CN113776370B - 一种弯曲弧壁引流环路热管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弯曲弧壁引流环路热管，所述环路热管包括蒸发部、冷凝部、蒸发管和冷凝管，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过蒸发管进入冷凝部放热，然后通过冷凝管回到蒸发部；均温部件的形状是第一弯曲壁和第二弯曲壁以及内壁沿着蒸发管轴线旋转形成的形状。本发明提供一种新式结构的环路热管，通过在蒸发管内设置均温部件，使得流体一部分沿着均温部件流动引导至相反的方向，与相反方向进入的流体充分混合，从而实现流体的温度均匀，以实现进一步温度均匀，提高产品使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种环路热管，尤其是涉及一种设置均温部件的环路热管。
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，包括双集管，一个集管蒸发，一个集管冷凝，从而提高了热管的换热效率，蒸发集管和冷凝集管之间通过蒸发管和冷凝管连通。
蒸发管的流体在流动过程中，一般在蒸发管是蒸汽为主的汽液两相流，从而使得蒸发管内的流体是汽液混合物，汽液两相流的存在使得影响了蒸发管吸热的效率。
在研究中发现，无论是吸热端吸热，还是蒸发管保温等措施的原因，导致蒸发管各个不同位置流体温度不均匀，例如绝热效果好的的一侧置温度高，绝热效果差的位置温度低，导致蒸发管内部不同位置的流体的温度不同，因为温度不同会导致蒸发管内的温度不均匀，从而进入放热端后也会导致不同位置的冷凝段散热不同，尤其是涉及多个放热端以及对应的热利用部件时候，因为放热端不同导致的热利用部件吸热不均匀，导致热利用部件出现过热或者过冷情况，对运行造成影响。还有多个吸热端情况下，吸热端热源不同导致热管冷凝部不同位置流体温度不同，导致热利用部件出现过热或者过冷情况，对运行造成影响。
针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的环路热管，从而解决热管内部流体温度不均匀的问题。
发明内容
本发明提供了一种新的环路热管，从而解决前面出现的技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种弯曲弧壁引流环路热管，所述环路热管包括蒸发部、冷凝部、蒸发管和冷凝管，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过蒸发管进入冷凝部放热，然后通过冷凝管回到蒸发部；其特征在于，所述蒸发管内设置从蒸发管内壁向蒸发管中心延伸的均温部件，所述均温部件包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁和第二弯曲壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的上部，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的上部，均温部件的形状是第一弯曲壁和第二弯曲壁以及内壁沿着蒸发管轴线旋转形成的形状。
作为优选，从吸热端上游向吸热端下游方向，通连管的流通面积不断增加的幅度越来越大。
所述蒸发管内设置从蒸发管内壁向蒸发管中心延伸的均温部件，所述均温部件包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁和第二弯曲壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的上部，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的上部，均温部件的形状是第一弯曲壁和第二弯曲壁以及内壁沿着蒸发管轴线旋转形成的形状。
作为优选，冷凝管内壁设置孔道。
作为优选，所述冷凝部具有多个放热端。
作为优选，至少两个放热端的冷源是互相独立的。
作为优选，第一弯曲壁和第二弯曲壁是圆弧，其中第一弯曲壁的圆弧直径小于第二弯曲壁的圆弧直径。
作为优选，交点位置处第一弯曲壁的切线与蒸发管的轴线形成30-60°的夹角。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
1)本发明提供一种新式结构的环路热管，本发明通过通连管面积变化的设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。
2)本发明提供了一种新的环路热管，通过在蒸发管内设置弯曲均温部件，使得流体一部分沿着均温部件流动引导至相反的方向，与相反方向进入的流体充分混合，从而实现流体的温度均匀，以实现进一步温度均匀，提高产品使用寿命。
3)本发明通过对均温部件各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，本发明对换热器的均温部件结构进行优化，以达到最优的出口流体均温效果。
4)本发明通过合理的布局，使得相邻排的均温部件结构错列布置，从而进一步充分混合流体，达到温度均匀。
5)本发明通过设置均温部件沿着流体流动方向的尺寸和数量角度等参数的分布变化，进一步促进充分混合。
6)本发明通过对均温部件的距离进行了广泛的研究，设计了最小距离的公式，充分满足均温混合需要，避免混合不均匀以及流动阻力增加问题，以达到最优的出口流体均温效果。
附图说明
图1是本发明的环路热管结构示意图；
图2是本发明的环路热管放热端/吸热端示意图；
图3是本发明蒸发管设置均温部件的轴向切面图；
图4是本发明蒸发管设置均温部件的尺寸示意图。
图5是每层设置1块均温部件的立体示意图。
图6是每层设置3块均温部件的立体示意图。
图7是每层设置1块均温部件的立体示意图。
图8是图7的蒸发管一侧的分解立体示意图。
图9是设置通连管的放热端/吸热端结构示意图。
图中：1、蒸发部，2、冷凝部，3、蒸发管，4、均温部件，41第一弯曲壁，42第二弯曲壁，43交点，5冷凝管，通连管6
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。
图1展示了一种热管。如图1所示，所述环路热管包括蒸发部1、冷凝部2、蒸发管3和冷凝管5，所述液体在蒸发部1吸热蒸发，通过蒸发管3进入冷凝部2放热，然后通过冷凝管5回到蒸发部1。
作为优选，蒸发管3外部设置保温层。
作为优选，冷凝管5内壁设置毛细结构。通过设置毛细结构，促进液体尽快进入蒸发部。
作为优选，液体为氨水、甲醇、丙酮或庚烷。
作为优选，冷凝部插入箱体内，箱体内设置药剂液体，例如熏洗使用的药液。用于加热熏洗使用的药液。
作为优选，如图2所示，所述冷凝部具有多个放热端21。
作为优选至少两个放热端的冷源是互相独立的。进一步优选，每个放热端的冷源不同。
作为优选，如图2所示，所述蒸发部具有多个吸热端11，至少两个吸热端的热源不同。
作为优选，每个吸热端的热源不同。
作为优选，蒸发管3是圆形结构。
作为一个改进，如图3所示，所述蒸发管3内设置从蒸发管内壁51向蒸发管中心延伸的均温部件4，所述均温部件4包括从内壁延伸的第一弯曲壁41和第二弯曲壁42，其中第一弯曲壁41与内壁51连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁42与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁41和第二弯曲壁42朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁41和第二弯曲壁42的交点43位于第一弯曲壁41与内壁51连接处的上部，同时位于第二弯曲壁42与内壁连接处的上部。均温部件4的形状是第一弯曲壁41和第二弯曲壁42以及内壁沿着蒸发管轴线旋转形成的形状。
在研究中发现，无论是吸热端吸热，还是蒸发管保温等措施的原因，导致蒸发管各个不同位置流体温度不均匀，例如绝热效果好的的一侧置温度高，绝热效果差的位置温度低，为蒸发管内部不同位置的流体的温度不同，因为温度不同会导致蒸发管内的温度不均匀，从而进入放热端后也会导致不同位置的冷凝段散热不同，尤其是涉及多个放热端以及对应的热利用部件时候，因为放热端不同导致的热利用部件吸热不均匀，还有多个吸热端情况下，吸热端热源不同导致热管冷凝部不同位置流体温度不同，导致热利用部件出现过热或者过冷情况，对运行造成影响。
因为热管在本发明通过在蒸发管内设置均温部件，使得流体一部分沿着均温部件流动引导至相反的方向，与相反方向进入的流体充分混合，从而实现流体的温度均匀，从而使得冷凝部的流体温度均匀，实现换热的均匀，以实现进一步换热需要，提高产品使用寿命。
本发明均温部件分别设置第一弯曲壁和第二弯曲壁，通过设置两个弯曲壁，使得流体的扰动效果更好，而且使得均温部件接触内壁的面积增加，增加了稳定性。而且通过设置第二弯曲壁，使得从对面方向导流过来的流体也能沿着第二弯曲壁方向弯曲方向运动，增加缓冲，减少流动阻力。
作为优选，冷凝管内壁设置孔道。通过设置孔道，促进液体尽快进入蒸发部。使得流体冷凝后沿着第二弯曲壁进入到内壁附近，通过内壁的孔道快速进入蒸发部。
作为优选，第一弯曲壁41和第二弯曲壁42是圆弧，其中第一弯曲壁41的圆弧直径小于第二弯曲壁42的圆弧直径。
本发明通过第一壁和第二壁是圆弧状，使得流体流动阻力更小，容易流向对方进行混合。
作为优选，交点43位置处第一弯曲壁41的切线与蒸发管的轴线形成30-60°的夹角，优选夹角是45°。通过设置这一夹角，使得流体能够快速引导到对面的上部位置，而且还能进一步减少流动阻力。
作为优选，如图3所示，沿着流体流动方向，蒸发管5内壁设置多层均温部件4，相邻层的均温部件错列分布。通过相邻排的均温部件的错列分布，使得流体能够在蒸发管内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。图3展示的每层均温部件设置一块。当然每层均温部件可以设置多块，例如设置3块。
作为优选，交点与蒸发管内壁的距离为蒸发管直径的0.3-0.5倍，优选0.4倍。通过这一设置使得空气在充分混合基础上较少流动阻力。
作为优选，第一弯曲壁的长度大于第二弯曲壁的长度。
作为优选，同一层的均温部件与内壁连接的圆弧的总弧度是150－180°。通过这一参数设置保证在满足阻力要求的充分混合。例如图3、5、7展示的每层均温部件设置一块，这一块的总弧度是150-180°。当然每层均温部件可以设置多块，例如图5的每层设置三块的总弧度是150－180°。
作为优选，A层均温部件设置多块，A均温部件之间设置间隔，A均温部件等间隔设置，B层是A层的相邻层，从流动方向观察，B层均温部件设置在A层的间隔位置处。通过相邻层的均温部件位置互补，能够使得流体能够在蒸发管内充分的互相运动到相反位置，保证充分混合均匀。需要说明的，此处A层B层不是具体明确指定那一层，A、B仅仅是作为一个区别，将其作为相邻层进行区别。
作为优选，沿着流体流动方向，蒸发管内壁设置多个均温部件，沿着流体流动方向，均温部件的分布密度越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置分布密度越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。
作为优选，沿着流体流动方向，均温部件的分布密度越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。
作为优选，沿着流体流动方向，蒸发管内壁设置多个均温部件，沿着流体流动方向，均温部件的尺寸越来越小。因为随着流体的不断运动，流体的混合程度越来越好，因此需要设置尺寸越来越小，以减轻流动阻力，在阻力减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。
作为优选，沿着流体流动方向，蒸发管内壁设置多个均温部件，沿着流体流动方向，均温部件的尺寸越来越小的幅度不断增加。上述效果是通过大量数值模拟以及实验研究的结果，通过研究发现，该规律符合流体运动的规律，在阻力进一步减小以及材料成本节省的程度上，所述的均温效果达到基本相同的效果。
通过大量的数值模拟和实验研究发现，均温部件的角度以及尺寸对于换热以及混合均匀具有很大的影响，均温部件与内壁夹角偏小，会导致混合效果变差，而且导致均温部件尺寸过大，影响流动阻力，夹角偏大，导致搅动流体效果不好，阻力变大，混合效果变差，均温部件的间距过大，会导致扰流效果不好，间距过小会导致增加运动阻力，因此本申请通过大量的数据模拟和实验得到了最近的均温部件结构尺寸优化关系。
作为优选，蒸发管水平设置。
作为优选，第一弯曲壁与内壁的连接点与交点43之间第一线的长度L2，第二弯曲壁与内壁的连接点与交点43之间的第二线的长度L1，第一线与内壁的锐角是A2，第二线与内部的锐角是A1，沿着流体的流动方向上相邻均温部件结构的间距S，即相邻均温部件在内壁的中心点之间的距离，中心点就是第一弯曲壁、第二弯曲壁与内壁的连接点连线的中点，满足如下要求：
N＝a-b*Ln(M)，其中N＝(L1+L2)/S，M＝sin(A2)/sin(A1)；Ln是对数函数，
0.263<a<0.264，0.0829<b<0.0831；
作为优选，0.25<M<0.75,0.28<N<0.35,45<A1<75°，15<A2<45°,400<S<500mm，70<L2<130mm，30<L1<90mm。
由上述各式可以进行均温部件结构的最优的设计要求。上述的结构优化公式是本发明的一个主要改进点，是通过大量的数值模拟和实验研究的出来的最有的优化公式，并不是本领域的公知常识。
进一步优选，a＝0.2634，b＝0.0830。
作为优选，在蒸发管与水平面形成的夹角为A情况下，可以增加修正系数c对数据进行修正，即
N/c＝a-b*Ln(M)；c＝cos(A)m，其中0.092<m<0.106，优选m＝0.099。
0°<A<50°。
在数据模拟以及实验中发现，均温部件之间的间距必须大于一定距离，否则会导致流体通过上一个均温部件引导到对面方向，但是如果均温部件之间的间距过小，会导致流体在对面流动，还没充分充满整个管道，此时设置均温部件，起不到混合效果，均温部件仅仅起到是一个折流板作用，没有引导混合的作用，只能增加流动阻力。因此本申请通过大量的研究，提出了一个均温部件最小间距的设计方案，对于此种均温部件的设计具有一定的指导意义。
交点43在内壁上的垂点，交点与垂点形成的线是第三线，第一弯曲壁与内壁的连接点与垂点的距离为H，第一线和第三线形成的锐角为A3，交点位置处的第一弯曲壁的切线与蒸发管的轴线形成的锐角为A4，蒸发管的内管径为R，距离S采用如下方式设计：
(S/H)>a+b*Ln(T)，(S/R)2>c+d*Ln(T)；
其中T＝sin(A3)/sin(A4)，2.74<a<2.75,17.4<b<17.5，1.998<c<1.999，3.431<d<3.432，
30<A3<70°，20<A4<60°；优选1.07<T<1.30；
作为优选，a＝2.743,b＝17.47,c＝1.9984,d＝3.4316；
本发明通过大量的实验以及数值模拟，得到了均温部件最小的设计距离，通过上述设计距离使得阻力降低，同时能够此充分混合。
作为优选，在蒸发管与水平面形成的夹角为A情况下，可以增加修正系数d，f对数据进行修正，即
((S/H)/d)>a+b*Ln(T)；((S/R)2/f)>c+d*Ln(T)；
d＝cos(A)n，其中0.078<n<0.082，优选n＝0.080。f＝cos(A)k，其中0.084<k<0.088，优选k＝0.086
0°<A<50°。
作为优选，沿着流体流动的方向，蒸发部的流通面积不断的增加。主要原因如下：1)通过增加蒸发部的流通面积，可以减少流动的阻力，使得蒸发部内蒸发的汽体不断的向着流通面积增加的方向运动，从而进一步促进热管的循环流动。2)因为随着流体的不断的流动，液体在蒸发部内不断的蒸发，从而使得汽体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加流通面积来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。3)通过蒸发部的流通面积的增加，可以减少汽体出口的体积的增加导致的冲击现象。
作为优选，沿着流体流动的方向，蒸发部的流通面积不断的增加的幅度越来越大。上述流通面积的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀，减少冲击现象。
作为优选，沿着流体流动的方向，冷凝部的流通面积不断的减小。主要原因如下：1)因为随着流体的不断的流动，蒸汽在下降管内不断的冷凝，从而使得流体体积越来越小，压力也越来越小，因此通过减少流通面积来满足不断增加的流体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀，换热均匀。2)通过冷凝管的流通面积的减小，可以节约材料，降低成本。
作为优选，沿着流体流动的方向，冷凝部的流通面积不断的减小的幅度越来越大。上述流通面积的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进环路热管的循环流动，达到压力整体均匀。
作为优选，所述蒸发部热源可以是土壤或者锅炉尾气等。
作为优选，所述冷凝部冷源为水或者空气。
作为优选，吸热端为多个，至少两个相邻的吸热端之间设置通连管6。在研究中发现，在蒸发部吸热的过程中，会出现不同位置的吸热端的吸收热量不同，导致吸热端之间的压力或者温度不同，这样会导致部分吸热端受热过高，造成寿命缩短，一旦一个吸热端出现问题，可能导致整个热管出现无法使用的问题。本发明通过大量的研究，在相邻的吸热端设置通连管，可以在竖直管受热不同而导致压力不同的情况下，可以使得压力大的竖直管内的流体快速的流向压力小的吸热端，从而保持整体压力均衡，避免局部过热或者过冷。
作为优选，在蒸发部，从吸热端上游向吸热端下游方向，相邻的吸热端之间设置多个通连管。通过设置多个通连管，能够使得流体在吸热蒸发过程中不断的均衡压力，保证整个竖直管内的压力均衡。
作为优选，在蒸发部，从吸热端上游向吸热端下游方向，相邻通连管之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的通连管，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同集热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。
作为优选，在蒸发部，从吸热端上游向吸热端下游方向，相邻通连管之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。
作为优选，在蒸发部，从吸热端上游向吸热端下游方向，通连管的流通面积不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同吸热端内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。
作为优选，在蒸发部，从吸热端上游向吸热端下游方向，通连管的流通面积不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。
作为优选，放热端为多个，至少两个相邻的放热端之间设置通连管。通过设置通连管，可以避免热管之间受热不均匀，实现热管放热端之间的压力均衡，避免不同热管之间的受热不均匀导致的缺陷。
在放热端，从放热端上游向下游方向，相邻通连管之间的距离不断增加。此目的是为了设置更少的通连管，降低成本。因为随着放热端的下部向上，热管内蒸汽不断的放热冷凝，随着流体不断的放热，热管内的压力越来越小，因此不均匀的现象也越来越缓和，因此通过上述设置，可以节省材料，根据压力变化设置通连管，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。
作为优选，在放热端，从放热端上游向下游方向，相邻通连管之间的距离不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。
作为优选，在放热端，放热端下部向上部方向，通连管的流通面积不断降低。此目的是为了设置保证减少的连通面积，降低成本。与前面距离不断增加的原理相同。
作为优选，在放热端，从放热端上游向下游方向，通连管的流通面积不断降低的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。
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 (6)
1.一种弯曲弧壁引流环路热管，所述环路热管包括蒸发部、冷凝部、蒸发管和冷凝管，液体在蒸发部吸热蒸发，通过蒸发管进入冷凝部放热，然后通过冷凝管回到蒸发部；其特征在于，所述蒸发管内设置从蒸发管内壁向蒸发管中心延伸的均温部件，所述均温部件包括从内壁延伸的第一弯曲壁和第二弯曲壁，其中第一弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角小于第二弯曲壁与内壁连接处切线与内壁形成的锐角，第一弯曲壁和第二弯曲壁朝向流体流动方向弯曲延伸，弯曲方向也朝向流体流动方向，第一弯曲壁和第二弯曲壁的交点位于第一弯曲壁与内壁连接处的上部，同时位于第二弯曲壁与内壁连接处的上部，均温部件的形状是第一弯曲壁和第二弯曲壁以及内壁沿着蒸发管轴线旋转形成的形状。
2.如权利要求1所述的环路热管，冷凝管内壁设置孔道。
3.如权利要求1所述的环路热管，所述冷凝部具有多个放热端。
4.如权利要求3所述的环路热管，至少两个放热端的冷源是互相独立的。
5.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，第一弯曲壁和第二弯曲壁是圆弧，其中第一弯曲壁的圆弧直径小于第二弯曲壁的圆弧直径。
6.如权利要求1所述的环路热管，其特征在于，交点位置处第一弯曲壁的切线与蒸发管的轴线形成30-60°的夹角。
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