專利名稱：一種旋流式熱導管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用氣體-液體的相變，連續地輸送熱量的裝置，屬于傳熱設備領域，是一種旋流式熱導管。
背景技術：
熱導管最初是于1964年由美國科學家發明的，它主要包括一個封閉的管道，在其內層表面附著一層多孔介質材料或毛細管結構。利用氣體-液體的連續相變過程輸送熱量。圖1是一個典型的熱導管工作原理圖。如圖1中所示，熱導管是一個封閉的管道，包括三個不同的部分，分別是蒸發區、絕熱區和冷凝區。管道里面注入工質，如水、甲醇等物質。 當熱源被施加到蒸發區，輸入的熱量被蒸汽的潛熱所吸收，熱導管內的液體工質被加熱、氣化、蒸發，并向低溫、低壓的冷凝區方向運動。中間的絕熱區意味著此段的熱量的輸出和輸入均可以忽略不計。在冷凝區的放熱過程會導致蒸汽凝結成液體，并釋放潛熱。毛細管結構會將液體送回到蒸發區。熱導管利用工質在冷、熱兩端的相變，實現了熱量傳遞。如果加入的熱量和放出的熱量保持恒定，這個相變過程將持續進行，并達到一個穩定狀態。座位傳熱工具的熱導管有很多優勢。首先，它的熱傳導效率高，一般是固體金屬熱傳導率的數倍甚至幾十倍，因而可以以較小的熱損失將熱量輸送至較遠的地方。再有，熱導管內各處溫度基本等于工質的飽和蒸汽溫度，所以整體的等溫性好。此項特點可以用于減小不均勻加熱表面的溫差。例如安裝在空間衛星表面，可以平衡面向太陽一側和陰影一側之間的溫差。此外，熱導管可以通過改變傳熱面積使熱流密度改變。例如，以較小的加熱面積輸入熱量，而以較大的冷卻面積輸出熱量，反之亦可。工程上，熱導管可以被制作成各種形狀，方便使用。不僅如此，熱導管可以被制成分體的形式，蒸發器和冷凝器分別在兩端，中間用絕熱的蒸汽管和回流管管路連接，毛細管結構僅用于蒸發器，或者在冷凝器的高度大于蒸發器的情況下省去毛細管結構。這一類熱導管被稱為循環式熱導管。圖2是此類循環式熱導管的工作原理圖。熱導管在工程應用上也有一些限制。例如，任何毛細管結構都需要克服一定的壓降、任何熱導管都會受到聲阻的制約，限制了傳熱量。此外，熱導管也受工質的影響。一類以液體工質(如水、甲醇等)在高溫環境的情況下，在蒸發器內腔壁面會形成蒸汽薄膜。大量的蒸汽泡在壁面生成，使得壁面上的液體離開壁面。因為蒸汽氣泡的傳熱系數較液體的低很多，因而降低了壁面的傳熱量。所以，很多熱導管在環境溫度使用時，傳熱效率并不高。 再有，蒸汽與從冷凝器回來的液體的運動方向相反，彼此產生剪切力。蒸汽可能將液體卷吸帶走一部分。如果卷吸的液體過多，蒸發器內沒有足夠的液體回歸，蒸發器可能會被燒干， 造成熱導管零部件的損壞。為了擴展熱導管在工程上的應用潛力，特別是在高溫情況下可靠地工作，本發明在一類循環式熱導管的基礎上，設計了以一種旋流式熱導管，克服了熱導管在高溫環境下使用時面臨蒸汽薄膜和液體卷吸的局限性。
發明內容
本發明的目的是提供一種能在高溫環境下使用的熱導管，是一種旋流式熱導管， 包括一個蒸發器、一個冷凝器、一個排氣閥、一個帶電控節氣閥的蒸汽管、一個帶電控節流閥的主回流管、一個能產生旋流的內回流管。本發明創新點在于，通過一個能產生旋流的內回流管，使得在蒸發器的腔體內的兩相流工質產生旋轉運動，并與蒸發器的幾何形狀相配合，以消除蒸汽薄膜；這個內回流管插入到蒸發器的腔體底部，避免了液體卷吸。使得以水做工質的熱導管可以在較高溫度下高效、安全、可靠地工作。本發明采用的技術方案本發明是一種旋流式熱導管，在工作時，蒸發器在最下面，冷凝器在上面，不使用毛細管結構，高度差根據使用場合決定。蒸發器和冷凝器外觀上都是圓柱形或者是圓錐臺形的金屬管。圖3是本發明提出的旋流式熱導管的工作原理圖。蒸發器上端有一個蒸汽出口和一個液體入口 ；冷凝器下面有一個蒸汽入口和一個液體出口。一個帶電控節氣閥的蒸汽管將蒸汽出口和液體入口相連，使得蒸汽進入冷凝器。一個帶電控節流閥的主回流管一端連接到冷凝器的液體出口，另一端連接到一個能產生旋流的內回流管的一端。內回流管的另一端從蒸發器的液體入口深入到蒸發器內腔底部。液體工質通過主回流管、內回流管從冷凝器進入蒸發器。所有管路外表面裹有絕熱材料。節氣閥可以控制蒸汽流量，從而控制傳熱量。冷凝器的上部的排氣閥，目的是防止冷凝器中有氣體堵塞蒸汽上升。將內回流管直接插入到蒸發器的低端，意味著直接將液體引導至蒸發器內，避免和大量蒸汽相對運動，產生剪切力，避免了液體卷吸現象的發生，防止蒸發器內燒干現象。蒸發器內腔形狀呈倒圓錐臺形或是圓柱形。內回流管內表面刻有多條來福線，外表面有螺紋形狀的溝槽。因為冷凝器的高度高于蒸發器，所以存在液體壓頭，液體工質在內回流管中向下流動。由于內表面的來福線的弓丨導作用，液體會產生旋轉。具有一定轉動慣量的液體流出內回流管，進入蒸發器，成為氣液兩相流，因蒸發作用，蒸發器內壓力上升，兩相流開始向上運動，仍保持旋轉離心力。內回流管外表面的螺紋形狀的溝槽與來福線的旋向一致，將引導氣液兩相流以旋轉向上的方式運動。圖4表示了內回流管的結構以及和蒸發器的結構關系的詳細圖，是圖3中內回流管和蒸發器底部的放大圖。如果此時處在高溫環境，蒸發器內壁會產生蒸汽薄膜，降低壁面傳熱效率。但是，氣液兩相流中因為液體顆粒的密度相對蒸汽的大，所以液體顆粒因為旋轉離心力飛向蒸發器的壁面。而飛來的液體顆粒將會擊碎蒸汽薄膜，在當地形成液體薄膜，使得壁面傳熱量損失得以恢復。如果采用倒圓錐臺形的蒸發器，意味著蒸發器是傾斜的壁面。飛來的液體顆粒在壁面受到幾個作用力的合力。圖5給出倒圓錐臺形蒸發器內壁面上液體顆粒受力分析。可見在一定離心力下，水滴受到沿壁面向上的合力。意味著液體薄膜沿著蒸發器壁面向上移。 這種運動使液體與蒸發器的熱表面更充分接觸，有利于液體蒸發。采用倒圓錐臺形意味著蒸發器上部的內徑大，使得兩相流在蒸發器內旋轉速度越往上越小，因而離心力隨之減小。 如果離心力過小，以致液體顆粒無法飛到壁面，無法形成水膜。在這種情況下，則采用圓柱形蒸發器，使其內部的離心力得以保持，但形成的水膜無法向上移動。選擇采用倒圓錐臺形還是圓柱形的蒸發器，由液體壓頭的大小決定。冷凝器的高度是液體壓頭的決定性因素。如果液體壓頭較大，則內回流管出口處的轉動慣量較大，此時宜采用圓錐臺形，反之，以圓柱
4形為宜。本發明設計了一個內表面刻有來福線、外表面刻有螺旋溝槽的內回流管，并將其插入到蒸發器底部，防止了液體卷吸的現象發生，防止了蒸發器的燒干。同時通過內回流管使內回流管內的液體和蒸發器內的兩相流流體產生的旋流流動，并與蒸發器的幾何形相配合，使得熱導管在高溫狀態工作時消除了了蒸汽薄膜，保持了傳熱量，使熱導管的工作更加高效、安全、可靠。本發明的優點本發明通過對熱導管的部件的結構設計，改進了蒸發器內工質流動的模式和狀態，克服了某些熱高管的高溫環境下工作的限制。該技術方案效果好、實用性強、成本低，為提高作為一種傳熱設備的熱導管的性能提供了一個新途徑。
圖1熱導管的工作原理圖；圖中，1熱源、2管道、3蒸汽流、4液體回流、5毛細管結構、6放熱、7冷凝區、8絕熱區、9蒸發區。圖2循環式熱導管的工作原理圖；圖中，1蒸發器、2蒸汽流、3蒸汽管、4冷凝器、5回流管、6液體回流。圖3旋流式熱導管的工作原理圖；圖中，1蒸發器、2蒸發器內旋轉的兩相流、3蒸汽流、4電控節氣閥、5蒸汽管、6冷凝器、7排氣閥、8主回流管、9液體回流、10電控節流閥、11能產生旋流的內回流管、12內回流管內壁上的來福線、13內回流管外壁上的螺紋。圖4內回流管的結構以及和蒸發器的結構關系的詳細圖；圖中，1蒸發器壁面、2內回流管、3來福線、4螺紋。圖5壁面上液體顆粒受力分析；圖中，1蒸發器壁面、2重力、3液體顆粒、4壁面力、5壁面力與離心力的合力、6液體顆粒所受的力的合力、7離心力圖6具體實施方案中的旋流式熱導管的部件的布局圖；圖中，1蒸發器、2蒸汽管、3電控節氣閥、4保護套筒、5冷卻系統、6冷凝器、7排氣閥、8循環水、9主回流管、10電控節流閥、11能產生旋流的內回流管
具體實施例方式以一個具體實施方案進一步說明本發明的結構和原理。一種能在高溫環境下使用的熱導管，是一種旋流式熱導管，包括一個蒸發器、一個冷凝器、一個排氣閥、一個帶電控節氣閥的蒸汽管、一個帶電控節流閥的主回流管、一個能產生旋流的內回流管和一個冷卻系統。用水作為工質，資源豐富、成本低、不產生有毒物質。 因為不銹鋼材料與水不產生化學反應，而且傳熱系數高，所以，冷凝器和蒸發器均采用不銹鋼材料制作。圖6是具體實施方案中的旋流式熱導管的部件的布局圖，其工作原理圖參見圖3。在工作時，蒸發器在最下面，冷凝器在上面，高度差取2000m至3000m。冷凝器外觀上是圓柱形，外徑0.5m，高為0.5m。冷凝器下面有一個蒸汽入口和一個出水口。蒸發器外觀上是倒置的圓錐臺的形。蒸發器上端有一個蒸汽出口和一個入水口 ；一個帶電控節氣閥的蒸汽管將蒸汽出口和入水口相連，使得蒸汽進入冷凝器。一個帶電控節流閥的主回流管一端連接到冷凝器的出水口，另一端連接到一個能產生旋流的內回流管的一端。節氣閥可以控制蒸汽流量。內回流管的另一端從蒸發器的入水口深入到蒸發器內腔底部。液體水通過回流管從冷凝器進入蒸發器。蒸汽管和主回流管路外表面裹有絕熱材料，并放置在一個防腐蝕、有一定硬度的保護套筒內。將內回流管直接插入到蒸發器的低端，意味著直接將水引導回蒸發器內，避免和大量蒸汽相對運動時產生剪切力，避免了水被蒸汽卷吸的現象的發生，防止了蒸發器內燒干。內回流管外徑0. Im,內徑0.07m，內壁上刻有六條深0. 005m的來福線，外壁上有深 0.005m，螺距為0.005m螺紋溝槽。螺紋旋向有來福線的一致。因為冷凝器的高度很高于蒸發器，所以存在2000m至3000m的液壓水頭，水在內回流管中向下流動。由于其內表面的來福線的引導作用，水會產生旋轉。具有較強轉動慣量的水流出內回流管，進入蒸發器，成為蒸汽-水兩相流。因蒸發作用，蒸發器內壓力增加，兩相流開始向上運動。因為水和水蒸氣的粘性較小，與壁面的摩擦損失小，轉動慣量損失小，所以兩相流仍保持較強的旋轉離心力。內回流管外表面有螺紋形狀的溝槽將引導氣-水兩相流以旋轉向上的方式運動。內回流管的結構以及它們內部流體流動的模式與圖4所示相同。氣-水兩相流中因為水滴顆粒的密度相對蒸汽的大，所以液體顆粒因為旋轉離心力飛向蒸發器的內壁面。此時如果蒸發器處在高溫環境中，在蒸發器內壁產生蒸汽薄膜，降低壁面傳熱量。而飛來的液體顆粒將會擊碎蒸汽薄膜，在當地形成水膜，使得壁面傳熱量的損失得以恢復。采用倒圓錐臺形的蒸發器，意味著蒸發器是傾斜的壁面。參考圖5給出壁面上水滴受力分析，可見在一定離心力下，水滴受到沿壁面向上的合力。意味著水膜沿著蒸發器內壁面向上移。這種運動使水膜與蒸發器的熱表面更充分接觸，有利于水的蒸發。除了考慮上述因素，還要考慮制造和使用上的因素，例如倒圓錐臺上底面的占地面積不宜過大。 蒸發器內腔倒圓錐臺形的底面外徑為0. 5m,高度lm，圖5中所示的圓錐角取15°。冷凝器的功能是通過放熱，將蒸汽轉化為水。為了利用放熱量，在冷凝器周圍加上一個以循環水為介質的冷卻系統。循環水被冷凝器放出的熱量加熱，于是，蒸發器一端放出的熱量被傳到了循環水中，可以按需求將循環熱水加以利用。本發明提出的熱導管的一個應用是汲取地熱。將蒸發器一端放入地下數千米，環境溫度可達1000攝氏度左右的熱源中。在這種環境溫度下，作為工質的水的蒸汽溫度高達 120C°以上，很可能形成蒸汽薄膜，使得熱導管的傳熱效率極大降低，不能將地熱高效率地傳出。如果按照本發明提出的這個旋流式熱導管的具體實施方案應用于地熱汲取，會避免上述不利情況的發生，保證了熱導管的傳熱效率，可以高效率地將地下熱源傳至地上加以利用。這種傳熱設備結構簡單、使用方便、成本低，在地熱、暖通等領域的應用前景廣闊。
權利要求
1.一種旋流式熱導管，包括一個一個蒸發器、一個冷凝器、一個排氣閥、一個帶電控節氣閥的蒸汽管、一個帶電控節流閥的主回流管。
2.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于所述的蒸發器在工作時位于冷凝器下面，其高度差由需求而定；蒸發器和冷凝器外觀上是圓柱形或者是圓錐臺形的金屬管。
3.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于所述的一個帶電控節氣閥的蒸汽管連接蒸發器和冷凝器，使得蒸發器中的蒸汽進入冷凝器；蒸汽管是絕熱的；電控節氣閥可以控制蒸汽的流量。
4.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于所述的一個帶電控節流閥的主回流管連接蒸發器和冷凝器，使得冷凝器中的液體進入蒸發器；主回流管是絕熱的； 電控節流閥可以控制液體的流量。
5.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于所述的帶電控節流閥的主回流管一端連接到冷凝器的液體出口，另一端連接到一個能產生旋流的內回流管的一端。
6.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于內回流管的一端深入到蒸發器內腔底部，意味著直接將液體引導至蒸發器內，避免和大量蒸汽相對，產生剪切力，避免了液體卷吸現象的發生，防止蒸發器內燒干。
7.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于所述的內回流管內表面刻有多條來福線，外表面有螺紋形狀的溝槽，螺紋的旋向與來福線的一致。
8.根據權利要求1所述的一種旋流式熱導管，其特征在于所說的排氣閥位于冷凝器的上部，目的是防止冷凝器中有氣體堵塞蒸汽上升。
全文摘要
本發明公開一種旋流式熱導管。是一種利用液體-蒸汽的相變連續地輸送熱量的工具，屬于傳熱設備領域。本發明的目的是提供一種能在高溫環境下使用的熱導管，包括一個蒸發器、一個冷凝器、一個排氣閥、一個帶電控節氣閥的蒸汽管、一個帶電控節流閥的主回流管、一個能產生旋流的內回流管。通過一個能產生旋流的內回流管，使得在蒸發器的腔體內的兩相流工質產生旋轉運動，消除了蒸汽薄膜，保證了傳熱效率；這個內回流管插入到蒸發器的腔體底部，避免了液體卷吸現象，防止蒸發器燒干。
文檔編號F28D15/02GK102269534SQ20111020847
公開日2011年12月7日 申請日期2011年7月25日 優先權日2011年7月25日
發明者路明 申請人:天津空中代碼工程應用軟件開發有限公司