換熱管及使用該換熱管的換熱器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及換熱管，具體的說是一種用于氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)的換熱管，及使用該換熱管的換熱器。具體的公開一種換熱管，所述的換熱管內(nèi)腔流動(dòng)氣液兩相態(tài)的CO2工質(zhì)，所述的CO2工質(zhì)與換熱管外的工質(zhì)進(jìn)行換熱，所述的換熱管內(nèi)壁有正螺旋線管段，該正螺旋線管段在換熱管內(nèi)壁上有順時(shí)針方向設(shè)置的正螺旋線；所述的換熱器內(nèi)壁還有反螺旋線管段，該反螺旋線管段在換熱管內(nèi)壁上有逆時(shí)針方向設(shè)置的反螺旋線。以及由該換熱管加工的管殼式液-液換熱器，或由該換熱管加工的氣-液換熱器。采用這種換熱管可以打破CO2氣液兩相流固有的螺旋流動(dòng)，引導(dǎo)CO2兩相流中的液態(tài)更均勻的分布。
【專利說明】換熱管及使用該換熱管的換熱器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及換熱管，具體的說是一種用于氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)的換熱管，及使用該換熱管的換熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]二十一世紀(jì)環(huán)保和節(jié)能是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要議題。傳統(tǒng)制冷空調(diào)和熱泵中使用的工質(zhì)主要是CFCs和HCFCs，但是由于其對(duì)臭氧層破壞和大氣變暖的重要影響，使得保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)CFCs和HCFCs的替代成為全世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)問題。隨著《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》的簽訂，CFCs類制冷劑的替代和禁止迫在眉睫。目前，自然環(huán)保工質(zhì)CO2因其具有無毒、不可燃、廉價(jià)、易得且對(duì)環(huán)境沒有危害(溫室效應(yīng)潛能值GWP=U臭氧耗損潛能ODP=O)的特性，而倍受青睞。
[0003]在跨臨界狀態(tài)下，CO2具有比熱大、導(dǎo)熱性好、氣體密度高使設(shè)備緊湊體積小；單位容積制冷量為氟利昂的5倍；化學(xué)穩(wěn)定性好與普通潤滑劑和設(shè)備材料相兼容；價(jià)格低廉、容易獲得、不需回收等優(yōu)點(diǎn)，因此，CO2跨臨界循環(huán)具有非常好的應(yīng)用前景。
[0004]跨臨界CO2熱泵替代傳統(tǒng)的熱泵可以減少CFCs和HCFCs對(duì)地球臭氧層的破壞和削減CO2排放，據(jù)估算如果采用跨臨界CO2熱泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱泵，每年可減少CO2排放量為幾千萬噸?？缗R界CO2熱泵從而得到了廣泛的研究，特別是在發(fā)達(dá)國家和地區(qū)。
[0005]采用新型替代制冷劑后，這就需要重新對(duì)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的各個(gè)部件在運(yùn)行時(shí)的工作性能進(jìn)行研究，以及對(duì)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)替代工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。因此，為了滿足熱泵系統(tǒng)在節(jié)能和環(huán)保方面的雙重要求，有必要針對(duì)跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)中的各個(gè)部件進(jìn)行有針對(duì)性的研究。
[0006]蒸發(fā)器是跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)中主要的換熱設(shè)備之一，跨臨界CO2熱泵蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和換熱效果對(duì)跨臨界CO2熱泵的性能影響較大，其換熱和壓降特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的提高起著非常重要的作用。
[0007]普通的CFCs類制冷劑工作在普通的制冷制熱工況下，其工質(zhì)處于氣液兩態(tài)區(qū)，液態(tài)工質(zhì)和氣態(tài)工質(zhì)的密度差異比較大，工質(zhì)在換熱管中流動(dòng)時(shí)，液態(tài)工質(zhì)易于貼近換熱管內(nèi)表面，所以，用于CFCs類制冷劑的換熱管主要靠增加內(nèi)表面的面積，通過內(nèi)螺紋管內(nèi)腔表面較密槽道來破壞液態(tài)工質(zhì)流動(dòng)過程中在換熱管表面產(chǎn)生的層流，就可以實(shí)現(xiàn)換熱效果的顯著提升。
[0008]由于CO2具有在臨界狀態(tài)附近氣體密度高，使得氣液密度的差異變?。煌瑫r(shí)由于在管內(nèi)受到內(nèi)壁面的加熱，會(huì)自有的特殊性在管內(nèi)形成穩(wěn)定的螺旋流動(dòng)，即以氣、液兩相核為中心的渦團(tuán)螺旋向前流動(dòng)，外部圍繞著干度較大的氣態(tài)CO2，雖然旋轉(zhuǎn)的離心力能把一部分液態(tài)CO2甩到壁面，但大部分液態(tài)CO2還是聚集在管道中心，形成傳熱的惡化，減少管內(nèi)CO2與管壁的換熱，降低了蒸發(fā)器的換熱效率。亟待找到一種臨界狀態(tài)附近CO2換熱管，克服臨界狀態(tài)附近CO2在管中加熱時(shí)，產(chǎn)生的螺旋流動(dòng)造成的換熱惡化問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本實(shí)用新型的目的在于提供一種換熱管，通過對(duì)其內(nèi)壁的特殊結(jié)構(gòu)，克服臨界狀態(tài)附近CO2在管中加熱時(shí)，產(chǎn)生的螺旋流動(dòng)造成的換熱惡化問題，從而提高臨界狀態(tài)CO2在換熱管內(nèi)的換熱效率；進(jìn)一步，提供一種使用該換熱管的換熱器。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上訴目標(biāo)，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:一種換熱管，所述的換熱管內(nèi)腔流動(dòng)氣液兩相態(tài)的CO2工質(zhì)，所述的CO2工質(zhì)與換熱管外的工質(zhì)進(jìn)行換熱，所述的換熱管內(nèi)壁有正螺旋線管段，該正螺旋線管段在換熱管內(nèi)壁上有順時(shí)針方向設(shè)置的正螺旋線；所述的換熱器內(nèi)壁還有反螺旋線管段，該反螺旋線管段在換熱管內(nèi)壁上有逆時(shí)針方向設(shè)置的反螺旋線。
[0011]所述的正螺旋線管段與反螺旋線管段交替設(shè)置，在兩種管段的連接處，設(shè)置有弧形連接齒。所述的正、反螺旋線的齒高不小于2.5mm，且為換熱管內(nèi)腔半徑的八分之一至二分之一。
[0012]所述的正螺旋線管段范圍內(nèi)不存在反螺旋線；所述的反螺旋線管段范圍內(nèi)不存在正螺旋線。所述的正螺旋線與換熱管中心線形成的角度與反螺旋線與換熱管中心線形成的角度相同，而方向相反。
[0013]所述的正螺旋線管段2的長度與反螺旋線管段3的長度相同，且交替排列；或者正螺旋線管段長度與反螺旋線管段的長度不同。
[0014]所述的換熱管的外壁面為光管，液態(tài)工質(zhì)通過光管表面與CO2換熱。所述的換熱管的外壁面設(shè)置有翅片，該翅片上有沖縫或者開窗，氣態(tài)工質(zhì)通過翅片與CO2換熱。
[0015]本實(shí)用新型還公開一種換熱器，包括管箱和殼體，所述的殼體內(nèi)設(shè)置有如前面所述的換熱管，在管程流動(dòng)的氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)與殼程流動(dòng)的循環(huán)冷卻水進(jìn)行換熱。
[0016]本實(shí)用新型還公開一種換熱器，包括氣態(tài)工質(zhì)流路和換熱管組；所述的換熱管組包括如前面所述的換熱管，在所述氣態(tài)工質(zhì)流路與所述換熱管中的氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)換熱。
[0017]采用在換熱管內(nèi)壁上設(shè)置正螺旋線管段和反螺旋線管段，可以破壞臨界狀態(tài)附近CO2的穩(wěn)定的螺旋形流動(dòng)，特別是交替設(shè)置正螺旋線管段和反螺旋線管段，可以把在換熱管中心區(qū)域的氣、液兩相核為中心的渦團(tuán)分散到換熱器的內(nèi)壁面；當(dāng)沿著當(dāng)前的螺旋齒又要形成氣、液兩相核為中心的渦團(tuán)時(shí)，與當(dāng)前螺旋齒相反的齒形又會(huì)將其分散到換熱器的內(nèi)面，從而提高了換熱效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1本實(shí)用新型一種實(shí)施例的換熱管局部剖示意圖；
[0019]圖2本實(shí)用新型中氣液兩相CO2在光管及正、反向螺旋線管段內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)示意圖；
[0020]圖3本實(shí)用新型一種實(shí)施例的采用正、反螺旋線換熱管的管殼式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖1-3和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述，多種實(shí)施例在不相互沖突的情況下，可以進(jìn)行多種形式的組合。
[0022]如圖1所示，本實(shí)用新型公開了一種使用CO2工質(zhì)的換熱管1，在換熱管內(nèi)腔流動(dòng)氣液兩相態(tài)的CO2工質(zhì)，這里的氣液兩相態(tài)的CO2工質(zhì)是指在臨界狀態(tài)附近，工質(zhì)壓力很高，氣相和液相CO2工質(zhì)密度差異較小的狀態(tài)下的CO2工質(zhì)。該CO2工質(zhì)與換熱管外的工質(zhì)進(jìn)行換熱，在換熱管I有正螺旋線管段2,在該正螺旋線管段2,在換熱管內(nèi)壁存在順時(shí)針方向設(shè)置的正螺旋線5 (朝工質(zhì)流動(dòng)方向7看過去)，正螺旋線5為在換熱管內(nèi)壁形成的有一定齒高的螺旋凸線，順時(shí)針方向設(shè)置的正螺旋線5會(huì)使CO2工質(zhì)產(chǎn)生順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)；換熱管I還有反螺旋線管段3，在該反螺旋線管段3，在換熱管內(nèi)壁4存在逆時(shí)針方向設(shè)置的反螺旋線6 (朝工質(zhì)流動(dòng)方向7看過去)，反螺旋線6為在換熱管內(nèi)壁形成的有一定齒高的螺旋凸線，逆時(shí)針方向設(shè)置的反螺旋線6會(huì)使工質(zhì)產(chǎn)生逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)。通過氣液兩相態(tài)的CO2工質(zhì)在管內(nèi)進(jìn)行正向和反向的引導(dǎo)，從而打亂了原有穩(wěn)定的螺旋流動(dòng)。在換熱管內(nèi)的CO2具有在臨界狀態(tài)附近氣體密度高，氣液密度的差異變??；同時(shí)由于在管內(nèi)受到內(nèi)壁面的加熱或冷卻，會(huì)自有的特殊性在管內(nèi)形成穩(wěn)定的螺旋流動(dòng)，即以氣、液兩相核為中心的渦團(tuán)螺旋向前流動(dòng)，外部圍繞著干度較大的氣態(tài)CO2，雖然旋轉(zhuǎn)的離心力能把一部分液態(tài)CO2甩到壁面，但大部分液態(tài)CO2還是聚集在管道中心，形成傳熱的惡化，減少管內(nèi)CO2與管壁的換熱，降低了換熱管的換熱效率。在換熱管上設(shè)置有正螺旋線管段2和反螺旋線管段3就可以打破氣液兩相態(tài)CO2原有穩(wěn)定的螺旋流動(dòng)。
[0023]如圖2所示，圖中的點(diǎn)代表氣態(tài)CO2，圖中的小圈代表液態(tài)C02，CO2在換熱管內(nèi)沿工質(zhì)流動(dòng)方向7流動(dòng)，在光管段區(qū)域9的范圍內(nèi)，以CO2氣、液兩相核為中心，液相的CO2在換熱管的空腔中心較集中，且在外部圍繞著干度較大的氣態(tài)CO2,由于氣態(tài)CO2的密度小，熱阻大，所以會(huì)給換熱造成影響。圖中右側(cè)為正、反螺旋線區(qū)域10，在該區(qū)域內(nèi)，經(jīng)過正、反向的螺旋線引導(dǎo)后，形成氣態(tài)CO2、液態(tài)CO2的比較均勻的形式，提高了換熱管內(nèi)側(cè)的換熱效率。
[0024]為了獲得更好的正、反螺旋線的引導(dǎo)，形成氣態(tài)CO2、液態(tài)CO2的比較均勻的形式，提高了換熱管內(nèi)側(cè)的換熱效率。換熱管I的正螺旋線管段2與反螺旋線管段3交替設(shè)置，在正螺旋線管段2引導(dǎo)后形成順時(shí)針流動(dòng)的CO2工質(zhì)進(jìn)入反螺旋線管段3，形成強(qiáng)烈的混合和攪拌；在反螺旋線管段3引導(dǎo)后形成逆時(shí)針流動(dòng)的工質(zhì)進(jìn)入正螺旋線管段2，形成強(qiáng)烈的混合和攪拌，從而使整個(gè)換熱管內(nèi)氣態(tài)CO2、液態(tài)CO2比較均勻。
[0025]在正螺旋線管段范圍內(nèi)不存在反螺旋線，同時(shí)，在反螺旋線管段范圍內(nèi)不存在正螺旋線，為了對(duì)正螺旋線管段的CO2引導(dǎo)成順時(shí)針流動(dòng)，在正螺旋線管段內(nèi)都是順時(shí)針設(shè)置的正螺旋線，這樣可以提高對(duì)CO2引導(dǎo)效率，不會(huì)造成正螺旋線管段內(nèi)的擾流，在與逆螺旋線管段交界處形成強(qiáng)烈的混合。反之亦然。
[0026]另一種實(shí)施例中，在正螺旋線管段2與反螺旋線管段3的連接處，設(shè)置有連接兩管段的弧形連接齒8。該連接齒8可以減小CO2流過交界處產(chǎn)生的阻力，從而減小驅(qū)動(dòng)CO2流動(dòng)消耗的功。
[0027]現(xiàn)有技術(shù)中為了提高換熱效率，在換熱管內(nèi)壁往往設(shè)置一定齒高的螺旋齒，為了增加換熱面積，減小邊界層厚度，而設(shè)置的齒的高度為0.1至0.25_，而在本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例中，正或逆時(shí)針方向螺旋線與，采用正或逆時(shí)針方向設(shè)置的齒主要目的是為了引導(dǎo)CO2兩相流和向換熱管I中心區(qū)域。所以在實(shí)施例中，正或逆時(shí)針方向設(shè)置的齒的高度為1.5mm,為了實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)CO2兩相流,齒高不小于0.5mm,且為換熱管內(nèi)腔半徑的八分之一至二分之一O
[0028]另一個(gè)實(shí)施例中，正螺旋線與換熱管中心線形成一定的角度，該角度決定了 CO2兩相流的引導(dǎo)方向，該角度的范圍在15度到55度，在本實(shí)施例中設(shè)置的角度為30度；進(jìn)一步的，正螺旋線的角度與反螺旋線的角度相同，而方向相反。這樣可以有效的引導(dǎo)兩相流均勻，且使CO2有較小的流動(dòng)阻力。
[0029]另一個(gè)實(shí)施例中，在正螺旋管段中有多條正螺旋線，這些螺旋線的間距相同，在本實(shí)施例中有2條螺旋線，為了達(dá)到較好的引導(dǎo)CO2兩相流的效果，可以設(shè)置2至8條螺旋線。同時(shí)，正螺旋線管段2的長度與反螺旋線管段3的長度相同，且交替排列，這樣可以使整根換熱管有較為均勻的氣、液分布。也可以采用正螺旋線管段長度與反螺旋線管段的長度不同的情況，可以使得某種形式的轉(zhuǎn)動(dòng)得到強(qiáng)化，適應(yīng)外部換熱介質(zhì)的不同需求。
[0030]本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，在換熱管內(nèi)側(cè)的C02工質(zhì)換熱得到強(qiáng)化的情況下，可以促進(jìn)整個(gè)換熱效率的提高，不管換熱管外側(cè)是采用氣體工質(zhì)或液體工質(zhì)。即當(dāng)換熱管外為液體工質(zhì)，如冷卻水時(shí)，換熱管的外壁面為光管，液態(tài)工質(zhì)通過光管表面與CO2換熱?；蛘呤钱?dāng)換熱管外是氣態(tài)工質(zhì)，如空氣時(shí)，換熱管的外壁面設(shè)置有翅片，該翅片上有沖縫或者開窗，氣態(tài)工質(zhì)通過翅片與CO2換熱。
[0031]本實(shí)用新型還公開采用以上換熱管的換熱器，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，利用上述的換熱管可以制作管殼式換熱器11，包括管箱和殼體12，該管箱內(nèi)設(shè)置有如前面的實(shí)施例提到的換熱管I，在管程流動(dòng)的氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)與殼程流動(dòng)的循環(huán)冷卻水進(jìn)行換熱。進(jìn)一步，一種新型高效正反螺旋線型CO2換熱器11，它包括管箱，殼體12和內(nèi)部的換熱管1，殼體12上面設(shè)有CO2進(jìn)口，CO2出口，循環(huán)冷卻水進(jìn)口，循環(huán)冷卻水出口，下部有兩個(gè)活動(dòng)鞍座，殼體內(nèi)部裝有換熱管I，折流板。
[0032]在具體實(shí)施時(shí)，循環(huán)冷卻水從循環(huán)冷卻水入口進(jìn)入殼體，在折流板的作用下提高循環(huán)冷卻水的流速，迫使循環(huán)冷卻水按規(guī)定路程多次橫向通過管束，增強(qiáng)循環(huán)冷卻水湍流程度，增大與管內(nèi)流體的換熱，循環(huán)冷卻水在殼體內(nèi)呈反復(fù)折流連續(xù)性流動(dòng)，最后由循環(huán)冷卻水出口排出。氣液兩相態(tài)CO2從CO2進(jìn)口進(jìn)入換熱管1，在換熱管I內(nèi)正、反螺旋線的作用下呈氣液均勻混合流動(dòng)并從循環(huán)冷卻水中吸收熱量，從而提高CO2的溫度，最終從CO2出口排出蒸發(fā)器。
[0033]或者，利用上述的換熱管可以制作氣-液換熱器，包括氣態(tài)工質(zhì)流路，該氣態(tài)工質(zhì)流路與換熱管I中的氣液兩相態(tài)C02工質(zhì)換熱。該換熱管I如前面的實(shí)施例提到的換熱管。
[0034]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實(shí)用新型具體實(shí)施只局限于上述這些說明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種換熱管，所述的換熱管內(nèi)腔流動(dòng)氣液兩相態(tài)的CO2工質(zhì)，所述的CO2工質(zhì)與換熱管外的工質(zhì)進(jìn)行換熱，其特征在于:所述的換熱管內(nèi)壁有正螺旋線管段，該正螺旋線管段在換熱管內(nèi)壁上有順時(shí)針方向設(shè)置的正螺旋線；所述的換熱器內(nèi)壁還有反螺旋線管段，該反螺旋線管段在換熱管內(nèi)壁上有逆時(shí)針方向設(shè)置的反螺旋線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管，其特征在于，所述的正螺旋線管段與反螺旋線管段交替設(shè)置，在兩種管段的連接處，設(shè)置有弧形連接齒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管，其特征在于，所述的正、反螺旋線的齒高不小于0.5mm,且為換熱管內(nèi)腔半徑的八分之一至二分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管，其特征在于，所述的正螺旋線管段范圍內(nèi)不存在反螺旋線；所述的反螺旋線管段范圍內(nèi)不存在正螺旋線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管，其特征在于，所述的正螺旋線與換熱管中心線形成的角度與反螺旋線與換熱管中心線形成的角度相同，而方向相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱管，其特征在于，所述的正螺旋線管段(2)的長度與反螺旋線管段(3)的長度相同，且交替排列；或者正螺旋線管段長度與反螺旋線管段的長度不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的換熱管，其特征在于，所述的換熱管的外壁面為光管，液態(tài)工質(zhì)通過光管表面與CO2換熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的換熱管，其特征在于，所述的換熱管的外壁面設(shè)置有翅片，該翅片上有沖縫或者開窗，氣態(tài)工質(zhì)通過翅片與CO2換熱。
9.一種換熱器,包括管箱和殼體,其特征在于:所述的殼體內(nèi)設(shè)置有如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的換熱管，在管程流動(dòng)的氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)與殼程流動(dòng)的循環(huán)冷卻水進(jìn)行換熱。
10.一種換熱器，包括氣態(tài)工質(zhì)流路和換熱管組；其特征在于:所述的換熱管組包括權(quán)利要求8所述的換熱管，在所述氣態(tài)工質(zhì)流路與所述換熱管中的氣液兩相態(tài)CO2工質(zhì)換熱。
【文檔編號(hào)】F28F1/40GK203572290SQ201320794971
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】張信榮, 劉勇, 李寧, 于華偉, 王少茹, 杜洪亮, 付加庭, 崔增光, 劉彪, 李林鳳 申請(qǐng)人:北京大學(xué)工學(xué)院包頭研究院