三介质复合换热器的设计.docVIP

三介质复合换热器的设计 一、课题背景 我国目前是世界第二能源消耗大国，预计到2020年将超过美国成为世界第一能耗大国，国内能源供需矛盾日益突出，而建筑能耗是我国能源消耗的一大项，据统计2003年我国建筑能耗占全国能耗的28.5％，预计2020年建筑能耗将到占全国能耗的35％左右;其中空调能耗占建筑能耗的65％，占全国总能耗的22.5%，所以空调的节能研究对我国能源供需矛盾的解决有着重要的意义。 将不可直接利用的低品位热能（如空气、土壤、水、太阳能、工业废热等）转换为可利用高位能的热泵技术是空调节能的一条重要途径，在矿物质逐年短缺的今天，可以利用低位能的热泵技术已引起人们的兴趣和重视，复合热源热泵（如空气源-太阳能热泵系统、太阳能-土壤源热泵系统等）弥补了单一热源热泵的诸多缺陷，复合热源热泵的研究及应用为建筑节能开辟了新的道路。 目前复合热源热泵机组主要通过切换制冷制热不同工况，采用两台换热器，既增加了占用空间也增加了投资成本，这使得复合热源热泵难以推广。现有专利提出的一种新型太阳能-空气双热源复合热泵系统，其COP值比常规的空气源热泵系统至少高40％。该热泵系统采用了一种新型的空气-水双热源复合换热器，该复合换热器是热泵系统的核心部件，能同时实现空气、水、制冷工质三介质之间的换热，可以有效降低以空气和水为复合热源的热泵系统的投资成本和运行费用，并可缩小系统占地空间。该技术的应用将极大的推动热泵技术的应用和发展。但是该换热器加工存在一定难度，推广使用比较困难。针对上述问题，本创作设计了一种新型结构的三介质复合换热器，使其加工更容易，便于批量化生产。 二、课题的提出 目前关于两种或两种以上热源的符合换热器仅有一种，该实用新型的换热器可用于液态热源、气态热源与制冷工质的同步换热，也可用于其它类型的气态、液态或饱和态等不同组合的三种介质之间同步换热。该换热器的结构原理图如图1所示。 图1空气-水双热源复合换热器原理图 该换热器主要存在以下三个方面的问题。 （1）在焊接处外套管为曲面，而且焊接母材为薄壁铜管，不能够采用坡口焊接形式，必须直接焊接管节点。管节点是空间封闭薄壳结构，受力比较复杂，在两管相交处的最低点（热点），名义应力与几何应力之和达到最大值，使焊接后的强度降低；另外，该处不仅会出现较高的应力集中，而且还存在焊接缺陷和焊接残余应力等多种不利因素，多种不利因素叠加的结果使管节点对变载荷的抵抗能力变低。当不同流量的流体长时间冲击内壁，容易在热点附近由表面裂纹扩展而使节点破坏，导致整体结构破坏，使换热器的使用寿命降低。 （2）内外套管焊接处焊缝不对称，易产生变形，且焊缝在截面突变处，应力集中明显。当焊缝在截面中不对称时会引起弯曲变形，而当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则会产生角变形。 （3）焊缝多为不规则截面，不易实现自动化生产。人工焊接时，受焊工个人技术水平、心情状况等的影响，焊接质量不能保证，从而影响到换热器的使用寿命。 除上述所述几个原因外，一个焊接结构的整体刚性是随着装配焊接过程而逐步形成的，而每一条焊缝焊接时的刚性约束大小取决于装配焊接程序。一般来说，总装后焊接，由于刚性增加，焊接应力也相应增加。 三、设计方案 针对上述换热器的现有不足，本课题设计了一种新型结构的三介质复合换热器，设计方案如下： 新设计的三介质复合换热器，包括风机（14）和换热器本体。换热器本体包括分液管（1）和集液管（2）。分液管（1）由隔板（3）分为第一空腔（10）和第二空腔（11），集液管（2）由隔板（3）分为第三空腔（12）和第四空腔（13），第一空腔（10）和第四空腔（13）由内管（8）连通，第二空腔（11）和第三空腔（12）由外管（5）连通，外管（5）套设在内管（8）外，外管（5）外壁上设有翅片（4），所述分液管（1）和集液管（2）之间设有至少一排外管（5），多排管之间可以是顺排形式或者叉排形式。结构示意图如下所示： 图3 图4 图5 说明：图1为该换热器的结构示意图。 图2 为图1的b-b剖面示意图。 图3为图1的a-a剖面示意图。 图4为双排管顺排的结构示意图。 图5为双排管叉排的结构示意图。 四、实验研究 太阳能-空气双热源复合热泵系统与空气源热泵系统性能对照表 太阳能热水流量 m3/h 空气源热泵系统的COP 太阳能-空气双热源热泵系统的COP COP变化值 % 0.20 1.99 2.81 41.21 0.25 1.99 3.05 53.27 0.30 1.99 3.28 64.96 0.35 1.99 3.25 63.32 0.40 1.99 3.24 62.81 五、设计方案的优点 该设计作品回避了现有换