CN201059899Y - 工质相变换热设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种工质相变换热设备，该换热设备至少包括一个用于接触热源的蒸发器和一个与其配套的用于接触冷源的冷凝器，所述蒸发器的工质出口与冷凝器的工质进口之间通过一条回气管道相连，所述冷凝器的工质出口与蒸发器的工质进口之间通过一条供液管道相连，所述供液管道上根据实际需要可以设置工质泵，由此构成一个封闭循环管路，该封闭循环管路内充注有能够进行蒸发和冷凝相变的工质。该换热设备具有极高的导热性、优良的等温性、大功率远距离热传递性和热传递可调性，其生产工艺简单、安置布置方便，适用范围极广，尤其适用于各行业的制冷、空调、除湿过程的废热回收，进而实现节能降耗的效果。

Description

工质相变换热设备

技术领域

本实用新型涉及热传递或热交换设备，具体地指一种适合于在二种不同温度的冷、热源之间进行热传递或热交换的工质相变换热设备。

背景技术

目前，在热传递或热交换技术领域，热管依靠自身内部制冷剂的相变来实现高效率的传热，其导热能力已远远超过了任何一种已知的金属。按热管原理制作的传热、换热设备也已广泛地应用于生产和生活中的各个领域。但工程技术人员发现，已有的热管传热、换热设备仍然存在以下局限性：其绝大多数是由单根或一组各自独立的单根热管组成，在每一根热管内部仅使用吸液芯或依靠重力自冷端向热端传递液态制冷剂，热管换热受限于吸液芯的传递能力，或其冷端位置必须高于热端位置，故热管换热并不适合于大功率、冷热源距离较远、或者热源位置较冷源位置高的情形。同时，热管的设计和加工工艺复杂，需专业厂商先在其工厂内生产，再根据应用现场情况进行加工，且大量的管材浪费在多根热管冷热端之间的绝热传输管段上，大幅增加了其制造成本。

发明内容

本实用新型的目的旨在解决上述现有技术中的诸多局限，提供一种结构简单、成本低廉、具有高导热能力、能够实现大功率、远距离、高效率热传递的工质相变换热设备。

为实现上述目的，本实用新型所设计的工质相变换热设备，至少包括一个用于接触热源的蒸发器和一个与其配套的用于接触冷源的冷凝器，所述蒸发器的工质出口与冷凝器的工质进口之间通过一条回气管道相连，所述冷凝器的工质出口与蒸发器的工质进口之间通过一条供液管道相连，由此构成一个封闭循环管路，该封闭循环管路内充注有能够进行蒸发和冷凝相变的工质。

本实用新型的工作原理是这样的：将蒸发器置于温度较高的热源环境中，其内的液态工质将会吸收热源的热量而蒸发，蒸发后的气态工质经过回气管道进入冷凝器中。同时，将冷凝器置于温度较低的冷源环境处，其内的气态工质会向冷源放热并凝结，凝结后的液态工质在重力的作用下经过供液管道重新回到蒸发器内。由此完成整个工质的相变循环过程，并将热量由高温热源传递到低温冷源。这一过程周而复始地不断循环，即可实现本实用新型的高效传热换热目的。

进一步地，当液态工质不能在重力作用下流回蒸发器时，所述供液管道上可以设置工质泵。由于所述蒸发器和冷凝器之间由回气管道直接连通，起到了均压的作用，故工质在其中基本上处于等压状态，工质泵的压头仅用于克服工质液柱的高差和工质循环的摩擦阻力。常用的工质如水、氟利昂等的单位质量制冷量或蒸发潜热都很大，而其流量则较小，因而工质泵所需的容量和功率都很小。工质泵传递的换热量与其自身的耗功量比值极大，通常大于1000，即其能效比大于1000倍，故工质泵自身的耗功量与其传递的换热量相比，几乎可以忽略不计。这样，与传统的热管式换热器相比较，本实用新型用工质泵替代热管内的吸液芯或重力流实现自冷源向热源传递液态制冷剂，可以使蒸发器和冷凝器不受冷热源位置和距离的限制，热交换功率可以直接通过控制工质泵的运行来调节。

本实用新型的工质相变换热设备与传统的制冷循环装置相比，虽然亦由蒸发器、冷凝器和工质循环管路组成，但其最大的区别在于：传统的制冷循环装置是从低温热源向高温热源主动传热，需要设置压缩机和节流阀强制做功，而本工质相变换热设备却是简单地从高温热源向低温热源被动传热，无需压缩机和节流阀，工质在循环管路内虽有相变，却并无压力变化。

本实用新型的优点在于：所设计的换热设备充分利用了工质在循环管路内相变产生高导热能力的原理，由于工质在相变时的温度一定而换热系数极高，即使蒸发器和冷凝器所处的冷热源之间的温差不大，工质亦能在一定距离内实现冷热源之间的高效传热，因此本换热设备完全可以实现大功率、远距离、高效率的热传递。并且，所设计换热设备的蒸发器和冷凝器在冷热源之间仅通过连接成一条封闭回路的供液管道和回气管道进行循环，省去了多根热管的绝热段，既简化了结构，又节省了大量的管材。而蒸发器和冷凝器可以方便地选用市场上各种现成的产品，无须专业厂商生产，可大幅降低制造成本。而所设计在供液管道上的工质泵，既不增加多少功耗，又能调控热交换的功率，还可确保蒸发器和冷凝器的布置不受冷热源距离和位置的限制。

综上所述，本实用新型的换热设备具有极高的导热性、优良的等温性、大功率热传递性和热传递可调性，其生产工艺简单、安置布置方便，适用范围极广，尤其适用于各行业的制冷、空调、除湿过程的废热回收，进而实现节能降耗的效果。

附图说明

图1为本实用新型的工质相变换热设备的结构示意图；

图2为传统制冷空调系统对空气进行冷却除湿的原理示意图；

图3为图2所示空气冷却除湿过程的焓湿图；

图4为图1所示工质相变换热设备应用于图2所示传统制冷空调系统中对空气进行冷却除湿的原理示意图；

图5为图4所示空气冷却除湿过程的焓湿图；

图6为图1所示工质相变换热设备应用于传统制热空调系统的新风管和排风管中对空气进行预热的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型的工质相变换热设备作进一步的详细描述：

如图1所示的一种工质相变换热设备，具有一个蒸发器Z和一个与其配套的冷凝器L，蒸发器Z和冷凝器L均可以通过市场渠道获得。蒸发器Z的工质出口与冷凝器L的工质进口之间通过一条回气管道H相连，冷凝器L的工质出口与蒸发器Z的工质进口之间通过一条供液管道G相连，由此构成一个封闭循环管路，该封闭循环管路内充注有能够进行蒸发和冷凝相变的工质，常用的工质可以是氟利昂或水。在供液管道G上设置有一个工质泵B，用于克服供液管道G内工质液柱的高差和其循环所产生的摩擦阻力。本换热设备使用时，将蒸发器Z安装在温度较高的热源环境中，将冷凝器L布置在温度较低的冷源环境处，通过工质在封闭循环管路的蒸发和冷凝相变，即可将热源中的热量传递给冷源。本换热设备具体的应用实例如下：

实施例1：将本换热设备应用到传统制冷空调系统中，在夏季回收预冷热量用于空气再热。

在夏季，本换热设备可提高制冷空调系统的除湿能力，完全或部分取消再热负荷，从而提高舒适度并节省空调系统的能耗。

如图2所示为传统制冷空调系统对空气进行冷却除湿的原理示意图，如图3所示为该空气冷却除湿过程的焓湿图，这是当今应用最广泛的空气除湿技术措施之一，即冷却除湿。制冷空调系统的冷却器A将湿空气从状态1冷却至其露点以下的状态2，空气中大于饱和含湿量的水汽凝结析出，空气的温度从t₁降低至t₂，其含湿量从d₁降低至d₂，其相对湿度极高，从

升高至接近饱和的

因而在排除凝结水后，空气必须经过制冷空调系统的加热器C再热升温至状态3，使空气的温度从t₂回升至t₃，含湿量从d₂至d₃保持不变，以使其相对湿度从

降低至

。在以上状态1至状态2的冷却过程和状态2至状态3的再热过程中，均需消耗大量的能量。在状态1至状态2的冷却过程中空气释放热量，消耗制冷过程所需的能量，见图3中的冷却放热量标志。而在状态2至状态3的再热过程中空气吸收热量，消耗加热过程所需的能量，见图3中的再热吸热量标志。其中的再热量抵消了空调系统的部分制冷量，造成双重的能量浪费。即使是采用热泵或利用废热源对空气进行再热，被抵消了的这部分制冷量所需的能量，仍然被白白地浪费掉了。

如图4所示为本换热设备应用于传统制冷空调系统中对空气进行冷却除湿的原理示意图，如图5所示为该空气冷却除湿过程的焓湿图。将本换热设备的蒸发器Z置于制冷空调系统的空气入口并且在冷却器A之前，此时蒸发器Z的作用是空气预冷却。将本换热设备的冷凝器L置于冷却器A之后，此时冷凝器L的作用是空气预再热。蒸发器Z先将湿空气从状态1预冷却至状态2’，冷却器A再将湿空气从状态2’冷却至其露点以下的状态2。空气中大于饱和含湿量的水汽凝结析出，空气的温度先从t₁缓慢降低至t_2’，然后再降低至t₂，其含湿量先从d₁至d_2’不变，再从d_2’降低至d₂，其相对湿度也是从

至不变，再升高至接近饱和的

。因而在排除凝结水后，空气需要经过冷凝器L预先再热升温至状态3’，再经过加热器C升温至状态3，使空气的温度从t₂缓慢回升至t_3’，再回升至t₃，其含湿量从d₂至d_3’再至d_3’保持不变，其相对湿度从

缓慢降低至

，再从

降低至

。在以上状态1至状态2’的预冷却过程和状态2至状态3’的预再热过程中，本实用新型的换热设备利用空气预冷却时放出的热量，对冷却除湿后的空气进行预再热，见图5中的预冷却放热量标志和预再热吸热量标志，也即同时利用冷却除湿后的空气的吸热量，对空气进行预冷却，无需同时向空调系统输入额外的冷、热量。

由此可见，使用本实用新型的换热设备，使工质在蒸发器Z和冷凝器L之间进行强制性的等压循环流动，使其在低温的冷却器A和高温的加热器B中产生等压相变换热，对空气同时进行预冷和预再热，可达到降低空气相对湿度并节约能源的目的。在不改变现有空调系统配置、且不使空调系统总体积增加很多的情况下，仅增加上本实用新型的换热设备，就可以显著地增加空调系统的除湿量，并使空调器系统制冷量和功耗基本不变。

实施例2：将本实用新型应用到传统制热空调系统中，在冬季回收排风热量用于空气预热。

在冬季，本换热设备可用于大型商场等处制热空调系统排风热量的回收，减少空调系统预热新风的负荷，达到节能的目的。

具有空调系统的建筑在冬季不可避免地需要排除大量的热空气，同时又有大量的新鲜冷空气经预热处理后进入建筑内。由于新风、回风需经冷热处理，排风将带走大量热源，造成能量的浪费。目前，国内用于回收排风能量的装置以全热交换器为主，已研制出相应的转轮式换热器、板翅式换热器和盘管热环式换热器等。该类设备尽管回收效率较高，但制造工艺复杂，造价昂贵，且进风和排风之间存在交叉污染，不适合于医院及产生有害气体的空调房间，若利用普通的显热热交换器，则进排风温差小，势必要加大换热面积，同时也给风道连接带来许多不便。

如图6所示为本换热设备应用于传统制热空调系统的新风管和排风管中对空气进行预热的原理示意图。将本换热设备的蒸发器Z置于空调系统的排风管P中，将本换热设备的冷凝器L置于空调系统的新风管X中，连接好回气管道H和供液管道G，并在供液管道G上设置工质泵B，即可从排风管P所排除的室内热空气中回收废热，用于预热从新风管X中输入的新风，其工作原理同上，于此不多赘述。经实验表明：室内约为20℃的热空气经过蒸发器Z后排出到室外时约为12℃，室外约为2℃的冷空气新风经过冷凝器L进入室内后约为10℃，其节能效果显著。

Claims (2)

1.一种工质相变换热设备，其特征在于：该换热设备至少包括一个用于接触热源的蒸发器(Z)和一个与其配套的用于接触冷源的冷凝器(L)，所述蒸发器(Z)的工质出口与冷凝器(L)的工质进口之间通过一条回气管道(H)相连，所述冷凝器(L)的工质出口与蒸发器(Z)的工质进口之间通过一条供液管道(G)相连，由此构成一个封闭循环管路，该封闭循环管路内充注有能够进行蒸发和冷凝相变的工质。

2.根据权利要求1所述的工质相变换热设备，其特征在于：所说的供液管道(G)上设置有工质泵(B)。

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