一种电热环路热管的优化设计方法

摘要

本发明提供了一种电加热环路热管的优化设计方法，包括蒸发部、冷凝部、上升部和下降部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过上升部进入冷凝部放热，然后通过下降部回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，电加热部件的功率采取如下方法设计：距离蒸发部的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电加热部件的加热功率越大。本发明提供一种新式结构的环路热管优化设计方法，通过加热功率距离蒸发部中心的规律设计，可以进一步的提高加热效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种环路热管，尤其是涉及一种电加热的环路热管。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)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。

现有技术中热管可以采用多种热管，包括太阳能、烟气余热或者其它的热能，也可以采用电能。但是采用电能的情况下，一般单独采用在蒸发部内简单的设置电加热部件，但是此种情况下电加热效率较低，现有技术并没有采取具体的结构或者改进措施进一步提高加热效率。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的环路热管，从而解决环路热管加热的情况下的存在的加热不均匀、加热效率低的问题。本发明在管内设置加热流体流动加热部件，通过设置流体流动加热部件的形状，使得流体在蒸发管内充分进行加热，提高了换热效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种新式结构的环路热管，通过该种结构环路热管，能够实现环路热管加热的情况下的存在的加热不均匀。加热效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电加热环路热管的优化设计方法，包括蒸发部、冷凝部、上升部和下降部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过上升部进入冷凝部放热，然后通过下降部回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，电加热部件的功率采取如下方法设计：距离蒸发部的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电加热部件的加热功率越大。

作为优选，距离蒸发部的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电加热部件的加热功率越大的幅度不断的增加。

一种电加热环路热管的优化设计方法，包括蒸发部、冷凝部、上升部和下降部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过上升部进入冷凝部放热，然后通过下降部回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，环路热管采取如下方法设计：所述蒸发管采取沿着蒸发管内流体的流动的方向，蒸发管的管径不断的变大。

作为优选，沿着蒸发管内流体的流动的方向，蒸发管6的管径不断的增加的幅度越来越大。

一种电加热环路热管的优化设计方法，包括蒸发部、冷凝部、上升部和下降部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过上升部进入冷凝部放热，然后通过下降部回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，距离蒸发管入口的距离为K1，相邻流体流动加热部件之间的间距为S，S=T₁(K1)，即S是以距离K1为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’<0。

作为优选，，即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0。

一种环路热管的优化设计方法，包括蒸发部、冷凝部、上升部和下降部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过上升部进入冷凝部放热，然后通过下降部回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，同一个流体流动加热部件内的同一个电加热棒分为多段，沿着蒸发管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不同；其中沿着蒸发管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不断的增加。

作为优选，增加的幅度不断的增加。

一种环路热管的优化设计方法，包括蒸发部、冷凝部、上升部和下降部，所述液体在蒸发部吸热蒸发，通过上升部进入冷凝部放热，然后通过下降部回到蒸发部，所述蒸发部包括电加热部件，其特征在于，正四边形的边长为K2，流体流动加热部件正四边形截面的边长为B2，满足如下要求：随着B2的增加，K2也不断增加。

作为优选，随着B2的增加，K2不断增加的幅度越来越小。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1）本发明提供一种新式结构的环路热管优化设计方法，通过加热功率距离蒸发部中心的规律设计，可以进一步的提高加热效率。

2）本发明设计了一种新式结构的流体流动加热部件的环路热管，并在环路热管的流体流动加热部件内设置电热元件，通过此种结构，能够实现快速提供热流体，而且该环路热管具有加热迅速、温度分布均匀、安全可靠的功能，提高了加热效率。

3）本发明通过设置蒸发管内电热元件在蒸发管内沿着流体流动的方向的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

4)本发明设计了蒸发管内流体流动加热部件的沿着蒸发管内沿着流体流动的方向间隔的规律分布，可以进一步的提高加热效率。

5）本发明设计了蒸发管内不同的电热元件加热功率沿着蒸发管长度方向的变化，能够进一步提高装置的安全性能和加热性能。

6）本发明通过数值模拟和大量实验，确定了不同层的电加热功率的最优的比例关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率，也为此种结构的蒸发管的设计提供了一个最佳的参考依据。

7）本发明通过数值模拟和大量实验，确定了流体流动加热部件的各个尺寸的最优关系，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

附图说明

图1是本发明的环路热管的结构示意图；

图2是本发明的环路热管的流体流动加热部件间隔分布结构示意图；

图3是蒸发管流体流动加热部件横切面结构示意图。

图4是图3蒸发管内流体流动加热部件A－A截面示意图。

图5是蒸发管横向切面示意图。

图6是本发明分隔装置在蒸发管内布置的示意图。

附图标记如下：蒸发部1，上升部2，冷凝部3，下降部4，流体流动加热部件5，蒸发管6、电热元件7，电源8，菱形通孔51，正八边形通孔52，边53，壳体61，主体部件62 。

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。

如图1所示的一种环路热管，所述环路热管包括蒸发部1、冷凝部3、上升部2和下降部4，所述液体在蒸发部1吸热蒸发，通过上升部2进入冷凝部3放热，然后通过下降部4回到蒸发部1，所述蒸发部1包括电加热部件7，所述蒸发部包括蒸发管6和设置在蒸发管内的流体流动加热部件5，所述流体流动加热部件5在蒸发管6延伸的方向上延伸；所述流体流动加热部件5包括壳体61和壳体内的主体部件62，所述主体部件62为菱形通孔51和正八边形通孔52组成，所述菱形通孔51的边长等于正八边形通孔52的边长，所述菱形通孔51的四个边分别是四个不同的正八边形通孔52的边，正八边形通52孔的四个互相不连接的边53分别是四个不同的菱形通孔的边；所述电加热部件7设置在菱形通孔51中。菱形通孔四个夹角都是90度，即此菱形为正四边形。

本发明通过设置新式电加热结构的环路热管，该加热结构将电热元件均匀分布在多个正八边形通道的周围，使得流体进入正八边形通道中通过电热元件能够均匀的加热，通过此种结构，可以通过一个装置能够实现快速提供不同温度的热流体，而且该环路热管具有加热迅速、温度分布均匀、安全可靠的功能，提高了加热效率。

作为优选，所述蒸发管6在水平方向布置。

作为优选，蒸发管的外管就是流体流动加热部件的外壁面。作为优选，蒸发管与流体流动加热部件是一体化制造。

作为优选，所述蒸发管6的横截面是正四边形。

作为优选，所述的电热元件是电阻加热器。

作为优选，蒸发管1外部设置保温层。

作为优选，下降部4内设置毛细结构。通过设置毛细结构，促进液体尽快进入蒸发部。

作为优选，液体为、氨水、甲醇、丙酮或庚烷。

作为优选，冷凝部设置在箱体内，箱体内设置药剂液体，例如熏洗使用的药液。用于加热熏洗使用的药液。

作为优选，所述蒸发管6内壁设置凹槽，所述流体流动加热部件5的外壁面设置在凹槽内。通过如此设置可以进一步提高流体流动加热部件安装的牢固性。

作为优选，蒸发管6为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置流体流动加热部件5。通过如此设置，可以使得加工方便，节省成本。

作为优选，所述的电热元件7是电阻加热器。

作为优选，电阻加热器7填充整个正四边形通道。通过如此设置能够保证电热元件与正四边形通道的壁面接触，进一步提高加热效率。

作为优选，菱形通孔的中心距离流体流动加热部件5的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越大。例如，图3中，第一层的加热功率小于第二层的加热功率，但是第二层的加热功率也不同，具体的是四个顶角的加热功率大于非顶角的加热功率。通过竖直模拟和实验发现，距离中心越远，则因为加热涉及的面积越大，因此需要更多的加热功率，尤其是在最外层，因为还要加热蒸发管外部的液体，因此需要的蒸发管延伸方向上单位长度的加热功率更大。本发明通过设置蒸发管内电热元件距离流体流动加热部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，菱形通孔的中心距离流体流动加热部件5的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。上述的加热幅度的变化也是经过大量的数值模拟和实验得到，并非本领域的公知常识。通过上述幅度的变化，能够进一步提高加热效率和加热均匀度。

作为优选，所述流体流动加热部件5是正八边形中心流体流动加热部件，正八边形通孔位于流体流动加热部件的中心。如图3所示。

进一步优选，所述流体流动加热部件5中心为正八边形通道，所述正四边形通道为围绕流体流动加热部件的两层结构，最外层是正八边形通道，所述外管的边长为8倍的正八边形通孔的边长。

通过大量的数值模拟和实验可以得知，不同层电热元件的加热功率要求不同才能达到均匀加热的目的，正四边形边长越长，则因为需要加热的体积越大，外部空间也越大，则需要的内外层的加热功率比例就越大；而蒸发管延伸方向上流体流动加热部件的长度越长，则因为整体的长度上的加热面积越大，加热的分布越均匀，因此导致的内外层的加热功率比例要求越小。因此本发明通过大量的竖直模拟和实验对于每一层的加热功率及其边长、高度进行了大量的研究，得出了最佳的加热功率关系。而对于上述的图3的结构而言，最外层加热功率与最内层的加热功率的比值是满足如下要求：

作为优选，所述第一层的每个电热元件的加热功率是P1，第二层的每个电热元件的加热功率是P2，所述的流体流动加热部件长度是K1，正四边形通道的边长为K2，则满足下面的要求：

P2/P1=a-b*LN(K1/K2)；其中a,b是参数，3.25<a<3.30,0.92<b<0.93；

1.3<P2/P1<1.8；5.0< K1/K2<8.5；

单根蒸发管的第一层和第二层的总加热功率为M，1500W<M<3500W。

作为优选，a=3.28，b=0.923。

作为优选，1.5<P2/P1<1.7；7.0< K1/K2<7.5；

120<B2<280mm；

8<K2<30mm；

第一层和第二层分别是内层和外层。

作为优选，随着K1/K2增加，a逐渐减小，b逐渐增加。通过如此设置能够进一步使得加热均匀，提高加热效率。

作为优选，沿着蒸发管内流体的流动的方向，蒸发管6的管径不断的变大。主要原因如下：1）通过增加蒸发管6的管径，可以减少蒸发管内流体流动的阻力，使得蒸发管6内加热的流体不断的向着管径增加的方向运动，从而进一步促进流体流动。2）因为随着流体的不断的流动，液体在蒸发管6内不断的加热蒸发，从而使得流体体积越来越大，压力也越来越大，因此通过增加管径来满足不断增加的汽体体积和压力的变化，从而使得整体上压力分布均匀。

作为优选，沿着蒸发管内流体的流动的方向，蒸发管6的管径不断的增加的幅度越来越大。上述管径的幅度变化是本申请人通过大量的实验和数值模拟得到的结果，通过上述的设置，能够进一步的促进流体流动，达到压力整体均匀。

作为优选，蒸发管6内设置多个流体流动加热部件5，所述多个流体流动加热部件5间隔设置。通过间隔设置多个流体流动加热部件5，使得流体在流体流动加热部件中加热后，进入非流体流动加热部件区域进行混合，保证加热均匀。混合后再分别进入流体流动加热部件进行加热。

作为优选，蒸发管6内设置多个流体流动加热部件5，从蒸发管6的入口到蒸发管6的出口，流体流动加热部件5之间的间距越来越小。设距离蒸发管6入口的距离为K1，相邻流体流动加热部件之间的间距为S，S=T₁(K1)，即S是以距离K1为变量的函数，S’是S的一次导数，满足如下要求：

S’<0；

主要原因是进一步强化传热。通过上述设置，可以使得沿着流体流动方向加热功率越来越大，这类似于环路热管的逆流运动，使得管道出口的加热温度越来越高。类似于管道出口的热源温度越来越高，使得液体充分进行加热。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。

进一步优选，从蒸发管6的入口到蒸发管6的出口，相邻流体流动加热部件之间的距离越来越大的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

S”>0;

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步提高加热效果。需要说明的是，上述规律是申请人通过大量的实验和数值模拟得到的规律，并不是本领域的公知常识或者常规手段。

作为优选，蒸发管6内设置多个流体流动加热部件，从蒸发管6的入口到蒸发管6的出口，不同流体流动加热部件的每个正四边形内布置的电热元件的加热功率逐渐增加。设距离蒸发管6入口的距离为K1，相邻流体流动加热部件的每个正四边形内布置的电热元件功率为W，S=T₃(K1)，即W是以距离K1为变量的函数，W’是W的一次导数，满足如下要求：

W’>0;

主要原因是进一步强化传热。通过上述设置，可以使得沿着流体流动方向加热功率越来越大，这类似于环路热管的逆流运动，使得管道出口的加热温度越来越高。类似于管道出口的热源温度越来越高，使得液体充分进行加热。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。

进一步优选，从蒸发管6的入口到蒸发管6的出口，相邻流体流动加热部件的每个正四边形内布置的电热元件功率变小的幅度不断增加。即W”是S的二次导数，满足如下要求：

W”>0；

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。需要说明的是，上述规律是申请人通过大量的实验和数值模拟得到的规律，并不是本领域的公知常识或者常规手段。

作为优选，蒸发管6内设置多个流体流动加热部件，从蒸发管6的入口到蒸发管6的出口，正四边形的边长越来越小。距离蒸发管6入口的距离为K1，正四边形的边长为C，C=T₂(K1)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

C’<0；

主要原因是因为正四边形边长越小，则制造越困难，但是整体加热的均匀性越好。因为越到蒸发管出口，应该保持液体的整体加热均匀，避免加热不均匀而导致的部分烧干。通过上述设置，可以节省成本，而且达到最好的加热均匀以及热流体产出效率。

进一步优选, 蒸发管6的入口到蒸发管6的出口，正四边形的边长越来越小的幅度不断的增加。C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0。

作为优选，相邻流体流动加热部件之间的距离保持不变。

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步保持加热的整体均匀，同时可以提高加热效果。需要说明的是，上述规律是申请人通过大量的实验和数值模拟得到的规律，并不是本领域的公知常识或者常规手段。

作为优选，菱形通孔中心距离流体流动加热部件的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越大。

因为通过实验和数值模拟可以得知，越是向外，则需要加热的体积越大，尤其是最外侧，需要加热内管内的液体。本发明通过设置蒸发管内电热元件距离流体流动加热部件中心的加热功率的变化，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，菱形通孔距离流体流动加热部件的中心越远，则蒸发管延伸方向上单位长度的电阻加热器的加热功率越来越大的幅度不断的增加。通过如此规律设置，进一步提高了加热均匀度和加热效率。

作为优选，沿着蒸发管内流体流动方向，电热元件16的单位长度的加热功率不断的增加。主要原因是进一步强化传热。通过上述设置，可以使得沿着流体流动方向加热功率越来越大，这类似于环路热管的逆流运动，使得管道出口的加热温度越来越高。类似于管道出口的热源温度越来越高，使得液体充分进行加热。经过大量的实验和数值模拟，经过上述的蒸发管加热功率的变化，能够进一步提高10%左右的加热效率，节省加热时间。

作为优选，沿着高度方向，电加热棒16的单位长度的加热功率不断的减少的幅度不断的增加。

经过大量的实验和数值模拟，经过上述的电加热棒16加热功率幅度的变化，能够进一步提高5%加热效率，进一步节省加热时间。

作为优选，同一个流体流动加热部件内的同一个电加热棒16分为多段，沿着蒸发管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不同。其中沿着蒸发管内流体流动方向，不同段的单位长度的加热功率不断的增加。进一步优选，增加的幅度不断的增加。

作为优选，每段的长度相同。

作为优选，每段的单位长度的加热功率相同。

具体理由如上。

通过设置分段，可以进一步使得制造简单方便。

通过分析以及实验得知，蒸发管延伸方向流体流动加热部件之间的间距不能过大，过大的话导致热流体产生的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致内管内容易烧干，同理，正四边形的边长也不能过大或者过小，过大导致加热不均匀，过小导致正四边形和八边形分布过密，造成流动阻力增加以及加工成本增加。因此本发明通过大量的实验，在优先满足热流体出汽量的情况下，使得阻力达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻流体流动加热部件之间的距离为S1，正四边形的边长为K2，流体流动加热部件为正四边形截面，流体流动加热部件正四边形截面的边长为B2，满足如下要求：

S1/B2＝a-b*(10*K2/B2)；

其中a,b是参数，其中0.735<a<0.740,2.67<b<2.68；

180<B2<360mm；

12<K2<45mm；

45<S1<170mm。

进一步优选，a=0.734,b=2.675;

进一步优选，随着K2/B2的增加，a越来越大，b越来越小。

作为优选，菱形通孔的边长K2是菱形通孔内边长和外边长的平均值，流体流动加热部件正四边形截面的边长B2是流体流动加热部件正四边形截面内边长和外边长的平均值。

相邻流体流动加热部件之间的距离为S1是以相邻流体流动加热部件相对的面的距离。例如右部流体流动加热部件的左端面与左部流体流动加热部件的右端面之间的距离。

作为优选，随着B2的增加，K2也不断增加。但是随着B2的增加，K2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着B2的增加，S1不断减小。但是随着B2的增加，S1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，流体流动加热部件正四边形截面的边长等于蒸发管的内壁面的边长。

流体流动加热部件长度K1优选为50－300mm，进一步有选为100－150mm。

作为优选，蒸发管长度为3000－3500mm之间。进一步优选，3200－3300mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

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。