CN104457035A - 一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，它涉及一种低温蓄热换热器。本发明为了解决现有套管式蓄能型多源热泵集成系统在系统、设备、方法中存在的蓄能器体积大、换热效率较难提高、受蓄能材料性质约束、太阳能热利用存在矛盾、冷/热量双向利用不均衡以及运行策略有待优化的问题。本发明的换热本体的上部两侧和下部两侧分别安装有一个封头，每个封头内设有一个均流板，制冷剂出口管与换热本体的上部一侧的封头连接，制冷剂入口管与换热本体下部另一侧的封头连接，太阳能热水出口管与换热本体的上部另一侧的封头连接，太阳能热水入口管与换热本体下部一侧的封头连接，所述换热本体包括多组换热组件，多组换热组件依次安装。本发明用于低温蓄热换热。

Description

一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器

技术领域

本发明涉及一种低温蓄热换热器，具体涉及一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，属于热泵空调节能技术领域。

背景技术

目前，空气源热泵已在各个地区广泛应用，但在北方寒冷气候区存在制热效率低的问题，在室外相对湿度较大的地区还存在热泵循环室外换热器结霜的问题。虽然出现了大量结合不同领域技术的空气源热泵集成系统，然多数集成系统仍处于设想阶段，只将不同技术机械叠加，未能扬长避短，理性组合。集成太阳能、空气能和套管蓄能的多源热泵技术综合利用了多种节能措施，实现了一台机器的全年多模式运行。但其缺点也是明显的：1)套管型蓄能器金属耗量大、占用空间大；2)套管型结构深受蓄能材料热物理性质的影响，例如导热性能、热膨胀性等；3)冷量、热量双向利用的不均衡性(蓄能器容量按蓄冷和蓄热要求设计差异大)；4)太阳能直接/间接热利用的集热设备和面积差异大；5)套管型蓄能器单独供热的能效较难提高；6)套管型蓄能器联合空气源热泵供热的技术仍未成熟、制热效率不稳定等。

发明内容

本发明的目的是解决现有套管式蓄能型多源热泵集成系统在系统、设备和方法中存在的蓄能器体积大、换热效率较难提高、受蓄能材料性质约束、太阳能热利用存在矛盾、冷/热量双向利用不均衡以及运行策略有待优化的问题。进而提供一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器。

本发明的技术方案是：一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器包括换热本体、制冷剂出口管、制冷剂入口管、太阳能热水出口管、太阳能热水入口管、多个均流板和多个封头，换热本体的上部两侧和下部两侧分别安装有一个封头，每个封头内设有一个均流板，制冷剂出口管与换热本体的上部一侧的封头连接，制冷剂入口管与换热本体下部另一侧的封头连接，太阳能热水出口管与换热本体的上部另一侧的封头连接，太阳能热水入口管与换热本体下部一侧的封头连接，所述换热本体包括多组换热组件，多组换热组件依次安装，每组换热组件均包括换热通道、两个封条、两个蓄热箱和两组导流板，两个蓄热箱分别安装在换热通道的上下两端，两个封条分别安装在换热通道的左右两端，两组导流板分别安装在换热通道的前后两端，所述两个蓄热箱中的每个蓄热箱均包括两个导热板、四个密封板和多个交叉肋片，两个导热板上下设置，多个交叉肋片依次等距离固定排布在两个导热板之间，四个密封板围设在两个导热板的四周，蓄热箱内的两个导热板、四个密封板和多个交叉肋片之间的空间为相变材料填充空间。

所述封头与换热本体之间密封连接。

所述换热通道在使用时，能够作为制冷剂换热通道或太阳能热水换热通道，分别与导流板密封连接，所述封条与换热通道及蓄热箱密封连接。

所述换热本体中的换热通道排布为：外侧布置太阳能热水通道，内侧布置制冷剂通道，冷段总通道数较热段总通道数少1。

所述蓄热箱内的蓄热材料为有机定形相变蓄热粉末，这是一种以无机材料作为支撑形成微孔并吸附石蜡的定形蓄热粉末，该材料的优点是相变过程无体积变化、无表观形态变化、性能稳定、导热性能较好、蓄热密度较高。

所述换热通道的结构为交错通道，换热通道的方波波段宽度与高度相等。

所述太阳能热水与制冷剂流动方向一致。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明的蓄能换热器的结构更合理。现有的蓄能型热泵中，蓄能换热器为套管式结构，其缺点是金属耗材大、占用空间大、换热效率较难提升。本发明的低温蓄热箱采用紧凑的箱翅式结构，最大程度地节省了金属耗量及占用空间；换热本体中的错排通道、打孔导流板、均流孔板、网状交叉肋片等细节设计有效提升了换热效率；制冷剂与太阳能热水同向流动的设计既保证了较高的换热效率，也保证了传热的稳定性；太阳能热水通道于外侧布置，制冷剂通道于内侧布置，冷热段通道总数的均衡设计最大程度地降低了蓄热箱内的应力均方差。

本发明明确了蓄能材料的选择原则。本发明选用的有机定形相变蓄热粉末，是一种以无机材料作为支撑形成微孔并吸附石蜡的定形蓄热粉末，其优点是相变过程无体积变化、无表观形态变化、性能稳定、导热性能较好、蓄热密度较高。解决了无机蓄能材料的腐蚀性、易分层、不稳定等问题，也解决了有机固/液相变材料相变容积变化率大、密封难的问题。

附图说明

图1为本发明紧凑型箱翅式低温蓄热换热器的主视图；图2是图1的侧视图；图3是图1的俯视图；图4为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中蓄热本体的结构示意图；图5为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中蓄热箱的结构示意图；图6为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中蓄热箱的展开图；图7是蓄热箱的侧视图；图8为蓄热箱中交叉肋片的主视图；图9是图8的侧视图；图10是图8的俯视图；图11为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中换热通道的结构示意图；图12为图11的主视图；图13为图11的侧视图；图14为图11的俯视图；图15为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中换热通道与导流板的平面图；图16为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中导流板的主视图；图17为图16的侧视图；图18为图16的俯视图；图19为紧凑型箱翅式低温蓄热换热器中封头的主视图；图20是图19的侧视图；图21的图19的俯视图；图22为封头中均流板的主视图；图23为图22的侧视图；图24为图22的俯视图；图25为本发明的整体结构外部示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图25说明本实施方式，本实施方式的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器包括换热本体5、制冷剂出口管2、制冷剂入口管6、太阳能热水出口管3、太阳能热水入口管7、多个均流板4和多个封头1，换热本体5的上部两侧和下部两侧分别安装有一个封头1，每个封头1内设有一个均流板4，制冷剂出口管2与换热本体5的上部一侧的封头1连接，制冷剂入口管6与换热本体5下部另一侧的封头1连接，太阳能热水出口管3与换热本体5的上部另一侧的封头1连接，太阳能热水入口管7与换热本体5下部一侧的封头1连接，所述换热本体5包括多组换热组件，多组换热组件依次安装，每组换热组件均包括换热通道5-1、两个封条5-2、两个蓄热箱5-3和两组导流板5-4，两个蓄热箱5-3分别安装在换热通道5-1的上下两端，两个封条5-2分别安装在换热通道5-1的左右两端，两组导流板5-4分别安装在换热通道5-1的前后两端，所述两个蓄热箱5-3中的每个蓄热箱5-3均包括两个导热板5-3-1、四个密封板5-3-2和多个交叉肋片5-3-3，两个导热板5-3-1上下设置，多个交叉肋片5-3-3依次等距离固定排布在两个导热板5-3-1之间，四个密封板5-3-2围设在两个导热板5-3-1的四周，蓄热箱5-3内的两个导热板5-3-1、四个密封板5-3-2和多个交叉肋片5-3-3之间的空间为相变材料填充空间。

本实施方式的紧凑式低温蓄热器由硬铝制成，外贴保温棉，所述换热本体5中的换热通道5-1排布为：外侧布置太阳能热水通道，内侧布置制冷剂通道，冷热段通道交替布置；所述蓄热箱5-3内的蓄热材料为有机定形相变蓄热粉末，该材料在相变过程无体积变化、无表观形态变化、性能稳定、导热性能较好、蓄热密度较高；同一蓄热箱5中的2块导热板5-3-1应对正布置，且交叉肋片5-3-3向内等距交叉排布；所述换热通道5-1的结构为交错方波通道，换热通道5-1的方波波段宽度与高度相等。

本实施例，低温相变材料的使用降低了太阳能集热器的出水温度要求(太阳能热水温度可在25～35℃)，即使太阳能热水温度不高，相变材料亦能释放可观的相变潜热。按太阳能热水温度为25℃设计，相变材料的相变温度范围宜在10～15℃。

结合图1至图3说明，紧凑型箱翅式低温蓄热换热器的工作方式为：1)太阳能蓄热模式：压缩机停车；太阳能热水循环泵运行；太阳能热水的热能被储存在紧凑式低温蓄热器中备用。2)蓄热器供热模式：所述紧凑型箱翅式低温蓄热换热器作为热泵系统中的蒸发器，储存在蓄热箱5中的低位热能被压缩机提升后供给用户。3)太阳能辅助蓄热器供热模式：所述紧凑型箱翅式低温蓄热换热器作为热泵系统中的蒸发器，储存在蓄热箱5中的低位热能被压缩机提升后供给用户；同时太阳能热水循环泵运行，系统向用户供热的同时在紧凑式低温蓄热器5储存低位热能备用，此时的蓄热箱作为制冷剂与太阳能热水之间的换热缓冲区。4)蓄热器除霜模式：所述紧凑型箱翅式低温蓄热换热器5作为热泵系统中的蒸发器，利用储存在紧凑式低温蓄热器5中的低位热能除霜。

本实施例，蓄热材料应为以无机材料作为支撑形成微孔并吸附有机相变材料的定形蓄热粉末，其相变过程应无体积变化、无表观形态变化、性能稳定、导热性能较好、蓄热密度较高；推荐采用杭州鲁尔能源科技有限公司销售的德国RUBITHERM原产PX系列高效相变储能材料，相变温度范围宜为10～15℃；该系列材料形态稳定，常温下也为粉末状，可直接填充。

具体实施方式二：结合图5、图6、图7、图8、图9和图10说明本实施方式，本实施方式的交叉肋片5-3-3的高度为密封板5-3-2高度的90％-96％。如此设置，当导热版5-3-1上不设交叉肋片时，蓄热箱5-3的综合导热系数只相当于此时的20％～30％；当交叉肋片5-3-3的高度为密封板5-3-2高度的50％时，蓄热箱5-3的综合导热系数相当于此时的40％～60％；并且随着交叉肋片5-3-3高度的增加，蓄热箱5-3的综合导热系数呈现上升趋势，当交叉肋片5-3-3高度为密封板5-3-2高度的96％以上时，蓄热箱5-3的综合导热系数随交叉肋片5-3-3高度增加的效果不再明显。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图19、图20、图21、图22、图23和图24说明本实施方式，本实施方式的均流板4的高度为封头1高度的一半。如此设置，与无均流板封头相比，物流分配不均匀系数由原始封头的1.21左右下降至0.20左右。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图11、图12、图13、图14和图15说明本实施方式，本实施方式的换热通道5-1为方波换热通道或交错方波换热通道5-1-1。如此设置，在换热通道5-1内，制冷剂呈两相流动，由于纵向和横向物流分配不均匀，传统的直通型流动通道内物流分配不均匀的情况最严重：有的过热“蒸干”，有的满液流出；一方面，在流动过程中，交错方波通道结构允许物流随时进行均衡，确保换热均匀，避免液相在通道内的喘振；另一方面，翅片的连续交错不断地被破坏边界层，两相流在上游产生的尾涡对下游翅片的传热起了激励作用，热流密度可增加50％以上。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三相同。

具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式的多个交叉肋片5-3-3包括网状肋5-3-3-1和肋基5-3-3-2，网状肋5-3-3-1固定安装在肋基5-3-3-2的上端，肋基5-3-3-2的高度占交叉肋片5-3-3高度的1/8～1/10。如此设置，网状肋的结构在节省肋面空间的前提下最大限度地增加了有效传热面积，依据传热学与拓扑学原理，在上述肋基比例下，与传统直肋相比，传热面积有效增加60％以上，加强了蓄热材料与导热板5-3-1之间的传热热流。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图15、图16、图17和图18说明本实施方式，本实施方式的导流板5-4上开有多个导流圆孔5-4-1，导流圆孔5-4-1直径为导流板5-4高度的1/2～5/8，导流板5-4的导流角度为30°～60°，以45°为最优。如此设置，目前在工业设计中普遍使用的导流角度为90°，物流横向分配极不均匀，当选用45°的导流角时，进入换热通道5-1内的最大流速与最小流速之比从2.2以上下降至1.2～1.3；当导流角度在30°～60°之间时，不会引起两相流阻力特性的明显改变。另一方面，导流板5-4开孔率愈高，分配效果愈好。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图22、图23和图24说明本实施方式，本实施方式的均流板4上开设多个均流孔4-1。如此设置，图示的均流板开孔方式为等直径交错开孔，相比多孔径的疏密排布设计更具通用性，在物流分配效果上，与无均流板封头相比，物流分配不均匀系数降低了一个数量级，与错排多孔径疏密排布型均流板封头相比，物流分配不均匀系数下降了50％，压力损失降低了4％。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图4、和图5说明本实施方式，本实施方式的蓄热箱5-3内的两个导热板5-3-1、四个密封板5-3-2和多个交叉肋片5-3-3之间的相变材料填充空间填充有机定形相变蓄热粉末。如此设置，多个交叉肋片5-3-3的存在，增大了定形蓄热粉末与导热板5-3-1之间的传热面积，保证换热均匀；定形蓄热粉末的应用避免了加设膨胀容器的麻烦，也解决了有机蓄热材料与密封橡胶相溶的问题；箱式空间的设计有效减少了套管式蓄能换热器的占地空间。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，它包括换热本体(5)、制冷剂出口管(2)、制冷剂入口管(6)、太阳能热水出口管(3)、太阳能热水入口管(7)、多个均流板(4)和多个封头(1)，换热本体(5)的上部两侧和下部两侧分别安装有一个封头(1)，每个封头(1)内设有一个均流板(4)，制冷剂出口管(2)与换热本体(5)的上部一侧的封头(1)连接，制冷剂入口管(6)与换热本体(5)下部另一侧的封头(1)连接，太阳能热水出口管(3)与换热本体(5)的上部另一侧的封头(1)连接，太阳能热水入口管(7)与换热本体(5)下部一侧的封头(1)连接，其特征在于：所述换热本体(5)包括多组换热组件，多组换热组件依次安装，每组换热组件均包括换热通道(5-1)、两个封条(5-2)、两个蓄热箱(5-3)和两组导流板(5-4)，两个蓄热箱(5-3)分别安装在换热通道(5-1)的上下两端，两个封条(5-2)分别安装在换热通道(5-1)的左右两端，两组导流板(5-4)分别安装在换热通道(5-1)的前后两端，所述两个蓄热箱(5-3)中的每个蓄热箱(5-3)均包括两个导热板(5-3-1)、四个密封板(5-3-2)和多个交叉肋片(5-3-3)，两个导热板(5-3-1)上下设置，多个交叉肋片(5-3-3)依次等距离固定排布在两个导热板(5-3-1)之间，四个密封板(5-3-2)围设在两个导热板(5-3-1)的四周，蓄热箱(5-3)内的两个导热板(5-3-1)、四个密封板(5-3-2)和多个交叉肋片(5-3-3)之间的空间为相变材料填充空间。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：所述交叉肋片(5-3-3)的高度为密封板(5-3-2)高度的90％-96％。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：所述均流板(4)的高度为封头(1)高度的一半。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：所述换热通道(5-1)为方波换热通道。

5.根据权利要求1或4所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：所述换热通道(5-1)为交错方波换热通道(5-1-1)。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：多个交叉肋片(5-3-3)包括网状肋(5-3-3-1)和肋基(5-3-3-2)，网状肋(5-3-3-1)固定安装在肋基(5-3-3-2)的上端，肋基(5-3-3-2)的高度占交叉肋片(5-3-3)高度的1/8～1/10。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：导流板(5-4)上开有多个导流圆孔(5-4-1)，导流圆孔(5-4-1)直径为导流板(5-4)高度的1/2～5/8，导流板(5-4)的导流角度为30°～60°。

8.根据权利要求1或3所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：均流板(4)上开设多个等直径均流孔(4-1)。

9.根据权利要求1所述的一种紧凑型箱翅式低温蓄热换热器，其特征在于：蓄热箱(5-3)内的两个导热板(5-3-1)、四个密封板(5-3-2)和多个交叉肋片(5-3-3)之间的相变材料填充空间填充有机定形相变蓄热粉末。