一种管壳程变体积同轴套管热交换器

1.本发明涉及空调制冷技术领域，具体涉及一种管壳程变体积同轴套管热交换器。


背景技术：

2.蒸发器是制冷装置中的核心换热设备，根据被冷却介质种类的不同，蒸发器可分为水冷蒸发器和风冷蒸发器。根据供液方式的不同，可分为干式、满液式和降膜式蒸发器等。
3.传统的同轴套管热交换器作为一种水冷蒸发器，常用于制冷装置中。传统的同轴套管热交换器的内管一般采用光管或螺纹换热管，其管径从入口到出口保持不变，外管一般采用圆管，管材与内管相同或不同均可，其管径从入口到出口也保持不变，由此，导致传统的同轴套管热交换器的管程和壳程空间自始至终保持不变。而制冷装置中的制冷剂在蒸发器内发生相变传热，制冷剂由液态变为气态，体积发生剧烈变化，制冷剂体积增大对应所需空间也越大，而传统的同轴套管热交换器的壳程空间自始至终保持不变，从而影响换热效率，也即影响热交换器的换热能力。


技术实现要素：

4.针对以上不足，本发明提供一种管壳程变体积同轴套管热交换器，能够解决制冷剂在发生相变传热过程中的体积变化所造成的换热效率受影响的问题。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种管壳程变体积同轴套管热交换器，包括螺旋扭曲管，其一端端口为冷冻水入口，另一端端口为冷冻水出口；外圆管，其套设在所述螺旋扭曲管外侧，所述外圆管靠近冷冻水入口的一端侧壁上设置有制冷剂出口，靠近冷冻水出口的侧壁上设置有制冷剂入口；所述外圆管靠近冷冻水入口的端部通过渐扩管段与螺旋扭曲管的端部密封连接，所述外圆管靠近冷冻水出口的端部通过渐缩管段与螺旋扭曲管的端部密封连接；所述螺旋扭曲管及其上的冷冻水入口、冷冻水出口构成供冷冻水流动的管程空间；所述制冷剂出口、渐扩管段、外圆管、渐缩管段以及制冷剂入口构成供制冷剂流动的壳程空间；所述螺旋扭曲管在靠近制冷剂出口的部分具有螺旋扭曲管段一，在靠近制冷剂入口的部分具有螺旋扭曲管段二，且所述螺旋扭曲管段一外部对应部位的壳程空间大于所述螺旋扭曲管段二外部对应部位的壳程空间。
6.优选的，所述外圆管为单管，包括依次连接的外圆直管段一、外半圆环管和外圆直管段二。
7.优选的，所述螺旋扭曲管为单管，包括依次连接的直管段一、螺旋扭曲管段一、直管段二、内半圆环管、直管段三、螺旋扭曲管段二和直管段四。
8.优选的，所述螺旋扭曲管与外圆管同轴设置。
9.优选的，所述螺旋扭曲管段一对应部位处的管程空间与壳程空间的体积比为1:4~12；所述螺旋扭曲管段二对应部位处的管程空间与壳程空间的体积比为1:1~2:1。
10.优选的，所述螺旋扭曲管段一的长、短轴比大于所述螺旋扭曲管段二的长、短轴比。
11.优选的，所述外圆管的外圆直管段一、外半圆环管和外圆直管段二一体成型。
12.优选的，所述螺旋扭曲管的直管段一、螺旋扭曲管段一、直管段二、内半圆环管、直管段三、螺旋扭曲管段二和直管段四一体成型。
13.优选的，所述螺旋扭曲管为金属材质制成。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、采用管壳程变空间的设计以适用流体相变传热的体积空间需求，可提高平均传热系数，有助于保证换热效率，保证热交换器的换热能力；因此，对于同等的换热量，可有效减少水冷蒸发器的传热面积，降低造价，节约成本；2、采用螺旋扭曲管作为高效强化传热管的冷水蒸发器，具有体积小、安装和维护空间小的优点，特别适用于安装空间紧张场合，能使换热设备结构紧凑，体积小；3、采用螺旋扭曲管作为换热管，在流体冷、热流道中产生的离心力有利于产生二次流，可增强流体湍动，使换热管壁内外侧的流体热边界层变薄，降低传热热阻，较之传统的同轴套管水冷蒸发器，其传热效率更高；4、本发明的管壳程变体积同轴套管热交换器全部材质为同一种金属材质，有利于加工，且有利于热交换器与流体输配管网管道之间的连接。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
16.图1是本发明装置的主视平面示意图；图2是本发明装置壳程的主视平面示意图；图3是本发明装置管程的主视平面示意图；图4是本发明装置的剖面示意图；图5是本发明装置的流体流动示意图。
17.附图标记说明：1-冷冻水入口、2-渐扩管段、3-制冷剂出口、4-外圆管、401-外圆直管段一、402-外半圆环管、403-外圆直管段二、404-壳程空间、5-螺旋扭曲管、501-直管段一、502-螺旋扭曲管段一、503-直管段二、504-内半圆环管、505-直管段三、506-螺旋扭曲管段二、507-直管段四、508-管程空间、6-制冷剂入口、7-渐缩管段、8-冷冻水出口。
具体实施方式
18.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清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
19.在本发明的描述中 ，需要说明的是，术语“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二
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等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
20.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.请参照图1至图4，本发明优选的实施例提供一种管壳程变体积同轴套管热交换器，主要包括有外圆管4和螺旋扭曲管5。
22.请继续参照图1至图4，螺旋扭曲管5的一端端口为冷冻水入口1，另一端端口为冷冻水出口8。螺旋扭曲管5为单根管，包括依次连接的直管段一501、螺旋扭曲管段一502、直管段二503、内半圆环管504、直管段三505、螺旋扭曲管段二506和直管段四507，其中，冷冻水入口1开在直管段一501端部，冷冻水出口8开在直管段四507端部。直管段一501、直管段二503、内半圆环管504、直管段三505和直管段四507为圆管，螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506则由圆管经特殊设备压制和加工而成，并经旋钮后形成螺旋扭曲状，也即具有多条向外凸伸并螺旋环绕在管壁外的螺旋凸叶以使得螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506为多叶螺旋管，本发明采用螺旋扭曲管替代传统的光管或波纹换热管。
23.螺旋扭曲管5的直管段一501、螺旋扭曲管段一502、直管段二503、内半圆环管504、直管段三505、螺旋扭曲管段二506和直管段四507一体成型，也即通过一根圆管加工而成。且螺旋扭曲管5为金属材质制成，也即直管段一501、螺旋扭曲管段一502、直管段二503、内半圆环管504、直管段三505、螺旋扭曲管段二506和直管段四507由金属材质制成。
24.请继续参照图1至图4，外圆管4套设在螺旋扭曲管5外侧，外圆管4靠近冷冻水入口1的一端侧壁上设置有制冷剂出口3，靠近冷冻水出口8的侧壁上设置有制冷剂入口6，且制冷剂出口3和制冷剂入口6均为朝上设置。外圆管4靠近冷冻水入口1的端部通过渐扩管段2与螺旋扭曲管5的端部密封连接，外圆管4靠近冷冻水出口8的端部通过渐缩管段7与螺旋扭曲管5的端部密封连接。
25.外圆管4为单管，包括依次连接的外圆直管段一401、外半圆环管402和外圆直管段二403。外圆管4的外圆直管段一401、外半圆环管402和外圆直管段二403一体成型。
26.螺旋扭曲管5与外圆管4同轴设置。
27.外圆管4、制冷剂入口6、冷冻水出口8均为圆管，螺旋扭曲管5的螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506为螺旋扭曲管，前后管段为圆管，且所有管段全部采用同一种金属制成，方便流体输配管网管道之间的连接。
28.螺旋扭曲管5及其上的冷冻水入口1、冷冻水出口8构成供冷冻水流动的管程空间508，也即冷冻水入口1、螺旋扭曲管5的直管段一501、螺旋扭曲管段一502、直管段二503、内半圆环管504、直管段三505、螺旋扭曲管段二506、直管段四507和冷冻水出口8构成供冷冻水流动的管程空间508。
29.制冷剂出口3、渐扩管段2、外圆管4、渐缩管段7以及制冷剂入口6构成供制冷剂流动的壳程空间404，也即渐扩段2、制冷剂出口3、外圆管4的外圆直管段一401、外半圆环管402、外圆管直管段二403、制冷剂入口6、制冷剂入口8和减缩段7构成供制冷剂流动的壳程空间404。
30.螺旋扭曲管5的螺旋扭曲管段一502设置在靠近制冷剂出口3的部分处，螺旋扭曲管段二506设置在靠近制冷剂入口6，且螺旋扭曲管段一502外部对应部位的壳程空间404大于螺旋扭曲管段二506外部对应部位的壳程空间404。
31.在一些实施例中，螺旋扭曲管段一502外部对应部位的壳程空间404大于螺旋扭曲管段二506外部对应部位的壳程空间404，可以是螺旋扭曲管段一502螺旋扭曲管段一502的长、短轴比一致，而对应位置的外圆直管段一401和外圆直管段二403的管径不同，以使得螺旋扭曲管段一502外部对应部位的壳程空间404大于螺旋扭曲管段二506外部对应部位的壳程空间404；或者是螺旋扭曲管段一502螺旋扭曲管段一502对应位置的外圆直管段一401和外圆直管段二403的管径相同，而螺旋扭曲管段一502螺旋扭曲管段一502的长、短轴比不一致，以使得螺旋扭曲管段一502外部对应部位的壳程空间404大于螺旋扭曲管段二506外部对应部位的壳程空间404。
32.下面对本发明的管壳程变体积同轴套管热交换器的运行过程进行一个示例性的说明：制冷工况（如图5所示）：12℃的冷冻回水由空调管网流回制冷装置的水冷蒸发器（即本发明的管壳程变体积同轴套管热交换器），经过冷冻水入口1流入管壳程变体积同轴套管热交换器的管程，主要通过螺旋扭曲管5的螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506的外管壁与壳程的制冷剂进行换热后，被冷却到7℃，从冷冻水出口8流出；相应地，经节流装置节流的低温、低压液态制冷剂，经过制冷剂入口6流入水冷蒸发器（即本发明的管壳程变体积同轴套管热交换器）的壳程，通过螺旋扭曲管5的螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506的外管壁与管程的冷水进行换热后，在管程发生相变传热，由低温、低压的液态制冷剂蒸发为低温、低压的气态制冷剂，从制冷剂出口3流出，流回制冷装置的压缩机，进入压缩循环。冷冻水和制冷剂在管壳程变体积同轴套管水冷蒸发器中，由于温差和相变传热的驱动，通过螺旋扭曲管壁进行间接换热，从而达到热量传递的目的。由于两路流体之间的换热采用了强化传热以及逆流传热的方法，并采用管壳程变体积的设计，从而使得冷冻水和制冷剂之间的传热，较之在传统的同轴套管水冷蒸发器，换热效果更好，换热效率更高。具体的，螺旋扭曲管段一502外部对应部位的壳程空间404大于螺旋扭曲管段二506外部对应部位的壳程空间404，使得当制冷剂发生相变传热，由低温、低压的液态制冷剂蒸发为低温、低压的气态制冷剂后，制冷剂体积增大，对应的空间也要增大，从而通过大空间的壳程，有助于保证换热效率，保证热交换器的换热能力。
33.螺旋扭曲管管内的传热性能的变化主要是由于换热管的扭曲引起了换热管管内二次流，二次流的出现带来了合速度分布的变化，进而影响了流动截面的温度分布。螺旋扭曲管相对于光管或螺纹管几何参数的变化引起了换热管内的二次流，二次流的出现改变了换热管横截面温度场以及速度场分布，同时也改变了换热管横截面nu以及f的分布，从对场的影响上来讲，二次流的出现降低了管内速度场与温度梯度场之间的夹角，从而实现了换热管的强化传热。这也是螺旋扭曲管相对于光管或螺纹管横截面速度场、温度场的变化带
来强化传热的理论机理。即螺旋扭曲管的强传热机理为：螺旋扭曲管沿换热管轴向的不间断扭曲引起了换热管管内二次流的出现，相对于光管或螺纹管，二次流的出现改变了换热管横截面速度场以及温度场分布，同时也改变了换热管横截面努赛尔数nu以及摩擦系数f的分布，降低了速度场以及温度梯度场之间的夹角，实现强化传热。
34.在一些实施例中，螺旋扭曲管段一502对应部位处的管程空间508与壳程空间404的体积比为1:4~1:2；螺旋扭曲管段二506对应部位处的管程空间508与壳程空间404的体积比为1:1~2:1。示例性地，在一种优选的实施例中，螺旋扭曲管段一502对应部位处的管程空间508与壳程空间404的体积比为1:4；螺旋扭曲管段二506对应部位处的管程空间508与壳程空间404的体积比为1:1。合理的管程空间508与壳程空间404的体积比能够在保证管程和壳程的合理大小下保证冷冻水和制冷剂的流动，并能够调整同轴套管热交换器的管程和壳程的体积空间，以适应制冷剂在发生相变传热过程中的体积变化需求，保持制冷剂和冷冻水的流速在高效换热区域范围内，能有效提高同轴套管热交换器的换热效率，降低流阻。
35.本发明中，采用螺旋扭曲管替代传统的光管或波纹换热管，因螺旋扭曲，在螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506具有长、短轴，且螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506为螺旋扭转加工而成。螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506扭得越扁，长、短轴的比例就越大；长、短轴的比例越大，壳程越大。则在优选的实施例中，螺旋扭曲管段一502的长、短轴比大于螺旋扭曲管段二506的长、短轴比，以保证在螺旋扭曲管段二506具有大的壳程。螺旋扭曲管段一502和螺旋扭曲管段二506通过改变长、短轴的比值，可改变管程空间404与壳程空间508的体积比，从而满足不同流体在管程和壳程的体积变化需求，特别适合于相变换热引起的流体体积变化。
36.本发明采用管壳程变空间的设计以适用流体相变传热的体积空间需求，可提高平均传热系数，有助于保证换热效率，保证热交换器的换热能力；因此，对于同等的换热量，可有效减少水冷蒸发器的传热面积，降低造价，节约成本；采用螺旋扭曲管作为高效强化传热管的冷水蒸发器，具有体积小、安装和维护空间小的优点，特别适用于安装空间紧张场合，能使换热设备结构紧凑，体积小；采用螺旋扭曲管作为换热管，在流体冷、热流道中产生的离心力有利于产生二次流，可增强流体湍动，使换热管壁内外侧的流体热边界层变薄，降低传热热阻，较之传统的同轴套管水冷蒸发器，其传热效率更高；本发明的管壳程变体积同轴套管热交换器全部材质为同一种金属材质，有利于加工，且有利于热交换器与流体输配管网管道之间的连接。
37.本发明提供的管壳程变体积同轴套管热交换器，采用螺旋扭曲管替代传统的光管或波纹换热管，通过改变螺旋扭曲管的长、短轴比来调节同轴套管热交换器的管程和壳程的体积空间，以适应制冷剂在发生相变传热过程中的体积变化需求，保持制冷剂和冷冻水的流速在高效换热区域范围内，能有效提高同轴套管热交换器的换热效率，降低流阻，具有体积小、重量轻、换热效果好的优点，是传统同轴套管热交换器的更新换代产品。
38.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。