气冷器以及具有其的跨临界热泵系统的制作方法

1.本发明涉及气冷器技术领域，尤其是涉及一种气冷器以及具有其的跨临界热泵系统。


背景技术：

2.在低碳社会的要求下，热泵制冷技术因具有能效高、无污染物排放、环境友好、智能化等优势，在各领域的应用越来越广泛。其系统中常用cfc(氯氟烃)、hcfc(氢氯氟烃)和hfc(氟烷)制冷剂，而上述氟代烷烃制冷剂因具有较高的全球气候变暖潜能(gwp)，会造成强烈的温室效应，因此以co2等天然工质为制冷剂的跨临界热泵系统应运而生。
3.跨临界热泵系统在运行过程中进行跨临界循环，气冷器内跨临界热泵工质(例如：天然工质制冷剂，co2)处于超临界态(物质的压力和温度同时超过它的临界压力(pc)和临界温度(tc)的状态)，在换热过程中其无相变的温度滑移特性与被加热冷流体的温升过程可以实现良好的匹配，可将被加热冷流体直接从低温加热到80℃以上，用以满足不同行业的需求。同时，在寒冷地区的低环境温度的运行工况下，采用跨临界热泵工质的跨临界热泵系统仍然具有良好的系统性能。
4.相关技术中，跨临界热泵系统的实际运行过程中，跨临界热泵工质的压力较高，需要采用能够承受高压的气冷器，当多股冷流体需要进行加热时，一般会在跨临界热泵系统中设置多个气冷器，或使每个跨临界热泵系统中设置一个气冷器，进行多股冷流体加热时，对应采用多个跨临界热泵系统，导致跨临界热泵系统的成本高，且设置多个气冷器的实施例中，还存在换热不均匀现象。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种气冷器，所述气冷器可以实现对多股冷流体的加热，以降低成本。
6.本发明进一步提出了一种采用上述气冷器的跨临界热泵系统。
7.根据本发明第一方面实施例的跨临界热泵系统的气冷器，包括：气冷器本体，所述气冷器壳体上设置有进液管和出液管，所述进液管、所述气冷器本体的内部空间以及所述出液管形成为用于第一冷流体流动换热的第一冷流体流路；制冷剂管，所述制冷剂管设置在所述气冷器本体内，所述制冷剂管环绕所述气冷器本体的轴线设置，并形成为用于跨临界热泵工质流动换热的制冷剂回路；至少一个换热管，所述换热管设置在所述气冷器本体内并环绕所述气冷器本体的轴线设置，所述换热管内形成为用于第二冷流体流动换热的第二冷流体流路；所述第一冷流体与所述第二冷流体的种类不同，多个所述换热管内的所述第二冷流体的种类可以相同或不同。
8.根据本发明实施例的气冷器，通过在气冷器本体内设置多个换热管，可以基于使用需求，在实现至少两种不同种类的冷流体加热的前提下，提高加热效率或进行更多种类的冷流体加热，从而无需在跨临界热泵系统内设置多个气冷器或采用多个跨临界热泵系统
分别加热多种冷流体，降低成本的同时，确保加热效率以及加热均匀性。
9.根据本发明的一些实施例，所述制冷剂管的制冷剂入口设置在所述气冷器本体的轴向一端，所述制冷剂管的制冷剂出口设置在所述气冷器本体的轴向另一端。
10.在一些实施例中，所述进液管、所述出液管设置在所述气冷器本体的周向，且所述进液管临近所述制冷剂出口设置，所述出液管临近所述制冷剂入口设置。
11.进一步地，所述进液管和所述出液管均一端与所述气冷器本体连通，另一端背离彼此延伸，且所述进液管与所述出液管的延伸方向平行。
12.在一些实施例中，还包括：伸出所述气冷器本体的多个第一连接管和多个第二连接管，每个所述换热管的两端均具有第一进液口和第一出液口，每个所述换热管对应一个所述第一连接管和一个所述第二连接管。
13.进一步地，所述第一连接管和所述第二连接管均一端伸入所述气冷器本体以与对应的所述换热管连通，另一端背离彼此延伸，且所述第一连接管与所述第二连接管的延伸方向平行。
14.在一些实施例中，所述换热管为多个，多个所述换热管的缠绕半径相同，且多个所述换热管在所述气冷器本体的轴向上等间隔交错设置。
15.在一些实施例中，所述换热管的旋向与所述制冷剂管的旋向相反或相同，且所述换热管与所述制冷剂管在所述气冷器本体的径向上间隔设置。
16.进一步地，所述换热管与所述制冷剂管、多个所述换热管之间具有间隙。
17.根据本发明第二方面实施例的跨临界热泵系统，包括：上述实施例中所述的气冷器。
18.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1是根据本发明实施例的气冷器的示意图；
21.图2是根据本发明实施例的跨临界热泵系统的示意图。
22.附图标记：
23.跨临界热泵系统1000，
24.气冷器100，压缩机200，蒸发器300，节流阀400，风机500，
25.气冷器本体10，进液管11，出液管12，
26.制冷剂管20，制冷剂入口21，制冷剂出口22，
27.换热管30，第一连接管40，第二连接管50。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的气冷器100以及跨临界热泵系统1000。
30.如图1所示，根据本发明实施例的跨临界热泵系统1000的气冷器100，包括：气冷器本体10、制冷剂管20以及至少一个换热管30。
31.其中，气冷器本体10上设置有进液管11和出液管12，进液管11的管内空间、气冷器本体10的内部空间以及出液管12的管内空间形成为用于第一冷流体流动换热的第一冷流体流路，第一冷流体可以在第一冷流体流路内流动；制冷剂管20设置在气冷器本体10内，制冷剂管20环绕气冷器本体10的轴线设置，并形成为用于跨临界热泵工质流动换热的制冷剂回路；换热管30设置在气冷器本体10内并环绕气冷器本体10的轴线设置，换热管30内形成为用于第二冷流体流动换热的第二冷流体流路，第二冷流体可以在第二冷流体流路内流动。
32.具体而言，气冷器本体10具有容纳空间，容纳空间内设置有制冷剂管20以及至少一个换热管30，且气冷器本体10的周向上设置有进液管11和出液管12，而气冷器本体10的壳程形成为第一冷流体流路，换热管30内形成为第二冷流体回路，制冷剂管20内部形成为制冷剂回路，以通过跨临界热泵工质(可以是天然工质制冷剂，例如：co2)对第一冷流体流路内的需要进行加热的第一冷流体进行加热，第一冷流体对第二冷流体回路内需要进行加热的第二冷流体进行加热。
33.需要指出的是，至少一个换热管30是指：一个、两个或多个换热管30；说明书中所涉及的天然工质制冷剂是指以大自然中普遍存在的天然物质作为制冷剂，例如：co2；气冷器本体10的壳程形成为第一冷流体流路是指：壳体的内周与管束、挡板之间的间隙，本发明中是指除制冷剂管20、换热管30外气冷器本体10的内部空间。
34.可以理解的是，第一冷流体与第二冷流体种类不同，多个换热管内的第二冷流体的种类可以相同或不同，即在换热管30为两个或两个以上的实施例中，多个换热管30内的第二冷流体的种类可以相同或不同，当多个换热管30内的第二冷流体的种类不同时，可以通过本发明气冷器100对多种需要加热的冷流体进行同时加热，当多个换热管30内的第二冷流体种类相同时，可以提高本发明气冷器100的加热效率，单位时间内可以实现更多的同种冷流体的加热，且该种情况下，也可以进行至少两种冷流体的加热。
35.综上，根据本发明实施例的气冷器100，通过在气冷器本体10内设置多个换热管30，可以基于使用需求，在实现至少两种不同种类的冷流体加热的前提下，提高加热效率或进行更多种类的冷流体加热，从而无需在跨临界热泵系统1000内设置多个气冷器100或采用多个跨临界热泵系统1000分别加热多种冷流体，降低成本的同时，确保加热效率以及加热均匀性。
36.示例性的，在一些实施例中，第一冷流体对应为一种冷流体，多个换热管30内流动的第二冷流体为一种冷流体，此时可以进行两种冷流体的加热，且可以提高第二冷流体的加热效率；在另一些实施例中，第一冷流体对应一种冷流体，多个换热管30内流动的第二冷流体的种类不同，对应为多种冷流体(例如：共有4根换热管30，4根换热管30内分别流动4种冷流体，对应可以同时进行五种冷流体的加热；或共有4根换热管30，1换热管、2换热管内流动相同的冷流体，3换热管和4换热管分别流动不同的冷流体，对应可以同时进行4种冷流体的加热)，第二冷流体是在换热管30内流动的需要通过换热管30进行加热的多种冷流体的统称。
37.在本技术的一个示例性的实施例中，需要进行加热的冷流体包括：冷流体1-冷流体n，换热管30包括：第一换热管至第n-1换热管，其中，冷流体1作为第一冷流体，冷流体2-冷流体n作为第二冷流体，冷流体1位于第一冷流体流路内，与制冷剂回路内的跨临界热泵工质进行换热，冷流体2设置第一换热管内、冷流体3设置在第二换热管内、对应的冷流体n设置在第n-1换热管内，以通过冷流体1对冷流体2-冷流体n加热，实现一个气冷器100对第一冷流体加热，以及第一冷流体对多种第二冷流体的加热。
38.此外，需要指出的是，第一冷流体流动轨迹为气冷器本体10的壳程，第二冷流体在换热管30内流动，而跨临界热泵工质的压力较高，换热管30位于气冷器本体10内，从而需要进行加热的第二冷流体可以是高压流体，也可以提高本发明气冷器100的适用范围，提高通用性，且换热管30缠绕气冷器本体10的轴线设置，可以提高加热均匀性。
39.如图1所示，根据本发明的一些实施例，制冷剂管20的制冷剂入口21设置在气冷器本体10的轴向一端，制冷剂管20的制冷剂出口22设置在气冷器本体10的轴向另一端。
40.其中，制冷剂管20环绕气冷器本体10的轴线设置，而使制冷剂管20的制冷剂入口21和制冷剂出口22位于气冷器本体10的轴向两端，使制冷剂管20的缠绕长度更长，缠绕面积更大，以提高制冷剂管20与第一冷流体的换热面积，提高对第一冷流体以及第二冷流体的加热效率，提高气冷器100的加热效果。
41.在一些实施例中，进液管11、出液管12设置在气冷器本体10的周向，且进液管11临近制冷剂出口22设置，出液管12临近制冷剂入口21设置；换热管30的两端具有第一进液口和第一出液口，气冷器100还包括：伸出气冷器本体10的多个第一连接管40和多个第二连接管50，每个换热管30的两端均具有第一进液口和第一出液口，每个换热管30对应一个第一连接管40和一个第二连接管50，且第一连接管40临近制冷剂出口22设置，第二连接管50临近制冷剂入口21设置。
42.这样，使第一冷流体的流动方向、第二冷流体的流动方向与跨临界热泵工质的流动方向相反，可以强化跨临界热泵工质与第一冷流体，第一冷流体与第二冷流体的换热效果，达到强化换热的技术目的，且跨临界热泵工质与第一冷流体换热、第一冷流体与第二冷流体换热，存在温度梯度，可以确保第一出液口的出液温度低于出液管12的出液温度。
43.进而，跨临界热泵工质在临界区的换热特性类似显热换热，被加热冷流体的进口温度的变化对制冷剂出口22的制冷剂出液温度的影响较大，被加热冷流体的进口温度与出口温度的温差越高则跨临界热泵系统1000的性能衰减越高，因此采用直接换热，并控制制冷剂出口22的出液温度低于出液管12的出液温度，以降低跨临界热泵系统1000的性能衰减。
44.如图1所示，进液管11和出液管12均一端与气冷器本体10连通，另一端背离彼此延伸，且进液管11与出液管12的延伸方向平行；第一连接管40和第二连接管50均一端伸入气冷器本体10以与对应的换热管30连通，另一端背离彼此延伸，且第一连接管40与第二连接管50的延伸方向平行。
45.这样，第一连接管40、第二连接管50间隔且呈180
°
设置、进液管11和出液管12间隔且呈180
°
设置，可以提高装配便利性，避免装配过程中，管线布置出现干涉。
46.当然，本技术第一连接管40与第二连接管50的延伸方向所呈的角度不限于此，还可以根据使用需求进行调整。
47.可以理解的是，多个换热管30各自对应的第一连接管40、第二连接管50也在气冷器本体10的周向上交错设置，以避免装配过程中，出现干涉的问题，提高装配效率，提高气冷器100的工作稳定性。
48.在一些实施例中，换热管30为多个，多个换热管30的缠绕半径相同，且多个换热管30在轴向上等间隔交错设置，以实现对多个换热管30内的第二冷流体的均匀加热，确保多个换热管30的加热效率一致，提高均热效果。
49.进一步地，换热管30的旋向与制冷剂管20的旋向相反，且换热管30与制冷剂管20在气冷器本体10的径向上间隔设置，这样，可以通过制冷剂管20内的高温高压跨临界热泵工质加热第一冷流体，第一冷流体加热换热管30内的第二冷流体，使换热管30与制冷剂管20在径向上间隔开，可以确保第一冷流体流路与第二冷流体流路的温度梯度，提高换热效果以及换热效率。
50.需要说明的是，换热管30与制冷剂管20、多个换热管30之间具有间隙，换热管30与制冷剂管20在径向上的间隙大小根据第一冷流体、第二冷流体的流体粘度进行调整，粘度越高，间距越大，粘度越低，间隙越小，多个换热管30在轴向上等间隔设置即可。
51.当然，本技术的换热管30的旋向与制冷剂管20的旋向也可以相同，同时使换热管30与制冷剂管20气冷器本体10的径向上间隔设置，也可以提高换热效率。
52.如图2所示，根据本发明实施例的跨临界热泵系统1000，包括：上述实施例中的气冷器100。
53.具体而言，本发明实施例的跨临界热泵系统1000包括：气冷器100、压缩机200、蒸发器300、节流阀400以及风机500，气冷器100、压缩机200、节流阀400以及蒸发器300连通以制冷剂回路，风机500与蒸发器300相对设置，而采用上述气冷器100，气冷器100通过制冷剂入口21和制冷剂出口22接入至制冷剂回路。
54.具体工作过程中，低温低压的跨临界热泵工质流体经压缩机200压缩做功后，压缩为高温高压的超临界状态高温流体，高温流体由制冷剂入口21进入气冷器100，并由制冷剂出口22流出气冷器100。
55.第一冷流体由进液管11进入，并由出液管12流出、第二冷流体由第一连接管40进入、由第二连接管50流出的过程中，第一冷流体与高温流体换热，被加热的第一冷流体在流出前加热第二冷流体，以实现第一冷流体和第二冷流体的同步加热。
56.进而，被冷却的“高温流体”流出后，形成为高压低温流体，再通过节流阀400节流为低温低压的两相流体(气相和液相混合)，进入蒸发器300与空气换热后，形成为饱和态低温低压流体，并流向压缩机200被压缩后进行上述循环。
57.根据本发明实施例的跨临界热泵系统1000，相较现有的设置多个气冷器100的技术方案，无需设置多个气冷器100以分别对多种冷流体进行加热，确保加热均匀性并降低系统成本，相较现有的采用多个跨临界热泵系统1000对多种冷流体进行加热的技术方案，可以显著降低系统成本。
58.示例性的，已知高温流体的进出口温度为110℃/40℃，第一冷流体的(运动粘度为1500mm2/s的原油)进出口温度30℃/85℃，流量为110吨/天；第二冷流体(运动粘度为300mm2/s的原油)进出口温度30℃/75℃，流量为150吨/天。
59.第一冷流体所需换热量为150kw，第二冷流体所需换热量为200kw，分别采用一个
气冷器100，换热面积分别为61平米和178平米，市场价为合计约为115万元；而采用本发明的气冷器100，只需要1个气冷器100，市场价约为50万元，可以节约系统成本56％。
60.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。
61.在本发明的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以包括一个或者更多个该特征。
62.在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。
63.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。
64.在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。