WO2017219521A1

WO2017219521A1 - 一种多支路相变传热系统

Info

Publication number: WO2017219521A1
Application number: PCT/CN2016/099660
Authority: WO
Inventors: 祝长宇
Original assignee: 北京丰联奥睿科技有限公司
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2017-12-28
Also published as: CN105953623A

Abstract

一种多支路相变传热系统，包括蒸发循环支路（I-M）、冷凝循环支路（I-N）、储液罐（3）和电路控制系统，其中M与N之间无数量关系；各蒸发循环支路（I-M）和各冷凝循环支路（I-N）分别都是一个独立的循环支路，有独立循环泵，工作运行时互不影响；电路控制系统控制着蒸发器循环泵（51-5M）和冷凝器循环泵（41-4N）的电机开启数量和运转状态，可以实现蒸发器（21-2M）与冷凝器（11-1N）一对一、一对多和多对一的工作模式；这种多支路相变传热系统可以实现多用户、大功率、远距离传输热量，并根据需要调节传热量。

Description

说明书发明名称：一种多支路相变传热系统

技术领域

[0001] 本发明属于热交换技术领域，尤其涉及一种多支路相变传热系统。

背景技术

[0002] 热管作为高效传热元件，在工程中的应用日益普及。热管不仅在余热回收、电子元器件冷却等方面得到广泛的应用，而且在传统的传热传质设备领域中，热管有替代循环水、循环油和水蒸汽传热的趋势。在环境温度较低吋，热管还可以替代目前的空调系统，作为电子设备、电力设备、计算机房、通信机房的散热控温元件。

[0003] 热管有多种结构形式，也有多种分类方法。按液体工作介质的回流动力进行分类，热管可分为表面张力热管、重力热管、离心热管、脉动热管和动力热管等几大类。表面张力热管靠吸液芯对液体产生的表面张力回流液体；重力热管靠重力回流液体；离心热管靠转动产生的离心力回流液体；脉动热管靠蒸发产生气泡的膨胀力推动循环；这些热管的共同特点是热管内部没有运动部件，其优点是结构简单，适合小型化、微型化，其缺点是循环动力较弱，不适合大功率、远距离传输热量。

[0004] 动力热管是指外加循环驱动力的热管系统，这种驱动力通常表现为一种特定形式的流体循环泵。动力热管的基本结构包括蒸发器、导气管、冷凝器、储液罐循环泵和导液管六个部分，它们相互连接构成一个封闭循环回路，抽真空后加入工作介质就构成一个完整的动力热管。动力热管工作吋，循环泵从储液罐抽出液态工作介质送入蒸发器，液态工作介质在蒸发器内受热蒸发变为气体，气体工作介质通过导气管进入冷凝器，并在冷凝器中冷却凝结成液体，液体工作介质再经导液管流回储液罐，从而完成热管循环，同吋热量从蒸发器端的高温热源流向冷凝器端的低温热源。动力热管的优点是循环动力强大，适合大功率、远距离传输热量。

[0005] 上述动力热管系统要想实现理想的工作状态下，它的冷凝器必须具有良好的气液分离功能。如果在冷凝器中工作介质气液分离不充分，气体工作介质就会不断进入储液罐并形成积累。这种现象会造成两种结果：一是如果系统中的总气体工作介质体积小于储液罐容积，气体工作介质在储液罐中的积累，最终导致全部气态工作介质都积累到了储液罐，这吋循环泵、导液管、蒸发器、导气管、冷凝器内流动的是单一液相工作介质，整个系统形成液体循环状态；在液体循环状态下，没有蒸发和冷凝过程，系统也就没有了热管传热功能，而且一旦形成液体循环状态不能在工作状态下恢复正常，只有停机再重新幵机才能恢复正常。二是如果系统中的总气体工作介质体积大于储液罐容积，气体工作介质在储液罐中的积累，最终导致气态工作介质充满储液罐，这吋循环泵将吸入气体，而动力热管系统的循环泵通常是为输送液体而设计的，气体的吸入会造成泵压急剧下降，从而造成循环动力不足、循环回路气液比不平衡和热量分配不均的问题。为了使冷凝器具有完全的气液分离功能，冷凝器通常采用直径较大、相互并联、竖立排管结构，这种结构散热效率较低，体积较大，且无法实现一对多用户的需求。总之，目前的动力热管存在气液分离困难、循环动力不足、循环回路气液比不平衡、热量分配不均和无法实现一对多用户的问题。正因为这样，动力热管并没有得到推广应用。

技术问题

[0006] 本发明的目的是给出一种多支路相变传热系统，以解决目前动力热管存在气液分离困难、循环动力不足、循环回路气液比不平衡、热量分配不均和无法实现一对多用户的问题，该多支路相变传热系统采用储液罐将多个蒸发循环支路和多个冷凝循环支路相连接，确保相变传热气液充分分离、循环回路气液比平衡和热量均匀分配，可进行多用户、大功率、远距离传输热量。

问题的解决方案

技术解决方案

[0007] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：

[0008] 一种多支路相变传热系统，它包括蒸发循环支路（I) 、蒸发循环支路（Π) ...

…蒸发循环支路（M) 、冷凝循环支路（I) 、冷凝循环支路（Π) ......冷凝循环支路（N) 、储液罐和电路控制系统，其中 M与 N之间无数量关系；所述蒸发循环支路（I) 包括蒸发器一、蒸发器导气管一、蒸发器循环泵一、蒸发器导液管 -; 所述蒸发循环支路（Π) 包括蒸发器二、蒸发器导气管二、蒸发器循环泵二、蒸发器导液管二；所述蒸发循环支路（M) 包括蒸发器 M、蒸发器导气管 M、蒸发器循环泵 M、蒸发器导液管 M; 所述蒸发器循环泵一、二 ...... M分别串接在蒸发器导液管一、二 ...... M上，蒸发器导液管一、二 ...... M的输入端位于储液罐内工作介质液面的下部，且相互独立，蒸发器导气管一、二 ...... M的输出端位于储液罐内工作介质液面的上部，且相互独立；所述冷凝循环支路（I) 包括所述冷凝器一、冷凝器导液管一、冷凝器循环泵一、冷凝器导气管一；所述冷凝循环支路（Π) 包括所述冷凝器二、冷凝器导液管二、冷凝器循环泵二、冷凝器导气管二；所述冷凝循环支路（N) 包括所述冷凝器N、冷凝器导液管 N、冷凝器循环泵 N、冷凝器导气管 N; 所述储液罐为 M个蒸发循环支路与 N个冷凝循环支路的接合点，它把两种循环模式连接为完整的热管循环；所述冷凝器循环泵一、二 ...... N分别串接在冷凝器导液管一、二 ...... N上，冷凝器导气管一、二 ......

N的输入端位于储液罐内工作介质液面的上部，且相互独立，冷凝器导液管一、二 ...... N的输出端位于储液罐内工作介质液面的下部，且相互独立；此热管系统工作吋，蒸发器循环泵一、二 ...... M分别把液态工作介质从储液罐吸入并经蒸发器导液管一、二 ...... M送至蒸发器一、二 ...... M，蒸发器一、二 ...... M同吋与高温热源相接触，液态工作介质在蒸发器一、二 ...... M内受高温热源的加热而蒸发为气体，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体在高速流动中相互混合形成气液二相流体，它们从蒸发器流出经蒸发器导气管回到储液罐，进入储液罐的气液二相流体在重力作用下完成气液分离，从而完成蒸发循环；在冷凝器循环泵一、二 ...... N的抽吸力作用下，储液罐中的气态工作介质分别通过冷凝器导气管一、二 ...... N进入冷凝器一、二 ...... N，冷凝器一、二 ...... N同吋与低温热源相接触，气态工作介质在冷凝器一、二 ...... N内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体和部分没有液化的气体在高速流动中混合成气液二相流体，它们从冷凝器一、二 ...... N流出经冷凝器导液管一、二

...... N和冷凝器循环泵一、二 ...... N回到储液罐，进入储液罐的气液二相流体在重力作用下完成气液分离，从而完成冷凝循环；蒸发循环和冷凝循环同吋进行，蒸发循环产生的气体工作介质进入冷凝循环，冷凝循环产生的液态工作介质进入蒸发循环，同吋把热量从蒸发器搬运至冷凝器。

[0009] 以上所述蒸发循环支路（I) 、蒸发循环支路（Π) ......蒸发循环支路（M) 和冷凝循环支路（I) 、冷凝循环支路（Π) ......冷凝循环支路（N) 分别都是一个独立的循环支路，有独立循环泵，其工作运行吋互相不影响。

[0010] 以上所述电路控制系统控制着蒸发器循环泵一、二 ...... M和冷凝器循环泵一、二 ...... N的电机幵启数量和运转状态，从而控制热管系统的运行状态，根据用户需要，可以幵启任意一个蒸发器循环泵和任意一个冷凝器循环泵，可以幵启任意一个蒸发器循环泵和多个冷凝器循环泵，也可以幵启多个蒸发器循环泵和任意一个冷凝器循环泵，即实现蒸发器与冷凝器一对一、一对多和多对一的工作模式。

[0011] 以上所述冷凝器一、二 ...... N的安装位置高于储液罐吋，可将冷凝循环支路中的一个、多个或全部支路的冷凝器循环泵去掉，使冷凝液体在重力的作用下回流到储液罐（3) 中，用重力热管工作模式代替动力热管工作模式。

发明的有益效果

有益效果

[0012] 本发明给出的多支路相变传热系统，很好的解决了目前动力热管存在单一用户、气液分离困难、循环回路气液比不平衡和热量分配不均的问题，同吋具有循环动力强劲和可控性好的优点，适合多用户、大功率、远距离传输热量。这种热管系统，不仅适合用到各种余热利用的节能领域，而且在传统的传热传质设备领域中，它可替代循环水、循环油和水蒸汽传热设备，并具有良好的节能效果。在环境温度较低吋，这种热管还可以替代目前的空调系统，作为电子设备、电力设备、计算机房、通信机房的散热控温元件。

对附图的简要说明

附图说明

[0013] 图 1为多支路相变传热系统的实施方式结构示意图。

[0014] 图中：（11) 冷凝器一；（12) 冷凝器二；（1N) 冷凝器 N; (21) 蒸发器一； (22) 蒸发器二；（2M) 蒸发器 M; (3) 储液罐；（41) 冷凝器循环泵一； (42) 冷凝器循环泵二；（4N) 冷凝器循环泵 N; (51) 蒸发器循环泵一；（52 ) 蒸发器循环泵二；（5M) 蒸发器循环泵 M; (61) 冷凝器导气管一；（62) 冷凝器导气管二；（6N) 冷凝器导气管 N; (71) 冷凝器导液管一；（72) 冷凝器导液管二；（7N) 冷凝器导液管 N; (81) 蒸发器导气管一；（82) 蒸发器导气管二；（8M) 蒸发器导气管 M; (91) 蒸发器导液管一；（92) 蒸发器导液管二；（9M) 蒸发器导液管 M。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

图 1所示是一种多支路相变传热系统，它包括蒸发循环支路（I) 、蒸发循环支路（Π) ......蒸发循环支路（M) 、冷凝循环支路（I) 、冷凝循环支路（Π) ...

…冷凝循环支路（N) 、储液罐和电路控制系统，其中 M与 N之间无数量关系；所述蒸发循环支路（I) 包括蒸发器一（21) 、蒸发器导气管一（81) 、蒸发器循环泵一（51) 、蒸发器导液管一（91) ；所述蒸发循环支路（Π) 包括蒸发器二（22) 、蒸发器导气管二（82) 、蒸发器循环泵二（52) 、蒸发器导液管二

(92) ；所述蒸发循环支路（M) 包括蒸发器 M (2M) 、蒸发器导气管 M (8M ) 、蒸发器循环泵 M (5M) 、蒸发器导液管 M (9M) ；所述蒸发器循环泵（51 ； 52； ......； 5M) 分别串接在蒸发器导液管（91 ; 92； ......； 9M) 上，蒸发器导液管（91 ; 92； ......； 9M) 的输入端位于储液罐（3) 内工作介质液面的下部

，且相互独立，蒸发器导气管（81 ; 82； ......； 8M) 的输出端位于储液罐（3) 内工作介质液面的上部，且相互独立；所述冷凝循环支路（I) 包括所述冷凝器一 (11) 、冷凝器导液管一（71) 、冷凝器循环泵一（41) 、冷凝器导气管一

(61) ；所述冷凝循环支路（Π) 包括所述冷凝器二（12) 、冷凝器导液管二 ( 72) 、冷凝器循环泵二（42) 、冷凝器导气管二（62) ；所述冷凝循环支路（N ) 包括所述冷凝器 N (1N) 、冷凝器导液管 N (7N) 、冷凝器循环泵 N (4N) 、冷凝器导气管 N (6N) ；所述冷凝器循环泵（41 ; 42； ......； 4N) 分别串接在冷凝器导液管（71 ; 72； ......； 7N) 上，冷凝器导气管（61 ; 62； ......； 6N) 的输入端位于储液罐（3) 内工作介质液面的上部，且相互独立，冷凝器导液管

(71； 72； ......； 7N) 的输出端位于储液罐（3) 内工作介质液面的下部，且相互独立；所述储液罐（3) 为 M个蒸发循环支路与 N个冷凝循环支路的接合点，它把两种循环模式连接为完整的热管循环；所述电路控制系统控制着蒸发器循环泵（51; 52； ......； 5M) 和冷凝器循环泵（41; 42； ......； 4N) 的电机幵启数量和运转状态，从而控制热管系统的运行状态，根据用户需要，可以幵启任意一个蒸发器循环泵和任意一个冷凝器循环泵，可以幵启蒸发器循环泵（51; 5 2； ......； 5M) 中任意一个或多个和冷凝器循环泵（41; 42； ......； 4N) 中任意一个或多个，即实现蒸发器（21; 22； ......； 2M) 与冷凝器（11; 12； ......

； 1N) 一对一、一对多和多对一的工作模式。

当热管系统工作吋，蒸发器循环泵（51; 52； ......； 5M) 分别把液态工作介质从储液罐（3) 吸入并经蒸发器导液管（91; 92； ......； 9M) 送至蒸发器（21

； 22； ......； 2M) ，蒸发器（21; 22； ......； 2M) 同吋与高温热源相接触，液态工作介质在蒸发器（21; 22； ......； 2M) 内受高温热源的加热而蒸发为气体

，并吸收热量，蒸发形成的气体和部分没有蒸发的液体在高速流动中相互混合形成气液二相流体，它们从蒸发器（21; 22； ......； 2M) 流出经蒸发器导气管

(81； 82； ......； 8M) 回到储液罐（3) ，进入储液罐（3) 的气液二相流体在重力作用下完成气液分离，从而完成蒸发循环；在冷凝器循环泵（41; 42； ...

4N) 的抽吸力作用下，储液罐（3) 中的气态工作介质分别通过冷凝器导气管（61; 62； ·.··.·； 6N) 进入冷凝器（11; 12； ·.··.·； 1N) ，冷凝器（11; 12 ； ......； 1N) 同吋与低温热源相接触，气态工作介质在冷凝器（11; 12； ......

； 1N) 内受低温热源的冷却而冷凝为液体，并放出热量，冷凝形成的液体和部分没有液化的气体在高速流动中混合成气液二相流体，它们从冷凝器（11; 12 ； ......； 1N) 流出经冷凝器导液管（71; 72； ......； 7N) 和冷凝器循环泵（41

； 42； ......； 4N) 回到储液罐（3) ，进入储液罐（3) 的气液二相流体在重力作用下完成气液分离，从而完成冷凝循环；蒸发循环和冷凝循环同吋进行，蒸发循环产生的气体工作介质进入冷凝循环，冷凝循环产生的液态工作介质进入蒸发循环，同吋把热量从蒸发器（21; 22； ......； 2M) 搬运至冷凝器（11; 12

Claims

权利要求书

[权利要求 1] 一种多支路相变传热系统，包括蒸发循环支路、冷凝循环支路、储液罐和电路控制系统；其特征在于，蒸发循环支路包括蒸发循环支路（

I) 、蒸发循环支路（Π) ......蒸发循环支路（M) ；冷凝循环支路包括冷凝循环支路（I) 、冷凝循环支路（Π) ......冷凝循环支路（N)

，其中 M与 N之间无数量关系；所述蒸发循环支路（I) 包括蒸发器一

(21) 、蒸发器导气管一（81) 、蒸发器循环泵一（51) 、蒸发器导液管一（91) ；所述蒸发循环支路（Π) 包括蒸发器二（22) 、蒸发器导气管二（82) 、蒸发器循环泵二（52) 、蒸发器导液管二（92) ；所述蒸发循环支路（M) 包括蒸发器 M (2M) 、蒸发器导气管 M ( 8M) 、蒸发器循环泵 M (5M) 、蒸发器导液管 M (9M) ；所述冷凝循环支路（I) 包括所述冷凝器一（11) 、冷凝器导液管一（71) 、冷凝器循环泵一（41) 、冷凝器导气管一（61) ；所述冷凝循环支路

(Π) 包括所述冷凝器二（12) 、冷凝器导液管二（72) 、冷凝器循环泵二（42) 、冷凝器导气管二（62) ；所述冷凝循环支路（N) 包括所述冷凝器 N (1N) 、冷凝器导液管 N (7N) 、冷凝器循环泵 N ( 4N) 、冷凝器导气管 N (6N) ；所述蒸发器导气管（81 ; 82； ......

； 8M) 、冷凝器导气管（61 ; 62； ......； 6N) 和储液罐（3) 的接口都位于储液罐（3) 内的工作介质液面之上处，且都相互独立；所述蒸发器导液管（91 ; 92； ......； 9M) 、冷凝器导液管（71 ; 72；

......； 7N) 和储液罐（3) 的接口都位于储液罐（3) 内的工作介质液面之下处，且都相互独立；所述储液罐（3) 为 M个蒸发循环支路与 N个冷凝循环支路的接合点，它把两种循环模式连接为完整的热管循环。

[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的一种多级相变传热系统，其特征在于，所述蒸发循环支路（I) 、蒸发循环支路（Π) ......蒸发循环支路（M) 和冷凝循环支路（I) 、冷凝循环支路（Π) ......冷凝循环支路（N) 分别都是一个独立的循环支路，有独立循环泵，其工作运行吋互相不影响

[权利要求 3] 根据权利要求 1所述的一种多级相变传热系统，其特征在于，所述电路控制系统控制着蒸发器循环泵（51 ; 52......5M) 和冷凝器循环泵

(41； 42......4N) 的电机幵启数量和运转状态，从而控制热管系统的运行状态，可以幵启任意一个蒸发器循环泵和任意一个冷凝器循环泵，可以幵启任意一个蒸发器循环泵和多个冷凝器循环泵，也可以幵启多个蒸发器循环泵和任意一个冷凝器循环泵，即实现蒸发器（21 ; 22......2M) 与冷凝器（11 ; 12......1N) 一对一、一对多和多对一的工作模式。

[权利要求 4] 根据权利要求 1所述的一种多级相变传热系统，其特征在于，当冷凝器的安装位置高于储液罐吋，可将冷凝循环支路中的一个、多个或全部支路的冷凝器循环泵去掉，使冷凝液体在重力的作用下回流到储液罐 (3) 中。