CN108981424A - 换热器和热水器 - Google Patents

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CN108981424A CN201710406662.2A CN201710406662A CN108981424A CN 108981424 A CN108981424 A CN 108981424A CN 201710406662 A CN201710406662 A CN 201710406662A CN 108981424 A CN108981424 A CN 108981424A
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岳宝
刘和成
大森宏
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/08—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D7/082—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag with serpentine or zig-zag configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H7/00—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release
    • F24H7/02—Storage heaters, i.e. heaters in which the energy is stored as heat in masses for subsequent release the released heat being conveyed to a transfer fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H9/00—Details
    • F24H9/18—Arrangement or mounting of grates or heating means
    • F24H9/1809—Arrangement or mounting of grates or heating means for water heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses

Abstract

本发明提供了一种换热器和热水器，其中，换热器包括壳体；换热管，呈蛇形设置在壳体内，换热管设置有进水口和出水口；相变材料，设置在壳体内；翅片，均匀的分布在壳体内，换热管穿过翅片；其中，蛇形的换热管的管束之间的间距由进水口至出水口逐渐减小。本发明提供的换热器，相变材料设置在壳体内，蛇形的换热管的管束之间的间距由进水口至出水口逐渐减小，实现了水温高的位置相变材料与换热管接触的面积小，进而传递的热量减少；水温低的位置，相变材料与换热管接触的面积变大，进而传递的热量增多，从而使相变材料在由换热管分隔开的各区域同时完全融化/凝固，提高了相变材料的换热效率，节约了成本。

Description

换热器和热水器
技术领域
本发明涉及家用电器技术领域，具体而言，涉及一种换热器和热水器。
背景技术
目前，在家用电热水器中，利用相变材料换热器替代水箱，不仅可以大幅减小电热水器的体积，还可以避免水箱出现的死水区，减小水垢的产生，增加用户的卫生健康体验。
相关技术中，一方面，应用于空调或冰箱的翅片管换热器完全是标准化的换热元部件，即管径、管间距、翅片厚度、翅片形状和翅片密度等参数都是标准系列化的。该类翅片管换热器的换热介质为制冷剂和空气，制冷剂和空气之间的换热是通过自然对流或强制对流的方式进行的，因而换热器的基本设计参数是基于对流换热模型或换热关联式计算获得的。
另一方面，应用于相变材料的翅片管换热器(即管内通道为水，管外填充相变材料，同时为了让相变材料的换热更加充分，管外侧用翅片加强换热)，水和相变材料之间的换热是以导热为主(即固相相变材料完全依靠导热传递热量，粘度大的液相材料除了以对流换热的方式进行热传递，也以导热为主)，若参照冰箱或空调翅片管换热器进行设计，必然会产生较大的误差，甚至设计的换热器不能满足换热性能要求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于，提供一种换热器。
本发明的另一个目的在于，提供一种热水器。
有鉴于此，根据本发明的一个目的提出了一种换热器，包括壳体；换热管，呈蛇形设置在壳体内，换热管设置有进水口和出水口；相变材料，设置在壳体内；翅片，设置在壳体内，换热管穿过翅片；其中，蛇形的换热管的管束之间的间距由进水口至出水口逐渐减小。
本发明提供的换热器，相变材料设置在壳体内，蛇形的换热管的管束之间的间距由进水口至出水口逐渐减小。当相变换热器储热时，高温热水沿换热管由进水口流至出水口，热量由水传递给相变材料，相变材料受热，使其由固态逐渐变为液态，即逐渐融化。同时，水温沿水流动方向逐渐下降，越靠近进水口处水温越高，越靠近出水口处水温越低，而由于蛇形换热管的管束之间的间距由进水口至出水口逐渐减小，实现了水温高的位置相变材料与换热管接触的面积小，进而传递的热量减少；水温低的位置，相变材料与换热管接触的面积变大，进而传递的热量增多，同时，翅片均匀分布在壳体内，进一步地，使不同位置的相变材料由高温热水吸收来的热量相同，从而使相变材料在由换热管分隔开的各区域同时完全融化；相反地，当相变换热器放热时，由于蛇形换热管的管束之间的间距由进水口至出水口逐渐减小，使相变材料在由换热管分隔开的各区域内实现同时完全凝固，提高了相变材料的换热效率，节约了成本。进一步地，蛇形的换热管的U型弯管由折弯加工工艺实现，而非焊接方式，从而避免了过多的弯管焊接所带来的密封、泄露、表面粗糙等换热器加工的可靠性问题，简化了加工难度，提高了可靠性。
另外，本发明提供的上述实施例中的换热器还可以具有如下附加技术特征：
在上述技术方案中，优选地，翅片为整体式翅片或分体式翅片。
在该技术方案中，翅片可以是整体式的，也可以是分体式的。一方面，翅片设置成整体式翅片，便于换热器的安装与维修，降低加工成本；另一方面，将翅片设置成分体式翅片，在管束之间的间距越大的位置，翅片的翅高设置的越高，增加了换热面积，以使热量传递的更快，进而使相变材料在由换热管分隔开的各区域实现同时完全融化/凝固，进一步的提高了相变材料的换热效率，节约了成本；其中，翅片的形状可以为方形、圆形或其他形状。
在上述任一技术方案中，优选地，翅片为螺旋翅片。
在该技术方案中，将翅片设置成螺旋翅片，一方面，免去了现有技术中的涨管工序，简化了换热器的加工工艺，降低了换热器的加工成本；另一方面，当相变材料处于液相时，螺旋翅片强化了相变材料的对流换热效果，从而提高了换热器的换热效率。其中，翅片可以为圆形平翅，或丝状缠绕，裂开翅片。
在上述任一技术方案中，优选地，管束之间的间距的二分之一与翅高的差值小于等于换热管的管径的1/X，X的取值范围为5至10。
在该技术方案中，管束间距的二分之一与螺旋翅片的翅高之差小于等于换热管的管径的1/10或1/5，以保持较大的旋翅螺距，从而便于相变材料的充注和保持液相相变材料的流动性。其中，X的取值范围优选地为5至10，螺旋翅片的螺距和翅高是根据所选相变材料的物性参数，管参数进行设计和优化，进而降低整个换热器的材料成本和加工成本。
在上述任一技术方案中，优选地，螺旋翅片的螺距的取值范围为3mm至8mm。
在该技术方案中，螺旋翅片的螺距的取值范围为3mm至8mm，便于相变材料的充注和保持液相相变材料的流动性，提高了相变材料的对流换热效果，进而提高了换热器的换热效率。
在上述任一技术方案中，优选地，翅片上设置有开孔，位于相邻管束之间。
在该技术方案中，在翅片上除设置换热管孔用于连接换热管外，还在翅片上设置了开孔，既增加了相变材料的对流性，强化了相变材料的对流效果，进而提高了换热器的换热效率，同时又便于相变材料的充注。另外，翅片通过导热方式将热量传递给相变材料，所以仅在相邻管束之间的翅片上设置开孔，这样一来又保证了翅片的导热性能。其中，孔的布排方式为顺排，从而进一步地提高了换热器的换热效率。
在上述任一技术方案中，优选地，开孔的孔距的取值范围为管束间距与换热管管径的差值的1/8至1/3。
在该技术方案中，翅片以导热的形式将热量传递给相变材料，液相的相变材料之间通过对流进行换热，翅片开孔的孔距的大小主要取决于三方面的因素：相变材料充注的便利性、对以导热传热方式和以对流传热方式的换热性能的影响，而将孔距设置在管束间距与换热管管径的差值的1/8至1/3之间，既保证了翅片的导热换热性能，又提高了相变材料的对流换热性能，从而进一步的提高了换热器的换热效率。
在上述任一技术方案中，优选地，换热管折弯处的直径大于其所对应的管束间距。
在该技术方案中，将换热管折弯处的直径设计大于管束间距，从而实现管束间距较小时的U型折弯，解决了换热器加工过程中，U型折弯半径越小，加工难度越大，U型折弯半径过小时，折弯时会出现扁管的问题。
在上述任一技术方案中，优选地，换热管折弯弧度的取值范围为180度至240度。
在该技术方案中，蛇形换热管的折弯管由管体折弯而成，不需要进行焊接，保证了换热管的密封性能和换热管的表面粗糙度，同时，将换热管折弯弧度的取值范围设置在180度至240度，从而避免了折弯时出现扁管，降低了加工难度。
本发明的第二个目的提出了一种热水器，因包括第一个目的所述的换热器，因此，具有所述换热器的全部有益技术效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出本发明第一方面实施例提供的换热器的结构示意图；
图2示出图1所示实施例中热源温度为60℃时的相变前沿发展速度图；
图3示出图1所示实施例中热源温度为80℃时的相变前沿发展速度图；
图4示出相变前沿发展速度与热源温度之间关系的线性拟合图；
图5示出分体式翅片的换热器结构示意图；
图6示出整体式翅片开孔的结构示意图；
图7示出具有螺旋翅片的换热器的结构示意图；
图8示出换热管的折弯管结构示意图。
其中，图1至图8中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1换热器，10壳体，12换热管，102进水口，104出水口，14相变材料，16翅片，162整体式翅片，1622开孔，1624换热管孔，164分体式翅片，166螺旋翅片，121第一管束，122第二管束，123第三管束，124第四管束，125第五管束，126第六管束，127第七管束，128第八管束，129折弯管。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
下面参照图1至图8描述根据本发明一些实施例所述换热器1。
如图1所示，本发明提出了一种换热器1，包括壳体10；换热管12，呈蛇形设置在壳体10内，换热管12设置有进水口102和出水口104；相变材料14，设置在壳体10内；翅片16，设置在壳体10内，换热管12穿过翅片16；其中，蛇形的换热管12的管束(管束121至管束128)之间的间距由进水口102至出水口104逐渐减小。
本发明提供的换热器1，相变材料14设置在壳体10内，蛇形的换热管12的管束(管束121至管束128)之间的间距由进水口102至出水口104逐渐减小。当相变换热器1储热时，高温热水沿换热管12由进水口102流至出水口104，热量由水传递给相变材料14，相变材料14受热，使其由固态逐渐变为液态，即逐渐融化。同时，水温沿水流动方向逐渐下降，越靠近进水口102处水温越高，越靠近出水口104处水温越低，而由于蛇形换热管12的管束(管束121至管束128)之间的间距由进水口102至出水口104逐渐减小，实现了水温高的位置相变材料14与换热管12接触的面积小，进而传递的热量减少；水温低的位置，相变材料14与换热管12接触的面积变大，进而传递的热量增多，同时，翅片16均匀分布在壳体10内，进一步地，使不同位置的相变材料14由高温热水吸收来的热量相同，从而使相变材料14在由换热管12分隔开的各区域同时完全融化；相反地，当相变换热器1放热时，由于蛇形换热管12的管束(管束121至管束128)之间的间距由进水口102至出水口104逐渐减小，使相变材料14在由换热管12分隔开的各区域内实现同时完全凝固，提高了相变材料14的换热效率，节约了成本。进一步地，蛇形的换热管12的U型弯管由折弯加工工艺实现，而非焊接方式，从而避免了过多的弯管焊接所带来的密封、泄露、表面粗糙等换热器1加工的可靠性问题，简化了加工难度，提高了可靠性。
具体实施例中，翅片16为均匀分布的铜、铝或不锈钢整体平翅，翅片16厚度、密度等翅片16参数根据管参数、相变材料14物性参数、以及系统的储热量和储/放热功率所设计和优化，优选地，翅片16厚度为0.1mm至0.5mm，密度为20 0片/米至800片/米。通过设置不等间距的管束和均匀布置的翅片16，使得相变材料在储/放过程中，在各区域同时完成融化(储热过程)和凝固(放热过程)，从而提高相变材料14热量的有效利用率。
具体实施例中，取决于相变材料14的相变温度、固液相的比热和导热系数等物性参数，换热器1的设计参数(包管径、翅片16高度和密度)，以及换热流体的温度，相变材料14的相变前沿的传递速度不同，如图2至图4所示，当材料的相变温度为58℃，初始温度为50℃，热源温度分别为60℃和80℃时，相变材料14储热过程中相变前沿的发展速度，拟合成无量纲名义速度(相对60℃的热源温度)与热源温度之间的线性关系。从中可以发现，热源温度每升高5℃，相变前沿发展速度加快一倍，即管间距应当增加一倍。
如图2和图3所示，假定相变材料14物性参数如下：相变温度为58℃，相变潜热为250kJ/kg，固相和液相的比热容分别为2和2.5kJ/kg/K，固相和液相的导热系数分别为0.5和0.6W/m/K。假定各管程的温度如下：离出口最近的单管58和57流程中流体的平均温度为60℃，单管57和56流程中流体平均温度为65℃，以此类推，离入口最近的单管52和51流程中流体的平均温度为90℃，则不等管间距应如下布排：管58和57的间距为1，管57和56的间距增长倍数为拟合直线的斜率0.28与温差5℃的乘积，即1.4，则管57和56的间距为2.4，以此类推，管56和55的间距为3.8，离入口最近的管52和51的间距为8.4。
在本发明的一个实施例中，优选地，翅片16为整体式翅片162或分体式翅片164。
在该实施例中，如图1、图5和图6所示，翅片16可以是整体式的，也可以是分体式的。一方面，翅片16设置成整体式翅片162，便于换热器1的安装与维修，降低加工成本；另一方面，将翅片16设置成分体式翅片164，在管束之间的间距越大的位置，翅片16的翅高设置的越高，增加了换热面积，以使热量传递的更快，进而使相变材料14在由换热管12分隔开的各区域实现同时完全融化/凝固，进一步的提高了相变材料14的换热效率，节约了成本，其中，翅片16的形状可以为方形、圆形或其他形状。
在本发明的一个实施例中，优选地，翅片16为螺旋翅片166。
在该实施例中，如图7所示，将翅片16设置成螺旋翅片166，一方面，免去了现有技术中的涨管工序，简化了换热器1的加工工艺，降低了换热器1的加工成本；另一方面，当相变材料14处于液相时，螺旋翅片166强化了相变材料14的对流换热效果，从而提高了换热器1的换热效率。其中翅片16可以为圆形平翅，或丝状缠绕，裂开翅片。
在本发明的一个实施例中，优选地，管束之间的间距的二分之一与翅高的差值小于等于换热管12的管径的1/X，X的取值范围为5至10。
在该实施例中，管束(管束121至管束128)间距的二分之一与螺旋翅片166的翅高之差小于等于换热管12的管径的1/10或1/5，以保持较大的旋翅螺距，从而便于相变材料14的充注和保持液相相变材料14的流动性。其中，X的取值范围优选地为5至10，螺旋翅片166的螺距和翅高是根据所选相变材料14的物性参数，管参数进行设计和优化，进而降低整个换热器1的材料成本和加工成本。
在本发明的一个实施例中，优选地，螺旋翅片166的螺距的取值范围为3mm至8mm。
在该实施例中，螺旋翅片166的螺距的取值范围为3mm至8mm，便于相变材料14的充注和保持液相相变材料14的流动性，提高了相变材料14的对流换热效果，进而提高了换热器1的换热效率。
在本发明的一个实施例中，优选地，翅片16上设置有开孔1622，位于相邻管束之间。
在该实施例中，如图6所示，在翅片16上除设置换热管孔1624用于连接换热管12外，还在翅片16上设置了开孔1622，既增加了相变材料14的对流性，强化了相变材料14的对流效果，进而提高了换热器1的换热效率，同时又便于相变材料14的充注。另外，翅片16通过导热方式将热量传递给相变材料14，所以仅在相邻管束(管束121至管束128)之间的翅片16上设置开孔1622，这样一来又保证了翅片16的导热性能。其中，孔的布排方式为顺排，从而进一步地提高了换热器1的换热效率。具体实施例中，开孔1622的形状可以为圆形、方形等其他形状。
在本发明的一个实施例中，优选地，开孔1622的孔距的取值范围为管束(管束121至管束128)之间的间距与换热管12管径的差值的1/8至1/3。
在该实施例中，翅片16以导热的形式将热量传递给相变材料14，液相的相变材料14之间通过对流进行换热，翅片16开孔1622的孔距的大小主要取决于三方面的因素：相变材料14充注的便利性、对以导热传热方式和以对流传热方式的换热性能的影响，而将孔距设置在管束(管束121至管束128)间距与换热管12管径的差值的1/8至1/3之间，既保证了翅片16的导热换热性能，又提高了相变材料14的对流换热性能，从而进一步的提高了换热器1的换热效率。
在本发明的一个实施例中，优选地，换热管12折弯处的直径大于其所对应的管束间距。
在该实施例中，如图8所示，将换热管12折弯处的直径d1设计大于管束间距d2，从而实现管束间距较小时的U型折弯，解决了换热器1加工过程中，U型折弯半径越小，加工难度越大，U型折弯半径过小时，折弯时会出现扁管的问题。
在本发明的一个实施例中，优选地，换热管12折弯弧度的取值范围为180度至240度。
在该实施例中，蛇形换热管12的折弯管129由管体折弯而成，不需要进行焊接，保证了换热管12的密封性能和换热管12的表面粗糙度，同时，将换热管12折弯弧度的取值范围设置在180度至240度，从而避免了折弯时出现扁管，降低了加工难度。
本发明的第二个实施例提出了一种热水器，因包括第一个实施例所述的换热器1，因此，具有所述换热器1的全部有益技术效果。
在本发明中，术语“安装”、“相连”、“连接”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种换热器，其特征在于，包括：
壳体；
换热管，呈蛇形设置在所述壳体内，所述换热管设置有进水口和出水口；
相变材料，设置在所述壳体内；
翅片，设置在所述壳体内，所述换热管穿过所述翅片；
其中，所述蛇形的换热管的管束之间的间距由所述进水口至所述出水口逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，
所述翅片为整体式翅片或分体式翅片。
3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，
所述翅片为螺旋翅片。
4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，
所述管束之间间距的二分之一与所述螺旋翅片的翅高的差值小于等于所述换热管的管径的1/X。
5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，
所述X的取值范围为5至10。
6.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，
所述螺旋翅片的螺距的取值范围为3mm至8mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的换热器，其特征在于，
所述翅片上设置有开孔，位于相邻所述管束之间。
8.根据权利要求7所述的换热器，其特征在于，
所述开孔的孔距的取值范围为所述管束间距与所述换热管管径的差值的1/8至1/3。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的换热器，其特征在于，
所述换热管折弯处的直径大于其所对应的所述管束间距。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的换热器，其特征在于，
所述换热管折弯弧度的取值范围为180度至240度。
11.一种热水器，其特征在于，包括如权利要求1至10中任一项所述的换热器。
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