CN106461342A - 紧凑的热交换器 - Google Patents

Abstract

一种满液型热交换器(100)，包括：多个管束(10)，待冷却的第一“热”工作流体在多个管束(10)内侧流动；裙部(1)，其外接至主管束(10)，其接收第二“冷”工作流体，第二“冷”工作流体拍打主管束(10)，以减少第一工作流体的热量，第二工作流体在裙部(1)内侧沿着正交于主管束的管道的延展的竖直纵向方向流动，并且其中裙部(1)沿着第二工作流体的纵向流动方向具有广布的延展尺寸(L)；以及用于递送裙部内侧的第二工作流体的喷嘴(113)，其中提供仅使用第二工作流体通过从侧入口(8)进入来淹没裙部而不存在上述喷嘴的可替换的配置，以及仅使用喷嘴而没有这种侧入口(8)的可替换的配置。

Description

紧凑的热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器，更具体地，涉及蒸发器。这种蒸发器可以是所谓的“满液”型或所谓的“降膜”(混合的，即还是满液的，和纯的)型。

本发明的交换器特别适合于在空调工业工厂中使用。

背景技术

第一种非常普遍用于工业用途类型的热交换器是所谓的“满液”蒸发器。

如本领域技术人员众所周知地，这种类型的交换器设置了充当外壳的裙部，在该裙部内侧容置有一个或多个管束，其中第一工作流体(特别地是所谓的“热”流体)流动。然后，在裙部内侧，在自由表面上，供给所谓的“冷”第二工作流体，即制冷流体。后者拍打管束，为的是与第一流体热交换，它减少第一流体的热量并且通过朝向位于顶部上的蒸气抽吸孔口流动而蒸发。

第二流体在与第一流体热交换的最后阶段并因此在交换器的裙部的顶部处应产生完全蒸发。然而，通常遇到的缺点是在第二工作流体中残存液体颗粒，其可以损坏交换器以下的部件或不是在其标定工况下确定操作。

为了避免或限制所述缺点，使得裙部内侧的制冷剂的自由表面的延伸很宽。这通过赋予裙部极力加宽的(特别是水平细长的)形状而得到。裙部的延伸在水平方向是极广布的，水平方向正交于裙部本身内侧的第二流体的流动方向并且平行于管道(第一“热”工作流体在其内侧流动)的延伸方向。特别地，裙部在水平平面上的截面面积相对于包封由第一工作流体所涉及的管束的竖直截面中的一个是非常广的，两个面积之间的关系高于2.5。

仍然为了消除所述缺点，自由表面相对于裙部的顶部保持相当“低”，其中蒸气抽吸孔口位于裙部的顶部。以此方式，从自由表面朝向抽吸孔口的蒸汽的“上升”速度非常低，因此限制了液滴在上升期间的拖拽。

然而，交换器的所述加宽的形状通常使得它非常庞大。此外，自由表面的巨大的横向延伸涉及致冷剂流体的巨大的消耗，如所公知地，制冷剂流体具有非常高的成本以及重大的环境影响。

此外，仍然为了避免上述缺点，用于过热第二工作流体的辅助单元，或用于过滤所拖拽的液滴的系统，甚至是使得相对于第二工作流体的流动，制冷剂液滴难以向下通过主管束的系统。尽管这些权宜之举涉及整体尺寸增加，当然，涉及成本增加。

另一种非常普遍用于工业用途类型的热交换器是所谓的“降膜”蒸发器。

如本领域技术人员众所周知地，“降膜”型蒸发器也提供了充当外壳的裙部，在该裙部内侧容置有一个或多个管束，第一工作流体(特别地是所谓的“热”流体)在其中流动。在“纯”型的降膜配置中，第二所谓的“冷”工作流体-也就是制冷流体-仅通过具有喷嘴的分配系统供给到裙部内侧，喷嘴优选地位于上述管束之上。以此方式，通过与主流体交换热量并且通过局部蒸发，一到分配系统的下方，这种第二流体的液相沉积在成排的管的外表面上。剩余的液体部分由于重力“掉落”到成排的下管的上，通过有效地均匀地分配在其上，通过形成液体“膜”并由此通过触发具有高的热交换效率的蒸发过程。

在以混合降膜型的蒸发器类型中，通过实际上像“满液”蒸发器类型一样操作，布置在裙部的下部的管束的管道部分完全浸泡在液体制冷剂中，而管束的上部分像刚才描述的纯型的“降膜”蒸发器一样操作。

即使在此第二类型的蒸发器中，第二流体在与第一流体热交换的最后阶段，并因此在交换器的裙部的顶部处应产生完全蒸发。然而，即使在这种情况下，在第二工作流体中液体颗粒残存，其可以损坏交换器以下的部件或不是在其标定工况下确定操作。在本文所考虑的蒸发器类型中，这个缺点尤其难以避免，因为从分配系统出来的制冷剂相对于由管道上的制冷剂的蒸发产生的并且指向交换器的抽吸孔口的上升的蒸汽的质量是逆流。这些相对的流的质量流大致相等，并且典型地等于蒸发器所从属的制冷机的标定速率。

为了消除这种缺点，在使用中，第一解决方案由位于制冷剂回路上的液体/蒸汽分离器、向下的节流阀、向上的供给蒸发器的分配系统中的制冷剂入口/再循环组成。分离的蒸汽在压缩机的抽吸管线上输送或它不与蒸发器的管束接触，而累积的液体被带去由分配系统的装置供给蒸发器。以此方式，得到流入蒸发器的制冷剂的较小的质量流，因此较少的拖拽问题以及在下排的管束上液体随之更好地均匀分配，因为其通过重力的分配较少受到上升的蒸汽流的干扰。

第二种采用的解决方案是使用管束的所谓的“成直线”配置，其中，管道被水平成排并且竖直对准地布置。以此方式，由于重力掉落的过量的液体在其下发现对准的完整的管柱，同时，上升的蒸汽发现等于两个相邻的管柱之间的距离的“优选的路线”的延伸通道。以这种方式，减小了液体拖拽效应以及后者在管道上的分配效应。然而，在较上排的管道(即分配器附近，其中，相对的质量流高)处，液体拖拽问题没有以令人满意的方式解决。

另一个采用的解决方案是使用包裹在管束的顶部和侧部上的罩，并防止所产生的蒸汽相对于由于重力掉落在成排的管道上的液体制冷剂逆向流动。特别地，在这种解决方案中，分配器通常位于罩内侧-在管束的顶部上-并且配置为使得所分配的液体和所产生的蒸汽都沿相同的方向上跟随，从顶部至底部，只要蒸汽通过适当的侧开口从罩出来，并且它可以通过适当的朝向抽吸孔口上升的通道行进。在这种配置中，通常留下管束的下部分，以操作为完全浸泡在液体制冷剂中，以便接收在上部管道上没有蒸发的液体并使得上部管道上没有蒸发的液体蒸发。然而，此方案还涉及有关体积的增加。

简而言之，目前所考虑的已知的蒸发器在制冷剂侧上要求庞大的体积，由于裙部在水平面上的延展，具有庞大的整体平面尺寸，并且通常它们需要附加部件来解决液体拖拽到蒸发的制冷剂的抽吸孔口的问题。

发明内容

于是本发明摆出和解决的技术问题是提供允许消除参考现有技术提及的缺点的热交换器。

这种问题通过根据权利要求1的热交换器解决。

本发明的优选特征是从属权利要求的主题。

本发明的热交换器整体尺寸减小，特别是在制冷剂侧上。此外，其大幅度地降低了将液体拖拽至蒸发的制冷剂的抽吸孔口的问题，而不需要附加部件。

特别地，在实施方式中，其中交换器像满液蒸发器一样工作，面向蒸汽抽吸孔口的自由表面非常小，因此，裙部内侧的气体/蒸汽朝向抽吸孔口(出口)的流动速度非常快。以此方式，由于如此高的上升速度，第二工作流体以推挤的方式向上拖拽液体制冷剂，使得后者润湿沿着路径横卧的主管束的管道，然后充当剩余管束的供给器。从这个意义上来说，本发明的交换器以相对于已知的交换器相反的方式作用，其中如上所述地，采用特定的权益之举来防止或限制这种拖拽。

以此方式，液体制冷剂的消耗急剧减少，制冷功率相等，于是相关的成本和潜在的环境影响减少。甚至在主管束以下插入辅助过热单元或适合于解决制冷剂液滴抽吸问题的其他附加部件也变得不重要。

在优选实施方式中，根据“降膜”配置，第二工作流体的喷洒或喷射递送装置设置在裙部内侧。这允许所要求的制冷剂的量进一步降低，功率相等。

这种递送装置可以设置为分成两组或多组操作，每组将制冷剂分配在管束的中间水平处。

这种组可以全部由相同的制冷剂供给管线供给，或进一步分组成副组，每个副组由特定的制冷剂供给管线单独供给。这种管线的质量流可以基于特定的参数调节，特定的参数诸如例如裙部中的制冷剂液体的自由表面的水平、从蒸发器出来的蒸汽的过热值、压力值或其他。

根据实施方式的变型，递送装置可以与形成基本自由表面的制冷剂的特定供给结合地设置，即在“传统”类型的满液交换器的情况下-或没有后者的情况下。在纯的“降膜”方案的情况下，即在非满液交换器中，通常获得液体制冷剂的上述向上的推挤拖拽效应。

于是，功率相等的本发明的交换器结果具有传统类型的满液蒸发器和“降膜”蒸发器二者的减小的整体尺寸，“降膜”蒸发器为混合型或纯型。

本发明的另一个重要的优点是通过使用极少量的制冷剂流体获得非常高的热交换效率。

本发明的其他的优点、特征以及使用模式从一些实施方式的以下详细描述显而易见，实施方式通过实施例示出并且不用于限制目的。

附图说明

将参考附图中的图，其中：

图1示出根据本发明的第一优选实施方式的热交换器的主视、局部剖视图；

图2示出图1的交换器的根据上图的轴线A-A所截的纵向截面视图；

图3示出图1的交换器的立体视图；

图3A示出图1的交换器的侧面表示的示意图，对应于图2的纵向截面以及图3的平面xz，示出交换器的主管束的纵向包封面积；

图3B示出图1的交换器的以水平截面表示的示意图，对应于图3的平面xy并且示出接收主管束的交换器的内腔的整体横跨面积；

图3C示出图3B的相同的示意图，通过突出主管束的管道没有涉及的剩余面积。

具体实施方式

首先通过参考图1和3，根据本发明的优选实施方式的热交换器整体用100指代。在本实施例中，热交换器100是蒸发器，特别是所谓的满液型。

热交换器100包括充当外壳的裙部1。裙部1具有在图1中用l指代的广布的延展尺寸，该广布的延展尺寸被称为纵向。特别地，这种广布的延展尺寸对应于方向L，在使用中，方向L结果是竖直或基本竖直的。在本实施例中，这也是裙部1本身的纵向轴线A的方向。还是在本实施例中，裙部1具有平行六面体状或大致平行六面体状的几何形状。

至少主管束10容纳在裙部1的内侧，在主管束中，第一工作流体流动，特别地是所谓的待冷却的“热”流体。这种第一工作流体借助于入口3供给到主管束10内侧，并且它通过相对于入口3布置在裙部1的相同部分中的出口2从其出来(或反之亦然)。入口3和出口2可以以本身已知类型的连接器或喷嘴的形式。在本实施方式中，第一工作流体是水。申请的变型可以用抗冻剂或其他流体/添加剂(包括在单相和双相状态下的制冷流体)提供水的用途。

主管束10的管道按照蜿蜒状的路径横跨裙部1内侧的空间，具有至少一条去路和至少一条回路。特别地，在本实施例中设置了多条去路和多条回路。

管道由双侧地布置在裙部1上(特别是在裙部本身的相对的侧壁处)的两个管板5支撑。这种管板5可以例如借助于焊接或借助于紧固到裙部本身的螺钉永久地束缚到裙部1，或者与裙部熔融于一起而实现。

主管束10的管道可具有在他们之间不同的交错的尺寸，特别是直径。

在裙部1的相对于与入口3和出口2相关联的一个的相对的壁处，即使设置了收集器或封闭的底部6，也将各自的管板5布置在外侧并且束缚至其。收集器6收集来自主管束10的蜿蜒状路径的上部分的水或其它主流体并且将其供给给主管束10的蜿蜒状路径的下部分。

类似的封闭底部或头部7设置在接收入口3和出口2的裙部1的壁处，即使在这种情况下，也将各自的管板5布置在外侧并束缚至其。

然后，裙部1的内侧，通过无关紧要地布置在四个壁的任一个上(特别是出口2以下)的附加侧入口8供给第二“冷”工作流体，即制冷流体。这种第二流体可以以液体、蒸汽或混合的形式引入。典型地，这种流体是氟利昂。本身已知类型的头部或封闭底部80可以关联至制冷流体的入口8。

第二工作流体借助于本身已知类型的分配器9分配在裙部内侧，并且它部分地淹没裙部1。为了在使用中与第一工作流体热交换的目的，第二流体仅淹没主管束10的一部分。然而，主管束的剩余部分通过由上升的蒸汽拖拽的液体供给，(上升的蒸汽确实是无形形状下的第二工作流体)。然后，这种蒸汽在合适的出口/抽吸孔口11中被抽取。在本实施例中，出口/抽吸孔口11被关联到气体输送器或向上渐缩(优选地以截头圆锥形状)的“帽件”12。

于是，这里所考虑的交换器100是所谓的“单回路”(裙部侧)型或“多级”(管内侧)型。在实施方式的变型中，提供一个单“级”，第一流体的入口和出口在相对侧上。一般来说，在“奇数”级的情况下，入口和出口在裙部的相对侧上，而在“偶数”级的情况下，入口和出口在同一侧上。

在裙部侧上几个回路的情况下，有必要保持几个交换器“串联”(其中水侧，通常第一工作流体侧共用)。

在上述的变型中，还提供通过本领域技术人员的理解的部件的布置的其他修改。

***

此时，可以更好地了解的是，交换器100的整个配置使得裙部1的广布的延展尺寸(即指代为纵向并且对应于裙部本身的轴线A的方向L)还是裙部1内侧的第二工作流体根据其流动的方向。这种方向(在目前所描述的布置中，对应于竖直方向)大致正交于主管束10的管道的延展方向。这种配置允许获得朝向抽吸孔口11的自由表面以及与已知技术相比的减小的尺寸，并且因此获得朝向抽吸孔口本身的高的流动速度。如以上已经图示地，以此方式，第二工作流体以推挤的方式向上拖拽液体制冷剂，通过使得后者浸泡沿着路径躺卧的主管束10的管道，并且由此充当剩余管束本身的“供给器”。如下文将更详细地图示地，通过配置裙部可以获得类比结果，使得可以比较它的三个尺寸，即本文指代为纵向/竖直的一个尺寸以及在正交于其的横向/水平平面上的两个尺寸。进一步地获得令人满意的结果以及裙部的纵向截面和横向截面的面积之间的关系，如下文解释地。

如已经所提到地，在热交换期间产生的第二工作流体的蒸汽的速度是确定的参数，使得获得液体从自由表面至上管道的表面的有效拖拽。这种蒸汽上升速度主要取决于所使用的管道的类型和尺寸，取决于沿纵向L和横向方向二者的相邻的管道之间的相对距离，取决于主流体和第二流体的类型，以及取决于其工作状况。通过主要考虑涉及管道技术的现有技术状态以及在空调工业工厂中蒸发器的使用的其他上述量的设定，下文提供一些优选的几何参数，以获得最佳的拖拽速度，以提高依据本发明的热交换的效率。

通过参考图3-3C，参考图3中表示的轴线xyz以及参考图3A、3B和3C中分别示出的面积A、B和C，限定：

轴线z-沿裙部1的纵向方向L、A的轴线，其是蒸汽上升的方向，正交于管束10的管道的延伸平面(xy)的方向，以及在目前所考虑的交换器100中，裙部1的广布的延伸方向；

轴线x-沿裙部1的横向方向的轴线(正交于裙部1的纵向方向L、A)，并且正交于管束10的管道的广布的延伸方向；

轴线y-沿裙部1的横跨方向的轴线(正交于裙部1的纵向方向L、A)，并且平行于管束10的管道的广布的延伸方向；

面积A-在平面xz上，交换器的主管束的纵向包围面积，如图3A所示；

面积B-在平面xy上，接收主管束的交换器的内腔的整体横跨面积，如图3B所示；在这种腔室的按照轴线x的延伸不是恒定的情况下，面积取裙部沿着轴线x的最大尺寸；

面积C-包括在面积B中并且不包括管束的管道的累赘面积的剩余面积，即用于第二工作流体的蒸汽通过的实际自由面积，如图3C中所示。

根据本发明：

A/B>0.4-0.45，优选地A/B>0.6，

并且C/B<0.3。

在以上所描述的实施方式中，A/B>0.8并且C/B<0.3。

***

在本实施方式中，还设置了整个用101指代的第二工作流体的辅助过热单元，并且第二工作流体的辅助过热单元插在主管束10和输送器12之间。

辅助单元101包括辅助管束102，在使用中，辅助管束102被辅助工作流体穿过，在本文所描述的申请中辅助工作流体为所谓的“热”流体，例如来自冷凝工厂的液体制冷剂。辅助管束102也具有蜿蜒状路径，具有至少一条去路和至少一条回路，其长度由布置在裙部1的相对的侧壁处的各自的入口管板103和各自的底部管板104之间的距离限定。

于是，辅助单元101设置了入口106和出口105，入口106和出口105并排位于裙部1的相同的侧壁处，依次以本身已知的连接器或喷嘴的形状，并且关联至收集器或头部107。在相对于头部的相对的一侧上，设置了通过垫片密封的收集器或封闭的底部108，这对于使得辅助流体在回路之后返回辅助管束102的管道的内侧是必须的。

在另一种可能的配置中，这种辅助单元可以用定位在相对侧上的入口和出口实现，以实现管道内侧的辅助流体的奇数数量的通道。

以此方式，第二工作流体(在本申请中，第二工作流体在已经拍打主管束10之后以湿润的制冷剂气体的形式上升)在其朝向出口11的路径中拍打辅助管束102，后者内侧的热的液体冷却(过冷)，湿润的第二气体相对于与主管束10的热交换进一步加热。这通过保证气体本身中完全或几乎完全没有液滴而允许布置在交换器100下方的压缩机抽吸“干燥”并且过热的气体。

同时，辅助工作流体(典型地在液体状态下)导致过冷并且其从出口105出来。

这种排出辅助流体可以通过入口8重新插入热交换中，通过以“冷”的第二工作流体的形式进入主管束10下方。一般来说，在回路中，流体的这种重新插入发生，其中膨胀/调节阀的介入保持裙部1内侧的液体期望的水平。

上述辅助单元甚至还可以借助于带凸缘的电池(或更一般地说，借助于任何热交换装置)实现。

根据WO2012/077143中包含的教导，上述辅助单元甚至可以作为可抽出的单元实现，即在使用中根据特定的操作需要可以插入主交换器中的单元。

如图2中更好地可见，在本实施方式中，交换器100包括在裙部1内侧的第二工作流体的偶数个喷洒或喷射递送装置，优选地适合于以大致雾状的形式递送工作流体。

递送装置包括多个管道111，多个管道111以相对于裙部本身的纵向方向A多个水平地横跨裙部1。在管道111上，获得喷嘴或注射器113。

递送装置的管道可以设置为分成两组或更多组操作，每组在管束的中间水平处分配制冷剂。组可以全部由相同的制冷剂供给管线供给，或进一步分成子组，每个子组由特定的管线供给。在本实施例中，递送管道111的每个管道或组由各自的入口115供给。

每个供给管线的质量流由特定的参数调节，诸如例如裙部中的制冷剂液体的自由表面的水平、逸出蒸发器的蒸汽的过热值、压力值和/或其他。

递送管道111可以平行于主管束10的管道的延伸方向地延伸，或如图2中所示，正交于后者地延伸。

如已经图示地，递送装置的存在允许减少更多的交换器100所需要的制冷剂量。此外，通过与裙部1的广布的延伸方向相比(或与第二流体的上升的方向相比)的不同的注射水平并且通过将高压制冷剂穿过具有减少的尺寸的槽/孔(或通常来讲喷嘴)递送，逸出的制冷剂为雾，其可以更容易地从以高速度上升的蒸汽流输送，因此以更有效率的方式输送。

以上描述的递送装置可以设置为唯一供给元件，即不与单独的供给(8)结合，这在“纯降膜”和混合配置(即管道的一部分被制冷剂所淹没)中都可以实现。

目前，已经通过参考优选实施方式描述了本发明。这意味着可以存在属于相同的发明核心的其他实施方式，如由下文所记载的权利要求的保护范围所限定的。

Claims (9)

1.一种热交换器(100)，特别地用于空调工厂，包括：

-主管束(10)，在使用中，待冷却的第一“热”工作流体在所述主管束(10)内侧流动；以及

-裙部(1)，所述裙部(1)外接至所述主管束(10)并且适于接收第二“冷”工作流体，在使用中，通过减少所述第一工作流体的热量并且蒸发，所述第二“冷”工作流体拍打所述主管束(10)，

其中所述主管束(10)在所述裙部(1)内侧横向延伸，特别地水平地延伸，并且所述第二工作流体如同上升的蒸汽按照所述裙部(1)本身的纵向方向(A)在所述裙部(1)内侧流动，特别地按照竖直方向在所述裙部(1)内侧流动，所述纵向方向正交于所述主管束(10)的管道的延展，

整个配置使得A/B>0.4-0.45，优选地A/B>0.6，C/B<0.3

其中：A是所述主管束(10)在正交于所述管束的管道的广布的延伸方向的纵向平面(平面xz)上的包封面积；B是接收所述主管束(10)的所述裙部的内腔在所述管道的延伸横向平面(平面xy)上的整体面积；以及C是包括在面积B中并且不包括所述管束(10)的管道的整体尺寸面积的剩余面积，即用于所述第二工作流体的蒸汽通过的实际自由面积。

2.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其中所述裙部(1)具有沿着所述纵向方向(A)的广布的延展尺寸(l)。

3.根据前述任一项权利要求所述的热交换器(100)，所述热交换器(100)是所谓的满液型交换器，其中在使用中，所述第二工作流体在所述裙部(1)内侧的自由表面上被接收，或者所述热交换器(100)是混合型热交换器或纯“降膜”型交换器。

4.根据前述任一项权利要求所述的热交换器(100)，包括用于所述裙部(1)内侧的第二工作流体的喷洒或喷射递送的装置。

5.根据前述任一项权利要求所述的热交换器(100)，其中所述递送装置配置为沿着所述裙部(1)的所述纵向方向(A)以两个或多个水平递送工作流体，特别地以中间水平递送工作流体。

6.根据权利要求4或5所述的热交换器(100)，其中所述递送装置适合于递送大致喷雾形式的工作流体。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的热交换器(100)，其中所述递送装置包括接收在所述裙部(1)内侧的多个递送喷嘴或注射器(113)。

8.根据前述任一项权利要求所述的热交换器(100)，其中所述递送装置包括横跨所述裙部(1)的一个或多个管道(111)，优选地沿着横向于所述裙部本身平行于或正交于所述主管束(10)的管道的广布的延伸方向的方向，在一个或多个管道(111)上获得所述递送喷嘴或注射器(113)。

9.根据前述任一项权利要求所述的热交换器(100)，包括辅助过热单元(101)，所述辅助过热单元(101)相对于所述第二工作流体的流动布置在所述主管束(10)的下游且适于产生这后一个流体的附加加热。