专利名称：用于热管冻结保护的可变形插件的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及热管式热交换器，具体地涉及一种用来防止热管中的工作流体冻结时热管破裂的措施。
热管式热交换器是众所周知的，并且被广泛地用来加热和冷却气体和流体。它们运作时是使热流体经过一组装有工作流体的热管而实现热交换的。这种工作流体起到热传递媒质的作用，从热交换器热的一侧吸收热量，并将这些热量传递到冷的一侧，在那儿被冷却。由于这种冷却，工作流体可再用来从热交换器热的一侧吸收热量。然后这一循环重复进行。
热管式热交换器所伴随的一个主要问题在于当热交换器不运作时工作流体的冻结。这种冻结使工作流体(一般为水)膨胀，从而可能使热管破裂，而使得热交换器严重损坏或至少部分损坏。
以往，一般有三个方法来解决这一问题。其一，增加热管的壁厚以抵抗水冻结所强加的力。然而，可以想象，这种方法大大增加了热交换器的成本。
其二，在工作流体中加入化学添加剂使工作流体的冻结温度低于预期的最低运作温度。不幸的是，这种化学添加剂通常是危险品，并且在某些应用场合下它们不可能充分地抑制冻结点，这些场合中的暴露温度或环境温度明显地低于调节好的冻结温度。并且，超过规定时间，这种化学物质具有分解的趋势，从而减弱了它们使冻结点降低到所需值的能力(操作者先事并不知道这种化学分解，直到一根热管破裂时才能发现)。而且，在工作流体中使用化学物质可在热管的内壁上产生一覆层，从而包住热管并且降低其效率。化学添加剂还可能腐蚀热管壁面，并且可能与其中装有的工作流体或气体发生有害反应。
第三种方法是采用受控制的热源、如电加热器，来使热管中的工作流体的温度保持在冻结温度之上。这些额外的加热器明显地增加了热交换器的成本，因为它们增加了复杂性，并且在能够对暴露的热管输送热量的同时还必须保护它们不受这些元件的影响。并且，这些加热器在无能源或在能源发生故障的情况下进行传递的过程中，不能提供保护作用(这通常是冷温和冰温突然袭击所造成的结果)。
因此本发明的一个目的在于提供用来防止热交换器中的热管在工作流体冻结时损坏的另一种方法。本发明的另一个目的在于提供一种不需要能源或额外连接件的冻结保护，这样即使在热交换器的传递和施工过程中，或在能源短缺时，以及当热交换器不工作、诸如修理或维护时，都能够提供冻结保护。本发明进一步的目的在于提供一种冻结保护，它不会干扰热管中发生的热交换运行。本发明还有一个目的在于提供一种冻结保护，超过规定的时间，它既不会分解也不会减弱保护能力。本发明再一个目的在于提供一种低成本的冻结保护，只是在一定程度上增加一些制造和材料成本。本发明的这些和其它目的及优点通过进一步的报告将更为明了。
本发明涉及一种保护诸如通常安装在一热管交换器中的倾斜热管在其中所装有的工作流体冻结的情况下破裂的措施。它通常由定位在工作流体通常聚集的热管的热侧中心位置的一个插件构成。该插件浸在工作流体中，并且伸到热管中的工作流体的静止液面处或略高出。一种气体/液体混合物装在该插件中，该混合物处于大于非冻结时的工作流体压力(即该压力一般为热管中的压力)的压力作用下。该插件大体上由薄壁材料或薄枕块制成，它们可弯曲和变形而不会损坏。因此，当工作流体冻结而膨胀时，其中的插件被冻结的工作流体所施加的较大力收缩。插件的这种收缩可避免由工作流体的膨胀而引起的对热管的过度加压或损坏。插件的这种收缩是通过装在其中的气体/液体混合物的进一步加压来实现的。当工作流体融化时，受挤压的插件由于当时插件中的压力大于非冻结的工作流体的压力而反弹回其通常的形状。
图1是具有本发明的插件的热管热交换器的典型热管的示意图；图2是沿图1中的线2-2所获得的截面图，图中示出了本发明的插件在热管中的位置和工作状态；图3a-c都是与图2类似的截面图，但是示出了本发明插件的不同实施例或结构。
先请参见图1，图中示出了通常安装在一热管式热交换器12中的热管10。这种热交换器12通常都有一分隔板14，它将热侧或热量吸收侧16与冷侧或排热侧18分开。如图所示的，热管10略倾斜地横伸过热侧16和冷侧18，这倾斜是从热侧16升起，到达冷侧18。热管10倾斜的目的是工作流体20(通常为水，但也可以是甲醇、氨水或其它类似的流体)将由于重力而自然地集聚在热交换器12的热侧16。因此，当热交换器12不运行(诸如当要修理、维护或施工)时，热侧16中聚集的工作流体20受到冻结的作用，这些流体20将暴露在冻结温度下。
为防止热管受到这种冻结的损坏，将一可变形的插件22放在热管10的热侧16。这种插件22理想地是位于热管10中央，并且沿着如图所示的聚集在倾斜的热管10中的工作流体20的浸湿方向延伸。插件22较优选地是伸到工作流体20的静止液面24处或略超出，如图所示。
图2示出了处于热管10中的中心位置上的插件22。该图还示出了插件22是一薄壁管，如具有计时砂漏形状的薄枕块。插件22的所有侧边和端部是完全密封的。插件22其它可能的结构示出在图3中。当然，插件22还可以是任何所需的形状，而并不局限于图中所示出的几种。插件22一个重要的特点是应该用密封的、薄的、不渗透性的、易于变形材料、诸如金属箔或类似材料制成。
不管其结构如何，插件22中都充有少量的液体26，它一般与工作流体20相同。一种受压缩惰性气体28充入插件22剩余的较大容积中，从而使插件22加压到大于热管10的其余部分压力的程度(即横贯插件22存在正压差)。换句话说，插件22的内部加压大于当工作流体20没有冻结时作用于其上的外部作用力。然而，当工作流体20冻结时，这种流体20膨胀，从而产生大于插件22的内部压力的冻结压力。因此，并不是使热管10破裂，而是工作流体20的这种冻结/膨胀压力由插件22的收缩所轻易地补偿了。
当工作流体20没有冻结时，插件22中的这种积极加压的一个目的在于，一旦作用于其上的冻结压力不再存在或减弱时，插件22将“弹回”到其原来的形状。如果插件22没有如此过度受压，在第一次冻结循环以后，插件22将极可能保持其变形状态，而不能为后来的冻结循环提供所需的保护(或“弹力”)。
插件22的横截面的形状制成为能使插件22在工作流体20的冻结和膨胀过程中作用在其上的外部的冻结压力下变形。此形状便于塑性和/或弹性变形或弯曲，不会损坏或破裂。因此，插件22将在工作流体20的冻结(即膨胀)过程中弯曲和收缩，这样外部热管10将不会受到这种力的作用，也不会因此而失效。另外，插件10将吸收足够量的所产生的冻结压力，这样任何剩余的压力都将不足以使外部热管10损坏。插件22设计成计时砂漏构造以便在其“腰”部收缩，以补偿它可能受到的任何外部冰压力。这种计时砂漏形状还可能是由于如图3a所示的椭圆形插件22在第一冻结循环后塑性变形所形成的。
如前所述的，插件22仅伸在热侧16的热管10中，以便浸在工作流体20中。插件22没有必要在热管10的整个长度上延伸，因为冻结保护仅在工作流体20集中的场合下需要。在工作流体20的任何冻结过程中，工作流体20的膨胀将使插件22被压缩。这将防止压着热管10的管壁的任何冻结压力的增大，从而避免了因工作流体20的冻结而引起热管10破裂的可能性。换句话说，这种冻结压力将由插件22来补偿。然而，一旦工作流体20融化，插件22的过度加压将使插件22回复到其原来的形状，以备冻结压力的下一次突升。
虽然图3a-c揭示了插件22的其它结构(图3a为椭圆形、图3b为十字形、图3c为泪珠形)，但还可以有其它类似的结构。任何形状的插件22的重要特点都如下所述(a)由一种密封的、不渗透的、可变形的、薄壁材料，如薄枕或其它类似的材料构成；(b)在其非冻结状态，相对工作流体20(即热管10的内部)的压力它是过度加压的；(c)当工作流体20冻结时插件22有变形和适应的能力，一旦冻结威胁不再存在时还能恢复到其原来的形状；(d)在插件22中只装有少量的(一般与工作流体20相同)的液体26，其余的部分充满惰性压缩气体，以及；(e)插件22仅在热管10的热侧16部分中的工作流体20中延伸。
这种插件22藉由沿其长度方向支撑插件22的带子或支架(未示)于其大致中心位置保持在热管10中。较佳地，这种带子或插件不是连续的，而是沿着插件22的长度方向间断的或隔开放置，以便不干扰热管10中工作流体20的流动或运动。插件22的实际结构可为薄碳钢或不锈钢，但也可使用其它材料，只要它们足以耐受冻结压力的反复作用(即重复变形)并且既不与工作流体20也不与热管10发生反应。
虽然以上结合一热管加热器12作了描述，但容易理解的是，插件22同样可以应用到任何一种在冻结温度下受到冻结和/或破裂困扰的液体承载管道或导管中。
权利要求
1.一种用于保护其中装有一种工作流体的细长管道的插件，它为一细长的、密封的薄壁可变形体，所述插件在管道的工作流体中延伸，并且装有一种液体/气体混合物，所述插件具有大于非冻结状态时的工作流体压力的内压力，所述插件在工作流体冻结时收缩，从而补偿管道范围中的工作流体的膨胀，而不会使管道过度受压，所述插件在工作流体所产生的冻结力下降时体积膨胀。
2.如权利要求1所述的插件，其特征在于，所述插件中的所述液体/气体混合物的液体部分与工作流体相同，并且所述插件中的所述液体/气体混合物的气体为惰性的。
3.如权利要求2所述的插件，其特征在于，所述插件一般位于管道的中心，并且在管道中的工作流体的液面处或略高处终止。
4.如权利要求3所述的插件，其特征在于，所述插件的纵轴通常平行于管道的纵轴。
5.如权利要求4所述的插件，其特征在于，所述插件的所述纵轴与管道的纵轴是同轴的。
6.如权利要求4所述的插件，其特征在于，所述插件由金属薄片构成。
7.如权利要求4所述的插件，其特征在于，所述工作流体包括水或以水为基质的流体。
8.一种具有冻结保护的热管，它包括(a)一种其中装有工作流体的细长的封闭热管，所述热管处于初始压力状态；以及，(b)在所述热管的所述工作流体中延伸的细长的、封闭的薄壁可变形插件，所述插件中装有液体和气体，所述插件处于大于所述初始压力的状态，所述插件在工作流体冻结时收缩，以补偿管道范围中工作流体的膨胀不会使管道过度受压，并且所述插件在工作流体融化时大体上能恢复到其原来形状。
9.如权利要求8所述的插件，其特征在于，所述插件中的所述液体与工作流体相同，所述插件中的所述气体为惰性的。
10.如权利要求9所述的插件，其特征在于，所述插件通常位于所述热管的中心，并且在所述热管的所述工作流体液面处或略高处终止。
11.如权利要求10所述的插件，其特征在于，所述插件的纵轴通常平行于所述管道的纵轴。
12.如权利要求11所述的插件，其特征在于，所述插件的所述纵轴与管道的纵轴同轴。
13.如权利要求11所述的插件，其特征在于，所述插件由金属薄片构成。
14.如权利要求11所述的插件，其特征在于，所述工作流体为水或以水为基质的流体。
15.一种具有冻结保护的热管式热交换器，它包括(a)多个倾斜的细长热管，从热交换器的下方热侧伸向其上方冷侧，所述热管在所述热侧装有初始压力的工作流体；以及，(b)一细长的、封闭的薄壁可变形插件浸在所述热管的所述热侧的所述工作流体中，所述插件中装有压力大于所述初始压力的液体和气体，所述插件在工作流体冻结时收缩，以补偿管道范围中的工作流体的膨胀，而不会使管道过度受压，并且其中所述插件在工作流体融化时通常能恢复到其原来的形状。
16.如权利要求15所述的热管，其特征在于，所述插件中的所述液体与工作流体相同，所述插件内的所述气体为惰性气体。
17.如权利要求16所述的热管，其特征在于，所述插件通常位于所述热管的中心位置并且在所述倾斜热管中的所述工作流体的液面处或略高处终止。
18.如权利要求17所述的热管，其特征在于，所述插件的纵轴通常平行于所述管道的纵轴。
19.如权利要求18所述的热管，其特征在于，所述插件的所述纵轴与管道的纵轴同轴。
20.如权利要求18所述的热管，其特征在于，所述插件由金属薄片构成。
21.如权利要求18所述的热管，其特征在于，所述工作流体包括水或以水为基质的流体。
全文摘要
一种插在一倾斜热管的热(蒸发)侧中的可变形的被加压的插件，该热管构成一热管式热交换器的一部分。该插件用来防止热管在其中的工作流体冻结时发生破裂。该插件由能够变形(收缩)而吸收由工作流体在冻结温度下冻结时所施加的膨胀压力的薄壁可变形材料构成。通过这种吸收作用，外热管本身不会过度受压而引起破裂。一旦工作流体融化，收缩的插件(它处于比非冻结状态的工作流体压力大的压力下)将立即再恢复其形状。
文档编号F28D15/02GK1157907SQ9611859
公开日1997年8月27日 申请日期1996年11月28日 优先权日1996年1月16日
发明者瑞德·E·斯图尔特, 蒂尔曼·W·罗伯特, 瓦勒·W·哈洛德 申请人:赫德逊产品有限公司