CN1153029C - 带有混合式下落液膜蒸发器的冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于冷却液体的蒸气压缩制冷装置，它具有一个用于将液态制冷剂分布到壳管型蒸发器内管子上的喷洒分布装置。在制冷剂流动回路中蒸发器两端的压差是形成通过喷洒分布装置的流动的唯一措施。该蒸发器是如一种混合式下落液膜热交换器那样工作，即以一种半浸没状态工作。蒸发器壳体的下部浸没在液态制冷剂中以将管束内的下部管子浸湿，而在上部的管子仅由从喷洒分布装置喷出的制冷剂喷雾沾湿。装置以稳态工作，由此，蒸发器中至少25%的管子是以浸没的传热方式工作。该装置可使装置中的制冷剂充量减少而同时可避免使用循环装置和泵。

Description

带有混合式下落液膜蒸发器的冷却装置

技术领域

本发明一般涉及冷却液体的装置，尤其涉及一种用于冷却液体例如水的蒸汽压缩制冷装置，该装置的蒸发器具有以浸没方式工作的部分和以下落液膜的方式工作的部分。

背景技术

通常称为“冷却装置”的、用于冷却水的蒸汽压缩制冷装置广泛用于各种空调应用场合。这些装置具有大的冷却能力，通常可达350千瓦(100吨)或者更大的容量因而被用于冷却大的结构例如办公大楼、大的商店和船舶中。在采用一个冷却装置的典型的应用中，该装置包括一个冷却水的闭合流动回路，使水从冷却装置的蒸发器向位于被冷却空间内的多个空气对水热交换器环流。冷却装置的另一种应用是作为工业用的各种液体的处理冷却器。图1表示一个典型的已有技术的冷却装置10的一般布置。在冷却装置10中，制冷剂在一个闭合回路中从压缩机12流向冷凝器14、膨胀装置16、蒸发器18再向压缩机12回流。在冷凝器14中，通过将热量传递给以与制冷剂进行热交换关系流动的流体使制冷剂获得冷却。这种流体通常是一种由供给源20供给的冷却流体例如水。在蒸发器18中来自总的以标号22表示的一个回路的水是以与制冷剂进行热交换关系流动，通过将热量传递给制冷剂而冷却。

冷却装置的蒸发器通常是一种壳体管道型的热交换器。壳体管道型热交换器通常包括一个外壳体，其内部包含有多根管子(称为管束)。待冷却的液体例如水流经管束。沸腾所需要的热量从流经这些管子的水获得。当热量被去掉时冷却后的水就可用于空调或者处理液体的冷却。因此冷却装置设计的主要目的是使发生在蒸发器壳体内的热交换尽可能完善。

一般，在一个表面和一种液态物质之间的传热速度远大于在该表面与这种气态的同样物质之间的传热速度。由于这个原因，在冷却装置的工作过程中使在冷却装置蒸发器中的管子保持被液态制冷剂覆盖或者浸湿对于获得实际的高效率的传热性能很重要。大多数已有技术的冷却装置蒸发器是通过使蒸发器以所谓的“浸没方式”工作来实现使管子保持浸湿的目的的。在一种浸没方式中，在蒸发器壳体中的液态制冷剂的液面要高到足够使所有的管子都处于液态制冷剂液面之下。图2简示了一个以浸没状态工作的冷却装置24，其中所有的管子都在制冷剂液面28之下。尽管冷却装置处于浸没状态工作保证了所有管子都被浸湿，它还需要较大数量的制冷剂，尤其在大容量的冷却装置中是这样。如果制冷剂成本较低，这种考虑意义并不大，然而，当成本增加时，所需要的制冷剂的数量就可能成为一个重要的成本因素。该成本不仅反映在需要充入的制冷剂的初始成本上，而且反映在制冷装置寿命期内的维护保养和更换的成本上。

近来已将新的制冷剂引用于这些冷却装置以取代氯化制冷剂，氯化制冷剂不再被使用是因为已发现它们会消耗大气臭氧层。这些新的制冷剂要明显地比被它们所替换的那些氯化制冷剂贵。因此，减少充进冷却装置系统中所需要的制冷剂数量不但可使费用明显减少，而且还可以帮助满足生产出更有利于环保的产品的需要。

一种采用较少的制冷剂充量的方法是使用一种所谓的“下落液膜”的蒸发器。提出下落液膜蒸发器的概念是以这样的事实为前提：在制冷剂和管子外表面之间的传热主要通过对流和传导，以及合适的传热性能不仅可以通过将管子淹没在液态制冷剂中，而且还可通过使连续补充的液膜保持在管子外表面上来获得。因此，宁可不将管子淹没在液态制冷剂中使管子浸湿，而通过安装一个将液态制冷剂流分布在管子上的装置来减少在冷却装置中所需要的制冷剂充量。制冷剂流通过液态制冷剂液膜使管子表面保持浸湿，从而不必要使整个管束都浸没于液态制冷剂中就可保持蒸发器的传热效率。这种液流可以通过将液态制冷剂喷洒到蒸发器管束中的上面的管子上来获得。制冷剂覆盖上面的管子并通过重力作用而向下流淌到上面管子之下的下面管子上。正是由于这个原因这样一种热交换器就被称为“下落液膜”蒸发器。非常重要的是，在下落液膜蒸发器中在管束之上要有足够的液态制冷剂流，以使所有制冷剂不致在上部蒸发而使最下面的管子未被浸湿而影响传热。

一种影响液体浸湿表面的能力的因素是液体表面张力。一般，表面张力越小，则液体浸湿表面的能力就越大。例如，水具有较大的表面张力因而是一种较差的浸湿剂。目前在广泛的喷洒使用中的一些制冷剂具有很小的表面张力，即小于摄氏26.6度时每厘米30达因，从而具有理想的浸湿能力。这些制冷剂的例子包括R-134A，R-410A，R-407C，R404和R-123。

已经发现：采用下落液膜蒸发器，尤其是使用具有较大表面张力的制冷剂时，要想在制冷剂分布到管子上的速度等于制冷剂通过蒸发器的总流速时，获得理想的传热效率而成本又可被接受是不可能的。术语再循环比被用来表示被分布的制冷剂流速与通过蒸发器的总流速之比。当这两种流动速度相等时，该循环比便等于1。为了在下落液膜蒸发器内的管子上产生足够的液态制冷剂流，一种已有技术中所熟悉的方法是设置一个机械式泵以使制冷剂在蒸发器壳体内再循环。图3简示出在制冷装置32中的一个下落液膜型的蒸发器30。与在图2中所示的浸没型蒸发器相反，可以看到从膨胀装置16流出的制冷剂通过进入蒸发器壳体36内的供给管35流向覆盖在最上层管子40上的喷洒板。包括一个再循环泵42的再循环回路通过管44将液态制冷剂从蒸发器壳体的底部抽出并通过管46将它供向供给管35，然后通过喷洒板38重新分配制冷剂。这样该再循环装置就保证具有足够的通过喷洒板38的液流使管子被浸湿。

在这样一种下落液膜蒸发器装置中，所有管子可保持浸湿状态，而在蒸发器中的液态制冷剂液面48却处在管束内最下面管子之下。为了保证在管束内的所有管子都被浸湿，该再循环比(喷洒板流速与通过蒸发器的总流速之比)可设定为10比1。由于蒸发器可在管子不浸没的情况下充分地工作，与具有以浸没状态工作的蒸发器的装置相比，充入这样一个装置所必需的制冷剂量可相应减少。然而，要看到该再循环装置所增加的成本尤其是泵可能抵消由于使用较少制冷剂所获得的节省。需要泵的明显缺点包括成本增加、可靠性低和维护保养成本高。在需要再循环泵的冷却装置中所增加的附加功率损耗和净用材料的减少虽不很明显但很值得注意。具体说，如果使用一个泵来保证在下落液膜蒸发器中的浸湿，该附加功率损耗就转化为大约1％-2％的冷却装置功率损耗的增加；这在当今高效率的冷却装置市场中被认为是很值得注意的并且从地球转暖的前景来看无疑是一个缺点。

发明内容

本发明的一个目的是提供这样一种冷却装置，它的蒸发器装置具有以下落液膜方式工作的部分和以浸没方式工作的部分。

本发明的另一个目的是在没有再循环装置的情况下使具有下落液膜和浸没相组合方式的蒸发器运行。

本发明的又一个目的是使具有以浸没方式工作的第一通道和以下落液膜方式工作的第二通道的双通道蒸发器运行。

本发明的再一个目的是提供一个用于冷却装置的双通道蒸发器，其中在第一通道中的传热管子是再入内腔型传热管而在第二通道中的传热管是冷凝器型的传热管。

本发明的还有一个目的是提供一种双通道蒸发器，它具有以浸没方式工作的第一通道和以下落液膜方式工作的第二通道，并且在该两种方式中单根管子型式提供了最佳热传导。

本发明的这些和其它的目的是通过一个用于冷却液体的蒸气压缩制冷装置实现的，该装置包括全部互相串联连接以形成使制冷剂循环通过的闭合的制冷剂流动回路的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。该装置的蒸发器包括一个具有上端和下端以及在其上形成的一个制冷剂进口和一个出口的外壳体。蒸发器还包括包含在外壳体内的多根基本水平的传热管。传热管的一部分相邻于壳体的上端而另一部分相邻于壳体的下端。这些管子适合于使待冷却的液体从中流过。该蒸发器还包括用于接受通过制冷剂进口流向外壳体的制冷剂并将制冷剂分布到位于与外壳体上端相邻的传热管上的装置。制冷装置的制冷剂闭合流动回路的结构布置成使外壳体内的制冷剂液面保持在这样一个水平上，即在制冷装置稳定工作过程中多于25％的水平管浸没在液态制冷剂中。未浸没在液态制冷剂中的水平管子是以下落液膜传热方式工作。在这样一种稳态工作过程中，通过分布装置的制冷剂流速要不大于从制冷剂进口流向制冷剂出口的制冷剂总流速。

在一较佳实施例中，蒸发器的型式为待冷却液体具有通过外壳体的两个通道。第一通道是通过相邻于壳体下端的第一组水平传热管，而第二通道是通过第二组水平管。

附图说明

从下面结合附图的详细说明可清楚地看到本发明的目的和优点。其中同样的标号表示相同的零部件，这些附图如下：

图1是已有技术的冷却装置的简示图；

图2是已有技术具有浸没式蒸发器部分的冷却装置简示图；

图3是已有技术具有下落液膜蒸发器部分的冷却装置简示图；

图4是本发明的具有下落液膜和浸没混合式蒸发器的冷却装置的简示图；

图5是图4所示型式的下落液膜和浸没混合式蒸发器的一个简化剖视图。

具体实施方式

图4简示出本发明的安装有下落液膜和浸没混合式蒸发器50的一个冷却装置10。该冷却装置10具有一个标准的制冷剂闭合流动回路，在该回路中制冷剂从压缩机12流向冷凝器14、膨胀装置16、蒸发器50，然后回流到压缩机12中。

蒸发器50包括一个外壳体，成管束的多根水平传热管54通过它。再参看图5，在图示实施例中，蒸发器为两通道型式，在其一端处具有一个水箱56，该水箱具有将它分成分别连通于水的进口64和出口66的进口部分60和出口部分62的一个隔板58。通过进口64向进口部分流动的水通过与蒸发器壳体50的下端相邻的第一组管子68流向相对端70，在相对端处水反向并通过与壳体上端相邻的第二组管子72回流到水箱56的出口部分62，在那里通过出口水管66水被引出水箱。众所周知，如果需要的话，通过将管子分成多个不同互连组的两个以上的隔板可获得通过壳体52的两个以上的水通道。

在工作时，制冷剂以主要以液体状态通过制冷剂进口74进入蒸发器50的外壳体52，而以主要为气体状态通过制冷剂出口76排离蒸发器壳体。

如图4和5两个图中所示，借助于进口管子78通过进口74进入蒸发器的制冷剂通向分布装置80，该分布装置是以覆盖第二组管子72之上大部分平面的方式布置。该分布装置包括一系列的喷头或者喷嘴82，它们布置在管子上面大部分平面之上以使进入蒸发器壳体的所有制冷剂可适当地分布或者喷洒到最上部的管子之上。

在稳态工作时，要使在装置10内的制冷剂的充量和制冷剂流动闭合回路的整体设计满足在外壳体52内的液态制冷剂的液面保持在这样的液面上，即使在壳体下端附近的至少25％的水平传热管被浸没在液态制冷剂中。

因此，在稳态工作过程中，蒸发器50工作，在其下面部分的管子是以浸没的传热方式工作，而未浸没在液态制冷剂中的管子是以下落液膜传热方式工作。

在一种高效率的蒸发器中，非常重要的是要使所有传热管在任何时候都充分地浸湿，以使所有传热管实现最佳传热。为了实现此结果，下落液膜和浸没式蒸发器，按照本发明应该这样工作：在制冷装置稳态工作过程中要有25％至75％之间的数量的水平传热管子被浸没在液态制冷剂中。在一较佳实施例中，该装置设计成在制冷装置稳态运行过程中约有50％的水平传热管被浸没在液态制冷剂中。

尽管上面是就由下至上通过的布置方式对该混合式蒸发器予以了图示和说明，但是这种混合式蒸发器还可采用肩并肩布置的方式。在这样一种布置中，进入的热水通过管束的一侧，而相对较冷的水通过管束的另一侧。

在本发明的另一个实施例中，蒸发器50具有上述的型式，其中要被冷却的液体是通过两个通道流过外壳体的。在此实施例中，第一组或者下面一组的管子68是大家所知的那种再入内腔型的传热管，众所周知在浸没型式的蒸发器中这种传热管具有高性能。这种再入内腔型的传热管是一种型号为Turbo B1-3的管子，可以从沃尔弗林管道公司买到。该第二组或者上面组的传热管72，在此实施例中，具有一般设计成用于冷凝器应用中的那种型式，具体说，可以是“棒型冷凝器管”的型式，如Turbo C1或者C2，可从沃尔弗林管道公司买到。

如下面可看到那样，在上部和下部采用不同型式的传热管可使蒸发器的浸没和下落液膜的两部分都获得高的传热系数。然而应进一步认识到，最终目的是使蒸发器的下落液膜和浸没的两部分中获得最佳的传热。这些管子并不需要不同。只要能在两种方式中提供最理想传热的单种管子就可实现这个目的。

当采用两通道、由下至上型式的蒸发器时，上述布置的好处特别明显。为了完全认识这些好处，应该首先理解：在一种通常的两通道蒸发器中，在进口64处进入的水的温度可约为华氏54度，而在第一通道端70处水冷却到约为华氏47至48度，并且在出口66处从蒸发器通过时可再另外冷却几度而至大约44度。因此，通过管子的水的温度在下面的部分或者浸没沸腾部内较高，而在上面的部分或者下落液膜传热部分内水的温度较低。

考虑采用这种型式，本实施例的好处可以用下面的方式予以解释。浸没沸腾系数大致与壁过热量(ΔTws)的平方成正比，该壁过热量定义为管子壁温和制冷剂饱和温度之间的温差。相反，下落液膜蒸发系数大致与壁过热量的四次方根成反比。这样，在具有由下至上通道布置的蒸发器的第一水通道中，该壁过热量较高，这导致高的核态沸腾系数。然而，如果在第二通道中采用浸没蒸发器和同样型式的传热管，则由于第二通道内当管侧流体变得较冷时壁的过热量变小，核态沸腾系数可能减小为三分之一至四分之一。在一种通常高效的的制冷装置中，当水进入热交换器时水温与制冷剂饱和温度之间的温差可以为华氏12度左右，在水排出热交换器时，温差降低至华氏1至2度。因此，当温差变小时，由于它们是在第二通道内，下落液膜传热系数就变得比浸没沸腾系数大。如果在本实施例中那样的两个水通道中都采用合适的传热面积，则这种情况尤其确实无疑。因而应认识到，按照本发明，热交换器是在没有任何制冷剂循环泵的情况下以实现和取得在浸没沸腾和下落液膜蒸发两种方式中的高传热系数优点这样一种方式进行工作的。

Claims (6)

1.一种用于冷却液体的蒸气压缩制冷装置，包括压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，它们以串联的方式连接在一起以构成使制冷剂循环通过的一个制冷剂流动闭合回路，所述的蒸发器包括：

具有上端和下端的外壳体，所述外壳体具有一个制冷剂进口和一个制冷剂出口；

容纳在所述外壳体内的多根基本水平的传热管，所述传热管的一部分相邻于所述壳体的上端，而所述传热管的另一部分相邻于所述外壳体的下端，所述管子适合于使要被冷却的液体流过；以及

用于接受通过制冷剂进口通向所述外壳体的制冷剂和将制冷剂分布到与所述外壳体上端相邻的传热管上的装置；

其中，所述制冷剂流动闭合回路的构成应使在所述外壳体内的液态制冷剂液面保持在这样一个水平上，即在所述制冷装置稳态工作过程中多于25％的水平传热管被浸没在液态制冷剂中，而未浸没在液态制冷剂中的水平传热管在制冷装置稳态工作过程中是以下落液膜传热方式进行工作的。

2.如权利要求1所述的蒸气压缩制冷装置，其特征在于，所述的制冷剂流动闭合回路的构成还应使通过所述分布装置的制冷剂流速不大于从所述制冷剂进口流向所述制冷剂出口的制冷剂总流速。

3.如权利要求1所述的蒸气压缩制冷装置，其特征在于，在制冷装置稳态工作过程中，有50％的水平传热管浸没在液态制冷剂中。

4.如权利要求1所述的蒸气压缩制冷装置，其特征在于，与所述外壳体上端相邻的传热管部分是冷凝器型式的传热管，而与所述外壳体下端相邻的传热管部分是再入内腔型的传热管。

5.如权利要求1所述的蒸气压缩制冷装置，其特征在于，与所述外壳体上端相邻的传热管部分和与所述外壳体下端相邻的传热管部分是相同型式的管子。

6.如权利要求1所述的蒸气压缩制冷装置，其特征在于，所述蒸发器具有这样一种型式：要被冷却的液体通过所述外壳体的两个通道，第一通道通过与所述壳体下端相邻的第一组水平传热管，该第一通道中液体温度从进口温度降低到中间温度，而第二通道通过覆盖在所述第一组管子上的第二组水平传热管，该第二管道中液体温度从所述中间温度进一步降低到较低的出口温度。

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