述真空维持口(3)、蒸发液注入口(4)均与第一空腔(6)相连通；压力变送器(2)的感压口与第一空腔(6)相连通，用于测量壳体(1)内的真空度；液位计(5)的探针伸入第一空腔(6)中，用于感应液面高度，实现蒸发液补充功能；所述恒温管路壳体(1)内底部之间设置有第二空腔(7)。

3.根据权利要求1所述恒温换热装置，其特征在于：所述壳体(1)包括侧壁(11)和两个壁面(12)，所述冷却管路和恒温管路的两端与壳体(1)的两个壁面(12)接触处采用焊接、胶粘剂或机械密封密封。

4.根据权利要求1所述恒温换热装置，其特征在于：所述冷却管路包括两端的冷却管接头(81)和若干根平行设置的冷却管(82)组成，若干根冷却管(82)的两端端头均与两端的冷却管接头(81)连接；所述恒温管路包括两端的恒温管接头(91)和若干根平行设置的恒温管(92)组成，若干根恒温管(92)的两端端头均与两端的恒温管接头(91)连接。

5.根据权利要求4所述恒温换热装置，其特征在于：若干根冷却管(82)外围包裹有金属海绵导热外套(83)，所述金属海绵导热外套(83)为开放性连续孔洞的高导热金属海绵体。

6.根据权利要求5所述恒温换热装置，其特征在于：所述金属海绵导热外套(83)下部半包裹恒温管(92)。

7.根据权利要求1所述恒温换热装置，其特征在于：所述恒温管(92)为螺旋管或带翅片管。

8.根据权利要求7所述恒温换热装置，其特征在于：所述螺旋管包括圆形接头段(921)、变截面段(922)、非圆形截面逆时针扭转段(923)、扭转过渡段(924)和非圆形截面顺时针扭转段(925)，非圆形截面逆时针扭转段(923)的一端和非圆形截面顺时针扭转段(925)的一端通过扭转过渡段(924)连接，所述非圆形截面逆时针扭转段(923)的另一端依次连接有变截面段(922)、圆形接头段(921)，所述非圆形截面顺时针扭转段(925)的另一端也依次连接有变截面段(922)、圆形接头段(921)；非圆形截面逆时针扭转段(923)和非圆形截面顺时针扭转段(925)为类等边三角形截面，所述类等边三角形截面是围绕管道截面中心点，以120°为旋转角的旋转对称图形，每个旋转角内存在一个连续曲线的外凸圆角，3个外凸圆角之间平滑连续过渡。

9.根据权利要求7所述恒温换热装置，其特征在于：所述螺旋管为常用的椭圆形截面螺旋扁管。

10.根据权利要求1所述恒温换热装置，其特征在于：在使用过程中，需要从蒸发液注入口(4)注入蒸发液，通过液位计(5)控制加入量，使蒸发液液面超过所有的恒温管(92)，浸没所有的冷却管(82)。

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