热交换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总地涉及一种适合于用在蒸汽压缩系统中的热交换器。更具体地，本发明涉及一种具有管束的热交换器，其中上述管束具有降膜区域、积聚区域以及满液区域。
【背景技术】
[0002]蒸汽压缩制冷已经是用于进行大型建筑等的空气调节的最常用的方法。传统的蒸汽压缩制冷系统典型地设有蒸发器，该蒸发器是在从穿过该蒸发器的待冷却的液体中吸收热量的同时允许制冷剂从液体蒸发为蒸汽的热交换器。一种类型的蒸发器包括管束，该管束具有多个水平延伸的热传递管，待冷却的液体穿过这些水平延伸的热传递管进行循环，并且上述管束容纳在圆柱形壳体内部。存在用于使制冷剂在此种类型的蒸发器中蒸发的若干已知方法。在满液式蒸发器中，壳体充满液体制冷剂并且热传递管浸在液体制冷剂的池中，以使得液体制冷剂沸腾和/或蒸发为蒸汽。在降膜蒸发器中，液体制冷剂从上方沉积到热传递管的外表面上，以使得液体制冷剂的层或薄膜沿着热传递管的外表面形成。来自热传递管的壁的热量经由对流和/或传导通过液体膜传递至蒸汽-液体界面，在上述蒸汽-液体界面处，一部分液体制冷剂蒸发，由此热量被从在热传递管内部流动的水去除。没有蒸发的液体制冷剂在重力下从位于上方位置的热传递管垂直地朝向位于下方位置的热传递管下降。还存在混合降膜蒸发器，其中，液体制冷剂沉积在管束中的一些热传递管的外表面上，而管束中的其它热传递管被浸到已收集在壳体的底部处的液体制冷剂中。
[0003]虽然满液式蒸发器具有高的热传递性能，但满液式蒸发器需要相当大量的制冷剂，因为热传递管浸在液体制冷剂的池中。随着具有低得多的全球变暖潜在性的新型且高成本的制冷剂的最新发展(例如R1234ze或R1234yf)，理想的是减少蒸发器中的制冷剂充料。降膜蒸发器的主要优点是能在确保良好的热传递性能的同时减少制冷剂充料。因此，降膜蒸发器具有很大的潜力来替换大型制冷系统中的满液式蒸发器。
[0004]美国专利N0.5，839，294披露了一种混合降膜蒸发器，该混合降膜蒸发器具有以满液模式操作的部段和以降膜模式操作的部段。更具体地，在该公开中披露的蒸发器包括外壳，管束中的多个水平热传递管穿过该外壳。分配系统设置成与管束中的最上层的热传递管交迭的关系，以使得进入壳体中的制冷剂被分配到管的顶部上。液体制冷剂形成沿着每个热传递管的外壁的膜，在每个热传递管的外壁的膜处，一部分液体制冷剂蒸发成为蒸汽制冷剂。剩余的液体制冷剂收集在壳体的下部中。在稳态操作中，外壳内的液体制冷剂的液位维持在某一液位，以使得在壳体下端附近的至少25%的水平热传递管浸在液体制冷剂中。因此，在该公开中，蒸发器利用壳体的下方部段中以满液热交换模式操作的热传递管进行操作，而没有浸在液体制冷剂中的热传递管则以降膜热传递模式进行操作。
[0005]美国专利N0.7,849,710披露了一种降膜蒸发器，其中使收集在蒸发器壳体的下部中的液体制冷剂再循环。更具体地，在该公开中披露的蒸发器包括具有管束的壳体，上述管束具有多个在壳体中基本上水平地延伸的热传递管。进入壳体的液体制冷剂从分配器被引导至热传递管。液体制冷剂产生沿着每个热传递管的外壁的膜，在每个热传递管的外壁处，一部分液体制冷剂蒸发成为蒸汽制冷剂。剩余的液体制冷剂收集在壳体的下部中。在该公开中，设有栗或排出器以抽取收集在壳体下部中的液体制冷剂，以使得液体制冷剂从壳体的下部再循环至分配器。
【发明内容】
[000?]如上所述，在美国专利N0.5，839，294披露的混合降膜蒸发器中仍存在如下问题:由于在壳体的底部存在满液部段，因此需要相对大量的制冷剂充料。另一方面，采用在美国专利N0.7,849，710中披露的蒸发器，其中该蒸发器使收集到的液体制冷剂从壳体的底部再循环至分配器，当因蒸发器性能上的波动而形成干燥斑的情形中，需要过量的进行再循环的制冷剂以再润湿热传递管上的上述干燥斑，。此外，当蒸汽压缩系统中的压缩机使用润滑油(制冷剂油)时，因油比制冷剂更不容易挥发，而使从压缩机迀移到蒸汽压缩系统的制冷回路中的油趋于积聚在蒸发器中。因此，采用在美国专利N0.7，849，710中披露的制冷剂再循环系统，油会连同液体制冷剂一起在蒸发器内进行再循环，这会导致在蒸发器中循环的液体制冷剂中的油的浓度高。因而，蒸发器的性能会退化。
[0007]采用传统的技术，在压缩机后方设有分油器，以确保在少量的油从压缩机流出的制冷循环中的蒸发器的性能。在该系统中，采用以下方法:(I)使用大型的分油器和满液类型；(2)使用小型分油器和混合降膜类型。在方法(I)中，大型分油器的成本高。在方法(2)中，制冷剂的量能通过降膜类型而得到减少。然而，由于需要大量的满液部段，因而减少制冷剂量的效果会削弱。此外，需要大量的热传递管来对油进行冷凝。
[0008]此外，在系统中少量的油(正常是0.5_2wt%)通常会进入蒸发器，在上述系统中(例如，在使用螺旋式压缩机的制冷循环中)，少量的油被供给到从压缩机喷出的制冷剂中。在用于在冷水与制冷剂间进行热量交换的混合型热交换器(满液型、降膜型)中，制冷剂会在设于蒸发器的壳体内的热传递管的外表面上进行蒸发，油并未包含在位于热交换器内进行蒸发的制冷剂蒸汽中。因此，油会在蒸发器内发生冷凝，使得液体制冷剂中的油浓度升高(参见图32)。
[0009]通常，安装油回收回路(oil tempering circuit)以使得油在上述循环中返回至压缩机(参见图33，美国专利N0.6，233，967)。在此种油回收中，油与制冷剂一起返回至压缩机。由于油与制冷剂一起返回至压缩机，因此，如果返回的制冷剂的量较大，则失效的制冷剂会增多。然后，性能会退化。因此，为了防止性能退化，需要增大油的浓度(使得制冷剂的比值尽可能小)。
[0010]当流入到蒸发器中的油的浓度是0.5^%时，待返回至压缩机的油的浓度需要增大至30wt%以将性能退化控制到2%以内(用于油回收的制冷剂的量在蒸发量的2%内)(参见图34)。通常，在该系统中，采用满液类型(图35)或具有降膜型上部段和满液型下部段的混合降膜类型(图36，美国专利N0.6，170，286)。
[0011 ]在满液类型的情形中，如图37所示，热传递性能随着油浓度增大而退化。因此，油浓度需要在2wt%左右。在该情形中，油浓度需要在0.05wt%左右，这需要大型的气液分离器。
[0012]在混合降膜类型中，油浓度小且在降膜型上部段中确保性能。在降膜类型中，当油浓度增大时，性能会大幅地退化且很难使油浓度增大至30wt%。因而，在满液型下部段中执行油的冷凝。然后，具有高浓度的油的液体制冷剂从满液部段返回至压缩机。
[0013]如上所述，采用使用大型分油器和满液类型的方法或是使用小型分油器和混合降膜类型的方法。
[0014]在混合降膜类型的蒸发器中，满液部段的热传递性能是降膜型部段的一半左右。因此，需要大量热传递管。此外，由于需要大量满液部段，因此，制冷剂的量会变大。
[0015]鉴于上文所述，本发明的一个目的是提供一种热交换器，该热交换器能减少制冷剂充料的量，并同时确保热交换器的良好性能。
[0016]本发明的另一目的是提供一种热交换器，该热交换器将从压缩机迀移到蒸汽压缩系统的制冷回路中的制冷剂油积聚并且将制冷剂油排放到蒸发器的外部。
[0017]根据本发明的一个方面的热交换器适合于用在蒸汽压缩系统中，并且包括壳体、分配部件、管束以及槽部件。该壳体具有大体平行于水平面延伸的纵向中心轴线。分配部件设置在壳体的内部以分配制冷剂。管束包括多个热传递管，这些热传递管在分配部件的下方设置在壳体内部，以使得从分配器排出的制冷剂供给到管束上。热传递管大体平行于壳体的纵向中心轴线延伸。管束包括设置在分配部件下方的降膜区域、设置在降膜区域下方的积聚区域以及位于壳体底部处设置在积聚区域下方的满液区域。槽部件在积聚区域中的至少一个热传递管下方大体平行于壳体的纵向中心轴线延伸，以将制冷剂积聚在槽部件中。当沿着垂直于壳体的纵向中心轴线的水平方向观察时，槽部件至少部分地与积聚区域中的至少一个热传递管交迭。
[0018]本领域技术人员从下面的结合附图的详细描述中将容易理解本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点，该详细描述公开了各较佳实施例。
【附图说明】
[0019]现在参见附图，这些附图形成该原始说明书的一部分:
[0020]图1是根据本发明的第一实施例的包括热交换器的蒸汽压缩系统的简化总体立体图；
[0021]图2是说明根据本发明的第一实施例的包括热交换器的蒸汽压缩系统的制冷回路的框图；
[0022]图3是根据本发明的第一实施例的热交换器的简化立体图；
[0023]图4是根据本发明的第一实施例的热交换器的内部结构的简化立体图；
[0024]图5是根据本发明的第一实施例的热交换器的内部结构的分解视图；
[0025]图6是根据本发明的第一实施例的热交换器的沿着图3中的剖线6-6’剖取时的简化纵剖视图；
[0026]图7是根据本发明的第一实施例的热交换器的沿着图3中的剖线7-7’剖取时的简化横剖视图；
[0027]图8是图7中示出的热交换器的上部的进一步放大的剖视图；
[0028]图9是根据本发明的第一实施例的热交换器的隔板结构的倒置立体图；
[0029]图10是图7中的热交换管和设置在区域X中的槽部件的放大示意剖视图，其示出了热交换器根据本发明第一实施例处于使用中的状态；
[0030]图11是图10的热传递管和槽部件的其中一个槽部段的放大剖视图；
[0031]图12是图11的热传递管和槽部段的沿着图11中箭头12的方向观察时的局部侧视图；
[0032]图13是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第一实施例的管束和槽部件的布置的改型示例；
[0033]图14是图13中的热交换管和设置在区域X中的槽部件的放大示意剖视图，其示出了热交换器根据本发明第一实施例的改型示例处于使用中的状态；
[0034]图15是图14的热传递管和槽部件的其中一个槽部段的放大剖视图；
[0035]图16是图15的热传递管和槽部段的沿着图15中箭头16的方向观察时的局部侧视图；
[0036]图17是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第二实施例的管束和槽部件的布置；
[0037]图18是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第二实施例的管束和槽部件的布置的改型示例；
[0038]图19是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第三实施例的管束和槽部件的布置；
[0039]图20是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第四实施例的管束和槽部件的布置；
[0040]图21是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第五实施例的管束、槽部件以及满液部段槽部件的布置；
[0041]图22是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第五实施例的管束、槽部件以及满液部段槽部件的布置的改型示例；
[0042]图23是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第六实施例的管束、槽部件以及满液部段槽部件的布置；
[0043]图24是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第六实施例的管束、槽部件以及满液部段槽部件的布置的改型示例；
[0044]图25是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第七实施例的管束、槽部件以及满液部段槽部件的布置；
[0045]图26是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第八实施例的管束、槽部件以及引导部件的布置；
[0046]图27是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第八实施例的管束、槽部件以及引导部件的布置的改型示例；
[0047]图28是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第九实施例的管束、槽部件以及引导部件的布置；
[0048]图29是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第九实施例的管束、槽部件以及引导部件的布置的改型示例；
[0049]图30是热交换器的简化横剖视图，其说明了根据本发明的第十实施例的管束、槽部件以及引导部件的布置；
[0050]图31是热交换器的简化横剖视图，其说明