CN102959346B - 薄膜蒸发器 - Google Patents

Abstract

一种薄膜蒸发器（11），具有带管子（15）的壳体（13），管子（15）在至少一个通路上延伸通过壳体。壳体具有顶部和底部。过程流体流过管子。来自压缩机的抽吸作用在制冷剂出口（49）处施加到壳体顶部上。制冷剂（70）引入到壳体的底部，并分配（33、45）在壳的底部区域上。制冷剂向上流动并接触管子，在流出壳体顶部之前，与管子进行热交换。制冷剂中的油接触壳体壁，并排入到储槽（51）内。

Description

薄膜蒸发器

技术领域

本发明涉及热交换器和制冷系统，尤其是涉及蒸发器。

背景技术

在典型的制冷循环中，存在有蒸发器或冷却器、压缩机、冷凝器、膨胀装置，蒸发器或冷却器依靠使在较低饱和温度和压力下的制冷剂沸腾来冷却过程流体，压缩机将蒸发的制冷剂压缩到提高的压力和温度，冷凝器依靠加热冷却介质来将高压制冷剂冷凝到液态，膨胀装置降低冷凝后制冷剂的压力，使其返回到低压侧，这样，再进入蒸发器或冷却器而又重复上述循环。该循环被称之为逆向兰金(Rankine)循环。

如此的制冷系统可在各种装置中见到，例如，食品处理工厂。

制冷剂通常是合成物和/或天然物，例如氨、二氧化碳或诸如丙烷之类的碳氢化合物。合成的制冷剂由于环境的问题而不受欢迎。然而，即使天然制冷剂也具有缺点；例如，氨有毒而丙烷则为易燃物。

希望设计出一种使用减量制冷剂的蒸发器，由此，使制冷剂意外泄漏造成的任何危险为最小。此外，更有効的蒸发器应体积更小，因此可省钱。

发明内容

薄膜蒸发器包括具有两端、顶部和底部的壳体。多个管子位于壳体内并延伸在两端之间。管子形成通过壳体的路径。该路径包括至少一个通过壳体的通路。有至少一个制冷剂入口位于壳体底部。制冷剂分配器连接到制冷剂入口，并位于壳体底部和管子之间。分配器具有面向壳体底部的开口。孔板位于分配器和管子之间。有至少一个制冷剂出口位于壳体顶部。抽吸作用施加到制冷剂出口上。

根据一个方面，分配器开口的尺寸做成能产生制冷剂的喷雾。

根据另一个方面，蒸发器还包括管子上的液体制冷剂薄膜，使制冷剂蒸气位于管子之间。

根据一个方面，薄膜蒸发器还包括除雾器，其位于管子和制冷剂出口之间的壳体内。

根据另一个方面，管子包括管子主体。管子还包括过热管子体，其位于除雾器和和制冷剂出口之间。

根据另一个方面，储槽位于壳体底部。

本发明还提供使用薄膜蒸发器进行热交换的方法，薄膜蒸发器具有带两端、顶部和底部的壳体，以及壳体内的并延伸在两端之间的多个管子。过程流体流过管子。制冷剂流入壳体底部。制冷剂分布在壳体底部区域上。制冷剂薄膜围绕管子周围布置，并影响过程流体和制冷剂之间的热交换。允许制冷剂通过壳体顶部的制冷剂出口流出。抽吸作用施加在制冷剂出口上。

根据一个方面，在壳体底部区域上分布制冷剂的步骤进一步包括：对着壳体喷洒制冷剂。

根据一个方面，在壳体底部区域上分布制冷剂的步骤进一步包括：在使制冷剂围绕管子流动之前，使制冷剂喷雾通过打孔的构件。

根据一个方面，管子和制冷剂出口之间存在有壳体内的流动阻力。

根据另一个方面，所述方法还包括如下步骤：在液体通过制冷剂出口流出之前，在壳体顶部上合并液体。

根据另一个方面，管子包括管子主体。过热管子体设置在流动阻力和制冷剂出口之间。

附图说明

图1是根据优选实施例提出的薄膜蒸发器的侧视剖视图。

图2是显示分配管和折流板的俯视剖视图。

图3是沿图2中线III-III截取的剖视图。

图4是分配管之一的仰视图。

图5是图4分配管的侧视图。

图6是带有蒸发器的制冷系统的方框图。

图7是某些管子的剖视图，显示制冷剂的薄膜。

具体实施方式

参照附图，蒸发器11具有圆柱形壳体13。承载过程流体的管子15位于该壳体内。图中所示的蒸发器具有两个管子15通路，下部管子通路15L和上部管子通路15U。诸管子彼此不接触而间隔开，以让制冷剂在每根管子周围流动。折流板17将管子支承在壳体内。管子端部连接到管板19上，管板19位于壳体的端部处。因此，诸管子15延伸在管板19和壳体13内部之间。(管子15未在图1和2中示出，以显示其它的细节；然而，管子通路15U、5L的位置显示在图1中。)

在壳体的一端处，端盖20(见图1)具有与上部管子通路15U连通的入口腔室21以及与下部管子通路15L连通的出口腔室23。相应的入口25和出口27连接到入口和出口腔室。分隔板29分隔开入口和出口腔室。

在壳体的相对端处，是带有单一腔室的另一端盖31，使得从上部管子通路15U流出的流体可进入下部管子通路15L。

冷却器可具有单一的管子通路或两个以上的管子通路。图3示出一假想的水平中心线，该中心线视觉上使上部管子通路15U与下部管子通路15L分开。

诸如水、盐水、气体等之类的过程流体30流过入口25(见图1)而流入入口腔室21内，然后，流过上部管子通路15U而流入相对的端盖31内，再然后，进入下部管子通路15L，那里，流体则流入出口腔室23和流过出口27。

制冷剂在底部进入壳体内并上移，那里，制冷剂在壳体的顶部处流出。制冷剂借助于分配管37流入壳体内。分配管37布置在组件33内。在优选的实施例中，有两个分配管组件33，它们沿着壳体底部端对端地布置。每个分配管组件33的形状像细长的“H”(见图4)。每个分配管组件具有中心馈送部分35，其横向于平行的出口分配管37。每个分配管37具有沿着管子底部的开口39。诸开口39沿着出口管37的长度定位。开口39直向下定向。然而，开口可相对于直向下的方向定向成一定的角度。开口39的大小应做成使制冷剂呈喷雾状流出分配管37。如图3和5所示，垂直上升管41从中心馈送部分35悬垂下来。上升管41是制冷剂入口。分配管组件33位于壳体13底部，并通过垂直上升管41隔开在底部上方，于是，在分配管和壳体底部之间形成间隙43。孔板45位于分配管上方。如果需要的话，分配管组件33可固定到孔板45以便得到支承。孔板位于下部管子通路15L下方。

分配管组件33可以是各种构造。如果壳体足够短的话，那么，只需使用单一的分配管组件33。相反，较长的壳体可需要两个以上的分配管组件。同样地，每个分配管组件可具有一个或多个管子37。例如，可使用单个管子，该管子可以是内直径大于图3所示的管子37。对于这种单一管子，某些开口可定向成垂直向下喷雾，而其他的开口可定向成与垂直向成一定的角度。替代地，可采用一个或两个以上的管子37。管子37的数量和大小一定程度上取决于壳体的尺寸。分配管组件33设计成横贯壳体底部来分配制冷剂，以使制冷剂接触所有的管子15。孔板45有助于在管子15中均匀地分配制冷剂。

除雾垫47位于上部管子通路15U的上方。在一个实施例中，该除雾垫是1”厚的不锈钢丝绒垫。一个或多个制冷剂出口49位于除雾垫47上方的壳体顶部。在除雾垫47和出口49之间布置了单排或多排的管子15D。这些管子15D是上部管子通路15U的部分。该部分内管子的直径或类型可与其他部分或通路内的管子相同，或者管子可以不同。例如，管子15D可以是较小的直径，以在除雾器47上方提供更多管子。管子15D对制冷剂提供过热。这些管子15D起作最后的屏障，阻止任何遗留的液体制冷剂进入压缩机63(图6)。

壳体13底部设置有储槽51。壳体在储槽周界处的底壁弯曲入储槽，以便于向储槽内的排放。

蒸发器安装在如图6所示的制冷剂系统61内。制冷剂出口49连接到压缩机63的入口。压缩机连接到冷凝器65。冷凝器出口连接到膨胀装置或阀67，该阀67又连接到蒸发器11的制冷剂入口41。不需要制冷剂泵对蒸发器11提供制冷剂。

膨胀装置67设置在制冷剂入口处，以控制流入蒸发器内的制冷剂流。传感器69位于制冷剂出口49处。传感器可以是压力传感器或温度传感器。如在出口49处检测到的，当对制冷剂的需求增加时，膨胀装置67可让更多的制冷剂流入蒸发器内，以及反之亦然。

在操作中，过程流体30(图1)循环通过管子15，同时，制冷剂70循环通过壳体，但在管子外面循环。液体-蒸气的制冷剂混合物借助于入口41进入、流入分配管37内，并通过作为喷洒头70的开口39(为说明的目的，在图3中，仅分配管组件33的一侧显示为喷洒)。分配管33均匀地将制冷剂分配到壳壁的底部壳体内。制冷剂冲击分配管组件33下方的壳壁。该动作用来形成均质的两相(液体和蒸气)制冷剂混合物，然后，该混合物横贯壳体的底部区域均匀地分布。孔板45还进一步帮助制冷剂混合物横贯壳体的底部区域均匀地分布。压缩机63施加到出口49的抽吸作用，向上抽吸壳体内的制冷剂到管子区域内(图3)。制冷剂在管子15的外侧上形成液体薄膜71(图7)。制冷剂薄膜具有优良的传热特性，特别是与淹没式蒸发器相比时。当制冷剂从管子中沸腾时，过程流体75被冷却，制冷剂以蒸气73向上流动。管子15之间的空间包含液态和气态的制冷剂，液体制冷剂呈液滴的大小。这与淹没式蒸发器形成鲜明的对比，其中，管子之间的空间被制冷剂池填满。制冷剂蒸气首先通过除雾垫47，然后通过最后排的管子15D，最后，通过制冷剂出口49流出。

在壳体的上端处，管子15之间的空间内的制冷剂大部分是蒸气，并可含有某些液体。除雾垫47合并任何的液体制冷剂，并由此阻止液体进入压缩机63。合并的液滴向下返回到除雾垫47下方的管子15上。除雾垫47还在制冷剂出口49上施加背压，这用来在管束上均匀地分布制冷剂。

当制冷剂蒸气流出蒸发器11(图6)时，它被过热。因此，在压缩机压缩之前，它不返回到液态。传感器69和膨胀装置67之间的互相作用保持固定的过热水平。

储槽51(图1)截留下制冷剂中的油，并保持管子15干净。制冷剂从压缩机中获得油。当制冷剂从分配管喷雾出时，油比制冷剂更容易粘附到壳壁上。油排入到储槽51内，在那里收集并可排出。美国专利No.7，082,744中讨论了除去油的方法，本文以参见方式援引该专利的全部内容。

薄膜蒸发器具有优于其它类型热交换器的优点。淹没式蒸发器要求壳体用制冷剂来淹没，但薄膜蒸发器则需要少得多的制冷剂。例如，对于130吨制冷能力的系统来说，淹没式蒸发器会需要大约1200磅氨，而薄膜蒸发器则需要仅约35磅。因此，有可能泄漏到大气中的有毒制冷剂就很少。

另一方面，传统的喷雾式蒸发器需要用泵将制冷剂向下喷洒到管子上。制冷剂泵很贵，因为制冷剂泵必须有特殊的密封，且由于系统中有运动部件，维护成本也很高。此外，为了确保制冷系统的可靠性，一般地需要有后备泵。使用两个特殊泵就显著地增加了制冷系统的成本。此外，与薄膜蒸发器相比，喷雾式蒸发器内制冷剂的充入压力更高。然而，对于这里所述的薄膜蒸发器来说，不需要使用泵，因为采用了压缩机的抽吸作用将制冷剂向上抽吸通过蒸发器。

上述披露的发明和附图中的图示只是为了说明本发明的原理，不能诠释为有限制的含义。

Claims (12)

1.一种薄膜蒸发器，其包括：

a)具有两端、顶部和底部的壳体；

b)多个管子，它们位于所述壳体内并延伸在所述两端之间，所述管子形成通过所述壳体的路径，该路径包括至少一个通过所述壳体的通路；

c)至少一个制冷剂入口，其位于所述壳体的底部；

d)制冷剂分配器，其连接到所述制冷剂入口、隔开在所述壳体的底部上方并位于所述壳体的底部和所述管子之间，所述制冷剂分配器具有面向所述壳体的底部的开口，所述制冷剂分配器的所述开口位于所述壳体的底部之上并与所述壳体的底部隔开无障碍的间隙，使得流出所述制冷剂分配器的所述开口的制冷剂冲击所述壳体的底部，所述间隙形成底部区域，所述底部区域包含蒸汽制冷剂与液体制冷剂液滴的混合物；

e)孔板，其位于所述制冷剂分配器和所述管子之间；

f)至少一个位于所述壳体的顶部的制冷剂出口；

g)施加到所述制冷剂出口上的抽吸作用。

2.如权利要求1所述的薄膜蒸发器，其特征在于，所述制冷剂分配器的开口的尺寸做成能形成制冷剂的喷雾。

3.如权利要求1所述的薄膜蒸发器，其特征在于，还包括位于所述管子上的液体制冷剂的薄膜，使蒸气制冷剂位于所述管子之间。

4.如权利要求1所述的薄膜蒸发器，其特征在于，还包括位于所述管子和所述制冷剂出口之间的所述壳体内的除雾器。

5.如权利要求4所述的薄膜蒸发器，其特征在于，所述管子包括管子主体，所述管子主体还包括位于所述除雾器和所述制冷剂出口之间的过热管子体。

6.如权利要求1所述的薄膜蒸发器，其特征在于，还包括位于所述壳体的底部的储槽。

7.一种使用薄膜蒸发器进行热交换的方法，所述薄膜蒸发器具有带两端、顶部和底部的壳体，以及位于所述壳体内的并延伸于所述两端之间的多个管子，所述方法包括以下步骤：

a)使过程流体流过所述管子；

b)对着所述壳体喷洒制冷剂,使所述制冷剂引入底部区域，从而产生液体液滴和蒸汽制冷剂的混合物，所述混合物

分布在所述壳体的所述底部区域上；

c)围绕所述管子提供液体制冷剂薄膜，其影响所述过程流体和所述制冷剂之间的热交换；

d)允许所述制冷剂通过所述壳体顶部的制冷剂出口流出；

e)施加抽吸作用在所述制冷剂出口上。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：在使所述制冷剂围绕所述管子流动之前，让所述制冷剂混合物通过打孔构件。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：在所述管子和所述制冷剂出口之间的所述壳体内提供流动阻力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：使液体在通过所述制冷剂出口流出之前于所述壳体的顶部处合并。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述管子包括管子主体，所述方法还包括以下步骤：在所述流动阻力和所述制冷剂出口之间提供过热管子体。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述制冷剂包括油，所述方法还包括：

将所述油排入所述壳体内的储槽中。