CN108369031A - 使用减少量的制冷剂流体的热力学热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热力学热水器(500)，特别是具有400升容量的热水器，其包括形成热泵的传热回路，所述回路包括：a.一低压回路，其包括蒸发器(508)；b.一高压回路，其包括与所述热水器的水箱(502)接触的冷凝器(100)，其特征在于，所述冷凝器包括：bi.两块板，这两块板是叠置并相互压紧的，其中一块板包括一个连续凸台，所述凸台与另一块板配合形成一个导管，所述导管在平行通道中构成冷凝回路；bii.位于单个通道的用于气相制冷剂的入口(110)，所述入口之后是包括多个分流分叉的分配区域(111)，每个分流分叉将输送的流体从一个具有流体截面的通道分配到具有相同流体截面的两个通道中；biii.位于单个通道的用于液相制冷剂的出口(120)，所述出口之前是至少一个汇流区域，所述汇流区域包括多个集中分叉，所述汇流区域将具有相同流体截面的N个通道合并入(I)个具有相同流体截面的通道。

Description

使用减少量的制冷剂流体的热力学热水器

本发明涉及使用减少量的制冷剂的热力学热水器。本发明目的是通过使用热力学热水器中的最小制冷剂容积来实现气体压缩热泵(PAC)，来获得最大热效率。

热泵将来自冷源的热量传递给热源。为此，PAC使用制冷剂流体，能够取决于温度和压力而改变相位。PAC的工作原理在现有技术中是已知的，并且在此仅为了记忆而进行回顾。制冷剂从低压蒸发器流出，在此处，制冷剂从蒸发器吸收蒸发潜热，从液体源获取热能，形成气态。压缩机对该气体进行加压，然后将气体引导至冷凝器，在此处，所述经压缩的气体通过从气态转变为液态并释放凝结潜热而将热量传递给热源。减压器降低离开冷凝器的液态制冷剂的压力，然后将所述流体再次导向蒸发器。这样，包括蒸发器、压缩机、冷凝器和减压器的传热回路就构成一个密封的闭合回路，该闭合回路的体积由所需的热性能决定，并限定了该装置运作所需的制冷剂的数量。通常，制冷剂是诸如氢氟烃(HFC)之类的气体。这些氟化气体对环境有潜在危害，特别是在温室效应方面。也可以使用其他传热流体如氨或液化石油气(LPG)如异丁烷或丙烷，但是它们有毒性或易燃特性(与碳氢化合物有关)，因而严格限制了在这种情况下可使用的流体的数量。在制冷剂的量减少的情况下，传热回路的体积必须减小。

在热力学热水器的情况下，热源是由热水器产生的生活热水构成。

文献FR2963416描述了一种热力学热水器，特别地包括冷凝器，其被优化以允许使用减少量的制冷剂。在现有技术的该文献中所描述的热力学热水器是令人满意的，然而，现有技术的这个例子不适用于生产容积大于200升且最大工作压力大于15巴(绝对压力)的热力学热水器。然而，为了达到作为最小阈值的55℃的热水温度，仅使用热泵，那么必须使用取决于制冷剂的15巴至25巴之间的冷凝压力。

使用减少量的制冷剂(最多150克丙烷)，涉及在不降低交换表面的情况下减少换热器的体积。除了这些约束之外，还有经受热机械循环的传热回路的部件的机械强度约束以及各种管道中的流体流动约束，从而限制了压降。

本发明的目的就是解决现有技术的缺点，并且为此目的提供了一种热力学热水器，特别是具有400升容量的热水器，它包括形成热泵的传热回路，其包括：

a.一低压回路，其包括蒸发器；

b.一高压回路，其包括与所述热水器的水箱接触的冷凝器，所述冷凝器包括：

bi.两块板，这两块板是叠置并相互压紧的，其中一块板包括一个连续凸台，所述凸台与另一块板配合形成一个导管，所述导管在平行通道中构成冷凝回路；

bii.位于单个通道的气相制冷剂入口，所述入口之后是包括多个分流分叉的分配区域，每个分流分叉将输送的流体从一个具有流体截面的通道分配到具有相同流体截面的两个通道中；

biii.位于单个通道的液相制冷剂出口，所述出口之前是至少一个汇流区域，所述汇流区域包括多个集中分叉，所述汇流区域将具有相同流体截面的N个通道合并入([N/2]+1)个具有相同流体截面的通道。

该冷凝器以完善方式采纳文献FR2963416中所描述的冷凝器的数个特征。通过分流分叉和集中分叉的组合，可以使所有平行通道内的传热流体的流动被均匀分布，从而提高冷凝器与生活热水之间的热交换效率。

在本文中，分叉、分柳分叉或汇流的区域是一个流通截面可变的几何区域。一个通道是由恒定的流通截面所定义的。分叉区终止于通道的入口处，并且开始于流动方向的通道的末端。

本发明可有利地根据下面描述的实施例及其变化形式进行实施，这些例子可被认为是单独的或在技术操作上可进行任意组合。

有利地，冷凝器的集中分叉或分流分叉，在分叉腔室中液体连通于具有流体截面的多个通道并且优选3个通道，并且分叉腔室的投影面积和所述分叉腔室的保持周边之间的比小于6mm²/mm，优选小于5.5mm²/mm。这个比例可以在分叉区域获得更高的抗疲劳性，这是通过增加面向受压的分叉表面的保持周边的焊接长度。

有利地，冷凝器通道的流通截面是盘段状，其弧形部分由凸台形成，并且其截面与该弧线的长度之间的比例在0.7mm²/mm和1.1mm²/mm之间，优选地在0.9mm²/mm和1mm²/mm。这种结构可以相对于通道的体积获得高的交换表面，同时确保所述通道对由压力所产生的应力有一定阻力，并将压力损失保持在可接受的限度内。另外，所述通道的扁平形状可以使冷凝器围绕热水器的水箱，而没有夹住通道的风险。

有利地，在两个分流分叉之间的恒定截面的通道中的制冷剂的路径长度，小于或等于通道截面的2个弦长。这种结构使得能够快速地将流体流分成进入冷凝器的蒸气相，同时确保分配区的机械强度(尤其机械疲劳)。

有利地，分隔两个平行通道的距离大于或等于通道的流通截面的1.5个弦长且小于或等于通道的流通截面的5个弦长。这种结构通过机翼效应，确保了分隔两个通道的区域和大的交换表面的机械强度。

根据一个具体实施例，构成冷凝器的叠置和互相压紧的所述板，由总厚度在1.5mm和2mm之间的铝合金制成，并且所述冷凝器的通道的流通截面的弦长等于7毫米。该实施例特别适用于使用最大工作压力在15和25巴之间的制冷剂(如丙烷)的家用热力学热水器。

有利地，冷凝器的展开形式是矩形的，所述冷凝器中的制冷剂的入口和出口是位于矩形的同一大侧边的中部。因此，在热水器的水箱周围的冷凝器被驱动期间，热力学热水器中的冷凝器的入口和出口的位置可完美地受控。

有利地，本发明的热水器主题的蒸发器包括由具有翅片的、外直径为5mm的管构成的热交换回路。因此，对于该蒸发器使用小直径的管可与冷凝器互相配合，从而减少所使用的制冷剂的量。

根据一个有利的实施例，蒸发器在其入口处包括一分配箱，该分配箱包括将制冷剂流导向两个并联回路并且优选地导向3个并联回路的旁路，所述回路具有直径相同的翅片管。

有利地，本发明主题的热水器中所使用的制冷剂是碳氢化合物，并且在传热回路中所包含的流体的量小于150克。因此，本发明的热水器主题的传热回路适合安全地使用一气体，所述气体在100年的全球变暖潜能值(即GWP)小于或等于150。

气体的全球变暖潜能值(GWP)用于衡量其吸收地球所释放的红外辐射的能力，即与相同质量的二氧化碳(CO₂)在同一期间的能力相比，所述气体在100年内产生温室效应的能力。

下面根据本发明的优选实施例并结合图1至图6，对本发明进行说明，而这些实施例不起限制作用。其中：

图1是适用于本发明主题的热力学热水器的冷凝器的代表性例子的前视图；

图2显示了图1中所限定的AA剖面的局部细节图，它是图1中示出的冷凝器中的制冷剂输送通道的例子；

图3是图1的冷凝器上将6个通道合并成4个通道的合并区域的细节图。其中，使用多个以六边形图案组织的集中分叉；

图4详细显示了图1中冷凝器实例的分配区域，其中通过一系列的将一通道分成二通道的分叉，将1个通道分成6个通道。

图5以透视图和切割方式，显示了本发明的一个热水器实例。

以及，图6以正视图示意性地显示了适合作为本发明主题的热水器的一个蒸发器实例。

这些实施例是非限制性的，本发明更具体地涉及容积在150升和270升之间并且可高达400升的热力学热水器，其中使用更少的、总量为150克的制冷剂。

在图1中，根据一个代表性的实施例，本发明的热力学热水器的冷凝器(100)呈矩形板的形式，包括入口(110)和出口(120)之间延伸的冷凝回路，其中，在入口处所述制冷剂以蒸气形式抵达，而在出口处所述流体以液相离开冷凝器。所述冷凝器(100)能够弹性地卷绕，从而放置在热水器的水箱四周。如在文献FR2963416中所述，位于矩形的短边上的紧固装置(151,152)用于将其维持所述卷绕结构。所述冷凝回路由在冷凝器表面上延伸的多个平行通道构成。为了该目的，蒸气进入流在分配区域(111)内在短距离内被快速地分入多个通道。通过该分配区(111)后，在制冷剂的流动的方向上，通道的数量是减少的，从而使得制冷剂通过单个出口(120)离开所述液相冷凝器。通道的合并是在汇流区域(121,122)中进行，从而将来自N个通道的制冷剂流均匀地分配到([N/2]+1)通道。[N/2]是数值N/2的缺省的整数部分。

因此，根据一个代表性的实施例，第一合并区域(121)能够将六个通道的制冷剂流传输至四个通道，然后，第二合并区域(122)可以将来自这四个通道的制冷剂流分配到3个通道。根据这个代表性实施例，在进入第一合并区域(121)之前，每个通道承载1/6的比特率，然后在该合并区域(121)的输出端处，每个载体通道承载1/4的比特率。根据其它代表性的实例(未示出)，合并区域可将8个通道集中到5个通道中，将5个通道集中到3个通道中，将3个通道集中到2个通道中，甚至将7个通道集中到4个通道中。在分配区域(110)层面，蒸气流被系统性地先一分为二，从而确保流体的均匀分配以及分配区域的机械强度。根据一个代表性实施例，来自该第一分叉的每个通道，然后又被分成两个通道，并依此类推；这样，基于该代表性的实例，到达第一合并区域的通道数量必须是偶数，即等于2、4、6、8、10或更多通道。

在图2中，根据一个代表性实施例，本发明主题的热水器的冷凝器由两个板(201,202)构成(例如铝合金)，一个板被压合在另一个板上并组装。根据非限制性和非排他性的代表性实施例，所述的板(201,202)的装配是通过局部焊接区(230)实现的，其中可通过焊接或通过扩散接合(扩散结合)。第一板(201)维持扁平状而第二板(202)为凸台状，使得当装配所述板(201,202)时，根据该代表性实施例，所述凸台界定了其流通截面(210)为盘段(segment de disque)的形式的通道。根据非限制性的代表性实施例，第二板的凸印是在装配所述板之前，通过冲压或成型轮进行的。或者，凸印是在所述板的装配之后进行，例如通过膨胀。在这种情况下，将扩散阻挡剂以形成冷凝回路的图案方式施涂于所述板中一个板之上，使得两个板在扩散接合期间，在未来的通道位置处不发生结合。扩散结合后，通过膨胀、热变形而成冷凝回路。根据一个代表性的实施例，板的总厚度在1.5mm和2mm之间。在热力学热水器运行期间，冷凝器通道会受到来自压缩机的制冷剂的压力。在通道以及总体上的冷凝回路层面，这种压力倾向于使板(201,202)彼此远离。对于给定的操作压力，这个偏压与通道的宽度(211)成正比。该宽度(211)基本上等于盘段的弦长。此外，冷凝器宜是可卷绕的以便置入热水器的水箱中，在不危害通道的情况下，该卷绕的容许曲率半径甚至可低于所述通道的高度，即两个板(201,202)之间的最大距离很小。最后，当通道的流通截面(210)越小，那么在给定的制冷剂流速情况下，所述流体在通道中的流速是越高的，则压力下降甚至高于该流通速度。所使用的通道的流通截面(210)和宽度(211)之间的比率在0.7mm²/mm和1.1mm²/mm之间，更具体地在0.9mm²/mm和1mm²/mm之间，从而为预期应用实现这些冲突性限制因素之间的最佳匹配。更具体地，根据优选实施例，通道的宽度(211)为7mm，而对于9.52mm2的流通截面，比率为0.93mm²/mm。

回到图1，通道被组织成平行通道网络，从而构成冷凝回路。为了确保在两个通道之间的焊接固定，两个平行通道之间的距离(130)至少等于1.5个通道宽度，并且优选至少等于2个通道宽度。

在图3，在合并区域(121)的细节视图中，包括了数个集中分叉(320)。根据本发明，无论是集中分叉还是分流分叉，是与3个通道的流体是液体连通的。所述3个通道具有基本相同的截面，并且彼此以120°(2π/3弧度)的方向延伸。每个通道的流通截面通向所述分叉腔室，所述腔室的体积与未压花板上的所述腔室的投影面积(325)是成比例的。这个腔室受到制冷剂的压力，这个压力产生了一个倾向于分开两个板的偏压。该偏压与腔室的投影面积(325)是成比例的，该投影面积对应于流体流的流通截面被扩大的区域。该截面的加宽导致所述分叉腔室的焊区边缘(321,322,323)上的应力的增加。所述边缘的增加的长度构成维持分叉(320)的周边。此外，位于分叉腔室的边缘(321,322,323)上的焊接区域，是在热力学热水器运行期间在冷凝器中受到最大应力的区域。由于分叉腔室的投影面积(325)较高并且保持周边较小，所以更需要所述焊接。有利地，投影面积(325)与保持周边之间的比例小于6mm且优选地小于5.5mm。在不构成理论的情况下，这个几何约束是由冷凝器的热机械循环中的疲劳试验所确定的，如果一个分叉腔室与三个以上的通道是流体连通的话，那么这个几何约束是不能被考虑的。而且，为了实现包括多于3个通道的合并区域，集中分叉在网络中以六边形模式相互连通。因此，通过并置K个分叉模式的连通，其中两个并置的分支模式是液体流通的，则六边形的叠加分叉允许将在K+3个通道合并成K个通道，或将(K+2)个通道合并成(K+1)个通道，连接于所述模式的通道的最大数目是(2K+3)。当然，相同类型的分叉连通模式也可以用于将流分开，例如将K个通道分成(K+3)个通道，然而约束条件是必须首先将抵达的蒸气流先一分为二，以便确保对流体的优良分配。

图4，根据一个代表性实施例，分配区(110)包括多个分流分叉(410)。根据本发明，第一分叉用于将入流一分为二。根据该代表性的实施例，通过将每个通道的流分入两个具有相同的流通截面的通道，从而实现后续连续的分流。为集中分叉所设定的条件，适用于分流分叉，即对于每个分叉，分叉腔室的投影面积(415)与保持周长(对应于与所述分叉腔室邻接的组装段(411,412,413)的总长度)的比例，必须小于6mm，并且优选地小于5.5mm。另外，在本实施例的结构中，用将1通道分为2通道的连续分叉进行分流的情况下，两个分叉之间的通道长度(416)小于或等于2个通道宽度。

在图5中，根据一个代表性实施例，本发明主题的热力学热水器(500)的包括适于容纳热水的圆柱形水箱(502)。本发明主题的热水器(500)的水箱适于容纳可高达400升的热水。水网的冷水通过入口(503)(优选地，该入口位于水箱下部)进入所述水箱(502)，并且生活热水从出口(504)出来，该出口优选地位于加热器的上部。水箱被一隔热层(505)所包围。本发明主题的热水器的传热回路形成一个回路并包括一个压缩机(509)、围绕在箱体(502)的冷凝器(100)、减压器(511)和蒸发器(508)。压缩机(509)、蒸发器(508)和减压器(511)位于热水器500的顶部。冷凝器(100)优选地放置在热水器下部，且位于水箱(502)和隔热层(505)之间。传热回路包括：在减压器(511)、蒸发器(508)和压缩机(509)之间延伸的低压回路，以及在压缩机(509)、冷凝器(100)入口(110)、冷凝器的出口(120)和减压器(511)之间运作的高压回路。被压缩机(509)压缩的制冷剂，以气相方式通过入口(110)的通道进入冷凝器。在所述冷凝器(100)的入口(110)和出口(120)之间，制冷剂冷凝为液相，并将其热量传递给热水器的水箱(502)中所容纳的水。冷凝器(100)优选地被安装成使得分配区(111)之后的制冷剂的流动基本上是向下的。在冷凝器(100)中承载制冷剂的微通道，减少了传热回路中所需的流体量，同时利用了与热水器的水箱(502)的大交换表面。在蒸发器(508)中，处于液相和低压的制冷剂变为气相，并与安装有热水器(500)的房间内的通风环境空气接触。在该相变过程中，所述流体从环境中获取气化潜热。或者，空气可通过独立回路从外部引入。

在图6中，为了限制传热回路中存在的制冷剂的量并由此可以使用碳氢化合物作为制冷剂(所述致冷剂的温室效应低但易燃)，本发明主题的热水器使用体积减少的蒸发器(508)。

为此，所述蒸发器由多个翅片管(600)构成，其中管(601)由铜构成而翅片(602)是铝合金。根据现有技术，这种蒸发器由多个回路组成，制冷剂从一个回路流到另一个回路，这称为一个线圈，并且这些线圈是级联的。根据现有技术，黄铜管的典型直径为7mm、7.94mm或9.52mm。本发明主题的热水器的蒸发器使用直径小于或等于5mm的铜管。管的小直径减小了传热回路的体积，并因此减少了所需的制冷剂的量。另一方面，在给定的流体循环率下，这种小的直径增加了流体的循环速度，增加了流动的雷诺数，并导致荷载损失的增加至在第一近似情况下基本上相等于流量直径减小系数的平方。因此，从直径7毫米到直径5毫米导致的线性压力下降至少是加倍的。为了限制这种效应，蒸发器被构造成：使制冷剂并联流动而不是级联流动于所述直径减小的翅片管中。因此，根据代表性实施例，所述蒸发器包括：用于在减压器和蒸发器的入口之间分配液态制冷剂的箱体(610)。

以上描述和代表性的实施例表明，本发明实现了以下目标：生产家用热水容量可高达400升的热力学热水器，同时将制冷剂的用量限制为少于150克碳氢化合物。

Claims (10)

1.一种热力学热水器(500)，

特别是具有400升容量的热水器，所述热水器包括形成热泵的传热回路，所述回路包括：

a.一低压回路，其包括蒸发器(508)；

b.一高压回路，其包括与所述热水器的水箱(502)接触的冷凝器(100)，其特征在于，所述冷凝器包括：

bi.两块板(201,202)，这两块板是叠置并相互压紧的，其中一块板(202)包括一个连续凸台，所述凸台与另一块板(201)配合形成一个导管，所述导管在平行通道中构成冷凝回路；

bii.位于单个通道的气相制冷剂入口(110)，所述入口之后是包括多个分流分叉(410)的分配区域(111)，每个分流分叉将输送的流体从一个具有流体截面的通道(210)分配到具有相同流体截面的两个通道中；

biii.位于单个通道的液相制冷剂出口(120)，所述出口之前是至少一个汇流区域(121，122)，所述汇流区域包括多个集中分叉(320)，所述汇流区域(121，122)将具有相同流体截面的N个通道合并入([N/2]+1)个具有相同流体截面的通道。

2.如权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述冷凝器的集中分叉(320)或分流分叉(410)，在分叉腔室中液体连通于具有流体截面的多个通道，并且优选3个通道；并且所述分叉腔室的投影面积(325，415)和所述分叉腔室的保持周边之间的比例小于6mm²/mm，优选小于5.5mm²/mm。

3.如权利要求2所述的热水器，其特征在于，所述冷凝器通道(100)的流通截面(210)是盘段状，其弧形部分由凸台形成，并且其截面与该弧线长度之间的比例在0.7mm²/mm和1.1mm²/mm之间，优选地在0.9mm²/mm和1mm²/mm。

4.如权利要求3所述的热水器，其特征在于，在两个分流分叉(410)之间的恒定截面的通道中的制冷剂的路径长度(416)，小于或等于通道截面的2个弦长(211)。

5.如权利要求3所述的热水器，其特征在于，分隔两个平行通道的距离(130)大于或等于通道的流通截面(210)的1个弦长(211)且小于或等于通道的流通截面(210)的5个弦长(211)。

6.如权利要求3所述的热水器，其特征在于，构成冷凝器(100)的叠置和互相压紧的所述板(201，202)，由总厚度在1.5mm和2mm之间的铝合金制成，并且所述冷凝器的通道的流通截面的弦长(211)等于7毫米。

7.如权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述冷凝器(100)的展开形式是矩形，所述冷凝器中的制冷剂的入口(110)和出口(120)是位于所述矩形的同一大侧边的中部。

8.如权利要求6所述的热水器，其特征在于，所述蒸发器(508)包括由具有翅片(602)且外直径为5mm的管(601)构成的热交换回路。

9.如权利要求8所述的热水器，其特征在于，所述蒸发器(508)在其入口处包括一分配箱(610)，该分配箱包括将制冷剂流导向两个并联回路并且优选地导向3个并联回路的旁路，所述回路具有直径相同的翅片管(600)。

10.如权利要求1所述的热水器，其特征在于，所述的制冷剂是碳氢化合物，并且在传热回路中的流体的量小于150克。