CN1330922C - 具有泵辅助的热管回路 - Google Patents

Abstract

一种热管回路，包括：第一热管部分，具有第一温度；第二热管部分，具有比第一温度更高的第二温度。第一热管部分是冷凝器，第二热管部分是蒸发器。蒸气线路连接第一热管部分上部和第二热管部分上部。液体线路连接第一热管部分的下部和第二热管部分下部。在一个实施例中，第一热管部分设置在第一高度，第二热管部分设置在比第一高度更高的第二高度。泵通过液体线路从第一热管部分向第二热管部分抽取液体。

Description

具有泵辅助的热管回路

背景技术

热管热交换器在热回收和除湿领域是众所周知的。热管借助相变过程通过蒸发吸收热量和通过冷凝释放热量，借助很小的温差以传输大量的热能。

热管典型地包括冷凝器和蒸发器，所述冷凝器和蒸发器在封闭系统内相互连接。典型的热管包括密闭管道系统，所述密闭管道系统具有形成蒸发器部分的一个末端和形成冷凝器部分的另一个冷却器和低压端。

使用中，存在于蒸发器部分的液体制冷剂通过环境加热、蒸发、并且上升进入冷凝器部分。在冷凝器部分，制冷剂通过环境冷却，并伴随释放热量发生凝结，然后重新返回到蒸发器部分。该循环再次重复，导致连续循环，在所述循环中由蒸发器从环境中吸收热量并且由冷凝器释放热量。

热管热交换器通常制成两部分，所述两部分分别插进两股气流中，所述两股气流之间存在温差。两气流优选的彼此非常相近并且流向相反。热管中的制冷剂通过被动技术(passive techniques)引导，例如自流(gravityflow)、毛细管作用、热泵作用和热吸水管(thermo-syphoning)作用。所述被动技术具有尺度限制，并在相对小的热管中工作状态良好。因此，有必要将其设计成用于大型热管或在比冷源更高热源或气流之间传递热量时也保持工作状态良好的热管。

发明内容

一种热管回路，其包括：第一热管部分，其具有第一温度并具有第一多个管；第二热管部分，其具有比所述第一温度更高的第二温度并具有第二多个管；蒸气线路，其连接第一热管部分的上部和第二热管部分的上部；液体线路，其连接第一热管部分的下部和第二热管的下部；泵，其通过液体线路从第一热管部分向第二热管部分抽取液体；和液体分配器，其位于泵和第二热管部分中间，所述分配器喷射液体润湿每一个第二多个管的内表面。第一热管部分是冷凝器，第二热管部分是蒸发器。蒸气线路连接第一热管部分上部和第二热管部分上部。液体线路连接第一热管部分的下部和第二热管部分下部，在一个实施例中，第一热管部分设置在第一高度，第二热管部分设置在比第一高度更高的高度。泵通过流体线路从第一热管部分向第二热管部分引导液体。

附图说明

图1是说明现有技术的蜿蜒热管的示意图。

图2是说明现有技术的3-D热管的示意图。

图3是说明单向泵辅助热管回路的侧视图。

图4是说明利用单个泵的双向泵辅助热管回路的侧视图。

图5是说明利用两个泵的双向泵辅助热管回路的侧视图。

图6是说明利用两个泵和旁路阀的双向泵辅助热管回路的侧视图。

图7是说明液体抽吸的注水方法的侧视图。

图8是说明液体抽吸的分配方法的一个实施例的侧视图。

图9是说明液体抽吸的分配方法的第二实施例的侧视图。

图10是说明热管管道可替换的实施例的侧视图。

图11是说明热管管道的另一实施例的侧视图。

具体实施方式

本发明利用一个或多个泵有效地抽吸热管中的工作流体(例如制冷剂)以促进热传递。特别地，本发明应用在大尺寸热管和在与冷源位于同一高度或比冷源铰高的位置的热源或气流间传递热量的热管中。有两种基本结构：单向泵辅助、双向泵辅助和在流体分配上的两种变换：蒸发器部分的注入和喷出。图1是说明现有技术的蜿蜒热管的示意图。众所周知，在以前的技术中，回路热管可有效地运作，容易制造，并有很好的成本效益，该技术中Khanh Dinh申请的美国专利NO.5,845,702中披露，所述专利美国专利NO.5,845,702的题目是“Serpentine Heat Pipe andDehumidification Application in Air Conditioning Systems”，在此并人作为参考。

图2是说明现有技术的3-D热管的示意图，如Khanh Dinh在美国专利NO.5,921,315中所述，其题目为“3-D热管”，在此并入作为参考。

热管系统的传统结构是“热”部分或热气流中的部分必须设置得位置比“冷”部分低。所述的“热”和“冷”是相对的；两部分相对来说，具有较高温度的部分称为“热”部分，具有较低温度的部分称为“冷”部分，即使这两部分摸起来可能不热也不冷。

在热部，热管内的工作流体蒸发，蒸汽上升进入冷部，然后所述蒸汽凝结并在重力作用下重新回到下部。只要下部温度高于上部，所述循环就会重复。工作流体是任意能够蒸发和凝结的液体，并且典型的液体例如是水、丙酮、酒精、乙二醇或诸如氟里昂的制冷剂。

然而，在某些情况下，下部的温度低于上部的温度。这样，液体在上部蒸发、凝结并落至下部。因为下部较冷，所以其中的液体不能蒸发，反而会聚集在温度较低的下部，由此，反复进行的循环传热过程停止。此外，所述设计的效率随热管变大而减少。借助新的抽吸热管回路，可以建立更大尺寸的热管而没有效率损失。

图3是说明单向泵辅助热管回路的侧视图。热管回路10典型地包括两部分31和32，该两部分31和32通过蒸汽线路33和液体线路34连接，所述蒸汽线路33连接31和32的上部，所述液体线路34连接31和32的下部。所述热管回路的典型应用是用于大建筑的通风系统，诸如需要大量的新鲜空气的医院。该实施例中，流出的气流比流进的气流位置高。在夏季，当室内气体比室外气体温度低时，下部31将会更热并且上部32将会更冷。热气体使下部31内的液体蒸发，该下部31充当蒸发器；蒸汽将升至上部32，凝结成液体，在重力作用下进入下部31，该上部32充当冷凝器。只要存在温差，该循环将不断的重复。

然而，在冬季时，温度梯度颠倒。流出的空气温度高于流入的空气温度。因此，下部31将会更冷而上部32将会更热。蒸汽凝结成液体并聚集在下部31，所述下部31此时充当冷凝器，并且所有热传递将停止，除非液体重新回到上部。泵35将液体抽回至更热的上部32，该上部32此时充当蒸发器，其中液体蒸发，使热管循环得到继续并且传递热量。泵35可以是众所周知的用于抽取液体的设备或机器。热管回路10的结构通过本领域公知的产品或方法来实现，例如通过焊接件连接热管回路的各个部件。

随着热管用于传递热量的相变过程，即使“热”部分和“冷”部分之间存在非常小的温差，液体也会蒸发并再次凝结。借助热管，甚至当热部和冷部之间的温差为5时，热量传递也会发生。当热管被设计具有非常低的压降时，甚至在大约3或1的温差时，热量传递也会发生。如没有所述的相变，需要更大的温差以用于传递热量。此外，相变过程的应用也考虑到热量传递只需非常少的工作液体。没有相变过程，需要许多倍的工作液体才能实现相同数量的热量传递。

单向泵辅助设备用于将液体抽回至较高的热部，在其中，所述液体可蒸发并继续传递热量。只有当热传递颠倒时，即当上部温度变的比下部温度高时，泵将打开。例如，所述情况在夏和冬季空对空通风热回收操作中会出现，其中，随着季节的变换，热部和冷部会颠倒。作为一个例子，如果氟里昂-22在热管回路10中用作工作液体，1磅的氟里昂一22在热部蒸发并在“冷”部分凝结传输的热量是70BTU。

图4是说明利用单个泵的双向泵辅助热管回路的侧视图。当两部分位于同一水平或大约同一水平或离开很远时，利用双向泵辅助结构。当热管的热部和冷部被分开很大距离时，利用泵通过克服管道系统的阻力以协助液体循环。所述液体和蒸汽循环的阻力是由诸如摩擦力或阻挡造成的，所述摩擦力是由于管道的长度导致，所述阻挡是由于管道的结构导致，例如管道上下运转和转向。泵的应用在管的设计中具有更大的灵活性，而不用担心降低效率。

当热和冷部位于同一水平或大约同一水平时，静止的液体时在两部分内趋于同一水平。大体上，差不多热管的热部充满液体而冷部充满蒸汽。这将使热部具有最大蒸汽量，在冷部具有最大的蒸汽凝结量。泵的作用是使液体循环，并推动液面使其尽可能地升至充满热部和当液体倒空时流出冷部。可以利用具有控制阀或不具有控制阀的多个泵，并可以利用多个热管回路用于获得逆流热传递效果。

图4是说明带有单个泵的双向泵辅助热管回路。热管回路包括两部分41和42，所述两部分41和42通过蒸汽线路43和液体线路44相互连接。所述部分41和42位于相同或几乎相同的高度。理论上，液体应该在两个部分中平均分配。但是实际上，由于管道摩擦、距离和其他因素，液体具有向冷部聚集的趋势，并且循环将是最小化，因此降低热传递。本实施例中，单向泵45协助控制阀将液体输送到热部，液体在这里蒸发。由于蒸汽压的差异蒸汽移向冷部，然后在这里凝结。

本实施例中，泵45沿单方向抽吸液体。为了实现双向抽液体，设置两个流入线。如果42是液体聚集的冷部，阀46和47将关闭，泵将通过开启阀49和阀48从冷部42抽取液体至热部41。当温度颠倒时，诸如随着季节变换，部分41变成冷部，通过关闭阀48和阀49并开启阀46与阀47，泵的液体流动方向颠倒，以使液体冷部41抽吸至热部42。因此，阀系统使抽吸一次只通过两个流入线之一。

图5是说明利用两个泵51和52的双向泵辅助热管回路。该结构中，根据季节和其他因素，在任意时间只有一个泵运作。所述泵是离心类型或其他类型，当泵没有工作时，能使泵内产生自由回流。

图6是说明利用两个泵和旁路阀的双向泵辅助热管回路的侧视图。如选中的泵在非工作状态下不能产生回流，所述结构是有用的。这样，关闭任意阀61或阀62可以绕过非工作泵产生的障碍物。因此，阀系统使抽吸一次只通过两个流入线之一。

在相变热管回路中，热部的整个内表面被工作液体润湿是非常重要的。通过将液体注入或喷射至管道的内表面来润湿其内表面。

图7是说明流体泵的注入方法的插图。热管回路的两部分可以在同一水平也可以不在同一水平。图7-9是说明由多个管道70组成每个热管71和72的示意图。没有抽吸，两部分的液体74面趋于同一位置，在两部分内部留下较小的空间用于蒸发或凝结，使回路的传输能力降低。对于在最大效率条件下工作的回路，必须存在一个热部71和一个冷部72，所述热部71差不多充满蒸发的液体74，所述冷部差不多充满用于凝结的蒸汽，因此，整个部分将会蒸发或凝结。为了达到液体74充满一部分、而另一部分倒空以用于蒸汽75凝结的效果，泵73用来从冷部72推动液体74以升高热部71内的液面。注入技术的优点是不需要分配设备。然而，注入需要大量的液体。

图8是说明流体泵的分配方法的一个实施例的示意图。除了注入法外，另一个保证最大蒸发量的方法是通过抽取和喷射或其它利用工作液体74润湿每一个管道70的内表面的方式完全润湿“热”部分71的内表面。这种方法需要在泵82和第二热管部分71之间设置分配器81；分配器81将液体74的总体流动分配到热部71的不同管道70中。适当的分配器包括以下设备，例如总管、分配器头和多孔管。这种方法利用非常少量的工作液体74。如图8中所阐述的实施例，分配器81从热部71的下部抽取或喷射工作液体74。

图9是说明流体泵的分配方法的第二实施例的示意图，其中，分配器90是从热部71的顶部抽取或喷射液体74。这样，液体回流线91连接到泵92入口前的冷部。

图8和图9是说明利用分配器81或90通过多个管从热管部分71的外部将液体注入热部71，每个管放入热部的多个管70之一。期望在某个实施例中，分配器81或90包括分别同轴紧靠液体线路76或蒸汽线路77的管道，所述管道带有孔洞，通过孔洞从液体线路76或蒸汽线路77的内部将工作液体74喷射或分配到“热”部分71的多个管70内。该实施例大大降低了系统的加工难度。

虽然所述例子阐述的热部分的管道70是完全垂直安置的，可以预料管道70也能倾斜或完全水平安置。此外，当每一个管道70呈竖直时，也预料每一个管道70能具有蜿蜒结构，如图10和11所示。图10和图11是只说明了热管回路一部分一个管道；因此，图10和图11描述的仅是以前披露的热管回路的局部视图。综上所述，可以理解泵连接在液体线路上的情况。

图10是说明热管管道可替换的实施例的图示，所述管道完全水平安置并具有一个或多个“U”型弯曲的蜿蜒结构。借助管道70或78的水平定位，冷部和热部一般是一个在上而另一个在下，而不是如图3-9所示的并排安置。水平结构的优点是操作员很容易通过设备侧面的入口的对管道70或78进行维修。另一个优点是当使用带肋片的热管的热交换器时，管道70和管道78的水平方向使凝结的水更容易从助片中排出。所述的带肋片的管热交换器如Khanh Dinh在美国申请的专利NO.5,582,246中的阐述，其题目是“Finned Tube Heat Exchanger with Secondary Star Fins and Method for itsProduction”，在此并入作为参考。

当说明一个蜿蜒管78时，可以预料利用更多的管道78并且每个管78能包括更多的“U”型弯曲。此外，虽然所示的蜿蜒管78通常呈水平，而管78也能倾斜或完全垂直安置。

热传递通常和管道70或78的表面积以及长度和直径成比例。在不增加管道78和液体线路76或蒸汽线路77之间的接点数目情况下，通过使每一个管道78弯曲，对于在液体线路76和蒸汽线路77之间的固定距离，可增加管道的长度。这增加了制造热管回路的容易程度。

图11是说明热管管道78的另一实施例的示意图。该实施例中，液体线路76和蒸汽线路77设置在热管回路的同一末端。通过在方便侧提供两线的入口，使维修热管回路更容易。

虽然参考优选的实施例对本发明进行了阐述，只要所作的改变不脱离本发明的保护范围，对于本领域普通技术人员而言，能够对这些实施例进行变化。例如：如果利用可逆泵，可以预料双向泵辅助热管回路将只需要一个与泵相连接的液体线路。此外，任意热管部分可应用带肋片的热交换器结构。

Claims (16)

1.一种热管回路，其包括：

第一热管部分，其具有第一温度并具有第一多个管；

第二热管部分，其具有比所述第一温度更高的第二温度并具有第二多个管；

蒸气线路，其连接第一热管部分的上部和第二热管部分的上部；

液体线路，其连接第一热管部分的下部和第二热管的下部；

泵，其通过液体线路从第一热管部分向第二热管部分抽取液体；和

液体分配器，其位于泵和第二热管部分中间，所述分配器喷射液体润湿每一个第二多个管的内表面。

2.根据权利要求1所述的热管回路，其中第一热管部分是冷凝器，第二热管部分是蒸发器。

3.根据权利要求1所述的热管回路，其中第一热管部分设置在第一高度，第二热管部分设置在比第一高度更高的第二高度。

4.根据权利要求1所述的热管回路，其中液体分配器从第二多个管的上部喷射液体。

5.根据权利要求4所述的热管回路，还包括：

液体返回线路，其位于第二多个管道的下部和泵的入口中间。

6.根据权利要求4所述的热管回路，其中液体分配器包括多孔管道，所述多孔管在蒸汽线路内同轴设置。

7.根据权利要求1所述的热管回路，其中液体分配器从第二多个管的下部喷射液体。

8.根据权利要求7所述的热管回路，其中液体分配器包括多孔管道，所述多孔管道在液体线路内同轴设置。

9.根据权利要求1所述的热管回路，其中所述第一多个管垂直地设置；和

所述第二多个管道垂直地设置。

10.根据权利要求1所述的热管回路，其中所述第一多个管水平地设置；和

其中所述第二多个管水平地设置。

11.根据权利要求1所述的热管回路，其中第二温度比第一温度高小于5。

12.根据权利要求1所述的热管回路，还包括：

第一热管部分中的蜿蜒管道；和

第二热管部分中的蜿蜒管道。

13.根据权利要求1所述的热管回路，其中液体线路还包括：

第一注入线路，泵通过所述第一注入线路从第一热管部分向第二热管部分抽取液体；

第二注入线路，泵通过所述第二注入线路从第二热管部分向第一热管部分抽取液体；和

阀系统，其使抽吸过程一次只通过所述第一和第二注入线路其中之一。

14.根据权利要求1所述的热管回路，还包括：

第二泵，其中所述第二泵从第二热管部分向第一热管部分抽取液体。

15.根据权利要求14所述的热管回路，其中第一泵和第二泵在非运转期间都允许自由回流液体。

16.根据权利要求1所述的热管回路，其中的液体线路还包括：

第一注入线路，第一泵通过所述第一注入线路从第一热管部分向第二热管部分抽取液体；

第二注入线路，第二泵通过所述第二注入线路从第二热管部分向第一热管部分抽取液体；和

阀系统，其使抽吸过程一次只通过所述第一和第二注入线路其中之一。

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