CN110017706A - 热交换器和吸收式制冷机 - Google Patents

Abstract

一种热交换器，包括：第一传热管单元，该第一传热管单元包括第一传热管，该第一传热管沿着水平面内的第一方向平行地布置；以及第二传热管单元，该第二传热管单元包括第二传热管，该第二传热管沿着水平面内的与第一方向交叉的第二方向互相平行地布置。第一传热管和第二传热管各自包括：直部，该直部在垂直方向上互相平行地布置；和一个以上的弯曲部，该一个以上的弯曲部使得直部的端部互相连通。第一传热管单元的直部与第二传热管单元的直部交替地互相叠置。

Description

热交换器和吸收式制冷机

相关申请的交叉引用

本申请基于2017年11月24日提交的日本专利申请No.2017-225397，并且要求其优先权，该日本专利申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的一个以上的实施例涉及一种热交换器和吸收式制冷机。

背景技术

传统地，已知一种吸收式制冷机，其中，通过由蒸发器、吸收器、发生器和冷凝器实现的再循环而获得用于外部设备的液态制冷剂。例如，JP-A-2003-254679、JP-A-2003-254682和JP-A-2003-254683公开了一种热交换器的构造，其被构造为在传热管周围的第一流体与在传热管的内部中的第二流体之间传递热量。该热交换器通过将多个传热管单元沿着水平方向彼此平行地排列而形成。传热管单元分别包括多个传热管，在该传热管之间不设置间隙的情况下多个传热管在垂直方向逐个紧密地叠置。根据该构造，液池形成在传热管彼此接触的部分处，从而液体的均匀的薄膜状态能够形成在传热管的外表面上。这能够提高传热管的润湿性，从而能够获得高性能的热交换器。另外，消除传热管之间的垂直间隙能够有助于减小热交换器的体积，从而能够实现热交换器的尺寸的减小。

发明内容

然而，根据JP-A-2003-254679、JP-A-2003-254682和JP-A-2003-254683中描述的热交换器，导致以下问题。

首先，虽然垂直方向上彼此相邻地放置的传热管彼此接触，但是在水平方向上彼此相邻地放置的传热管仍旧彼此隔开。因此，在没有从液体喷淋装置向水平方向上布置的各传热管均衡地供给第一流体的情况下，传热管的各自的性能彼此不同。从而，热交换器不能整体呈现其性能。

此外，在传热管在垂直方向互相进行接触的情况下，传热管单元构成壁状结构。这防止了流体(气态流体)在与传热管单元交叉的方向上的流动。结果，使得蒸汽(气态流体)仅能够在垂直方向上流动，并且这增大了压力损耗，导致热交换器的性能降低的可能性。

再者，各个传热管的直径多级地减小，使得传热管的连接到头部的部分的直径比其它部分的直径小。这增大了在传热管的内部流动的第二流体的压力损耗。结果，运送流体所需的动力增大，导致耗能增大。

另外，在组成传热管单元的传热管长度不同的情况下，在传热管内部流动的流体的流速在传热管之间彼此不同。具体来讲，在具有较小的外表面的一个传热管中，即，在具有较短的整体长度的一个传热管的情况下，第二流体流动地更多，而在具有较大的外表面的另一个传热管中，即，在具有较长的整体长度的另一个传热管中，第二流体流动地更少。这导致第二流体在传热管内的不均衡地流动。

鉴于以上情况，已经做出了本发明的一个以上的实施例，并且本发明的目的是提供一种小型且高性能的热交换器以及包括这样的热交换器的小型且高性能的吸收式制冷机。

在本发明的第一方面中，提供了一种热交换器，该热交换器被构造为在传热管的周部上的第一流体与所述传热管的内部中的第二流体之间传递热量。根据本发明的第一方面的所述热交换器包括：第一传热管单元，该第一传热管单元包括多个第一传热管，该多个第一传热管沿着水平面内的第一方向互相平行地布置；以及第二传热管单元，该第二传热管单元包括多个第二传热管，该多个第二传热管沿着所述水平面内的与所述第一方向交叉的第二方向互相平行地布置。在该情况下，所述多个第一传热管中的每个第一传热管包括：多个第一直部，该多个第一直部在垂直方向上互相平行地布置并且互相隔开；和一个以上第一弯曲部，该一个以上第一弯曲部使得所述第一直部的端部互相连通，并且，所述多个第一传热管形成从入口头部到出口头部的一个流通路径。所述多个第二传热管中的每个第二传热管包括：多个第二直部，该多个第二直部在垂直方向上互相平行地布置并且互相隔开；和一个以上第二弯曲部，该一个以上第二弯曲部使得所述第二直部的端部互相连通，并且所述多个第二传热管形成从所述入口头部到所述出口头部的一个流通路径。所述第一直部与所述第二直部交替地互相叠置。

在本发明的第一方面中，所述多个第一传热管可以在所述第一方向上互相平行并且互相隔开地布置，并且所述多个第二传热管可以在所述第二方向上互相平行并且互相隔开地布置。

在本发明的第一方面中，所述第一弯曲部可以具有与所述第二直部的外径相对应的曲率半径，并且所述第二弯曲部可以具有与所述第一直部的外径相对应的曲率半径。

在本发明的第二方面中，提供了一种吸收式制冷机，包括：发生器，该发生器被构造为加热稀释溶液，以生成制冷剂蒸汽和浓缩溶液；冷凝器，该冷凝器被构造为冷凝在所述发生器中生成的所述制冷剂蒸汽；蒸发器，该蒸发器被构造为接收在所述冷凝器中冷凝的制冷剂溶液，并且使所述制冷剂溶液蒸发；以及吸收器，该吸收器被构造为使得将通过所述蒸发器中的蒸发而生成的制冷剂蒸汽吸收到在所述发生器中生成的所述浓缩溶液中，以产生稀释溶液，其中，所述吸收式制冷机形成将在所述吸收器中生成的稀释溶液输送至所述发生器的吸收制冷循环，并且其中，根据本发明的第一方面所述的热交换器设置在所述发生器、所述冷凝器、所述蒸发器和所述吸收器中的至少一者中。

根据本发明的一个以上的实施例，传热管被设置为在垂直方向上紧密或者几乎紧密且整齐地设置，从而紧凑在一起，同时，在水平方向上在传热管之间设置间隔，从而不阻碍气态流体的流动。这能够提供小型且高性能的热交换器以及包括该热交换器的小型且高性能的吸收式制冷机。

附图说明

图1是作为根据实施例的最简单的吸收式制冷机的单效烧水型(water-fired)吸收式制冷机的框图。

图2是示意性地图示出根据实施例的热交换器的构造的平面图。

图3是图示出图2所示的热交换器沿着线A-A截取的截面的说明图。

图4是图示出图2所示的热交换器沿着线B-B截取的截面的说明图。

图5是以放大方式图示出热交换器的主要部分的说明图。

具体实施方式

图1是作为根据实施例的最简单的吸收式制冷机1的单效热水型吸收式制冷机的框图。吸收式制冷机1包括发生器10、冷凝器11、蒸发器12和吸收器13，并且通过由发生器10、冷凝器11、蒸发器12和吸收器13实现的吸收式制冷***而冷却制冷剂溶液(例如，水)。另外，吸收式制冷机1包括再生热交换器19、冷凝热交换器20、蒸发热交换器21和吸收热交换器22。

发生器10加热作为制冷剂(例如，水)和构成吸收液的溴化锂(LiBr)的混合物的稀释溶液(吸收液的浓度低的溶液)。后文中，汽化的制冷剂将称为“制冷剂蒸汽”，并且液化的制冷剂将称为“制冷剂溶液”。稀释溶液从吸收器13通过被构造为滴落(喷洒)稀释溶液的稀释溶液布料器16(溶液喷洒装置的实例)而经过稀释溶液管道25供给到发生器10。构成驱动热的热介质从热源(未示出)供给到发生器10。通过稀释溶液布料器16滴落在再生热交换器19上的稀释溶液被再生热交换器19的内部流动的热介质加热。发生器10通过加热使稀释溶液蒸发而生成制冷剂蒸汽以及浓缩溶液(吸收液的浓度高的溶液)。生成的制冷剂蒸汽供给到冷凝器11中。

冷凝器11将从发生器10供给的制冷剂蒸汽液化(冷凝)。在冷却塔中冷却的冷却水通过冷却水管道26供给到冷凝器11的内部中。通过流经冷凝热交换器20的内部的冷却水而使得从发生器10供给的制冷剂蒸汽冷凝，并且由该冷凝而产生的制冷剂溶液沿冷凝热交换器20的外表面(即，周部)流下。由冷凝而产生的制冷剂溶液沿冷凝热交换器20的外表面流下，并且而后被收集以供给至蒸发器12。

蒸发器12采集冷凝器11中的冷凝所产生的制冷剂溶液，并且蒸发该制冷剂溶液。制冷剂布料器14(喷洒装置的实例)被构造为滴落(喷洒)来自冷凝器11的制冷剂溶液。蒸发热交换器21设置在蒸发器12中。由于冷却内部空气的内部设备而变暖的冷水(***液)被供给到该蒸发热交换器21。冷水管道27连接到蒸发热交换器21，使得冷水能够在蒸发热交换器21与内部设备之间循环。

在蒸发器12中产生真空状态。由此，作为制冷剂的水的蒸发温度为大约5℃。因此，通过制冷剂布料器14滴落在蒸发热交换器21上的制冷剂溶液被冷水加热而蒸发。由于蒸发而产生的制冷剂蒸汽被供给到吸收器13。另一方面，在蒸发热交换器21的内部流动的冷水由于制冷剂溶液的蒸发而失去热量。这使得在蒸发热交换器21的内部流动的冷水冷却，并且随后被供给到内部设备中。然后，内部设备通过利用冷水将冷气供给到室内。

吸收器13吸收从蒸发器12供给的制冷剂蒸汽。浓缩溶液通过浓缩溶液管道28从发生器10供给到吸收器13。在吸收器13中，制冷剂蒸汽被浓缩溶液吸收，以生成稀释溶液。

被构造为滴落(喷洒)浓缩溶液的浓缩溶液布料器15(溶液喷洒装置的实例)设置在吸收器13中。吸收热交换器22设置在吸收器13中。在冷却塔中冷却的冷却水供给到吸收热交换器22。

通过浓缩溶液布料器15滴落在吸收热交换器22上的浓缩溶液在吸收热交换器22的外表面上流动的同时，吸收制冷剂蒸汽。通过利用浓缩溶液吸收制冷剂蒸汽而生成的吸收热被在吸收热交换器22的内部中流动的冷却水去除。通过利用浓缩溶液吸收制冷剂蒸汽而产生的低浓度的稀释溶液经过稀释溶液管道25供给到发生器10中。

本实施例采用了如下构造：其中，冷却塔中的冷却水由冷凝器11的冷凝热交换器20和吸收器13的吸收热交换器22共享，并且因此，冷凝热交换器20和吸收热交换器22串联连接到冷却塔。然而，冷凝热交换器20和吸收热交换器22可以并联连接到冷却塔。另外，虽然本实施例的吸收式制冷机被描述为单效的吸收式制冷机，但是前文描述的吸收式制冷机的构造可以类似地适用于双效吸收式制冷机或者两级吸收式制冷机。

后文中，将描述根据本实施例的方面的热交换器50。此处，图2是示意性地图示出根据本实施例的热交换器50的构造的平面图。图3是图示出图2所示的热交换器50沿着线A-A截取的截面的说明图。图4是图示出图2所示的热交换器50沿着线B-B截取的截面的说明图。另外，图5是以放大方式图示出热交换器50的主要部分的说明图。在热交换器50的说明中，在水平面中定义的两个直角方向中，一个方向将称为X方向(第一方面)，并且另一个方向将称为Y方向(第二方向)。另外，上下方向(垂直方向)将称为Z方向。

热交换器50在传热管的周部上的第一流体与传热管的内部中的第二流体之间传递热量。该热交换器50能够用作再生热交换器19、冷凝热交换器20、蒸发热交换器21和吸收热交换器22。

热交换器50包括第一传热管单元60和第二传热管单元70。

第一传热管单元60包括在X方向上彼此平行地排列的多个第一传热管61。被构造为将第二流体供给到第一传热管61中的入口头部80连接到各第一传热管61的一端部，并且第二流体从其流出第一传热管61的出口头部90连接到各第一传热管61的另一端部。这些第一传热管61被布置为以在其间定义的预定间隔S1而互相隔开。该间隔S1被预先设定为最优值，使得蒸汽在垂直方向上的流动不被阻碍，并且能够实现热交换器50的小型化。

各个第一传热管61包括n个(n是2以上的自然数)第一直部62以及n-1个第一弯曲部63，并且第一传热管61形成从入口头部80延伸以到达出口头部90的一个流通路径。相同构造的传热管用于多个第一传热管61。因此，从入口头部80到出口头部90的流通路径长度在所有的第一传热管61中相同。

多个第一直部62在Z方向上互相平行并且彼此隔开地布置。出口头部90连接到最高处的第一直部62的一端部，并且入口头部80连接到最低处的第一直部62的一端部。

在垂直方向上彼此相邻的一对第一直部62的端部通过第一弯曲部63连接在一起。然后，使得在垂直方向上彼此平行地布置的第一直部62经由第一弯曲部63而彼此依次地连通，从而形成从入口头部80延伸到出口头部90的一个流通路径。即，第一传热管61呈现第一直部62通过第一弯曲部63而折叠为多级的形状。

另外，第一直部62和第一弯曲部63具有相同的外径D，从而第一传热管61以相同的外径D从入口头部80连续地延伸到出口头部90。

另一方面，第二传热管单元70包括多个第二传热管71，该多个第二传热管71在Y方向上互相平行地布置。被构造为将第二流体供给到第二传热管71中的入口头部80连接到各第二传热管71的一端部，并且第二流体从其流出第二传热管71的出口头部90连接到各第二传热管71的另一端部。这些第二传热管71被布置为以在其间定义的预定间隔S2(例如，S2＝S1)而互相隔开。该间隔S2被预先设定为最优值，使得蒸汽在垂直方向上的流动不被阻碍，并且能够实现热交换器50的小型化。

各个第二传热管71包括m个(m是2以上的自然数)第二直部72以及m-1个第二弯曲部73，并且第二传热管71形成从入口头部80延伸以到达出口头部90的一个流通路径。相同构造的传热管用于多个第二传热管71。因此，从入口头部80到出口头部90的流通路径长度在所有的第二传热管71中相同。

多个第二直部72在Z方向上互相平行并且彼此隔开地布置。出口头部90连接到最高处的第二直部72的一端部，并且入口头部80连接到最低处的第二直部72的一端部。

在垂直方向上彼此相邻地放置的一对第二直部72的端部通过第二弯曲部73连接在一起。然后，使得在垂直方向上彼此平行地布置的第二直部72经由第二弯曲部73而彼此依次地连通，从而形成从入口头部80延伸到出口头部90的一个流通路径。即，第二传热管71呈现第二直部72通过第二弯曲部73而折叠为多级的形状。

另外，第二直部72和第二弯曲部73具有相同的外径D，从而第二传热管71以相同的外径D从入口头部80连续地延伸到出口头部90。第二传热管71的外径D被设定为例如与第一传热管61的外径D相同的外径。

在本实施例中，第一弯曲部63具有半圆弧的形状。第一弯曲部63的曲率半径对应于第二直部72的外径D。类似地，第二弯曲部73具有半圆弧的形状。第二弯曲部73的曲率半径R对应于第一直部62的外径D。基于这些尺寸，被布置为互相交叉的第一直部62与第二直部72在外表面保持彼此接触或者保持稍微彼此隔开的情况下在Z方向上交替地叠置在一起。

在本实施例中，多个第一传热管61与多个第二传热管71被设置为以直角互相交叉。然而，第一传热管61与第二传热管71可以设置为以除了直角之外的其它角度互相交叉。后文中，在一般引用第一传热管61与第二传热管71时，它们简称为传热管61、71。

在以前文所述的方式构造的热交换器50中，第二流体利用对应的入口头部80而被供给到多个传热管61、71的内部中。第二流体利用对应的入口头部80而流入并通过传热管61、71两者内部，其后流出到对应的出口头部90中。然而，热量在传热管61、71的周部上的第一流体与传热管61、71内部的第二流体之间传递。

例如，当热交换器50应用到吸收式制冷机1的再生热交换器19时，热介质运输管连接到入口头部80和出口头部90。热介质流入到传热管61、71的内部中，并且稀释溶液从稀释溶液布料器16滴落到传热管61、71的周部上。滴落的稀释溶液沿传热管61、71流下，并且在热介质与自身之间传递热量，从而使制冷剂溶液的一部分蒸发。

当热交换器50应用到吸收式制冷机1的冷凝热交换器20时，冷却水管道26连接到入口头部80和出口头部90。冷却水流入传热管61、71的内部中，并且制冷剂蒸汽从发生器10供给到传热管61、71的周部。从发生器10供给的制冷剂蒸汽在传热管61、71的周部上冷凝，并且由于冷凝而产生的冷却剂溶液流下。

另外，当将热交换器50应用到吸收式制冷机1的蒸发热交换器21时，冷水管道27连接到入口头部80和出口头部90。冷水流经传热管61、71的内部，并且制冷剂溶液从制冷器布料器14滴落到传热管61、71的周部上。滴落的制冷剂溶液沿传热管61、71的外部流下，并且在冷水与自身之间传热，从而制冷剂溶液的一部分蒸发。

当热交换器50应用到吸收式制冷机1的吸收热交换器22时，冷却水管道26连接到入口头部80和出口头部90。冷却水流经传热管61、71的内部，并且浓缩溶液从浓缩溶液布料器15滴落到传热管61、71的周部上。滴落的浓缩溶液在沿传热管61、71的外部流下同时，吸收制冷剂蒸汽，并且在冷却水与自身之间传热，从而去除吸收的热量。

以这种方式，根据本实施例的热交换器50，采用如下构造：其中，不仅传热管61、71在垂直方向上(Z方向)互相接触，并且传热管61、71以网格状的方式互相交叉，从而如此交叉的传热管61、71在多个位置处互相进行接触。

根据该构造，滴落到最高处的传热管61、71上的第一流体下移到位于最高处的传热管正下方处的互相交叉的传热管61、71。然后，第一流体以相同的方式进一步向下传送到其余的传热管61、71，直至第一流体扩散至全部传热管61、71，从而维持传热管61、71的润湿性。因此，即使在滴落到最高处的传热管61、71的第一流体变化的情况下，也能够维持热交换性能。

另外，根据该构造，传热管61、71以相同的直径从入口头部80延伸到出口头部90。这防止在流经传热管61、71内部的第二流体中产生压力损耗的增大，从而不需要流体运送动力的增大。这能够实现节约能量。另外，能够实现传热管的加工成本(例如，在牵拉传热管61、71的头部连接部时引起的加工成本)的降低。

根据上述构造，传热管61、71的长度相同。这使得流经传热管61、71的第二流体均一。

根据上述构造，能够构造理想的逆流热交换器。

此外，根据实施例的热交换器50，交叉的传热管61、71交替地互相进行接触。此外，指向相同方向的传热管61、71在其间分别确保间隔S1、S2的情况下互相隔开。这能够确保流体(气态流体)不仅在Z方向上的流动，还能够确保流体(气态流体)在水平方向(X方向和Y方向)上的流动，从而能够提供使得难以阻碍气态流体的流动的构造。

以这种方式，根据本实施例的热交换器50，能够实现小型且高性能的热交换器。

因此，虽然通过参考实施例而描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例，而可以在不背离本发明的精神和范围的情况下修改。依据使用热交换器的环境，本文给出的水平面和垂直方向的定义不是必须严格遵从。

例如，本实施例的热交换器应用到吸收式制冷机的发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器。然而，热交换器不仅可以应用到发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器中的全部，还可以应用到它们中的至少一者。

热交换器应用到吸收式制冷机，然而本发明不限于此。只要吸收式冷冻机具有吸收式制冷机的功能，则热交换器还可以应用到同样能够进行加热操作的吸收式冷温水机组。

在本实施例中，虽然热交换器50被描述为应用到单效热水型吸收式制冷机，但是热交换器50也可以应用到包括双效吸收式制冷机和两级吸收式制冷机的各种吸收式制冷机。另外，虽然根据实施例的热交换器50应用到吸收式制冷机，但是热交换器50可以用于除了本文描述的应用之外的其它各种应用。

另外，第一传热管和第二传热管的长度不是必须相同，并且第一传热管和第二传热管的数量不是必须固定为相同的数量。另外，在多个第一传热管之中，多个第一传热管互相隔开的间隔不必须固定为相同的间隔(间隔S1)，并且因此，第一传热管可以以不同的间隔而互相隔开，只要确保的间隔不阻碍气态流体的流动即可。例如，两个第一传热管被设置为互相靠近或者互相接触，并且多个这样的成对的第一传热管可以设置为以间隔(间隔S1)互相隔开。另外，在第二传热管之间，也适用上述位置关系。此外，在实施例中，第一传热管与第二传热管具有相同的外径，然而，第一传热管与第二传热管可以具有不同的外径。当这样时，第一弯曲部的曲率半径与第二弯曲部的曲率半径分别根据第一传热管与第二传热管的外径而被设定。

Claims (4)

1.一种热交换器，该热交换器被构造为在传热管的周部上的第一流体与所述传热管的内部中的第二流体之间传递热量，所述热交换器包括：

第一传热管单元，该第一传热管单元包括多个第一传热管，该多个第一传热管沿着水平面内的第一方向互相平行地布置；以及

第二传热管单元，该第二传热管单元包括多个第二传热管，该多个第二传热管沿着所述水平面内的与所述第一方向交叉的第二方向互相平行地布置，

其中，所述多个第一传热管中的每个第一传热管包括：

多个第一直部，该多个第一直部在垂直方向上互相平行地布置并且互相隔开；和

一个以上的弯曲部，该一个以上的弯曲部使得所述第一直部的端部互相连通，并且

所述多个第一传热管形成从入口头部到出口头部的一个流通路径，

其中，所述多个第二传热管中的每个第二传热管包括：

多个第二直部，该多个第二直部在垂直方向上互相平行地布置并且互相隔开；和

一个以上的弯曲部，该一个以上的弯曲部使得所述第二直部的端部互相连通，并且

所述多个第二传热管形成从所述入口头部到所述出口头部的一个流通路径，并且

其中，所述第一直部与所述第二直部交替地互相叠置。

2.根据权利要求1所述的热交换器，

其中，所述多个第一传热管在所述第一方向上互相平行并且互相隔开地布置，并且

其中，所述多个第二传热管在所述第二方向上互相平行并且互相隔开地布置。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，

其中，所述第一弯曲部具有与所述第二直部的外径相对应的曲率半径，并且

其中，所述第二弯曲部具有与所述第一直部的外径相对应的曲率半径。

4.一种吸收式制冷机，包括：

发生器，该发生器被构造为加热稀释溶液，以生成制冷剂蒸汽和浓缩溶液；

冷凝器，该冷凝器被构造为冷凝在所述发生器中生成的所述制冷剂蒸汽；

蒸发器，该蒸发器被构造为接收在所述冷凝器中冷凝的制冷剂溶液，并且使所述制冷剂溶液蒸发；以及

吸收器，该吸收器被构造为使通过所述蒸发器的蒸发而生成的制冷剂蒸汽被吸收到所述发生器生成的所述浓缩溶液中，以产生所述稀释溶液，

其中，所述吸收式制冷机形成将所述吸收器中生成的稀释溶液输送至所述发生器的吸收制冷循环，并且

其中，根据权利要求1至3的任意一项所述的热交换器设置在所述发生器、所述冷凝器、所述蒸发器和所述吸收器中的至少一者中。