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CN102213507A - 板式热交换器以及包括该板式热交换器的空气调节器 - Google Patents

板式热交换器以及包括该板式热交换器的空气调节器 Download PDF

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CN102213507A CN2011100839855A CN201110083985A CN102213507A CN 102213507 A CN102213507 A CN 102213507A CN 2011100839855 A CN2011100839855 A CN 2011100839855A CN 201110083985 A CN201110083985 A CN 201110083985A CN 102213507 A CN102213507 A CN 102213507A
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Abstract

本发明涉及空气调节器的板式热交换器，该板式热交换器具有多个传热板，并包括用于工作流体流入的流入管以及用于排出工作流体的排出管，在将上述板式热交换器的深度设为H(mm)、将上述工作流体的流入管的内径设为D(mm)、将上述工作流体的密度设为ρ(kg/m3)，并如下定义有效分配指数(K)时，K＝ρ/ln(D·H)上述有效分配指数(K)具有大于0.1且小于1.2的值。

Description

板式热交换器以及包括该板式热交换器的空气调节器
技术领域
本发明涉及空气调节器，更详细地说，涉及能够通过重叠多个传热板来完成制冷剂的传热的板式热交换器。
背景技术
最近，能够以一个装置实现制冷循环及热泵循环，并可选择性地完成室内的制冷及制热的冷暖用空气调节器(所谓热泵)的普及程度正在增加。通常，热泵包括具有热交换器的室内机、压缩机、具有热交换器的室外机以及膨胀器。
冷暖用空气调节器在以制冷模式使用时机理如下：将室内热交换器用作蒸发器，使所通过的低温、低压的液体状态的制冷剂蒸发来吸收室内的热量，由此对室内进行制冷。通过蒸发器后的中温、低压的制冷剂气体再次通过压缩机，由此变为高温、高压的制冷剂气体。相对于此，冷暖用空气调节器在制热模式下机理如下：将室内热交换器用作冷凝器，高温、高压的气体状态的制冷剂一边通过上述冷凝器，一边将热量放出到室内，由此对室内进行制热。即，室外机在夏季作为冷凝器来使用，而在冬季作为蒸发器来使用。
具有上述结构的冷暖用空气调节器中的在制冷时作为蒸发器来使用的热交换器，使用管壳(shell and tube)式热交换器与板式热交换器，其中最近多使用传热特性优越、且所占设置空间小的小型板式热交换器。板式热交换器通过重叠多个传热板来形成，制冷剂在传热板的一面流动，而传热流体在另一面流动，由此彼此进行传热。
然而，以往的板式热交换器存在如下问题，即，不能将所流入的制冷剂均匀地分配到各传热板，产生制冷剂的偏差，由此导致损失有效热交换面积。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做出的，其目的在于，提供一种通过均匀地分配所流入的工作流体而能够使热交换效率最大化的板式热交换器以及包括该板式热交换器的空气调节器。
为了达成上述目的，本发明提供一种板式热交换器，该板式热交换器具有多个传热板，并包括用于工作流体流入的流入管以及用于排出工作流体的排出管，在将所述板式热交换器的深度设为H(mm)、将所述工作流体的流入管的内径设为D(mm)、将所述工作流体的密度设为ρ(kg/m3)，并如下公式1定义有效分配指数(K)时，
[公式1]
K＝ρ/ln(D·H)
所述有效分配指数(K)的值大于0.1且小于1.2。
此外，上述流入管能够具有直接连接在上述板式热交换器上的直管部以及连接在上述直管部上的弯曲部。
此外，上述弯曲部的角度(θ)是20°＜θ＜90°即可。在这里，在将上述流入管内的工作流体的速度设为V(m/s)、将上述流入管的直管部的长度设为L(m)、将上述工作流体的流入管的内径设为D(m)、将上述工作流体的运动粘度系数设为λ(m2/s)，并如下公式2定义无量纲数(T)时，
[公式2]
T＝4.5·e-9·sinθ·V·D2/(L·λ)
上述无量纲数的值可以小于0.15。
此外，上述弯曲部的角度(θ)是90°＜θ＜150°即可。在这里，在将上述流入管内的工作流体的速度设为V(m/s)、将上述流入管的直管部的长度设为L(m)、将上述工作流体的流入管的内径设为D(m)、将上述工作流体的运动粘度系数设为λ(m2/s)，并如下公式3定义无量纲数(dimensionless number)(T)时，
[公式3]
T＝4.5e-9(1+1/sinθ)·V·D2/(L·λ)
上述无量纲数的值可以小于0.15。
此外，本发明提供一种空气调节器，该空气调节器包括技术方案1至3中任一项记载的板式热交换器，上述工作流体为制冷剂，液体制冷剂流入上述流入管之后，从上述排出管排出气体制冷剂。
在具有上述结构的本发明的实施方式的板式热交换器中，能够借助恰当的制冷剂的流动分布来提高热交换器的效率，并随着热交换器的效率的提高，减小循环系统的高压部分和低压部分之差，由此能够节约运行成本。
此外，在本发明的实施方式的板式热交换器中，利用制冷剂的均匀的流动分布来降低在板式热交换器中的压力损失，并减轻压缩机的负荷，由此能够节约运行成本。
此外，在本发明的实施方式的板式热交换器中，降低由流动正常化引起的低压损失，由此能防止板式热交换器的入口侧的结冰现象。
附图说明
图1是概略地示出了本发明的实施方式的空气调节器的图。
图2是概略地示出了在图1示出的板式热交换器的图。
图3是示出了基于本发明的实施方式的板式热交换器的有效分配指数的温度偏差的平均的图。
图4是概略地示出了本发明的其他实施方式的板式热交换器的图。
图5是示出了基于本发明的其他实施方式的板式热交换器的无量纲数的温度偏差的平均的图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明实施方式的包括压缩机的空气调节器。
图1是概略地示出了本发明的实施方式的空气调节器的图，图2概略地示出了在图1示出的板式热交换器的图，图3是示出了基于本发明的实施方式的板式热交换器的有效分配指数的温度偏差的平均的图。
参考图1，本发明的一个实施方式的空气调节器(热泵)300包括室外机100与室内机200；室外机100包括热交换器10、用于促进制冷剂与外部空气之间热交换的热交换风扇20、压缩制冷剂的压缩机30、膨胀器40。通过用于制冷剂流动的导管50来连接热交换器10、压缩机30及膨胀器40。图1中的箭头表示制冷剂的行进方向，在本实施方式中示出制冷剂在制热时的行进方向。
在压缩机30的前端设置有气液分离器60，并在压缩机30的后端设置油分离器70。气液分离器60防止液体制冷剂向压缩机30侵入，油分离器70从压缩机30所喷出的制冷剂中分离油。在油分离器70上设置有油回收管52，将能流入到压缩机30的油送到压缩机30的前端。
方向切换阀80在向空气调节器的制冷模式或制热模式切换时，切换制冷剂的移送方向。在膨胀器40的后端设置有储液器45，暂时储藏液体制冷剂。此外，切断阀54在修理空气调节器等暂时切断制冷剂的流动时使用。
此外，室内机200包括制冷时能够作为蒸发器使用的板式热交换器90。
参考图2，板式热交换器90通过重叠多个传热板91来形成，在下部连接有制冷剂的流入管92，在上部连接有制冷剂的排出管93。在这样的传热板91的一面上形成有规定图案的凹凸(herringbone pattern：人字形图案)。制冷剂在传热板91的一面流动，能够与制冷剂传热的传热流体在另一面流动。
在上述结构的板式热交换器90中，通过流入管92流入到板式热交换器90的制冷剂均匀地分配到多个传热板91中的每个传热板尤为重要。申请人发现，这样的板式热交换器90的制冷剂的分配与有效分配指数(K)这样的新定义的指数有关联。
在将上述板式热交换器90的深度设为H(mm)、将上述制冷剂的流入管92的内径设为D(m)、将上述制冷剂的密度设为ρ(kg/m3)时，有效分配指数(K)定义为如下公式1。
[公式1]
K＝ρ/ln(D·H)
在这里，作为一个例子，制冷剂的密度是指5℃饱和液的密度。
申请人为了确认上述有效分配指数(K)与制冷剂分配的关联性而进行了实验。如图2所示，申请人在从流入管92到排出管93的方向上的3D及5D的位置的各点(图2中的黑点)分别设置了能够测定温度的热电偶(thermocouple)，并改变制冷剂的种类、板式热交换器90的深度(H)及流入管92的内径(D)来进行了参数实验。即，测定了有效分配指数(K)及2列热电偶的温度标准偏差的平均值。在这里，温度标准偏差的平均值是在分别求出设置在各列的热电偶(例如6个)的标准偏差之后，取得各列(在本实施方式中为2列)的标准偏差的平均值而得出的。
在这里，如上述那样设定热电偶的位置的理由如下，即，若将热电偶过于配置在下侧，则因接近制冷剂的入口而不会出现温差，相反，若将热电偶过于配置在上侧，则因过度进行与二次侧热介质的热交换而同样不会出现温差。
根据上述的实验的结果，能够得出如图3所示的示出基于有效分配指数(K)的温度偏差的平均值的曲线图。如图3所示，能够确认：在有效分配指数(K)的值大于0.1且小于1.2的情况下，温度偏差的平均值最小，而在除此之外的范围中，温度偏差的平均值激增。温度偏差的平均值小意味着有效热交换面积的损失小，均匀地进行制冷剂的分配。
图4是概略地示出了本发明的其他实施方式的板式热交换器的图，图5是示出了基于本发明的其他实施方式的板式热交换器的无量纲数的温度偏差的平均的图。
如图4所示，制冷剂的流入管97能够具有：直管部95，其直接连接在板式热交换器90上；弯曲部96，其连接在该直管部95的前端，并相对于直管部95以所规定的角度(θ)弯曲而成。
申请人发现，利用上述弯曲部的角度(θ)来如下定义的无量纲数(T)影响制冷剂的分配。
在将输出额定功率所需的上述流入管97内的制冷剂的速度设为V(m/s)、将上述流入管97的直管部95的长度设为L(m)、将上述制冷剂的流入管97的内径设为D(m)、将上述制冷剂的运动粘度系数设为λ(m2/s)时，无量纲数(T)定义为下面的公式2及公式3。
[公式2]
T＝4.5·e-9·sinθ·V·D2/(L·λ)
(20°＜θ＜90°)
[公式3]
T＝4.5e-9(1+1/sinθ)·V·D2/(L·λ)
(90°＜θ＜150°)
在这里，设定制冷剂的速度(V)及制冷剂的运动粘度系数(λ)是以制冷剂蒸发温度为5℃为基准的。
申请人利用与上述的实验方法同样的方法，一边改变各参数一边测定出基于无量纲数(T)的热电偶的温度偏差的平均值。其结果，能够得出如图5所示的示出基于无量纲数(T)的温度偏差的平均值的曲线图。如图5所示，能够确认：在无量纲数(T)的值小于0.15的情况下，温度偏差的平均值最小，而在除此之外的范围中温度偏差的平均值激增。温度偏差的平均值小意味着有效热交换面积的损失小，均匀地进行制冷剂的分配。
以上说明了将板式热交换器应用于空气调节器的实施方式，但本发明不局限于此，能够应用于使用板式热交换器的所有的产业装置。
至此说明了本发明的优选的实施方式，但本发明不局限于此，可以在权利要求、说明书以及附图的范围内实施各种变形，这也当然属于本发明的范围。

Claims (4)

1.一种板式热交换器，具有多个传热板，并包括用于工作流体流入的流入管以及用于排出工作流体的排出管，其特征在于，
在将所述板式热交换器的深度设为H(mm)、将所述工作流体的流入管的内径设为D(mm)、将所述工作流体的密度设为ρ(kg/m3)时，如下定义有效分配指数(K)，即
K＝ρ/ln(D·H)
所述有效分配指数(K)的值大于0.1且小于1.2。
2.如权利要求1所述的板式热交换器，其特征在于：
所述流入管具有直接连接在所述板式热交换器上的直管部以及连接在所述直管部上的弯曲部，
所述弯曲部的角度(θ)为20°＜θ＜90°，
在将所述流入管内的工作流体的速度设为V(m/s)、将所述流入管的直管部的长度设为L(m)、将所述工作流体的流入管的内径设为D(m)、将所述工作流体的运动粘度系数设为λ(m2/s)时，如下定义无量纲数(T)，即
T＝4.5·e-9·sinθ·V·D2/(L·λ)
所述无量纲数的值小于0.15。
3.如权利要求1所述的板式热交换器，其特征在于：
所述流入管具有直接连接在所述板式热交换器上的直管部以及连接在所述直管部上的弯曲部，
所述弯曲部的角度(θ)为90°＜θ＜150°，
在将所述流入管内的工作流体的速度设为V(m/s)、将所述流入管的直管部的长度设为L(m)、将所述工作流体的流入管的内径设为D(m)、将所述工作流体的运动粘度系数设为λ(m2/s)时，如下定义无量纲数(T)，即
T＝4.5·e-9(1+1/sinθ)·V·D2/(L·λ)
所述无量纲数的值小于0.15。
4.一种空气调节器，其特征在于，
所述空气调节器包括权利要求1至3中任一项记载的板式热交换器； 
所述工作流体为制冷剂，向所述流入管流入液体制冷剂之后，从所述排出管排出气体制冷剂。 
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