CN101460795A - 用于移动式冷藏车的换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于具有液化气体储罐(5)的移动式冷藏车(2)的换热器(30),包括用于接收液化气体流并用于蒸发至少一部分液化气体的管子(14),该管子(14)至少在某些区段上具有纵向轴线(19),所述换热器(30)包括用于液化气体的进口侧(26)和用于至少部分蒸发的气体的出口侧(25),同时,出口侧(25)与排气管(6)相连,以便允许流动,同时管子(14)的内部具有用于在流动中产生湍流或者产生径向相分离的元件(18)。本发明的特征在于,借助元件(18),所述管子(14)的管壁(23)上因气体蒸发而出现的气体分界层的厚度显著减小,从而使换热器(30)的效率显著提高。

Description

用于移动式冷藏车的换热器
技术领域
本发明涉及具有液化气体储罐的移动式冷藏车的换热器,该换热器包括用于接受液化气体流并用于蒸发至少一部分液化气体的管子,其中该管子至少在某些区段上具有纵向轴线,该换热器包括液化气体进口侧和至少部分蒸发的气体的出口侧,同时,该出口侧与排气管相连,以便允许流动。
背景技术
用氮气来冷却具有多室系统的车辆已经有大约30年了。这种方法即大家已经熟知的CryogenTrans(CT)。CT法涉及将低温液氮装在车上或车内的真空(热)绝缘容器中。需要冷却时,这些氮气经管子抽出,并被该介质的内压直接喷到有待冷冻的室内。这种方法特别简单,也不受干扰。而且,无论环境温度怎样,制冷能力总是在同一水平。原则上来说,它只受喷嘴流动能力的制约。由于这一原因,因此就制冷质量而言,用在食品配送中且在制冷操作过程中原本具有许多门孔的重型CT冷藏货车就显示出相当大的优势。尤其是在盛夏,此时机械制冷装置不得不想方设法应付其冷凝器性能降低和其蒸发器结冰问题,而CT法在效率、可靠性和性能方面显示出自身的优势。舱门打开之后,只需几秒钟即可再次达到参考温度。
不过,该方法也有它的缺点。氮气消耗相对较高,因为至少有一些被喷到舱中的气体也会作为废气再次逸出。例如,如果冷冻的是冷冻食品舱,排气温度将有约-30℃到-40℃。出于安全考虑,在进入之前,载荷空间需要充分通风,这一点也是不利的。在此情况下,大量多余的热空气会进入载荷空间。尽管温度复降确实发生得很快,但是它消耗了较多的能量,并且因而导致成本高于必须。保冷系统常用的其他装置,例如帘幕,不适合CT冷藏车,因为它们不利于通风,这是危险的。
EP0826937A描述了一种用于待冷舱室的制冷设备。
EP1593918A涉及一种用于冷藏车的间接制冷装置,其中为汽化冷藏室中的低温液化气而设置一换热器。
低温液化氮在常压下温度为77°K。这种情况下储存的冷量分为两部分:一方面,是在77°K的温度下在从液相到气相的相变过程中释放出的部分,另一方面,是将气相从77°K加热到排气温度时吸热的部分。这两部分,即汽化焓和比热,大小通常大致相同。
当将低温液化氮用作制冷介质时,需要特定性能的换热器。由于换热器温度和-196℃的液氮之间的温差大,因此与换热器冷却结伴而来的是,材料中出现相当大的热应力。
发明内容
本申请的目的在于提供一种合适的换热器,它将高换热效率、操作可靠性和可信赖性以及可能最紧凑的结构结合起来。
该目的由独立权利要求限定的主题实现。在下面的描述和从属权利要求中指出了其他的有利的实施方式和方面,在所有情况下,可以分别利用这些实施方式和方面,或者根据需要按照适当的方式将其相互结合起来使用。
根据本发明的具有液化气体储罐的移动式冷藏车的换热器包括至少一根用于接受液化气体流并蒸发至少一部分液化气体的管子,其中,该管子至少在某些区段上具有纵向轴线,并且该换热器包括用于液化气体进口侧和用于至少部分蒸发的气体的出口侧,该出口侧与排气管相连,该管子的内部具有元件,以便在流动中产生湍流。
作为备选方案,根据本发明的具有液化气体储罐的移动式冷藏车的换热器包括至少一根用于接受液化气体流并蒸发至少一部分液化气体的管子,其中,该管子至少在某些区段上具有纵向轴线,并且该换热器包括液化气体进口侧和至少部分蒸发的气体的出口侧,该出口侧与排气管相连,该管子的内部具有元件,以便使液相和气相产生径向分离。
在此情况下,优选如下配置,其中,液体被压到该管子的外壁上,并且气体能够在内部流动,由于这一原因,外侧的传热和内侧的气体流动都得以改善。
该换热器特别适合蒸发液化气体并特别有效地利用其中包含的冷量。该换热器具有特别高的效率,并且操作起来特别可靠。
特别的是,沸点低于-100℃的气体,例如液氮,可以用作液化气体。但是,根据换热器的适当的调整,也可以使用沸点较高的气体,例如液态二氧化碳。
气体被特别是深度冷却液化,并在约1巴到20巴的绝对压力下存在储罐中,最好是在1.5巴和3.5巴之间。储罐是绝热的,例如被真空绝热或者被包在泡沫夹套中。储罐以流体传导的方式与换热器连接。从储罐到蒸发器的液化气体管线最好是超级绝热。
在换热器内部,液化气体至少部分被汽化,并且包含在液化气体中的冷量被释放到移动式冷藏车中的冷藏室中。正在讨论的制冷系统是开放的,不具有闭合环路。不需要用于压缩气体的压缩机,因为该制冷系统在工作时不需要压缩机。
管子可以是直的、弯曲的、曲折的、以盘管形式盘绕的或者分段折弯的。管子的横截面也可以是平的,波浪形的或星形的。扁平管所显示出的横截面宽度远大于横截面高度。术语“横截面”在这里被理解为用于表示管子在垂直于管子纵向或者纵向轴线的平面上的截面。管子特别由导热性质优良的材料(例如铝或者铜,优选铜)构成。由于低温和相关的急剧变化的温度梯度以及温位随时间的波动,因此换热器部件最好采用均匀的材料配对(material pairing),以便减少材料的热变形和相关的材料疲劳现象。
换热器内部的液化气体至少部分蒸发。与这一起释放的冷量借助于冷量传递介质(例如冷却液或者冷却空气)经制冷剂管子被输送到所需位置(例如,冷藏室的内部)。因此,冷藏车上的冷藏室不是被直接地、而是间接地由液化气体冷却。
有利的是,换热器具有用于冷却的冷却空气用的流道,冷却空气在冷却(降温)之后被吹到冷藏车的冷藏室里。换热器特别具有通风器,以便使冷却空气再循环。冷却空气最好被吹到管子上,以便导致在冷却空气和管子之间、进而在冷却空气和液化气体之间发生特别强烈的热接触。
为了改善冷量传递,建议管子的内部应该具有元件,以便在流动中产生湍流,或者使液化的和汽化的气体产生径向分离。当液化气体流过管子时,借助于这些元件,在液化气体中产生涡流和湍流。事实表明,借助于这些元件,管壁上气体分界层的厚度,特别是液化气体和管壁之间的气体层的厚度,可以显著减小,并且冷接触,即制冷能力,可以显著改善。
这些元件可以由管子中的挡板形成,特别是由沿纵向轴线延伸的异型杆(profile rod)或者异型条带(profile strip)形成。挡板也可以由伸入管子内部并分割或者隔离管子内部横截面的凸出物、隆起或者其他分割壁或分隔壁形成。
异型杆或者异型条带可以是星形,特别的是有至少2个分支(jets),最好有至少3个分支,例如至少5个分支。因此要保证管子内部再分成至少两个、至少3个或者至少5个供气通道。
通过液化气体与挡板的接触,冷量的传输也可以被改善,随后,冷量在挡板和管壁之间传递。为此目的,如果挡板附着在管壁上以提供优良的导热性,则是有利的。例如,挡板可以软焊(solder)或者熔焊(weld)在管壁上。作为备选方案或者除此之外,还可以使用低温热膨胀特性低于周围管子的低温热膨胀特性的材料,以便管子收缩到挡板上。
如果挡板沿着纵向轴线扭转(换位,移位,transposed)延伸则是有利的。例如,异型杆每米扭转至少两次,特别是至少4次,但不超过100次,特别是至多20次。当液化气体流过管子时,管子的扭转使液化气体产生离心加速度,由于这一原因,液化气体和管壁之间因蒸发而出现的气体层的厚度显著减小。
有利地,挡板沿纵向轴线呈波浪形延伸。在此情况下波状起伏的波长最好为从0.5毫米到200毫米,特别是从1毫米到10毫米。当液化气体流过管子时,波状在流动中引起湍流。相对于尚未汽化的气体的分量,通过用于在流动中产生湍流或者使液化的和汽化的气体产生径向分离的元件使汽化的气体的分量显著增加。
这些元件也有助于减小与已经汽化的气体有关的分界层的厚度,由于这一原因,以气态形式气体的低温形式储存的冷量的释放得以增强。
管子有利地具有管壁,特别的是,管壁沿着纵向轴线成型,特别是波动或者扭转的。通过这类管壁的成型,在管子的内部也会产生流动湍流,它会提高换热器的效率。
每米扭转量总计至少2捻,特别是至少4捻。但是,每米不应该超过100捻,特别是至多50捻,特别是至多20捻,以免妨碍管子中的自由流动。
波动的波长,即管子从一个波峰到相邻波峰的纵向距离,至少0.5毫米,特别是至少1毫米。波长不超过200毫米,特别是至多10毫米。通过扭转和波状起伏,在液化气体和汽化气体和冷传播介质(例如冷却空气)之间产生密切的热接触和冷接触。
管子特别具有沿管子长度变化的管子内部横截面。例如,管子第一位置处的管子第一内部横截面在管子第二位置处的管子第二内部横截面上的投影面小于管子内部横截面的90%,特别是小于70%,优选小于50%。在此情况下,特别是两个管子位置相距100毫米的距离。
通过管子内部横截面的变化在管子中产生湍流。在此情况下,管子内部横截面沿管子纵向可以保持基本恒定。通过横截面在管子纵向上的变化产生湍流。例如,管子内部横截面是椭圆或者矩形,并且在纵向上以螺旋线的形式扭转。管壁也可以有很多凹槽或者凹陷,它们对管子内部的流动特性有相应的影响。管子内部流动的雷诺数至少可达1,000,特别是至少2,000,例如5,000。
在流经管子的过程中,管子内的液化气体因在管子内部横截面整个表面上在两个管子位置处相互投影的管子内部横截面的小部分表面而偏转,这改善了液化气体和汽化气体与管壁之间的热接触。
有利的是,管子具有轧制出的翅片,特别是在它的外部。借助于翅片,管壁吸收的冷量可以被有效地释放到冷传播介质,例如用于冷却的冷却空气。借助于翅片,管子的外表面明显增大。翅片可以围绕周边以螺旋形式延伸,和/或可以呈波状外形。除了获得较大的单位体积表面积之外,使翅片具有波状结构,还能产生额外的湍流,这提高了释放到冷传播介质的冷量。
管子和元件最好由均质材料(特别是铜)制成,并且/或者特别是通过熔焊或者软焊。在采用熔焊或软焊的情况下,在元件和管子之间产生内部热接触,这增加了从元件到管子的冷量传递,这样一来,也增加了换热器的总效率。同样,管子外面的翅片也可以熔焊或者锡焊到管子上。
特别的是,这些元件将管子的横截面分成至少2个、特别是至少3个、最好是至少5个管子内部横截面。因此,在管子内部形成相应多的流体通道,由于这一原因,整个管壁的表面积与管子体积之比增加。因此,换热器的效率增加。
如果管子的内部横截面沿径向向外变宽,则是有利的。通过从内向外沿径向变宽,可利用因管子或异型杆扭转产生的任何离心加速度。因此,管壁和液化气体或者汽化气体之间的分界层厚度可以减小。
在一个特殊的配置中,为了分离液化气体与汽化气体,设置了相分离器,它与换热器的出口侧相连,以便允许流动。借助于相分离器,液化气体中尚未蒸发的液体部分在通过换热器之后可以被抽出,并回到换热器中。因此,液化气体中包含的冷效率增加。相分离器可以具体体现为压力容器。用于液化气体的进口侧可以特别布置在用于至少部分蒸发的气体的出口侧上方。因此,对于液化气体和冷传播介质实现了有利的流动特性。
换热器可以具有围绕管子螺旋缠绕的电阻加热装置。借助电阻加热装置可以消除换热器结冰。电阻加热装置可以是被绝缘层包起来的载电导线,导线缠绕在管子上。
可以在管子下面设置收集槽。在换热器上形成的所有冰都解冻的特殊情况下,收集槽收集解冻的水,并将它引离换热器。可以在收集槽上设置辅助加热元件,以便加速所有冰的解冻。
换热器可以具有特别由热塑性材料制成的换热器外壳,它向换热器内供应空气。因此可以制造设计特别紧凑和经济的换热器。
有利的是,换热器具有排出口,排出口具有用于捕捉水滴的捕捉边缘。捕捉边缘可以由迷宫式通道、捕捉裙边或其他保持板形成,借助于捕捉边缘,可以防止融水和经冷却降温的冷却空气一起从换热器中被带走。因此可防止冷却空气的流道结冰。
有利地,在换热器上设置至少一个压力传感器和一台用于测试冷却系统、特别是换热器的气密性的装置。该装置可用于确定管道系统中是否存在任何与液化气体有关的泄漏。为此,封闭管子的一段,并使之承受正压,然后观察正压的稳定性。除了压力传感器之外,还可以有利地设置温度传感器。通过测量温度,可以确保待测的管道系统的部件中没有液态气体存在,这些液态气体汽化会使压力测量失真。
有利地,在换热器上设置温度传感器,并使之与用于测试气密性的装置电连接。
附图说明
更多的有利方面和更多的改进根据需要可以单独使用,也可以以适当的方式相互结合,它们将根据下面的附图来解释,其中附图不打算用于限制本发明,只是通过举例对它做图解说明。
附图包括如下简图:
图1是本发明的冷藏车的示意性的侧视图;
图2是本发明的冷藏车的蒸发器的示意剖视图;
图3是如图1所示的冷藏车的蒸发器的三维透视图;
图4是如图3所示的蒸发器的侧视图;
图5是如图3和4所示的蒸发器的顶视图;
图6是如图3所示的蒸发器的管子的顶视图;
图7是如图6所示的管子的用透视法表示的剖视图;
图8是如6和7所示的管子的横截面;
图9是本发明的冷藏车的蒸发器的其它管的侧视图;
图10是换热器外壳的斜透视图;
图11是可以用在例如如图1所示的冷藏车中的打开的制冷模块的三维斜透视图;以及
图12是本发明的压力形成系统或者本发明的泄漏测试系统。
具体实施方式
图1描绘了本发明的冷藏车2的侧视图,它具有安装在冷藏车2的正面50上上部区域的制冷模块10。制冷模块10包括蒸发器1和换热器30(见图2),由绝热储罐5向其提供液化气体。储罐5具有隔热护套,优选为真空护套、乃至泡沫护套,并且与制冷模块10以流体传导的方式相连。该储罐安装在冷藏车2的下部区域12中。
图2描绘了安排在冷藏室4、9外部的蒸发器1,该蒸发器构成换热器30的一部分,以便将因液化气体蒸发而产生的冷量释放到来自冷藏室4、9的、用于冷却的冷却空气39中。保存在冷藏室4、9中的货物(这里未显示)被经冷却降温的冷却空气27冷却。蒸发器1通过用于液化气体的管线42以流体传导的方式与储罐5相连。在蒸发器1中被汽化并被加热的废气经排气管6被释放到环境中。储罐5被布置在蒸发器1之下。储罐5储存有在微小的正压下、温度约为80K的液化氮。储罐5内的正压用于将液化气体从储罐5带到蒸发器1内。如果要从储罐5中排出大量气体,并且为了在储罐5装满液化气体之后让储罐5内的压力增加,在储罐内设置了增压装置13,优选为储罐加热装置,借助该装置,液化气体可以被现场加热并蒸发。增压装置13的控制阀经管线43与制冷模块10上的压力控制器38导电连接。储罐5内的压力借助压力控制器38来调节。冷藏室4是为冷冻食品而设,它显示的温度在-25℃和-18℃之间。例如,也可以提供低得多的温度(-60℃)。冷藏室9是为新鲜产品而设,它显示的温度在+4℃和+12℃之间。冷却空气借助通风器8在冷藏室4、9和布置在冷藏室4、9外部的换热器30之间传递,为此目的,冷藏室4、9经流道7以流体传导方式与换热器30相连。冷藏室4、9被冷藏室外壳3包围。冷藏室外壳3提供隔热功能。制冷模块10被布置在冷藏室外壳3的外部,在该例子中,冷藏室外壳3的形状为矩形。制冷模块10也被隔热。
制冷模块10具有相分离器24,蒸发器1中没有蒸发的液化气体部分可以通过该相分离器与汽化气体部分分开。分开的且未汽化的液体部分然后回到蒸发器1。换热器30、确切地说是蒸发器1具有电阻加热装置28,使用该装置可以使形成在蒸发器1上或者换热器30内部的任何冰解冻。作为另外一种选择,或者说除了操作电阻加热装置28之外,让来自冷藏室4的空气再循环也可以实现冰的解冻。在此情况下,空气由冰和换热器30的比热以及熔化焓冷却。事实上,再循环没有导致将热量输入冷藏室4、9。如果空气来自于在高于水的冰点的温度下操作的冷藏室并且返回到该冷藏室,那么这一点也适用于在低于零摄氏度的温度下操作的冷藏室。这是可能的,原因在于在解冻期间流道7可以被封闭,因此冷藏室4、9和相关的换热器30没有热量方面的联系。特别的是,用这种方法能让蒸发器1或者换热器30在除霜时的能量效率高。此外,制冷模块10、确切地说是蒸发器1或换热器30,还具有用于测试冷却系统——尤其是换热器30和蒸发器1的气密性的装置20。为此目的,在蒸发器或者换热器30中的多个位置处设置了压力传感器35和温度传感器37,利用它们来确定换热器30和蒸发器1中的压力和温度的时间分布。特别的是,用这种方法可以确定在蒸发器1或者换热器30的封闭的管段中正压是否保持稳定,或者说是否因泄漏而随时间下降。借助于温度传感器,可以确定换热器30或者蒸发器1中是否存在液相。气密性测试可以在晚上进行,例如,当冷藏车2固定静止时。有利的是,这可以实现所关心的量的高精度测量。
图3以一定的角度描绘了带有管子14的蒸发器1的透视图,液化气体在管子14中汽化,而用于冷却的冷却空气39流过管子14的外表面。管子14具有纵向轴线19,至少是在某些区段上。在蒸发器1上设置了相分离器24,通过该相分离器,流过管子14的未蒸发的那部分液化气体可以与汽化气体分开,并回到管子14。在测地学意义上(geodetically),管子14的进口侧26低于管子14的出口侧25。相分离器24的回流管线40被布置在相分离器24的供给管线36的下方。在蒸发器1的下方设置收集槽31(见图10),用于在解冻过程中收集融水。管子14可以折叠、螺旋缠绕和曲折缠绕,以便确保特别紧凑地设计换热器30或者蒸发器1。
图4描绘了如图3所示的换热器30的侧视图。图5描绘了换热器30的顶视图。
图6将管子14的详图描绘为顶视图。管子14沿纵向轴线19延伸。管子14的周围具有翅片17,它们是用特殊的工艺直接从管子本体上压出来的,也就是说,它们事实上代表了具有管子14的工件。翅片17可以焊在管子14的管壁23上。特别的是,管子14和翅片17由铜制成。借助翅片17能特别有效地实现将随液化气体的蒸发和加热而产生的冷量传递到用于冷却的冷却空气39。翅片17呈波浪形,以便增加单位体积的表面积,并且以便在用于冷却的冷却空气39中产生湍流,从而增强冷量释放和冷量的传递。
图7将如图6所示的管子14的剖视图描绘为三维透视图。管子14具有管壁23,波浪形的翅片17安排在管壁23的周围,并附着在管壁上面。翅片17可以软焊在管壁23上。为了简化翅片17的除霜,在翅片17之间设置有电阻加热装置28。该电阻加热装置28由多根电绝缘的导线构成,导线通过电流效应加热。用于产生湍流或者用于使液化气体和汽化气体沿径向分离的元件18被引入到管子14的内部。元件18设想为挡板21,并可以插入管子14中,形成星形的异型杆22。特别的是,挡板可以软焊或者熔焊在管壁23上。管子14中的异型杆22沿着纵向轴线19扭转。形成在管壁23和液化气体的液滴之间的蒸气层的厚度因此而减小。当液化气体流过管子14时,扭转导致液化气体被压在管壁23的内侧。元件18也具有漩涡结构41,这有助于让管子14内的液化气体打漩。管子14中的打漩现象导致液化气体和管壁23之间的蒸汽层的厚度下降,因此,从温热的液化气体到用于冷却的冷却空气39的冷量传递效率增加。挡板可以由不同于管壁23的材料制成,例如,挡板可以由塑料制成。如果挡板21用导热率高的材料来生产,并且将它与管壁23相连以便确保导热率高,则是有利的。挡板21和管壁23之间的传热阻力可以通过例如软焊或者熔焊来降低。为了确保包含在液化气体中的冷量以最高可能的效率传递到翅片17,最低可能的热阻是有利的。
图8将贯穿如图6和7所示的管子14的横截面描绘成垂直于纵向轴线19的剖视图。元件18被表示为扭转的、星形的挡板21,它以异型杆22的形式插入管子14的内部。异型杆22的横截面被做成具有5根径向臂的星形,这些径向臂被软焊到管壁23上。各径向臂具有漩涡结构41,这些漩涡结构由异型杆上的波状起伏或者表面粗糙度形成。挡板本身和挡板21上的漩涡结构41都增加了管子14内的湍流,因此从液化气体到翅片17、进而到用于冷却的冷却空气39的冷量传递得以改善。
图9描绘了管子14的另一个实施方式,在该实施方式中,为了更清楚,没有显示翅片17。该实施方式涉及扭转变形的扁平管,其中管子14具有沿管子14的长度变化的管子内部横截面。管子14的内部横截面最好是圆形、椭圆形或者强椭圆形,并且沿着管子14的长度扭曲。特别的是,管子第一位置15处的管子第一内部横截面在管子第二位置16处的管子第二内部横截面上的投影面小于管子内部横截面的30%。在此情况下,管子两个位置15、16沿纵向轴线19扭转100毫米。在流过管子14的同时,扁平管的扭曲引起液体(外部)和气体(内部)的离心分离,这增强了液化气体和管壁23之间的热接触。
但是,在图7所示的实施方式中,在管子14的内部设置了挡板21,以便在管子14中产生湍流,而在图9所示的实施方式中,管子本身是异型的,特别是扭转的或者呈波浪形,以在流动时产生湍流。
图10描绘了换热器30的换热器外壳29,该外壳被看作安装在换热器30内的收集槽31,以便收集解冻时滴下的融水,并通过排水槽(未显示)将融水引走。收集槽31可以具有辅助的加热元件32,通过该加热元件可以使冰解冻。换热器外壳29具有用于冷却的冷却空气39或者经冷却降温的冷却空气27的流道7。在此情况下,换热器外壳29具有包含边缘34的排出口33,借助于该边缘可以收集在解冻过程中产生的液态水,因此液态水不会被风扇吹到冷藏室4、9里。用这种方法能特别有效地防止流道7被融水冻住。举例来说,捕捉边缘的形式可以是裙形、迷宫式结构或者转向板。
图11将可以用在例如如图1所示的冷藏车中的那种制冷模块10描绘成打开形式的三维斜透视图。通过通风器8、相分离器24和管子14的模块化配置实现了特别紧凑的设计。
图12示意性地描绘了本发明的带有压力控制装置38的冷却系统,以便不用电动泵就能将液化气体从储罐5传送到蒸发器1内。该冷却系统具有用于测试冷却系统45、换热器30或者蒸发器1的气密性的装置20。蒸发器1与储罐5相连,以允许液化气体经管线42流动。液化气体被储罐5内产生的压力沿其流向54推到管线42内。为了增加储罐5内的压力,用阀49将管线42封闭,与此同时,通过加温管线42,使管线42内的液化气体部分在阀49的上游即在阀49和储罐5之间汽化。阀49也被称为进口阀。管线42可以带有隔热、例如双壁真空绝缘(超级绝缘)或者泡沫护套。通常,尽管有热绝缘,热输入仍非常充足,以使管线42内、阀49上游足够多的液化气体部分汽化,并增加储罐5内的压力。在特殊情况下,可能适合在管线42内、阀49的上游设置热桥51,该热桥维持着必要的热输入。减少管线42上的绝缘材料可以形成热桥51,与此同时,特别在管线42的一段上设置热桥,并且其传热系数最好是可变的。阀49按脉冲的形式打开,使液化气体沿流向44被压到管线42内,并被传递到换热器30内。由于管线42内的阀49的脉冲调制的操作,因此不会出现静止情况,所以根据阀49的封闭情况和从储罐5中除气的情况,管线42内、阀49上游的温度会沿横向波动。
为了确保在储罐5内建立足够的压力,管线42的从阀49上游直到储罐5上的开口为止的内部容积至少约为储罐5的内部容积的1/1,000。换热器被安排在冷藏室外壳3的内部,并将经冷却降温的冷却空气27释放到冷藏室4。为此目的,冷藏室4内部的空气借助于由马达52驱动的通风器8进行再循环。在冷藏室4的内部,在第一点46处设置初始温度传感器37,以便测定温度波动。如果冷藏室4内的温度以每分钟超过5℃的速度急剧下降,就发出初始报警信号,这会让冷藏车2的操作者注意到冷却系统45内可能存在的泄漏。可以在冷藏室4内部在附加的第一点46处设置起相同作用的辅助的温度传感器53。
马达52可以像电动机一样操作,或者利用汽化气体进行气动操作。液化气体被传递到阀49的下游,穿越蒸发器1和换热器30,直达辅助阀55。于是,汽化气体被当作废气56经排气管6释放到环境中。管线42的位于阀49和辅助阀55之间的管段57可以借助两个阀55、49被封闭。在此情况下,特别的是,如果管段57是气密的,那么可以密封出正压。在管段57上的第二点47处设置压力传感器35,该传感器用于记录管段57内的压力的时间分布。如果密封在阀55和阀49之间的正压低于设定值,或者如果该正压比设定的参考值变得更快,例如快于每分钟0.2巴,则会发出第二报警信号。第一报警信号和第二报警信号被显示在指示器仪表44(见图2)上,显示给冷藏车2的司机。阀49、辅助阀55、压力传感器35以及温度传感器37和53构成用于测试换热器30、蒸发器1和冷却系统45的气密性的装置20。辅助阀55也被称为排气阀。
有利地,使用至少两个换热器30和至少两个蒸发器1,交替进行解冻和冷却。这样使得操作更可靠。万一在换热器30和蒸发器1上结冰时,主动解冻工艺会导致能源成本增加,而用这种方法也可以使能源成本显著降低。
在选择换热器材料时应该使用均质材料配对。已经证明由铝或者铜制成的换热器可以用在低温工程中。出于生产工艺的考虑,选择由铜管和铜翅片组成的均质材料为最优选择,不过也可以使用其他合适的材料。在该应用中,换热器管最好用作肋片管,它由铜均匀构成,并且外包络面上具有铜翅片。这些翅片也可以被软焊、熔焊、夹紧或者附着或者用其他方法安装在外包络面上。翅片17优选通过轧制工艺从管材上压出,然后在侧面上设置波状起伏。翅片的波状起伏在最后一道轧制操作中产生。如果有横向层流通过管子,所述波形就会在翅片17之间引起空气湍流,空气侧肯定会出现较高的传热系数。轧制的翅片17优选沿周边以螺旋形式延伸,翅片间距在2到10mm之间,优选为3mm。但是也可以使用其他的翅片间距。带有翅片17的管子14优选被保持在端部翅片上。术语“端部翅片”被理解为表示带有孔的板,管线的管接头穿过这些孔。在孔的周围,开有穿过端部翅片的狭缝,以便在所有情况下,管子都能相对于端部翅片的安装点单独移动。管子端部优选伸出端部翅片之外。端部翅片优选由铜构成,端部翅片和肋片管的管接头都被牢固地附着于端部翅片上,优选通过软焊。带有翅片的管子14的从端部翅片伸出的管端通过铜管或者桥接件相互连接。
在热量从液氮传递到管子的初期,从液态到气态的相变发生在换热器管中。在物理状态的这一变化过程中,液汽混合物通过薄膜沸腾和核沸腾发生反应。经验表明,由于管子内部的核沸腾,液体会出现较高的加速度,这是由于汽泡在液体前方沿流动方向形成。
在以前公开的蒸发器1中,产生的小汽泡会在几分之一秒内合并成大汽泡,并且由于有体积变化,因此会推动它们前面的液柱以爆发性的速度通过换热器管。在以前公开的换热器中,通过这一工艺,只有不充分的热量从液化气体传递到管壁23。
在换热器30中,元件被安装在管子14的内部,它允许最均匀的蒸发可能发生在换热器管的内部,并用这种方法增加传热系数。为了最佳化,流动型面或者挡板21被插到管子14内,它保证液体总是在管壁23的内表面上流动。例如用异型杆22将管子横截面沿纵向分成n部分。这些部分被制成圆弧段型面(circle segment profile),其中圆弧段的角度从管子中心开始,并延伸到包络面。也可以使用其他几何形状,不过这些几何形状只应当在管壳内侧上形成最大可能的空间体积。优选使用5个内置星形的、径向内部型面。该星形绕纵向轴线扭曲。如上所述,在进入换热器管时,液化氮会因气泡的形成和因此导致的体积变化而加速。带有n个径向臂的异型杆22绕纵向轴线19的扭曲或者扭转使得在管子14内产生流道,这些流道沿着管壁23的包络面盘绕在管壁的内部。可以保证带有n个径向臂的内部型面根据需要绕相对于管子14的长度绕纵向轴线19扭转。但是,通道必须仍位于扭曲之后的管子中。内部部分绕纵向轴线19每米被扭曲2次到10次不等,优选为3次。带有n个径向臂的异型杆22的扭曲将被离心力加速的流体压到管壳内表面上,并沿着管子传递流体。由于液体与管壳内表面之间的温度差,液氮的物理状态因核沸腾而变化。因此,传热系数显著增加。经过比较短的距离之后,液化气体几乎可以完全汽化。
换热器内的所有管子14都可以充满液化氮。优选地两根管子14被充满液化氮。换热器的充满液化氮的肋片管优选是测地学意义上的最高处的管子。优选用在空气出口侧、测地学意义上最高处的两根管子来充装流体。因此,用于冷却的空气流和氮气流之间的逆流就被叠加在横向流上。
相分离器24有利地连接到充满流体且内部设有扭曲星形的肋片管14的下游。相分离器24可收集任何尚未汽化的液滴,这些液滴尚未与管壳内表面相接触,或者仅有不充分的接触。相分离器优选被配置成水平的压力容器。入口管优选穿过端面、在测地学上面向上的包络面下方延伸一段较短的距离。出口管位于入口管的相对侧,并且优选在测地学上穿过端面、在下方的其他包络面的上方延伸一段较短的距离。
相分离器24的任务是收集夹带的液体部分,并通过后面的具有翅片的管子(肋片管)下方的出口管将它们送回换热器。所有收集的尚未蒸发的液氮优选被送回位于空气出口侧的、测地学意义上的最低点处的那两根肋片管。
内部具有扭曲的异型杆22的下游肋片管14充当气态氮的预加热器。N根管子可以连接到下游,以便将气态氮加热到规定的排气温度。优选有6根管子被用作预加热器,在此情况下,有两根来自相分离器的回流管也被看作预加热器。
优选的是,换热器也可以仅仅作为预加热器来操作。为此目的,入口处的气体温度应该显著低于该舱室内部有待被冷却降温的空气。
还设置有电阻加热装置,因为出于工艺过程方面的原因,不可能从管子14的内部取出用于解冻的热量输入。这一解冻加热可以消散任何冰冻。特别的是,在此情况下出现的从-196℃到+100℃的温度波动需要加热,并且需要管子具有特殊特性。需要用电加热装置来解冻,最好具有至少2到40根、例如9根镀银的铜股线,在所有情况下,该股线可以具有0.1毫米到0.5毫米,例如0.25毫米的直径。铜股线被包在由聚四氟乙烯(PTFE)之类的聚合物制成的护皮中,以提供电绝缘。具有PTFE护皮的镀银铜股线被螺旋缠绕在各翅片17之间,直到肋片管的管基,从而在加热电缆和每个翅片17和翅片的基部之间的肋片管的铜之间建立接触。因此在整个换热器上可以形成均匀的用于解冻的热分布。
为了实现空气流在整个换热器上的目标路径,换热器外壳29被设计成盖罩,一方面它充当冷凝水的收集槽31,另一方面保证换热器30内部的空气流路径。另外,换热器外壳29也确定了抽气方向。通过在换热器罩中设置参考断裂点的便利,抽气方向根据需要被设置在正面,或者选择向左、向右或者同时向左和向右,以便指向所需抽气方向的罩子部件可以被轻松拆开。由于温差大,因此优选选择由塑料例如聚苯乙烯/聚乙烯塑料材料配对制成的换热器外壳。这种材料配对的特点在于它的热变形小。此外,该材料容易成形,并且提供了内部隔热的可能性,从而避免在外侧冷凝。
换热器、确切地说是蒸发器有利地装备有能优化液化气体、特别是低温液氮的蒸发传热的设备,该设备充当空气冷却器,同时,换热器、特别是蒸发器包括带有螺旋缠绕的波浪形轧制翅片的肋片管。在此情况下,换热器管和翅片的材料配对特别包括均质金属。均质材料可以是铜。特别的是,在肋片管内部,用流动型面将管子的横截面沿纵向分成n个部分,同时,这些部分可以被做成圆弧段型面,并且/或者圆弧段的角度从管子的中心开始,并且可以延伸到管壳表面。这里也可以使用其他几何结构,它们最好能在管壳内部构造出最大的空间体积。有利的是,使用具有多个径向型面、特别是5个径向型面的内部型面,其形式为位于内部的星形型面。特别优选让位于肋片管内的型面绕纵向轴线扭转,从而在管子内形成螺旋形通道,该通道朝向管子的中心逐渐变细。位于肋片管内的流动型面可以分割管子的横截面至少一次。有利地,位于肋片管内的、分割管子横截面至少一次的流动型面螺旋扭曲,使得在管子内部形成至少两个螺旋形流体通道。充满液氮的管子最好是空气出口侧最高处的管子。在所有情况下,肋片管最好被软焊在任一侧的铜端部翅片上。在所有情况下,水平的相分离器24可以形成在和/或熔焊在端部翅片上作压力容器。进入相分离器24的入口管可以被引入到相分离器端面的上部区域内、压力容器的包络面下方的短距离处。出口管可以从相分离器、在端面的下部区域、压力容器的包络面上方的短距离处引出。换热器的塑料零件可以由热塑性塑料(优选为聚乙烯,PE)在压塑模或铸塑模中制成。考虑到高温差和绝缘需求,最好采用聚苯乙烯/聚乙烯的材料配对。
各种额外的与本发明密切相关的方面描述如下。单个方面可分别应用于每种情况,即它们相互独立,也可以根据需要相互结合。这些方面也可以与以前描述的方面结合。
就操作可靠性、可依赖性和能量效率而言,特别有利的移动式冷藏车2包括里面有至少一个冷藏室4的冷藏室外壳3、液化气体储罐5、用于蒸发液化气体同时将冷量释放到冷藏室4的蒸发器1、以及用于已蒸发气体的排气管6,蒸发器1被安排在冷藏室4的外部。有利地来自蒸发器1的冷量被释放给制冷空气,该制冷空气被经流道7从冷藏室4送到蒸发器1,接着从蒸发器1被送到冷藏室4。为此目的,特别设置了通风器8,通风器8被布置在冷藏室4的外部,同时,通风器8和蒸发器1作为制冷模块10可以装在冷藏车2上。冷藏车2特别具有至少一个温度低于0℃、特别是低于-10℃的第一冷藏室4和至少一个温度高于0℃、特别是在+4℃和+10℃之间的第二冷藏室9。蒸发器1可以被安排在冷藏车2的上部区域11中,特别是在车顶上或者是在正面。储罐5可以安排在冷藏车2的下部区域12中,特别是在冷藏车2的下面。在储罐5上特别设置压力控制器38,该压力控制器特别带有增压装置13,例如电阻加热装置,通过该电阻加热装置液化气体被迫进入蒸发器1。有利地设置用于测试冷却系统、特别是蒸发器1的气密性的装置20。必需的热能可以取自环境。
用于对移动式冷藏车2的冷藏室4制冷的有利方法包括如下处理步骤:从储罐5中输出液化气体,并将它供应到位于冷藏室4外部的蒸发器1中;从冷藏室4中输出用于冷却的冷却空气流;蒸发蒸发器1中的液化气体,并将至少一部分冷量用于对冷却空气流制冷;将经制冷的冷却空气流引入到冷藏室4中。
考虑到与安全性能有关的问题,以及由于技术效率的原因,用于监控冷藏车2的冷却系统45的气密性的有利的第一方法包括如下步骤:记录冷却系统45内至少第一点46处的温度的时间分布,并且测量第一点46处的温度在第一时间间隔内的任何变化;将此变化与第一参考值相比较,如果此变化超过第一参考值,则触发第一报警信号。考虑到与安全性能有关的问题,以及由于技术效率的原因,用于监控冷藏车2的冷却系统45的气密性的有利的第二方法包括如下步骤:使冷却系统45的管段57承受正压,堵塞该管段57;记录该管段57内至少第二点47处的压力的时间分布,并且测量第二点47处的压力在第二时间间隔内的任何变化;将此变化与第二参考值相比较,如果此变化超过第二参考值,则触发第二报警信号,同时,特别的是,如果压力增加,则在一定的延时之后,重复这一方法。如果压力低于设定的最小压力,则最好发出额外的报警信号。在此情况下,最好将第一方法与其他方法结合,同时,特别的是,如果触发了第一报警信号,也要实施其他方法。有利地,第一参考值对应于至多每分钟20℃的温降,特别是至多每分钟10℃,例如至多每分钟5℃。特别地,第二参考值对应于至多每分钟1巴的压力降,特别是至多每分钟0.5巴,例如至多每分钟0.2巴。对于初步测试来说,第一和/或第二时间间隔具有例如1s到300s不等的持续时间,特别是在50s和180s之间,例如在10s和60s之间。对于精确测试来说,第二时间间隔具有例如5分钟到24小时不等的持续时间,特别是在30分钟和12小时之间,例如在1小时和4小时之间。关掉冷藏车2可以启动气密性监测。第一和/或第二报警信号可以用指示器仪表44通过光和/或声音来指示。特别的是,在冷却系统45的解冻期间,启动和/或执行气密性监测。
作为选择或者作为补充,还可以根据如下方法来监控冷却系统45的气密性,该方法包括如下的顺序步骤:
a)关闭储罐与换热器30和蒸发器1中的至少一个之间的阀49,至少按序同等打开辅助阀55——通过该辅助阀可以与排气管6形成流动连接,并且测量阀49和辅助阀55之间的压力;
b)关闭辅助阀55,测量阀49和辅助阀55之间的压力;然后
c)打开阀49,测量阀49和辅助阀55之间的压力。
对于完好的阀49和完好的辅助阀55来说,假定温度基本恒定,在步骤a)中,所测量的压力应该对应于冷却系统外部的环境压力,通常为大气压。在步骤b)中,所测量的压力应该随时间变化保持恒定,但在步骤c)中,压力一直增加直到压力平衡为止,然后应该测量基本恒定的压力。特别的是,这些压力可以与可以设定的参考值相比较,以便能发现阀49、55的故障操作。
用于操作具有至少一个冷藏室4、9的冷藏车2的冷却系统45的特别有利的方法,包括用于测试冷却系统45的气密性的两种方法中的至少一种,同时,特别的是,冷却系统45包含通风器8,并且当冷藏室4、9的室门48被打开时,通风器8被接通。
用于冷藏车2的特别有利的冷却系统45包括至少一个液化气体储罐、至少一个蒸发器1和一个用于测试冷却系统45的气密性的装置20,该冷却系统具有至少一个温度传感器37和/或至少一个压力传感器35,用于执行用于测试冷却系统45的气密性的两种方法中的至少一种,同时特别的是,冷藏室4、9装备有室门48和通风器8,并且通风器8被设置为室门48一打开就工作。特别的是,通风器8被设置为在检测到漏气并且当冷藏室4、9的室门48打开时工作。
特别有利的冷藏车2包含如上所述的冷却系统45。
一种在具有液化气体蒸发器1的冷藏车2中的液化气体储罐5中产生正压的特别有利的方法,其中蒸发器1以流体传导方式经液化气体管线42与储罐5相连,并且阀49被安排在管线42中,该方法包括如下工序:打开阀49,允许液化气体从储罐5流入管线42中;关闭阀49,以便部分液化气体留在管线42中,并且能回流到储罐5中;加热管线42中的这部分液化气体。因此,热量/能量被引入储罐中,它在这里导致压力增加。优选加热管线42,以便位于其中的那部分液化气体至少部分蒸发。使用该方法,不用电动泵即可高效率地操作该制冷过程和冷藏车。在关闭阀49时,在阀49上游的管线42中,有利地,封闭了体积至少为储罐5的体积的1/1500、特别是至少1/700、例如至少1/300的液化气体。该加热步骤导致留在管线中的部分液化气体蒸发,特别是至少10%,特别是至少20%,例如至少50%,或者至少80%。可以借助环境的热对管线42进行加热。
一种用于将液化气体从储罐5输送到位于冷藏车2的较高位置处的蒸发器1中的特别有利的方法,其中蒸发器1经液化气体管线42与储罐5相连,以便允许流动,并且阀49被安排在管线42中,该方法包括如下步骤:用根据本发明的增加压力的方法增加储罐中的正压,然后打开阀49,从而允许液化气体被正压压到蒸发器1中。为了增加压力,特别是以脉冲形式打开阀49。
一种用于增加具有液化气体蒸发器1的冷藏车2中的液化气体储罐5中的正压的特别有利的设备,其中蒸发器1经液化气体管线42与储罐5相连,以便允许流动,并且阀49被安排在管线42中,该设备包括:用于执行根据本发明的增压方法的控制装置,其中,特别是阀49上游的管线42中的内部容积达储罐5的内部容积的至少1/1500,特别是至少1/700,例如至少1/300。管线42有利地具有热绝缘性,同时,特别是阀49上游的管线或者它的绝缘材料具有热桥51,或者确切地说是热容量,以致可以实现对储罐5中的液氮的充分加热。
根据本发明的增压设备为冷藏车2提供了有利的冷却系统45,该冷藏车具有至少一个冷藏室4、9、一个液化气体储罐5和一个用于蒸发液化气体并将冷量释放到冷藏室4、9中的蒸发器1,其中蒸发器1经液化气体管线42与储罐5相连,以便允许流动,并且在管线42中设置阀49。
本发明涉及具有液化气体储罐5的移动式冷藏车2的换热器30,该换热器包括用于接收液化气体流并蒸发至少一部分液化气体的管子14,其中,管子14至少在几个区段上具有纵向轴线19,换热器30包括用于液化气体的进口侧26和用于至少部分汽化的气体的出口侧25,同时,出口侧25与排气管6相连,以便允许流动,同时,管子14的内部具有用于在流动中产生湍流或者产生径向相分离的元件18。本发明的特征在于,借助元件18,管子14的管壁23上因气体蒸发而出现的气体分界层的厚度显著减小,从而显著提高换热器30的效率。
仅仅作为信息
附图标记
1 蒸发器
2 冷藏车
3 冷藏室外壳
4 冷藏室
5 储罐
6 排气管
7 流道
8 通风器
9 冷藏室
10 制冷模块
11 上部区域
12 下部区域
13 增压装置
14 管子
15 管子第一位置
16 管子第二位置
17 翅片
18 元件
19 纵向轴线
20 用于测试换热器30和蒸发器1的气密性的装置
21 挡板
22 异型杆
23 管壁
24 相分离器
25 出口侧
26 进口侧
27 经冷却降温的冷却空气
28 加热电阻装置
29 换热器外壳
30 换热器
31 收集槽
32 加热元件
33 排出口
34 捕捉边缘
35 压力传感器
36 相分离器24的供应管线
37 温度传感器
38 压力控制器
39 用于冷却的冷却空气
40 相分离器24的回流管线
41 漩涡结构
42 液化气体管线
43 电线
44 指示器仪表
45 冷却系统
46 第一点
47 第二点
48 室门
49 阀
50 正面
51 热桥
52 通风器马达
53 温度传感器
54 液化气体的流向
55 辅助阀
56 废气
57 管段

Claims (23)

1.具有液化气体储罐(5)的移动式冷藏车(2)的换热器(30),包括至少一根用于接收液化气体流并用于蒸发至少一部分液化气体的管子(14),该管子(14)至少在某些区段上具有纵向轴线(19),所述换热器(30)包括用于液化气体的进口侧(26)和用于至少部分蒸发的气体的出口侧(25),该出口侧(25)与排气管(6)相连,以便允许流动,其特征在于,所述管子(14)的内部具有用于在流动中产生湍流的元件(18)。
2.具有液化气体储罐(5)的移动式冷藏车(2)的换热器(30),包括至少一根用于接收液化气体流并用于蒸发至少一部分液化气体的管子(14),该管子(14)至少在某些区段上具有纵向轴线(19),所述换热器(30)包括用于液化气体的进口侧(26)和用于至少部分蒸发的气体的出口侧(25),该出口侧(25)与排气管(6)相连,以便允许流动,其特征在于,所述管子(14)的内部具有用于使液相和气相产生径向分离的元件(18)。
3.根据权利要求1或2所述的换热器(30),其特征在于,所述元件(18)由管子(14)中的挡板(21)形成,特别是由沿纵向轴线(19)延伸的异型杆(22)或者异型条带形成。
4.根据权利要求3所述的换热器(30),其特征在于,所述异型杆(22)或者所述异型条带是星形的,特别是具有至少两个分支,优选具有至少三个分支,例如至少5个分支。
5.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述挡板(21)沿纵向轴线(19)以扭转的方式延伸。
6.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述挡板(21)沿纵向轴线(19)以波状起伏的方式延伸。
7.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述管子(14)具有管壁(23),该管壁(23)沿着纵向轴线(19)成型,特别是呈波状起伏状或者扭转的。
8.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述管子(14)具有沿管子(14)的长度变化的管子内部横截面,特别的是,管子第一位置(15)处的管子第一内部横截面在管子第二位置(16)处的管子第二内部横截面上的投影面小于管子内部横截面的90%,特别是小于管子内部横截面的70%,优选小于管子内部横截面的50%。
9.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述管子(14)具有轧出的翅片(17),特别是在所述管子的外部。
10.根据权利要求9所述的换热器(30),其特征在于,所述翅片(17)绕管子周缘螺旋延伸和/或呈波状起伏。
11.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述管子(14)和所述元件(18)由均质材料、特别是铜制成,特别是通过熔焊或者软焊。
12.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,所述元件(18)将所述管子(14)的内部横截面分成至少两个、特别是至少三个、优选至少五个管子内部横截面。
13.根据权利要求12所述的换热器(30),其特征在于,所述管子内部横截面沿径向向外变宽。
14.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,设置有相分离器(24)以将液化气体从汽化气体中分离出来,该相分离器(24)与出口侧(25)相连,以便允许流动。
15.根据权利要求14所述的换热器(30),其特征在于,所述相分离器(24)具体为压力容器。
16.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,在测地学意义上,用于液化气体的进口侧(26)布置在用于至少部分蒸发的气体的出口侧(25)上方。
17.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,具有电阻加热装置(28),该电阻加热装置螺旋缠绕在管子(14)的周围。
18.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,用于冷凝液的收集槽(31)被设置在所述管子(14)的下方。
19.根据权利要求18所述的换热器(30),其特征在于,所述收集槽(31)具有加热元件(32)。
20.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,该换热器(30)具有特别由热塑性材料制造的换热器外壳(29),该换热器外壳提供换热器(30)内的空气供应。
21.根据权利要求20所述的换热器(30),其特征在于,具有排出口(33),该排出口具有捕捉边缘(34),以收集水滴。
22.根据上述权利要求之一所述的换热器(30),其特征在于,在换热器(30)上设置至少一个压力传感器(35)和用于测试冷却系统、特别是换热器(30)的气密性的装置(20)。
23.根据权利要求22所述的换热器(30),其特征在于,温度传感器(37)被设置在换热器(30)上,并且与用于测试气密性的装置(36)电连接。
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