专利名称：一种气液两相流能量输运方法
技术领域：
本发明属于能量输运技术领域，涉及一种利用气液两相流将热能从一个区域输运到另一区域的低能耗高密度能量输运方法，特别是一种气液两相流能量输运方法。
背景技术：
在人类的实际生活和生产过程中，常常存在将热量从一个区域输运到另一区域的场合。如海水(江水或湖水)热能的利用，海水(江水或湖水)所处位置和需要其热能的用户间往往有一段较远的距离；又如土壤热源或地下水热源的应用，可以获取该类冷、热能量的地方也往往与用户间存在一段较远的距离；再如生活废水中冷、热能的回收利用，废水的排放位置与需要能量的位置有一段距离；还有工业废水中冷、热能的回收利用，废水的排放位置与需要能量的位置常常有较远一段距离；此外，诸如中央空调系统的供冷、供热，太阳能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收、核能热利用等领域也常常存在提供冷、热能量的地方与使用冷、热能量的地方有一段较远的距离的场合；再如通讯基站、各类电源柜、控制柜等机房，由于有内热源存在，一年四季都需要将内热源产生的热量传递到外部环境中；等等，这些场合都必须将冷、热能量从一个地方输运到另一个地方，即涉及到能量的输运问题。目前，人们广泛应用的冷、热能量输运方法是利用某种液体工质做媒介，在提供冷、热能量的地方获取能量后，用溶液泵将该液体工质输运到需要冷、热能量的地方，放出能量后又被送到提供冷、热能量的地方再次获取能量；如此循环，连续不断地输运能量；这些方法的缺点一是由于利用液体的显热来携带热量，在供热与取热两个地方的换热过程中都不可避免地存在较大的换热温差，这不仅产生了较大的不可逆损失，而且使需热位置获得的能量品质降低，对于诸如海水(江水或湖水)热能的利用、土壤热源或地下水热源的应用、生活废水中冷、热能的回收利用等本身温差较小的场合，应用效果会大打折扣，有时甚至失去应用价值；二是由于液体的显热是通过温度升高或降低来携带能量的，温度升高才能携带热能，温度降低才能携带冷能，为减小换热温差产生过大的不可逆损失，液体工质的温度升高或降低值往往不希望过大，又由于液体的比热相对较小，故为带走一定的能量， 需要有大量的液体工质循环，这不仅增加了管道、保温材料的初投资，而且也增大了输运过程中与外界环境的热交换造成的能量损失，还增大了液体溶液泵，使其初投资和运行费用都较大。一般来说，能量的输运密度越大，等热值的运输成本越低，利用液体工质的显热实现能量输运的方法，能量输运密度相对较小；为了降低运输成本，期望能找到一种输运密度大的能量输运系统。热管技术实现了“潜热”形式输运能量，是一种输运密度大的能量输运方法，为实现能量输运，热管已由单根热管演变为多根复合热管，并由连体式热管演变出分离式热管；分离式热管在工业应用中具有布置灵活、易于实现大型化等优点；然而，普通分离式热管存在工作液输送力不够、分液不均勻、使用效果远不如连体式热管等问题，严重阻碍了其推广应用，一直没有大规模商业化产品，为此，本发明人曾提出一种“双循环可控热管系统”(专利号200610045059. 8)，能够彻底解决分离式热管中存在的各种问题；本发明人又提出“一种双向双循环能量输运系统”(专利号200710013149. 3)，实现了利用热管原理以“潜热”形式输运能量的过程，具有能量输运密度高等优点，但该系统结构较为复杂，必须进行全面的优化设计和合理的控制手段，才能保证系统的长期稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提出一种利用气液两相流将热能从一个区域输运到另一区域的低能耗高密度的高效能量输运系统方法，便于实现优化设计和控制，解决目前冷、热能量输运过程中存在的各种问题，解决利用现有热管技术实现“潜热”形式输运能量时存在的结构复杂、难以实现全面优化设计等问题。为了实现上述目的，本发明方法将蒸发器和冷凝器两类换热器分别放置在提供冷、热能量的地方和使用冷、热能量的地方，通过气液两相流母管、两相流分配器、两相流均流管、回液母管、储液罐、循环溶液泵、溶液输运管、分液器和均液管有机联接为一个整体， 构成气液两相流能量输运系统，从蒸发器到冷凝器的热能携带工质处于气液两相流状态， 不同于利用某种液体工质做媒介的系统从加热段到冷却段的热能携带工质处于液相状态，不同于热管能量输运系统从蒸发器到冷凝器的热能携带工质为气相状态，形成气液两相流能量输运系统；通过溶液循环泵强制动力作用，使蒸发器内部换热过程始终处于强制流动的相变换热，由于强制对流的影响，加热面上形成的气泡脱离直径减小，脱离频率增加，气泡的表面发生变形，换热过程相当于单相流体和沸腾换热的组合，强化蒸发换热过程；在冷凝器内部的换热过程处于强制流动的相变换热，由于强制对流的影响，换热面上形成的冷凝液体以较大的流速及时离开换热表面，有效减小液膜热阻，换热过程相当于单相流体和冷凝换热的组合，强化冷凝换热过程；设有的蒸发器和冷凝器两类换热器，每类换热器为一个或两个及以上并联构成；其能量输运系统装置包括冷凝液供液与分配、气液两相流动与分配、液相收集与储存三个子系统；溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经溶液输运管输送到分液器，经分液器和均液管，均勻地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发器管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，形成气液两相流后，由气液两相流母管送入两相流分配器和两相流均流管、均勻地将气液两相流分配给冷凝器中的每个冷凝管路，在冷凝器管路中实现完全冷凝后，由回液母管将液态工质送入储液罐，再次由循环溶液泵供给蒸发器；如此循环往复，连续不断地实现冷、热能量输运过程。本发明涉及的各蒸发器与冷凝器的安装高度无限制，储液罐低于冷凝器，使冷凝液能够顺利回流到相应的储液罐便能正常工作；冷凝器安装在相应储液罐下部时，在其相应的换热器下部加装一个小型储液罐和一个回流溶液泵。本发明在提供冷、热能量的地方放置换热器的数量为一个或两个及以上，在接受冷、热能量的地方放置的换热器为一个，构成多供一系统；若接受冷、热能量的地方放置的换热器为两个及以上时，在提供冷、热能量的地方放置的换热器为一个，构成一供多系统； 在提供冷、热能量的地方放置的换热器与接受冷、热能量的地方放置的换热器均为两个及以上时，构成多供多系统。本发明适于海水、江水或湖水热能的利用、土壤热源或地下水热源的利用和生活废水中冷热能的回收利用的温差较小场合的能量输运场合；通过选用合理的循环工质，应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收和核能热利用的领域；特别适于通讯基站、各类电源柜和控制柜的机房的空调系统，能够与压缩制冷式空调或热泵系统合二为一，构成节能式复合制冷或空调系统。本发明与现有技术相比具有以下优点一是以“潜热加显热”的形式输运能量，以潜热为主，其能量输运密度远高于利用液体的显热来携带热量的冷、热能量输运方式，故带走同样的能量，需要的工质循环量远小于以“显热”来携带热量的输运方式，使连接提供冷、 热能量的地方与使用冷、热能量的地方间的两根管路的直径大幅度降低，这不仅了大幅度减小了管道、保温材料的初投资，而且也减少了输运过程中与外界环境的热交换造成的能量损失，还减小了液体溶液泵，使其初投资和运行费用都大幅度降低；二是在供热与取热两个地方的换热过程中，热管内部的工质发生的都是几乎等温的相变换热过程，相变换热过程换热系数大，有利于减小换热器面积，同时两个不同地方的换热过程中系统内部的工质温度几乎保持不变，这不仅降低了换热温差产生的不可逆损失，而且使诸如海水(江水或湖水)热能的利用、土壤热源或地下水热源的应用、生活废水中冷、热能的回收利用等本身温差较小场合的能量能够实现远距离传输利用，扩展了人类使用各类小温差能量的范围， 并提高了能量输运与使用效率；三是无需吸液芯结构，简化了系统内部结构，易于实现大型化生产与规模化应用，同时还降低了制造成本；四是蒸发段与冷凝段分别独立形成蒸发器与冷凝器，这两种换热器可根据需要以任意方式(水平、垂直或按某一倾角)、在任意相对位置分别放置，解决了原重力式热管布置形式受限的问题；五是增加了溶液循环泵、储液罐、分液器、均液管等部件，彻底解决了原分离式热管工作液输送力不够、分液不均勻等问题，大幅度提高了换热效率；六是不仅具有一供一的能量输运方式，而且能够方便地实现多供一、一供多和多供多等多种能量输运模式，即能够方便地实现将多个不同位置的能量同时输运给一个大用户，也可方便地实现将一个位置的能量同时输运给多个不同的用户，还可同时从多个不同位置的能量输运给多个不同的用户；七是结构简单，易于实现优化设计和控制；冷凝器内部换热过程始终处于强制流动的相变换热，由于强制对流的影响，换热面上形成的冷凝液体以较大的流速及时离开换热表面，有效减小了液膜热阻，换热过程相当于单相流体和冷凝换热的组合，强化了冷凝换热过程；八是适宜于诸如海水(江水或湖水) 热能的利用、土壤热源或地下水热源的应用、生活废水中冷、热能的回收利用等本身温差较小场合的能量输运场合；而通过选用合理的循环工质，可应用于中央空调、太阳能热利用、 空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收、核能热利用等等领域；九是适宜于通讯基站、各类电源柜、控制柜等机房的空调系统，同时还能够简单方便地与压缩制冷式空调或热泵系统合二为一，构成全年性高效节能的复合制冷或空调系统；十是与普通热管实现的换热过程相比，更容易实现大型化，便于和各类大型工程相匹配。
图1为本发明涉及的第1种能量输运工作流程图。图2为本发明涉及的第2种能量输运工作流程图。图3为本发明涉及的第3种能量输运工作流程图。
具体实施例方式
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下面通过实施例并结合附图作进一步说明。实施例本实施例涉及的能量输运装置系统主体结构包括第一冷凝器1、两相流均流管2、 两相流分配器3、气液两相流母管4、第一蒸发器5、均液管6、回液母管7、储液罐8、溶液输运管9、分液器10、溶液循环泵11、第二蒸发器12、溶液调节阀13、第二冷凝器14和两相流调节阀15 ；设有蒸发器5和/或12与冷凝器1和/或14两类换热器，每类换热器根据需要是一个或两个以上；按功能分为冷凝液供液与分配、气液两相流动与分配、液相收集与储存三个子系统，各换热器与子系统的工作原理及功效为蒸发器5和12 通过分液器10及均液管6，蒸发器的各管路中均勻获得液态工质， 这些工质吸收与蒸发器接触的介质的热量而发生气化，产生蒸发过程，形成的两相流经气液两相流母管4送入冷凝器1、14 ；其功效是吸收所处环境的热能，并将该热能能量转变为循环工质的相变潜能和部分显热；冷凝器1和14 通过两相流分配器3、两相流均流管2、冷凝器1和14的各管路均勻获得两相流工质，这些工质在冷凝器中将热量传递给与冷凝器接触的介质完全凝结为液体后，由回液母管7送入储液罐8中；其功效是将蒸发器中获得的相变潜能和部分显热传递到需要热量的介质中，完成高效的热量传递过程；冷凝液供液与分配子系统溶液循环泵11从储液罐8中抽取液态工质，经溶液输运管9输送到分液器10中，经分液器10和均液管6，均勻地将液态工质分配给蒸发器5、12 中的每个蒸发管路；其功效是将冷凝器1、14中冷凝的液体工质送到蒸发器5、12中，完成循环所必需的液态工质从冷凝器到蒸发器的输送工作；气液两相流动与分配子系统从蒸发器出来的两相流，在溶液循环泵提供的压力作用下，由两相流输送管4送入两相流分配器3和两相流均流管2，均勻地将气液两相工质分配给冷凝器1、14中的每个冷凝管路；其功效是及时收集和输送从蒸发器中流出的气液两相流，使蒸发器换热面的液态工质厚度保持在一定范围内，达到高效换热的效果，同时， 将气液两相流均勻地分配给冷凝器中的每个冷凝管路；液相收集与储存子系统在冷凝器1、14中冷凝下来的液态工质经回液母管7流回到储液罐8中；该子系统的功效是及时收集与储存液态工质，保证系统实现正常的循环过程。实施例1 第一种气液两相流能量输运的工作流程如图1所示，其主要部件包括第一蒸发器5和第一冷凝器1 ；还包括由溶液循环泵11、溶液输运管9、分液器10和均液管 6构成的冷凝液供液与分配子系统；由气液两相流母管4、两相流分配器3和两相流均流管 2构成的气液两相流动与分配子系统；由回液母管7，储液罐8构成的液相收集与储存子系统；其能量输运系统装置的启动与运行过程如下先将其一种气液两相流能量输运系统按图1所示安装完毕，抽空后充入适量循环工质，启动溶液循环泵11，让第一蒸发器5内有一定量的液态工质循环，再打开蒸发器的加热源系统和冷凝器的冷却源系统，热管便进入正常工作阶段；在正常工作过程中，溶液循环泵11从储液罐8中抽取液态工质，经溶液输运管 9输送到分液器10，经分液器10和均液管6，均勻地将液态工质分配给第一蒸发器5中的每个蒸发管路，在蒸发管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，形成气液两相流后，由气液两相流母管4送入两相流分配器3和两相流均流管2、均勻地将气液两相流分配给冷凝器1中的每个冷凝管路，在冷凝器管路中实现完全冷凝后，由回液母管7将液态工质送入储液罐8，再次由循环溶液泵11供给蒸发器5 ；如此循环往复，连续不断地实现冷、热能量的输运过程。实施例2 图2为第2种气液两相流能量输运的工作流程图，其第一冷凝器1及液相收集与储存子系统与实施例1完全相同，但第一蒸发器5和冷凝液供液与分配子系统、气液两相流动与分配子系统有所不同，实施例1中只有一个蒸发器，本实施例有两个以上蒸发器(图2中仅画出2个)，冷凝液供液与分配子系统、气液两相流动与分配子系统有多条通道，在冷凝液供液与分配子系统的每条通道上安装有溶液调节阀13，根据相应蒸发器的热负荷进行流量调节；应用本实施例能够从多个热源取热，输送给一个用户，实现多供一的供热方式，对复合式或组合式供热。本实施例的启动与运行过程与实施例1基本相同，只需采用某种控制手段合理调节和控制溶液调节阀13的开度，使各蒸发器的供液量与其用户的需冷量形成较好的平衡， 保证各蒸发器都高效地工作，满足不同用户的供冷需求或高效地从多个热源处获取热量。实施例3 图3为第3种能量输运方法的工作流程图，其第一蒸发器5及冷凝液供液与分配子系统与实施例1基本相同，冷凝器、气液两相流动与分配子系统、液相收集与储存有所不同；实施例1中只有一个冷凝器，本实施例有两个以上冷凝器(图3中仅画出2 个)，冷凝液收集与储存、气液两相流动与分配子系统有多条通道，在气液两相流动与分配子系统的每条通道上安装有两相流调节阀15，根据相应冷凝器的热负荷进行流量调节；应用本实施例能够从一个热源取热，输送给多个用户，实现一供多的热能输运方式。本实施例的启动与运行过程与实施例1基本相同，只需采用某种控制手段合理调节和控制两相流调节阀15的开度，使进入各冷凝器的气液两相流与其用户的供热需求形成平衡，保证各冷凝器都高效地工作，满足不同用户的供热需求或高效地将热量排放到多个不同的区域。
权利要求
1.一种气液两相流能量输运方法，其特征在于将蒸发器和冷凝器两类换热器分别放置在提供冷、热能量的地方和使用冷、热能量的地方，通过气液两相流母管、两相流分配器、两相流均流管、回液母管、储液罐、循环溶液泵、溶液输运管、分液器和均液管有机联接为一个整体，构成气液两相流能量输运系统，从蒸发器到冷凝器的热能携带工质处于气液两相流状态，不同于利用某种液体工质做媒介的系统；从加热段到冷却段的热能携带工质处于液相状态，不同于热管能量输运系统；从蒸发器到冷凝器的热能携带工质为气相状态，形成气液两相流能量输运系统；通过溶液循环泵强制动力作用，使蒸发器内部换热过程始终处于强制流动的相变换热，由于强制对流的影响，加热面上形成的气泡脱离直径减小，脱离频率增加，气泡的表面发生变形，换热过程相当于单相流体和沸腾换热的组合，强化蒸发换热过程；在冷凝器内部的换热过程处于强制流动的相变换热，由于强制对流的影响，换热面上形成的冷凝液体以较大的流速及时离开换热表面，有效减小液膜热阻，换热过程相当于单相流体和冷凝换热的组合，强化冷凝换热过程；设有的蒸发器和冷凝器两类换热器，每类换热器为一个或两个及以上并联构成；其能量输运系统装置包括冷凝液供液与分配、气液两相流动与分配、液相收集与储存三个子系统；溶液循环泵从储液罐中抽取液态工质，经溶液输运管输送到分液器，经分液器和等长度均液管，均勻地将液态工质分配给蒸发器中的每个蒸发管路，在蒸发器管路中，液态工质吸收与其相接触介质的热量，部分液体气化，形成气液两相流后，由气液两相流母管送入两相流分配器和两相流均流管、均勻地将气液两相流分配给冷凝器中的每个冷凝管路，在冷凝器管路中实现完全冷凝后，由回液母管将液态工质送入储液罐，再次由循环溶液泵供给蒸发器；如此循环往复，连续不断地实现冷、热能量输运。
2.根据权利要求1所述的气液两相流能量输运方法，其特征在于涉及的各蒸发器与冷凝器的安装高度无限制，储液罐低于冷凝器，使冷凝液能够顺利回流到相应的储液罐；冷凝器安装在相应储液罐下部时，在其相应的换热器下部加装一个小型储液罐和一个回流溶液泵。
3.根据权利要求1所述的气液两相流能量输运方法，其特征在于在提供冷、热能量的地方放置换热器的数量为一个或两个及以上，在接受冷、热能量的地方放置的换热器为一个，构成多供一系统；在接受冷、热能量的地方放置的换热器为两个及以上，在提供冷、热能量的地方放置的换热器为一个，构成一供多系统；在提供冷、热能量的地方放置的换热器与接受冷、热能量的地方放置的换热器均为两个及以上，构成多供多系统。
4.根据权利要求1所述的气液两相流能量输运方法，其特征在于适于海水、江水或湖水热能的利用、土壤热源或地下水热源的利用和生活废水中冷热能的回收利用的温差较小场合的能量输运场合；通过选用合理的循环工质，应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热或其它废热的回收和核能热利用的领域；特别适于通讯基站、各类电源柜和控制柜的机房的空调系统，能够与压缩制冷式空调或热泵系统合二为一，构成节能式复合制冷或空调系统。
全文摘要
本发明属于能量输运技术领域，涉及一种气液两相流能量输运方法，将蒸发器和冷凝器两类换热器分别放置在提供冷、热能量的地方和使用冷、热能量的地方，通过气液两相流母管、两相流分配器、两相流均流管、回液母管、储液罐、循环溶液泵、溶液输运管、分液器和均液管有机联接为一个整体，构成气液两相流能量输运系统，从蒸发器到冷凝器的热能携带工质处于气液两相流状态，从加热段到冷却段的热能携带工质处于液相状态，不同于热管能量输运系统；从蒸发器到冷凝器的热能携带工质为气相状态，形成气液两相流能量输运方法；如此循环往复，连续不断地实现冷、热能量输运；其运送原理可靠，使用设备简单，热效率高，经济和社会效益好。
文档编号F28D15/02GK102519288SQ20121000457
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者刘春涛, 刘瑞璟, 王兆俊, 王宗伟, 田小亮 申请人:青岛大学