一种蓄热贯通尺寸优化设计的方法与流程

文档序号:18453401发布日期:2019-08-17 01:25阅读:182来源:国知局
一种蓄热贯通尺寸优化设计的方法与流程

本发明涉及一种蓄热器技术,尤其涉及一种新式结构的蓄热器。



背景技术:

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(losalamos)国家实验室的乔治格罗佛(georgegrover)发明的一种称为“热管”的传热元件,它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业,自从被引入散热器制造行业,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式,采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果,开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备,其中包括核电领域,例如核电的余热利用等。

现有技术中,热管的外形影响了蒸发端的吸热面积,因此一般蒸发端吸热范围比较小,在热源中有时候需要设置多个热管来满足吸热需求;而且多蒸发端存在的时候,各个蒸发端因为处于热源的位置不同,会产生吸热不均匀的现象。

针对上述问题,本发明在前面发明的基础上进行了改进,提供了一种新的热管结构,充分利用热源,降低能耗,提高开采效果。



技术实现要素:

本发明提供了一种新的热管结构,扩展蒸发端的吸热范围,节约能源。

为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:

一种热管,包括竖直部分、水平部分和竖直管,其中竖直部分的底端连通水平部分,所述水平部分从竖直部分的底端向着远离竖直部分的方向延伸,所述水平部分下部连通多个竖直管,其中竖直管是热管的蒸发端,竖直部分是热管的冷凝端。

作为优选,所述水平部分为扁平管结构,竖直管为圆管结构。

作为优选,水平部分为方形结构。

作为优选,所述的竖直管为多排,其中相邻两排为错列布置。

作为优选,竖直管的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形,所述竖直管的圆心位于等腰三角形顶角的点的位置。

作为优选,竖直管的外径为d,同一排的相邻的竖直管圆心之间的距离为l,竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形的顶角为a,则满足下面要求:

sin(a)=a-b*ln(d/l),其中ln是对数函数,a,b是参数,满足如下要求:

0.095<a<0.105,0.29<b<0.31;0.1<d/l<0.7。

作为优选,随着d/l的逐渐变小,a越来越大,b越来越大。

作为优选,15°<a<80°。

作为优选,20°<a<40°。

作为优选,0.2<d/l<0.5。

与现有技术相比较,本发明具有如下的优点:

1)本发明对热管的蒸发端的结构进行了改进,将热管的蒸发端延伸到更远的方向,在不改变热管的冷凝端体积的情况下,使得热管的蒸发端的吸热面积增加,这样可以扩大热管的吸热范围,可以吸收热源最远端的热量。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小,能够提高40%以上的换热效率。同时减少换热器的体积和占地面积,使得结构紧凑。

2)本发明在相邻的蒸发端设置连通管,可以在竖直管受热不同而导致压力不同的情况下,可以使得压力大的蒸发端内的流体快速的流向压力小的蒸发端,从而保持整体压力均衡,避免局部过热或者过冷。

3)进行了大量的数值模拟和实验的研究,对热管在蓄热器中的分布结构进行了最优的结构,而且通过研究得出热管分布的最优关系式,进一步提高热管的分布,达到最佳的热吸收,降低成本。

4)本发明在相邻的热管之间设置连通管,实现热管之间的压力均衡,换热均衡。

附图说明

图1为本发明热管结构示意图。

图2为图1从底部观察的示意图。

图3为本发明设置连通管的热管局部结构示意图。

图4为本发明热管具体实施方式结构示意图。

图5为图4的本发明热管之间设置连通管的结构示意图。

图6是图2的局部放大标注示意图。

图中:1竖直部分2水平部分3竖直管4蓄热器5冷源6热源7连通管8连通管9容器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中,如果没有特殊说明,涉及公式的,“/”表示除法,“×”、“*”表示乘法。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

一种热管,包括竖直部分1、水平部分2和竖直管3,其中竖直部分1的底端连通水平部分2,所述水平部分2从竖直部分1的底端向着远离竖直部分1的方向延伸,所述水平部分2下部连通多个竖直管3,其中竖直管3是热管的蒸发端,竖直部分1是热管的冷凝端。

本发明热管在运行中,通过竖直管3从热源中吸收热量,然后竖直管3中的流体进行蒸发,通过水平部分进入到竖直部分,然后在竖直部分将热量释放给冷源,流体进行冷凝,依靠重力的作用再进入竖直管3。

本发明对热管的通过设置热管的蒸发端的结构进行了改进,将热管的蒸发端延伸到更远的方向,在不改变热管的冷凝端体积的情况下,使得热管的蒸发端的吸热面积增加,这样可以扩大热管的吸热范围,可以吸收热源最远端的热量。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小,能够提高45%以上的换热效率。同时减少冷凝端的体积和占地面积,使得结构紧凑。

此外,本发明通过设置多个竖直管3作为热管的蒸发端,使得每个竖直管3作为一个个独立的吸热管加入热量的吸收,也增加了整体热管蒸发端的吸热面积。

作为优选,所述热源可以是土壤或者锅炉尾气等。

作为优选,所述冷源为水或者空气。

作为优选,所述水平部分2为扁平管结构,竖直管3为圆管结构。通过设置水平部分为扁平管结构,可以增加竖直管3的分布,进一步提高热量的吸收。

进一步优选,水平部分2为方形结构。

作为优选,如图2所示,所述的竖直管3为多排,其中相邻两排为错列布置。通过错列布置,可以进一步提高热管的吸热量。

作为优选,竖直管3位于相邻排的相邻竖直管3的圆心连接线段的中线的延长线上。即竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管3圆心构成等腰三角形,所述竖直管的圆心位于等腰三角形顶角的点的位置。

作为优选,如图3所示,至少两个相邻的竖直管3之间设置连通管8。在研究中发现,在竖直段吸热的过程中,会出现不同位置的吸热管的吸收热量不同,导致竖直管3之间的压力或者温度不同,这样会导致部分竖直管3受热过高,造成寿命缩短,一旦一个竖直管3出现问题,可能导致整个热管出现无法使用的问题。本发明通过大量的研究,在相邻的竖直管设置连通管8,可以在竖直管受热不同而导致压力不同的情况下,可以使得压力大的竖直管3内的流体快速的流向压力小的竖直管3,从而保持整体压力均衡,避免局部过热或者过冷。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,相邻的竖直管3之间设置多个连通管8。通过设置多个连通管,能够使得流体在吸热蒸发过程中不断的均衡压力,保证整个竖直管内的压力均衡。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,相邻连通管8之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的连通管,因为随着流体的向上流动,流体不断的受热,随着流体不断的受热,不同集热管内的受热越来越不均匀,因此通过上述设置,能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,相邻连通管之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现,上述设置,能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,连通管8的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积,因为随着流体的向上流动,流体不断的受热,随着流体不断的受热,不同集热管内的受热越来越不均匀,因此通过上述设置,能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,连通管8的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现,上述设置,能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

图4展示了一种热管利用系统,作为优选,如图4所示,热管的竖直管3设置在蓄热器4中。所述蓄热器4设置在热源中。所述热源可以是地热能。

作为优选,所述蓄热器4中蓄热材料的熔点是60-80摄氏度,优选65摄氏度。

作为优选,所述蓄热器4中的蓄热材料是石蜡。

本发明通过设置蓄热器4,可以将热源6中的热量储存起来,而且因为蓄热器的热熔比较大,因此可以储存更多的热量,因此热管可以更加充分的利用干热源6的热量,而且因为设置蓄热器,蓄热器与热源6接触面积更大,而且可以大大的减小热管和热源6之间的接触热阻,安装方便,吸热效果要远好于热管单独的放置在热源6中。因此通过设置蓄热器可以大大提高热管的吸热效率。通过实验发现,通过设置蓄热器,可以提高15-20%的加热效率,可以进一步节约能源。

作为优选,所述热源为干热岩层的地热能,所述冷源是水,热管用于页岩气的开采中加热水产生蒸汽,将蒸汽引入页岩层来进行页岩气的开采。

作为优选,所述蓄热器4的横截面为方形结构,所述蓄热器4的横截面积大于冷源所在的容器9的横截面积。通过蓄热器4的横截面积大于冷源所在的容器9的横截面积,可以进一步的增加蓄热器与热源6的换热面积,而且可以储存更多的热量,进一步满足加热的要求。

作为优选,所述蓄热器4和容器9的横截面积是正方形结构。蓄热器4的边长大于容器9的边长。

作为优选,所述蓄热器4的横截面积是容器9横截面积的10-26倍,优选是18倍。

作为优选,从蓄热器4的中心向蓄热器的外壁的方向,蓄热器4中的蓄热材料的蓄热能力逐渐变弱。

采取蓄热材料的蓄热能力的逐渐变化,可以进一步提高蓄热能力,能够实现竖直管3的均匀加热。因为越到蓄热器外壁,则因为和热源直接接触,因此此处的温度最高,蓄热材料可以直接被加热,在蓄热材料被充分蓄热后,热量会向蓄热器的内部传递。通过蓄热器蓄热材料的蓄热能力的变化,可以保证外部蓄热材料达到蓄热饱和后,会立刻将热量向内部传递,保证内部也存储热量。这样,竖直管3在蓄热器中的不同位置都能充分吸热,避免有的热管过热,有的热管吸热不够,保证整体热管的吸热均匀,避免部分过热蒸汽损坏,造成产品的维护困难。通过这样设置,可以是热管整体的使用寿命达到相同。同时使得冷源也整体加热均匀。

作为优选,从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向,蓄热材料的蓄热能力逐渐减弱的幅度逐渐增加。通过实验和数值模拟发现,采取这种设置,可以进一步提高热管的吸热均匀度。

作为优选,从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向,连通管8数量不断增加。此目的是为了设置更多的连通管,因为越靠近蓄热器4的外壁方向,蓄热量最多,流体受热也多,竖直管3内的蒸汽压力也越大,因此通过上述设置,能够保证在流体受热过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选,从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向,连通管8数量不断增加的幅度越来越大。通过实验发现,上述设置,能够保证在流体受热过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向,连通管8的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积,因为越靠近蓄热器4的外壁方向,蓄热量最多,流体受热也多,竖直管3内的蒸汽压力也越大,因此通过上述设置,能够保证在流体受热过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选,从蓄热器4的中心向蓄热器4的外壁方向,连通管8的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现,上述设置,能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

在蓄热器内装满了蓄热用石蜡。石蜡类相变蓄热材料具有相变潜热高、几乎没有过冷现象、融化时蒸汽压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、没有相分离和腐蚀性,以及价格低等优点,成为蓄热材料的首选。石蜡内嵌竖直管3。竖直管3吸收来自蓄热器内石蜡的热量,在顶端竖直部分放热,实现对冷源的加热。

通过数值模拟和实验发现,竖直管3之间的距离,包括同一排的距离和相邻排之间的距离不能过小,过小会导致热管分布过多,导致每根热管的吸热量不足,过大会导致热管分布太少,导致热管过热,因此本申请通过大量的数值模拟和实验,总结出来热管竖直管3分布的最优化的分布,使得热管既不能吸热量不足,又不能吸热量过大。

如图6所示,竖直管3的外径为d,同一排的相邻的竖直管3圆心之间的距离为l,竖直管3的圆心与相邻排的临近的两个竖直管3圆心构成等腰三角形的顶角为a,则满足下面要求:

sin(a)=a-b*ln(d/l),其中ln是对数函数,a,b是参数,满足如下要求:

0.095<a<0.105,0.29<b<0.31;

进一步优选,所述a=0.1016,b=0.3043。

作为优选,随着d/l的逐渐变小,a越来越大,b越来越大。

作为优选,15°<a<80°。

进一步优选,20°<a<40°。

0.1<d/l<0.7,进一步优选,0.2<d/l<0.5。

上述经验公式是通过大量数值模拟和实验得到,通过上述关系式得到的结构,能够实现最优化的热管结构,而且经过试验验证,误差基本上在3%以内。

热管的吸热能力900-1100w,进一步优选为1000w;

热源的温度100-120摄氏度,进一步优选为110℃。

图2所示的热管水平部分优选为正方形,边长为400-600毫米,进一步优选为500毫米。

竖直管3外径d为9-12毫米,进一步优选为11mm。

作为优选,如图4所示,所述系统中包括了两个热管,所述两个热管的水平部分2分别朝向相对的方向延伸.通过设置两个对称的热管,可以在不同方向上吸热,满足换热的需求。

作为优选,如图5所示,互相靠近的两个热管的竖直管3之间设置连通管7。通过设置连通管,可以避免热管之间受热不均匀,实现热管之间的压力均衡,避免不同热管之间的受热不均匀导致的缺陷。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,相邻连通管7之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的连通管,因为随着流体的向上流动,流体不断的受热,随着流体不断的受热,不同热管内的受热越来越不均匀,因此通过上述设置,能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,相邻连通管7之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现,上述设置,能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,连通管7的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积,因为随着流体的向上流动,流体不断的受热,随着流体不断的受热,不同热管内的受热越来越不均匀,因此通过上述设置,能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选,从竖直管3下部向竖直管3上部,连通管7的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现,上述设置,能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

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