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用于間接注入低溫運(yùn)輸?shù)木o湊型交換器的制作方法

文檔序號(hào):11442693閱讀:200來源:國(guó)知局
用于間接注入低溫運(yùn)輸?shù)木o湊型交換器的制造方法與工藝

本發(fā)明涉及熱敏產(chǎn)品如藥物產(chǎn)品和食品的運(yùn)輸和分配的領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域,用于維持產(chǎn)品溫度所需的制冷主要由兩種不同的技術(shù)提供:

-閉環(huán)機(jī)械蒸氣壓縮制冷單元;或

-采用直接或間接注入低溫流體并且特別是液氮的開環(huán)低溫單元。

本發(fā)明更具體地涉及間接注入低溫溶液。在這種種類的溶液中,低溫流體從冷藏卡車車載低溫儲(chǔ)存器(通常在卡車下方)供給到位于卡車的一個(gè)或多個(gè)冷室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)熱交換器,并設(shè)有空氣循環(huán)裝置。這些交換器使能夠冷卻到存儲(chǔ)產(chǎn)品的室內(nèi)的空氣的所需溫度。

從空氣中提取的熱量首先使能夠完全蒸發(fā)在交換器中循環(huán)的低溫流體并且然后將其溫度升高到接近外殼溫度的溫度。離開交換器的低溫流體然后在已經(jīng)放出最大的冷卻能量之后被排出到外部。

與機(jī)械制冷單元相比,間接注入低溫單元在噪聲、制冷品質(zhì)、安全性和碳足跡減少、以及減少的細(xì)顆粒的排放方面具有優(yōu)點(diǎn),這些現(xiàn)在是眾所周知的且無可爭(zhēng)辯的優(yōu)點(diǎn)。然而,仍然存在困難,即在載荷空間中采用的交換器技術(shù)的選擇:其設(shè)計(jì)及其安裝在獲得提供良好性能并解決該工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)范的技術(shù)方案中是至關(guān)重要的。

因此,本發(fā)明目的是提出一種旨在用于冷藏運(yùn)輸應(yīng)用的創(chuàng)新的冷凍劑/空氣((氮?dú)狻⒀鯕?、氬氣、氪氣?..或其混合物)/空氣)交換器設(shè)計(jì),與本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的現(xiàn)有的機(jī)械制冷交換器相比,該交換器設(shè)計(jì)使能夠顯著提高緊湊性和易于組裝,同時(shí)保持顯著的性能水平。

記住在本技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有水平下,在間接注入低溫單元中使用的交換器基本上是以下類型:

1-螺旋交換器:交換器由經(jīng)由分配器和收集器互連(在上游端和在下游端)的多個(gè)螺旋形螺旋體組成。只有主表面構(gòu)成從空氣中提取熱量所需的交換表面。這體現(xiàn)在大的整體尺寸上。在-20℃下產(chǎn)生10kw制冷所需要的這種種類的交換器的體積通常為約10m2/m3。這迫使交換器的豎直安裝,特別是在前室中,在成本、可用空間、重量、組裝時(shí)間以及難以轉(zhuǎn)換為用機(jī)械制冷單元操作的低溫溶液卡車方面存在限制。

2-標(biāo)準(zhǔn)管和翅片束交換器:這種技術(shù)無疑提供了更大的緊湊性,但是可商購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)交換器已經(jīng)被專門設(shè)計(jì)為用機(jī)械單元(r-404a、r410a、r22、r744、…)的制冷劑流體進(jìn)行操作。這些固有地作為蒸發(fā)器運(yùn)行的交換器通常進(jìn)料有強(qiáng)兩相混合物(含有按重量計(jì)20%至40%的蒸氣)。在出口處,流體處于過熱蒸氣狀態(tài),但僅幾度,之后其被壓縮機(jī)吸入以繼續(xù)其制冷循環(huán)。這種種類的交換器的設(shè)計(jì)考慮了這些操作條件。

附圖1示出了管和翅片束的一個(gè)實(shí)例(采用與所謂的“單獨(dú)翅片”或“翅片管”相反的所謂的連續(xù)翅片)。清楚地看到,該束包括單個(gè)管道(其中低溫流體可以在流體進(jìn)入交換器的入口與流體離開交換器的出口之間循環(huán))以及平面且平行翅片的系統(tǒng),管路在交換器內(nèi)穿過該系統(tǒng),空氣能夠在由管道與平行翅片之間的空間限定的通道中在交換器內(nèi)循環(huán)。這里圖1示出了交叉流交換器,其中空氣在垂直于該圖的平面的方向上循環(huán)。

這些標(biāo)準(zhǔn)交換器/蒸發(fā)器不適合使用低溫液體如液氮作為制冷劑流體。它們僅僅不適于提供所需的性能水平,即在給定溫度下的制冷功率。

3-熱管交換器:它們的工作原理例如在文獻(xiàn)wo2013/006217中描述。對(duì)于使用這種技術(shù)將用機(jī)械制冷單元運(yùn)行的卡車轉(zhuǎn)換為間接注入類型低溫溶液仍然存在非常嚴(yán)重的疑問。

因此,本發(fā)明提出了一種基于采用管和翅片束技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新的冷凍劑/空氣交換器設(shè)計(jì),其考慮到上述評(píng)論和保留意見,并且必須進(jìn)行大的修改以滿足該技術(shù)領(lǐng)域的規(guī)范。

如以下將更詳細(xì)地顯露,本申請(qǐng)人承諾解決以下問題以改進(jìn)現(xiàn)有的管和翅片束:

-根據(jù)將低溫儲(chǔ)存器連接到交換器的管道系統(tǒng)的保溫品質(zhì),交換器進(jìn)料有略微(通常為1%至10%的最大值)雙相液體。因此,必須仔細(xì)解決流體在交換器(回路)中的分布,特別是考慮到幾個(gè)百分比的呈蒸氣形式的冷凍劑的質(zhì)量流率的存在導(dǎo)致非常大的體積流率。通過說明,5%的蒸氣重量百分比相當(dāng)于90%的真空。

-也必須關(guān)于交換器的“聚縮(pinching)”非常仔細(xì)地解決交換器中的冷凍劑回路的這種設(shè)計(jì)。事實(shí)上,為了更好地利用冷凍劑的內(nèi)部能量和優(yōu)化交換器的效率,交換器的聚縮必須具有僅幾度。

記住,交換器的“聚縮”的概念用以下方式表示:

聚縮=t內(nèi)-t流體出口;

其中t內(nèi)=室內(nèi)的溫度,并且

t流體出口=離開交換器的冷蒸氣的溫度

換句話說,在用冷凍劑進(jìn)料的交換器的情況下所利用的內(nèi)部能量以潛熱的形式為大約50%并且以顯熱的形式為50%。這種特定的特征(其不存在于機(jī)械制冷交換器/蒸發(fā)器中)強(qiáng)加了對(duì)交換器內(nèi)部的冷凍劑回路的最佳選擇,以便在交換器中具有足夠的冷凍劑停留時(shí)間。事實(shí)上,交換器中的冷凍劑水頭損失必須進(jìn)行優(yōu)化(通過提供適當(dāng)?shù)幕芈?:過低的水頭損失反映在冷凍劑的短停留時(shí)間(快速行進(jìn)),這使得交換器處于非常低的溫度(高聚縮效應(yīng)),并且因此導(dǎo)致降低的效率,與高消耗同義,而過高的水頭損失延長(zhǎng)了交換器中的停留時(shí)間,從而降低了生產(chǎn)量并降低了制冷功率。

-在交換器的交換表面上形成冰的問題也是一個(gè)必須解決的至關(guān)重要的問題:產(chǎn)品的受控溫度運(yùn)輸是制冷鏈中的一個(gè)環(huán)節(jié),因?yàn)檫@些產(chǎn)品必須被遞送到它們的目的地以儲(chǔ)存在冷室、冰柜、冰箱等中。遞送它們不可避免地需要將貨車的門打開來裝載或卸載產(chǎn)品,有時(shí)每天多次。當(dāng)門打開時(shí),在冷藏外殼的體積與外部氣氛之間存在熱量和質(zhì)量的傳遞。這反映在卡車的溫度升高,并且尤其是通過在冷表面上、特別是交換器的冷表面上沉積冰。打開后,冰層變厚會(huì)對(duì)空氣的冷卻產(chǎn)生熱阻,并減少交換器中(翅片之間)的空氣流動(dòng)部分,并且結(jié)果是可用的最大制冷功率急劇下降。

-還必須解決交換器的緊湊性問題,因?yàn)閷?shí)際上,運(yùn)載它們的卡車和半掛車的尺寸在世界各地都是標(biāo)準(zhǔn)化的并且取決于它們運(yùn)輸?shù)耐斜P的數(shù)量。因此,在卡車的載荷空間內(nèi)的交換器的位置的選擇是有限的,并且操作者更喜歡將其定位在頂部,以便不影響卡車的有效載荷。這意味著與機(jī)械制冷交換器/蒸發(fā)器的整體尺寸相比,交換器的設(shè)計(jì)是緊湊的。

因此,本發(fā)明涉及一種交換器,該交換器具有管和翅片束并且包括:

-管道,低溫流體可以在進(jìn)入該交換器中的流體入口與來自該交換器的流體出口之間流動(dòng)通過該管道;

-平坦、連續(xù)且平行的翅片的系統(tǒng),所述管道在該交換器內(nèi)部穿過該系統(tǒng),空氣有可能通過穿過由在所述管道與這些平行翅片之間的空間限定的通道而在交換器內(nèi)循環(huán);

其特征在于,該交換器包括至少兩個(gè)用于在該交換器內(nèi)循環(huán)該低溫流體的獨(dú)立管道。

本發(fā)明此外可以采用下列技術(shù)特征中的一個(gè)或多個(gè):

-根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施例,利用了冰的形成基本上發(fā)生在交換器的上部部分(從而釋放交換器的其余部分):因此,將空間中的交換器視為具有上部部分、下部部分和側(cè)面的“載荷空間”,利用以下:冷凍劑進(jìn)入交換器的上部部分并且在朝向交換器的下部部分下降之前行進(jìn)交換器的上部部分的一定數(shù)量的長(zhǎng)度。

如對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚明顯的是,在該配置中,上部部分接收處于液體或液體/蒸氣狀態(tài)的冷凍劑,即在最低溫度下,并且因此表示更可能積聚冰的區(qū)域,這使得可能限制在交換器的其余部分(即專用于顯熱的部分)中的冰積聚的熱和氣動(dòng)力學(xué)后果。通過說明,根據(jù)本發(fā)明,約50%的交換表面位于(載荷空間的)交換器的上半部分。

此外,還可以指出,該設(shè)計(jì)還具有與交換器除冰所需的時(shí)間相關(guān)聯(lián)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn),因?yàn)閷?shí)際上考慮到使用電阻除冰的實(shí)例,例如將三分之二的電加熱元件放置在交換器的上部部分中,這使得有可能更快速地使該部分除冰,并且以這種方式轉(zhuǎn)換成液態(tài)水的冰將隨后通過重力流動(dòng)到交換器的下部部分中并參與使其除冰。因此,該設(shè)計(jì)有利于更快地除冰并且參與將冷凝物(已成為液體的冰)排到外部。

-根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例,在交換器的上部部分中,空間中的空氣的循環(huán)方向是就冷凍劑的循環(huán)方向而言的同向流動(dòng)方向,而在交換器的下部部分中,空氣以反向流動(dòng)方向循環(huán)(專用于顯熱的下部部分在反向流動(dòng)模式下是最有熱效率的)。通過說明,根據(jù)本發(fā)明,在(載荷空間的)交換器的上半部分中,空氣在就該上半部分中的冷凍劑的流動(dòng)方向而言在同向流動(dòng)方向上在翅片之間循環(huán),并且在交換器的下半部分中,空氣在就該下半部分中的冷凍劑的循環(huán)方向而言在反向流動(dòng)方向上在翅片之間循環(huán)。

-根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施例,翅片的間距在從6至10mm的范圍內(nèi)。

-根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施例,使用連續(xù)平面管和翅片束設(shè)計(jì),其中翅片間距(兩個(gè)連續(xù)翅片之間的距離)在空氣的循環(huán)方向上變化(如下文結(jié)合圖4描述的)。因此,在風(fēng)扇之后操作的第一部分的束的整個(gè)長(zhǎng)度上存在有利的大的翅片間距,表示例如第二部分中(空氣出口側(cè))的間距的兩倍到三倍。這種種類的配置通過例如以下獲得:在電池的深度方向上結(jié)合在整個(gè)深度(完整翅片)上連續(xù)的平面翅片,與在半深度(半翅片)上連續(xù)的平面翅片交替。因此,通過連續(xù)地使用完整翅片接著是半翅片,在空氣入口側(cè)獲得雙間距束并在空氣出口側(cè)獲得單間距束。通過連續(xù)地使用完整翅片接著是兩個(gè)半翅片,在空氣入口側(cè)獲得三間距束并且在空氣出口側(cè)獲得單間距束。

本申請(qǐng)人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明,這種種類的設(shè)計(jì)顯著地增加了交換器對(duì)冰積聚的抵抗力。在溫度和相對(duì)濕度的極端條件下,這種低溫交換器設(shè)計(jì)在其返回到除冰循環(huán)之前在至少一個(gè)額外的門打開期間保持其性能。在正常的季節(jié)性運(yùn)行條件下,發(fā)生多次額外的門打開,而沒有交換器的性能下降,從而顯著節(jié)省了除冰能量并增加了冷系統(tǒng)的安全性。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在通過非限制性說明和參照附圖給出的以下描述中變得更加清楚明顯,其中:

-圖1是現(xiàn)有技術(shù)的管和翅片束的一部分的圖解側(cè)視圖。

-圖2是根據(jù)本發(fā)明的束的一部分的圖解前視圖,在底部入口的情況下使用兩個(gè)獨(dú)立的管道用于在交換器內(nèi)循環(huán)低溫流體(如從前面看到,即在這里看到管道進(jìn)入和離開交換器的面)。

-圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)束的一部分的示意圖,示出了如以上所述的本發(fā)明的實(shí)施例是優(yōu)選的,因?yàn)樗褂庙敳咳肟凇?/p>

-圖4是根據(jù)本發(fā)明的管和翅片束的一部分的圖解視圖,示出了其中翅片間距(兩個(gè)連續(xù)翅片之間的距離)在空氣的循環(huán)方向上變化的實(shí)施例。

如上所述,圖1是現(xiàn)有技術(shù)的管和翅片束的一部分的圖解側(cè)視圖,該管和翅片束包括平面、連續(xù)且平行的翅片的系統(tǒng)(3),單個(gè)管道(4)在交換器內(nèi)部穿過該系統(tǒng)(冷凍劑入口在1處,冷凍劑出口在2處),空氣通過由在管道與平行翅片之間的空間限定的通道在交換器內(nèi)循環(huán),并且在這種情況下,空氣在這里在垂直于該圖的平面的方向上循環(huán)(導(dǎo)致所謂的“交叉流”交換器)。

另一方面,圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的使用底部入口配置的交換器結(jié)構(gòu):

-參考號(hào)10和11分別表示冷凍劑進(jìn)入交換器的入口和冷凍劑離開交換器的出口。

-交換器的特征在于兩個(gè)獨(dú)立的管道10a和10b的存在,形成交換器內(nèi)的冷凍劑回路。

-參考號(hào)12就其本身而言表示交換器中的空氣的行進(jìn)方向。

-如上所述,圖2因此示出了交換器的前面,即管道進(jìn)入和離開交換器的面。換句話說,在這個(gè)視圖中,管道朝向圖的底部行進(jìn),朝向該前面返回,回到底部,諸如此類,這取決于在通過進(jìn)料器11在該前面上離開之前通過交換器內(nèi)的回路實(shí)現(xiàn)的往返次數(shù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的表示規(guī)則,實(shí)線表示連接兩個(gè)管或管道部分(在外出部分與重新進(jìn)入交換器的部分之間)的可見(外部)彎曲,并且虛線表示連接兩個(gè)管并且位于束的另一側(cè)(通過后面離開并重新進(jìn)入)的彎曲。

-如所述,圖2示出了本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,其中進(jìn)入和離開交換器的冷凍劑入口-出口被配置成以便能夠利用以下:冷凍劑進(jìn)入交換器的底部部分中并在朝向交換器的頂部上升之前在交換器(b)的下半部分中行進(jìn)這兩個(gè)管道的一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)度。

就其本身而言,圖3示出了如上所述因?yàn)槭褂庙敳咳肟诙鴥?yōu)選的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,使得冷凍劑進(jìn)入交換器的頂部部分并且在朝向交換器的底部下降之前在交換器的上半部分(h)中行進(jìn)這兩個(gè)管道的一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)度。如所述,這有利于以下:在該配置中,上部部分接收處于液體或液體/蒸氣狀態(tài)的冷凍劑并且因此是最冷部分,并且因此表示更可能積聚冰的區(qū)域,這使得可能限制在交換器的其余部分,即在專用于顯熱的底部部分(b)中的冰積聚的后果。在這種情況下,這里約50%的交換表面位于交換器的上半部分中。

圖3還示出了本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例,其中在交換器的上半部分中,空氣以相對(duì)于冷凍劑在該上半部分中的循環(huán)方向的同向流動(dòng)配置在翅片之間循環(huán),并且在交換器的下半部分(b)中空氣以相對(duì)于冷凍劑在該下半部分中的循環(huán)方向的反向流動(dòng)配置中在翅片之間循環(huán)(在頂部部分中,空氣入口和冷凍劑入口處于同向流動(dòng)配置,而在底部部分中,空氣入口和冷凍劑出口處于反向流動(dòng)配置)。

本申請(qǐng)人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)使得已經(jīng)可以證明,根據(jù)圖3的這種種類的交換器的設(shè)計(jì)已經(jīng)顯著地使得有可能獲得與在耐結(jié)冰方面同樣多的制冷功率的改進(jìn)的性能:

-保持標(biāo)稱功率,高于未優(yōu)化的交換器(例如來自圖1中的):如來自圖1的交換器無疑能夠提供足夠的交換表面,但具體來說,它的回路和翅片間距不適用于低溫應(yīng)用。

-每平方米形成的冰的量是非優(yōu)化交換器(如來自圖1的)中形成的一半。

-與僅使用初級(jí)交換表面的螺旋式交換器相比,交換器的緊密度已經(jīng)增加了10倍。

-因此評(píng)估圖1與圖2之間的比較水頭損失:100-200毫巴對(duì)比500至1000毫巴。

-因此評(píng)估圖1與圖2之間的比較制冷功率:4kw對(duì)比10kw。

如從閱讀前面的描述清楚的是,通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)束進(jìn)行的修改,并且特別是通過所采用的回路,本發(fā)明的目的是增加冷凍劑在交換器中的停留時(shí)間以優(yōu)化熱量與空氣的交換。

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