專利名稱：一種便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明是一種便于冰、霜從 換熱器表面脫離的方法及應用，適用于空調、熱泵制熱、制冰及制冰式海水淡化等系統的節能增效技術領域。
背景技術：
換熱器在熱源溫度低于0 °C時，會出現結冰、結霜現象，這給空調、熱泵供熱系統帶來極大的麻煩，正常運轉能耗大幅增加，同時除冰化霜造成系統不能正常工作，能耗大增，使整個系統的綜合能效比大幅下降，甚至不能使用，冰貯冷式空調、水變冰潛熱式熱泵供熱等系統會因冰層過厚而能力降低和能耗增加。目前除冰、除霜的方法主要有熱能(電熱或熱泵反向供熱)除冰除霜法、機械自動除冰除霜法、人工機械除冰法。如中國專利申請號為200810219706. I公開了一種冰箱除霜控制系統，除霜溫度傳感器設于蒸發器上，所述蒸發器下設有接水盤；與控制器連接有一個與高溫熔斷器串聯的除霜加熱管；所述除霜加熱管設于蒸發器與接水盤之間；該冰箱除霜控制系統的化霜控制方法是當冰箱運行周期內監測冰箱冷凍室的溫度變化速率與壓縮機運行時間相結合來判斷蒸發器的霜層情況并進入除霜，冰箱除霜時，控制板控制除霜加熱管先加熱一定時問，然后以循環式加熱式工作，待蒸發器的霜層熔動后，霜層靠自身重力脫離蒸發器掉落到接水盤，直到蒸發器溫度在6°C左右退出除霜。中國專利申請號為02207678. 6公開了一種易脫霜高效率的熱交換管，適用于各式冷媒質的輸送，該熱交換管包含一具有冷媒質流道的中空管體、多個片自該中空管體外表面相間隔地向外且向下傾斜呈輻射狀延伸長短不一的熱交換翼片；該熱交換翼片可增加熱交換面積而有效提升熱傳效率，同時降低冰霜的接觸面積，并可容易地除霜。這些方法各有其缺點，熱能除冰除霜法是用熱能融化冰霜來達到目的，但消耗大量的電能或熱能，常使系統得不償失而停用；機械自動除冰霜，雖然消耗少了些但結構復雜，因有運動部件，故障率高，可靠性低，給生產、生活帶來極大的不便；人工機械除冰除霜雖無能耗，但費時費力，操作極不便利，所以除冰除霜的問題極大的制約了空調、熱泵供熱的應用。此外，除冰除霜最重要的難點在于熱交換管化冰的過程是在管壁形成環狀閉合形的冰霜塊，包住了換熱管及因冰塊大而充滿換熱器的管間間隙而無法脫出。
發明內容
本發明的目的在于針對上述的問題，提供了一種便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法，適用于空調、熱泵制冷、制熱、制冰式海水淡化等系統的吸熱端換熱器的設計及制造。為了實現上述目的，本發明采用了以下技術解決方案一種便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法，是在換熱器的傳熱面上設有低導熱或絕熱材料的絕熱條，將換熱器與水(或含水、水蒸氣介質)接觸的傳熱面分割成若干塊非環狀、非閉合區域，由于絕熱材料的存在造成了傳熱面上傳熱極不均勻，絕熱材料熱阻大，在其上較無絕熱材料覆蓋的傳熱表面難于結冰結霜，從而阻止了換熱器傳熱表面上形成大塊的、連續、閉合環狀冰霜塊，這樣的冰霜塊非常方便脫離換熱器表面；并且將換熱器阻擋冰、霜塊遠動方向的傳熱面的切線方向與垂直方向的夾角的銳角設計作制成小于冰、霜塊對傳熱面的最大靜摩擦系數的反余切函數值。所述的絕熱條一般采用導熱性能很差的材料制成，例如塑料、石墨、玻璃纖維、石棉、硅酸鹽發泡體或它們之間的復合材料，塑料的種類較多，包括發泡的聚苯乙烯、聚胺酯、聚醚、聚氯乙烯等，要求比換熱器的材料的導熱系數相差越遠越好。如果因絕熱條與傳熱管表面可能有間隙而形成的薄冰(霜)層造成的冰(霜)塊不能脫離，因此要脫冰霜時，若重力或浮力不能將此薄冰霜層折斷，則只需用熱能將此薄冰霜層融斷即可為了使冰霜塊能在重力或浮力的作用下自動脫離換熱器，針對冰霜塊在重力或浮力的作用下形成的脫離方向，對換熱器的傳熱面及傾角的設計要求a.冰(凝固物)的密度<介質流體的密度時，冰(凝固物)脫離傳熱界面后，將向 上運動，這時傳熱界面的切線方向與豎直方向的夾角的銳角0應滿足最大靜摩擦系數U
<cot 0的要求。(I)換熱器的傳熱面呈倒三角斜面時(圖)，冰(凝固物)在重力以及液體的浮力作用下，冰(凝固物)在冷卻表面，當冷卻表面的切線方向與豎直方向的夾角的銳角e越來越小，冷卻表面的切線方向與豎直方向的夾角的銳角0滿足最大靜摩擦系數U <cot 0的要求時，凝固物能自動向上滑動。(2)換熱器的傳熱面呈正三角斜面時，則無需遵循以上公式，冰(凝固物)脫離后自動向上滑動。b.冰(凝固物)的密度>介質流體的密度時，冰(凝固物)脫離傳熱界面后，將向下運動，這時傳熱面的切線方向與豎直方向的夾角的銳角9應滿足最大靜摩擦系數U
<cot 0的要求。(I)換熱器的傳熱面呈正三角斜面時，冰(凝固物)在重力以及液體的浮力作用下，凝固物在傳熱界面，當冷卻表面的切線方向與豎直方向的夾角的銳角0越來越小，冷卻表面與的切線方向豎直方向的夾角的銳角9滿足最大靜摩擦系數U < cot 9的要求時，凝固物開始向下滑動。(2)換熱器的傳熱面呈倒三角斜面時，則無需遵循以上公式，凝固物脫離后自動向下滑動。本發明的優點I、使用本發明的方法，冰、霜塊就可以在重力與浮力的作用下使冰、霜塊方便地脫離換熱器表面，從而減少換熱器的傳熱阻力，降低換熱器傳熱面兩側溫差，提高系統的能效，同時減少除冰、化霜能耗，提高了系統的可靠性和穩定性。2、化霜、化冰過程不需要再加熱換熱器表面或者停止制冰機的工作，提高了工作效率和減少無謂的能量損失。
圖I是使用本發明方法的板式換熱器絕熱條分割傳熱表面示意圖。圖2是使用本發明方法的板式換熱器絕熱條分割傳熱表面剖視圖。圖3是使用本發明方法的管式換熱器絕熱條分割傳熱表面示意圖。
圖4是使用本發明方法的管式換熱器絕熱條分割傳熱表面剖視圖。圖5是使用本發明方法的一實施例的0夾角的示意圖。圖6是使用本發明方法的另一實施例的0夾角的示意圖。圖7是室外噴淋式換熱器冷暖空調示意圖。圖8是制冰式海水淡化系統示意圖。圖9是熱泵制熱供熱水系統示意圖。
圖10是傳熱管中熱能除冰化冰區域與冰層面積之比的示意圖。附圖標記絕熱條1，傳熱面2，換熱器3，冰層4，吸熱介質5，間隙6，化冰區域7。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的技術方案進一步說明。實施例I :如附圖I、附圖2所示，應用本發明方法的管板式蒸發器，由換熱板3和絕熱條I組成；絕熱條I安裝在換熱板3的傳熱面2上，并將換熱板3與水(或含水、水蒸氣介質)接觸的傳熱面2分割成若干塊非環狀、非閉合區域，由于絕熱材料的存在造成了傳熱面上傳熱極不均勻，絕熱材料熱阻大，在其上較無絕熱材料覆蓋的傳熱表面難于結冰結霜，從而阻止了換熱板3的傳熱面2上形成大塊的、連續、閉合環狀冰霜塊，這樣的冰霜塊非常方便脫離傳熱面2 ;并且將換熱板3阻擋冰、霜塊遠動方向的傳熱面2的切線方向與垂直方向的夾角設計作制成小于冰、霜塊對傳熱面2的最大靜摩擦系數的反余切函數值；即9
<arccotu o0角的計算公式a、(如圖5所示)當冰(凝固物)的密度<介質流體的密度時，在絕熱條⑴斜面上的物體(冰、霜)由于浮力作用產生的切向力大于最大靜摩擦力與冰霜的重力產生的切向力之和時，物體(冰、霜)與傳熱面(2)發生滑動，斜面上的物體(冰、霜)向上滑動。重力作用產生的切向力Gcos 0 ;用f表示最大靜摩擦力，N表示正壓力，其中比例常數y叫做靜摩擦系數，是一個沒有單位的數值。U和接觸面的材料、光滑粗糙程度、干濕情況等因素有關，而與接觸面的大小無關，f = u N ；浮力產生的切向力Fff cos 0當Fffcos 0 > f+Gcos 0時，斜面上的物體(冰、霜)向上滑動F浮 cos Q > f+Gcos 9— F浮 cos Q > U N+Gcos 9— F浮 cos Q > U (F浮—G) sin Q+Gcos Q— F浮 cos Q-Gcos Q > U (F^-G) sin 9— (F^-G) cos 9 > u (F^-G) sin 9— (F浮-G) cos Q / (F浮-G) sin Q > U— cos 9 /sin 0 > u— u < cot 0— 0 < arccot Ub、(如圖6所示)當冰(凝固物)的密度>介質流體的密度時，在絕熱條⑴斜面上的物體(冰、霜)由于重力作用產生的切向力大于最大靜摩擦力與浮力產生的切向力之和時，物體(冰、霜)與傳熱面⑵發生滑動，斜面上的物體(冰、霜)向下滑動。用F表示重力作用產生的切向力，G表示重力，F = Gcos 0 ；用f表示最大靜摩擦力，N表示正壓力，其中比例常數y叫做靜摩擦系數，是一個沒有單位的數值。U和接觸面的材料、光滑粗糙程度、干 濕情況等因素有關，而與接觸面的大小無關，f = u N ；浮力產生的切向力Fff cos 9當F > f+Fff cos 0時，斜面上的物體(冰、霜)向下滑動F > f+Fcos 0— Gcos 0 = u N+F浮 cos 0— Gcos 0 > u (G_F浮)sin 0+F浮 cos 0Gcos 0 -Fcos 0 > U (G~F) sin 0— (G_F浮)cos0 > u (G_F浮)sin0— (G_F浮)cos 0 / (G_F浮)sin 0 > U— u < cot 0— 0 < arccot U七、應用實施例實施例2 :室外噴淋式換熱器冷暖空調如圖7，室外噴淋式換熱器內的傳熱管(或傳熱板)按本發明方法所設計制造。當室外氣溫低于0攝氏度時水變成冰，因按本發明方法所設計制造的換熱器3，換熱器壁上設計有大于管(板)結冰半徑或高度的絕熱條1，從而阻止了換熱管的管(板)的傳熱面2上形成大塊的、連續、閉合環狀冰霜塊，使得脫冰方便、效率高、能耗低，空調系統還能正常工作，而用常規的換熱器組成的空調因脫冰困難、效率低、能耗高而被迫停用。另外按本發明方法所設計制造噴淋式冷暖空調還可以用廢水作熱源，空調系統通過吸收水的凝固熱繼續為室內供暖。實施例3，制冰式海水淡化系統如圖8，制冰式海水淡化系統的工作原理海水在結冰池內的蒸發器換熱面上冷凝成冰塊，由于蒸發器按本發明的方法來設計制造，蒸發器壁上設計有大于管(板)結冰半徑或高度的絕熱條1，從而阻止了蒸發器的管(板)的傳熱面2上形成大塊的、連續、閉合環狀冰霜塊，非常便于脫離換熱器并浮于海水面上，將結冰池里的冰移至融冰池內吸收冷凝器放出的熱量后溶化成水，由于冰塊是由水分子組成，幾乎不含其他雜質(如鹽)，所以結冰過程也是個脫鹽過程，冰塊溶化后形成的冰即為淡水。實施例4，熱泵制熱供熱水系統工作原理如圖9，采用按本發明來設計制造的制冷劑蒸發器。當廢熱水箱的水溫達到0攝氏度時，制冷劑蒸發器傳熱面就會結冰，冰塊在浮力或管路回供熱量的作用下，冰塊脫離傳熱面并浮于水面，便于收集排除。由于采用按本發明來設計制造的制冷劑蒸發器，蒸發器壁上設計有大于管(板)結冰半徑或高度的絕熱條1，冰塊融化時絕熱條上的冰層很薄，首先除冰，從而阻止了蒸發器的管(板)的傳熱面2上形成大塊的、連續、閉合環狀冰霜塊，除去傳熱面上的冰塊只用少量的熱量甚至不用熱量，除冰時間短，能耗少，所以提高了制冷劑蒸發器的換熱效率及強度，從而使熱泵制熱供熱水系統達到工作可靠、節能的目的。實施例5，以換熱管式換熱為例，計算脫冰、脫霜與熱能脫冰、脫霜法脫冰(霜)熱
耗量如圖4所示，因絕熱條與傳熱管表面可能有間隙6而形成的薄冰(霜)層造成的冰(霜)塊不能脫離，因此要脫冰霜時，若重力或浮力不能將此薄冰霜層折斷，則只需用熱能將此薄冰霜層融斷即可。若傳熱管的長度為I米，冰層厚度3mm，傳熱管外徑為10mm，絕熱條與傳熱管的間隙為0. Imm(實際低于0. Imm)，冰的熔化熱3. 35X 105J/Kg。
結冰霜熱能(JiR2-Jir2) XLX p X 冰的熔化熱(3. 14 X 0. 82-3. 14 X 0. 52) X 100 X 0. 917X 1(T3X3. 35X IO5^ I. 22X100X0. 917X10_3X3. 35X IO5^ 37619J脫冰霜熱能融化0. Imm的冰(JI R，2- JI r2) XLX p X 冰的熔化熱(3. 14 X 0 . 512-3. 14 X 0 . 52) X 100 X 0 . 9 1 7X 1(T3X3. 35X IO5^ 0. 0317X100X0. 917X1(T3X3. 35X IO5^ 974J效率為(37619-974)/37619X100%= 97. 4% 實施例6，以換熱管式換熱為例，計算脫冰、脫霜與熱能脫冰、脫霜法脫冰(霜)熱
耗量同樣的傳熱管的長度為I米，冰層厚度3mm，傳熱管外徑為10mm，結冰霜的熱能相等大約為37619J。圖10所示，冰(凝固物)的密度<介質流體的密度，融化傳熱管下部分冰層后，冰霜脫離傳熱管后自動上浮；相反，如果冰(凝固物)的密度>介質流體的密度，融化傳熱管上部分冰層后，冰霜脫離傳熱管后自動下沉。脫冰霜熱能S X L X P X冰的熔化熱^ 0. 3516X100X0. 917X1(T3X3. 35X IO5^ 10800JS——除冰須融化的最小面積效率為(37619-10800)/37619X 100%= 71.3。
權利要求
1.ー種便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法，其特征在于在換熱器(3)的傳熱面(2)上設有低導熱或絕熱材料的絕熱條(I)，將傳熱面(2)分割成非環狀、非閉合的區域，使其換熱器(3)阻擋冰、霜塊運動方向的傳熱面(2)的切線方向與垂直方向的夾角的鋭角設計成小于冰、霜塊對傳熱面(2)的最大靜摩擦系數的反余切函數值。
2.根據權利要求I所述的便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法，其特征在于所述的絕熱條(1)采用塑料、石墨、玻璃纖維、石棉、硅酸鹽發泡體或它們之間的復合材料制成。
3.權利要求I所述的便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法，其特征在于該方法在空調、熱泵制冷、制熱或制冰式海水淡化系統的應用。
全文摘要
本發明涉及一種便于冰、霜從換熱器表面脫離的方法，即在換熱器(3)的傳熱面(2)上安裝有低導熱或絕熱材料的絕熱條(1)，將換熱器(3)阻擋冰、霜塊運動方向的傳熱面(2)的切線方向與垂直方向的夾角的銳角設計成小于冰、霜塊對傳熱面(2)的最大靜摩擦系數的反余切函數值；絕熱條(1)將傳熱面(2)分割成非環狀、非閉合的區域；使用本發明的方法，冰、霜塊就可以在重力與浮力的作用下使冰、霜塊很容易地脫離換熱器(3)表面，從而減少換熱器(3)的傳熱阻力，降低換熱器(3)傳熱面(2)兩側溫差，提高系統的能效，同時減少除冰、化霜能耗，提高了系統的可靠性和穩定性。
文檔編號F28F17/00GK102628658SQ20121000205
公開日2012年8月8日 申請日期2012年1月1日 優先權日2012年1月1日
發明者黃華 申請人:黃華