CN113513934B - 一种基于双动力驱动强化传热的重力热管 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种基于双动力驱动强化传热的重力热管，包括：蒸发段和冷凝段，蒸发段和冷凝段之间设置有绝热段；其中，所述蒸发段内填充有液态工质，液态工质在蒸发段内吸热蒸发产生气泡，气泡进入冷凝段后放热冷凝形成液滴，液滴通过重力回到蒸发段；所述重力热管内设置有自驱往复运动模块，所述自驱往复运动模块在气泡和液滴的双动力驱动下在冷凝段内实现全覆盖往复自动刮液。本公开通过冷凝液滴的下落撞击效应和沸腾产生的上升气泡的浮力效应，实现双动力带动弹簧发生形变和振荡，进一步带动中空台体运动，实现增强蒸发段工质的扰动作用；此外，通过分段布置排液环，能够实现对冷凝段分段刮液，从而实现对冷凝段的全覆盖刮液。

Description

一种基于双动力驱动强化传热的重力热管

技术领域

本公开属于热管技术领域，具体涉及一种基于双动力驱动强化传热的重力热管。

背景技术

重力热管是一种高效的传热元件，广泛应用于余热回收、电子设备散热等领域，其一般是由蒸发段、绝热段、冷凝段三部分构成，且冷凝段位于蒸发段上部，工作原理为利用内部工质的持续相变过程来吸收并释放汽化潜热，在重力的作用下回流至蒸发段，如此循环往复，将热量从蒸发段传递至冷凝段。

目前，主要通过重力热管蒸发段、冷凝段和工质的处理来强化热管换热，其中一个关键之处在于促进蒸发段工质的传热和核态沸腾能力；另外一个关键之处在于促进冷凝段内壁换热并尽可能减薄冷凝液膜。而现有技术通常采用高效导热工质来强化蒸发段工质的导热能力，或者对蒸发段内表面进行肋化处理以增加气化核心数量等方法来改进重力热管；而对于冷凝段，则是通过采用内壁开槽处理以降低液膜厚度，或者涂覆疏水涂层以实现珠状凝结，但珠状凝结效果欠佳。

特别的，如图1所示，现有技术公开了一种重力热管，该重力热管利用冷凝工质的重量变化，对冷凝段内壁实现周期刮液，提高了传热性能。但是，该技术存在三点不合理之处：首先，升降箱和回流板的设计及布置不合理，升降箱仅有顶部开口且回流板为方形薄板，两者截面积几乎达到蒸汽上升通道截面积的60％-80％，蒸汽要进入冷凝段会受到较大阻碍作用，从而阻碍热管内部的气液循环，进而直接导致热管传热性能大幅降低；其次，两种类型的回流板交替布置，但第二回流板低于第一回流板，导致第二回流板运动过程中存在刮液盲区，导致冷凝段换热不够均匀；最后，冷凝工质重力与弹簧弹力达到动态稳定后，第一回流板和第二回流板实际刮液距离有限，无法实现冷凝段内壁全覆盖式地刮除液膜。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种基于双动力驱动强化传热的重力热管，能够通过自动往复全覆盖的清除冷凝段中的冷凝液膜，同时还能实现分段及时排液、改进气液循环性能、并且能够进一步提高蒸发段工质的沸腾传热能力，使得重力热管整体传热性能得到强化。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种基于双动力驱动强化传热的重力热管，包括：蒸发段和冷凝段，蒸发段和冷凝段之间设置有绝热段；其中，

所述蒸发段内填充有液态工质，液态工质在蒸发段内吸热蒸发产生气泡，气泡进入冷凝段后放热冷凝形成液滴，液滴通过重力回到蒸发段；

所述重力热管内设置有自驱往复运动模块，所述自驱往复运动模块用于在气泡和液滴的双动力驱动下在冷凝段内实现全覆盖往复自动刮液。

优选的，所述自驱往复运动模块包括若干分段布置的排液环，所述排液环之间通过弹簧连接，所述弹簧的一端连接至冷凝段的顶部，另一端连接有中空台体。

优选的，所述弹簧在液滴和气泡的双动力驱动下发生形变和振荡，并带动中空台体运动，实现对液态工质的扰动；所述排液环通过分段布置对冷凝段分段刮液，实现对冷凝段的全覆盖刮液。

优选的，所述排液环的下端面直径沿蒸发段-冷凝段方向依次增大。

优选的，所述中空台体为半球体。

优选的，所述冷凝段的内壁的表面粗糙度小于0.2μm。

优选的，所述冷凝段的外壁连接有圆环形翅片，所述圆环形翅片上设置有纵向涡发生器。

优选的，所述蒸发段的内壁设置有网状内螺纹。

优选的，所述蒸发段的外壁连接有H形翅片。

优选的，所述中空台体由密度小于3g/cm³、导热系数大于200W/m*K的材料制备。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开巧妙提出一种自驱往复运动模块，该模块能够利用冷凝液滴的下落撞击效应和沸腾产生的上升气泡的浮力效应，可实现双动力带动弹簧发生形变和振荡，进一步带动中空台体运动，实现增强蒸发段工质的扰动作用；

2、本公开分段布置排液环，可实现对冷凝段分段刮液，从而实现对冷凝段的全覆盖刮液；

3、本公开采用的分段变直径排液环，由于中心区域完全畅通，能够使得蒸发段蒸汽上升路线与冷凝段液膜回流路线分开，减少气液间的相互作用，有利于实现高效的气液循环。

4、本公开采用纳米流体促进工质传热；有网状内螺纹的蒸发段内壁存在的较多凹坑和凸起可作为气化核心，带有H形翅片的蒸发段外壁可防积灰；带有纵向涡发生器圆环形翅片的冷凝段外壁可强化散热，经过表面疏水和粗糙度处理的冷凝段内壁可加速液膜流动。

附图说明

图1是现有的一种重力热管的结构示意图；

图2是本公开一个实施例提供的一种基于双动力驱动强化传热的重力热管的结构示意图；

图3是本公开一个实施例提供的一种双动力驱动强化传热的重力热管中自驱往复运动模块工作原理的示意图；

图4是本公开一个实施例提供的分段布置的排液环的示意图；

图5是本公开一个实施例提供的蒸发段内壁网状内螺纹的侧视示意图；

图6是本公开一个实施例提供的蒸发段内壁网状内螺纹的俯视示意图；

图7是本公开一个实施例提供的带有矩形小翼状纵向涡发生器的圆环形翅片的示意图；

图8是本公开一个实施例提供的H形翅片管的示意图；

附图标记说明如下：

1、冷凝段；2、纵向涡发生器；3、圆环形翅片；4、H形翅片；5、蒸发段外壁；6、排液环；7、弹簧；8、绝热段；9、蒸发段；10、中空台体；11、蒸发段内壁；12、液态工质。

具体实施方式

下面将参照附图1至图8详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

一个实施例中，如图2所示，一种基于双动力驱动强化传热的重力热管，包括：蒸发段9和冷凝段1，蒸发段9和冷凝段1之间设置有绝热段8；其中，

所述蒸发段内填充有液态工质12，液态工质在蒸发段内吸热蒸发产生气泡，气泡进入冷凝段后放热冷凝形成液滴，液滴通过重力回到蒸发段；

所述重力热管内设置有自驱往复运动模块，所述自驱往复运动模块用于在气泡和液滴的双动力驱动下在冷凝段内实现全覆盖往复自动刮液。

相比图1所示的现有技术，本实施例所述技术方案不仅能够改善热管内部气液循环性能，对蒸发段工质起到扰动作用，强化工质沸腾作用，而且还能够基于气泡和液滴的双重作用实现对冷凝段全覆盖往复刮液。

另一个实施例中，所述自驱往复运动模块包括若干分段布置的排液环6，所述排液环6之间通过弹簧7连接，所述弹簧7的一端连接至冷凝段的顶部，另一端连接有中空台体10。

本实施例中，相邻排液环之间通过不少于两根的弹簧连接，且弹簧对称分布。当携带热量的废气流经重力热管蒸发段时，如图3所示，热量经由蒸发段外壁向内壁传递被蒸发段管内的液态工质吸收，液态工质吸热蒸发产生上升气泡，此时，浸没于液态工质中的中空圆台体在上升气泡产生的浮力作用下上移，气泡浮力作为第一推动力，使得弹簧发生一定程度的形变和振荡，从而使得蒸发段内的液态工质发生扰动，并进一步使得排液环发生往复运动，实现往复自动刮液。气泡进入冷凝段后放热冷凝，液膜下落到达排液环，液膜作为第二推动力，使得排液环在液膜的撞击作用下带动弹簧发生形变，进一步促进蒸发段内液态工质的扰动和排液环的往复自动刮液，此时，液膜在重力作用下回落并作为新工质被收集于蒸发段。

相比现有技术，本实施例中的自驱往复运动模块能够充分利用液滴下落时的撞击力和液态工质沸腾产生的气泡上升时的浮力作为双动力，带动弹簧发生形变和振荡；同时，排液环采用分段布置，可实现对冷凝段分段刮液，此时，每个排液环仅需刮除冷凝段部分区域的液膜，而在所有排液环的共同作用下，即可实现全覆盖刮液；进一步地，圆台环状的排液环中心区域完全畅通，可实现将重力热管内蒸汽上升路线与冷凝段液膜下降路线分隔开来，有效地减少气液间的相互作用，有利于提高气液循环效率。

另一个实施例中，如图4所示，所述排液环的下端面直径沿蒸发段-冷凝段方向依次增大。

本实施例中，排液环下端面直径由上到下依次减小，每个排液环母线与冷凝段内壁夹角在15°-30°之间，这样既能够有效收集上层排液环上的液滴下落产生的撞击力，又能够有效避免因夹角过小而导致液膜无法在排液环上聚集，同时又能够有效避免因夹角过大而导致液膜无法及时脱离排液环。此外，所有排液环最小下端面直径需大于重力热管内径的90％，从而能够实现最大限度地收集下落液滴的撞击力且为气泡提供充分的上升空间。

另一个实施例中，所述中空台体10为半球体。

本实施例中，中空台体的中空程度在30％-60％之间，能够实现中空台体轻量化，且浸没于蒸发段工质中的中空台体重力与初始状态的浮力及弹簧弹力能够实现较好的平衡。另外，通过将中空台体设计为半球体，可以实现台体总体积最小、底部表面积最大，从而能够最大化收集到气泡浮力。另外，中空台体底部圆面直径为重力热管内径的15％-25％，能够有效的收集气泡浮力且对气泡不造成上升阻碍。中空圆台体位于蒸发段液态工质中，其下端面距离蒸发段底端的距离需保持在蒸发段工质初始液位高度的70％-90％之间，由于气泡在上升过程中压强的变化，此区间气泡体积一般较大，浮力也较大，可实现最大限度地收集气泡的浮力。

另一个实施例中，所述冷凝段的内壁11的表面粗糙度小于0.2μm。

本实施例中，所述冷凝段的内壁需作表面疏水和粗糙度处理，处理后的表面粗糙度需小于0.2μm，此时可实现冷凝段内壁面表面特征较高的光滑程度，有利于冷凝液膜回流至排液环。

另一个实施例中，如图7所示，所述冷凝段的外壁5连接有圆环形翅片3，所述圆环形翅片3上设置有纵向涡发生器2。

本实施例中，所述圆环形翅片的外径、厚度和间距等特征参数的选定需使得翅片效率高于0.9，以实现冷凝段的高效散热。另外，纵向涡发生器为矩形小翼状，长为10mm，高为2mm，且对称分布于圆环形翅片侧后方，以使得空气在冷凝段的外壁产生涡流，强化散热。

另一个实施例中，如图5所示，所述蒸发段的内壁11设置有网状内螺纹。

本实施例中，如图6所示，网状内螺纹的横向和纵向螺距均不超过5mm，大径和小径之差不超过2mm；且螺纹上交叉设置有若干凹坑和凸起，通过将这些凹坑和凸起作为气化核心，能够较为容易的产生更多的气泡，从而能够产生更大的浮力。

另一个实施例中，如图8所示，所述蒸发段的外壁5连接有H形翅片4。

本实施例中，所述H形翅片的沿流体流动方向的长度、沿流体流动的法向方向的长度、翅片间隙、厚度等参数按烟气流量和含尘量进行确定，需要保证使翅片效率高于0.9，从而能够高效地换热和去除积灰。

另一个实施例中，所述排液环由密度小于1g/cm³的轻质塑料材质制备。

本实施例中，之所以选用密度小于1g/cm³的轻质塑料作为排液环的制备材料，是因为该种材料能够实现排液环轻量化，能够更好的实现周期性刮除冷凝段内壁液膜。

另一个实施例中，所述中空台体由密度小于3g/cm³、导热系数大于200W/m*K的材料制备。

本实施例中，之所以选用密度小于3g/cm³、导热系数大于200W/m*K的材料作为中空台体的制备材料，是因为该材料能够实现中空台体轻量化且具有较高的导热性能，能够更好的实现在蒸发段工质中的导热和往复运动。

为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (8)

1.一种基于双动力驱动强化传热的重力热管，包括：蒸发段和冷凝段，蒸发段和冷凝段之间设置有绝热段；其中，

所述蒸发段内填充有液态工质，液态工质在蒸发段内吸热蒸发产生气泡，气泡进入冷凝段后放热冷凝形成液滴，液滴通过重力回到蒸发段；

所述重力热管内设置有自驱往复运动模块，所述自驱往复运动模块用于在所述气泡和液滴的双动力驱动下在冷凝段内实现全覆盖往复自动刮液；其中，所述自驱往复运动模块包括若干分段布置的排液环，所述排液环之间通过弹簧连接，所述弹簧的一端连接至冷凝段的顶部，另一端连接有中空台体；所述弹簧在液滴和气泡的双动力驱动下发生形变和振荡，并带动中空台体运动，实现对液态工质的扰动；所述排液环通过分段布置对冷凝段分段刮液，实现对冷凝段的全覆盖刮液。

2.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述排液环的下端面直径沿蒸发段-冷凝段方向依次增大。

3.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述中空台体置于液态工质中，所述中空台体为半球体。

4.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述冷凝段的内壁的表面粗糙度小于0.2μm。

5.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述冷凝段的外壁连接有圆环形翅片，所述圆环形翅片上设置有纵向涡发生器。

6.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述蒸发段的内壁设置有网状内螺纹。

7.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述蒸发段的外壁连接有H形翅片。

8.根据权利要求1所述的重力热管，其中，所述中空台体由密度小于3g/cm³、导热系数大于200W/m*K的材料制备。

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