CN119468764A - 一种高效利用波动热源的热管换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效利用波动热源的热管换热器，包括热流体流道、冷流体流道、保温段和热管簇；所述保温段连接在热流体流道和冷流体流道之间，且三者互不连通；所述热流体流道用于通入波动热源流体；所述热管簇由至少具有两种以上相变温度的多个热管组成，各热管贯穿所述热流体流道、所述保温段和所述冷流体流道，且各热管的蒸发段暴露于热流体流道，冷凝段暴露于冷流体流道，保温段暴露于保温段。本发明可以实现阻止波动热源的自我传热，提高波动热源的可用性以及提高换热器两侧流体温度的匹配度，提高热源使用效率的结果。

Description

一种高效利用波动热源的热管换热器

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及波动热源利用，热管换热器，特别涉及一高效利用波动热源的热管换热器。

背景技术

波动热源是指热源的热量输出不稳定，导致供热系统无法持续稳定地提供热量。想要利用波动热源，如果使用传统换热器，一方面波动热源会在换热的过程中自我传热，高温部分热量与低温部分热量混合成中温热量，造成热源的大量损失。如果热源温度波动较大，还会造成热源侧与二次侧温度不匹配，降低换热的效率。如果热源温度自我传热到可用温度以下，还会导致热源的利用价值大打折扣。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高效利用波动热源的热管换热器结构，以实现阻止波动热源的自我传热，提高波动热源的可用性以及提高换热器两侧流体温度的匹配度，提高热源使用效率的结果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高效利用波动热源的热管换热器，包括热流体流道、冷流体流道、保温段和热管簇；所述保温段连接在热流体流道和冷流体流道之间，且三者互不连通；所述热流体流道用于通入波动热源流体；

所述热管簇由至少具有两种以上相变温度的多个热管组成，各热管贯穿所述热流体流道、所述保温段和所述冷流体流道，且各热管的蒸发段暴露于热流体流道，冷凝段暴露于冷流体流道，保温段暴露于保温段。

在一个实施例中，所述热流体流道与所述冷流体流道平行设置，所述保温段垂直连接于所述热流体流道与所述冷流体流道之间。

在一个实施例中，所述热流体流道中的波动热源流体流动方向与所述冷流体流道中的冷流体流动方向相反。

在一个实施例中，所述热管的长度方向与冷流体流道和冷流体流道中的流体流动方向垂直。

在一个实施例中，所述保温段充填保温材料。

在一个实施例中，所述热流体流道、冷流体流道和保温段共用一个金属外壳，内部通过金属隔板相互隔开，所述金属外壳表面覆盖保温层，阻止换热器内流体与外界的换热。

在一个实施例中，沿所述热流体流道中的波动热源流体流动方向，组成所述热管簇的各热管的相变温度递减。

在一个实施例中，以所述热流体流道中的波动热源流体流动方向为行，以垂直于行的方向为列，组成所述热管簇的各热管沿行穿插交错排列，即，奇数列的热管数量为n，偶数列的热管数量为m，n≠m。

在一个实施例中，所述各热管的相变温度递减，包括：

沿所述热流体流道中的波动热源流体流动方向，相邻热管的相变温度递减；或者，

沿所述热流体流道中的波动热源流体流动方向，将各热管分为若干区域，同一区域内的热管的相变温度相同，相邻区域的热管的相变温度递减。

在一个实施例中，所述波动热源的波动温度范围为b～c，则热管的相变温度包括c、b、a，其中c＞b＞a。

由于采用了以上技术方案，本发明的基本原理在于：

普通的换热器在使用波动热源时，由于热源波动大，且在使用时存在热源侧的自我传热现象，使高温部分热源与低温部分热源混合成中温热源，造成热源的大量浪费，降低了能量利用效率。普通热源换热器在使用波动热源时，只有单一的相变温度，无法阻止热源侧的自我传热，也无法降低损失。本发明采用多个相变温度的热管簇分层布置，高温相变热管簇将热源侧的高温热量及时吸收，减少了热源侧的自我传热能量，在一定程度上降低了热源的损失。本发明采用多个相变温度的热管簇分层布置，并在热管中间段填充保温材料，使通过不同相变温度分层吸收的热量以匹配的温度分层加热冷侧流体，提高了换热器两侧的温度匹配程度，降低了损失，提高了换热效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、使用热管替代传统换热器的金属导热板，提高了换热系数，降低了换热面积。

2、采用不同相变温度的热管分层布置，冷凝段置于热流体流道，使用波动热源时，使高温相变热管簇将热源侧的高温热量及时吸收，减少了热源侧的自我传热能量，在一定程度上降低了热源的损失。

3、采用不同相变温度的热管分层布置，蒸发段置于冷流体流道，使用波动热源时，使通过不同相变温度分层吸收的热量以匹配的温度分层加热冷侧流体，提高了换热器两侧的温度匹配程度，降低了损失，提高了换热效率。

4、采用热管簇交错排列，将流体扰流，增大强制对流的换热能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例中一种高效利用波动热源的热管换热器。

图2是本发明所述实施例中一种高效利用波动热源的热管换热器的竖直剖面图。

图3是本发明所述实施例中一种高效利用波动热源的热管换热器的俯视剖面图。

图4是本发明所述实施例中一种高效利用波动热源的热管换热器的侧视剖面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

在通过传统换热器利用波动热源时，由于波动热源的固有特点，导致自我换热以及换热两侧热量不匹配等现象，使得换热效率不高。

为解决这一问题，本发明提供了一种热管换热器，以高效利用波动热源。该热管换热器主要包括热流体流道、冷流体流道、保温段和热管簇，在一些实施例中，也可仅有这几部分组成。

显然，对于换热器而言，热流体流道和冷流体流道是相互隔离的两个流道，本发明中，在热流体流道和冷流体流道之间连接了一个保温段，但是，热流体流道、冷流体流道和保温段均具有独立的腔室，三者互不连通。本发明以波动热源流体作为热流体，热流体流道用于通入该热流体；冷流体流道用于通入冷流体，冷流体可以是常规的任意介质。

热管簇由多个热管组成，更具体地，各热管贯穿热流体流道、保温段和冷流体流道，且各热管被分为蒸发段、保温段和冷凝段三个部分。其中蒸发段暴露于热流体流道，冷凝段暴露于冷流体流道，保温段暴露于保温段。也即，热管贯穿热流体流道与保温段之间隔板，以及保温段与冷流体流道之间隔板，以该两处隔板为翅片，并按照其分段来调节其暴露环境。

本发明组成热管簇的热管至少应具有两种以上相变温度，而具有不同相变温度的热管，也相应地具有了不同的冷凝温度和蒸发温度，因此通过该设置，可以实现分层吸收热流体的热量。

根据上述结构，本发明的原理如下：

波动热源流体流入热流体流道，经过热管簇的蒸发段时，其热量被冷凝段以不同的蒸发温度为界而分层吸收。与此同时，冷流体流入冷流体流道，经过热管簇的冷凝段时，被热管簇以不同的冷凝温度为界分层加热。

因此，相比于普通换热器，本发明的热管换热器可以实现阻止波动热源的自我传热，提高波动热源的可用性以及提高换热器两侧流体温度的匹配度，提高热源使用效率。

图1示出了本发明热管换热器的一个具体实施例的结构形式，图中示出了热流体流道的热流体进口1和热流体出口2，冷流体流道的冷流体进口3和冷流体出口4，由大量热管组成的热管簇5，以及保温段6，整个热管换热器使用了一体的换热器壳体7。

在该实施例中，热流体流道与冷流体流道平行设置，而保温段6则垂直连接于热流体流道与冷流体流道之间，其中，保温段6可以与热流体流道和冷流体流道等长、等宽，也可稍小于热流体流道和冷流体流道的长短尺寸。为便于描述，本发明中，定义流体流动方向为长度方向，从热流体流道向冷流体流道的方向为高度方向，与长度方向和高度方向同时垂直的方向则为宽度方向。

平行设置热流体流道与冷流体流道，而垂直连接保温段6，能实现更好的换热效果，且加工难度最低。

进一步地，在图1所示结构中，波动热源流体流动方向与冷流体流动方向相反，即冷热流体相向运动，以更好地实现分层换热，而在其他的实施例中，也可同向运动，使得冷热流体的换热损失增大，换热效率下降。

进一步地，在图1所示结构中，热管的长度方向与冷流体流道和冷流体流道中的流体流动方向垂直。也即，各个热管的长度方向为本发明所定义的高度方向，通过该设置，使得热管的蒸发段与冷凝段充分与冷热源流体接触，提高换热效果，同时换热器左右对称，可以根据情况相应地改变冷热源流体的进出口。在更多的实施例中，各个热管也可与流体流动方向具有一定夹角，使得冷热源流体从不同的进出口进入换热效果不同，但这降低了使用灵活性。为此，本实施例中，冷流体流道和冷流体流道的截面均为矩形，或至少其相对面为平底，此处的相对面，是指被保温段保温段6连接的部分。

进一步地，本发明的实施例中，可以在保温段6充填保温材料。

在图1所示结构中，换热器壳体7为金属外壳，被热流体流道、冷流体流道和保温段共用，热流体流道与保温段之间，以及冷流体流道与保温段之间，则分别以金属隔板相互隔开，该金属隔板也即被热管所贯穿的部分，能够同时作为热管翅片。本发明实施例中，可以在换热器壳体7的表面覆盖保温层，以阻止换热器内流体与外界的换热。

为更好地实现分层换热，本发明实施例中，沿热流体流道中的波动热源流体流动方向，组成热管簇的各热管的相变温度是递减的。这种递减，可以是如下的两种形式之一：

形式一，沿波动热源流体流动方向，相邻热管的相变温度逐次递减。根据该形式，在波动热源中的较低温度流体流向低温区的过程中，热源流体中的冷流热流部分已经互相传热混合，降低了换热器对波动热源的吸收效率。

形式二，沿波动热源流体流动方向，将各热管分为若干区域，同一区域内的热管的相变温度相同，而相邻区域的热管的相变温度逐次递减。根据该形式，波动热源中的较低温度流体可以及时地被热管的低温区吸收热量，提高了波动热源整体的利用率。

以形式二为例进行进一步说明，参考图2，其中示出了热流体流道的热流体进口1和热流体出口2，冷流体流道的冷流体进口3和冷流体出口4，用于覆盖热流体流道和冷流体流道的顶部壳体71，用于覆盖保温段6的侧面壳体72，以及热管簇区域一51、热管簇区域二52和热管簇区域三53。假设波动热源的波动温度范围是70-90℃，热流体从换热器上部的热流体流道的热流体进口1流入。为了分层吸收热流体的热量，热管簇5被分成了三个区域，即热管簇区域一51、热管簇区域二52和热管簇区域三53。沿热流体流动方向，各区域热管的相变温度依次降低，例如，热管簇区域一51的热管相变温度为90℃，热管簇区域二52的热管相变温度为70℃，热管簇区域三53的热管相变温度为50℃。

通过该梯度温度设计，使得波动热源在流过换热器热管簇蒸发段的过程中，热量被分层充分吸收，冷源在流过换热器热管簇冷凝段的过程中，热管簇的热量被充分释放，达到对波动热源热量的充分利用的效果。

进一步地，定义前述的长度方向也即波动热源流体流动方向为行，前述的宽度方向为列，在本发明的实施例中，组成热管簇5的各热管沿行穿插交错排列，即，奇数列的热管数量为n，偶数列的热管数量为m，且n≠m。通过该设置，使得流体在流过热管簇时被扰流，通过改变流体的流动边界层厚度提高了流体与热管簇的换热系数，从而提高换热效率。

例如，在图3所示的结构中，示出了热流体流道的热流体进口1和热流体出口2，用于覆盖热流体流道的顶部壳体71，以及奇数列热管簇54和偶数列热管簇55，可以看出，奇数列热管簇54的热管数量为3个，而偶数列热管簇55的热管数量为4个。实际应用时可以根据情况改变单列热管数量，只要能插空排列即可。

在本发明的一个实施例中，参考图4所示，示出了热流体流道的热流体进口1、冷流体出口4、一体的换热器壳体7、热管簇5以及保温段6，并可看出在保温段6填充了保温材料，热管簇5将保温材料贯穿，其保温段被保温材料包裹，保温材料能够阻止外界环境与热管的保温段进行换热。

根据上述结构，当波动热源流体从热流体进口1流入换热器，热源经过热管簇的蒸发段时，热源的热量被热管簇的冷凝段以不同的蒸发温度为界而分层吸收。而后，热管中的液体工质被蒸发为气体，在内部压差的作用下向冷凝段移动。相应地，当冷流体从冷流体进口3流入换热器，冷源经过热管簇的冷凝段时，冷流体被热管簇以不同的冷凝温度为界分层加热，此时热管中的气体工质被冷凝为液体，而后通过毛细效应返回热管的蒸发段。普通换热器往往在使用波动热源时，不能将波动热源分层利用，导致热源中的冷流体热流体部分在换热过程中相互混合，损失了高品位热量。相比于普通换热器，本发明热管换热器可以分层利用波动热源的热量，提高换热器冷热流体侧的温度匹配度，降低热源的损失，提高换热效率。

Claims (10)

1.一种高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，包括热流体流道、冷流体流道、保温段和热管簇；所述保温段连接在热流体流道和冷流体流道之间，且三者互不连通；所述热流体流道用于通入波动热源流体；

所述热管簇由至少具有两种以上相变温度的多个热管组成，各热管贯穿所述热流体流道、所述保温段和所述冷流体流道，且各热管的蒸发段暴露于热流体流道，冷凝段暴露于冷流体流道，保温段暴露于保温段。

2.根据权利要求1所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述热流体流道与所述冷流体流道平行设置，所述保温段垂直连接于所述热流体流道与所述冷流体流道之间。

3.根据权利要求2所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述热流体流道中的波动热源流体流动方向与所述冷流体流道中的冷流体流动方向相反。

4.根据权利要求1所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述热管的长度方向与冷流体流道和冷流体流道中的流体流动方向垂直。

5.根据权利要求1所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述保温段充填保温材料。

6.根据权利要求1所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述热流体流道、冷流体流道和保温段共用一个金属外壳，内部通过金属隔板相互隔开，所述金属外壳表面覆盖保温层，阻止换热器内流体与外界的换热。

7.根据权利要求1至6任一项权利要求所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，沿所述热流体流道中的波动热源流体流动方向，组成所述热管簇的各热管的相变温度递减。

8.根据权利要求6所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，以所述热流体流道中的波动热源流体流动方向为行，以垂直于行的方向为列，组成所述热管簇的各热管沿行穿插交错排列，即，奇数列的热管数量为n，偶数列的热管数量为m，n≠m。

9.根据权利要求6所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述各热管的相变温度递减，包括：

沿所述热流体流道中的波动热源流体流动方向，相邻热管的相变温度递减；或者，

沿所述热流体流道中的波动热源流体流动方向，将各热管分为若干区域，同一区域内的热管的相变温度相同，相邻区域的热管的相变温度递减。

10.根据权利要求9所述高效利用波动热源的热管换热器，其特征在于，所述波动热源的波动温度范围为b～c，则热管的相变温度包括c、b、a，其中c＞b＞a。