CN106091490A - 一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器 - Google Patents

一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，属于能源类节能技术领域，该蒸发器包括两个翅片、集气管和分液器，翅片包括翅片本体和盘管，盘管套装在翅片本体上，集气管和分液器分别通过集气支管和分液管与盘管相连接。翅片式蒸发器底部还可加装一个过冷段。本发明的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，采用一个分液头，分液头采用混合节流孔；底部采用过冷段，采用一进一回结构，既保证防止结冰，又不散失过多热量，两相均匀混合，保证每路的均匀性。

Description

一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器
技术领域
本发明涉及翅片式蒸发器，特别涉及一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，属于能源类节能技术领域。
背景技术
近年来，国内外众多研究机构及大学都开发了二氧化碳热泵热水器的样机，并进行了相应的实验研究。从已公开的文献资料中可知，国外进行研究的二氧化碳热泵热水器多以空气源为主，类型为翅片管式。
日本的三洋、松下、大金等公司在本国市场上销售的家用跨临界二氧化碳热泵热水器采用的就是这种形式。
目前的研究主要集中在气体冷却器上，关于蒸发器的研究则较少。由于加工条件及加工成本的限制，国内一些大学及研究机构开发的样机多以水源为热源，所用蒸发器为壳管式或套管式。但在冬季水温较低的情况下，蒸发器中的水在流量较小的情况下容易发生结冰，从而造成管路堵塞，使运行工况受到限制。
西安交通大学的李涛等人应用分布参数法建立了二氧化碳的翅片管式蒸发器的数学模型，分析了制冷剂侧和空气侧温度、压力和换热的变化情况。天津大学的马一太等对二氧化碳的流动沸腾过程进行了换热分析。范晓伟等建立了套管式蒸发器的稳态分布参数模型，对其结构参数进行了敏感性分析，指出管内套多根管时，以管内套3根管的性能为最优。国外在这方面的研究主要集中在微通道蒸发器上，对管径在3mm以上的普通铜管则研究较少。
刘业凤等人发表的“空气源CO2热泵热水器的翅片管式蒸发器设计”一文介绍了空气源CO2热泵热水器的蒸发器研究现状，分析了翅片管式蒸发器内的流动与换热特性及换热关联式，并根据工作压力进行了安全压力设计计算，最后给出了蒸发器的设计工况及结构，为以后进行此类蒸发器的设计提供参考。
二氧化碳热泵是一种比较新型的技术，区别于现有的常规制冷剂热泵。现有的二氧化碳热泵用翅片蒸发器多为铜管套铝制翅片，基本上原样从普通热泵的蒸发器形式照搬过来而未加适应性研究，不适合(超)低温热泵或恶劣工作条件下的应用。其翅片间距大多在2.2-2.5mm，虽说翅片密集利于换热，但较密的翅片容易造成冰晶(或杂质)在翅片间的附着，也不利于融霜水快速滴落。现有常用的蒸发器内都有两个分液头，分别向两边的翅片换热器内分液，容易造成两侧分液不均匀。另外现在的蒸发器内普遍没有安置过冷段，这样会容易造成融霜水在换热器底部的大量聚集和结冰。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种既保证防止结冰，又不散失过多热量，两相均匀混合，保证每路的均匀性的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，包括两个翅片、集气管和分液器，所述的翅片包括翅片本体和盘管，所述的盘管套装在翅片本体上，所述的集气管和分液器分别通过集气支管和分液管与盘管相连接。
优选地，所述的翅片本体上设置通孔，盘管直接插进翅片本体的通孔内。
优选地，所述的通孔数量≥4个。
优选地，翅片呈竖立布置，两个翅片呈对称分布。
优选地，所述的翅片与垂直方向的夹角为0°-15°，优选为15°。
优选地，所述的翅片本体为铝制，所述的盘管为铜管。
优选地，所述的分液器采用一个分液头，分液头采用φ10mm混合节流孔，保证节流后两相均匀混合，保证每路的均匀性。
优选地，所述的集气管与盘管之间连接的集气支管为复数个，优选为2-60个；所述的分液器与盘管之间连接的分液管为复数个，优选为2-60个。所述的集气支管和分液管为铜管。
优选地，所述翅片式蒸发器底部加装一个过冷段。
优选地，所述的二氧化碳热泵用蒸发器防结冰过冷段，包括过冷段进口分液三通、过冷段进口管、过冷段出口管、旁通电磁阀、过冷段出口集液三通、管道、进口三通和出口三通等，过冷段进口管、进口三通、过冷段进口分液三通、过冷段出口集液三通、出口三通和过冷段出口管之间依次通过管道相连接，过冷段进口分液三通、旁通电磁阀和过冷段出口集液三通之间依次通过管道相连接，所述的过冷段设置于二氧化碳热泵用蒸发器底部。
优选地，过冷段进口分液三通与过冷段出口集液三通之间为并联连接，并联的管道分别通过蒸发器两个铜管(蒸发器两侧翅片底部的铜管)的底部。
优选地，该过冷段的管道中可采用CO2作为热源。
优选地，所述二氧化碳空气源热泵用蒸发器防结冰过冷段是通过旁通电磁阀控制。
优选地，该二氧化碳空气源热泵用蒸发器防结冰过冷段是专门针对二氧化碳空气源热泵系统设计的系统中的一部分。
优选地，该二氧化碳热泵用蒸发器防结冰过冷段中，过冷段进口管上安装进口三通将管道分为两路，一路通过管道与旁通电磁阀连接，一路连接过冷段进口分液三通将管道分为两路，两路管道分别通过蒸发器两个铜管(蒸发器两侧翅片底部的铜管)的底端，到顶端后折回，与过冷段出口集液三通连接合为一路，再通过出口三通，一路与旁通电磁阀连接，一路与过冷段出口管连接。
有益效果：
本发明的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，采用一个分液头，分液头采用混合节流孔；底部采用过冷段，采用一进一回结构，既保证防止结冰，又不散失过多热量，两相均匀混合，保证每路的均匀性。
本发明的二氧化碳热泵用蒸发器由于加装了过冷段整体，有效的防止了蒸发器底部融霜水的结冰，且由于电磁阀的控制，仅在融霜水出现的片刻使用此过冷段，因此对整体能效的影响并不大。
下面通过附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。应该理解的是，所述的实施例仅涉及本发明的优选实施方案，在不脱离本发明的精神和范围情况下，各种同等功能的零部件的替代都是可能的。
附图说明
图1为本发明二氧化碳热泵用翅片式蒸发器的结构示意图。
图2为本发明二氧化碳热泵用翅片式蒸发器的整体结构示意图。
图3为本发明二氧化碳热泵用翅片式蒸发器中防结冰过冷段的结构示意图。
主要附图标记说明：
1 翅片本体 2 盘管
3 分液器 4 集气管
5 分液管 6 集气支管
7 过冷段 8 蒸发器内侧
9 蒸发器外侧 10 回液管
11 蒸发器底部 12 过冷段进口分液三通
13 过冷段进口管 14 过冷段出口管
15 旁通电磁阀 16 过冷段出口集液三通
17 进口三通 18 出口三通
19 蒸发器
具体实施方式
如图1所示，为本发明二氧化碳热泵用翅片式蒸发器的结构示意图，主要由两个翅片、集气管4和分液器3组成，翅片由翅片本体1和盘管2组成，盘管2与翅片本体1为套接，盘管2直接插进翅片本体1的通孔内，集气管4和分液器3分别通过集气支管6和分液管5与盘管2相连接。
翅片本体1上设置≥4个通孔，盘管2套装在翅片本体1的通孔内。翅片竖立放置，两个翅片呈对称分布，翅片整体与垂直方向的夹角为15°，翅片本体1为铝制翅片，盘管2为铜管。
分液器3采用一个分液头，分液头采用φ10mm混合节流孔，保证节流后两相均匀混合，保证每路的均匀性。分液器3与盘管2之间连接的分液管5为10-40个。
集气管4呈上大下小的上开口形状(近似U型)，底部还分出一个回液管10(回液管10的液送回到系统里去)。集气管4与盘管2之间连接的集气支管6为10-40个。
集气支管6和分液管5均为铜管。
如图2所示，为本发明二氧化碳热泵用翅片式蒸发器的整体结构示意图，两个翅片将蒸发器分为蒸发器内侧8和蒸发器外侧9；集支管4和分液器3均安装在蒸发器内侧8；翅片式蒸发器底部加装一个过冷段7，过冷段7安装在两个翅片及两个翅片形成的蒸发器内侧8的底部。
如图3所示，为本发明二氧化碳热泵用翅片式蒸发器中防结冰过冷段的结构示意图，防结冰过冷段设置于二氧化碳热泵用蒸发器底部11，主要由过冷段进口分液三通12、过冷段进口管13、过冷段出口管14、旁通电磁阀15、过冷段出口集液三通16六个部件组成，辅助部件还包括管道、进口三通17和出口三通18等，过冷段进口管13、进口三通17、冷段进口分液三通12、过冷段出口集液三通16、出口三通18和过冷段出口管14之间依次通过管道相连接，过冷段进口分液三通12、旁通电磁阀15和过冷段出口集液16三通之间依次通过管道相连接。
过冷段进口分液三通12与过冷段出口集液三通16之间为并联连接，并联的管道分别通过蒸发器19两个铜管(蒸发器两侧翅片底部的铜管)的底部。该过冷段的管道中可通入CO2作为热源，由旁通电磁阀15控制。
该二氧化碳空气源热泵用蒸发器防结冰过冷段是专门针对二氧化碳空气源热泵系统设计的系统中的一部分。
该二氧化碳热泵用蒸发器防结冰过冷段中，过冷段进口管13上安装进口三通17将管道分为两路，一路通过管道与旁通电磁阀15连接，一路连接过冷段进口分液三通12将管道分为两路，两路管道分别通过蒸发器19两个铜管(蒸发器两侧翅片底部的铜管)的底端，到顶端后折回，与过冷段出口集液三通16连接合为一路，再通过出口三通18，一路与旁通电磁阀15连接，一路与过冷段出口管14连接。
过冷段的工作原理和流程：
(1)采用从二氧化碳空气源热泵系统中的气体冷却器出口的CO2作为热源，防止蒸发器结冰。
(2)采用三通的方式一路分两路，分别流经两片蒸发器底部11，防止结冰。
(3)采用旁通电磁阀15控制过冷段的开启、关闭，当电磁阀开启时，过冷段流动阻力大，则CO2不流通过冷段，CO2直接旁通。
(4)根据环境温度控制电磁阀开启、关闭，从而实现过冷段的控制启停。当环境温度高于-5℃时，电磁阀开启，不使用过冷，容差为1℃。当电磁阀开启时，环境温度降至-6℃时关闭，开启电磁阀。
本实施例的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器的特点：
(1)为均匀蒸发器迎风面积，翅片采用15°夹角，为风速最均匀角度。
(2)为均匀分液，采用一个分液头，分液头采用混合节流孔，保证节流后两相均匀混合，保证每路的均匀性。
(3)翅片间距为3.0mm，防止冬季结冰。
(4)底部采用过冷段，采用一进一回结构，既保证防止结冰，又不散失过多热量。
(5)为承受CO2高运行压力，盘管选用管间距25.4mm，承压要求80bar。
翅片式蒸发器的工作流程：二氧化碳制冷剂气体从二氧化碳热泵系统中供给分液器，再通过分液支管流向蒸发器翅片盘管中，盘管中的高温制冷剂气体在两侧翅片外侧与室外空气实现换热，换热后的低温制冷剂气体通过集气支管收集到集气管中，再由回液管送回至二氧化碳热泵系统中去。这样就实现了一次二氧化碳制冷剂气体的循环。翅片式蒸发器底部加装一个过冷段装置，采用一进一回结构，原理是利用系统中高温二氧化碳制冷剂气体热量，防止翅片式蒸发器底部结冰的辅助装置。

Claims (10)

1.一种二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：包括两个翅片、集气管和分液器，所述的翅片包括翅片本体和盘管，所述的盘管套装在翅片本体上，所述的集气管和分液器分别通过集气支管和分液管与盘管相连接。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的翅片本体上设置通孔，盘管直接插进翅片本体的通孔内；所述的通孔数量≥4。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的翅片呈竖立布置，两个翅片呈对称分布。
4.根据权利要求3所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的翅片与垂直方向的夹角为0°-15°。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的翅片本体为铝制，所述的盘管为铜管，所述的集气支管和分液管为铜管。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的分液器采用一个分液头。
7.根据权利要求6所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的分液头采用φ10mm混合节流孔。
8.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的集气管与盘管之间连接的集气支管为2-60个；所述的分液器与盘管之间连接的分液管为2-60个。
9.根据权利要求1所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述翅片式蒸发器底部还安装一个过冷段。
10.根据权利要求9所述的二氧化碳热泵用翅片式蒸发器，其特征在于：所述的过冷段包括过冷段进口分液三通、过冷段进口管、过冷段出口管、旁通电磁阀、过冷段出口集液三通、管道、进口三通和出口三通，过冷段进口管、进口三通、过冷段进口分液三通、过冷段出口集液三通、出口三通和过冷段出口管之间依次通过管道相连接，过冷段进口分液三通、旁通电磁阀和过冷段出口集液三通之间依次通过管道相连接，所述的过冷段设置于二氧化碳热泵用蒸发器底部。
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