CN102272546A - 换热器、热泵系统和空调系统 - Google Patents

换热器、热泵系统和空调系统 Download PDF

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Abstract

一种板式换热器包括具有至少一个入口和至少一个出口的蒸发器，允许第一介质进入和离开所述蒸发器。所述蒸发器包括平行设置的多个相互连接的蒸发腔，至少一个公共入口和至少一个公共出口，允许第一介质进入和离开所述蒸发腔。喷射器设置在至少一个蒸发腔中。所述喷射器包括通道。所述通道一端连接蒸发腔的公共入口，另一端连接通向蒸发腔的扩大出口。所述通道比公共入口窄得多，从而当第一介质流过所述通道时形成喷射流。所述喷射器也包括孔，所述孔形成在所述通道和扩大出口之间的相交点处或者形成在所述通道上的所述通道与扩大出口之间的相交点附近。

Description

换热器、热泵系统和空调系统
技术领域
本发明总体涉及一种蒸发器，更具体地说，涉及一种装配有喷射器的蒸发器，喷射器位于每个蒸发腔中，用于改善共同配合压缩机的稳定性，增加其效率并且减小其磨损。本发明也涉及一种装配有这种蒸发器的板式换热器。
背景技术
蒸发器和冷凝器是例如用于换热器的装置，诸如细长管的换热器、板式换热器、螺旋换热器等。在根据板式的换热器中，介质在交替板内部循环，该板典型地由金属制成，铜焊到一起，具有密封的入口和出口，在交互、互相连接的板的封装中形成封闭的管道系统，其中，介质在热交换下循环。这一出版的专利申请WO00/103189A1更详细地记载这种板式换热器。
图1示出传统换热器的工作原理，采用压缩机驱动蒸发过程。这种换热器包括蒸发腔110’、压缩机120’、冷凝器腔130’以及膨胀阀140’。
如本领域公知的那样，蒸发腔110’中的冷却介质吸收热量Q入，之后蒸发，由此，其被导引至蒸发器120’，然后进一步被导引至冷凝器腔130’，在那里，介质发散热量Q出并且冷凝。该介质然后通过膨胀阀140’被馈送返回至蒸发腔110’。
在操作期间，来自于膨胀阀140’的冷却介质通过蒸发腔110’的入口进入蒸发腔110’，该冷却介质吸收热量并且蒸发，然后，经蒸发的介质进入该压缩机。
关于换热器的考虑涉及下述事实，即，由于蒸发器中的冷却介质被分布在若干平行的蒸发腔中，所以冷却介质处于两相(液体和气体)，冷却能力主要取决于液体状态下的冷却介质，重要的是，液体介质的速度在每个蒸发腔中都是相等的。此外，处于气体状态的冷却介质的速度将产生压降的主要部分。正常情况下，在蒸发器中诸如图1所示的蒸发器，蒸发腔彼此分离开，这使其难于使每个蒸发腔中的液体介质速度稳定。
此外，润滑油将集聚在蒸发腔的下部，将围绕蒸发腔的下部的角部气流分离，并且不会完全地与冷却介质混合，这样，仅仅小部分润滑油被截留在蒸发介质中，并且被带入压缩机，这将对该压缩机造成损害，因为大多数的润滑油不能到达压缩机，因此该压缩机可能处于缺少润滑油的状态，导致压缩机的使用寿命降低以及一些其他问题。
发明内容
本发明的目的在于解决与传统换热器相关联的问题。
本发明的一个目的是减小连接至蒸发器并且与蒸发器共同配合的压缩机的磨损。
本发明的另一目的是提供更高效的蒸发器。
本发明的另一目的是总体上改善换热器的效率，尤其是改善板式换热器的效率。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种板式换热器，包括具有至少一个入口和至少一个出口的蒸发器，允许第一介质进入和离开所述蒸发器，其中，所述蒸发器包括平行设置的多个相互连接的蒸发腔，至少一个公共入口和至少一个公共出口，允许第一介质进入和离开所述蒸发腔，其中，喷射器设置在至少一个蒸发腔中，所述喷射器包括通道，所述通道一端连接蒸发腔的公共入口，另一端连接通向蒸发腔的扩大出口，所述通道比公共入口窄得多，从而当第一介质流过所述通道时形成喷射流，以及孔，所述孔形成在所述通道和扩大出口之间的相交点处或者形成在所述通道上的所述通道与扩大出口之间的相交点附近。
优选地，所述扩大出口是喇叭形出口。优选地，所述喷射器设置在每个蒸发腔中。
优选地，设置额外的孔，通过所述额外的孔，所述蒸发腔彼此连通。
优选地，所述换热器由相互作用的交替板形成，其具有凹槽形式/图案，形成至少两个分离的管道回路系统，允许第一介质在所述管道回路系统的第一个中循环，并且与循环于所述管道回路系统的第二个中的第二介质进行热交换，其中，所述第一管道回路系统包括形成所述多个相互连接的蒸发腔的部分。
优选地，所述相互作用的板形成第三管道回路系统，在该系统中，第三介质在与至少所述第一介质热交换的情况下循环。
优选地，所述蒸发腔具有所限定的一个限制区域，所述蒸发腔的出口经由压缩机连接至形成冷凝器腔的所述第一管道回路系统的一部分，其具有基本上竖直的通道，导引所述第一介质从所述腔的下部向上进入另一受限制的限定区域中，其中，所述第一介质在与其本身热交换的情况下在所述两个限制区域中循环。
优选地，该换热器包括：
-具有入口和出口的第一管道腔，允许第二介质通过所述入口进入所述第一管道腔从而被导引通过所述第一管道腔并与所述第一介质进行热交换，并且通过所述出口离开所述第一管道腔，
-所述多个相互连接的蒸发腔具有一个限制区域，允许所述第一介质进入通过所述共用入口从而在与所述第二介质热交换的情况下被导引通过所述蒸发腔，并且进一步在与其本身热交换的情况下通过所述区域，通过所述共用出口离开所述蒸发腔，以及，
-压缩机和冷凝器腔，具有入口和出口，所述冷凝器腔还具有另一限制区域和基本上竖直的通道，从所述冷凝器腔的下部导引至所述另一限制区域，所述压缩机连接至所述共用出口和所述入口，允许所述第一介质导引通过所述入口经由所述压缩机从所述共用出口进入所述冷凝器腔并且在与第三介质热交换的情况下进一步导引通过所述冷凝器腔，并且进一步向上导引通过所述通道进入并且通过所述其他区域，由此，允许所述第一介质在与其本身热交换的情况下被导引，之后通过所述出口离开所述冷凝器腔，以及
-膨胀阀，连接至所述出口和所述共用入口，允许所述第一介质经由所述膨胀阀通过所述共用入口导引从所述冷凝器腔进入所述蒸发腔，以及
-第二管道腔，具有入口和出口，允许所述第三介质通过所述入口进入所述第二管道腔并且在与所述第一介质热交换的情况下被导引通过所述管道腔并允许所述第三介质通过所述出口离开所述管道腔。
根据本发明的第二方面，提供一种热泵系统，其包括根据本发明的第一方面所述的换热器。
根据本发明的第二方面，提供一种空调系统，其包括根据本发明的第一方面所述的换热器。
采用本发明的技术方案，蒸发器的效率以及因此换热器的效率能够改善，并且能够降低连接至蒸发器以及与蒸发器共同协作的压缩机的磨损。
附图说明
本发明将在下文参照附图进行详细说明，其中：
图1示出传统换热器的工作原理；
图2示出根据本发明的用于换热器的蒸发器的实施例；
图3示出根据本发明的板式换热器的第一板侧即A’前侧能够如何被设计的实例；以及
图4示出根据本发明的板式换热器的第二板侧即B’后侧能够如何被设计的实例。
具体实施方式
现在参照图2，其示出使用在根据本发明的换热器的蒸发器的实施例。如图2所示，该换热器包括蒸发器腔110、压缩机120、冷凝器腔130以及膨胀装置140，诸如膨胀阀、毛细管等。
该换热器的工作原理如下所示。介质，例如冷却介质，诸如氟利昂，从蒸发腔110循环到压缩机120，进一步到达冷凝器130，最终经由膨胀阀140返回至蒸发腔110，如图2所示。
根据本发明，每个蒸发腔110在其下部装配有注射器195。注射器195，如图2所示，包括窄通道170，在窄通道170的出口端的喇叭形出口190，以及孔180作为喷射装置。孔180优选地设置在窄通道170与喇叭出口190之间的相交点；可选择地，孔180也可设置在窄通道170上的窄通道170与喇叭形出口190之间的相交点附近。窄通道170在其入口端与蒸发腔110的入口160连接。图2中的点划线示出蒸发腔110中的液体的水平。
优选地，额外的孔185设置在相邻的蒸发腔之间并且连接相邻的蒸发腔，因此，所有的蒸发腔通过孔185彼此相连通。孔185位于蒸发腔的下部，在液体水平以下，优选地，孔185设置在喷射器195附近的下左角部，如图2所示。
窄通道170和喇叭形出口190以及孔180可以采用多种方式形成，这对于本领域技术人员来说是显而易见的，例如，它们可以形成为换热器的板之间的适当的相互作用的凹入形状和/或凹槽，孔185也是这样。因此，本发明并不局限于形成窄通道170、喇叭形出口190和孔180以及孔185的任何特定方式。
因此，在操作期间，冷却剂介质来自于膨胀阀140并且流动通过蒸发腔110的入口160，进入并且流动通过窄通道170，然后通过喇叭形出口190进入蒸发腔110。
这样，一方面，由于窄通道170的直径较多地小于入口160的直径，所以当介质流过窄通道170时形成喷射流，这会干扰蒸发腔中的流体并且导致液体在蒸发腔中打旋；另一方面，孔180经受负压，该负压会产生喷射器效应，这是由以相对高速流动通过窄通道170从入口160到喇叭形出口190的介质导致的，这一喷射器效应能够被用于将液体介质从孔180传送至喇叭形出口190，因此进一步扰动蒸发腔110中的集聚液体并且促使液体打旋。此外，蒸发腔中的液体冷却剂介质通过孔185彼此连通，因此液体量能够相对于每个蒸发腔被平衡，使得液体速度在所有蒸发腔中相同或者基本上相同。
因此，由于由喷射器195导致的液体打旋，所以液体冷却剂介质和润滑油一方面更完全地彼此混合，另一方面，液体冷却剂介质导致热量与一介质交换从而更高效地被冷却，因此，增加蒸发器的效率。因此，一方面，在换热器改善的情况下，更多的液体冷却剂介质蒸发；另一方面，由于润滑油和液体冷却剂介质更完全地彼此混合，所以更多的润滑油被截留在蒸发介质中并且与被蒸发的介质到达压缩机，这样，压缩机能够被良好地润滑并且能够降低其磨损。此外，由于液体量相对于每个蒸发腔被平衡并且液体速度在所有蒸发腔中形成为相同或基本上相同，所以蒸发器的效率进一步被改善。
根据本发明的具有蒸发器的换热器现在将相对于特定情况进行更详细地说明，其中，蒸发器和冷凝器实现为板式换热器的形式。
板式换热器是用于不同介质之间换热的大体公知设备并且使用在多种环境中，本发明并不局限于任何专门应用。但是，本发明更容易应用至完全焊式的板式换热器。这意味着换热器包含具有凹槽形式和用于介质的入口和出口连接的板。这些板设置在封装壳中并且焊接到一起形成为固定的单元。因此，相应于介质形成分离的管道，典型地在交替板对之间沿相反方向循环。入口和出口延伸通过所有板，因此对于流动在管道中的相应介质来说是共用的。这一技术是公知的，将不在这里进行详细说明。
为了仅仅示出的目的，本发明将描述相应于特定的情况，采用发生于三个介质I、II和III之间的热交换的换热器，但是本发明可应用至任意数量的介质之间的换热器。所使用的介质可以是例如：I＝氟利昂，II＝盐水以及III＝水，但是其他备选介质对于本领域技术人员来说也是公知的。
现在参照图3，描述根据本发明的板式换热器的板300的前侧A’。图3中的板示出在其正确操作竖直位置，即，在图3中，重力向下发生作用。A’侧装配有用于介质II的入口305和出口310以及用于介质I的入口315和出口320。隔离件D将介质彼此分离开，使得在图3中，介质II将循环至隔离件D的左手侧，介质I循环至隔离件D的右手侧，即，在冷凝器腔380中。根据本发明，也设置其他隔离件E，其形成限制区域A”以及通道C”，通道C”在所述区域A”与其中循环介质I的冷凝器腔380之间。该隔离件通过如所知的板之间的适当的、相互作用的凹槽和凹入形式/图案而获得，例如，文档WO00/103189中，将不在这里进行详细说明。
现在参照图4，在图3中的板300的后侧B’示出在其正确的操作竖直位置。侧B’具有入口405和420以及出口415和425，以及将介质彼此分离开的隔离件F，使得在图4中介质I将循环至左侧，在蒸发腔450中，介质III循环至隔离件F的右侧。另外，根据本发明，本发明提供喷射器495以及在蒸发腔450的下部中的入口405。
喷射器495具有与参照图2所述的喷射器195相同的功能，并且能够采用相同的方式实现。因此，喷射器495包括窄通道470、在窄通道470的出口端处的喇叭形出口490，以及设置在窄通道470与喇叭形出口490之间的相交点处作为喷射装置的孔480。窄通道470在其入口端连接蒸发腔450的入口405。喷射器495能够利用如上参照图2所述的喷射器效应。根据本发明的喷射器495因此能够自动地打旋或干扰蒸发腔450中的介质。在操作期间，喷射流连续地由窄通道470产生，同时通过喷射器效应引发通过孔480的液体内部循环。当换热器关闭或者由于某些原因停止时，液体将由此集聚在蒸发腔450中。但是，一旦换热器打开，根据本发明的喷射器495高效地产生蒸发腔450中的液体的干扰，该蒸发腔中的液体通过孔485平衡。因此，在开启换热器之后立刻将产生液体的干扰，液体介质和润滑油将有效地混合，这增加了蒸发器和换热器的效率并且降低了压缩机的磨损，如上所述。
现在，参照图3和4，将说明用于根据本发明的换热器的工作原理。出于纯粹的示例性目的，将说明适用于热泵应用的换热器。介质II，例如盐水，在图3中以相对更高的温度在入口305处进入，例如，对应于地面温度，例如，在12摄氏度，并且在与介质I进行热交换下在管道腔385中被向下引导，之后在低温例如7摄氏度下通过出口310离开，从而以闭环向回引导到地面。
入口315通过压缩机供给介质I，例如氟利昂，使得介质I通过入口315在高压和高温例如80摄氏度下通过入口315进入冷凝器腔380。介质I在与介质III进行热交换的情况下被导引朝向通道C”的入口370，进一步通过通道C”向上，并且在与其本身热交换的情况下导引通过限制区域A”。因此，根据本发明的区域A”提供双重效果，其在介质I的蒸发阶段作为超级加热器，在介质I的冷凝阶段作为超级冷却器。因此，介质I进一步冷凝于限制区域A”中。这增加换热器的效率，如本领域技术人员所理解那样。
介质I在低温例如32摄氏度下离开出口320，之后馈送至膨胀阀440。在通过膨胀阀440之后，介质I在相当低的压力和温度例如2摄氏度下通过入口405进入。介质I开始在低压下蒸发并且当在蒸发腔450中加热时进一步蒸发。介质I然后在与介质II的热交换的情况下被导引朝向限制区域B”，从而通过出口415离开。当到达限制区域B”时，在这一示例性实例中的介质I的温度将处于大约7摄氏度。介质I在限制区域B”中与其本身热交换，如上所述，因此，在这一阶段，即，蒸发阶段，经受上述超级加热器作用。该超级加热器确保所有液体在到达压缩机之前蒸发，这将进一步增加换热器的效率并且减小压缩机的磨损，如本领域技术人员所实现的那样。
此外，处于液体形式的聚集的介质I将通过根据本发明的喷射器495而形成打旋，如上所述。介质I之后将在封闭环路中在更高的温度例如10摄氏度下被导引从出口415到达压缩机。
因此，介质I在封闭环路中从蒸发腔450循环至压缩机，进一步到达冷凝器腔380并且之后通过膨胀阀440返回至蒸发腔450。介质I也能够通过根据本发明的喷射器495而在腔450中打旋，如上所述。
由于介质III已经在换热器中与介质I进行热交换，所以介质III，例如水，以相对更低的温度例如38摄氏度通过入口420进入，并且以相对更高的温度例如44摄氏度离开出口425。介质III以相对低的温度通过入口420进入管道腔455，并且在与介质I的热交换的情况下被导引通过管道腔455。介质III然后在相对更高的温度下通过出口425离开管道腔455。因此，作为净效应，介质II已经给出特定量的热量至介质III。
在上述实施例中，在窄通道470的出口端处的出口490描述为喇叭形出口。但是，本发明并不局限于此，该出口可以是任何形式的扩大出口，只要其能够实现与喇叭形出口相同的功能，这会明显地降低介质的流动速度。
在上述实施例中，额外的孔185设置在相邻的蒸发腔之间从而连接相邻的蒸发腔，这样所有的蒸发腔通过孔185彼此连通。但是，孔185可以被省略。
虽然本发明已经描述在用于热泵应用的板式换热器的蒸发器和冷凝器的情况中，但是应当理解的是本发明可应用在很大范围的加热和/或冷却应用中。例如，本领域技术人员可知，上述过程能够实现空调应用，该换热器不需要是板式等。此外，根据本发明的蒸发器能够不仅仅应用在换热器中，而且可使用在任何蒸发过程中。图3和4并不是按比例的，仅仅通过举例的方式示出本发明的工作原理。因此，本领域技术人员能够在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下采用许多不同的方式实现本发明。

Claims (10)

1.一种板式换热器，包括具有至少一个入口和至少一个出口的蒸发器，允许第一介质进入和离开所述蒸发器，其中，所述蒸发器包括平行设置的多个相互连接的蒸发腔，至少一个共用入口和至少一个共用出口，允许第一介质进入和离开所述蒸发腔，其特征在于，喷射器(495)设置在至少一个蒸发腔中，所述喷射器包括通道，所述通道一端连接蒸发腔的共用入口，另一端连接通向蒸发腔的扩大出口，所述通道比共用入口窄得多，从而当第一介质流过所述通道时形成喷射流，以及孔(180，480)，所述孔形成在所述通道和扩大出口之间的相交点处或者形成在所述通道上的所述通道与扩大出口之间的相交点附近。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述扩大出口是喇叭形出口。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述喷射器(495)设置在每个蒸发腔中。
4.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，设置额外的孔(485)，通过所述额外的孔，所述蒸发腔彼此连通。
5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器由相互作用的交替板形成，其具有凹槽形式/图案，形成至少两个分离的管道回路系统，允许第一介质(I)在与循环于所述管道回路系统的第二个中的第二介质(II)进行热交换的同时在所述管道回路系统的第一个中循环，其中，所述第一管道回路系统包括形成所述多个相互连接的蒸发腔(450)的部分。
6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述相互作用的板形成第三管道回路系统，在该系统中，第三介质(III)在与至少所述第一介质(I)热交换的情况下循环。
7.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，所述蒸发腔(450)具有所限定的一个限制区域(B”)，所述蒸发腔(450)的出口(415)经由压缩机连接至形成冷凝器腔(380)的所述第一管道回路系统的一部分，其具有基本上竖直的通道(C”)，导引所述第一介质(I)从所述腔(380)的下部向上进入另一受限制的限定区域(A”)中，其中，所述第一介质(I)在与其本身热交换的情况下在所述两个限制区域(A”，B”)中循环。
8.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，该换热器包括：
-具有入口(305)和出口(310)的第一管道腔(385)，允许第二介质(II)通过所述入口(305)进入所述第一管道腔(385)从而在与所述第一介质(I)进行热交换的情况下被导引通过所述第一管道腔(385)，并且通过所述出口(310)离开所述第一管道腔(385)，
-所述多个相互连接的蒸发腔(450)具有一个限制区域(B”)，允许所述第一介质(I)进入通过所述共用入口(405)从而在与所述第二介质(II)热交换的情况下被导引通过所述蒸发腔(450)，并且进一步在与其本身热交换的情况下通过所述区域(B”)，通过所述共用出口(415)离开所述蒸发腔(450)，以及，
-压缩机和冷凝器腔(380)，具有入口(315)和出口(320)，所述冷凝器腔(380)还具有另一限制区域(A”)和基本上竖直的通道(C”)，从所述冷凝器腔(380)的下部导引至所述另一限制区域(A”)，所述压缩机连接至所述共用出口(415)和所述入口(315)，允许所述第一介质(I)导引通过所述入口(315)经由所述压缩机从所述共用出口(415)进入所述冷凝器腔(380)并且在与第三介质(III)热交换的情况下进一步导引通过所述冷凝器腔(380)，并且进一步向上导引通过所述通道(C”)进入并且通过所述其他区域(A”)，由此，允许所述第一介质(I)在与其本身热交换的情况下被导引，之后通过所述出口(320)离开所述冷凝器腔(380)，以及
-膨胀阀(440)，连接至所述出口(320)和所述共用入口(405)，允许所述第一介质(I)经由所述膨胀阀(440)通过所述共用入口(405)导引从所述冷凝器腔(380)进入所述蒸发腔(450)，以及
-第二管道腔(455)，具有入口(420)和出口(425)，允许所述第三介质(III)通过所述入口(420)进入所述第二管道腔(455)并且在与所述第一介质(I)热交换的情况下被导引通过所述管道腔(455)并允许所述第三介质(III)通过所述出口(425)离开所述管道腔(455)。
9.一种热泵系统，其特征在于，其包括根据权利要求1-8任一项所述的换热器。
10.一种空调系统，其特征在于，其包括根据权利要求1-8任一项所述的换热器。
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