CN108351150A - 具有防霜换热器的空气温度调节系统 - Google Patents

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CN108351150A CN201680061991.1A CN201680061991A CN108351150A CN 108351150 A CN108351150 A CN 108351150A CN 201680061991 A CN201680061991 A CN 201680061991A CN 108351150 A CN108351150 A CN 108351150A
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Abstract

空气温度调节系统包括具有被疏水性涂层覆盖的外部传热表面的防霜换热器。所述空气温度调节系统的抗霜装置被构造和布置成通过利用所述疏水性涂层的特性来减轻所述换热器上的积霜。

Description

具有防霜换热器的空气温度调节系统
背景技术
本公开涉及空气温度调节系统，并且更具体地涉及该系统的防霜换热器。
已知在例如用于制冷系统的蒸发器等换热器的传热表面上会发生积霜。传热表面上的霜沉积可能导致若干不良影响，如气流通道的堵塞、传热的劣化、压降和风扇功率的增大以及整体更低的能量效率。另外，换热器通常设计有较大的翅片间距和不太精心制作的增强特征以便适应霜，从而产生从传热观点来讲次优的设计。
发明内容
根据一个非限制性实施例的换热器包括外部传热表面；覆盖外部传热表面的至少一部分的疏水性涂层；以及抗霜装置，该抗霜装置被构造和布置成减轻换热器上的积霜。
除了前述实施例之外，换热器包括多个翅片，并且其中外部传热表面由所述多个翅片承载。
替代地或附加地，在前述实施例中，换热器是蒸发器。
替代地或附加地，在前述实施例中，抗霜装置被构造和布置成至少从疏水性涂层移除冷凝物。
替代地或附加地，在前述实施例中，抗霜装置包括振动器。
替代地或附加地，在前述实施例中，振动器包括风扇。
替代地或附加地，在前述实施例中，振动器包括旋转块。
替代地或附加地，在前述实施例中，振动器包括线性谐振器。
替代地或附加地，在前述实施例中，振动器包括压电装置。
替代地或附加地，在前述实施例中，抗霜装置是被配置成将声波直接发射在疏水性涂层上的声学装置。
替代地或附加地，在前述实施例中，抗霜装置包括光学传感器，该光学传感器被配置成检测沉积在疏水性涂层上的冷凝物和霜中的至少一者。
根据另一个非限制性实施例的空气温度调节系统包括：换热器，该换热器包括外部传热表面和覆盖外部传热表面的疏水性涂层；以及抗霜装置，该抗霜装置被构造和布置成减轻换热器上的积霜。
除了前述实施例之外，空气温度调节系统还包括制冷系统。
替代地或附加地，在前述实施例中，空气温度调节系统包括热泵系统。
替代地或附加地，在前述实施例中，换热器是蒸发器。
替代地或附加地，在前述实施例中，空气温度调节系统包括传感器，该传感器被配置成检测疏水性涂层上的冷凝物和霜中的至少一者并输出检测信号；以及电子控制器，该电子控制器被配置成接收和处理检测信号，并且向抗霜装置输出启动信号。
替代地或附加地，在前述实施例中，抗霜装置包括振动器。
替代地或附加地，在前述实施例中，振动器包括风扇。
替代地或附加地，在前述实施例中，空气温度调节系统包括冷凝器，并且其中抗霜装置包括冷凝器旁路装置。
替代地或附加地，在前述实施例中，空气温度调节系统包括制冷剂管路，该制冷剂管路被配置成使制冷剂流入和流出换热器；和电子控制器，该电子控制器被配置成向抗霜装置启动抗霜模式，该抗霜装置被配置成当处于抗霜模式时使制冷剂通过制冷剂管路和通过换热器的流动反向。
前述特征和元件可以按各种组合方式非排他性地进行组合，除非另有明确指示。根据以下描述和附图，这些特征和元件及其操作将变得更为明显。然而，应理解，以下描述和附图意图在本质上是示例性的而并非限制性的。
附图说明
从以下对所公开的非限制性实施例的详细描述中，各种特征对于本领域技术人员来说将变得明显。伴随详细描述的附图可如下简要描述：
图1是作为本公开的一个非限制性示例性实施例的使用换热器的制冷系统的示意图；
图2是换热器的透视图；
图3是换热器的第二实施例的透视图；
图4是换热器的第三实施例的透视图；
图5是图4的换热器的翅片的局部透视图；
图6是换热器的第四实施例的透视图；
图7是图6的换热器的翅片的局部透视图；
图8是图6的换热器的管阵列的横截面；
图9是图6的换热器的翅片的横截面；
图10是可应用于换热器的第一实施例、第二实施例和第三实施例的等边管阵列的横截面；
图11是换热器的第一实施例、第二实施例、第三实施例和第四实施例的翅片的横截面；
图12是示出涂覆和未涂覆疏水性涂层的换热器设计的表格；
图13是示出疏水性涂层的再生效果的图表；以及
图14是制冷系统的示意图。
具体实施方式
本公开涉及对换热器的传热表面上结霜的控制和/或预防。这类换热器可以是板状翅片类型、可在空气温度调节系统中使用和/或还可以是在制冷和/或空调系统中使用的蒸发器。实例可包括适用于调节将要供应至住宅、办公楼、医院、学校、饭店或其他设施内的气候受控舒适区的空气的制冷系统。制冷系统还可用于对供应至展示柜、商品柜、冷冻室、冷藏间或商业机构中其他易腐和冷冻产品存放区域的空气进行制冷。此外，制冷系统可应用于运输集装箱和/或牵引车挂车系统中和/或可以是运输集装箱和/或牵引车挂车系统的组成部分。
参考图1，作为一个非限制性实例，空气温度调节系统20可以是制冷系统。制冷系统20可大体上整合到容器22中，所述容器22界定容纳货物26的货舱和/或可占用舱24，所述货物26在不被冷藏的情况下可能是易腐的。容器22可以是牵引车挂车系统、运输集装箱、被占用结构、用于食物冷贮的冷冻机和许多其他设备的一部分。可经由使流体流循环流入舱24中并流过舱24的制冷系统20来对舱24进行冷却，而将货物26保持在期望温度下。制冷系统20可包括压缩机28、冷凝器30、膨胀阀32、蒸发器34和蒸发器风扇36。压缩机28可通过由发动机系统40驱动的发电机38来提供动力。马达41(如变速马达)可由驱动器(如变频驱动器)来提供动力，所述驱动器可驱动与蒸发器34相关联的一个或多个风扇36。可进一步设想和理解的是，蒸发器34可以是包括(例如)空气冷却器的其他类型换热器。可进一步设想的是，换热器可以不是蒸发器，而可以是携载低于冰点的流体的任何换热器；例如，二次回路中的换热器。
在制冷系统20的正常冷却循环期间，返回流体流42(例如，气流)从舱24通过制冷入口44流入到制冷系统20中，并且经由蒸发器风扇36流经蒸发器34，从而冷却返回流体流42。一旦冷却，返回流体流42便变为供应流体流46并且通过制冷系统20的出口48而供应至舱24。入口44和出口48的边界可由容器22界定，其中出口48位于入口44上方。可进一步设想和理解的是，流体流可以是处于气态下的并且能够在换热器上形成霜的任何流体。
还是在正常冷却循环期间，可以是制冷剂(参见箭头52)的冷却剂在各种部件之间流过管路49。在进入蒸发器34之前，制冷剂52贯穿蒸发器膨胀阀32(例如像电子膨胀阀或恒温膨胀阀)，并且在进入蒸发器34之前膨胀至较低压力和较低温度。随着液态制冷剂52贯穿蒸发器34，液态制冷剂52在与加热流体(例如环境空气)处于换热关系的情况下穿行，据此液态制冷剂52被蒸发并且通常被过热至期望的程度。离开蒸发器34的低压蒸气制冷剂52穿过管路49到达压缩机28的吸入口。可设想和理解的是，制冷剂52可以是能够经受从液体至气体并再次复原的相变的任何物质。这类工作流体可包括碳氟化合物、氨、二氧化硫、烃、二氧化碳和其他物质。
加热流体可以是由一个或多个关联风扇36从气候受控环境(如与运输制冷单元相关联的易腐/冷冻货物存放区或商业机构的食品展示或存放区域或与空气调节系统相关联的、有待冷却的并且通常还被除湿的建筑物舒适区)抽吸的并且由此返回至气候受控环境的空气。
参考图2，蒸发器34可以是空气冷却换热器，例如像圆管板状翅片(RTPF)换热器，其可具有促进制冷剂52流动的管50以及紧固至管外部的众多实质上平坦的翅片54。在操作中，流体流(参见箭头56)移动跨过翅片54，并且热量从空气穿过翅片54并传递到流动的制冷剂52中。吸收热量后，制冷剂52可在管50的内部蒸发。蒸发器34还包括翅片间距(即，翅片密度)，所述翅片间距可由每英寸的翅片数量来表示(参见箭头58)。可进一步设想和理解的是，换热器34的其他实例可以包括可位于室外的热泵蒸发器(例如，热泵微通道换热器)或用于制冷系统中的二次换热器，其中冷却剂52作为二次冷却剂。
参考图3至图10，其他类型的蒸发器34被示出并且通过添加字母数字后缀作为标识符来进行识别。如图3中所示，RTPF换热器34A可包括大体上波状的翅片54A。
如图4至图5中所示，RTPF换热器34B可包括呈锯齿形的翅片54B。
如图6至图9中所示，蒸发器34C可以是包括管50C和翅片54C的微通道换热器(MCHX)。管50C可具有实质上矩形的横截面并且并排式对齐，从而形成管阵列60。每个翅片54C可包括多个褶皱部62，其中每个褶皱部具有多个百叶片64。一个翅片54C可位于邻近管阵列之间，其中翅片54C的每个褶皱部62在邻近管阵列60之间延伸并且与邻近管阵列60接触。如图9中最佳展示的，蒸发器34C(或其他百叶片式蒸发器配置)可包括翅片间距(参见箭头58C)、百叶片角度(参见图9中的箭头66)和百叶片间距(参见箭头68)。优选地，百叶片角度66约小于三十五(35)度(也参见图12)。
参考图10，相应蒸发器34、34A、34B的管50、50A、50B中的任一个或全部可包括配置在等边管阵列70中的管。等边管阵列70可包括管行间距(参见箭头72)和实质上相等的管面间距(参见箭头74)。管行间距72可约等于管面间距74的0.866倍。
当蒸发器34(即，同样适用于蒸发器34A、34B、34C)在翅片表面温度低于约三十二(32)华氏度(零摄氏度)的情况下操作并且流体流56的露点温度高于翅片表面温度时，来自空气的冷冻湿气可积聚在翅片54和管50上(即，霜)。霜的持续形成和/或堆积将会降低蒸发器34的冷却能力和效率。这种效率降低可能是由会减少穿过蒸发器34的空气流的空气侧压降增大以及空气与制冷剂之间由于霜的隔绝效果造成的传热阻力增大所导致的。
翅片间距58以及蒸发器的前述其他物理特性可能影响蒸发器34上的结霜速率。积霜的增加导致空气侧压降的增大和随之发生的穿过蒸发器34的流体流56的减少。在理想情况下并且为了优化蒸发器性能，翅片间距58的减小(即翅片密度的增大)可能因翅片54的传热表面积的增大而为合乎需要的。然而，因为霜积聚在蒸发器34上，所以翅片间距58的这种减小导致可用流体流动面积的减小。随着流体流动面积继续减小，蒸发器34的操作能力将会降低，直至需要制冷系统20的除霜循环为止。然而，除霜循环本身需要能量，因而会降低制冷系统20的总效率。
由于积霜方面的问题，制冷蒸发器在传统上受限于每英寸约两个(2个)至六个(6个)翅片的翅片密度，并且一般避免使用波浪形蒸发器34A、锯齿形蒸发器34B和百叶片式(即，瓦楞形)蒸发器34C。然而，本公开利用可覆盖翅片54和管(未示出)的外部表面的疏水性涂层62(参见图11)。与不具有涂层的亲水性表面或翅片相反，形成于疏水性涂层62上的冷凝小滴更小并且保持呈液态的时间更长。因此，疏水性涂层62延缓积霜并且减小霜堆积速率。此外，当与形成于亲水性和/或无涂层表面上的霜相比时，确实形成于疏水性涂层62上的霜一般是松散的并且较弱。疏水性涂层62的一个非限制性实例可以是有机涂层并且可由聚合物制成。
参考图12，其示出一个表格，该表格例证出使用疏水性涂层62时用以优化换热器设计的能力。例如，由于对积霜的考虑，可以是带有波浪形表面几何形状和等边管行间距的RTPF类型的、在运输制冷中使用的蒸发器具有每英寸八个(8个)翅片的最大翅片密度。然而，当使用疏水性涂层62时，相同蒸发器类型和几何形状可使用处于每英寸约八个(8个)至二十五个(25个)翅片范围内的翅片密度，并且优选地大于每英寸十个(10个)翅片。根据图12，显而易见的是，在使用疏水性涂层62的情况下，可用先前未尝试过的方式对蒸发器设计进行优化。例如，可在改善蒸发器能力和效率的同时减小蒸发器的成本以及总尺寸和重量。空调和/或制冷系统可展现增加的性能系数(COP)、减小的功率消耗，并且可在更少循环下提供更为恒定的负载。此外，在利用疏水性涂层62的情况下，制冷系统20可能不需要除霜循环，或者可能仅需要最小程度的除霜需求。
参考图13，疏水性涂层62的性能可随时间劣化，这可能导致换热器性能的劣化和/或需要重新施加涂层。举例来说并且针对在运输应用中使用的制冷系统20而言，疏水性涂层62可在约两百(200)至三百(300)次循环之后劣化。本公开教导了通过暴露于高温而再生涂层62的过程。如图13中最佳展示的，以接触角来表示初始的、劣化的和再生后的情况，接触角可包括前进接触角和后退接触角(CA)。尽管未示出，但接触角是通过液滴测量的角度，其中液体/蒸气界面触及由(例如)翅片54携载的外部表面。接触角经由杨氏方程(Youngequation)来表示液体对外部表面的可湿性。接触角越大，涂层的疏水特性就越好。
能够再生疏水性涂层62的高温可处于约50摄氏度至150摄氏度的范围内并且优选地处于50摄氏度至100摄氏度之间持续一段时间(例如，约三十至九十分钟)。在制冷系统20的前述应用中，系统本身可被用来提供必要热量以便再生疏水性涂层62。例如，可通过允许制冷剂绕开冷凝器30(参见图1)以及控制风扇36的流量来实现再生。或者，可通过逆转制冷剂流(即，逆向循环)以及控制风扇36的速度来实现再生。类似再生技术可应用于在热泵应用中使用的换热器。
参考图14，制冷系统20还可以包括控制器76、可具机械性的抗霜装置78、压缩机旁路装置80和众多连通路径82。如本文所用的术语“控制器”指代用于控制的任何方法或系统，并且应理解为包含微处理器、微控制器、程序化数字信号处理器、集成电路、计算机硬件、计算机软件、电气电路、专用集成电路、可编程逻辑装置、可编程门阵列、可编程阵列逻辑、个人计算机、芯片以及离散模拟、数字或可编程部件或能够提供处理功能的其他装置的任何其他组合。
控制器76可与压缩机28、阀32、抗霜装置78、风扇36、旁路装置80、各种传感器(未示出)、制冷剂管路49中的各种流控制阀(未示出)以及其他部件操作性地关联。控制器76可被配置成以各种操作模式控制制冷系统20的操作，所述操作模式包括若干能力模式和至少一个除霜和/或抗霜模式。能力模式可包括负载模式，其中制冷负载施加于需要压缩机28在负载条件下运行的系统上以满足冷却需求。在能力模式的无载模式中，施加于制冷系统20上的冷却需求很低以至于在压缩机28在无载条件下运行的情况下可产生足够的冷却能力来满足冷却需求。控制器76也可被配置成控制变速驱动器38以响应于能力需求而改变输送至压缩机驱动马达40的电流的频率，从而改变压缩机28的速度。类似地，控制器76可经由变速马达41来控制风扇36的速度。
如前所述，制冷系统20也可以包括可由控制器76控制的至少一个除霜模式或循环。作为一个非限制性实例，控制器76可初始化抗霜装置78，所述抗霜装置78可被构造成在冷冻之前从蒸发器34移除液体冷凝物。或者，抗霜装置78可利用堆积在疏水性涂层62上的积霜的松散附着特性和/或低密度特性。抗霜装置78可以是振动器，该振动器其被构造成使蒸发器34振动，从而抖落任何冷凝物和/或积聚的低密度霜。振动器78可以经由旋转块、线性谐振器或压电设备来实现振动。或者，抗霜装置78可以是被配置成将声波直接发射在冷凝物和/或霜上的声学装置。可进一步设想和理解的是，旋转块可以是风扇，并且风扇可以是风扇36。
抗霜装置78还可以包括传感器84，所述传感器84可以是被配置成对蒸发器34成像以检测冷凝物和/或霜的光学传感器。传感器84可沿可以是有线或无线的路径82将检测信号发送(参见箭头86)至控制器76。根据充分的冷凝物和/或霜检测，控制器76可经路径82将启动信号发送(参见箭头88)至抗霜装置78。可进一步设想和理解的是，传感器84可以是压差传感器或能够检测换热器上的积霜的其他传感器。
替代地、除抗霜装置78之外和/或作为抗霜装置78的一部分，控制器76可利用制冷系统20中传统上旨在单独地有助于能力模式的其他部件。例如，除霜模式可包括流体流52的脉动、流体流52的速度的突然增加和/或声学或空气动力学共振(即，流引起的振动)。更具体来说，光学传感器84可如前所述检测冷凝物和/或霜。作为如前所述的一个实例，控制器76可随后将控制信号输出(参见箭头90)至变速马达41，所述变速马达41一般运行风扇36来增加流体流的速度和/或脉动。可进一步理解和/或设想的是，蒸发器34的多个部分可被堵塞以增加其他区域中的流体流52。这种堵塞可通过抗霜装置78的另一实施例来实现，所述抗霜装置78可在蒸发器的多个区段上机械地移动以堵塞流体流，从而增加其他区域中的流体流的速度。
虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，可以在不脱离本公开的精神和范畴的情况下，做出各种改变并且可以进行等效物替换。除非本文另外指明或明显与上下文矛盾，否则本文中的术语“一个”和“一种”以及“该/所述”并不表示对数量的限制，而是应被解释为覆盖单数形式和复数形式。另外，可以应用各种修改来使本公开的教导适于特定情况、应用和/或材料而不脱离其实质范围。因此，本公开不限于本文公开的特定实例，而是包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种换热器，其包括：
外部传热表面；
疏水性涂层，所述疏水性涂层覆盖所述外部传热表面的至少一部分；和
抗霜装置，所述抗霜装置被构造和布置成减轻所述换热器上的积霜。
2.根据权利要求1所述的换热器，其还包括：
多个翅片，并且其中所述外部传热表面由所述多个翅片承载。
3.根据权利要求1所述的换热器，其中所述换热器是蒸发器。
4.根据权利要求1所述的换热器，其中所述抗霜装置被构造和布置成至少从所述疏水性涂层移除冷凝物。
5.根据权利要求1所述的换热器，其中所述抗霜装置包括振动器。
6.根据权利要求5所述的换热器，其中所述振动器包括风扇。
7.根据权利要求5所述的换热器，其中所述振动器包括旋转块。
8.根据权利要求5所述的换热器，其中所述振动器包括线性谐振器。
9.根据权利要求5所述的换热器，其中所述振动器包括压电装置。
10.根据权利要求1所述的换热器，其中所述抗霜装置是被配置成将声波直接发射在所述疏水性涂层上的声学装置。
11.根据权利要求1所述的换热器，其中所述抗霜装置包括光学传感器，所述光学传感器被配置成检测沉积在所述疏水性涂层上的冷凝物和霜中的至少一者。
12.一种空气温度调节系统，其包括：
换热器，所述换热器包括外部传热表面和覆盖所述外部传热表面的疏水性涂层；和
抗霜装置，所述抗霜装置被构造和布置成减轻所述换热器上的积霜。
13.根据权利要求12所述的空气温度调节系统，其中所述空气温度调节系统包括制冷系统。
14.根据权利要求12所述的空气温度调节系统，其中所述空气温度调节系统包括热泵系统。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的空气温度调节系统，其中所述换热器是蒸发器。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的空气温度调节系统，其还包括：
传感器，所述传感器被配置成检测所述疏水性涂层上的冷凝物和霜中的至少一者并输出检测信号；和
电子控制器，所述电子控制器被配置成接收和处理所述检测信号，并且向所述抗霜装置输出启动信号。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的空气温度调节系统，其中所述抗霜装置包括振动器。
18.根据权利要求17所述的空气温度调节系统，其中所述振动器包括风扇。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的空气温度调节系统，其还包括：
冷凝器，并且其中所述抗霜装置包括冷凝器旁路装置。
20.根据权利要求12所述的空气温度调节系统，其还包括：
制冷剂管路，所述制冷剂管路被配置成使制冷剂流入和流出所述换热器；和
电子控制器，所述电子控制器被配置成向所述抗霜装置启动抗霜模式，所述抗霜装置被配置成当处于所述抗霜模式时使制冷剂通过所述制冷剂管路和通过所述换热器的流动反向。
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