一种高效的CO2气体冷却器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种高效的CO2气体冷却器。本实用新型专利技术的垂直设置的多排套管换热器外管内盘绕穿过套管换热器内管，在套管换热器内管的热流体入口段和出口段的管内壁分别敷设多孔泡沫金属层，多孔泡沫金属层与管内壁面紧密贴合，多孔泡沫金属层的多孔金属泡沫材料具有三维立体结构，孔洞相互连通。本实用新型专利技术多孔泡沫材料密度低，在提高CO2气体冷却器换热强度的同时，可减少换热管的长度，在相同换热量的情况下，可减小换热面积，减少金属的消耗，换热器重量更轻，结构更紧凑。

An efficient CO2 gas cooler

The utility model discloses an efficient CO2 gas cooler. The outer tube of the multi-row casing heat exchanger vertically arranged by the utility model coils through the inner tube of the casing heat exchanger, lays porous foam metal layer on the inner wall of the heat fluid inlet section and the outlet section of the inner tube of the casing heat exchanger respectively, and the porous metal foam layer is closely connected with the inner wall of the tube, and the porous metal foam layer is porous metal foam. The material has three dimensional structure and holes are interconnected. The porous foam material density of the utility model is low, while improving the heat transfer intensity of the CO2 gas cooler, the length of the heat exchange tube can be reduced, the heat exchange area can be reduced, the metal consumption can be reduced, the weight of the heat exchanger is lighter, and the structure is more compact.

【技术实现步骤摘要】
一种高效的CO2气体冷却器
本技术涉及气体冷却器领域，更具体的说，是一种用于热泵热水器的高效的CO2气体冷却器。
技术介绍
长时间以来，人类以牺牲地球环境和大量消耗不可再生能源作为代价，使整个人类社会得到很大发展。然而，作为惩罚，恶化的环境也用频繁的灾害来不断警告人类，要善待地球。同时，不可再生能源的大量减少，也时时提醒人类要重视能源的充分利用以及新能源的开发。在这种情况下，开发和利用环保型制冷剂已是刻不容缓。现如今能源问题愈来愈成为我国经济发展和社会进步的“瓶颈”。我国经济发展对能源依赖度较大，提高能源利用效率的任务十分艰巨。据统计，我国的工业部门每年多用能源约2.3亿吨标准煤。如何提高能源利用效率、缓解能源供给的紧张局面，是实现经济可持续发展中所要解决的首要问题。而环保和节能恰恰是21世纪科学技术发展的两大议题。结合制冷空调和热泵系统的特点，制冷剂的替代和系统的节能这两方面的研究尤为重要。2014年4月欧盟推出了更严格的F-gas条例限制高GWP制冷剂在制冷空调设备的使用，减少温室气体排放、减缓全球变暖已成为现阶段全球环境保护工作面临的首要问题。其中，CO2由于其环境友好的特性被再次受到了人们的普遍关注。挪威科技大学的Lorentzen教授认为CO2是最具潜力的自然工质。CO2有诸多优点：1)环境友好，ODP＝0、GWP＝1；2)安全无毒不可燃，化学性质稳定；3)廉价易获取；4)与润滑油的相容性；5)粘度低、导热系数高，具有良好的热物性以及流动和传热特性；6)单位容积制冷/热量较高，与普通工质相比，CO2设备体积更加小巧紧凑。由于CO2的临界温度很低(31.1℃)，因此CO2的放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点的区域的气体冷却器中放热，这时的CO2为处于临界点之上的超临界流体，无相变产生。在CO2跨临界制冷循环中，其放热过程为变温过程，有较大的温度滑移。这种温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当用于热泵循环时，CO2在气体冷却器中随着冷却过程的进行温度逐渐降低，但其换热系数先逐渐上升，达到最大值后又逐渐下降，这主要是由于换热系数在准临界区附近变化剧烈，并在准临界温度附近达到最大值。然而在气体冷却器中，其入口段和出口段处的CO2对流换热系数比较低，甚至低于冷却水侧的对流换热系数。在CO2气体冷却器工作的温度范围内，CO2超临界流体的对流换热系数的变化特性为：入口段和出口段的CO2对流换热系数远低于中间段的对流换热系数。对于气体冷却器的换热过程，表现为CO2气体冷却器的入口段和出口段的大部分管路的换热强度较低，导致高效换热部分只占总换热管长的一小部分。气体冷却器是CO2制冷系统必不可少的换热设备，其换热效果直接影响制冷装置的性能和运行经济性。因此，迫切需要新的技术提高入口段和出口段的CO2的对流换热系数，如果能解决这个问题，气体换热器的换热性能将大大提升。
技术实现思路
本技术目的在于提供一种新型的CO2气体冷却器，通过提高气体冷却器中超临界CO2流体管道入口段和出口段的对流换热系数，以提高气体冷却器的整体换热性能。为了解决以上问题，本技术所采取的技术方案是：一种高效的CO2气体冷却器，垂直设置的多排套管换热器外管内盘绕穿过套管换热器内管，其特征是，在套管换热器内管的热流体入口段和出口段的管内壁分别敷设多孔泡沫金属层，多孔泡沫金属层与管内壁面紧密贴合。多孔泡沫金属层的多孔金属泡沫材料具有三维立体结构，孔洞相互连通。所述的泡沫金属层为泡沫铜、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镍的一种或多种。所述泡沫金属层表面开有直线或螺旋形槽道。所述泡沫金属层直径比套管换热器内管壁的内径大0.1-0.3mm。多孔金属泡沫材料具有三维立体结构，孔洞相互连通，使其具有了较大的比表面积、换热面积以及良好的流通性，且固体骨架铜的导热系数较高，固体骨架内部的导热、骨架表面与流体间的对流换热两者相互作用，大幅度提高了多孔泡沫壁面的传热速率。当有流体流过孔洞时，一方面，多孔金属泡沫材料的泡沫孔隙大小与形状各不相同，使得流体在多孔泡沫孔隙内流速分布极不均匀，流动的非线性增强，湍流程度增加；另一方面，在管内加入多孔泡沫金属材料后，流体在多孔泡沫内流动，会受到固体骨架韧带的扰动，促使流体流速不断地改变大小和方向，冲刷多孔泡沫孔隙固体壁面，加速孔隙内流体质点的混合与分离，削弱了孔隙壁面的边界层厚度，从而达到了强化换热的效果。本技术具有的优点和积极效果是：(1)制冷系统的制冷剂为自然工质CO2。CO2的GWP为1，ODP为0，安全无毒不可燃、廉价易获取，是环境友好的制冷剂，与现有使用的制冷剂相比，大大缓解了温室效应，环保优势明显。(2)多孔泡沫材料具有独特的三维立体网状结构，密度低、比表面积高，在管壁内表面面敷设泡沫金属材料，可增强CO2超临界流体的扰动，降低边界层厚度，进而增强进出口处CO2超临界流体的对流换热系数，最终提高气体冷却器的换热强度。(3)CO2的粘度较小，管壁内表面敷设泡沫金属材料后，CO2侧的流动阻力增加不明显，并且CO2气体冷却器的运行压力较高，气体冷却器内的压力降低不显著，在对系统性能影响不大的前提下，可显著提高换热器的换热性能。(4)多孔泡沫材料密度低，在提高CO2气体冷却器换热强度的同时，可减少换热管的长度，在相同换热量的情况下，可减小换热面积，减少金属的消耗，换热器重量更轻，结构更紧凑。附图说明图1是本技术的整体示意图；图2是本技术的局部放大图；图3是套管换热器内管道内(直线型槽道泡沫金属层)剖面图；图4为直线型槽道局部示意图；图5是套管换热器内管道内(以单一方向的螺旋线性槽道泡沫金属层)剖面图，图6为螺旋线型槽道局部示意图。具体实施方式为了使本技术的特征、达成的目的与效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本技术。如图1和图2所示，一种高效的CO2气体冷却器，垂直设置的多排套管换热器外管1内盘绕穿过套管换热器内管2，在套管换热器内管的热流体入口段和出口段的管内壁分别敷设多孔泡沫金属层3，多孔泡沫金属层与管内壁面紧密贴合。多孔泡沫金属层的多孔金属泡沫材料具有三维立体结构，孔洞相互连通。实施例一：套管换热器内管的材料一般为铜，所述的泡沫金属层为泡沫铜、泡沫铝、泡沫铁、泡沫镍的一种或多种。在泡沫金属层表面开有直线或螺旋形槽道，图3是套管换热器内管道内(直线型槽道泡沫金属层)剖面图，图4为直线型槽道局部示意图。由于套管换热器内管与所述泡沫金属不是一体的，且材料还有可能不同，为使两者紧密连在一起，两者应采用过盈配合，泡沫金属层直径比套管换热器内管壁的内径大0.1-0.3mm。实施例二：与实施例一不同的是，图5是套管换热器内管道内(以单一方向的螺旋线性槽道泡沫金属层)剖面图，图6为螺旋线型槽道局部示意图。改变泡沫金属层表面形状主要是为了增大换热面积，以提高换热管的换热效率。以上所述为本技术的主要特征，所述实施例为本技术较佳的实施例。本技术的受保护范围并不局限于此，本技术还会有各种变化和改进，任何基于本技术技术方案的等效变换均属于本技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效的CO2气体冷却器，垂直设置的多排套管换热器外管内盘绕穿过套管换热器内管，其特征是，在套管换热器内管的热流体入口段和出口段的管内壁分别敷设多孔泡沫金属层，多孔泡沫金属层与管内壁面紧密贴合，多孔泡沫金属层的多孔金属泡沫材料具有三维立体结构，孔洞相互连通。

【技术特征摘要】
1.一种高效的CO2气体冷却器，垂直设置的多排套管换热器外管内盘绕穿过套管换热器内管，其特征是，在套管换热器内管的热流体入口段和出口段的管内壁分别敷设多孔泡沫金属层，多孔泡沫金属层与管内壁面紧密贴合，多孔泡沫金属层的多孔金属泡沫材料具有三维立体结构，孔洞相互连通。2.根据权利要求1所述的高效的CO2气...

【专利技术属性】
技术研发人员：代宝民，刘圣春，苌光宇，李晓欢，刘坤，王海丹，
申请(专利权)人：天津商业大学，
类型：新型
国别省市：天津,12