CN105066520A - 一种强制再循环式蒸发器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种强制再循环式蒸发器，包括换热器和气液分离循环桶，所述换热器与所述气液分离循环桶的内部空间通过上升循环管、下降循环管连通，所述上升循环管的下端与所述换热器的制冷剂出口连通，上端与所述气液分离循环桶上部的气相空间连通；所述下降循环管的上端与所述气液分离循环桶下部的液相空间连通，下端与设置在所述换热器底部的循环泵进口连通，所述循环泵的出口与所述换热器的制冷剂进口连通；所述下降循环管的下端还通过旁通阀与所述换热器的制冷剂进口直接连通。本发明兼具了重力循环式蒸发器的特点，又解决了在某些场合重力循环动力不足的问题，较传统形式的蒸发器，缩小了传热温差，其换热效率明显提升。

Description

一种强制再循环式蒸发器

技术领域

本发明涉及一种涉及制冷领域，具体涉及一种强制再循环式蒸发器。

背景技术

目前，在工业制冷领域，由于工艺等原因经常采用载冷剂间接冷却的供冷方式，一般采用壳管式蒸发器作为制冷剂与载冷剂之间的换热装置，所以蒸发器的换热效率直接决定整个制冷系统的运行效率。

常用的载冷剂为水、无机盐水溶液、有机液或有机物的水溶液，工业制冷系统中载冷剂通常要求温度在0℃以下，所以工业载冷剂常用氯化钙、乙二醇、氯化钠、碱水等水溶液。越是低温，载冷剂的质量浓度和运动粘度就越大，使得载冷剂流体雷诺数Re大幅下降，流动阻力增加，并且流动边界层和热边界层增厚，使载冷剂单相流的换热系数大幅度下降，从而使整个换热器的传热效率大幅下降。

为了提高载冷剂的换热效果，一般采取两种办法：一种是提高载冷剂流体的流速，即加大流量的办法以增强换热；另一种则是增大换热器的换热面积；前者必将加大流体的流动阻力，增加了流体的驱动设备即泵的功率消耗，后者是以增加设备制造的成本为代价用以弥补传热效率的下降，显然这两种方法都是非常不经济的。常见的壳管式蒸发器主要有干式蒸发器和满液式蒸发器两种。干式蒸发器制冷剂在换热管内蒸发并吸收热量，载冷剂在换热管外流动并释放热量；满液式蒸发器则相反，制冷剂在换热管外蒸发并吸收热量，载冷剂在换热管内流动并释放热量。在低温制冷系统里，从载冷剂侧流动及传热状态分析，采用载冷剂在换热管外换热的干式蒸发器较合理，且蒸发器内制冷剂侧回油也较满液式的安全可靠。

但常规干式蒸发器在低温工况使用时也存在一些问题，如干式蒸发器普遍采用弓形折流板，载冷剂在折流板间的不同位置其流动状态极为不均匀，并存在流动死区，且折流板与壳体内壁之间存在间隙，致使载冷剂流体旁通量较大，特别是高浓度、高粘度流体则尤为明显，致使换热器换热效率大打折扣；还有常规制冷系统干式蒸发器入口处不完全是液态制冷剂，而是具有一定干度的气液两相流体，蒸发器内存在分液不均的问题，随着蒸发的不断进行，换热管内壁能够浸润到液体制冷剂的面积占总换热面积的比例会不断缩小，换热面积无法得到充分利用。满液式蒸发器换热管是完全浸在制冷剂液体里的，加之满液式高效蒸发器管的应用，使换热管表面更容易产生气化核心，管外制冷剂侧的换热系数要高于干式蒸发器管内制冷剂侧的换热系数，所以常温工况下制冷机组采用满液式的蒸发器其传热温差会比干式蒸发器明显缩小，节能效果明显；但在低温工况下载冷剂在换热管内流动，由于低温流体的质量浓度和运动粘度都较大，流动边界层和热边界层较厚，会严重影响载冷剂侧的换热系数，从而大大降低满液式蒸发器的传热效果。

现在还有一种依靠重力循环的热虹吸式蒸发器，其由换热器和气液分离循环桶组成，气液分离循环桶位于换热器的上部，循环动力决定于他们之间的高度差，在某些场合换热器和气液分离循环桶的高度差很小，从而导致其循环动力不足，大大降低了蒸发器的换热效率。

综上所述，不管是干式蒸发器、满液式蒸发器还是重力循环的热虹吸式蒸发器，如果通过提高流体流速或增加换热面积来弥补载冷剂侧或制冷剂侧的传热衰减都是不经济的，所以如何提高低温工况下蒸发器的传热效率，从而提升整个制冷系统能效并能实现节约能源与资源的目的已经成为一个技术难题。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种传热效率高的强制再循环式蒸发器。

技术方案：本发明所述强制再循环式蒸发器，包括换热器，和设置在所述换热器上方的气液分离循环桶，所述换热器与所述气液分离循环桶的内部空间通过上升循环管、下降循环管连通，所述上升循环管的下端与所述换热器的制冷剂出口连接，上端与所述气液分离循环桶上部的气相空间连通；所述下降循环管的上端与所述气液分离循环桶下部的液相空间连通，下端与设置在所述换热器底部的循环泵进口连通，所述循环泵的出口与所述换热器的制冷剂进口连通；所述下降循环管的下端还通过旁通阀与所述换热器的制冷剂进口直接连通。

本发明进一步优选地技术方案为，所述气液分离循环桶包括桶体，以及设置在所述桶体上部的制冷剂进液口接管和制冷剂回气口接管，所述桶体内还设置有3个挡液板，其中第一挡液板和第二挡液板分别设置在所述制冷剂进液口接管的两侧，将所述制冷剂进液口接管与其两侧的空间隔开，第三挡液板设置所述制冷剂回气口的下方，将所述制冷剂回气口接管与位于所述第三挡液板下方的制冷剂液体隔开。设置第一挡液板和第二挡液板是为了挡住流体中携带的液体，避免向上部的气相空间飞溅，以实现气液分离的作用；设置第三挡液板的作用是为了防止回气时将的液体制冷剂带走。

优选地，所述第一挡液板、第二挡液板的上部靠近所述桶体内壁顶部的位置设置有通气孔；所述第三挡液板的纵向长度为所述制冷剂回气口接管直径的2~4倍，表面至桶体内壁顶部的距离至少为所述制冷剂回气口接管直径的1倍。

优选地，所述气液分离循环桶的外部还设置有液位控制装置，用于监控所述气液分离循环桶内的液位高度。

进一步地限定，所述气液分离循环桶的上部设置有与其内部气相空间连通的气相连接管，下部设置有与其内部液相空间连通的液相连接管，所述气相连接管和液相连接管分别与所述液位控制装置连接。

优选地，所述气液分离循环桶上设置有至少两个回油管。

进一步地限定，所述气液分离循环桶的中间偏下位置设置有三个不同高度的回油管。由于液体制冷剂里溶有一定量的冷冻油，通过回油管引出一部分制冷剂与冷冻油的混合液体回到压缩机的吸气端，从而实现蒸发器内的回油，使蒸发器内的存油量保持在较低浓度，减小因冷冻油浓度较高对换热的不利影响。

优选地，所述换热器包括壳体，设置在所述壳体两端的第一管板、第二管板，以及密封在所述第一管板、第二管板侧面的第一端盖和第二端盖，其中第一端盖的内部空间为换热器的制冷剂进口，第二端盖的内部空间为换热器的制冷剂出口；所述第一管板与所述第二管板之间连接有若干根换热管，所述换热管连通所述第一端盖和第二端盖的内部空间。

优选地，所述换热器的壳体内还设置有折流板，所述折流板为连续螺旋状导流结构，且外围圆周上设置有裙边，所述折流板上开有与所述换热管相对应管孔，所述换热管穿过所述管孔，将所述折流板定位在其周边，对流经其外部的载冷剂液体导流；所述折流板上还开设有拉杆孔，所述第一管板上开设有与所述拉杆孔相对应的盲孔，拉杆穿过所述拉杆孔将所述折流板连接成一整体组件，并固定在所述第一管板上。

优选地，所述换热器壳体内的换热管整体排布呈四象限均布状，任意一根换热管与相邻的非同层两根换热管之间呈正三角形排布。

本发明的具体工作过程为：在制冷系统中经过节流的制冷剂液体并伴有一定气体从气液分离循环桶上部的制冷剂进液口接管进入到气液分离循环桶中，在气液分离循环桶内部空间的分离作用下，气体存在于气液分离循环桶上部的气相空间内，制冷剂液体存于气液分离循环桶下部的液相空间内，并维持一定液位，制冷剂液体经过下降循环管进入到换热器的制冷剂进口（即第一端盖）内，再进入到换热管内，并与换热管外流动的载冷剂进行热交换，管内的制冷剂液体不断蒸发为气体并吸热，管外的载冷剂放热被冷却降温，制冷剂经过换热管后变为气液混合状态的制冷剂，并进入到制冷剂出口（即第二端盖）内，再通过上升循环管回到气液分离循环桶内，已经蒸发成气态的制冷剂从制冷剂回气口接管流出，未蒸发的制冷剂液体与不断从制冷剂进液口接管进入的液体制冷剂继续向换热器内供给，不断循环往复，从而实现连续的制冷循环。

当制冷负荷较低时可以关闭循环泵并打开旁通阀，让蒸发器处于重力循环状态；当负荷较大时或因安装空间有限导致气液分离循环桶与换热器之间高度差较小时可以开启循环泵并关闭旁通阀，从而让蒸发器处于强制循环状态。

重力循环状态的作用原理为热虹吸原理：节流后的制冷剂进入气液分离循环桶内，在其内保持一定的静液柱压力，凭借重力向换热器供液，液态制冷剂在换热器中吸热，部分气化使换热器两端进出口液体产生密度差（位能差），此压差产生的动力使制冷剂在气液分离循环桶和换热器之间实现迁移，从而实现由相变引起密度改变的自循环过程。

当重力循环动力不足时，通过循环泵的驱动使换热管内制冷剂的质量流率和循环倍率提高，从而实现强制循环状态，大大提高了蒸发器的换热效率。

有益效果：（1）本发明兼具了重力循环式蒸发器的特点，又解决了在某些场合重力循环动力不足的问题，较传统形式的蒸发器，缩小了传热温差，其换热效率明显提升，在没有增加换热管数量的前提下实现了换热效率的提高，从而使制冷机组运行的能效比得到提高，实现节能的目的；亦可实现保持原有能效水平不变的条件下减少换热管的使用量，从而实现降成本的目的，特别适用于低温制冷场合；

（2）本发明的换热器中折流板为螺旋状导流装置，在螺旋折流板的导引下换热管外的载冷剂流体呈螺旋状流动，各处流速与流动状态均匀；并且在折流板的外围圆周设有裙边，可防止载冷剂在壳程的旁通，使载冷剂的流动阻力和旁通量大大减小，有利于载冷剂流速的提高，从而提高载冷剂侧的换热系数，特别适用于质量浓度和运动粘度较大的低温液体；

（3）采用本发明蒸发器，其内制冷剂液体在管程与换热管壁面的接触面积比率远远大于干式蒸发器，与满液式相当，换热管内制冷剂的质量流率和循环倍率高于其他形式的蒸发器，使蒸发器制冷剂侧的换热系数明显提高。

附图说明

图1为本发明所述强制再循环式蒸发器的结构示意图；

图2为图1的A向侧视图；

图3为图1的B向侧视图；

图4为本发明所述换热器的管板布孔图；

其中1-第一端盖、2-第一螺栓、3-第一端盖法兰、4-第一密封垫、5-第一管板、6-载冷剂进口法兰、7-载冷剂进口接管、8-壳体、9-换热管、10-折流板、11-排空阀座、12-载冷剂出口接管、13-载冷剂出口法兰、14-第二管板、15-第二密封垫、16-第二端盖法兰、17-第二螺栓、18-第二端盖、19-支座、20-排污阀座、21-拉杆、22-下降循环管、23-第一封头、24-桶体、25-制冷剂回气口接管、26-气相连接管、27-第一挡液板、28-制冷剂进液口接管、29-第二挡液板、30-第二封头、31-上升循环管、32-连接支架、33-液相连接管、34-第一回油管、35-第二回油管、36-第三回油管、37-管孔、38-拉杆孔、40-第三挡液板、41-第一端盖下接管、42-循环泵、43-旁通阀、44-钢架基础座。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种高效重力型再循环式蒸发器，如图所示，包括：换热器、气液分离循环桶、循环泵42三部分。

其中，换热器部分包括：第一端盖1、第一端盖法兰3、第一密封垫4、第一管板5、换热器壳体8、载冷剂进口接管7、载冷剂进口法兰6、载冷剂出口接管12、载冷剂出口法兰13、换热管9、螺旋折流板10、拉杆21、排空阀座11、排污阀座20、第二管板14、第二端盖18、第二端盖法兰16、第二密封垫15。

气液分离循环桶部分包括：第一封头23、第二封头30、气液分离循环桶桶体24、制冷剂回气口接管25、制冷剂进液口接管28、第一挡液板27、第二挡液板29、第三挡液板40、气相连接管26、液相连接管33、第一回油管34、第二回油管35、第三回油管36。

换热器与气液分离循环桶之间通过下降循环管22、第一端盖下接管41和上升循环管31连通；下降循环管22与循环泵42入口连通、第一端盖下接管41与循环泵42出口连通；下降循环管22与第一端盖下接管41之间设置旁通阀43并通过管路连通。

换热器壳体8两端分别与第一管板5、第二管板14固定连接，第一端盖1与第一端盖法兰3连接固定为一整体，并通过第一螺栓2与第一管板5连接；第二端盖18与第二端盖法兰16连接固定为一整体，并通过第二螺栓17与第二管板14连接；第一管板5与第一端盖法兰3之间的密封面上设有第一密封垫4，第二管板14与第二端盖法兰16之间的密封面上设有第二密封垫15。换热器壳体8外侧上部两端设有载冷剂进口接管7和载冷剂出口接管12，载冷剂进口接管7的一端与换热器壳体8的内部连通，另一端设有载冷剂进口法兰6，用于与外部管路的连接；载冷剂出口接管12的一端与换热器壳体8的内部连通，另一端设有载冷剂出口法兰13，用于与外部管路的连接。

换热器壳体8内部还设置有螺旋折流板10，螺旋折流板10上设有与换热管9对应的管孔37，螺旋折流板10为连续螺旋结构，且外围圆周设有裙边；换热管9为内螺纹高效蒸发管，换热管9依次穿过第一管板5、换热器壳体8内的若干螺旋折流板10、第二管板14，换热管9的两端与第一管板3、第二管板11采用胀接或焊接的方式连接；第一管板5与换热器壳体8的连接面上设有拉杆固定螺纹孔，螺旋折流板10上设有与拉杆固定螺纹孔对应的拉杆孔38，拉杆21端部设有外螺纹，拉杆21穿过螺旋折流板10将折流板连接成一整体组件，并固定在第一管板5上。

气液分离循环桶壳体24两端分别通过第一封头23、第二封头30将其密封，气液分离循环桶的桶体24上部设有制冷剂回气口接管25和制冷剂进液口接管28，第一挡液板27、第二挡液板29分别位于制冷剂进液口接管28两端，第一挡液板27和第二挡液板29均为弓形板，其上边缘与气液分离循环桶的桶体24上部接触部位进行焊接连接，第一挡液板27和第二挡液板29上部靠近气液分离循环桶桶体24内壁顶部的位置设有通气孔；第三挡液板40位于制冷剂回气口接管25的正下方，其纵向边缘与气液分离循环桶桶体24接触部位进行焊接连接，纵向长度为制冷剂回气口接管25直径的3倍，表面至桶体24内壁顶部的距离至少为制冷剂回气口接管25直径的1倍；气液分离循环桶桶体24的上部设有与内部气相空间连通的气相连接管26，底部设有与内部液相空间连通的液相连接管33，气相连接管26和液相连接管33分别与外部的液位控制装置连接；气液分离循环桶壳体24的中间偏下位置设置有三个不同高度的回油管，分别为第一回油管34、第二回油管35、第三回油管36。

下降循环管22的上端与气液分离循环桶桶体24下部连通，下降循环管22的下端与循环泵42入口连通、第一端盖下接管41与循环泵42出口连通；第一端盖下接管41与第一端盖1的下部连通；下降循环管22与第一端盖下接管41之间设置旁通阀43并通过管路连通；上升循环管31的上端与第二封头30的上部连通，上升循环管31的下端与第二端盖18的上部连通。换热器、气液分离循环桶通过两对连接支架32固定在一起，换热器壳体8底部的支座19、循环泵底座与整个装置的钢架基础座44连接。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种强制再循环式蒸发器，包括换热器，和设置在所述换热器上方的气液分离循环桶，所述换热器与所述气液分离循环桶的内部空间通过上升循环管（31）、下降循环管（22）连通，其特征在于，所述上升循环管（31）的下端与所述换热器的制冷剂出口连通，上端与所述气液分离循环桶上部的气相空间连通；所述下降循环管（22）的上端与所述气液分离循环桶下部的液相空间连通，下端与设置在所述换热器底部的循环泵（42）进口连通，所述循环泵（42）的出口与所述换热器的制冷剂进口连通；所述下降循环管（22）的下端还通过旁通阀（43）与所述换热器的制冷剂进口直接连通。

2.根据权利要求1所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述气液分离循环桶包括桶体（24），以及设置在所述桶体（24）上部的制冷剂进液口接管（28）和制冷剂回气口接管（25），所述桶体（24）内还设置有3个挡液板，其中第一挡液板（27）和第二挡液板（29）分别设置在所述制冷剂进液口接管（28）的两侧，将所述制冷剂进液口接管（28）与其两侧的空间隔开，第三挡液板（40）设置所述制冷剂回气口（25）的下方，将所述制冷剂回气口接管（25）与位于所述第三挡液板（40）下方的制冷剂液体隔开。

3.根据权利要求2所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述第一挡液板（27）、第二挡液板（29）的上部靠近所述桶体（24）内壁顶部的位置设置有通气孔；所述第三挡液板（40）的纵向长度为所述制冷剂回气口接管（25）直径的2~4倍，表面至桶体（24）内壁顶部的距离至少为所述制冷剂回气口接管（25）直径的1倍。

4.根据权利要求2所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述气液分离循环桶的外部还设置有液位控制装置，用于监控所述气液分离循环桶内的液位高度。

5.根据权利要求4所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述气液分离循环桶的上部设置有与其内部气相空间连通的气相连接管（26），下部设置有与其内部液相空间连通的液相连接管（33），所述气相连接管（26）和液相连接管（33）分别与所述液位控制装置连接。

6.根据权利要求2所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述气液分离循环桶上设置有至少两个回油管。

7.根据权利要求6所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述气液分离循环桶的中间偏下位置设置有三个不同高度的回油管。

8.根据权利要求1所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述换热器包括壳体（8），设置在所述壳体（8）两端的第一管板（5）、第二管板（14），以及密封在所述第一管板（5）、第二管板（14）侧面的第一端盖（1）和第二端盖（18），其中第一端盖（1）的内部空间为换热器的制冷剂进口，第二端盖（18）的内部空间为换热器的制冷剂出口；所述第一管板（5）与所述第二管板（14）之间连接有若干根换热管（9），所述换热管（9）连通所述第一端盖（1）和第二端盖（18）的内部空间。

9.根据权利要求8所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述换热器的壳体（8）内还设置有折流板（10），所述折流板（10）为连续螺旋状导流结构，且外围圆周上设置有裙边，所述折流板（10）上开有与所述换热管（9）相对应的管孔（37），所述换热管（9）穿过所述管孔（37），将所述折流板（10）定位在其周边，对流经其外部的载冷剂液体导流；所述折流板（10）上还开设有拉杆孔（38），所述第一管板（5）上开设有与所述拉杆孔（38）相对应的盲孔，拉杆（21）穿过所述拉杆孔（38）将所述折流板（19）连接成一整体组件，并固定在所述第一管板（5）上。

10.根据权利要求8所述的强制再循环式蒸发器，其特征在于，所述换热器壳体（8）内的换热管（9）整体排布呈四象限均布状，任意一根换热管与相邻的非同层两根换热管之间呈正三角形排布。