CN104154795B - 换热管及使用该换热管的换热器 - 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，其特征在于：所述的换热管内有正扰流子，该正扰流子包括首固定部和扰流部，首固定部固定在管内壁，扰流部在管内往复扰动；所述的换热管内还有反扰流子，该反扰流子包括用于限定其位置的首固定部和在管内往复扰动扰流部，其扰动方向与正扰流子的扰动方向相反。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

换热管及使用该换热管的换热器

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、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。

为了实现上述目标，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，所述的换热管内有正扰流子，该正扰流子包括固定部和扰流部，固定部固定在管内壁，扰流部在管内往复扰动；所述的换热管内还有反扰流子，反扰流子包括用于限定其位置的固定部和在管内往复扰动扰流部，所述反扰流子的扰动方向与正扰流子的扰动方向相反。

所述的正扰流子与反扰流子是反复交替排列在管内。

所述的反扰流子的固定部连接在正扰流子的自由端。

所述的正扰流子所在的管段内没有设置反扰流子；所述的反扰流子所在的管段内没有设置正扰流子。所述的正扰流子和反扰流子都与换热管管壁接触。

所述的正扰流子和反扰流子都包括首固定部和尾固定部，且所述正扰流子和反扰流子的扰流部在大概相同的管段内。

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。

本发明还提供一种换热器，包括管箱和壳体，所述的壳体内设置有如前面所述的换热管，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。

另一方面，本发明还提供一种换热器，包括气态工质流路和换热管组；所述的换热管组包括如前所述的换热管，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扰流子和反扰流子，可以破坏临界状态附近CO₂的稳定的螺旋形流动，特别是在管内交替设置正扰流子和反扰流子，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；当沿着正扰流子扰动方向扰动的工质形成气、液两相核为中心的涡团时，又会受到反扰流子的反向扰动，使气、液两相核分散到管的外周，从而提高了换热效果。

附图说明

图1本发明一种设置有反扰流子的换热管局部正面剖示意图；

图2为本发明一种设置有正扰流子的换热管局部正面剖示意图；

图3为本发明一种实施例的换热管局部正面剖示意图；

图4为本发明另一种实施例的换热管局部正面剖示意图；

图5本发明中气液两相CO₂在光管及正或/和反扰流子段内流动状态示意图；

图6本发明一种实施例的采用正、反扰流子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1-6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。关于扰流子的正反的定义，正、反扰流子区别在于沿CO₂工质的流动方向看过去，扰流子的扰流部是沿顺时针方向旋转还是逆时针旋转，当沿顺时针方向旋转被定义为正扰流子时，沿逆时针方向旋转则为反扰流子。一般的，本领域技术人员会通过在扰流子上设置一个或多个反向结来控制得到与原始转动方向相反或者相反的扰流子，即当设置有一个反向结的扰流子被定义为正扰流子时，则原始的扰流子因为与该正扰流子的转向相反，就成为反扰流子。反之亦然。在本文中，没有设置反向结的原始扰流子为正扰流子，扰流部的旋转方向为顺时针方向，图中用实线表示；设置一个反向结的原始扰流子为反扰流子，扰流部的旋转方向为逆时针方向，图中用虚线表示。

如图1所示，为一种设置有反扰流子的换热管局部正面剖示意图，其中1为换热管，2为扰流部，3为反向结，4为首固定部，6为管内壁，5为尾固定部，在本图中和后面的图里，CO₂工质的流动方向都是从图的左侧流向图的右侧，首固定部4以及扰流部2、反向结3和尾固定部5共同组成了反扰流子（用虚线表示）。设置在管内壁6上的首固定部4与尾固定部5把反扰流子的两端固定，在CO₂工质的流动时，对其形成逆时针方向的周期性扰动，形成逆时针旋转的流动分量，并能够减小流动阻力。如图2所示，为另一种设置有正扰流子的换热管局部正面剖示意图，与图1的主要区别在于，图中为没有设置反向结的正扰流子，其扰流部2的末端为自由端7，自由端7可以随着CO₂工质的流动往复活动。在CO₂工质的流动时，对其形成顺时针方向的周期性扰动，形成顺时针旋转的流动分量。不管是顺时针的扰动还是逆时针的扰动都会破坏临界状态附近气液两相态的CO₂工质自有的特殊性在管内形成稳定的螺旋流动，从而增强CO₂工质气液两相的均匀性。

如图3所示，本发明公开了一种使用CO₂工质的换热管，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，换热管内有正扰流子，该正扰流子包括首固定部4和扰流部2，首固定部4固定在管内壁6，扰流部2在管内往复扰动；换热管内还有反扰流子，反扰流子包括用于限定其位置的首固定部4和在管内往复扰动扰流部2，其扰动方向与正扰流子的扰动方向相反。当CO₂工质在管内流动，正扰流子的驱动力会使管内的CO₂工质按照顺时针方向旋转前进；则CO₂工质在设置正扰流子的管段，由于受到正向扰动，就会打破原来的流动旋转方向，而形成正向旋转前进的流动。通过气液两相态的CO₂工质在管内进行正向和/或反向的引导，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扰流子的管段和反扰流子的管段就可以打破气液两相态CO₂原有稳定的螺旋流动，形成由扰流子的性质确定的流动形式，从而提高换热效果。

如图5所示，图中的点代表气态CO₂，图中的小圈代表液态CO₂，CO₂在换热管内沿从左侧到右侧的方向流动，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。图中右侧为设置有正或/和反扰流子的区域10，在该区域内，经过正或/和反扰流子的驱动引导后，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、反扰流子的引导，形成气态CO_2、液态CO₂的比较均匀的状态，提高了换热管内侧的换热效率。在本发明的一种实施例中，正扰流子与反扰流子是反复交替设置在管内。即CO₂工质在经过正扰流子的扰动后，会紧接着受到反扰流子的扰动，这样CO₂工质受到频繁的正\反向的交替扰动，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。本领域的技术人员可以了解，正扰流子与反扰流子可以是等间距交替排列在管内，也可以是非等间距交替排列在管内，可以根据换热管加工制造的实际情况选择设置。

在本发明的一种实施例中，图3所示，设置正扰流子的管段范围内不存在反扰流子，同时，在设置反扰流子的管段范围内不存在正扰流子，即两者不同时存在于某一管段，为了对设置正扰流子的管段的CO₂引导成正向流动，在正扰流子的管段内都是正扰流子，这样可以提高对CO₂引导效率，不会造成正扰流子的管段内的反向扰流，在设置反扰流子的管段交界处形成强烈的混合。反之亦然。

在本发明的一种实施例中，正扰流子和/或反扰流子的扰流部2都与换热管内壁面6接触，这样一方面可以破坏管内壁面形成的层流，另一方面接触会带来扰流部与管内壁面的传热，由于扰流部与CO₂工质之间有较大的相对速度，两者之间产生换热会提高整体的换热效率。

在本发明的一种实施例中，如图3所示，正扰流子的末端为自由端7，即该端可以自由的在管内运动，其受到CO₂工质流动的影响，以及扰流部的弹性，沿轴向方向往复运动，同时受到扰流部的扰动做螺旋运动。采用自由端7的扰流子可以增大对CO₂工质的扰动。还有一反扰流子的首固定部4连接在正扰流子的自由端7，这样，反扰流子的首固定部4相对于正扰流子的自由端7实现了固定，而且，自由端7是可以活动的，从而使得整条反扰流子产生相应的运动，可以提高正扰流子和反扰流子的扰动的强度。同时，正、反扰流子驱动CO₂工质转动的方向不同，这样的连接形式，使得正反向扰动的交界面也在变化，从而增强了CO₂工质内部的混合和搅拌，提高换热管的换热效率。

在本发明的一种实施例中，在本实施例中，反向扰流子的末端设置有第二固定部，固定在换热管内壁，采用这种形式，可以在保证反向扰动的情况下，减小CO₂工质的流动阻力，在本实施例中采用这种形式的组合得到换热和流阻更加平衡的换热管，本领域的技术人员也可以由此知道，在同一换热管内，设置有末端为自由端和末端为固定端的正/反扰流子，可以获得换热和流阻更加平衡的换热管。

在本发明的另一种实施例中，如图4所示，正扰流子和反扰流子首固定部4设置在大概相同的位置，如可以是同一截面，尾固定部5也在大概相同的位置，如可以是同一截面，两截面之间既包括正扰流子的扰流部2，也包括反扰流子的扰流部2。即正扰流子和反扰流子都包括首固定部和尾固定部，且正扰流子和反扰流子的扰流部在大概相同的管段内。这样设置的目的在于，当CO₂工质同时受到两个方向的扰流子的驱动，更加没有确定的方向性，更加不易形成稳定的螺旋流动，形成更加均匀的气液两相CO₂工质流动，同时由于都采用的尾固定部5对扰流部2的末端进行固定，其流动阻力增加并不明显。为了实现上述技术效果，未必正反扰流子的首固定部4需要严格在一个截面内，尾固定部也未必在同一个截面内，只要正反扰流子的扰流子的主体部分重叠，实现在主体管段实现较好的换热效果即可，即做到正扰流子和反扰流子的扰流部在大概相同的管段内。

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，公开一种CO₂换热器11，它包括管箱，壳体12和内部的上述换热管，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，壳体内部装有上述换热管，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进口进入上述换热管，在上述换热管内正、反扰流子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，该气态工质流路与上述换热管中的气液两相态CO₂工质换热。

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 (8)

1.一种换热管，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，其特征在于：所述的换热管内有正扰流子，该正扰流子包括首固定部和扰流部，首固定部固定在管内壁，扰流部在管内往复扰动；所述的换热管内还有反扰流子，该反扰流子包括用于限定其位置的首固定部和在管内往复扰动扰流部，其扰动方向与正扰流子的扰动方向相反，其中所述的正扰流子和反扰流子都与换热管管壁接触，所述的正扰流子与反扰流子反复交替排列在管内。

2.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述的反扰流子的首固定部连接在正扰流子的自由端。

3.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述的正扰流子所在的管段内没有设置反扰流子；所述的反扰流子所在的管段内没有设置正扰流子。

4.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述的正扰流子和反扰流子都包括首固定部和尾固定部，且所述正扰流子和反扰流子的扰流部的扰流子的主体部分在管段内重叠。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的换热管，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中任一项所述的换热管，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。

7.一种换热器，包括管箱和壳体，其特征在于：所述的壳体内设置有如权利要求1至5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。

8.一种换热器，包括气态工质流路和换热管组；其特征在于：所述的换热管组包括权利要求6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。