专利名称：新型热管装置的制作方法
技术领域：
本发明属于传换热技术领域的热管装置。
热管技术以其传导热性能超过自然界最好的银铜等良导热体数百甚至上万倍而在近30年来得到了许多新的开发创造和应用，特别是在节能节材方面，有着广泛的前景。但在不同产品的应用中，还存在①不凝气被蒸汽推举于远端积聚和逗留形成死区，使热管有效长度降低以至失效；②携带限影响过大，尤其工质剧烈沸腾时，蒸汽携带和剪切大量的液体回流降低了凝结换热量，并且③撞击管端形成噪声和振动；④毛细限影响过大，当工质量少时，蒸发段甚至发生干涸。目前对不凝气主要是采用化学方法处理管壳内部形成保护膜和添加氧化剂，如日本专利《2816941/85生产热管的方法》，中国专利《89102900改进型还原式热管》。保护膜有一定效果，但1-2年不凝气积聚就相当严重；采用氧化剂的方案对低于160℃、110℃工作的热管无能为力。热管装置制真空的本底约10-2-13Pa左右，属中真空到高真空区间，以较为典型的Φ25×2×2000mm单支热管计，其本底不凝气分子数达24×1023之多，加之各种金属和玻璃的热管壳体从密封时刻起，分分秒秒的漏渗积累也是无法避免的。除气体阻塞等可控热管外，这些不凝气均是热管的有害物质，特别是钢-水热管因不相容问题，运行中产生更多的不凝气，严重者百十天即失去等温特性。前苏联专利《SU102359垂直离心式热管》提出了一种从蒸发段绝热段到冷凝段的整个输送区内设锥形隔板将其分隔为内通道和周边通道的热管，其液体回流经隔板周边的孔离心与蒸汽分别在内外通道行动，对减少蒸汽剪切和携带回流有一定效果；中国专利公告《88108907.9热管结构》在几种环形热管的基础上，提出了一种内设小型压敏单向阀的8字型环形热管，克服了细长热管因毛细芯引起的液体阻力急剧增加，也部分解决了汽液两相流逆向运行相互干扰形成的水锤和严重撞击，当热管结构处处是小直径和形状一致的环状连接时，不凝气被塞状流推动，不会形成固定死区。
上述内设小型压敏单向阀的环形热管其工质运行须经过2个阀座、球体及挡板销。单个球阀的阻力系数约85(开度10％)-5.7(开度50％)-3.9(开度100％)参阅《实用热工手册P228水利电力出版社1988年版。此阀的开与关是一个脉冲式的动态过程，即使以全开计，其2个球阀的阻力系数约7.8，而通常的匀滑园管弯头粗糙管(内附有吸芯的弯管)阻力系数约0.52，当液体的自由面存在切应力时，使摩擦系数增加2-3倍，约1.04-1.56，可见装球形阀的热管装置较多地增加了工质的运行阻力。热管装置多数工作温度范围宽，当温度低和输入热量小时，蒸汽压力低加上阻力大特别是饱和蒸汽压较低的工质，将推不开阀体，不能形成连续有效的环路运行。这正是该专利实施例中水工质反不如氟利昂好的原因；当热管工作温度高输入热量大时，球体在阀座和挡块间急速跳动，形成球体来回撞击的噪音和磨损，再者采用阀结构和Al2O3、铜、红兰宝石的球体，也使其成本增加不少，另外，当环形热管冷凝段的形状变化过大或内径较大或工质量少时，工质在此形不成塞状流，不凝气只有极少部分被携带，大部分被推挤至流速趋向零的远端，仍然逗留形成死区。
本发明的目的是提供一种新型热管装置，其无须外动力装置即具有导引卷带和扩散携带不凝气活性运行的功能，不凝气可随工质共同返回加热蒸发段参于再蒸发，强化沸腾泡化，保持热管有效长度，延长其寿用寿命。
本发明的第二个目的是提供一种新型的热管装置，其正向运行阻力小，反向运行阻力大，减少携带限和毛细限影响，工质多时不发生水锤振动和球阀脉动撞击噪音，工质少至10％以下也不会干涸烧毁。
本发明的第三个目的是以简单的结构和大约1％左右的成本增加，解决钢-水这一最廉价的热管装置因不凝气形成死区而使效能差寿命短不能推广应用的问题，使不凝气在热管内活起来并参于沸腾泡化，强化换热。
本发明的第四个目的是增强低温或高温或工质量少的热管的有效浸润，增加有效供液，减少液体逆运行，增大蒸发段凝结换热量，使热管装置获更多大范围实用效能。
本发明的第五个目的是从结构上调整热管锅炉的循环运行，使下降管内工质强制回流，解决工质流向紊乱，不凝气阻塞而发生烧毁和爆管事故的问题。
本发明的第六个目的是提供一种主要依靠内设导流喷咀导流输运工质的新型热管装置，其即可依靠重力工作，又可逆重力运行。
本发明是这样实现的，在具有串并联连通的主流道和下降管组成的管壳，管壳内注工质，管壳上设充液密封装置，在上述下降管内至少布设一个顶部为流线形而底部成管状、凹腔环边状的导流喷咀，导流喷咀与其安装处相配合设有回流间隙，所述导流喷咀将汽液工质导引成加速喷射流，喷咀附近的部分工质和不凝气被喷射流卷带、扩散携带经回流间隙共同返回加热蒸发段参于再蒸发。
本发明热管装置的导流喷咀是塔形、锥形、半园半球形、梯形、缩放管形的1-4个相同或形状功能各异的喷咀组成的，喷咀顶部闭合有喷射口，喷咀与安装处相配合设有回流间隙。以上这些形状式样，均设计成与下降管内径相适应的薄壳体，按其功能细分为反射喷咀，引射喷咀，聚流喷咀以及与导流管或几个喷咀组合的复合喷咀。
本发明热管装置的导流喷咀还可以由1-4个同心的导流管与1-5个流线形喷咀组成，其中第1-4级喷咀罩在同级导流管上端并在结合部留有喷射流体的间隙，第1极喷咀顶部闭合或有小孔，其余喷咀顶部开口并串于上一级导流管上，末级喷咀置于导流管的下端起聚流喷咀的作用。此方案的导流管外部与管壳内壁之间形成下降管。第1极喷咀留小孔是适当增加向远端喷射带热能的蒸汽及加压，以使冷凝段远端加强有效换热，不凝气与小孔喷射的蒸汽混合，随冷凝液和残余蒸汽又被喷射流所吸引扩散经回流间隙共同返回蒸发段。小孔的位置，以设在喷咀顶端正中或根据管壳内腔形状尺寸偏向一个滞流区更好；若采用欧洲式尖顶塔形喷咀，尖顶内中空，尖顶端留小孔，其喷射距离更远；也可在顶端和周边留小孔。喷咀底部与顶部距离大，将形成更好的底部阻尼反射和至尖顶一段的压力相对较低而对不凝气和部分工质有更好的抽引效果。
在集束式热管、分离式热管和热管散热器，热管锅炉等具有多支管路并联连通的管壳中，可以选择一或几支管做为下降管。另外在单支或集束式热管的管壳内装设薄板条带将其分隔为半园、半月形或矩形并联管，其中一个管或水力直径较小的一个管作为下降管，在此下降管内布设导流喷咀并设回流间隙。薄板条带一般选0.12-1.2mm厚的金属或塑料树脂、玻璃板带。塑料树脂等要选在真空中放气量较小和与工质相容性较好的材料，如聚苯乙烯、TFP、TFE、ABS，聚氯乙烯、聚乙烯、环氧树脂等；金属可选钢铁、不锈钢、铜、铝、镀锌铜铝的薄板及与管壳相应的材料。
本发明热管装置的导流喷咀可以使其底部上下设一或几个与其外径和安装处内径相适应的环状体，形成单、双或多层回流间隙，环状体还可带有弹性。还可以使导流喷咀底部的环边成凸缘状，形同礼帽形和Ω形。
本发明热管装置的导流喷咀与下降管内壁之间的回流间隙周围可以设有颗粒和/或网状纤维状吸液芯。该吸液芯可与热管其它部位的毛细芯连通，也可不连通，也可就只在喷咀周围设，而其它部位则不设毛细芯。在回流间隙设吸液芯，增加对蒸汽工质的阻力而对液体回流影响不大，若该吸液芯与蒸发段的毛细芯连通，还附加了吸引传输液体的毛细力。由于正向阻力小，汽液同向运行而增强了低温或高温或工质量少的热管的有效浸润和传输性能，增加有效供液，减少液体无效运动，增大蒸发段凝结换热量，使热管装置获更多大范围实用效能。
本发明热管装置的导流喷咀还可以采用丝或扁带绕制的螺旋或涡卷状成弹性体的单或双层壳体，成反射、引射或聚流喷咀。其轮廓外形可以是园、半园、半球、梯形或缩放管形具有依据压力和温度自动变形和微振动的结构。
在导流喷咀特别是反射喷咀的顶部可设有喷射孔，孔的内外还可以设螺旋扰流子，如麻花片、螺旋片、柱槽等。喷射孔可制成喷水柱或水雾的孔，如倒锥形孔，园柱孔，喇叭孔。
本发明热管装置所属的热管锅炉有四种类型一种是在现有各种高、低无压锅炉中装设新型热管，例如在水冷壁，炉拱部、烟道、进出风口，进水等部位装设单支或集束式热管。由于新型热管可采用碳钢-水这一原本不相容的配合，解决了现有热管锅炉的噪音振动严重、不凝气死区及寿命短影响整个锅炉的实际使用和操作带来的需反复排气及不安全等因素。第二种是将导流喷咀安装在锅炉的下降管内并留有回流间隙，锅炉主体制真空，注工质安装充液密封装置等采用锅内换热器将热导出，锅炉总体成一真空相变系统。第三种是锅炉主体属一个真空相变系统，采用锅炉外换热器、蓄热器等设备；第四种是锅炉和用热全系统是一个真空相变系统，此种热管锅炉更象是一种分离式热管，锅炉主体相当于蒸发段，经管网与相当于冷凝段的用热设备联接。换热器、蓄热器的另一侧在保证锅炉主体真空气密的条件下，可以是一个真空相变系统，也可以通大气，即转换成常说的高压或无压系统。由于导流喷咀的装设，使结构复杂沸腾剧烈的热管锅炉内气，汽、液流向稳定可靠，不用泵使下降管内工质强制回流，确保蒸发管上升管内的供液量，解决了工质流向紊乱、不凝气阻塞而发生烧毁和爆管事故的问题。
本发明的热管装置的导流喷咀是弹性地装设于下降管内的。该弹性的产生可依靠在导流喷咀的顶部或凹腔内设针杆状导杆，其上带有弹性元件，顶部针杆状导杆可以是前述的尖塔形喷咀的中空尖顶。也可在喷咀的顶或底部连有片、杆或波纹状弹性件，其另一端连于下降管的内壁，也可将喷咀嵌入特设的凹环或由下降管内加设的几个弹性环状体定位，采用在导流喷咀上下设凸出状点的方案亦可。弹性装设的导流喷咀随正反向来流的压力和流量自动调整其回流间隙的大小，可使其回流间隙在0.1-1-2-5-10-25或更大范围间变化，以适于高温大输入热量的热管装置。
本发明新型热管装置导流喷咀顶部与底部①流阻系数差值大，以半球形壳体为例，虽其顶部凸起与底部凹腔形状一样，但其顶部阻力系数为0.34，而底部为1.33，差0.99，底是顶的3.9倍。缩放管形的引射喷咀在其下部间隔适当距离设反射喷咀组成复合导流喷咀，同样具有这一优点。与对比技术采用限制流动的结构相反，流线型喷咀结构正向实际通流能力＞1。本发明热管装置②正向运行阻力比设单向阀的对比结构小5倍以上，比汽液逆流运行的常规热管小2倍左右。热管内工质多时，液体被导流喷咀导引经下降管回流，③携带限的影响减小，也不会被不断上升的蒸汽流推动剪切④撞击管端而产生水锤振动和噪音，显然也没有球体来回振动的噪音。热管锅炉因壳体大结构复杂真空度低，但加热温度高蒸发剧烈，下降管内是以液相为主又有少量不凝气的工质，即使管外受热部分汽化，但由于导流喷咀的导引，液相工质获向下的冲量，导流喷咀上部工质及不凝气被吸引裹携向下给蒸发上升管供液，而蒸发上升管受热工质汽化向上，⑤形成一个稳定的正向循环不凝气、蒸汽、液体相互干扰以至产生严重水锤及流向紊乱烧毁爆管以至锅炉无法正常运行的问题被消除。当热管内工质少时，部分液体随蒸汽流涨落，另一部分冷凝液和蒸气经导流喷咀导引由下降管返回蒸发段，⑥不致象常规热管液体被蒸汽剪切推举在管端回不来而产生干涸。通常热管工质占内容积的25-45％，本发明的热管装置即使工质量≤10％也不会发生干涸，因此毛细限问题被较好解决。导流喷咀与安装处下降管配合，形成具有迎纳汽液工质的流线形顶部和逐渐缩小的喉部。其中前四种喷咀形成的是类环形喉部，缩放管形成的是管状渐缩式喉部。但对汽液流⑦均具有吸纳反射-压缩加速-扩张喷射的功能。喷射流具有引力，根据蒸汽流的压力和流过喷咀的工质流量，喷射流可能是湍流紊流或粘滞流层流及低密度高速流，将分别形成⑧对其附近气体和工质的湍流卷带、粘滞流携带、高速流裹携和扩散。据试验，在一个上下基本等压的条件下，具亚音速音速射流的喷咀附近，内Φ14、19mm管在距喷咀1140-400-0mm距离内部都有不同的抽引效应，本来，⑨与射流逆行的气体被吸引向射流的同方向并经回流间隙与工质掺混。混合于工质中的⑩不凝气在蒸发段受热发泡，强化了工质的沸腾泡化换热，由于气泡与汽、液工质的比重流速不一，气泡呈螺旋摆动上升，增强了对工质的扰动，气泡的破碎和重组，干涉了层流底层和膜状冷凝，因而强化了冷凝段的凝结换热。由于新型热管的导流喷咀正向阻力小，反向阻力大，轻量受热时，工质即启动运行并被喷咀反射吸引加速返回蒸发段，所以即可依靠重力工作，又可在液池轻量供热的条件下逆重力运行，同支热管即是重力式热管，又是抗重力热管。若设置适当的毛细芯，则即减少毛细限限制，又可增加有效供液，减少液体逆运行，增强蒸发段的有效浸润，在失重场和重力场全方位工作。可见由导流喷咀和回流间隙这一简单结构为特征设计的新型热管装置所带来的优异特性，使本来形成死区的不凝气有了“活性”，不论不凝气逗留于何种死角区，其远端零流速区滞留的不凝气被扩散携带返回蒸发段参于再循环。因此影响热管有效长度和使用寿命的一大难题被解决，并且本技术不限制工作温度和使用范围。另外导流喷咀结构简单的金属薄壳体制造装设容易，成本低廉，内部无腐蚀，使用寿命长，因此新型热管装置在广泛的各工业和民用传换热领域将以其先进优异的实用性能和节能节材的显著效果为社会作出重大贡献。
图1，导流喷咀结构简图。
图2，喷咀与导流管结合的热管装置示意图。
图3，薄板条带分隔的下降管与导流喷咀装置示意图。
图4，集束式热管装置示意图。
图5，分离式热管装置示意图。
图6，热管散热器结构简图。
图7，太阳能热管结构和示意图。
图8，热管锅炉结构简图。
图1示出了导流喷咀的一些典型结构简图。其中a是塔形件图，可以是各种塔的外形轮廓抽象图。例如中国的古塔形，欧洲的尖顶塔形，埃及的金字塔形等式样。其共同特征是有一个锐的顶部，流线型园弧或直线过渡的周边和管状、凹腔环边状的底部。顶部通常是闭合的；项部也可以有小孔、小缝、喷射孔。b是锥形件图，其底部是与管壳内壁相适应的园、半园、椭园形，周边和顶部是锥形、棱锥形或伞形、截锥形，锥台和棱锥台形可做为聚流喷咀的式样。c是半园半球形，有深凹腔的二维半园形和浅凹腔的瓦形，其与矩形、扁平状下降管配合形成完整的喷咀；三维的半球形、蛋壳形、礼帽形和子弹头、火箭形等。d是梯形件图，包括上小下大的箱式立体壳形、宫殿屋脊形，可以是流线形园弧与直线和梯形组合的壳体，其底部通常是矩形的。e是缩放管简图，可以是常见的拉瓦尔管文丘里管或适于喷射汽液两相流又与安装处相适应的的椭园、扁、方、喇叭形、异形管。其外周可以是直线型，也可以是和管内形状相对应的凹面流线型的内外缩放管型，其与下降管配合，形成管内缩口，管外扩张的双向效应，具有更好的引射回流效果，且可采用薄板或薄壁管模压或旋压成形；还可采用一个倒锥形台的管状壳体与下降管安装处配合形成复合缩放管的方案。f是褶皱形喷咀图，其总体外轮廓可以是塔形，锥形、半园半球形或梯形、缩放管形，而底部和周边形成褶皱，此类结构与光管或有吸液芯的下降管结合，易于镶嵌和点焊定位，其与下降管内壁结合，还形成分隔为多路纵向或倾斜或带有螺旋的回流间隙。g是弹性变形振动结构导流喷咀，可以是锥形、截锥形的园、扁丝扁带制的螺旋或涡卷状成弹性体的反射喷咀或引射喷咀聚流喷咀。可以是单层，也可以是双或多层。其顶部若不封闭，成为引射喷咀聚流喷咀，顶部制成封闭状或附设板，球、柱状结构即成反射喷咀。由于其具有温度和压力变化时相应的弹性和微振动，降噪和抗结垢污染效果良好；若其与安装处再成弹性或上下小范围内可被工质推压移动安置，还具有自动清除安装处结垢和污染堵塞的功能。h是复合型导流喷咀简图，可以同种，也可以异种喷咀叠置，还可与回流间隙处设置的环状体，弹性体结合，形成特殊功能或更大反射阻尼和导引抽吸力，其各级喷咀的顶部可以封闭也可开有孔。导流喷咀的选材最好与管壳相应，通常选在0.2-2mm厚的钢铁，不锈钢、铜、铝等金属薄板、丝、扁带、管。选择黄铜、青铜、磷青铜、锡青铜、镍、镁、钛等合或聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS、环氧树脂等塑料树脂材料具有在腐蚀性环境使用寿命长的优点。
图2是喷咀与导流管结合的热管示意图，也是本发明的第一个实施例，管壳(1)由金属、特别是钢铁或玻璃，陶瓷的管状扁平状管制成，工质(3)是纯水或甲醇、氨或低于管壳软化点温度的钾、钠、钙、水银、硫等矿物、金属，充液量占管壳内容积4-30％，充液咀(5)在管壳的上端，导流喷咀(2)由喷咀(21)(22)(23)和导流管(7)合成。a是此例的一个实验装置，管壳是Φ16×2×720mm的玻璃管，导流管是一支Φ10×06×500mm的聚氯乙烯塑料管，喷咀是0.2mm厚的铝合金薄板制的顶部为闭合的锥形壳体反射喷咀(21)，反射喷咀罩在导流管的带锥形的顶端并留有喷口，反射喷咀的底部周边与管壳内壁之间有0.2-1mm的环状回流间隙(6)，聚流喷咀(23)的顶端插入导流管底孔，其底部周边与管壳内壁有0.1-0.8mm的回流间隙；蒸发段长75mm，冷凝段长300mm，分别用300w的电炉、40-100℃热水加温，内部真空度据多次试验分别为(1.3-4.8)×104Pa。蒸发段受热，工质沸腾泡化上升至聚流喷咀处被加速喷向导流管上顶端，又被反射喷咀折流喷向管壳内壁与导流管外壁之间的下降管，并顺着壁面流回蒸发段，反射喷咀产生抽引力将管壳冷凝段端部附近的不凝气扩散携带并随工质共同返回蒸发段。此例运行3-5分钟长约120-50mm的一段不凝气死区即热起来，上下温差＜1℃，水锤振动和噪声未出现。b是此例的又一实施例，其区别在于采用引射喷咀(22)与导流管(7)、聚流喷咀(23)组成导流喷咀；也可使导流管的底部扩大，形成导流管与聚流喷咀一体的结构；还可使引射喷咀与导流管一体制造；当然，还可以是三件成一体，或由一支管旋压、扩口而成。做抗重力热管使用时，可在导流管下部辅助加热，工质受热泡化，沿导流管上升，经反射、引射喷咀向管壳上部的蒸发段喷液，反射喷咀顶部最好设喷射孔，喷射孔可采用简单的园柱孔、倒锥形孔，也可在孔内外增设螺旋扰流子，有园柱形内、外或内外均有的螺旋流道，也可以是麻花片，使工质旋流上升喷向四周。喷咀周围可设吸液芯，若出现脉冲喷流时，因为吸液芯的蓄液作用，蒸发段虽在上由于喷流工质的不断补充浸润而保证热管正常工作，这样管壳下部由蒸发段变为冷凝段、贮液池和辅助加热段。它即是重力式热管又是逆重力热管，在有蓄液网的状态还可在失重场工作。此种热管可做为单支或多支集束组成省煤器，多种换热器，冷凝器等。
图3是本发明的第二个实施例，管壳由金属、特别是碳钢、玻璃、陶瓷等材料的园、椭园、方、扁管制成，管内装入0.12-1.2mm厚的薄板条带将该管分隔为半园、半月形或矩形并联管，其中一个管或水力直经较小的一个管作下降管。同理，将两个扁或园，异形管上下连通，其中一个作下降管，内设导流喷咀也是可行的。a是此例的一个实验装置，其管壳(1)是Φ16×2×720mm的玻璃管，另一个实验装置是30×9×630mm(长轴×短轴×长)的扁园形管，工质(3)分别采用蒸馏水、甲乙醇，工质量占内容的5-40％，充液管(5)设在管壳的顶端，薄板条带(8)采用0.16mm铝带，0.5mm的聚乙烯塑料带，0.22mm的铁带，导流喷咀分别做了锥形、棱锥形、半园锥形和梯形状，材质是0.2mm的铝板，0.25mm的马口铁，回流间隙(6)分别是0.1-2mm。蒸发段(11)经50-100℃热水，85-105℃蒸汽加热，沸腾工质被设在下降管(4)下部的反射喷咀(21)反射，脉冲式地从主流道(7)上升，蒸汽经管壳上部未被条带分隔处流向设在下降管上部在反射喷咀(21)处，由于其正向流阻小，而回流间隙是一个小环隙，上下两处导流喷咀间的压力相对较低，汽液工质以高速流入下降管，并携带冷凝段和绝热段内的不凝气一起返回蒸发段。此例当工质量较多时出现潮汐现象，但主流道工质压头高、下降管压头低，出现明显的偏置引流，不凝气约(2.6-5)×104Pa，并没有形成死区。由于过多的工质随时经导流喷咀从下降管返回，没有出现撞击噪音，仅有较低的工质沸腾和汽液流动声。若作抗重力热管使用时则辅助加热主流道部分或管壳下部液池，被轻量加热的含大量汽泡的工质沿主流道上升，经管壳上部的联通部分流向下降管，上端的冷凝段变为蒸发段，最好在上部蒸发段和导流喷咀周围设毛细芯或多孔层网，蒸发段即可连续产生蒸汽，向下运行供下部的冷凝段凝结换热。b是管壳与薄板条带及双管联接的多种设置方案示意图。显然，此类构思是非常多的，都可选用于本发明的不同方案的具体结构。
图4是本发明的第三个实施例集束式热管装置示意图。现有集束式热管采用单个热管几支到几十几千支安置在固定或旋转架组成一个换热装置，每支热管是一个独立的真空相变系统。本发明的新型热管也可这样组成各种换热装置。另外本发明可将数支以上热管的两端用连通管、箱或壳体联成一个内部相通的统一的真空相变腔，选适当数量的管作下降管，其内设导流喷咀和回流间隙。图中a采用并联排管的形式，每排管至少由2支以上平行管和2支连通管箱组成，每组集束式热管至少由1排管组成。b、c是排管阵的式样，由至少2排以上的排管，各排的连通管、箱再互相连通，其中b是在各排管箱的端头增加上下左右共4支连通管、箱即成，可组成叉排，顺排及热源和用热设备需要的多种形式。也可由上下各一个环状园或椭园形的管圈焊接水平横管，再与垂直管焊为一体。c是管板箱式，3支以上垂直管的两端并焊在两块相应开孔的板上，2块板各被一个封头焊成气密整体，封头可平可凸可凹，根据内外工作压力，直径大时以凸形封头较好。另外还可在绝热段加设一个板，将冷热流体分开；也还可将蒸发段和冷凝段用大园筒和隔板包封，象常用的壳管式换热器的样子，适于液类流体的换热。d是U型管式，由1支以上的U型管并排焊于1支管箱上组成，也可数排再焊连成一体，加热蒸发段内若设毛细芯，可使管箱垂直、U管水平设置。图中(1)是管壳，(3)是工质，(5)是充液密封装置，它采用本人早先获专利的全金属密封多用阀可工业化流水线制造，并可稳定地提高产品质量和生产效率。现有采用水等高效廉价工质的热管由于比价和技术问题没有设安全阀，有采用易熔塞的，但若易熔塞被冲开而不被及时发现和更换，该支热管将被烧毁，国内由于热管爆炸烧毁事故等已影响这一高效传换热装置的推广应用。采用本发明的多支连通成一体的集束式热管装置，在管壳的上部设置一个符合真空和低中高压要求的安全阀(18)，根据内压力变化按设计值自动开闭，以保证正常安全使用。在多支并联的管壳中，以并联管数的1/2-1/100选作下降管(4)，在每个下降管中至少设置一个导流喷咀(2)，导流喷咀与下降管配合处设回流间隙(6)，此间隙多选在0.2-10mm范围。还可以是弹性装设的导流喷咀，由工质的压力和流量自动调整回流间隙的大小。加热蒸发段和冷凝段的管外可装翅片，绕片、串片等扩展强化换热结构，使冷热换热面获最佳配比。
图5是本发明的第四个实施例分离式热管装置，现有分离式热管加热剧烈或工质较多时，蒸汽剪切裹携大块液滴造成水锤振动噪音，热效也降低，由于分离式热管通常在现场制备，其真空度低不凝气积聚严重，在加热蒸发段内和/或冷凝段内增设导流喷咀可以解决以上问题。图中(11)是蒸发段，(12)是冷凝段，(4)是下降管，其数量以蒸发段或凝结段并列管数的1/3-1/20为宜与主流道间隔排列。(7)是系统的上升管，(8)是系统的下降管，若分离的两部分高差过小时，系统下降管内亦设导流喷咀可以保证良好回流和运行。(3)是工质，(5)是充液密封装置，可是通用的充液咀，也可采用金属的密封多用阀，(2)是导流喷咀，它设在选定的下降管内并留有回流间隙，蒸发段若用于锅炉、烟道、窑炉等高温环境，下降管内最好附设网状物或多孔层蓄液芯，使其不致于出现间断性干涸以免烧毁，也有利于浸润提高蒸发率，另外还可增设真空压力安全阀(18)。
图6是本发明的第五个实施例热管散热器，图中a是板式，由模具成形再焊成一体，其背面或双面可焊装对流片；b是柱式，可以是2-5柱的单元并焊成一组；c是排管式，排管的外表面可焊装对流片或翅片绕片，每排可以是3-50个柱状管并列组焊，可以单排或几排成组；d是扁管式，是由十数支以上的扁管组焊成一体的；e是环形串联串片式；f是多管并联串片式。本发明的热管散热器均由管壳(1)，导流喷咀(2)、工质(3)、下降管(4)、充液密封装置(5)、回流间隙(6)组成。其中加热蒸发段(11)利用热网的热水蒸汽为热源，并有相应的热源接口(9)；当热源以电或油、液化气、煤气、天燃气并装设相应的加热装置操纵装置即成为电、气暖器。充液密封装置最好采用全金属密封多用阀，以利可靠地大批量工业化制造。热管散热器管壳外部与空气接触部分属凝结段外表面(12)，其外部最好焊装对流片(16)，下降管一般每组散热器1-8支，选在两侧和中部某处均可，最好以主流道(7)的1/5-1/30间隔设置，每个下降管内设1-2个导流喷咀，可以是单层的也可以是复合的。此例的柱式和板式采用低碳冷轧钢板与水工质，壁厚0.5、0.8mm的样品曾于90、92、93年分别经几家热工台测式，采用不同的导流喷咀可获得提高热量3-10％的效果，其噪音振动的减小已可用于卧室和办公室而不影响休息和办公，不凝气在5-3300Pa，不凝气被导引，已获得30℃启动工作，60℃均温的优秀品质，其中480mm高的板型散热器的散热量已达到和超过国家同类产品标准，其使用寿命已经过2万多小时，还在进行更长时间的考验。据经验公式计算，0.5和0.8mm厚铁板壳体的柱、板型散热器可使用10、12年以上，大大高于现有1.2、1.5mm壁厚国家标准柱、板型散热器的使用寿命。
图7是本发明的第六个实施例太阳能热管装置，a是现有单支热管式的改进，蒸发段(11)采用管状玻璃或钢铁，铜不锈钢等材料，工质(3)采用丙酮、甲乙醇、水或二元三元混合液，工质量占内容积的5-40％，因采用了薄板条带(8)或导流管分隔的下降管(4)与设在该管内的导流喷咀(2)及回流间隙(6)，工质量可比现有技术减半而润湿效果仍然良好，防冻效果好；冷凝段(12)穿在水箱(10)内并被水淹没。蒸发段内也可采用吸液芯结构。热管的外部可设真空绝热层(13)，(19)是进出水咀，(16)是反光层，(17)是支架。
b是分离式热管的太阳能应用例，蒸发段(11)由并联集束的玻璃、钢铁、铜铝、不锈钢或其合金管、翼片管组成，还可采用上一实施例的低碳钢扁管和板式结构，其上下有水平连通管(9)相联，工质(3)采用水、甲乙醇、丙酮、庚烷、戊烷或其混合液，充液量占内容积的10-45％；充液密封装置(5)采用与管壳相应的材料；下降管(4)与主流道(7)以1/2-1/8比例间隔设置，也可在每个管内加设薄板条带将其分隔成的一个管作下降管，最好是向阳面与阴面分隔，选阴面管作下降管，下降管内设导流喷咀(2)，其式样可以是前述的适应内腔的各种反射引射、聚流或复合喷咀，导流喷咀采用与管壳同类或不同的铜铝、铁或马口铁镀锌、锡铅镍铬铜的薄板料，导流喷咀与冷凝段(12)之间至少设1个绝热输运段(13)，最好设2个，其中一个作下降管，此下降管可从冷凝段引出后直接与蒸发段的上部或下部相联，如图中与下部水平连通管相联，其联接方式可以是焊接，也可是气密活接；冷凝段设在水箱(10)内，冷凝段可以是园管或异形管，可以是单管或多管，可以是直管或螺旋管或蛇形管、波纹管，其管外如设翅片、绕片、串片可增加换热面积和换热量，冷凝段大约水平或＜15°的倾角，可从水箱的两侧板或箱壳的适当位置伸出与绝热输运段相接，水箱可园可扁可方、其内部和冷凝段外部最好是防锈耐腐蚀无毒的，如选用铜、不锈钢、铝或镀铜锌镍铬锡的钢铁材料，在钢铁件的表面涂喷防锈塑料树脂等涂料亦可；水箱上有进出水接口或阀(19)，最好选用铜质或塑料等；蒸发段的向阳面涂镀光谱选择性吸收层，其外面还可覆盖玻璃、聚脂太阳板，玻璃钢透明板、塑料透明板和厚薄膜等。也可使透明材料与蒸发段封闭的空间成真空密封，其防风效果更好；蒸发段的背面，绝热输运段和水箱的暴露部位均可设隔热保温层(16)、(17)是支架。
c是太阳能复合换热装置，蒸发段(11)由前述的几种太阳能受热板1块或多块串并联组成，蒸发段的多支并联管约1/2-1/6作下降管，或并联管内装薄板条带分隔，选阴面分隔管作下降管，系统主管道也分为上升管(7)和下降管(4)，在上述几种下降管内设导流喷咀(2)并留有回流间隙，在蒸发段内有水、甲乙醇、丙酮、氨等工质(3)，充装量占壳体内容积的12-50％，在蒸发段和绝热输运段上设充液密封装置(5)，最好为全金属密封多用阀；冷凝段(12)由至少1组以上的空气或液体换热器串联组成，此冷凝段若采用采暖的散热器，就成太阳能采暖热管装置，若选用工农业用的换热器并集于一室或窑、罐，可组成太阳能加热、烘烤装置，若选用地上空气加热器和地下土壤加热网配合，可作太阳能温室大棚的增温装置。冷凝段也可是一个蓄热器(17)，内贮蓄热介，以相变式蓄热介为佳，在白天有日照时蓄热并均匀的受控全天候向用热设备供热，蓄热器还可附加电、煤、油、气为热源的辅助加热器(15)，以备阴天使用。
太阳能热管装置运行时，蒸发段受光照加温，工质受热沸腾泡化，汽液泡化流沿被日光照射的主流道上升不断被加热汽化，蒸汽经绝热输运段的上升管进入凝结段，释放潜热相变为液体，工质被导流喷咀引射加速并和被扩散的不凝气经下降管回流间隙返回蒸发段参于再循环，凝结段管壳外部的空气土壤或水箱内部的水、蓄热介被不断加热供多种应用。由于导流喷咀的反向阻力大正向阻力小以及喷射流体的特殊效果，蒸发段和吸液芯润湿好且消除了振动噪音，保持有效长度，延长其使用寿命。薄板条带和导流管以及导流喷咀还可以镀覆光谱反射层或吸收层，最大限度地利用太阳能。
图8是本发明的第七个实施例热管锅炉。热管和真空相变锅炉及其供热系统的方案及运行特点曾在本人申请的中国专利87107485中部分公开过，本例的特征是增设导流喷咀，使其高效正常运行，a是在现有立、卧式各种高低压、零表压锅炉中装设新型热管的方案，为简炼类似方案在图中只示出了一种立式常压茶水炉，新型热管(11)装设于锅筒(1)和烟道(17)中；导流喷咀(2)的反射喷咀最好是尖顶状的欧洲塔形，其尖顶内中空并有布在四周和顶尖的小喷射孔；工质(3)受锅水(7)预热泡化上升，经聚流喷咀和导流管被反射喷咀的喷射孔或缩放喷咀压缩-喷放，工质喷向上部的蒸发段四周，蒸发段内还可设多孔层或网状吸液芯，以保高温状态的均匀供液，热管束的蒸发段处可有对流片，螺旋绕片，烟气可顺流横流，如在烟道内或蒸发段管壳之间设螺旋导流板块或麻花片(16)，使烟气斜横向冲刷蒸发段管壳，喷流工质受烟温加热蒸发，蒸汽沿下降管下行，进至锅筒内的被锅水包围部分的冷凝段向锅水释热。显然，新型热管装设于其它需回收热的部位亦可，采用普通锅炉钢管与水工质而又能保安全长寿的新型热管装置可容易地多方案地增加锅炉热效率。
b是一种螺旋形管圈热管锅炉，燃料可以是煤或煤气、天然气、石油液化气、燃油、C5燃料、柴草等，多支并联管圈热管锅炉能更好地用于自动控制的燃油汽装置；工质(3)是二次蒸馏水或导热油，经热网下降管(41)和设在其内的导流喷咀(2)及回流间隙送给预热器(15)，经预热较轻的工质上升至设在烟道里的省煤器(17)，被烟气余热进一步加热的工质沿锅炉下降管(42)并经其内的导流喷咀(21)(22)进入锅炉主加热器(11)，工质受热汽化循上升管(7)进入汽水分离器(9)，蒸汽中的水珠经下降管(43)(42)和导流喷咀(22)反馈回主加热器；被汽水分离器脱水的蒸汽经热网上升管道送给热(开)水器(13)，淋浴器(14)，散热器(12)供热，释热相变成水的工质靠重力流回下降管(41)形成循环运行。图中(5)是充液密封装置，(18)是真空压力安全阀。此锅炉和热网属全系统真空气密密封，通常运行在(9.8-5)KPa范围。该类型的小型锅炉曾于91年试运行，带50m2供暖面积，主干管道长约18m，用一张废报纸加玉米芯点火，锅炉从见火苗起卡秒表，不到9分钟时间，4组散热器全热，且供热量超过同样大的水暖锅炉2倍以上。锅内压力在(20-5)KPa范围。
c是一种带水冷壁的水火管热管锅炉，锅筒(1)内充有蒸馏水或导热油工质(3)，受热后汽液工质沿上升管(7)进入锅筒，在锅筒内蒸汽向上，液体向下沿下降管(4)并经过设置其内的导流喷咀(2)和回流间隙返回下集管(8)，完成水冷壁管的自然循环。换热器可以是集束式排管螺旋管蛇管波纹管及专用的带滴液槽的冷凝管，换热器可产蒸汽或热水作为用热设备的热媒。图中(5)是充液密封装置，采用金属密封多用阀可兼具制真空注工质密封功能，也可另设制真空装置，(19)是换热器的进出水口，(13)是真空压力表，(14)是真空压力安全阀。本例锅炉工质长期使用，不遇大修不添也不减，只在换热器和用热系统采用上水或送水泵。(17)是省煤器或空气预热器，若采用新型热管装置换热器更好。
d是双锅筒热管锅炉，贮水罐(10)内的蒸馏水或导热姆工质(3)经预热器(15)或电磁泵(16)送至上下锅筒(11)和下集箱(8)、上升管(7)受热内部工质成汽液两相流进入上锅筒，在上锅筒内汽液初步分离后液体循下降管(4)并经过导流喷咀(2)和回流间隙返回下锅筒和下集箱，完成锅内循环；上锅筒内的蒸汽经汽水分离器(9)脱水后供给热网换热器(12)，释热后的相变液体靠重力返回贮液罐完成锅外循环。热网换热器的另一侧可以是真空相变系统或通大气的高低压无压系统或蓄热器，向用热设备提供动力和热能。图中(5)是充液密封阀，(13)是真空压力表，(14)是真空压力安全阀；(17)是省煤器，它可与锅筒串并联运行，亦可自循环运行，采用新型热管换热器更好，(18)是空气预热器。
本发明的热管锅炉具有新型热管装置的共同特征，其热效率高，工质不外流失，正常运行无需补水，采用超纯水、蒸馏水或导热油不结垢，装置内空气和氧含量极微，内部不腐蚀，无须象现有同类设备必须具备宠大的水处理设备，不存在操作不当或盐水变化带来的结垢降效以至爆管事故，采用装置自产蒸汽经密封多用阀或专设的排汽装置热排法制真空，无须购置昂贵的除氧设备，以普通中小型锅炉计、免去水处理，氧处理等设备，所节约的资金是锅炉投资的1倍以上。若采用系统真空相变密闭运行，无须象现有的蒸汽锅炉系统在许多部位设疏水阀而造成水、汽和热能的严重损失，也不存在现有的蒸汽锅路闭路回水系统需耐高温耐腐蚀泵等附加设备。另外，也无须象热水锅炉回水量大泵电耗量大，而蒸汽比热水平均换热系数大1.25-16倍左右，采用本发明的新型热管装置蒸汽供热，液体重力回流的汽液两相流运行，其系统换热或用热设备又可节约一大批投资。当然它也存在系统气密要求高等困难，但这些都是有相应技术可以解决的。从以上实施例看，本发明具有的节能、节水、节材节电效果十分显著。显然本发明的技术构想还可用于许多产品的改造和开发，普通技术人员根据本发明的特征，无需创造性劳动即可进行设计和采纳。限于篇幅，其它实施例从略。
权利要求
1.一种用于传换热的新型热管装置，具有串并联连通的主流道和下降管组成的管壳，管壳内注工质，管壳上设充液密封装置，其特征是在上述下降管内至少布设一个顶部为流线型而底部成管状、凹腔环边状的导流喷咀，导流喷咀与其安装处相配合设有回流间隙，所述导流喷咀将汽液工质导引成加速喷射流，喷咀附近的部分工质和不凝气被喷射流卷带、扩散携带经回流间隙共同返回加热蒸发段参于再蒸发。
2.如权利要求1所述的热管装置，其特征在于导流喷咀是塔形、锥形、半园半球形、梯形、缩放管形的1-4个相同或形状各异的喷咀组成的，喷咀顶部闭合或有喷射孔，喷咀与安装处相配合设有回流间隙。
3.如权利要求1所述的热管装置，其特征在于导流喷咀由1-4个同心的导流管与1-5个流线形喷咀及相应的回流间隙组成。
4.如权利要求1所述的热管装置，其特征在于管壳内装设有薄板条带将其分隔为半园、半月形或矩形并联管，其中一个管作为下降管，在此下降管中布设导流喷咀并设回流间隙。
5.如权利要求2所述的热管装置，其特征在于导流喷咀的底部上下可以设一或几个与其外径和安装处内径相适应的环状体，形成单、双或多层回流间隙。
6.如权利要求2所述的热管装置，其特征在于导流喷咀与下降管内壁之间的回流间隙周围有颗粒和/或网状纤维状吸液芯。
7.如权利要求2所述的热管装置，其特征在于导流喷咀是丝或扁带制的螺旋或涡卷状成弹性体的单或双层壳体。
8.如权利要求2或3所述的热管装置，其特征在于反射喷咀的顶部设有喷射孔，孔口内外还可设螺旋扰流子。
9.如权利要求2、3或7所述的热管装置，其特征在于导流喷咀安装在锅炉下降管内并留有回流间隙。
10.如权利要求5或7所述的热管装置，其特征在于导流喷咀是弹性地装设于下降管内的。
全文摘要
本发明公开了一种用于传换热的新型热管装置，在管壳的下降管内至少布设一个流线型导流喷嘴并设回流间隙，其无需外动力装置即具有导引卷带和扩散携带不凝气活性运行的功能，新型热管可重力运行和逆重力运行，解决了热管特别是钢水热管的不凝气死区和水锤噪音等难题。可获30℃启动、60℃均温的效果，使用寿命已2万多小时，可使用12年以上，其中热管散热器、电、气暖器、太阳能装置，热管锅炉等成本低热效高寿命长。
文档编号F28D15/02GK1153897SQ9511959
公开日1997年7月9日 申请日期1995年12月4日 优先权日1995年12月4日
发明者刘玉海 申请人:刘玉海