CN110513796A - 一种不等间距蓄冰盘管及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不等间距蓄冰盘管及其设计方法。常规蓄冰盘管在使用中，相互临近的四根蓄冰盘管上结成的冰柱相切时，就会形成一个与外界不连通的密闭空间。本发明一种不等间距蓄冰盘管，包括输入总管、输出总管、集液管组和换热管组。换热管组包括第一换热管和第二换热管。第一换热管和第二换热管形成双管逆流。换热管组共有m个；m个换热管组依次排列。同一换热管组内第一换热管与第二换热管的间距为b。相邻两个换热管组的间距为c，b＜c。本发明通过以一大一小两种不同间隔交替排布蛇形换热管的形式，在不增大蓄冰盘管整体尺寸的前提下，避免了常规蓄冰盘管四根冰柱融接形成封闭空间的问题。

Description

一种不等间距蓄冰盘管及其设计方法

技术领域

本发明属于蓄冰技术领域，具体涉及一种不等间距蓄冰盘管及其设计方法。

背景技术

常规蓄冰盘管在使用中，相互临近的四根蓄冰盘管上结成的冰柱相切时，就会形成一个与外界不连通的密闭空间；此时，蓄冰盘管继续结冰，则该密闭空间内的水将因结冰而膨胀，进而导致蓄冰盘管受到挤压破裂，故当形成密闭空间后往往会停止结冰。现有的蓄冰盘管在形成封闭空间时，水箱中还存在大量的水，这大大降低了蓄冰水箱的蓄冰能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不等间距蓄冰盘管及其设计方法。

本发明一种不等间距蓄冰盘管，包括输入总管、输出总管、集液管组和换热管组。所述的集液管组由输入集液管和输出集液管组成。两根输入集液管均与输入总管连通；两根输出集液管均与输出总管连通。所述的换热管组包括第一换热管和第二换热管。第一换热管、第二换热管的一端与第一个集液管组内输入集液管、输出集液管分别连接，另一端与第二个集液管组内输出集液管、输入集液管分别连接。第一换热管和第二换热管形成双管逆流。换热管组共有m个；m个换热管组依次排列。同一换热管组内第一换热管与第二换热管的间距为b。相邻两个换热管组的间距为c，b＜c。

作为优选，所述的第一换热管及第二换热管均由一体成型的n根换热直管和n-1根换热连接管组成。n根换热直管沿着输入总管、输出总管的轴线方向依次等间距排列。相邻的两根换热直管通过一根换热连接管连接。相邻两根换热直管的间距为a。b+c＝a。

作为优选，本发明一种不等间距蓄冰盘管还包括隔板。所述的隔板上开设有m×n个让位孔。m个换热管组内的m×n根换热直管分别穿过隔板上的m×n个让位孔。k块隔板沿着换热直管的长度方向依次等间距排列。

作为优选，所述的隔板由焊接在一起的n-1根中间隔条和两根边缘隔条。中间隔条的两侧边缘均开设有半圆形缺口。n-1根中间隔条沿自身宽度方向依次排列。两根边缘隔条分别位于n-1根中间隔条的两侧。边缘隔条的内侧边缘开设有半圆形缺口。相邻的两根隔条上对应的半圆形缺口合围成一个让位孔。

作为优选，本发明一种不等间距蓄冰盘管还包括立柱、限位杆和绝缘垫。四根立柱分别设置在m个换热管组的四个角。四根立柱的底端均设置有绝缘垫。四根立柱两两一组。同一立柱组内的两根立柱之间固定有沿竖直方向依次排列的多根限位杆。限位杆的轴线方向沿着m个换热管组的排列方向设置。每根限位杆均对应位于同一高度的m根换热直管。限位杆的顶部与对应的各换热直管接触。

作为优选，所述的输入总管及输出总管的外部接口处均设置有软接头。软接头的材质为橡胶。两个软接头与换热介质制冷装置的输入口、输出口分别通过介质输送管路连接。

作为优选，所述的第一换热管与第二换热管错开设置。

作为优选，所述的输入总管、输出总管、输入集液管、输出集液管、第一换热管及第二换热管均采用铝锰合金。

作为优选，所述的隔板上还开设有多个溢流孔。隔板采用为铝镁硅合金。

该不等间距蓄冰盘管的设计方法如下

步骤一、设定间距差值的初始值z为λ·a，0.01≤λ≤0.2。a为相邻两根换热直管的间距。

步骤二、设定c-b＝z，且c+b＝a。确定当相邻两个换热管组上的冰柱出现相切时，各换热直管上冰柱的直径。从而绘制蓄冰盘管冰柱截面图，蓄冰盘管冰柱截面图中各换热直管的截面圆上分别绘制对应的冰柱圈。

步骤三、计算各个冰柱圈相交部分的总面积S；并计算被冰柱圈分割出的各个独立的曲边四边形的总面积S'。

步骤四、若S<S'，则将z增大λ·a后，重复执行步骤二和三；否则，以当前的b作为同一换热管组内第一换热管与第二换热管的间距，c作为相邻两个换热管组的间距。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过以一大一小两种不同间隔交替排布蛇形换热管的形式，在不增大蓄冰盘管整体尺寸的前提下，避免了常规蓄冰盘管四根冰柱融接形成封闭空间的问题，进而避免了蓄冰盘管因水结冰膨胀而受到挤压的情况出现；大大降低了蓄冰盘管破裂的可能性，提高了蓄冰盘管的寿命。

2、本发明通过使用导热性能优良的铝合金换热管，大大提高了蓄冰盘管的换热效率；同时，本发明通过软接头将蓄冰盘管主体与外界管路隔离，避免了因不同金属接触而导致电偶腐蚀的情况发生。

3、本发明提供了设定蓄冰盘管内换热管排布间距的方法，进而在避免蓄冰盘管破裂、保证高结冰量的前提下，进一步降低了蓄冰能耗。

附图说明

图1是本发明的正面结构示意图；

图2是本发明的侧面结构示意图；

图3是本发明的剖面示意图；

图4是本发明在蓄冰完成时(即相邻两个换热管组上的冰柱出现相切时)的冰柱截面图；

图5是常规蓄冰盘管蓄冰量达到本发明蓄冰完成时蓄冰量的冰柱截面图。图中可以看出，常规蓄冰盘管在冰柱相切形成封闭空间后，需要继续进行结冰才能达到本发明的蓄冰量，但这会明显增加蓄冰盘管破裂的可能性。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种不等间距蓄冰盘管，包括输入总管1、输出总管2、集液管组、换热管组、隔板7、限位杆8、立柱9和软接头10。集液管组由输入集液管3和输出集液管4组成。集液管组共有两个。两个集液管组分别位于输入总管1的顶端、底端。同一集液管组内的输入集液管3、输出集液管4与输入总管1、输出总管2分别通过汇流连接管连通。

换热管组包括第一换热管5和第二换热管6。第一换热管5及第二换热管6均呈蛇形，均由一体成型的n根换热直管和n-1根换热连接管组成。n根换热直管沿着输入总管1、输出总管2的轴线方向依次等间距排列。相邻的两根换热直管通过一根换热连接管(半圆形)连接。相邻两根换热直管的间距为a。第一换热管5与第二换热管6沿着输入总管1的长度方向错开0.5a+r的距离。r为换热直管的外半径。使得第一换热管5上的任意一根换热直管与第二换热管6上两个最靠近的换热直管的间距相等。

第一换热管5的顶端开口与位于输入总管1顶端的集液管组内输入集液管3连通，底端开口与位于输入总管1底端的集液管组内输出集液管4连通。第二换热管6的顶端开口与位于输入总管1底端的集液管组内输入集液管3连通，底端开口与位于输入总管1顶端的集液管组内输出集液管4连通。由此使得第一换热管5内的换热介质由上向下流动，第二换热管6内的换热介质由下向上流动，形成双管逆流式布置，使得蓄冰水箱内不同位置的结冰量更加相近。

如图2和3所示，换热管组共有m个；m个换热管组沿着输入集液管3的轴线方向依次等间距排列。同一换热管组内第一换热管5与第二换热管6的间距为b。相邻两个换热管组的间距为c，b+c＝a，b＜c。

如图4所示，由于相邻两个换热管组的间距大于同一换热管组内第一换热管5与第二换热管6的间距；故当同一换热管组内第一换热管5、第二换热管6的各换热直管上的冰柱相切时，相邻两个换热管组上冰柱并未相切。此时，不会因四根冰柱依次融接呈环形而形成封闭空间，也就不会因封闭空间内水体结冰膨胀导致换热管破裂的问题；直到相邻两个换热管组上冰柱也相切时，才会出现四根冰柱依次融接在一起形成封闭空间的情况。由于本发明通过不等间距排布的方式，拉大了相邻两个换热管组的间距，故在同等换热管数量、同等整体尺寸的前提下，本发明中相邻两个换热管组上冰柱相切时的直径大于等间距蓄冰盘管上冰柱相切时的直径。可见，相比于常规的等间距蓄冰盘管，本发明中换热管的排布方式，能够大大提高蓄冰水箱中结冰量。

当同一换热管组内第一换热管5、第二换热管6上的冰柱融接后溢出的结冰体积(图4中两个冰圈相交的部分)在相邻两个换热管组上的冰柱相切前，将四根呈环形排布的换热直管之间冰柱的间隙(图4中冰圈之外的部分，四条边均呈内凹的圆弧形)填满，则本发明能够在保证换热管不爆裂的前提下实现蓄冰水箱内水的完全结冰。

由于冰柱融接后的溢出结冰，相较于冰柱自身的增大结冰，换热效率较低，会增大能耗，故应在保证高结冰量的前提下，减少冰柱融接后的溢出结冰量。因此，同一换热管组内第一换热管5与第二换热管6的间距不应过小，使得相邻两个换热管组上冰柱相切时，同一换热管组内第一换热管5、第二换热管6上的冰柱融接后溢出的冰刚好填满四根呈环形排布的换热直管之间冰柱的间隙。可见，b和c的大小，在确定结冰条件下存在最佳取值，其取值详见下述的蓄冰盘管设计方法。

隔板7共有k块，k＝5。隔板7上开设有2m×n个让位孔。m个换热管组内的2m×n根换热直管分别穿过隔板7上的2m×n个让位孔。k块隔板7沿着换热直管的长度方向依次等间距排列。隔板7上还开设有多个溢流孔。溢流孔能够使得各块隔板分隔出空间相互连通。隔板7对换热管起到支撑和限位的作用。隔板7由焊接在一起的n-1根中间隔条7和两根边缘隔条7。中间隔条7的两侧边缘均开设有半圆形缺口。n-1根中间隔条7沿自身宽度方向依次排列。两根边缘隔条7分别位于n-1根中间隔条7的两侧。边缘隔条7的内侧边缘开设有半圆形缺口。相邻的两根隔条7上对应的半圆形缺口合围成一个让位孔。

四根立柱9与位于最外侧的两块隔板7的两侧边缘分别固定。四根立柱9的底端均设置有绝缘垫。固定在同一块隔板的两根立柱9为一个立柱组。同一立柱组内的两根立柱9之间固定有沿竖直方向依次排列的多根限位杆8。限位杆8的轴线方向沿着m个换热管组的排列方向设置。每根限位杆8均对应位于同一高度的m根换热直管。限位杆8的顶部与对应的各换热直管接触，起到支撑换热管组的作用。

输入总管1、输出总管2、输入集液管3、输出集液管4、第一换热管5及第二换热管6均采用铝锰合金，且锰含量(重量百分比)为1～1.5％，其具有耐腐蚀性强、易于加工(塑性好，便于制备出呈蛇形的换热管)，成本低的优势。从而使得浸泡在水中的换热管路能够具有更长的寿命。第一换热管5及第二换热管6通过直铝合金直管通过弯曲成型工艺得到。隔板7采用为铝镁硅合金，其具有强度高的特点，能够有效定位和支撑换热管组。铝合金的导热性能相较于传统蓄冰盘管所用的不锈钢更好。

输入总管1及输出总管2的外部接口处均设置有软接头10。软接头10的材质为橡胶。两个软接头10与换热介质制冷装置的输入口、输出口分别通过介质输送管路11连接。本发明采用铝合金作为换热管道的材料，提高了换热的效率；但由于换热介质制冷装置内管路及介质输送管路11的材质多为碳钢；因此，若将本发明中的换热管道与介质输送管路11直接连接在一起，会导致电偶腐蚀的发生，使得本发明的寿命缩短；本发明中设置的软接头10能够将本发明中的换热管路与介质输送管路11电隔离，从而避免电偶腐蚀的发生。此外，软接头10还能装配和使用中的振动提供变形余量，降低蓄冰盘管的装配要求和使用环形要求。

本发明在蓄冰时，通入低温的换热介质使得蓄冰水箱结冰。本发明在融冰时，通入高温的换热介质，使得冰融化，从而带走冷量。

该不等间距蓄冰盘管的设计方法如下

步骤一、根据设计要求和蓄冰水箱的大小确定第一换热管5、第二换热管6道的尺寸及数量，并确定相邻两根换热直管的间距a。设定间距差值的初始值z为λ·a，λ＝0.05。

步骤二、设定c-b＝z，且c+b＝a。通过试验或仿真软件，确定当相邻两个换热管组上的冰柱出现相切时，各换热直管上冰柱的直径。从而绘制蓄冰盘管冰柱截面图，如图4所示，蓄冰盘管冰柱截面图中各换热直管的截面圆上分别绘制对应的冰柱圈。冰柱圈的直径即为前述计算出的对应换热直管上冰柱的直径。

步骤三、计算各个冰柱圈相交部分的总面积S；并计算被冰柱圈分割出的各个独立的曲边四边形的总面积S'。各个冰柱圈的相交部分即为冰柱融接后溢出的冰量；被冰柱圈分割出的各个独立的曲边四边形即为容纳冰柱融接后溢出部分的空间。

步骤四、若S<S'，则将z增大λ·a后，重复执行步骤二和三；否则，以当前的b作为同一换热管组内第一换热管5与第二换热管6的间距，c作为相邻两个换热管组的间距。

Claims (10)

1.一种不等间距蓄冰盘管，包括输入总管、输出总管、集液管组和换热管组；其特征在于：所述的集液管组由输入集液管和输出集液管组成；两根输入集液管均与输入总管连通；两根输出集液管均与输出总管连通；所述的换热管组包括第一换热管和第二换热管；第一换热管、第二换热管的一端与第一个集液管组内输入集液管、输出集液管分别连接，另一端与第二个集液管组内输出集液管、输入集液管分别连接；第一换热管和第二换热管形成双管逆流；换热管组共有m个；m个换热管组依次排列；同一换热管组内第一换热管与第二换热管的间距为b；相邻两个换热管组的间距为c，b＜c。

2.根据权利要求1所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：所述的第一换热管及第二换热管均由n根换热直管和n-1根换热连接管组成；n根换热直管沿着输入总管、输出总管的轴线方向依次等间距排列；相邻的两根换热直管通过一根换热连接管连接；相邻两根换热直管的间距为a；b+c＝a。

3.根据权利要求2所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：还包括隔板；所述的隔板上开设有m×n个让位孔；m个换热管组内的m×n根换热直管分别穿过隔板上的m×n个让位孔；k块隔板沿着换热直管的长度方向依次等间距排列。

4.根据权利要求3所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：所述的隔板由焊接在一起的n-1根中间隔条和两根边缘隔条；中间隔条的两侧边缘均开设有半圆形缺口；n-1根中间隔条沿自身宽度方向依次排列；两根边缘隔条分别位于n-1根中间隔条的两侧；边缘隔条的内侧边缘开设有半圆形缺口；相邻的两根隔条上对应的半圆形缺口合围成一个让位孔。

5.根据权利要求2所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：还包括立柱、限位杆和绝缘垫；四根立柱分别设置在m个换热管组的四个角；四根立柱的底端均设置有绝缘垫；四根立柱两两一组；同一立柱组内的两根立柱之间固定有沿竖直方向依次排列的多根限位杆；限位杆的轴线方向沿着m个换热管组的排列方向设置；每根限位杆均对应位于同一高度的m根换热直管；限位杆的顶部与对应的各换热直管接触。

6.根据权利要求1所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：所述的输入总管及输出总管的外部接口处均设置有软接头；软接头的材质为橡胶；两个软接头与换热介质制冷装置的输入口、输出口分别通过介质输送管路连接。

7.根据权利要求1所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：所述的第一换热管与第二换热管错开设置。

8.根据权利要求1所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：所述的输入总管、输出总管、输入集液管、输出集液管、第一换热管及第二换热管均采用铝锰合金。

9.根据权利要求2所述的一种不等间距蓄冰盘管，其特征在于：所述的隔板上还开设有多个溢流孔；隔板采用为铝镁硅合金。

10.如权利要求2所述的一种不等间距蓄冰盘管的设计方法，其特征在于：步骤一、设定间距差值的初始值z为λ·a，0.01≤λ≤0.2；

步骤二、设定c-b＝z，且c+b＝a；确定当相邻两个换热管组上的冰柱出现相切时，各换热直管上冰柱的直径；从而绘制蓄冰盘管冰柱截面图，蓄冰盘管冰柱截面图中各换热直管的截面圆上分别绘制对应的冰柱圈；

步骤三、计算各个冰柱圈相交部分的总面积S；并计算被冰柱圈分割出的各个独立的曲边四边形的总面积S'；

步骤四、若S<S'，则将z增大λ·a后，重复执行步骤二和三；否则，以当前的b作为同一换热管组内第一换热管与第二换热管的间距，c作为相邻两个换热管组的间距。