一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，包括組合蒸發(fā)段、集汽箱、蒸汽流通管道、冷凝段、分液箱、液體流通管道等，液體流通管道與蒸發(fā)段入口連接，構(gòu)成一個循環(huán)回路。所述組合蒸發(fā)段包含有至少兩套以上的蒸發(fā)器進(jìn)行吸熱，可根據(jù)降溫需求和洞體內(nèi)外環(huán)境溫差大小來決定；冷凝段在洞外的布置高度高于蒸發(fā)段，保證液體回流。本發(fā)明可以在洞體內(nèi)外溫差較大(50℃～60℃)或較小(25℃～30℃)的情況下，都能實現(xiàn)穩(wěn)定工作，將高溫洞體排出的熱流體的溫度降低到接近洞外環(huán)境溫度，從而大幅度地減小紅外輻射特性。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)運行無需額外動力，能耗低但換熱效率高，相比其他的傳熱設(shè)備，具有簡單、可靠、易實現(xiàn)和節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。
【專利說明】一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱管【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種用于減小高溫洞體排放的熱流體溫度的裝置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前一些重要的基地設(shè)施一般都布置在山體、沙漠、地下等具備良好隱蔽條件的位置，以求避開偵查飛機(jī)或衛(wèi)星雷達(dá)的偵查和紅外探測。這些場所中開辟有大型工程洞體，進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)、實驗和防備任務(wù)。由于工程洞體內(nèi)部有熱源，流出洞體氣流的溫度明顯高于環(huán)境溫度。洞體出口流體的溫度過高會表現(xiàn)出明顯的紅外輻射特性，易于被紅外探測發(fā)現(xiàn)，這會給工程洞體帶來極大的安全隱患。
[0003]這種安全隱患在冬季和夏季顯得尤為突出。在冬季，洞體外溫度相比其他季節(jié)要低，從而洞體內(nèi)外的溫度差較大，紅外輻射特性非常明顯。因此，降溫需求在冬季就顯得最大。傳統(tǒng)的裝置或方法通過水汽噴淋或強(qiáng)制風(fēng)冷的形式可以達(dá)到溫度降低要求，但由于需要龐大的電力或動力系統(tǒng)，相當(dāng)于間接地引入了另外一種紅外輻射源。在夏季，洞體外環(huán)境溫度很高，洞體內(nèi)外的溫差在全年最小，但在如此高的環(huán)境溫度下繼續(xù)降低溫度顯得難上加難。因此，降溫效率低的問題在夏季就顯得很突出。傳統(tǒng)的設(shè)備和方法在不引入高熱源設(shè)備的前提下無法有效地解決此類問題。
[0004]熱管是一種高效的傳熱部件，被稱為熱的“超導(dǎo)體”。熱管已成功地應(yīng)用于航天器熱控制、電子設(shè)備冷卻、余熱回收、太陽能熱水器、永久凍土層的穩(wěn)定以及地?zé)崂玫染哂袀鳠嵝枨蟮乃蟹矫?。分離式熱管換熱器結(jié)構(gòu)簡單、無動力部件，不僅有較高的傳熱效率，且冷、熱側(cè)可以分開安裝、布置靈活，具有較強(qiáng)的工程適應(yīng)性，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱，有效地解決大面積散熱的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一套分離式熱管換熱系統(tǒng)，用于大型高溫洞體降溫，達(dá)到減小紅外輻射，消除設(shè)施目標(biāo)存在的安全隱患。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]—種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，包括:組合蒸發(fā)段、集汽箱、蒸汽流通管道、冷凝段、分液箱和液體流通管道；
[0008]所述蒸汽流通管道將組合蒸發(fā)段、集汽箱和冷凝段連接為一個連通的整體，使得蒸汽經(jīng)過組合蒸發(fā)段和集汽箱之后，流到冷凝段進(jìn)行冷凝；
[0009]液體流通管道將冷凝段、分液箱和組合蒸發(fā)段連接為一個連通的整體，使得冷凝后生成的液體經(jīng)過分液箱之后流轉(zhuǎn)回組合蒸發(fā)段再次循環(huán)。
[0010]組合蒸發(fā)段包括兩套蒸發(fā)器，一套為環(huán)形蒸發(fā)器，一套為柵欄蒸發(fā)器。
[0011]所述冷凝段采用對流散熱的方式工作。
[0012]冷凝段最低點處的海拔高度大于組合蒸發(fā)段最高點的海拔高度。[0013]所述組合蒸發(fā)段、集汽箱、蒸汽流通管道、冷凝段、分液箱和液體流通管道的材料均為不銹鋼或鋁合金。
[0014]所述組合蒸發(fā)段的出口、集汽箱的入口、集汽箱的出口和冷凝段的入口均通過閥門與蒸汽流通管道連接；所述冷凝段的出口、分液箱的入口、分液箱的出口和組合蒸發(fā)段的入口均通過閥門與液體流通管道連接。
[0015]所述蒸汽流通管道的直徑大于液體流通管道的直徑。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點:
[0017]1.采用分離式熱管換熱系統(tǒng)，洞體內(nèi)大量熱量被集中在一起進(jìn)行處理，相比熱量在空氣中摻混進(jìn)行降溫而言，具備較強(qiáng)的針對性，降溫效果明顯；相比噴淋、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，降溫效率非常高。
[0018]2.結(jié)構(gòu)簡單，無動力部件。采用分離式熱管換熱系統(tǒng)，依靠熱管工質(zhì)自身的相變驅(qū)動力和重力回流作用，就可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，無需配套相關(guān)的電力設(shè)備和高功率動力設(shè)備。一方面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，裝配方便，易于實現(xiàn)工程應(yīng)用；另一方面，相比傳統(tǒng)的噴淋、強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，不會引入額外的紅外輻射熱源。
[0019]3.熱、冷流體可以完全分離，實現(xiàn)遠(yuǎn)程換熱。把加熱段和冷卻段分別布置在需要的位置，只增加直徑較小的汽、液連接管，與傳統(tǒng)的散熱方法相比，避免了大量換熱氣體的大管路輸送。分離式熱管換熱器可以將熱源的熱量輸送到較遠(yuǎn)的地點散出，實現(xiàn)遠(yuǎn)離現(xiàn)場的熱量傳輸，顯著降低紅外福射。
[0020]4.加熱段、冷卻段傳熱面積比例可以大幅調(diào)整。分離型熱管換熱器的加熱段和冷卻段完全獨立分開，不僅可以改變換熱管的長度，還可以增加或減少管子的數(shù)量，這就可以使兩段面積可以調(diào)整的幅度大大增加，這是其他散熱方法無法做到的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明換熱系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)耦合圖；
[0023]圖3為本發(fā)明換熱系統(tǒng)的洞內(nèi)系統(tǒng)裝置圖；
[0024]圖4為本發(fā)明換熱系統(tǒng)的環(huán)形蒸發(fā)器設(shè)計圖；
[0025]圖5為本發(fā)明換熱系統(tǒng)的柵欄蒸發(fā)器設(shè)計圖；
[0026]圖6為本發(fā)明換熱系統(tǒng)的降溫能力評估計算結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步說明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的分離式熱管換熱系統(tǒng)，包括安裝在洞體內(nèi)部靠近高溫?zé)崃黧w的組合蒸發(fā)段1、集汽箱2、蒸汽流通管道3、安裝在洞體外部大氣環(huán)境中的冷凝段4、分液箱5和液體流通管道6。
[0029]蒸汽流通管道3將組合蒸發(fā)段1、集汽箱2和冷凝段4連接為一個連通的整體，使得蒸汽經(jīng)過組合蒸發(fā)段I和集汽箱2之后，流到冷凝段4進(jìn)行冷凝；液體流通管道6將冷凝段4、分液箱5和組合蒸發(fā)段I連接為一個連通的整體，使得冷凝后生成的液體經(jīng)過分液箱5之后流轉(zhuǎn)回組合蒸發(fā)段I再次循環(huán)。[0030]如圖2所示，為采用本發(fā)明方案的換熱系統(tǒng)在實際情況中的布局結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)根據(jù)山體7上的洞體8的大小尺寸進(jìn)行設(shè)計，它們的裝配和安置關(guān)系如圖2所示。冷凝段4布置在山體7的頂部，遠(yuǎn)離洞體8，通過蒸汽流通管道3和液體流通管道6與系統(tǒng)的其他部件實現(xiàn)連接。蒸汽流通管道3和液體流通管道6可依山勢走向布置，并采取隔熱保溫措施。為了增加整個分離式熱管系統(tǒng)的驅(qū)動力，以及避免冷凝段4與洞體8區(qū)域產(chǎn)生紅外相互影響，可以將冷凝段4的布置高度繼續(xù)提高。圖中箭頭10表示蒸汽流通管道3中的蒸汽工質(zhì)上升方向，箭頭11表示液體流通管道6中的液體工質(zhì)回流方向。對于同樣質(zhì)量的工質(zhì)，由于汽化狀態(tài)的體積比液態(tài)體積大，因此蒸汽流通管道3的管徑明顯比液體流通管道6要大很多。
[0031]將洞體8沿縱向剖開，就可以清晰地觀察到系統(tǒng)在洞體8中的各個部件，如圖3所示。其中，系統(tǒng)的組合蒸發(fā)段I由環(huán)形蒸發(fā)器1-A和柵欄蒸發(fā)器1-B組成，它們用來吸收從熱空氣管9排出的熱流體中的熱量。圖4顯示了環(huán)形蒸發(fā)器1-A結(jié)構(gòu)圖。環(huán)形蒸發(fā)器1-A由環(huán)形吸熱腔12和聯(lián)排吸熱管13組成，整個環(huán)形蒸發(fā)器1-A固定在基座14上。圖5顯示了柵欄蒸發(fā)器1-B的結(jié)構(gòu)圖。柵欄蒸發(fā)器1-B由橫排熱管15、豎排熱管16和固定支桿17組成，并通過固定支桿17固定到洞體8的壁面上。
[0032]本發(fā)明的分離式熱管換熱系統(tǒng)的工作過程如下:
[0033]1.高溫的熱流體經(jīng)過擴(kuò)張型的熱空氣管9后，流動速度加快，進(jìn)入環(huán)形蒸發(fā)器1-A。熱流體沖刷環(huán)形蒸發(fā)器1-A的環(huán)形吸熱腔12的內(nèi)壁面和聯(lián)排吸熱管13的外壁面。
[0034]2.環(huán)形吸熱腔12和聯(lián)排吸熱管13中的循環(huán)工質(zhì)快速吸熱達(dá)到飽和溫度，從而產(chǎn)生相變，工質(zhì)由液態(tài)變成氣態(tài)。如圖4所示，液態(tài)工質(zhì)從環(huán)形蒸發(fā)器1-A的底部進(jìn)入，吸熱蒸發(fā)變成氣態(tài)，從環(huán)形蒸發(fā)器1-A的頂部流出，從而達(dá)到吸熱降溫的目的。環(huán)形吸熱腔12的長度和聯(lián)排吸熱管13的排數(shù)可以根據(jù)降溫需求和流動阻力的大小進(jìn)行綜合平衡考慮。由于環(huán)形吸熱腔12的換熱面積足夠大，多排吸熱管13的換熱面積很大，所以環(huán)形蒸發(fā)器1-A的降溫效率高，降溫效果顯著。
[0035]3.熱流體從環(huán)形蒸發(fā)器1-A中流出后，由于沿途不斷放出大量熱量，溫度會有明顯的降低，形成二次熱流體。此時，排放的二次熱流體與洞體8外的環(huán)境溫度相比，在春、夏、秋季節(jié)情況下基本溫差不大，紅外輻射大大減弱，基本滿足設(shè)計需求。如果在寒冷的冬季，洞體8外的溫度很低，此時需要進(jìn)一步降溫，在環(huán)形蒸發(fā)器1-A后可加裝第二套分離式熱管——柵欄蒸發(fā)器1-B。
[0036]4.二次熱流體進(jìn)入環(huán)形蒸發(fā)器1-A后面的柵欄蒸發(fā)器1-B，熱流體沖刷柵欄蒸發(fā)器1-B的橫排熱管15的外壁面和豎排熱管16的外壁面，溫度會得到進(jìn)一步降低，從而排出洞體8后的溫度會與洞外環(huán)境溫度相差不大，紅外輻射得到顯著的降低。
[0037]5.液態(tài)循環(huán)工質(zhì)從橫排熱管15的左端和豎排熱管16的底端流入,工質(zhì)吸熱蒸發(fā)產(chǎn)生相變，由液態(tài)變成氣態(tài)，之后從橫排熱管15的右端和豎排熱管16的頂端流出。橫排熱管15的排數(shù)和豎排熱管16的排數(shù)可以根據(jù)降溫需求和流動阻力的大小進(jìn)行綜合平衡考慮。
[0038]6.組合蒸發(fā)段I中的所有熱蒸汽，按照圖2至圖4中箭頭10所示的蒸汽工質(zhì)上升方向流動，經(jīng)集汽箱2匯集后，在浮升力的作用下一起從蒸汽流通管道3流向位于山體7頂部的冷凝段4。[0039]7.蒸汽流通管道3的熱蒸汽流經(jīng)冷凝段4時放出熱量，工質(zhì)由氣相冷凝成液相，并在蒸汽壓力和重力的雙重作用下，按照圖2至圖4中箭頭11所示的液體工質(zhì)回流方向流動，工質(zhì)重新回到組合蒸發(fā)段I中，并按照過程1-7持續(xù)進(jìn)行循環(huán)。
[0040]8.冷凝段4處冷凝裝置的設(shè)計方案可以采取自然冷卻(自然風(fēng))或強(qiáng)制對流冷卻兩種方式。相對理想的強(qiáng)制對流冷卻方式是水浴冷卻。在一個閉式水箱中，用循環(huán)水不停地沖刷分離式熱管系統(tǒng)的冷凝段4，熱量由冷凝段傳遞給循環(huán)水，最后被循環(huán)水帶走。為了顯著地提高冷凝段的換熱效果，可以采用帶肋片的冷凝管，在水箱中布置成蛇形狀，增大換熱面積。
[0041]9.整個分離式熱管換熱系統(tǒng)建立后，系統(tǒng)降溫能力評估結(jié)果如圖6所示。圖中Tgas表示被處理后的高溫?zé)崃黧w的溫度，Qc表示系統(tǒng)單位長度的換熱量。結(jié)果顯示，在環(huán)境溫度為30°C，僅采用一套環(huán)形蒸發(fā)器的情況下，可以將洞體8中的高溫?zé)崃黧w從65°C降至35°C，接近于外界大氣環(huán)境的溫度，從而顯著地降低了洞體8出口處的紅外輻射強(qiáng)度。
【權(quán)利要求】
1.一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于包括:組合蒸發(fā)段(I)、集汽箱(2)、蒸汽流通管道(3)、冷凝段(4)、分液箱(5)和液體流通管道(6); 所述蒸汽流通管道(3 )將組合蒸發(fā)段(I)、集汽箱(2 )和冷凝段(4 )連接為一個連通的整體，使得蒸汽經(jīng)過組合蒸發(fā)段(I)和集汽箱(2)之后，流到冷凝段(4)進(jìn)行冷凝； 液體流通管道(6)將冷凝段(4)、分液箱(5)和組合蒸發(fā)段(I)連接為一個連通的整體，使得冷凝后生成的液體經(jīng)過分液箱(5)之后流轉(zhuǎn)回組合蒸發(fā)段(I)再次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于:組合蒸發(fā)段(I)包括兩套蒸發(fā)器，一套為環(huán)形蒸發(fā)器，一套為柵欄蒸發(fā)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于:所述冷凝段(4)采用對流散熱的方式工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于:冷凝段(4)最低點處的海拔高度大于組合蒸發(fā)段(I)最高點的海拔高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于:所述組合蒸發(fā)段(I)、集汽箱(2)、蒸汽流通管道(3)、冷凝段(4)、分液箱(5)和液體流通管道(6 )的材料均為不銹鋼或招合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于:所述組合蒸發(fā)段(I)的出口、集汽箱(2)的入口、集汽箱(2)的出口和冷凝段(4)的入口均通過閥門與蒸汽流通管道(3)連接；所述冷凝段(4)的出口、分液箱(5)的入口、分液箱(5 )的出口和組合蒸發(fā)段(I)的入口均通過閥門與液體流通管道(6 )連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于減小高溫洞體紅外輻射的分離式熱管換熱系統(tǒng)，其特征在于:所述蒸汽流通管道(3)的直徑大于液體流通管道(6)的直徑。
【文檔編號】F28D15/02GK103471194SQ201310439458
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】薛志虎, 陳思員, 曲偉, 鄧代英, 俞繼軍, 艾邦成 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院