CN114992916A - 用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器和方法。所述换热器具有冷凝部(01)、冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)，用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，所述冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部彼此分开。所述冷凝部和冷凝物存储部构造成用于，在冷凝过程中，在冷凝部中冷凝蒸汽状态的工质，并且将冷凝物从冷凝部输送到冷凝物存储部。所述冷凝物存储部和蒸发部构造成用于，在蒸发过程中，将冷凝物从冷凝物存储部输送到蒸发部，并且在蒸发部中蒸发冷凝物。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器以及一种用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的方法，特别是在具有固定量工质的封闭式吸附制冷或热泵系统中。
背景技术
吸附式制冷机和热泵在实践中是众所周知的。它们是不连续的机器，其中，吸附器交替地经受来自蒸发器的低压(吸附)和去往冷凝器的高压(解吸)，以及经受连接到热源的高温传热流体和连接到散热器的低温传热流体。通常可以使用两个或更多吸附器来提供连续制冷。为了获得较高的制冷能力，可以使用大量的吸附器。
在已知的吸附式制冷机中，吸附器和用于蒸发和冷凝的第二换热器(相变器)可以位于同一真空容器内。如果低压制冷剂例如水被用于制冷循环，那么这种设计的优点是对于吸附器和相变器之间的蒸汽流具有大的流动直径以及真空系统的简单设计。
根据另一种设计，换热器可以依次执行制冷剂冷凝、冷凝物存储和将存储的冷凝物再蒸发的功能。专利文献CN103492820A提供一种解决方案，该解决方案通过以如下方式设计换热器表面来实现这种设计，即冷凝的制冷剂以薄液膜的形式留在换热器表面上，在那里它稍后将被蒸发。本申请的发明人发现这种设计可能具有以下待改进的缺陷：
a)为了保持低的液膜厚度，需要大的换热器表面，因此提高换热器的热质量，这不利于吸附式制冷机的热性能系数(COP)。
b)为了良好的水分布，需要亲水表面，但这很难实现，特别是当铜制翅片用作换热器表面时。当水用作制冷剂时，需要使用铜代替铝作为翅片材料，以避免由于腐蚀而形成氢气。
c)随着在换热器表面上的制冷剂加载的提高，不能保证制冷剂停留在其被冷凝的位置。这对于作为制冷剂的水尤其关键，因为水具有高表面张力。如果水膜不能保持在表面上，可能会形成水滴，水滴可能会在蒸发过程中从表面吹出。这减少蒸发的制冷剂的量，从而降低系统的容量。在最坏情况下，可能会在真空容器的底部形成水池，该水池只能通过停止机器并让水被吸附材料重新吸附来去除。由于真空容器必须隔热，如果容器底部没有被有效加热，这可能会在可观的时间段内中断吸附式制冷机的运行。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器以及一种用于在换热器中执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的方法，特别是在具有固定量工质的封闭式吸附制冷或热泵系统中，其中，上述缺陷之中的至少一个可以被至少部分地克服。
本发明的第一方面提供一种用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器，所述换热器具有冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部，用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，所述冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部彼此分开；
所述冷凝部和冷凝物存储部构造成用于，在冷凝过程中，在冷凝部中冷凝蒸汽状态的工质，并将冷凝物从冷凝部输送到冷凝物存储部；并且
所述冷凝物存储部和蒸发部构造成用于，在蒸发过程中，将冷凝物从冷凝物存储部输送到蒸发部，并且在蒸发部中蒸发冷凝物。
在一些实施方式中，所述换热器可以构造成用于具有固定量工质的封闭式吸附制冷或热泵系统，其中，系统工作循环包括冷凝过程和随后的蒸发过程。
在一些实施方式中，所述冷凝部和冷凝物存储部可以被构造成用于，在冷凝过程中通过重力、毛细力或这两者的组合将冷凝物从冷凝部输送到冷凝物存储部。
在一些实施方式中，所述冷凝物存储部和蒸发部可以构造成用于，在蒸发过程中通过重力、毛细力或这两者的组合或者通过机械泵送将冷凝物从冷凝物存储部输送到蒸发部。
在一些实施方式中，各所述部可以是平面的或柱形的，或者是任何其他合适形状的。
在一些实施方式中，所述换热器可以包括承载传热流体的管道，所述管道具有管壁，所述管壁具有内表面和外表面。
在一些实施方式中，所述冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部可以布置在管道的外表面上。
在一些实施方式中，所述冷凝部和冷凝物存储部可以在管道的轴向方向上相邻布置，所述蒸发部可以布置在冷凝物存储部的径向外侧。
在一些实施方式中，所述冷凝部可以具有光滑无结构的表面，所述冷凝物存储部和蒸发部可以具有开放多孔结构。
在一些实施方式中，所述换热器可以包括基本上竖直延伸的第一和第二管道以及至少一个基本上水平延伸的不平坦的翅片，所述不平坦的翅片机械连接到和热连接到第一和第二管道的外表面，所述不平坦的翅片具有至少一个峰和至少一个谷，所述峰形成冷凝部，所述谷形成冷凝物存储部，并且所述翅片的与存储在谷中的冷凝物池的边界相邻的区域形成蒸发部。
在一些实施方式中，所述换热器可以包括多个在竖直方向上彼此重叠并且彼此隔开距离的翅片。这些翅片可以相同或基本相同，或者可以彼此不同。
在一些实施方式中，所述换热器可以包括一个唯一的基本上竖直延伸的中心的管道，并且可以包括至少一个不平坦的翅片，所述不平坦的翅片套在管道上、基本上水平延伸并且热连接到管道的外表面，所述不平坦的翅片具有至少一个峰和至少一个谷，所述峰形成冷凝部，所述谷形成冷凝物存储部，并且所述翅片的与存储在谷中的冷凝物池的边界相邻的区域形成蒸发部。
在一些实施方式中，所述不平坦的翅片可以具有瓦楞形或波浪形。
本发明的第二方面提供一种用于在换热器中执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的方法，尤其是所述方法可以通过根据本发明的第一方面的换热器来执行，所述换热器具有冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部，用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，所述冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部彼此分开；
在冷凝过程中，将蒸汽状态的工质在冷凝部中冷凝，并且将冷凝物从冷凝部输送到冷凝物存储部；并且
在蒸发过程中，将冷凝物从冷凝物存储部输送到蒸发部，并且将冷凝物在蒸发部中蒸发。
上面已提及的技术特征和下面将要提及的技术特征以及可从附图获得的技术特征可以任意地相互组合，只要被组合的各个技术特征不是相互矛盾的。
附图说明
现在参照示意性附图借助一些具体实施方式来描述本发明，其中:
图1是根据本发明实施方式的用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器在冷凝过程中的示意图。
图2是图1的换热器在蒸发过程中的示意图。
图3是按照图1和图2所示工作原理的根据本发明实施方式的换热器的纵剖视图。
图4是按照图1和图2所示工作原理的根据本发明另一实施方式的换热器的竖直剖视图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施方式的用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器在冷凝过程中的示意图。图2是图1的换热器在蒸发过程中的示意图。用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的方法可以通过如图1和图2所示的换热器来执行。优选地，所述换热器构造成用于具有固定量工质的封闭式吸附制冷或热泵系统，其中，系统工作循环包括冷凝过程和随后的蒸发过程，例如所述换热器构造成用于吸附式制冷机。典型地，所述工质可以是水。
所述换热器可以具有冷凝部01、冷凝物存储部02和蒸发部03，用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，所述冷凝部01、冷凝物存储部02和蒸发部03彼此分开。各所述部可以热耦合到换热器的表面、尤其是换热器的管道的外表面04。
在如图1所示的冷凝过程中，蒸汽状态的工质可以作为蒸汽流05流到冷凝部01，并且可以在冷凝部01中冷凝，并且从工质到传热流体的热流07可以主要在冷凝部01中进行。从冷凝部01到冷凝物存储部02的冷凝物流06可以通过重力或毛细力或这两者的组合来实现。在冷凝过程中，蒸发部03不起作用。
在如图2所示的可以跟随如图1所示冷凝过程的蒸发过程中，冷凝部01不起作用。从冷凝物存储部02到蒸发部03的冷凝物流08可以通过重力、毛细力或这两者的组合或者通过主动泵送来实现。从传热流体到在蒸发部03中待蒸发的冷凝物的热流09可以主要在蒸发部03中进行。工质的蒸汽流10可以通过热流09在蒸发部03中产生。
冷凝过程和蒸发过程可以在同一个换热器中通过设定传热流体的合适温度来进行，特别是通过设定在管道入口处的温度。传热流体可以被调温，使得传热流体的温度可以在冷凝过程中低于处于压力下的蒸汽状态的工质的平衡温度，并且传热流体的温度在蒸发过程中高于该平衡温度。
可以理解，冷凝部01、冷凝物存储部02和蒸发部03主要用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，在冷凝过程和蒸发过程中，少量蒸汽可以停留在冷凝物存储部02和蒸发部03中，然而，相比于工质总量，少量蒸汽可以忽略不计。
图3是按照图1和图2所示工作原理的根据本发明实施方式的换热器的纵剖视图。所述换热器包括承载传热流体的管道。所述管道具有管壁，所述管壁具有内表面和外表面04。传热流体流11在由管道内表面包围的流动通道中流动。如图3所示，冷凝部01、冷凝物存储部02和蒸发部03可以布置在管道的外表面04上，其中，冷凝部01和冷凝物存储部02可以在管道的轴向方向上相邻布置，并且蒸发部03可以布置在冷凝物存储部02的径向外侧。在所示实施方式中，在管道的轴向方向上设有两个冷凝部01以及在两个冷凝部01之间的一个冷凝物存储部02和一个蒸发部03。各所述部的数量和尺寸可根据实际需要来选择。在所示实施方式中，冷凝部01具有光滑无结构的表面，冷凝物存储部02和蒸发部03具有开放多孔结构。在有利的实施方式中，冷凝部01的光滑无结构的表面可以通过对在其全长上具有开放多孔结构的管道进行机械加工来产生。
在图3中示出在冷凝过程中和在蒸发过程中的工质的流动。可以理解，并不是所有这些流动都是同时产生和存在的。
在冷凝过程中，蒸汽状态的工质可以作为蒸汽流05流向两个冷凝部01，并且可以在冷凝部01中冷凝，并且热流可以主要在冷凝部01中从工质流向传热流体流11。从两个冷凝部01到冷凝物存储部02的冷凝物流06可以通过毛细力来实现。在冷凝过程中，蒸发部03不起作用，因此不产生下面将要描述的蒸汽流10。
在冷凝过程之后的蒸发过程中，两个冷凝部01不起作用，因此上述蒸汽流5不存在。从冷凝物存储部02到蒸发部03的冷凝物流可以通过毛细力来实现。从传热流体流11到在蒸发部03中待蒸发的冷凝物的热流可以主要在蒸发部03中进行。工质的蒸汽流10可以通过热流在蒸发部03中产生。
所述管道构成为传热管，其可以设置有附接到传热管外表面的改性的开放多孔结构。冷凝部01可以通过去除多孔结构的一部分来产生，例如借助于铣床。在冷凝过程中，冷凝物可以被冷凝物存储部02的开放多孔结构的毛细力吸引并存储在那里。在蒸发过程中，在孔壁和冷凝物之间的界面分别产生接触线，所述接触线形成蒸发部03的主要部分，因为在三相线处非常小的膜厚度导致高的局部蒸发速率，所述三相线处于提供蒸发热的固体基底、蒸发中的液体和蒸汽之间。存储的冷凝物也可以通过毛细力被吸引到蒸发部03中。
图4是按照图1和图2所示工作原理的根据本发明另一实施方式的换热器的竖直剖视图。所述换热器包括基本上竖直延伸的第一和第二管道。作为传热管，每个管道具有管壁，所述管壁具有内表面和外表面04，并且具有用于引导传热流体流11的流动通道。所述换热器包括基本上水平延伸的多个不平坦的翅片12，这些翅片12机械连接到和热连接到第一和第二管道的外表面04，在竖直方向上彼此重叠并且彼此隔开距离。
所述不平坦的翅片12具有多个峰和多个谷，所述峰形成冷凝部01，所述谷形成冷凝物存储部02，所述翅片12的与存储在谷中的冷凝物池的边界相邻的区域形成蒸发部03。在所示实施方式中，所述不平坦的翅片具有瓦楞形，该瓦楞形具有尖锐的峰和尖锐的谷。替选地，所述不平坦的翅片可以具有波浪形，其具有圆滑的峰和圆滑的谷。
在图4中示出在冷凝过程中和在蒸发过程中的工质的流动。可以理解，并不是所有这些流动都是同时产生和存在的。
在冷凝过程中，待冷凝的蒸汽流05主要在翅片12的峰处冷凝，并且冷凝物作为冷凝物流06流向谷，其在谷中被存储，形成冷凝物池。
在蒸发过程中，在倾斜的翅片表面和冷凝物池的边界之间的界面分别产生接触线，所述接触线形成蒸发部03的主要部分，因为在三相线处的非常低的膜厚度导致高的局部蒸发速率，所述三相线处于提供蒸发热的固体基底、蒸发中的液体和蒸汽之间。存储的冷凝物可以被吸引到蒸发部中，其中，冷凝物池的边界由于在蒸发过程中冷凝物池的下沉的液面高度而连续变化。
在未示出的实施方式中，换热器可以包括一个唯一的基本上竖直延伸的中心的管道，并且可以包括至少一个结构化的翅片，所述翅片套在管道上、基本上水平延伸并且热连接到管道的外表面。在沿着管道纵向轴线的纵剖视图中，所述翅片可以具有瓦楞形或波浪形，其具有一个或多个峰和一个或多个谷。在该实施方式中，冷凝部01、冷凝物存储部02和蒸发部03可以分别为环形。
用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的方法可以在如图3和图4所示的换热器中执行。在冷凝过程中，将蒸汽状态的工质在冷凝部01中冷凝，并且将冷凝物从冷凝部01输送到冷凝物存储部02。在蒸发过程中，将冷凝物从冷凝物存储部02输送到蒸发部03，并且将冷凝物在蒸发部03中蒸发。
在本发明的一种有利实施方式中，可以采用已知的接触线蒸发的效果(例如参见K.Schweikert等人在“International Journal of Thermal Sciences”,Vol.145,Nov.2019,发表的“On The Transition Between Contact Line Evaporation AndMicrolayer Evaporation During The Dewetting Of A Superheated Wall”)，其中，薄液膜接触线在冷凝物池的边界处产生并且在蒸发过程中发生移动。
需要注意的是，在此使用的术语是仅用于说明具体方面的目的，而不用于限制公开内容。如在此使用的单数形式“一个”和“所述一个”应包括复数形式，除非上下文明确地另有表述。可以理解到，术语“包括”和“包含”以及其他类似术语，在申请文件中使用时，具体说明所陈述的操作、元件和/或部件的存在，而不排除一个或多个其他操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。如在此使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列举的项目的所有的任意的组合。在对附图的说明中，类似的附图标记总是表示类似的元件。
在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。另外可以理解到，如果一个元件被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在……上”、“直接与……耦合”和“直接与……连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在……之间”和“直接在……之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。
可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。
也可以考虑到，在此公开的所有示例性的实施方式可以任意地相互组合。
最后要指出的是，上述实施例仅仅用于理解本发明，而不对本发明的保护范围构成限制。对于本领域技术人员来说，在上述实施例的基础上可以做出修改，这些修改都不脱离本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种用于执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的换热器，其特征在于，所述换热器具有冷凝部(01)、冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)，用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，所述冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部彼此分开；
所述冷凝部(01)和冷凝物存储部(02)构造成用于，在冷凝过程中，在冷凝部中冷凝蒸汽状态的工质，并且将冷凝物从冷凝部输送到冷凝物存储部；并且
所述冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)构造成用于，在蒸发过程中，将冷凝物从冷凝物存储部输送到蒸发部，并且在蒸发部中蒸发冷凝物。
2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，所述换热器构造成用于具有固定量工质的封闭式吸附制冷或热泵系统，其中，系统工作循环包括冷凝过程和随后的蒸发过程。
3.根据权利要求1或2所述的换热器，其特征在于，
所述冷凝部(01)和冷凝物存储部(02)构造成用于，在冷凝过程中通过重力、毛细力或这两者的组合将冷凝物从冷凝部输送到冷凝物存储部；和/或
所述冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)构造成用于，在蒸发过程中通过重力、毛细力或这两者的组合或者通过机械泵送将冷凝物从冷凝物存储部输送到蒸发部。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括承载传热流体的管道，所述管道具有管壁，所述管壁具有内表面和外表面(04)。
5.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述冷凝部(01)、冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)布置在管道的外表面上，其中，所述冷凝部和冷凝物存储部在管道的轴向方向上相邻布置，所述蒸发部布置在冷凝物存储部的径向外侧。
6.根据权利要求5所述的换热器，其特征在于，所述冷凝部(01)具有光滑无结构的表面，所述冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)具有开放多孔结构。
7.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括基本上竖直延伸的第一和第二管道以及至少一个基本上水平延伸的不平坦的翅片(12)，所述不平坦的翅片机械连接到和热连接到所述第一和第二管道的外表面(04)，所述不平坦的翅片具有至少一个峰和至少一个谷，所述峰形成冷凝部(01)，所述谷形成冷凝物存储部(02)，并且所述翅片的与存储在谷中的冷凝物池的边界相邻的区域形成蒸发部(03)。
8.根据权利要求7所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括多个翅片(12)，所述翅片在竖直方向上彼此重叠并且彼此隔开距离。
9.根据权利要求4所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括一个唯一的基本上竖直延伸的中心的管道，并且包括至少一个不平坦的翅片，所述不平坦的翅片套在所述管道上、基本上水平延伸并且热连接到管道的外表面，所述不平坦的翅片具有至少一个峰和至少一个谷，所述峰形成冷凝部，所述谷形成冷凝物存储部，并且所述翅片的与存储在谷中的冷凝物池的边界相邻的区域形成蒸发部。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的换热器，其特征在于，所述不平坦的翅片(12)具有瓦楞形或波浪形。
11.一种用于在换热器中执行工质的交替的蒸发和冷凝过程的方法，其特征在于，所述换热器具有冷凝部(01)、冷凝物存储部(02)和蒸发部(03)，用于工质的冷凝、冷凝物存储和蒸发，所述冷凝部、冷凝物存储部和蒸发部彼此分开；
在冷凝过程中，将蒸汽状态的工质在冷凝部(01)中冷凝，并且将冷凝物从冷凝部(01)输送到冷凝物存储部(02)；并且
在蒸发过程中，将冷凝物从冷凝物存储部(02)输送到蒸发部(03)，并且将冷凝物在蒸发部(03)中蒸发。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法通过根据权利要求1至10中任一项所述的换热器执行。
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