[發(fā)明專利]一種高效的CO2氣體冷卻器

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201710974338.0
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107830751A
• 公開（公告）日: 2018-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 代寶民;劉圣春;萇光宇;李曉歡;劉坤;王海丹
• 申請（專利權(quán)）人: 天津商業(yè)大學(xué)
• 主分類號: F28D7/08
• 分類號: F28D7/08;F28F21/08
• 代理公司: 天津市三利專利商標代理有限公司12107
• 代理人: 仝林葉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體冷卻器領(lǐng)域，更具體的說，是一種用于熱泵熱水器的高效的CO₂氣體冷卻器。

背景技術(shù)

長時間以來，人類以犧牲地球環(huán)境和大量消耗不可再生能源作為代價，使整個人類社會得到很大發(fā)展。然而，作為懲罰，惡化的環(huán)境也用頻繁的災(zāi)害來不斷警告人類，要善待地球。同時，不可再生能源的大量減少，也時時提醒人類要重視能源的充分利用以及新能源的開發(fā)。在這種情況下，開發(fā)和利用環(huán)保型制冷劑已是刻不容緩。

現(xiàn)如今能源問題愈來愈成為我國經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的“瓶頸”。我國經(jīng)濟發(fā)展對能源依賴度較大，提高能源利用效率的任務(wù)十分艱巨。據(jù)統(tǒng)計，我國的工業(yè)部門每年多用能源約2.3億噸標準煤。如何提高能源利用效率、緩解能源供給的緊張局面，是實現(xiàn)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中所要解決的首要問題。而環(huán)保和節(jié)能恰恰是21世紀科學(xué)技術(shù)發(fā)展的兩大議題。結(jié)合制冷空調(diào)和熱泵系統(tǒng)的特點，制冷劑的替代和系統(tǒng)的節(jié)能這兩方面的研究尤為重要。

2014年4月歐盟推出了更嚴格的F-gas條例限制高GWP制冷劑在制冷空調(diào)設(shè)備的使用，減少溫室氣體排放、減緩全球變暖已成為現(xiàn)階段全球環(huán)境保護工作面臨的首要問題。其中，CO₂由于其環(huán)境友好的特性被再次受到了人們的普遍關(guān)注。挪威科技大學(xué)的Lorentzen教授認為CO₂是最具潛力的自然工質(zhì)。CO₂有諸多優(yōu)點：1)環(huán)境友好，ODP＝0、GWP＝1；2)安全無毒不可燃，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；3)廉價易獲取；4)與潤滑油的相容性；5)粘度低、導(dǎo)熱系數(shù)高，具有良好的熱物性以及流動和傳熱特性；6)單位容積制冷/熱量較高，與普通工質(zhì)相比，CO₂設(shè)備體積更加小巧緊湊。

由于CO₂的臨界溫度很低(31.1℃)，因此CO₂的放熱過程不是在兩相區(qū)冷凝，而是在接近或超過臨界點的區(qū)域的氣體冷卻器中放熱，這時的CO₂為處于臨界點之上的超臨界流體，無相變產(chǎn)生。在CO₂跨臨界制冷循環(huán)中，其放熱過程為變溫過程，有較大的溫度滑移。這種溫度滑移正好與所需的變溫?zé)嵩聪嗥ヅ?，是一種特殊的勞倫茲循環(huán)，當用于熱泵循環(huán)時，CO₂在氣體冷卻器中隨著冷卻過程的進行溫度逐漸降低，但其換熱系數(shù)先逐漸上升，達到最大值后又逐漸下降，這主要是由于換熱系數(shù)在準臨界區(qū)附近變化劇烈，并在準臨界溫度附近達到最大值。然而在氣體冷卻器中，其入口段和出口段處的CO₂對流換熱系數(shù)比較低，甚至低于冷卻水側(cè)的對流換熱系數(shù)。在CO₂氣體冷卻器工作的溫度范圍內(nèi)，CO₂超臨界流體的對流換熱系數(shù)的變化特性為：入口段和出口段的CO₂對流換熱系數(shù)遠低于中間段的對流換熱系數(shù)。對于氣體冷卻器的換熱過程，表現(xiàn)為CO₂氣體冷卻器的入口段和出口段的大部分管路的換熱強度較低，導(dǎo)致高效換熱部分只占總換熱管長的一小部分。

氣體冷卻器是CO₂制冷系統(tǒng)必不可少的換熱設(shè)備，其換熱效果直接影響制冷裝置的性能和運行經(jīng)濟性。因此，迫切需要新的技術(shù)提高入口段和出口段的CO₂的對流換熱系數(shù)，如果能解決這個問題，氣體換熱器的換熱性能將大大提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種新型的CO₂氣體冷卻器，通過提高氣體冷卻器中超臨界CO₂流體管道入口段和出口段的對流換熱系數(shù)，以提高氣體冷卻器的整體換熱性能。

為了解決以上問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種高效的CO₂氣體冷卻器，垂直設(shè)置的多排套管換熱器外管內(nèi)盤繞穿過套管換熱器內(nèi)管，其特征是，在套管換熱器內(nèi)管的熱流體入口段和出口段的管內(nèi)壁分別敷設(shè)多孔泡沫金屬層，多孔泡沫金屬層與管內(nèi)壁面緊密貼合。多孔泡沫金屬層的多孔金屬泡沫材料具有三維立體結(jié)構(gòu)，孔洞相互連通。

所述的泡沫金屬層為泡沫銅、泡沫鋁、泡沫鐵、泡沫鎳的一種或多種。

所述泡沫金屬層表面開有直線或螺旋形槽道。

所述泡沫金屬層直徑比套管換熱器內(nèi)管壁的內(nèi)徑大0.1-0.3mm。