ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОГО АППАРАТА
HEAT EXCHANGER FOR REFRIGERATING DEVICE

Область техники
Данное изобретение относится к теплообменнику с открытым трубообразным корпусом и с расположенным внутри него трубопроводом, который служит для подачи первого теплоносителя и имеет в развернутом виде длину, большую, чем длина корпуса, причем указанный корпус открыт с обеих торцевых сторон, чтобы сквозь него проходил второй теплоноситель, а также к холодильному аппарату, содержащему такой теплообменник.
Уровень техники
Подобные теплообменник и холодильный аппарат известны из патентного документа US 5592829.
В известном теплообменнике трубопровод выполнен в виде спирали. Корпус вокруг спирали принуждает поток второго теплоносителя обтекать спираль по всей ее длине, чтобы достигать высокой производительности теплообмена при умеренном расходе второго теплоносителя.
При этом возникает проблема, т.к. значительная часть второго теплоносителя вследствие направления его потока через теплообменник, по существу, параллельного продольной оси спирали, проходит через теплообменник, вообще не попадая в близкое соседство с трубопроводом, в то время как другие части потока проходят вдоль спирали последовательно через многие ее витки и при этом сильно нагреваются.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является повышение эффективности теплообменника указанного выше типа.
Решение поставленной задачи согласно изобретению достигается благодаря тому, что в наружной обшивке корпуса, по меньшей мере в области первой торцевой стороны, местами имеются отверстия.
Эти отверстия делают возможными приток или отток второго теплоносителя, в зависимости от условий, определяемых давлением в корпусе. Поэтому поле течения потока внутри корпуса не ориентировано только в продольном направлении, а имеет также радиальные компоненты, так что также и те части трубопровода, которые удалены от открытых торцевых сторон корпуса, например витки спирали или прямолинейные участки трубопровода, имеющего форму меандра или образующего по меньшей мере одну петлю, обтекаются вторым теплоносителем, еще не нагретым до этого на другом участке спирали или меандра (либо, в зависимости от направления теплового потока в теплообменнике, еще не охлажденным до этого).
Трубопровод, проходящий внутри корпуса, подвергается со всех сторон воздействию воздуха, еще не подогретого другими ее участками, если, в предпочтительном варианте, отверстия распределены по боковой поверхности обшивки равномерно и имеют одинаковое или же различное поперечное сечение. Доля площади отверстий в площади поверхности стенки предпочтительно уменьшается по мере увеличения расстояния от первой торцевой стороны корпуса. Условия для обтекания труб и, соответственно, для теплопередачи от трубопровода ко второму теплоносителю особенно благоприятны, если в соответствии с предпочтительным вариантом реализации площади сечения отверстий с увеличением расстояния от первой торцевой стороны уменьшаются. Та половина корпуса, которая находится со второй торцевой стороны, может выполняться без отверстий.
Для движения потока второго теплоносителя сквозь корпус теплообменник предпочтительно снабжен вентилятором.
Этот вентилятор расположен предпочтительно у второй торцевой стороны корпуса.
Относительно направления потока второго теплоносителя вторая торцевая сторона предпочтительно является нижней стороной, т.е. вентилятор всасывает второй теплоноситель через корпус, и полный поток второго теплоносителя проходит через отверстие на второй торцевой стороне. Таким образом, он отводится оттуда и может быть подан для дальнейшего использования.
В альтернативном варианте вентилятор может быть расположен также в средней части корпуса; в этом случае предусматривается, что доля площади отверстий в площади поверхности стенки уменьшается по направлению от обоих торцевых сторон к вентилятору. Таким образом, второй теплоноситель поступает в корпус через отверстия, находящиеся выше вентилятора по ходу потока, и снова выходит из него через отверстия, находящиеся по ходу потока ниже вентилятора.
Далее, предметом изобретения является холодильный аппарат, который имеет в качестве конденсатора теплообменник указанного выше типа. Вторым теплоносителем в этом случае обычно является воздух, в то время как первый теплоноситель - это хладагент холодильного устройства.
Перечень фигур чертежей
Дальнейшие свойства и преимущества изобретения видны из приведенного ниже описания вариантов реализации, ссылающегося на прилагаемые чертежи. На них показано следующее.
Фиг.1: аксонометрическое изображение теплообменника согласно изобретению.
Фиг.2: продольный разрез теплообменника из фиг.1, поясняющий условия обтекания внутри теплообменника.
Фиг.3: продольный разрез теплообменника по второму варианту реализации.
Фиг.4: схематичный горизонтальный разрез области основания холодильного аппарата, в котором установлен теплообменник согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Теплообменник, показанный на фиг.1, включает в себя изогнутый в форме винтообразной спирали трубопровод 1 для первого теплоносителя, предпочтительно хладагента. Корпус 2 располагается соосно продольной оси А трубопровода 1. Корпус 2 выполнен здесь, по существу, из двух жестких рамок 3, 4, которые образуют противоположные друг другу торцевые стороны корпуса 2, и металлического листа 5, примыкающего ко внешним краям двух рамок 3, 4 и образующего четыре боковых стенки корпуса. Рамка 3, обращенная к наблюдателю, имеет внутреннее отверстие 6 большой площади; в соответствующем отверстии 7 другой рамки 4 проходят радиальные рейки 8, несущие электродвигатель 9, расположенный на оси спирального трубопровода 1. Электродвигатель 9 приводит в действие выступающее из корпуса 2 колесо 10 вентилятора и таким образом создает поток воздуха через корпус 2 со стороны рамки 3 по направлению к рамке 4.
В металлическом листе 5 проделаны три группы 11а, 11b, 11с штампованных отверстий 12. Интервалы между соседними группами отверстий возрастают по мере увеличения расстояния от торцевого отверстия 6, так что доля площади отверстий 12 в площади поверхности металлического листа 5 уменьшается с возрастающим расстоянием от отверстия 6. На той половине металлического листа 5, которая находится ближе к отверстию 7, отверстий 12 нет.
Фиг.2 при помощи аксиального разреза иллюстрирует условия обтекания внутри теплообменника согласно изобретению. Большая часть воздуха, транспортируемого через теплообменник под действием колеса 10 вентилятора, поступает в него через отверстие 6. Если бы оно было единственным приточным отверстием, то получился бы поток воздуха, по существу, параллельный продольной оси, при котором часть воздуха течет вдоль трубопровода 1, в то время как большая часть потока воздуха проходит через свободную внутреннюю часть спирали и при этом почти не отбирает тепло у трубопровода 1. К тому же, в этом случае витки трубопровода 1, расположенные в направлении движения потока последовательно друг за другом, сильно тормозят поток воздуха, так что в пустой внутренней части спирали достигается высокая скорость потока, который составляет существенную часть расхода воздуха в теплообменнике. Отверстия 12, напротив, способствуют притоку воздуха с боковых направлений, поток которого проходит внутри корпуса 2 под углом к его продольной оси, так что холодный воздух достигает даже тех витков трубопровода 1, которые находятся далеко от впускного отверстия 6.
Работа вентилятора приводит к возникновению градиента давления внутри корпуса 2, т.е. разность давлений между внутренней частью корпуса и окружающей средой возрастает на протяжении продольной оси корпуса 2, становясь тем выше, чем ближе к вентилятору. Чем выше разность давлений внутри и снаружи, тем выше расход воздуха через единицу площади каждого из отверстий 12. Поэтому для того, чтобы обеспечивать по возможности равномерное снабжение витков холодным наружным воздухом, доля площади отверстий 12 в площади поверхности металлического листа 5 с увеличением расстояния от отверстия 6 должна уменьшаться, как уже указано выше. Вместо увеличения расстояний между группами 11а, 11b, 11с отверстий по мере удаления от отверстия 6, как это показано на фиг.1 и 2, это, конечно, достигается также и в том случае, когда площадь отдельных отверстий 12 становится тем меньше, чем дальше они находятся от отверстия 6.
Видоизмененный вариант реализации теплообменника согласно изобретению показан на фиг.3 в разрезе аналогично фиг.2. В этом варианте реализации вентилятор, состоящий из электродвигателя 9 и колеса 10 вентилятора, расположен в средней части теплообменника, внутри спирали, образованной трубопроводом 1. Здесь также рядом с верхним относительно направления потока отверстием 6 корпуса 2 образованы две группы отверстий 12, а другие отверстия 13 расположены симметрично к ним в той части листа 5, которая находится рядом с нижним относительно направления потока отверстием 7. Эти отверстия 13 придают скорости потоку воздуха ниже вентилятора составляющую, направленную радиально наружу, и, таким образом, в этой части также удается избегать ситуации, когда виток трубопровода 1 находится в аэродинамической тени соседнего витка и недостаточно снабжается холодным воздухом.
Чтобы предотвращать возникновение внутри корпуса 2, в той части поперечного сечения, которая находится вне спирали, обратного потока воздуха от нижней относительно направления потока стороны вентилятора к верхней, предусмотрена разделительная стенка 14, которая проходит на уровне колеса 10 вентилятора от металлического листа 5, образующего наружную стенку корпуса 2, до области в непосредственной близости от спиралей.
На фиг.4 в качестве примера реализации теплообменника согласно изобретению показан горизонтальный разрез холодильного аппарата или морозильника с корпусом 20 и дверью 21. В нижней части корпуса 20, дальней от двери 21, выполнен машинный отсек 22, в котором помещены рядом друг с другом теплообменник, показанный на фиг.1 или 2, в качестве конденсатора 23 для хладагента и компрессор 24. Трубопровод 1 конденсатора 23 присоединен к выпуску высокого давления компрессора 24. Хладагент и нагнетаемый вентилятором наружный воздух протекают через конденсатор 23 в противоположных направлениях. Воздух, нагретый в конденсаторе 23, обтекает компрессор 24 и охлаждает его. Кроме того, этот воздух способствует испарению конденсата, отводимого из внутреннего объема 25 холодильного устройства, в чаше 26 испарителя, установленной на компрессоре 24. Отверстия 27 или 28 для входа и выхода воздуха образованы здесь в боковых стенках машинного отсека 22. Альтернативно этому они могут быть предусмотрены в его днище, чтобы подводить или отводить наружный воздух через находящийся под корпусом 20 цоколь устройства, или задняя сторона машинного отсека 22 может быть частично оставлена открытой, чтобы способствовать воздухообмену.