CN102878724A - 一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器 - Google Patents

Abstract

一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，它涉及一种水与制冷剂换热器。本发明解决了现有的热泵系统中蒸发-冷凝两用换热器运行过程中存在换热面积利用率低，换热效果较差，蒸发与冷凝工况的换热量相差悬殊的问题。本发明的第一管腔体和第二管腔体设置在筒体的左右两端，介质水入口和介质水出口设置在第一管腔体或者第二管腔体上，制冷剂入口和第一气态制冷剂管口设置在筒体的上端，液态制冷剂管口设置在筒体的下端，多根换热管由上至下依次平行设置在筒体内，第一降膜器设置在筒体内的制冷剂入口的下端口上，第一隔板设置在筒体内的中部，将筒体的内部分成上下两个腔室，在所述换热器作为蒸发器时，上腔室采用降膜式蒸发，下腔室采用满液式蒸发。本发明用于热泵系统中作为蒸发-冷凝两用换热器使用。

Description

一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器

技术领域

本发明涉及一种水与制冷剂换热器，具体涉及一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂高效换热器。

背景技术

水源热泵系统的冬夏季工况切换方式包括两类：一种是利用介质水管路上的阀门组的启闭组合来改变介质水的流向实现工况切换；一种是利用四通换向阀来改变制冷剂的流向实现工况切换。在利用四通换向阀来改变制冷剂的流向实现工况切换的水源热泵系统中，水与制冷剂换热器必须具有蒸发器和冷凝器的双重功能，即在冬季作为蒸发器的换热器在夏季必须具有冷凝器的功能，在冬季作为冷凝器的另一个换热器在夏季则必须具有蒸发器的功能。在实际运行过程中，由于蒸发换热与冷凝换热的机理和特点显著不同，常规的蒸发器或冷凝器用于实现另外一种换热功能时，会出现以下几个问题：一、对于普遍使用的满液式蒸发器，在实际运行中受到制冷剂液柱高度的影响，下部分换热管的传热效果会受到削弱，而且满液式蒸发器还存在制冷剂充注量较大等问题。二、不论是壳管式蒸发器还是冷凝器，其上部分换热管由于与气态制冷剂相接触，传热系数较小，导致该部分换热面积利用率偏低，应当设法予以提高。三、由于现有的满液式蒸发器换热排管集中布置于设备筒体中下部，上部空间被浪费，当满液式蒸发器切换为冷凝换热功能时，本应起到过热蒸汽遇冷的筒体上部空间却没有布置换热管，而且上部换热管与过热蒸汽进行无相变换热，下部换热管与液态制冷剂进行无相变换热，总体换热效果差，导致冷凝换热量与蒸发换热量相差悬殊。四、现有的壳管式冷凝器换热排管集中于设备筒体的中上部，下部空间被浪费，当壳管式冷凝器切换为蒸发换热功能时，上部换热管将与制冷剂蒸汽相接触，换热效果差，而且容易造成过热度增加。而换热效果本应很好的筒体下部分空间却没有布置换热管，也将导致冷凝换热量与蒸发换热量相差悬殊。

综上所述，现有的热泵系统中蒸发-冷凝两用换热器运行过程中主要存在换热面积利用率低，换热效果较差，蒸发与冷凝工况的换热量相差悬殊的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的热泵系统中蒸发-冷凝两用换热器运行过程中存在换热面积利用率低，换热效果较差，蒸发与冷凝工况的换热量相差悬殊的问题，进而提供一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂高效换热器。

本发明的技术方案是：一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器包括筒体、第一管腔体、第二管腔体和多根换热管，第一管腔体和第二管腔体分别固接在筒体的左右两端，介质水入口和介质水出口设置在第一管腔体或者第二管腔体上，制冷剂入口和第一气态制冷剂管口设置在筒体的上端，液态制冷剂管口设置在筒体的下端，多根换热管由上至下依次平行设置在筒体内，并连通第一管腔体和第二管腔体，所述水与制冷剂换热器还包括第一隔板和第一降膜器，第一降膜器设置在筒体内的制冷剂入口的下端口上，第一降膜器的下端上设有多个第一通孔，在所述换热器作为蒸发器时，制冷剂液体通过制冷剂入口流入第一降膜器中，通过第一降膜器上的多个第一通孔形成喷洒，与换热管进行降膜换热，第一隔板设置在筒体内的中部，将筒体的内部分成上下两个腔室，在所述换热器作为蒸发器时，上腔室采用降膜式蒸发，下腔室采用满液式蒸发。

本发明与现有技术相比具有以下效果：1.本发明通过第一隔板将筒体的内部分成上下两个腔室，下腔室采用满液式蒸发，有效的降低了满液式蒸发的制冷剂液面高度，减轻了蒸发中制冷剂静液柱的影响，同时也降低了制冷剂的充注量。2.本发明采用第一隔板将筒体的内部分成上下两个腔室，上腔室采用降膜式蒸发，传热系数比无相变蒸汽换热要提高100倍，而常规满液式蒸发器的上部分换热管进行的是制冷剂蒸汽无相变换热；下腔室采用满液式蒸发，将降膜式蒸发中未充分蒸发的制冷剂液体进行进一步的蒸发，整个换热器的平均传热系数可提高20%到50%，有效的解决了常规换热器在切换为蒸发换热功能时换热面积利用率低的问题。3.本发明采用第一隔板将筒体的内部分成上下两个腔室，上腔室的容积比原来筒体容积要小，使得本发明在作为冷凝器使用时，制冷剂气体在上腔室中流动速度加快，有效地提高了上部分换热管的传热系数，解决了常规换热器在切换为冷凝换热功能时换热面积利用率低的问题。4.本发明的筒体空间利用率高，上部空间和下部空间均布置换热管，而且换热管的传热系数均得到了强化。5.本发明用作蒸发器或冷凝器时的传热系数相当，换热面积利用率相当，因此冷凝换热量与蒸发换热量相等。

附图说明

图1为本发明具体实施方式一的剖视图，图2为具体实施方式二的剖视图，图3为具体实施方式三的剖视图，图4为具体实施方式四的剖视图，图5为具体实施方式五的剖视图，图6为第一隔板、热力自力装置和第四隔板的剖视图，图7为第一隔板、热力自力装置和第四隔板的俯视图，图8为具体实施方式六的剖视图，图9为第一隔板、热力自力装置和第四隔板的俯视图，图10为具体实施方式七中所使用的热力自力装置的主视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器包括筒体1、第一管腔体2-1、第二管腔体2-2和多根换热管8，第一管腔体2-1和第二管腔体2-2分别固接在筒体1的左右两端，介质水入口3和介质水出口4设置在第一管腔体2-1或者第二管腔体2-2上，制冷剂入口5和第一气态制冷剂管口6设置在筒体1的上端，液态制冷剂管口10设置在筒体1的下端，多根换热管8由上至下依次平行设置在筒体1内，并连通第一管腔体2-1和第二管腔体2-2，所述水与制冷剂换热器还包括第一隔板9和第一降膜器7，第一降膜器7设置在筒体1内的制冷剂入口5的下端口上，第一降膜器7的下端上设有多个第一通孔7-1，在所述换热器作为蒸发器时，制冷剂液体通过制冷剂入口5流入第一降膜器7中，通过第一降膜器7上的多个第一通孔7-1形成喷洒，与换热管8进行降膜换热，第一隔板9设置在筒体1内的中部，将筒体1的内部分成上下两个腔室，在所述换热器作为蒸发器时，上腔室采用降膜式蒸发，下腔室采用满液式蒸发。

本实施方式的液态制冷剂管口10在工作时，当本发明作为蒸发器时，该管口作为制冷剂液体入口；当本发明作为冷凝器时，该管口作为制冷剂液体出口；本实施方式的第一气态制冷剂管口6在工作时，当本发明作为蒸发器时，该管口作为制冷剂气体出口；当本发明作为冷凝器时，该管口作为制冷剂气体入口。

本实施方式的制冷剂入口5在本发明作为蒸发器时开启，在本发明作为冷凝器时关闭。

本实施方式的第一降膜器7在本发明作为蒸发器时，制冷剂液体通过制冷剂入口5流入第一降膜器7中，通过多个第一通孔7-1，形成喷洒，与换热管进行降膜换热。

本实施方式的隔板9在本发明作为蒸发器时，上腔室采用降膜式蒸发，下腔室采用满液式蒸发，有效的提高了蒸发换热的传热系数。

当本发明作为蒸发器使用时，介质水从介质水入口3进入换热器，并在换热管8的管内进行多流程的流动，并与制冷剂进行热交换（放热），最后从介质水出口4流出换热器。制冷剂液体从制冷剂入口5中流入第一降膜器7中，通过多个第一通孔7-1，形成微小的制冷剂液滴，在筒体的上腔室与换热管8中的水进行换热，该过程为降膜式蒸发，该过程没有完全蒸发的液滴落于第一隔板9上，流向筒体1的下腔室；同时，液态制冷剂亦从液态制冷剂管口10中进入到筒体1中，和从第一隔板9上流下的液体汇合，在筒体1的下腔室汇集成具有一定液面的液体，保证换热管8进行满液式蒸发。通过这两种过程得到的制冷剂蒸气从第一气态制冷剂管口6排出换热器。

当本发明作为冷凝器使用时，介质水从介质水入口3进入换热器，并在换热管8的管内进行多流程的流动，并与制冷剂进行热交换（吸热），最后从介质水出口4流出换热器；制冷剂入口5关闭，高温高压的制冷剂气体由第一气态制冷剂管口6流入筒体1中，制冷剂气体在上腔室的流道中高速流动，与换热管8中的水进行换热，放出热量，实现高效预冷，预冷后的蒸汽再进入下腔室进行冷凝相变换热，形成温度较低的制冷剂液体后从液态制冷剂管口10排出换热器。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的水与制冷剂换热器还包括多个折流板11，多个折流板11分别固装在筒体1内壁上端和第一隔板9上，且多个折流板11之间相互交错设置。如此设置，使得当本发明作为冷凝器使用时，有效的提高了对由第一气态制冷剂管口6进入的制冷剂气体的流速和扰动，增强换热的效果。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的水与制冷剂换热器还包括第二降膜器12、第二隔板13和管体14，第二降膜器12通过管体14设置在第一降膜器7的下方，且第二降膜器12位于上腔室内，第二降膜器12的下端开有多个第二通孔12-1，第二隔板13设置在第一降膜器7和第二降膜器12之间，第二隔板13上方的筒体1上开有第二气态制冷剂管口20。如此设置，能够有效的提高降膜蒸发制冷剂的量，提高换热的效果，同时将冷凝过程中，进一步缩小制冷剂蒸汽的流道尺寸，提高蒸汽流速进一步，提高传热系数，为了避免本发明用作蒸发器时，制冷剂气流分布在筒体内分布不均的问题，该实施方式在筒体上设置了第一气态制冷剂管口6和第二气态制冷剂管口20。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

本发明作为蒸发器使用时，第一气态制冷剂管口6和第二气态制冷剂管口20同时作为制冷剂蒸汽出口使用。本发明作为冷凝器使用时，制冷剂蒸汽从第一气态制冷剂管口6进入换热器，同时关闭第二气态制冷剂管口20和制冷剂入口5。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式的第一隔板9上开有多个第一液体沉降孔15。如此设置，能够使滴落在第一隔板9上的制冷剂液体迅速并且均匀地落入筒体下部，减少了制冷剂气液逆流时的冲击流速，解决了气液流向冲突的问题。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图5-图7说明本实施方式，本实施方式的水与制冷剂换热器还包括热力自力装置16、第三隔板17和限位装置18，第一隔板9的一端设有左限位凸起，第三隔板17上开有多个与第一液体沉降孔15位置相对应的多个第二液体沉降孔19，第三隔板17并列设置在第一隔板9上，第三隔板17的一端与第一隔板9的左限位凸起之间留有间隙，第三隔板17的另一端和热力自力装置16的一端固定连接，热力自力装置16的另一端与第一隔板9无凸起的一端固接，限位装置18固定设置在第一隔板9上。第三隔板17在热力自力装置16的作用下可在限位装置18与第一隔板9的一端设有左限位凸起之间滑动。如此设置，热力自力装置16依据热胀冷缩的原理，实现了第二液体沉降孔19开闭的可控性，当本发明作为蒸发器使用时，设备内温度较低，热力自力装置16收缩而变短，并被限位装置18限制滑动位移量，保证第一液体沉降孔15与第二液体沉降孔19准确重合而开启第二液体沉降孔19，制冷剂液体可通过第二液体沉降孔19进入筒体下部；当本发明作为冷凝器使用时，设备内温度较高，热力自力装置16膨胀而伸长，并被第一隔板9的一端设有凸起限制滑动位移量，保证第一液体沉降孔15与第二液体沉降孔19准确错位而关闭第二液体沉降孔19，防止制冷剂气体直接进入筒体下部。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图8和图9说明本实施方式，本实施方式的水与制冷剂换热器还包括第四隔板21，第一隔板9的两侧固装在筒体1的侧壁上，第一隔板9的一端向下倾斜悬置，热力自力装置16的一端固装在第一隔板9的上端，热力自力装置16的另一端与第四隔板21的一端连接，第四隔板21的另一端与筒体1之间留有间隙。如此设置，在本发明作为蒸发器使用时，第一隔板9的一端向下倾斜悬置，使得制冷剂液体能够迅速的流入筒体下腔室内；第四隔板21在热力自力装置16的收缩作用下开启其与筒体1之间的间隙，制冷剂气体可通过间隙迅速进入筒体1的上腔室内，从第一气态制冷剂管口6排出换热器，解决了气液流向冲突的问题；在发明作为冷凝器使用时，第四隔板21在热力自力装置16的膨胀作用下关闭其与筒体1之间的间隙，，防止制冷剂气体直接进入筒体1的下腔室内。其它组成和连接关系与具体实施方式一或五相同。

具体实施方式七：结合图10说明本实施方式，本实施方式的热力自力装置16为波纹管。如此设置，波纹管内填充了可随温度变化而膨胀收缩的气体，当本发明实现蒸发换热功能时，波纹管收缩；实现冷凝换热功能时，波纹管膨胀伸长，从而达到对第三隔板17或第二液体沉降孔19开闭的控制。其它组成和连接关系与具体实施方式五或六相同。

Claims (7)

1.一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，它包括筒体（1）、第一管腔体（2-1）、第二管腔体（2-2）和多根换热管（8），第一管腔体（2-1）和第二管腔体（2-2）分别固接在筒体（1）的左右两端，介质水入口（3）和介质水出口（4）设置在第一管腔体（2-1）或者第二管腔体（2-2）上，制冷剂入口（5）和第一气态制冷剂管口（6）设置在筒体（1）的上端，液态制冷剂管口（10）设置在筒体（1）的下端，多根换热管（8）由上至下依次平行设置在筒体（1）内，并连通第一管腔体（2-1）和第二管腔体（2-2），其特征在于：所述水与制冷剂换热器还包括第一隔板（9）和第一降膜器（7），第一降膜器（7）设置在筒体（1）内的制冷剂入口（5）的下端口上，第一降膜器（7）的下端上设有多个第一通孔（7-1），在所述换热器作为蒸发器时，制冷剂液体通过制冷剂入口（5）流入第一降膜器（7）中，通过第一降膜器（7）上的多个第一通孔（7-1）形成喷洒，与换热管（8）进行降膜换热，第一隔板（9）设置在筒体（1）内的中部，将筒体（1）的内部分成上下两个腔室，在所述换热器作为蒸发器时，上腔室采用降膜式蒸发，下腔室采用满液式蒸发。

2.根据权利要求1所述一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，其特征在于：所述水与制冷剂换热器还包括多个折流板（11），多个折流板（11）分别固装在筒体（1）内壁上端和第一隔板（9）上，且多个折流板（11）之间相互交错设置。

3.根据权利要求1所述一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，其特征在于：所述水与制冷剂换热器还包括第二降膜器（12）、第二隔板（13）和管体（14），第二降膜器（12）通过管体（14）设置在第一降膜器（7）的下方，且第二降膜器（12）位于上腔室内，第二降膜器（12）的下端开有多个第二通孔（12-1），第二隔板（13）设置在第一降膜器（7）和第二降膜器（12）之间，第二隔板（13）上方的筒体（1）上开有第二气态制冷剂管口（20）。

4.根据权利要求1所述一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，其特征在于：所述第一隔板（9）上开有多个第一液体沉降孔（15）。

5.根据权利要求1所述一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，其特征在于：所述水与制冷剂换热器还包括热力自力装置（16）、第三隔板（17）和限位装置（18），第一隔板（9）的一端设有凸起，第三隔板（17）上开有多个与液体沉降孔（15）位置相对应的多个第二液体沉降孔（19），第三隔板（17）和热力自力装置（16）可滑动而且并列设置在第一隔板（9）上，第三隔板（17）的一端与第一隔板（9）的凸起之间留有间隙，第三隔板（17）的另一端和热力自力装置（16）的一端固定连接，热力自力装置（16）的另一端与第一隔板（9）的端部固接，限位装置（18）设置在第一隔板（9）上，且限位装置（18）位于热力自力装置（16）内。

6.根据权利要求5所述一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，其特征在于：所述水与制冷剂换热器还包括第四隔板（21），第一隔板（9）的一端固装在法兰上，第一隔板（9）的另一端向下倾斜悬置，热力自力装置（16）的一端固装在第一隔板（9）上，热力自力装置（16）的另一端与第四隔板（21）的一端连接，第四隔板（21）的另一端与筒体（1）之间留有间隙。

7.根据权利要求5或6所述一种兼具蒸发换热与冷凝换热功能的水与制冷剂换热器，其特征在于：所述热力自力装置（16）为波纹管。

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