CN1187563C - 蒸发器和致冷机 - Google Patents

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Abstract

本发明蒸发器(12)如下构成：流动冷水的成束的热交换管(15)安装在输入冷却介质的容器(14)中。若比较冷水流动方向上不同位置处热交换管(15)的总横截面积，下游的总面积小于流道的上游位置的总面积。因此，即便冷水和冷却介质之间的温差小，下游管子中冷水的流速大于上游管子。因此即使在管组D中热通量也增加，热交换率提高。

Description

蒸发器和致冷机
                       技术领域
本发明涉及通过发生在液体和冷却介质之间的热交换过程来冷却待冷却液体(例如：水、盐水和类似物)的蒸发器，并涉及具有该蒸发器的致冷机。
                       背景技术
在大规模建筑结构中，如楼房，靠使用致冷机产生冷水并使冷水在安装在楼房内的管子流动来执行房间冷却，靠与房间中的空气热交换冷却房间。
图6示出了设置在致冷机中蒸发器的例子。这样的蒸发器包括筒形容器1，用于导入冷却介质并容纳以“之”字方式成束的流通冷水的多个热交换管2。
热交换管2分为与冷水入口3连通的管组a，与设置在容器1的每一端的水腔(图中省去)连通的两个管组b、c，与冷水出口4连通的管组d(每组设置有相同数目的管子)，因此从冷水入口3流入的冷水流经管组a，达到一个水腔，然后反向水流，经过管组b进入另一个水腔，第二次反向水流，经过管组c到达另一个水腔，第三次反向水流，经过管组d从冷水出口4排出。冷水流经管组，两次流过容器1的长度，在这个过程中，冷水与冷却介质热交换并被以不同路径导入容器1的冷却介质冷却。另一方面，冷却介质被冷水加热至沸腾并蒸发。
然而，具有这种结构的蒸发器造成下列问题。
(1)在传统的蒸发器中，每个管组中热交换管的个数相同，管子的长度也相同。然而，若按水流方向上游周围的那些管子与下游周围的那些管子相比，在管子中流动的冷水的流速几乎不变。但是在下游周围，在管中流动的冷水和管外流动的冷却介质之间的温差小，因此与上游周围的热通量相比，热通量较少，导致下游管组中热交换率减少。
(2)在上游管组中，在管中流动的冷水和绕管子外部流动的冷却介质之间有温差，导热通量与上游处相比更大，因此增加了热交换率。虽然增加热交换率本身不是问题，在上游管子附近的冷却介质被自动蒸发至某种程度，增加了空隙比，阻碍了液相冷却介质和冷水之间的热交换，导致即使在上游管组热交换率也降低。
(3)在上游管组中，气态/液态界面(结霜度，或更精确的讲，冷却介质的蒸汽和气/液两相混合物之间的界面)升高，同时在下游管组中，受上游管组中气/液界面升高的影响，气/液界面降低。因此，如果每个管组的最上部的热交换管的高度都相同，下游管组的最上部的热交换管暴露在气相的冷却介质之中。因此，阻碍了冷却介质和冷水之间的热交换，导致即使在下游管组中热交换率也降低。
                        发明内容
根据上述的背景知识提供本发明，目的是提供一种通过增加蒸发器的热交换率使其具有高的冷却效率的致冷机。
提供具有下述结构的蒸发器和致冷机作为实现本目的装置。即通过在导入冷却介质的容器中设置成束的流通待冷却液体的多个热交换管而构成蒸发器，其中，待冷却液体的流道中给定位置处热交换管总横截面积在下游位置比流道上游位置小。
在基本型式的蒸发器中，通过减少待冷却液体(待冷却对象)流道下游处的单个热交换管的横截面积的总和，增加了流道的下游处待冷却液体的流速，因此虽然待冷却液体和冷却介质之间温差小，热通量还是增加的，因此在下游管组中，热交换率提高了。
根据蒸发器的第二方面，多个热交换管由具有相同直径的管子组成，及多个热交换管分组为管组，以便流道依次地迂回流过每个管组；属于下游处的热交换管个数少于属于上游处热交换管的个数。
在上述蒸发器中，通过相对于属于上游处热交换管个数减少属于下游处热交换管的个数，热交换管的总横截面积减小，导致待冷却液体的流速增加，因此基本型式的蒸发器中的热通量增加，于是既使在下游管组中也可能提高热交换率。
根据蒸发器的第三方面，在导入冷却介质的容器中设置成束的流通待冷却液体的多个热交换管而构成的蒸发器中，待冷却液体的流道的给定位置处热交换管之间的分离距离选定，因此上游管分离距离比下游管分离距离相对宽。
在上述蒸发器中，通过加宽待冷却液体的流动方向的上游处管子之间的分离距离，使冷却介质的蒸气在热交换管之间更容易上升，有利于冷却介质的液相和冷水之间的热交换，因此在流道的上游处提高了热交换率。
根据蒸发器的第四方面，多个热交换管由具有相同直径的管子组成，及多个热交换管分组为管组，以便流道依次地迂回流过每个管组；位于上游处的多个热交换管的那些热交换管的分离距离比位于下游处那些热交换管的分离距离宽。
在上述的蒸发器中，通过相对于管组中下游处增加管组中上游处的分离距离，使冷却介质的蒸气在热交换管之间更容易上升，有利于冷却介质的液相和冷水之间的热交换，因此上游处管组中也提高了热交换率。
根据蒸发器的第五方面，位于每个管组的最上边的热交换管以这种方式安装：位于上游管组的最上边大多数管子高于位于下游管组的那些最上边管子，堆积高度向下游管组逐渐变低。
在上述蒸发器中，通过使上游处管子依次高于下游处管子的方式安排每个管组的最上边的热交换管，即使上游处和气/液界面高度增加，导致下游处气/液界面的降低，也不会有最上边的管子处于冷却介质的气相之中的危险。因此，有助于冷却介质和冷水之间的热交换，于是即使在下游处管组中也提高了热交换率。
本发明的致冷机包括：基本的蒸发器或包括第二至第五方面的任一个的蒸发器；压缩气态冷却介质的压缩机；冷却和液化压缩了的气态冷却介质的冷凝器；在液态冷却介质流到蒸发器的过程期间减少冷却介质压力的膨胀阀。
在上述的致冷机中，蒸发器中通过热交换管的热交换率如上所述得到提高，因此提高了热交换效率。即使能量消耗降低，也能实现等同于传统致冷机的性能水平。
                     附图说明
图1是本发明的第一实施例中致冷机的示意图；
图2是图1中面II-II的蒸发器的横截面图；
图3是第二实施例中蒸发器的横截面图；
图4示出了蒸发器中热交换管的位置；
图5是第三实施例中蒸发器的横截面图；
图6是设置在致冷机中的传统蒸发器的横截面图。
                  具体实施方式
参考图1和图2解释第一实施例中的蒸发器和致冷机。
图1为致冷机结构的示意图。图1中示出的致冷机包括：靠废水和气态冷却介质之间的热交换冷凝和液化冷却介质的冷凝器10；减小已冷凝的冷却介质压力的膨胀阀11；靠已冷却的冷却介质和冷水(待冷却液体)之间的热交换来冷却冷水，并气化冷却介质的蒸发器12；压缩气态的冷却介质，给冷凝器提供压缩后的冷却介质的压缩器13。致冷机靠蒸发器12产生冷水，用该冷水为楼房调节温度等。
蒸发器12的结构如下：沿着容器14的长度方向，多个热交换管15在筒形容器14中成束安装(图1示出了简化的布局)，冷却介质在容器14中流动。
图2示出了蒸发器12的横截面图。热交换管15由具有相同直径的金属管制成，并按“之”字形安装。而且，热交换管15分为A至D四个管组，通过细分设置在容器14每一端的水腔(图中省略)，冷水路径依次迂回通过管组A至D。
详细的讲，冷水入口16的一端与属于A组的热交换管15的一端(图2中纸的前侧)连通，属于A组的热交换管15的另一端(图2中纸的后侧)与属于B组的热交换管15的另一端连通，属于B组的热交换管15的一端与属于C组的热交换管15的一端连通，属于C组的热交换管15的另一端与属于D组的热交换管15另一端连通，属于D组的热交换管15的一端与冷水出口17连通，因此冷水两次流过容器14的内部。
本实施例中蒸发器12的特征是：属于冷水流道的下游处的D组热交换管15的个数，少于属于A至C组中任一组的热交换管15的个数。
而且，本实施例中的蒸发器12，属于管组D和其它管组的热交换管1 5个数的差别调配至管组A，因此属于管组A的热交换管15的个数增加，但热交换管15的总个数保持与传统蒸发器的一致。
在以这种方式构造的蒸发器12中，属于管组A至D的热交换管15的分配发生变化，管组D中热交换管15的个数减少，而管组A中的热交换管15的个数增加，若比较热交换管15中流道的总横截面积，流道中在下游管的流通面积小于在上游管的流通面积。
因为在上游处或下游处冷水的流量基本没变，结果在流道的下游处流速大于在流道上游处的流速，因此即便在温差小的下游处，热通量增加导致热交换率提高。
而且，所述的致冷机12，通过采用上述的结构来增加热交换率，从而增加冷却率。
在本实施例中，热交换管分为四组，但也可以分为较小数目的管组，或者相反的较大数目的管组，这依赖于蒸发器自身的尺寸或蒸发器性能要求。而且，在本实施例中，管组D中热交换管15的个数减少，而管组A中的热交换管15的个数增加，也可采用其它的变化形式。例如管组A至D的热交换管15的个数可逐渐减少，或者仅仅管组D中的热交换管15的个数减少。
而且，在本实施例中通过减少热交换管15来减少流道的横截面积，然而，可以预料的是，通过减少热交换管15的直径而个数不变来获得类似的效果。
另外，显而易见的是热交换管15可采用其它不同的形状，例如波纹管或翅片管。
参考图3和4，下边将描述本发明的第二实施例。在第二实施例中与第一实施例中相同的部分以相同的引用标号引用，并且省略了它们的说明。
图3示出了蒸发器12的横截面图。与第一实施例类似，热交换管15使用相同管径的管子，并且它们被分为E至H四个管组，设置在容器14每一端的水腔(图中省略)又被划分为区以便冷水的流道依次流过管组E至H。
第二实施例中的蒸发器12的特征是：与其它管组F至H的热交换管相比，管组E中热交换管15间的分离距离(其中管组E位于流道的上游处)增加。如图4所示，在管组F至H中，热交换管15间的分离距离表示为1.15D，D为热交换管15的直径，但在管组E中分离距离的范围是1.2D至1.5D。
而且，在本实施例的蒸发器12中，除了增加管组E中热交换管15间的分离距离，整个管组E位置升高，如蒸发器12的管子布局的横截面图所示出的。
在以这种方式构造的蒸发器12中，通过增加管组E中热交换管15的分离距离，冷却介质的蒸汽可容易地在热交换管15之间上升。因此，聚集起的粘着在热交换管15上冷却介质的气泡可从热交换管15之间浮出，这样就减少了粘着在热交换管15外部圆周上的气泡个数，有利于液相的冷却介质和在热交换管15中流动的冷水之间的热交换，因此即使在管组F中，也提高了热传导。
而且，在所述的蒸发器12中，通过为蒸发器12采用上述的结构来增加热交换率，以便增加冷却效率。
在本实施例中，热交换管分为四组，但也可以分为较小数目的管组，或者相反的较大数目的管组，这依赖于蒸发器自身的尺寸或蒸发器性能要求。而且，虽然仅仅增加了那些属于管组E的热交换管15的分离距离，但也可以依次增加管组E至H的热交换管15的分离距离，以便上游处管组的分离距离较大，下游处管组中分离距离小。
而且，管组E中热交换管15的分离距离在1.2D至1.5D范围内选择，但并不是必须限制在此范围中，依据蒸发器自身或致冷机的不同条件要求，可以选择其它适宜的值。然而，若必须升高管组的高度而导致分离距离的增加，应当注意的是必须为安装从容器14上去除液态成分的除雾器(图中省略)保证有充足的空间。
其次，参考图5将描述本发明的第三实施例。在第三实施例中与前述实施例中相同的部分以相同的引用标号引用，并且省略了它们的说明。
图5示出了蒸发器12的横截面图。与第一和第二实施例类似，热交换管15使用相同管径的管子。而且它们被分为E至H四个管组，设置在容器14每一端的水腔(图中省略)又被划分为区以便冷水的流道依次流过管组E至H。
第三实施例中蒸发器12的特征是：在管组E至H中，设置在冷水流道的上游处管组E的最上边的热交换管15与管组E至H中相应的热交换管15相比，处于最高的位置，这样随着冷水按F→G→H的顺序迂回流过下游管组，最上边的热交换管15的位置变低。
在以这种方式构造的蒸发器中，按如下方式安排热交换管15：在E至H每个管组中那些在最上边的管子在各自的管组中的最高位置，在管组E至H中上游处最上边的热交换管15的位置高于那些下游处的管子，在这样的布局下，即使每个管组(F、G、H)中气/液界面变低，在管组E的上游处气/液界面升高的结果是，最上边的热交换管15没有处于冷却介质的气相之中。因此，有利于冷却介质的液相和冷水之间的热交换，于是即使在下游处，也提高了每个管组中的热交换。
而且，在所述的蒸发器12中，通过为蒸发器12采用上述的结构来增加热交换率，以便增加冷却效率。
为了升高E至H每个管组中最上边的热交换管15的位置，可以增加热交换管15的分离距离或增加热交换管15的个数。
如上所述，根据本蒸发器，通过减少待冷却液体(待冷却对象)流道下游处热交换管的总横截面积，增加了流道的下游处待冷却液体的流速，因此虽然待冷却液体和冷水之间温差小，热通量还是增加的，因此在下游管组中，热交换率提高了。
根据蒸发器的第二方面，通过相对于属于上游处热交换管个数减少属于下游处热交换管的个数，热交换管的总横截面积减小，导致待冷却液体的流速增加，即使待冷却液体和冷却介质之间的温差小，热通量也增加。于是即使在下游管组中也可能提高热交换率。
根据蒸发器的第三方面，通过加宽待冷却液体的流动方向的上游管子之间的分离距离，使冷却介质的蒸气在热交换管之间更容易上升，有利于冷却介质的液相和冷水之间的热交换，因此在流道的上游处提高了热交换率。
根据蒸发器的第四方面，通过相对于下游处管组中的管子，增加上游处管组中管子的分离距离，使冷却介质的蒸气在热交换管之间更容易上升，有利于冷却介质的液相和冷水之间的热交换，因此上游处管组中也提高了热交换率。
根据蒸发器的第五方面，按下述方式安排每个管组的最上边的热交换管：上游处管子依次高于下游处管子，即使上游处的气/液界面高度增加，导致下游处气/液界面的降低，也不会有最上边的管子处于冷却介质的气相之中的危险。因此，有助于冷却介质的液相和冷水之间的热交换，于是即使在下游处管组中也提高了热交换率。
根据本发明的致冷机，蒸发器中通过热交换管的热交换率如上所述得到提高，因此提高了热交换率。即使能量消耗降低，也能实现等同于传统致冷机的性能水平。
本发明可应用到通过发生在液体和冷却介质之间的热交换过程来冷却待冷却液体的蒸发器和具有该蒸发器的致冷机，在本发明的蒸发器中，通过减少热交换管的总横截面积，其中热交换管在待冷却液体(待冷却对象)的流道的下游处，增加了流道的下游处待冷却液体的流速，因此虽然待冷却液体和冷水之间温差小，热通量还是增加的，因此在下游管组中，热交换率提高了。

Claims (7)

1.一种蒸发器，包括：
施加有冷却介质在其中的容器；和
在容器中以成束方式安装的多个热交换管，形成了待冷却液体流动的流道，以便通过冷却介质和待冷却液体之间的热交换来蒸发冷却介质；
其中流道下游区的热交换管的总横截面积比流道上游区的热交换管的总横截面积小。
2.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于：多个热交换管具有相同的直径，所述流道包括所述上游区和下游区，属于上述区的热交换管的个数大于属于下游区的热交换管的个数。
3.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于：热交换管水平放置，上游区最上边的热交换管的位置高于下游区最上边的热交换管的位置。
4.一种蒸发器，包括：
施加有冷却介质在其中的容器；和
在容器中以成束方式安装的多个热交换管，形成了待冷却液体流动的流道，以便通过冷却介质和待冷却液体之间的热交换来蒸发冷却介质；
其中流道下游区的热交换管相互间隔第一间隙，流道上游区的热交换管相互间隔第二间隙，第二间隙大于第一间隙。
5.根据权利要求4所述的蒸发器，其特征在于：多个热交换管具有相同的直径。
6.根据权利要求4所述的蒸发器，其特征在于：热交换管水平放置，上游区最上边的热交换管的位置高于下游区最上边的热交换管的位置。
7.一种致冷机，包括：
根据权利要求1或4的蒸发器；
压缩气化的冷却介质的压缩器；
冷凝并液化压缩的气态冷却介质的冷凝器；
在液态冷却介质流到蒸发器的过程中，减少冷却介质压力的膨胀阀。
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