CN103123187A - 蒸发式冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种蒸发式冷却装置，包括箱体和位于所述箱体中的换热器组件、风机、喷淋系统。其中，喷淋系统位于换热器组件上方，用于向换热器组件的外表面喷洒冷却液，风机位于喷淋系统的上方，用于将经过换热器组件的冷却液蒸气排出箱体，此外，换热器组件包括若干个夹层换热板，夹层换热板具有内部空间，以供制冷剂在其中流动，其周缘密封，并且在密封的周缘上包括供制冷剂流入和流出的制冷剂入口和出口。根据该结构的蒸发式冷却装置可以节省大量的原材料和空间，显著降低使用和运输成本，并且还能够轻易地进行清洗。

Description

蒸发式冷却装置

技术领域

本发明涉及换热器领域，特别是涉及一种蒸发式冷却装置。

背景技术

冷却装置例如冷凝器是制冷系统主要的热交换设备之一，其作用是将压缩机排出的高温、过热蒸气冷却成液态制冷剂。根据冷却介质和冷却方式的不同，常用的冷凝器一般可分为水冷式(又分为壳管式、套管式、沉浸式等)、空气冷却式(或称风冷式)及蒸发式(制冷剂在管内冷凝，管外同时受到水及空气的冷却)三种。

与前两种冷凝器相比，蒸发式冷凝器具有节水、节电和结构紧凑、占地面积小等优点，其循环水流量仅为水冷式冷凝器的10％，水泵的能耗也明显降低。因此，从20世纪70年代起，国际上发达国家开始用蒸发式冷凝器代替传统的水冷式冷凝器，并广泛应用于电力、化工、钢铁、食品等工业部门。

蒸发式冷凝器的工作原理如图1所示，冷却水由喷淋水泵107送至冷凝盘管108的上方，经喷淋设备102喷淋至冷凝管组外表面形成水膜往下流动，由于水膜中部分水蒸发时吸收热量而使管内高温、高压的制冷剂蒸气冷凝成液体。空气则由箱体109下方的进风口105进入，沿冷凝管组的下部向上流动，并将冷凝盘管108外的水蒸气带走。未蒸发的水仍返回至箱底水池106中，依此循环工作。同时，顶端的鼓风机101维持冷凝器上部的负压状态，促使空气向上流动，强化冷却效果。

然而，传统的蒸发式冷凝器存在一些难以克服的技术缺陷。

首先，冷凝盘管108为了保持其强度，必须具有足够的壁厚，这样在对管子进行弯曲加工时，弯头部分必须具有一定的弯转半径，这就使得加工完成的冷凝盘管108的尺寸会非常大。而为了适应冷凝盘管108的较大尺寸，喷淋水泵107、鼓风机101、喷淋设备102以及冷凝器的整体尺寸也都需要相应增大，从而造成最终产品的尺寸和质量都非常大。这不仅仅会造成原材料的大量浪费，而且由于蒸发式冷凝器常常需要吊装到高处，例如建筑物的顶端，因此也造成安装成本的大幅度提升。

其次，在喷淋的水流沿着管壁流下的过程中，在冷凝盘管108的管壁下表面上会存在静止的水滴，很容易生成水垢，从而大大影响盘管的换热效率。另一方面，由于各个管子之间的间隙非常有限，而且无论如何设计管子的排布，都必然会形成冲洗的死角，因此，对冷凝盘管108表面水垢和污渍进行冲洗和清理变得非常困难。通常的做法是，将各排冷凝盘管108从整台冷凝器上拆下来，清洗完成后再将这些冷凝盘管108安装回去。由于如全文所述，蒸发式冷凝器常常需要吊装到高处，这就使得设备的维护成本变得非常高，也限制了蒸发式冷凝器的使用。

除了上面举例所提到的蒸发式冷凝器以外，常见的蒸发式冷却装置还包括闭式冷却塔。传统的闭式冷却塔的热交换主体结构与蒸发式冷凝器相似，也采用的是类似于盘管的结构，因此也会存在上述技术问题。

发明内容

本发明的目的就是要通过提供一种新型的蒸发式冷却装置来解决上述技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种蒸发式冷却装置，包括箱体和位于所述箱体中的换热器组件、风机、喷淋系统。其中，喷淋系统位于换热器组件上方，用于向换热器组件的外表面喷洒冷却液，风机位于喷淋系统的上方，用于将经过换热器组件的冷却液蒸气排出箱体，此外，换热器组件包括若干个夹层换热板，夹层换热板具有内部空间，以供制冷剂在其中流动，其周缘密封，并且在密封的周缘上包括供制冷剂流入和流出的制冷剂入口和出口。其中的冷却液包括水。另外，需要注意的是，这里所说的风机位于喷淋系统的上方是指风机的高度高于喷淋系统，而非指必须位于喷淋系统的正上方。事实上，如下文所述，风机位于喷淋系统侧上方的技术方案正是本发明的优选实施方式之一。

可选地，夹层换热板大致沿着平行于从换热器组件到风机的方向设置。这样的设置可以使得来自于风口的气流顺畅地从夹层换热板的表面流过而无阻碍，从而提高换热的效率。而如果像传统的盘管冷凝器中盘管的布置方式一样，将夹层换热板横向于换热器组件到风机的方向布置，那么将大大影响气流流动，从而使得换热效率大大降低。

可选地，夹层换热板包括两块金属薄板，周缘具有焊接部分。

可选地，两块金属薄板之间包括若干个结合点。进一步地，这些结合点可以均匀分布，或采用其它的分布形式。再进一步地，这些结合点可以包括焊接部分，例如通过点焊机或者激光焊机形成。

可选地，制冷剂的入口可以高于出口，这样便于制冷剂冷凝后流出。

可选地，在换热器组件的下方，还可以设置有填料塔。

其中，蒸发式冷却装置可以是蒸发式冷凝器，也可以是闭式冷却塔。

附图说明

图1显示的是现有的蒸发式冷却装置(例如蒸发式冷凝器)的工作原理图；

图2显示的是根据本发明的蒸发式冷凝器中所采用的夹层换热板的主视图；

图3显示的是如图2中所示的夹层换热板沿着A-A方向的局部横截面视图；

图4显示的是根据本发明的一个优选实施方式的蒸发式冷凝器被局部剖开的立体图；

图5显示的是如图4中所示的蒸发式冷凝器被局部剖开的立体图，其换热器组件采用纵向布置方案，并且换热器组件的第一块夹层换热板也被切去了一部分，以示出所述蒸发式冷凝器工作时的第一条气流通道；

图6显示的是换热器组件采用横向布置方案的蒸发式冷凝器；

图7显示的根据本发明的另一个优选实施方式的蒸发式冷却器被局部剖开的立体图。

具体实施方式

下面将结合附图详细介绍本发明的一种优选实施方式。

附图2、3显示了在本发明中用于代替传统冷凝盘管108的夹层换热板10。如图2中所示，所述夹层换热板10主要包括两块叠置在一起的金属薄板11，在金属薄板11的最外侧环绕着一圈周缘密封部分16，从而使得两层金属薄板11之间形成了一个密闭的空间。该周缘密封部分16可以通过任意现有的常规技术手段，例如焊接，特别是激光焊接形成，只要其能承受一定的压强。该压强的大小将在下文中予以进一步的说明。此外，在周缘密封部分16上还可以选择性地包括若干个分布在整个周长上的加强点13，以进一步强化周缘密封部分16的密封强度和可靠性。

在周缘密封部分16上还设置有制冷剂的入口14和出口15，它们一端与两层金属薄板11之间的密闭空间联通，另一端呈现管状，并且在端口具有连接装置，从而可以方便地与制冷剂管路结合或分开。制冷剂入口14和出口15的位置没有非常特别的要求，但是一般认为，出口15可以设置在相对靠下的位置，从而方便凝结成液体的制冷剂从出口15流出。入口14的位置相对比较灵活，可以根据需要布置，例如如图所示设置在与出口15同侧边缘的上方。

而在周缘密封部分16的内部，两块金属薄板11上包括若干个呈现一定排布，例如均匀分布的结合点12。如图3所示，在结合点12处，两块金属薄板11紧密地结合在一起，而在其它部分，两块金属薄板11相互分离，从而形成了供制冷剂流动的通道17。并且，由于结合点12的存在，形成了制冷剂流动的障碍物，从而使得制冷剂在结合点12处形成了强烈的湍流，从而极大地加强了换热效率。

与传统的冷凝盘管108相比，由于不再需要确保盘管弯曲部分的尺寸，因此换热部分的尺寸大大减少，也进一步使得设备整体的尺寸大大减少。这样不仅可以节省很多原材料，使得设备的制造成本大为降低，而且可以显著降低整体设备的质量，使得特别是在高处的安装成本大为降低。而尺寸和质量的减少，又使得整体设备的运输成本大为降低，这对于一些运用于特殊场合，需要经常运输的蒸发式冷凝器来说，显得尤为重要。例如，根据煤矿行业的特点，蒸发式冷凝器每隔6-8个月就需要变更一次作业地点，运输非常频繁。这时，运输费用在总的运营费用中将显得非常重要。

另一方面，由于作为单个换热单元的夹层换热板10都是由两块金属薄板11形成，因此在夹层换热板10上并不存在类似于冷凝盘管108的管壁下表面的死角区，形成水垢的难度大大增加。并且，即使确实形成了水垢或者存在污物，影响到了换热效率，但是由于夹层换热板10的表面基本呈现平坦状，不存在管子排布而形成的死角，因此通过用清水或者清洗剂冲刷夹层换热板10的表面，可以非常容易地去除表面的水垢或污物。

从加工的角度来说，夹层换热板10的加工方法并不复杂。在完成了周缘密封部分16的密封结合，并且完成了入口14和出口15的安装后，首先通过点焊机或者激光焊机等设备在夹层换热板10的中间部位的选定位置形成所述若干个结合点12，然后通过液压机或者气压机对金属薄板11之间的密闭空间加压，使得金属薄板11向外鼓起，从而形成供制冷剂流动的通道17。加压的大小只要不超过周缘密封部分16和结合点12的结合强度即可。

可选地，在通过加压形成通道17时，还可以在夹层换热板10的外侧设置预先形成的模具，以限制金属薄板11的形变，防止在加压时由于压力分布不均匀或者板片厚度分布不均匀造成的局部变形过大，从而造成生产事故或者为未来的使用埋下安全隐患。

此外，除了在焊接完成后通过加压形成通道17以外，还可以首先对金属薄板11进行冲压或通过其它方法使其形成形变，然后将形变完成的两块金属薄板11对置，再通过焊接等手段形成周缘密封部分16和结合点12等。

在将上文所述的多个夹层换热板10并联在一起后，就形成了夹层换热板10的组件，从而可以被安装到蒸发式冷凝器中。

图4显示了根据本发明优选实施方式的蒸发式冷凝器20。其中，多个夹层换热板10并联在一起，用作换热器组件45，这些夹层换热板10共用一个制冷剂总入口52和总出口51，并且总入口52位于换热器组件45的最高处，总出口51位于换热器组件45的最低处。

在换热器组件45的正下方，设置有呈现蜂窝状的填料塔42，其用于循环水的二次冷却，具体过程将在下文中详细描述。

在换热器组件45的上方，设置有喷淋系统44，其通过水管与位于填料塔42正下方的循环水池43相连，从而可以通过水泵34将循环水池43中的冷水输送到换热器组件45的上方，并通过喷淋系统44喷洒在换热器组件45上，从而实现与换热器组件45中流动的制冷剂的热交换。

在换热器组件45和填料塔42的侧方，还包括有风道46，以供完成热交换后的湿热空气流动。在风道46的上方，还设置有风机40，其不停地向外抽气，以维持出风口的负压，便于湿热空气流出。

在风道46和换热器组件45、填料塔42之间，还分别设置有除水器41，用于将湿热空气中带有的一部分未完全气化的小水珠挡住，避免其随着气流流出系统之外，从而减少了补充水的消耗量。

此外，还是如图4所示，蒸发式冷凝器20还包括箱体31、检修门32、水位控制器33和电子除垢仪35等辅助部件。这些辅助部件与前面提到的部件一起，构成了根据本实施方式的蒸发式冷凝器20。

这里将以申请人的两款产品为例进行对比，以显示依据本发明的冷凝器的优异性能。例如，采用传统的盘管换热装置的SWL-2245型冷凝器的外形尺寸大约为5600mm×3030mm×4965mm，而采用了本发明中的夹层换热板的SWLG-2200型冷凝器的外形尺寸仅为大约3350mm×2100mm×4130mm，体积减少了超过60％。

如果需要运输，传统型SWL-2245蒸发式冷凝器的标准排热量为2245KW，设备长5600mm、宽3030mm，需要分上下两箱体运输，一辆长13.5米的普通车辆是无法运输的，因为该设备已超宽，只能考虑17.5米的长车。而一台直流式新型的SWL-2200的蒸发式冷凝器，其标准排热量为2200KW，设备长3350mm，宽度2100mm，一辆长13.5米的普通车能运同规格的设备两台，运输费用能节省40％。

从运营成本来说，由于设备实现了小型化，使得风机和水泵的功率都可以大大降低。因此，设备的日常运营成本也就大大降低。例如，传统型SWL-2245蒸发式冷凝器的标准排热量为2245KW，需要三台7.5kW的风机和一台5.5kW的水泵，总功率达到了28.0kW，每千瓦日耗电约为0.3KW/KW·日。而SWLG-2200型冷凝器的标准排热量为2200KW，仅需要一台7.5kW的风机和一台4.0kW的水泵，总功率仅为11.5kW，每千瓦日耗电0.126KW/KW·日，省电接近60％。

图5显示了蒸发式冷凝器20工作时的气流状况，其中，箭头表示气流的方向。

如图5所示，可以清楚地看出当蒸发式冷凝器20工作时，会形成两条清晰的气流通道：

第一条从位于换热器组件45上方的风口开始，经过换热器组件45的夹层换热板10的表面之间形成的通道以后，又穿过位于换热器组件45侧面的除水器41，然后经过风道46的上半部分，最后从风机40处流出。这一路气流的主要作用是加强换热器组件45表面上的热交换效率，从而使得制冷剂完成冷凝。

第二条从位于填料塔42侧面的新风口47开始，经过填料塔42后，又穿过位于填料塔42侧面的除水器41，然后经过整个风道46，最后从风机40处流出。这一路气流的主要作用是使得从喷淋系统44喷出后流过换热器组件45的热水在填料塔42处实现二次冷却，从而降低和控制循环水的温度。

需要特别注意的是，实验证明，当上述两路气流均正常流动时，即夹层换热板10采用平行于第一路气流方向的纵向布置时，蒸发式冷凝器20将处于更优的工作状态，换热能力约为传统盘管冷凝器的热换能力的150％。。如果因为某种原因，影响了第一路气流的流动，那么整个冷凝器的工作性能将会大大降低。

例如，如图6所示，当换热器组件45的夹层换热板10采用横向于第一路气流方向的横向布置时，夹层换热板10会将第一条气流通道基本截断，只有少量气流能够通过夹层换热板10的外侧空间而流过第一路气流通道，剩余的气流只能继续向下，通过填料塔42以后从第二路气流通道流出冷凝器。该结构的换热能力明显下降，只能达到传统盘管冷凝器热换能力的70％。

这样的错误是非常容易发生的，因为横向布置是传统的盘管式冷凝器中所采用的布置方式，技术人员在设计新的冷凝器时，很容易受到传统思想的限制而沿用横向布置方式。

对比实验的结果也验证了上述结论。在对比实验中，SWLG-2200将作为两路气流均正常流动的例子(如图5所示)，而对比例将采用如图6所示的布置方案，其第一条气流通道大致被夹层换热板10截断。实验结果如下表所示：

可以看出，虽然仅仅是夹层换热板10布置方向发生改变，由相对于第一路气流方向横向布置改为纵向布置，但是在性能上却带来了非常大的提升。

图7显示了根据本发明的另一个优选实施方式的蒸发式冷凝器80。其与第一个实施方式的最大区别在于，其采用的是直立式气流通道布置，即不存在图4中所示的位于换热器组件45和填料塔42侧面的风道46。相应地，在蒸发式冷凝器80中仅包括自下而上的一条气流通道。

在蒸发式冷凝器80中，风机90设置在整台设备的顶端，其下方是喷淋系统94，以及位于喷淋系统94下方的包括若干个夹层换热板10的换热器组件95。而在换热器组件95的下方，设置有若干个位于设备侧面的新风口97。

当蒸发式冷凝器80工作时，冷却水从喷淋系统94喷出，并流经换热器组件95的夹层换热板10的表面从而实现热交换并将制冷剂冷凝。而气流则从下方的新风口97流入，向上通过换热器组件95并最终从风机90处离开冷凝器，从而将完成气化的湿热蒸汽带走。

Claims (11)

1.一种蒸发式冷却装置，包括箱体(31)和位于所述箱体(31)中的换热器组件(45)、风机(40)、喷淋系统(44)，其中，

所述喷淋系统(44)位于所述换热器组件(45)上方，用于向所述换热器组件(45)的外表面喷洒冷却液，

所述风机(40)位于所述喷淋系统(44)的上方，用于将经过所述换热器组件(45)的冷却液蒸气排出所述箱体(31)，

其特征在于，所述换热器组件(45)包括若干个夹层换热板(10)，所述夹层换热板(10)具有内部空间，以供制冷剂在其中流动，其周缘密封，并且在密封的周缘上包括供制冷剂流入和流出的制冷剂入口(14)和出口(15)。

2.如权利要求1所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述夹层换热板(10)大致沿着平行于从换热器组件(45)到所述风机(40)的方向设置。

3.如权利要求1或2所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述夹层换热板(10)包括两块金属薄板(11)，周缘具有焊接部分。

4.如权利要求3所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述两块金属薄板(11)之间包括若干个结合点(12)。

5.如权利要求4所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述结合点(12)均匀分布。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述结合点(12)包括焊接部分。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，制冷剂的所述入口(14)高于所述出口(15)。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，在换热器组件(45)的下方，设置有填料塔(42)。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述冷却液包括水。

10.如权利要求1-9中任意一项所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述蒸发式冷却装置是蒸发式冷凝器。

11.如权利要求1-9中任意一项所述的蒸发式冷却装置，其特征在于，所述蒸发式冷却装置是闭式冷却塔。

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