ПРОВОЛОЧНО-ТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ХОЛОДИЛЬНЫЙ АППАРАТ С ТАКИМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ
WIRE-AND-TUBE HEAT EXCHANGER, METHOD OF ITS PRODUCTION AND REFRIGERATOR WITH SUCH HEAT EXCHANGER

Область техники
Данное изобретение относится к проволочно-трубному теплообменнику, в частности, для бытового холодильного аппарата, с двумя слоями проволоки и трубой хладагента, находящейся в промежуточном пространстве между слоями.
Уровень техники
Из патентного документа DE 199 48 480 А1 известен теплообменник этого типа, у которого в промежуточное пространство между двумя слоями, соответственно между двумя параллельными участками труб хладагента, введены емкости, наполненные средой, аккумулирующей тепловую энергию. Если такой теплообменник установлен в холодильном аппарате, то тепловой балласт, который представляют собой эти емкости, приводит к увеличению продолжительности периодов работы и простоя компрессора, который прокачивает хладагент через трубопровод хладагента. Такое продление фаз рабочего цикла компрессора, без одновременного увеличения доли периодов работы компрессора во всем времени эксплуатации холодильного аппарата, делает возможным особенно эффективную с точки зрения затрат энергии эксплуатацию.
В применении гибких емкостей для размещения среды, аккумулирующей энергию, есть то преимущество, что обеспечивается тесный тепловой контакт между проволокой и/или трубопроводом хладагента, с одной стороны, и средой, аккумулирующей энергию, с другой стороны, однако существует высокий риск протекания емкостей при ненадлежащем обращении. Кроме того, емкости хорошо подходят для теплообменника, установленного горизонтально, как, например, испаритель между двумя полками морозильного аппарата, но в типичном для конденсатора вертикальном положении монтажа есть опасность того, что емкости скопятся в нижней области теплообменника и вследствие этого их эффективность будет ограничена.
Из патентного документа GB 1 110 041 А стала известна система охлаждения, при которой испаритель для увеличения эффективности аккумулирования холода окружен песчано-битумной смесью.
Задача изобретения состоит в создании такого теплообменника, который гарантирует эффективный теплообмен между средой-теплоносителем и средой, аккумулирующей энергию, независимо от того, в каком положении монтируется теплообменник, и который прост в изготовлении.
Задача решена проволочно-трубным теплообменником с признаками пункта 1. Битум при нагревании легко делается пластичным, так что его легко тесно прижать к любому контуру проволоки или трубы хладагента проволочно-трубного теплообменника, и становится возможным интенсивный теплообмен между проволоками или трубой хладагента, с одной стороны, и битумом, с другой стороны. При рабочих температурах теплообменника, имеющих место в холодильном аппарате, битум тверд, так что в отличие от наполненной жидкостью емкости при этом не возникает опасность того, что битум сдвинется куда-либо с места его установки.
Чтобы гарантировать тесный тепловой контакт, по меньшей мере, первый из двух слоев проволоки большей частью, т.е. на преобладающей части длины проволоки и/или на преобладающей части ее поверхности, предпочтительно заделан в битум.
Чтобы не ухудшать теплообмен с окружающей средой, битум должен иметь большую свободную поверхность. Поэтому для эффективности теплообменника целесообразно, чтобы заделанная проволока первого слоя выделялась на поверхности битума.
На практике поверхность битума предпочтительно имеет ребра, в которых проходят (участки) проволоки первого слоя. Размер части ребер, выступающей относительно соседних областей поверхности, в частности относительно желобков, проходящих между соответствующими ребрами, должен соответствовать, по меньшей мере, диаметру проволоки.
Промежуточное пространство /между слоями/ предпочтительно заполнено битумом на преобладающей части площади проволочно-трубного теплообменника, имеющего форму пластины.
Чтобы битумный слой был защищен от повреждения, битум предпочтительно не выступает за проволоку второго слоя.
С другой стороны, для достижения максимальной эффективности накопления энергии количество используемого битума предпочтительно настолько велико, что битум касается проволоки второго слоя.
Область краев проволочно-трубного теплообменника, имеющего форму пластины, целесообразно оставить непокрытой битумом, в том числе для уменьшения риска повреждения битумного слоя. Эта область краев может включать в себя, в частности, находящиеся на краю участки проволоки первого и второго слоев и/или те из параллельных участков трубы хладагента, которые наиболее удалены наружу в каждом направлении.
Предметом изобретения является также холодильный аппарат, в частности бытовой холодильный аппарат, в котором в качестве конденсатора на наружной поверхности корпуса смонтирован проволочно-трубный теплообменник описанного выше вида.
Если битум не выступает за проволоку второго слоя, то целесообразен такой монтаж проволочно-трубного теплообменника на корпусе, при котором второй слой проволочно-трубного теплообменника обращен в противоположном от корпуса направлении. Тогда в смонтированном положении битумный слой защищен от повреждений.
Предпочтительный способ изготовления проволочно-трубного теплообменника описанного выше типа включает в себя следующие операции:
a) закрепление трубы для хладагента между двумя слоями проволок;
b) размещение битумной пленки на наружной стороне первого слоя проволок;
c) продавливание, по меньшей мере, части битумной пленки через зазоры между проволоками первого слоя.
В результате частичного продавливания битума происходит заделка проволоки первого слоя в битумный слой и тем самым надежное закрепление битума на теплообменнике.
Чтобы привести битум в пластичное состояние, пригодное для продавливания, целесообразно нагревать его. Особенно предпочтителен интервал температур между 70 и 90°С. Оказалось, что в этом температурном диапазоне достигается прочное сцепление битума с проволокой первого слоя без дополнительного применения клеящих веществ. Более высокие температуры приводят к ухудшению прилипания вследствие увеличивающейся текучести битума; более низкие температуры требуют очень высоких прижимающих усилий, которые могут повредить структуру проволочно-трубного теплообменника.
Чтобы на готовом теплообменнике при имеющихся размерах краев реализовать большую поверхность битумного слоя, через который возможен интенсивный теплообмен с окружающей средой, целесообразно использовать для продавливания битума мягкую подушку, в которую могут вдавливаться участки проволоки первого слоя. Такая подушка может состоять, в частности, из силикона.
Краткий комментарий к фигурам чертежей
Дальнейшие признаки и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые фигуры. На них показаны:
фиг.1 - разнесенное изображение участка теплообменника, битумной пленки и штампа;
фиг.2 - участок теплообменника фиг.1 с вдавленной битумной пленкой;
фиг.3 - схематичный разрез проволочно-трубного теплообменника перед запрессовкой битумной пленки согласно второму варианту осуществления изобретения;
фиг.4 - теплообменник согласно второму варианту осуществления в готовом спрессованном состоянии; и
фиг.5 - вид холодильного аппарата с теплообменником согласно изобретению;
фиг.6 - вид холодильного аппарата с теплообменником согласно изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан в аксонометрическом изображении участок проволочно-трубного теплообменника 1 известной конструкции, с двумя параллельными друг другу слоями 2, 3 проволоки 2а, 2b, 3а, 3b... и с трубой 5 хладагента, проходящей в промежуточном пространстве 4 между слоями 2, 3 в форме меандра и жестко связанной с проволокой двух слоев 2, 3 при помощи точечной сварки. Выше проволочно-трубного теплообменника показан участок битумной пленки 6.
Над пленкой 6 показан - также в виде отдельного участка - штамп 7 с жесткой пластиной и с обращенной к пленке 6 подушкой 9 из мягкого материала, в частности из силикона.
Чтобы изготовить теплообменник согласно изобретению, теплообменник 1, как показано на фиг.2 в поперечном сечении, размещается в полой форме 10, причем наружные дуги 11 трубы 5 хладагента и при необходимости также соседние с ними крайние участки 2а, 3а проволоки слоев 2, 3 плотно заключаются в промежуточное пространство между частями 12, 13 полой формы 10. Длина краев центрального, свободного пространства полой формы 10 соответствует длинам краев штампа 7. Ширина битумной пленки 6 также соответствует ширине полой формы. Длина битумной пленки 6 может быть меньше, чем длина полой формы и теплообменника 1, так что два прямолинейных участка 18 трубы 5 хладагента на двух противоположных краях по существу прямоугольного теплообменника 1 не покрываются пленкой 6.
Битумная пленка 6 нагревается в полой форме 10 до температуры примерно 80°С. При этой температуре битум становится пластичным и под давлением штампа 7 проникает через щели между проволокой слоя 2 в промежуточное пространство 4. Фиг.3 представляет это положение в аналогичном фиг.1 аксонометрическом изображении фрагмента теплообменника 1 и штампа 7, опуская изображение полой формы 10. Большая часть битума смещается внутрь промежуточного пространства 4; при этом потоки материала, которые прошли мимо участков 2b, 2с... проволоки вдоль их противоположных боковых сторон, у задней, обращенной от потока, стороны проволоки снова слились друг с другом, таким образом, что на поверхности битумной пленки 6, рядом со слоем 3, в области гидродинамической тени проволоки лишь образовался тонкий желобок 14. Поскольку в зазоре между двумя участками проволоки слоя 2 битум мягче, чем непосредственно над этими участками проволоки, в поверхность подушки 9, касающуюся битума, в месте прохождения проволоки 2а, 2b... и трубы 5 хладагента вдавлены соответствующие желобки. Поэтому на той стороне проволоки 2, которая обращена к штампу 7, битум не вытесняется полностью, а между проволокой 2b, 2с... и штампом 7 остается тонкий слой битума, так что проволока 2b, 2с... оказывается заделанной в битум пленки 6 по всему периметру. В результате этого позже, после охлаждения, создается прочное закрепление битума на теплообменнике 1.
Поверхность битумной пленки 6, обращенная к штампу 7, вследствие сжатия становится рельефной, что весьма желательно для интенсификации теплообмена с окружающим воздухом. Выраженность этого рельефа зависит от давления прижатия, температуры и гибкости подушки 9; она предпочтительно устанавливается такой, что вершины ребер 15, образующихся в поверхности битума и окружающих участки проволоки 2, выступают над поверхностью соответствующих углублений 16 между ребрами 15, по меньшей мере, на величину диаметра проволоки 2.
Во втором варианте осуществления изобретения битумные пленки 6, как представлено на фиг.4, размещают на двух сторонах проволочно-трубного теплообменника 1 и при нагревании прижимают их друг к другу, в результате чего получается конструкция испарителя, показанная в разрезе на фиг.5. Здесь проволока обоих слоев 2, 3 теплообменника 1 по существу на всей ее поверхности заделана в битум, и в промежуточном пространстве 4 между слоями 2, 3 битумные пленки 6, вдавленные в это промежуточное пространство с обеих сторон, сливаются друг с другом. Благодаря слиянию пленок 6 битум надежно зафиксирован и в том случае,  когда участки проволоки 2b, 2с, 3b, 3с... обтекаются битумом не на всей их поверхности, а в области гидродинамической тени проволоки 2b, 2с, 3b, 3с... у части поверхности проволоки 2b, 2 с, 3b, 3с... остаются открытыми зазоры 19.
На фиг.6 показано аксонометрическое изображение бытового холодильного аппарата, оборудованного в качестве конденсатора проволочно-трубным теплообменником, который изготовлен в соответствии со способом, представленным на фиг.1-3. Теплообменник 20 смонтирован на задней стенке корпуса 17 холодильного аппарата. Труба 5 хладагента включает в себя некоторое количество параллельных, проведенных горизонтально участков 18 трубы, которые соединены последовательно дугами 11. Битумная пленка 6 запрессована в теплообменник 20 со стороны, обращенной к задней стенке корпуса 17. Длина краев пленки 6 рассчитана так, что верхний и нижний из участков трубы 18, обозначенные соответственно 18а, не соприкасаются с битумом. Остальные участки трубы 18 на большей части их поверхности залиты битумом и в соответствии с этим представлены на фигуре лишь в виде пунктирных линий. Проволока слоя 2, обращенного к корпусу 17, на фиг.6 не показана; она полностью заделана в битум, за исключением участков 2а проволоки на правом и левом краях испарителя, а также ее концов, укрепленных на внешних участках трубы 18. Толщина битумной пленки 6 рассчитана таким образом, что в готовом сформированном состоянии пленка 6 не проникает в щель между участками проволоки 3а, 3b, 3с... слоя 3, противоположного корпусу 17. Эти участки проволоки 3а, 3b, 3с... остаются свободными, на виду, и в соответствии с этим показаны на фигуре сплошными линиями. Таким образом, битум в готовом смонтированном холодильном аппарате защищен от повреждений на одной из сторон проволокой слоя 3, противоположного корпусу 17, а по краям - участками 2а, 3а проволоки слоев 2 и 3 или внешними участками трубы 18а. Поверхность теплообменника, обращенная к корпусу 17, находящимся там битумным слоем практически лишена острых углов и кромок, за которые может зацепиться пыль. Так как битум в значительной мере заполняет промежуточное пространство 4, на противоположной корпусу стороне теплообменника 1 пыль также едва ли может оседать. Поэтому битумный слой образует не только тепловой балласт, который позволяет улучшать эффективность устройства, продлевая фазы рабочего цикла компрессора, но также ограничивает образование в процессе эксплуатации пылевого слоя, изолирующего теплообменник 1 и тем самым снижающего эффективность его работы.