传热传质模块、传热传质组件及吸收式制冷机

本发明提供一种模块化的传热传质元件以及包含其的传热传质组件，进而提供了一种由这种传热传质组件构成的新型吸收式制冷机。本发明属于热工和制冷领域。

背景技术：

1、吸收式制冷机是用热源驱动的一类制冷装置。它利用制冷剂蒸汽(如水蒸汽)的冷凝和蒸发来实现制冷效应，而制冷剂蒸汽在制冷装置中的循环是靠溶液(如溴化锂的水溶液)浓度变化时吸收或放出蒸汽来实现的。吸收式制冷机由于可以完全不依赖电能，可采用太阳能、生物质能、工业废热等低品位热源驱动，可实现彻底的零碳排放，对于在暖通空调行业具有重大意义。

2、吸收式制冷机是一个复杂的传热传质系统，在其内部既有溶液的循环，也有蒸汽的循环，还有各种载冷、加热、冷却介质的循环，系统流路非常复杂，如何合理地组织各种流体的流动路径以实现高效传热传质是非常关键的。吸收式制冷机主要由发生器、冷凝器、蒸发器、吸热器这四大换热器组成，在实际应用中通常将压力相近的发生器和冷凝器布置在同一个容器中构成发生-冷凝器，而将压力相近的蒸发器和吸收器布置在同一个容器中构成蒸发-吸收器。自从吸收式制冷机发明以来，这四大换热器的结构形式一直没有发生大的改变，目前仍主要采用壳管式结构，即在壳体中布置大量的换热管的形式。根据换热管的形状，吸收式制冷机中应用的壳管式换热器结构具体又可分为平行管束式和螺旋管式两种。但无论哪种，它们的特点都是：溶液和制冷剂在壳程内流动，而加热或冷却介质在管程内流动；在壳侧多采用喷淋或降膜布液方式，即将溶液或冷凝后的制冷剂液体喷淋到换热管的外壁上，以增加传热传质速率。四大换热器均采用壳管式结构的缺点是：管束与管板或壳体之间属于硬连接(常采用机械胀管或焊接方式来实现密封)，管子无法拆卸，不方便检修；管子数量多时，潜在漏点也多，若某根换热管因腐蚀而穿孔后，需逐一检查所有换热管及胀管点或焊点；换热器无法实现模块化，不能通过增加或减少换热单元数量的方式调整机组的制冷量；整机容量改变时，所有的换热器都必须重新设计，开发、制造周期长；体积庞大、笨重，只适合用于中、大型吸收式制冷机组，不适合用于小、微型吸收式制冷机组；消耗大量的金属，尤其是较贵的铜金属，成本高。因此在电力充盈的时代吸收式制冷机并不具备很强的竞争力，若不做出改变，市场空间还会越来越小，无法发挥其自身优势。

技术实现思路

1、鉴于以上现状，本发明提供一种不需要管束而实现传热传质的标准化传热传质模块以及具有其的传热传质组件。所述传热传质模块可作为蒸发器、冷凝器、蒸汽吸收器或蒸汽发生器使用；所述传热传质组件可在吸收式制冷机中当作发生-冷凝器使用，也可也当作蒸发-吸收器使用。在此基础上，还提供了一种新型吸收式制冷机。

2、本发明的第一方面提供一种传热传质模块。所述传热传质模块是由一种材料制成的、不可拆卸的、内部具有两个彼此之间互不连通的三维流道(分别是开放流道和封闭流道)的块体，在所述传热传质模块的底部具有第一底孔和第二底孔，两个三维流道之间通过一个在模块内连续的三维曲面薄壁分隔开来，所述开放流道在除模块底面以外的其它外表面上均是开口的，所述封闭流道除了与模块底部的第一底孔和第二底孔连通以外，在模块的其它外表面上均是封闭的。分隔两种三维流道的三维曲面薄壁的形状包括但不限于三重周期最小曲面，如gyroid曲面、schwarz曲面等。也就是说，开放流道在模块内部的x，y，z三个方向均是连通的，封闭流道在模块内部的x，y，z三个方向也是连通的，但是开放流道和封闭流道之间互不连通。

3、所述传热传质模块底部的第一底孔由下往上向所述传热传质模块内部深入一定高度，在所述第一底孔的顶壁和侧壁有材料将该处的开放流道封闭起来，即所述第一底孔不和模块内部的开放流道连通，而只和模块内部的封闭流道连通。

4、所述传热传质模块底部的第二底孔由下往上向所述传热传质模块内部深入一定高度，在所述第二底孔的顶壁和侧壁也有材料将该处的开放流道封闭起来，即所述第二底孔也不能与模块内部的开放流道连通，而只能与模块内部的封闭流道连通。

5、进一步地，在所述传热传质模块内部还具有折流板，所述折流板分布在从所述传热传质模块底面起往上延伸的一定高度，但低于所述传热传质模块最上面一条封闭流道的高度，所述折流板隔开所述第一底孔和第二底孔，且所述折流板仅在所述封闭流道中具有材料而在所述开放流道中被去除了材料。优选地，所述折流板的分布高度h的范围是：20％模块高度≤h≤80％模块高度。

6、进一步地，在所述传热传质模块上还设有模块固定孔，所述传热传质模块固定孔不与模块内部的任何流道相连通。

7、所述传热传质模块可作为冷凝器或蒸发器使用。当作为冷凝器使用时，将所述传热传质模块置于饱和蒸汽环境，并在模块的封闭流道里通以冷却介质，冷却介质从所述第一底孔流入，向上流经所述折流板一侧的封闭流道，然后流经模块顶部的封闭流道，再流经所述折流板另一侧的封闭流道，最后由所述第二底孔流出。饱和蒸汽通过所述传热传质模块顶部和四周外表面的开放流道扩散到模块内部的各个角落，向间壁的封闭流道中的冷却介质放热并冷凝，冷凝得到的液体在重力作用下由所述传热传质模块四周下部外表面的开放流道流出所述传热传质模块。反之，当作为蒸发器使用时，将所述传热传质模块置于饱和液体中，或在所述传热传质模块的顶部喷淋饱和液体，并在模块的封闭流道里通以加热介质。加热介质从所述第一底孔流入，依次流过所述折流板一侧的封闭流道、模块顶部的封闭流道、所述折流板另一侧的封闭流道，从所述第二底孔流出。饱和液体通过模块外表面的开放流道进入到模块内部的各个角落后，被间壁的封闭流道中的加热介质加热后蒸发，蒸汽从模块顶部及四周外表面的开放流道逸出所述传热传质模块。

8、所述传热传质模块还可以作为蒸汽吸收器或蒸汽发生器使用。当作为蒸汽吸收器使用时，将所述传热传质模块置于饱和蒸汽环境，在封闭流道里通以冷却介质，并在所述传热传质模块的顶部喷淋浓溶液。冷却介质从所述第一底孔流入，向上流经所述折流板一侧的封闭流道，然后流经模块顶部的封闭流道，再流经所述折流板另一侧的封闭流道，最后由所述第二底孔流出。浓溶液从模块顶面的开放流道向下流入模块内部的各个角落，而蒸汽亦通过模块四周的开放流道扩散到模块内部的各个角落，浓溶液和蒸汽在开放流道中充分接触而发生传质，实现浓溶液对蒸汽的吸收。吸收过程放出的热量被封闭流道中的冷却介质带走，而吸收了蒸汽的浓溶液变成稀溶液，从所述传热传质模块四周下部外表面的开放流道流出。反之，当作为蒸汽发生器使用时，将所述传热传质模块浸于稀溶液中，或在所述传热传质模块的顶部喷淋稀溶液，并在模块的封闭流道里通以加热介质。加热介质从所述第一底孔流入，依次流过所述折流板一侧的封闭流道、模块顶部的封闭流道、所述折流板另一侧的封闭流道，从所述第二底孔流出。稀溶液通过开放流道流入模块内部的各个角落，被封闭流道中的加热介质加热，稀溶液中的蒸汽解吸出来，蒸汽从顶部及四周的开放流道逸出所述传热传质模块。

9、所述传热传质模块的外廓形状包括但不限于立方体、长方体、圆柱体、锥体、锥台、四面体、梯形台等。所述传热传质模块可由增材制造、脱蜡铸造、粉末冶金等方法生成，优选地由增材制造方法生成。所述传热传质模块的材料包括但不限于不锈钢、铜、铝、工程塑料等，优先地采用不锈钢材料。

10、本发明的第二方面提供一种传热传质组件。所述传热传质组件包括若干个所述的传热传质模块，以及第一筒体、第一筒体法兰、第一端盖、第一穿板进口接头、第一穿板出口接头、第一集流板、第二筒体、第二筒体法兰、第二端盖、第二穿板进口接头、第二穿板出口接头、第二集流板和连通板。

11、所述第一筒体和第二筒体处于同一高度，所述第一筒体法兰、第二筒体法兰分别位于所述第一筒体、第二筒体的一端，所述第一筒体的另一端和所述第二筒体的另一端通过连通板连接在一起，所述第一端盖盖住所述第一筒体法兰，所述第二端盖盖住所述第二筒体法兰。在所述连通板的上部设有连通口，此连通口连通所述第一筒体和第二筒体的内部。

12、在所述第一筒体的顶部还具有溶液进口，在所述第一筒体的底部具有溶液出口。在所述第二筒体上还设有第三口，此第三口可作为制冷剂的进口或出口：当第三口设在第二筒体的顶部时作为制冷剂的进口；当第三口设在第二筒体的底部时则作为制冷剂的出口。

13、所述第一集流板水平地置于所述第一筒体内，在所述第一集流板内部具有分流腔和汇流腔，在所述第一集流板的上表面开有多对分流孔和汇流孔，所述分流孔和第一集流板内部的分流腔连通，所述汇流孔和第一集流板内部的汇流腔连通。在每对所述分流孔和汇流孔的周围还设有孔边固定孔，所述孔边固定孔的间距和所述传热传质模块上的模块固定孔间距一致。在所述第一集流板上还设有镂空缺口，所述镂空缺口连通所述第一集流板的上表面和下表面，但避开所述第一集流板内部的分流腔和汇流腔。

14、所述若干个标准化的传热传质模块通过第一集流板的孔边固定孔固定在所述第一集流板上。固定后，所述第一集流板的若干个分流孔和所述若干个传热传质模块底部的第一底孔连通，所述第一集流板的若干个汇流孔和所述若干个传热传质模块底部的第二底孔连通。

15、所述第二集流板水平地置于所述第二筒体内，在所述第二集流板内部具有分流腔和汇流腔，在所述第二集流板的上表面开有多对分流孔和汇流孔，所述分流孔和第二集流板内部的分流腔连通，所述汇流孔和第二集流板内部的汇流腔连通。在所述分流孔和汇流孔的周围还设有孔边固定孔，所述孔边固定孔的间距和所述传热传质模块上的模块固定孔间距一致。在所述第二集流板上还设有镂空缺口，所述镂空缺口连通所述第二集流板的上表面和下表面，但避开所述第二集流板内部的分流腔和汇流腔。

16、所述若干个标准化的传热传质模块通过第二集流板的孔边固定孔固定在所述第二集流板上。固定后，所述第二集流板的若干个分流孔和所述若干个传热传质模块底部的第一底孔连通，所述第二集流板的若干个汇流孔和所述若干个传热传质模块底部的第二底孔连通。

17、在每个所述传热传质模块的底面与第一集流板的上表面之间，还设有孔周密封元件，所述孔周密封元件将第一集流板上的分流孔、汇流孔包围在内。同样地，在每个所述传热传质模块的底面与第二集流板的上表面之间，也设有孔周密封元件，所述孔周密封元件将第二集流板上的分流孔、汇流孔包围在内。当所述传热传质模块被固定到所述第一集流板和第二集流板上时，所述孔周密封元件被所述传热传质模块压紧，从而起到密封的作用。

18、在第一筒体法兰和第一端盖之间、第二筒体法兰和第二端盖之间还设有端盖密封元件，所述端盖密封元件在紧固件的配合下，实现所述第一筒体法兰和第一端盖之间、第二筒体法兰和第二端盖之间的密封。

19、所述第一集流板的分流腔、汇流腔分别通过所述第一穿板进口接头、第一穿板出口接头引出所述第一筒体，所述第二集流板的分流腔、汇流腔分别通过所述第二穿板进口接头、第二穿板出口接头引出所述第二筒体。

20、可选地，在所述第一集流板的分流腔和第一穿板进口接头之间、第一集流板的汇流腔和第一穿板出口接头之间、第二集流板的分流腔和第二穿板进口接头之间、第二集流板的汇流腔和第二穿板出口接头之间，还设有柔性接管，所述柔性接管起缓冲作用。

21、可选地，在所述第一穿板进口接头、第一穿板出口接头、第二穿板进口接头、第二穿板出口接头分别穿出所述第一筒体、第二筒体的位置，还设有穿板密封元件，以实现相应穿板位置处的密封。

22、所述传热传质组件的第一筒体、第二筒体的截面形状包括但不限于圆形、矩形、长方形、椭圆形或其它适宜形状。

23、所述传热传质组件的第一筒体和第二筒体可以采用连体或分体的形式，当采用分体的形式时，所述连通板可以用一个连通所述第一筒体和所述第二筒体上部空间的连通管来代替。

24、所述传热传质组件用作吸收式制冷机的发生-冷凝器时，所述第三口设在所述第二筒体的底部，其工作流程如下：

25、稀溶液由所述第一筒体顶部的溶液进口流入，喷淋在第一筒体内部的各个传热传质模块的顶部，再通过模块顶部的开放流道流入模块内部。加热介质依次流过所述第一穿板进口接头、第一集流板内的分流腔、第一集流板上的各个分流孔、各个传热传质模块底部的第一底孔，流入各个传热传质模块内部的封闭流道，以对模块内部开放流道中的溶液进行加热，然后依次经由各个传热传质模块底部的第二底孔、第一集流板上的各个汇流孔、第一集流板内的汇流腔、第一穿板出口接头，流出所述第一筒体。在各个传热传质模块的开放流道中被加热的稀溶液释放出饱和制冷剂蒸汽(称为蒸汽发生)，浓度变高，浓溶液由分布在各个传热传质模块下部外表面的开放流道流出，流出的浓溶液穿过第一集流板的镂空缺口，聚集在第一筒体的底部，最后经由第一筒体底部的溶液出口流出所述第一筒体。发生出的饱和制冷剂蒸汽则聚集在第一筒体的上部，进而穿过所述连通板上的连通口，进入第二筒体。

26、在第二筒体内，饱和制冷剂蒸汽通过各个传热传质模块外表面的开放流道扩散进入模块内部。冷却介质依次经过所述第二穿板进口接头、第二集流板内的分流腔、第二集流板上的各个分流孔，流至第二筒体内的各个传热传质模块底部的第一底孔，随之流入传热传质模块内部的各个封闭流道，以对进入内部开放流道中的饱和制冷剂蒸汽进行冷却，然后依次经由各个传热传质模块底部的第二底孔、第二集流板上的各个汇流孔、第二集流板内的汇流腔、第二穿板出口接头，流出所述第二筒体。饱和制冷蒸汽向冷却介质释放热量后，冷凝成压力较高的液态制冷剂，液态制冷剂从各个传热传质模块下部外表面的开放流道流出，进而穿过第二集流板的镂空缺口，聚集在第二筒体的底部，最后经由设在第二筒体底部的第三口流出所述第二筒体。

27、所述传热传质组件用作吸收式制冷机的蒸发-吸收器时，所述第三口设在所述第二筒体的顶部，其工作流程如下：

28、节流后的压力较低的液态制冷剂由设在所述第二筒体顶部的第三口流入，喷淋在第二筒体内部的各个传热传质模块的顶部，再通过模块顶部的开放流道流入各个模块内部。在模块内部的开放流道中，液态制冷剂蒸发，产生制冷效应。载冷介质依次流过所述第二穿板进口接头、第二集流板内的分流腔、第二集流板上的各个分流孔、各个传热传质模块底部的第一底孔，流入传热传质模块内部的各个封闭流道，在此载冷介质被在内部开放流道中蒸发的制冷剂降温，降温后的载冷介质依次经由各个传热传质模块底部的第二底孔、第二集流板上的各个汇流孔、第二集流板内的汇流腔、第二穿板出口接头，流出所述第二筒体。蒸发产生的制冷剂蒸汽则由所述传热传质模块四周表面的开放流道流出，聚集在第二筒体的上部，进而穿过所述连通板上的连通口，进入所述第一筒体。

29、在所述第一筒体内，浓溶液由所述第一筒体顶部的溶液进口流入，喷淋在第一筒体内部的各个传热传质模块的顶部，再通过模块顶部的开放流道流入模块内部。由第二筒体来的制冷剂蒸汽则从模块四周表面上的开放流道扩散进入模块内部，当制冷剂蒸汽和浓溶液相遇后，制冷剂蒸汽被浓溶液吸收，吸收过程中放出大量热量，此热量由冷却介质带走。冷却介质依次经过所述第一穿板进口接头、第一集流板内的分流腔、第一集流板上的各个分流孔、各个传热传质模块底部的第一底孔，流入各个传热传质模块内部的各个封闭流道，以带走开放流道中的蒸汽被吸收时产生的热量，然后依次经由各个传热传质模块底部的第二底孔、第一集流板上的各个汇流孔、第一集流板内的汇流腔、第一穿板出口接头，流出所述第一筒体。在各个传热传质模块的开放流道中吸收了制冷剂蒸汽的溶液浓度变低，稀溶液由分布在各个传热传质模块下部外表面的开放流道流出，进而穿过第一集流板的镂空缺口，聚集在第一筒体的底部，最后经由第一筒体底部的溶液出口流出所述第一筒体。

30、本发明的第三方面提供一种吸收式制冷机。所述吸收式制冷机包括两套所述的传热传质组件，以及热交换器、节流装置、溶液泵。其特征是：所述第一套传热传质组件水平放置在高处，并将第一套传热传质组件的第二筒体上的第三口设在底部；所述第二套传热传质组件水平放置在低处，并将第二套传热传质组件的第二筒体上的第三口设在顶部；所述第一套传热传质组件的溶液出口依次经过热交换器的热流体进口、热流体出口，接到所述第二套传热传质组件的溶液进口；所述第二套传热传质组件的溶液出口依次经过溶液泵的进口、溶液泵的出口、热交换器的冷流体进口、热交换器的冷流体出口，接到所述第一套传热传质组件的溶液进口；所述第一套传热传质组件上的第三口(位于底部)依次经过节流装置进口、节流装置出口，接到所述第二套传热传质组件上的第三口(位于顶部)。

31、所述吸收式制冷机的工作流程是：在第一套传热传质组件的第一穿板进口接头、第一穿板出口接头之间通以加热介质，在第一套传热传质组件的第二穿板进口接头、第二穿板出口接头之间通以冷却介质，在第二套传热传质组件的第一穿板进口接头、第一穿板出口接头之间通以冷却介质，在第二套传热传质组件的第二穿板进口接头、第二穿板出口接头之间通以载冷介质。所述第一套传热传质组件的第一筒体底部的浓溶液由溶液出口流出，经过所述中间热交换器降温后，由所述第二套传热传质组件的溶液进口进入第二套传热传质组件的第一筒体。在第二套传热传质组件的第一筒体内，浓溶液吸收制冷剂蒸汽，变成稀溶液。所述第二套传热传质组件的溶液出口处的稀溶液经溶液泵加压、并经所述中间热交换器升温后，由所述第一套传热传质组件的溶液进口进入第一套传热传质组件的第一筒体。在第一套传热传质组件的第一筒体内，稀溶液在加热介质作用下释放出制冷剂蒸汽，重新变成浓溶液，而蒸汽进入第一套传热传质组件的第二筒体。在第一套传热传质组件的第二筒体内，在冷却介质的冷却作用下，制冷剂蒸汽冷凝，变成较高压力的液态制冷剂，聚集在第一套传热传质组件的第二筒体的底部，然后由设在底部的第三口流出，再经过所述节流装置节流降压后，从设在顶部的第三口进入第二套传热传质组件的第二筒体。在此筒体中，较低压力的制冷剂液体完成蒸发，实现对载冷介质的冷却。蒸发后产生的制冷剂蒸汽进入所述第二套传热传质组件的第一筒体，重新被浓溶液吸收。如此实现了完整的溶液循环和制冷剂循环。

32、本发明的优势在于：采用标准化的模块而不是管束作为基本的传热单元，省去了常规吸收式制冷机中复杂的管路布局，避免了常规壳管式换热器复杂的管-板和管-壳密封工艺；所述传热传质模块内部具有的三重周期最小曲面薄壁结构可提供极高的孔隙率，在单位体积内可提供极高的换热面积，蒸汽和溶液在模块内部可实现充分的接触，具有结构紧凑、传热传质效率高的优点；采用一种模块即可适应冷凝、蒸发、蒸汽吸收、蒸汽发生等不同工况，系统中换热元件的规格大大减少，零件复用度高；模块可用金属3d打印等增材制造方法进行制造，易于实现大批量生产，且材料不限于金属，也可使用强度较高、耐腐蚀性能较好的工程塑料进行打印，可节省较贵的金属材料特别是铜材料的消耗；零件的模块化、标准化使得装配工艺简化，可实现快速总装；可简单地通过增加或减少标准化模块数量的方式来调整换热量的大小，可缩短开发及调试时间；所有模块均可拆卸，方便进行气密性检查，维修保养方便；不仅适合构建中、大型吸收式制冷机，也适合构建小、微型吸收式制冷机。