專利名稱：蒸發(fā)器和致冷機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過發(fā)生在液體和冷卻介質(zhì)之間的熱交換過程來冷卻待冷卻液體(例如水、鹽水和類似物)的蒸發(fā)器，并涉及具有該蒸發(fā)器的致冷機(jī)。
背景技術(shù)：
在大規(guī)模建筑結(jié)構(gòu)中，如樓房，靠使用致冷機(jī)產(chǎn)生冷水并使冷水在安裝在樓房內(nèi)的管子流動(dòng)來執(zhí)行房間冷卻，靠與房間中的空氣熱交換冷卻房間。
圖6示出了設(shè)置在致冷機(jī)中蒸發(fā)器的例子。這樣的蒸發(fā)器包括筒形容器1，用于導(dǎo)入冷卻介質(zhì)并容納以“之”字方式成束的流通冷水的多個(gè)熱交換管2。
熱交換管2分為與冷水入口3連通的管組a，與設(shè)置在容器1的每一端的水腔(圖中省去)連通的兩個(gè)管組b、c，與冷水出口4連通的管組d(每組設(shè)置有相同數(shù)目的管子)，因此從冷水入口3流入的冷水流經(jīng)管組a，達(dá)到一個(gè)水腔，然后反向水流，經(jīng)過管組b進(jìn)入另一個(gè)水腔，第二次反向水流，經(jīng)過管組c到達(dá)另一個(gè)水腔，第三次反向水流，經(jīng)過管組d從冷水出口4排出。冷水流經(jīng)管組，兩次流過容器1的長度，在這個(gè)過程中，冷水與冷卻介質(zhì)熱交換并被以不同路徑導(dǎo)入容器1的冷卻介質(zhì)冷卻。另一方面，冷卻介質(zhì)被冷水加熱至沸騰并蒸發(fā)。
然而，具有這種結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器造成下列問題。
(1)在傳統(tǒng)的蒸發(fā)器中，每個(gè)管組中熱交換管的個(gè)數(shù)相同，管子的長度也相同。然而，若按水流方向上游周圍的那些管子與下游周圍的那些管子相比，在管子中流動(dòng)的冷水的流速幾乎不變。但是在下游周圍，在管中流動(dòng)的冷水和管外流動(dòng)的冷卻介質(zhì)之間的溫差小，因此與上游周圍的熱通量相比，熱通量較少，導(dǎo)致下游管組中熱交換率減少。
(2)在上游管組中，在管中流動(dòng)的冷水和繞管子外部流動(dòng)的冷卻介質(zhì)之間有溫差，導(dǎo)熱通量與上游處相比更大，因此增加了熱交換率。雖然增加熱交換率本身不是問題，在上游管子附近的冷卻介質(zhì)被自動(dòng)蒸發(fā)至某種程度，增加了空隙比，阻礙了液相冷卻介質(zhì)和冷水之間的熱交換，導(dǎo)致即使在上游管組熱交換率也降低。
(3)在上游管組中，氣態(tài)/液態(tài)界面(結(jié)霜度，或更精確的講，冷卻介質(zhì)的蒸汽和氣/液兩相混合物之間的界面)升高，同時(shí)在下游管組中，受上游管組中氣/液界面升高的影響，氣/液界面降低。因此，如果每個(gè)管組的最上部的熱交換管的高度都相同，下游管組的最上部的熱交換管暴露在氣相的冷卻介質(zhì)之中。因此，阻礙了冷卻介質(zhì)和冷水之間的熱交換，導(dǎo)致即使在下游管組中熱交換率也降低。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述的背景知識(shí)提供本發(fā)明，目的是提供一種通過增加蒸發(fā)器的熱交換率使其具有高的冷卻效率的致冷機(jī)。
提供具有下述結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器和致冷機(jī)作為實(shí)現(xiàn)本目的裝置。即通過在導(dǎo)入冷卻介質(zhì)的容器中設(shè)置成束的流通待冷卻液體的多個(gè)熱交換管而構(gòu)成蒸發(fā)器，其中，待冷卻液體的流道中給定位置處熱交換管總橫截面積在下游位置比流道上游位置小。
在基本型式的蒸發(fā)器中，通過減少待冷卻液體(待冷卻對(duì)象)流道下游處的單個(gè)熱交換管的橫截面積的總和，增加了流道的下游處待冷卻液體的流速，因此雖然待冷卻液體和冷卻介質(zhì)之間溫差小，熱通量還是增加的，因此在下游管組中，熱交換率提高了。
根據(jù)蒸發(fā)器的第二方面，多個(gè)熱交換管由具有相同直徑的管子組成，及多個(gè)熱交換管分組為管組，以便流道依次地迂回流過每個(gè)管組；屬于下游處的熱交換管個(gè)數(shù)少于屬于上游處熱交換管的個(gè)數(shù)。
在上述蒸發(fā)器中，通過相對(duì)于屬于上游處熱交換管個(gè)數(shù)減少屬于下游處熱交換管的個(gè)數(shù)，熱交換管的總橫截面積減小，導(dǎo)致待冷卻液體的流速增加，因此基本型式的蒸發(fā)器中的熱通量增加，于是既使在下游管組中也可能提高熱交換率。
根據(jù)蒸發(fā)器的第三方面，在導(dǎo)入冷卻介質(zhì)的容器中設(shè)置成束的流通待冷卻液體的多個(gè)熱交換管而構(gòu)成的蒸發(fā)器中，待冷卻液體的流道的給定位置處熱交換管之間的分離距離選定，因此上游管分離距離比下游管分離距離相對(duì)寬。
在上述蒸發(fā)器中，通過加寬待冷卻液體的流動(dòng)方向的上游處管子之間的分離距離，使冷卻介質(zhì)的蒸氣在熱交換管之間更容易上升，有利于冷卻介質(zhì)的液相和冷水之間的熱交換，因此在流道的上游處提高了熱交換率。
根據(jù)蒸發(fā)器的第四方面，多個(gè)熱交換管由具有相同直徑的管子組成，及多個(gè)熱交換管分組為管組，以便流道依次地迂回流過每個(gè)管組；位于上游處的多個(gè)熱交換管的那些熱交換管的分離距離比位于下游處那些熱交換管的分離距離寬。
在上述的蒸發(fā)器中，通過相對(duì)于管組中下游處增加管組中上游處的分離距離，使冷卻介質(zhì)的蒸氣在熱交換管之間更容易上升，有利于冷卻介質(zhì)的液相和冷水之間的熱交換，因此上游處管組中也提高了熱交換率。
根據(jù)蒸發(fā)器的第五方面，位于每個(gè)管組的最上邊的熱交換管以這種方式安裝位于上游管組的最上邊大多數(shù)管子高于位于下游管組的那些最上邊管子，堆積高度向下游管組逐漸變低。
在上述蒸發(fā)器中，通過使上游處管子依次高于下游處管子的方式安排每個(gè)管組的最上邊的熱交換管，即使上游處和氣/液界面高度增加，導(dǎo)致下游處氣/液界面的降低，也不會(huì)有最上邊的管子處于冷卻介質(zhì)的氣相之中的危險(xiǎn)。因此，有助于冷卻介質(zhì)和冷水之間的熱交換，于是即使在下游處管組中也提高了熱交換率。
本發(fā)明的致冷機(jī)包括基本的蒸發(fā)器或包括第二至第五方面的任一個(gè)的蒸發(fā)器；壓縮氣態(tài)冷卻介質(zhì)的壓縮機(jī)；冷卻和液化壓縮了的氣態(tài)冷卻介質(zhì)的冷凝器；在液態(tài)冷卻介質(zhì)流到蒸發(fā)器的過程期間減少冷卻介質(zhì)壓力的膨脹閥。
在上述的致冷機(jī)中，蒸發(fā)器中通過熱交換管的熱交換率如上所述得到提高，因此提高了熱交換效率。即使能量消耗降低，也能實(shí)現(xiàn)等同于傳統(tǒng)致冷機(jī)的性能水平。


圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例中致冷機(jī)的示意圖；圖2是圖1中面II-II的蒸發(fā)器的橫截面圖；圖3是第二實(shí)施例中蒸發(fā)器的橫截面圖；圖4示出了蒸發(fā)器中熱交換管的位置；圖5是第三實(shí)施例中蒸發(fā)器的橫截面圖；圖6是設(shè)置在致冷機(jī)中的傳統(tǒng)蒸發(fā)器的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1和圖2解釋第一實(shí)施例中的蒸發(fā)器和致冷機(jī)。
圖1為致冷機(jī)結(jié)構(gòu)的示意圖。圖1中示出的致冷機(jī)包括靠廢水和氣態(tài)冷卻介質(zhì)之間的熱交換冷凝和液化冷卻介質(zhì)的冷凝器10；減小已冷凝的冷卻介質(zhì)壓力的膨脹閥11；靠已冷卻的冷卻介質(zhì)和冷水(待冷卻液體)之間的熱交換來冷卻冷水，并氣化冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)器12；壓縮氣態(tài)的冷卻介質(zhì)，給冷凝器提供壓縮后的冷卻介質(zhì)的壓縮器13。致冷機(jī)靠蒸發(fā)器12產(chǎn)生冷水，用該冷水為樓房調(diào)節(jié)溫度等。
蒸發(fā)器12的結(jié)構(gòu)如下沿著容器14的長度方向，多個(gè)熱交換管15在筒形容器14中成束安裝(圖1示出了簡化的布局)，冷卻介質(zhì)在容器14中流動(dòng)。
圖2示出了蒸發(fā)器12的橫截面圖。熱交換管15由具有相同直徑的金屬管制成，并按“之”字形安裝。而且，熱交換管15分為A至D四個(gè)管組，通過細(xì)分設(shè)置在容器14每一端的水腔(圖中省略)，冷水路徑依次迂回通過管組A至D。
詳細(xì)的講，冷水入口16的一端與屬于A組的熱交換管15的一端(圖2中紙的前側(cè))連通，屬于A組的熱交換管15的另一端(圖2中紙的后側(cè))與屬于B組的熱交換管15的另一端連通，屬于B組的熱交換管15的一端與屬于C組的熱交換管15的一端連通，屬于C組的熱交換管15的另一端與屬于D組的熱交換管15另一端連通，屬于D組的熱交換管15的一端與冷水出口17連通，因此冷水兩次流過容器14的內(nèi)部。
本實(shí)施例中蒸發(fā)器12的特征是屬于冷水流道的下游處的D組熱交換管15的個(gè)數(shù)，少于屬于A至C組中任一組的熱交換管15的個(gè)數(shù)。
而且，本實(shí)施例中的蒸發(fā)器12，屬于管組D和其它管組的熱交換管15個(gè)數(shù)的差別調(diào)配至管組A，因此屬于管組A的熱交換管15的個(gè)數(shù)增加，但熱交換管15的總個(gè)數(shù)保持與傳統(tǒng)蒸發(fā)器的一致。
在以這種方式構(gòu)造的蒸發(fā)器12中，屬于管組A至D的熱交換管15的分配發(fā)生變化，管組D中熱交換管15的個(gè)數(shù)減少，而管組A中的熱交換管15的個(gè)數(shù)增加，若比較熱交換管15中流道的總橫截面積，流道中在下游管的流通面積小于在上游管的流通面積。
因?yàn)樵谏嫌翁幓蛳掠翁幚渌牧髁炕緵]變，結(jié)果在流道的下游處流速大于在流道上游處的流速，因此即便在溫差小的下游處，熱通量增加導(dǎo)致熱交換率提高。
而且，所述的致冷機(jī)12，通過采用上述的結(jié)構(gòu)來增加熱交換率，從而增加冷卻率。
在本實(shí)施例中，熱交換管分為四組，但也可以分為較小數(shù)目的管組，或者相反的較大數(shù)目的管組，這依賴于蒸發(fā)器自身的尺寸或蒸發(fā)器性能要求。而且，在本實(shí)施例中，管組D中熱交換管15的個(gè)數(shù)減少，而管組A中的熱交換管15的個(gè)數(shù)增加，也可采用其它的變化形式。例如管組A至D的熱交換管15的個(gè)數(shù)可逐漸減少，或者僅僅管組D中的熱交換管15的個(gè)數(shù)減少。
而且，在本實(shí)施例中通過減少熱交換管15來減少流道的橫截面積，然而，可以預(yù)料的是，通過減少熱交換管15的直徑而個(gè)數(shù)不變來獲得類似的效果。
另外，顯而易見的是熱交換管15可采用其它不同的形狀，例如波紋管或翅片管。
參考圖3和4，下邊將描述本發(fā)明的第二實(shí)施例。在第二實(shí)施例中與第一實(shí)施例中相同的部分以相同的引用標(biāo)號(hào)引用，并且省略了它們的說明。
圖3示出了蒸發(fā)器12的橫截面圖。與第一實(shí)施例類似，熱交換管15使用相同管徑的管子，并且它們被分為E至H四個(gè)管組，設(shè)置在容器14每一端的水腔(圖中省略)又被劃分為區(qū)以便冷水的流道依次流過管組E至H。
第二實(shí)施例中的蒸發(fā)器12的特征是與其它管組F至H的熱交換管相比，管組E中熱交換管15間的分離距離(其中管組E位于流道的上游處)增加。如圖4所示，在管組F至H中，熱交換管15間的分離距離表示為1.15D，D為熱交換管15的直徑，但在管組E中分離距離的范圍是1.2D至1.5D。
而且，在本實(shí)施例的蒸發(fā)器12中，除了增加管組E中熱交換管15間的分離距離，整個(gè)管組E位置升高，如蒸發(fā)器12的管子布局的橫截面圖所示出的。
在以這種方式構(gòu)造的蒸發(fā)器12中，通過增加管組E中熱交換管15的分離距離，冷卻介質(zhì)的蒸汽可容易地在熱交換管15之間上升。因此，聚集起的粘著在熱交換管15上冷卻介質(zhì)的氣泡可從熱交換管15之間浮出，這樣就減少了粘著在熱交換管15外部圓周上的氣泡個(gè)數(shù)，有利于液相的冷卻介質(zhì)和在熱交換管15中流動(dòng)的冷水之間的熱交換，因此即使在管組F中，也提高了熱傳導(dǎo)。
而且，在所述的蒸發(fā)器12中，通過為蒸發(fā)器12采用上述的結(jié)構(gòu)來增加熱交換率，以便增加冷卻效率。
在本實(shí)施例中，熱交換管分為四組，但也可以分為較小數(shù)目的管組，或者相反的較大數(shù)目的管組，這依賴于蒸發(fā)器自身的尺寸或蒸發(fā)器性能要求。而且，雖然僅僅增加了那些屬于管組E的熱交換管15的分離距離，但也可以依次增加管組E至H的熱交換管15的分離距離，以便上游處管組的分離距離較大，下游處管組中分離距離小。
而且，管組E中熱交換管15的分離距離在1.2D至1.5D范圍內(nèi)選擇，但并不是必須限制在此范圍中，依據(jù)蒸發(fā)器自身或致冷機(jī)的不同條件要求，可以選擇其它適宜的值。然而，若必須升高管組的高度而導(dǎo)致分離距離的增加，應(yīng)當(dāng)注意的是必須為安裝從容器14上去除液態(tài)成分的除霧器(圖中省略)保證有充足的空間。
其次，參考圖5將描述本發(fā)明的第三實(shí)施例。在第三實(shí)施例中與前述實(shí)施例中相同的部分以相同的引用標(biāo)號(hào)引用，并且省略了它們的說明。
圖5示出了蒸發(fā)器12的橫截面圖。與第一和第二實(shí)施例類似，熱交換管15使用相同管徑的管子。而且它們被分為E至H四個(gè)管組，設(shè)置在容器14每一端的水腔(圖中省略)又被劃分為區(qū)以便冷水的流道依次流過管組E至H。
第三實(shí)施例中蒸發(fā)器12的特征是在管組E至H中，設(shè)置在冷水流道的上游處管組E的最上邊的熱交換管15與管組E至H中相應(yīng)的熱交換管15相比，處于最高的位置，這樣隨著冷水按F→G→H的順序迂回流過下游管組，最上邊的熱交換管15的位置變低。
在以這種方式構(gòu)造的蒸發(fā)器中，按如下方式安排熱交換管15在E至H每個(gè)管組中那些在最上邊的管子在各自的管組中的最高位置，在管組E至H中上游處最上邊的熱交換管15的位置高于那些下游處的管子，在這樣的布局下，即使每個(gè)管組(F、G、H)中氣/液界面變低，在管組E的上游處氣/液界面升高的結(jié)果是，最上邊的熱交換管15沒有處于冷卻介質(zhì)的氣相之中。因此，有利于冷卻介質(zhì)的液相和冷水之間的熱交換，于是即使在下游處，也提高了每個(gè)管組中的熱交換。
而且，在所述的蒸發(fā)器12中，通過為蒸發(fā)器12采用上述的結(jié)構(gòu)來增加熱交換率，以便增加冷卻效率。
為了升高E至H每個(gè)管組中最上邊的熱交換管15的位置，可以增加熱交換管15的分離距離或增加熱交換管15的個(gè)數(shù)。
如上所述，根據(jù)本蒸發(fā)器，通過減少待冷卻液體(待冷卻對(duì)象)流道下游處熱交換管的總橫截面積，增加了流道的下游處待冷卻液體的流速，因此雖然待冷卻液體和冷水之間溫差小，熱通量還是增加的，因此在下游管組中，熱交換率提高了。
根據(jù)蒸發(fā)器的第二方面，通過相對(duì)于屬于上游處熱交換管個(gè)數(shù)減少屬于下游處熱交換管的個(gè)數(shù)，熱交換管的總橫截面積減小，導(dǎo)致待冷卻液體的流速增加，即使待冷卻液體和冷卻介質(zhì)之間的溫差小，熱通量也增加。于是即使在下游管組中也可能提高熱交換率。
根據(jù)蒸發(fā)器的第三方面，通過加寬待冷卻液體的流動(dòng)方向的上游管子之間的分離距離，使冷卻介質(zhì)的蒸氣在熱交換管之間更容易上升，有利于冷卻介質(zhì)的液相和冷水之間的熱交換，因此在流道的上游處提高了熱交換率。
根據(jù)蒸發(fā)器的第四方面，通過相對(duì)于下游處管組中的管子，增加上游處管組中管子的分離距離，使冷卻介質(zhì)的蒸氣在熱交換管之間更容易上升，有利于冷卻介質(zhì)的液相和冷水之間的熱交換，因此上游處管組中也提高了熱交換率。
根據(jù)蒸發(fā)器的第五方面，按下述方式安排每個(gè)管組的最上邊的熱交換管上游處管子依次高于下游處管子，即使上游處的氣/液界面高度增加，導(dǎo)致下游處氣/液界面的降低，也不會(huì)有最上邊的管子處于冷卻介質(zhì)的氣相之中的危險(xiǎn)。因此，有助于冷卻介質(zhì)的液相和冷水之間的熱交換，于是即使在下游處管組中也提高了熱交換率。
根據(jù)本發(fā)明的致冷機(jī)，蒸發(fā)器中通過熱交換管的熱交換率如上所述得到提高，因此提高了熱交換率。即使能量消耗降低，也能實(shí)現(xiàn)等同于傳統(tǒng)致冷機(jī)的性能水平。
本發(fā)明可應(yīng)用到通過發(fā)生在液體和冷卻介質(zhì)之間的熱交換過程來冷卻待冷卻液體的蒸發(fā)器和具有該蒸發(fā)器的致冷機(jī)，在本發(fā)明的蒸發(fā)器中，通過減少熱交換管的總橫截面積，其中熱交換管在待冷卻液體(待冷卻對(duì)象)的流道的下游處，增加了流道的下游處待冷卻液體的流速，因此雖然待冷卻液體和冷水之間溫差小，熱通量還是增加的，因此在下游管組中，熱交換率提高了。
權(quán)利要求
1.一種蒸發(fā)器，包括施加有冷卻介質(zhì)在其中的容器；和在容器中以成束方式安裝的多個(gè)熱交換管，形成了待冷卻液體流動(dòng)的流道，以便通過冷卻介質(zhì)和待冷卻液體之間的熱交換來蒸發(fā)冷卻介質(zhì)；其中流道下游區(qū)的熱交換管的總橫截面積比流道上游區(qū)的熱交換管的總橫截面積小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于多個(gè)熱交換管具有相同的直徑，所述流道包括所述上游區(qū)和下游區(qū)，屬于上述區(qū)的熱交換管的個(gè)數(shù)大于屬于下游區(qū)的熱交換管的個(gè)數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于熱交換管水平放置，上游區(qū)最上邊的熱交換管的位置高于下游區(qū)最上邊的熱交換管的位置。
4.一種蒸發(fā)器，包括施加有冷卻介質(zhì)在其中的容器；和在容器中以成束方式安裝的多個(gè)熱交換管，形成了待冷卻液體流動(dòng)的流道，以便通過冷卻介質(zhì)和待冷卻液體之間的熱交換來蒸發(fā)冷卻介質(zhì)；其中流道下游區(qū)的熱交換管相互間隔第一間隙，流道上游區(qū)的熱交換管相互間隔第二間隙，第二間隙大于第一間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蒸發(fā)器，其特征在于多個(gè)熱交換管具有相同的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于熱交換管水平放置，上游區(qū)最上邊的熱交換管的位置高于下游區(qū)最上邊的熱交換管的位置。
7.一種致冷機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至4的蒸發(fā)器；壓縮氣化的冷卻介質(zhì)的壓縮器；冷凝并液化壓縮的氣態(tài)冷卻介質(zhì)的冷凝器；在液態(tài)冷卻介質(zhì)流到蒸發(fā)器的過程中，減少冷卻介質(zhì)壓力的膨脹閥。
全文摘要
本發(fā)明蒸發(fā)器(12)如下構(gòu)成:流動(dòng)冷水的成束的熱交換管(15)安裝在輸入冷卻介質(zhì)的容器(14)中。若比較冷水流動(dòng)方向上不同位置處熱交換管(15)的總橫截面積,下游的總面積小于流道的上游位置的總面積。因此,即便冷水和冷卻介質(zhì)之間的溫差小,下游管子中冷水的流速大于上游管子。因此即使在管組D中熱通量也增加,熱交換率提高。
文檔編號(hào)F25B39/02GK1366600SQ01801088
公開日2002年8月28日 申請(qǐng)日期2001年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月26日
發(fā)明者入谷陽一郎, 川田章廣, 廣川浩司, 青木素直, 白方芳典, 關(guān)亙 申請(qǐng)人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社