CN101184971B - 加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种空调系统的冷却器(10)和加热冷却器(10)的方法。所述冷却器(10)包括外壳(12)和在外壳(12)内的至少一根管子(20)，所述管子(20)能够传送第一介质(40)。冷却器(10)还包括加热设备(54，60，62，63，64，65，66，68)，所述加热设备包括向外壳(12)和管子(20)中的至少一个提供电流的设备，以便在其中产生热量。

Description

加热系统
本发明涉及一种例如满溢式冷却器的冷却装置中的加热系统，并且尤其涉及一种防止冷却器中的水冻结的加热系统。 
现有技术的空调系统——例如空冷冷凝器包含例如满溢式冷却器的冷却器。这些冷凝器通常安装在建筑的外面，来对建筑提供空气调节，并且在冷却期间，环境温度可以在冷却器中注满的介质的冰点附近或者低于冷却器中注满的介质的冰点。在这样的情况下，如果冷却介质是水并且如果环境温度在0℃附近或者低于0℃，则有必要防止水冻结。尤其是当冷却器不运行的时候，这是特别重要的，冷却器不运行的情况可能发生在例如当不需要冷凝器提供制冷或当冷凝器出现故障的时候。 
当冷凝器由于意外的事件或突然事件——例如缺电或安全断路而停止运行时，并且如果环境温度很低，那么在系统的压缩器一停止运行之后，冷凝器非常迅速地冷却到环境温度的程度。因此冷凝器内部的压力也非常迅速地下降到与环境温度相对应的饱和压力。在冷凝器停止运行之前刚好位于冷却器中的制冷剂受压力减少影响，因此在与环境温度相对应的温度程度上沸腾，同时移动到冷凝器系统的最冷点，例如冷凝器处。在冷却器中的所有制冻剂蒸发以前，大量冷量提供到冷却器中的水，尤其是如果那些水不循环的话(例如缺电或安全断路停止了整个冷凝器和/或水泵的运行等等)，它将迅速地冻结成冰。如果环境温度很低并且特别是在长时间内保持低温的话，甚至运行的冷却器也很容易冻结。 
通常在冷凝器中使用两种冷却器：直接膨胀蒸发器和满溢式冷却器。在直接膨胀蒸发器中，制冷剂在多根管子内部蒸发，水绕管子的外部循环；在满溢式冷却器中，水在管子的内部循环，制冷剂包围管子。前面描述的水在冷凝器内部冻结的情况，对于满溢式冷却器是特别有害的，因为当水冻结成冰时，流体所占的体积增加大约10％(与只有水所占的体积相比)。这一体积膨胀大大的增加了管子内的压力，引起管子主体内的高应力，从而使管子裂开或胀破，使得制冷剂和水混合。 
现有技术已经提出克服以上问题的技术方案。例如，一个通常的方案是提供专用的电加热器，当环境温度足够低时，尤其是冷凝器或者冷却器不运行时，电加热器向冷却器的部分输送能量。加热器升高了被加热的冷却器部分的温度，从而将冷却器中的水(或所使用的无论哪种制冷剂)的温度升高到其冰点之上的温度。加热器可以包括应用于冷却器壳体或外壳的电阻丝，和/或直接浸没在给水中处于合适位置的浸没式加热器，所述合适位置例如是进水口和/或出水口集管。 
然而，上述加热方案对于安装、运行和维护来说是昂贵和复杂的。尤其是在电阻丝类型的加热系统中，外壳通常由导线加热，仅仅通过热传导和对流把热量从外壳传递给输送水的冷却器中的管子。因此有必要向外壳提供充足的热量以确保足够的热量到达管子的所有区域，否则可能出现冻结部分，例如，在距离外壳最远的管子中央。此外，为了把足够的热量传导给外壳，在电阻丝和外壳之间必须实现良好的热连接，因此这些系统的安装复杂、耗时并且如果连接随时间变弱的话容易产生故障。 
当浸没式加热系统把热量直接提供到水时，这些系统典型地安装在进水口或出水口处，它们不能位于管中，因为它们不能妨碍水流，并且因此降低了冷凝器的效率。此外，浸没式系统的安装复杂，因为它们必须浸没在插入外壳的进水口中，所述外壳一旦封闭的话必须是不透水的。由于其高功率要求，尤其是要持续长时间，浸没式加热系统运行也很昂贵。 
因此需要提供一种冷却器的加热系统，尤其是不限于满溢型冷却器，而是适用于冷却器的介质容易冻结的情况，并且其成本低、安装方便和不会过度影响冷却器效率或性能。 
本发明的一个目的是提供一种保护冷却器免受冻结损坏的系统和方法。 
根据本发明的第一方面，提供一种空调系统的冷却器，冷却器包括壳体或外壳、能够传送第一介质的、位于壳体/外壳内的至少一根管子、以及加热设备，该加热设备包括向壳体/外壳和管子中的至少一个提供电流和使电流从所述的壳体/外壳或所述的管子返回的装置，因此通过所述壳体/外壳或所述管子的电流在所述壳体/外壳或所述管子中产生热量。 
根据本发明的一方面，提供一种空调系统的冷却器，所述冷却器包括：外壳；第一集管；第二集管；在外壳内的至少一根管子，所述管子连接在第一集 管与第二集管之间而且能够传送第一介质；以及加热设备，所述加热设备包括向外壳和管子中的至少一个提供电流的设备，以便在其中产生热量；其中，所述管子包括导电和导热材料，所述外壳包括导热和导电材料，所述外壳的导热和导电材料比管子的材料的导热和导电性差；所述提供电流的设备通过电缆连接到第一终端，第一终端与所述第一集管电接触，且所述提供电流的设备还通过电缆连接到第二终端，第二终端与所述第二集管电接触，因而电流可以通过所述管子以在其中产生热量。 
根据本发明的一方面，提供一种空冷冷凝器，包括：第一集管；第二集管；多根管子，所述管子连接在第一集管与第二集管之间而且能够传送第一介质；外壳，所述外壳能够容纳第二介质并且具有设置在其中的管子，以使所述第二介质至少部分地包围多根管子；加热器，所述加热器包括：变压器；及从变压器向外壳和管子中的至少一个提供电流的设备，以便在其中产生热量；其中所述管子包括导电和导热材料，所述外壳包括导热和导电材料，所述外壳的导热和导电材料比管子的材料的导热和导电性差；所述提供电流的设备通过电缆连接到第一终端，第一终端与所述第一集管电接触，且所述提供电流的设备还通过电缆连接到第二终端，第二终端与所述第二集管电接触，因而电流可以通过所述管子以在其中产生热量。 
因此提供一种冷却器，在冷却器中，电优选地是电压非常低、电流高的电，使其穿过冷却器的至少一部分，在电流流动的冷却器一个或者多个部分中产生热量，从而保持或升高管子中的介质的温度。优选的是通过阻抗发热的方式在电流通过的冷却器的一个或者多个部分产生热量，这在现有技术中是已知，一般而言是一种通过电流通过的冷却器部分的电阻产生的热和在冷却器区域产生的多个磁场效应产生的热的结合。阻抗发热直接加热电流通过的冷却器部分，并且所产生的热量的传导和对流也为冷却器的其它区域提供了散失的热量，所述冷却器的其它区域热连接到冷却器的被加热部分，从而向冷却器大部分或基本上全部提供热量，从而提供一种有效而且均匀的加热系统。 
在本发明的一个优选的实施例中，冷却器包括多根管子。管子中的介质因此横穿冷却器进行分布，从而为介质与管子的接触提供大的表面积和提供能够接受阻抗加热装置的大的表面积。 
优选的是冷却器中的介质包括水。在现有技术中，水由于在普通的冷却器 中的适宜性而为大家所熟知，水尤其适于本发明优选的冷却系统例如空冷冷凝器。 
如上所述，当通过在冷却器部件中的阻抗加热来产生热量时，要求热量可以至少部分地传递到电流不在其中流动的冷却器的任何或所有区域中。因此优选的是外壳和一根或多根管子热耦合，使得在一个中产生的热量可以典型地通过传导和/或对流传递到另一个。因此在本发明的一个优选的实施例中，管子包括导电和导热材料，外壳也优选包括导电的和导热材料。热量很容易从冷却器的一个区域例如外壳传导到冷却器的其它区域例如每根管子。在一个优选的实施例中，外壳的材料同管子的材料相比，具有低的导电和导热性。这是特别优选的，因为同低导电性能的材料(也就是外壳)相比，这一设置允许产生和/或传输更多热量到高导电材料(也就是管材料)，并且需要加热的是管子而不是外壳，因为介质在管子中比在外壳中更容易冻结。在一个特别优选的实施例中，管子包括铜或铜基合金。此外，外壳优选的是包括钢或钢基合金。 
提供给冷却器的电流可以包括直流电流(DC)。然而，向冷却器提供的直流电可以导致部件经过长时间的的使用后而磨蚀。因此优选地，向冷却器提供的电流包括交流电(AC)。优选的是电流具有相对较高的电流和相对较低的电压(例如同在美国和/或欧洲等的普通的干线电源比较)来提供有效的阻抗加热。优选地电流是50到1000安培，优选地对应于电流的电压是大约0.1到大约24伏。因此加冷却器的加热系统最好还包括变压器，优选的是适于连接在建筑干线电源上或系统的专用电源上的降压变压器，所述电流通过变压器的次级侧提供。 
正如前面讨论的那样，需要调节在冷却器之内特别是管子之内的介质的温度来阻止介质在低环境温度下冻结。因此，加热系统最好是可控制的，以便监视介质温度和/或环境温度，并且利用这些温度的一个或两个来控制本发明阻抗加热系统的开启和关闭。 
现在参考附图和仅通过示例的方式描述本发明的各种实施例的上述特征及其它特征，其中： 
图1为现有技术中用于冷凝器的满溢式冷却器的截面图，该满溢式冷却器具有传送水的多根管子和在冷却器中包围管子的制冷剂。 
图2为现有技术中用于冷凝器的满溢式冷却器的截面图，该满溢式冷却器 与图1中的冷却器类似，但是具有常规的水加热系统；并且 
图3为根据本发明的实施例具有阻抗加热系统的、用于冷凝器的满溢式冷却器的截面图。 
参考图1，显示了现有技术中用于冷凝器的冷却器10，所述冷凝器例如是空冷冷凝器。冷却器10包括容纳液体30的外壳12，所述液体30通常是现有技术中已知的制冷剂。制冷剂入口32和制冷剂出口34设置在外壳12中。冷却器还包含多根管子20，管子20浸没在制冷剂30中，并且在这一实施例中设置成使制冷剂完全包围每一根管子20。管子20同相关联的供应入口22相连，用于通过外壳12的第一侧的集管14，穿过管子20提供待冷却介质40。介质40通过管子20传递到在外壳12另一侧的集管16，在那里介质40通过出口24离开冷却器。空冷冷凝器中的介质通常是水。在冷却器10正常运行期间，在流过管子20的水40和包围管子20的制冷剂30之间发生热传递，从而冷却或加热水40。然而，当冷凝器所处的环境温度降到水的冰点之下时，尤其是如果由于例如电源故障导致水40不循环通过管子20的话，那么水40开始冻结，从而在管子20中形成冰，由于冻结水与非冻结水相比体积增加，这可能导致管子受到损坏。 
图2的现有技术的冷却器10展示了充水冷凝器对低环境温度的常规补偿装置。在该装置中采用相同的附图标记来表示相同的部件。除了有几个加热器50、52设置在冷却器10中和其周围之外，图2中的现有技术的冷却器10同图1的冷却器10是相同的。具体而言，为了使从入口22进入并且传到出口24的水分别变暖，浸没式加热器50插入集管14、16中。这些加热器50中的每个需要电源54，所述电源54在运行时通常要消耗很高的功率。在外壳的水40入口22和出口24区域安装浸没式加热器50需要在集管14、16中开凿孔，并需要不透水的密封来阻止泄漏。此外，这些加热器50不能有效阻止在冷却器10其它部分的水40冻结，尤其是在例如管子20的中央部26的区域。因此需要更多的热量，所述的更多的热量是通过电阻丝加热系统52提供的，在电阻丝加热系统52中，导线应用到冷却器外壳12，例如导线或薄片缠绕在外壳周围。电源54提供所需要的高功率，以便通过导线加热外壳，所述导线不仅加热外壳12，还加热制冷剂30。但是，仍然难以向冷却器10中央的管子20a提供足够的热量，因为它们距离热源50、52最远。由于管子20本身不被加热，因此可能存在仍然易 于冻结的冷却器10的区域，从而具有加大损坏的风险或需要增加消耗的功率来减少损坏风险。 
图3展示本发明的一个优选的实施例。展示了与图1和2的冷却器类似的常规的冷却器10。然而，在本发明的这一实施例中，通过阳抗加热系统60、62、63、64、65向冷却器10提供热量。普通的电源54，例如交流干线电压或专用供电在初级端66上与降压变压器60连接，所述降压变压器60降低电压和增加交流电流。变压器次级68通过电缆62连接到终端63，终端63与在外壳12的第一侧上的集管14电接触。变压器次级68还通过电缆64连接到终端65，终端65与在外壳12的第二侧上的集管16电接触。这实现了电环路或者回路，因此交流电通过回路，在冷却器10和外壳12的所有金属部件中产生热量，所述冷却器通过集管14、16同终端63、65电连接，所述外壳12同集管电连接。在这一实施例中，外壳12包括钢，每根管子20包括铜，因此电流能够流动通过这些相连部件中的每一个，从而在它们的每一个中产生热量。这是一种特别有利的设置，因为管子20本身也被加热，没有留下象图2中的26所示的管子中心那样的不能接收到热量的区域。 
虽然前面在空冷冷凝器系统的范围内进行了描述，本发明的原理能够结合到任意系统，其中水或另一介质流经管子或类似部件，并且可能引起冻结。此外，虽然前面没有详细地描述，可以想到加热系统不必连接到外壳，但可以连接到管子或冷却器的其他金属部分。因此将理解到上述实施例的详述，仅仅是为了说明的目的而提供的，不能认为限制了本发明的范围，而且本领域技术人员将容易地认识到，示范性的实施例可能具有许多修改，而不会本质脱离下列权利要求所限定的本发明的范围。 

Claims (18)

1.一种空调系统的冷却器，所述冷却器包括：
外壳；
第一集管；
第二集管；
在外壳内的至少一根管子，所述管子连接在第一集管与第二集管之间而且能够传送第一介质；
以及
加热设备，所述加热设备包括向外壳和管子中的至少一个提供电流的设备，以便在其中产生热量；其中
所述管子包括导电和导热材料，而且所述外壳包括导热和导电材料，所述外壳的导热和导电材料比管子的材料的导热和导电性差；
所述提供电流的设备通过电缆连接到第一终端，第一终端与所述第一集管电接触，且所述提供电流的设备还通过电缆连接到第二终端，第二终端与所述第二集管电接触，因而电流可以通过所述管子以在其中产生热量。
2.如权利要求1所述的冷却器，包括多根所述的管子。
3.如权利要求1的冷却器，其特征在于第一介质包括水。
4.如权利要求1所述的冷却器，其特征在于外壳和管子是热和/或电耦合，因此在一方中产生的热量能传递到另一方。
5.如权利要求14中的任意一个所述的冷却器，其特征在于：电流包括交流电流。
6.如权利要求1-4中的任意一个所述的冷却器，还包括变压器，所述电流由变压器的次级端提供。
7.如权利要求1-4中的任何一个所述的冷却器，其特征在于：电流是从50到1000安培。
8.如权利要求1-4中的任何一个所述的冷却器，其特征在于：与电流对应的电压是从0.1到24伏。
9.如权利要求1-4中的任何一个所述的冷却器，其特征在于：管子包括铜或铜基合金。
10.如权利要求14中的任何一个所述的冷却器，其特征在于：所述外壳包括钢或钢基合金。
11.如权利要求14中的任何一个所述的冷却器，还包括在外壳之内的第二介质，所述第二介质至少部分地包围所述管子。
12.如权利要求11所述的冷却器，其特征在于：第二介质包括制冷剂。
13.如权利要求11所述的冷却器，还包括：
第一入口，位于外壳的第一侧的集管中；第一出口，位于外壳的第二侧的另一集管中；以及
位于外壳内的第二介质的第二入口和第二出口。
14.如权利要求13所述的冷却器，其特征在于：第一介质通过在外壳第一侧的集管内的第一入口进入外壳，流过管子，并通过在外壳第二侧的另一个集管内的第一出口离开外壳。
15.如权利要求1-4中的任何一个所述的冷却器，还包括控制设备，其用于测量介质温度和/或环境温度，并且根据所述温度中的一个或两个来控制加热设备。
16.一种空冷冷凝器，包括：
第一集管；
第二集管；
多根管子，所述管子连接在第一集管与第二集管之间而且能够传送第一介质；
外壳，所述外壳能够容纳第二介质并且具有设置在其中的管子，以使所述第二介质至少部分地包围多根管子；
加热器，所述加热器包括：
变压器；及
从变压器向外壳和管子中的至少一个提供电流的设备，以便在其中产生热量；
其中所述管子包括导电和导热材料，而且所述外壳包括导热和导电材料，所述外壳的导热和导电材料比管子的材料的导热和导电性差；
所述提供电流的设备通过电缆连接到第一终端，第一终端与所述第一集管电接触，且所述提供电流的设备还通过电缆连接到第二终端，第二终端与所述第二集管电接触，因而电流可以通过所述管子以在其中产生热量。
17.如权利要求16所述的冷凝器，其特征在于：外壳包括钢，并且管子包括铜。
18.如权利要求16或17所述的冷凝器，其特征在于：变压器包括能够连接到普通的干线电源的降压变压器。
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