專利名稱：一種管殼式脈動熱管換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換熱裝置，具體涉及的是一種為高效梯級利用能源而設(shè)計的管殼式脈動熱管換熱器。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源緊缺及浪費(fèi)問題日趨嚴(yán)重，對涉及能耗的各種工業(yè)環(huán)節(jié)采用積極有效的節(jié)能減排措施將具有十分重要的工程意義。管殼式換熱器因具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡單等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用于石油化工、電力、環(huán)保、能源等各種工業(yè)領(lǐng)域。為此，對管殼式換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計或結(jié)構(gòu)改進(jìn)，提高其換熱效能，是節(jié)能減排的一項
重要舉措。熱管是一種利用其內(nèi)部工質(zhì)的相變潛熱而實現(xiàn)能量交換的高效換熱器件，較之顯熱對流換熱具有更高的傳熱性能，且成本低廉，可靠性高。因此，熱管已經(jīng)成為一種非常具有應(yīng)用前景的冷、熱流體熱交換媒介而被應(yīng)用于管殼式換熱器中。目前，較為常用的熱管主要有傳統(tǒng)毛細(xì)芯熱管和重力熱管等。但毛細(xì)芯熱管內(nèi)壁上加工有毛細(xì)芯，制作工藝較為復(fù)雜，熱管尺寸和重量大，而重力熱管雖不需吸液芯，但冷凝段工質(zhì)必須依靠重力輔助回流至蒸發(fā)段實現(xiàn)循環(huán)，所以在水平或是逆重力方向工作時，熱管傳熱性能會大大的降低甚至產(chǎn)生失效。因此，此類管殼式熱管換熱器雖換熱效率高，但是存在著制造工藝復(fù)雜、使用靈活性差、不宜沿逆重力方向布置等問題，因此，其應(yīng)用推廣受到一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、可沿任意角度工作、并可實現(xiàn)能量梯級利用的管殼式脈動熱管換熱器。技術(shù)方案
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種管殼式脈動熱管換熱器，包括殼程、管程以及設(shè)置在殼程兩端的密封法蘭和封頭，所述管程設(shè)置在所述殼程內(nèi)，該管程通過中間隔板被分為上下連通的折返流體通道，其兩端采用法蘭連接和密封圈或脹接的密封方式，將所述的密封法蘭、封頭與所述殼程兩端法蘭圈固定并密封連接，其特征在于在所述管程與殼程上設(shè)置有脈動熱管，所述脈動熱管的冷凝段位于殼程內(nèi)，脈動熱管的蒸發(fā)段位于管程內(nèi)。所述脈動熱管沿所述管程軸向分組插入所述換熱器，每組所述脈動熱管沿所述管程的周向呈花瓣狀均勻排布，且排布密度和角度可根據(jù)工作負(fù)荷調(diào)整。所述脈動熱管采用模塊化設(shè)計，通過一種熱管固定組件以可拆裝的方式安裝在所述管程上，所述熱管固定件為兩片相互配合的法蘭盤，所述法蘭盤上加工有與所述脈動熱管相配合的凹槽，所述脈動熱管置于所述凹槽內(nèi)并通過所述固定法蘭夾緊并與所述管程周向的插槽法蘭連接并密封。根據(jù)所述換熱器內(nèi)的沿程換熱熱流量的大小選擇相應(yīng)沸點的熱管工質(zhì)來實現(xiàn)能量的梯級利用。所述脈動熱管的蒸發(fā)段內(nèi)壁面進(jìn)行親水化壁面改性，冷凝段內(nèi)壁面進(jìn)行疏水化壁面改性。 本發(fā)明脈動熱管是通過毛細(xì)金屬管經(jīng)反復(fù)彎折并首尾相接后抽真空并充注工質(zhì)而形成的閉路式脈動熱管，毛細(xì)金屬管的材料可以根據(jù)工作條件、與工作介質(zhì)相容性等選擇不同的材料，如碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等。所述毛細(xì)管的當(dāng)量直徑介于O. 5 3. 5mm。所述脈動熱管是一種新型熱管，其工作原理和傳統(tǒng)熱管有很大不同。由于其通道尺寸為毛細(xì)尺度，表面張力克服重力作用使管內(nèi)工質(zhì)在蛇形密閉的真空空間里形成隨機(jī)分布的氣栓和液栓。其工作時，工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)，氣泡迅速膨脹增大而升壓，推動工質(zhì)流向低溫冷凝段，氣泡在冷凝段收縮破裂，壓力下降。由于兩端壓差，以及氣/液栓分布的隨機(jī)性和局部傳熱的不均勻性導(dǎo)致在相鄰管內(nèi)壓力的不平衡，造成工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段間自激勵脈動流動，實現(xiàn)熱量由一端到另一端的傳遞。整個工作過程無需消耗外部機(jī)械功和電功，完全是熱驅(qū)動下的自我脈動。與傳統(tǒng)熱管相比，其有以下優(yōu)點體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，傳熱性能好，可根據(jù)需要隨意彎曲。所述脈動熱管的蛇形通道彎數(shù)大于16 (平行管段數(shù)大于32)。這樣，足夠多的通道彎頭就可以提供管內(nèi)足夠大的表面張力及管間不平衡壓力驅(qū)動力，從而克服重力對所述脈動熱管工作性能的影響，使所述換熱器可以在任意角度下正常工作。在所述每組脈動熱管間的所述殼程內(nèi)設(shè)置有垂直于殼程主軸的折流板，以增加殼程內(nèi)流體的換熱路徑及流體自身的擾動，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的作用。所述的脈動熱管內(nèi)的工質(zhì)充液率為30% 60%，熱管內(nèi)的工質(zhì)可根據(jù)管壁金屬相容性及能量梯級利用原理進(jìn)行選擇。在所述脈動熱管換熱器換熱初始段熱流量較高，可選用沸點較高的工質(zhì)，如水等。而在換熱末尾段熱流量較低，可選用沸點較低的工質(zhì)，如R123，丙酮等。這種針對沿程不同換熱熱流量而選用相應(yīng)熱管工質(zhì)的方法，可有效實現(xiàn)工質(zhì)能量的梯級利用，是一種有效的節(jié)能方法。所述的脈動熱管冷凝段內(nèi)壁面進(jìn)行疏水化處理，可以抑制膜狀凝結(jié)，促進(jìn)珠狀凝結(jié)的形成，減小蒸汽與壁面熱交換的熱阻。所述脈動熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁面進(jìn)行親水化處理，減小了液態(tài)工質(zhì)在親水性表面的接觸角，可以形成均勻的水膜，從而增大了蒸發(fā)表面，提高了蒸發(fā)傳熱的效果?？傊?，采用這兩種設(shè)計可以使所述脈動熱管的傳熱得到強(qiáng)化，從而提升所述脈動熱管換熱器的整體換熱性能。有益效果
本發(fā)明涉及一種管殼式脈動熱管換熱器。該換熱器采用脈動熱管作為換熱器管程和殼程內(nèi)冷、熱工質(zhì)間的傳熱元件，充分結(jié)合了相變潛熱和對流顯熱傳熱，提高了換熱效果，而且增加了管程與殼程之間的對流換熱面積；同時，可依據(jù)換熱器內(nèi)冷、熱流體的不同工作溫度選用相應(yīng)的熱管工作介質(zhì)，經(jīng)濟(jì)有效地梯級利用了低品位熱能；對蒸發(fā)段和冷凝段內(nèi)壁面分別進(jìn)行了親水化和疏水化壁面改性，強(qiáng)化了蒸發(fā)段和冷凝段的蒸發(fā)和冷凝換熱性能；此外，本發(fā)明無需消耗外部機(jī)械功和電功，無需吸液芯，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以在任意角度下工作，適用范圍廣，無需其它附屬設(shè)備，成本低，拆裝方便，使用安全。


圖I為脈動熱管換熱器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為脈動熱管換熱器的裝配示意圖。圖3為脈動熱管與固定組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖I和圖2分別給出本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖及其裝配示意圖。由圖可知，本發(fā)明所提出的管殼式脈動熱管換熱器，主要包括殼程6、管程7以及設(shè)置在殼程兩端的密封法蘭3、8和封頭2、9組成。如圖I和圖2所示，在所述管程7的中部采用隔板I將所述管程7分割為上下兩個折返通道，所述隔板I與所述管程7采用脹接連接，在所述管程7與封頭
2、9相隔的兩端壁面上分別加工有供流體通過的蜂窩孔11及供所述隔板I穿過并固定的貫通槽12。左封頭2、左密封法蘭3及右封頭9、右密封法蘭8分別布置在所述殼程6的左右兩端，采用法蘭連接和密封圈10或脹接的密封方式，將所述的封頭2、9、密封法蘭3、8與殼程兩端法蘭圈連接并將所述換熱器整體密封，所述封頭2、9的中部腔體也與所述隔板I采用脹接的方法密封連接。所述殼程6和管程7分別作為熱流體通道和冷流體通道。如圖2所示，所述脈動熱管5沿所述管程的管程軸向分組插入所述換熱器內(nèi)，所述脈動熱管5的蒸發(fā)段和冷凝段分別插入所述的熱流體通道和冷流體通道，每組所述脈動熱管5沿所述管程7的周向呈花瓣狀均勻排布，其排布角度及密度可以根據(jù)工作負(fù)荷靈活調(diào)整。在所述每組脈動熱管間的所述殼程內(nèi)布置有垂直于殼程主軸的折流板4，以增加殼程內(nèi)流體的換熱路徑及流體自身的擾動，從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果。所述脈動熱管5采用模塊化設(shè)計，每個脈動熱管模塊通過一種固定組件方便地安裝于加工在所述管程周向的插槽法蘭13上，以便日后的拆裝維護(hù)。如圖3所示，所述的固定組件由兩塊相互配合大小形狀相互對稱的法蘭盤14組成，在每片法蘭盤的一側(cè)加工有與所述脈動熱管平行管段相配合的凹槽，所述脈動熱管5置于所述凹槽內(nèi)并通過所述法蘭盤14夾緊并焊接密封，最終將該模塊與所述管程周向的插槽法蘭13連接并密封。所述脈動熱管5是通過毛細(xì)金屬管經(jīng)反復(fù)彎折并首尾相接后抽真空并充注工質(zhì)而形成的閉路式脈動熱管，所述毛細(xì)管的當(dāng)量直徑介于O. 5 3. 5_，所述脈動熱管的蛇形通道彎數(shù)大于16(平行管段數(shù)大于32)，這樣足夠多的通道彎頭就可以提供管內(nèi)足夠大的表面張力及管間不平衡壓力驅(qū)動力，從而克服重力對所述脈動熱管工作性能的影響，使所述換熱器可以在任意角度下正常工作。所述的脈動熱管5內(nèi)的工質(zhì)充液率為30% 60%，熱管內(nèi)的工質(zhì)可根據(jù)管壁金屬相容性進(jìn)行選擇，如水、氨、乙醇、甲醇、丙酮、R123制冷劑等。同時，根據(jù)能量梯級利用原理，在所述脈動熱管換熱器換熱初始段熱流量較高，可選用沸點較高的工質(zhì)，如水等，而在換熱末尾段熱流量較低，可選用沸點較低的工質(zhì)，如R123，丙酮等。這種針對不同換熱熱流量選用相應(yīng)熱管工質(zhì)的方法，可有效實現(xiàn)能量的梯級利用。此外，所述脈動熱管5的管壁由高導(dǎo)熱率的金屬或合金材料制成，可以根據(jù)工作條件、與工作介質(zhì)相容性等選擇不同的材料，如碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅(合金)、鋁(合金)、鎳(合金)等。同時，對所述的脈動熱管5冷凝段LI和蒸發(fā)段L2的內(nèi)壁面進(jìn)行疏水化和親水化壁面改性，如通過化學(xué)方法，在所述冷凝段內(nèi)壁表面制備一層合成高分子疏水表面如在黃銅表面制備六氟丙烯聚合物表面、紫銅表面制備聚八氟環(huán)丁烷表面等；采用浸潰和光催化方法，在所述蒸發(fā)段內(nèi)壁表面制備一層超親水的二氧化鈦及氧化鋅親水薄膜。采用這樣的設(shè)計可以抑制冷凝段膜狀凝結(jié)，促進(jìn)珠狀凝結(jié)的形成，減小蒸汽與壁面熱交換的熱阻；減小液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)段內(nèi)壁 表面的接觸角，促進(jìn)均勻水膜的形成，從而增大了蒸發(fā)表面，促進(jìn)了蒸發(fā)傳熱的效果?？傊?，采用這兩種設(shè)計可以使所述脈動熱管5的傳熱得到強(qiáng)化，從而提升所述脈動熱管換熱器的整體換熱性能。
權(quán)利要求
1.一種管殼式脈動熱管換熱器，包括殼程、管程以及設(shè)置在殼程兩端的密封法蘭和封頭，所述管程設(shè)置在所述殼程內(nèi)，該管程通過中間隔板被分為上下連通的折返流體通道，其兩端采用法蘭連接和密封圈或脹接的密封方式，將所述的密封法蘭、封頭與所述殼程兩端法蘭圈固定并密封連接，其特征在于在所述管程與殼程上設(shè)置有脈動熱管，所述脈動熱管的冷凝段位于殼程內(nèi)，脈動熱管的蒸發(fā)段位于管程內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特征在于，所述脈動熱管沿所述管程軸向分組插入所述換熱器，每組所述脈動熱管沿所述管程的周向呈花瓣狀均勻排布，且排布密度和角度可根據(jù)工作負(fù)荷調(diào)整。
3.如權(quán)利要求2所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特征在于，所述脈動熱管采用模塊化設(shè)計，通過一種熱管固定組件以可拆裝的方式安裝在所述管程上，所述熱管固定件為兩片相互配合的法蘭盤，所述法蘭盤上加工有與所述脈動熱管相配合的凹槽，所述脈動熱管置于所述凹槽內(nèi)并通過所述固定法蘭夾緊并與所述管程周向的插槽法蘭連接并密封。
4.如權(quán)利要求2所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特征在于，根據(jù)所述換熱器內(nèi)的沿程換熱熱流量的大小選擇相應(yīng)沸點的熱管工質(zhì)來實現(xiàn)能量的梯級利用。
5.如權(quán)利要求2所述的管殼式脈動熱管換熱器，其特征在于，所述脈動熱管的蒸發(fā)段內(nèi)壁面進(jìn)行親水化壁面改性，冷凝段內(nèi)壁面進(jìn)行疏水化壁面改性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管殼式脈動熱管換熱器，包括殼程、管程以及設(shè)置在殼程兩端的密封法蘭和封頭，所述管程設(shè)置在所述殼程內(nèi)，該管程通過中間隔板被分為上下連通的折返流體通道，其兩端所述的密封法蘭、封頭與所述殼程兩端法蘭圈固定并密封連接，在所述管程與殼程上設(shè)置有脈動熱管，所述脈動熱管的冷凝段位于殼程內(nèi)，脈動熱管的蒸發(fā)段位于管程內(nèi)。本發(fā)明將脈動熱管分組插入管殼式換熱器，充分利用了熱交換空間，且根據(jù)沿程換熱過程中熱流量的大小選擇相應(yīng)的熱管工質(zhì)，實現(xiàn)了能量的梯級利用。此外，本發(fā)明可以任一方位布置，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，制造工藝簡單，方便拆裝維護(hù)，無需外加泵驅(qū)使流動，使用安全，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號F28D15/04GK102620587SQ20121012674
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者劉向東, 施明恒, 趙沐雯, 陳永平 申請人:東南大學(xué)