一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器

1.本发明属于热泵设备技术领域，具体涉及一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器。


背景技术：

2.随着现代社会生活水平的不断提高，资源消耗大幅提升，环境保护已经迫在眉睫，各个国家和地区都在大力提倡环保、节能减排。人工合成的制冷剂会造成臭氧层空洞和温室效应，给环境带来严重的问题。所以二氧化碳等自然工质越来越受到广泛关注，二氧化碳热泵作为一种供热效率高、节能效果好的设备受到越来越多的重视。气体冷却器作为二氧化碳热泵的重要组成部件，对气体冷却器结构的设计，具有重要的经济、环保和社会意义，并将为助力“碳达峰，碳中和”目标的实现发挥重要作用。
3.二氧化碳与其它制冷剂相比，其特点在于，从压缩机出来的气体不发生相变，即在气体冷却器中为显热换热。二氧化碳在超临界区会产生较高的温度和压力，且比热容小，所以气体冷却器不仅要耐压、结构紧凑，还要有较强的换热能力。但是，目前所设计的气体冷却器的换热管，当二氧化碳流体通过换热管内壁时，在近壁区由于大的温度梯度，会导致二氧化碳物性变化比较大，所以在近壁区会产生湍流层流化，使得换热能力下降。因此急需改进气体冷却器换热管的结构，加强换热管近壁区的湍流程度，从而强化换热，提高二氧化碳热泵的效率，促进二氧化碳热泵进一步发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对二氧化碳热泵跨临界循环中气体冷却器存在的不足，提供了一种结构简单、加工方便、换热效率更高的蛇形换热管气体冷却器。有助于提高二氧化碳在超临界区的换热效果，从而提高整体二氧化碳热泵的效率，达到节能减排的效果。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，包括蛇形换热管、筒体、上管箱和下管箱，所述上管箱设有二氧化碳气体进口接管，下管箱设有二氧化碳气体出口接管，筒体两侧分别设有冷却剂进口接管和冷却剂出口接管；所述筒体内设有多根蛇形换热管，蛇形换热管以轴线为中心圆周阵列均布；所述蛇形换热管两端有直管段，用于与上、下管板固定连接；在蛇形换热管沿筒体轴向上设有多个肋板。
6.本发明的进一步改进在于，蛇形换热管以轴线为中心圆周阵列均布多个，蛇形换热管两端设有直管端，其直管与蛇形弯管内外径大小一致，两端的直管段与上、下管板采用固定连接。
7.本发明的进一步改进在于，筒体两侧设有管板，可以将蛇形换热管与筒体流体分隔开。
8.本发明的进一步改进在于，气体冷却器设有上下管箱，用于容纳二氧化碳气体，在上下管板作用下均匀分配给蛇形换热管。
9.本发明的进一步改进在于，蛇形换热管凹处设有肋板，用于固定蛇形管，防止其运行过程中振动。
10.本发明的进一步改进在于，筒体两侧设有冷却剂进出口接管，冷却剂从筒体下侧流入，上侧流出，与换热管内流体逆向换热。
11.本发明具有如下有益效果：本发明设计一种新型的更加高效的用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，当二氧化碳流体通过蛇形管时，由于其特殊的曲面结构，会产生离心力，在弯头处由于离心力和边界层的双层作用，产生二次流，二次流与主流体叠加形成涡流，产生周期性的径向流速，这种流动可以对边界层造成破坏，近壁区湍流加强，抑制传热恶化，从而达到强化传热的效果。二氧化碳热泵采用跨临界循环，二氧化碳在超临界区不发生相变，进行显热换热。在超临界区中，高温高压的二氧化碳温度滑移大、流量小、压力高，蛇形换热管横截面积小、换热面积大、换热能力强、耐高压。蛇形换热管气体冷却器的设计与二氧化碳的特点匹配，可以进行高效换热。
12.进一步，所述的蛇形换热管气体冷却器中，上管箱设有二氧化碳气体进口接管，当二氧化碳充满上管箱后，在管板的作用下，二氧化碳会被均匀的分配到蛇形换热管中，高效稳定换热。
13.进一步，所述的肋板，一方面起固定换热管的作用，防止其振动；另一方面让壳程流体尽可能延长流动时间，提高换热效率。
附图说明
14.图1是本发明所述蛇形换热管气体冷却器的结构示意图。
15.图2是本发明所述蛇形换热管的结构示意图。
16.图3是本发明所述蛇形换热管气体冷却器中肋板的结构示意图。
17.图4是本发明所述蛇形换热管气体冷却器的下视图。
18.图中，1、二氧化碳气体进口接管；2、上管箱；3、上管板；4、筒体；5、冷却剂出口接管；6、蛇形换热管；7、肋板；8、冷却剂进口接管；9、下管板；10、二氧化碳气体出口接管；11、下管箱。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明作进一步详细说明：参见图1，本发明提供的一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，包括蛇形换热管（6）、筒体（4）、上管箱（2）和下管箱（11），所述上管箱（2）设有二氧化碳气体进口接管（1），下管箱（11）设有二氧化碳气体出口接管（10），筒体（4）两侧分别设有冷却剂进口接管（8）和冷却剂出口接管（5）；所述筒体（4）内设有多根蛇形换热管（6），蛇形换热管（6）以轴线为中心圆周阵列均布；所述蛇形换热管（6）两端有直管段，用于与上管板（3）和下管板（9）固定连接；在蛇形换热管（6）凹处沿筒体轴向上设有多个肋板（7），防止其运行过程中振动。
20.图1为蛇形换热管气体冷却器的结构示意图。其外部形式类似管壳式换热器，蛇形换热管（6）圆周阵列均布，这种形式换热器更加紧凑，高效。换热过程中，二氧化碳气体从二氧化碳气体进口接管（1）先流入上管箱（2），随后流入圆周布置的蛇形换热管（6），通过下管
箱（11），从二氧化碳气体出口接管（10）流出。冷却剂从筒体右下侧的冷却剂进口接管（8）流入筒体（4），蛇形换热管（6）与筒体（4）之间的空腔为冷却剂流动区域，随后从筒体（4）左上侧的冷却剂出口接管（5）流出，二者在筒体（4）中呈逆流换热，上管板（3）将筒体（4）内冷却剂和上管箱（2）内的二氧化碳气体分隔开，下管板（9）将筒体（4）内冷却剂和下管箱（11）内的二氧化碳气体分隔开。
21.本发明提供的蛇形换热管气体冷却器。蛇形换热管（6）的曲面结构使二氧化碳气体通过蛇形换热管（6）弯头时，通过离心力与浮升力的耦合作用，形成涡流，产生周期性的径向流速，从而抑制换热管内壁边界层的湍流层流化，抑制传热恶化，达到强化传热的目的。这种换热器换热效率高，耐高压，工质流动稳定，与二氧化碳工质物性相匹配，更加适用于二氧化碳跨临界循环，可以提高二氧化碳热泵机组的效率。


技术特征：
1.一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，其特征在于，包括蛇形换热管（6）、筒体（4）、上管箱（2）和下管箱（11），所述上管箱（2）设有二氧化碳气体进口接管（1），下管箱（11）设有二氧化碳气体出口接管（10），筒体（4）两侧分别设有冷却剂进口接管（8）和冷却剂出口接管（5）；所述筒体（4）内设有多根蛇形换热管（6），蛇形换热管（6）以轴线为中心圆周阵列均布；所述蛇形换热管（6）两端有直管段，与上管板（3）和下管板（9）固定连接；在蛇形换热管（6）沿筒体（4）轴向上设有多个肋板（7）。2.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，其特征在于，所述蛇形换热管（6）以轴线为中心圆周阵列均布多个，蛇形换热管（6）上下两端有直管段，且与蛇形弯管内外径大小一致，两端的直管段与上管板（3）和下管板（9）采用固定连接。3.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，其特征在于，所述肋板（7）为圆环形薄板，其上开设多个圆形通孔，通孔与换热管外径相切，蛇形换热管（6）穿过肋板（7）上的圆形通孔并与肋板（7）固定。4.根据权利要求1所述的一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，其特征在于，所述筒体（4）外壁设有保温层。

技术总结
本发明公开了一种用于二氧化碳热泵的蛇形换热管气体冷却器，包括蛇形换热管、筒体、上管箱和下管箱，所述上管箱设有二氧化碳气体进口接管，下管箱设有二氧化碳气体出口接管，筒体两侧分别设有冷却剂进口接管和冷却剂出口接管；所述筒体内设有多根蛇形换热管，蛇形换热管以轴线为中心圆周阵列均布；所述蛇形换热管两端有直管段，用于与上、下管板固定连接；在蛇形换热管沿筒体轴向上设有多个肋板。本发明通过蛇形换热管的曲面结构，可以抑制传热恶化，充分利用二氧化碳工质超临界区的性质，提高综合强化换热能力。高综合强化换热能力。高综合强化换热能力。


技术研发人员：崔海亭 王超 王晨
受保护的技术使用者：河北科技大学
技术研发日：2022.05.04
技术公布日：2022/6/24