CN113028857A - 热交换器和包括该热交换器的热交换系统 - Google Patents

热交换器和包括该热交换器的热交换系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热交换器和包括该热交换器的热交换系统。所述热交换器包括：具有入口和出口的壳体，以及布置在所述壳体内的热交换管束，所述壳体内设置有：第一区域，其与所述入口相连通，并被构造成用于容纳所述热交换管束以及从所述入口输入的制冷剂，所述制冷剂与所述热交换管束内的流体进行热交换；第二区域，其布置在所述第一区域和所述出口之间并与它们相连通，在所述第二区域内设置有加热装置。采用本发明可优化换热管管束的空间布局，有效提升热交换器的壳体空间利用率，能够在相同材料成本下显著提升热交换器的热传递效率，增强系统整体性能、安全性和可靠性。

Description

热交换器和包括该热交换器的热交换系统
技术领域
本发明涉及热交换技术领域，尤其涉及到热交换器和包括该热交换器的热交换系统。
背景技术
现有技术提供了各种类型的热交换装置、设备或系统，它们已经在许多行业领域、场所等获得了广泛使用，能够带来极大的便利。然而，这些现有的热交换装置、设备或系统在诸如结构构造、换热效果、工作性能、制造、安装和维护等方面仍存在着一些弊端和不足之处，可以进一步地改进和优化。例如，在图1中示出了一种现有溢流式蒸发器（FloodedEvaporator）的侧视结构，此类溢流式蒸发器的壳体大多呈圆筒形且空间体积较大，热交换管束被安装在壳体内的底部，由于主要受到吸气带液（LCO, Liquid Carryover）方面的限制而致使这些热交换管束在空间布置上受到制约，造成壳体顶部形成较大的空余空间，未能使得壳体空间获得最有效利用，并且进入到壳体内的制冷剂无法充分浸没这些热交换管束来实现更佳的热传递效率，以上这些影响了系统整体性能、安全性、可靠性等方面的进一步提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了热交换器和包括该热交换器的热交换系统，从而可以解决或者至少缓解了现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题中的一个或多个。
首先，根据本发明的一个方面，它提供了一种热交换器，其包括：具有入口和出口的壳体，以及布置在所述壳体内的热交换管束，所述壳体内设置有：
第一区域，其与所述入口相连通，并被构造成用于容纳所述热交换管束以及从所述入口输入的制冷剂，所述制冷剂与所述热交换管束内的流体进行热交换；以及
第二区域，其布置在所述第一区域和所述出口之间并与它们相连通，在所述第二区域内设置有加热装置。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述第一区域与所述第二区域沿着所述壳体的长度方向并排布置，并且所述入口和所述出口分别设置在所述第一区域的下方和所述第二区域的上方。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述热交换管束的高度与所述壳体内部的高度之间比值不小于0.5，并且/或者所述制冷剂在所述第一区域内的液位高度不小于所述热交换管束的高度。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述加热装置是电加热器或者至少一排换热管，所述换热管通过管线与所述第一区域内的所述热交换管束的流体输入端相连通。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述加热装置被设置在所述第二区域的底部，并且其高度与所述第二区域的高度之间比值不大于0.5。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述热交换器还包括：
导流件，其至少布置在所述第一区域和所述第二区域之间，用于引导经过所述热交换后从所述第一区域流出的制冷剂朝向所述第二区域和/或所述出口流动；和/或
阻液件，其布置在所述出口处，用于阻止呈液态的制冷剂流出所述壳体。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述导流件被构造成具有弧形形状的挡板，并且/或者所述阻液件被构造成具有至少两层结构的丝网。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述热交换器还包括控制装置，其与所述加热装置相连，并且被设置成用于控制所述加热装置的运行。
在根据本发明的热交换器中，可选地，所述热交换器还包括检测装置，其与所述控制装置相连，并且被设置用于检测所述制冷剂在所述第一区域内的参数信息，以提供给所述控制装置用来控制所述加热装置的运行。
其次，根据本发明的另一方面，还提供了一种热交换系统，所述热交换系统包括如以上任一项所述的热交换器。
从与附图相结合的以下详细描述中，将会清楚地理解根据本发明的各技术方案的原理、特点、特征以及优点等。例如，与现有技术相比，本发明技术方案易于制造、安装和维护，通过对热交换器壳体空间进行结构优化设计，克服了换热管管束在采用传统方式时的空间布局限制，使得这些换热管管束可以被制冷剂完全浸没进行换热，从而不仅能有效提升热交换器的壳体空间利用率，而且可在相同材料成本下提高热交换器的热传递效率。此外，通过提供例如导流件、阻液件等部件，能够进一步增强系统的整体性能、安全性和可靠性，避免对与热交换器相关联的其他部件、装置或设备（如压缩机等）造成不利影响。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是这些附图只是出于解释目的而设计的，仅意在概念性地说明此处的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1是一个现有技术中的溢流式蒸发器的侧视结构示意图。
图2是一个根据本发明的热交换器实施例的侧视结构示意图。
图3是另一个根据本发明的热交换器实施例的侧视结构示意图。
具体实施方式
首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的热交换器和包括该热交换器的热交换系统的结构组成、特点和优点等，然而所有描述仅是用来进行说明而不构成对本发明的任何限制。在本文中，技术术语“第一”、“第二”仅是用于进行区分性表述目的而无意于表示它们的顺序以及相对重要性，技术术语“基本上”旨在包括与特定量的测量相关联的非实质性误差（例如可包括给定值的±8%、±5%或±2%等范围），技术术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“左”、“右”及其派生词等应联系附图中的定向，除非明确指出以外，本发明可采取多种替代定向。
此外，对于在本文所提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或者删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的零部件和特征在同一附图中可能仅在一处或若干处进行标示。
在图2中以示意方式展示出了一个根据本发明的热交换器实施例的大致构成情况，下面将通过这个实施例进行示范性说明，以便清楚地理解本发明与例如图1中示出的现有热交换器相比所具备的明显技术优势。
如图2所示，热交换器100具有壳体10，可将该壳体10按照具体应用需要构造成例如圆筒体、长方体等任何适宜形状，在壳体10上开设有入口1和出口2，并且在壳体10的内部设置有两个不同区域，即第一区域11和第二区域12，其中将热交换管束3布置在第一区域11内，并且将加热装置4布置在第二区域12。
更具体来讲，可以提供隔板8并采用例如焊接等连接方式将其安装在壳体10的内部，从而构建形成上述两个区域11和12，此类隔板8也可以对布置在第一区域11内的热交换管束3起到支撑作用。在实际应用时，上述隔板8和热交换管束3的设置数量、布置间距、尺寸、形状构造、使用材料等都可以按照需求情况来进行选择设定。
在图2中分别以箭头A和箭头B示意性地表示出了用于进行热交换处理的制冷剂7（如氢氟烯烃(HFO)、氢氟烃(HFC)等）从入口1进入到壳体10的第一区域11内，最后再从出口2离开该壳体10并进入到例如压缩机（未示出）等其他部件、装置或设备。同时，在图2中还分别以箭头C和箭头D示意性地表示出了另一流体（如水、乙二醇、盐水等）将流动穿过布置在第一区域11内的这些热交换管束3，在流体的流动期间将会与上述的制冷剂7完成热交换过程。通常来讲，上述制冷剂7在第一区域11内进行沸腾换热，其中的一部分将会被蒸发，然后以气态形式（其中可能夹杂有一部分气液混合形态）从第一区域11向外流出，例如它们在图2示例中是基本上朝向第二区域12流动。
在壳体10中，第二区域12是被布置在上述第一区域11和出口2之间，它与第一区域11和出口2均保持流体连通。如此，上述的呈气态的制冷剂7在离开第一区域11之后，将会流经该第二区域12，然后再从出口2流出该热交换器100。
如图2所示，在第二区域12内设置有用于提供热能的加热装置4，例如可将加热装置4安装在第二区域12的底部或者任何其他的适宜位置处，以便可以对从第一区域1流出的制冷剂7进行加热处理，从而能够促使其能够更加充分、彻底地汽化，避免了由于可能夹杂液体而对与该热交换器100相关联的压缩机等部件、装置或设备造成不期望的损害。
作为举例来讲，尽管可通过例如安装隔板8所形成的第一区域11将从入口1输入的制冷剂7容纳于其中，但是在制冷剂7与热交换管束3内的流体进行热交换期间，可能存在一些制冷剂液体从第一区域11溅落到第二区域12中，或者被夹杂在从第一区域11流出的制冷剂蒸汽中，即从第一区域11进入到第二区域12的制冷剂7当中大部分是气态的，但是其中一部分可能处于液态或者气液混合状态。通过布置在第二区域12中的加热装置4，能够促使这些处于液态或气液混合状态下的制冷剂7被加热升温后也形成为气态，从而有效防止由于存在液体从出口2流出而容易导致例如压缩机等相关联的部件、装置或设备受损的不利情况。
本领域技术人员容易明白，上述的加热装置4可使用例如电加热装置、热流体（如导热油、蒸汽等）加热装置、增长的强化换热管束等诸多形式来实现。作为可选情形，可以在一些应用场合下将加热装置4布置成其高度与第二区域12的高度二者之间比值不大于0.5，以便可以保证提供更加充足的空余空间用来容纳从第一区域11流出的制冷剂7（可能呈气态、液态或者气液混合状态），使其在逗留期间被充分加热蒸发。例如，可考虑使上述高度比值位于0.3-0.5的数值范围内，当然诸如采用0.1、0.13、0.2、0.25等其他比值在一些应用情形下也是可能并且允许的。
由于在壳体10内设置了上述第二区域12并且在其中设置了加热装置4，因此根据本发明的热交换器可以克服热交换管束在采用例如图1所示的传统方式时的空间布局限制，实现明显优于现有热交换器的技术优势。
举例而言，请参考图2，在该图中分别以附图标记H和H2标示出了布置在第一区域11内的热交换管束3的高度和位于该热交换管束3上方的空余空间的高度。在根据本发明的一些实施方式下，可以将热交换管束3布置成其高度H与壳体10内部的高度（即H+H2）之间比值不小于0.5，这将明显区别于图1中所采用的传统布置方式，突破了现有技术对于热交换管束在此类热交换器中的布局限制。
请对比参考图1，在该图所示的现有热交换器中，由于受到吸气带液（LCO）的限制，热交换管束3的布置高度H通常不会大于位于上方的空余空间的高度H1，即H不会超过壳体10的高度（即H+H1）的0.6倍，即H/(H+H1) <0.6，以便提供足够的集管空间来避免发生上述LCO，而且在实际操作中，这些热交换管束3也通常不会被制冷剂7完全浸没（即H0<H），以进一步避免发生上述LCO，即制冷剂7的高度H0应当小于热交换管束3的高度H。以上这些布置，不仅未能充分利用换热器的壳体内部空间，导致很大资源浪费，而且也影响并限制了换热效率的提升。
在例如图2所示的热交换器实施例中，在采用具有相同长度L和高度H的热交换管束3的情况下，可以明显降低热交换器100的壳体10中的空余空间高度（即H2<H1，例如H2可以仅是H1的一半或者更小），如此能够极大地提升空间利用率，即在同样的壳体体积空间下能够布置更多的热交换管束3来进行热交换处理。同时，本发明还允许在第一区域11内容纳的制冷剂7可以完全浸没这些热交换管束3，即制冷剂7在第一区域11内的液位高度可以不小于热交换管束3的高度H，从而可以获得更充分的热交换效果，这是采用现有技术根本无法想象的，现有技术实际上将不得不主动回避出现以上情形。根据实际测试数据表明，在与传统热交换器采用相同材料成本的情况下，应用本发明的热交换器能够非常显著地提高热交换器的热传递效率。
请继续参考图2，在这个实施例中还同时示出了导流件5和阻液件6，它们是作为可选部件被设置在热交换器100的壳体10内，即在根据本发明的另外一些实施例中允许将它们当中的一个省略掉，或者将它们同时省略掉。
对于导流件5来讲，可将它布置在第一区域11和第二区域12之间，以便用来对从第一区域11流出的制冷剂7进行引导，使其朝向第二区域12和/或出口2进行流动。在图2中仅示范性地图示出了可将导流件5可选地构造成弧形挡板形式，采用这种弧形挡板可以促使制冷剂7经由基本上呈90°的转弯流径从第一区域11流向第二区域12，然后再经由基本上呈180°（或者可将流向改变范围拓展到0°-180°之间任何其他角度）的转弯流径从第二区域12朝向出口2流动，从而形成非常有利的加热蒸发路径，促进制冷剂7中的液态部分能被更加充分地蒸发汽化。
然而，应当理解的是，在一些应用场合下将导流件5设置成例如倾斜直板、Γ型挡板、折叠板等任何能够达到导流目的的其他结构形式也是本发明所允许的，以便更好地满足各种不同的实际需求。此外，还需要说明的是，在一些应用场合下，还可以将导流件5布置在例如第一区域11的上方、出口2的附近等任何其他的适宜位置处，以便对制冷剂7在壳体10内部的流动起到所期望的引导目的。
对于阻液件6来讲，可以将它布置在壳体10的出口2处，以便用来阻止呈液态的制冷剂7从壳体10向外流出，从而能够防止进入到与热交换器100相关联的压缩机等部件、装置或设备而可能会对其造成不利影响。作为举例说明，上述的阻液件6可以采用多层丝网来实现，例如使用两层或更多层的金属丝网构成该阻液件6来阻挡制冷剂液体流出热交换器100，这些被阻挡的制冷剂液体将会随后滴落到第二区域12中被继续加热蒸发。
另外，在一些应用情况下，可以为热交换器100进一步配置控制装置（未示出）。此类控制装置可采用例如芯片、处理器等硬件元器件、软件或者软硬件结合等众多方式来实现，可将它与加热装置4进行连接，以便根据应用需求情况来对加热装置4的运行情况进行控制，例如可以按照需要来开启或关闭该加热装置4，或者对该加热装置4的当前运行功率做出调整，或者根据预设周期（如区分一周内的工作日和非工作日）或时间段（如一天内的工作时段和非工作时段）来调控该加热装置4。
作为进一步举例说明，还可以在热交换器100中设置例如液位传感器、温度传感器等检测装置（未示出），用来检测获取制冷剂7在第一区域11内的参数信息（如液位、温度等），然后将其提供给以上所讨论的控制装置，以便后者可根据此类参数信息来控制加热装置4的运行。例如，如果根据检测装置检测到的液位信息发现在第一区域11内的制冷剂7已经低于预设的液位高度，那么此时就可以使用控制装置来降低加热装置4的当前工作功率，或者将该加热装置4暂时关闭一段时间，直到根据随后检测到的液位信息确定需要重新开启该加热装置4。
在具体应用时，可以按照需要在壳体10内的适宜位置处布置一个或多个检测装置，这些检测装置可以采集相同类型的参数，也可以采集不同类型的参数，即本发明允许同时结合使用例如液位传感器、温度传感器等多种类型的检测装置。
还需要说明的是，尽管在图2给出的实施例中是将第一区域11与第二区域12沿着壳体10的长度方向进行并排布置，并且将入口1和出口2分别设置在第一区域11的下方和第二区域12的上方，但是在不同的应用环境下，本发明允许针对以上这些布局进行任何可能的调整和更改。例如，可以将入口1改为布置在第一区域11的侧面，又比如可以将出口2改为设置在第二区域12的侧面，再比如将图2中所示的第一区域11延伸到第二区域12的下方而使得第二区域12位于第一区域11其中一部分的上方，这将有利于形成更加紧凑的结构布局，从而适用于一些安装空间相对有限的现场。
另外，对于入口1、出口2、加热装置4、导流件5、阻液件6等，本发明均允许它们各自同时设置两个或者更多个，这都可以根据具体应用需求情况来进行灵活设计和调整。此外，在图2中仅示范性地显示出了热交换管束3可以采用两通道形式（即，将流体按照箭头C和箭头D分别进行输入和输出），但是可以一些应用中使用例如单通道、三通道、四通道等更多的流体输送形式。再者，设置在一些热交换器的端部的舱壁（bulkhead）13可具有任何可行的构型（如采用水平或倾斜布置、具有半椭球形或半球形等），可利用它来限定流体进出热交换管束3的路径，这在图2中已对此进行了示例性图示。
再作为举例，在图3中还提供了另一个根据本发明的热交换器实施例。对于该热交换器200，以下除非特别指出之外，其中与以上讨论的图2所示实施例中的相同或相类似内容，由于在前文中已经进行了非常详尽的描述，因此可直接参阅前述相应部分的具体说明，以便避免重复叙述。
如图3所示，在该热交换器200中，可以在第二区域12内布置一排或多排换热管用作加热装置4，并且可以通过管线9将上述换热管与第一区域11内的热交换管束3的流体输入端进行连通。如此，可由管线9来形成旁路而将位于上述流体输入端处的具有较高温度的流体输送到第二区域12内的可形成为强化换热管束的这些换热管，以便在该第二区域12内提供热能来实现如前所述的加热升温处理，由此避免可能由于夹杂液体而导致与该热交换器200相关联的压缩机等部件、装置或设备受到不利影响。
在图3所示实施例中是由上述换热管来充当加热装置4，通过提供以上讨论的控制装置可以控制换热管的运行，例如可以由该控制装置对管线9的流路通断状态、流量/流速大小情况等按照需要进行控制来实现。对于本领域技术人员来讲，他们可以在阅读理解了本发明之后采用诸多手段来具体实施此类控制，因此在本文中不再赘述。在图3中也示出了位于热交换器200的左侧端部的舱壁13，可以利用该舱壁13存储经由管路9供应给第二区域12内的换热管用于进行换热的流体，以便充分保证换热管具备良好、持续且可靠的加热功能。
根据本发明的另外一个技术方案，还提供了一种热交换系统，可以在该热交换系统设置例如以上示例性说明的本发明所设计提供的热交换器，例如可将用作热交换系统中的溢流式蒸发器等换热装置，从而能够更好地解决例如在前文提及到的现有技术中所存在的问题，获得以上讨论的本发明显著优于现有技术的这些突出技术优势，实现相当可观的效益。应当理解的是，根据本发明的热交换系统可以包括但不限于例如暖通空调系统（HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning）、运输制冷系统、冷冻/冷藏系统等。
以上仅以举例方式来详细阐明根据本发明的热交换器和包括该热交换器的热交换系统，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (10)

1. 一种热交换器，其包括：具有入口和出口的壳体，以及布置在所述壳体内的热交换管束，其特征在于，所述壳体内设置有：
第一区域，其与所述入口相连通，并被构造成用于容纳所述热交换管束以及从所述入口输入的制冷剂，所述制冷剂与所述热交换管束内的流体进行热交换；以及
第二区域，其布置在所述第一区域和所述出口之间并与它们相连通，在所述第二区域内设置有加热装置。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一区域与所述第二区域沿着所述壳体的长度方向并排布置，并且所述入口和所述出口分别设置在所述第一区域的下方和所述第二区域的上方。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换管束的高度与所述壳体内部的高度之间比值不小于0.5，并且/或者所述制冷剂在所述第一区域内的液位高度不小于所述热交换管束的高度。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述加热装置是电加热器或者至少一排换热管，所述换热管通过管线与所述第一区域内的所述热交换管束的流体输入端相连通。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述加热装置被设置在所述第二区域的底部，并且其高度与所述第二区域的高度之间比值不大于0.5。
6. 根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器还包括：
导流件，其至少布置在所述第一区域和所述第二区域之间，用于引导经过所述热交换后从所述第一区域流出的制冷剂朝向所述第二区域和/或所述出口流动；和/或
阻液件，其布置在所述出口处，用于阻止呈液态的制冷剂流出所述壳体。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其中，所述导流件被构造成具有弧形形状的挡板，并且/或者所述阻液件被构造成具有至少两层结构的丝网。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器还包括控制装置，其与所述加热装置相连，并且被设置成用于控制所述加热装置的运行。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述热交换器还包括检测装置，其与所述控制装置相连，并且被设置用于检测所述制冷剂在所述第一区域内的参数信息，以提供给所述控制装置用来控制所述加热装置的运行。
10.一种热交换系统，其特征在于，所述热交换系统包括如权利要求1-9中任一项所述的热交换器。
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