CN101311647B - 用于制冷剂循环***的复合型满液式热交换器 - Google Patents

Abstract

一种用于制冷剂循环***的复合型满液式热交换器，其中制冷剂在管束的外侧流经管束，以便与在管束内流动的传热介质进行热交换，所述管束包括至少两种适于不同热交换类型的管，即至少包括适于制冷剂蒸发的热交换的管以及适于制冷剂冷凝的热交换的管。本发明的满液式热交换器和传统的热泵采用的干式蒸发器相比，显著地提高了换热效率；和传统的满液式蒸发器相比，提高了作为冷凝器的换热效率。使得该热交换器即可用作满液式蒸发器又可用作冷凝器，从而特别适用于热泵装置。

Description

用于制冷剂循环***的复合型满液式热交换器

技术领域

本发明总体上涉及用于制冷剂循环***的热交换器，尤其涉及一种用于热泵式制冷剂循环***的复合型满液式热交换器。本发明还涉及一种使用这种复合型满液式热交换器的热交换过程。

背景技术

常规的热泵式制冷剂循环***(例如热泵冷水机组)已经广泛地应用在各种空调场合中。这种常规的热泵机组通常包括往复式或螺杆式的压缩机、(在制冷循环中向外界排散热量，在制热循环中从外界吸收热量的)第一热交换器、膨胀装置、和(在制冷循环中从外界吸收热量，在制热循环中向外界排散热量的)第二热交换器。

该第二热交换器在制冷循环中用作蒸发器以便使得制冷剂蒸发，而在制热循环中用作冷凝器以便使得制冷剂冷凝。在该第二热交换器中，制冷剂与例如水或乙二醇溶液的传热介质进行热交换，在制冷循环中制冷剂在该热交换器中蒸发，以便冷却该传热介质，该传热介质又可用于冷却待进行空气调节的环境；在制热循环中制冷剂在该热交换器中冷凝，以便加热该传热介质，该传热介质又可用于加热待进行空气调节的环境。

在常规的热泵机组中，该第二热交换器通常构造成干式蒸发器。在传热管外侧的传热介质与在传热管内的制冷剂进行热交换，液态的制冷剂吸收来自传热介质的热量并蒸发为气态制冷剂，从而使得传热介质的温度降低。在这种干式蒸发器中的一部分热交换区域上，蒸发为气态的制冷剂(而不是液态制冷剂)与传热介质进行热交换，因此这部分热交换面积不能被有效地利用，甚至总热交换面积的20％不能被有效地利用。

在本领域中已经提出，使用满液式蒸发器作为第二热交换器。在满液式蒸发器的整个热交换区域上，传热介质始终与液态的制冷剂进行热交换，由此增大了蒸发器的效率。然而，这种满液式蒸发器仅仅适用于制冷剂蒸发类型的热交换，而不适于制冷剂冷凝类型的热交换。如果在热泵机组中采用这种蒸发器，则在制热循环过程中该蒸发器不适当地且不利地被用作冷凝器，这将明显地降低冷凝效果和整个循环的效率。当然可以增大该蒸发器的尺寸和热交换面积以获得所希望的冷凝效果，但是这会增加制造成本和难度。

因此在本领域中仍然存在提供一种能够克服或至少减轻现有技术所涉及的问题和缺点的满液式热交换器的需要。

发明内容

因此，本发明的一目的在于提供一种适用于热泵式制冷剂循环***的改进的满液式热交换器。

本发明的另一目的在于提供一种适于用作制冷剂蒸发器也适于用作制冷剂冷凝器的满液式热交换器。

本发明的再一目的在于提供一种结构简单、便于制造、成本合理的用于制冷剂循环的多用途的热交换器。

在本发明的一个优选方面中，提供了一种用于制冷剂循环***的复合型满液式热交换器，所述热交换器包括一筒体，其中设置有多个供传热介质流经的管；设置在筒体的每一端处的端板，在端板上设置有多个通孔以便安装所述管束；设置在端板上的端盖；设置在筒体上的制冷剂入口端口和出口端口；以及设置在端盖上的传热介质入口端口和出口端口。制冷剂在所述管束的外侧流经所述管束，以便与在所述管束内流动的所述传热介质进行热交换，所述管束包括至少两种适于不同热交换类型的管，即至少包括适于制冷剂蒸发的热交换的管以及适于制冷剂冷凝的热交换的管。

借助本发明的满液式热交换器，显著地提高了热交换效率，使得该热交换器即可用作满液式蒸发器又可用作冷凝器。和传统的热泵采用的干式蒸发器相比，提高了换热效率；和传统的满液式蒸发器相比，提高了作为冷凝器的换热效率。降低了投资成本，还提高了整个***的可靠性。

附图说明

通过参照附图并结合本发明的具体实施例的详细描述，可更好地理解本发明其它和另外的目的、特征、和优点，在附图中：

图1是采用本发明的热交换器的制冷剂循环的示意图；

图2是依据本发明的热交换器的一实施例的结构示意图；

图3是依据本发明的热交换器的另一实施例的截面图；

图4是依据本发明的热交换器的再一实施例的截面图；

图5是一种用于本发明的热交换器的管的示意图；和

图6是另一种用于本发明的热交换器的管的示意图。

在附图中，相同的附图标记表示相同的或等效的部件。

具体实施方式

以下参照附图来详细描述本发明的热交换器。尽管在本发明的优选实施例中，参照卧式的壳管式热交换器进行描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，本发明的热交换器不限于此，本发明的热交换原理可应用于其它的任何适当的热交换器，例如立式的壳管式热交换器、以及水冷的壳-盘管式热交换器等等。另外，尽管本发明参照蒸气压缩式的热泵型制冷剂循环来进行描述，但是本领域的普通技术人员应当理解，本发明的热交换器还可用于其它的类型的制冷剂循环。

图1示出了示例性的热泵型空调***的制冷剂循环，其总体上由附图标记101表示。这种蒸发压缩式的制冷剂循环基本上包括：用于压缩制冷剂的压缩机111；在制冷循环中向外界排散热量的第一热交换器109；使得高压的液态制冷剂膨胀为低压制冷剂的膨胀装置107；在制冷循环中吸收热量的第二热交换器105；以及使得该制冷剂循环在制冷模式(制冷循环)和制热模式(制热循环)之间切换的四通阀140。

本领域的普通技术人员应当理解图1中所示的制冷剂循环只是示意性或说明性的，而非限定性。例如，尽管图1中所示的压缩机是螺杆式压缩机，但是也可采用往复式或离心式的压缩机。同样，尽管图1中所示的膨胀装置是电子膨胀阀(EXV)，但是可依据该***的应用场合和其它考虑因素，使用其它类型的膨胀阀，例如热力膨胀阀(TXV)。如果需要，还可设置其它的有利的装置以便提高循环效率，例如经济器循环144。另外，还可设置有其它的辅助部件，例如集液器110、用于回收润滑油的分离器、以及用于控制该循环的控制单元113和传感器147、149。这些不是本发明的主要部分。

如图1及其中的箭头所示，制冷剂循环101以制冷模式工作。经压缩机压缩之后的高压且高温的气态制冷剂经由管路139和四通阀140流向第一热交换器109。在该第一热交换器109中，该气态制冷剂冷凝成液态制冷剂并向外界排散热量。冷凝后的制冷剂依次经由管路143和经济器144流向膨胀阀107。在膨胀阀107中该高压的液态制冷剂膨胀为低压的制冷剂，并经由管路145流向第二热交换器105。在该第二热交换器105中，制冷剂例如氢氟烃(HFC)和/或氢氯氟烃(HCFC)与传热介质例如水进行热交换，具体地说，液态的制冷剂蒸发成气态制冷剂并吸收来自传热介质的热量，从而冷却该传热介质。制冷剂包括但不限于R-22、R-134a、R-407c、和R-410a。传热介质流向风机盘管并借助该风机盘管冷却需进行冷却的空间。该气态制冷剂经由管路133、集液器110、和管路157返回到压缩机111，以便完成该制冷剂循环。

图1所示的四通阀140中的虚线示出了制冷剂制热循环，即，以热泵或制热模式工作。为了简明，图1中没有示出制冷剂在制热模式中的流动方向，然而这种制热循环的流动方向也应当是本领域的普通技术人员已知的。当四通阀140切换成虚线所示的流动路径之后，经压缩的制冷剂首先流向第二热交换器105，该气态制冷剂冷凝成液态制冷剂并向流经该第二热交换器105的传热介质排散热量，即加热该传热介质。被加热的传热介质可用于加热需供热的空间。该液态制冷剂再依次经由膨胀阀、经济器、第一热交换器，返回到压缩机，以便完成该热泵循环。

如图2、3、和4所示，第二热交换器105构造成壳管式热交换器。在管状筒体201中设置有由多个传热管形成的管束203，传热介质在管内流动，制冷剂在管外侧与传热介质进行热交换。该热交换器还包括设置在筒体的每一端处的端板205。所述传热管在端板之间延伸并由端板来支承。在图2所示的壳管式热交换器中，传热管的管束203构造成两流程形式，但是应当理解还可采用其它的形式的管束，例如单流程或多流程。在热交换器中还可设置多个挡板215，以便保持管束并引导制冷剂流动，从而避免出现流动短路和热交换效率下降的区域。

如图3和4清晰所示，管束203包括在结构、功能、和应用场合等方面彼此不同的传热管301和303。管301是对于制冷剂蒸发时的热交换进行优化的传热管，以下称为“蒸发管”，而管303是对于制冷剂冷凝时的热交换进行优化的传热管，以下称为“冷凝管”。换言之，蒸发管301适于制冷剂蒸发的热交换，而冷凝管303适于制冷剂冷凝的热交换。在本说明书中所使用的术语“对于...热交换进行优化”或“适于...热交换”指的是包括任何适于提高管外侧的制冷剂与管内侧的传热介质之间传热效果的技术手段，例如在管外侧的细小翅片以及管内侧的凹凸部分等，以便增大传热面积或加强流体流动，甚至包括例如使用导热率增大的材料来制造传热管。这些强化传热效果的技术手段可基于例如管束的特性以及制冷剂和传热介质的特性等因素而改变，这些因素包括但不限于流体温度、流率、相变、流动形式、和彼此流动方向。这些强化传热效果的技术手段对于本领域的普通技术人员而言可以是公知的。

在制冷循环中，第二热交换器105用作蒸发器，来自膨胀阀107的低温的液态制冷剂从筒体201的下部端口305引入该筒体。在筒体201中液体制冷剂的液面被控制成处于这样的位置，即，使得绝大部分的蒸发管301淹没在液态制冷剂液面下，优选为全部的蒸发管301淹没在液面之下，更优选的是所有管束被淹没，这样，使得该蒸发器构造成满液式蒸发器。液态制冷剂随后在管外侧吸收来自管内侧的传热介质的热量并蒸发成制冷剂蒸气，由此冷却流经管的传热介质。所产生的制冷剂蒸气从位于筒体上部的上部端口307离开该热交换器并返回压缩机。该筒体还可设置一相分离器，以便防止离开的制冷剂蒸气夹带液态制冷剂而导致压缩机液击。

传热介质例如水从(未示出的)下部入口引入管束203。在一个优选实施例中，由蒸发管301形成的管束定位于由冷凝管303形成的管束的下面。具体而言，蒸发管301布置在筒体201的下部和/或中部，冷凝管303布置在筒体201的上部，参见图4。在其它实施例中，冷凝管303可以布置成靠近筒体201的中部，以便全部或部分地被如下所述的液态制冷剂淹没，如图3所示。为了方便安装和/或顾及热交换的考虑因素，蒸发管301和冷凝管303可以彼此间隔开一距离。在另一实施例中，它们也可以彼此紧靠地布置。

传热介质可首先流经蒸发管301。此刻，与干式蒸发器不同，传热介质始终与管外的液态制冷剂进行热交换，所有的蒸发管301被充分地利用以便进行传热，增大了传热面积和效率，而且与干式蒸发器相比，还降低了离开的制冷剂蒸气的过热度。被冷却的传热介质随后流经设置在蒸发管301之上的冷凝管303，以便进一步地被冷却。其后，传热介质经由上部出口离开冷凝管303。

另一方面，在例如除霜操作或热泵运行的制热循环中，第二热交换器105用作冷凝器，来自压缩机111的高温的气态制冷剂从筒体201的上部端口307引入该筒体。该气态制冷剂首先与流经冷凝管303的传热介质例如冷却水进行热交换，也就是说，气态制冷剂的热量排散给作为冷却剂的传热介质并在冷凝管303的外侧上冷凝成制冷剂液体。如上所述，冷凝管303是优化用于制冷剂冷凝的热交换，因此在冷凝过程中其展示出极佳的传热系数，由此显著提高了传递给传热介质的热量，而且也提高了所获得的传热介质的温度。冷凝后的制冷剂液体从管外壁上滴落到筒体的下部，并在筒体中积聚以形成一定高度的液面，以便优选地淹没基本上所有的蒸发管301。所获得的制冷剂液体从筒体的下部端口305离开该热交换器，以便流向膨胀阀。

由于蒸发管301淹没在液面之下，因此使得流经蒸发管301的传热介质可提供对制冷剂的进一步冷却。借助上述构造的冷凝器，能够在整体上降低制冷剂冷凝过程的冷凝温度，由此使得制冷剂冷凝压力明显下降，例如对于R-134a的制冷剂而言冷凝压力可降低大约5kgf。

需注意的是，在制热循环中，制冷剂从上部端口进入该热交换器并从下部端口离开，其总体上的流动方向与制冷循环时的流动方向相反。可以设置相应的控制装置、阀和管道来实现这种流动切换。或者，除了端口305、307之外，可设置另外的端口以用作制热循环过程中的制冷剂的入口和出口。

与制冷循环相似，传热介质可从下部入口引入管束203，流向(未示出的)上部出口。本领域的普通技术人员应当理解，传热介质也可从上部入口首先引导到冷凝管303中，在这种情况下，可获得传热介质与制冷剂之间的更大的传热温差，这有利于制冷剂的在冷凝管303上冷凝。如上所述，这需要设置相应的控制装置、阀和管道来实现这种流动切换。这些对于本领域的普通技术人员而言是公知的，为了简明，在此省去了对其的描述。

图5和6分别示出了示例性的蒸发管301和冷凝管303的外部翅片。该示例性的蒸发管301的外部翅片形成有助于制冷剂沸腾的成核空穴，以便加强热交换。蒸发管可以是任何适当的从市场上可获得的传热管，例如高克联公司(Wolverine Tube Inc.)制造的型号为EDE3的管。当然，在理解本发明的原理之后本领域的普通技术人员可以选择其它的管作为蒸发管。

该示例性的冷凝管303的外部翅片有助于冷凝的制冷剂滴落下来，而且外部翅片还增大了传热面积，从而改善热交换效果。冷凝管可以是任何适当的从市场上可获得的传热管，例如高克联公司制造的型号为SPIKE FIN2的管。本领域的普通技术人员应当理解，也可采用其它类型的冷凝管。

在一个替代实施例中，在某种程度上冷凝管和蒸发管也可以是同一类型的传热管，只要这种管同时适用于制冷剂冷凝和蒸发的热交换即可。尽管在某些情况下，管的外部翅片不能既优化为用于冷凝也优化为用于蒸发，但是管可以构造成具有多个部段，至少包括优化成用于冷凝的部段和优化成用于蒸发的部段。而且，本发明不限于此，在不过分地增大流动阻力的情况下，冷凝管和蒸发管的管内壁也可设置同样或不同的翅片，以便加强传热介质的紊流。

此外，在该热交换器中，冷凝管和蒸发管的间距、直径、位置等可以基于具体情况进行选择，这对于本领域的技术人员而言是已知。

尽管在图3和4中所示的冷凝管303只有两排，但是可依据需要设置数量不同的冷凝管。例如，如果希望采用本发明的热交换器的空调***主要在制冷模式下运行，可设置较少的冷凝管，留出空间设置更多的蒸发管，这样便于该热交换器主要用作满液式蒸发器。相反，如果空调***旨在用作热泵，则应设置更多的冷凝管，以便在用作冷凝器时获得更高的换热效率。另外，冷凝管的数量还取决于所选择的蒸发管和冷凝管等其它的因素。例如，如果所选择的蒸发管仅适用于蒸发热交换而不适于冷凝热交换，则可增加冷凝管的数量。一般而言，冷凝管比蒸发管少。

本发明的发明人对于不同的工况进行了大量的实验。当使用高克联公司制造的EDE3管作为蒸发管并使用高克联公司制造的SPIKE FIN2管作为冷凝管时，优选的是冷凝管占管束中的10％，以便兼顾制冷循环和制热循环，同时获得所希望的工作参数。一般而言，冷凝管的比例是5-80％。

本发明还可应用于满液式蒸发器的改造，也就是说，在现有的满液式蒸发器中增加冷凝管，以便在制热循环中用作冷凝管。或者，本领域的普通技术人员还可构想到用冷凝管代替部分蒸发管。

如上所述，本领域的普通技术人员应当理解，本发明提供了一种具有多种功能的的热交换器，其可用于除热泵之外的其它制冷剂循环，例如仅在除霜模式下使用。

虽然已结合优选实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员可在不脱离本发明的范围的情况下进行变型和替换。例如当作为现有***的变型或改造来实施时，现有***的细节可显著地影响实施的细节。尽管本发明参照基本***和简化的状态来进行描述，但是本发明的原理可应用于许多更复杂的部件或***形式，无论该部件或***是现有的或还没有开发出来的。因此，本发明包含随后的权利要求和其等效形式的保护范围内的全部的变型和替换。

Claims (13)

1.一种用于制冷剂循环***的满液式热交换器，所述热交换器包括一筒体，其中设置有供传热介质流经的管束；设置在所述筒体的每一端处的端板，在所述端板上设置有多个通孔以便安装所述管束；与该筒体一体地形成的或密封地覆盖所述端板的端盖；用于该制冷剂的入口端口和出口端口；以及用于该传热介质的入口端口和出口端口，

其特征在于，所述制冷剂在所述管束的外侧流经所述管束，以便与在所述管束内流动的所述传热介质进行热交换，所述管束包括至少两种适于不同热交换类型的管，

其中，所述管束包括适于制冷剂蒸发的热交换的管以及适于制冷剂冷凝的热交换的管。

2.如权利要求1所述的满液式热交换器，其特征在于，该热交换器构造成卧式壳管式热交换器，其中所述管束水平延伸，并且所述适于制冷剂蒸发的热交换的管设置在所述适于制冷剂冷凝的热交换的管的下面。

3.如权利要求2所述的满液式热交换器，其特征在于，该热交换器可用作制冷剂蒸发器和制冷剂冷凝器，当该热交换器用作蒸发器时，液态制冷剂从下部端口进入该热交换器并吸收流经所述管束的传热介质的热量从而蒸发为气态制冷剂，所获得气态制冷剂从上部端口离开，并且，当该热交换器用作冷凝器时，气态制冷剂从上部端口进入该热交换器并将热量排散给流经所述管束的传热介质从而冷凝成液态制冷剂，所获得液态制冷剂从下部端口离开。

4.如权利要求2或3所述的满液式热交换器，其特征在于，该传热介质首先流入所述适于制冷剂蒸发的热交换的管，随后流入所述适于制冷剂冷凝的热交换的管。

5.如权利要求2或3所述的满液式热交换器，其特征在于，该传热介质首先流入所述适于制冷剂冷凝的热交换的管，随后流入所述适于制冷剂蒸发的热交换的管。

6.如权利要求1所述的满液式热交换器，其特征在于，所述适于制冷剂冷凝的热交换的管占管束的5-80％。

7.如权利要求6所述的满液式热交换器，其特征在于，所述适于制冷剂冷凝的热交换的管的数量少于适于制冷剂蒸发的热交换的管的数量。

8.如权利要求7所述的满液式热交换器，其特征在于，所述适于制冷剂冷凝的热交换的管大约占管束的10％。

9.如权利要求1-3中任一项所述的满液式热交换器，其特征在于，在该热交换器中积聚有液态制冷剂，其液面处于这样一位置，即，液态制冷剂至少淹没所述适于制冷剂蒸发的热交换的管。

10.如权利要求9所述的满液式热交换器，其特征在于，所述液态制冷剂淹没所有管束。

11.一种包括如权利要求1-10中任一项所述的满液式热交换器的制冷剂循环***，该制冷剂循环***在热泵和/或除霜模式下运行。

12.一种包括如权利要求1-10中任一项所述的满液式热交换器的蒸气压缩式空调***。

13.一种改造现有的满液式蒸发器的方法，在该蒸发器中设置适于制冷剂冷凝的热交换的管，或使用适于制冷剂冷凝的热交换的管来代替原有的管束中的至少一部分。

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