CN102226652B - 一种延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法，在外管内装有毛细管束，该毛细管束由若干毛细管组成，相邻的毛细管中流体流动方向相反，分别为由供热热源到热用户的方向和由热用户到供热热源的回流方向，两种流向的毛细管成对布置、紧密接触，热流体散失的热量大部分被冷流体带回，从而大大减少了热量损失。毛细管束和外管之间的空间布满保温材料，管道两端分别设置热流体的出、入口联箱和冷流体的出、入口联箱。在毛细管束靠近供热来源端装有电磁阀，可以控制冷流体毛细管通道的开通率，从而保证供热温度稳定。本设计在总热量一定时，能够较大程度地延长持续供热时间，并保证供热温度稳定，尤其适用于航天、极地、便携热源等热量有限的工作环境。

Description

一种延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种热量传输交换装置，特别是一种延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法。

背景技术

企鹅同其他生活在寒冷地区的鸟类一样，都已经适应了寒冷的气候，能够尽可能少地散失热量，保持自己身体主要部分温度在40℃左右。但是它们的脚却很难保暖，因为脚上既不长羽毛，也没有鲸脂一类脂肪的防护，而且还有相对来说很大的面积，这是由于其脚部有一种逆流热交换系统。向脚提供温暖血液的动脉血管分叉为许多的小动脉血管，同时，在脚部变冷的血液又通过与这许多动脉小血管紧挨在一起的数目相同的静脉小血管流回。这样，动脉小血管内温暖血液的热量就传递给了与之紧贴的静脉小血管内的逆流冷血，结果，真正带到脚部的热量其实是很少的。在冬季，企鹅脚部的温度可以保持在冰点温度以上仅1～2℃且不被冻伤，极大限度地减少了热量散失。

在供热过程中，若参数和流量等一定的热流体向环境供热，若采用传统供热方法，将出现开始供热温度较高，随着时间推移，供热温度逐渐下降，后期供热温度较低等情况，而前期供热温度过高或后期供热温度过低均不符合要求，仅中间时间段的供热符合要求，而且供热温度不稳定。特别是在热源一定的前提下，需要保持尽可能长时间的低温而且恒温供热时，传统的温控手段如热流体流量控制和环境温度控制较为困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法，其热损失小、结构紧凑，在热源热量一定的前提下能够延长供热时间。

本发明延长恒温供热时间的毛细管束管道，包括外管、置于外管内的供热热流体流经的毛细管和回流冷流体流经的毛细管，以及分别设置在外管两端的热流体出口联箱、热流体入口联箱、冷流体出口联箱和冷流体入口联箱，所述热流体流经的毛细管和冷流体流经的毛细管组成了毛细管束，在外管与毛细管束之间填充有保温层，所述供热热流体流经的毛细管和回流冷流体流经的毛细管紧密接触且流向相反。

作为本发明的优选实施例，在所述靠近供热热源一侧的冷流体毛细管束上装有控制供冷流体流经的毛细管的开通率的电磁阀；

作为本发明的优选实施例，所述热流体流经的毛细管和冷流体流经的毛细管相邻设置、数量相同，且成对布置；

作为本发明的优选实施例，靠近供热热源端的保温层的保温性能大于靠近热用户端的保温层的保温性能。

上述毛细管束管道的控制方法：在刚开始工作时，供冷流体流动的毛细管全开，随着时间的推移，供热热源的温度有所下降，这时控制关断部分供冷流体流动的毛细管，减少冷流体回流时吸收的热量，从而保证供给热用户的供热温度的稳定。

本发明延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法至少具有以下优点：在本发明中，位于外管内的供热热流体流经的毛细管和回流冷流体流经的毛细管相邻设置、成对布置，且紧密接触，如此，毛细管可以充分接触，从而保证充分换热，热流体的热量大部分被冷流体带回，避免过多的热量到达热用户端，致使供热温度过高；同时也减少了在输送过程中的散热，不仅保证供热温度波动不大，还可以延长供热的时间。

附图说明

图1为本发明延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法的结构示意图；

图2为图1中沿A-A向的剖视图；

图3为图1的侧视图。

图中的标号如下表示：

1	供热热流体流经的毛细管	2	回流冷流体流经的毛细管
				3	外管	4	保温层
5	热流体出口联箱	6	热流体入口联箱
				7	冷流体出口联箱	8	冷流体入口联箱
9	电磁阀	10

具体实施方式

下面结合附图，对本发明延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法做详细描述：

参见附图1至图3所示，本发明延长恒温供热时间的毛细管束管道及其控制方法包括外管3、置于外管3内的供热热流体流经的毛细管1和回流冷流体流经的毛细管2，以及分别设置在外管两端的热流体出口联箱5、热流体入口联箱6、冷流体出口联箱7和冷流体入口联箱8。所述热流体流经的毛细管1和冷流体流经的毛细管2组成了毛细管束，在外管3与毛细管束之间填充有保温层4，以防止热量向周围环境散失。所述供热热流体流经的毛细管1和回流冷流体流经的毛细管2紧密接触且流向相反。

在外管3两端，冷、热流体的毛细管束分别汇集到各自的出、入口联箱并分分别与冷流体的出入口7、8和热流体的出入口5、6相接。

热流体和回流冷流体分别从热流体流经的毛细管1和冷流体流经的毛细管2中流过，且热流体流经的毛细管1和冷流体流经的毛细管2相邻设置、数量相同、成对布置，且紧密接触，这样，热流体的热量可以充分传递给回流冷流体，并被回流冷流体带回供热热源。

由于在毛细管束内，冷、热流体的毛细管成对接触布置，因此，换热充分，在垂直于轴向的截面上可以认为冷热流体的温度是一致的，这样从供热热源到热用户就形成了温度梯度，随着与热用户距离的接近，管内热流体温度逐渐下降，实际供给热用户的热量较少，若保证供热温度一定，则可以大幅度地延长恒温供热时间。

在热量有限的工作环境中，能够延长供热时间，从而在同样工作情况下减少供热热源所需空间及投资。由于随距离存在温度梯度，因此，靠近供热热源端的管道选用保温性能最佳的保温材料，靠近热用户端的管道由于管内流体温度下降，可选用保温性能一般的保温材料，这样，一定程度上节省了成本。

另外，在靠近供热热源一侧的冷流体毛细管束上装有电磁阀9，可以控制供冷流体流动的毛细管的开通率。在刚开始工作时，供冷流体流动的毛细管全开，随着时间的推移，供热热源的温度有所下降，这时控制关断部分供冷流体流动的毛细管，减少冷流体回流时吸收的热量，从而保证供给热用户的供热温度的稳定。通过对冷流体回流毛细管开通率的调整，可以保证热用户的供热温度基本恒定，避免了在有限热源时，采用常规供热方式的不足。传统供热中，由于供热热源刚开始供热时温度较高，会出现刚开始时供热温度很高，但热量耗散较大，热源温度迅速降低，符合要求的供热时间较短。本发明中，回流冷流体吸收热量并带回给热源，避免过多耗散，延长供热时间，通过电磁阀9控制回流毛细管开通率，从而在热源温度不同的情况下能够保证给热用户的供热温度保持基本恒定。

下面结合实施例做具体说明：

实例1：极地工作中，供热热源为一次性装填热源，热源温度为100℃，热源中工作介质比热容C_p＝4.2kJ/(kg·K)，质量m＝100kg，热用户要求房间温度不低于10℃，房间供热流量可调，房间面积为25m²，房间墙壁厚度为0.5m，面积为60m²，导热系数为0.7w/(m·K)，墙壁内外表面的对流换热系数分别为6w/(m²·K)和40w/(m²·K)，室外温度为零下20℃。

首先计算传热系数k，

$\frac{1}{k}=\frac{1}{h_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{h_2}$

式中：

λ——墙壁导热系数/W·(m·K)^-1；

δ——墙壁厚度/m；

h₁——墙壁内侧对流传热表面传热系数/W·(m²·K)^-1；

h₂——墙壁内侧对流传热表面传热系数/W·(m²·K)^-1。

可得，k＝1.31w/(m²·K)

房间温度为10℃时，散热量Φ＝60×1.31×(10+20)＝2358W。即最少给房间的供热功率应为2358W。

若采用传统供热管道，假设散热为25％，刚开始时热源热流体的出口温度为100℃，热流体管道中流体温度较高，向环境散热损失较大，房间的热流体入口温度为70℃，在房间内供热后回流冷流体出口温度为10℃，冷流体进入热源的入口温度为2.5℃，供热功率按2340W进行计算，流量为33.42kg/h。一小时后，热源平均温度降至67.40℃，房间的热流体入口温度为45.54℃，房间的回流冷流体出口温度为10℃，热源的冷流体入口温度为2.5℃，流量为56.43kg/h。第二个小时后，热源平均温度降至30.77℃。以此类推，热源供热在不到三小时的时间内，就由于温度下降而无法保证热流体出口温度大于热用户要求的10℃。

利用本发明的毛细管输热管道，初始阶段将控制回流冷流体流经的毛细管全部打开，使回流冷流体充分吸收热流体的热量并带回热源，热流体温度随流动距离增加而逐渐降低，到达热用户时温度降至20℃，保证管道平均温度较低，减少向环境散热，流量为200.57kg/h，随着热源温度降低，逐渐控制关断部分回流毛细管，减少回流冷流体吸热，保证给热用户的供热温度。假设散热为10％时，保证供热温度在10℃以上，供热时间可达3.58h，延长供热时间19.3％以上。

实例2：极地工作中，供热热源为一次性装填热源，热源温度为100℃，热源中工作介质比热容C_p＝4.2kJ/(kg·K)，质量m＝100kg，热用户要求房间温度不低于0℃，房间供热流量可调，房间面积为25m²，房间墙壁厚度为0.5m，面积为60m²，导热系数为0.7w/(m·K)，墙壁内外表面的对流换热系数分别为6w/(m²·K)和40w/(m²·K)，室外温度为零下20℃。

首先计算传热系数，其中参数含义同实施例1，

$\frac{1}{k}=\frac{1}{h_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{h_2}$

可得，k＝1.31w/(m²·K)

房间温度为10℃时，散热量Φ＝60×1.31×(0+20)＝1572W。即最少给房间的供热功率应为1572W。

若采用传统供热管道，假设散热为25％，刚开始时热源出口的热流体温度为100℃，热流体管道中流体温度较高，向环境散热损失较大，房间入口温度为70℃，在房间内供热后房间回流冷流体出口温度为0℃，热源冷流体入口温度为-5℃，供热功率按1572W进行计算，流量为19.24kg/h。一小时后，热源平均温度降至79.78℃，房间的热流体入口温度为54.84℃，房间的回流冷流体出口温度为0℃，热源的冷流体入口温度为-5℃，流量为24.57kg/h。第二个小时后，热源平均温度降至58.94℃。以此类推，热源供热在不到五小时的时间内，就由于温度下降而无法保证热流体出口温度大于热用户要求的0℃。

利用本发明的毛细管输热管道，初始阶段将控制回流冷流体流经的毛细管全部打开，使回流冷流体充分吸收热流体的热量并带回，热流体温度随流动距离增加而逐渐降低，到达热用户时温度降至10℃，保证管道平均温度较低，减少向环境散热，流量为134.74kg/h，随着热源温度降低，逐渐控制关断部分回流毛细管，减少回流冷流体吸热，保证给热用户的供热温度。假设散热为10％时，保证供热温度在0℃以上，供热时间可达6.67h，延长供热时间33.5％以上。

实例3：冬天偏远地区工作中，供热热源为一次性装填热源，热源温度为100℃，热源中工作介质比热容C_p＝4.2kJ/(kg·K)，质量m＝100kg，热用户要求房间温度不低于10℃，房间供热流量可调，房间面积为25m²，房间墙壁厚度为0.5m，面积为60m²，导热系数为0.7w/(m·K)，墙壁内外表面的对流换热系数分别为6w/(m²·K)和40w/(m²·K)，室外温度为0℃。

首先计算传热系数，其中参数含义同实施例1，

$\frac{1}{k}=\frac{1}{h_1}+\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\λ}}+\frac{1}{h_2}$

可得，k＝1.31w/(m²·K)

房间温度为10℃时，散热量Φ＝60×1.31×(10+0)＝786W。即最少给房间的供热功率应为786W。

若采用传统供热管道，假设散热为25％，刚开始时热源出口的热流体温度为100℃，热流体管道中流体温度较高，向环境散热损失较大，房间入口热流体的温度为75℃，在房间内供热后房间的回流冷流体出口温度为10℃，热源的冷流体入口温度为7.5℃，供热功率按786W进行计算，流量为10.36kg/h。一小时后，热源平均温度降至90.41℃，房间入口热流体的温度为67.81℃，房间的回流冷流体出口温度为10℃，热源的冷流体入口温度为7.5℃，流量为11.65kg/h。第二个小时后，热源平均温度降至80.74℃，以此类推，热源供热在不到九小时的时间内，就由于温度下降而无法保证热流体出口温度大于热用户要求的10℃。

利用本发明的毛细管输热管道，初始阶段将控制回流冷流体流经的毛细管全部打开，使回流冷流体充分吸收热流体的热量并带回，热流体温度随流动距离增加而逐渐降低，到达热用户时温度降至20℃，保证管道平均温度较低，减少向环境散热，流量为67.37kg/h，随着热源温度降低，逐渐控制关断部分回流毛细管，减少回流冷流体吸热，保证给热用户的供热温度。假设散热为10％时，保证供热温度在10℃以上，供热时间可达12.02h，延长供热时间33％以上。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种延长恒温供热时间的毛细管束管道，其特征在于：包括外管(3)、置于外管(3)内的供热热流体流经的毛细管(1)和回流冷流体流经的毛细管(2)，以及分别设置在外管(3)两端的热流体出口联箱(5)、热流体入口联箱(6)、冷流体出口联箱(7)和冷流体入口联箱(8)，所述热流体流经的毛细管(1)和冷流体流经的毛细管(2)组成了毛细管束，在外管(3)与毛细管束之间填充有保温层(4)，所述供热热流体流经的毛细管(1)和回流冷流体流经的毛细管(2)紧密接触且流向相反。

2.如权利要求1所述的延长恒温供热时间的毛细管束管道，其特征在于：所述热流体流经的毛细管(1)和冷流体流经的毛细管(2)相邻设置、数量相同且成对布置。

3.如权利要求1所述的延长恒温供热时间的毛细管束管道，其特征在于：在靠近供热热源一侧的冷流体毛细管束上装有控制供冷流体流经的毛细管的开通率的电磁阀(9)。

4.如权利要求1所述的延长恒温供热时间的毛细管束管道，其特征在于：靠近供热热源端的保温层的保温性能大于靠近热用户端的保温层的保温性能。

5.根据权利要求1所述延长恒温供热时间的的毛细管束管道的控制方法：其特征在于：在刚开始工作时，供冷流体流动的毛细管全开，随着时间的推移，供热热源的温度有所下降，这时控制关断部分供冷流体流动的毛细管，减少冷流体回流时吸收的热量，从而保证供给热用户的供热温度的稳定。

Images