CN118043620A - 吸收式热泵用火焰管换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种用于吸收式热泵发生器的火焰管换热器，其包括同轴插入第二管状体中的第一管状体，每个管状体设置有围绕公共轴线延伸的内表面和外表面，其中第一管状体的外表面适于与在第一管状体和第二管状体之间从入口部分流动到出口部分的加热流体接触，并且第二管状体的外表面适于与含有制冷剂的混合物接触，该制冷剂将通过加热流体与混合物之间的热交换作用而蒸发。换热器包括设置在第一管状体的外表面和第二管状体的内表面之间的翅片，以允许通过加热流体、管状表面和翅片组件的表面之间的对流，以及第一管状体和第二管状体之间的热传导而进行热交换。
Description
技术领域
本发明涉及吸收式热泵技术领域。更详细地说，本发明涉及用于在吸收式热泵的发生器中蒸发含有制冷剂(通常为水—氨或水—溴化锂)的混合物的火焰管换热器的技术领域。
背景技术
吸收式热泵基于如下热力学循环，其中制冷剂(通常是水—氨(NH3)或水—溴化锂(LiBr))通过膨胀或节流阶段从高压环境(冷凝器)进入低压环境(蒸发器)，然后在吸收过程后，通过泵而不是像(传统的)蒸汽压缩热力学循环那样通过压缩机返回到高压阶段。事实上，在这种类型的设备中，蒸发器的蒸汽出口被吸收在液体溶液中，被泵送进入气相，然后在开始新的循环之前从溶液中分离出来。
冷凝器和蒸发器是由与工作流体(在氨吸收热泵中可以是水或空气)接触的管组成的传统部件，制冷剂在工作流体中流动，向冷凝器传递热量(在高温侧)并将热量从蒸发器移除(在低温侧)。
吸收发生在被称为吸收器的换热器中，并通过移除热量促进吸收。温度越低，吸收冷却蒸汽所需的溶液量就越少。
液体溶液的分离通过引入热量在发生器中发生。由于释放的蒸汽并不完全由制冷剂蒸汽组成，因此在发生器和冷凝器之间通常存在精馏器，以确保制冷剂具有一定的纯度。
制冷剂所经历的转换形成了吸收式热泵的循环。运行所需的能量由发生器提供，特别是由燃烧器(通常为气体燃烧器)提供，其通过火焰管加热富含制冷剂的溶液。然后需要少量的电力驱动泵。
由于例如氨等的制冷剂的存在，而含有铝、铜或锌的金属会受到腐蚀而无法使用，因此热泵回路需要由钢制成。由于含有制冷剂的回路需要与环境隔绝，因此其结构需要用不同的技术进行焊接，并且与利用氟化气体的蒸汽压缩机中使用的更常见的钎焊接头相比，需要各种更昂贵的设备。
在压力相当高(甚至大于20巴)的发生器中，这一点尤其重要，需要确保意外释放的加压氨蒸汽不会与排放的烟雾或燃烧器火焰直接接触。
众所周知，火焰管包括一个或多个管，来自燃烧器的热烟雾在管内传输。通过将这种管引入充满待加热液体的容器中，烟雾的热量被传递到管壁，从而传递到正被加热的液体以使其蒸发。
因此，火焰管可能存在的密封缺陷会导致各种负面影响，首先是制冷剂的泄漏(在氨的情况下，制冷剂在高温高压下是有毒的)，继而可能会导致机组停机。
本发明的目的是提供一种火焰管换热器，能够安全和有效地将吸收式热泵发生器中含有加压制冷剂的混合物加热到沸点，然后蒸发它们。
发明内容
本发明通过吸收式热泵发生器的火焰管换热器实现上述目的，该火焰管换热器包括同轴插入第二管状体中的第一管状体，每个管状体设置有围绕公共轴线延伸的内表面和外表面，其中第一管状体的外表面适于与在两个管状体之间从入口部分流动到出口部分的加热流体接触，并且第二管状体的外表面适于与含有制冷剂的混合物接触，该制冷剂通过加热流体和混合物之间热交换作用而蒸发。
换热器包括设置在第一管状体的外表面和第二管状体的内表面之间的翅片，以首先允许热交换，然后允许热量向第二管状体的热传导。
通过使用这种结构，富含氨的混合物的流动与第二管状体壁上的加热流体的流动分离，从而确保两种流体只能在换热器本身破裂后接触。两个管之间的连接翅片确保了充分的热交换水平，该翅片首先通过对流，随后通过传导向外部管状体进行热传递。
翅片可以具有不同的数量、形状和长度，从而允许最大的组装灵活性，以适应在体积、功率密度、沿管状轴线的交换梯度、加热流体的负载损失和热交换效率方面的各种变化需求。
本发明的第二方面涉及一种用于吸收式热泵的火焰管换热器的制造方法，包括以下步骤：
-获得第一管状体；
-获得第二管状体；
-获得金属翅片；
-用钎焊材料层涂覆金属翅片；
-将翅片和第一管状体定位在第二管状体内；
-将第一管状体压靠在翅片和第二管状体的内表面；
-将翅片钎焊在第一管状体和第二管状体上。
进一步的特征和改进是从属权利要求的主题。
附图说明
借助于附图所示的图，通过阅读以下以非限制性示例的方式给出的详细描述，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见，其中：
图1示意性地示出了吸收式热泵的部件。
图2示意性地示出了吸收循环中的压力和温度。
图3示出了根据本发明实施例的火焰管换热器。
图4示出了包括图3的换热器的吸收式热泵的发生器。
图5示出了用于设置根据本发明的火焰管换热器的过程的流程图。
示例性实施例的以下描述涉及附图。不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。本发明的范围由所附权利要求限定。
具体实施方式
参照图1，吸收式热泵包括发生器1、冷凝器2、第一膨胀阀3、蒸发器4、吸收器5、泵6和第二膨胀阀7。
在机器中产生的流体是含有冷却物质的混合物，例如水中的氨。在例如通过气体燃烧器向发生器1提供一定的热量Qin1的作用下，作为混合物中最易挥发成分，制冷剂从溶液中分离出来。由此产生的蒸汽被送到冷凝器2，在那里冷凝，从而向外部源输出热量Qout1。发生器1和冷凝器2都处于取决于冷凝温度Tcond的压力Pcond。
然后，制冷剂通过膨胀阀3被带到较低的压力Pevap，接着被送到蒸发器4，制冷剂在蒸发器4中蒸发，以从外部源移除热量Qin2。
为了重复循环，需要将制冷剂带回到溶液中。这一任务被分配给吸收器5，在吸收器5中，来自蒸发器4的低温制冷剂Tevp的蒸汽，和来自发生器1并通过膨胀阀7带回到低压的溶液相遇。热量Qout2也需要从吸收器5移除，以允许制冷剂冷凝和溶液稀释。因此，这样富集的溶液被泵6带到高压Pcond，以再次引入发生器1，在发生器1中再次开始其循环。泵6吸收电能(图中用Win表示)。
图2示意性地示出了如上所述的吸收循环中涉及的压力和温度，用箭头表示能量交换。
总体而言，能量平衡如下：
Qout1+Qout2＝Qin1+Qin2+Win→QCOND+QASSORB＝QGEN+QEVAP+WPOMPA
[“ASSORB”＝吸收
“POMPA”＝泵]
而加热和冷却效率由下式给出：
[“ASSORB”＝吸收
“POMPA”＝泵
“EVAP”＝EVAP]
从图1所示的基本图开始，可以有几种变型，主要旨在优化热交换，从而提高效率，例如通过使用同流换热器。
对于发生器1，其通常包括适于收集将被分离成其组分的富含制冷剂的溶液的容器，以及适于加热溶液以使低沸点组分蒸发的火焰管换热器，即，在以水为溶剂、以氨为溶质的溶液回路中氨的蒸发。
火焰管换热器包括一个或多个管，来自燃烧器的热烟雾在管内传输。本发明涉及对已知火焰管换热器的改进。
图3示出了根据本发明实施例的火焰管换热器10。换热器是管中管式的，即，它包括同轴插入第二管状体201中的第一管状体101。
每个管状体通常由钢、不锈钢制成，其具有围绕公共轴线展开的内表面和外表面。图3仅示出了第二管状体201的内表面211，而外表面221以及同一管状体201的内表面和外表面之间的厚度保持透明，以简化其图形描述。
第一管状体101的外表面111和第二管状体201的内表面211与加热流体接触，加热流体在第一和第二管状体之间的空隙中从入口部分301流向出口部分401，而第二管状体201的外表面221与包含制冷剂的溶液8接触，包含制冷剂的溶液8通过加热流体和溶液之间的热交换作用而蒸发。
加热流体的入口部分301与燃烧器501(如图4所示)连接，使得燃烧产生的烟雾形成加热流体，该加热流体在第一管状体101和第二管状体201之间的间隙中从入口部分301流向出口部分401，并与下文详细讨论的翅片表面901接触。
如图3所示，为了将出口烟雾向外引导，第一管状体101的出口部分401可以与出口套筒601耦接，出口套筒601与在第二管状体201中形成的开口相关联，例如相对于管状体的轴线成90°。在图4所示的结构中，烟气被导向换热器701以进行可能的热回收，从而进一步提高循环的性能，而燃烧器501由燃烧链801供给是本领域技术人员已知的教导。
如图3所示，第一管状体101通常具有比第二管状体201更小的纵向延伸，从而仅占据第二管状体201的整个内腔的一部分。在这种情况下，进入换热器10的烟雾仅沿着第二管状体201的第一延伸行进，然后在从出口套筒601排出之前涉及两个管状体101、201。
由于第一管状体101入口/出口部分中的一个或两个通常是封闭的(潜在地，管状体101也可以由实心圆柱体制成)，烟雾仅穿过两个管状体之间的间隙。然而，不排除部分烟雾也在第一管状体101中流动的可能性，从而有助于加热其壁。
内部的管状体101的主要功能是在实施过程中将翅片保持在适当位置，并引导烟雾流出，迫使烟雾流入翅片组件，并因此交换热量。
火焰管换热器10可以插入任何形状的容器100中。在实施例中，这种容器具有管状结构，该管状结构包围第一管状体101和第二管状体201，使得包含制冷剂8的混合物被限制在第二管状体201的外表面之外。
有利地，容器100还可以封闭燃烧器501，从而获得高度紧凑的结构。
翅片901通常是金属翅片，设置在第一管状体101的外表面和第二管状体201的内表面之间，以允许通过与加热流体的对流以及第一管状体101和第二管状体201之间的热传导，从而增加交换表面。
翅片901可以具有任何形状、长度、高度和厚度，翅片901具有延伸表面，例如具有矩形或梯形横截面，从第一管状体101的外表面111基本上沿径向方向突出到第二管状体201的内表面211，并在第一管状体101的整个长度上延伸，以形成在面对的延伸表面之间具有间隙的纵向肋。
在附图所示的最简单的情况下，翅片901平行于管状体的轴线布置。可能存在更复杂的结构，其中有几组不同取向的翅片。例如，翅片可以根据给定的角度螺旋缠绕，该角度根据要实现的热交换而变化。
翅片以不同的形状、数量和长度设置，从而允许组装灵活性，以适应在热交换体积和效率方面的各种需求。
翅片可以例如通过模制或挤压与两个管状体中的一个一起形成，然后焊接到另一个管状体上，或者它们可以构成例如通过模制、激光切割或3D打印获得的独立部件，这些部件首先被定位在两个管状体之间，然后被焊接。
根据本发明的火焰管换热器的制造方法，例如可以包括以下步骤：
-在金属翅片上涂覆一层钎焊材料，例如通过电泳涂装；
-将翅片和第一管状体定位在第二管状体内；
-将第一管状体压靠在翅片和第二管状体的内表面，例如采用液压成形工艺；
-将翅片钎焊在第一管状体和第二管状体，例如通过加热钎焊换热器直至获得焊接材料熔化，以降低接触点处的热阻。
然后将由第一管状体、翅片和第二管状体形成的子组件插入容器(通常为管状容器)中，在容器的内壁和第二管状体的外壁之间留有间隙。因此，提供了一种高度紧凑的火焰管换热器，其能够减少焊缝的数量，并通过翅片的特征和数量提高热交换的可调节性。
凭借翅片结构的优势，换热器可以通过在外管状体上实现传导，以增加交换密度。这使得换热器可以设计成具有较大的自由度、提高了安全水平和可靠性(外部管状体的厚度不受限制，并且在外部管状体的壁上没有焊缝)，并且增加了工业化可能性，从而在加工成本和复杂性方面具有优势。
根据本发明的火焰管换热器10，可以构成吸收式热泵的整个发生器1或其一部分。在某些配置中，如图4的上部所示，蒸馏塔(例如板式蒸馏塔111)可以在流体动力学连通中位于换热器上方，以接收气相的出口溶液。因此，发生了一种分馏，其富集了低沸点流体(即制冷剂)的蒸汽，这使得设备更加高效。
Claims (18)
1.一种用于吸收式热泵发生器的火焰管换热器(10)，包括同轴插入第二管状体(201)中的第一管状体(101)，每个管状体设有围绕公共轴线延伸的内表面和外表面，其特征在于，所述第一管状体(101)的外表面(111)适于与在两个管状体之间从入口部分(301)流动到出口部分(401)的加热流体接触，并且所述第二管状体(201)的外表面适于与含有制冷剂(8)的混合物接触，所述制冷剂(8)将通过加热流体与混合物之间的热交换作用而蒸发，其中，所述换热器(10)还包括设置在所述第一管状体(101)的外表面(111)和所述第二管状体(201)的内表面(211)之间的翅片(901)，以允许所述第一管状体(101)和所述第二管状体(201)之间的热传导，并增加与加热流体的对流热交换表面。
2.根据权利要求1所述的换热器，其中，所述第一管状体(101)具有比所述第二管状体(201)更小的纵向延伸，从而仅占据所述第二管状体(201)的内腔的一部分。
3.根据前述权利要求中一项或多项所述的换热器，其中，所述第一管状体(101)在至少一端封闭，使得所述加热流体只能在所述第一管状体(101)的外表面(111)和所述第二管状体(201)的内表面(211)之间的间隙中通过。
4.根据前述权利要求中一项或多项所述的换热器，其中，所述翅片(901)具有延伸表面，所述延伸表面从所述第一管状体(101)的外表面基本上沿径向方向突出到所述第二管状体(201)的内表面，并在第一管状体(101)的整个长度上延伸，以形成在面对的延伸表面之间具有间隙的纵向肋。
5.根据前述权利要求中一项或多项所述的换热器，其中，所述翅片(901)的形状为矩形或梯形。
6.根据前述权利要求中一项或多项所述的换热器，其中，所述加热流体的入口部分(301)与燃烧器(501)耦接，使得燃烧产生的烟雾形成加热流体，所述加热流体在所述第一管状体(101)和所述第二管状体之间的间隙中从所述入口部分(301)流动到所述出口部分(401)。
7.根据前述权利要求中一项或多项所述的换热器，其特征在于，所述换热器包括第三管状体(100)，所述第三管状体(100)包围所述第一管状体(101)和所述第二管状体(201)，使得含有制冷剂(8)的混合物被限制在所述第三管状体(100)的内表面和所述第二管状体(201)的外表面之间。
8.根据权利要求7所述的换热器，其中，所述第三管状体(100)也包围所述燃烧器(501)。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的换热器，其中，所述第一管状体(101)由实心圆柱体制成。
10.一种用于吸收式热泵的发生器(1)，包括：容器(100)，适于收集富含制冷剂的溶液(8)以将其分离成其组分；根据前述权利要求中的一项或多项的火焰管换热器(10)，布置在所述容器(100)中，使得第二管状体(201)的外表面与溶液(8)接触；燃烧器(501)，将烟雾排放流体动力连接到由所述火焰管换热器(10)的第一管状体(101)和第二管状体(201)之间的翅片间隙(301)中限定的入口部分；以及，板式蒸馏塔(111)，与所述容器(100)流体动力学连通，以接收来自所述容器(100)的蒸汽阶梯出口中的溶液(8)。
11.一种吸收式热泵用火焰管换热器(10)的制造方法，包括以下步骤：
-获得第一管状体(101)；
-获得第二管状体(201)；
-获得金属翅片(901)；
-用钎焊材料层涂覆所述金属翅片(901)；
-将所述翅片(901)和所述第一管状体定位在所述第二管状体(201)内；
-将所述第一管状体(101)压靠在所述翅片(901)和所述第二管状体(201)的内表面；
-加热在所述第一管状体(101)和所述第二管状体(201)上的翅片(901)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，用所述焊接材料通过电泳涂覆所述翅片(901)。
13.根据权利要求11至12中一项或多项所述的方法，其中，将翅片(901)焊接在第一管状体(101)和第二管状体(201)的步骤为通过加热换热器(10)使焊接材料熔化而进行钎焊。
14.根据权利要求11至13中一项或多项所述的方法，其中，通过钎焊涂覆材料的步骤发生在将所述翅片(901)定位在所述第一管状体(101)和所述第二管状体(201)之间之后，在通过加热换热器(10)直到获得熔化的钎焊材料而进行钎焊之前。
15.根据权利要求11至14中一项或多项所述的方法，其中，通过液压成形将第一管状体(101)压在所述翅片(901)和所述第二管状体(201)上。
16.根据权利要求11至15中一项或多项所述的方法，其中，所述翅片(901)通过模塑、激光切割或3D打印获得。
17.根据权利要求11至16中一项或多项所述的方法，其中，所述翅片(901)以不同的形状、数量和长度获得，从而允许组装灵活性，以适应换热器(10)的热交换体积和效率方面的各种需求。
18.根据权利要求11至17中一项或多项所述的方法，其中，提供将子组件插入容器(100)的步骤，所述子组件由第一管状体(101)、翅片(901)和第二管状体(202)组成，所述容器(100)通常为管状容器，在所述容器(100)的内壁和所述第二管状体(201)的外壁之间留有间隙。
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