CN101617181B - 具有呈串联逆流布置的双通路热交换器的双回路冷却器 - Google Patents

Abstract

双制冷回路、水冷式冷却器使其各个蒸发器和冷凝器由水箱互连，各个水箱具有入口流连接和出口流连接，且三个通道与第一回路和第二回路的相应的蒸发器/冷凝器互连，且冷凝器/蒸发器中的每一个在其端部处都具有回转弯头，以提供双通路流动布置。冷凝器水箱中的流进入第一通道中，然后沿一个方向流向一个回路的冷凝器，而进入蒸发器水箱中的流进入第一通道中，然后沿相反的方向流向回路蒸发器其中之一。这样，就实现了具有两个水通路的串联逆流布置。

Description

具有呈串联逆流布置的双通路热交换器的双回路冷却器

发明背景

本发明大体涉及水冷式冷却器，且更具体地，涉及呈串联逆流布置的两个蒸汽压缩制冷系统的互连。

串联逆流布置的水冷式冷却器包括两个独立的蒸汽压缩制冷系统，这两个系统具有对两种回路来说公共的且串联地布置的冷却水回路和冷凝器水回路。因为具有串联逆流的分开的回路在蒸发器和冷凝器之间具有更低的平均压差，所以这种布置允许比单制冷回路设计更高的性能系数(COP)，从而需要更少的能量来将制冷剂从蒸发器压缩到冷凝器。

在这种系统中，蒸发器和冷凝器各自中的水流过跨过两个制冷回路的多个管道，其中制冷回路被位于管道的中间处的管板分开，且各个管道通常通过使管道向管板扩张而封闭地密封到管板上。

出现的一个问题是对管道进行维护的问题(例如如果管道在运行中出现故障时可能需要的)。管道的这种移除需要在管道已经扩张的所有位置处切割管道，然后拉出管道。不可能完全移除管道，因为不能接近以切割在制冷剂边界内的中心管板位置处的管道。如果从内部切割管道，或者如果管道在运行中出现故障，则会在回路之间产生不允许任何一个回路运行的泄漏路径，从而不利地影响可靠性和可维护性两者。

双回路系统的另一个问题是控制的问题。用于控制水冷式冷却器的关键参数是离开温差的使用，离开温差是离开热交换器的水的温度和热交换器内的制冷剂温度的差值。由于水管跨过双系统中的两个制冷剂回路，所以不可能获得上游回路的冷凝器或蒸发器的离开水温。

除了上述可维护性和控制之外，跨过双回路的现有技术热交换器管道还引起可靠性、可接近性、运输和性能的问题。也就是说，因为公共的管道延伸越过两个回路，所以不可能独立地优化各个回路中的热传递管道，而且由于更长的管道引起的更长的机器运输也是困难的。

具有双水通路布置是合乎需要的，其中，可以在冷却器上的相同位置上形成进入水连接和离开水连接，从而允许在非连接端上接近致冷器和冷凝器的管板，而不需要为了清洁或替换管道而将通向冷却器的水管移除。同样，对本领域技术人员而言，对于在保持固定数量的热交换器管道的同时在热交换器管道中获得更高的水速而言，双通路布置可以是合乎需要的。本发明通过新型机械布置和水箱设计而允许有带有串联逆流布置的双通路热交换器。

发明内容

简单地讲，根据本发明的一个方面，各个回路具有使制冷回路与致冷介质分开的唯一的管板。在各个回路之间的是将水从上游回路传到下游回路的中间水箱。水箱可以移除以便于维护，且能够以更短的长度要求来分开运输元件。

根据本发明的另一个方面，由于各个回路具有其分开且唯一的管道，因此任何一个回路中的管道故障不再对相邻回路产生制冷剂泄漏路径，使得可以保持无故障回路的运行，从而提高可靠性。

根据本发明的另一个方面，由于可从外面接近中间水箱，所以可以安装温度测量仪器，以获得上游回路的离开温差，从而提供对系统更好的控制。

根据本发明的另一个方面，在致冷器和冷凝器两者中进行供应，以便在中间水箱上的同一位置处形成进入水连接和离开水连接，从而大大地有利于接近中间水箱。

按照本发明的另一个方面，致冷器中间水箱和冷凝器中间水箱中的每一个都具有三个分开的通道，且进入水方向和离开水方向在相应的致冷器水箱和冷凝器水箱中相反，从而使得相应的流成串联逆流布置。

在以下所述的附图中描绘了一个优选实施例；然而，可以对其做出各种其它修改和备选构造而不偏离本发明的精神和范围。

附图简述

图1是根据现有技术的单回路冷却器中的温度的示意性说明。

图2是根据现有技术的双回路冷却器中的温度的示意性说明。

图3是根据现有技术的双回路冷却器的冷凝器和蒸发器的示意性说明。

图4是根据本发明的一个方面的双回路冷却器系统的示意性说明。

图5是本发明的一个方面的双回路系统中的冷凝器和蒸发器的示意性说明。

图6是根据本发明的一个方面的双回路系统的水箱部分的示意性说明。

图7是根据本发明的一个方面的双回路系统的水箱部分的透视图。

图8是根据本发明的一个方面的双回路系统的水箱部分的端视图。

图9是根据本发明的另一个方面的水箱布置的示意性说明。

图10是其进一步说明，以显示其流动方向和关系。

具体实施方式

图1显示了现有技术中典型的单回路冷却器的冷凝器11和致冷器或蒸发器12。如图所示，冷凝器水和蒸发器水以逆流关系流动，且引起的进入和离开冷凝器和蒸发器的温度如图所示。

为了获得提高的COP，如图2所示，双回路以串联逆流布置连接。此处，如图所示，两个独立的蒸汽压缩制冷回路13和14由中间管板15连接。第一回路13具有冷凝器16和蒸发器17，且第二回路14具有其自己的冷凝器18和蒸发器19。然而，冷凝器16和18的冷凝器水回路对两个回路是公共的且串联地布置。同样，蒸发器17和19的冷却水回路对两个回路是公共的且串联地布置。参照图3可以最佳地了解这一点。

在图3中将了解，冷凝器管道21很长且跨过回路13的冷凝器16和回路14的冷凝器18其中各个冷凝器的长度。虽然中间管板15隔离和分开了相应的回路13和14中的制冷剂，但是经过冷凝器管道21的水流从冷凝器16的进口到冷凝器18的出口是连续的。

类似地，蒸发器管道22是延伸越过回路13和14两者的一体式部件，中间管板仅为系统13和14中的制冷剂提供隔离，但允许蒸发器水连续地从蒸发器19的入口端流到蒸发器17的出口端。

串联逆流效用通过使热交换器分成两个隔开的回路来实现。对于典型的制冷剂热交换器，致冷器和冷凝器的饱和条件是来自各个回路的离开水温的函数。如图2所示，对于单回路冷却器，致冷器和冷凝器的典型的离开水温将分别为44F和95F。高效的水/制冷剂热交换器将在离开水和制冷剂之间具有约1华氏度的温差，或LTD，从而在单回路情况下，在致冷器中，饱和温度将为43F，且在冷凝器中将为96F，见图1。所产生的提升就是该差值，或53华氏度。在各个回路中都具有等效制冷效用的两回路设计中，两个回路中间的水温大约为进入温度和离开温度的平均数。在以上的图2的实例中，致冷器回路和冷凝器回路之间的温度分别将是49F和90F。对于典型的热交换器LTD，则两个致冷器回路的饱和条件将是大约48F和43F，且两个冷凝器的饱和条件将是大约96F和91F。对于串联逆流设计，致冷器和冷凝器水从相反端进入，因此致冷器回路和冷凝器回路是成对的，从而使得更高饱和度的致冷器与具有更高饱和温度的冷凝器在同一回路上，且两个更低饱和度的热交换器是成对的。结果是，各个制冷剂回路都具有相同的温升，且各个回路的温升小于单回路设计。在以上所述的实例中，单回路温升是53华氏度，且串联逆流温升是48华氏度。串联逆流布置具有大约小10％的温升，从而具有更高的系统效率。

如上所述，具有跨过两个回路的热交换器管道的这种双回路系统提出了关于维护、可靠性、运输、性能、控制和可接近性的问题。

现参照图4，显示了克服上述问题的系统。第一回路23包括冷凝器24、膨胀装置26、蒸发器27和压缩器28，它们以众所周知的方式以串联流动关系运行。第二回路29包括冷凝器31、膨胀装置32、蒸发器33和压缩器34，它们也以串联流动关系连接，并且以众所周知的方式运行。两个回路23和29以类似于图3所示的方式互连，但却在两个回路之间的接口处有不同的结构，且关于冷凝器和蒸发器两者内的管道有不同的结构。

如图4和5所示，两个蒸发器27和33之间的中间位置处有蒸发器水箱36，且两个冷凝器24和31之间的中间位置处有冷凝器水箱37。另外，不像以上所述的系统(在该系统中，管道是延伸越过两个回路的一体式管道)，回路1的冷凝器管道38是分开的，并且独立于回路2的冷凝器管道39，而且回路1中的蒸发器管道41是分开的且与回路2的蒸发器管道42不同。也就是说，冷凝器管道38流体地连接到水箱36的一侧上，且冷凝器管道39流体地连接到水箱36的另一侧上。类似地，蒸发器管道41流体地连接到水箱37的一侧上，且蒸发器管道42流体地连接到水箱37的另一侧上。因此，当水经过第一回路23和第二回路29之间时，水箱36和37充当水的中间容器。

上述设计的优点有很多。首先，不具有较长的一体式管道，而是管道且因此制冷回路大体仅有约一半长，并且可以更容易地处理及运输到某一地点，管道且因此制冷回路独立于水箱且可以与水箱分开。其次，由于管道是独立的，所以它们可以构造成以便优化各个回路中的性能。也就是说，除了各个回路中的管道的长度变化之外，第二回路内的管道的数量可以与第一回路中的管道的数量不同，如图5所示，而且可以做出其它改变，例如不同的管道材料或不同的热传递增强。这允许设计者优化各个回路的期望的能力、效率、压降或成本。

通过参照图6可以了解本系统的其它优点。因为来自上游管道的水沿着水箱36(或者在蒸发器的情况下是水箱37)的一侧排出，这倾向于在水箱内引起紊流，从而使得单独的流动流混合，使得水箱在水进入下游回路的管道之前变成具有相对一致的温度的水的储器。这种混合对热传递效用是有益的，从而提高整个系统的COP提高。

通过使用所述水箱36，现在可以从外面接近中间水箱36，而且温度测量仪器43可以容易地用于获得上游热交换器的离开温差，从而提供对系统的改进控制。

使用所述水箱的另一个优点是有利于维护和修理的优点。也就是说，由于水箱以允许移除水箱的方式附接到管道回路上，所以如将在以下所述，水箱的移除允许在各个回路的管板处对管道进行维护，从而显著地改进了可维护性。另外，由于任何一个回路中的管道故障都不会对相邻回路产生制冷剂泄漏路径，所以显著地提高了系统的可靠性。

现参照图7和8，显示了中间水箱和相邻回路的结构性接口。如图所示，中间水箱44包括较短的圆柱体，该圆柱体具有从一端47到另一端纵向地形成的多个孔46，以用于接收穿过相应的管板49和51的螺栓48。因此，水箱44被夹在相应的回路的管板49和51之间，而且可以通过移除螺栓48来轻易地拆卸水箱44，以便为了修理目的而在回路之间的管板处接近管道。因此将认识到，回路中的每一个都是独立的，且可以接近中间管道到管板的接头，而不干扰任何一个回路的制冷剂边界。

虽然在图7和8中显示了水箱44的长度相对较短(即约4英寸)，但是在保持处于本发明的范围内的同时可以显著地改变水箱的构造、尺寸和形状。另外，虽然按照与水冷式冷却器一起使用来描述，但是本发明还可以应用于气冷式冷却器，其中串联连接的回路的蒸发器通过中间水箱结构而互连。

以上所述的本发明的实施例仅与单通路热交换器关系有关。为了获得双通路布置，如图9和10所示以及如现在将描述的，必须较大地修改中间水箱和各种离开连接和进入连接。

不具有单次通过热交换器的管道，而是回路#1和#2(52和53)中的每一个分别使其热交换器布置成使得流体两次通过热交换器中的每一个。也就是说，不是如以上所述的那样水在致冷器和冷凝器的一端处进入，而是水分别进入和离开中间水箱54和56，且然后在离开相应的水箱之前经过热交换器中的各个两次。为了使这种情况出现，热交换器中的每一个都必须通过回转弯头使其管道在其端部处互连。因此，在回路#1和#2的冷凝器57内，热交换器58具有回转弯头59，且热交换器61具有回转弯头62。类似地，在致冷器63中，热交换器64具有回转弯头66，且热交换器67具有回转弯头68。

现将参照图10描述水进入和离开回路的方式。如图所示，致冷器回路63的中间水箱56被分成三个通道69、71和72。进入水流入通道69中，然后流向热交换器67，此处水首先经过通路1、回转弯头68，且然后经过通路2，之后其进入水箱56中的通道71。然后水进入热交换器64中，首先经过通路1，然后经过回转弯头66，且然后经过通路2，之后其进入水箱56的通道72且然后离开致冷器。

在冷凝器57中，水流入中间水箱54中且然后沿着与从水箱56流向热交换器67的水相反的方向流动(即流向热交换器58)，此处水首先经过第一通路，然后经过回转弯头59，且然后返回而经过第二通路，此后其进入水箱54的中间通道中。注意，流动的方向与水箱56的中间通道71中的流动方向相反。然后水进入热交换器61中，首先流动经过第一通路，然后经过回转弯头62，且然后在水进入水箱54之前经过第二通路，然后水从水箱54中离开。

因此将了解，通过使用中间水箱54和56以及冷凝器57和致冷器63其中各个中的选择性的流动方向而获得了双通路串联逆流布置。另外，中间水箱54和56中的每一个中的用于进入水和离开水的互连共同位于水箱本身上，从而有利于容易地接近水箱。

Claims (9)

1.一种具有第一制冷回路和第二制冷回路的冷却器系统，其中各个制冷回路具有压缩器、冷凝器、膨胀装置和蒸发器，且所述第一制冷回路和所述第二制冷回路中的相应的蒸发器具有用以引导待冷却的流体的流动的多个管道，且所述第一制冷回路和所述第二制冷回路的所述相应的蒸发器以串联关系互连，使得所述待冷却的流体连续地经过所述第一制冷回路和所述第二制冷回路的所述相应的蒸发器，所述冷却器系统包括：

蒸发器水箱，其连接于所述第一制冷回路的蒸发器和所述第二制冷回路的蒸发器之间且在该蒸发器水箱中具有至少三个通道，其中第一通道具有水入口连接且第二通道具有水出口连接；

所述第一制冷回路的蒸发器和所述第二制冷回路的蒸发器各自具有第一管道通路的管道和第二管道通路的管道，其中该第一管道通路的管道和第二管道通路的管道在它们的端部处通过回转弯头连接；

使得待冷却的流体流入所述第一通道中，且然后流入所述第一制冷回路的蒸发器和所述第二制冷回路的蒸发器中的一个蒸发器中，连续地流过所述一个蒸发器的第一管道通路的管道、回转弯头、第二管道通路的管道，然后流入所述蒸发器水箱的第三通道中，且从所述蒸发器水箱的第三通道连续地流过所述另一蒸发器的第一管道通路的管道、回转弯头、第二管道通路的管道，且然后流入第二通道中并流出所述水出口连接。

2.根据权利要求1所述的冷却器系统，其特征在于，所述第一制冷回路和所述第二制冷回路中的相应的冷凝器具有用以引导待冷却的第二流体的流动的多个管道，且所述第一制冷回路和第二制冷回路中的所述相应的冷凝器以串联关系互连，使得所述待冷却的第二流体连续地经过所述第一制冷回路和所述第二制冷回路的所述相应的冷凝器；

冷凝器水箱，其连接于所述第一制冷回路的冷凝器和所述第二制冷回路的冷凝器之间且在该冷凝器水箱中具有至少三个通道，其中第一通道具有水入口连接且第二通道具有水出口连接；

所述第一制冷回路的冷凝器和所述第二制冷回路的冷凝器各自具有第一管道通路的管道和第二管道通路的管道，其中该第一管道通路的管道和第二管道通路的管道在它们的端部处通过回转弯头连接；

使得所述待冷却的第二流体流入所述第一通道中且然后流入所述第一制冷回路的冷凝器或所述第二制冷回路的冷凝器中的一个冷凝器中，连续地流过所述一个冷凝器的第一管道通路的管道、回转弯头、第二管道通路的管道，且然后流入所述冷凝器水箱的第三通道中，从所述冷凝器水箱的第三通道连续地流过所述另一冷凝器的第一管道通路的管道、回转弯头、第二管道通路的管道，且然后流入通向所述水出口连接的所述冷凝器水箱的所述第二通道中。

3.根据权利要求2所述的冷却器系统，其特征在于，所述冷凝器水箱以及所述蒸发器水箱以这样的方式设置：使得相对于相应的第一和第二制冷回路，所述相应的冷凝器水箱和蒸发器水箱的第三通道中的相应的流呈相反的方向。

4.根据权利要求2所述的冷却器系统，其特征在于，从所述蒸发器水箱流向所述第一制冷回路、第二制冷回路之一的所述蒸发器的水的方向与从所述冷凝器水箱流向所述第一制冷回路、第二制冷回路之另一个的所述冷凝器的水流的方向相反。

5.一种双回路冷却器，包括：

具有第一压缩器、第一冷凝器、第一膨胀装置和第一蒸发器的第一回路，其中所述第一蒸发器具有至少一个管道，以用于引导待冷却的水从所述第一蒸发器的管道的入口端到该管道的回转弯头并返回到该管道的出口端的流动；

具有第二压缩器、第二冷凝器、第二膨胀装置和第二蒸发器的第二回路，其中所述第二蒸发器具有至少一个管道，以用于引导待冷却的水从所述第二蒸发器的管道的入口端到该管道的回转弯头并返回到该管道的出口端的流动；以及

蒸发器水箱，其具有入口流开口和出口流开口，且以流体连通的方式连接于所述第一回路的所述第一蒸发器的管道的入口端和出口端与所述第二回路的所述第二蒸发器的管道的入口端和出口端之间，使得待冷却的水流入所述蒸发器水箱中，流过所述第一蒸发器的管道，流回所述蒸发器水箱中，流过所述第二蒸发器的管道，流回所述蒸发器水箱中且然后流出所述出口流开口。

6.根据权利要求5所述的双回路冷却器，其特征在于，所述双回路冷却器包括：

所述第一回路的第一冷凝器和所述第二回路的第二冷凝器中的每一个具有至少一个管道，以用于引导第二待冷却的水从所述第一冷凝器和第二冷凝器的管道的入口端到回转弯头并返回到该管道的出口端的流动；

冷凝器水箱，其具有入口流开口和出口流开口且以流体连通的方式连接于所述第一回路的第一冷凝器的管道的入口端和出口端及所述第二回路的第二冷凝器的管道的入口端和出口端之间，使得所述第二待冷却的水流入所述冷凝器水箱中，流过所述第二回路的第二冷凝器的管道，流回所述冷凝器水箱中，流过所述第一回路的第一冷凝器的管道，且流回所述冷凝器水箱中，且然后流出所述出口流开口。

7.根据权利要求6所述的双回路冷却器，其特征在于，所述蒸发器水箱和所述冷凝器水箱中的每一个都具有形成于其中的三个通道，其中第一通道具有所述入口流开口，第二通道具有所述出口流开口，且第三通道用于以流体连通的方式连接所述两个蒸发器/冷凝器。

8.根据权利要求7所述的冷却器系统，其特征在于，所述冷凝器水箱以及所述蒸发器水箱以这样的方式设置：使得相对于相应的第一和第二制冷回路，所述相应的冷凝器水箱和蒸发器水箱的第三通道中的相应的流呈相反的方向。

9.根据权利要求7所述的冷却器系统，其特征在于，从所述蒸发器水箱流向所述第一回路的第一蒸发器的水的方向与从所述冷凝器水箱流向所述第二回路的第二冷凝器的水流方向相反。

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