CN111380381B - 一种过饱和表面蒸发换热装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过饱和表面蒸发换热装置及应用，涉及相变换热器领域。主要克服沸腾换热的局限性，解决沸腾换热器应用中能效比低及容易产生热污染的问题。其主要是通过在立式壳管换热器中构造绕管环流与间隔涡旋流场，使液态工质实现过饱和表面蒸发以及蒸气过饱和—饱和转变，从而使排向压缩机的蒸气具有较高饱和压力而降低机组功耗，以此达到提高能效比的目的。同时，因排热介质为水蒸汽，所以能够消除城市室外环境的空调“热岛效应”。该应用包括应用于空气源蒸发器和水蒸发式冷凝器。
Description
技术领域
本发明涉及相变换热器领域，具体是一种过饱和表面蒸发换热装置。
背景技术
迄今为止，应用于各种空调与热泵机组的蒸发器都是沸腾换热器。
以满液式壳管蒸发器为例，相变工质沸腾从产生泡核、气泡长大、脱离壁面直到逸出液面的气化过程，只有在吸气压较低、换热温差较大发生剧烈沸腾时，产生的蒸气所携带的气化热量才较大。
当冬季空调与热泵机组供暖时，以0℃以下空气作为供热源，机组压缩机吸气压更低，往往需要配置多级压缩从而大大降低了机组的能效比性能。
传统空调与热泵机组的冷凝器在夏季制冷工况下的排热源通常是水源或室外空气，城市中数以万计的空调和热泵机组不断排放热量必然造成水源或室外环境的“热污染”。
发明内容
本发明的目的是克服沸腾换热的局限性，提供一种过饱和表面蒸发换热装置，以至少在一定程度解决相关技术存在的能效比低以及容易产生热污染的问题。
本发明的构思是：通过在立式壳管换热器中构造绕管环流与间隔涡旋流场，使液态工质实现过饱和表面蒸发以及蒸气过饱和—饱和转变，从而使压缩机吸入的蒸气具有较高饱和压力而降低其功耗。同时，采用该技术，排热介质为水蒸汽，因此能消除城市室外环境的空调“热岛效应”。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种过饱和表面蒸发换热装置，其包括立式壳管换热器、群喷管板(6)、排气管板(10)和力偶筒(7)，
所述立式壳管换热器包括壳体(8)和具有外翅(91)的若干换热管(9)，所述若干换热管(9)按正方形矩阵式布局，将所述壳体(8)的内腔分割，形成间隔的若干单元空间(13)；
所述群喷管板(6)安装在所述壳体(8)内靠近底端处，与所述换热管(9)的下固定板(5)之间构成供液腔(3)，所述群喷管板(6)具有与所述若干单元空间(13)对应的若干喷嘴(12)，用于将所述供液腔(3)的液态工质从下向上喷射至所述若干单元空间(13)，使得所述壳体(8)内形成雾柱矩阵；
所述排气管板(10)安装在所述壳体(8)内靠近顶端处，与所述换热管(9)的上固定板(11)之间构成排气腔(1)，所述排气管板(10)具有连通所述若干单元空间(13)和所述排气腔(1)的气孔(14)；
所述力偶筒(7)环绕所述若干换热管(9)、安装在所述壳体(8)内，与所述壳体(8)之间构成力偶气驱腔(2)，所述力偶筒(7)开设有X方向的若干第一窄长喷孔(71)和Y方向的若干第二窄长喷孔(72)，用于向所述雾柱矩阵和换热管矩阵喷射大小相等、方向相反、隔管相间的力偶组态驱动气流，使得在所述换热管(9)和所述雾柱矩阵形成绕管环流(16)和间隔涡旋耦合流场，所述X方向和所述Y方向垂直。
优选地，所述力偶筒(7)上的所述若干第一窄长喷孔(71)的开孔方向和所述若干第二窄长喷孔(72)的开孔方向，相对所述雾柱矩阵的侧部和换热管矩阵的侧部按45度角布局。
优选地，所述力偶筒(7)上的第一窄长喷孔(71)沿Z方向分层段排列，所述力偶筒(7)上的第二窄长喷孔(72)沿Z方向分层段排列，所述力偶筒(7)上的第一窄长喷孔(71)与力偶筒(7)上的第二窄长喷孔(72)沿Z方向分层段相间排列，所述Z方向与所述力偶筒(7)的中心轴的方向相同。
优选地，所述换热管(9)还具有螺旋内芯(92)。
绕管环流与间隔涡旋耦合流场中过饱和表面蒸发及蒸气升压机理如下：
由力偶驱动具有惯性储能特征的涡旋柱(17)形成离心低压柱芯，从下向上喷射的雾柱中的雾粒通过低压柱芯时产生闪发效应，使膨胀气化降温的雾粒在涡旋柱(17)离心力作用下沿螺旋渐开轨迹不断播撒到周围的换热管(9)的外翅(91)表面；
在力偶驱动的绕管环流(16)的离心低压下，不断散落至换热管(9)外翅(91)表面的雾粒比换热管(9)内的流体温度更低而迅速吸热气化，生成的低温饱和蒸气在绕管环流(16)带动下持续添加环流质流量，并与相邻同向绕管环流(16)或涡旋柱(17)耦合为直流，再与方向相反的耦合直流对冲，使低温饱和蒸气不断受挤压增密而过饱和；产生的低温过饱和蒸气，以流场中播撒的雾粒为凝结核，在过饱和压力下渗入雾粒表面凝结并释放汽化热，使雾粒表面热分子运动增强，直到产生的大动能分子脱离雾粒表面引力、汇入过冷蒸气而升温为饱和蒸气，上述过程在流场所有的绕管环流(16)与涡旋柱(17)之间持续进行，形成纵向耦合—分流的回旋流态，在纵向耦合对冲挤压上端，升压饱和蒸气经排气管板(10)上的气孔(14)、汇合于排气腔(1)向外排放。
上述的过饱和表面蒸发换热装置可以应用于空气源蒸发器。
上述的过饱和表面蒸发换热装置还可以应用于水蒸发式冷凝器。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本过饱和表面蒸发换热装置通过使液态工质实现过饱和表面蒸发以及蒸气过饱和—饱和转变，使得经排气腔排至压缩机的蒸气具有较高饱和压力，因而能够降低压缩机的功耗，提高能效比。同时，由于换热后排放的是水蒸汽，所以可以消除城市室外环境的空调热岛效应。
附图说明
图1为过饱和表面蒸发换热装置结构示意图；
图2为其横向剖视图；
图3为喷嘴的结构示意图；
图4为换热管的结构示意图；
图5为排气管板上的管孔和排气孔的布局示意图；
图6-图9为力偶筒上的喷孔的布局示意图；
图10为形成绕管环流和间隔涡旋耦合流场的示意图；
图11为涡旋锥引射器的结构示意图；
附图标记：
1、排气腔；2、力偶气驱腔；3、供液腔；4、端盖；5、下固定板；6、群喷管板；7、力偶筒；71、第一窄长喷孔；72、第二窄长喷孔；8、壳体；9、换热管；91、外翅；92、螺旋内芯；10、排气管板；11、上固定板；12、喷嘴；13、单元空间；14、气孔；15、管孔；16、绕管环流；17、涡旋柱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本过饱和表面蒸发换热装置在立式壳管换热器的基础上改进而来。
图1和图2示意性表示了本过饱和表面蒸发换热装置的结构，为了清楚起见，图1中仅仅示出了一个换热管9。
请结合图1、图2，本过饱和表面蒸发换热装置包括立式壳管换热器、群喷管板6、排气管板10和力偶筒7。其中，立式壳管换热器包括壳体8和具有外翅91(见图4)的若干换热管9，若干换热管9通过上固定板11和下固定板5与壳体8固定装配。所述群喷管板6安装在所述壳体8内靠近底端处，与所述换热管9的下固定板5之间构成供液腔3。所述排气管板10安装在所述壳体8内靠近顶端处，与所述换热管9的上固定板11之间构成排气腔1。所述力偶筒7环绕所述若干换热管9、固定安装在所述壳体8内，与所述壳体8之间构成力偶气驱腔2。
壳体8的顶端和底端分别安装有端盖4，当采用空气作为换热管9内的工质时，该端盖4的内侧按多流程设计气流往返隔板，以引导空气上下往返流动；当采用单流程蒸气冷凝，下端的端盖4用作储液罐。
由图2可见，所述若干换热管9按正方形矩阵式布局，将所述壳体8的内腔分割，形成间隔的若干单元空间13。具体在本实施例中，按8管正方形矩阵式布局，即每8根换热管9排成一个正方形(见图2中虚线所示)。
所述群喷管板6具有若干喷嘴12，若干喷嘴12与所述若干单元空间13对应，用于将所述供液腔3的液态工质从下向上分别喷射至所述若干单元空间13，使得所述壳体8内形成雾柱矩阵。图3中示出了一种优选的喷嘴12结构，该喷嘴12为三击喷嘴12，可以喷射小锥角雾柱。
图2中的箭头X和箭头Y表示两组力偶的方向。
图4中示意性表示了换热管9的结构。如图4所示，该换热管9具有螺旋外翅91，该外翅91供雾柱中的雾粒散落于其上与换热管9内的工质换热而气化。此外，该换热管9进一步还具有螺旋内芯92，该螺旋内芯92用于增加换热管9内的流道长度，增加换热效率。该具有螺旋外翅91和螺旋内芯92的换热管9优选如中国发明申请号202010148669.0的专利制作工艺制备的外翅换热管9。
图5中示意性表示了排气管板10上的管孔15和排气孔14的布局。由图中可见，所述排气管板10具有若干小气孔14，若干小气孔14按每三角形(如图5中虚线所示)管孔15等距分布。进一步结合图1，排气管板10上的气孔14将换热管9之间的单元空间13和排气腔1连通，用于将形成的升压饱和蒸气汇合于排气腔1向外排放。
图6-图9中示意性表示了力偶筒7上的喷孔的布局，其中，图7为图6的A-A剖视图，图8为按图6中的视角旋转90度后的视图，图9为图8的B-B剖视图。
如图6-9所示，所述力偶筒7开设有X方向的若干第一窄长喷孔71和Y方向的若干第二窄长喷孔72，所述X方向和所述Y方向垂直。进一步，所述若干第一窄长喷孔71的开孔方向(见图2中的箭头X)和所述若干第二窄长喷孔72的开孔方向(见图2中的箭头Y)，相对所述雾柱矩阵和换热管矩阵(如图2中的虚线正方形或图10中的虚线正方形)按45度角布局。进一步，由图6和图8可见，第一窄长喷孔71沿Z方向(图6中的上下方向)分层段排列，第二窄长喷孔72沿Z方向(图8中的上下方向)分层段排列，所述力偶筒7上的第一窄长喷孔71与力偶筒7上的第二窄长喷孔72沿Z方向分层段相间排列，所述Z方向与所述力偶筒7的中心轴的方向相同。通过这些窄长喷孔向所述雾柱矩阵和换热管矩阵喷射大小相等、方向相反、隔管相间的力偶组态驱动气流(见图10中的箭头X和箭头Y)，在所述换热管9和所述雾柱矩阵形成绕管环流16和间隔涡旋耦合流场，如图10所示。
绕管环流与间隔涡旋耦合流场中过饱和表面蒸发及蒸气升压机理如下：
由力偶驱动具有惯性储能特征的涡旋柱17形成离心低压柱芯，群喷管板6从下向上喷射的雾柱中的雾粒通过低压柱芯时产生闪发效应，使膨胀气化降温的雾粒在涡旋柱17离心力作用下沿螺旋渐开轨迹不断播撒到周围的换热管9的外翅91表面。喷雾量受限于雾粒大小、散落管翅表面的分布均匀度以及是否保持“干式”蒸发特征。
在力偶驱动的绕管环流16的离心低压下，不断散落至换热管9外翅91表面的雾粒比换热管9内的流体温度更低而迅速吸热气化，生成的低温饱和蒸气在绕管环流16带动下持续添加环流质流量，并与相邻同向绕管环流16或涡旋柱17耦合为直流，再与方向相反的耦合直流对冲，使低温饱和蒸气不断受挤压增密而过饱和；产生的低温过饱和蒸气，以流场中播撒的雾粒为凝结核，在过饱和压力下渗入雾粒表面凝结并释放汽化热，使雾粒表面热分子运动增强，直到产生的大动能分子脱离雾粒表面引力、汇入过冷蒸气而升温为饱和蒸气，上述过程在流场所有的绕管环流16与涡旋柱17之间持续进行，形成纵向耦合—分流的回旋流态，在纵向耦合对冲挤压上端，升压饱和蒸气经排气管板10上的气孔14、汇合于排气腔1向外排放。
为了取得排放饱和蒸气压和机组能效比的较大值，可根据排放蒸气压力反馈讯号、调节“干式运行”雾液量的较大值与驱动力偶气流量的较小值。
本过饱和表面蒸发换热装置可以应用于空气源蒸发器、水蒸发式冷凝器等。
本过饱和表面蒸发换热装置在空气源蒸发器中的应用：
1、绕管环流16与间隔涡旋耦合流场由单一相变工质构成。
群喷管板6喷射的雾柱为过冷冷凝液，排气腔1排放的升压饱和蒸气除接入机组压缩机吸气端外，另一部分由引射器吸入，与可调节流量的工作蒸气混合增压后充入力偶气驱动腔2。引射器优选申请号202010059145.4的中国发明专利申请中的涡旋锥引射器，其结构如图11所示。
2、在换热管9内由空气取代水的制冷循环中，由于空气与水的定压比热容有数百倍之差，故补偿措施是换热管9内螺旋流道中通过较大温差、多流程、快速大流量的空气。
本过饱和表面蒸发换热装置在水蒸发式冷凝器中的应用：
1、在制冷应用中，绕管环流16与间隔涡旋耦合流场由空气—水蒸汽混合流构成。具体在供液腔3接入泵压冷却水，通过轴流风机向力偶气驱腔2提供驱动空气。群喷管板6喷射的水雾与换热管9中的工质换热，使空气—水蒸汽混合流中的水蒸汽密度不断增加而过饱和，以水雾为凝结核、迅速部分液化放热，成为分压力上升的饱和水蒸汽。空气—水蒸汽混合流中水蒸汽比重较空气轻，既可以直接向外排放而不造成室外温度上升，也可以释放水蒸汽汽化热加以利用。
2、在供暖应用中，使用侧循环供暖的回流空气经轴流风机增压后，经力偶气驱腔2送入壳体8内，形成绕管环流16与间隔涡旋耦合流场(无需喷水)，与换热管9内工质液化换热升温，升温后的空气经排气腔1向使用侧排放供暖。
以空气源蒸发器和蒸发式冷凝器为基础配置热泵机组，可应用于制冷和供暖。应用于制冷时，不但因热泵工质蒸气过饱和—饱和升压具有更高的能效比，而且因水蒸汽排热而消除城市室外环境的空调“热岛效应”。应用于供暖时，空气源蒸发器既适应0℃以下气温的换热工况又可实现热泵工质蒸气升压而提高机组的能效比。
上述通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本发明的内容，并不能理解为对本发明保护范围的限制。本领域技术人员在本发明构思下对上述方案进行的各种润饰、等效变换等均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种过饱和表面蒸发换热装置，其特征在于：包括立式壳管换热器、群喷管板(6)、排气管板(10)和力偶筒(7)，
所述立式壳管换热器包括壳体(8)和具有外翅(91)的若干换热管(9)，所述若干换热管(9)按正方形矩阵式布局，将所述壳体(8)的内腔分割，形成间隔的若干单元空间(13)；
所述群喷管板(6)安装在所述壳体(8)内靠近底端处，与所述换热管(9)的下固定板(5)之间构成供液腔(3)，所述群喷管板(6)具有与所述若干单元空间(13)对应的若干喷嘴(12)，用于将所述供液腔(3)的液态工质从下向上喷射至所述若干单元空间(13)，使得所述壳体(8)内形成雾柱矩阵；
所述排气管板(10)安装在所述壳体(8)内靠近顶端处，与所述换热管(9)的上固定板(11)之间构成排气腔(1)，所述排气管板(10)具有连通所述若干单元空间(13)和所述排气腔(1)的气孔(14)；
所述力偶筒(7)环绕所述若干换热管(9)、安装在所述壳体(8)内，与所述壳体(8)之间构成力偶气驱腔(2)，所述力偶筒(7)开设有X方向的若干第一窄长喷孔(71)和Y方向的若干第二窄长喷孔(72)，用于向所述雾柱矩阵和换热管矩阵喷射大小相等、方向相反、隔管相间的力偶组态驱动气流，使得在所述换热管(9)和所述雾柱矩阵形成绕管环流(16)和间隔涡旋耦合流场，所述X方向和所述Y方向垂直。
2.根据权利要求1所述的过饱和表面蒸发换热装置，其特征在于：所述力偶筒(7)上的所述若干第一窄长喷孔(71)的开孔方向和所述若干第二窄长喷孔(72)的开孔方向，相对所述雾柱矩阵的侧部和换热管矩阵的侧部按45度角布局。
3.根据权利要求1所述的过饱和表面蒸发换热装置，其特征在于：所述力偶筒(7)上的第一窄长喷孔(71)沿Z方向分层段排列，所述力偶筒(7)上的第二窄长喷孔(72)沿Z方向分层段排列，所述力偶筒(7)上的第一窄长喷孔(71)与力偶筒(7)上的第二窄长喷孔(72)沿Z方向分层段相间排列，所述Z方向与所述力偶筒(7)的中心轴的方向相同。
4.根据权利要求1所述的过饱和表面蒸发换热装置，其特征在于：所述换热管(9)还具有螺旋内芯(92)。
5.根据权利要求1所述的过饱和表面蒸发换热装置，其特征在于：
由力偶驱动具有惯性储能特征的涡旋柱(17)形成离心低压柱芯，从下向上喷射的雾柱中的雾粒通过低压柱芯时产生闪发效应，使膨胀气化降温的雾粒在涡旋柱(17)离心力作用下沿螺旋渐开轨迹不断播撒到周围的换热管(9)的外翅(91)表面；
在力偶驱动的绕管环流(16)的离心低压下，不断散落至换热管(9)外翅(91)表面的雾粒比换热管(9)内的流体温度更低而迅速吸热气化，生成的低温饱和蒸气在绕管环流(16)带动下持续添加环流质流量，并与相邻同向绕管环流(16)或涡旋柱(17)耦合为直流，再与方向相反的耦合直流对冲，使低温饱和蒸气不断受挤压增密而过饱和；产生的低温过饱和蒸气，以流场中播撒的雾粒为凝结核，在过饱和压力下渗入雾粒表面凝结并释放汽化热，使雾粒表面热分子运动增强，直到产生的大动能分子脱离雾粒表面引力、汇入过冷蒸气而升温为饱和蒸气，上述过程在流场所有的绕管环流(16)与涡旋柱(17)之间持续进行，形成纵向耦合—分流的回旋流态，在纵向耦合对冲挤压上端，升压饱和蒸气经排气管板(10)上的气孔(14)、汇合于排气腔(1)向外排放。
6.权利要求1至5中任意一项所述的过饱和表面蒸发换热装置在空气源蒸发器的应用。
7.权利要求1至5中任意一项所述的过饱和表面蒸发换热装置在水蒸发式冷凝器的应用。
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