КОНДЕНСАТОР С КАНАЛОМ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ С НЕСКОЛЬКИМИ ПОПЕРЕЧНЫМИ СЕЧЕНИЯМИ
CONDENSER WITH FLUID MEDIUM FLOW CHANNEL WITH SEVERAL CROSS SECTIONS

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001]
Настоящее изобретение относится к конденсаторам с воздушным охлаждением для холодильных систем.
Описание предшествующего уровня техники
[0002]
Обычный конденсатор для холодильных систем состоит из множества змеевиковых каналов (или контуров) потока теплоносителя, вследствие чего перегретый теплопередающий пар, входящий в каждый контур (канал потока), полностью конденсируется перед выходом из теплообменного устройства. На фиг. 3 показан приведенный в качестве примера трубный пучок конденсатора, известный из уровня техники. Конденсатор состоит из приблизительно 50 змеевиковых труб, а также одного впускного коллектора и одного выпускного коллектора. Пар входит в верхний (впускной) коллектор и распределяется по всем 50 трубам, все из которых характеризуются одинаковым диаметром. Для всего канала потока текучей среды количество труб остается постоянным и площадь поперечного сечения каждой трубы остается постоянной. Внизу трубного пучка сконденсированный хладагент собирается в выпускном коллекторе.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0003]
Общий коэффициент теплоотдачи в основном зависит от коэффициента теплоотдачи на внешней поверхности и, в других случаях, от коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности. На каждом входе в контур (или канал потока) весь объем вещества находится в газообразном (или парообразном) состоянии. Начальная скорость пара на каждом входе в контур является существенной, что приводит к высокому падению внутреннего давления при увеличении длины контура текучей среды, что, в свою очередь, приводит к высокому коэффициенту теплоотдачи на внутренней поверхности. Коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности определяет отвод тепла в этой части каждого контура. Поскольку теплопередачи между хладагентом и воздухом продолжается вдоль длины каждого контура и теплоноситель (по-прежнему находящийся в парообразном состоянии) достигает насыщения, пар начинает конденсироваться. В результате этого вдоль длины каждого контура объем и скорость пара продолжают уменьшаться. Скорость пара на выходе из каждого контура фактически равна нулю - при этом теплоноситель в жидкой форме выходит из конденсатора. Непрерывное снижение скорости пара вдоль длины каждого контура с фиксированной площадью поперечного сечения приводит к уменьшению коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности. Более того, коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности перед приближением к выходному участку каждого контура ограничивает возможности конденсатора или общую способность к теплопередаче.
[0004]
Заявитель обнаружил определенные недостатки в решениях, известных из уровня техники, включая то, что, хотя объем и скорость пара максимальны на входе в первый участок, в последнем участке наблюдается низкая или нулевая скорость пара. Значительный объем пара на входе приводит к существенному падению давления хладагента в первом участке из-за высокой скорости пара. Это, в свою очередь, ограничивает массовый расход хладагента на трубу (или контур/канал потока). И наоборот, очень низкая скорость пара в последнем участке отрицательно влияет на коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности и, таким образом, уменьшает общую способность конденсатора к теплопередаче.
[0005]
В настоящем изобретении предлагается решение по нейтрализации недостатков теплопередачи в решениях, известных из уровня техники, а также по предотвращению высокого начального падения давления хладагента в первом участке за счет предоставления каналов потока (контуров) для текучей среды с несколькими поперечными сечениями для конденсации, которые связаны с сегментированными коллекторами вместо обратных колен. Таким образом, на входе в каждый контур, когда объем пара является существенным, для каждого контура предусмотрена большая площадь поперечного сечения. Большая общая начальная площадь поперечного сечения обуславливает уменьшение падения внутреннего давления и скорости пара, при этом коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности поддерживается на уровне выше коэффициента теплоотдачи на внешней поверхности. По мере уменьшения объема пара вдоль длины каждого контура в результате конденсации, общая площадь поперечного сечения уменьшается, чтобы поддерживать пороговый коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности, который равен коэффициенту теплоотдачи на внешней поверхности или больше него. Это уменьшение общей площади поперечного сечения может быть осуществлено за счет включения контура с несколькими участками, соединенного с большей общей площадью поперечного сечения для начального канала потока текучей среды по сравнению с последними участками. Такая компоновка обеспечивает уменьшение начального падения давления теплоносителя при увеличении длины контура с минимальной потерей коэффициента теплоотдачи в первом участке. Более того, она существенно повышает теплопередачу конденсатора за счет увеличения коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности в последних участках по сравнению с устройствами контура с одной площадью поперечного сечения, известными из уровня техники. В целом, конденсатор с несколькими поперечными сечениями согласно настоящему изобретению обеспечивает более высокий отвод тепла при более низком падении давления теплоносителя. Конденсатор с каналом потока текучей среды с несколькими поперечными сечениями согласно настоящему изобретению может быть реализован за счет использования больших труб в первом участке и меньших труб в последующих участках, или за счет использования большего количества труб в первом участке и меньшего количества труб в последующих участках, или за счет некоторой комбинации этих двух решений, то есть за счет уменьшения как количества труб, так и площади поперечного сечения труб в каждом последующем участке.
Краткое описание фигур
[0006]
На фиг. 1 показан вид в перспективе с местным разрезом испарительного конденсатора хладагента.
[0007]
На фиг. 2 показан принцип работы испарительного конденсатора хладагента.
[0008]
На фиг. 3 показан трубный пучок испарительного конденсатора хладагента из уровня техники.
[0009]
На фиг. 4a показана фотография с видом сверху модели в натуральную величину трубного пучка с несколькими площадями поперечного сечения (также называемого в настоящем документе «теплообменный пучок») согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
[0010]
На фиг. 4b показан схематический чертеж, соответствующий фотографии, изображенной на фиг. 4a.
[0011]
На фиг. 5a показана фотография с видом в перспективе модели в натуральную величину, изображенной на фиг. 5a.
[0012]
На фиг. 5b показан схематический чертеж, соответствующий фотографии, изображенной на фиг. 5a.
[0013]
На фиг. 6a показана фотография с видом сверху, изображенная на фиг. 2a, на которой стрелки обозначают канал потока хладагента.
[0014]
На фиг. 6b показан схематический чертеж, соответствующий фотографии, изображенной на фиг. 6a.
[0015]
На фиг. 7a показана фотография, изображенная на фиг. 5a, с обозначениями.
[0016]
На фиг. 7b показан схематический чертеж, соответствующий фотографии, изображенной на фиг. 7a.
[0017]
На фиг. 8 показано схематическое изображение варианта осуществления настоящего изобретения с четырьмя секциями конденсатора.
[0018]
На фиг. 9 показан вид в перспективе варианта осуществления настоящего изобретения с тремя секциями конденсатора, расположенными таким образом, что впускной коллектор, выпускной коллектор и промежуточный коллектор все находятся на одной стороне устройства.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[0019]
Настоящее изобретение относится, в частности, к пучкам змеевиков конденсатора, которые используются в конденсаторах хладагента, и, в частности (хотя и не исключительно) к испарительным конденсаторам 10 хладагента такого типа, как показано на фиг. 1 и 2, выполненным с возможностью опосредованной теплопередачи между перегретым хладагентом и окружающим воздухом и работающим в мокром или сухом режиме, как описано ниже, в зависимости от окружающих условий, таких как температура, влажность и давление.
[0020]
Устройство 10 содержит вентилятор 100, обеспечивающий прохождение воздуха через устройство, и, как схематически показано на фиг. 1, расположенный сверху корпуса 15. При нормальных окружающих условиях, когда замерзание охлаждающей жидкости, как правило, воды, не является проблемой, воздух втягивается в камеру 18 устройства по проходам для воздуха, расположенным внизу установки, через открытые приемные воздушные клапаны и входит в секцию 12 испарительной теплопередачи, в которой происходит теплопередача, включающая распределение воды из водораспределительный узел 90 под действием насоса 96. Когда окружающая температура и температура охлаждающей жидкости падает, что указывает замерзание охлаждающей жидкость, распределительный узел для охлаждающей жидкости выключается.
[0021]
Змеевики в сборе 20 для хладагента из уровня техники характеризуются в целом параллелепипедной общей формой в виде шестиугольника, заключенной в раме 21, и характеризуются наличием основной/продольной оси 23, причем каждая сторона характеризуется формой прямоугольника. Змеевик в сборе 20 выполнен из множества горизонтальных параллельных змеевиковых труб, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга и соединенных на своих концах с образованием нескольких контуров, по которым течет хладагент. Каждый отдельный контур внутри змеевика в сборе представляет собой один непрерывный участок змеевика, который был согнут, вследствие чего труба образует несколько U-образных рядов, которые в целом проходят вертикально и удалены друг от друга на равное расстояние, вследствие чего каждый контур характеризуется итоговой змеевиковой формой.
[0022]
Змеевик в сборе 20 характеризуется наличием впуска 22, соединенного с впускным манифольдом или коллектором 24, который соединяется по текучей среде с впускными концами змеевиковых труб змеевика в сборе, и выпуска 26, соединенного с выпускным манифольдом или коллектором 28, который соединяется по текучей среде с выпускными концами змеевиковых труб змеевика в сборе. Змеевик в сборе 20 может быть перемещен и транспортирован в виде цельной конструкции, вследствие чего он может быть погружен, при необходимо, если его компоненты выполнены из стали, в ванну для цинкования для оцинковки всего змеевика в сборе.
[0023]
Газообразный хладагент выходит из компрессора во впускное соединение устройства. Тепло от хладагента рассеивается через трубы змеевика и передается воде, стекающей вниз по трубам. Одновременно воздух втягивается через впускные жалюзи для воздуха, расположенные внизу конденсатора, и проходит вверх над змеевиком в направлении, противоположном потоку воды. Небольшая часть воды испаряется, отводя тепло от системы. Теплый влажный воздух втягивается в верхнюю часть испарительного конденсатора вентилятором и выпускается в окружающую среду. Оставшаяся вода падает в сборник, находящийся внизу конденсатора, из которого она снова поступает в устройство через водораспределительную систему и отводится по змеевикам.
[0024]
В настоящем изобретении предлагается изменение и усовершенствование по сравнению с решениями, известными из уровня техники, - вместо трубных пучков, характеризующихся одной площадью поперечного сечения по всему каналу потока хладагента через змеевик, секция косвенного теплообмена характеризуется несколькими поперечными сечениями, площади которых отличаются, причем они уменьшаются по мере прохождения хладагента через секцию теплообмена.
[0025]
На фиг. 4a, 5a, 6a и 7a показаны фотографии модели в натуральную величину конденсатора хладагента с несколькими площадями поперечного сечения согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4b, 5b, 6b и 7b показаны схематические чертежи, соответствующие фиг. 4a, 5a, 6a и 7a соответственно. Первая секция 103 конденсатора содержит множество прямых труб 105, характеризующихся первой общей площадью поперечного сечения. Хотя на модели в натуральную величину показаны круглые трубы, согласно настоящему изобретению могут использоваться трубы любой формы, размера и параметров, Фактически, любой проход, по которому может проходить поток хладагента и который поддерживает теплообмен, подходит для использования в настоящем изобретении вместо труб, показанных на фигурах, включая микроканальные пластины и другие трубки. Для ясности описания настоящего изобретения, приводимого со ссылкой на модели в натуральную величину, показанные на фиг. 4a, 5a, 6a и 7a, используется термин «труба», но следует понимать, что слово «труба» может быть заменено словами «проход» или «трубка» в приведенном описании, в зависимости от конструкции, при условии, что по ним может проходить хладагент и они поддерживают теплообмен между хладагентом, находящимся внутри, и воздухом, находящимся снаружи.
[0026]
В контексте настоящего документа термин «общая площадь поперечного сечения» относится к сумме площадей поперечного сечения отдельных труб в секции конденсатора. В контексте настоящего документа при вычислении общей площади поперечного сечения не включается площадь между трубами в секции конденсатора. Площадь поперечного сечения каждой прямой трубы 105 в первой секции 103 конденсатора может быть одинаковой или отличаться от других, но сумма площадей поперечного сечения всех прямых труб 105 в первой секции 103 конденсатора равна первой общей площади поперечного сечения. Трубы в первой секции 103 конденсатора предпочтительно снабжены ребрами. Каждая прямая труба 105 в первой секции 103 конденсатора оканчивается на одном конце во впускном коллекторе или манифольде 107 и оканчивается на втором конце в промежуточном коллекторе или манифольде 109.
[0027]
Вторая секция 111 конденсатора содержит второе множество прямых труб 113, характеризующихся второй общей площадью поперечного сечения. Площадь поперечного сечения каждой прямой трубы 113 во второй секции 111 конденсатора может быть одинаковой или отличаться от других, но сумма площадей поперечного сечения всех прямых труб 113 во второй секции 111 конденсатора равна второй общей площади поперечного сечения. Вторая общая площадь поперечного сечения меньше первой общей площади поперечного сечения. Площадь поперечного сечения каждой прямой трубы 113 во второй секции конденсатора может быть такой же или отличаться от площади поперечного сечения каждой прямой трубы 105 в первой секции конденсатора, но площадь поперечного сечения каждой прямой трубы 113 во второй секции конденсатора предпочтительно меньше площади поперечного сечения каждой прямой трубы 105 в первой секции конденсатора. Количество труб во второй секции конденсатора может быть таким же или отличаться от количества труб в первой секции конденсатора, но предпочтительно меньше. Длина труб во второй секции конденсатора необязательно может быть меньше длины труб в первой секции конденсатора (как показано, например, на фиг. 4a и 4b). Трубы во второй секции 111 конденсатора предпочтительно снабжены ребрами.
[0028]
Вторая секция конденсатора получает хладагент из первой секции конденсатора через промежуточный коллектор или манифольд 109. Как показано, например, на фиг. 4a и 4b, каждая прямая труба 113 во второй секции конденсатора оканчивается на одном конце в промежуточном коллекторе или манифольде 109 и оканчивается на втором конце в выпускном коллекторе или манифольде (не показан).
[0029]
Альтернативно могут быть предусмотрены третья, четвертая, пятая или более секций конденсатора. На фиг. 8 показано схематическое изображение варианта осуществления настоящего изобретения с четырьмя секциями конденсатора. Согласно этим вариантам осуществления второй промежуточный коллектор или манифольд 115 направляет хладагент в третью секцию 117 конденсатора, и каждая из указанных третьей 117, четвертой 119 или пятой или более секций конденсатора состоит из множества прямых труб, и каждая из указанных третьей, четвертой и пятой или более секций конденсатора характеризуется общей площадью поперечного сечения, которая меньше площади поперечного сечения расположенной непосредственно выше по потоку секции конденсатора.
[0030]
Каждая из прямых труб в указанной третьей, четвертой, пятой или более секции конденсатора соединена на одном конце с расположенной непосредственно выше по потоку секцией конденсатора посредством промежуточного коллектора или манифольда, а на втором конце - с другим промежуточным коллектором или манифольдом 121 (если имеется следующая секция конденсатора) или с выпускным коллектором или манифольдом 123.
[0031]
На фиг. 9 показан альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, в котором впускной коллектор, выпускной коллектор и промежуточные коллекторы расположены на одной стороне устройства, и каждая секция конденсатора содержит два набора прямых участков труб, соединенных на конце, противоположном концу коллектора, посредством U-образных колен. Соответственно, впускной коллектор 201 получает перегретый парообразный хладагент и распределяет его по первому набору прямых труб 203 в первой секции 205 конденсатора. Первый набор прямых труб 203 соединен на противоположном конце со вторым набором прямых труб 207 в указанной первой секции конденсатора посредством U-образных колен 209. Первый и второй набор труб в первой секции конденсатора характеризуются одинаковым количеством труб, причем трубы характеризуются одинаковым диаметром. U-образные колена 209 характеризуются приблизительно таким же размером поперечного сечения/диаметром, что и первый и второй набор труб в указанной первой секции конденсатора. Сторона второго набора труб в первой секции конденсатора соединена на конце, противоположном концу U-образного колена, с первым промежуточным коллектором 211. Первый промежуточный коллектор затем доставляет хладагент во вторую секцию 213 конденсатора, характеризующуюся наличием первого набора труб 215 второй секции конденсатора и второго набора труб 217 второй секции конденсатора, соединенных на противоположном конце от указанного промежуточного коллектора другим набором U-образных колен 219. Первый и второй наборы труб в указанной второй секции конденсатора характеризуются одинаковыми размерами поперечного сечения и одинаковым количеством труб. U-образные колена 219, соединяющие первый и второй наборы труб во второй секции конденсатора, аналогично характеризуются приблизительно такими же размерами поперечного сечения, что и первый и второй наборы труб, которые они соединяют. Второй набор труб 217 второй секции конденсатора оканчивается во втором промежуточном коллекторе 221. Второй промежуточный коллектор 221 получает хладагент от набора труб 217 второй секции конденсатора и направляет его в третью секцию 223 конденсатора. Первый набор труб 225 третьей секции конденсатора соединен на первом конце со вторым промежуточным коллектором и на противоположном конце с еще одним набором U-образных колен (не показан), которые, в свою очередь, соединены с первым концом второго набора труб 227 третьей секции конденсатора. Второй набор труб 227 третьей секции конденсатора соединен на конце коллектора с выпускным коллектором 229. Размер труб каждой секции конденсатора постепенно уменьшается (согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 9), при этом количество труб в каждой секции конденсатора одинаково. Однако, как и в вариантах осуществления, описанных выше, размер труб может оставаться тем же, а количество труб может уменьшаться, вследствие чего общая площадь поперечного сечения каждой секции конденсатора меньше, чем в первой секции, и предпочтительно меньше, чем в каждой расположенной выше по потоку секции.
[0032]
За счет увеличения количества контуров (труб) в первой секции конденсатора и увеличения площади поперечного сечения каждой трубы в первой секции конденсатора согласно настоящему изобретению можно уменьшить скорость пара на входе более, чем на 50%, и, таким образом, уменьшить падение давления хладагента до менее, чем 25% от исходного значения. Более того, скорость пара на входе в каждом контуре достаточна, чтобы обеспечить больший коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности, чем коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности, при этом ограничив падение внутреннего давления для целевого отвода тепла. Последующее уменьшение общей площади поперечного сечения происходит после первого канала потока или даже после канала потока теплоносителя в зависимости от рабочих условий. Количество труб во второй секции конденсатора может быть изменено, чтобы дополнительно уменьшить скорость пара, что, в свою очередь, приводит к уменьшению падения давления хладагента. Вторая группа также характеризуется уменьшенной общей площадью поперечного сечения по сравнению с первой группой на этой фигуре и, таким образом, поддерживает скорость пара перед входом в последнее сужение в площади поперечного сечения. Третья секция конденсатора может характеризоваться еще более уменьшенной площадью поперечного сечения для восстановления скорости пара перед выходом из конденсатора. Наиболее предпочтительно, чтобы каждая секция конденсатора характеризовалась наличием каналов потока с площадью поперечного сечения, которая равна или меньше площади поперечного сечения внутренних контуров. При этом скорость текучей среды (пара) восстанавливается таким образом, что связанный коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности больше, чем на выходе из начальной общей площади поперечного сечения, обеспеченной вместе с начальной величиной контура. Поверхности раздела с несколькими поперечными сечениями предпочтительно используются по всему конденсатору, при необходимости, посредством сегментированных коллекторов (например, как показано на фиг. 4a, 4b и фиг. 9), вследствие чего скорость теплоносителя (пара) может поддерживаться (в среднем) на входе в последний участок. Существует множество перестановок, касающихся площади поперечного сечения канала потока, в сочетании с количеством каналов потока на секцию, которые можно использовать с настоящим изобретением для оптимизации производительности. Итерационные расчеты могут выполняться в зависимости от рабочих условий, а также требований к хладагенту и отводу тепла. У настоящего изобретения есть и другие преимущества, включая меньший запас хладагента, а также лучшую эффективность конденсатора из-за уменьшенного падения давления хладагента.