CN102269534B - 一种旋流式热导管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋流式热导管。是一种利用液体-蒸汽的相变连续地输送热量的工具，属于传热设备领域。本发明的目的是提供一种能在高温环境下使用的热导管，包括一个蒸发器、一个冷凝器、一个排气阀、一个带电控节气阀的蒸汽管、一个带电控节流阀的主回流管、一个能产生旋流的内回流管。通过一个能产生旋流的内回流管，使得在蒸发器的腔体内的两相流工质产生旋转运动；这个内回流管插入到蒸发器的腔体底部。

Description

一种旋流式热导管

技术领域

本发明涉及传热设备领域，是一种利用气体-液体的相变连续地输送热量的装置，是一种旋流式热导管。

背景技术

热导管最初是于二十世纪四十年代由美国科学家发明的，它利用气体-液体的连续相变过程输送热量。图1是一个典型的热导管工作原理图，如图中所示，热导管是一个封闭的管道，包括三个不同的部分，分别是蒸发区、绝热区和冷凝区。在封闭的管道内层表面附着一层多孔介质材料或毛细管结构。管道里面注入工质，如水、甲醇等物质。当热源被施加到蒸发区，输入的热量将热导管内的液体工质加热、气化、蒸发。变成高压蒸汽的工质，向低温、低压的冷凝区方向运动。中间的绝热区意味着此段的热量的输出和输入均可以忽略不计。在冷凝区的放热过程会导致蒸汽凝结成液体，并释放潜热。毛细管结构会将液体送回到蒸发区。热导管利用工质在冷、热两端的相变，实现了热量传递。如果加入的热量和放出的热量保持恒定，这个相变过程将持续进行，并达到一个稳定状态。

作为传热工具的热导管有很多优势。首先，它的热传导效率高，一般是固体金属热传导率的数倍甚至几十倍，因而可以以较小的热损失将热量输送至较远的地方。再有，热导管内各处温度基本等于工质的饱和蒸汽温度，所以整体的等温性好。此项特点可以用于减小不均匀加热表面的温差。例如安装在空间卫星表面，可以平衡面向太阳一侧和阴影一侧之间的温差。此外，热导管可以通过改变传热面积使热流密度改变。例如，以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，反之亦可。工程上，热导管不仅可以被制作成各种形状，方便使用，还可以被制成分体的形式，即蒸发器和冷凝器分别在两端，中间用绝热的蒸汽管和回流管管路连接，毛细管结构仅用于蒸发器，或者在冷凝器的高度大于蒸发器的情况下省去毛细管结构。这一类热导管被称为循环式热导管。

热导管在工程应用上也有一些限制。例如，热导管的传热受工质的影响。一类液体工质(如水、甲醇等)在高温环境的情况下，在蒸发器内腔壁面会形成蒸汽薄膜，大量的蒸汽气泡在壁面生成，使得壁面上的液体离开壁面。因为蒸汽气泡的传热系数较液体的低很多，因而降低了壁面的传热量。所以，很多热导管在高温环境使用时，传热效率并不高。再有，蒸汽与从冷凝器回来的液体的运动方向相反，彼此产生剪切力。蒸汽可能将液体卷吸带走一部分。工作环境温度越高，蒸汽压力越大，与液体的剪切力越大，越容易卷吸带走液体工质。如果卷吸的液体过多，蒸发器内没有足够的液体回归，蒸发器可能会被烧干，造成热导管零部件的损坏。

为了扩展热导管在工程上的应用潜力，特别是在高温情况下可靠地工作，本发明在一类循环式热导管的工作原理的基础上，设计了一种旋流式热导管，克服了热导管在高温环境下使用时面临蒸汽薄膜和液体卷吸的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能在高温环境下使用的热导管，是一种旋流式热导管，包括一个蒸发器、一个冷凝器、一个排气阀、一个带电控节气阀的蒸汽管、一个带电控节流阀的主回流管、一个能产生旋流的内回流管。本发明创新点在于，通过一个能产生旋流的内回流管，使得在蒸发器的腔体内的两相流工质产生旋转运动，并与蒸发器的几何形状相配合，以消除蒸汽薄膜；这个内回流管插入到蒸发器的腔体底部，避免了液体卷吸。使得以水做工质的热导管可以在较高温度下高效、安全、可靠地工作。

本发明采用的技术方案：

本发明是一种旋流式热导管，在工作时，蒸发器在最下面，冷凝器在上面，高度差根据使用场合决定。蒸发器和冷凝器外观上都是圆柱形或者是圆锥台形的金属管。图2是本发明提出的旋流式热导管的工作原理图。蒸发器上端有一个蒸汽出口和一个液体入口；冷凝器下面有一个蒸汽入口和一个液体出口。一个带电控节气阀的蒸汽管将蒸汽出口和蒸汽入口相连，使得蒸汽进入冷凝器。一个带电控节流阀的主回流管一端连接到冷凝器的液体出口，另一端连接到一个能产生旋流的内回流管的一端。内回流管的另一端从蒸发器的液体入口深入到蒸发器内腔底部。液体工质通过主回流管、内回流管从冷凝器进入蒸发器。所有管路外表面裹有绝热材料。电控节气阀可以控制进入冷凝器的蒸汽流量，从而控制传热量。冷凝器的上部的排气阀，目的是防止冷凝器中有气体堵塞蒸汽上升。

将内回流管直接插入到蒸发器的低端，意味着直接将液体引导至蒸发器内，避免和大量蒸汽相对运动，产生剪切力，避免了液体卷吸现象的发生，防止蒸发器内烧干现象。

蒸发器内腔形状呈倒圆锥台形或是圆柱形。

内回流管内表面刻有多条来复线，外表面有螺纹形状的沟槽。因为冷凝器的高度高于蒸发器，所以存在液体压头，液体工质在内回流管中向下流动。由于内表面的来复线的引导作用，液体会产生旋转。具有一定转动惯量的液体流出内回流管，进入蒸发器，此时，因为外界的高温产生的蒸发作用，液体工质在蒸发器内逐渐被汽化，变成了气液两相流。随着蒸发器内压力上升，两相流开始向上运动，仍保持着旋转离心力。内回流管外表面的螺纹形状的沟槽与来复线的旋向一致，将引导气液两相流以旋转向上的方式运动。图3是内回流管与蒸发器的结构关系的局部详细图，表示了图2中内回流管和蒸发器底部的详细结构。如果此时处在高温环境，蒸发器内壁会产生蒸汽薄膜，大量蒸汽泡附着在蒸发器壁面，降低了壁面的传热效率。但是，气液两相流中因为液体颗粒的密度相对蒸汽的大，所以液体颗粒因为旋转离心力的作用飞向蒸发器的壁面。而飞来的液体颗粒将会击碎蒸汽薄膜，消除气泡，在当地形成液体薄膜，使得壁面传热量损失得以恢复。

如果采用倒圆锥台形的蒸发器，意味着蒸发器是倾斜的壁面。飞来的液体颗粒在壁面受到几个作用力的合力。图4给出倒圆锥台形蒸发器内壁面上液体颗粒受力分析。可见，水滴在一定的离心力作用下，受到沿壁面向上的合力。意味着液体薄膜沿着蒸发器壁面向上移。这种运动使液体与蒸发器的热表面更充分接触，有利于液体蒸发。采用倒圆锥台形意味着蒸发器上部的内径大，使得两相流在蒸发器内旋转速度越往上越小，因而离心力随之减小。如果离心力过小，以致液体颗粒无法飞到壁面，无法形成水膜。在这种情况下，则采用圆柱形蒸发器，使其内部的离心力得以保持，但形成的水膜无法向上移动。选择采用倒圆锥台形还是圆柱形的蒸发器，由液体压头的大小决定。冷凝器与蒸发器的的高度差是液体压头的决定性因素。液体压头越大，则内回流管出口处的转动惯量越大，此时宜采用圆锥台形，反之，以圆柱形为宜。

本发明设计了一个内表面刻有来复线、外表面刻有螺旋沟槽(或称螺纹)的内回流管，成为一个能产生旋流的内回流管，并将其插入到蒸发器底部，防止了液体卷吸的现象发生，防止了蒸发器的烧干。同时通过内回流管使内回流管内的液体和蒸发器内的两相流流体产生的旋流流动，并与蒸发器的几何形相配合，使得热导管在高温状态工作时消除了了蒸汽薄膜，保持了传热量，使热导管的工作更加高效、安全、可靠。

本发明的优点：

本发明通过对热导管的部件的结构设计，改进了蒸发器内工质流动的模式和状态，克服了某些热高管的高温环境下工作的限制。该技术方案效果好、实用性强、成本低，为提高作为一种传热设备的热导管的性能提供了一个新途径。

附图说明

图1是热导管的工作原理图；

图中，14热源、15管道、16蒸汽流、17液体回流、18毛细管结构、19放热、20冷凝区、21绝热区、22蒸发区。

图2是旋流式热导管的工作原理图；

图中，1蒸发器、2蒸发器内两相流的旋转方向、3蒸汽流、4电控节气阀、5带电控节气阀的蒸汽管、6冷凝器、7排气阀、8带电控节流阀的主回流管、9液体回流、10电控节流阀、11能产生旋流的内回流管、12内回流管内壁上的来复线、13内回流管外壁上的螺纹。

图3是内回流管的结构以及和蒸发器的结构关系的局部详细图；

图中，1蒸发器、11能产生旋流的内回流管、12内回流管内壁上的来复线、13内回流管外壁上的螺纹。

图4是壁面上液体颗粒受力分析；

图中，23蒸发器壁面、24重力、25液体颗粒、26壁面力、27壁面力与离心力的合、28液体颗粒所受的力的合力、29离心力

图5是具体实施方案中的旋流式热导管的部件的布局图；

图中，1蒸发器、5带电控节气阀的蒸汽管、4电控节气阀、30保护套筒、31冷却系统、6冷凝器、7排气阀、32循环水、8带电控节流阀的主回流管、10电控节流阀、11能产生旋流的内回流管

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明的原理和结构。图5是具体实施方案中的旋流式热导管的部件的布局图，其工作原理图参见图2。

一种能在高温环境下使用的旋流式热导管，包括一个蒸发器、一个冷凝器、一个排气阀、一个带电控节气阀的蒸汽管、一个带电控节流阀的主回流管、一个能产生旋流的内回流管和一个冷却系统。用水作为工质，资源丰富、成本低、不产生有毒物质。因为不锈钢材料与水不产生化学反应，而且传热系数高，所以，冷凝器和蒸发器均采用不锈钢材料制作。

在工作时，蒸发器在最下面，冷凝器在上面，高度差取2000m至3000m。冷凝器外观上是圆柱形，外径0.5m，高为0.5m。冷凝器下面有一个蒸汽入口和一个出水口。蒸发器外观上是倒置的圆锥台的形。蒸发器上端有一个蒸汽出口和一个入水口；一个带电控节气阀的蒸汽管将蒸汽出口和蒸汽入口相连，使得蒸汽进入冷凝器。一个带电控节流阀的主回流管一端连接到冷凝器的出水口，另一端连接到一个能产生旋流的内回流管的一端。电控节气阀可以控制蒸汽流量。内回流管的另一端从蒸发器的入水口深入到蒸发器内腔底部。液体水通过回流管从冷凝器进入蒸发器。蒸汽管和主回流管路外表面裹有绝热材料，并放置在一个防腐蚀、有一定硬度的保护套筒内。

将内回流管直接插入到蒸发器的低端，意味着直接将水引导回蒸发器内，避免和大量蒸汽相对运动时产生剪切力，避免了水被蒸汽卷吸的现象的发生，防止了蒸发器内烧干。内回流管外径0.1m，内径0.07m，内壁上刻有六条深0.005m的来复线，外壁上有深0.005m，螺距为0.005m螺纹沟槽。螺纹旋向有来复线的一致。因为冷凝器的高度很高于蒸发器，所以存在2000m至3000m的液压水头，水在内回流管中向下流动。由于其内表面的来复线的引导作用，水会产生旋转。具有较强转动惯量的水流出内回流管，进入蒸发器，成为蒸汽-水两相流。因蒸发作用，蒸发器内压力增加，两相流开始向上运动。因为水和水蒸气的粘性较小，与壁面的摩擦损失小，转动惯量损失小，所以两相流仍保持较强的旋转离心力。内回流管外表面有螺纹形状的沟槽将引导气-水两相流以旋转向上的方式运动。内回流管的结构以及它们内部流体流动的模式与图2、图3所示相同。

气-水两相流中因为水滴颗粒的密度相对蒸汽的大，所以液体颗粒因为旋转离心力飞向蒸发器的内壁面。此时如果蒸发器处在高温环境中，在蒸发器内壁产生蒸汽薄膜，降低壁面传热量。而飞来的液体颗粒将会击碎蒸汽薄膜，在当地形成水膜，使得壁面传热量的损失得以恢复。采用倒圆锥台形的蒸发器，意味着蒸发器是倾斜的壁面。参考图4给出壁面上水滴受力分析，可见在一定离心力作用下，水滴受到沿壁面向上的合力。意味着水膜沿着蒸发器内壁面向上移。这种运动使水膜与蒸发器的热表面更充分接触，有利于水的蒸发。除了考虑上述因素，还要考虑制造和使用上的因素，例如倒圆锥台上底面的占地面积不宜过大。蒸发器内腔倒圆锥台形的底面外径为0.5m，高度1m，圆锥角取15°。

冷凝器的功能是通过放热，将蒸汽转化为水。为了利用放热量，在冷凝器周围加上一个以循环水(8)为介质的冷却系统。循环水被冷凝器放出的热量加热，于是，蒸发器一端放出的热量被传到了循环水中，可以按需求将循环热水加以利用。

本发明提出的热导管的一个应用是汲取地热。将蒸发器一端放入地下数千米，环境温度可达1000摄氏度左右的热源中。在这种环境温度下，作为工质的水的蒸汽温度高达120C°以上，很可能形成蒸汽薄膜，使得热导管的传热效率极大降低，不能将地热高效率地传出。如果按照本发明提出的这个旋流式热导管的具体实施方案应用于地热汲取，会避免上述不利情况的发生，保证了热导管的传热效率，可以高效率地将地下热源传至地上加以利用。

这种传热设备结构简单、使用方便、成本低，在地热、暖通等领域的应用前景广阔。

Claims (4)

1.一种旋流式热导管，包括一个蒸发器、一个冷凝器、一个排气阀、一个带电控节气阀的蒸汽管、一个带电控节流阀的主回流管、一个能产生旋流的内回流管；其中，

所述的蒸汽管连接蒸发器的气体出口和冷凝器的气体入口；

所述的主回流管一端连接到冷凝器的液体出口，另一端连接到一个能产生旋流的内回流管的一端；

所述的能产生旋流的内回流管的一端连接主回流管，另一端深入到蒸发器内腔底部；

所述的蒸发器位于冷凝器下方。

2.根据权利要求1所述的一种旋流式热导管，其特征在于：所述的蒸发器和冷凝器外观上是圆柱形的金属管。

3.根据权利要求1所述的一种旋流式热导管，其特征在于：所述的蒸发器和冷凝器外观上是圆锥台形的金属管。

4.根据权利要求1所述的一种旋流式热导管，其特征在于：所述的内回流管内表面刻有多条来复线，内回流管外表面有螺纹沟槽，螺纹的旋向与来复线的一致。

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