CN114739213A - 一种基于分离式热管的集成自流冷却装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，其包括：连接于舱壁外侧的换热壳体，其内部设有同外部空间隔绝的换热腔，且其上设有连通舱壁内侧和所述换热腔的工质进口与工质出口；热交换管束，其设于所述换热壳体内，且两端管口均穿过所述换热壳体外壁并连通外部空间，以在所述换热腔内形成与换热腔隔绝的冷却流道。实现直接将热源介质的热量排至外部水环境中，达到降温冷却热源介质的目的，其结构简单且不占用舱内空间，显著降低冷却过程中的能耗，同时，避免了相关技术中使用循环泵等器件，不会对舱室和水域造成噪声污染。

Description

一种基于分离式热管的集成自流冷却装置

技术领域

本申请涉及流体换热技术领域，特别涉及一种基于分离式热管的集成自流冷却装置。

背景技术

船舶和海洋平台等均设置有冷却系统，其功能是将动力系统做功、空调和电气等设备工作过程中产生的热量导出舷外，以维持装置和设备的正常运行。出于防腐和安全性考虑，通常采用闭式循环对设备进行直接冷却，直接冷却介质通常为洁净淡水，再利用换热器将淡水热量传递至环境空气或冷却水。传统的冷却系统主要包括引水口、循环泵、换热器、排出口和管路及附件等。冷却介质经引水口由循环泵增压泵入换热器，在换热器中与热源介质(闭式回路内洁净淡水)完成热量交换后排出。

传统冷却系统所有设备均布置于舱内，占用大量舱室空间。冷却介质由引水口从舷外引水进入舱内，完成换热后经排出口排出舷外，导致系统管道长度增加、流阻增大，需配置循环泵对介质进行增压以克服系统阻力。如此配置的冷却系统重量较大，复杂程度较高，不利于减轻系统整体重量和提高舱室空间利用率，且将降低给定排水量下的有效负载能力。采用循环泵进行强迫循环，增加了系统运行时的功率消耗，同时水泵振动向环境传播，将对舱室和水域造成噪声污染。

发明内容

本申请实施例提供一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，以解决相关技术中作为冷却介质的外部水流需要配置动力设备以实现在换热器与外部环境中进行循环，影响舱室内空间利用以及造成振动、噪声污染的问题。

一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，其包括：

蒸发器，其内设有热源换热腔，所述热源换热腔上设有介质进口与介质出口，所述热源换热腔内设有多根内含热管工质的蒸发段换热管，且所述蒸发段换热管两端管口延伸至所述蒸发器外壁；

设于舱壁外侧的换热壳体，其内部设有同外部空间隔绝的工质换热腔，所述工质换热腔的顶端与底端分别设有连通舱壁内侧空间的工质进口与工质出口，且所述工质出口处于所述蒸发段换热管底端管口的上方；

第一管道，其连通所述蒸发段换热管的顶端管口和所述工质进口，以供所述蒸发段换热管内的热管工质吸热蒸发后进入所述工质换热腔内；

第二管道，其连通所述蒸发段换热管的底端管口和所述工质出口，以供所述工质换热腔内冷凝的热管工质回流至所述蒸发段换热管内。

一些实施例中，所述换热壳体内间隔设有多根热交换管束，所述热交换管束两端管口均穿过所述换热壳体外壁并连通外部空间，以在所述工质换热腔内形成与工质换热腔隔绝的冷却流道。

一些实施例中，所述热交换管束布设方向平行于船体航行方向。

一些实施例中，所述换热壳体至少包括：

两个端板，其间隔连接于舱壁外壁；

罩壳，其连接于两所述端板远离舱壁的一端，同所述端板、舱壁围设形成所述工质换热腔，且其在船体航行方向上呈流线型曲面结构。

一些实施例中，所述罩壳的端部在船体航行方向上延伸至所述端板的两端外并形成流入腔、流出腔，所述流入腔与所述流出腔远离所述端板的一端分别设有流入口与流出口；

所述流入腔内设有至少一个入口导流板，通过所述入口导流板在垂直舱壁的方向上形成两个导流腔，且靠近所述舱壁的所述导流腔在接近所述端板的方向上截面积逐渐减小。

一些实施例中，所述流入口呈椭圆形，且其长轴垂直于舱壁。

一些实施例中，所述罩壳在船体高度方向上呈曲面结构，且所述罩壳在船体高度方向上的两端与舱壁贴触连接，以同两所述端板和舱壁一同围设形成所述工质换热腔。

一些实施例中，所述换热壳体内设有多个支撑板件，所述支撑板件上开设有直径等于所述热交换管束外径的穿孔，以用于支撑各所述热交换管束。

一些实施例中，所述第二管道内设吸液结构，以用于将所述工质出口处的冷凝工质通过毛细作用输送至所述蒸发段换热管内。

一些实施例中，所述介质进口与所述介质出口分别处于所述蒸发器的两端，且所述介质进口靠近所述蒸发段换热管的顶端，所述介质出口靠近所述蒸发段换热管的底端。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，由于船舱内对相关设备进行降温的的热源介质可在进入蒸发器内后，同其内的蒸发段换热管进行热量交换，蒸发段换热管内的热管工质将吸热蒸发，并最终从顶部管口通过第一管道进入至舱壁外的换热壳体内，在换热壳体可直接同外部环境中的水流进行热量交换，得到降温冷凝，最终通过第二管道再次回流至蒸发器内的蒸发段换热管中，实现循环降温热源介质。在此过程中，实现将热源介质的热量通过热管工质传递至舱壁外部环境中，达到降温冷却热源介质的目的，其避免了相关技术中使用循环泵等动力设备，不会对舱室和水域造成噪声污染，同时在热管工质的热量交换过程中未产生能耗，更加环保安全；

此外，由于外部环境中的水流未直接与热源介质进行热量交换，在换热壳体出现破碎时外部环境中的水流也无法混入到船舱内的热源介质，进而避免对热源介质所作用的相关设备造成影响，实现提高本装置在使用时的安全效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的整体结构竖剖图；

图2为图1中A-A线的剖面示意图；

图3为本申请实施例提供的流入腔与流出腔结构示意图。

图中：

1、蒸发器；10、热源换热腔；100、介质进口；101、介质出口；11、蒸发段换热管；

2、换热壳体；20、工质换热腔；200、工质进口；201、工质出口；21、端板；22、罩壳；23、流入腔；230、流入口；231、入口导流板；232、导流腔；24、流出腔；240、流出口；241、出口导流板；

3、第一管道；

4、第二管道；

5、热交换管束；

6、支撑板件；

7、舱壁。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，其能解决相关技术中作为冷却介质的外部水流需要配置动力设备以实现在换热器与外部环境中进行循环，影响舱室内空间利用以及造成振动、噪声污染的问题。

参照图1，一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，其包括：

蒸发器1，其内设有热源换热腔10，所述热源换热腔10上设有介质进口100与介质出口101，所述换热腔内设有多根内含热管工质的蒸发段换热管11，且所述蒸发段换热管11两端管口延伸至所述蒸发器1外壁；

设于舱壁7外侧的换热壳体2，其内部设有同外部空间隔绝的工质换热腔20，所述工质换热腔20的顶端与底端分别设有连通舱壁7内侧空间的工质进口200与工质出口201，且所述工质出口201处于所述蒸发段换热管11底端管口的上方；

第一管道3，其连通所述蒸发段换热管11的顶端管口和所述工质进口200，以供所述蒸发段换热管11内的热管工质吸热蒸发后进入所述工质换热腔20内；

第二管道4，其连通所述蒸发段换热管11的底端管口和所述工质出口201，以供所述工质换热腔20内冷凝的热管工质回流至所述蒸发段换热管11内。

其中，需说明的是，相关技术中普通的热管通常由蒸发段和冷凝段组成，中间根据需要可布置绝热段，其内的换热介质也可根据工作温度需要改变材质。热管在进行热量传递的过程中，热量通过管壁和吸液芯传递到蒸发段使工作介质蒸发，所产生的蒸汽从蒸发段流向冷凝段，蒸汽在冷凝段内凝结，将热量传递到冷流体，冷凝液体通过吸液芯的毛细作用回流到蒸发段。工质在热管内完成吸热蒸发—凝结放热的循环过程，从而将热量不断地从一端传送到另一端。而本申请中仅采用蒸发段的热管，即本申请中的蒸发段换热管11，使进入热源换热腔10内的热源介质可在接触蒸发段换热管11后，热源介质降温，蒸发段换热管11内的热管工质则吸热蒸发，最终得以通过第一管道3进入换热壳体2的工质换热腔20内。

进入工质换热腔20内的热管工质通过换热壳体2实现与外部环境中的水流进行热量交换，得到降温冷凝，最终通过第二管道4再次回流至蒸发器1内的蒸发段换热管11中，实现利用热管介质循环降温热源介质。其中，通过第二管道4内的热管工质在冷凝回流至蒸发器1底端的时，将通过第二管道4与各蒸发段换热管11所连通的管道实现，使其可顺利回流至蒸发段换热管11内。

在此过程中，实现将热源介质的热量通过热管工质传递至舱壁7外部环境中，达到降温冷却热源介质的目的，其避免了相关技术中使用循环泵等动力设备，不会对舱室和水域造成噪声污染，同时在热管工质的热量交换过程中未产生能耗，更加环保安全；

此外，由于外部环境中的水流未直接与热源介质进行热量交换，在换热壳体2出现破碎时外部环境中的水流也无法混入到船舱内的热源介质，进而避免对热源介质所作用的相关设备造成影响，实现提高本装置在使用时的安全效果。，实现直接将热源介质的热量排至外部水环境中，达到降温冷却热源介质的目的，其结构简单且不占用舱内空间，显著降低冷却过程中的能耗，同时，避免了相关技术中使用循环泵等器件，不会对舱室和水域造成噪声污染。

参照图1，可选地，所述换热壳体2内设有热交换管束5，所述热交换管束5两端管口均穿过所述换热壳体2外壁并连通外部空间，以在所述工质换热腔20内形成与换热腔隔绝的冷却流道。

其中，外部环境中的水流可通过热交换管束5穿过工质换热腔20，进而工质换热腔20内的热管工质可进一步增大与外部环境水流的热交换面积，进而实现快速降温冷凝，进而可快速地在冷凝汇集后再次送入蒸发段换热管11内。

参照图1，可选地，所述热交换管束5布设方向平行于船体航行方向。

这样设置，实现在船体进行航行时，外部环境的水流可顺利的进入热交换管束5内穿过工质换热腔20，并得以保持较快的流速，有效降低作为冷却介质的水流在换热壳体2处所产生的阻力，同时保障冷却介质的流速大小，得以快速带走热源介质的热量。

可选地，所述热交换管束5设有多根，多根所述热交换管束5间隔布设且相互平行。

这样设置，实现有效增大工质换热腔20内工质介质与冷却介质的接触面积，保障工质介质在工质换热腔20内具有较快的冷凝效率。

参照图2，可选地，所述换热壳体2至少包括：

两个端板21，其间隔连接于舱壁7外壁；

罩壳22，其连接于两所述端板21远离舱壁7的一端，同所述端板21、舱壁7围设形成所述工质换热腔20，且其在船体航行方向上呈流线型曲面结构。

参照图3，在一些优选的实施例中，所述罩壳22的端部在船体航行方向上延伸至所述端板21的两端外并形成流入腔23、流出腔24，所述流入腔23与所述流出腔24远离所述端板21的一端分别设有流入口230与流出口240；

所述流入腔23内设有至少一个入口导流板231，通过所述入口导流板231在垂直舱壁7的方向上形成两个导流腔232，且靠近所述舱壁7的所述导流腔232在接近所述端板21的方向上截面积逐渐减小。

其中，罩壳22在船体航行方向上均呈曲面状的流线型设置，实现有效降低处于舱壁7外侧的换热壳体2与水流之间所产生的阻力，且由于罩壳22端部延伸至端板21的两侧外并围设形成流入口230与流出口240，使端板21的两侧分别形成流入腔23与流出腔24。

进一步地，流入腔23内的入口导流板231设有多个，且多个入口导流板231沿垂直舱壁7的方向依次布设，进而在远离舱壁7的方向上形成多个导流腔232。且值得注意的是，入口导流板231呈其板体在靠近端板21的方向上逐渐靠近舱壁7的弯曲设置，进而得以使其靠近舱壁7一侧的导流腔232截面积可在接近端板21的方向上逐渐减小。且各入口导流板231的弯曲程度满足，各导流腔232在靠近端板21方向上的同一截面下，靠近于舱壁7的导流腔232截面积最小。

参照图3，在远离舱壁7的方向上水流的流速逐渐增大，将使工质换热腔20内各区域的换热效率不同，但由于以上导流腔232的设置，实现靠近于舱壁7处的内层低速水流在进入两端板21之间的工质换热腔20前时，可得到有效加速，使接近舱壁7的内层低速水流与远离舱壁7的外层高速水流之间的速度可更加接近，避免了接近舱壁7的内层水流始终以远慢于外层水流的速度进入工质换热腔20内，而造成工质换热腔20内的工质介质换热不均，导致换热效果受到影响的情况出现。最终，实现进入工质换热腔20内的水流流速更加均匀，对流动至工质换热腔20内的工质介质进行更加均匀的冷却，提高对热源介质的冷却效果。

此外，流出口240的截面积大于流入口230的截面积，本实施例中流出口240截面积为流入口230截面积的2倍，以使流体动能恢复为压力能，利于流体排出并避免外部流体回流。且在流出腔24内设置有出口导流板241，出口导流板241垂直于舱壁7，进而避免在流出腔24内产生内部涡流，得以提高换热壳体2前后两端水流的通过速度，提升换热壳体2对流动至其内工质介质的换热效率。

进一步地，所述流入口230呈椭圆形，且其长轴垂直于舱壁7。进而，实现流入口230可以充分利用远离于舱壁7的外层高速水流层的动压头，得以提高进入工质换热腔20内的整体水流流速。此外，在入口部位设置有格栅，以防止异物进入。

参照图1，可选地，所述罩壳22在船体高度方向上呈曲面结构，且所述罩壳22在船体高度方向上的两端与舱壁7贴触连接，以同两所述端板21和舱壁7一同围设形成所述工质换热腔20。

这样设置，实现围设形成工质换热腔20的同时，罩壳22整体与外部环境的水流接触时具有更小的阻力，进一步降低换热壳体2在舱壁7外侧对船体航行所带来的阻力影响。

参照图2，可选地，所述换热壳体2内设有多个支撑板件6，所述支撑板件6上开设有直径等于所述热交换管束5外径的穿孔，以用于支撑各所述热交换管束5。

其中，支撑板件6于本实施例中呈垂直于舱壁7的竖直设置，热交换管束5垂直穿过各支撑板件6，且多个支撑板件6在船体的水平方向上间隔布设。

这样设置，进一步加强热交换管束5在换热壳体2内的稳定性，同时由于热交换管束5与换热壳体2之间连接，也将使得换热壳体2得到进一步加固，保障整体换热壳体2在跟随船体移动时具有较好的结构强度。

可选地，所述第二管道4内设吸液结构，以用于将所述工质出口201处的冷凝工质通过毛细作用输送至所述蒸发段换热管11内。

其中，吸液结构于本实施例中具体为常规热管结构中的吸热芯，同时在其他实施例中，吸液结构可为第二管道4内壁上开设延伸至蒸发段换热管11管口处的槽道，使冷凝的工质介质可顺利流动至蒸发段换热管11内。

这样设置，实现冷凝汇集在工质换热腔20底部的工质介质最终可通过吸液结构的毛细作用送至热源换热腔10的蒸发段换热管11内。

参照图1，可选地，所述介质进口100与所述介质出口101分别处于所述蒸发器1的两端，且所述介质进口100靠近所述蒸发段换热管11的顶端，所述介质出口101靠近所述蒸发段换热管11的底端。

这样设置，实现进入热源换热腔10的热源介质可与蒸发段换热管11内的工质介质以相反的方向进行流动，进而增大两者之间的热交换面积，以提高热源介质的降温效率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，其包括：

蒸发器(1)，其内设有热源换热腔(10)，所述热源换热腔(10)上设有介质进口(100)与介质出口(101)，所述热源换热腔(10)内设有多根内含热管工质的蒸发段换热管(11)，且所述蒸发段换热管(11)两端管口延伸至所述蒸发器(1)外壁；

设于舱壁(7)外侧的换热壳体(2)，其内部设有同外部空间隔绝的工质换热腔(20)，所述工质换热腔(20)的顶端与底端分别设有连通舱壁(7)内侧空间的工质进口(200)与工质出口(201)，且所述工质出口(201)处于所述蒸发段换热管(11)底端管口的上方；

第一管道(3)，其连通所述蒸发段换热管(11)的顶端管口和所述工质进口(200)，以供所述蒸发段换热管(11)内的热管工质吸热蒸发后进入所述工质换热腔(20)内；

第二管道(4)，其连通所述蒸发段换热管(11)的底端管口和所述工质出口(201)，以供所述工质换热腔(20)内冷凝的热管工质回流至所述蒸发段换热管(11)内。

2.根据权利要求1所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述换热壳体(2)内间隔设有多根热交换管束(5)，所述热交换管束(5)两端管口均穿过所述换热壳体(2)外壁并连通外部空间，以在所述工质换热腔(20)内形成与工质换热腔(20)隔绝的冷却流道。

3.根据权利要求2所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述热交换管束(5)布设方向平行于船体航行方向。

4.根据权利要求2所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述换热壳体(2)至少包括：

两个端板(21)，其间隔连接于舱壁(7)外壁；

罩壳(22)，其连接于两所述端板(21)远离舱壁(7)的一端，同所述端板(21)、舱壁(7)围设形成所述工质换热腔(20)，且其在船体航行方向上呈流线型曲面结构。

5.根据权利要求4所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述罩壳(22)的端部在船体航行方向上延伸至所述端板(21)的两端外并形成流入腔(23)、流出腔(24)，所述流入腔(23)与所述流出腔(24)远离所述端板(21)的一端分别设有流入口(230)与流出口(240)；

所述流入腔(23)内设有至少一个入口导流板(231)，通过所述入口导流板(231)在垂直舱壁(7)的方向上形成两个导流腔(232)，且靠近所述舱壁(7)的所述导流腔(232)在接近所述端板(21)的方向上截面积逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述流入口(230)呈椭圆形，且其长轴垂直于舱壁(7)。

7.根据权利要求4所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述罩壳(22)在船体高度方向上呈曲面结构，且所述罩壳(22)在船体高度方向上的两端与舱壁(7)贴触连接，以同两所述端板(21)和舱壁(7)一同围设形成所述工质换热腔(20)。

8.根据权利要求2所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述换热壳体(2)内设有多个支撑板件(6)，所述支撑板件(6)上开设有直径等于所述热交换管束(5)外径的穿孔，以用于支撑各所述热交换管束(5)。

9.根据权利要求1所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述第二管道(4)内设吸液结构，以用于将所述工质出口(201)处的冷凝工质通过毛细作用输送至所述蒸发段换热管(11)内。

10.根据权利要求1所述的基于分离式热管的集成自流冷却装置，其特征在于，所述介质进口(100)与所述介质出口(101)分别处于所述蒸发器(1)的两端，且所述介质进口(100)靠近所述蒸发段换热管(11)的顶端，所述介质出口(101)靠近所述蒸发段换热管(11)的底端。

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