CN104501469B - 一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置 - Google Patents

Abstract

一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，水管入口与水泵的压出端相连，水管出口通过第一管路与太阳能集热器的入口连接，太阳能集热器的出口通过第二管路与水泵的吸入口相连，第一电磁阀设置在太阳能集热器的入口端处，第二电磁阀设置在太阳能集热器)的出口端处，第三电磁阀安装在第三管路上，第四电磁阀安装在第四管路上，相变微乳液出料管的出口端与不锈钢磁力泵的吸入端连接，多组相变微乳液外表面强化管束入口均与第五管路的一端连通，第五管路的另一端与不锈钢磁力泵的压出端连接，多组相变微乳液外表面强化管束出口均与第六管路的一端连通，第六管路的另一端与蓄能罐的相变微乳液进料管连接。本发明用于太阳能—空气能耦合热泵系统中。

Description

一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置

技术领域

本发明涉及一种用于蓄能热泵系统的蓄能换热装置，具体涉及一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置。

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。于是结合其他领域技术的空气源热泵集成系统成为了新的发展方向，多数的集成系统仍处于设想阶段，未能将不同种类的技术扬长避短，理性组合。现有的蓄能型热泵中，蓄能换热器多为套管式结构，其缺点是：1）、套管型蓄能器金属耗量大、占用空间大，却难以大型化；2）、套管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、热量双向利用的均衡性矛盾（蓄能器容量按蓄冷和蓄热要求设计差异大）；4）、套管型蓄能器单独供热的能效较难提高。

发明内容

本发明为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、冷/热量双向利用不均衡的问题，提供了一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置。

本发明的一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置包括降膜式蓄能蒸发器、不锈钢磁力泵、蓄能罐、水泵、太阳能集热器、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第五管路和第六管路，降膜式蓄能蒸发器由布液器、回油管、供液管、蒸发器壳体、两个中部分液器和多组相变微乳液外表面强化管束组成，布液器水平设置在蒸发器壳体内，供液管的一端与布液器连接，供液管的另一端通至蒸发器壳体外，两个中部分液器平行设置在布液器的下面，两个中部分液器之间左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束，上方中部分液器的上端面左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束，下方中部分液器的下端面左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束，中部分液器为分配板开孔结构，蒸发器壳体顶部设有蒸汽出口，蓄能罐由外保温层、蓄能罐壳体、底座、相变微乳液出料管、相变微乳液进料管、外层水管、中层水管、内层水管组成，外保温层包覆在蓄能罐壳体的外层，外保温层设置在底座上面，内层水管、中层水管和外层水管由内至外依次设置在蓄能罐壳体内，内层水管的内层水管入口和内层水管出口均位于蓄能罐壳体外面，中层水管的中层水管入口和中层水管出口均位于蓄能罐壳体外面，外层水管的外层水管入口和外层水管出口均位于蓄能罐壳体外面，相变微乳液出料管的一端与蓄能罐壳体内腔底部连通，相变微乳液进料管的一端与蓄能罐壳体内腔上部连通，内层水管入口、中层水管入口和外层水管入口均与水泵的压出端相连，内层水管出口、中层水管出口和外层水管出口均与第一管路相连，第一管路与太阳能集热器的入口连接，太阳能集热器的出口通过第二管路与水泵的吸入口相连，第三管路的一端与第一管路连接，第四管路的一端与第二管路连接，第一电磁阀设置在太阳能集热器的入口端处且安装在第一管路上，第二电磁阀设置在太阳能集热器的出口端处且安装在第二管路上，第三电磁阀安装在第三管路上，第四电磁阀安装在第四管路上，相变微乳液出料管的出口端与不锈钢磁力泵的吸入端连接，多组相变微乳液外表面强化管束入口均与第五管路的一端连通，第五管路的另一端与不锈钢磁力泵的压出端连接，多组相变微乳液外表面强化管束出口均与第六管路的一端连通，第六管路的另一端与蓄能罐的相变微乳液进料管连接，所述蓄能罐内的蓄能材料为有机相变微乳液。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明将蓄能罐与换热器（降膜式蓄能蒸发器）分离，降膜式蓄能蒸发器设计为下进上出、外表面强化管束左右布置、中部分液器，有效提高了降膜式蓄能蒸发器的传热效率；蓄能罐中采用外层水管、中层水管、内层水管分区的布管方式，保证了蓄/释能过程温度的均匀性；蓄能器与换热器分离，便于实现设备的模块化，解决了冷量、热量双向利用的均衡性矛盾。

二、本发明可以根据需要加载/卸载蓄能罐的数量，达到调整传热强度的目的，可以实现设备的大型化。

三、蓄能罐内的蓄能材料采用有机相变微乳液。这种材料在相同温度变化范围内的储能密度是水体系的2到5倍，安全无毒，应用温度范围内物理化学性质稳定，燃点/闪点高于应用温度范围，爆炸极限高；从而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。

四、本发明选用的不锈钢磁力泵解决了有机溶剂对密封胶垫溶解性侵蚀问题，避免了通常物料泵“跑、冒、滴、漏”的问题。

五、本发明可与空气源热泵机组集成，实现空气源热泵制冷、降膜蒸发式蓄冷、蓄能罐供冷、蓄能罐联合空气源热泵供冷、空气源热泵制热、太阳能蓄热、蓄能罐供热、太阳能辅助蓄能罐供热、蓄能罐联合空气源热泵供热等多种运行模式，可根据室外气象条件手动/自动组织阀门的开闭状态，用一套设备实现连贯、可靠的全年制冷/制热运行。

附图说明

图1 是本发明的整体结构示意图；

图2是降膜式蓄能蒸发器6的结构示意图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是中部分液器67的俯视图；

图5是蓄能罐8的结构示意图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7是具体实施方式十的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图6说明本实施方式，本实施方式包括降膜式蓄能蒸发器6、不锈钢磁力泵7、蓄能罐8、水泵9、太阳能集热器10、第一电磁阀E9、第二电磁阀E8、第三电磁阀E6、第四电磁阀E7、第一管路11、第二管路12、第三管路13、第四管路14、第五管路15和第六管路16，降膜式蓄能蒸发器6由布液器61、回油管63、供液管64、蒸发器壳体65、两个中部分液器67和多组相变微乳液外表面强化管束62组成，布液器61水平设置在蒸发器壳体65内，供液管64的一端与布液器61连接，供液管64的另一端通至蒸发器壳体65外，两个中部分液器67平行设置在布液器61的下面，两个中部分液器67之间左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束62，上方中部分液器67的上端面左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束62，下方中部分液器67的下端面左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束62，中部分液器67为分配板开孔671结构，蒸发器壳体65顶部设有蒸汽出口66，现有蒸发器内的强化管为回程式，强化管内的换热介质为水，因其优良的流动性，在回程式设计中可强化水的对流传热系数；本发明的相变微乳液外表面强化管束62为直通式，是考虑到相变微乳液材料是一种有机相变材料以微米级颗粒/液滴的形式均匀分散于水或者盐水混合溶液中的体系，回程式设计会增加材料与金属壁面不断撞击的机率，可能会造成微米级介质的破碎而导致失效；蓄能罐8由外保温层81、蓄能罐壳体82、底座83、相变微乳液出料管84、相变微乳液进料管85、外层水管86、中层水管87、内层水管88组成，外保温层81包覆在蓄能罐壳体82的外层，外保温层81设置在底座83上面，内层水管88、中层水管87和外层水管86由内至外依次设置在蓄能罐壳体82内，内层水管88的内层水管入口89和内层水管出口810均位于蓄能罐壳体82外面，中层水管87的中层水管入口811和中层水管出口812均位于蓄能罐壳体82外面，外层水管86的外层水管入口813和外层水管出口814均位于蓄能罐壳体82外面，相变微乳液出料管84的一端与蓄能罐壳体82内腔底部连通，相变微乳液进料管85的一端与蓄能罐壳体82内腔上部连通，内层水管入口89、中层水管入口811和外层水管入口813均与水泵9的压出端相连，内层水管出口810、中层水管出口812和外层水管出口814均与第一管路11相连，第一管路11与太阳能集热器10的入口连接，太阳能集热器10的出口通过第二管路12与水泵9的吸入口相连，第三管路13的一端与第一管路11连接，第四管路14的一端与第二管路12连接，第一电磁阀E9设置在太阳能集热器10的入口端处且安装在第一管路11上，第二电磁阀E8设置在太阳能集热器10的出口端处且安装在第二管路12上，第三电磁阀E6安装在第三管路13上，第四电磁阀E7安装在第四管路14上，相变微乳液出料管84的出口端与不锈钢磁力泵7的吸入端连接，多组相变微乳液外表面强化管束62入口均与第五管路15的一端连通，第五管路15的另一端与不锈钢磁力泵7的压出端连接，多组相变微乳液外表面强化管束62出口均与第六管路16的一端连通，第六管路16的另一端与蓄能罐8的相变微乳液进料管85连接，蓄能罐8内的蓄能材料为有机相变微乳液，这是一种有机相变材料以微米级颗粒/液滴的形式均匀分散于水或者盐水混合溶液中的体系，呈白色不透明乳液状；相变微乳液可以同时利用相变材料的潜热容量和水的显热容量，在相同温度变化范围内的储能密度是水体系的2～5倍；同时在相变过程中保持流动性，不需要额外的传热介质，其性能稳定、导热性能较好、蓄热密度较高。有机相变微乳液可采用杭州鲁尔能源科技有限公司销售的德国RUBITHERM原产PCS系列高效相变储能材料。

具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式的有机相变微乳液的相变温度范围为4℃～8℃。这个温度范围使得相变蓄能材料兼备蓄冷供冷、蓄热供热的双重功能，而该材料在常温下也为液态，可直接充注。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的有机相变微乳液的相变温度范围为6℃。这个温度使得相变蓄能材料兼备蓄冷供冷、蓄热供热的双重功能，而该材料在常温下也为液态，可直接充注。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的相变微乳液外表面强化管束62中相变微乳液外表面强化管的外表面做强化传热处理如外螺纹管，外表面绕翅片管，外表面套翅片管等形式，相变微乳液外表面强化管的内表面应光滑。相变微乳液外表面强化管的外表面做强化传热处理后，不断破坏管壁外的边界层，并对制冷剂两相流产生扰动作用，上游的尾流会强化下游的传热，制冷剂与相变微乳液之间的传热强度大幅提升；相变微乳液外表面强化管的内表面光滑使得相变微乳液在管内流动的压降大幅降低，保护了相变微乳液的微米级介质免于破碎而导致材料失效。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的相变微乳液外表面强化管的横截面为椭圆形状。实验证明相同水力直径的椭圆管较普通圆管的传热性能更好；其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式的内层水管88、中层水管87和外层水管86均为螺旋盘管，内层水管88的盘升高度为蓄能罐体内腔高度的1/5，中层水管87的盘升高度为蓄能罐体内腔高度的3/10～2/5，外层水管86的盘升高度为蓄能罐体内腔高度的4/5。所述内层水管88、中层水管87和外层水管86的盘升高度均从蓄能罐体内腔底部算起。常规的蓄能罐体中，内外层螺旋盘管的盘升高度相同，导致蓄能罐体中产生较为严重的温度分层，并且罐体愈高温度分层愈严重；本发明考虑到上述原因，将内、中、外水管的盘升高度独立设计，实验证实，改进后的蓄能罐内纵向温度分布的均方差由原来的8～14°C下降到2～3°C，蓄能罐体内的温度场更均匀，蓄能/供能更稳定；其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或五相同。

具体实施方式七：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式的外层水管86、中层水管87和内层水管88的内表面做强化传热处理（如内螺纹管，内扰流管等形式），外层水管86、中层水管87和内层水管88的外表面应光滑。水管的内表面做强化传热处理后，不断破坏水管内壁的边界层，有效提高了水与相变微乳液的对流换热强度；水管外表面光滑保护了与其接触的相变微乳液中微米级介质免于破碎而导致材料失效；其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的降膜式蓄能蒸发器6、水泵9、蓄能罐8和太阳能集热器10的外壁均贴有保温棉。如此设置有效降低了装置的冷/热损失；其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一管路11、第二管路12、第三管路13、第四管路14、第五管路15和第六管路16的外壁均贴有保温棉。如此设置有效降低了装置的冷/热损失；其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：结合图7说明本实施方式，本实施方式的蓄能罐8的数量为两个，两个蓄能罐8之间并联设置。如此设置，便于实现设备模块化，可精简设备尺寸，降低设备的复杂程度，降低配管、布管难度，有利于实现机组的大型化。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式十一：结合图7说明本实施方式，本实施方式的蓄能罐8的数量为多个，多个蓄能罐8之间并联设置。如此设置，便于实现设备模块化，可精简设备尺寸，降低设备的复杂程度，降低配管、布管难度，有利于实现机组的大型化。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

本发明的运行原理：

供液管64通过管路与供液管接口连接，蒸汽出口66通过管路与蒸汽出口连接，第四管路14的外端与用户侧集水器D连接，第三管路13的外端与用户侧分水器C连接；

⑴、降膜蒸发式蓄冷模式：关闭第四电磁阀E7、第三电磁阀E6、第二电磁阀E8和第一电磁阀E9，系统制冷剂自供液管接口流入，蒸汽出口流出；系统相变微乳液循环为：蓄能罐8→不锈钢磁力泵7→降膜式蓄能蒸发器6→蓄能罐8。利用夜间低价的电能和较低的冷凝环境温度，将“冷量”储存在蓄能罐内的相变微乳液中，以备次日供冷之用。

⑵、蓄能罐供冷模式或蓄能罐联合空气源热泵供冷模式：开启第三电磁阀E6和第四电磁阀E7，关闭第二电磁阀E8和第一电磁阀E9，系统水循环为：用户侧集水器D接口→第四电磁阀E7→水泵9→蓄能罐8→第三电磁阀E6→用户侧分水器C接口。利用储存在蓄能罐内的廉价“冷量”，在日间向用户供应冷冻水。

⑶、太阳能蓄热模式：压缩机停车，开启第二电磁阀E8和第一电磁阀E9，关闭第三电磁阀E6和第四电磁阀E7；水泵9运行；系统太阳能热水循环为：太阳能集热器10→第二电磁阀E8→水泵9→蓄能罐8→第一电磁阀E9→太阳能集热器10；太阳能热水的低位热能被部分储存在蓄能罐8的相变微乳液中以备供热之用。利用日间充足的太阳能，将低位热能储存在蓄能罐内的相变微乳液中，以备供热之用。

⑷、蓄能罐供热模式或蓄能罐联合空气源热泵供热模式：关闭第四电磁阀E7、第三电磁阀E6、第二电磁阀E8和第一电磁阀E9；系统制冷剂自供液管接口流入，蒸汽出口流出；系统相变微乳液循环为：蓄能罐8→不锈钢磁力泵7→降膜式蓄能蒸发器6→蓄能罐8。利用储存在蓄能罐中的低位热能，经压缩机提升后向用户供热；蓄能罐联合空气源热泵供热模式利用储存在蓄能罐中的低位热能，联合室外空气中的低品质热能，经压缩机提升后向用户供热。

⑸、太阳能辅助蓄能罐供热模式：开启第二电磁阀E8和第一电磁阀E9，关闭第三电磁阀E6和第四电磁阀E7，系统制冷剂自供液管接口流入，蒸汽出口流出；系统太阳能热水循环为：太阳能集热器10→电磁阀E8→水泵9→蓄能罐8→第一电磁阀E9→太阳能集热器10；系统相变微乳液循环为：蓄能罐8→不锈钢磁力泵7→降膜式蓄能蒸发器6→蓄能罐8；系统向用户供热的同时在蓄能罐8中储备低位热能备用。在日间太阳能充足时一边集热一边供热，强化了降膜式蓄能蒸发器及蓄能罐内的传热效率，提升了制热能效。

Claims (10)

1.一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置包括降膜式蓄能蒸发器（6）、不锈钢磁力泵（7）、蓄能罐（8）、水泵（9）、太阳能集热器（10）、第一电磁阀（E9）、第二电磁阀（E8）、第三电磁阀（E6）、第四电磁阀（E7）、第一管路（11）、第二管路（12）、第三管路（13）、第四管路（14）、第五管路（15）和第六管路（16），降膜式蓄能蒸发器（6）由布液器（61）、回油管（63）、供液管（64）、蒸发器壳体（65）、两个中部分液器（67）和多组相变微乳液外表面强化管束（62）组成，布液器（61）水平设置在蒸发器壳体（65）内，供液管（64）的一端与布液器（61）连接，供液管（64）的另一端通至蒸发器壳体（65）外，两个中部分液器（67）平行设置在布液器（61）的下面，两个中部分液器（67）之间左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束（62），上方中部分液器（67）的上端面左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束（62），下方中部分液器（67）的下端面左右各设置有一组相变微乳液外表面强化管束（62），中部分液器（67）为分配板开孔（671）结构，蒸发器壳体（65）顶部设有蒸汽出口（66），蓄能罐（8）由外保温层（81）、蓄能罐壳体（82）、底座（83）、相变微乳液出料管（84）、相变微乳液进料管（85）、外层水管（86）、中层水管（87）、内层水管（88）组成，外保温层（81）包覆在蓄能罐壳体（82）的外层，外保温层（81）设置在底座（83）上面，内层水管（88）、中层水管（87）和外层水管（86）由内至外依次设置在蓄能罐壳体（82）内，内层水管（88）的内层水管入口（89）和内层水管出口（810）均位于蓄能罐壳体（82）外面，中层水管（87）的中层水管入口（811）和中层水管出口（812）均位于蓄能罐壳体（82）外面，外层水管（86）的外层水管入口（813）和外层水管出口（814）均位于蓄能罐壳体（82）外面，相变微乳液出料管（84）的一端与蓄能罐壳体（82）内腔底部连通，相变微乳液进料管（85）的一端与蓄能罐壳体（82）内腔上部连通，内层水管入口（89）、中层水管入口（811）和外层水管入口（813）均与水泵（9）的压出端相连，内层水管出口（810）、中层水管出口（812）和外层水管出口（814）均与第一管路（11）相连，第一管路（11）与太阳能集热器（10）的入口连接，太阳能集热器（10）的出口通过第二管路（12）与水泵（9）的吸入口相连，第三管路（13）的一端与第一管路（11）连接，第四管路（14）的一端与第二管路（12）连接，第一电磁阀（E9）设置在太阳能集热器（10）的入口端处且安装在第一管路（11）上，第二电磁阀（E8）设置在太阳能集热器（10）的出口端处且安装在第二管路（12）上，第三电磁阀（E6）安装在第三管路（13）上，第四电磁阀（E7）安装在第四管路（14）上，相变微乳液出料管（84）的出口端与不锈钢磁力泵（7）的吸入端连接，多组相变微乳液外表面强化管束（62）入口均与第五管路（15）的一端连通，第五管路（15）的另一端与不锈钢磁力泵（7）的压出端连接，多组相变微乳液外表面强化管束（62）出口均与第六管路（16）的一端连通，第六管路（16）的另一端与蓄能罐（8）的相变微乳液进料管（85）连接，所述蓄能罐（8）内的蓄能材料为有机相变微乳液。

2.根据权利要求1所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述有机相变微乳液的相变温度范围为4℃～8℃。

3.根据权利要求2所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述有机相变微乳液的相变温度范围为6℃。

4.根据权利要求1或2所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述相变微乳液外表面强化管束（62）中相变微乳液外表面强化管的外表面做强化传热处理，相变微乳液外表面强化管的内表面应光滑。

5.根据权利要求4所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：单个所述相变微乳液外表面强化管的横截面为椭圆形状。

6.根据权利要求1、2或5所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述内层水管（88）、中层水管（87）和外层水管（86）均为螺旋盘管，内层水管（88）的盘升高度为蓄能罐体内腔高度的1/5，中层水管（87）的盘升高度为蓄能罐体内腔高度的3/10～2/5，外层水管（86）的盘升高度为蓄能罐体内腔高度的4/5。

7.根据权利要求6所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述外层水管（86）、中层水管（87）和内层水管（88）的内表面做强化传热处理，外层水管（86）、中层水管（87）和内层水管（88）的外表面应光滑。

8.根据权利要求7所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述降膜式蓄能蒸发器（6）、水泵（9）、蓄能罐（8）和太阳能集热器（10）的外壁均贴有保温棉。

9.根据权利要求7所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述第一管路（11）、第二管路（12）、第三管路（13）、第四管路（14）、第五管路（15）和第六管路（16）的外壁均贴有保温棉。

10.根据权利要求7所述一种流动相变蓄能的降膜蒸发式换热装置，其特征在于：所述蓄能罐（8）的数量为两个，两个蓄能罐（8）之间并联设置。