CN103946658B - 管壳式热交换器 - Google Patents

Abstract

一种管壳式热交换器包括具有限定热交换区的内表面的外壳，致冷剂池区布置在所述热交换区内，且多个管束布置在所述热交换区内位于所述致冷剂池区上方。所述管束包括限定管通道的第一壁构件和第二壁构件，且多个管布置在所述管通道内。所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个具有第一端，其延伸至与所述致冷剂池区隔开的第二端。所述多个管束彼此隔开以限定一个或多个蒸汽通路。致冷剂分配器位于所述管通道上方。所述致冷剂分配器被构造且布置为将致冷剂朝向所述致冷剂池区输送到所述多个管上。

Description

管壳式热交换器

发明背景

示例性实施方案涉及热交换器技术，更具体地涉及管壳式热交换器。

许多制冷系统包括蒸发器以促进致冷剂与另一种流体之间的热传递。典型的蒸发器包括具有形成管束的多个管的外壳，待冷却流体通过管束循环。致冷剂与外壳内部的管束形成热交换关系，使得与待冷却流体进行热能传递。通过蒸发器之后，致冷剂返回蒸汽状态，然后通过压缩机以在提升的压力下被压缩成蒸汽并在第二热交换器中被冷凝成液体。然后，液体被膨胀装置膨胀至减小的压力，之后返回至蒸发器以开始另一个致冷剂循环。冷却的流体循环至多个另外的热交换器以实现对各种空间的冷却。来自每一个空间的较暖的空气通过另外的热交换器并被冷却。然后，现已较冷的空气返回至各个空间以实现所期望的环境调节。

发明概要

公开了一种管壳式热交换器，其包括具有限定热交换区的外表面和内表面的外壳、布置在热交换区内的致冷剂池区，和布置在热交换区内位于致冷剂池区上方的多个管束。多个管束的每一个包括限定管通道的第一壁构件和第二壁构件，以及布置在管通道内的多个管。第一壁构件和第二壁构件的每一个具有第一端，其延伸至与致冷剂池区隔开的第二端。多个管束彼此隔开以限定一个或多个蒸汽通路。致冷剂分配器设置在管通道上方。致冷剂分配器被构造和布置为将致冷剂朝致冷剂池区输送到多个管上。

还公开了一种操作管壳式热交换器的方法。所述方法包括向多个管束引导液体致冷剂，多个管束的每一个具有限定管通道的第一壁构件和第二壁构件。多个管束彼此隔开以限定一个或多个蒸汽通路。液体致冷剂被传递到布置在管通道上方的致冷剂分配器上。液体致冷剂从致冷剂分配器被分配到延伸穿过管通道的多个管上，且液体致冷剂在重力的作用下从延伸穿过管通道的多个管落下。所述方法还包括在致冷剂与通过多个管的流体之间交换热能，将液体致冷剂收集在布置于管束下方的致冷剂池区内，以及引导致冷剂蒸汽通过限定在多个管束之间的蒸汽通路。

还公开了一种管壳式热交换器，其包括具有限定热交换区的外表面和内表面的外壳、布置在热交换区内的低压致冷剂池区，和布置在热交换区内位于低压致冷剂池区上方的管束。管束包括限定管通道的第一壁构件和第二壁构件，且多个管布置在管通道内。第一壁构件和第二壁构件的每一个具有第一端，其延伸至与低压致冷剂池区隔开的第二端。低压致冷剂分配器设置在管通道上方。低压致冷剂分配器被构造和布置为将低压致冷剂朝低压致冷剂池区输送到多个管上。

附图简述

以下描述不应被认为是以任何方式进行限制。参考附图，相同元件具有相同标号：

图1是根据示例性实施方案的使用低压致冷剂的壳管式蒸发器的局部透视图；

图2是根据示例性实施方案的另一个方面的使用低压致冷剂的壳管式蒸发器的透视图；以及

图3是图2中的管壳式热交换器的详细视图。

具体实施方式

公开的设备和方法的一个或多个实施方案的详细描述在本文参考附图以例证的方式提供，且并不具有限制性。

参考图1，根据示例性实施方案使用低压致冷剂的壳管式蒸发器一般以2指示。壳管式蒸发器2包括具有限定热交换区10的外表面6和内表面8的外壳4。在所示的示例性实施方案中，外壳4包括非圆形剖面。如所示，然而，外壳4包括矩形剖面，应理解外壳4可以是各种形式，包括圆形和非圆形。外壳4包括被构造为接收低压致冷剂源（未示出）的致冷剂入口11。外壳4还包括被构造为连接至外部装置（比如，压缩机）的蒸汽出口12。壳管式蒸发器2还显示为包括布置在外壳4的下部的低压致冷剂池区14。低压致冷剂池区14包括使流体循环通过低压致冷剂池17的池管束15。低压致冷剂池17包括具有上表面19的一定量的液体低压致冷剂18。循环通过池管束的流体与低压致冷剂池17进行热量交换以将所述量的低压致冷剂18从液态转换成气态。此时，应理解，术语“低压致冷剂”的定义为在104℉(40℃)时液相饱和压力低于大约45 psi (310.3 kPa)的致冷剂。低压致冷剂的实例包括R245fa。还应理解，虽然描述为使用了低压致冷剂，但是示例性实施方案也可使用中压致冷剂。术语“中压致冷剂”的定义为在104℉(40℃)时液相饱和压力在45 psia (310.3 kPa)与170 psia(1172 kPa)之间的致冷剂。

根据所示的示例性实施方案，壳管式蒸发器2包括多个管束20-22，其提供低压致冷剂与另一种流体之间的热交换接口。此时，应理解，虽然显示为具有多个管束20-22，但是单个管束也可与壳管式蒸发器2结合使用。每一个管束20-22包括对应的低压致冷剂分配器28-30。低压致冷剂分配器28-30分别将致冷剂均匀分配到管束20-22上。如下面将更明显的是，低压致冷剂分配器28-30将低压致冷剂输送到对应的管束20-22上。管束20-22彼此隔开以形成第一蒸汽通路32和第二蒸汽通路33。此外，管束20与管束22与内表面8隔开以建立第一外部蒸汽通路34和第二外部蒸汽通路35。由于每一个管束20-22和关联的低压致冷剂分配器28-30以基本类似的方式形成，因此将参考管束22和低压致冷剂分配器30进行详细描述，并理解管束20和21以及低压致冷剂分配器27和28的构造类似。

进一步根据所示的示例性实施方案，管束22包括第一壁构件40和第二壁构件41。第一壁构件40和第二壁构件41彼此隔开以限定管通道42，被构造为承载液体的多个管44穿过管通道42。如下面将更明显的是，通过多个管44的液体与流入管通道41的低压致冷剂处于热交换关系。第一壁构件40包括延伸至第二端47的第一端46。类似地，第二壁构件41包括延伸至第二端49的第一端48。第一端46和第一端48的每一个在低压致冷剂分配器30下方被隔开，而第二端47和第二端49的每一个在低压致冷剂池17上方被隔开。利用该布置，从低压致冷剂分配器30流出的液体低压致冷剂在重力作用下流动通过管通道42、从管44流下并进入低压致冷剂池17。以此方式，致冷剂在转变成蒸汽以返回至例如压缩机（未示出）之前降低了流动通过管44的液体的温度。

现在将参考图2与图3描述使用低压致冷剂来降低辅助介质的温度的壳管式蒸发器102。壳管式蒸发器102包括具有限定热交换区110的外表面106和内表面108的外壳104。在所示的示例性实施方案中，外壳104包括非圆形剖面，然而应理解外壳104可以是各种形式，包括圆形和非圆形。更具体地，外壳104包括大体为椭圆形的剖面。外壳104包括被构造为接收低压致冷剂源（未示出）的致冷剂入口111。外壳104还包括被构造为连接至外部装置（比如，压缩机）的蒸汽出口112。壳管式蒸发器102还显示为包括布置在外壳104的下部的低压致冷剂池区114。低压致冷剂池区114包括使流体循环通过低压致冷剂池117的池管束115，低压致冷剂池117包括具有上表面119的一定量的液体低压致冷剂118。以与以上讨论的方式相似的方式，循环通过池管束115的流体与低压致冷剂池117进行热交换以将所述量的低压致冷剂118从液态转换成气态。

壳管式蒸发器102包括多个管束120-124，其提供低压致冷剂与另一种流体之间的热交换接口。管束120-124彼此隔开以形成多个蒸汽通路126-129。此外，管束120和管束124与内表面108隔开以建立外部蒸汽通路（未分别标记）。根据所示的示例性方面，为水槽132形式的低压致冷剂分配器130在管束110上方延伸。如下面将更明显的是，低压致冷剂分配器130将低压致冷剂输送到管束110上。

由于每一个管束120-124以相似的方式形成，因此将参考管束120进行详细描述，并理解管束121-124包括相应的结构。如所示，管束120包括第一壁构件140和第二壁构件141。第一壁构件140和第二壁构件141彼此隔开以限定管通道142，被构造为承载液体的多个管144穿过管通道142。如下面将更明显的是，通过多个管144的液体与流入管通道141的低压致冷剂处于热交换关系。第一壁构件140包括延伸至第二端147的第一端146。类似地，第二壁构件141包括延伸至第二端149的第一端148。第一端146和第一端148的每一个在低压致冷剂分配器130下方被隔开，而第二端147和第二端149的每一个在隔板160（其在表面119之上延伸）上方被隔开。

利用该布置，液体低压致冷剂流动经过低压致冷剂分配器130并通过其内形成的开口（未示出）。液体低压致冷剂在重力作用下流动通过管通道142、从管144落下并到达隔板160上。隔板160包括第一表面163、相对的第二表面164、第一纵向边缘165和第二纵向边缘166。多个通路延伸穿过第一相对表面163和第二相对表面164。液体低压致冷剂经过管束120-124到达第一表面163上并通过通路169进入低压致冷剂池117。蒸汽从边缘165和边缘166周围的低压致冷剂池117经过进入外壳104的上部区域。以此方式，上升通过外壳104的蒸汽形式的低压致冷剂不会干扰下落通过管束120-124的液体低压致冷剂。

进一步根据所示的示例性方面，壳管式蒸发器102包括多个蒸汽口180-182，其将蒸汽形式的低压致冷剂引导至例如压缩机（未示出）。蒸汽口180-182设有雾或液体去除器，其中之一以190表示，其将液体低压致冷剂与蒸汽形式的低压致冷剂分离。液体去除器190包括具有第一直径的入口区段192和具有第二直径的出口区段194，入口区段和出口区段通过90°的弯头198联接。不同的直径降低了通过液体去除器190的低压致冷剂蒸汽的动量以促进液体分离。液体去除器网200设置在弯头198上方的出口区段194内。液体去除器网200将截留通过液体去除器190的液体低压致冷剂。液体低压致冷剂经过流体连接至低压致冷剂池117的排出管道204。在到达例如压缩机（未示出）之前，蒸汽形式的低压致冷剂通过出口区段194离开并与来自其它蒸汽口181和/或蒸汽口182的低压致冷剂蒸汽融合。

此时，应理解实例实施方案描述了使用低压致冷剂以促进与辅助介质进行热交换的壳管式蒸发器。使用降膜系统和低压致冷剂提供了各种优于现有技术系统的优点。例如，与传统具有相似尺寸的满液式蒸发器束的相比，使用采用低压致冷剂的降膜系统降低了与流动通过管束相关的压力损失。此外，降膜系统使用的致冷剂充装量较低，从而使得总成本降低。与在低压致冷剂中使用降膜蒸发有关的较高的传热系数可实现其它益处。还应理解，虽然显示为具有圆形截面，但是管束可由具有非圆形剖面的管和/或由钎焊通道组装形成的管形成。最后，如以上讨论般，示例性实施方案也可使用中压致冷剂。

虽然已参考示例性实施方案或实施方案描述了本发明，但是本领域中的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下可进行各种改变，并可用等效物替代其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，旨在使本发明不受限于作为实施本发明的最佳方式公开的特定实施方案，但是本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (26)

1.一种管壳式热交换器，其包括：

外壳，其具有限定热交换区的外表面和内表面；

致冷剂池区，其布置在所述热交换区内；

多个管束，其布置在所述热交换区内位于所述致冷剂池区上方，所述多个管束的每一个包括限定管通道的第一壁构件和第二壁构件，且多个管布置在所述管通道内，所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个具有延伸至与所述致冷剂池区隔开的第二端的第一端，所述多个管束彼此隔开以限定在所述多个管束之间的一个或多个蒸汽通路；和

致冷剂分配器，其设置在所述管通道上方，所述致冷剂分配器被构造和布置为将致冷剂朝所述致冷剂池区输送到所述多个管上。

2.根据权利要求1所述的管壳式热交换器，其中所述多个管束与所述外壳的所述内表面隔开以限定第一外部蒸汽通道和第二外部蒸汽通道。

3.根据权利要求1所述的管壳式热交换器，其还包括：一定量的致冷剂，其布置在所述致冷剂池区内，所述一定量的致冷剂具有与所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个的所述第二端隔开的制冷剂自由表面。

4.根据权利要求3所述的管壳式热交换器，其中所述一定量的致冷剂包括在104℉(40℃)时液相饱和压力低于45 psi(310.3 kPa)的一定量的低压致冷剂。

5.根据权利要求1所述的管壳式热交换器，其中所述致冷剂分配器包括入口、出口和至少一个分配板。

6.根据权利要求1所述的管壳式热交换器，其还包括：隔板，其布置在所述热交换区内位于所述致冷剂池区与所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个的所述第二端之间。

7.根据权利要求6所述的管壳式热交换器，其中所述隔板包括被构造为将液体致冷剂从所述多个管束向所述致冷剂池区引导的多个通路。

8.根据权利要求1所述的管壳式热交换器，其还包括：蒸汽口，其在所述致冷剂池区上方的所述外壳中形成。

9.根据权利要求8所述的管壳式热交换器，其中所述蒸汽口包括被构造和布置为将液体致冷剂与蒸汽致冷剂分离的除湿器。

10.根据权利要求9所述的管壳式热交换器，其中所述除湿器包括被构造为将液体致冷剂引导至所述致冷剂池区的液体致冷剂排出管。

11.根据权利要求10所述的管壳式热交换器，其中所述除湿器包括延伸至第二区段的第一区段，所述第二区段与所述第一区段垂直。

12.根据权利要求11所述的管壳式热交换器，其中所述液体致冷剂排出管流体连接至所述第一区段，且所述除湿器布置在所述第二区段内。

13.根据权利要求12所述的管壳式热交换器，其中所述第一区段具有第一直径，且所述第二区段包括第二直径，所述第一直径与所述第二直径不同。

14.一种操作管壳式热交换器的方法，所述方法包括：

向多个管束引导液体致冷剂，所述多个管束的每一个具有限定管通道的第一壁构件和第二壁构件，所述多个管束彼此隔开以限定在所述多个管束之间的一个或多个蒸汽通路；

将所述液体致冷剂传递到布置在所述管通道上方的致冷剂分配器上；

将所述液体致冷剂从所述致冷剂分配器引导到延伸穿过所述管通道的多个管上；

使所述液体致冷剂在重力作用下从延伸穿过所述管通道的所述多个管落下；

在所述致冷剂与通过所述多个管的流体之间进行热能交换；

将所述液体致冷剂收集在布置在所述多个管束下方的致冷剂池区内；以及

引导致冷剂蒸汽通过限定在所述多个管束之间的所述蒸汽通路。

15.根据权利要求14所述的方法，其还包括：将所述液体致冷剂传递到位于所述多个管束与所述致冷剂池区之间的隔板上。

16.根据权利要求15所述的方法，其还包括：使所述液体致冷剂通过在所述隔板上形成的通路朝所述致冷剂池区传递。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述管壳式热交换器包括外壳，所述外壳具有限定热交换区的外表面和内表面，所述方法还包括：在所述外壳内从所述第一壁构件和所述第二壁构件的端部部分周围的所述管通道向上引导致冷剂蒸汽通过所述蒸汽通路。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括：将所述致冷剂蒸汽传递入安装至所述外壳的蒸汽口。

19.根据权利要求18所述的方法，其还包括：

使液体致冷剂与所述致冷剂蒸汽在所述蒸汽口分离；以及

将所述致冷剂从所述蒸汽口引导至所述致冷剂池区。

20.根据权利要求19所述的方法，其还包括：减小通过所述蒸汽口的所述致冷剂蒸汽的动量以促进液体分离。

21.一种管壳式热交换器，其包括：

外壳，其具有限定热交换区的外表面和内表面；

低压致冷剂池区，其布置在所述热交换区内；

管束，其布置在所述热交换区内位于所述低压致冷剂池区上方，所述管束包括限定管通道的第一壁构件和第二壁构件，且多个管布置在所述管通道内，所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个具有延伸至与所述低压致冷剂池区隔开的第二端的第一端；和

低压致冷剂分配器，其设置在所述管通道上方，所述低压致冷剂分配器被构造和布置为将低压致冷剂朝所述低压致冷剂池区输送到所述多个管上；

其中，所述管束包括多个管束，所述多个管束彼此隔开以形成在所述多个管束之间的多个蒸汽通路。

22.根据权利要求21所述的管壳式热交换器，其还包括：一定量的液体低压致冷剂，其布置在所述低压致冷剂池区内，所述一定量的液体低压致冷剂具有与所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个的所述第二端隔开的制冷剂自由表面。

23.根据权利要求22所述的管壳式热交换器，其中所述一定量的液体低压致冷剂包括在104℉(40℃)时液相饱和压力低于45 psi (310.3 kPa)的致冷剂。

24.根据权利要求21所述的管壳式热交换器，其还包括：隔板，其布置在所述热交换区内位于所述低压致冷剂池区与所述第一壁构件和所述第二壁构件的每一个的所述第二端之间。

25.根据权利要求21所述的管壳式热交换器，其还包括：蒸汽口，其在所述低压致冷剂池区上方的所述外壳上形成。

26.根据权利要求25所述的管壳式热交换器，其中所述蒸汽口包括被构造和布置为将致冷剂与蒸汽致冷剂分离的除湿器。