[发明专利]一种高效的CO2气体冷却器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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。