CN1333228C - 用于跨临界co2制冷循环的微通道板翅式内部换热器 - Google Patents
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Abstract
用于跨临界CO2制冷循环的微通道板翅式内部换热器，该内部换热器主体采用板束体结构，板束体至少有两层沟槽板及层间隔板焊接而成，其层数优选为3的倍数，其中上下两层为亚临界侧沟槽板，中间一层为超临界侧沟槽板，所述的沟槽板上开有水力直径小于3mm的沟槽。本发明与微通道管式结构相比，换热器主体采用板翅式换热器的板束体结构，各层沟槽板分开加工好后再焊接成一个整体，有效降低了加工难度，其加工工艺简单、方便。与套管式结构相比，本发明的流体通道内的换热系数是套管式结构的2倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种换热设备，特别涉及一种制冷、热泵装置使用的内部换热器，用于以跨临界CO2为工质的蒸气压缩式制冷装置。
背景技术
在跨临界CO2制冷循环使用的内部换热器中，换热一侧为压力达10MPa以上的超临界CO2流体，另一侧为压力4MPa左右的亚临界CO2过热蒸气。跨临界CO2制冷系统采用内部换热器，使压缩机进口亚临界状态的CO2蒸气过热，节流前超临界状态的CO2过冷，因而能明显提高跨临界CO2制冷循环系统效率，增加制冷系统的制冷量。
流体机械2000年(28卷第5期)《二氧化碳汽车空调系统应用研究进展(二)一部件设计改进》一文提到国外使用的内部换热器，采用套管式结构(见图1)，超临界侧/亚临界侧的传热面积密度β分别为667/969，属于紧凑式换热器的范畴，但是两侧的换热系数均因未采用强化手段而不高。Man-Hoe Kim等在《Fundamental process and system design issues in CO2vapor compression systems》，Progress in Energy and Combustion Science.2004，30：119-174中介绍的内部换热器，采用微通道管式结构(见图2)，微通道管式内部换热器虽然紧凑度高，换热系数也高，但是工艺繁琐，结构复杂，生产难度大，国内目前尚不能生产。国内完成的一些跨临界CO2制冷、热泵循环的样机均采用套管式内部换热器。此外，套管式和微通道管式的结构由于过于细长，在汽车空调等应用场合还受到空间布置的局限。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于跨临界CO2制冷循环的微通道板翅式内部换热器，使其不仅结构紧凑，具有较高的换热系数，而且便于加工。
本发明的技术方案如下：
一种用于跨临界CO2制冷循坏的微通道板翅式内部换热器，含有超临界流体进口导管，超临界流体出口导管，亚临界流体进口导管，亚临界流体出口导管，换热器主体，以及换热器主体与上述导管之间的过渡封头，其特征在于：换热器主体采用板束体结构，所述的板束体至少有两层沟槽板及层间隔板焊接而成，其中每层沟槽板内流有亚临界流体或者超临界流体，所述的沟槽板上开有水力直径小于3毫米的沟槽。
本发明的技术特征还在于：所述板束体中沟槽板的层数为3的倍数，其中上下两层为亚临界侧沟槽板，中间一层为超临界侧沟槽板。
本发明中所述的沟槽截面形状可采用矩形、圆形或含有内肋结构；所述流有超临界流体沟槽板的沟槽水力直径略小于流有亚临界流体沟槽板的沟槽水力直径。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明提供的微通道板翅式内部换热器其换热器主体采用板束体结构，各层沟槽板分开加工好后再焊接成一个整体，有效克服了现有微通道管式内部换热器工艺繁琐，结构复杂，生产难度大的缺陷；同时与套管式结构相比，本发明的流体通道内的换热系数是套管式结构的2倍以上。
附图说明
图1为现有技术中采用的套管式内部换热器的换热器主体结构示意图。
图2为现有技术中采用的微通道管式内部换热器的换热器主体结构示意图。
图3为本发明提供的微通道板翅式内部换热器的主视图。
图4为图3的俯视图。
图5为图3的A-A断面图，表示出板翅式内部换热器的换热器主体，既板束体横截面上的内部通道结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理、结构作进一步的说明。
图3、4、5为本发明提供的用于跨临界CO2制冷循环的微通道板翅式内部换热器实施例的结构示意图。含有超临界流体进口导管7，超临界流体出口导管8，亚临界流体进口导管9，亚临界流体出口导管6，换热器主体2，以及换热器主体与上述导管之间的过渡封头；换热器主体2采用板束体结构，所述的板束体至少有两层沟槽板10及层间隔板11焊接而成，其中每层沟槽板内流有亚临界流体或者超临界流体，所述的沟槽板上开有水力直径小于3mm的沟槽12。沟槽截面形状可采用圆形、矩形或含有内肋结构。所述板束体中沟槽板的层数一般为3的倍数为好，本实施例中，板束体采用6层沟槽板结构，因为超临界流体在槽道中的换热系数远高于亚临界流体在槽道中的换热系数，换热器换热能力主要热阻存在与低换热系数一侧，为了匹配两侧流体的换热能力，需要增加亚临界侧流体换热面积，相应减小超临界侧换热流体换热面积。从结构上安排，每3层沟槽板中，使上下两层沟槽板走亚临界流体，中间一层沟槽板走超临界流体。可以使亚临界侧沟槽截面含有内肋结构，或者使某一侧水力直径减小以达到两侧换热能力较好匹配的目标。所述流有超临界流体沟槽板的沟槽的水力直径略小于流有亚临界流体沟槽板的沟槽水力直径。在本实施例中，换热器主体与超临界流体进口导管7和出口导管8之间采用过渡封头4连接，换热器主体与亚临界流体进口导管9之间采用过渡封头3连接，换热器主体与亚临界流体出口导管6之间采用过渡封头5连接，过渡封头1用做过渡换热器主体内的两个超临界流体流道。
比较微通道板翅式内部换热器与套管式、微通道管式内部换热器传热面积密度β，由表1可见，当本实施例微通道板翅式换热器超临界侧和亚临界侧微通道均为3×1.5mm的矩形槽道，其紧凑度与套管式内部换热器相当，而微通道管式内部换热器的紧凑度则高出许多。
传热面积密度β的定义为：(板翅式结构)单侧隔板间流道体积内所包含的传热总面积与该侧隔板间的容积之比。一般定义只要一侧的β≥700m2/m3即为紧凑式换热器。
表1 三种内部换热器传热面积密度β值
| 型式 | 单位 | 超临界侧 | 亚临界侧 |
| 套管式 | m2/m3 | 667 | 969 |
| 微通道管 | m2/m3 | 2424 | 1763 |
| 微通道板翅式 | m2/m3 | 840 | 823 |
由于传热而积密度β仅反映了换热器的结构参数，而衡量换热器的传热参数更有实际意义。比较套管式和板翅式内部换热器，通过调整微通道板翅式内部换热器的沟槽层数和每层沟槽的数量，使内部换热器相对应侧流动Re数相同，保持流体物性相同，此时每侧的换热系数仅为流动通道当量直径的函数。计算表明：在本例下，微通道板翅式换热器，在亚临界侧的换热系数是图1套管式结构的2倍，在超临界侧的换热系数将是套管式结构的3倍。
微通道板翅式内部换热器根据JB/T4734《铝制焊接容器》进行制造、检验和验收，板束体采用真空钎焊，板束体与封头等采用手工氩弧焊，焊丝为S331，焊接采用全焊透结构。
Claims (4)
1.一种用于跨临界CO2制冷循环的微通道板翅式内部换热器，含有超临界流体进口导管(7)、超临界流体出口导管(8)、亚临界流体进口导管(9)、亚临界流体出口导管(6)、换热器主体以及换热器主体与上述导管之间的过渡封头，其特征在于：换热器主体采用板束体结构(2)，所述的板束体至少有两层沟槽板(10)及层间隔板(11)焊接而成，其中每层沟槽板内流有亚临界流体或者超临界流体，所述的沟槽板上开有水力直径小于3mm的沟槽(12)。
2.按照权利要求1所述的微通道板翅式内部换热器，其特征在于：所述板束体中沟槽板的层数为3的倍数，在每3层沟槽板中，其中上下两层为亚临界侧沟槽板，中间一层为超临界侧沟槽板。
3.按照权利要求1或2所述的微通道板翅式内部换热器，其特征在于：所述的沟槽(12)截面形状采用圆形、矩形或含有内肋结构。
4.按照权利要求3所述的微通道板翅式内部换热器，其特征在于：所述流有超临界流体沟槽板的沟槽水力直径略小于流有亚临界流体沟槽板的沟槽水力直径。
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