竖直热交换器的制作方法

本发明涉及用于流体的热处理的设备的领域，特别是涉及适用于工业空调系统的设备。

更详细地，本发明涉及一种壳管式热交换器，特别是一种蒸发器，优选地具有整体“竖直”的构造。

背景技术：

如技术领域中已知的，热交换器是可提供多种构造变化的设备，例如根据它们的几何形状、紧凑性、使用它们的过程的类型或者根据它们在操作状态下表现出的特定热交换分布。

一种称为管壳式的特定类型的热交换器通常提供壳体或壳，在该壳体或壳内容纳有一束管，第一操作流体或工艺流体在该束管内流动。第二流体或服务流体在壳内循环，以实现与第一操作流体的热能交换。例如，在蒸发器的情况下，服务流体是温度低于工艺流体的制冷剂流体，其蒸发并从工艺流体吸收热量，工艺流体冷却。

典型地，上述交换器提供了一种结构，在组装和操作状态下，该结构主要沿水平方向发展，特别是对于壳的布置及其内部的管束的发展方向均是如此，无论是在交换器提供完全浸没在制冷剂流体中的管束(所谓的“淹没”型)的情况下还是在制冷剂流体的供给借助于在管束本身上产生“雨”的分配系统从上方供应(所谓的“降膜”型)的情况下。

离开制冷剂的方向通常与管束发展正交。

然而，具有上述构造的交换器主要在热交换效率、总体尺寸、管理和操作成本方面仍是可完善的。

技术实现要素：

因此，本发明提出并解决的技术问题是克服上述缺点，这是通过权利要求1中限定的热交换器来实现的。

特别地，本发明的目的是提供一种热交换器，该热交换器具有高效率特征，并且构造紧凑且具有减小的总体尺寸。

本发明的另一个目的是提供一种热交换器，其降低了管理和操作成本，并且减少了维护操作所需的时间。

在相应的从属权利要求中限定了本发明的另外的特征。

本发明涉及一种热交换器，在优选实施例中，该热交换器的结构具有整体竖直的构造。一般来说，热交换器包括壳结构和在内部的管束，其中管束旨在在内部接收第一操作流体或工艺流体，并且具有沿着纵向方向发展的广泛延伸。优选地，在热交换器的使用中，所述纵向方向是“竖直方向”，即基本上平行于重力方向的方向。壳结构包括在第一(优选底部的)纵向端部处的入口开口，壳结构易于允许第二操作流体或服务流体在其内部循环，并且优选同轴地布置成围绕管束。

具体地，在壳结构内部存在壳体，该壳体在热交换室中包围所述管束，使得在壳体和壳结构之间限定有环形区域，该环形区域在管束的整个长度上连续地延伸。所述环形区域通过在所述壳体的第二(优选顶部的)纵向端部处获得的流出开口与热交换室流体连通。优选地，流出开口呈现笛嘴(flute-beak)的几何形状。

所述流出开口在壳体上以这样的方式获得，即，保持面向来自热交换器的第二操作流体的出口开口的后壁被限定，所述出口开口由壳结构在所述第二(优选顶部的)纵向端部处提供。入口开口和出口开口通过所述环形区域流体连通。

这种构造解决方案—特别是在壳结构、其内部的管束和围绕管束的壳体竖直延伸的情况下(在优选实施例中，各自呈现基本上圆柱形的形状)—是简单、坚固和节省成本的。例如，这种解决方案有利地允许热交换器容易地被批准用于等于或大于16巴的操作压力，通过使其重量可被工业地坪承受而使设备轻巧，并且对于冷却能力低于1mw的情况具有减小的总体尺寸。

在一个优选实施例中，热交换器被构造成作为蒸发器操作，并且优选地定位在壳体的顶部纵向端部处的笛嘴形流出开口的特定定位允许服务流体(在这种情况下为制冷剂流体)在离开壳结构之前穿过环形区域。

以这种方式，热交换的效率被最大化，并且液体制冷剂流体被直接拖曳的机会被显著减小，从而避免了不参与能量交换的质量流的不希望的旁通，这可能会危及连接在交换器下游的装置(诸如压缩机)的正确操作。

此外，有利地，根据本发明的作为蒸发器操作的热交换器允许将现有技术的用于沸腾的技术管用作管束，并减小空调设备的整体尺寸。例如，考虑到包括根据本发明的优选实施例的蒸发单元、冷凝单元、压缩单元和电气面板的组装组，该组装组的整体尺寸使得其能够穿过工业门和货运电梯。此外，在实行热交换器的整体竖直构造的情况下，甚至可以减少其操作所需的服务流体的量。例如，蒸发器的操作所需的制冷剂流体的负荷非常低，例如甚至允许交换器在相对于管束的净发展的高度方面填充10％-20％。在理想情况下，该高度甚至可以更低或者几乎为零，从而仅以悬浮在热交换室中的液体制冷剂的量提供操作。

本发明的其他优点、特征和使用模式将从对一些实施例的以下详细描述中变得明显，这些实施例是以示例的方式示出的，而不是出于限制的目的。

附图说明

将参考附图，在附图中：

-图1示出了根据本发明的热交换器的优选实施例的侧视图，其中壳结构被透明地示出；

-图2示出了图1的热交换器的上部部分的轴测图，以及由此流出的第二操作流体或服务流体的流线；

-图3示出了在壳结构的出口开口处沿着图1的交换器的横向平面的截面中的第二操作流体的流线；

-图4示出了沿着图1的热交换器的纵向平面的截面中的第二操作流体的流线；

-图5a和图5b示出了处于蒸发器构造中的热交换器的优选实施例的不同取向的两个侧视图；

图6a和图6b示出了处于冷凝器构造中的热交换器的优选实施例的不同取向的两个侧视图。

具体实施方式

下文将参考上述附图描述本发明。

除非另有说明，诸如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“右”、“左”等的术语的方向参考旨在相对于本发明的具体实施例的取向。

一般来说，本发明涉及壳管式或所谓的“管壳式”热交换器，其使用优选为水(纯的或溶液形式)的第一操作流体或工艺流体以及优选为制冷剂流体的第二操作流体或服务流体，诸如例如氢氟烃(hfc)、氢氟烯烃(hfo)或具有类似性质的流体。

首先，参考图1，示出了根据本发明的热交换器100的优选实施例的概述。优选地，热交换器100是蒸发器，其中，众所周知，制冷剂流体接触(或者同时通过对流现象)管束，从在管束内部流动的工艺流体中移除热能，从而冷却工艺流体。图5a和图5b示出了根据本发明的蒸发器的优选实施例的示意图，其中交换器100内的服务流体的入口开口和出口开口分别由附图标记32和31表示，而第一操作流体的交换器100的入口和出口分别由附图标记12和11表示。

交换器100包括由附图标记10表示的管束，其旨在在内部允许第一操作流体通过前述相应开口11、12循环。如进一步参照图2和图4的优选实施例所示，管束10优选地具有沿着纵向方向a的广泛的发展延伸，该纵向方向基本上平行于由箭头g表示的重力方向。换句话说，在交换器100组装或操作的状态下，管束10可以优选地呈现基本上竖直的延伸，即相对于交换器本身的支撑平面或表面基本上垂直。

有意的是，进一步的实施例可以提供在操作状态下水平安装、定位或布置的热交换器100。

在任何情况下，热交换器100的总体构造是第二操作流体的流出方向基本上平行于管束10的发展的纵向方向。管束10的一个(或两个)末端在交换器100的头部处接合(相应的)管板13，以便向所述管束10供应工艺流体、技术人员可用的组分，并且不会进一步加深。

交换器100还包括壳结构30或壳，其适于允许第二操作流体在其内部循环。优选地，这种壳30同轴地放置以围绕所述管束10。此外，壳30是不透水的，并且具有合适的尺寸，以便在设计压力下操作。如在图示示例中所示，壳30因此沿包含在其内部的管束10的发展的相同纵向方向a延伸。

基本上，考虑到由一组相互正交的轴线(在图示的示例中分别由x、y和z表示)构成的参考系，热交换器100(特别是其壳30和管束10)根据平行于方向y的纵向方向a延伸，方向y正交于包括方向x和z的平面。

在作为蒸发器操作期间，进一步参考图5a和图5b，壳30在第一(优选底部的)纵向端部20b处(特别是在其下部部分附近或在其下部部分处)具有制冷剂流体的入口开口32。在相对的第二(优选顶部的)纵向端部20a处(特别是在上部部分附近)存在用于制冷剂流体的从交换器100出来的出口开口31。在与在管束10内部流动的流体发生热交换的过程中，通常以液体或两相(液体和蒸气)形式进入壳30的制冷剂流体蒸发并沿着管束10的相同纵向发展方向a向上上升至所述出口开口31。

根据替代实施例，交换器100内部的服务流体的进入可以通过递送系统并从不同于前述位置的位置(图中未示出)发生。

例如，第二操作流体可以从相对于壳30的纵向端部处于中间的位置或高度喷射，在特定高度到达管束10，以便在其向上蒸发期间部分地通过下落、凝结和部分地通过的拖曳向热交换器供应第二操作流体。在类似的构造中，交换器100可以在内部设置喷射供应系统，该喷射供应系统包括供应手段，例如圆柱形或环形收集器，通过该供应手段，服务流体被局部喷射到管束10的不同高度的区域中(就沿着纵向方向a(即平行于y轴线)的位置和沿着径向方向r(即包括在xy平面中)的位置而言)。

另外的实施例可以提供例如热交换器100的淹没，其中，服务流体从壳30进入并通过重力和/或环形分配器分配，从而以预定的量填充交换器的底部。

参考图1至图4，在壳结构30内部，特别是完全在其内部，壳体20在热交换室15中包围管束10。壳体20插置在壳30和管束10之间，并且允许在它们之间限定环形区域25，该环形区域25沿着所述管束10的长度l以连续的方式延伸。根据交换器100的优选实施例，所述环形区域25沿着正交于管束10的纵向发展方向a的径向方向r具有沿着管束10的长度l恒定的延伸。壳体20可以制成例如雕刻的管状元件或压延的雕刻薄片。甚至更优选地，壳结构30、所述壳体20和管束10同轴地放置，并且具有基本上圆柱形的形状。

特别地参照图2，环形区域25通过流出开口21与所述热交换室15流体连通，流出开口21在壳体20的所述第二(优选顶部的)纵向端部20a处获得。如图所示，这种流出开口21限定了壳体20的后壁210，后壁210面向来自热交换器100的第二操作流体的出口开口31。所述出口开口31由壳30在相同的第二(优选顶部的)纵向端部20a处提供，其中获得上述流出开口21。优选地，壳体20还具有一个或更多个贯穿开口，贯穿开口设置在第一(优选底部的)纵向端部20b附近，该第一纵向端部20b相对于设置有所述流出开口21的第二(优选顶部的)纵向端部20a是相对的，这将在后面讨论。换句话说，流出开口21优选地限定为内部壳体20的斜切口，从而内部壳体20在其面向所述出口开口31的第二(优选顶部的)纵向端部20a处包括后壁210。优选地，所述后壁210是面向流出开口21的弯曲壁。

流出开口21优选地具有笛嘴的整体几何形状，该形状是指开口的轮廓具有基本上椭圆形的几何形状。在这种情况下，椭圆的长轴的端部相对于壳体20的延伸达到上部相对位置21a和下部相对位置21b，其中所述后壁210的延伸与所述两个相对位置21a、21b之间的高度差成比例。特别地，后壁210的延伸随着所述高度差的增加而增加。后壁210的延伸越大，从热交换室15流出的流体的通流截面就越大。

流出开口21的特定定位和取向允许从热交换室15流出的第二操作流体在从所述壳结构30流出之前，在相对于所述纵向方向a的基本上横向的平面中穿过环形区域25。图2、图3和图4中所示的箭头代表与从所述流出开口21流出的第二操作流体相关联的流线，因此，将会理解，这样的开口21如何允许第二操作流体沿着环形区域25周向通过，将第二操作流体从壳30朝向出口开口31引导。

换句话说，例如在构造为蒸发器的交换器100中，从热交换室15蒸发的制冷剂流体不直接从出口开口31抽吸，而是偏离壳体20本身，从在纵向端部处获得的流出开口21流出，从而分布在环形区域25中。优选地，流出开口21在顶部的纵向端部20a处获得，并且与上述一个或更多个贯穿开口结合或作为其替代在底部的纵向端部20b处从壳体20提供。

有利地，这种流出开口21的存在减少了制冷剂流体的直接拖曳的机会，避免了制冷剂流体的质量流的不希望的旁通，这种旁通除了不参与与管束的热交换之外，在由连接到交换器100下游的其它单元(诸如例如压缩机)处理的情况下，还会导致有害结果。因此，环形区域还具有作为过量制冷剂流体的一种收集器的技术效果。在交换器100的其他实施例中，可以实施进一步的调节(图中未示出)，以避免液体形式的服务流体的拖曳，并且调节在流出开口21处提供。例如，诸如层压薄片的偏转元件可以适当地放置在壳体20的壁上，特别是面对热交换室15的壁上，以这种方式中断流过它的任何流体流。替代地或相结合地，可以提供已知的分离器装置，诸如所谓的除雾器，其包括通常由相容的塑料材料制成的翅片式组件(通常是印刷的或压铸的)，其用作液相和气相之间的分离器。可能收集的液体可以向下排放到环形区域25。其他实施例可以使用定位在抽吸开口处的热交换器(蛇形或螺旋形或管束型)，以便干燥接近抽吸开口的液体(中间冷却器)。

此外，壳体20的存在允许在交换器100内部提供第二操作流体的进一步供应模式。例如，壳体20可以设置有相对于管束10的纵向端部布置在中间位置的开槽连接或钻孔连接，以便在管束10的一定高度处引入制冷剂的质量流(速率或总量)。

如前所述，壳体20优选地在第一(优选底部的)纵向端部20b处具有一个或更多个贯穿开口。它们可以根据不同的构造或形状来实现，并且它们允许第二操作流体进入环形区域25以穿过壳体20并到达热交换室15，以便其以液体形式分配。这种贯穿开口可以是例如壳体20的小圆齿(crenulation)和/或孔和/或狭槽和/或周边切口。

因此，壳体20进一步充当第二操作流体的环形分配器和气/液分离器。

特别地，作为分配器，壳体20在朝向热交换室15的制冷剂流体引入阶段期间和在蒸发流体的抽吸阶段期间都操作。在后一种情况下，由于上述流出开口21的(特定取向)，壳体20将蒸发流从热交换室15内部的主要纵向蒸发方向a分配和偏转到交换器100的出口开口31处的横向方向r。

作为气/液分离器，优选地，壳体20允许双相形式并径向地进入壳30的服务流体冲击到面对环形区域25的壳的壁上，并将服务流体分成两相。

通过重力下落的液相到达交换器100的底部，并横穿上述贯穿开口，进入热交换室15。气相在环形区域25中朝着出口开口31上升，不参与热交换，并且被直接抽吸到交换器100外部。

如图1和图4最清楚示出的，壳结构30的入口开口32和出口开口31通过所述环形区域25流体连通。这样，气相可以直接到达壳侧的出口，避免在热交换室15内部过热。

有利地，相对于通常使用的体积，环形区域25因此可以接收相当少量的第二操作流体。特别地，蒸发器操作所需的制冷剂的量非常低，包括在管束10沿着纵向方向a的延伸量的约10％和20％之间。理论上，这样的量可以几乎为零，只有处于悬浮状态的少量制冷剂流体。这将可以通过液体管线过冷的温度测量反馈来操作对层压阀的打开的控制。这样，由于交换器100内的第二操作流体的液位非常低，其未被淹没的自由体积可以用作液体的接收器(在工作负荷分散的状态下，如果上升流体朝向流出开口31的拖曳速度在额定负荷下太高的话)。

此外，有利地，在热交换室15内封装管束10的壳体20的存在使流体沿着交换器100内的预定路径的引导更容易。再次参考图4，示出了沿着交换器100的纵向方向a的截面，其中箭头示出了在环形区域25和热交换室15内的第二操作流体的流线的路径。

由字母a、b、c、d、e、f表示的区域各自是指第二操作流体的相应速度分布，即，包括在大约从0到1.00m/s的速度范围内的分布a、包括在大约从1.00到2.00m/s的速度范围内的分布b、包括在大约从2.00到3.00m/s的速度范围内的分布c、包括在大约从3.00到4.00m/s的速度范围内的分布d、包括在大约从4.00至5.00m/s的速度范围内的分布e、包括在大约从5.00至任何更大的值的速度范围内的分布f。此外，在所示的示例中，在热交换室15内部，第二操作流体流的偏转手段22是可见的，并且将在稍后更详细地讨论。

壳体20引导交换热量的服务流体，限定了其在交换器内部的通流截面：特别地，与管束交换热量而蒸发的制冷剂流体仅在内部壳体内循环，以预定的通流截面穿过管束。

在蒸发器中，这样的通流截面具有这样的尺寸，以确保制冷剂的低压(depression)保证制冷剂的拖曳，导致制冷剂以高的上升速度朝向流出开口21。例如，上述速度分布所涉及的实验数据(如图2、图3和图4所示的流线所指示)表明对于与普通尺寸的压缩机(特别是标称功率在250kw和350kw之间的压缩机)相配合的根据本发明的热交换器，在标称质量流量的条件下，上升速度为约5m/s。这样，可以在20％的分散率下实现至少1m/s的速度，这被认为是获得制冷剂液体拖曳的下限值。因此，所供应的制冷剂流体被朝向交换器100的上部纵向端部20a输送，这既归因于通过压缩机向出口开口31提供的抽吸，也归因于对流，从而涉及整个管束10并且避免了制冷剂流体供应不良的区域。

如预期的那样，在优选实施例中，壳体20在内部包括第二操作流体流的偏转手段22，该偏转手段22相对于所述纵向方向a沿横向方向r布置，优选地，该偏转手段22还被构造成执行对管束10的支撑功能。偏转手段可以以与热交换室15内部的局部真空分数成比例的空间方式布置，或者彼此等距地间隔开。在任何情况下，如上所述，偏转手段赋予第二操作流体速度分量，该分量基本上垂直于管束10的发展方向a，使得管束10尽可能多地被第二操作流体横穿(横流)。

在一些实施例中，偏转手段甚至可以用作第二操作流体的供应/分配手段的集成变型。在这种情况下，所述流体(例如制冷剂流体)可以优选地散布在它们上面，部分地通过重力下落并供应下方的管束部分，并且部分地立即蒸发。自然，第二操作流体的不同供应模式可以通过偏转手段来实现，例如喷雾器或其他已知的装置。

优选地，第二操作流体的供应手段的操作模式和布置是这样的，即协同利用第二操作流体在交换器100的第一(优选底部的)纵向端部20b处的蒸发，以及其沿着纵向方向a直到壳体20的长度的拖曳。例如，供应手段可以沿着纵向方向a放置在不同的水平和/或中间高度处，特别是直接在热交换室15内部提供第二操作流体的入口。所述定位可以在例如从交换器100的底部纵向端部20b开始相对于管束10的长度l在等于1/3的高度处实现。

根据这样的实施例，所述入口可以例如由壳体20通过一个或更多个专用开口来提供，并且在其壁上获得。在任何情况下，优选地，供应手段布置在偏转手段处，或者如前所述直接由偏转手段提供。

与所谓的“降膜”和淹没型热交换器不同，第二操作流体(特别是制冷剂流体)的供应系统利用沿着纵向方向a布置在中间高度处的供应手段，允许有利地实现第二操作流体(特别是制冷剂流体)的分配的“自动调节”。这种构造允许实现这样的操作条件，其中参与热交换的液相和气相的量自动平衡，从而使室15内部沿着管束10的无流体区域最小化，并且因此优化设备的整体效率。

一般来说，所述偏转手段还可以根据多种几何形状来实现，例如可以是单元件、双元件或者甚至是圆盘或环形的。优选地，偏转手段包括一个或更多个板状元件22或隔膜，其设置有构造成被所述管束10横穿的多个第一开口。它们可以被填充，即，仅在它们被热交换管横穿的地方具有所述第一开口，或者具有以随机顺序分布在所述第一开口之间的第二开口，例如孔或狭槽。有利地，所述第二开口使第二操作流体在交换室15中的通过变得容易(增加了自由面积并减少了负载损失)和/或允许液态流体被排出，从而在流体供应源被置于其上的情况下或者在任何情况下实现了下降的分配器，而以不同方式供应的液态流体被积聚。

在优选实施例中，偏转手段22沿着纵向方向a占据壳体20的横向截面的圆形扇区，优选地占据壳体20的半圆形扇区。在所示的示例中，偏转手段22沿着所述纵向方向a顺序地布置，使得连续的偏转手段22a、22b相对于正交于它们并穿过纵向方向a的平面位于相对的半平面上。如前所述，偏转手段22相对于壳体20的发展的定位可以根据交换器100的负载条件适当选择，偏转手段22可以通过锚定到壳体20的面向热交换室15的壁来固定。

有利地，热交换器100甚至可以作为冷凝器操作，例如使制冷剂回路反向，并因此使用在第二(优选顶部的)纵向端部20a处的(出口31)开口作为从压缩机输送的过热制冷剂的入口，并且使用第一(优选底部的)连接(用于蒸发器的同一入口开口32或为此目的布置的另一个入口开口)作为过冷液体的出口。

同样，限定在壳体20和壳30之间的环形区域25的体积可以用于接收所谓的闪蒸罐，以提高系统效率。有利地，本发明允许在交换器100内部实现闪蒸罐，这与通常在外部设置闪蒸罐的已知交换器相反，因此实现了具有最小整体尺寸的集成解决方案。

参考图6a和图6b，上述“竖直”构造也适用于实现总体上用附图标记200表示的冷凝器。在这种情况下，管束10直接插入热交换器的壳30内。制冷剂(压缩机输送流)通过开口201的入口布置在顶部纵向端部20a处，并且优选地由偏转手段偏转的制冷剂气体通过管束10冷凝。聚集在冷凝器的基部部分20b附近的冷凝流体(液体)被过冷，然后从预期的连接处排出。

到目前为止，已经通过参考优选实施例描述了本发明。这意味着上文通过非限制性示例的方式描述的优选实施例中实现的每个技术解决方案可以有利地且不同地组合在一起，以实现属于相同发明核心但是落入在权利要求书的范围内的其他实施例。