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CN111336841A - 一种围叠式微通道换热器 - Google Patents

一种围叠式微通道换热器 Download PDF

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CN111336841A
CN111336841A CN202010090943.3A CN202010090943A CN111336841A CN 111336841 A CN111336841 A CN 111336841A CN 202010090943 A CN202010090943 A CN 202010090943A CN 111336841 A CN111336841 A CN 111336841A
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CN
China
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heat exchange
microchannel heat
liquid
fluid
pipe
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CN202010090943.3A
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English (en)
Inventor
周文杰
虞寿仁
虞忠卫
金火权
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Hangzhou Dianzi University
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Hangzhou Dianzi University
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种围叠式微通道换热器。本发明的壳体上连接流体Ⅰ进液管和出液管、流体Ⅱ进液管和出液管。换热器芯体包括多个微通道换热单元；每个微通道换热单元结构相同，均包括两根集液管和多根微通道换热管，多根微通道换热管的两端分别插入两个集液管。微通道换热单元分为两组，其中一组微通道换热单元的微通道换热管纵向排列，另一组微通道换热单元的微通道换热管横向排列，一组中的微通道换热单元与另一组中的微通道换热单元交错设置，所有微通道换热单元平行设置。本发明提出了错位放置多个微通道换热单元，换热效率更高，在相同空间内可以排放更多的微通道换热管，增强换热效果。

Description

一种围叠式微通道换热器
技术领域
本发明属于换热器技术领域，涉及一种围叠式微通道换热器，可以广泛用于存在液体-液体、液体-相变液体换热的所有换热器。
背景技术
上世纪七十年代的石油危机之后，节能技术和新能源开发成为了世界各国研究的重点。商用和工业空调系统一般采用液体-液体换热器，其中最常用的是板式和管壳换热器。由于板式换热器受其结构的影响，密封线长度过长，不能承受很高的压力，钎焊形式不易清洗，同时板式换热器受模具的影响，改变尺寸投入资金较大。管壳式换热器由于管道直径较大，单位体积的换热面积小于微通道换热器换热面积。微型化小型化的板式换热器不适合大能量的换热需求。大能量，高热流密度，灵活性高，方便维修，结构紧凑，重量轻，效率高的换热器是目前换热器研究的方向。因此，一种围叠式金属圆管换热器具有结构紧凑，单位体积，单位重量换热效率高的优点，可以广泛应用于液体-液体换热的应用场合。
专利公开号为CN203336996U的中国专利文献公开了一种微型微通道金属圆管液冷型换热器，其所述的换热机构由冷媒进口管和出口管通过微通道金属圆管连接构成，且所述微型微通道金属圆管的内径在0.1～0.4mm之间，整个换热机构设置在冷却液容器内。并且，该发明将微通道金属圆管作为主要换热机构，管外流动的液体主要是冷却或者加热管内流体作用。该结构因为会有较大的压降，不利于高流速管内流动场合。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供了一种围叠式微通道换热器，该微通道换热器结构紧凑的、节能节材，单位重量换热效率高，能够减少制冷剂充注量。
本发明包括壳体，壳体上连接流体Ⅰ进液管、流体Ⅰ出液管和流体Ⅱ进液管、流体Ⅱ出液管。流体Ⅰ进液管和流体Ⅰ出液管连接壳体的内部空间，并分设在壳体相对的两个侧面；壳体内设置有换热器芯体，流体Ⅱ进液管和流体Ⅱ出液管分别接换热器芯体的进口和出口。
所述的换热器芯体包括多个微通道换热单元；每个微通道换热单元结构相同，均包括两根集液管和多根微通道换热管。
所述的集液管为半圆形截面的直线金属管，包括平面管壁和弧面管壁，两个集液管的平面管壁相对设置，集液管平面管壁上开有通孔，多个通孔矩阵排列，多根微通道换热管的两端分别插入两个集液管平面管壁上的多个通孔内，并通过焊接进行密封和固定。
构成每个微通道换热单元的两根集液管均一端封闭，另一端开放，且两根集液管的开放端对角设置；微通道换热管为两端开放的薄壁金属圆管，相邻两根微通道换热管的管芯距离为1.5～2.5D，D为微通道换热管的外径。
微通道换热单元分为两组，其中一组微通道换热单元的微通道换热管纵向排列，另一组微通道换热单元的微通道换热管横向排列，一组中的微通道换热单元与另一组中的微通道换热单元交错设置，所有微通道换热单元平行设置。
构成一个组的微通道换热单元中的所有一侧的集液管的开放端通过进液管路连通，进液管路一端封闭，另一端开放；所有另一侧的集液管的开放端通过出液管路连通，出液管路一端封闭，另一端开放；即每组微通道换热单元并联，并联后的两组组微通道换热单元的进液管路的开放端连通，并连接流体Ⅱ进液管；并联后的两组组微通道换热单元的出液管路的开放端连通，并连接流体Ⅱ出液管。
进一步，所述的微通道换热管的外径D＝0.5～2mm，内径d＝0.3～1.8mm。
本发明提出了错位放置多个微通道换热单元，换热效率更高，并节省了换热器整体体积。本发明在相同空间内可以排放更多的微通道换热管，提高换热面积，增强换热效果。本发明结构简单，重量较轻，体积小，材料使用较少，换热性能提升明显。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中微通道换热单元示意图；
图3为图2中单个微通道换热单元A-A剖视图；
图4为图2中单个微通道换热单元B-B剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种微通道液冷换热器，包括壳体1，壳体1上连接流体Ⅰ进液管1-1、流体Ⅰ出液管1-2和流体Ⅱ进液管1-3、流体Ⅱ出液管1-4，流体Ⅰ进液管1-1和流体Ⅰ出液管1-2连接壳体1内部空间，并分设在壳体1相对的两个侧面。壳体1内设置有换热器芯体，流体Ⅱ进液管1-3和流体Ⅱ出液管1-4分别接换热器芯体的进口和出口。
如图1、2、3、4所示，换热器芯体包括多个微通道换热单元2，每个微通道换热单元2结构相同，均包括两根集液管2-1和多根微通道换热管2-2。集液管2-1为半圆形截面的直线金属管，包括平面管壁和弧面管壁，两个集液管2-1的平面管壁相对设置，集液管2-1平面管壁上开有通孔，多个通孔矩阵排列，多根微通道换热管2-2的两端分别插入两个集液管2-1平面管壁上的多个通孔内，并通过焊接进行密封和固定。
构成每个微通道换热单元2的两根集液管2-1均一端封闭，另一端开放，且两根集液管的开放端对角设置。微通道换热管2-2为两端开放的薄壁金属圆管，相邻两根微通道换热管管芯距离为1.5～2.5D，微通道换热管的外径D＝0.5～2mm，内径d＝0.3～1.8mm。
如图2，微通道换热单元2分为两组(本实施例中每组包括四个微通道换热单元)，其中一组微通道换热单元2的微通道换热管2-2纵向排列(即集液管2-1横向设置)，另一组微通道换热单元2的微通道换热管2-2横向排列(即集液管2-1纵向设置)，一组中的微通道换热单元2与另一组中的微通道换热单元2交错设置，所有微通道换热单元2平行设置。集液管2-1错位放置，微通道换热管2-2整齐平行堆叠，节省空间，有利于安排进出液体出口在一个面上。相邻的两个微通道换热单元2的微通道换热管2-2交错排列，避免管壁外液体朝一个方向快速流动，可以有效提高换热率。
构成一个组的微通道换热单元2中的所有一侧的集液管2-1的开放端通过进液管路连通，进液管路一端封闭，另一端开放；所有另一侧的集液管2-1的开放端通过出液管路连通，出液管路一端封闭，另一端开放；即每组微通道换热单元2并联；并联后的两组组微通道换热单元的进液管路的开放端连通，并连接流体Ⅱ进液管1-3；并联后的两组组微通道换热单元的出液管路的开放端连通，并连接流体Ⅱ出液管1-4。
下面以单个采用长460mm，宽200mm，高14mm的微通道换热单元为例，对该围叠式微通道换热器性能进行分析。
微通道换热管0.38mm的不锈钢微通道圆管，每排有100根微通道圆管，共4排。在R410A为制冷工质的标准工况下，以20℃的自来水作为微通道外冷却液体(即流体Ⅰ)，入口温度是79℃，通过实验测试得到制冷剂出口温度是22℃。冷却水流量为700kg/h，制冷剂工质(即流体Ⅱ)流量为152.8kg/h。先对水侧的换热热阻进行计算，计算水侧的雷诺数ReD：ReD＝ρwater·Velwater·Dout/μwater。
因此，对应的Nusselt数表示为：
Figure BDA0002383704300000031
水侧的热阻为：
Figure BDA0002383704300000032
R410A侧的雷诺数为：
Figure BDA0002383704300000033
忽略不锈钢管的热阻，由于其壁厚较薄，热阻较小。
制冷剂侧的热阻为：
Figure BDA0002383704300000041
采用e-NTU传热单元数法计算换热量：
Figure BDA0002383704300000042
换热器换热效率计算：
Figure BDA0002383704300000043
微通道单元体换热量(最大换热量)计算：
Figure BDA0002383704300000044
计算得到冷凝器换热性能可以达到8083W，水侧对流换热系数高达1744W/m2-K，微通道内工质的对流换热系数为70W/m2-K。换热器总换热效率达到82.46％，其芯体重量仅为0.4kg左右。
板式换热器高压工质和低压工质的容积比通常为1，壳管式换热器高压和低压的容积比通常小于1，而围叠式微通道换热器的高压工质和低压工质的容积比从0.1～0.03之间变化。相同体积，相同工况下的换热量本发明是板式换热器的10倍，壳管式换热器的10～30倍，更加有利于进行深度完全换热的应用场合。

Claims (2)

1.一种围叠式微通道换热器，包括壳体(1)，壳体(1)上连接流体Ⅰ进液管(1-1)、流体Ⅰ出液管(1-2)和流体Ⅱ进液管(1-3)、流体Ⅱ出液管(1-4)；其特征在于：
所述的流体Ⅰ进液管(1-1)和流体Ⅰ出液管(1-2)连接壳体(1)的内部空间，并分设在壳体(1)相对的两个侧面；壳体(1)内设置有换热器芯体，流体Ⅱ进液管(1-3)和流体Ⅱ出液管(1-4)分别接换热器芯体的进口和出口；
所述的换热器芯体包括多个微通道换热单元(2)；每个微通道换热单元(2)结构相同，均包括两根集液管(2-1)和多根微通道换热管(2-2)；
所述的集液管(2-1)为半圆形截面的直线金属管，包括平面管壁和弧面管壁，两个集液管(2-1)的平面管壁相对设置，集液管(2-1)平面管壁上开有通孔，多个通孔矩阵排列，多根微通道换热管(2-2)的两端分别插入两个集液管(2-1)平面管壁上的多个通孔内，并通过焊接进行密封和固定；
构成每个微通道换热单元(2)的两根集液管(2-1)均一端封闭，另一端开放，且两根集液管的开放端对角设置；微通道换热管(2-2)为两端开放的薄壁金属圆管，相邻两根微通道换热管的管芯距离为1.5～2.5D，D为微通道换热管的外径；
微通道换热单元分为两组，其中一组微通道换热单元的微通道换热管(2-2)纵向排列，另一组微通道换热单元的微通道换热管(2-2)横向排列，一组中的微通道换热单元(2)与另一组中的微通道换热单元(2)交错设置，所有微通道换热单元(2)平行设置；
构成一个组的微通道换热单元(2)中的所有一侧的集液管(2-1)的开放端通过进液管路连通，进液管路一端封闭，另一端开放；所有另一侧的集液管(2-1)的开放端通过出液管路连通，出液管路一端封闭，另一端开放；即每组微通道换热单元(2)并联，并联后的两组组微通道换热单元的进液管路的开放端连通，并连接流体Ⅱ进液管(1-3)；并联后的两组组微通道换热单元的出液管路的开放端连通，并连接流体Ⅱ出液管(1-4)。
2.如权利要求1所述的一种围叠式微通道换热器，其特征在于：所述的微通道换热管的外径D＝0.5～2mm，内径d＝0.3～1.8mm。
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