СТОЙКИЙ К ОБРАЗОВАНИЮ ИНЕЯ МИКРОКАНАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
MICRO-CHANNEL HEAT EXCHANGER RESISTANT TO FROST FORMATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в общем относится к применениям тепловых насосов и холодильников, в частности, к микроканальному теплообменнику, выполненному с возможностью использования в тепловом насосе или холодильной системе.
[0002] Системы отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения (HVAC&R, heating, ventilation, air conditioning and refrigeration) содержат теплообменники для отвода или приема тепла между хладагентом, циркулирующим внутри системы, и окружающей средой. Одним типом теплообменника, который становится все более популярным вследствие своей компактности, жесткости конструкции и превосходных рабочих характеристик, является микроканальный или миниканальный теплообменник. Микроканальный теплообменник содержит две или более удерживающие формы, такие как трубки, через которые циркулирует охлаждающая или нагревающая текучая среда (т.е. хладагент или гликолевый раствор). Трубки имеют уплощенное поперечное сечение и множество параллельных проточных каналов. Для того чтобы способствовать передаче тепловой энергии между нагревающей/охлаждающей текучей средой и окружающей средой, между трубками обычно проходят ребра. Ребра имеют гофрированную структуру, содержат заслонки для повышения передачи тепла и обычно прикреплены к этим трубкам с помощью пайки твердым припоем.
[0003] Обычные микроканальные теплообменники в большинстве случаев имеют по существу идентичные ребра на всем протяжении сердечника теплообменника. В тепловых насосах и холодильниках, когда в качестве испарителя используется микроканальный теплообменник, влага, присутствующая в воздушном потоке, подаваемом к теплообменнику для охлаждения, может конденсироваться и затем замерзать на внешних поверхностях теплообменника. Образовавшийся лед или иней может блокировать поток воздуха через теплообменник, тем самым снижая эффективность и функциональность теплообменника и системы HVAC&R. Микроканальные теплообменники склонны к более быстрому замерзанию, чем теплообменники с круглыми трубами и пластинчатыми ребрами и, следовательно, требуют более частой разморозки, снижая полезное время использования теплообменника и общие рабочие характеристики. Следовательно, требуется сконструировать микроканальный теплообменник с улучшенной стойкостью к образованию инея и улучшенными рабочими характеристиками.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Предоставлен теплообменник, содержащий первый коллектор, второй коллектор и множество теплообменных трубчатых сегментов, соединяющих по текучей среде первый и второй коллекторы. Теплообменные трубчатые сегменты содержат изгиб, задающий первую пластину и вторую пластину, расположенные под углом друг к другу. Каждый из теплообменных трубчатых сегментов содержит по меньшей мере первую теплообменную трубку и вторую теплообменную трубку, по меньшей мере частично соединенные перемычкой, проходящей между ними. Первая теплообменная трубка и вторая теплообменная трубка являются ассиметричными таким образом, что проходное поперечное сечение первой теплообменной трубки отличается от проходного поперечного сечения второй теплообменной трубки. Текучая среда последовательно протекает через первые теплообменные трубки первой пластины и второй пластины, а затем через вторые теплообменные трубки второй пластины и первой пластины.
[0005] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения воздушный поток через теплообменник перемещается от первой пластины ко второй пластине.
[0006] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения воздушный поток через теплообменник перемещается от второй пластины к первой пластине.
[0007] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения проходное поперечное сечение первых теплообменных трубок меньше, чем проходное поперечное сечение вторых теплообменных трубок.
[0008] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения текучая среда в первых теплообменных трубках содержит жидкость или паро-жидкостную смесь, содержащую менее 20% пара по массе.
[0009] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения текучая среда во вторых теплообменных трубках содержит пар или паро-жидкостную смесь, содержащую по меньшей мере 50% пара по массе.
[0010] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения проходное поперечное сечение первых теплообменных трубок больше, чем проходное поперечное сечение вторых теплообменных трубок.
[0011] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения текучая среда во вторых теплообменных трубках содержит жидкость или паро-жидкостную смесь, содержащую менее 20% пара по массе.
[0012] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения текучая среда в первых теплообменных трубках содержит пар или паро-жидкостную смесь, содержащую по меньшей мере 50% пара по массе.
[0013] В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предоставлен теплообменник, содержащий первый коллектор, второй коллектор и множество теплообменных трубчатых сегментов, соединяющих по текучей среде первый и второй коллекторы. Теплообменные трубчатые сегменты содержат изгиб, задающий первую пластину и вторую пластину, расположенные под углом друг к другу. Каждый из теплообменных трубчатых сегментов содержит по меньшей мере первую теплообменную трубку и вторую теплообменную трубку, по меньшей мере частично соединенные перемычкой, проходящей между ними. Текучая среда последовательно протекает через первые теплообменные трубки и вторые теплообменные трубки теплообменника таким образом, что текучая среда в первых теплообменных трубках является жидкостью, а текучая среда во вторых теплообменных трубках является паром.
[0014] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения первая теплообменная трубка и вторая теплообменная трубка являются ассиметричными таким образом, что проходное поперечное сечение первой теплообменной трубки отличается от проходного поперечного сечения второй теплообменной трубки.
[0015] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения проходное поперечное сечение первых теплообменных трубок меньше, чем проходное поперечное сечение вторых теплообменных трубок.
[0016] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения воздушный поток через теплообменник перемещается от первой пластины ко второй пластине.
[0017] В дополнение к одному или более из описанных выше признаков или в качестве альтернативы согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения воздушный поток через теплообменник перемещается от второй пластины к первой пластине.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0018] Объект, рассматриваемый в качестве настоящего изобретения, в частности, отмечен и явно заявлен в формуле изобретения в заключительной части настоящего описания. Указанные выше и другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего подробного описания, приведенного в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0019] На фиг. 1 показана принципиальная схема парового холодильного цикла холодильной системы;
[0020] На фиг. 2 показан вид сбоку микроканального теплообменника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения до операции изгибания;
[0021] На фиг. 3 показано сечение трубчатого сегмента микроканального теплообменника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0022] На фиг. 4 показано сечение трубчатого сегмента микроканального теплообменника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0023] На фиг. 5 показан перспективный вид микроканального теплообменника в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0024] На фиг. 6 показано сечение микроканального теплообменника в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
[0025] На фиг. 7 показано сечение микроканального теплообменника в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения; и
[0026] На фиг. 8 показано сечение микроканального теплообменника в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0027] Подробное описание разъясняет варианты осуществления настоящего изобретения вместе с преимуществами и отличительными признаками в виде примера со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] На фиг. 1 схематично проиллюстрирован парокомпрессионный холодильный цикл 20 системы кондиционирования воздуха или холодильной системы. Примерные системы кондиционирования воздуха или холодильные системы содержат среди прочего, например, сплит-системы охлаждения, автономные холодильные системы, чиллеры, монтируемые на крышу холодильные системы, системы охлаждения супермаркета и транспортные холодильные системы. Хладагент R выполнен с возможностью циркуляции через парокомпрессионный цикл 20 таким образом, что хладагент R поглощает тепло, когда испаряется при низких температуре и давлении, и выделяет тепло, когда конденсируется при более высоких температуре и давлении. Внутри этого цикла 20 хладагент R протекает в направлении против часовой стрелки, как указано стрелкой. Компрессор 22 принимает парообразный хладагент от испарителя 24 и сжимает его до более высоких температуры и давления, причем относительно горячий пар затем проходит к конденсатору 26, где он охлаждается и конденсируется до жидкого состояния посредством теплообменного соотношения с охлаждающей средой (не показана), такой как воздух. Затем жидкий хладагент R проходит от конденсатора 26 к расширительному устройству 28, в котором хладагент R расширяется до низкотемпературного двухфазного жидкого/парообразного состояния по мере его прохождения к испарителю 24. Затем пар низкого давления возвращается к компрессору 22, где этот цикл повторяется. Следует понимать, что холодильный цикл 20, показанный на фиг. 1, является упрощенным представлением системы HVAC&R, и в это схематическое изображение могут быть включены многие усовершенствования и признаки, известные в данной области техники. В частности, холодильный цикл теплового насоса содержит четырехходовой клапан (не показан), расположенный ниже по потоку компрессора относительно потока хладагента, который обеспечивает возможность изменения направления потока хладагента на обратное на всем протяжении холодильного цикла для переключения между охлаждающим и нагревающим режимами работы для окружающей среды, подлежащей кондиционированию.
[0029] На фиг. 2 более подробно проиллюстрирован пример теплообменника 30, выполненного с возможностью использования в парокомпрессионной системе 20. В парокомпрессионной системе 20 теплообменник 30 может быть использован в качестве конденсатора 24 или испарителя 28. Теплообменник 30 содержит по меньшей мере первый коллектор или магистраль 32, второй коллектор или магистраль 34, расположенную на расстоянии от первого коллектора 32, и множество трубчатых сегментов 36, проходящих на расстоянии друг от друга, параллельно друг другу и соединяющих первый коллектор 32 и второй коллектор 34. В соответствии с показанным неограничивающими вариантами осуществления первая магистраль 32 и вторая магистраль 34 ориентированы в целом горизонтально, а теплообменные трубчатые сегменты 36 проходят в целом вертикально между двумя магистралями 32, 34. Однако, в пределах объема настоящего изобретения также находятся и другие конфигурации, такие как те, в которых первая и вторая магистрали 32, 34 расположены по существу вертикально.
[0030] Как проиллюстрировано на видах в сечении, показанных на фиг. 3 и 4, каждый из указанного множества трубчатых сегментов 36, проходящих между первым коллектором 32 и вторым коллектором 34, является многопортовым экструдированным (МРЕ, multiport extruded) трубчатым сегментом 36 и содержит по меньшей мере первую теплообменную трубку 38 и вторую теплообменную трубку 40, соединенные перемычкой 42, проходящей по меньшей мере частично между ними. В соответствии с одним вариантом осуществления перемычка 42, расположенная на самых дальних от центра трубчатых сегментах 36, содержит множество отверстий.
[0031] Внутренний проточный канал каждой теплообменной трубки 38, 40 может быть разделен внутренними стенками на множество раздельных проточных каналов 44а, 44b, которые проходят по длине трубчатых сегментов 36 и устанавливают связь по текучей среде между соответствующими первым и вторым коллекторами 32, 34. Внутренние проточные каналы первых теплообменных трубок 38 могут быть разделены на различное количество раздельных проточных каналов 44, чем внутренние проточные каналы вторых теплообменных трубок 40. Проточные каналы 44а, 44b могут иметь поперечное сечение любой формы, такое как, например, круглое поперечное сечение, прямоугольное поперечное сечение, трапецеидальное поперечное сечение, треугольное поперечное сечение или другое некруглое поперечное сечение. Указанное множество теплообменных трубчатых сегментов 36, содержащих раздельные проточные каналы 44а, 44b, может быть образовано с использованием известных технологий, таких как, например, экструзия.
[0032] Каждая первая теплообменная трубка 38 и вторая теплообменная трубка 40 имеет соответствующие передний край 46а, 46b, задний край 48а, 48b, первую поверхность 50а, 50b и вторую поверхность 52а, 52b (фиг. 3). Передний край 46а, 46b каждой теплообменной трубки 38, 40 расположен выше по потоку соответствующего заднего края 48а, 48b относительно воздушного потока А через теплообменник 30.
[0033] Первые теплообменные трубки 38 и вторые теплообменные трубки 40 являются по существу различными или ассиметричными. В соответствии с показанным неограничивающим вариантом осуществления вторые теплообменные трубки 40 являются более широкими и имеют большее количество раздельных проточных каналов 44, чем первая теплообменная трубка 38, что приводит к большему проходному поперечному сечению. Хотя вторая теплообменная трубка 40, как показано на фиг. 3, шире, чем первая теплообменная трубка 38, другие конфигурации, такие как те, где, например, указанное множество первых теплообменных трубок 38 имеет большее проходное поперечное сечение, чем указанное множество вторых теплообменных трубок 40, находятся в пределах объема настоящего изобретения. Коэффициент асимметрии между первыми теплообменными трубками 38 и вторыми теплообменными трубками 40 может зависеть от любого из множества параметров теплообменника, такого как емкость.
[0034] Ссылаясь на фиг. 5, каждый трубчатый сегмент 36 теплообменника 30 содержит по меньшей мере один изгиб 60 таким образом, что теплообменник 30 имеет многопроходную конфигурацию относительно воздушного потока А. Изгиб 60 в целом выполнен вокруг оси, проходящей по существу перпендикулярно продольной оси или раздельным проточным каналам 44а, 44b трубчатых сегментов 36. В показанном варианте осуществления изгиб 60 является ленточным изгибом; однако другие типы изгибов находятся в пределах объема настоящего изобретения. В соответствии с показанным неограничивающим вариантом осуществления изгиб 60 выполнен в приблизительной средней точке трубчатых сегментов 36 между противоположными первым и вторым коллекторами 32, 34.
[0035] Изгиб 60 по меньшей мере частично задает первую секцию или пластину 62 и вторую секцию или пластину 64 указанного множества трубчатых сегментов 36. Как показано на этом чертеже, изгиб 60 может быть выполнен таким образом, что первая пластина расположена под тупым углом относительно второй пластины 64. Альтернативно, или в дополнение, изгиб 60 также может быть выполнен таким образом, что первая пластина 62 расположена либо под острым углом, либо по существу параллельно второй пластине 64. Изгиб 60 обеспечивает возможность образования теплообменника 30, имеющего обычную форму А-образной или V-образной катушки. В вариантах осуществления изобретения, где первая пластина 62 и вторая пластина 64 расположены по существу параллельно, длины первой пластины 62 и второй пластины 64 могут изменяться для смещения положения первого коллектора 32 относительно второго коллектора 34. Альтернативно, свободные концы первой пластины 62 и второй пластины 64 могут располагаться под углом или раскрываться друг от друга таким образом, чтобы размещать коллекторы 32, 34.
[0036] Как изложено ранее, теплообменник 30 содержит многопроходную конфигурацию, как результат выполненного в нем изгиба 60. В одном варианте осуществления, показанном на фиг. 6, теплообменник 30 выполнен таким образом, что как первая теплообменная трубка 38, так и вторая теплообменная трубка 40 трубчатого сегмента 36 в первой пластине 62 задают первый проход относительно воздушного потока А. Аналогично, как первая теплообменная трубка 38, так и вторая теплообменная трубка 40 во второй пластине 64 того же трубчатого сегмента 36 задают последующий проход относительно воздушного потока. Хотя на показанном чертеже текучая среда или хладагент имеет противоположную ориентацию потока относительно направления указанного воздушного потока, другие варианты осуществления, в которых хладагент имеет параллельную ориентацию потока, также находятся в пределах объема настоящего изобретения.
[0037] В другом варианте осуществления, как проиллюстрировано на фиг. 7 и 8, первая теплообменная трубка 38 и вторая теплообменная трубка 40 в той же первой пластине 62 или второй пластине 64 выполнены в качестве различных проходов в пределах траектории потока хладагента теплообменника 30. Например, как показано на фиг. 7, теплообменник 30 может быть выполнен таким образом, что хладагент последовательно протекает через первую теплообменную трубку 38 как первой пластины 62, так и второй пластины 64 до протекания через вторую теплообменную трубку 40 второй пластины 64 и первой пластины 62. Однако, другие конфигурации потока, такие как те, где хладагент протекает через вторые теплообменные трубки 40 до протекания через первые теплообменные трубки 38, как показано на фиг. 8, также находятся в пределах объема настоящего изобретения. Дополнительно, хладагент может входить в теплообменник 30 в той же пластине, что и воздушный поток, как показано в вариантах осуществления, показанных на фиг. 7 и 8, или альтернативно, может входить в теплообменник в различной пластине, чем воздушный поток.
[0038] В зависимости от направления воздушного потока А относительно теплообменника 30 и того, какая пластина выполнена в качестве впускного отверстия для хладагента в теплообменник 30, поток через первую теплообменную трубку 38 имеет первую конфигурацию, а поток через вторую теплообменную трубку 40 имеет вторую конфигурацию, отличную от первой конфигурации. Как показано в проиллюстрированном неограничивающем варианте осуществления на фиг. 7, при воздушном потоке А, протекающем от первой пластины 62 ко второй пластине 64, поток в первой теплообменной трубке 38 параллелен направлению воздушного потока А, а поток во второй теплообменной трубке 40 противоположен направлению воздушного потока А. В вариантах осуществления, где хладагент сначала обеспечивается во вторые теплообменные трубки 40, как показано на фиг. 8, поток во вторых теплообменных трубках 40 параллелен направлению воздушного потока А, а поток в первых теплообменных трубках 38 противоположен направлению воздушного потока А.
[0039] Для минимизации образования инея на теплообменнике 30 траектория потока хладагента через теплообменник 30 может быть выполнена таким образом, что жидкость или двухфазная часть хладагента протекает через теплообменную трубку, имеющую меньшее проходное поперечное сечение, а парообразная часть хладагента протекает через теплообменную трубку, имеющую большее проходное поперечное сечение. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг. 8, вторая теплообменная трубка 40 имеет меньшее проходное поперечное сечение, чем первая теплообменная трубка 38. Воздушный поток выполнен с возможностью протекания от первой пластины 62 ко второй пластине 64, а жидкий или двухфазный хладагент входит во вторые теплообменные трубки 40 первой пластины 62. К тому моменту времени, когда хладагент достигает первых теплообменных трубок 38 первой пластины 62, хладагент является перегретым паром, который имеет температуру выше температуры насыщения. В результате, количество теплопередачи, происходящей между воздушным потоком А и первыми теплообменными трубками 38 первой пластины 62 ограничено. В таких вариантах осуществления жидкость или паро-жидкостная смесь во вторых теплообменных трубках 40 имеет менее 20% пара по массе, а пар или паро-жидкостная смесь в первых теплообменных трубках 38 имеет по меньшей мере 50% пара по массе.
[0040] В других вариантах осуществления, хладагент сначала обеспечивается в первые теплообменные трубки 38, затем во вторые теплообменные трубки 40, как показано на фиг. 7. В таких вариантах осуществления первые теплообменные трубки 38 могут иметь проходное поперечное сечение меньше, чем у вторых теплообменных трубок 40 таким образом, что жидкость или паро-жидкостная смесь в первых теплообменных трубках 38 имеет менее 20% пара по массе, а пар или паро-жидкостная смесь во вторых теплообменных трубках 40 имеет по меньшей мере 50% пара по массе.
[0041] Присутствие перегретого пара и уменьшение количества теплопередачи между воздушным потоком А и текучей средой R в проходе хладагента, где воздушный поток изначально контактирует с теплообменником, приводят к сниженной скорости нарастания инея и улучшенной стойкости к образованию инея. В результате, образование инея и, следовательно, количество циклов разморозки, требуемое для поддержания эксплуатационной эффективности теплообменника 30, уменьшаются. Поскольку эксплуатационная эффективность теплообменника 30 улучшена (благодаря более низкому количеству циклов разморозки и увеличенной теплопередаче во второй пластине), размер теплообменника 30, требуемого для конкретного применения, также может быть уменьшен. Альтернативно, размер других компонентов, таких как компрессор, может быть уменьшен, что в свою очередь будет вызывать даже более высокую температуру испарения, дальнейшее снижение циклов разморозки, а также рост производительности системы.
[0042] Несмотря на то, что настоящее изобретение подробно показано и описано со ссылкой на примерные варианты его осуществления, как изображены на чертежах, специалистам в данной области техники следует понимать, что без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения могут быть выполнены различные изменения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным раскрытым вариантом (вариантами) осуществления, и что изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие под объем сопутствующей формулы изобретения. В частности, аналогичные принципы и соотношения могут быть расширены до монтируемых на крышу применений и вертикальных автономных модулей.