扁平管单蛇形的二氧化碳换热器.pdf

一种制冷系统，其包括：压缩机，至少在系统运行的第一模式下沿流体通道驱动制冷剂；第一换热器，在第一模式中沿流体通道位于压缩机的下游；第二换热器，在第一模式中沿流体通道位于压缩机的上游；和压力调节器或膨胀装置，其在第一模式中沿流体通道位于第一换热器的下游和第二换热器的上游；其中：所述第一换热器和第二换热器中至少一者包括扁平管换热器。

权利要求书
1.  一种制冷系统，包括：
压缩机，至少在系统运行的第一模式下沿流体通道驱动制冷剂；
第一换热器，在第一模式中沿流体通道位于压缩机的下游；
第二换热器，在第一模式中沿流体通道位于压缩机的上游；和
压力调节器或膨胀装置，其在第一模式中沿流体通道位于第一换热器的下游和第二换热器的上游；
其中：所述第一换热器和第二换热器中至少一者包括扁平管换热器。

2.  如权利要求1所述的系统，其中：所述扁平管换热器包括具有基本上矩形的外形的管道，以及用于输送制冷剂流体的至少一个内部流体端口。

3.  如权利要求2所述的系统，其中：所述矩形的外形具有短边和长边，并且所述流体通道设置成短边面对换热流体的流动。

4.  如权利要求3所述的系统，其中：所述短边长度在大约0.5至大约4.0mm之间，并且所述长边具有的长度在大约12.7至大约101.6mm之间。

5.  如权利要求2所述的系统，其中：所述管道具有的水力直径在大约0.1至大约3.0mm之间。

6.  如权利要求1所述的系统，其中：所述扁平管换热器包含蛇形结构的扁平管，其限定出多个基本平行的流体通道。

7.  如权利要求6所述的系统，其中：所述扁平管换热器设置成具有基本上平行的流体通道，该流体通道布置在基本垂直的平面内。

8.  如权利要求7所述的系统，其中：翅片呈现的翅片密度达到大约每英寸20个翅片。

9.  如权利要求6所述的系统，其中：所述蛇形结构具有的管间距在大约5至大约50mm之间。

10.  如权利要求1所述的系统，其中：所述第一换热器包括多排扁平管换热器，并且所述多排的排间距在大约12.7至大约50mm之间。

11.  如权利要求1所述的系统，还包括：穿过用于换热介质的流体通道从所述扁平管换热器延伸的翅片。

12.  如权利要求1所述的系统，还包括：从所述扁平管换热器延伸的翅片，并且该翅片具有凹槽或开口，以允许换热器和翅片上的冷凝液排出。

13.  如权利要求1所述的系统，其中：所述扁平管换热器具有单个入口和单个制冷剂出口。

14.  如权利要求1所述的系统，其中：所述扁平管换热器包括由铜或铝制造的扁平管。

15.  如权利要求1所述的系统，其中：所述扁平管换热器包括多排扁平管换热器组件，该组件沿换热流体的流体通路设置，以便在扁平管换热器内的制冷剂和换热流体之间提供逆流换热。

16.  如权利要求0所述的系统，其中：
制冷剂主要质量含量包括CO2，并且第一和第二换热器为制冷剂-空气换热器。

17.  如权利要求1所述的系统，其中：所述系统适于运行在跨临界蒸汽压缩模式下。

18.  一种包括如权利要求1所述的系统的饮料冷却装置。

说明书扁平管单蛇形的二氧化碳换热器
技术领域
[0002]本发明涉及换热器管道的设计，并且更特别地，涉及一种和/或与跨临界蒸汽压缩系统连接的换热器的设计，该换热器应用于换热器的空间窄小的领域。
背景技术
[0003]换热效率与换热器有关，例如在不同制冷和其他空气处理应用中使用的换热器。现有不同的换热器类型，具有翅片和其他类似部件的管道。而对换热器结构的要求是，在占据相对小体积的同时能够提供良好的换热效率。
[0004]本发明的主要目的是提供一种满足上述要求的换热器。
[0005]本发明的其他目的和优点将在下面介绍。
发明内容
[0006]本发明实现了上述目的和优点。
[0007]本发明提供一种制冷系统，其包括：压缩机，至少在系统运行的第一模式下沿流体通道驱动制冷剂；第一换热器，在第一模式中沿流体通道位于压缩机的下游；第二换热器，在第一模式中沿流体通道位于压缩机的上游；和压力调节器或膨胀装置，其在第一模式中沿流体通道位于第一换热器的下游和第二换热器的上游；其中：所述第一换热器和第二换热器中至少一者包括扁平管换热器。
[0008]所述扁平管换热器优选的是由蛇形弯曲的单一扁平管换热器限定的换热器。另外，扁平管换热器本身有利地包括用于输送制冷剂的管道，其中管道具有高度或较小尺寸、以及宽度或主要尺寸，并且换热器设置为短边面对换热介质的流动，所述换热介质例如是空气。
附图说明
[0009]图1是蒸汽压缩系统的示意图；
[0010]图2是本发明中具有单蛇形扁平管换热器的盒子的示意图；
[0011]图3是CO2气体压缩系统盒的示意图；
[0012]图4和图5是本发明中扁平管单蛇形单排换热器的示意图；
[0013]图6是本发明中扁平管双排逆流蛇形换热器的示意图；
[0014]图7和图8是本发明中扁平管单蛇形蒸发器的示意图；
[0015]图9a和9b是本发明中扁平管换热器实施例的横截面图。
具体实施方式
[0016]本发明涉及蒸汽压缩系统，尤其是涉及用于这种系统、特别是用于跨临界蒸汽压缩系统的换热器管道的设计，这种跨临界蒸汽压缩系统例如是CO2工质系统。
[0017]在跨临界CO2制冷系统中，为了保持峰值效率，关键是减小高压侧换热器(气体冷却器)的出口端处的热流体和冷流体之间的温差。与传统的HFC相比，由于CO2密度更高，在给定的温度、压力和质量流量条件下，对于CO2而言制冷剂侧换热效率和压降更小。因此对于CO2换热器来说，有必要具有更高的制冷剂质量流量，这不仅能够提高CO2的换热效率，而且能够降低CO2的压力。然而，在限制CO2压力降到某一下限之下的同时，应该能够在总的换热器效率的基础上提高净效率以便能够获得更高循环效率。
[0018]在一些应用场合中，如瓶装饮料或饮料冷却器及其他制冷设备中，由于空气侧污垢影响，以翅片形式的附加空气侧表面积受到限制，从而限制了总的表面积。这需要换热器降低空气侧阻力和明显地减小制冷剂侧阻力，所述制冷剂如CO2。
[0019]另外，在蒸发器的应用中，为了提高总的换热器效率、和提高压缩机运行的可靠性，换热器应该具有均匀的制冷剂分布和令人满意的冷凝液体的排出。
[0020]换热器结合了以下的优点：平表面、单/多个入口、单一蛇形、多排、逆流、交叉流、高传热效率、低成本、适当的材料、耐腐蚀、高爆破强度、易于制造、和减小空气阻力，上述优点帮助获得CO2瓶装饮料冷却器制冷系统的尺寸、效率、费用和可靠性的约束。
[0021]提高总的换热器效率的方法之一是具有扁平管换热器。
[0022]图1所示的制冷系统10具有压缩机12，普通运行工况下的放热换热器14，如图1箭头所示，当相对于压缩机12观察时该换热器是下游换热器，膨胀阀16位于换热器14的下游，并且吸热换热器18位于膨胀阀16的下游。该系统10的流体从换热器18回流到压缩机12。
[0023]图1示出换热介质的第一流体20，如空气，通过风扇22驱动流经换热器14。该流体用于吸收制冷剂排出的热量，该制冷剂流经换热器14。
[0024]图1还示出了另一空气流体24，该流体由风扇26驱动流过换热器18。该流体24代表了在处理空间内的部分空气，并且所述空气被流过换热器18的制冷剂冷却。
[0025]如上所述，根据本发明，提供一种改进的换热器管道结构，该结构尤其适用于使用跨临界制冷剂如CO2的蒸汽压缩系统。
[0026]图2示出了跨临界蒸汽压缩系统28的一部分，并且示出了压缩机12、换热器14和换热器18在这一特殊结构中的位置。
[0027]图3是相同结构的侧视图，并且同样示出了压缩机12、换热器14和换热器18。
[0028]如下所述，本发明的扁平管换热器提供了被换热器管占据的每一空间的增强功能，并且可以因此用于似的换热器占用更少的空间，从而将节省的这部分空间用作其他目的。例如，从图2和图3中可以明显地看出，本发明所述的扁平管换热器，当设计作为换热器14时，与如图3所示换热器的多个不同组件相比，可以作为如图2所示的单个换热器使用。
[0029]图4-8示出了本发明中所述的扁平管换热器的不同实施例。
[0030]图4示出了扁平管30的示意图，该扁平管成型为如图所示的大致蛇形结构，并且该扁平管设置成便于接收空气流32，以使空气沿着扁平管30的长尺寸方向流动，并且因此提高扁平管30内空气流介质32和制冷剂之间的换热效率。
[0031]图4还示出了翅片34，该翅片可以有利地设置成从扁平管30延伸或者以其它方式与本发明的扁平管换热器连接，以便在空气流32中延伸，并且提高了介质和制冷剂之间的换热能力。
[0032]图5和图6进一步描述了本发明的扁平管换热器。图5示出了单排扁平管换热器，该换热器构造成大致的蛇形构型或结构36，使得单个扁平管限定出的结构以蛇形的方式弯曲，以限定多个部分37或流道，该多个部分37或流道大致互相平行。在图5所示的实施例中，与图4的实施例相同，设置有单个制冷剂入口38和单个制冷剂出口40来处理流过该结构36的制冷剂流动。结构36有利地设置成与图示的空气流体39相互作用，更优选地设计成扁平管30的窄边缘面对进入流体39，并且扁平管的较长的尺寸或宽度方向大致地与流体39平行。
[0033]如图所示，本发明所述的扁平管换热器由制冷剂管道限定，该制冷剂管道具有大致矩形的外形，并且具有内部限定的流体通道，以用于输送制冷剂。
[0034]同样参见图9a和9b，扁平管46的外形实质上为矩形。这种大致矩形的外形具有相对的短边47和相对的长边49，并且相对的短边47具有的长度优选为大约0.45至大约4mm之间。相对的长边49或矩形外形的尺寸优选的具有的长度或尺寸在大约12.7至大约101.6mm之间。
[0035]同样如图7和8所示，应该理解的是本发明的扁平管换热器的大致蛇形的结构36限定出一系列基本上平行的流体通道。根据本发明，已经发现，管距50或基本上平行的流体通道的管道之间的距离，如从横向的中心到中心测量的那样，优选为大约5-大约50mm之间。如图4和7所示，优选的是如果可能的话在需要的位置设置翅片以加强换热。当有可能包含翅片时，优选的这种翅片设置的密度达到大约20个翅片/英寸。
[0036]从图6中可看出，也很明显的是基本上蛇形的扁平管换热器结构36可以设计成多排结构42、44，以使空气流体39流过第一排42，并且接着流过第二排44。这点上，根据本发明，优选的是将这些排的排距52或每一排中心与另一排中心之间的距离设置成在大约12.7至大约50mm之间。根据本发明，换热器可以设置成至少大约20排，并且根据本发明可以达到的最好效果。
[0037]如上所述，扁平管换热器的内部限定的制冷剂的内部流体通道可以具有多种不同的形状。图9a和9b示出了两个实施例。在图9a所示的实施例中，在本发明的扁平管46的所示截面中，扁平管46的整个内部空间设置用于制冷剂流体。
[0038]另一方面，图9b示出具有流体通道的扁平管46，所述流体通道限定为一组基本上圆形的流体通道48，在本实施例中为5个圆形流体通道，该流体通道以基本上平行的关系沿着扁平管46的长度方向延伸。
[0039]如上所述，这种换热器提供了更高的总的换热效率，这是由于制冷剂质量流量更高(由此CO2传热效率更高)以及由于与传统的圆管相比流过扁平管降低了空气侧的阻力从而获得更低的空气侧压降。基于扁平管的流体截面面积，扁平管的总长度可以设置成使CO2的压降低于一个可接受的底限，该底限在一定范围运行条件下能够得到更高的循环效率。
[0040]另外，当用作蒸发器工作时，单循环的使用(一个入口和一个出口)可以消除CO2分配不均的现象，该现象本来发生在具有多个入口和出口的换热器(现有的或扁平管)中。此外，所述换热器方向应该如下设置，管道如图4所示设置在垂直的平面内，并且翅片可以设置有凹槽/开口。这可以确保冷凝液从扁平管和翅片表面满意地排出，否则这就成为扁平管换热器作为蒸发器使用的限制因素。
[0041]扁平管换热器可以有一个或者多个入口。多个入口帮助抵抗高的运行压力和跨临界CO2气体压缩制冷系统的固有特性，并且降低了CO2的压降从而因此帮助提高热性能。
[0042]所述扁平管(单入口或者多入口)可以容易地用铜或铝或其他合适材料制作，这些材料可以承受跨临界CO2制冷系统的高破裂压力，并且可以在一端或者两端被弯曲和/或焊接，以形成如图所示的一个连续的蛇形换热器。翅片可以机械连接或者焊接到管的扁平面上。此外，可以对管和/或翅片的材料进行处理(施加涂层或者加热等等)，以提高所述换热器的抗腐蚀能力。
[0043]在另外的设计中，多排扁平管单蛇形换热器可以相互连接，直到获得单独的循环，并且流体从一排管路流入另一排管路以近似于(空气和CO2之间)逆流布置，该逆流布置公知地用于获得到高效率。逆流布置对CO2气体冷却器来说非常重要，因为热和冷的流体之间的温度梯度必须最小化，以保持峰值循环效率。
[0044]这种换热器对于CO2瓶装饮料冷却器的应用来说是非常有用的，其中该换热器的设计受空间和费用极大的限制，且现有的圆管型板翅换热器不能提供可行的解决方案。
[0045]本发明尤其适用于紧凑型商用制冷系统如瓶装饮料冷却器等。
[0046]现有的蒸汽压缩系统的换热器典型是圆管板翅型换热器，管径为1-7mm或者更大。对于跨临界CO2蒸汽压缩系统，这种管效率低，因为与传统的HFC制冷剂如R143、R404a等比较，CO2密度高。众所周知，扁平管(多入口)换热器比传统圆管换热器的流体横截面积小得多，以降低空气侧流动阻力并提高制冷剂侧的换热效率。但是这种换热器的应用受到技术问题限制，这些技术问题包括制冷剂分配不均、冷凝液排出性差、破裂强度降低、交叉流动布置、成本高和装配复杂，包括但是不限于以下的问题：多管连接到集液管的任一端部时昂贵的焊接、翅片焊接到管的表面上、和为了容易焊接使用热传导性能低的材料。
[0047]此种换热器在跨临界CO2瓶装饮料冷却器系统中很少用，在这一系统中，在气体冷却器(高压侧换热器)的出口的热和冷流体之间最小的温度梯度对于保持峰值效率是非常关键的。
[0048]对于瓶装饮料冷却器蒸发器，在仍然能够获得高的CO2传热效率和降低CO2压降的同时，单蛇形垂直管结构消除了主要的技术问题，例如分配不均和冷凝液排出，这些问题将限制这种换热器例如蒸发器的使用。
[0049]所述换热器结合了下列的优点：平表面、单个或多个入口、单蛇形、多排、高换热效率、低成本、合适材料、抗腐蚀性、高破裂强度、方便制造、和减小空气阻力，这些优点帮助获得瓶装饮料冷却器制冷系统对尺寸、效率、费用和可靠性的要求。
[0050]扁平表面换热器的紧凑特性，可以允许改变饮料冷却器内换热器的物理位置，从而在保持或提高系统效率的同时减少饮料冷却器总的占用面积。例如，高压侧换热器可以移动到其它位置，从而获得了附加的空间，该空间可以用于其他的目的，例如用来进行冷或热表面的空气控制等。
[0051]所述换热器的紧凑特性也可以导致降低制冷剂的量或制冷系统内的充注量，并且因此降低费用，而这在瓶装饮料冷却器应用中是非常受限制的。
[0052]如上所述，所述扁平管换热器不同规格的范围可以是：管宽度或主要的尺寸为12.7mm-101.6mm；管高度或较小的尺寸为0.5mm-4mm；单个或者多个入口，圆形或者非圆形入口，流体水力半径为0.1mm-3mm；管间距或管之间横向的中心到中心的距离为5mm-50mm；排间距或管之间纵向的中心到中心的距离为12.7mm-50mm，翅片密度为0-20翅片每英寸，单排或者多排为20。
[0053]瓶装饮料或者饮料冷却器应用中高压侧换热器或气体冷却器的一个最优实施例具有，管宽25.4mm，管高度为2.0mm，12个圆形管口，1.0mm端口水力半径，12.7mm的管间距，每英寸4个翅片，单排管换热器。
[0054]已经描述了本发明的一个或多个实施例。但是应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，当重新制造现有系统或重新设计现有系统结构时，现有结构的细节会影响其实施的细节。因此，其他实施例在后所附的权利要求的范围内。