一種適用于多種轉速的異型旋轉式熱管的制作方法
【專利摘要】一種適用于多種轉速的異型旋轉式熱管，包括熱管主體，熱管主體的下段為熱管蒸發(fā)段，熱管主體的上段為熱管冷卻段，所述熱管內部壁面加工有冷凝液回流結構，熱管蒸發(fā)段的下端設有至少一個分支層，每個分支層至少有兩個以上枝狀吸熱管，吸熱管以熱管主體為中心均勻分布，并向側下方延伸，吸熱管外表面設置肋板形成槳葉。熱管式攪拌槳蒸發(fā)段在較低轉速的情況下，重力作為工質回流的主要動力。在較高轉速的情況時，旋轉產生的離心力作為回流的主要動力，使得該熱管式攪拌槳在各種轉速下，都有很好的適應性。
【專利說明】一種適用于多種轉速的異型旋轉式熱管

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及熱管攪拌生物反應器領域，特別涉及用于對溫度均勻性要求較高、溫度控制精確度高的旋轉式熱管。

【背景技術】
[0002]生物和化學反應器通常需要導出熱量以控制反應器內的溫度，并同時攪拌使其混合均勻、溫度均勻。因此，一般的反應器都設有換熱夾套，大型或熱交換量大的反應器還內置盤管或直管式換熱構件，但這些技術存在著換熱效率低，材料消耗大的問題。并且由于換熱設備是靜止于設備內部的，傳熱效果差，需要更多的換熱面積，造成了反應空間浪費的同時，也使反應介質溫度場不夠均勻，溫度難以準確控制。發(fā)明專利《一種用于多種生物反應的動態(tài)熱管攪拌生物反應器》(CN 101182458)公開了一種用于生物反應的動態(tài)熱管攪拌反應器，在低轉速條件下解決了強化傳熱的問題，但隨著攪拌軸達到一定轉速時，內部工質由于旋轉產生的離心力使得熱管內工質回流運行線路存在不確定性，在實際應用中會有較大缺陷，特別是轉速高的時候，液體基本不回流，會造成熱管失效，此外熱管的冷卻段沒有明確的確實可行的密封結構，使得水冷方式停留在方案階段。


【發(fā)明內容】

[0003]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種適用于低中高轉速條件下的異型旋轉式熱管，采用特殊的內壁面螺旋槽結構，利用熱管旋轉時產生的離心力使冷凝液回流，并使熱管內部工質流動路線更為合理，工作穩(wěn)定。
[0004]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是:一種適用于多種轉速的異型旋轉式熱管，包括熱管主體，熱管主體的下段為熱管蒸發(fā)段，熱管主體的上段為熱管冷卻段，所述熱管內部壁面加工有冷凝液回流結構，熱管蒸發(fā)段的下端設有至少一個分支層，每個分支層至少有兩個以上枝狀吸熱管，吸熱管以熱管主體為中心均勻分布，并向側下方延伸，吸熱管外表面設置肋板形成槳葉。
[0005]上述技術方案中，蒸發(fā)段的下端設有至少一層以熱管主體為中心均勻分布的異型熱管結構槳葉，通過加裝肋板，增加換熱和攪拌效果。
[0006]作為本發(fā)明的進一步改進，所述冷卻段外壁設有水冷夾套，配合熱管冷卻段的翅片能進行很好的散熱。旋轉熱管的冷卻段采用水冷夾套結構，對熱管的冷卻段進行水冷，利用翅片和旋轉作用，強化了散熱能力，可將反應器中產生的熱量及時帶走。冷卻段采用密封結構，克服了風冷效果不好的弱點，使得水冷卻得以實施，加大了旋轉熱管作為攪拌槳的傳熱功率，使得這種反應器適用范圍更廣。
[0007]作為本發(fā)明的進一步改進，所述吸熱管底端和熱管蒸發(fā)段內部連通，形成封閉回路。上述技術方案中，根據(jù)攪拌要求及反應物料的高度、反應溫度以及反應物料的物性蒸發(fā)端布置有一層或多層枝狀吸熱管。由于分叉結構，能夠提供旋轉時產生的離心力在液體回流方向的分力，能顯著提高液體回流效果，還可以是枝狀分叉封閉式的結構，在向上延伸部分的內垂面同樣采用與旋轉方向相反的螺旋槽結構，使液體能夠回流。
[0008]作為本發(fā)明的進一步改進，所述熱管主體的內腔為下大上小的錐形。旋轉熱管的內腔加工成有一定傾角的錐面，充分利用了旋轉產生的離心力，在旋轉熱管轉速比較低的時候，重力作為其工質回流的主要動力，隨著旋轉速度的增加，離心力的回流方向分量便可作為回流動力，保證了熱管在旋轉速度低或者高的時候都能具有很好回流能力，大大擴大了其適用的轉速范圍。
[0009]作為本發(fā)明的進一步改進，所述熱管主體的內壁設有沿旋轉方向螺旋向下的螺旋線槽道。熱管主體的內腔為螺旋槽結構，內壁螺旋線槽道的截面形式，使得工質受旋轉運動產生的切向慣性力在槽道斜側面的反向力和重力作用下，形成一個向下的分力，迫使液體向下流動到蒸發(fā)段，使熱管工質得以回流。所述熱管主體的內腔可加工成螺旋槽結構，一方面為液體的回流提供回流槽道，另一方面，增加了內表面的換熱面積，起到了強化傳熱的作用。
[0010]作為本發(fā)明的進一步改進，所述水冷夾套由夾套管、上部端蓋和下部端蓋組成，上部端蓋、下部端蓋和夾套管之間均用螺紋連接，上部端蓋、下部端蓋和旋轉熱管主體之間采用鋼珠定位和柔性密封結構。旋轉熱管主體與水冷夾套兩部分的密封采用柔性密封結構，為解決熱管主體與冷卻套管密封結構的不同心的問題，以滾珠定位。
[0011]作為本發(fā)明的進一步改進，熱管主體可以為一般水-碳鋼熱管，在某些其他場合可以用不銹鋼-乙醇熱管或者其他材質和工質的熱管取代。
[0012]本發(fā)明的原理是:將熱管的蒸發(fā)段做成槳葉的骨架結構，可以是單層或多層，可以是樹枝狀分叉開放結構或枝狀分叉封閉結構，并可以通過安裝葉片，絲網等構成完整的槳葉結構。熱管的工作類似于一般的重力熱管，管內工質受熱相變?yōu)闅怏w隨后向上流動，在冷凝段由于水冷夾套的冷卻將熱量帶走，工質氣體冷凝成為液體在重力、離心力和螺旋槽道側面反力的多重作用下向蒸發(fā)段回流構成一個回路。枝狀分叉結構的蒸發(fā)段，在旋轉時，使液體受到離心力和重力的作用，可以充分保證每個分枝內的熱管工作時的工質回流，枝狀封閉結構中的向上側的內腔設有螺旋槽結構，原理與旋轉軸相同。回流液工質在蒸發(fā)段吸收熱量蒸發(fā)，在冷凝段由于水冷作用，凝結為液體。通過工質循環(huán)，將反應器產生的熱量帶出反應器，保證了反應器的攪拌和傳熱性能，并且具有優(yōu)良的均溫性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明實施例的結構示意圖，包括圖1A開式和圖1B閉式兩種情況；
圖2熱管蒸發(fā)段結構示意圖，圖2A為3分支吸熱管分布圖，圖2B為4分支吸熱管分布圖；
圖3旋轉熱管結構示意圖，圖3A為單層結構，圖3B為雙層結構，圖3C為閉式結構；
圖4旋轉熱管內受力及流動示意圖，圖4A為冷凝段，圖4B為蒸發(fā)段；
圖5內壁加工螺旋槽道后的液體運動圖；
圖6液滴在螺旋槽中的受力圖；圖6A為初始狀態(tài)，圖6B為經過一個時間間隔后的狀態(tài)；
圖7為分支管形成封閉回路的結構示意圖；圖7八是分支管形成封閉回路的一種結構示意圖，圖7B是分支管形成封閉回路的另一種結構示意圖； 圖8為本發(fā)明實施例的水冷夾套密封結構示意圖；
I——熱管主體，2——熱管冷卻段，3——熱管蒸發(fā)段，4——槳葉層，5——熱管內腔，61——螺旋槽道31——蒸發(fā)段枝狀吸熱管，11——熱管定位夾套21——冷卻翅片，22——水冷夾套，42——攪拌肋片，7——唇形密封，8——鋼珠，9——端蓋，1——水冷夾套端面。

【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例做進一步說明。
實施例
[0015]如圖1A和IB所示，一種適用于多種轉速的異型旋轉式熱管，包括熱管主體I，熱管主體的上段為熱管冷卻段2，熱管主體的下段為熱管蒸發(fā)段3，熱管冷卻段2的外表面設有翅片21。熱管蒸發(fā)段3的外側可設槳葉層4 (下簡稱吸熱管)。
[0016]如圖2A所示，熱管蒸發(fā)段3設有三個吸熱管31，吸熱管31以熱管主體I為中心均勻分布，并向側下方延伸，吸熱管31外表面設置肋板4形成槳葉。
[0017]如圖2B所示，熱管蒸發(fā)段3設有四個吸熱管31，吸熱管31以熱管主體I為中心均勻分布，并向側下方延伸，吸熱管31外表面設置肋板4形成槳葉。
[0018]如圖7A和7B所示，吸熱管3的底端相互連通，形成閉合回路。
[0019]如圖3所示熱管結構，圖3A為單層槳葉熱管結構圖，圖3B為多層熱管槳葉結構圖，圖3C為閉式槳葉結構圖。熱管內腔5的空心真空結構是熱管冷凝段和蒸發(fā)段內液體和氣體的流動通道，在蒸發(fā)段3的吸熱管31中，由于其特有的分叉結構，在旋轉的時候會產生一定的離心力，也能增加其液體的回流動力，提高換熱性能。熱管低速旋轉時，重力作為其主要回流動力，熱管高速旋轉時，離心力分量作為回流的主要動力，使熱管具有良好的轉速適用范圍。
[0020]熱管主體I由電機帶動，旋轉熱管蒸發(fā)段的分支吸熱管3圍繞中心軸對稱布置，構成了攪拌槳的基本結構。隨著熱管的旋轉，一方面起到了攪拌作用，一方面由于熱管本身很小的熱阻，對反應器內部的熱量移出也有很大的促進作用。熱管的材料通常選用水-碳鋼熱管?？紤]到反應器內的液體的反應熱大小及腐蝕性，某些場合也可以選用水-不銹鋼熱管或者其他材質和工質的熱管。
[0021]根據(jù)不同的場合和操作工況的不同，熱管蒸發(fā)段可以做成三分支管，如圖2A所示，或者四分支管等其他結構，如圖2B所示。由于熱管蒸發(fā)段3的結構布置的不同，本熱管可以改造成類似于現(xiàn)在已有的各種槳葉結構，或者在熱管蒸發(fā)段3軸部上加裝輔助槳葉以適用于多種反應場合。
[0022]在熱管冷凝段2內部可以通過將內腔5加工成錐形的方式，提高其在旋轉時的回流動力，流線及受力如圖4 A中所示，圖4 A為熱管中心軸剖面圖，a-a為蒸汽的流動線路，b-b為液體的回流線路。在蒸發(fā)段3，由于其特有的分叉結構，在旋轉的時候會產生一定的離心力F，也能增加其液體的回流動力Fs，提高換熱性能，如圖4B。熱管中間軸內壁制成一定的傾斜角度，并對離心力做了分解示意。圖中a-a，c-c為蒸汽的流動線路，b-b，d-d為液體的回流線路。熱管低速旋轉時，重力作為其主要回流動力，熱管高速旋轉時，離心力分量作為回流的主要動力，使熱管具有良好的轉速適用范圍。
[0023]熱管冷卻段2的內腔5設有沿旋轉方向螺旋向下的螺旋線槽道61，圖5是內壁加工螺旋線時的回流情況。由于液體存在切向的慣性力作用，當熱管旋轉方向和內螺紋方向相反時，液體將會沿著螺旋線流動，如圖5A所示，當旋轉熱管沿著A-A方向旋轉時,冷凝液體沿著螺旋線旋轉向下流動，流線如e-e所示。這樣解決了當熱管旋轉速度較高時液體回流障礙的問題。同樣這種結構也適用于低速旋轉的熱管。熱管低速旋轉時，重力為回流的主要動力，內壁的螺旋線結構，能夠顯著提高液體的湍流度，同時，增加換熱表面積，起到傳熱強化的作用。螺旋線槽道61的形狀可以加工成如圖5B所示的梯形或者其他形狀。當懸浮的液滴沿著f_f撞擊倒槽道時，會沿著g_g回彈，從而留在槽道中回流。
[0024]為了對液體受力進行進一步的說明，取螺旋槽微元，其受力情況可用圖6表示。由于離心力始終與運動方向垂直，不作為液體回流的力，固在圖中均未表示。圖6A所示的是初始階段，液滴在槽道內隨著管壁運動。由于管壁的運動速度大于初始液滴的速度，存在一定的運動差經過很短的時間，會出現(xiàn)圖6B所示的狀態(tài)。同時，運動的不同步使管壁的表面提供給液體一個摩擦力F1,當液滴在圖6B所示狀態(tài)時，壁面的約束會產生力F2,F2的方向斜向下。F2力的豎直方向分力和液滴所受的重力，將共同作為液體回流的動力存在，迫使液體返回蒸發(fā)段。隨著轉速的增加，重力起的作用越小，F(xiàn)2力的豎直方向分力起的作用越大。
[0025]對熱管蒸發(fā)段可以加工成為圖7所示的封閉回路結構，由于離心力的作用，底部液體將分布在兩側的分支管中，為遠離軸線的部分提供換熱，為反應器內的均溫性提供結構條件。而由于蒸汽密度低，相對于工質，受到的離心力作用小，熱管蒸發(fā)段的內腔部分均能作為蒸汽向冷卻段流動的流動通道。這樣的結構，使得熱管在蒸發(fā)段體積較大時，始終會有充分的工質，有效避免熱管過早的出現(xiàn)干涸。
[0026]當熱管采用水冷或者其他液體進行冷卻時，本發(fā)明采用水冷夾套22，水冷夾套22中包括動密封結構的上、下軸承座12。如圖8所示，軸承座12安裝在水冷夾套端面10的外側，包括軸承蓋9、軸承11和密封7，以滾珠8定位，唇形密封7進行密封。水冷夾套端面10與軸承座12用螺栓壓緊，圖8所示的是其連接的情況。這種鋼珠結構相比普通的軸承定位減少了空間占用率，同時更加適用于熱管這一非標換熱件，使熱管的結構可以更加的多樣化。相比于采用密封件7直接定位這一方法，可以能夠有效的減少密封件的磨損，提高設備的使用壽命。
[0027]本發(fā)明可以顯著提高反應器的換熱效率和空間利用率。同時利用熱管的優(yōu)良的等溫性能，和蒸發(fā)段長度可調的特點，能夠應用于對于溫度敏感性和均溫性要求比較高的場口 ο
【權利要求】
1.一種適用于多種轉速的異型旋轉式熱管，包括熱管主體，熱管主體的下段為熱管蒸發(fā)段，熱管主體的上段為熱管冷卻段，其特征在于，所述熱管內部壁面加工有冷凝液回流結構，熱管蒸發(fā)段的下端設有至少一個分支層，每個分支層至少有兩個以上枝狀吸熱管，吸熱管以熱管主體為中心均勻分布，并向側下方延伸，吸熱管外表面設置肋板形成槳葉。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其特征在于，所述冷卻段外壁設有散熱翅片或者水冷夾套。
3.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其特征在于，所述吸熱管底端和熱管蒸發(fā)段內部連通，形成封閉回路。
4.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其特征在于，所述冷凝液回流結構為熱管內壁面加工成下大上小的錐形。
5.根據(jù)權利要求1所述的熱管，其特征在于，所述冷凝液回流結構為熱管主體的內壁設有沿旋轉方向螺旋向下的螺旋線槽道。
6.根據(jù)權利要求4所述的熱管，其特征在于，所述螺旋線槽道截面是三角形或梯形。
7.根據(jù)權利要求1所述的旋轉熱管，其特征在于，所述熱管主體為水-碳鋼熱管或不銹鋼-水熱管。
【文檔編號】F28D15/02GK104266516SQ201410475615
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權日:2014年9月18日
【發(fā)明者】朱躍釗, 劉宇軒, 范紅途, 王銀峰, 陳海軍, 楊麗 申請人:南京工業(yè)大學