一种多级内管防冻系统、防冻换热器及应用的制作方法

本发明涉及热泵空调领域，更具体地说，涉及一种多级内管防冻系统、防冻换热器及应用。

背景技术：

空调使用的套管换热器都是冷媒与水之间的换热来实现其功能的。现有热泵热水器的套管式换热器均由冷媒管和套管构成，冷媒管设置在套管内，冷媒管外壁与套管内壁之间共同围成水加热腔，套管与冷媒管一起绕制成盘管状，盘管状的套管表面设有保温层。使用过程中，由于套管式换热器安装在室外，当室外温度低于0℃时，套管内的水即有可能结冰，致使套管及冷媒管容易冻裂。因套管换热器内有水，就自然而然存在冻坏的危险，冬季在空调机组晚上停机或长期不用时，在机组断电、防冻保护失效情况下，如没把换热器中的水放净，则将由于环境温度过低而冻坏。现有技术大多通过冷却液对热泵和空调的换热器进行防冻，但防冻液成本高，且有一定使用寿命，配置较复杂，污染巨大。

中国专利申请，申请号201410527136.8，公开日2015年1月21日，公开了一种套管式换热器防冻结构及其防冻方法，其结构包括冷媒管、套管、储水箱和控制电路，冷媒管设置在套管内，冷媒管外壁与套管内壁之间共同围成水加热腔，水加热腔一端与储水箱连通；其特征在于：还包括分别与控制电路电气连接的循环水泵、室外温度传感器和水位开关；所述循环水泵设有进水口和出水口，进水口通过电动三通调节阀分别与进水管和储水箱连接，出水口与水加热腔另一端连通；所述水位开关位于储水箱内，且储水箱内对应水位开关所处高度位置的储水量大于或等于水加热腔储水量。此款套管式换热器防冻结构能通过循环水泵驱使水加热腔内的水流动，从而在一定轻度下放缓其结冰的速度。此方式防冻要求是在需要在水加热的情况下进行的，在停电或者其他恶劣情况下，无法使用。

中国专利申请，申请号201420804459.2，公开日2015年7月18日，公开了一种防冻型套管换热器，该防冻型套管换热器，包括冷媒进口、分液器、加强管、换热器主体铜管、端盖、出水口、及主体钢管，所述加强管置于换热器主体铜管内，两根加强管之间通过分液器连接，分液器连接着冷媒进口。所述防冻型套管换热器还包括防冻感温盲管，所述防冻感温盲管插入主体钢管内，防冻感温盲管固定在端盖上；所述防冻感温盲管一端封闭，另一端开口，防冻感温盲管内部设置有防冻感温头。该防冻型套管换热器通过防冻感温头的实时监测，确保对换热器的防冻保护。此种换热器主要是通过探头进行检测，保证防护，但是依旧需要电，在停电或者其他恶劣情况下，无法使用。且并没有给出如何在低温情况下做出相应的改进。

技术实现要素：

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的现有使用防冻液成本高、污染大，其他方式无法断电运行的问题，本发明提供了一种多级内管防冻系统、防冻换热器及应用。它可以实现断电时候对管道进行防冻，成本低，防冻效果好，易于安装。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种多级内管防冻系统，包括外管，外管内部设置有内管，所述的内管为中空的弹性软管，内管内部设置有一个或以上的隔断。在通水的情况下，结冰通过内管的收缩，抵消结冰的膨胀体积，防止外管因为结冰增大导致破裂。隔断的设置使得内管设定为若干个中空部位，当一个部位发生破裂等损坏的情况，其余中空部位可以起到抵消结冰的膨胀体积作用，安全性好。

更进一步的，所述的内管为硅胶管、橡胶管或珍珠棉管。成本低，容易制作。

更进一步的，所述的内管中空部位密封并充满气体，此气体为空气或惰性气体，气密性和水密性好，惰性气体安全稳定性好。惰性气体可以为氮气等。

内管非密封，靠近连接口的中空空间与管外空气联通。

一种防冻换热器，包括上述任一所述的外管和内管，其中内管一端为固定接头，另一端为密闭端，固定接头固定在外管上，密闭端伸入外管内部。固定接头为包括连接口，内管套于连接口上，连接口为密封或中间为连通，连通的连接口将内管靠近连接口的中空空间与外部的大气相联通。

更进一步的，所述的外管一端侧壁设置有带有内螺纹的通孔，内管的固定接头设置有外螺纹，且与外管通孔内螺纹相匹配。方便内管进行固定，稳定，且不会泄漏。

更进一步的，密闭端为直接成型密封端或者为中空的内管端部塞有密封塞。可以方便内管体积进行压缩，保证相对固定的内部体积。

更进一步的，内管在水结冰时膨胀条件需要满足条件如下：v1≧1/10v2，其中v1为内管完全变形可压缩体积，v1＝(r2/2)²*3.14*l1其中，r2为内管中空内径，l1为内管长度，v2为外管内部体积，v2＝(r3/2)²*3.14*l2，r3为外管内径，l2为外管长度。保证可压缩体积大于冰膨胀的体积，保证外管不会破裂。

更进一步的，内管还需要满足如下：p1>p2，其中p1内管最大环向应力，p2为内管完全变形设计压力，p1＝p2d/2δ，d为内管外径，δ为内管壁厚。由于内管收缩体积需要控制，对于壁厚也需要进行限制。

更进一步的，基于换热器流量，管径尺寸还需要满足:q＝cm△t,其中q为换热器制热量，c表示性能参数1.162，m表示流量，△t表示换热器进出水温差，流量m与管径关系为m＝(v2-v1)/l1*(2/3)v1，v1为设计流速。由于换热器需要控制流量，这样内部软管的尺寸不能太大，防止流量过小，也不能过小，防止无法抵消冰膨胀的体积。

一种防冻换热器的应用，包含上述任一所述的防冻换热器的空调、热泵。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案使用可以收缩的内管作为外管内部结构，故障率小，在通水的情况下，结冰通过内管的收缩，抵消结冰的膨胀体积，防止外管因为结冰增大导致破裂，不需要外界提供热量防冻；隔断的设置使得内管设定为若干个中空部位，当一个部位发生破裂等损坏的情况，其余中空部位可以起到抵消结冰的膨胀体积作用，安全性好；

(2)本方案采用的内管为硅胶管、橡胶管或珍珠棉管，具有良好的化学稳定性和热稳定性，气密性和水密性好，适应换热器的水和热环境，成本低，容易制作，结构简单，加工成本较低；

(3)本方案采用充满惰性气体的内管，只会受到外部压力影响；气密性和水密性好，惰性气体安全稳定性好，可控性强；

(4)本方案采用一种防冻换热器防止套管换热器因管内结冰，造成水体积膨大使套管换热器冻裂，使整个机组损坏，在热泵主机断电情况依然具有结冰防冻功能，为热泵主机起到最后一道防冻功能；

(5)使用了弹性中空管在水体结冰时会体积收缩避免水体结冰体积增大造成套管换热器冻裂，结构简单，内管的固定接头设置有外螺纹，且与外管通孔内螺纹相匹配。采用快拧直通锁母式接头封闭，在进行安装时，不发生移动，安装精确，可控性好，方便内管进行固定，稳定，且不会泄漏；

(6)该弹性中空管采用硅胶、橡胶、珍珠棉管等一些类似材质，具有良好的化学稳定性和热稳定性，气密性和水密性好，适应换热器的水和热环境；

(7)密闭端为直接成型密封端或者为中空的内管端部塞有密封塞。可以一次性成型，也可以根据需求在后添加，可以方便内管体积进行压缩，保证相对固定的内部体积；

(8)通过对于内外管道尺寸的限制，保证可压缩体积大于冰膨胀的体积，保证外管不会破裂，由于换热器需要控制流量，这样内部软管的尺寸不能太大，防止流量过小，也不能过小，防止无法抵消冰膨胀的体积，保证了内外管的设置在流量限定的范围之内，顺利进行防冻。

附图说明

图1为本发明的防冻系统结构示意图；

图2为本发明的换热器结构示意图；

图3为固定接头连接内管结构示意图。

1、外管；2、内管；201、隔断；3、密闭端；4、固定接头；401、连接口。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1所示，一种多级内管防冻系统，包括外管1，外管1内部设置有内管2，所述的内管2为中空的弹性管。内管2内部设置有一个或以上的隔断201，弹性管中空部分通过管壁与外部的液体隔离，如外部为水，则外部的水由于弹性管道的隔水作用，保证了不会进入内部中空部位，保证了中空部位的空间，隔断201的设置使得内管设定为若干个中空部位，当一个部位发生破裂等损坏的情况，其余中空部位可以起到抵消结冰的膨胀体积作用，安全性好。

此处的弹性软管可以为软管，内管2方便穿入外管1中，当然根据需求可以符合要求的其他类型的弹性管道，在通水的情况下，结冰通过内管的收缩，抵消结冰的膨胀体积，防止外管因为结冰增大导致破裂，所述的内管2为硅胶管、橡胶管或珍珠棉管，成本低，容易制作。所述的内管2中空部位充满惰性气体，气密性和水密性好，惰性气体安全稳定性好。

内管2中空部位密封且充满气体，此气体为空气或惰性气体；充满空气时候成本低，且方便充入，当内管2中空部位充满惰性气体，气密性和水密性好，惰性气体安全稳定性好。

也可以选用内管2中空部位非密封的情况，非密封的内管2在进水口处通过联通的接头，使得内管2内靠近接头部分中空部分的空气与管外空气联通。

本方案不需要使用带电的加热系统，防止对管道进行防冻，直接在管道中设置相应尺寸的可压缩软管皆可完成对管道的防冻，方便快捷，成本低。

实施例2

换热器一般使用于热泵或空调领域冷媒和水，当在除霜、制冷及冬季温度较低时，可能造成换热器水侧端因水结冰体积膨胀造成换热器冻坏。在换热器内部增加充气的硅胶或可压缩的珍珠棉管及其他类似材料。当换热器水侧内部因结冰体积膨胀时，可压缩充气硅胶管或珍珠棉管及其他类似材料。使换热器水侧受到的压强减小，从而防止换热器胀裂。

上述防冻系统用于换热器领域中，如图2所示，同心的内管和外套管组成的套管式换热器，此为外管1，外管1设置一根密封可压缩的中空弹性管，即内管2，其中内管2一端为固定接头4，另一端为密闭端3，固定接头4包括连接口401，内管2套于连接口401上，连接口401为密封，固定接头4固定在外管1上，密闭端3伸入外管1内部。内管2为密封可压缩的中空硅胶管，内部为空气或者惰性气体。惰性气体可以保证硅胶中空管的稳定性，在各种环境下不会损坏，气密性和水密性好，气体稳定，不会因为环境变化以及其他因素介入发生变化，安全稳定性好。此处的硅胶管也可以为橡胶管或珍珠棉管。

所述的外管1一端侧壁设置有带有内螺纹的通孔，内管2的固定接头4设置有外螺纹，且与外管1通孔内螺纹相匹配。形成快拧直通锁母式接头封闭，方便内管进行固定，稳定，且不会泄漏。

密闭端3为直接成型密封端或者为中空的内管2端部塞有密封塞。可以方便内管体积进行压缩，保证相对固定的内部体积。本方案的换热器管，通过内部设置的内管，通过简单的弹性压缩的设置，使得水管不会发生形变而破损所述内管2抵消换热器水管结冰时膨胀的体积，又能满足换热时所需的流量。

实施例3

实施例3与实施例2基本相同，不同之处在于，如图3所示，固定接头4包括连接口401，内管2套于连接口401上，连接口401中间为连通，连通的连接口401将内管2靠近连接口401的中空空间与外部的大气相联通。工作时候，正常情况下，内管2由于水压不大，内管2由于管子的由一定强度，中部保持中空，靠近连接口401的中空空间中空的空气与外部的空气联通，当温度降低，管内的水冻住时候，水由于结冰体积增大，增大的体积挤压内管2，内管2的空气，通过连接口401的中空口，排出到大气中，内管2缩小，保证了外管1不会被挤压。其余部分的中空部分由于隔断的作用，各自独立保持密封状态，可以抵消膨胀的体积。当一个部分发生损坏，不影响其整体作用。

实施例4

由于换热器需要对流量和换热量进行限制和保证，对于内外管的尺寸和体积也需要进行相应的设置和限定，才能满足换热器换热量和流量的充足，还能保证结冰的体积达到所需的要求。内管2在水结冰时膨胀条件需要满足条件如下：v1≧1/10v2，其中v1为内管完全变形可压缩体积，v1＝(r2/2)²*3.14*l1其中，r2为内管2中空内径，l1为内管长度，v2为外管1内部体积，v2＝(r3/2)²*3.14*l2，r3为外管1内径，l2为外管1长度，管壁厚度可以设定为h。

内管2还需要满足如下：p1>p2，其中p1内管最大环向应力，p2为内管2完全变形设计压力，p1＝p2d/2δ，d为内管2外径，δ为内管2壁厚。p1>p2情况下当套管式换热器管内完全结冰时，硅胶中空管可以完全变形。还需要满足：q＝cm△t,其中q为换热器制热量，c表示性能参数1.162，c的性能参数1.162是根据水的比热容确定的，不同的液体此处的c值根据其液体的比热容进行改变，m表示流量，△t表示换热器进出水温差，流量m与管径关系为m＝(v2-v1)/l1*(2/3)v1，v1为设计流速。△t可以设定为如下：△t＝5℃，换热器设计流速可以v1为0.8-2m/s。

根据公式q＝cm△t，m＝(v2-v1)/l1*(2/3)v1，求得v1是否满足设计流速，综上所述外径фr1，中空内径фr2的硅胶管是否可以满足фr3套管换热器。通过对于内外管道尺寸的限制，保证可压缩体积大于冰膨胀的体积，保证外管不会破裂，由于换热器需要控制流量，这样内部软管的尺寸不能太大，防止流量过小，也不能过小，防止无法抵消冰膨胀的体积，保证了内外管的设置在流量限定的范围之内，顺利进行防冻。

实施例5

实施例2-4中一种防冻换热器制造方法，步骤如下：

a、根据所需要套管换热器的型号确定所需要外管1的长度；

b、根据外管1内壁管径计算出内管2的外管径及中空直径；

c、将内管2密封一端沿着套管式换热器进水口塞进换热器水管中，另一端部通过快拧直通锁母式固定接头4封闭于铜管上。此处的接头可以在外管1上焊接成所需结构。此处可以设定为固定于套管式换热器的进水口处。

其中，内管2的弹性软管制作工艺如下：

(1)硅胶中空管一头端部为封闭，可以直接一次成型，也可以在一头端部塞入密封塞，保证其密封；

(2)另外一头端部通过快拧直通锁母式接头封闭；

通过计算和结构的设计，保证套管换热器设置有可伸缩的内管2，在没有电的情况下依旧可以简单方便的进行防冻。

实施例6

根据实施例2-5实际设计一种套管式换热器，其中，内管2为硅胶管，内管2中间中空，软管尺寸选择如下：内管2外径尺寸为ф8mm；中空内径：ф6mm，内管2与套管式换热器等长，长度为1000mm；弹性中空管完全变形压缩体积：v1＝(6/2)²*3.14*1000＝28260mm³；套管式换热器内管管径ф19mm，管壁厚度为h＝1mm，设计压力p1＝10mpa，则套管式换热器内管体积为：

v2＝(19/2)²*3.14*1000＝226865mm³

满足水结冰时膨胀条件v1≧1/10v2；

弹性软管最大环向应力为p1＝10mpa，即设计压力环向应力公式p1＝p2d/2δ(公式中p2-完全变形设计压力，d为硅胶管外径，δ为硅胶管壁厚)p2＝2.5mpa。

即p1>p2，当套管式换热器管内完全结冰时，硅胶中空管可以完全变形；

换热器热量与流量关系：q＝cm△t，流量与管径关系：m＝(v2-v1)/l*(2/3)v1，其中q表示换热器热量，设计换热器制热量为q＝5kw，c表示性能参数1.162，m表示流量，△t表示换热器进出水温差△t＝5℃，换热器设计流速v1为0.8-2m/s，此处的设计流速依据换热器的设计规范来进行设定，在其他领域需要满足冷却的场合，可以根据需求设定设计流速；根据公式q＝cm△t，m＝(v2-v1)/l*(2/3)v1，求得v1＝1.98m/s满足设计流速。综上所述外径ф8mm，中空内径ф6mm的内管2硅胶管可以满足ф19mm套管换热器。本方案采用此内管2既满足流量的要求，保证了换热效率，又保证了在冰冻状态下换热器不会被撑破，安全性好。

实施例7

上述实施例1-6所述的防冻系统和防冻换热器，可以应用于多种热能领域，一种防冻换热器的应用，包括使用了本方案的防冻换热器的空调、热泵。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。