CN102937345A - 热泵型涡流管以及带有该涡流管的换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵型涡流管，包括涡流室以及设置在涡流室两侧壁的冷流出口和热端管，所述涡流室内设有筒状的涡旋分离器，该涡旋分离器的侧壁开有若干喷射通道，喷射通道内设有喷嘴，所述涡旋分离器的侧壁中开有回热流道，所述涡流室的室壁上开有与所述回热流道连通的回热介质入口和回热介质出口；所述回热流道沿涡旋分离器的圆周向依次穿过各个喷射通道，同时包围其中的喷嘴的外壁进行换热。本发明通过在涡流管中增加回热通道，可利用外部热源进行回热，使得流体在进入涡旋分离器的喷射通道减压增速的同时，较少或不会产生温度下降，充分利用涡流管能量分离特性，可以获得更高的温度的热端流体。

Description

热泵型涡流管以及带有该涡流管的换热系统

技术领域

本发明涉及涡流管能量分离领域，具体是涉及一种热泵型涡流管以及带有该涡流管的换热系统。

背景技术

涡流管是一种结构简单的能量分离装置，通常由涡流室，喷射通道，热端管，冷孔板，热端调节阀，冷端调节阀组成。高压流体进入涡流管后，在涡流室内高速旋转，在涡流管冷端成为低温流体，在涡流管热端成为高温流体。通常，利用涡流管能量分离的特性，将涡流管应用于制冷或制热等场合。例如，将涡流管安装在压缩机后部，经压缩机出来后的高压高温流体进入涡流管，形成更高温度的流体。利用这样的高温流体，通入换热器中，可加热水或其它工质，受热后的水或其它工质可以供给用户。传统的涡流管中，喷射通道通常是一个渐缩喷管，流体进入喷管后，会减压增速，与此同时，流体温度随之降低，这样限制了涡流管的制热性能的充分发挥，并且还会使得喷射通道处流体发生冰堵。除此之外，通常涡流管制热系统直接将涡流管热端的高温气体通入换热器传热，温度降低后的流体直接送回压缩机系统，其实，从换热器流出的工质通常温度相对较高。例如，当温度为80℃的空气进入涡流管喷射通道流通时，温度降低50℃，降温后的流体进入涡流室进行高速旋转，由于涡流管能量分离效应，在热端获得高温流体，温度达到120℃。按照涡流管性能定义，热端温升为热端出口流体温度与进口流体温度之差，此时涡流管热端温升为40℃。但在实际运行中，涡流室中能量分离特性产生的热端温升，即涡流管热端出口流体温度与喷射通道出口流体温度差值，为70℃。对比可以发现，由于涡流管能量分离效应产生的实际温升较大，流体在涡流管喷射通道中流动产生的温降，限制了涡流管能量分离效应，造成热端温度升高较少。如果，能通过适当的措施，使得流体在喷射通道中温度降低值减小，那么，可以提高涡流管热端出口流体的温度。

申请号为CN200810011256.7的专利文献公开了一种热管式涡流管，热管式涡流管的热流出口管向下安放，围绕其管外增加了重力式热管换热器，利用涡流管延长段和热流出口管的一段管壁和套封外壳围成一段外夹套，形成环形截面的空腔作为热管的蒸发室，内盛可蒸发的工质，将涡流管热股流体通过热管的高效传热循环，传递到涡流管喷射通道流道的壁面进行加热。利用该热管式涡流管可以将涡流管热端的高温流体的热量，利用热管中的工质，传递到喷射通道处，将喷射通道温度升高。利用热管将涡流管热端的热量传递到喷射通道处进行回热，虽然喷射通道温度升高，但涡流管热端热流体温度会降低，从而不利于其进行制热工况的应用，并且，该涡流管主要应用于天然气等含有冷冻组分的压力气体的节流减压场合，代替节流阀节流减压而不会产生冰堵，不利用于涡流管制热工况的使用。

发明内容

本发明提供了一种热泵型涡流管，该涡流管通过在涡旋分离器处的喷射通道中加入回热装置，利用外部的热源对涡旋分离器内的喷射流体进行回热，提高了涡流管热端高温流体的出口温度，提高其制热特性。

一种热泵型涡流管，包括涡流室以及设置在涡流室两侧壁的冷流出口和热端管，所述涡流室内设有筒状的涡旋分离器，该涡旋分离器的侧壁开有若干喷射通道，喷射通道内设有喷嘴，所述涡旋分离器的侧壁中开有回热流道，所述涡流室的室壁上开有与所述回热流道连通的回热介质入口和回热介质出口；所述回热流道沿涡旋分离器的圆周向依次穿过各个喷射通道，同时包围其中的喷嘴的外壁进行换热。

为降低回热流道的加工难度，作为优选，所述回热流道由多段依次衔接的子通道构成，各个子通道均沿涡旋分离器的切向布置。所述个子通道均具有延伸至所述涡旋分离器的侧壁端口，该端口内密封设置有挡板。实际加工时，按照要求首先确定侧壁端口的位置，根据预定的尺寸直接在涡旋分离器外壁上进行加工通道即可，加工通道完成后，将预制的管路置入到通道内即可。

为便于与外部热源连接，作为优选：所述回热流道具有处在涡旋分离器外壁的进口和出口；所述涡流室的内壁上开有回热介质入口的部位与所述回热流道的进口密封对接；所述涡流室的内壁上开有回热介质出口的部位与所述回热流道的出口密封对接。实际安装过程中，直接将回热介质入口和回热介质出口与外部换热介质管道连通即可。

为保证回热介质入口与回热流道的进口的密封固定，作为优选：所述回热流道的进口部位设有内螺纹；所述回热介质入口中穿设有第一紧固螺栓，该第一紧固螺栓的螺纹部分与所述回热流道的进口的内螺纹相配合；所述回热介质入口的内壁设有第一限位台阶，所述第一紧固螺栓的头部靠近螺纹部分的一侧抵接在第一限位台阶上；所述第一紧固螺栓带有若干轴向的通孔，分别与回热流道和回热介质入口连通。

同样为保证回热介质出口和出口之间的密封固定，作为优选，所述回热流道的出口部位设有内螺纹；所述回热介质出口中穿设有第二紧固螺栓，该第二紧固螺栓的螺纹部分与所述回热流道的出口的内螺纹相配合；所述回热介质出口的内壁设有第二限位台阶，所述第二紧固螺栓的头部靠近螺纹部分的一侧抵接在第二限位台阶上；所述第二紧固螺栓带有若干轴向的通孔，分别与回热流道和回热介质出口连通。第一紧固螺栓、第二紧固螺栓结构相同，可选用现有具有相似结构的市购产品，也可自行加工而成。本发明中，所提到的紧固螺栓的头部，在没有特别说明的情况下，均是指螺栓上不带螺纹的部分。

为进一步提高回热流道进出口与回热介质进出口之间的密封性，作为优选，所述回热流道的进口与回热介质入口的对接部位、以及所述回热流道的出口与回热介质出口的对接部位均设有密封垫。

为便于冷流出口的设置，可在所述涡流室一侧螺纹连接有冷端固定块，该冷端固定块内设有所述的冷流出口。采用螺纹固定，方便了涡流管的维修和维护。也可根据需要，选择其他方式将两者相互固定，例如可采用卡合或者焊接方式固定。

为便于实现热端管内热流体流量的调节，作为优选，所述热端管的出口部位螺纹配合有用于控制热流体流量的调节阀，调节阀可选用多种结构的调节阀，为现有技术。

本发明还提供了一种带涡流管的换热系统，通过该系统可方便实现对涡旋分离器内喷射流体的加热，降低能耗，提高涡流管的制热性能。

一种带涡流管的换热系统，包括：涡流管和换热器，所述涡流管为上述任一技术方案所述的热泵型涡流管；所述换热器的入口与所述热端管的热流出口连通，所述换热器的出口与所述回热介质入口连通；所述回热介质出口与所述的冷流出口通过管路连通后再与外部管路连通。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明通过在涡流管中增加回热通道，使得流体在进入涡旋分离器的喷射通道减压增速的同时，吸收热量，从而减少或不会产生温度下降，充分利用涡流管能量分离特性，可以获得更高的温度的热端流体。

(2)本发明的带涡流管的换热系统，可实现对外部废热、余热的回收利用，同时得到高品质的热量。

附图说明

图1为本发明的热泵型涡流管的结构示意图。

图2为图1所示热泵型涡流管的俯视图。

图3为图2所示热泵型涡流管的B-B剖视图。

图4为图3所示热泵型涡流管的C部分局部放大结构示意图。

图5为图1所示热泵型涡流管内回热通道的局部结构示意图。

图6为图1所示热泵型涡流管内第一紧固螺栓的结构示意图。

图7为图6所示紧固螺栓的左视图。

图8为现有技术中带涡流管的换热系统的结构示意图。

图9为本发明的带涡流管的换热系统的一种实施方式结构示意图。

图10为利用图8和图9所示换热系统制热时T-S图。

图11为本发明的带涡流管的换热系统的另一种实施方式结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1-7所示：一种热泵型涡流管，包括涡流室1以及设置在涡流室1两侧壁的冷流出口10和热端管11，热端管11端部设有热流出口15a，涡流室1内设有筒状的涡旋分离器2，该涡旋分离器2的侧壁开有若干喷射通道4，喷射通道4内设有喷嘴26，涡旋分离器2的侧壁中开有回热流道3，涡流室1的室壁上开有与回热流道3连通的回热介质入口5和回热介质出口6；回热流道3沿涡旋分离器2的圆周向依次穿过各个喷射通道4，且包围其中的喷嘴外壁进行换热。

如图1、图2和图3所示，涡流室1外壁为筒状结构，涡流室1内具有圆柱形内腔。圆柱形内腔的腔壁上设有用于安装涡旋分离器2的限位台阶27。涡流室1外壁上设有进气口20、回热介质入口5和回热介质出口6。

如图1、图2和图3所示，涡旋分离器2为圆柱形筒状结构。涡旋分离器2中心设有与冷流出口10和热端管11连通的流体流道。涡旋分离器2一端外缘设有与涡流室1内壁上的限位台阶27配合的卡接口。涡旋分离器2侧壁上设有若干径向设置且均匀布置的喷射通道4，喷射通道4贯穿涡旋分离器2侧壁，喷射通道4内设有喷嘴26，喷嘴26的进口横截面积小于出口横截面积，用于产生高速涡流，喷嘴26贯穿整个喷射通道，且喷嘴26的进口与喷射通道的进口边缘密封连接，喷嘴的出口与喷射通道的出口边缘密封连接。喷嘴26可选用多种满足要求的结构，可采用市售产品。如图5所示，涡旋分离器2侧壁内还设有若干回热流道3，涡旋分离器2外壁还设有与回热流道3连通的进口3b和出口3c。

如图3、图4、图6和图7所示，涡流室1的内壁上开有回热介质出口6的部位与回热流道3的出口3c密封对接。回热流道3的进口3b与涡流室1的回热介质入口5通过第一紧固螺栓7相互固定，回热流道3的进口3b部位设有内螺纹；回热介质入口5的内壁设有第一限位台阶5a；第一紧固螺栓的螺纹部分与回热流道3的进口3b的内螺纹相配合，第一紧固螺栓7的头部靠近螺纹部分的一侧抵接在第一限位台阶5a上。第一紧固螺栓7带有四个轴向的通孔7a，四个通孔7a沿第一紧固螺栓7中轴周向均匀分布，同时分别与回热流道3和回热介质入口5连通。回热流道3的出口3c通过第二紧固螺栓8相互固定，回热流道3的出口3c部位设有内螺纹；回热介质出口6的内壁设有第二限位台阶6a；第二紧固螺栓8的螺纹部分与回热流道3的出口3c的内螺纹相配合，第二紧固螺栓8的头部靠近螺纹部分的一侧抵接在第二限位台阶6a上。第二紧固螺栓8与第一紧固螺栓7结构相同，也带有四个轴向的通孔，四个通孔沿第二紧固螺栓8中轴周向均匀分布，同时分别与回热流道3和回热介质出口6连通。回热流道3的进口3b与回热介质入口5的对接部位、以及回热流道3的出口3c与回热介质出口6的对接部位均设有密封垫9。第二紧固螺栓8与第一紧固螺栓7背对螺纹端的端部设有卡接槽，用于利用外部工具对第二紧固螺栓8和第一紧固螺栓7进行锁紧。

如图3和图5所示，回热流道3沿涡旋分离器2中心轴线的宽度大于喷射通道4的宽度。回热流道3由多段依次衔接的子通道3a构成，各个子通道3a均沿涡旋分离器2的切向布置。子通道3a由四条贯穿喷射通道4的主通道3aa和衔接在两相邻主通道之间的三条过渡通道3ab组成，主通道3aa位于喷嘴26四周的部分沿喷嘴26外壁四周分布，包围整个喷嘴26外壁。主通道3aa和过渡通道3ab具有延伸至涡旋分离器2的侧壁端口，该端口内密封设置有挡板14，如图3中所示。

如图1所示，涡流室1一侧螺纹连接有冷端固定块12，该冷端固定块12内设有冷流出口10。冷端固定块12两端外壁均设有外螺纹，其中靠近涡流室1的一端通过螺纹配合与涡流室1相互固定，两者之间设有密封垫23，同时将涡旋分离器2固定在涡流室1内，冷端固定块12的另一端外壁设有外螺纹，通过螺纹配合与外接管路相互固定。

如图2所示，热端管11的出口端外壁设有外螺纹，用于与外接管路固定连接；热端管11的出口端内壁设有内螺纹，用于螺纹配合用于控制热流体流量的调节阀13。调节阀13为圆柱形，其内设有流体通道，外壁设有外螺纹，该流体通道具有位于热端调节阀13一端的流体出口和位于热端调节阀13侧壁的流体入口。调节阀13朝向涡流室1的一端设有锥形面，热端管11的出口端内壁靠近内螺纹的部分设有与调节阀13的锥形面相配合锥形缺口，通过调节锥形缺口侧壁与锥形面间隙调节热流体流量的大小。调节阀13背向涡流室1的一端端部设有卡接口，用于调节调节阀13。

实施例2

如图1至图9所示，一种带涡流管的换热系统，包括：涡流管15和换热器16，涡流管15的结构同实施例1中的热泵型涡流管；换热器16的入口16a与热端管11的热流出口15a连通，换热器16的出口16b与回热介质入口5连通。回热介质出口6以及涡流室的冷流出口10连通后，再与外界管路连通。

本实施例中的带涡流管的换热系统运行过程为：

流体工质采用氮气，高压流体工质通过涡流室1的进气口20进入涡流室1，然后通过喷射通道4内的喷嘴26减压增速后进入涡旋分离器2，在涡旋分离器2中的流体流道中高速旋转，在冷端固定块12的冷流出口10获得温度较低的流体，在热端管11的热流出口获得温度较高的流体，此部分流体通过热端调节阀13的流体入口和流体出口后流入换热器16，通过旋转调节阀13可以控制从热流出口流出流体的流量。通过换热器16降温后的流体通过涡流室1的回热介质入口5和涡旋分离器2中的进口3b进入涡流分离器2的回热流道3，用于加热进入喷射通道4后降温的流体工质，从而起到回热作用，减少流体在喷射通道4中由于减压增速造成的温度下降。完成回热后的流体从涡流室1的回热介质出口6流出，与从冷端固定块12的冷流出口10获得温度较低的流体混合后，排入大气。

如图8，当采用传统涡流管24时，高压氮气进入涡流管24，在热端获得高温流体，然后进入换热器25中放热，随后与来自涡流管24冷端的低温流体混合后送入大气。

通过模拟可以比较流体在如图8和图9两种涡流管中的T-S图，如图10所示：参考图8，当涡流管为传统涡流管时，1点为流体进入涡流管24进口点，2点为流体在喷射通道中流体过程结束点，3点为流体流出涡流管24冷端出口点，4点为流体流出涡流管24热端出口点。5点为流体流出换热器25出口点。整个过程，流体在换热器25中放出热量为S4ED5。当采用本发明时，参照图9，在图10中，1点为流体进入涡流管15时进口状态点，2’点为流体与从换热器16出口进入涡流管15中涡流室1回热介质入口5中的流体换热后流出涡流管涡旋分离器2中的流体流道时的点，3’点为流体流出涡流管15的冷端固定块12的冷流出口10获得温度较低的流体，4’点为流体流出涡流管15热流出口15a时点，5点为流体流出换热器16出口点，5’点为完成回热后的流体从涡流管15中涡流室1的回热介质出口6流出时状态点，此时可以看出，流体在换热器16中放出热量为S4’5DF。

由图10可以看出，在使用传统涡流管时，流体在换热器16中放出热量为S4ED5，使用本发明的涡流管时，放出热量为S4’5DF，增加了热量为S4’4EF。显示出了本发明的优势。

应用例1

某化工厂有60-80℃的废热，通过实施例2提供的换热系统，可以获得更好效能的热量。如图11，第二换热器37的出口37b与涡流管15涡流室1的进气口20相连，涡流管15中热流出口15a与换热器16的进口16a相连，换热器16的出口16b与涡流管15的涡流室1的回热介质入口5相连，涡流室的回热介质出口6与涡流管15的冷端固定块12的冷流出口10分别连接于第三换热器38的第一进口38a，第三换热器38的第一出口38b与冷凝器40的进口40a相连，冷凝器40的出口40b与液体泵39的进口相连，液体泵39的出口与第三换热器38的第二进口38c，第三换热器38的第二出口38d与第二换热器37的进口37a相连。

本实施例中，流体采用高温工质R245ca，流体工质从第二换热器37流出后的温度为55-75℃。流体在第二换热器37中从热源获得热量后通过涡流管15的涡流室1的进气口20进入涡流室1，然后通过喷射通道4减压增速后进入涡旋分离器2，在涡旋分离器2中的流体流道中高速旋转，在冷端固定块12的冷流出口10获得温度较低的流体，在涡流室1的热流出口获得温度较高的流体，此部分流体通过调节阀13的流体入口和流体出口后流入换热器16，通过旋转调节阀13可以控制从流体出口流出流体的流量。通过换热器16降温后的流体通过涡流室1的回热介质入口5和涡旋分离器2中的进口3b进入涡流分离器2的回热流道3，用于加热进入喷射通道4后降温的流体工质，从而起到回热作用，减少流体在喷射通道4中由于减压增速造成的温度下降。完成回热后的流体从涡流管15中涡流室1的回热介质出口6流出，与从涡流管15中冷端固定块12的冷流出口10获得温度较低的流体混合后，进入第三换热器38的第一进口38a，与来自液体泵39的低温流体换热后，进入冷凝器40，流体被冷凝后进入溶液泵39，随后进入第三换热器38的第二进口38c，从其第二出口38d流出后进入第二换热器37。R245ca进入涡流管15的质量流量为0.01Kg/s，从换热器16出口流出时温度为70℃，假设涡流管15喷射通道4中流体回热10℃，对本实施例进行模拟，得到表1

表1 制热性能表

由表1可以看出，流体温度越高，进入涡流管后，并且在相同流体回热温度条件下，热流分离越大，制热量越多。

Claims (10)

1.一种热泵型涡流管，包括涡流室(1)以及设置在涡流室(1)两侧壁的冷流出口(10)和热端管(11)，所述涡流室(1)内设有筒状的涡旋分离器(2)，该涡旋分离器(2)的侧壁开有若干喷射通道(4)，喷射通道内设有喷嘴(26)，其特征在于：所述涡旋分离器(2)的侧壁中开有回热流道(3)，所述涡流室(1)的室壁上开有与所述回热流道(3)连通的回热介质入口(5)和回热介质出口(6)；所述回热流道(3)沿涡旋分离器(2)的圆周向依次穿过各个喷射通道(4)，同时包围其中的喷嘴的外壁进行换热。

2.根据权利要求1所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述回热流道(3)由多段依次衔接的子通道(3a)构成，各个子通道(3a)均沿涡旋分离器(2)的切向布置。

3.根据权利要求2所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述个子通道(3a)均具有延伸至所述涡旋分离器(2)的侧壁端口，该端口内密封设置有挡板(14)。

4.根据权利要求1所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述回热流道(3)具有处在涡旋分离器(2)外壁的进口(3b)和出口(3c)；

所述涡流室(1)的内壁上开有回热介质入口(5)的部位与所述回热流道(3)的进口(3b)密封对接；

所述涡流室(1)的内壁上开有回热介质出口(6)的部位与所述回热流道(3)的出口(3c)密封对接。

5.根据权利要求4所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述回热流道(3)的进口(3b)部位设有内螺纹；

所述回热介质入口(5)中穿设有第一紧固螺栓(7)，该第一紧固螺栓的螺纹部分与所述回热流道(3)的进口(3b)的内螺纹相配合；

所述回热介质入口(5)的内壁设有第一限位台阶(5a)，所述第一紧固螺栓(7)的头部靠近螺纹部分的一侧抵接在第一限位台阶(5a)上；

所述第一紧固螺栓(7)带有若干轴向的通孔(7a)，分别与回热流道(3)和回热介质入口(5)连通。

6.根据权利要求4所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述回热流道(3)的出口(3c)部位设有内螺纹；

所述回热介质出口(6)中穿设有第二紧固螺栓(8)，该第二紧固螺栓的螺纹部分与所述回热流道(3)的出口(3c)的内螺纹相配合；

所述回热介质出口(6)的内壁设有第二限位台阶(6a)，所述第二紧固螺栓(8)的头部靠近螺纹部分的一侧抵接在第二限位台阶(6a)上；

所述第二紧固螺栓(8)带有若干轴向的通孔，分别与回热流道(3)和回热介质出口(6)连通。

7.根据权利要求4所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述回热流道(3)的进口(3b)与回热介质入口(5)的对接部位、以及所述回热流道(3)的出口(3c)与回热介质出口(6)的对接部位均设有密封垫(9)。

8.根据权利要求1所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述涡流室(1)一侧螺纹连接有冷端固定块(12)，该冷端固定块(12)内设有所述的冷流出口(10)。

9.根据权利要求1所述的热泵型涡流管，其特征在于：所述热端管(11)的出口部位螺纹配合有用于控制热流体流量的调节阀(13)。

10.一种带涡流管的换热系统，包括：涡流管(15)和换热器(16)，其特征在于，

所述涡流管(15)为权利要求1-9任一权利要求所述的热泵型涡流管；

所述换热器(16)的入口(16a)与所述热端管(11)的热流出口(15a)连通，所述换热器(16)的出口(16b)与所述回热介质入口(5)连通；所述回热介质出口(6)与所述的冷流出口(10)通过管路连通后再与外部管路连通。

Images