CN104913674B - 一种恒温差热管式气‑液逆流换热装置 - Google Patents
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Abstract
一种恒温差热管式气‑液逆流换热装置，涉及能源技术领域中的换热器。该装置含有包括风扇、壳体、多排水平换热管和多根竖直热管；每一排水平换热管由外管和内管嵌套而成；每排外管的两端密封，每排内管通过蛇形弯头串联，其中通有液体；每根竖直热管一端密封，另一端与内外管间的制冷剂腔体相通，形成制冷剂流道；每根竖直热管外套有翅片。本发明解决了传统气‑液换热器中由于肋片效率低下导致换热效率降低的问题，同时保证了流体和制冷剂间恒定的换热温差，并且在气体和液体换热的总流程上实现了逆流换热，具有换热效果好，加工方便，运行安全性和可靠性高的优势，适用于机房过渡季节的自然冷却及余热回收领域，也可用于气体间的远距离换热。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域中的换热器，可实现多种液体和气体整体流程上的高效逆流换热，也可用于气体间的远距离换热。
背景技术
暖通空调的很多领域需要气液换热。由于气体侧的换热系数较小，为了增强换热效果，现有技术的气-液换热装置常通过设置肋片来增大气体侧的换热面积。但由于肋片在肋高方向存在着温度变化，所以肋效率通常较低，换热性能不佳。同时，现有的气-液换热装置，如表冷器、散热片等不仅耗材多，热交换效率不高，而且在机房、基站等安全要求比较高的场合，载冷剂(一般为水)的泄露将给室内的设备带来巨大安全隐患。
因此，近年来利用相变传热的热管换热器以其换热效率高、耗材少、安全性高等优势在机房自然冷却、热回收等领域得到了广泛的应用。但是在应用中发现目前普遍采用的由铜管构成的热管换热器依然无法摆脱体积大、重量重、运输搬运不便的缺陷；而且由于传统的热管换热器在换热过程中制冷剂温度保持不变，因此流体侧和制冷剂侧的换热温差在不断缩小，依然存在着气体或者液体的能源利用不充分，换热效果差的缺点。另一方面，传统的热管换热器大多为内部一体结构，即内部制冷剂相互连通，整体充灌，任何一点的制冷剂泄漏都会导致整个换热器失效，运行可靠性差。
中国专利文献(CN102012175A)提出了一种新型气液换热装置的技术方案，该装置包括主换热板及若干辅助换热肋片。该专利通过借助多个辅助换热肋片，有效的增大了换热面积，但是，该装置并没有解决传统气-液换热器中气体侧肋片效率低下，导致不能有效的增大气体侧和液体侧间的换热面积比，增强换热效果的问题。
中国专利文献(201420122456.0)提出了一种微阵列热管气-液换热装置的技术方案，即将微阵列平板热管单板组装成气-液换热器，保证了流体和制冷剂在换热过程中的恒定温差，同时，该方案融合了传统气-液换热装置和微阵列平板热管的技术优势，构成了一种可双向传热的高效气-液换热装置。但是，尽管该专利解决了传统气-液换热器肋片效率低下的问题，该方案在实际加工中却存在着液体侧结构复杂，加工难度大，低温焊接存在困难的情况。
因此开发一种肋片效率高，同时能保证流体和制冷剂间恒定的换热温差，结构简单，易于加工的恒温差热管式逆流气-液换热装置是本专利要解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提出一种恒温差热管式气-液逆流换热装置，解决传统气-液换热器中由于肋片效率低下导致换热效率降低的问题，同时保证流体和制冷剂间恒定的换热温差，并且在气体和液体换热的总流程上实现逆流换热，同时该装置还应该具有结构简单，易于加工的特点。
为了达到上述发明的目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种恒温差热管式气-液逆流换热装置，该装置包括风扇、壳体、多排水平换热管，其特征在于：每一排水平换热管由外管和内管嵌套组成，每一排的外管两端密封，外管和内管之间构成制冷剂腔体，每一排的内管通过蛇形弯头串联在一起形成液体流道，液体流道的两端分别为液体入口和液体出口；在每一排水平换热管的外管壁上，设置有多根竖直热管，在沿气体总流向的方向上形成多排竖直热管；每根竖直热管一端封闭，另一端与制冷剂腔体相通，形成制冷剂流道；所述的风扇设置在气体流道的入口或出口；液体总流向和气体总流向相反。
本发明的上述技术方案中，其特征是：所述的换热管中含有一根或多根内管。
本发明的另一技术特征是：所述的内管的内管壁设有螺旋状波纹。
本发明的特征在于：竖直热管通过弯头成对连接在一起。
本发明的技术特征还在于：所述的竖直热管在外管外气体总流向上呈叉排布置。
本发明还有以下技术特征：所述的竖直热管的外壁设置有翅片，翅片为平片、波纹片或花边片。
本发明所述液体流道内流动的换热液体为水、溶液、醇类或气液相变介质；所述气体流道内流动的换热气体为空气、蒸气或高温烟气。
本发明还提供了一种基于恒温差热管式气-液逆流换热装置构成的气-气换热装置，其特征在于：在低温气体侧和高温气体侧分别设置有一个或多个恒温差热管式气-液逆流换热装置，多个恒温差热管式气-液逆流换热装置间采用串联或并联连接；位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体出口与位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体进口通过液体管路连接；位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体进口与位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体出口通过液体管路连接；液体管路上设有载冷剂泵。
采用上述技术方案后，具有如下显著的技术特点：①本装置避免了传统的气-液换热装置直接在风侧管道上加装肋片而导致肋片效率低下的做法，巧妙的利用了热管具有良好均温性的特点，提高了整个风侧的肋化系数和肋片效率，从而增大了气体侧和液体侧的换热面积比，更好的实现了气体侧和液体侧间的热容匹配，有效的增强了换热效果；②由于每一排制冷剂独立充灌，因此有效的保证了每一排流体和制冷剂间的换热温差，避免了由于制冷剂恒温导致的沿程换热温差不断下降而引起换热效果变差的问题；③该装置结构简单，易于加工和安装；④每一排制冷剂互为备用，任何一排的制冷剂发生泄漏，其它排的制冷剂依然可以正常工作，提高了整个装置的运行可靠性。
值得一提的是，由于以上显著的优势，使得本发明所公开的“一种恒温差热管式气-液逆流换热装置”特别适用于数据机房、信息基站等全年需要降温，且安全性要求较高的场合。一方面，由于本装置的换热效率较高，因此可以有效利用过渡季节的室外自然冷量给室内降温，有效降低基站等地的全年负荷；另一方面，由于本装置的运行可靠性非常高，因此，可以有效的降低运行中事故的概率，保证基站等地全年顺利运行。
综上所述，本发明提出的恒温差热管式气-液逆流换热装置是一种高效、安全、可靠的气-液换热装置，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置换热结构的立体示意图。
图2为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置换热结构的主视图。
图3为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置换热结构的俯视图(未加肋片)。
图4为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置换热结构的左视图。
图5为本发明所述的水平换热管的立体示意图。
图6为本发明所述的竖直热管成对连接后的换热结构的立体示意图。
图7为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置的整体结构示意图。
图8为本发明提供的气-气换热装置的系统示意图。
图中：1－风扇；2－壳体；3－水平换热管；4-竖直热管；5-外管；6－内管；7－制冷剂腔体；8-蛇形弯头；9-液体入口；10-液体出口；13-液体总流向；14-气体总流向；15-翅片；16-位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置；17-位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置；18-液体管路；19-载冷剂泵；20-弯头。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理、结构和具体实施方式做进一步说明。
图1为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置换热结构的立体示意图。所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置的换热结构包括多排水平换热管3；每排水平换热管由外管5和内管6嵌套组成，外管和内管之间构成制冷剂腔体7，每一排外管的两端密封，每一排的内管通过蛇形弯头8串联在一起，液体流道的两端分别为液体入口9和液体出口10；在每一排外管的外管壁上，设置有多根竖直热管4，在沿气体总流向的方向上形成多排竖直热管；每根竖直热管一端封闭，另一端与制冷剂腔体相通，形成制冷剂流道；为了提高风侧的换热能力，多排竖直热管在气体总流向的方向上呈叉排布置。当内管内通有热的液体时，制冷剂腔体中的液态制冷剂吸热变成气态，蒸发进入竖直热管，液体温度降低；温度较低的气体与冷凝放热的制冷剂换热，气体温度升高，冷凝后的液态制冷剂依靠重力流回制冷剂腔体，从而实现气-液的换热；当内管内通有冷的流体时，将装置倒置：竖直热管内的液态制冷剂吸热变成气态，蒸发进入制冷剂腔体，温度较高的气体温度降低；温度较低的液体与冷凝放热的制冷剂换热，液体温度升高，冷凝后的液态制冷剂依靠重力流回竖直热管，从而实现气-液的换热。
图2～图4为本发明中所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置内部换热结构三个方向的视图，为了使结构更清晰，三个视图均未表现出肋片和管道的厚度。
图2为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置内部换热结构的主视图。主视图中，每排水平换热管由外管5和内管6嵌套组成，外管和内管之间构成制冷剂腔体7；在每一排外管的外管壁上，设置有多根竖直热管4，每根竖直热管的内部与制冷剂腔体相通，形成制冷剂流道；竖直热管的外壁设置有翅片15，翅片的形式为平片、波纹片或花边片。
图3为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置内部换热结构的俯视图。俯视图中，每一排外管的两端密封，每一排的内管通过蛇形弯头8串联在一起，形成液体流道，液体流道的两端分别为液体入口9和液体出口10；内管内液体总流向13和外管外气体总流向14相反。由于液体总流向和气体总流向相反，整个装置为逆流换热，保证了换热过程的高效性，在实际运行过程中，液体流道内流动的换热液体为水、溶液、醇类或气液相变介质；气体流道内流动的换热气体为空气、蒸气或高温烟气。
图4为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置内部换热结构的左视图。左视图中更为清晰的显示了水平换热管和竖直热管的连接情况和制冷剂流道的组成。制冷剂流道包括制冷剂腔体7和竖直热管4。当内管中通有热流体时，制冷剂在制冷剂腔体中吸热蒸发，在竖直热管中冷凝放热；当内管中通有冷流体时，制冷剂在竖直热管中吸热蒸发，在制冷剂腔体中冷凝放热。
图5为本发明所述的水平换热管的立体示意图。每排水平换热管由外管5和内管6嵌套组成，外管和内管之间构成制冷剂腔体7，每一排外管的两端密封，每一排的内管通过蛇形弯头8串联在一起，形成液体流道，液体流道的两端分别为液体入口9和液体出口10。实际运行时，每一排的制冷剂分别独立充灌，既确保每一排制冷剂的工作温度随着流体的温度同步变化，从而保证了在换热过程中流体和制冷剂间恒定的换热温差，避免了由于制冷剂恒温导致的沿程流体和制冷剂间换热温差不断减小引起的气体或者液体的能源利用不充分，换热效果差的缺点，提高了整个装置的换热效率，也使得每排制冷剂互为备份，提高了整个换热器运行的可靠性。为了进一步提高整个装置的换热能力，换热管中既可以设置一根内管也可以设置多根内管，内管的内管壁设有螺旋状波纹来增强液体侧的换热系数。
图6为本发明所述的竖直热管成对连接后的换热结构的立体示意图。竖直热管成对连接是为了防止当竖直热管根数较少时，出现单根竖直热管左右摇晃的问题。通过弯头20将竖直热管成对连接，可以使得整个换热结构更加稳定。
图7为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置的整体结构示意图。风扇1安装在壳体2中，并设置在气体流道的入口或出口。同时，为了方便整个装置的安装，液体的液体入口9和液体出口10设置在壳体的同侧，使得结构简单紧凑。
图8为本发明所述的恒温差热管式气-液逆流换热装置的一种典型应用方式：气-气换热装置的系统示意图。在低温气体侧和高温气体侧分别设置有一个或多个恒温差热管式气-液逆流换热装置，多个恒温差热管式气-液逆流换热装置间采用串联或并联连接；位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置16的液体出口与位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置17的液体进口通过液体管路18连接；位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体进口与位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体出口通过液体管路连接；在液体管路上设有载冷剂泵19。当室内温度较高，室外处于过渡季节，温度较低时，可以使用上述气-气换热装置的系统。低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置设置在室外，高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置设置在室内。室内温度较高的空气流经高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置，将热量传给液体管路里的载冷剂后，温度降低，达到要求的设计温度；温度较高的载冷剂经载冷剂泵作用流经低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置，将热量传给室外温度较低的空气后，温度降低，重新进入高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置完成整个换热过程。上述技术方案可以方便高效的实现自然冷量的利用以及远距离的热回收，并且设备造价低廉、安装简便，是一种行之有效的热回收方式。
Claims (6)
1.一种含有恒温差热管式气-液逆流换热装置的气-气换热装置，其特征在于：在低温气体侧和高温气体侧分别设置有一个或多个恒温差热管式气-液逆流换热装置，多个恒温差热管式气-液逆流换热装置间采用串联或并联连接；位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置(16)的液体出口与位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置(17)的液体进口通过液体管路(18)连接；位于低温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体进口与位于高温气体侧的恒温差热管式气-液逆流换热装置的液体出口通过液体管路连接；
每个恒温差热管式气-液逆流换热装置包括风扇(1)、壳体(2)和多排水平换热管(3)，每一排水平换热管由外管(5)和内管(6)嵌套组成，每一排的外管两端密封，外管和内管之间构成制冷剂腔体(7)，每一排的内管通过蛇形弯头(8)串联在一起形成液体流道，液体流道的两端分别为液体入口(9)和液体出口(10)；在每一排水平换热管的外管壁上，设置有多根竖直热管(4)，在沿气体总流向(14)的方向上形成多排竖直热管；每根竖直热管一端封闭，另一端与制冷剂腔体相通，形成制冷剂流道；所述的风扇(1)设置在气体流道的入口或出口；液体总流向(13)和气体总流向相反；水平换热管(3)中含有一根或多根内管(6)；竖直热管通过弯头(20)成对连接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种含有恒温差热管式气-液逆流换热装置的气-气换热装置，其特征在于：在液体管路(18)上设有载冷剂泵(19)。
3.根据权利要求1所述的一种含有恒温差热管式气-液逆流换热装置的气-气换热装置，其特征在于：所述内管(6)的内管壁设有螺旋状波纹。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种含有恒温差热管式气-液逆流换热装置的气-气换热装置，其特征在于：所述的多排竖直热管在沿气体总流向(14)的方向上呈叉排布置。
5.根据权利要求4所述的一种含有恒温差热管式气-液逆流换热装置的气-气换热装置，其特征在于：每根竖直热管在竖直方向上套有多层翅片(15)，每根竖直热管间的翅片采用连接或断开的形式，翅片的结构为平片或波纹片。
6.根据权利要求5所述的一种含有恒温差热管式气-液逆流换热装置的气-气换热装置，其特征在于：所述液体流道内流动的换热液体为溶液、醇类或气液相变介质；所述气体流道内流动的换热气体为空气、蒸气或高温烟气。
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