CN112923606A - 一种相变蓄冷/热翅片套管换热器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变蓄冷/热翅片套管换热器及其工作方法，换热器包括外管和内管，内管的内部为第一流体通道，外管的内表面和内管的外表面之间为套管夹层区域；套管夹层区域内设置有内翅片；外管的空气侧设置有风冷翅片；第一流体通道内换热介质为制冷剂，套管夹层区域内换热介质为相变蓄能材料，外管外换热介质是与风冷翅片换热的空气。该换热器不需要载冷剂传递相变蓄冷/热量，设备简单紧凑，同时换热的空气温度没有限制，可覆盖零上或零下更广泛的温区。
Description
技术领域
本发明属于制冷技术领域，特别涉及一种相变蓄冷/热翅片套管换热器及其工作方法。
背景技术
相变蓄冷/热有着蓄冷/热密度高、蓄冷/热和放冷/热过程近似恒温的优点，广泛应用于制冷领域。目前制冷系统中与空气直接换热的设备与相变蓄能设备独立放置，使得与空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的分离，导致了只能实现相变蓄能材料先蓄冷/热再释放蓄冷/热量的间歇工作模式，不适用于连续用冷/热的场所。所蓄存的冷/热量需要通过载冷剂来传递，增加了泵体和管路设备的取用，整个系统较为复杂，比如冰现有的冰蓄冷系统。同时载冷剂本身的物性易受温度的限制，从而使系统只能应用于特定的温度范围内。目前制冷系统中所用相变蓄能材料的放冷/热速率不能按需调节。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提出了一种相变蓄冷/热翅片套管、换热器及其工作方法。本发明该换热器不需要载冷剂传递相变蓄冷/热量，设备简单紧凑，同时换热的空气温度没有限制，可覆盖零上或零下更广泛的温区。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术手段：
一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，包括外管和内管，内管的内部为第一流体通道，外管的内表面和内管的外表面之间为套管夹层区域；套管夹层区域内设置有内翅片；外管外表面的空气侧设置有风冷翅片；
第一流体通道内换热介质为制冷剂，套管夹层区域内换热介质为相变蓄能材料，外管外换热介质是与风冷翅片换热的空气。
作为本发明的进一步改进，套管夹层区域内的内翅片分别与内管外侧和外管内侧接触。
作为本发明的进一步改进，外管和内管中心处于同一轴线。
作为本发明的进一步改进，内翅片为平直翅片或绕片。
作为本发明的进一步改进，风冷翅片均为平直翅片或绕片。
作为本发明的进一步改进，风冷翅片外侧设置有风机。
一种相变蓄冷/热翅片套管换热器的工作方法，当第一流体通道内的制冷剂蒸发时，该换热器进行相变蓄冷和放冷；当第一流体通道内的制冷剂冷凝时，该换热器进行相变蓄热和放热。
作为本发明的进一步改进，包括两种工作模式：
第一种工作模式：
内管内的制冷剂蒸发或冷凝，通过内管管壁直接将冷热量传递给套管夹层区域内相变蓄能材料，进行相变蓄冷/热；同时套管夹层与外管接触，通过管外空气的强制对流向环境释放冷/热量；实现空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的同步进行，从而实现连续直接制冷/热和相变蓄冷/热同步进行；
第二种工作模式：
夜间相变蓄能材料先通过内管内的制冷剂蒸发或冷凝进行蓄冷/热，在白天将夜晚蓄存的冷/热量释放，实现相变蓄能材料在夜间相变蓄冷/热白天再释放蓄冷/热量的间歇工作。
作为本发明的进一步改进，两种工作模式的切换通过风机的开启和关闭来实现：
当风机开启时，相变蓄能材料通过空气侧的强制对流向环境放冷/热，实现制冷/热和相变蓄冷/热的同步进行；
同时可通过控制风机的转速，按需调节放冷/热量的速率；当风机关闭时，实现只相变蓄冷/热而不进行制冷/热的作用。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明涉及一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，该套管换热器内有三种换热介质，两处区域用翅片增强换热，通过风机的开启和关闭，既可实现与空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的同步进行，也可实现两个传热过程的交替进行，从而达到连续直接制冷/热和相变蓄冷/热既可以同步运行模式，又可以夜间相变蓄冷/热白天再释放蓄冷/热量的间歇运行模式。
该换热器既可以实现连续直接制冷/热和相变蓄冷/热既可以同步运行模式，又可以实现夜间相变蓄冷/热白天再释放蓄冷/热量的间歇运行模式。也就是既可适用于连续用冷/热的场所，又可适用于夜晚蓄冷/热、白天用冷/热的场所。该换热器结合翅片侧风机变转速控制，可按需调节直接制冷/热的速率。该换热器不需要载冷剂传递相变蓄冷/热量，设备简单紧凑，同时换热的空气温度没有限制，可覆盖零上或零下更广泛的温区。
附图说明
此处附图为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术方案。以下对实施例中所需要使用的附图简明的介绍，并与说明书一起解释本发明的原理。同时为了更好的展示本发明以及验证本发明的有效性，本发明展示了相变蓄冷/热翅片套管换热器的结构图。
图1为相变蓄冷/热翅片套管换热器整体结构示意图(平直翅片)；
图2为相变蓄冷/热翅片套管换热器整体结构示意图(绕片)；
图3为相变蓄冷/热翅片套管换热器细节图(内外为平直翅片)；
图4为相变蓄冷/热翅片套管换热器细节图(内外为绕片)；
图5为相变蓄冷/热翅片套管换热器细节图(内平直翅片外绕片)；
图6为相变蓄冷/热翅片套管换热器细节图(内绕片外平直翅片)；
其中，1.内管，2.外管，3.第一流体通道，4.套管夹层区域5.套管夹层区域内的翅片，6.外管空气侧风冷翅片，7.风机。
本图选取套管夹层区域和外管空气侧为平直翅片或绕片的情况进行举例说明，其翅片可拓展至其它形式。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并未用于限定本发明。
下面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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1-6所示，本发明的目的是提供一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，包括外管2和内管1，内管的内部为第一流体通道3，外管的内表面和内管的外表面之间为套管夹层区域4；套管夹层区域4内设置有内翅片5；外管2的外表面空气侧设置有风冷翅片6；
第一流体通道3内换热介质为制冷剂，套管夹层区域4内换热介质为相变蓄能材料，外管2外换热介质是与风冷翅片换热的空气。
套管夹层区域内的内翅片5分别与内管1外侧和外管2内侧接触。外管2和内管1中心处于同一轴线。内翅片5和风冷翅片6都可为平直翅片或绕片等任意形式，加工工艺可为挤压、胀接和焊接等。风冷翅片6外侧设置有风机7。
该换热器内有三种换热介质，第一流体为内管中蒸发或冷凝的制冷剂，第二介质为套管夹层的相变蓄能材料，第三介质为与外管外风冷翅片换热的空气。
当第一流体通道内3的制冷剂蒸发时，该换热器可实现相变蓄冷和放冷的作用；当第一流体通道内3的制冷剂冷凝时，该换热器可实现相变蓄热和放热的作用。
套管夹层区域内的内翅片5分别与内管外侧和外管内侧接触，利用翅片的支撑作用可确保内管和外管的中心处于同一轴线。同时套管夹层区域内的翅片可提高相变材料的吸放热速率，外管外侧的风冷翅片6可强化空气侧的传热。
该换热器能实现两种工作模式，既可适用于连续用冷/热的场所，又可适用于夜晚蓄冷/热，白天用冷/热的场所。
第一种工作模式是：可实现与空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的同步进行，从而实现连续直接制冷/热和相变蓄冷/热同步进行。即内管内的制冷剂蒸发或冷凝，通过内管管壁直接将冷热量传递给套管夹层区域内相变蓄能材料，达到相变蓄冷/热的目的。同时套管夹层与外管接触，通过管外空气的强制对流向环境释放冷/热量。这样，在既不影响环境用冷/热的同时可实现蓄冷/热的目的。这种工作模式可适用于连续用冷/热的场所，蓄存的冷/热量可应对环境温度剧烈变化的情况。
第二种工作模式是：可实现与空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的交替进行，从而实现相变蓄能材料在夜间相变蓄冷/热白天再释放蓄冷/热量的间歇工作。即夜间相变蓄能材料先通过内管内的制冷剂蒸发或冷凝进行蓄冷/热，在白天将夜晚蓄存的冷/热量释放。这种工作模式适用于夜晚利用电价低的优势进行蓄冷/热，白天用冷/热的场所。
该换热器配有风机7，两种工作模式的切换通过风机的开启和关闭来实现。当风机开启时，相变蓄能材料通过空气侧的强制对流向环境放冷/热，实现制冷/热和相变蓄冷/热的同步进行。同时可通过控制风机的转速，按需调节放冷/热量的速率；当风机关闭时，实现只相变蓄冷/热而不进行制冷/热的目的。
可根据所需的不同温度条件选取相变温度所匹配的相变材料，同时选取的相变材料的潜热值大、热导率高。
该换热器不需要载冷剂传递相变蓄冷/热量，设备简单紧凑，同时换热的空气温度没有限制，可覆盖零上或零下更广泛的温区。
如图3所示，为内管和蓄冷/热夹层区域内的翅片举例；(a)为平直翅片(b)为绕片翅片。当然本发明不限于该两种结构，能够实现换热介质流动的其他结构也均可以。
综上所述，换热器包括外管和内管，内管的内部为第一流体通道，外管的内表面和内管的外表面之间为套管夹层区域。套管夹层区域和外管的外侧都包含有翅片，翅片可为平直翅片或绕片等任意形式。该换热器内有三种换热介质，第一流体为内管中蒸发或冷凝的制冷剂，第二介质为套管夹层的相变蓄能材料，第三介质为与外管外风冷翅片换热的空气。
套管夹层区域内的翅片不仅有支撑作用，还可提高相变蓄能材料的吸放热速率，外管外侧的风冷翅片可强化空气侧的传热。该换热器能实现两种工作模式，一是可实现与空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的同步进行，从而实现连续直接制冷/热和相变蓄冷/热同步进行的工作模式。二是可实现与空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的交替进行，从而实现相变蓄能材料在夜间相变蓄冷/热白天再释放蓄冷/热量的间歇工作模式。
该换热器风冷翅片侧配有风机，当风机开启时，相变蓄能材料通过空气侧的强制对流向环境放冷/热，实现制冷/热和相变蓄冷/热的同步进行。同时可通过控制风机的转速，按需调节放冷/热量的速率；当风机关闭时，实现只相变蓄冷而不进行制冷/热的目的。本发明涉及一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，该换热器内有三种换热介质，两处区域用翅片增强换热，既可适用于连续用冷/热的场所，又可适用于夜晚蓄冷/热、白天用冷/热的场所。结合翅片侧风机变转速控制，可按需调节直接制冷/热的速率。该换热器不需要载冷剂传递相变蓄冷/热量，设备简单紧凑，同时换热的空气温度没有限制，可覆盖零上或零下更广泛的温区。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，其特征在于：包括外管(2)和内管(1)，内管的内部为第一流体通道(3)，外管的内表面和内管的外表面之间为套管夹层区域(4)；套管夹层区域(4)内设置有内翅片(5)；外管(2)外表面的空气侧设置有风冷翅片(6)；
第一流体通道(3)内换热介质为制冷剂，套管夹层区域(4)内换热介质为相变蓄能材料，外管(2)外换热介质是与风冷翅片换热的空气。
2.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，其特征在于：套管夹层区域内的内翅片(5)分别与内管(1)外侧和外管(2)内侧接触。
3.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，其特征在于：外管(2)和内管(1)中心处于同一轴线。
4.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，其特征在于：内翅片(5)为平直翅片或绕片。
5.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，其特征在于：风冷翅片(6)均为平直翅片或绕片。
6.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器，其特征在于：风冷翅片(6)外侧设置有风机(7)。
7.一种相变蓄冷/热翅片套管换热器的工作方法，其特征在于，当第一流体通道(3)内的制冷剂蒸发时，该换热器进行相变蓄冷和放冷；当第一流体通道(3)内的制冷剂冷凝时，该换热器进行相变蓄热和放热。
8.根据权利要求7所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器的工作方法，其特征在于：包括两种工作模式：
第一种工作模式：
内管内的制冷剂蒸发或冷凝，通过内管管壁直接将冷热量传递给套管夹层区域内相变蓄能材料，进行相变蓄冷/热；同时套管夹层与外管接触，通过管外空气的强制对流向环境释放冷/热量；实现空气直接换热和相变蓄能两个传热过程的同步进行，从而实现连续直接制冷/热和相变蓄冷/热同步进行；
第二种工作模式：
夜间相变蓄能材料先通过内管内的制冷剂蒸发或冷凝进行蓄冷/热，在白天将夜晚蓄存的冷/热量释放，实现相变蓄能材料在夜间相变蓄冷/热白天再释放蓄冷/热量的间歇工作。
9.根据权利要求8所述的一种相变蓄冷/热翅片套管换热器的工作方法，其特征在于：两种工作模式的切换通过风机的开启和关闭来实现：
当风机开启时，相变蓄能材料通过空气侧的强制对流向环境放冷/热，实现制冷/热和相变蓄冷/热的同步进行；
同时可通过控制风机的转速，按需调节放冷/热量的速率；当风机关闭时，实现只相变蓄冷/热而不进行制冷/热的作用。
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