CN104197760A - 一种管线式脉动热管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管线式脉动热管换热器，其特征在于，包括热媒流动管道，热媒流动管道的前后两侧各设有一个脉动热管，所述的脉动热管包括蒸发段、冷凝段以及位于蒸发段和冷凝段之间的绝热段，所述的热媒流动管道包括入口管路、出口管路和位于入口管路和出口管路之间的中间管路，其中，所述的脉动热管的蒸发段设于热媒流动管道的入口管路的侧面，所述的脉动热管的冷凝段设于热媒流动管道的出口管路的侧面。本发明的脉动热管能够高效传热，在无动力的外界条件下，依靠汽、液两相介质的自我振荡流动来传递热量。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，在热驱动下实现自我振荡，具有制造容易、成本低廉的特点。

Description

一种管线式脉动热管换热器

技术领域

本发明涉及的是一种利用脉动热管进行增强换热的管线式换热器的一种装置。利用脉动热管相变传热和脉动效应，有效提高换热器的换热效率，形成高效的脉动热管换热器。主要用于船舶、汽车、航天、电子、余热回收以及太阳能与地热利用等场合。具有换热效率高，压力损失少，不易结垢等特点。

背景技术

在交通运输、航空航天以及工业生产过程中，需要在设备系统与周围环境之间或者在同一系统的不同部分之间控制或是强化热量的传递。换热器不仅是保证正常生产生活必不可少的关键设备之一，同时也在节能减排，能源的二次利用之中起到了不可替代的作用。目前换热器的种类很多，技术相对成熟，但是如何高效，节能的提高换热效率依然是换热器面对的难题。

脉动热管是一种新型高效传热设备，运行时主要依靠汽、液两相介质的自我振荡流动来传递热量。其工作原理是：将管内抽成真空后充注一定量的工作介质，由于管径足够小，管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端，工质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷凝端，那里，气泡冷却收缩并破裂，压力下降。这样，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，完全是在热驱动下的自我震荡。脉动热管具有结构简单，制造容易，成本低廉的优点，现已成功应用在电力设备及微电子的热处理。结构合理的脉动热管传热系数很大，由不锈钢板制作的板式脉动热管的导热系数约为2000W/m·K，比原不锈钢的导热系数高出120倍，同时保持了不锈钢原有的优点。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种具有高效传热性能的管线式脉动热管换热器。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种管线式脉动热管换热器，其特征在于，包括热媒流动管道，热媒流动管道的前后两侧各设有一个脉动热管，所述的脉动热管包括蒸发段、冷凝段以及位于蒸发段和冷凝段之间的绝热段，所述的热媒流动管道包括入口管路、出口管路和位于入口管路和出口管路之间的中间管路，其中，所述的脉动热管的蒸发段设于热媒流动管道的入口管路的侧面，所述的脉动热管的冷凝段设于热媒流动管道的出口管路的侧面。

优选地，所述的脉动热管的蒸发段与热媒流动管道的入口管路之间以及所述的脉动热管的冷凝段与热媒流动管道的出口管路之间设有增强换热管网。

更优选地，所述的增强换热管网和脉动热管分别对称地设于热媒流动管道的两侧。

优选地，所述的脉动热管为蛇形管，所述的蛇形管的首尾相连形成闭式回路脉动热管，其断面形状为圆形，所述的蛇形管中设有制冷剂。

优选地，所述的脉动热管为蛇形管，所述的蛇形管的首尾不相连形成开式回路脉动热管，其断面形状为圆形，所述的蛇形管中设有制冷剂。

更优选地，所述的蛇形管的充液率为55％，所述的制冷剂为R134a、丙酮、酒精、水或氨水。(工质可以依据实际换热量以及成本等综合考虑而定)。

优选地，所述的热媒流动管道为蛇形管。

更优选地，所述的蛇形管的弯头部分设于绝热箱体中。

优选地，所述的热媒流动管道内设有热媒，热媒流速为0.02kg/s-1.5kg/s。

优选地，所述的脉动热管竖直安装，其蒸发段位于上侧，冷凝段位于下侧，热媒流动管道中的热媒由高端流向低端。

优选地，所述的脉动热管水平安装，其蒸发段位于绝热段的左侧或右侧，冷凝段位于绝热段的右侧或左侧，脉动热管的弯头数为40个以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明是通过利用脉动热管内工作液体的相态变化来增强换热的装置。脉动热管能够高效传热，在无动力的外界条件下，依靠汽、液两相介质的自我振荡流动来传递热量。在整个过程中，无需消耗外部机械功和电功，在热驱动下实现自我振荡，具有制造容易、成本低廉的特点。

2、本发明的增强换热管网在热媒流动管道与脉动热管之间安装，这样有利于热媒流体管道与脉动热管之间热量的交换，同时能够使脉动热管受热均匀，更好的提高脉动热管换热器的换热效率。

附图说明

图1a为开式脉动热管结构示意图；

图1b为闭式脉动热管结构示意图；

图2为热媒流动管道结构示意图；

图3为增强换热管网结构示意图；

图4a为使用开式脉动热管的管线式脉动热管换热器结构示意图；

图4b为使用闭式脉动热管的管线式脉动热管换热器结构示意图；

图5为管线式脉动热管换热器俯视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种使用开式脉动热管的管线式脉动热管换热器，包括脉动热管1、热媒流动管道2、增强换热管网3和绝热箱体4。

如图1a所示，所述的脉动热管1为由外径4mm，内径2.7mm的紫铜管弯制而成的蛇形管，弯曲半径为8mm，所述的蛇形管的首尾不相连形成开式回路脉动热管，其断面形状为圆形，所述的蛇形管中设有R134a制冷剂，充液率为55％，真空度达到10^-3Pa。工质可以依据实际换热量以及成本等综合考虑而定。所述的脉动热管1包括蒸发段11、冷凝段13以及位于蒸发段11和冷凝段13之间的绝热段12。蒸发段11和冷凝段13的长度、弯头数可以根据实际需求而定。

如图2所示，所述的热媒流动管道2由具有高效传热性能的材料紫铜管(紫铜是一种良好的导热材料，在考虑制作成本及传热性能的基础上，建议选择紫铜管作为热媒流动管道)弯制而成，管道呈蛇形，增大了热媒的散热面积，便于热量交换，其包括入口管路21、出口管路22和位于入口管路21和出口管路22之间的中间管路23。所述的蛇形管的弯头部分设于绝热箱体4中，绝热箱体4覆盖在热媒流动管道2的弯头部分，以达到减少热量损失的目的。所述的热媒流动管道内设有热媒，热媒流速为0.02kg/s-1.5kg/s。对管径没有特殊要求，可以依据热媒流速而定。

如图3所示，所述的增强换热管网是由直径1mm的紫铜丝编织而成，紫铜丝横竖交织，组成网状结构，目的是为了增大接触面积，采用导热系数高的材料，能够加强换热。增强换热管网的形状，大小依据脉动热管冷热段的长度而定，材料可以依据实际需求而定。其大小正好覆盖脉动热管的冷凝段或蒸发段，在热媒流动管道与脉动热管之间安装，这样有利于热媒流体管道与脉动热管之间热量的交换，同时能够使脉动热管受热均匀，更好的提高脉动热管换热器的换热效率。

如图4a所示，热媒流动管道2的前后两侧各设有一个脉动热管1，热媒流动管道2与脉动热管1呈垂直布置。其中，所述的脉动热管1的蒸发段11设于热媒流动管道2的入口管路21的侧面，所述的脉动热管1的冷凝段13设于热媒流动管道2的出口管路22的侧面。所述的脉动热管1的蒸发段11与热媒流动管道2的入口管路21之间以及所述的脉动热管1的冷凝段13与热媒流动管道2的出口管路22之间设有增强换热管网3。如图5所示，所述的增强换热管网3和脉动热管1分别对称地设于热媒流动管道2的两侧。热媒经过入口处进入管道，在管道内呈S形流动，强化了热媒的换热面积。热媒流动管道可以依据实际需求具体布置。安装时，先固定好热媒流动管道2，在热媒流动管道2的两端布置增强换热管网3，尽量减少增强换热管网3与热媒流动管道2之间的间隙，使其紧凑的安装在脉动热管1与热媒流动管道2之间；绝热箱体4安装在热媒流动管道2的弯头处，使其减少热媒在弯头处的热量损失，提高管线式脉动热管换热器的换热效率。

本发明涉及的管线式脉动热管换热器的部件的长度和结构形式可以根据实际情况而定。管线式脉动热管换热器可以垂直安装也可以水平安装。如图4a所示，当脉动热管1竖直安装时，其蒸发段位于上侧，冷凝段位于下侧，热媒入口设置在高处，热媒流动管道2中的热媒由高端流向低端。脉动热管的弯头数个数没有明确要求。当脉动热管1水平安装时，其蒸发段位于绝热段的左侧或右侧，冷凝段位于绝热段的右侧或左侧，热媒流动入口可以设置在任意端，经过大量实验证明，在以100℃水为热媒，R134a为脉动热管的制冷剂时，随着脉动热管弯头数的增加，换热效率由75％上升至90％，一般情况下弯头数满足40个以上，对换热器的换热效率具有明显促进作用同时能够摆脱脉动热管垂直安装与水平安装的限制。

使用时，高温的热媒经过增强换热管网，给脉动热管的蒸发段供能，脉动热管启动，经过脉动热管的相变传热及脉动效应，热量传递给冷凝段，此时经过换热的低温水经过冷凝段，强化了冷凝段的换热，使热量快速的散发出去，达到强化换热的目的。

实施例2

如图4b所示，为使用闭式脉动热管的管线式脉动热管换热器结构示意图，所述的使用闭式脉动热管的管线式脉动热管换热器，其结构类似于实施例1，区别在于，所述的脉动热管1的结构不同，所述的脉动热管1为蛇形管，所述的蛇形管的首尾相连形成闭式回路脉动热管，其断面形状为圆形，所述的蛇形管中设有制冷剂。

Claims (10)

1.一种管线式脉动热管换热器，其特征在于，包括热媒流动管道(2)，热媒流动管道(2)的前后两侧各设有一个脉动热管(1)，所述的脉动热管(1)包括蒸发段(11)、冷凝段(13)以及位于蒸发段(11)和冷凝段(13)之间的绝热段(12)，所述的热媒流动管道(2)包括入口管路(21)、出口管路(22)和位于入口管路(21)和出口管路(22)之间的中间管路(23)，其中，所述的脉动热管(1)的蒸发段(11)设于热媒流动管道(2)的入口管路(21)的侧面，所述的脉动热管(1)的冷凝段(13)设于热媒流动管道(2)的出口管路(22)的侧面。 

2.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的脉动热管(1)的蒸发段(11)与热媒流动管道(2)的入口管路(21)之间以及所述的脉动热管(1)的冷凝段(13)与热媒流动管道(2)的出口管路(22)之间设有增强换热管网(3)。 

3.如权利要求2所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的增强换热管网(3)和脉动热管(1)分别对称地设于热媒流动管道(2)的两侧。 

4.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的脉动热管(1)为蛇形管，所述的蛇形管的首尾相连形成闭式回路脉动热管，其断面形状为圆形，所述的蛇形管中设有制冷剂。 

5.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的脉动热管(1)为蛇形管，所述的蛇形管的首尾不相连形成开式回路脉动热管，其断面形状为圆形，所述的蛇形管中设有制冷剂。 

6.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的热媒流动管道为蛇形管。 

7.如权利要求6所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的蛇形管的弯头部分设于绝热箱体(4)中。 

8.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的热媒流动管道内设有热媒，热媒流速为0.02kg/s-1.5kg/s。 

9.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的脉动热管(1)竖直安装，其蒸发段位于上侧，冷凝段位于下侧，热媒流动管道(2) 中的热媒由高端流向低端。 

10.如权利要求1所述的管线式脉动热管换热器，其特征在于，所述的脉动热管(1)水平安装，其蒸发段位于绝热段的左侧或右侧，冷凝段位于绝热段的右侧或左侧，脉动热管(1)的弯头数为40个以上。