CN212082131U - 一种换热器专用在线除冰、除垢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种换热器专用在线除冰、除垢装置，属于换热器领域，包括电动联动装置和机械除冰除垢装置，所述机械除冰除垢装置安装在换热管内端部，所述电动联动装置与机械除冰除垢装置进行连接。本实用新型通过在换热管内安装了机械除冰除垢装置，再配合上电动联动装置，实现了对换热管内的冰层和水垢进行清除，且无需停止设备，即可实现工作状态下的除冰除垢功效，最终实现持续高效换热。

Description

一种换热器专用在线除冰、除垢装置

技术领域

本实用新型属于换热器领域，具体涉及一种换热器专用在线除冰、除垢装置。

背景技术

1、冰蓄冷

蓄冷空调是利用夜间谷价电制冷储存在蓄冷装置中，白天将所储存冷量释放出来，降低峰价电时段空调用电负荷和用电量，减少电费，减少空调机组的装机容量，它代表着当今世界中央空调的发展方向。

现有蓄冷方式分为水蓄冷和冰蓄冷两种，由于水的比热约为4.2KJ/kgK，冰水相变潜热约为335KJ/kg，若水蓄冷的蓄冷温差(与空调供回水温差相同)为8℃，其单位蓄冷量约33.6KJ/kg，仅为冰蓄冷方式的10％左右，在蓄冷量相同的前提下，水蓄冷水池容积约为冰蓄冷水池容积的8倍左右。尽管水蓄冷的制冷能效比(EER＝5.0)较高，但鉴于建筑面积和工程造价等因素的限制，工程上常采用冰蓄冷方式蓄冷，以提高蓄冷量，降低运行成本。常规冰蓄冷主要采用含乙二醇的防冻液体作为载冷剂，从热泵机组蒸发器得到小于0℃的低温流体，循环通入蓄冰盘管，对蓄冰槽内的水进行制冷结冰，并将冰蓄存于盘管上，在白天峰价电时段，将冰进行融化，对外释冷供冷。其蓄冰和释冷的综合能效比EERb较低(EERb＝2.6-2.8左右),仅为水蓄冷的机组制冷能效比的60％左右。

常规冰蓄冷，均设置蓄冰盘管和水槽，并将蓄冰盘管浸没在水槽的水中，蓄冰盘管所需的传热面积约为热泵机组蒸发器传热面积的20-25倍左右，体积庞大，蓄冰装置的造价相当于同制冷功率热泵机组的价格75％左右，其中蓄冰盘管、二次循环泵、板换及其管道的造价占蓄冰装置的2/3及以上，所以，冰蓄冷热泵机组的总造价较高，前期投资也较高。采用冰盘管制冰蓄冷时，在8小时制冰时段，随着管外冰厚的逐渐增加(从0增加到25mm)，传导热阻持续增大，导致换热管的传热系数持续降低，造成下列两种不利结果：

1)在相同传热功率的前提下，其传热温差持续增加，管内制冷温度不断降低，导致热泵机组的蒸发温度不断降低，其机组能效比持续下降。

2)在相同传热温差的前提下，其传热功率不断降低，最终传热功率仅为开始时的28％左右，平均传冷功率约为开始时的50％；所以，冰盘管蓄冰的实际制冷量约为机组配备制冷功率的45％左右，严重制约谷价电时段蓄冷量的提升。

所以，现有技术的冰盘管式冰蓄冷，在有限时间内的蓄冷量小，制冷能效比低，造价高。

2、乙二醇防冻液的危害

在现有热泵技术中，通常选用含乙二醇的防冻液作为中间载冷剂，适应低温工况下的制冰蓄冷或低温取热；由于含乙二醇的防冻水溶液与空气接触后氧化形成草酸(乙二酸)，对金属材料的有较大腐蚀性，尤其对不锈钢材料的腐蚀性更大，因此现有蓄冰盘管均采用碳钢材料，对于2mm壁厚的钢管，点蚀穿孔的年限在8-10年左右，因此使用年限较短。同时草酸有毒性，对成年人的致死量为15-30g，所以含乙二醇防冻液的制冰蓄冷装置只能单用不能合用，以免在季节转换时的清洗、排放和污染；更严重的是选用中间载冷剂制冰蓄冷释冷，需要另外增加二次换热和二级泵耗，导致系统能效比偏低。

3、冬季低温取热

热泵机组的蒸发器，在现有技术中，为了提高传热系数，减少换热面积，通常选择满液式蒸发器，并选用高效换热管。所述满液式蒸发器是指换热管外(壳程)介质是制冷剂蒸发液体，管内(管程)介质为水的蒸发器。对于水源热泵机组的冬季供热，由于受水冰点温度的限制，防止蒸发器被冻结而损坏，蒸发器中制冷剂的蒸发温度最低设定在2℃左右，小于该设定温度，机组将自动停机。由于蒸发器的传热温差一般取5℃，因而蒸发器的出水温度一般控制在4℃以上，进水温度(水源温度)一般在8-9℃以上，小于上述进水温度，热泵机组将不能有效供热。常规解决方法是增加辅助热源直接供热，如电、天然气、煤等辅助热源，由于辅助热源的供热能效比小于1，因而造成冬季供热能效比极低，经济性差。

由于地表水的温度随气候温度变化而变化。以长江在2017年和2018年武汉段的冬季水温为例：江水温度低于8℃的时段约1个月，江水最低温度为4.3℃。为了满足水源热泵冬季供热需求，现有技术1，专利公开号：CN106091077A的专利公开了一种冰源热泵供能系统，提出采用冰水混合物制备装置，解决冬季低温取热问题，该装置采用蒸发器通过类似乙二醇防冻液介质对冰水混合物制备装置提供冷源，实现低温取热，但是该专利没有考虑含乙二醇溶液防冻剂对机组能效比降低的问题，也没有给出冰水混合物制备装置的成熟方案，尤其是怎样脱冰的技术方案。

4、结冰的机理：

4.1结冰原理

2005年2月作者樊玲在南京航空航天大学硕士学位论文《结冰融冰过程的数值模拟》中公开了：水要结成冰，首先水的温度降到0℃以下，成为过冷水。从热力学观点来看，过冷水处于亚稳态，该状态的解除需要大于临界尺寸的冰核的形成。冰核的形成存在两种机理：水体内的均匀成核和固液相变界面上的非均匀成核。当过冷水中出现尺寸大于临界尺寸的冰核时，结冰过程开始，冰核在过冷水中快速长大，最终成为宏观意义上的冰，同时对外释放热量，使过冷度减小或解除。过冷度的大小对于是否发生结冰现象有着重要的影响。一定过冷度的过冷水是否发生结冰受到许多因素的影响，其中可能包括水的流动状态，结冰基体表面几何特性、物理特性、表面面积以及外加的作用力等。对于固液相变界面上的非均匀成核结冰，主要依靠管壁和管壁内的冰层传热，在已经成型的冰层表面继续结冰，此时结冰水的过冷度较小。

4.2结冰过程

水在持续降温并最终结冰的过程中，主要经历了以下4个过程：

(1)降温过程，液态水在被冷却到结晶温度0℃，在此过程的后期，随机产生尺寸较小大小不一且极不稳定的晶胚，它也是随后在水中产生的晶核的来源；

(2)过冷过程，液态水被至冷却到0℃以下，成为过冷水，某些具有较大尺寸因而比较稳定的晶胚真正成长为晶核；

(3)枝晶成长，晶核达到临界尺寸出现棱角，其换热条件优于其他部位，因而优先成长，这种成长方式叫枝晶成长。此时，由于枝晶快速成长，对外释放大量热量，过冷度迅速降低；

(4)冰层形成，大量晶核成长达到相互接触以后，形成大尺寸冰团或冰层，过冷度降至稳定值。

4.3换热管结冰与除冰

换热管的结冰属于固液相变界面上的非均匀成核，换热管内是一个细长通道，从进口到出口，其结冰过程随水的流动，同样经历所述4个过程。对于满液式换热器，换热管外制冷剂的蒸发温度低于管内水温，换热管内水结冰的冷量是从管外蒸发制冷剂传导而来，由于换热管采用导热系数较高的金属材料，管壁的传导热阻小，故管壁面的温度较低，冰层首先在管壁上形成，管内流通水实际上是通过管壁和冰层的热传导以及冰层表面的对流换热，获取冷量，进一步过冷，由于冰层热阻小于水的热阻，过冷水的结冰是以在冰层表面快速生长枝状冰晶为主，逐渐增厚冰层。

在管内壁形成的冰层，对于结冰和热传导有着相反的作用，一方面冰层的增加导致热阻增加，使得传热系数降低；另一方面冰层的存在有利于枝晶成长，结冰速度加快。因此，换热管内的结冰呈现两种形式：一是流动水内部由于过冷水的存在形成冰团随水体流动，二是在管壁冰层上直接生长冰晶，固定在管壁上。尽管由于水流的冲击，部分冰晶随水流断裂分离，但大部分冰晶还是植根于冰层表面，使冰层不断增厚。

所以，无论是管外结冰，还是管内结冰，如果能够有效地除冰，及时削减冰层上生长的冰晶，使冰层厚度保持相对薄的定值(如0.1mm厚)，从而使制冰过程中的冰层热阻较小，并相对稳定，才能使制冰功率得到大幅度提升，使热泵机组的能效比得以提高，使谷价电得到充分的利用，提高经济性。

5.换热器的污垢系数

由于水源热泵机组的换热器，在夏季制冷时，其冷凝器与水源侧换热，在冬季供热时，其蒸发器与水源侧换热；当水源侧的水质较差，容易使热泵机组换热器的污垢增大，附着在管壁上，造成换热管的传热系数降低，引起热泵机组的能效比下降；尤其是高效换热管，由管壁污垢引起的传热系数下降的幅度较大，其下降幅度一般在运行8小时达到10％-15％，运行36小时达到20％，运行160小时后达到30％，并逐渐趋于稳定。

为了清除换热管表面污垢，现有技术常采用定期停机清理的方法，不仅维护成本高，而且热泵机组将中断运行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够在不中断设备运行的情况下，可用于换热器进行除冰除垢处理的换热器专用在线除冰、除垢装置，以解决上述背景技术中的冰水混合物的制备、低温取热和换热管内污垢清除，克服满液式蒸发器在低温工况下采用乙二醇防冻液产生的危害和能效比低的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种换热器专用在线除冰、除垢装置，包括电动联动装置和机械除冰除垢装置，所述机械除冰除垢装置安装在换热管内端部，所述电动联动装置与机械除冰除垢装置进行连接。

进一步的，所述电动联动装置包括第一电动机、蜗杆、蜗轮、连杆和偏心轮，第一电动机输出轴与蜗杆轴固定连接，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮与偏心轮同轴旋转，偏心轮与连杆铰接。

进一步的，所述机械除冰除垢装置包括螺旋刀组合轴、推力板、推力轴、推动轴套和密封圈，螺旋刀组合轴的一端与推力板一端进行固定连接，推力板另一端与推力轴一端进行固定连接，推力轴另一端与连杆铰接。

进一步的，所述螺旋刀组合轴由轴本体和螺旋刀片组成。

进一步的，所述螺旋刀片螺旋式安装在轴本体外表面，所述螺旋刀组合轴的外圆直径小于换热管的内径，所述螺旋刀组合轴的轴向长度大于换热管的长度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在换热管内安装了机械除冰除垢装置，再配合上电动联动装置，实现了对换热管内的冰层和水垢进行清除，且无需停止设备，即可实现工作状态下的除冰除垢功效，最终实现持续高效换热。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为采用本实用新型制备得到的换热器的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，一种换热器专用在线除冰、除垢装置，包括电动联动装置3和机械除冰除垢装置4，机械除冰除垢装置4安装在换热管2内端部，电动联动装置3与机械除冰除垢装置4进行连接。

电动联动装置3包括第一电动机31、蜗杆32、蜗轮33、连杆34和偏心轮35，第一电动机31输出轴与蜗杆32轴固定连接，蜗杆32带动蜗轮33旋转，蜗轮33与偏心轮35同轴旋转，偏心轮35与连杆34铰接。

机械除冰除垢装置4包括螺旋刀组合轴41、推力板42、推力轴43、推动轴套44和密封圈45，螺旋刀组合轴41的一端与推力板42一端进行固定连接，推力板42另一端与推力轴43一端进行固定连接，推力轴43另一端与连杆34铰接。

螺旋刀组合轴41由轴本体和螺旋刀片组成，螺旋刀片螺旋式安装在轴本体外表面，螺旋刀组合轴41的外圆直径小于换热管2的内径，螺旋刀组合轴41的轴向长度大于换热管2的长度。本实用新型中第一电动机31与蜗杆32同轴旋转，蜗杆32带动蜗轮33旋转，从而使第一电动机31的旋转运动转化为螺旋刀组合轴41的轴向往复运动，其往复运动的行程大于相邻螺旋刀片的间距，使螺旋刀组合轴41与换热管2的内壁产生相对运动，切除换热管2内壁的新生冰层或垢层，使冰层厚度保持稳定，所切冰屑或垢屑随管程循环水带出换热管2外，流入出水管箱8，经管箱出口81流出。

通过本实用新型制备得到的换热器，包括壳体1、进水管箱7、出水管箱8、齿轮箱30、电动联动装置3、机械除冰除垢装置4、换热管2、管板21、隔板10、支撑隔板5和紊流装置6，壳体1上开设有壳程进管11和壳程出管12，进水管箱7、出水管箱8安装在壳体1的前后端部且通过管板21分隔，齿轮箱30设置在进水管箱7前端且通过隔板10分隔，电动联动装置3设置在齿轮箱30内，机械除冰除垢装置4设置在换热管2内，换热管2、支撑隔板5设置在壳体1内，换热管2左右两端部与管板21固定连接，电动联动装置3与机械除冰除垢装置4连接，紊流装置6安装在出水管箱8内，出水管箱8上设有管箱出口81，进水管箱7上安装有一管箱进口71，支撑隔板5均分固定支撑换热管2。

本实用新型提供的换热器，具备换热管内壁在线除冰或除垢功能，换热管的传热性能不受冰层厚度或污垢厚度的影响，其传热系数优于现有技术的满液式换热器，能够持续保持高效换热；在热泵机组中，可作为满液式蒸发器使用，也可作为满液式冷凝器使用，均可采用高效换热管换热。

本实用新型所述电动联动装置3中的蜗杆32涵盖小齿轮、蜗轮33涵盖大齿轮，蜗轮33与蜗杆32的变速涵盖小齿轮与大齿轮的变速及其多级齿轮变速方式。

通过本实用新型制备的满液式换热器，能够取得如下积极的效果：

1)可使热泵机组的制冰蓄冷的综合能效比相对提高15％-28％；

2)本实用新型采用制冷剂直接制冰蓄冷和低温取热，避开了中间载冷剂带来的危害，减少有毒排放和环境污染，增加了设备的使用寿命；

3)本实用新型是夏季制冰蓄冷装置兼作为冬季低温取热和冰源取热装置使用，解决冬季低温取热问题，与其组合的热泵机组的适用性可扩展到全球有水地区的供热和供冷，避免了冬季辅助热源的使用，减少了设备投入，大幅度降低了能源消耗和环境污染，降低运行成本，提高经济性。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种换热器专用在线除冰、除垢装置，其特征在于：包括电动联动装置(3)和机械除冰除垢装置(4)，所述机械除冰除垢装置(4)安装在换热管(2)内端部，所述电动联动装置(3)与机械除冰除垢装置(4)进行连接；所述机械除冰除垢装置(4)包括螺旋刀组合轴(41)、推力板(42)、推力轴(43)、推动轴套(44)和密封圈(45)，所述螺旋刀组合轴(41)的一端与推力板(42)一端进行固定连接，所述推力板(42)另一端与推力轴(43)一端进行固定连接，所述推力轴(43)另一端与连杆(34)铰接。

2.根据权利要求1所述的一种换热器专用在线除冰、除垢装置，其特征在于：所述电动联动装置(3)包括第一电动机(31)、蜗杆(32)、蜗轮(33)、连杆(34)和偏心轮(35)，所述第一电动机(31)输出轴与蜗杆(32)固定连接，所述蜗杆(32)带动蜗轮(33)旋转，所述蜗轮(33)与偏心轮(35)同轴旋转，所述偏心轮(35)与连杆(34)铰接。

3.根据权利要求1所述的一种换热器专用在线除冰、除垢装置，其特征在于：所述螺旋刀组合轴(41)由轴本体和螺旋刀片组成。

4.根据权利要求3所述的一种换热器专用在线除冰、除垢装置，其特征在于：所述螺旋刀片安装在轴本体外表面，所述螺旋刀组合轴(41)的外圆直径小于换热管(2)的内径，所述螺旋刀组合轴(41)的轴向长度大于换热管(2)的长度。

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