CN110425912B - 一种除霜套管换热结构及其控制方法 - Google Patents

一种除霜套管换热结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及蒸发器的结构设计领域，提供了一种除霜套管换热结构及其控制方法，包括：套管换热器，所述套管换热器包括：内管、外管和至少一个第一隔层；外管由内管和第一隔层分隔成两个传热腔；内管中填充有第一工质，传热腔中填充有第二工质；密封旋转轴，密封旋转轴设置在套管换热器的两端，用于控制套管换热器绕轴向旋转预设角度；光电加热结构，光电加热结构设置在套管换热器的一侧，用于对旋转至预设角度的套管换热器进行加热。本发明提供的除霜套管换热结构，基于本套管换热器内结构的特殊设计，避免为除霜而产生的融霜热，不会产生任何附带问题和隐患，能够减轻除霜模式时对整个制冷系统的影响。

Description

一种除霜套管换热结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及蒸发器的结构设计领域，特别涉及一种除霜套管换热结构及其控制方法。
背景技术
在冷冻冷藏装备及冷冻冷藏库内经常出现蒸发器结霜的问题，以冷库内广泛应用的氨系统为例，为了有效除霜，传统的做法是采用热氨融霜的工艺，其中由于操作繁琐复杂，制冷系统压力高，可能存在操作不当造成氨泄漏等相关安全事故，所以存在的安全隐患极大。对氨制冷系统的日常操控及维护，制冷工也要必须取得特种作业操作资格证书，日常维护或一旦泄漏时，对处理人员有很高要求。
由于氨本身属于危化品，尤其当冷库制冷系统液氨量超过10吨时即视为重大危险源，国家也有非常多针对氨制冷装置或系统的法律法规和规范规程。另外氨制冷系统绝大部分设备设施为压力容器或压力管道，国家及所属地区安监局、消防局、质监局等多个部门对氨制冷系统的使用及运行有严格的要求和监控。
另外如大型冷库中由于配置大面积的冷排管蒸发器，存在结霜局部不均的问题，传统的做法是一起除霜，效率低效且耗能、除霜成本高。所以目前人们急需一种能够安全、无污染且精准节能的融霜结构和方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术缺陷和应用需求，本申请提出一种除霜套管换热结构及其控制方法，旨在解决现有融霜过程中存在的安全、污染和能效低等问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种除霜套管换热结构，包括：
套管换热器，所述套管换热器包括：内管、外管和至少一个第一隔层；所述外管由所述内管和所述第一隔层分隔成两个传热腔；所述内管中填充有第一工质，所述传热腔中填充有第二工质；
密封旋转轴，所述密封旋转轴设置在所述套管换热器的两端，用于控制所述套管换热器绕轴向旋转预设角度；
光电加热结构，所述光电加热结构设置在所述套管换热器的一侧，用于对旋转至所述预设角度的所述套管换热器进行加热。
进一步地，所述套管换热器还包括：第二隔层；所述第二隔层与所述内管相切，沿所述外管的一侧延伸至所述外管的另一侧，在所述外管内形成绝热腔。
进一步地，所述外管对应所述绝热腔的外侧设有吸热涂层。
进一步地，所述套管换热器的数量为多个，多个所述套管换热器沿横向依次串接构成换热器列管。
进一步地，还包括：集液管；所述集液管设置在所述换热器列管的两端。
进一步地，所述换热器列管的数量为多个，多个所述换热器列管沿纵向依次并排设置，且由所述集液管连通。
进一步地，所述光电加热结构包括：聚光灯底座、滑轨装置和多个聚光灯；多个所述聚光灯沿横向依次排列并固定在所述聚光灯底座上；所述滑轨装置沿横向设置在所述换热器列管的底部，以使所述聚光灯通过所述聚光灯底座可沿纵向活动。
进一步地，所述内管与所述外管平行设置，且所述内管偏心设置在所述外管中。
为解决上述问题，本发明提供一种除霜套管换热结构的控制方法，包括如下步骤：
步骤S1：判断除霜套管换热结构是否需要除霜；
步骤S2：若除霜套管换热结构的外径大于预设值，则选择进行整体除霜或局部除霜；
步骤S3：若进行整体除霜，则从一侧的换热器列管开始，旋转整列换热器列管对应的全部套管换热器，将光电加热结构移至对应的换热器列管下方，开启光电加热结构进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；旋转下一整列换热器列管对应的全部套管换热器，直至对整个除霜套管换热结构进行除霜。
进一步地，所述步骤步骤S3还包括：若进行局部除霜，则获取需要局部除霜的位置，将光电加热结构移至需要除霜的换热器列管下方，将需要除霜的换热器列管所对应的套管换热器旋转预设角度，开启光电加热结构中对应的聚光灯进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；进行下一位置的局部除霜工作。
(三)有益效果
本发明提供一种除霜套管换热结构及其控制方法，通过设置套管换热器，配合密封旋转轴和光电加热结构对套管换热器进行除霜，该除霜套管换热结构基于本套管换热器内结构的特殊设计，避免为除霜而产生的融霜热，不会产生任何附带问题和隐患，能够减轻除霜模式时对整个制冷系统的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的除霜套管换热结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的套管换热器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的单排排管蒸发器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的单排排管蒸发器的整体除霜示意图；
图5是本发明实施例提供的单排排管蒸发器的局部除霜示意图；
图6是本发明实施例提供的除霜套管换热结构的控制方法的示意图；
其中，1、外管；1a、外管内壁；2b、外管外壁；2、绝热腔；3、第一传热腔；4、最高液位线；5、第二工质；6、第二隔层；7、内管；7a、内管内壁；7b、内管外壁；8、吸热涂层；9、第二传热腔；10、第一工质；11、第一隔层；12、密封旋转轴；13、聚光灯；14、聚光灯底座；15、集液管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种除霜套管换热结构，如图1和图2所示，该除霜套管换热结构包括：套管换热器、密封旋转轴12和光电加热结构。套管换热器包括：内管7、外管1和至少一个第一隔层11。外管1由内管7和第一隔层11分隔成两个传热腔，同时第一隔层11可起到支撑和稳固内管7的作用。两个传热腔分别为第一传热腔3和第二传热腔9，分别均匀设置在外管1的两侧。内管7中填充有第一工质10，传热腔中填充有第二工质5，即第一传热腔3和第二传热腔9均设有第二工质5。密封旋转轴12设置在套管换热器的两端，用于控制套管换热器绕轴向旋转预设角度，密封旋转轴12优选选为动密封旋转轴装置，让套管换热器可绕轴向180°或360°自由旋转。进一步通过沿轴心旋转180°，顺时针和逆时针的方式，改变传热腔工质与内管7和外管1的管壁接触面积，切换为除霜模式，再绕轴向旋转180°切换回正常工作模式。光电加热结构设置在套管换热器的一侧，用于对旋转至预设角度的套管换热器进行加热。
其中，除霜套管换热结构对应的制冷模式和除霜模式的切换，是通过绕轴向旋转套管换热器整体180°来改变传热腔工质与内管7和外管管壁的接触与否，最终实现制冷模式和除霜模式的有效切换，其中除霜时间和频率会根据控制中心反馈和计算来实现自动调节。
在制冷模式时，如图1上图所示，套管换热器依靠重力来实现调整换热量的目的，套管换热器横向水平放置。第一工质10处于内管内壁7a的底部直接与壁面接触，第二工质5处于外管1的底部，第二工质5从外管外壁1b面接触吸热，第一工质10在内管7外壁凝结放热。此时，利用密封旋转轴12控制套管换热器绕轴向旋转180°，切换到除霜模式，如图1下图所示，传热腔内工质由于重力原因，只有气相与外管内壁1a接触换热，换热效率极低且换热量也很小，热量不易从外管1传递达到内管7，打开光电加热结构，采用光电加热结构快速除霜，内管7内工质几乎不受影响，即在除霜时整个制冷系统几乎不受影响，也不存在任何安全隐患。除霜完毕后，再利用密封旋转轴12控制套管换热器绕轴向旋转180°，则再次切换至制冷模式。
其中，外管内壁1a可选用光滑、内螺纹或其它各种以增强换热为目的的管内壁面结构，外管外壁1b根据不同的使用情况，既设置保温层，也可选用光滑、外螺纹、肋片、翅片或其他各种以增强换热为目的的管外表面拓展结构。
本发明实施例提供一种除霜套管换热结构，通过设置套管换热器，配合密封旋转轴和光电加热结构对套管换热器进行除霜，该除霜套管换热结构基于本套管换热器内结构的特殊设计，避免为除霜而产生的融霜热，不会产生任何附带问题和隐患，能够减轻除霜模式时对整个制冷系统的影响。
为提高套管换热器的工作效率，基于上述实施例，在一个优选的实施例中，如图1和图2所示，套管换热器还包括：第二隔层6。第二隔层6与内管7相切，沿外管1的一侧延伸至外管1的另一侧，使得第二隔层6在外管1内形成绝热腔2。
其中，绝热腔2可采用真空绝热腔。真空绝热腔优选为设置为真空区域，起到真空绝热的作用，另外传热系数极低的填充材料可作为绝热腔2的材料。
本实施例中，第一隔层11和第二隔层6均为物理密封隔层，优选为各种绝热或导热系数低的材料。第二隔层6与内管外壁7b相切并将传热腔和绝热腔2隔开，基于本身结构设计和隔层两边的压差又能起到稳固内管位置和减震的作用。第一隔层11将传热腔一分为二，保证了其在旋转套管调节传热模式时，传热腔可以均等分液，另一方面又可起到支撑和稳固内管的作用。
其中，内管7和外管1可选为铜、铝、不锈钢等常用的各种尺寸的传热管材。内管7与外管1平行设置，内管7偏心设置在外管1中，即为非同轴心设计，目的为了使传热腔换热面积最大化。
本实施例中，密封旋转轴12控制套管换热器绕轴向旋转至内管7在上的第一位置时，第二工质5与内管7不接触；密封旋转轴12控制套管换热器绕轴向旋转至内管7在下的第二位置时，第二工质5与外管1不接触。为防止在制冷模式时因外管内第二工质5充液率过高，会导致工质接触内管外壁7b面，或在除霜模式外管内第二工质5接触外管内壁1a面，最后导致其在两个模式下的传热和绝热效果都较差，第二工质5的液位不能超过最高液位线4。
进一步地，外管1对应绝热腔2的外侧还可设置吸热涂层8。优选为对光照射吸收比高的涂层材料，推荐选低温条件下稳定、无毒害且不产生毒性挥发性物质的可与金属材料有效结合的涂层材料。
该除霜套管换热结构还可采用多管串联设计、排管设计以及多层排管设计。如图3所示，套管换热器可设置多个，多个套管换热器沿横向依次串接构成换热器列管，也可称之为单排排管蒸发器。集液管15设置换热器列管的两端。
为提升套管换热器的工作效率，换热器列管的数量也可设置多个，多个换热器列管沿纵向依次并排设置，各列可进行不同的排列组合，由集液管15连通，在两端的集液管15处相通均液，以使工质在整个结构中流通，增加工作效率。集液管15优选为均匀分液集液管，目的是为了实现各列管束内液体分液均匀，换热均匀。
此外，为配合整个结构的运行，如图1所示，光电加热结构包括：聚光灯底座14、滑轨装置和多个聚光灯13。聚光灯13优选为可调功率的聚光灯，要求在除霜模式时聚光照射可精准传热至吸热涂层来融霜，也可根据除霜的工况来调整加热功率，且要求在低温条件下可稳定运行的。多个聚光灯13沿横向依次排列并固定在聚光灯底座14上。滑轨装置沿横向设置在换热器列管的底部，以使聚光灯13通过聚光灯底座可沿纵向活动。聚光灯底座14及滑轨装置优选为可自动电控滑动的滑轨装置，以便自动控制。
为了有效解决如冷库用排管蒸发器大面积的融霜的问题，可通过设置除霜控制系统来调节聚光灯底座14沿横向、纵向移动，也可根据除霜控制系统来自动控制聚光灯13在某一位置，及聚光灯工作的个数来提高除霜效率，从而实现精准融霜的目的。
如图4和图5所示，若进行整体除霜，则从一侧的换热器列管开始，旋转整列换热器列管对应的全部套管换热器，将光电加热结构移至对应的换热器列管下方，开启光电加热结构进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；旋转下一整列换热器列管对应的全部套管换热器，直至对整个除霜套管换热结构进行除霜。若进行局部除霜，则获取需要局部除霜的位置，将光电加热结构移至需要除霜的换热器列管下方，将需要除霜的换热器列管所对应的套管换热器旋转预设角度，开启光电加热结构中对应的聚光灯进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；进行下一位置的局部除霜工作。
本发明实施例提供一种除霜套管换热结构，通过设置套管换热器，配合密封旋转轴和光电加热结构对套管换热器进行除霜，该除霜套管换热结构基于本套管换热器内结构的特殊设计，避免为除霜而产生的融霜热，不会产生任何附带问题和隐患，能够减轻除霜模式时对整个制冷系统的影响。此外，进一步配置聚光灯底座、滑轨装置和除霜控制系统，可调功率的聚光灯来实现精准除高效除霜。
本发明实施例提供一种除霜套管换热结构的控制方法，如图1和图2所示，该除霜套管换热结构包括：套管换热器、密封旋转轴12和光电加热结构。套管换热器包括：内管7、外管1和至少一个第一隔层11。外管1由内管7和第一隔层11分隔成两个传热腔，同时第一隔层11可起到支撑和稳固内管7的作用。两个传热腔分别为第一传热腔3和第二传热腔9，分别均匀设置在外管1的两侧。内管7中填充有第一工质10，传热腔中填充有第二工质5，即第一传热腔3和第二传热腔9均设有第二工质5。密封旋转轴12设置在套管换热器的两端，用于控制套管换热器绕轴向旋转预设角度，密封旋转轴12优选选为动密封旋转轴装置，让套管换热器可绕轴向180°或360°自由旋转。进一步通过沿轴心旋转180°，顺时针和逆时针的方式，改变传热腔工质与内管7和外管1的管壁接触面积，切换为除霜模式，再绕轴向旋转180°切换回正常工作模式。光电加热结构设置在套管换热器的一侧，用于对旋转至预设角度的套管换热器进行加热。更加具体的结构请参阅图1至图3相关的文字描述，在此不再赘述。
该控制方法包括如下步骤：
步骤S1：判断除霜套管换热结构是否需要除霜；
步骤S2：若除霜套管换热结构的外径大于预设值，则选择进行整体除霜或局部除霜；
步骤S3：若进行整体除霜，则从一侧的换热器列管开始，旋转整列换热器列管对应的全部套管换热器，将光电加热结构移至对应的换热器列管下方，开启光电加热结构进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；旋转下一整列换热器列管对应的全部套管换热器，直至对整个除霜套管换热结构进行除霜。
其中，步骤步骤S3还包括：若进行局部除霜，则获取需要局部除霜的位置，将光电加热结构移至需要除霜的换热器列管下方，将需要除霜的换热器列管所对应的套管换热器旋转预设角度，开启光电加热结构中对应的聚光灯进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；进行下一位置的局部除霜工作。
具体地，若采用整体除霜，以单排管整体均匀除霜模式为例，如图4所示，将排管列数进行编号1-N，每一列管段统一编号1-M，实时采集除霜段的实际外管径D，已经无霜层覆盖时的外径设定值Ds，稍大于无霜层覆盖时的管径，目的为了提高除霜检测时的容错率，也可以充分利用余热除剩下的余霜。首先获取聚光灯的位置X(常闭)，判断是距离编号1边管管近or编号N的边管近，然后移动至最近的边管除霜，整列管束旋转180°进入除霜模式，开启全部聚光灯形成加热聚光带均匀除霜，直至霜层厚度低于设定值DX<DS，该列单管除霜完毕，旋转该管束180°切换回正常工作模式，再按照顺序开始下一根管束的除霜，重复以上步骤，直至完成另一侧的扁管除霜为止，最终实现单排管蒸发器整体自动均匀除霜，其自动除霜控制流程即图6左边流程。
具体地，若采用局部除霜，以单排管局部精准除霜模式为例，如图5所示，将排管列数进行编号1-N，每一列管段统一编号1-M，实时采集除霜段的实际外管径D，已经无霜层覆盖时的外径设定值Ds，稍大于无霜层覆盖时的管径，目的为了提高除霜检测时的容错率，也可以充分利用余热除剩下的余霜。首先检测并获取需要局部除霜的管段编号xy(y代表管段号)和需要局部除霜的管段数，再获取现加热聚光灯的位置(常闭)，判断其是否处于目标除霜的管段下方，如不在通过自动电控系统移到相应位置，然后旋转xy管段180°进入除霜模式，只需要开启y段对应的加热光聚灯，进行局部精准除霜，另外如此管段也存在霜层厚度不均问题，也可以调节对应的聚光灯的加热功率，是的除霜更加精准，直至霜层厚度低于设定值DX<DS，该管段除霜完毕，旋转该管段180°切换回正常工作模式，再按照顺序开始下一管段的除霜工作，重复以上步骤，直至完成所有需要定向除霜的管段除霜工作，最终实现单排管蒸发器局部精准自动除霜，其自动除霜控制流程即图6右边流程。
此外，还可同时采用采用整体除霜和局部除霜，以单排管整体均匀除霜模式和局部精准除霜模式为例，可先采用整体除霜，再对剩下的余霜进行局部精准除霜的办法，最终真正实现无霜残留；也可以采用平时使用局部精准除霜的办法维护，然后再定期(周期长)进行整体除霜，此时可适当配合局部精准除霜。整体和局部除霜的搭配可根据不同除霜工况和实际应用场合，进行不同的配合，最终实现蒸发器的无霜或少霜的运行模式。
本发明实施例提供一种除霜套管换热结构的控制方法，通过该控制方法能不会附带问题和隐患，能够减轻除霜模式时对整个制冷系统的影响。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种除霜套管换热结构，其特征在于，包括：
套管换热器，所述套管换热器包括：第二隔层、内管、外管和至少一个第一隔层；所述外管由所述内管和所述第一隔层分隔成两个传热腔；所述内管中填充有第一工质，所述传热腔中填充有第二工质；所述套管换热器的数量为多个，多个所述套管换热器沿横向依次串接构成换热器列管；所述第二隔层与所述内管相切，沿所述外管的一侧延伸至所述外管的另一侧，在所述外管内形成绝热腔；
密封旋转轴，所述密封旋转轴设置在所述套管换热器的两端，用于控制所述套管换热器绕轴向旋转预设角度；
光电加热结构，所述光电加热结构设置在所述套管换热器的一侧，用于对旋转至所述预设角度的所述套管换热器进行加热；
集液管，所述集液管设置在所述换热器列管的两端；
所述换热器列管的数量为多个，多个所述换热器列管沿纵向依次并排设置，且由所述集液管连通，所述光电加热结构包括：聚光灯底座、滑轨装置和多个聚光灯；多个所述聚光灯沿横向依次排列并固定在所述聚光灯底座上；所述滑轨装置沿横向设置在所述换热器列管的底部，以使所述聚光灯通过所述聚光灯底座可沿纵向活动。
2.根据权利要求1所述的除霜套管换热结构，其特征在于，所述外管对应所述绝热腔的外侧设有吸热涂层。
3.根据权利要求1所述的除霜套管换热结构，其特征在于，所述内管与所述外管平行设置，且所述内管偏心设置在所述外管中。
4.一种除霜套管换热结构的控制方法，其特征在于，所述控制方法用于控制如权利要求3所述的除霜套管换热结构，包括如下步骤：
步骤S1：判断除霜套管换热结构是否需要除霜；
步骤S2：若除霜套管换热结构的外径大于预设值，则选择进行整体除霜或局部除霜；
步骤S3：若进行整体除霜，则从一侧的换热器列管开始，旋转整列换热器列管对应的全部套管换热器，将光电加热结构移至对应的换热器列管下方，开启光电加热结构进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；旋转下一整列换热器列管对应的全部套管换热器，直至对整个除霜套管换热结构进行除霜。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
若进行局部除霜，则获取需要局部除霜的位置，将光电加热结构移至需要除霜的换热器列管下方，将需要除霜的换热器列管所对应的套管换热器旋转预设角度，开启光电加热结构中对应的聚光灯进行除霜，除霜完毕再将套管换热器旋转至初始状态切换回正常工作模式；进行下一位置的局部除霜工作。
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