CN108317774A - 一种基于泡沫金属的co2冷却蒸发器 - Google Patents

一种基于泡沫金属的co2冷却蒸发器 Download PDF

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刘圣春
苌光宇
李晓欢
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
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Abstract

本发明公开了一种基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器。本发明冷却蒸发器侧面用金属板焊接密封，冷却蒸发器内两侧分别为分液管和集液管，冷却蒸发器内中间部分从上至下安装多个多孔扁管，集液管和分液管之间通过多孔扁管内通道连接，分液管上方安装CO2流体入口，集液管下方安装CO2流体出口，冷却蒸发器中间部分的左下角安装制冷剂入口，冷却蒸发器中间部分的右上角安装制冷剂出口，在多孔扁管之间填充泡沫金属材料。金属泡沫材料具有复杂的三维立体结构，孔洞相互连通，使其具有较大的比表面积以及良好的流通性，固体骨架内部的导热、骨架表面与流体间的对流换热两者相互作用，大幅度提高了多孔泡沫壁面的传热速率。

Description

一种基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器
技术领域
本发明涉及用于CO2跨临界机械过冷循环的高效冷却蒸发器。
背景技术
气候变化是当今人类社会面临的重大挑战，氟氯烃(CFCs)和氢氟氯烃(HCFCs)类物质破坏臭氧层并且具有较高的温室效应已被或将逐渐被禁用。国际社会制定了相应的政策法规应对这一全球性问题，《蒙特利尔议定书》第十九次缔约方会议通过了加速淘汰HCFCs的修正案、2014年欧盟委员会发布的关于温室氟化气体(F-gas)条例、2014年11月12日中美两国共同发布的《中美气候变化联合声明》、以及2015年12月12日巴黎气候变化大会通过的《巴黎协议》均对温室气体的排放进行了相应规定。由此可见，减少温室气体排放、减缓全球变暖已成为现阶段全球环境保护工作面临的首要问题。
对于我国来说，能源问题愈来愈成为经济发展和社会进步的“瓶颈”。我国经济发展对能源依赖度较大，提高能源利用效率的任务十分艰巨。据统计，我国的工业部门每年多用能源约2.3亿吨标准煤。如何提高能源利用效率、缓解能源供给的紧张局面，是实现经济可持续发展中所要解决的首要问题。而环保和节能恰恰是21世纪科学技术发展的两大议题。结合制冷空调和热泵系统的特点，制冷剂的替代和系统的节能这两方面的研究尤为重要。
在这样的形势下，自然工质成为当今制冷空调行业的研究热点。众多自然工质中，最具代表性和竞争力的是CO2，其安全环保的优势吸引了众多学者的目光。国内外的相关企业、科研院所和高校均纷纷加大对CO2制冷空调系统研发的投入，CO2制冷空调系统是今后制冷空调行业发展的重要研究方向。开发新型CO2跨临界制冷循环，探究减小CO2节流损失、提升循环热力性能的运行机制，为提高CO2跨临界制冷循环能效提供一条新的道路，对减轻温室效应、实现HCFCs替代具有重要的经济价值和社会意义。
虽然CO2制冷空调技术已应用于多个领域，并且在欧洲、日本及北美地区广泛应用，但CO2跨临界制冷循环效率较低的关键问题仍未得到根本解决。CO2的临界温度为31.1℃，临界压力高达7.38MPa，放热过程通常发生在临界点之上，一般称CO2制冷循环为跨临界循环。由于其运行压力高，节流不可逆损失大，造成循环严重偏离逆向卡诺循环，CO2跨临界循环效率低于常规制冷剂循环。
针对CO2跨临界循环效率较低的问题，可采用机械辅助过冷的方法进行改进。即通过辅助蒸汽压缩制冷循环对主循环冷凝器(或气体冷却器)出口的制冷剂进行冷却。采用机械辅助过冷不仅能够增加制冷量，而且可以降低主循环的运行高压和压缩机排气温度，延长压缩机的使用寿命，大幅度降低CO2节流过程中的不可逆损失，提高循环整体热力学性能(性能系数和热力学完善度)，缩小循环偏离逆向卡诺循环的程度。
开发新型CO2跨临界制冷循环，探究减小CO2节流损失、提升循环热力性能的运行机制，为提高CO2跨临界制冷循环能效提供一条新的道路，对减轻温室效应、实现HCFCs替代具有重要的经济价值和社会意义。
发明内容
本发明目的在于设计一种基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器，通入低GWP环保制冷剂R1234yf，使其在蒸发沸腾过程中吸收CO2超临界流体的热量，对气体冷却器出口的CO2气体进行冷却。
为解决以上问题，本发明所采取的技术方案是：冷却蒸发器侧面用金属板焊接密封，冷却蒸发器内两侧分别为分液管和集液管，冷却蒸发器内中间部分从上至下安装多个多孔扁管，集液管和分液管之间通过多孔扁管内通道连接，分液管上方安装CO2流体入口，集液管下方安装CO2流体出口，冷却蒸发器中间部分的左下角安装制冷剂入口，冷却蒸发器中间部分的右上角安装制冷剂出口，在多孔扁管之间填充泡沫金属层。
冷却蒸发器的内部为多孔扁管错开分布，多孔扁管层之间填充泡沫金属层，CO2在多孔扁管内部流动，扁管层截面高约1mm，宽约16mm，横向长约30cm，内部分布很多小孔，直径约为0.7mm，因为孔的尺寸偏小，所以耐压程度强，可以承受CO2工质的高压。入口处进入的是气液两相流体的制冷剂，在泡沫金属填充的空间蒸发相变，蒸发过程中吸收CO2超临界流体的热量，使得CO2过冷，而制冷剂最终变为过热气排出，过热度为5℃左右。
而金属泡沫材料具有复杂的三维立体结构，孔洞相互连通，使其具有了较大的比表面积、换热面积以及良好的流通性，选择作为泡沫金属层的骨架是孔径2～3mm、孔隙率为70～95％的通孔型铜。因为铜的导热系数较高，固体骨架内部的导热、骨架表面与流体间的对流换热两者相互作用，大幅度提高了多孔泡沫壁面的传热速率。当制冷剂流过孔洞时，多孔金属泡沫材料的泡沫孔隙大小与形状各不相同，流体在多孔泡沫层内流动，会受到固体骨架韧带的扰动，促使流体流速不断地改变大小和方向，加速孔隙内流体质点的混合与分离，使得流体在多孔泡沫孔隙内流速分布极不均匀，流动的非线性增强，湍流程度增加，温度均匀迅速的通过泡沫金属骨架进行换热。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)采用CO2冷却蒸发器对跨临界CO2制冷循环气体冷却器出口的CO2进行过冷，不仅能够增加制冷量，而且可以降低主循环的运行高压和压缩机排气温度，延长压缩机的使用寿命，大幅度降低CO2节流过程中的不可逆损失，提高循环整体热力学性能(性能系数和热力学完善度)，缩小循环偏离逆向卡诺循环的程度。
(2)冷却蒸发器内用泡沫金属内充斥制冷剂的冷却方式代替传统风冷、水冷，可大幅提高CO2冷却蒸发器换热强度，在相同换热量的情况下，减小了换热面积，多孔扁管之间的间隙变小，使换热器结构更紧凑，缩小冷却蒸发器的整体体积。
(3)多孔泡沫材料由刚性骨架和内部通孔洞组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能，其比重小、不易折弯、比表面积大、换热散热能力高。可增强对两相流体的扰动，进而大幅提高换热强度。同样效率的CO2冷却蒸发器，由于采用了泡沫金属填充的方式，其体积和重量都会比传统形式的要小。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明实施例一的侧视剖面图；
图3为本发明实施例二的侧视剖面图。
图中：1、分液管；2、多孔扁管；3、集液管；4、泡沫金属层。
具体实施方式
为了使本发明的特征、达成的目的与效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例一：
请参阅图1和图2，冷却蒸发器侧面用金属板焊接密封，主体部分完全密封，以防止制冷剂泄漏，冷却蒸发器内两侧分别为分液管1和集液管3，冷却蒸发器内中间部分从上至下安装多个多孔扁管2，集液管和分液管之间通过多孔扁管内通道连接，分液管上方安装CO2流体入口，集液管下方安装CO2流体出口，冷却蒸发器中间部分的左下角安装制冷剂入口，冷却蒸发器中间部分的右上角安装制冷剂出口，在多孔扁管之间填充泡沫金属层4，泡沫金属层的骨架是由孔径2～3mm、孔隙率为70～95％的通孔型铜制成，CO2流体从左上方通道进入分液管，通过多孔扁管内孔道，在集液管区域汇集，并从右下方通道流出。多孔扁管层截面高约1mm，宽约16mm，横向长约30cm，内部分布很多小孔，直径约为0.7mm，因为孔的尺寸偏小，所以耐压程度强，可以承受CO2工质的高压。
低GWP环保制冷剂R1234yf在泡沫金属区域内流动，从中间区域左下角通道流入，由于多孔扁管的排列方式为一左一右，故制冷剂呈“S”型流动，最后由右上角通道流出。
实施例二：
与实施例一不同的是，多孔扁管的由水平放置改为略有倾斜角放置，侧视剖面图见图3，倾斜角度为15°-30°之间，并在此之间填充泡沫金属层，这样设计可增加流体扰动，进一步起到强化换热的作用。
以上所述为本发明的主要特征，所述实施例为本发明较佳的实施例。本发明的受保护范围并不局限于此，本发明还会有各种变化和改进，任何基于本发明技术方案的等效变换均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器，其特征在于，冷却蒸发器侧面用金属板焊接密封，冷却蒸发器内两侧分别为分液管和集液管，冷却蒸发器内中间部分从上至下安装多个多孔扁管，集液管和分液管之间通过多孔扁管内通道连接，分液管上方安装CO2流体入口，集液管下方安装CO2流体出口，冷却蒸发器中间部分的左下角安装制冷剂入口，冷却蒸发器中间部分的右上角安装制冷剂出口，在多孔扁管之间填充泡沫金属层。
2.根据权利要求书1所述的基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器，其特征在于，所述多孔扁管左右错开分布。
3.根据权利要求书1所述的基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器，其特征在于，所述泡沫金属层的骨架是由孔径2～3mm、孔隙率为70～95％的通孔型铜制成。
4.根据权利要求书1所述的基于泡沫金属的CO2冷却蒸发器，其特征在于，所述多孔扁管层截面高1mm，宽16mm，横向长30cm，内部分布多个直径为0.7mm的小孔。
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