CN113551443A - 一种水源热泵用环式换热器及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种水源热泵用环式换热器及使用方法，包括换热器外壳体和换热芯体装配体，所述换热器外壳体内腔安装有换热芯体装配体；所述换热器壳体包括换热器外壳主体和封盖，换热器外壳主体开放端可拆卸连接有封盖，封盖与换热器外壳主体之间设置有密封垫。本发明水流借助阶梯式折流板的导向，整体呈螺旋型流动，水流动方向始终沿着换热管的剪切方向分布，这时两流动间的扰动最强烈，有利于提升换热能力，另一方面，沿着水流方向与换热器所在圆心所形成的切线方向上，水流作为管外流体，所经过的换热管呈现等腰三角形排布，这样流体经过管束时，管间间距一致，从而阻力基本相当，水流分布的很均匀。

Description

一种水源热泵用环式换热器及使用方法

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种水源热泵用环式换热器及使用方法。

背景技术

针对现有换热器来说，基于易生产易维护前提下的强化传热技术应用，在显著提升换热器换热效率的同时，可节约大量能源消耗，大大降低经济成本。这样的改革将具有革命性突破意义。

目前广泛应用的换热器主要有壳管式换热器，板式换热器，翅片换热器，还有少部分试图进行改进的新式换热器，无论是现有的哪种换热器，都存在的巨大缺陷是，没有一种换热器能同时具备高效率可拆洗、结构紧凑、易生产推广这些优点。

1、壳管换热器：壳管换热器易于清理，但换热效率低下，占地大，同样能力的换热器壳管换热器通常具有数倍于其他换热器的体积和占地面积。此外，生产这种换热器的厂家被要求具备众多繁琐而苛刻的资质及条件，且对保养维护的人员或机构也具有极高的要求。因此无论从换热器本身效率性能，还是从其加工难度，后期保养维护方便程度，都面临诸多问题难以解决。

2、板式换热器：通过市场调查，走访山东、山西、河南、河北、江苏、浙江、福建等板式换热器的主要生产省份，通过交流及实地考察，板式换热器堵塞问题目前尚无优化方案，由于板片固有的结构和流道即便所谓的反冲洗办法也无法把积累的泥沙污物清除，起不到作用，且药剂对板片尤其是焊点具有极强的腐蚀。最终无法清理只能报废，造成损失。

3、翅片换热器：首先现有的翅片式换热器全部应用于与气体换热，二是没有考虑折流板与换热管的结合固定，三是铜管折弯易偏心加工误差大，折弯角度受限需要多个换热器组合增加成本，工质流通阻力大易分配不均造成系统故障。

中国实用新型专利CN201420096491.X筒式换热器，其主要存在如下缺陷：一是从能力上：未能充分利用换热器空间来提升换热效率，只是通过简单盘圆的方式把换热管布置到筒体内，换热管之间空隙少而小，管内管外介质相互间不能进行很好的热量交换，虽然换热管在壳体内部也占据了很大位置，但由于布管形式的重要缺陷，其实并没有充分发挥能力。据国家能源标识效率等级检测试验台进行的测算显示，一台12P能力的筒式换热器，才能勉强与6P热泵压缩机匹配工作，且能效等级也只能在3级上下徘徊。这说明现有的这种换热器能力严重不足。二是从结构上：与其他换热器一样都存在不能清洗的关键问题，不具有可拆卸的封盖，也不具有可以便于清洗的接口，自然也就不能正常工作，更不用提效率了。

只有高效率才能省去大量能源消耗和成本投入，只有便于拆洗维护，不易脏堵，才能保证设备运行稳定，带来更好的经济效益。因此，急需一种具备上文所述优点的换热器来解决问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水源热泵用环式换热器及使用方法，该发明同时具有高效率可拆洗且易加工广泛推广的特点，采用独创的圆形密集阵列法布管提升换热器效率缩小体积，可抽拉开启式密封盖便于拆洗，螺旋式流道结构不易结垢。滚圆筒体承压好易加工，且不属于压力容器规范当中的任何一类，属非压力容器，无需繁琐加工工艺和苛刻的生产条件，无安全隐患，利于广泛推广应用。

一种水源热泵用环式换热器，包括换热器外壳体和换热芯体装配体，所述换热器外壳体内腔安装有换热芯体装配体；所述换热器壳体包括换热器外壳主体和封盖，换热器外壳主体开放端可拆卸连接有封盖，封盖与换热器外壳主体之间设置有密封垫。

所述换热器外壳主体包括外壳内环体、外壳外环体，所述外壳外环体内同轴设置有外壳内环体，且外壳外环体和外壳内环体一端通过圆环板密封，另一端开放设置，所述外壳外环体外圆上安装有换热器固定脚、换热器进水口和换热器出水口，换热器固定脚和换热器出水口位于外壳外环体的底部设置，且换热器出水口远离封盖一端设置，换热器进水口位于外壳外环体顶部设置，且换热器进水口靠近封盖一端设置。

所述换热芯体装配体包括换热管组、芯体折流板、分液管及集气管；若干换热管组贯穿沿换热器外壳主体轴向设置的芯体折流板，且与芯体折流板固定安装形成换热芯体，所述分液管通过其上沿周向设置的若干分液管分支接口与换热管组靠近外壳外环体一侧的换热管接口一一对应连接，所述集气管通过其上沿周向设置的若干集气管分支接口与换热管组靠近外壳内环体一侧的换热管接口一一对应连接，所述分液管和集气管作为换热芯体里制冷剂的分布和集中部位，两个所述分液管对称布置，两个所述分液管上端分别设置有进液口Ⅰ和进液口Ⅱ，两个所述集气管对称布置，两个所述集气管下端分别设置有集气口Ⅰ和集气口Ⅱ。

所述换热管组包括换热管直管和换热管弯头，若干换热管直管呈矩阵式分布，且相邻三个换热管直管组成等腰三角形结构，换热管直管通过其上的换热管接口与换热管弯头连接组成连通的组成换热芯体的制冷剂流通管路，换热管组一端的换热管直管通过其上的换热管接口与分液管的分液管分支接口连接，另一端的换热管直管通过其上的换热管接口与集气管的集气管分支接口连接。

所述芯体折流板包括若干环状板和若干斜向导流板，每块所述环状板上均开设有一个通孔，且相邻两块环状板之间设置有斜向导流板，斜向导流板从左向右倾斜设置，且斜向导流板一端与前一环状板的通孔左侧连接，斜向导流板另一端与后一环状板的通孔右侧连接，进而使芯体折流板内的水产生螺旋流动，换热器外壳体内的水流动方向始终沿着换热管的剪切方向分布，所述环状板上开设有用于连接换热管直管的穿孔。

一种水源热泵用环式换热器的使用方法，包括以下步骤：

换热器的换热管内流动介质为制冷剂，换热器外壳体内流动介质是水，工作时制冷剂循环进出换热器芯体装配体内，制冷剂通过进液口Ⅰ和进液口Ⅱ进入分液管中，通过分液管分支接口将制冷剂均匀的散布到换热管直管中，制冷剂经过换热管直管、换热管弯头后折返到下一支换热管直管中，直至经过集气管分支接口后汇集到集气管中，制冷剂通过集气管的集气口Ⅰ和集气口Ⅱ流出后再次通过进液口Ⅰ和进液口Ⅱ进入换热芯体装配体内不断循环；与此同时水从换热器进水口进入到换热器外壳体内，在换热器外壳体内沿着芯体折流板组成的螺旋阶梯状通道流动，通过斜向导流板引导水流在本层通道流动，当水流经过本层斜向导流板的背面时引导水流折弯变向进入到下一层通道，在此过程中，水流方向始终沿着与换热管组垂直的剪切方向流动，且流动路线呈现螺旋形，具有离心力，从而带来一定惯性，一方面是加强了对换热管的冲击扰动，有助提升传热，一方面是这种离心惯性给流动通道带来冲刷动力，使得泥沙或污物不会沉积在通道内，一方面是这类似于生活中的马桶，不需要很大的水量，只需要稍加提供一定动力，就可以形成漩涡形流向产生强大推动力，水流是因为水泵工作产生的动力，这样可以减少一定的水泵功率，达到同样的流量效果，也从侧面降低能耗，提高效率；水流经过芯体折流板导向作用后，从换热器出水口流出换热器，然后再次从换热器进水口进入换热器外壳体内不断循环；当需要拆卸维护时，拆掉连接在换热器外壳体上的封盖，将换热芯体装配体整体抽出，即可进行维护工作。

本发明的技术方案相比现有技术具有的优点如下：

1、易拆洗：换热器便于拆洗，换热芯体装配体可抽出，整体式抽拉，维护清理不留死角。

2、结构紧凑：独创的加密排布布管，突破了传统布管对于折弯半径及最小管间距的限制，管间间距小而密，单位体积布管量显著提高。从而能以更小的体积实现更好的换热量，节省材料成本投入，也避免了运输及安装布置带来的不便。

3、强化传热：在科学的流道布置条件下，水流借助阶梯式折流板的导向，整体呈螺旋型流动，水流动方向始终沿着换热管的剪切方向分布，这时两流动间的扰动最强烈，有利于提升换热能力，另一方面，沿着水流方向与换热器所在圆心所形成的切线方向上，水流作为管外流体，所经过的换热管呈现等腰三角形排布，这样流体经过管束时，管间间距一致，从而阻力基本相当，水流分布的很均匀。从而进一步的使流体热边界层和流动边界层反复重组，强化了传热。简单来说，就是通过引导介质流向和和强化介质对换热管集群的均匀扰动，大大提升了换热能力。

而传统的具有折流板的壳管式换热器，水在换热器内流动，流道呈“长城形迷宫”这种结构存在严重缺陷不足，水先沿着换热管平行的方向流动，再转弯后沿着换热器的剪切方向流动，之后再次转弯，又沿着换热器平行的方向流动，如此反复。从换热原理上说，只有介质沿着剪切方向流动时才能形成较大的雷诺数，从而形成较高的传热K值，而水在沿着与换热管方向平行的方向流动时，是极难提供足够扰动，形成紊流，从而达成较高雷诺数的。因此以往出现的换热器，并未从换热系数及效率上进行考量。

而本文所述专利在此具有显著提升，具有足够广泛的实施意义，对换热器的性能具有显著提升作用。

4、降低驱动功率，减少能耗；本专利所述换热器的流道呈螺旋形阶梯状形式，类似于弹簧形的通道，使得介质在流动过程中由于离心力作用，本身就带来一定的流动惯性，自身产生一定动力。这样就可以降低用于驱动介质流动的泵功率，从而降低能耗。

5、制作方便：圆筒式外观结构，分为外层筒面和内层筒面，端头与筒面通过焊接装配成一体，结构简单易加工，筒盖与筒身可通过螺栓固定密封。

附图说明

图1为本发明水源热泵用环式换热器的主视图；

图2为本发明水源热泵用环式换热器的侧视剖面图；

图3为本发明水源热泵用环式换热器的立体局部剖切图Ⅰ；

图4为本发明水源热泵用环式换热器的立体局部剖切图Ⅱ；

图5为本发明水源热泵用环式换热器的换热器外壳体立体图；

图6为本发明水源热泵用环式换热器的的芯体折流板结构示意图；

1-换热器进水口、2-换热器外壳体、3-换热器出水口、4-换热器固定脚、5-密封垫、6-芯体折流板、601-环状板、602-斜向导流板、603-通孔、7-封盖、8-分液管、9-集气管、10-换热芯体装配体、12-进液口Ⅰ、13-集气口Ⅰ、14-进液口Ⅱ、15-集气口Ⅱ、16-换热管弯头、17-换热管直管、18-换热管接口、19-分液管分支接口、20-集气管分支接口、21-换热器外壳主体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，一种水源热泵用环式换热器，包括换热器外壳体2和换热芯体装配体10，所述换热器外壳体2内腔安装有换热芯体装配体10；所述换热器壳体包括换热器外壳主体21和封盖7，换热器外壳主体21开放端可拆卸连接有封盖7，封盖7与换热器外壳主体21之间设置有密封垫5。

所述换热器外壳主体21包括外壳内环体、外壳外环体，所述外壳外环体内同轴设置有外壳内环体，且外壳外环体和外壳内环体一端通过圆环板密封，另一端开放设置，所述外壳外环体外圆上安装有换热器固定脚4、换热器进水口1和换热器出水口3，换热器固定脚4和换热器出水口3位于外壳外环体的底部设置，且换热器出水口3远离封盖7一端设置，换热器进水口1位于外壳外环体顶部设置，且换热器进水口1靠近封盖7一端设置。

所述换热芯体装配体10包括换热管组、芯体折流板6、分液管8及集气管9；若干换热管组贯穿沿换热器外壳主体21轴向设置的芯体折流板6，且与芯体折流板6固定安装形成换热芯体，所述分液管8通过其上沿周向设置的若干分液管分支接口19与换热管组靠近外壳外环体一侧的换热管接口18一一对应连接，所述集气管9通过其上沿周向设置的若干集气管分支接口20与换热管组靠近外壳内环体一侧的换热管接口18一一对应连接，所述分液管8和集气管9作为换热芯体里制冷剂的分布和集中部位，两个所述分液管8对称布置，两个所述分液管8上端分别设置有进液口Ⅰ12和进液口Ⅱ14，两个所述集气管9对称布置，两个所述集气管9下端分别设置有集气口Ⅰ13和集气口Ⅱ15。

所述换热管组包括换热管直管17和换热管弯头16，若干换热管直管17呈矩阵式分布，且相邻三个换热管直管17组成等腰三角形结构，换热管直管17通过其上的换热管接口18与换热管弯头16连接组成连通的组成换热芯体的制冷剂流通管路，且每一个换热弯头16的两端分别与位于等腰三角形腰线上的两换热管直管17的换热管接口18连接，两个换热管组一端的换热管直管17通过其上的换热管接口18与分液管8的分液管分支接口19连接，另一端的换热管直管17通过其上的换热管接口18与集气管9的集气管分支接口20连接。

如图6所示，所述芯体折流板6包括若干环状板601和若干斜向导流板602，每块所述环状板601上均开设有一个方形的通孔603，且相邻两块环状板601之间设置有斜向导流板602，斜向导流板602从左向右倾斜设置，且斜向导流板602一端与前一环状板601的通孔603左侧连接，斜向导流板602另一端与后一环状板601的通孔603右侧连接，进而使芯体折流板6内的水产生螺旋流动，换热器外壳体2内的水流动方向始终沿着换热管的剪切方向分布。

一种水源热泵用环式换热器的使用方法，包括以下步骤：

换热器的换热管内流动介质为制冷剂，换热器外壳体2内流动介质是水，工作时制冷剂循环进出换热器芯体装配体内，制冷剂通过进液口Ⅰ12和进液口Ⅱ14进入分液管8中，通过分液管分支接口19将制冷剂均匀的散布到换热管直管17中，制冷剂经过换热管直管17、换热管弯头16后折返到下一支换热管直管17中，直至经过集气管分支接口20后汇集到集气管9中，制冷剂通过集气管9的集气口Ⅰ13和集气口Ⅱ15流出后再次通过进液口Ⅰ12和进液口Ⅱ14进入换热芯体装配体10内不断循环；与此同时水从换热器进水口1进入到换热器外壳体2内，在换热器外壳体2内沿着芯体折流板6组成的螺旋阶梯状通道流动，通过斜向导流板602引导水流在本层通道流动，当水流经过本层斜向导流板602的背面时引导水流折弯变向进入到下一层通道，在此过程中，水流方向始终沿着与换热管组垂直的剪切方向流动，且流动路线呈现螺旋形，具有离心力，从而带来一定惯性，一方面是加强了对换热管的冲击扰动，有助提升传热，一方面是这种离心惯性给流动通道带来冲刷动力，使得泥沙或污物不会沉积在通道内，一方面是这类似于生活中的马桶，不需要很大的水量，只需要稍加提供一定动力，就可以形成漩涡形流向产生强大推动力，水流是因为水泵工作产生的动力，这样可以减少一定的水泵功率，达到同样的流量效果，也从侧面降低能耗，提高效率；水流经过芯体折流板6导向作用后，从换热器出水口3流出换热器，然后再次从换热器进水口1进入换热器外壳体2内不断循环；当需要拆卸维护时，拆掉连接在换热器外壳体2上的封盖7，将换热芯体装配体10整体抽出，即可进行维护工作。

本技术一种水源热泵用环式换热器，主要使用于要求高效率、不脏堵、易拆洗的换热器应用场合。高效率换热器一方面节约生产过程能源消耗，节约驱动其运行的能源消耗。另一方面，不易脏堵代表了运行可靠，设备可保证持续稳定运行，降低了维修更换对于设备本身及其他投入过程的能源消耗；而易拆洗的设计可简单快捷地为设备提供养护。以上这些是该发明专利具有充足的新颖性，值得广泛推广替代现有技术的前提。

Claims (6)

1.一种水源热泵用环式换热器，其特征在于，包括换热器外壳体和换热芯体装配体，所述换热器外壳体内腔安装有换热芯体装配体；所述换热器壳体包括换热器外壳主体和封盖，换热器外壳主体开放端可拆卸连接有封盖，封盖与换热器外壳主体之间设置有密封垫。

2.根据权利要求1所述的一种水源热泵用环式换热器，其特征在于：所述换热器外壳主体包括外壳内环体、外壳外环体，所述外壳外环体内同轴设置有外壳内环体，且外壳外环体和外壳内环体一端通过圆环板密封，另一端开放设置，所述外壳外环体外圆上安装有换热器固定脚、换热器进水口和换热器出水口，换热器固定脚和换热器出水口位于外壳外环体的底部设置，且换热器出水口远离封盖一端设置，换热器进水口位于外壳外环体顶部设置，且换热器进水口靠近封盖一端设置。

3.根据权利要求1所述的一种水源热泵用环式换热器，其特征在于：所述换热芯体装配体包括换热管组、芯体折流板、分液管及集气管；若干换热管组贯穿沿换热器外壳主体轴向设置的芯体折流板，且与芯体折流板固定安装形成换热芯体，所述分液管通过其上沿周向设置的若干分液管分支接口与换热管组靠近外壳外环体一侧的换热管接口一一对应连接，所述集气管通过其上沿周向设置的若干集气管分支接口与换热管组靠近外壳内环体一侧的换热管接口一一对应连接，所述分液管和集气管作为换热芯体里制冷剂的分布和集中部位，两个所述分液管对称布置，两个所述分液管上端分别设置有进液口Ⅰ和进液口Ⅱ，两个所述集气管对称布置，两个所述集气管下端分别设置有集气口Ⅰ和集气口Ⅱ。

4.根据权利要求3所述的一种水源热泵用环式换热器，其特征在于：所述芯体折流板包括若干环状板和若干斜向导流板，每块所述环状板上均开设有一个通孔，且相邻两块环状板之间设置有斜向导流板，斜向导流板从左向右倾斜设置，且斜向导流板一端与前一环状板的通孔左侧连接，斜向导流板另一端与后一环状板的通孔右侧连接，进而使芯体折流板内的水产生螺旋流动，换热器外壳体内的水流动方向始终沿着换热管的剪切方向分布，所述环状板上开设有用于连接换热管直管的穿孔。

5.根据权利要求3所述的一种水源热泵用环式换热器，其特征在于：所述换热管组包括换热管直管和换热管弯头，若干换热管直管呈矩阵式分布，且相邻三个换热管直管组成等腰三角形结构，换热管直管通过其上的换热管接口与换热管弯头连接组成连通的组成换热芯体的制冷剂流通管路，换热管组一端的换热管直管通过其上的换热管接口与分液管的分液管分支接口连接，另一端的换热管直管通过其上的换热管接口与集气管的集气管分支接口连接。

6.根据权利要求1所述的一种水源热泵用环式换热器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

换热器的换热管内流动介质为制冷剂，换热器外壳体内流动介质是水，工作时制冷剂循环进出换热器芯体装配体内，制冷剂通过进液口Ⅰ和进液口Ⅱ进入分液管中，通过分液管分支接口将制冷剂均匀的散布到换热管直管中，制冷剂经过换热管直管、换热管弯头后折返到下一支换热管直管中，直至经过集气管分支接口后汇集到集气管中，制冷剂通过集气管的集气口Ⅰ和集气口Ⅱ流出后再次通过进液口Ⅰ和进液口Ⅱ进入换热芯体装配体内不断循环；与此同时水从换热器进水口进入到换热器外壳体内，在换热器外壳体内沿着芯体折流板组成的螺旋阶梯状通道流动，通过斜向导流板引导水流在本层通道流动，当水流经过本层斜向导流板的背面时引导水流折弯变向进入到下一层通道，在此过程中，水流方向始终沿着与换热管组垂直的剪切方向流动，且流动路线呈现螺旋形，具有离心力，从而带来一定惯性，一方面是加强了对换热管的冲击扰动，有助提升传热，一方面是这种离心惯性给流动通道带来冲刷动力，使得泥沙或污物不会沉积在通道内，一方面是这类似于生活中的马桶，不需要很大的水量，只需要稍加提供一定动力，就可以形成漩涡形流向产生强大推动力，水流是因为水泵工作产生的动力，这样可以减少一定的水泵功率，达到同样的流量效果，也从侧面降低能耗，提高效率；水流经过芯体折流板导向作用后，从换热器出水口流出换热器，然后再次从换热器进水口进入换热器外壳体内不断循环；当需要拆卸维护时，拆掉连接在换热器外壳体上的封盖，将换热芯体装配体整体抽出，即可进行维护工作。

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