CN104154794B - 一种提高气液两相态co2工质在换热管内的换热效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换热管，具体的说是一种用于气液两相态CO₂工质的换热管，及使用该换热管的换热器。具体的公开一种换热管，所述的换热管内腔流动气液两相态的CO₂工质，所述的CO₂工质与换热管外的工质进行换热，所述的换热管内壁有正螺旋线管段，该正螺旋线管段在换热管内壁上有顺时针方向设置的正螺旋线；所述的换热器内壁还有反螺旋线管段，该反螺旋线管段在换热管内壁上有逆时针方向设置的反螺旋线。以及由该换热管加工的管壳式液‑液换热器，或由该换热管加工的气‑液换热器。采用这种换热管可以打破CO₂气液两相流固有的螺旋流动，引导CO₂两相流中的液态更均匀的分布。

Description

一种提高气液两相态 CO2 工质在换热管内的换热效率的方法

技术领域

本发明涉及换热管，具体的说是一种用于气液两相态CO₂工质的换热管，及使用该换热管的换热器。

背景技术

二十一世纪环保和节能是科学技术发展的重要议题。传统制冷空调和热泵中使用的工质主要是CFCs和HCFCs，但是由于其对臭氧层破坏和大气变暖的重要影响，使得保护环境、实现CFCs和HCFCs的替代成为全世界共同关注的焦点问题。随着《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》的签订，CFCs类制冷剂的替代和禁止迫在眉睫。目前，自然环保工质CO₂因其具有无毒、不可燃、廉价、易得且对环境没有危害（温室效应潜能值GWP=1、i臭氧耗损潜能ODP=0）的特性，而倍受青睐。

在跨临界状态下，CO₂具有比热大、导热性好、气体密度高使设备紧凑体积小；单位容积制冷量为氟利昂的5倍；化学稳定性好与普通润滑剂和设备材料相兼容；价格低廉、容易获得、不需回收等优点，因此，CO₂跨临界循环具有非常好的应用前景。

跨临界CO₂热泵替代传统的热泵可以减少CFCs和HCFCs对地球臭氧层的破坏和削减CO₂排放，据估算如果采用跨临界CO₂热泵代替传统的热泵，每年可减少CO₂排放量为几千万吨。跨临界CO₂热泵从而得到了广泛的研究，特别是在发达国家和地区。

采用新型替代制冷剂后，这就需要重新对跨临界CO₂热泵系统的各个部件在运行时的工作性能进行研究，以及对跨临界CO₂热泵系统重新设计来弥补替代工质对系统性能的影响。因此，为了满足热泵系统在节能和环保方面的双重要求，有必要针对跨临界CO₂热泵系统中的各个部件进行有针对性的研究。

蒸发器是跨临界CO₂热泵系统中主要的换热设备之一，跨临界CO₂热泵蒸发器的结构和换热效果对跨临界CO₂热泵的性能影响较大，其换热和压降特性对整个系统效率的提高起着非常重要的作用。

普通的CFCs类制冷剂工作在普通的制冷制热工况下，其工质处于气液两态区，液态工质和气态工质的密度差异比较大，工质在换热管中流动时，液态工质易于贴近换热管内表面，所以，用于CFCs类制冷剂的换热管主要靠增加内表面的面积，通过内螺纹管内腔表面较密槽道来破坏液态工质流动过程中在换热管表面产生的层流，就可以实现换热效果的显著提升。

由于CO₂ 具有在临界状态附近气体密度高，使得气液密度的差异变小；同时由于在管内受到内壁面的加热，会自有的特殊性在管内形成稳定的螺旋流动，即以气、液两相核为中心的涡团螺旋向前流动，外部围绕着干度较大的气态CO₂，虽然旋转的离心力能把一部分液态CO₂甩到壁面，但大部分液态CO₂还是聚集在管道中心，形成传热的恶化，减少管内CO₂与管壁的换热，降低了蒸发器的换热效率。亟待找到一种临界状态附近CO₂换热管，克服临界状态附近CO₂在管中加热时，产生的螺旋流动造成的换热恶化问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换热管，通过对其内壁的特殊结构，克服临界状态附近CO₂在管中加热时，产生的螺旋流动造成的换热恶化问题，从而提高临界状态CO₂在换热管内的换热效率；进一步，提供一种使用该换热管的换热器。

为了实现上诉目标，本发明的技术方案是：一种换热管，所述的换热管内腔流动气液两相态的CO₂工质，所述的CO₂工质与换热管外的工质进行换热，所述的换热管内壁有正螺旋线管段，该正螺旋线管段在换热管内壁上有顺时针方向设置的正螺旋线；所述的换热器内壁还有反螺旋线管段，该反螺旋线管段在换热管内壁上有逆时针方向设置的反螺旋线。

所述的正螺旋线管段与反螺旋线管段交替设置，在两种管段的连接处，设置有弧形连接齿。 所述的正、反螺旋线的齿高不小于2.5mm，且为换热管内腔半径的八分之一至二分之一。

所述的正螺旋线管段范围内不存在反螺旋线；所述的反螺旋线管段范围内不存在正螺旋线。所述的正螺旋线与换热管中心线形成的角度与反螺旋线与换热管中心线形成的角度相同，而方向相反。

所述的正螺旋线管段2的长度与反螺旋线管段3的长度相同，且交替排列；或者正螺旋线管段长度与反螺旋线管段的长度不同。

所述的换热管的外壁面为光管，液态工质通过光管表面与CO₂换热。 所述的换热管的外壁面设置有翅片，该翅片上有冲缝或者开窗，气态工质通过翅片与CO₂换热。

本发明还公开一种换热器，包括管箱和壳体，所述的壳体内设置有如权利要求1至7中任一项所述的换热管，在管程流动的气液两相态CO₂工质与壳程流动的循环冷却水进行换热。

本发明还公开一种换热器，包括气态工质流路和换热管组；所述的换热管组包括权利要求8所述的换热管，在所述气态工质流路与所述换热管中的气液两相态CO₂工质换热。

采用在换热管内壁上设置正螺旋线管段和反螺旋线管段，可以破坏临界状态附近CO₂的稳定的螺旋形流动，特别是交替设置正螺旋线管段和反螺旋线管段，可以把在换热管中心区域的气、液两相核为中心的涡团分散到换热器的内壁面；当沿着当前的螺旋齿又要形成气、液两相核为中心的涡团时，与当前螺旋齿相反的齿形又会将其分散到换热器的内面，从而提高了换热效果。

附图说明

图1本发明一种实施例的换热管局部剖示意图；

图2 本发明中气液两相CO₂在光管及正、反向螺旋线管段内流动状态示意图；

图3本发明一种实施例的采用正、反螺旋线换热管的管壳式换热器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3和实施例对本发明作进一步的描述，多种实施例在不相互冲突的情况下，可以进行多种形式的组合。

如图1所示，本发明公开了一种使用CO₂工质的换热管1，在换热管内腔流动气液两相态的CO₂工质，这里的气液两相态的CO₂工质是指在临界状态附近，工质压力很高，气相和液相CO₂工质密度差异较小的状态下的CO₂工质。该CO₂工质与换热管外的工质进行换热，在换热管1有正螺旋线管段2，在该正螺旋线管段2，在换热管内壁存在顺时针方向设置的正螺旋线5（朝工质流动方向7看过去），正螺旋线5为在换热管内壁形成的有一定齿高的螺旋凸线，顺时针方向设置的正螺旋线5会使CO₂工质产生顺时针方向的旋转；换热管1还有反螺旋线管段3，在该反螺旋线管段3，在换热管内壁4存在逆时针方向设置的反螺旋线6（朝工质流动方向7看过去），反螺旋线6为在换热管内壁形成的有一定齿高的螺旋凸线，逆时针方向设置的反螺旋线6会使工质产生逆时针方向的旋转。通过气液两相态的CO₂工质在管内进行正向和反向的引导，从而打乱了原有稳定的螺旋流动。在换热管内的CO₂ 具有在临界状态附近气体密度高，气液密度的差异变小；同时由于在管内受到内壁面的加热或冷却，会自有的特殊性在管内形成稳定的螺旋流动，即以气、液两相核为中心的涡团螺旋向前流动，外部围绕着干度较大的气态CO₂，虽然旋转的离心力能把一部分液态CO₂甩到壁面，但大部分液态CO₂还是聚集在管道中心，形成传热的恶化，减少管内CO₂与管壁的换热，降低了换热管的换热效率。在换热管上设置有正螺旋线管段2和反螺旋线管段3就可以打破气液两相态CO₂原有稳定的螺旋流动。

如图2所示，图中的点代表气态CO₂，图中的小圈代表液态CO₂，CO₂在换热管内沿工质流动方向7流动，在光管段区域9的范围内，以CO₂气、液两相核为中心，液相的CO₂在换热管的空腔中心较集中，且在外部围绕着干度较大的气态CO₂，由于气态CO₂的密度小，热阻大，所以会给换热造成影响。图中右侧为正、反螺旋线区域10，在该区域内，经过正、反向的螺旋线引导后，形成气态CO_2、液态CO₂的比较均匀的形式，提高了换热管内侧的换热效率。

为了获得更好的正、反螺旋线的引导，形成气态CO_2、液态CO₂的比较均匀的形式，提高了换热管内侧的换热效率。换热管1的正螺旋线管段2与反螺旋线管段3交替设置，在正螺旋线管段2引导后形成顺时针流动的CO₂工质进入反螺旋线管段3，形成强烈的混合和搅拌；在反螺旋线管段3引导后形成逆时针流动的工质进入正螺旋线管段2，形成强烈的混合和搅拌，从而使整个换热管内气态CO_2、液态CO₂比较均匀。

在正螺旋线管段范围内不存在反螺旋线，同时，在反螺旋线管段范围内不存在正螺旋线，为了对正螺旋线管段的CO₂引导成顺时针流动，在正螺旋线管段内都是顺时针设置的正螺旋线，这样可以提高对CO₂引导效率，不会造成正螺旋线管段内的扰流，在与逆螺旋线管段交界处形成强烈的混合。反之亦然。

另一种实施例中，在正螺旋线管段2与反螺旋线管段3的连接处，设置有连接两管段的弧形连接齿8。该连接齿8可以减小CO₂流过交界处产生的阻力，从而减小驱动CO₂流动消耗的功。

现有技术中为了提高换热效率，在换热管内壁往往设置一定齿高的螺旋齿，为了增加换热面积 ，减小边界层厚度，而设置的齿的高度为0.1至0.25mm，而在本发明的另一个实施例中，正或逆时针方向螺旋线与，采用正或逆时针方向设置的齿主要目的是为了引导CO₂两相流和向换热管1中心区域。所以在实施例中，正或逆时针方向设置的齿的高度为1.5mm，为了实现引导CO₂两相流，齿高不小于0.5mm，且为换热管内腔半径的八分之一至二分之一。

另一个实施例中，正螺旋线与换热管中心线形成一定的角度，该角度决定了CO₂两相流的引导方向，该角度的范围在15度到55度，在本实施例中设置的角度为30度；进一步的，正螺旋线的角度与反螺旋线的角度相同，而方向相反。这样可以有效的引导两相流均匀，且使CO₂有较小的流动阻力。

另一个实施例中，在正螺旋管段中有多条正螺旋线，这些螺旋线的间距相同，在本实施例中有2条螺旋线，为了达到较好的引导CO₂两相流的效果，可以设置2至8条螺旋线。同时，正螺旋线管段2的长度与反螺旋线管段3的长度相同，且交替排列，这样可以使整根换热管有较为均匀的气、液分布。也可以采用正螺旋线管段长度与反螺旋线管段的长度不同的情况，可以使得某种形式的转动得到强化，适应外部换热介质的不同需求。

本领域的技术人员知道，在换热管内侧的CO2工质换热得到强化的情况下，可以促进整个换热效率的提高，不管换热管外侧是采用气体工质或液体工质。即当换热管外为液体工质，如冷却水时，换热管的外壁面为光管，液态工质通过光管表面与CO₂换热。或者是当换热管外是气态工质，如空气时，换热管的外壁面设置有翅片，该翅片上有冲缝或者开窗，气态工质通过翅片与CO₂换热。

本发明还公开采用以上换热管的换热器，本领域的技术人员知道，利用上述的换热管可以制作管壳式换热器11，包括管箱和壳体12，该管箱内设置有如前面的实施例提到的换热管1，在管程流动的气液两相态CO₂工质与壳程流动的循环冷却水进行换热。进一步，一种新型高效正反螺旋线型CO₂换热器11，它包括管箱，壳体12和内部的换热管1，壳体12上面设有CO₂进口，CO₂出口，循环冷却水进口，循环冷却水出口，下部有两个活动鞍座，壳体内部装有换热管1，折流板。

在具体实施时，循环冷却水从循环冷却水入口进入壳体，在折流板的作用下提高循环冷却水的流速，迫使循环冷却水按规定路程多次横向通过管束，增强循环冷却水湍流程度，增大与管内流体的换热，循环冷却水在壳体内呈反复折流连续性流动，最后由循环冷却水出口排出。气液两相态CO₂从CO₂进口进入换热管1，在换热管1内正、反螺旋线的作用下呈气液均匀混合流动并从循环冷却水中吸收热量，从而提高CO₂的温度，最终从CO₂出口排出蒸发器。

或者，利用上述的换热管可以制作气-液换热器，包括气态工质流路，该气态工质流路与换热管1中的气液两相态CO2工质换热。该换热管1如前面的实施例提到的换热管。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种提高气液两相态CO₂工质在换热管内的换热效率的方法，其特征在于，使气液两相态CO₂工质在换热管内腔流动，所述的CO₂工质与换热管外的工质进行换热，其中，所述换热管具有如下结构：

所述的换热管内壁交替设置有正螺旋线管段和反螺旋线管段，该正螺旋线管段在换热管内壁上有顺时针方向设置的正螺旋线，该反螺旋线管段在换热管内壁上有逆时针方向设置的反螺旋线，从而将换热管中心区域的气、液两相核为中心的涡团分散到换热器的内壁面；

所述的正、反螺旋线的齿高不小于0.5mm，且为换热管内腔半径的八分之一至二分之一；

所述正螺旋线与换热管中心线形成15-55度的角度，反螺旋线与正螺旋线角度相同，方向相反。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的正螺旋线管段与反螺旋线管段的连接处，设置有弧形连接齿。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的正螺旋线管段范围内不存在反螺旋线；所述的反螺旋线管段范围内不存在正螺旋线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的正螺旋线管段的长度与反螺旋线管段的长度相同；或者正螺旋线管段长度与反螺旋线管段的长度不同。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述的换热管的外壁面为光管，液态工质通过光管表面与CO₂换热。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述的换热管的外壁面设置有翅片，该翅片上有冲缝或者开窗，气态工质通过翅片与CO₂换热。

7.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述换热管外的工质为液态工质或气态工质。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述液态工质为循环冷却水。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述气态工质为空气。