CN1105753A - 系统化径流机械与换热器组合结构 - Google Patents

Abstract

换热器对无涡壳的径流机械的外周和热荷设备 采用全部或部分包围的布置形式。与现有换热器系 统比较，具有体积小，制作工艺简化、高效节能、成本 低，形体多样化、出流方向任意等优点。适用于各种 空调、制冷机组、热力机、发动机、化工、热工设备的冷 却、加热，废热利用。见图：电机M，径流机F被换热 器T包围，作为制冷机：中间F压缩工质进入换热器 T循环，两边F，一个驱动冷凝器流体，一个驱动蒸发 器流体与工质换热。整机基本消除无效空间，犹如一 个实心体-小型化。

Description

本发明是径向出流（输出流体的方向，部分或全部在叶轮的动力或传动轴的直径方向）的流体加压及驱动机械（离心风机、泵，混流风机、泵，径向出流的离心、混流、活塞压缩机）同管式换热器（光管、热管、异形管、管带肋和翅片等）及板式换热器（平板、板带肋、翅、波纹板、折板、螺旋板、多头螺旋板等）与需冷却或加热的主机、热工设备组合构成的系统。使相对的冷、热两种流体在隔壁的两侧流动、互不接触对流换热。用于换热器、空调器、制冷机组、压缩冷凝机组、热力机、发动机、热工、化工设备的冷却、加热、蒸发-本文中统称热荷设备。

经查阅部分有关技术资料、刊物、中国专利文献，在中情所重庆分所国际联机检索世界专利索引（WPI）1963～今有关专利（检索程式见附件0）。

现有技术：

1.制冷机组：见附件Ⅰ  第1页

1.1离心式冷水机组

1.2活塞式冷水机组

2.空调器：

2.1窗式空调器  见附件Ⅰ  第2页

2.2分体式空调器  见附件Ⅰ  第3页

2.3柜式空调器  见附件Ⅰ  第4页

2.4风机盘管空调器  见附件Ⅰ  第2页

3.发动机（热工设备）  见附件Ⅰ  第5页

4.换热器：

4.1一般为单一的换热管或板的集成，且多采用集箱和180°U型弯头来联接以增加管程长度。部分换热器联接有流体机械，以增加换热流体的扰动强化换热，但两者分别设置，相互不嵌套，包围。

4.2WPI专利号为PN US4377203的一种汽车用换热器，见附件1，第6、7页所示。换热器为两端集箱，两集箱间连接带肋换热管，换热器从四周包围离心风机，离心风机两端进风，径向出风流过换热管冷却其中由发动机水套通过管道输送来的发动机冷却剂，然后通过管道送回发动机水套完成一个循环。

由上面对现有技术的陈述中可以看到：

1.由于换热器和流体机械是两个制造行业，因此一般应用中只是简单地将两者用管道连接运行。造成管内流动损耗大，体积庞大、分散、材料耗费大等缺点。而没有将两者从大系统整体考虑，特别是针对各种热力机、热工设备的特点进行结构优化组合，达到小型化，节能、降低成本的效果。

2.制造工艺复杂：涡壳加工难度大，特别是离心压缩机涡壳。集箱式换热器的管板之间的接口太多、难度大、易泄漏。管式换热器180°U形弯头多，需专用设备、难度大、焊接量大。

3.PN US 4377203号专利虽然采取了换热器包围离心风机的结构，但它只是针对汽车发动机冷却这一领域，只限于两端用集箱中间联接换热管这种结构。并且冷却剂是从发动机冷却系统用管道输送到换热器系统，又输送回发动机，其换热器系统仍是一个独立（或孤立）单一的部分，没有以大系统的观念，将冷却剂冷却发动机系统与冷却剂自冷却系统统一考虑。形成更合理优化的结构。没有将换热器包围风机这种结构形式推广到热力设备小型化这一普遍领域，并从理论上证实其可行性及有利性，只是感性地局部地从比较原有汽车散热器，得出汽车换热器小型化的局部感性认识。

4.换热器及其组合形式单一，一般为矩形和圆柱形，不能适应各种特殊要求的空间环境。

5.没有考虑混流和除离心风机以外的其它径流机械与包围形换热器的结合。

本发明针对以上阵述的现有技术中的不足予以改进：

1.证明采用换热器包围不用涡壳的径流机械和包围热荷设备使流体直接进入管、板式换热器通道，这种结构-统称PH（Periphery and Hollow）结构，是热荷设备小型、高效节能、低成本化的有效手段。

2.从设备整体功能效果的大系统观念统筹分析，应用PH结构结合热荷设备特点合理进行结构优化组合。

1.证明PH结构是小型化的有效手段：

PH结构可用其典型的简化模型：矩形边框体见图32和圆筒柱体见图33来摸拟：考虑到体积＝面积×厚度H，在厚度相同条件下只考虑面积的比较：

1）矩形边框体与矩形实心体比较：

矩形实心体体积＝A×B×H

要达到A×B面积，矩形边框体尺寸：

（A+2△）×（B+2△）-（A-2△）×（B-2△）＝A×B

得△＝A×B/[4（A+B）]

设A＝B，则△＝（1/8）B  2△＝（1/4）B

即外框尺寸为1（2/8）B，内框尺寸为（6/8）B。

设A＝2B  则  △＝（1/6）B＝（1/12）A，2  △＝（1/3）B＝（1/6）A

2）圆筒柱体与实心圆柱体比较：

实心圆柱体积：＝πR²×H

要达到πR²面积的圆筒柱体尺寸：

π（R+△）²-π（R-△）²＝πR²

得  △＝（1/4）R

以上分析可以推广到其它形体，即PH结构相对于实心体只需增加外轮廓两维（1/4）左右的尺度即可保证换热器体量不变并且留出一中空的空间来安装主机设备，设备整体基本又形成一个实心体（其形体还可根据空间需要设计）。基本消除了现有设备的无效空间，消除或缩短了工质通道。从而达到小型化的目的。

2.大系统分析，一体化优化组合PH结构：

附图说明：1）图中标字母T的部分为管或板式换热器

2）图中标字母F的部分为流体机械

3）图中标字母M的部分为主机、动力机、电机

4）图中标字母S的部分为流体集管

5）图中标有箭头的细线为流体的流线

6）图中标有 的符号为调节伐或节流板机构

7）由于各部件相互之间的联接安装在机械行业已是很成熟和基本常识性的技术，即显而易见，再者本发明的主题是系统、因此图、文中都不涉及一般安装技术。

现将发明构思依据附图予以说明：

图1～9、图21～26、28及30是从轴向看系统的结构，被包围部分是电机、动力机M和无涡壳的离心机、混流机F，也可是热荷设备，其外层是换热器T直接从径向的2～4面复盖包围流体机械、热荷设备，叶轮轴向单面或双面进流、径向出流通过换热器交换热量，换热器外可有外壳或无外壳，一台M可带一个或多个叶轮F，M可置于换热器内也可在外，可通过直联、齿轮、叶轮带齿轮（如图15所示），链条，皮带，变速结构等各种方式传动叶轮，图10～14、19～20、27、29，是从与轴垂直的方向看系统的剖面图，图13表示了换热器包围M结构，采用轴流机（或混流机）驱动流体换热的系统结构剖面。对于汽车冷却器空调器等所处的小空间范围，为了保证长管程要求和工艺简化，因而不采用PN US4377203专利所述的风机两端集箱，而采用图16～18所示的集管联接环形换热管（粗黑线）型式，其环形路线也可是各种折线、曲线（弯曲处为弧形）-更轻捷，省去许多管、板联接。图6表示换热器T可曲折绕行包围M及F，对大型换热器可大大节省体积。图8～9表示了系统作多种造形（不限于3～6边体），也可发展为多边体，由图中可看出换热器T与外壳上出流口的组合可使出流方向在六个方位的任意1～6个方位。图21表示了F或M与多头螺旋板式换热器T的嵌入关系。图19表示了两级压缩与冷却的系统。图20表示了F压缩工质然后在右边换热器T冷凝，左边换热器T蒸发，然后冷却M回到F进行下一循环的系统。图27、28表示的是一个系统的两个方向视图，中间F吸入工质，压缩进入左边冷凝换热器，由左边一个F吸入冷却剂通过冷凝器冷却工质，冷凝器内工质冷却经节流伐或板节流进入右边的蒸发器蒸发，然后冷却M后又进入中间F完成一个循环，右边F吸入流体通过蒸发器换热，压缩、冷凝、蒸发合为一个PH结构。图29、30表示了一个系统的两个方向视图，图29表示了中间F压缩工质输入右边冷凝器T然后节流进入左边蒸发器T，然后冷却电机M后又被吸入中间F开始下一循环，图31缩小表示了图29被剖去的上面换热器的换热管管线或换热板是一个回转封装的走向，中间的隔断线表示将环形的换热器分为2部分-蒸发器、冷凝器、图31也是图30的缩小的侧视示意图，即在图30中左右两个环形换热器都被中间隔断分为蒸发器、冷凝器、在隔断处采用孔板节流或伐门节流。附图中串连或并联的F、M间可安装变速机构，采用其它传动机构，也可一个M及多个M拖动，一个多F的系统可以是附图中各种单独系统的组合（并联、串联）。PH结构的两端用封板屏蔽，留出流体的进口和出口，各F、M之间可用隔板或导流板分隔。

本发明与现有技术中的换热器系统相比较具有下述优点

1.由上述PH结构的理论分析可见，设备整体体量可缩减到理论值最小-小型化（拟实体）。

2.由于PH结构的大系统一体化、小型化、使各部件之间的工质通道缩短或取消，离心机去掉了涡壳，对于径向四周包围的长管程小空间采用图16-18的环形管包围换热器形式（省去管、板之间联接，180°U形弯头，大量焊接），节省了材料、加工工序，简化了工艺，加快了产品生产周期-成本降低。

3.由于工质流通通道缩短和涡壳取消，流体的沿程和局部损失降低，设备效率提高，运行能耗下降-节能。

4.PH结构可根据空间需要进行形体多样化造形。

5.可适于各种热荷设备（制冷机、空调器、换热器、热力机（发动机），热工、化工设备，冷却、加热等）。

6.PH结构可与主机热荷设备一体化，也可分别单独设置管道连接。

7.流体出口可在任意1-6个方位。

实例：

1.PH结构单一换热器系统-离心、混流风机、泵与换热器组合形式如附图1～14，21～26所示，流体机械置于换热器包围中，流体机械之间可用隔板或导流板分隔，流体轴向吸入、径向穿过换热器，然后可在外壳与换热器间任意方向出流。换热器可2～6面包围流体机构，换热器可是管式、板式。对于汽车、空调器等长管程、小空间径向四周包围的换热器领域宜采用图16～18的集管连结，换热管包围流体机械绕行的形式，其绕行路径可以是各种折线、曲线造形。PH结构内可是1～多台流体机械。PH结构的轴向两端用封板封住，留出进、出口。也可是以上附图中各种形式的相互组合。

2.制冷机组、压缩冷凝机组：

2.1以美国开利（Carrior）公司产品19DK61255CE型离心式冷水机组（见附件Ⅰ第1页）为比较对象：

外形 长×宽×高＝3800×1165×2334mm＝10.33m³

换热器  长×宽×高≈3800×1165×1250mm

压缩机  长×宽×高≈1300×1356×1100mm

若将其改成附图20、22的PH结构：如图34，换热器包围放入中孔的压缩机、电机，框形换热器框宽△，令中孔为方形、尺度稍大于压缩机取为1.4m²。

PH结构长度取压缩机，电机总长度1.3m，令改进前后换热器体积相等，则经计算△＝0.5m。改进后的PH结构外形：

2.4×1.3×2.4＝7.49m³

两者体积比：7.49/10.33＝0.725＝72.5%

2.2以美国开利公司产品30HR-036活塞式冷水机组（见附件Ⅰ，第1页）为比较对象：

外形 长×宽×高＝2580×910×1205mm＝2.84m³，

2个换热器外形：  D300×2580/个

体积： 2π（0.3/2）²×2.58＝0.36m³

压缩机、电机≈900×600×600

按2.1例的PH结构：见图34，取中孔0.6m²。得△＝0.14m

改进机体积 0.9×0.9×0.9＝0.73m³

改进机与原机体积比：  0.73/2.84＝0.257＝25.7%

活塞机由于是多缸径向排气-可方便地导入周围的换热器。

若换热器采用三面布置：如图35，则△＝0.19m

改进机体积 0.9×1.0×0.8＝0.72m³

改进机与原机体积比：0.72/2.84＝0.254＝25.4%

2.3例2.1、2.2是与现有技术同等功能设备进行比较，冷水机组当采用本发明的附图27，29的结构，将驱动冷却剂进入冷凝器的流体机械和被蒸发器冷却的流体的驱动机械嵌入一体将更加有利。由此可见，图27、29的功能也可用附图中其它PH结构单元结合（并、串联运行）而成，保证了产品的集中与分散的多样性与选择性，并且每个部件本身都具有理论最小体积。

3.窗式空调器：

其特点是将压缩、冷凝、蒸发装入一个壳体，现有技术（见附件Ⅰ第2页）功能同图27、29，当采用图27、29的PH结构，可使体积大为缩小，（换热器包在风机外）流道更短更畅通。也可采用附图中的其它PH结构组合窗式空调器。

4.分体式空调器：

现有技术中一般分为2体（见附件Ⅰ，第3页）其特点是将压缩、冷凝装于一个壳体放在室外，即为压缩冷凝机组，蒸发器放在室内，两者之间用制冷工质管道连接，功能同窗式空调器。将图27，29，从节流伐处的分隔板分成两部分，中间用管道连接，当然电机也应至少两台。图27的左半部分和图29的右半部分即为压缩冷凝机组部分，另一半即为蒸发部分，相互之间用工质管道连接。当然也用图中其它PH结构单元组合成分体式空调器。

5.三体式空调器：

将蒸发器、冷凝器、压缩机分别设置。蒸发器、冷凝器采用PH结构换热器，压缩机部分作为基座，支架置于其上，蒸发器、冷凝器在支架上滑动、旋转改变进出风方位（通过现有技术中的滑动、旋转机构）。三者间用软管连接输送工质，因此也可在软管长度允许范围内各自安置。另外三者也可固定于一个支座或支架上，刚性管道连接，通过旋转PH结构蒸发器、冷凝器的外壳，改变其壳上出风口的方向-达到冬暖风、夏凉风的效果。

6.柜式空调器：

功能同窗式空调器，只是冷量、热量和体积更大（现有技术中的结构见附件Ⅰ，第4页），因此可以用压缩冷凝机组的PH结构（如例4）和换热器PH结构结合，也可用例5的结构组合，或者直接采用图27、29结构，也可用PH结构单元组合。

7.风机盘管空调器：

见附件Ⅰ，第2页，其功能是风机循环空气通过换热器换热。当采用例1中的PH结构换热器，附图中1～14、21～26，其功能完全相同，但体积将大为缩小。

现以中外合资余姚捷丰公司生产的FCU-120CRBD-2型风机盘管为例进行比较：

外形 长×宽×高＝1475×530×276mm＝0.216m³

换热器  长×宽×高＝1400×100×276mm

改进：  高度不变＝276mm

换热器厚度不变＝100mm

设计为中孔200×500mm的环形换热器如图5，即让换热器最小周长＝原换热器长度1400mm，使热换器体积不变。考虑换热器与外壳间出风口宽50mm。

则换热器整体＝（0.2+0.1×2+0.05×2）×（0.5+0.1×2+0.05×2）×0.276＝0.11m³

长×宽×高＝800×500×276mm

改进机与原机体积比＝0.11/0.216＝0.51＝51%

还可改成附图中其它形式，如图24，25，26，8，9等。

改进后风机盘管可水平吊装、立式挂墙、嵌墙，还可直接在厅中靠柱明装或暗装，立管靠柱包装。以风机轴向进风，任何方位都可做出风口，可侧送可下送、具有体积小，风阻低，对换热器强化换热气流扰动增强，省涡壳和通道、外壳板材，若采用图16～18绕形管结构，可减少或不要180°U形弯头，减少大量焊接工作，成本大为降低。风机盘管可用于空调水系统，各种空调器、换热器。

8.热力机、热工设备、化工设备的冷却或加热

8.1用管道引出冷却设备的冷却剂，用PH结构换热器再冷却冷却剂。

8.2在发热设备外壳上生长换热肋片或在水套上连接管、板式换热器形成PH结构，然后采用图13的轴流机（或混流机）驱动流体换热。

也可轴向延升PH结构，采用图10、11的离心、混流机驱动流体对其换热。并可用图27、29的PH结构，一方面驱动冷却剂强迫流动，一方面驱动流体冷却或加热冷却剂。换热器内圈水套（集箱）可和设备外壳水套合为一体，换热器外圈也可有一水套（集箱）。

8.3换热器采用图6、24、25、26的结构，换热器两端头直接与设备冷却剂水套相连，循环冷却冷却剂。

Claims (6)

1、系统化径流机械与换热器组合结构，具有流体机械，管、板式换热器，动力机，其特征在于PH结构-管、板式换热器对流体机械外周和热荷设备采用全部或部分包围的布置形式，以空间三维座标定义则其包围面可为2-6面，流体机械的叶轮外径处不用涡壳，直接与换热器相邻接。

2、根据权利要求1所述的系统化径流机械与换热器组合结构，其特征在于PH结构单元可根据所需功能的要求相互组合（如并、串）形成新的功能设备。

3、根据权利要求1所述的系统化径流机械与换热器组合结构，特征在于PH结构可用于热荷设备，使热荷设备一体化和作为分立部件形成多体组合（如分体空调器）的热荷设备-各种空调器，压缩冷凝机组、制冷机组、热力机（发动机），热工、化工设备的冷却和加热，废热利用。

4、根据权利要求1所述的系统化径流机械与换热器组合结构，其特征在于在汽车、空调器等长管程、小空间换热器领域，不采用离心风机轴向两端装集箱，换热管连接两端集箱的结构，可采用集管连接换热管、换热管在流体机械或发动机外周包围绕行的结构。

5、根据权利要求1所述的系统化径流机械与换热器组合结构，其特征在于换热器可是直接生长在热荷设备体上的肋片、翅片，也可是与设备水套相连通的管、板式换热器。

6、根据权利要求1所述的系统化径流机械与换热器组合结构，其特征在于可根据空间要求进行形体多样化设计，流体出口方位可在外壳与换热器间的三维任意1～6个方向。

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