一种低*损换热器的制作方法

本发明属于能源利用技术领域，特别是涉及一种热水与冷水进行深度热量交换的换热器。

背景技术：

在能源利用领域需要大量的热量交换过程，包括常见的煤天然气等一次能源燃烧后通过锅炉等换热装置制取热水或者蒸汽的过程，各种化工生产场合以及居民取暖等场合均需要大量的蒸汽-水和水-水的换热过程。由于自发的热量交换需要高温流体和低温流体存在必要的换热温差，所以常规的换热器的热水出口温度需要高于冷水的入口温度，如果需要将热水的出口温度降低到比冷水入口温度更低的水平，则需要借助热泵等设备。在采用热泵后采用热水作为驱动能源，从而可以产生制冷效应，进而可以继续给热水降温。采用热泵技术后热水的出口温度可以显著的低于冷水的入口温度，相比常规的换热器而言，热水与冷水换热过程的不可逆损失显著的减小，因此称之为低损换热器。

公开号cn105276653b公布了一种名为“一种集成吸收式热泵和电动热泵的换热机组及方法”，一次侧管(热水侧)依次经过吸收式热泵的发生器、水水换热器、吸收式热泵蒸发器和电动热泵蒸发器，二次侧管(冷水侧)采用并联或者串联方式进入电动热泵冷凝器、吸收式热泵吸收器和冷凝器以及水水换热器，该专利中吸收式热泵和电动热泵为两套独立的热泵系统，仅通过热泵外部的热水和冷水管路进行串联或者并联实现热水和冷水的换热过程。该专利虽然可以实现热水的出口温度低于冷水入口温度的目的，但是吸收式热泵与电动热泵内部没有换热过程，由于每次换热过程都存在换热的不可逆损失，所以系统的总损较大。本专利提出了一种吸收式热泵和电动热泵的内部换热器集成的换热系统，显著的减小了系统的总损。

此外，吸收式热泵各个换热部件内部需要真空环境，吸收式热泵的各个换热器都是管壳式结构，所以设备的体积较大。该专利将吸收式热泵的吸收器和发生器由管壳式结构改为板式换热器结构，同时溶液吸收过程采用了传热和传质分离的方法，相比管壳式结构显著了减小了设备体积。

技术实现要素：

该发明提出了一种低损热水和冷水的换热系统，可以实现热水出口温度显著低于冷水入口温度，并且通过吸收式热泵和电动热泵的内部换热器耦合的方式显著的减少了热水和冷水的换热次数，进而减小了换热过程不可逆损失，提升了换热效率。此外，吸收式热泵的吸收器和发生器为板式换热结构，采用引射的方式实现浓溶液吸收制冷剂蒸汽的传热和传质分离过程，同时采用热管换热器进行浓溶液和稀溶液的换热，进一步提升吸收式热泵的性能。

本发明提供一种采用吸收式热泵与电动热泵实现热水和冷水深度换热的换热器，所述换热器包括板式吸收器1、引射器2、热管溶液换热器3、板式再生器4、集成换热器5、压缩机6、蒸发器7、板式换热器33和连接管路以及配件组成。

所述板式吸收器8实现经过引射器2吸收制冷剂蒸汽后的稀溶液与冷水换热的过程，板式吸收器8通过冷水管路24与板式换热器33相连，板式吸收器8通过稀溶液管路与引射器2相连。

所述引射器2实现浓溶液吸收制冷剂蒸汽变成稀溶液的过程，其工作原理为浓溶液管路21内的浓溶液进入引射器2后，由于在引射器2内部流通面积减小从而流速上升，因此压力下降，所以可以将制冷剂蒸汽管路22内的制冷剂蒸汽吸入，浓溶液吸收制冷剂蒸汽后浓度下降，同时由于制冷剂蒸汽被吸收由汽态变为液态释放冷凝热，所以溶液的温度上升。引射器2通过稀溶液管路23与板式吸收器1相连，引射器2通过浓溶液管路21与增压泵17相连。

所述热管溶液换热器3实现浓溶液与稀溶液的热量交换，用于提升热泵的性能系数。热管溶液换热器3通过稀溶液管路23与板式吸收器1相连，热管溶液换热器通过浓溶液管路21与增压泵17相连，热管溶液换热器3通过稀溶液管路23与板式再生器4相连，热管溶液换热器3通过浓溶液管路21与板式再生器4相连。

所述板式再生器4实现稀溶液被热水加热变成浓溶液，并且同时释放制冷剂蒸汽的目的，其原理如下：稀溶液通过稀溶液管路23进入板式再生器4后经过喷嘴31后被喷洒在溶液再生板32的内壁面，由于溶液自身重力的作用在壁面自上而下流动，同时热水从热水入口10经管路进入板式再生器4两侧的热水腔体25加热溶液再生板32，溶液在壁面流动的过程中被溶液再生板32加热沸腾，产生制冷剂蒸汽，同时溶液浓度不断升高。板式再生器4实现了在溶液再生板32的一侧进行溶液再生过程，另一侧与热水换热的目的，将热水的热量传递给溶液。浓溶液从板式再生器4底部进入浓溶液管路21离开板式再生器4。产生的制冷剂蒸汽从板式再生器4顶部进入制冷剂蒸汽管路27离开板式再生器4。加热完溶液再生板32的热水从热水腔体25的顶部进入热水管路28离开板式再生器4。

所述集成换热器5同时实现制冷剂蒸汽冷凝、氟利昂蒸汽冷凝、液态制冷剂蒸发的过程。制冷剂蒸汽由制冷剂蒸汽管路27进入集成换热器，被冷水管路24冷却后冷凝由汽态变为液态，液态的制冷剂经过孔板节流器19上的呈正三角形布置的双侧带倒角的通孔后实现温度和压力下降的节流过程，经过节流后的液态制冷剂喷洒在水平平行布置的换热管15的外表面，由于重力的作用在换热管15的外表面自上而下流动。同时，氟利昂蒸汽由氟利昂蒸汽管路30进入氟利昂冷凝腔体13的右侧腔体(氟利昂冷凝腔体13分为左右两个腔体，两个腔体通过换热管15的管内空间连通，制冷剂蒸发腔体14与氟利昂冷凝腔体13不连通)，然后进入水平布置的换热管15的管内空间，由于氟利昂蒸汽的温度高于换热管15管外的制冷剂的温度，所以氟利昂蒸汽在换热管15的管内空间被降温冷凝从汽态变成液态，液态的氟利昂进入氟利昂冷凝腔体13的左侧腔体，然后进入氟利昂液态管路29离开集成换热器5。同时，在换热管15外表面流动的液态制冷剂被管内的氟利昂蒸汽加热汽化由液态变为汽态，制冷剂蒸汽进入制冷剂蒸汽管路22离开集成换热器5。

所示压缩机6实现氟利昂蒸汽的压缩过程，用于提升其压力。

所述蒸发器7为液态氟利昂被热水加热汽化由液态变为汽态氟利昂的过程，液态氟利昂离开集成换热器5后首先经过节流阀18减温减压，然后进入蒸发器7，由于液态氟利昂的温度低于热水温度，所以液态氟利昂吸热汽化，热水被降温后离开蒸发器7到达热水出口11。

所述板式换热器33实现热水和冷水进行换热的过程。

所述该新型换热器在吸收式热泵内部使用的循环工质为制冷剂-吸收剂的工质对，比如水-溴化锂组合的无机盐溶液(水为制冷剂，无机盐为吸收剂)，或者醇类-无机盐(醇类为制冷剂，无机盐为吸收剂)，或者氟利昂-醇类(氟利昂为制冷剂，醇类为吸收剂)的工质对。

该换热器实现了热水和冷水的深度换热，热水的出口温度显著的低于冷水的入口温度，相比常规换热器减小了不可逆损失和提升了换热效率，该换热器热水回路和冷水回路换热方式如下：

(1)热水回路

热水首先进入板式再生器4释放热量加热溶液，其次热水继续进入板式换热器33与冷水换热继续释放热量，最后热水进入蒸发器7释放热量加热氟利昂介质。

(2)冷水回路

冷水首先进入板式吸收器1被稀溶液加热升温，其次经过板式换热器33与热水进行换热，最后经过集成换热器5被再次升温。

该换热器集成了吸收式热泵和电动热泵，吸收式热泵内部包括溶液循环和制冷剂循环，电动热泵内部包括氟利昂循环，各个循环方式为：

(1)溶液循环

浓溶液从板式再生器4底部进入浓溶液管路21，首先经过热管溶液换热器3与稀溶液换热，其次浓溶液进入增压泵17提升其压力，最后浓溶液进入引射器2，在引射器2内部吸收来自制冷剂蒸汽管路22的制冷剂蒸汽后变成稀溶液离开引射器2。由于浓溶液吸收制冷剂蒸汽后浓度下降同时温度上升，所以稀溶液通过板式吸收器1被冷水冷却，稀溶液继续进入热管溶液换热器3与浓溶液换热被加热，然后稀溶液进入板式再生器4，稀溶液通过喷嘴31被喷洒在溶液再生板32的壁面，重力作用下在壁面自上而下流动的过程中被溶液再生板32加热沸腾，稀溶液变成浓溶液，同时释放制冷剂蒸汽，以此往复循环。

(2)制冷剂循环

板式再生器4内产生的制冷剂蒸汽通过制冷剂蒸汽管路27进入集成换热器5的制冷剂冷凝腔体16被冷水管路冷却后变成液态制冷剂，液态制冷剂通过孔板节流器19后喷淋在换热管15的外表面，液态制冷剂在换热管15的外表面流动过程中被换热管15加热由液态变成制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽经制冷剂蒸汽管路22到达引射器2，制冷剂蒸汽被浓溶液吸收后，稀溶液依次经过吸收器、热管溶液换热器3后进入板式再生器4，经喷嘴31后喷洒在溶液再生板32的内侧壁面被加热沸腾释放制冷剂蒸汽，以此往复循环。

(3)氟利昂循环

液态氟利昂在蒸发器7内被冷水加热变成氟利昂蒸汽，氟利昂蒸汽经氟利昂蒸汽管路30进入压缩机6被压缩以提高其压力，升压后的氟利昂蒸汽进入集成换热器5的氟利昂冷凝腔体13的右侧腔体，然后进入水平布置的换热管15的管内空间被换热管15的壁面冷却变为液态，液态氟利昂进入氟利昂冷凝腔体13的左侧腔体后进入氟利昂液态管路29，经过节流阀18减温减压后进入蒸发器7，以此往复循环。

为了获得更低的损和更高的换热器效率，该换热器可以采用两级或者三级吸收式热泵和电动热泵方式，以进一步减小各个换热过程的不可逆损失。

附图说明

图1是一种低损换热器流程示意图。

图2是孔板结构示意图。

图3是采用两级结构的低损换热器系统图。

附图标记：

1-板式吸收器，2-引射器，3-热管溶液换热器，4-板式再生器，5-集成换热器，6-压缩机，7-蒸发器，8-冷水入口，9-冷水出口，10-热水入口，11-热水出口，12-热管，13-氟利昂冷凝腔体，14-制冷剂蒸发腔体，15-换热管，16-制冷剂冷凝腔体，17-增压泵，18-节流阀，19-孔板节流器，20-通孔，21-浓溶液管路，22-制冷剂蒸汽管路，23-稀溶液管路，24-冷水管路，25-热水腔体，26-溶液再生腔体，27-制冷剂蒸汽管路，28-热水管路，29-氟利昂液态管路，30-氟利昂蒸汽管路，31-喷嘴，32-溶液再生板，33-板式换热器

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

分别以单级吸收式热泵电动热泵的换热器和两级吸收式热泵电动热泵的换热器为例对实施方式进行说明，吸收式热泵的内部工质以溴化锂-水为例(水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，两者混合为溶液)，电动热泵的内部工质以r152a为例。

单级吸收式热泵电动热泵的换热器包括板式吸收器1、引射器2、热管溶液换热器3、板式再生器4、集成换热器5、压缩机6、蒸发器7、板式换热器33和连接管路以及配件组成。

所述板式吸收器8实现经过引射器2吸收水蒸汽后的稀溶液与冷水换热的过程，板式吸收器8通过冷水管路24与板式换热器33相连，板式吸收器8通过稀溶液管路与引射器2相连。

所述引射器2实现溴化锂浓溶液吸收水蒸汽变成稀溶液的过程，其工作原理为溴化锂浓溶液管路21内的浓溶液进入引射器2后，由于在引射器2内部流通面积减小从而流速上升，因此压力下降，所以可以将制冷剂蒸汽管路22内的水蒸汽吸入，浓溶液吸收水蒸汽后浓度下降，同时由于水蒸汽被吸收由汽态变为液态释放冷凝热导致溶液的温度上升。引射器2通过稀溶液管路23与板式吸收器1相连，引射器2通过浓溶液管路21与增压泵17相连。

所述热管溶液换热器3实现溴化锂浓溶液与溴化锂稀溶液的热量交换，用于提升热泵的性能系数。热管溶液换热器3通过稀溶液管路23与板式吸收器1相连，热管溶液换热器通过浓溶液管路21与增压泵17相连，热管溶液换热器3通过稀溶液管路23与板式再生器4相连，热管溶液换热器3通过浓溶液管路21与板式再生器4相连。

所述板式再生器4实现溴化锂稀溶液被热水加热变成溴化锂浓溶液，并且同时释放水蒸汽的作用，其原理如下：溴化锂稀溶液通过稀溶液管路23进入板式再生器4后经过喷嘴31后被喷洒在溶液再生板32的壁面，由于溶液自身重力的作用在内侧壁面自上而下流动，同时热水从热水入口10经管路进入板式再生器4两侧的热水腔体25加热溶液再生板32，溴化锂稀溶液在壁面流动的过程中被溶液再生板32加热沸腾，产生水蒸汽，同时溶液浓度不断升高。溴化锂浓溶液从板式再生器4底部进入浓溶液管路21离开板式再生器4。产生的水蒸汽从板式再生器4顶部进入制冷剂蒸汽管路27离开板式再生器4。加热完溶液再生板32的热水从热水腔体25的顶部进入热水管路28离开板式再生器4。

所述集成换热器5同时实现水蒸汽冷凝、r152a蒸汽冷凝、液态水蒸发的过程。水蒸汽由制冷剂蒸汽管路27进入集成换热器，被冷水管路24冷却后冷凝由水蒸气变为液态水，液态水经过孔板节流器19上的呈正三角形布置的双侧带倒角的通孔后实现温度和压力下降的节流过程，经过节流后的液态水喷洒在水平平行布置的换热管15的外表面，由于重力的作用在换热管15的外表面自上而下流动。同时，r152a蒸汽由氟利昂蒸汽管路30进入氟利昂冷凝腔体13的右侧腔体(氟利昂冷凝腔体13分为左右两个腔体，两个腔体通过换热管15的管内空间连通，制冷剂蒸发腔体14与氟利昂冷凝腔体13不连通)，然后进入水平布置的换热管15的管内空间，由于r152a蒸汽的温度高于换热管15管外液态水的温度，所以r152a蒸汽在换热管15的管内空间被降温冷凝从汽态变成液态，液态的r152a进入氟利昂冷凝腔体13的左侧腔体，然后进入氟利昂液态管路29离开集成换热器5。同时，在换热管15外表面流动的液态水被管内的r152a蒸汽加热汽化由液态变为汽态，水蒸汽进入制冷剂蒸汽管路22离开集成换热器5。

所示压缩机6实现r152a蒸汽的压缩过程，用于提升其压力和温度。

所述蒸发器7采用板式换热器结构，实现液态r152a被热水加热汽化的过程，液态r152a离开集成换热器5后首先经过节流阀18减温减压，然后进入蒸发器7，由于液态r152a的温度低于热水温度，所以液态r152a吸热汽化，热水被降温后离开蒸发器7到达热水出口11。

所述板式换热器33实现热水和冷水进行换热的过程。

该单级吸收式热泵电动热泵换热器实现了热水和冷水的深度换热，热水的出口温度显著的低于冷水的入口温度，该换热器热水回路和冷水回路换热方式如下：

(1)热水回路

热水首先进入板式再生器4释放热量加热溴化锂溶液，其次热水继续进入板式换热器33与冷水换热继续释放热量，最后热水进入蒸发器7释放热量加热液态r152a，共经历3次换热过程。

(2)冷水回路

冷水首先进入板式吸收器1被稀溶液加热升温，其次经过板式换热器33与热水进行换热，最后经过集成换热器5被再次升温，共经历3次换热过程。

下面采用两级吸收式热泵电动热泵的换热器为例对实施方式进行说明：

采用两级吸收式热泵电动热泵的方式相比单级方式，继续减小各个换热器的不可逆损失，虽然流程更为复杂，但是可以继续降低热水的出口温度和提升冷水的出口温度，换热器总的损更低。吸收式热泵的内部工质以溴化锂-水为例(水为制冷剂，溴化锂为吸收剂，两者混合为溶液)，电动热泵的内部工质以r152a和r134a为例。

(1)热水回路

热水由热水入口10进入换热器，依次经过板式再生器(低压级)4a，板式再生器(高压级)4b，蒸发器(高压级)7b，蒸发器(低压级)7a，到达热水出口11。

(2)冷水回路

冷水由冷水入口8进入换热器，依次经过吸收器(高压级)1b，吸收器(低压级)1a，集成换热器(低压级)5a，集成换热器(高压级)5b，到达冷水出口9。

(3)溶液回路

溴化锂浓溶液从板式再生器(低压级)4a底部离开，经过引射器(低压级)2a吸收来自集成换热器(低压级)5a的水蒸气变成中间浓度溶液，再进入板式吸收器(低压级)1a与冷水换热，经过引射器(高压级)2b吸收来自集成换热器(高压级)5b的水蒸气变成稀溶液，经过热管溶液换热器(高压级)3b，在板式再生器(高压级)4b进行第一次再生，由稀溶液变成中间浓度溶液，再进入板式再生器(低压级)4a进行第二次再生变成浓溶液，以此往复循环。

(4)制冷剂回路

制冷剂回路包含高压级制冷剂回路和低压级制冷剂回路，高压级制冷剂回路为板式再生器(高压级)4b产生的水蒸气进入集成换热器(高压级)5b依次进行冷凝和蒸发过程，产生的水蒸气进入引射器(高压级)2b；低压级制冷剂回路为板式再生器(低压级)4a产生的水蒸气进入集成换热器(低压级)5a依次进行冷凝和蒸发过程，产生的水蒸气进入引射器(低压级)2a。

(5)氟利昂回路

氟利昂回路包括高压级和低压级两个回路，高压级氟利昂为r152a，低压级氟利昂为r134a，高压级氟利昂r152a在蒸发器(高压级)7b变成蒸汽，在压缩机内被压缩提升压力，进入集成换热器(高压级)5b后由蒸汽变为液态r152a，液态r152a经过节流阀后进入蒸发器(高压级)7b被冷水加热变成蒸汽，以此往复循环；低压级氟利昂r134a在蒸发器(低压级)7a变成蒸汽，在压缩机内被压缩提升压力，进入集成换热器(低压级)5a后由蒸汽变为液态r152a，液态r152a经过节流阀后进入蒸发器(低压级)7a被冷水加热变成蒸汽，以此往复循环。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。