专利名称：一种便于冰、霜从换热器表面脱离的方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明是一种便于冰、霜从 换热器表面脱离的方法及应用，适用于空调、热泵制热、制冰及制冰式海水淡化等系统的节能增效技术领域。
背景技术：
换热器在热源温度低于0 °C时，会出现结冰、结霜现象，这给空调、热泵供热系统带来极大的麻烦，正常运转能耗大幅增加，同时除冰化霜造成系统不能正常工作，能耗大增，使整个系统的综合能效比大幅下降，甚至不能使用，冰贮冷式空调、水变冰潜热式热泵供热等系统会因冰层过厚而能力降低和能耗增加。目前除冰、除霜的方法主要有热能(电热或热泵反向供热)除冰除霜法、机械自动除冰除霜法、人工机械除冰法。如中国专利申请号为200810219706. I公开了一种冰箱除霜控制系统，除霜温度传感器设于蒸发器上，所述蒸发器下设有接水盘；与控制器连接有一个与高温熔断器串联的除霜加热管；所述除霜加热管设于蒸发器与接水盘之间；该冰箱除霜控制系统的化霜控制方法是当冰箱运行周期内监测冰箱冷冻室的温度变化速率与压缩机运行时间相结合来判断蒸发器的霜层情况并进入除霜，冰箱除霜时，控制板控制除霜加热管先加热一定时问，然后以循环式加热式工作，待蒸发器的霜层熔动后，霜层靠自身重力脱离蒸发器掉落到接水盘，直到蒸发器温度在6°C左右退出除霜。中国专利申请号为02207678. 6公开了一种易脱霜高效率的热交换管，适用于各式冷媒质的输送，该热交换管包含一具有冷媒质流道的中空管体、多个片自该中空管体外表面相间隔地向外且向下倾斜呈辐射状延伸长短不一的热交换翼片；该热交换翼片可增加热交换面积而有效提升热传效率，同时降低冰霜的接触面积，并可容易地除霜。这些方法各有其缺点，热能除冰除霜法是用热能融化冰霜来达到目的，但消耗大量的电能或热能，常使系统得不偿失而停用；机械自动除冰霜，虽然消耗少了些但结构复杂，因有运动部件，故障率高，可靠性低，给生产、生活带来极大的不便；人工机械除冰除霜虽无能耗，但费时费力，操作极不便利，所以除冰除霜的问题极大的制约了空调、热泵供热的应用。此外，除冰除霜最重要的难点在于热交换管化冰的过程是在管壁形成环状闭合形的冰霜块，包住了换热管及因冰块大而充满换热器的管间间隙而无法脱出。
发明内容
本发明的目的在于针对上述的问题，提供了一种便于冰、霜从换热器表面脱离的方法，适用于空调、热泵制冷、制热、制冰式海水淡化等系统的吸热端换热器的设计及制造。为了实现上述目的，本发明采用了以下技术解决方案一种便于冰、霜从换热器表面脱离的方法，是在换热器的传热面上设有低导热或绝热材料的绝热条，将换热器与水(或含水、水蒸气介质)接触的传热面分割成若干块非环状、非闭合区域，由于绝热材料的存在造成了传热面上传热极不均匀，绝热材料热阻大，在其上较无绝热材料覆盖的传热表面难于结冰结霜，从而阻止了换热器传热表面上形成大块的、连续、闭合环状冰霜块，这样的冰霜块非常方便脱离换热器表面；并且将换热器阻挡冰、霜块远动方向的传热面的切线方向与垂直方向的夹角的锐角设计作制成小于冰、霜块对传热面的最大静摩擦系数的反余切函数值。所述的绝热条一般采用导热性能很差的材料制成，例如塑料、石墨、玻璃纤维、石棉、硅酸盐发泡体或它们之间的复合材料，塑料的种类较多，包括发泡的聚苯乙烯、聚胺酯、聚醚、聚氯乙烯等，要求比换热器的材料的导热系数相差越远越好。如果因绝热条与传热管表面可能有间隙而形成的薄冰(霜)层造成的冰(霜)块不能脱离，因此要脱冰霜时，若重力或浮力不能将此薄冰霜层折断，则只需用热能将此薄冰霜层融断即可为了使冰霜块能在重力或浮力的作用下自动脱离换热器，针对冰霜块在重力或浮力的作用下形成的脱离方向，对换热器的传热面及倾角的设计要求a.冰(凝固物)的密度<介质流体的密度时，冰(凝固物)脱离传热界面后，将向 上运动，这时传热界面的切线方向与竖直方向的夹角的锐角0应满足最大静摩擦系数U
<cot 0的要求。(I)换热器的传热面呈倒三角斜面时(图)，冰(凝固物)在重力以及液体的浮力作用下，冰(凝固物)在冷却表面，当冷却表面的切线方向与竖直方向的夹角的锐角e越来越小，冷却表面的切线方向与竖直方向的夹角的锐角0满足最大静摩擦系数U <cot 0的要求时，凝固物能自动向上滑动。(2)换热器的传热面呈正三角斜面时，则无需遵循以上公式，冰(凝固物)脱离后自动向上滑动。b.冰(凝固物)的密度>介质流体的密度时，冰(凝固物)脱离传热界面后，将向下运动，这时传热面的切线方向与竖直方向的夹角的锐角9应满足最大静摩擦系数U
<cot 0的要求。(I)换热器的传热面呈正三角斜面时，冰(凝固物)在重力以及液体的浮力作用下，凝固物在传热界面，当冷却表面的切线方向与竖直方向的夹角的锐角0越来越小，冷却表面与的切线方向竖直方向的夹角的锐角9满足最大静摩擦系数U < cot 9的要求时，凝固物开始向下滑动。(2)换热器的传热面呈倒三角斜面时，则无需遵循以上公式，凝固物脱离后自动向下滑动。本发明的优点I、使用本发明的方法，冰、霜块就可以在重力与浮力的作用下使冰、霜块方便地脱离换热器表面，从而减少换热器的传热阻力，降低换热器传热面两侧温差，提高系统的能效，同时减少除冰、化霜能耗，提高了系统的可靠性和稳定性。2、化霜、化冰过程不需要再加热换热器表面或者停止制冰机的工作，提高了工作效率和减少无谓的能量损失。
图I是使用本发明方法的板式换热器绝热条分割传热表面示意图。图2是使用本发明方法的板式换热器绝热条分割传热表面剖视图。图3是使用本发明方法的管式换热器绝热条分割传热表面示意图。
图4是使用本发明方法的管式换热器绝热条分割传热表面剖视图。图5是使用本发明方法的一实施例的0夹角的示意图。图6是使用本发明方法的另一实施例的0夹角的示意图。图7是室外喷淋式换热器冷暖空调示意图。图8是制冰式海水淡化系统示意图。图9是热泵制热供热水系统示意图。
图10是传热管中热能除冰化冰区域与冰层面积之比的示意图。附图标记绝热条1，传热面2，换热器3，冰层4，吸热介质5，间隙6，化冰区域7。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进一步说明。实施例I :如附图I、附图2所示，应用本发明方法的管板式蒸发器，由换热板3和绝热条I组成；绝热条I安装在换热板3的传热面2上，并将换热板3与水(或含水、水蒸气介质)接触的传热面2分割成若干块非环状、非闭合区域，由于绝热材料的存在造成了传热面上传热极不均匀，绝热材料热阻大，在其上较无绝热材料覆盖的传热表面难于结冰结霜，从而阻止了换热板3的传热面2上形成大块的、连续、闭合环状冰霜块，这样的冰霜块非常方便脱离传热面2 ;并且将换热板3阻挡冰、霜块远动方向的传热面2的切线方向与垂直方向的夹角设计作制成小于冰、霜块对传热面2的最大静摩擦系数的反余切函数值；即9
<arccotu o0角的计算公式a、(如图5所示)当冰(凝固物)的密度<介质流体的密度时，在绝热条⑴斜面上的物体(冰、霜)由于浮力作用产生的切向力大于最大静摩擦力与冰霜的重力产生的切向力之和时，物体(冰、霜)与传热面(2)发生滑动，斜面上的物体(冰、霜)向上滑动。重力作用产生的切向力Gcos 0 ;用f表示最大静摩擦力，N表示正压力，其中比例常数y叫做静摩擦系数，是一个没有单位的数值。U和接触面的材料、光滑粗糙程度、干湿情况等因素有关，而与接触面的大小无关，f = u N ；浮力产生的切向力Fff cos 0当Fffcos 0 > f+Gcos 0时，斜面上的物体(冰、霜)向上滑动F浮 cos Q > f+Gcos 9— F浮 cos Q > U N+Gcos 9— F浮 cos Q > U (F浮—G) sin Q+Gcos Q— F浮 cos Q-Gcos Q > U (F^-G) sin 9— (F^-G) cos 9 > u (F^-G) sin 9— (F浮-G) cos Q / (F浮-G) sin Q > U— cos 9 /sin 0 > u— u < cot 0— 0 < arccot Ub、(如图6所示)当冰(凝固物)的密度>介质流体的密度时，在绝热条⑴斜面上的物体(冰、霜)由于重力作用产生的切向力大于最大静摩擦力与浮力产生的切向力之和时，物体(冰、霜)与传热面⑵发生滑动，斜面上的物体(冰、霜)向下滑动。用F表示重力作用产生的切向力，G表示重力，F = Gcos 0 ；用f表示最大静摩擦力，N表示正压力，其中比例常数y叫做静摩擦系数，是一个没有单位的数值。U和接触面的材料、光滑粗糙程度、干 湿情况等因素有关，而与接触面的大小无关，f = u N ；浮力产生的切向力Fff cos 9当F > f+Fff cos 0时，斜面上的物体(冰、霜)向下滑动F > f+Fcos 0— Gcos 0 = u N+F浮 cos 0— Gcos 0 > u (G_F浮)sin 0+F浮 cos 0Gcos 0 -Fcos 0 > U (G~F) sin 0— (G_F浮)cos0 > u (G_F浮)sin0— (G_F浮)cos 0 / (G_F浮)sin 0 > U— u < cot 0— 0 < arccot U七、应用实施例实施例2 :室外喷淋式换热器冷暖空调如图7，室外喷淋式换热器内的传热管(或传热板)按本发明方法所设计制造。当室外气温低于0摄氏度时水变成冰，因按本发明方法所设计制造的换热器3，换热器壁上设计有大于管(板)结冰半径或高度的绝热条1，从而阻止了换热管的管(板)的传热面2上形成大块的、连续、闭合环状冰霜块，使得脱冰方便、效率高、能耗低，空调系统还能正常工作，而用常规的换热器组成的空调因脱冰困难、效率低、能耗高而被迫停用。另外按本发明方法所设计制造喷淋式冷暖空调还可以用废水作热源，空调系统通过吸收水的凝固热继续为室内供暖。实施例3，制冰式海水淡化系统如图8，制冰式海水淡化系统的工作原理海水在结冰池内的蒸发器换热面上冷凝成冰块，由于蒸发器按本发明的方法来设计制造，蒸发器壁上设计有大于管(板)结冰半径或高度的绝热条1，从而阻止了蒸发器的管(板)的传热面2上形成大块的、连续、闭合环状冰霜块，非常便于脱离换热器并浮于海水面上，将结冰池里的冰移至融冰池内吸收冷凝器放出的热量后溶化成水，由于冰块是由水分子组成，几乎不含其他杂质(如盐)，所以结冰过程也是个脱盐过程，冰块溶化后形成的冰即为淡水。实施例4，热泵制热供热水系统工作原理如图9，采用按本发明来设计制造的制冷剂蒸发器。当废热水箱的水温达到0摄氏度时，制冷剂蒸发器传热面就会结冰，冰块在浮力或管路回供热量的作用下，冰块脱离传热面并浮于水面，便于收集排除。由于采用按本发明来设计制造的制冷剂蒸发器，蒸发器壁上设计有大于管(板)结冰半径或高度的绝热条1，冰块融化时绝热条上的冰层很薄，首先除冰，从而阻止了蒸发器的管(板)的传热面2上形成大块的、连续、闭合环状冰霜块，除去传热面上的冰块只用少量的热量甚至不用热量，除冰时间短，能耗少，所以提高了制冷剂蒸发器的换热效率及强度，从而使热泵制热供热水系统达到工作可靠、节能的目的。实施例5，以换热管式换热为例，计算脱冰、脱霜与热能脱冰、脱霜法脱冰(霜)热
耗量如图4所示，因绝热条与传热管表面可能有间隙6而形成的薄冰(霜)层造成的冰(霜)块不能脱离，因此要脱冰霜时，若重力或浮力不能将此薄冰霜层折断，则只需用热能将此薄冰霜层融断即可。若传热管的长度为I米，冰层厚度3mm，传热管外径为10mm，绝热条与传热管的间隙为0. Imm(实际低于0. Imm)，冰的熔化热3. 35X 105J/Kg。
结冰霜热能(JiR2-Jir2) XLX p X 冰的熔化热(3. 14 X 0. 82-3. 14 X 0. 52) X 100 X 0. 917X 1(T3X3. 35X IO5^ I. 22X100X0. 917X10_3X3. 35X IO5^ 37619J脱冰霜热能融化0. Imm的冰(JI R，2- JI r2) XLX p X 冰的熔化热(3. 14 X 0 . 512-3. 14 X 0 . 52) X 100 X 0 . 9 1 7X 1(T3X3. 35X IO5^ 0. 0317X100X0. 917X1(T3X3. 35X IO5^ 974J效率为(37619-974)/37619X100%= 97. 4% 实施例6，以换热管式换热为例，计算脱冰、脱霜与热能脱冰、脱霜法脱冰(霜)热
耗量同样的传热管的长度为I米，冰层厚度3mm，传热管外径为10mm，结冰霜的热能相等大约为37619J。图10所示，冰(凝固物)的密度<介质流体的密度，融化传热管下部分冰层后，冰霜脱离传热管后自动上浮；相反，如果冰(凝固物)的密度>介质流体的密度，融化传热管上部分冰层后，冰霜脱离传热管后自动下沉。脱冰霜热能S X L X P X冰的熔化热^ 0. 3516X100X0. 917X1(T3X3. 35X IO5^ 10800JS——除冰须融化的最小面积效率为(37619-10800)/37619X 100%= 71.3。
权利要求
1.ー种便于冰、霜从换热器表面脱离的方法，其特征在于在换热器(3)的传热面(2)上设有低导热或绝热材料的绝热条(I)，将传热面(2)分割成非环状、非闭合的区域，使其换热器(3)阻挡冰、霜块运动方向的传热面(2)的切线方向与垂直方向的夹角的鋭角设计成小于冰、霜块对传热面(2)的最大静摩擦系数的反余切函数值。
2.根据权利要求I所述的便于冰、霜从换热器表面脱离的方法，其特征在于所述的绝热条(1)采用塑料、石墨、玻璃纤维、石棉、硅酸盐发泡体或它们之间的复合材料制成。
3.权利要求I所述的便于冰、霜从换热器表面脱离的方法，其特征在于该方法在空调、热泵制冷、制热或制冰式海水淡化系统的应用。
全文摘要
本发明涉及一种便于冰、霜从换热器表面脱离的方法，即在换热器(3)的传热面(2)上安装有低导热或绝热材料的绝热条(1)，将换热器(3)阻挡冰、霜块运动方向的传热面(2)的切线方向与垂直方向的夹角的锐角设计成小于冰、霜块对传热面(2)的最大静摩擦系数的反余切函数值；绝热条(1)将传热面(2)分割成非环状、非闭合的区域；使用本发明的方法，冰、霜块就可以在重力与浮力的作用下使冰、霜块很容易地脱离换热器(3)表面，从而减少换热器(3)的传热阻力，降低换热器(3)传热面(2)两侧温差，提高系统的能效，同时减少除冰、化霜能耗，提高了系统的可靠性和稳定性。
文档编号F28F17/00GK102628658SQ20121000205
公开日2012年8月8日 申请日期2012年1月1日 优先权日2012年1月1日
发明者黄华 申请人:黄华