BRPI1102318A2

BRPI1102318A2 - conjunto de trocador de calor

Info

Publication number: BRPI1102318A2
Application number: BRPI1102318-0A
Authority: BR
Inventors: Shrikant Mukund Joshi; Douglas Charles Wintersteen; Russell Scott Johnson; Yanping Xia
Original assignee: Delphi Tech Inc
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-11-20
Also published as: EP2392886A3; BRPI1102318A8; EP2392886B1; EP2392886A2; CN202216453U; US20110290465A1; KR20110132273A

Abstract

CONJUNTO DE TROCADOR DE CALOR. Um conjunto de trocador de calor tendo um coletor de entrada, um coletor de saída espaçado a partir do coletor de entrada, uma pluralidade de tubos de refrigerante conectando hidraulicamente o coletor de entrada ao coletor de saída. Um tubo distribuidor tendo uma pluralidade de orifícios dispostos no coletor de entrada, em que os ditos orificios são dispostos ao longo do dito tubo distribuidor de forma que pelo menos um orifício é orientado na fase líquida do refrigerante pressionado contra a dita Superfície interna do dito tubo distribuidor independentemente da orientaçâo do dito conjunto de trocador de calor. Os orifícios podem ser depostos em uma ordem aleatória em torno do tubo distribuidor, posicionados em grupos de pelo menos dois em locais predeterminados, ou espiralados ao longo do tubo distribúidor.

Description

"CONJUNTO DE TROCADOR DE CALOR" CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

A presente exposição se refere a um distribuidor de entrada para um evaporador; mais particularmente a um distribuidor de entrada tendo uma pluralidade de orifícios dispostos ao longo do comprimento do tubo distribuidor.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

É conhecido que os sistemas de condicionamento de ar e de bomba de aquecimento residenciais e comerciais empregam trocadores de calor automotivos modificados, os quais são desejáveis que provejam sua alta eficiência de transferência de calor, durabilidade, e facilidade relativa de produtibilidade. Os trocadores de calor automotivos incluem tipicamente um coletor de entrada, um coletor de saída, e uma pluralidade de tubos de refrigerante que conectam hidraulicamente os coletores para o fluxo de refrigerante entre os mesmos. Aletas corrugadas interconectam tubos de refrigerante adjacentes para aumentar a área de transferência de calor disponível, bem como para aumentar a integridade estrutural do trocador de calor. A serpentina do trocador de calor é definida pelos tubos de refrigerante e aletas corrugadas de interconexão.

Para satisfazer as demandas de aplicações residenciais e comerciais, o tamanho da serpentina do trocador de calor deve aumentar correspondentemente, o que, por sua vez, aumenta dramaticamente os comprimentos dos coletores de entrada e saída. Para um trocador de calor que opera no modo de evaporador, o comprimento aumentado dos coletores tende a resultar em deficiente distribuição de refrigerante através dos tubos de refrigerante. Efeitos de momentum e gravidade, devidos às grandes diferenças de massa entre as fases líquida e gasosa, podem resultar na separação das fases no coletor de entrada e causar deficiente distribuição de refrigerante através dos tubos de refrigerante. A deficiente distribuição de refrigerante degrada o desempenho do evaporador e pode resultar em distribuição de temperatura desuniforme sobre a serpentina. Para assistir na provisão de distribuição de refrigerante uniforme através dos tubos de refrigerante, é conhecido prover um tubo distribuidor no coletor de entrada.

O tubo distribuidor típico se estende pelo comprimento do coletor de entrada e inclui uma pluralidade de orifícios uniformemente espaçados para distribuir o refrigerante em duas fases por todo o comprimento do coletor. Os orifícios são orientados em um ângulo projetado em relação ao centro da seção transversal do tubo de refrigerante para prover o desempenho máximo para a serpentina em uma aplicação específica. Tipicamente, o ângulo dos orifícios é selecionado com base em testes de um projeto de serpentina de chapa laminada vertical com o tubo de refrigerante alinhado na direção oposta de gravidade.

Evaporadores internos também têm o desafio adicional de restrições de acondicionamento; os evaporadores devem se ajustar dentro do volume limitado oferecido pelos espaços de sistemas HVAC residenciais. Em um projeto de serpentina chapa laminada, os tubos de refrigeração estão situados em um plano muito semelhante àquele de um trocador de calor automotivo, e, para a eficiência máxima, é preferível que os tubos de refrigerante sejam alinhados na direção de gravidade com o coletor de entrada mais baixo que o coletor de saída. Para prover a capacidade de refrigeração requerida dentro de um espaço limitado, duas menores serpentinas de chapa laminada são montadas em um projeto de Armação em A ou uma única serpentina de chapa laminada maior é encurvada em um projeto ARC. O projeto de Armação A pode precisar ser instalado em várias orientações com respeito à gravidade, em que os tubos de refrigerante podem não ser alinhados na direção de gravidade e o coletor de entrada pode não estar mais baixo que o coletor de saída. A distribuição desejada de refrigerante que escoa através da serpentina pode ser afetada adversamente devido à orientação do evaporador. Existe uma longa necessidade carente por um evaporador que provê boa distribuição de refrigerante, independentemente de sua orientação.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A invenção se refere a um conjunto de trocador de calor tendo um coletor de entrada, um coletor de saída espaçado a partir do coletor de entrada, uma pluralidade de tubos de refrigerante conectando hidraulicamente o coletor de entrada ao coletor de saída. Um tubo distribuidor tendo uma pluralidade de orifícios dispostos no dito coletor de entrada, em que os orifícios são dispostos ao longo do tubo distribuidor de forma que pelo menos um orifício é orientado na fase líquida de um refrigerante de duas fases pressionado contra a superfície interna do tubo distribuidor independentemente da orientação do conjunto de trocador de calor.

De acordo com um aspecto da invenção, os orifícios podem ser substancialmente uniformemente espaçados ao longo do comprimento do tubo distribuidor em pares ou grupos de quatro (4). Dentro de cada par de orifícios, um dos orifícios pode ser orientado a 90 a 180 graus um a partir do outro com relação ao respectivo ponto do par sobre um eixo central. Cada par de orifícios pode estar girado por 90 a 180 graus a partir do par adjacente de orifícios. Quatro grupos de quatro (4) orifícios, cada um dos orifícios pode ser orientado a 90 graus a partir do orifício adjacente com relação ao ponto respectivo do grupo sobre um eixo central. Cada grupo de quatro (4) orifícios pode ser girado por 45 graus a partir do grupo adjacente de quatro (4) orifícios.

Em outro aspecto da invenção, o tubo distribuidor de refrigerante cilíndrico pode ter uma pluralidade de orifícios espiralados ao longo do tubo. Com relação a uma vista de extremidade do eixo central. Cada orifício subseqüente pode estar deslocado de 45 a 180 graus a partir do orifício precedente.

As configurações acima de orifícios no tubo distribuidor provêem que pelo menos um dos orifícios estará localizado dentro da fase líquida do refrigerante de duas fases escoando através do tubo distribuidor independentemente das orientações finais da serpentina de evaporador. Isto provê pelo menos a vantagem de distribuição de refrigerante melhorada através do tubo de refrigerante do conjunto de trocador de calor, resultando em melhor eficiência de transferência de calor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Esta invenção será descrita em maior detalhe com referência aos desenhos anexos, nos quais:

as figuras 1 A-C mostram vistas de extremidade representativas de um evaporador de serpentina do tipo A ou projeto de serpentina encurvada.

A figura 2 mostra um tubo distribuidor em um coletor de entrada de um evaporador, em que os orifícios do tubo distribuidor são orientados em uma direção oposta àquela da direção de gravidade.

A figura 3 mostra um tubo distribuidor em um coletor de entrada de um evaporador, em que os orifícios do tubo distribuidor são orientados na direção de gravidade.

A figura 4 mostra uma seção transversal do coletor de entrada tendo um tubo distribuidor com a fase líquida de refrigerante pressionada contra a superfície interna do tubo distribuidor.

A figura 5 mostra um tubo distribuidor de refrigerante tendo grupos de dois (2) orifícios ao longo do comprimento do tubo distribuidor, em que os orifícios em cada grupo são orientados por 180 graus um a partir do outro e os grupos de dois (2) orifícios estão girados por 90 graus um a partir do outro.

A figura 6 mostra um tubo distribuidor de refrigerante de quatro (4) orifícios ao longo do comprimento do tubo distribuidor, sendo que os orifícios em cada grupo são orientados a 90 graus um do outro. A figura 7 mostra um tubo distribuidor de refrigerante tendo uma pluralidade de orifícios espiralados ao longo do tubo em 90 graus de exemplo entre os orifícios adjacentes. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Para um evaporador de projeto de serpentina de chapa laminada típica, o ângulo desejado dos orifícios de um tubo distribuidor é selecionado com base no teste de uma serpentina de chapa laminada vertical, em que os tubos de refrigerante são alinhados na direção de gravidade com o coletor de entrada mais baixo que o coletor de saída. Para acomodar as restrições de acondicionamento requeridas para aplicações residenciais, um evaporador interno residencial pode ser construído usando duas serpentinas de chapa laminada em um projeto de armação em A ou uma única serpentina de chapa laminada encurvada em um projeto de ARC. Mostradas nas figuras IA -1C estão representações de uma vista de extremidade de um evaporador residencial interno 10, de projeto de Armação em A ou projeto em ARC, que tem um coletor de entrada 12a, um coletor de saída 12b espaçado a partir do coletor de entrada 12a, e uma pluralidade de tubos de refrigerante 14 que conectam hidraulicamente os coletores 12a, 12b para o fluxo de refrigerante. Uma serpentina de evaporador 16, parcialmente mostrada nas figuras 2 e 3, é definida pela pluralidade de tubos de refrigerante 14, conjuntamente, com aletas externas 15 que interconectam os tubos de refrigerante adjacentes 14. O evaporador 10 inclui um tubo distribuidor 20 no coletor de entrada 12a, mostrado nas figuras 2-7, para melhorar a distribuição de refrigerante. Os componentes acima mencionados do evaporador 10 são tipicamente construídos de um material condutor de calor, como alumínio.

Cada um do projeto de Armação em A e projeto ARC provê um evaporador 10 que tem pelo menos um ápice 18. O projeto de armação em A ou o projeto em ARC pode ser instalado dentro de um espaço HVAC em várias orientações com relação à direção de gravidade, em que o ápice 18 pode ser para cima, para baixo, horizontal, e qualquer outra orientação entre elas. Com essas variedades de orientações possíveis, o coletor de entrada 12a pode ser localizado acima do coletor de saída 12b, abaixo do coletor de saída .12b, ou horizontal com o coletor de saída 12b. Os coletores 12a, 12b são tipicamente perpendiculares àqueles da direção de gravidade, mas o coletor de base pode ser ligeiramente angulado para a direção de gravidade para facilitar a drenagem de condensado.

Um ângulo padrão projetado para os orifícios 22 do tubo de distribuição 20 em relação ao tubo refrigerante 14 pode não funcionar necessariamente eficientemente quando usado em todas das várias orientações potenciais do evaporador 10. Foi verificado que somente certa faixa de ângulos dos orifícios 22 do tubo distribuidor 20 em relação ao tubo de refrigerante 14 é aceitável para cada uma das várias orientações de serpentina de evaporador 16. Em outras palavras, ângulos de orifício são específicos de aplicação, a faixa de ângulos de orifícios desejada deve ser calculada para cada orientação específica do evaporador 10.

Com referência às figuras 2-4, acredita-se que a fase líquida 24 de um refrigerante de duas fases que escoa através do tubo distribuidor 20 tende a migrar para a base da superfície interna 28 do tubo distribuidor 20 devido à gravidade. Suspeita-se que a fase líquida 24 não necessariamente se empossa sobre o fundo ou ponto inferior do tubo de distribuidor 20, mas, ao invés disso, ela é pressionada contra e sobe em uma porção da superfície interna 28 do tubo distribuidor 20 pelo fluxo de refrigerante através do tubo distribuidor 20, formando assim um perfil de seção transversal de refrigerante líquido 30 muito semelhante a uma lua crescente com seu ápice no fundo. O limite seria fluxo anular onde o líquido se distribui em torno da superfície interna periférica inteira 28 do tubo distribuidor 20, mas mais tipicamente uma camada mais espessa existiria no fundo.

Verificou-se que, se os orifícios 22 estivessem voltados para uma direção diferente de entre 45 a 315 graus com relação à direção oposta de gravidade sendo 0 grau, a maioria do refrigerante em fase de vapor tende a sair dos orifícios 22, migrando em direção aos tubos de refrigerante 14. Isto é indesejável porque a eficiência de transferência de calor ótima é obtida quando o refrigerante que entra nos tubos de refrigerante está em uma fases substancialmente líquida.

Com referência à figura 3, verificou-se surpreendentemente que, quando os orifícios 22 são orientados substancialmente na direção de gravidade, a pressão e momentum do refrigerante escoando através do tubo distribuidor 20 empurram o refrigerante em fase líquida para fora do tubo distribuidor 20 através dos orifícios 22 em direção aos tubos de refrigerante. O refrigerante permanece substancialmente na fase líquida até ele chegar aos tubos 14, em cujo ponto o refrigerante em fase líquida inicia a absorver calor e se vaporiza, provendo assim a transferência de calor ótima e distribuição de temperatura uniforme através da serpentina de evaporador 16. Com referência à figura 4, durante períodos de alto fluxo de refrigerante, o perfil de seção transversal de refrigerante líquido 30 ocupa a superfície interna 28 do tubo distribuidor 20 desde 45 a 315 graus com relação à direção oposta de gravidade sendo 0 grau. Durante as condições de operação normais, o perfil de seção transversal de refrigerante líquido 30 ocupa a superfície interna 28 do tubo distribuidor 20 de desde 90 a 270 graus.

Um aspecto da invenção provê um meio para transportar o refrigerante em fase líquida do tubo distribuidor 20 para os tubos de refrigerante 14 para a ebulição eficiente e assim desempenho melhorado de transferência de calor, independentemente da orientação do evaporador de serpentina em Armação em A ou evaporador ARC. Isto pode ser atingido por ter orifícios 22 em ângulos de 45 a 315 graus, preferivelmente entre 90 a 270 graus, com relação à direção oposta de gravidade sendo 0 grau, ao longo do tubo distribuidor 20 para assegurar que pelo menos um, mas preferivelmente um grupo, de orifícios 22 esteja substancialmente orientado dentro do perfil de seção transversal de refrigerante líquido 30. Pela provisão de um ou mais orifícios dentro do perfil 30, o refrigerante escoando através tubo distribuidor irá empurrar o refrigerante em fase líquida através dos orifícios 22 e em direção aos tubos de refrigerante.

A figura 5 mostra um tubo distribuidor de refrigerante cilíndrico 20 estendendo-se ao longo de um eixo substancialmente central (eixo A). Pares de orifícios 22 são substancialmente uniformemente espaçados ao longo do comprimento do tubo distribuidor 20, em que cada par de orifícios 22 está posicionado em torno de seus respectivo ponto sobre o eixo A. dentro de cada par de orifícios 22, um dos orifícios 22 pode ser orientado a 90 a 180 graus um a partir do outro com relação ao respectivo ponto dos pares sobre o eixo A. Além disso, cada par de orifícios 22 pode ser girado por 90 a 180 graus a partir do par adjacente de orifícios 22.

A figura 6 mostra um tubo distribuidor de refrigerante cilíndrico 20 estendendo-se ao longo do eixo A. Grupos de quatro (4) orifícios 22 são substancialmente uniformemente espaçados ao longo do comprimento do tubo distribuidor 20, em que cada grupo de orifícios 22 está localizado em torno de seu respectivo ponto sobre o eixo A. dentro de cada grupo de quatro (4) orifícios 22, cada um dos orifícios 22 pode ser orientado a 90 graus afastado do orifício adjacente 22 com relação ao respectivo ponto do grupo sobre o eixo A. Além disso, cada grupo de quatro (4) orifícios pode estar girado a 45 graus a partir do grupo adjacente de quatro (4) orifícios 22.

A figura 7 mostra um tubo distribuidor de refrigerante cilíndrico 20 tendo uma pluralidade de orifícios 22 espiralados ao longo do tubo. Com relação a uma vista de extremidade do eixo X, cada orifício subseqüente 22 pode ser deslocado por 45 a 180 graus a partir do orifício precedente 22.

Com as configurações acima dos orifícios 22 no tubo distribuidor 20 ou qualquer configuração que provê pelo menos um orifício .22 na direção desejada independentemente da orientação do evaporador 10 melhoraria a distribuição de refrigerante através dos tubos de refrigerante 14. Portanto, se a serpentina de evaporador 16 for posicionada em qualquer uma das várias orientações possíveis, pelo menos um dos orifícios 22 estaria localizado dentro do perfil de seção transversal de refrigerante líquido 30.

Embora a invenção tenha sido descrita em termos de modalidades preferidas da mesma, não é pretendido que ela seja assim limitada, mas, ao contrário, somente até a extensão exposta nas reivindicações que seguem.

Claims

1. Conjunto de trocador de calor para uso com um refrigerante de duas fases, caracterizado pelo fato de que compreende: um coletor de entrada; um coletor de saída espaçado a partir de dito coletor de entrada; uma pluralidade de tubos de refrigerante conectando hidraulicamente o dito coletor de entrada ao dito coletor de saída; um tubo distribuidor tendo uma pluralidade de orifícios dispostos no dito coletor de entrada; em que os ditos orifícios são dispostos ao longo do dito tubo distribuidor de forma que pelo menos um orifício seja orientado na fase líquida do refrigerante pressionado contra a dita superfície interna do dito tubo distribuidor independentemente da orientação do dito conjunto de trocador de calor.

2. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um da dita pluralidade de orifícios é aleatoriamente posicionado ao longo do dito tubo distribuidor.

3. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de orifícios é espiraladamente posicionada ao longo de dito tubo distribuidor em torno de um eixo substancialmente central.

4. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada um da dita pluralidade de orifícios é deslocado por 45 a 180 graus a partir de ditos orifícios adjacentes.

5. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada um da dita pluralidade de orifícios é deslocado por 90 graus a partir de orifícios adjacentes.

6. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada um da dita pluralidade de orifícios é deslocado por 180 graus a partir de orifícios adjacentes.

7. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o dito tubo distribuidor se estende ao longo de um eixo substancialmente central e inclui pares de orifícios espaçados ao longo de dito tubo distribuidor; em que cada um dos ditos pares de orifícios está localizado em torno de um respectivo ponto sobre dito eixo central.

8. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito par de orifícios compreende um orifício que está a 90 a 180 graus afastado a partir do outro orifício.

9. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito par de orifícios compreende um orifício que está 90 graus a partir do outro orifício.

10. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos pares de orifícios é 90 graus girado a partir dos ditos pares adjacentes de orifícios.

11. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos pares de orifícios é 180 graus girado a partir dos ditos pares adjacentes de orifícios.

12. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o dito par de orifícios inclui um orifício que está a 180 graus a partir do outro orifício.

13. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que cada um dos ditos pares de orifícios é 90 graus girado a partir de ditos pares adjacentes de orifícios.

14. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: o dito tubo distribuidor se estende ao longo de um eixo substancialmente central e inclui grupos de 4 orifícios espaçados ao longo de dito tubo distribuidor.

15. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que: cada orifício dentro de dito grupo de (4) orifícios está a 90 graus a partir de ditos orifícios adjacentes.

16. Conjunto de trocador de calor de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que: cada grupo de 4 orifícios está 45 graus girado a partir do grupo adjacente de 4 orifícios.