CN202452766U

CN202452766U - 在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器

Info

Publication number: CN202452766U
Application number: CN2012200339411U
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 黄飞; 丁本杰; R·蔻斯柏
Original assignee: Trane Air Conditioning Systems China Co Ltd
Current assignee: Trane Air Conditioning Systems China Co Ltd
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2022-02-03

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，以提升回油效果进而提升传热效率。该改进型降膜式蒸发器包括壳体；设置在壳体内的水平的管束；设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；设置在壳体顶部的制冷剂分配器；设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及位于壳体底部的回油接口；其特征在于，液盘在长度方向为部分倾斜。

Description

在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器

技术领域

本实用新型涉及一种改进型降膜式蒸发器，旨在提高降膜式蒸发器性能和可靠性，主要应用在制冷空调壳管式换热器领域。

背景技术

通常的蒸汽压缩式制冷机组至少包括压缩机、冷凝器、膨胀节流装置和蒸发器四大基本部件。蒸发器中的低压制冷剂气体在压缩机内压缩变成相对高压和高温的气体后，从压缩机排气口输入至冷凝器，在冷凝器中制冷剂气体冷凝成液态，液态制冷剂从冷凝器排出通过膨胀装置节流降压，而后进入蒸发器蒸发。输入至蒸发器的制冷剂一般是相对温度和压力较低的气液两相流体。

在如上所述的蒸汽压缩制冷循环系统中，除了冷凝器作为传热部件外，蒸发器是另一个主要的传热部件，蒸发器的设计是影响机组性能的关键点之一。对于蒸发器的类型选择，按需要被冷却的介质是气体(如空气)和液体(如水)的不同，如介质是空气的话，常采用盘管，对于液体介质，一般按传热量的大小和性能高低的不同，通常采用套管式、板式换热器、干式蒸发器、满液蒸发器和降膜蒸发器等五种类型。在大于等于50冷吨以上的中大冷量的制冷机组中通常比较多的制造厂家采用满液式蒸发器，从上世纪七十年代起，世界能源危机和环境问题日益严重，降膜蒸发器由于其较高的换热性能越来越受到重视。

降膜蒸发是一种受两种不同传热机制控制的过程。首先，薄膜蒸发是一种传热机理，它是由传导和或在界面处的相变化的液膜对流的双重控制，其数量直接与膜厚度和液膜是层流还是紊流有关。如果热流密度超过了成核的条件，核态沸腾也出现在这些场合：在加热面上汽泡在薄膜上增长和迁移到界面，膜通常在重力作用下向下流动，因此，除了核态沸腾机理外，这一过程与降膜冷凝也非常相似，是这两种过程中的某种程度的类似。在这两种情形中，传热性能主要由膜的厚度决定，因此，这一液膜可能发展成表面波动或成为紊流，依赖于局部膜雷诺数。相反，一个蒸发降膜也常有核态沸腾发生，因而增加了传热系数，此外，在蒸发液膜的管上可能产生干化，由于在这部分区域的传热只是气相的，这会对传热造成非常大的损害。

在石化工业上，垂直降膜蒸发器已使用了许多年，在化学工业，垂直降膜蒸发器用于真空状态下蒸发液体，此时从蒸馏圆柱出来的液体静压可产生很大的过冷，可有效地用作一垂直或水平虹吸再沸器，也可用作蒸发温度敏感的流体和从混合液中去除挥发性物质。降膜蒸发也常用于吸收式热泵系统的吸收器和蒸汽发生器。降膜蒸发器有时也称作喷淋式蒸发器。

降膜运行的重要优势之一是可在蒸发器中大大减少充注量，另外也可得到较高的传热性能。

在制冷冷水机组中应用降膜蒸发器的现有实例有被称之为RTHC的冷水机组，该冷水机组是由本实用新型的申请人制造的。可以参照美国专利5645124或其在中国对应的专利CN1185203，美国专利5638691、5561691，这些专利同样也是本实用新型的申请人有关，它们描述了用于蒸汽压缩制冷机中的降膜式蒸发器的设计以及制冷剂分配系统的设计的一些早期成果。还可以参照美国专利5561987或其在中国对应的专利CN1185202，它们同样也是本实用新型的申请人有关的，这些专利类似地涉及使用降膜式蒸发器的制冷系统。在目前技术状态的RTHC制冷机组中，蒸发器的制冷剂分配器的上游使用了专用的液-汽分离器组件。该分离器组件需按ASME或GB压力容器规范要求设计和制造，这样相对而言成本较大。

在近年新开发的制冷机组中对以上的汽液制冷剂分配器作了改进，发明了一种适合于两相混合的制冷剂分配器，且管排布置上设置了蒸汽通道，管子布置成旋转三角形等。这些新机组的例子可以参照美国专利6167713或其在中国对应的专利CN1343295，美国专利6293112或其在中国对应的专利CN1409810，这些专利同样也是本实用新型的申请人有关。

由于上述美国专利6267713和6293112中发明的两相制冷剂分配器仍存在结构上比较复杂的不足，在制冷剂分配器的设计等方面对作了新的改进。可以参照美国专利6868695，这一专利同样也是本实用新型的申请人有关。

另外，为了进一步改善回油等的性能，降膜蒸发器的结构设计中还采用了集液盘的发明，可以参照美国专利6516627或其在中国对应的专利CN1500193。这些专利同样也与本实用新型的申请人有关的。

降膜蒸发器中采用了如上述美国专利6516627或中国专利CN1500193的集液盘的改进设计的机组回油性能得到了很大的改善，但其影响了实际回油效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，以提升回油效果进而提升传热效率。

本实用新型总的技术构思是：使集液盘在壳体长度方向上非整体连续倾斜，以减少集液盘对机组水平度的敏感度，从而提升实际回油效果，以提升传热效率。

一方面，根据前述总的技术构思，一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

其特征在于，集液盘在长度方向为部分倾斜。

另一方面，根据前述总的技术构思，一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

其特征在于，至少两个集液盘在壳体的长度方向倾斜。

再一方面，根据前述总的技术构思，一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

其特征在于，集液盘在壳体的长度方向水平设置，且回油接口位于壳体的中间。

又一方面，根据前述总的技术构思，一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

其特征在于，集液盘在壳体的长度方向的中间突起，以使中间朝两端分别倾斜，且回油接口位于壳体的中间。

在本实用新型的较佳实施例中，至少有一个集液盘将壳体内的管束分为上部降膜区和下部满液区，集液盘和回油接口的配置关系为：制冷剂与润滑油的混合物经壳体上部降膜区滴落到集液盘后向一端或两端流动，然后在下部满液区向相反方向流动至回油接口。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘端部具有缺口，以使所述混合物经此缺口进入满液区。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘在长度方向为部分倾斜，集液盘的长度方向倾斜角度≥0度且≤90度。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘长度至少为壳体长度的10％。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘顶部宽度不小于上部降膜区的宽度，集液盘两侧挡板内部倾角≥90度且≤175度。

在本实用新型的较佳实施例中，在系统正常工作状态下，位于下部满液区的设定液位下面的管束名义外表面积或体积与整个壳体内管束总外表面积或体积比不超过25％。

在本实用新型的较佳实施例中，上部降膜区的管束为正排或错排。

在本实用新型的较佳实施例中，壳体在下部满液区至少有一个回油接口。

在本实用新型的较佳实施例中，至少有一个用于支撑集液盘的所述支撑板，所述支撑板具有允许制冷剂混合物流动的缺口。

在本实用新型的较佳实施例中，在降膜管束区和满液管束区之间采用一铲型集液盘结构。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘为整体或部分倾斜的结构。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘长度方向为部分倾斜，倾斜角度为0到60度(包括0度和60度)。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘的长度为壳体长度的10％至99％。

在本实用新型的较佳实施例中，集液盘底部宽度不小于上部降膜区管束的宽度，两侧挡板内部倾角为80至175度。

在本实用新型的较佳实施例中，降膜式蒸发器在系统正常工作状态下，位于满液区设定液位下面的管束名义外表面积或体积与整个壳体内管束总外表面积或体积比不超过25％。

在本实用新型的较佳实施例中，降膜式蒸发器的降膜区管束可以为正三角，正方形或旋转三角形排布。

在本实用新型的较佳实施例中，降膜蒸发器的回油接口位于壳体的满液区底部。

在本实用新型的较佳实施例中，降膜式蒸发器的顶部为两相或单相分配器。

美国专利6516627或中国专利CN1500193的设计由于是一个倾斜的液盘，在制造上较难控制相关尺寸的偏差，特别是对于较长壳体的设计，尽管整个长度上都带有一个倾斜的角度，便于液盘中的制冷剂和油的混合液体在端部靠重力作用流入下部的流池中蒸发后油浓度增大后排出。但整个长度上的倾斜的液盘占据了较大的空间，使蒸发器壳体直径较大，且从实际蒸发器运行的情况看，对于液盘底部与液池部分第一排的传热管的间距的控制非常关键。由于在蒸发器回油出口处一定区域油的浓度较高，在制冷剂沸腾传热时易带有一些泡沫，在这一特定区域的间距需保持一个较大的值，而在长度方向的其它区域垂直方向仅可留一较小的距离。同时，当换热体整体长度偏长时，集液盘倾角偏小，此设计对机组水平度比较敏感，影响了实际回油效果。

采用本实用新型的结构后，提供用于蒸汽压缩制冷系统的降膜式蒸发器，既具有原美国专利6516627和中国专利CN1500193中同样的集液盘诸功能，又可减少在整个壳体长度方向上的产生泡沫的现象，提高回油浓度，提高降膜式蒸发器的传热传质效果，而且同原诸专利相比，还具有制造偏差容易控制，总的壳体直径可变小，满液区顶部制冷剂蒸发气体流道均匀，总体上提高传热性能和回油可靠性。

附图说明

图1A为常规降膜式蒸发器的主视图，图1B为换热管布局截面图示意图。

图2为本实用新型的一实施例中具有集液盘的降膜式蒸发器结构图。

图3为图2中换热管布局截面图示意图。

图4为图2中一种典型的集液盘结构图。

图5为图4中一种典型的集液盘截面图。

图6为本实用新型另一实施例的集液盘的降膜式蒸发器结构图。

图7为本实用新型又一实施例的集液盘的降膜式蒸发器结构图。

图8为本实用新型再一实施例的集液盘的降膜式蒸发器结构图。

其中：1、分配器；2、集液盘；3、上部管束；4、正常工作液位；5、下部管束；6、管支撑板；7、进液口；8、回油接口；9、吸气口；10、回水室；11、进水管；12、回水管。

具体实施方式

以下将结合附图说明本实用新型的较佳实施例，其中用相同的标号表示相同的部分。当参照下列里对较佳实施例的说明及附图时，将显而易见本实用新型的这些和其它目的。

首先，参照图1，这是一个常规降膜蒸发器示意图。该降膜蒸发器的主要组件包括：一个制冷剂分配器1(两相或单相分配器)、上部管束3、下部管束5(正三角，正方形或旋转三角形排布)、一至多个管支撑板6、进液口7、一个回油接口8、一个吸气口9、回水室10、进水管11、回水管12。

后述实施例是在图1所示的常规降膜蒸发器的基础上进一步改进形成。参照图2和图3，在壳体内的上部管束3和下部管束5之间增加了如图2、图4、图5所示的集液盘2。集液盘2将壳体内的管束分为上部降膜区和下部满液区，回油接口位于壳体的满液区底部。

该集液盘的典型结构如图2所示部分倾斜而其他部分可水平或略微倾斜，集液盘顶部宽度不小于上部降膜区管束的宽度，集液盘两侧挡板内部倾角≥90度且≤175度，较佳地，两侧挡板21内部倾角α为80至175度。两相混合制冷剂从进液口7进入制冷剂分配器1，两相制冷剂中的液相部分从制冷剂分配器1下部喷淋到上部管束3，在上部管束3的外壁上形成降膜蒸发，液态制冷剂吸收相应管内流动的流体如水的热量后蒸发成气体通过壳体内的特定流道汇合到吸气口9后进入制冷压缩机压缩，流经上部管束3降膜蒸发后尚无蒸发的部分液态制冷剂和内含于制冷剂中的冷冻油的混合液体降至位于上部管束3和下部管束5间的集液盘2，流向该集液盘2如图4所示的一端缺口(在图4中两端均形成有缺口)，而后这些制冷剂和冷冻油的混合液体在下部管束5外侧流经其中的一至多个管支撑板6(支撑板具有允许制冷剂混合物流动的缺口)，所有支撑板可以为相同部件。液态制冷剂在集液盘2下部的满液区继续蒸发成气体汇向吸气口9，而混合流体中的冷冻油渐渐富集并以和液态制冷剂混合液的形式汇集于回油接口8后排出该降膜蒸发器。集液盘2和回油接口8的配置关系为：制冷剂与润滑油的混合物经壳体上部的管束滴落到集液盘2后向一端或两端(参看后述实施例)流动，然后在集液盘2下部向相反方向流动至回油接口8。即制冷剂与润滑油的混合物具有经壳体上部的管束滴落到集液盘2后向一端或两端流动的流动路径，以及在集液盘2下部向相反方向流动至回油接口8的另一流动路径，两流动路径的方向相反。

图3是本实用新型的较佳实施例中的换热管布局示意图，如图所示在下部管束5上部位置是在稳态工作工况下的正常工作液位4。正常工作液位4至下部管束5底部组成的区域为浸没于液态制冷剂的传热管体积或浸没传热管的外表计算面积(即名义外表面积或体积)组成部分。在系统正常工作状态下，位于下部满液区的设定液位下面的管束名义外表面积或体积与整个壳体内管束总外表面积或体积比不超过25％。在本实用新型的一实施例中，上部降膜区的管束为正排或错排。

图4是该较佳实施例中的集液盘2的结构示意图，该铲型集液盘2结构在近回油接口8的一端倾斜(长度方向倾斜角度≥0度且≤90度，较佳的范围是0到60度(包括0度和60度))，集液盘2长度至少为壳体长度的10％(较佳的范围是10％至99％)，在近回油接口8的区域由于油浓度较高，在该区域液态制冷剂蒸发时由于混有冷冻油的影响会产生较多的泡沫，泡沫的富集可能会影响蒸发气体向吸气口9的汇合，最终影响整个蒸发器的传热性能。而在离回油接口8较远的区域，由于冷冻油的浓度较小，在那些区域液态制冷剂蒸发时冷冻油引起的泡沫不明显，所以那些离回油接口8较远的区域集液盘底部与下部管束5的顶部垂直间距可取较小的值就可满足蒸发气体蒸发通道的要求。根据这一运行特点，本实用新型作了如上图2、3、4所示的改进，本实用新型方案在申请人的一新型号机组样机的试验中得到了验证，采用本实用新型方案的降膜蒸发器具有较高的综合传热性能和可靠性。

图6和图7以及图8是另外三种可能的实施例。图6具有两个集液盘2和一个回油接口8，其中回油接口8靠近进水侧。

图7具有一个水平放置的集液盘2和一个回油接口8，其中回油接口8位于壳体的中间，进水侧11和回水侧12可互换而对性能不会产生影响。

图8与图7类似但集液盘2中间突起，有利于制冷剂向两侧流动。与图4的实施例具有类似的功能。

尽管本实用新型是根据较佳的和可替换的实施描述的，但可以理解的是，对于本技术领域的那些熟练人员来说，本实用新型的其它变化和改变是很显然的并且都将涵盖在此处所揭示的内容中，并且本实用新型的范围将不仅限于所描述的实施例。

Claims

1.一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

其特征在于，集液盘在长度方向为部分倾斜。

2.一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

其特征在于，至少两个集液盘在壳体的长度方向倾斜。

3.一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

4.一种在制冷空调系统中使用的改进型降膜式蒸发器，包括：

壳体；

设置在壳体内的水平的管束；

设置在壳体上部的管束与壳体下部的管束之间的集液盘；

设置在壳体顶部的制冷剂分配器；

设置在壳体内用于支撑集液盘的管支撑板；以及

位于壳体底部的回油接口；

5.如权利要求1至4中任一项所述的降膜式蒸发器，其特征在于，至少有一个集液盘将壳体内的管束分为上部降膜区和下部满液区，集液盘和回油接口的配置关系为：制冷剂与润滑油的混合物经壳体上部降膜区滴落到集液盘后向集液盘的端部流动，然后在下部满液区向相反方向流动至回油接口。

6.如权利要求1至4中任一项所述的降膜式蒸发器，其特征在于，所有集液盘的整体长度至少为壳体长度的10％。

7.如权利要求5所述的降膜式蒸发器，其特征在于，集液盘顶部宽度不小于上部降膜区的宽度，集液盘两侧挡板内部倾角≥90度且≤175度。

8.如权利要求5所述的降膜式蒸发器，其特征在于，在系统正常工作状态下，位于下部满液区的设定液位下面的管束名义外表面积或体积与整个壳体内管束总外表面积或体积比不超过25％。

9.如权利要求5所述的降膜式蒸发器，其特征在于，壳体在下部满液区至少有一个回油接口。

10.如权利要求5所述的降膜式蒸发器，其特征在于，至少有一个用于支撑集液盘的所述支撑板，所述支撑板具有允许制冷剂混合物流动的缺口。