一种壳管式多功能换热器.pdf

本发明公开了一种壳管式多功能换热器，其特征是在呈水平的卧式壳管的两端分别焊接有管板，封头板紧固在管板外侧；在卧式壳管中，位于卧式壳管的下部为储液区，位于卧式壳管的中部设置换热管簇，位于卧式壳管的上部设置带有通孔的均流板，在管程中流通第一冷媒形成蒸气压缩制冷回路的蒸发侧；在壳程中流通第二冷媒，使第二冷媒在壳程中得到冷却或冷凝，并用于补充采用风冷换热所摄取的自然冷源的冷量的不足部分。本发明可适用于热管/蒸气压缩复合制冷系统、风冷/蒸气压缩制冷复合制冷系统等双冷源制冷空调系统，兼具冷凝蒸发器或干式蒸发器和储液器的功能，具有结构紧凑、耐压和密封性好的特点。

权利要求书
1.  一种壳管式多功能换热器，其特征是：
所述换热器是在呈水平的卧式壳管(1a)的两端分别焊接有管板(2)，封头板(4)采用螺栓紧 固在所述管板(2)的外侧；在所述卧式壳管(1a)中，位于卧式壳管(1a)的下部为储液区(7)，位于 卧式壳管(1a)的中部设置换热管簇(6)，位于卧式壳管(1a)的上部设置带有通孔的均流板(5)，所 述换热管簇(6)中的换热管胀接在两端管板(2)上；
在所述封头(4)上设置与换热管簇(6)相连通的第一冷媒进口(4a)和第一冷媒出口(4b)构成 管程，在所述管程中流通第一冷媒形成蒸气压缩制冷回路的蒸发侧；
在所述卧式壳管(1a)的顶部设置第二冷媒进口(1b)，在所述卧式壳管(1a)的底部设置第二 冷媒出口(1c)构成壳程，在所述壳程中流通第二冷媒，在不同的外部环境下，所述第二冷媒或 是以过热气体的形式进入壳程，并在壳程中得到冷却或冷凝；或是经风冷换热器放热后进入 壳程，用于补充采用风冷换热所摄取的自然冷源的冷量的不足部分；或是在完全由风冷换热 器提供系统冷量时，以冷凝液的形式进入壳程；达到设定热工参数的第二冷媒储存在储液区 (7)。

2.  根据权利要求1所述的壳管式多功能换热器，其特征是：所述换热管簇(6)由至少两 组独立运行的蒸气压缩制冷系统的蒸发管组构成，包括第一蒸发管组(6a)和第二蒸发管组 (6b)。

3.  根据权利要求2所述的壳管式多功能换热器，其特征是：所述第一蒸发管组(6a)和第 二蒸发管组(6b)是采用两流程非对称结构，所述两流程非对称结构是指：
在所述第一蒸发管组(6a)中，第一流程管组的换热管数量是第二流程管组的换热管数量四 分之三至二分之一；
在所述第二蒸发管组(6b)中，第一流程管组的换热管数量是第二流程管组的换热管数量 四分之三至二分之一。

4.  根据权利要求1所述的壳管式多功能换热器，其特征是：在所述封头板(4)与管板(2) 之间设置密封垫(3)形成封头板(4)和管板(2)的密封，在所述封头板(4)的密封面上设置有封头 板密封槽，包括沿封头板圆周设置的封头板圆环槽(4c)以及不同位置上的封头板直槽(4e)；在 所述管板(2)的密封面上设置有管板密封槽，包括沿管板板圆周设置的管板圆环槽(2a)以及不 同位置上的管板直槽(2b)。

5.  根据权利要求1所述的壳管式多功能换热器，其特征是：所述均流板(5)焊接在所述 卧式壳管(1a)的内侧壁上，所述均流板(5)上的通孔为均匀分布。

说明书一种壳管式多功能换热器
技术领域
本发明涉及制冷空调技术领域，具体涉及能够最大化利用自然冷源进行空调制冷的热管/ 蒸气压缩复合式制冷系统、风冷/蒸气压缩复合式制冷系统等双冷源制冷空调系统的壳管式冷 凝蒸发器或壳管式干式蒸发器和储液器。
背景技术
机房、基站的显热负荷比大，一年四季需连续制冷运行，在室内侧设定温度高于室外侧 温度的季节，尤其是在低温季节或寒冷地区，常规的数据机房和通讯基站的空调系统仍需继 续运行蒸气压缩式制冷系统，制冷系统工作效率低而且易发生低压保护和润滑不良等故障， 利用室内外温差低成本输送热量或为室内侧提供冷量，即利用自然冷源可以大大减小空调系 统的能耗和运行成本。
利用自然冷源为机房提供空调冷量的技术中，最为可靠并有广泛应用前景的应属热管/蒸 气压缩复合制冷系统和风冷/蒸气压缩制冷等双冷源制冷系统，比如ZL201210037082.8中公 开的相关技术，其特征是：在室外为高温或中温环境下运行蒸气压缩制冷循环，在室外为中 低温或低温环境下运行风冷循环。复合制冷系统由蒸气压缩制冷循环和风冷循环复合构成， 需要配置冷凝蒸发器或干式蒸发器和储液器。采用板式换热器作为冷凝蒸发器具有换热效率 高、换热器体积小的优点，但板式换热器的安装高度较大，风冷换热器的出口与板式换热器 的入口必须保持一定的高度差，致使整机设计高度必然过大。大型数据机房的热负荷大，冷 媒循环量大，空调负荷频繁波动，通常需要采用较大容量的储液器提高热平衡能力，致使储 液器的体积较大，整机空间结构设计如何优化，如何保持储液器内冷媒具有合适的过冷度等 都成为复合式制冷机组结构优化的重要问题。在ZL201210037082.8所公开的技术方案中，一 个重要特征是在热管与蒸气压缩制冷同时工作的复合区，第二冷媒首先经过风冷放热，然后 再进入冷凝蒸发器放热达到设定热工参数，因此第二冷媒进入冷凝蒸发器的状态随着室外环 境温度和室内侧热负荷变化，在压焓图上为一条等压线，室外环境温度越低和室内侧热负荷 越小，其状态越靠近饱和液体线，由于进入冷凝蒸发器的被冷却的第二冷媒的状态是变化的， 为换热器的设计带了新的要求。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术存在的不足，提供的一种兼具冷凝蒸发器和储液器的壳管 式多功能换热器，将储液器与壳管式冷凝蒸发器合二为一，为以充分利用自然冷源和节能为 目标的复合制冷系统所应用。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明壳管式多功能换热器的结构特点是：
所述换热器是在呈水平的卧式壳管的两端分别焊接有管板，封头板采用螺栓紧固在所述 管板的外侧；在所述卧式壳管中，位于卧式壳管的下部为储液区，位于卧式壳管的中部设置 换热管簇，位于卧式壳管的上部设置带有通孔的均流板，所述换热管簇中的换热管胀接在两 端管板上；
在所述封头上设置与换热管簇相连通的第一冷媒进口和第一冷媒出口构成管程，在所述 管程中流通第一冷媒形成蒸气压缩制冷回路的蒸发侧；
在所述卧式壳管的顶部设置第二冷媒进口，在所述卧式壳管的底部设置第二冷媒出口构 成壳程，在所述壳程中流通第二冷媒，在不同的外部环境下，所述第二冷媒或是以过热气体 的形式进入壳程，并在壳程中得到冷却或冷凝；或是经风冷换热器放热后进入壳程，用于补 充采用风冷换热所摄取的自然冷源的冷量的不足部分；或是在完全由风冷换热器提供系统冷 量时，以冷凝液的形式进入壳程；达到设定热工参数的第二冷媒储存在储液区。
本发明壳管式多功能换热器的结构特点也在于：所述换热管簇由至少两组独立运行的蒸 气压缩制冷系统的蒸发管组构成，包括第一蒸发管组和第二蒸发管组。
本发明壳管式多功能换热器的结构特点也在于：所述第一蒸发管组和第二蒸发管组是采 用两流程非对称结构，所述两流程非对称结构是指：
在所述第一蒸发管组中，第一流程管组的换热管数量是第二流程管组的换热管数量四分 之三至二分之一；
在所述第二蒸发管组中，第一流程管组的换热管数量是第二流程管组的换热管数量四分 之三至二分之一。
本发明壳管式多功能换热器的结构特点也在于：在所述封头板与管板之间设置密封垫形 成封头板和管板的密封，在所述封头板的密封面上设置有封头板密封槽，包括沿封头板圆周 设置的封头板圆环槽以及不同位置上的封头板直槽；在所述管板的密封面上设置有管板密封 槽，包括沿管板板圆周设置的管板圆环槽以及不同位置上的管板直槽。
本发明壳管式多功能换热器的结构特点也在于：所述均流板焊接在所述卧式壳管的内侧 壁上，所述均流板上的通孔为均匀分布。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用壳管式结构，将蒸发冷凝器或干式蒸发器与储液器集成为一体，壳管安装 在风冷换热器之下，可以确保风冷换热器的出口与壳管式多功能换热器的第二冷媒入口具有 合适的落差(如图6所示)，避免采用板式换热器所产生的安装高度问题，使冷媒流动顺畅、 空间结构紧凑、整体布局美观。
2、本发明中以换热管簇作为蒸气压缩制冷系统的蒸发器在高温季节和过渡季节运行。在 高温季节，全部冷源由蒸气压缩制冷系统提供，在用冷侧蒸发吸热的第二冷媒过热气体直接 进入壳管式多功能换热器，第一冷媒在管程蒸发，将进入壳程的第二冷媒冷凝和过冷并储存 于储液区，通过调节蒸气压缩制冷系统的制冷量实现第二冷媒储液的热工参数包括压力和温 度的控制；在过渡季节，风冷回路满负荷运行，不足冷量由蒸气压缩制冷系统提供，第二冷 媒经风冷换热器放热后进入壳程，通过调节蒸气压缩制冷系统的制冷量实现储液的热工参数 包括压力和温度的控制；在低温季节全部冷源由风冷回路提供，通过调节风冷换热器放热能 力实现储液的热工参数包括压力和温度的控制，此时壳管式多功能换热器只作为储液器。采 用壳管式结构、以及换热管簇由多个独立运行的蒸气压缩制冷系统的蒸发管组构成的设计， 使得制冷量调节便捷，储液的热工参数包括压力和温度的控制更为精确，从而实现空调温度 的精密控制和空调系统的节能，更利于自然冷源的有效利用。
3、本发明中换热管簇的蒸发管组采用非对称、两流程的设计，第一流程中第一冷媒主要 为液体，体积流量小，设计的管数少；第二流程中第一冷媒的液体量逐渐减少，体积流量逐 渐增大，设计的管数多；这种设计使得整个流动通道的速度相对均匀，换热效率高、流动阻 力小，制冷压缩机回油顺畅。
4、本发明在蒸发管簇的上端设置均流板，利于流入的第二冷媒均匀通过换热管簇，提高 换热效率。
5、本发明在封头板和管板的密封面上加工密封槽，增强了二者之间的密封性，可有效防 止冷媒泄漏。
附图说明
图1a为本发明主视结构示意图；
图1b和图1c分别为图1a的左视图和右视图；
图1d为图1a中局部放大示意图A；
图2为本发明中封头板的示意图；
图3为本发明中管板的示意图；
图4为本发明中密封垫截面图；
图5为本发明中均流板示意图；
图6为应用本发明的机房空调室外机组主视示意图；
图中标号：1壳管式多功能换热器，1a壳管，1b第二冷媒进口，1c第二冷媒出口，2 管板，2a管板圆环槽，2b管板直槽，3密封垫，4封头板，4a第一冷媒进口，4b第一冷媒出 口，4c封头板圆环槽，4e封头板直槽，5均流板，6换热管簇，6a第一蒸发管组，6b第二蒸 发管组，7储液区，8a外环螺栓，8b中部螺栓，9a第一流程换热管，9b第二流程换热管，10 风机，11风冷换热器组件，12压缩机。
具体实施方式
参见图1a、图1b、图1c和图1d，本实施例中壳管式多功能换热器的结构形式是：
换热器是在呈水平的卧式壳管1a的两端分别焊接有管板2，封头板4采用螺栓紧固在管 板2的外侧；在卧式壳管1a中，位于卧式壳管1a的下部为储液区7，位于卧式壳管1a的中 部设置换热管簇6，位于卧式壳管1a的上部设置带有通孔的均流板5，换热管簇6中的换热 管胀接在两端管板2上。
在封头4上设置与换热管簇6相连通的第一冷媒进口4a和第一冷媒出口4b构成管程， 在管程中流通第一冷媒形成蒸气压缩制冷回路的蒸发侧。
在卧式壳管1a的顶部设置第二冷媒进口1b，在卧式壳管1a的底部设置第二冷媒出口1c 构成壳程，在壳程中流通第二冷媒，在不同的外部环境下，所述第二冷媒或是以过热气体的 形式进入壳程，并在壳程中得到冷却或冷凝；或是经风冷换热器放热后进入壳程，用于补充 采用风冷换热所摄取的自然冷源的冷量的不足部分；或是在完全由风冷换热器提供系统冷量 时，以冷凝液的形式进入壳程；达到设定热工参数的第二冷媒储存在储液区7。
本实施例中，换热管簇6是由两组独立运行的蒸气压缩制冷系统的蒸发管组构成，蒸发 管组包括第一蒸发管组6a和第二蒸发管组6b，并且第一蒸发管组6a和第二蒸发管组6b是采 用两流程非对称结构，两流程非对称结构是指：
在第一蒸发管组6a中，第一流程管组的换热管数量是第二流程管组的换热管数量的四分 之三至二分之一；在第二蒸发管组6b中，第一流程管组的换热管数量是第二流程管组的换热 管数量的四分之三至二分之一。如图1、图3所示，本实施例中，第一蒸发管组6a和第二蒸 发管组6b均采用非对称、两流程结构，第一流程换热管9a的管数约为第二流程换热管9b的 管数的三分之二。第一冷媒以液体状态进入管程，沿流程流动换热，液体吸热逐渐气化，体 积流量逐渐增大；第一流程的体积流量相对较小，换热管数少；第二流程的体积流量大，换 热管数多。这种设计使得整个流动通道的速度相对均匀，换热效率高；与常规的对称结构的 设计相比，加快了第一流程冷媒的流动速度，保证了制冷压缩机回油顺畅，并且降低了第二 流程冷媒的流动阻力。
如图2、图3和图4所示，在封头板4与管板2之间设置密封垫形成封头板4和管板2 之间的密封，在封头板4的密封面上设置有封头板密封槽，包括如图2所示的沿封头板圆周 设置的封头板圆环槽4c以及不同位置上的封头板直槽4e；如图3所示的在管板2的密封面上 设置有管板密封槽，包括沿管板圆周设置的管板圆环槽2a以及不同位置上的管板直槽2b。 如图4所示的密封垫3是以丁腈橡胶为材质，密封垫3的局部材料在螺栓8a、螺栓8b紧固 力的作用下嵌入密封槽中，进一步增强了封头板4与管板2的密封性，防止冷媒泄漏；如图 1b和图1c所示是将封头板4与管板2通过螺栓进行紧固，包括外环螺栓8a和中部螺栓8b， 以保证密封面上紧固应力分布均匀，避免由于局部受力不均导致二者形变而出现密封不严的 问题。
如图1a和图5所示，本实施例中的均流板5焊接在卧式壳管1a的内侧壁上，均流板5 上的通孔为均匀分布，具体实施中，设置通孔为圆孔。
如图6所示，本实例中机房空调室外机组主要由风机10、风冷换热器组件11、壳管式多 功能换热器1和压缩机12组成；壳管式多功能换热器1安装在风冷换热器组件11之下，可 以确保风冷换热器组件11的出口与壳管式多功能换热器1的第二冷媒入口1b之间具有合适 的落差，使冷媒流动顺畅、空间结构紧凑、整体布局美观。
本实施例中壳管式多功能换热器1是应用于机房空调的蒸气压缩/热管复合制冷机组，是 通过控制制冷压缩机12的运行台数和频率或室外风机10的运行台数和频率，快速响应机房 热负荷的宽幅变化，精确控制储液的热工参数。在高温季节，全部冷源由蒸气压缩制冷系统 提供，在用冷侧蒸发吸热的第二冷媒过热气体直接进入壳管式多功能换热器1，第一冷媒在 管程蒸发，将进入壳程的第二冷媒冷凝和过冷并储存于储液区7，通过调节蒸气压缩制冷系 统的制冷量实现储液的热工参数包括压力和温度的控制；在过渡季节，风冷回路满负荷运行， 不足冷量由蒸气压缩制冷系统提供，第二冷媒经风冷换热器放热后进入壳程，通过调节蒸气 压缩制冷系统的制冷量实现储液的热工参数包括压力和温度的控制；在低温季节全部冷源由 风冷回路提供，通过调节风冷换热器放热能力实现储液的热工参数包括压力和温度的控制， 这时壳管式多功能换热器1只作为储液器使用。本实施例中采用壳管式结构、以及换热管簇 6由多个独立运行的蒸气压缩制冷系统的蒸发管组6a、蒸发管组6b构成的设计，使得制冷量 调节便捷，储液的热工参数的控制更为精确，从而实现机房空调的精密控制和空调系统的节 能，更利于自然冷源的有效利用。
以数据中心用风冷/蒸气压缩复合制冷空调机组为例，其由风冷循环回路和蒸气压缩制冷 系统通过壳管式多功能换热器1复合为一体，在过渡季节和低温季节风冷循环回路工作，利 用自然冷源部分替代或完全替代高功耗的压缩机制冷，最大化利用室外冷源，实现节能。如 环境温度为15℃，此时空调系统工作在风冷/蒸气压缩复合制冷工况，风冷循环工作，第二冷 媒经过室外风冷换热器放热后进入壳管式多功能换热器1的壳程，与换热管簇6进行热交换， 冷凝、过冷为设定热工参数的冷媒液体，储存在底部的冷媒储液区7，通过屏蔽泵将储存的 冷媒输送到室内换热器进行吸热；安置在换热管簇7上端的均流板5可以保证冷媒均匀的流 过换热管簇6，换热更加高效；采用壳管式多功能换热器1不仅可以最大化的实现节能，而 且实现冷凝蒸发器和储液器二者功能的集成，避免了板式换热器安装高度的问题，使机组结 构更加紧凑、美观。