CN101548150B - 用于改善换热器中的流体分配的方法和装置 - Google Patents

用于改善换热器中的流体分配的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种小通道换热器或微通道换热器，包括具有容积的插入物(140，240，340，440，540，640，4，940，1040)。该插入物处在位于该小通道换热器或该微通道换热器的多根管道(130，230，330，430，530，630，1，930，1030)与集管(120，220，320，420，520，620，2，920，1020)的集管内壁之间的间隙内。

Description

用于改善换热器中的流体分配的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及小通道或微通道换热器，更具体地涉及用于提高进入小通道或微通道换热器的微通道或小通道管道的流体混合物的分配均匀性的方法和装置。
背景技术
在小通道或微通道换热器(MCHX)中，流体流被分入许多平行管道(回路)中，在这里每个管道甚至每个小通道都应只接收总流体流的小而均等的份额。然而，当双相流体进入换热器时，例如蒸发器、冷凝器、气体冷却器或任何其它换热器，平行小通道管道中的双相混合物的不均匀分配导致某些管道得到更多液体而其余的是得到更多蒸汽，这引起换热器效率的显著降低。这被称作分配不均匀并且是利用平行流路的换热器中的共同问题。双相分配不均匀问题主要由汽相和液相的密度差所引起的。
因此，需要提供一种提高进入小通道或微通道换热器的微通道或小通道管道的双相流体混合物的分配均匀性的方法和装置。
发明内容
提供一种小通道换热器或一种微通道换热器。该小通道换热器或该微通道换热器包括具有容积的插入物。该插入物处在位于小通道换热器或微通道换热器的多根管道与集管的集管内壁之间的间隙内。
还提供一种降低小通道换热器或微通道换热器中的流体分配不均匀的方法。该方法包括减少将包含蒸汽和液体的流体分入小通道换热器或微通道换热器的多根管道中的集管的内容积。
该插入物可以是具有实心圆柱形状的实心圆柱体。该插入物可以是管中管式分配器，其具有管状的形状，并带有贯穿其的一个或多个节流孔。该一个或多个节流孔中的至少一个可设在该插入物上，并与平行该多根管道的纵轴成大于0度的角度。该一个或多个节流孔可设在该插入物上，并与小通道管道的轴线成约+30°到约+330°的角度。该插入物的当量水力直径可以在约1/16英寸到约3英寸的范围内。该集管和该插入物可以具有的集管对插入物的容积比在约1.10到约5的范围内。该一个或多个节流孔可以具有的节流孔尺寸在约0.05mm到约4.0mm的范围内。该一个或多个节流孔的尺寸可以设计成使得制冷剂经历部分或完全的膨胀效应。该插入物可以是D形管插入物，其具有邻近该集管的弯曲部和邻近该多根管道的平坦部。该平坦部可以具有贯穿其的一个或多个节流孔。该D形管插入物可以具有一对分支，在这对分支之间具有平坦部。这些分支可以邻接管道。该插入物可以是肾形管插入物，在肾形管插入物的凹侧上有一个或多个节流孔。该肾形管插入物可以具有限定膨胀容积的第一通道和第二通道。该一个或多个节流孔能制造从该插入物的内部容积到该集管的内容积的压降。这个压降可以大于或等于由流动通过内容积到多根管道中的一根管道所产生的另一压降。该插入物可以与该集管一体地形成。该插入物可以在该集管中形成与第二腔隔开的第一腔。制冷剂从该第二腔中流过，并且这些管道可以插入该第一腔中。该第一腔和第二腔可以由穿过该插入物的一个或多个节流孔连通。该插入物可以是具有叶片的螺旋桨型插入物。
所说的降低可以包括通过插入一个插入物或塑造该集管来减少内容积。该方法还可包括制造从插入物的内部容积到该内容积的压降或者在该内容积中混合蒸汽和液体。
通过下列详细说明、附图和所附权利要求书，本领域技术人员将领会和理解本发明的上述以及其他特征和优点。
附图说明
图1是具有本发明插入物的第一示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图2是具有本发明插入物的第二示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图3是具有本发明插入物的第三示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图4是具有本发明插入物的第四示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图5是具有本发明插入物的第五示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图6是具有本发明插入物的第六示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图7是具有本发明插入物的第七示例性实施例的换热器的正面剖视图；
图8是具有图7所示插入物的换热器的侧面剖视图；
图9是相对于图7所示插入物的节流孔角度的比例容量的图解；
图10是图7所示角度α等于90°的代表性红外图象；
图11是具有本发明插入物的第八示例性实施例的换热器的正面剖视图；以及
图12是具有本发明插入物的第九示例性实施例的换热器的正面剖视图。
具体实施方式
本发明已经确定，小通道或微通道换热器(例如蒸发器、冷凝器、气体冷却器或任何其它换热器)中的分配不均匀可以通过减少分配多相流(例如包含蒸汽和液体的双相流)到平行的制冷剂流路(例如管道)中的集管的内容积而得到降低。不希望受到任何特定理论的限制，应当相信，通过降低集管的总内容积，可以提高双相流体的速度和质量流量来促进内部混合，并且双相流的气相和液相分离范围内的容积也降低，由于这些因素，蒸汽和液体的相对平均而均质的混合物被分入平行的管道。已经确定，插入物或集管的形状有利地减少集管的内容积。插入物或集管的形状可以是任何形状或形式，只要其有助于形成平均而均质的混合物并且能用于集管的入口和/或中间长度和/或出口。
图1示出了插入物的第一示例性实施例。具有实心圆柱形形状的实心圆柱体140被放入位于小通道管道130与集管120的集管内壁124之间的间隙中。实心圆柱体140降低了内容积122的净开放内容积。净内容积的减小阻止了制冷剂的双相流的汽相与液相的分离，并且产生汽相与液相的混合从而形式均质的双相流体。均质的双相流体改善了制冷剂向小通道管道130的分配，这降低了分配不均匀。
图2所示的插入物的第二示例性实施例具有管中管式分配器240。管中管式分配器240是位于集管220中的一种分配器类型的装置，其导致从管中管式分配器240的内部容积242到内容积222的压降。这个压降优选为高于或等于小通道管道230它们自身中的压降。从内部容积242到内容积222的压降背压进入集管220的双相流。这个背压促使双相流的大部分或全部在内部容积242的内部并因此在内容积222的内部保持不分离。集管220中如果没有管中管式分配器240，双相流的液相与汽相将会分离。因此，管中管式分配器240有效地降低或消除了双相分离并且允许进入小通道管道230的制冷剂流体得到有效地分配和/或调节。而且，管中管式插入物240减小了集管220的内容积222，这导致更高的质量流量(定义为每单位开放容积222的流动截面积的制冷剂质量流量)，并由此改善混合，从而降低集管220内部的分配不均匀。管中管式插入物240的内部容积242也有更高的质量流量，其促进内容积242内部的流体混合。
管中管式分配器240具有中空圆柱形或管状形状，并带有一个或多个贯穿其的节流孔244。双相制冷剂混合物通过这一个或多个节流孔244被分入小通道管道230中。穿过管中管式分配器240的每一个节流孔244供给一个或多个小通道管道230。这一个或多个节流孔244中的每一个都具有一个节流孔尺寸，其尺寸设计成产生的压降等于或大于没有管中管式分配器240时小通道管道230中的压降。
这一个或多个节流孔244的尺寸可设计成使得制冷剂经历部分或完全的膨胀效应，这部分地汽化了这一个或多个节流孔244内部的双相流的至少一部分。优选地，这一个或多个节流孔244的直径是0.05毫米(mm)到4.0mm并且可以是这个范围之间的任何子范围。随着这个节流孔尺寸减小，膨胀效应就增大。这个膨胀效应是除外部设备(例如膨胀阀)的膨胀之外的膨胀。处于0.05mm至约0.3mm之间的一个或多个节流孔产生这种膨胀效应。具有足够小的直径，例如0.05mm到0.1mm的一个或多个节流孔可以提供足够的膨胀，从而消除对膨胀装置的需要。这允许液体或低质量制冷剂被供应给小通道或微通道换热器，并由此最小化由液体与蒸汽之间的密度差所引起的制冷剂分配不均匀，并且大大提高了换热器效率。
替换性地，集管中的压降可以由插入物获得，该插入物是但不局限于，带有引起压降的一个或多个节流孔的管中管式或板式分配器、多孔介质、集管自身的形状、带有一个或多个节流孔的一个或多个挡板，或它们的任何组合。实现这种压降的集管中的插入物或集管的形状可以是任何形状或形式，并且能用作集管的入口和/或中间长度和/或出口。
图3至图6示出了小通道或微通道换热器集管内部的带有一个或多个节流孔的穿孔管式/板式插入物的不同类型，这一个或多个节流孔所起的作用基本上与上述管中管式分配器240中的一个或多个节流孔244相同。图3示出了D形管插入物340，其具有邻接集管320的弯曲部348和面对小通道或微通道换热器的管道330的平坦部346。平坦部346具有邻近管道330的入口的一个或多个贯穿其的节流孔344。在铜焊D形管插入物340和集管320之前，端盖(未示出)可用来将D形管插入物340保持就位在集管320中。
图4示出带有一个或多个节流孔444的肾形管插入物440。这一个或多个节流孔444，优选为在肾形管式插入物440的邻近小通道或微通道换热器的小通道管道430的入口的凹侧446上。肾形管插入物440具有限定分配容积426的第一壁448和第二壁449。由第一壁448和第二壁449形成的通道产生从一个或多个节流孔444至小通道管道430的双相流的二级分配。带有壁448和449的通道和它们之间的分配容积426可以提供双相混合物的辅助混合并且还可以进一步阻止双相混合物的汽相和液相的分离从而促进均质的双相混合物向小通道管道430的均匀分配。在没有使用端盖的情况下，在铜焊肾形管插入物440和集管420之前，肾形管式插入物440可以坐在小通道管道430上。
图5示出了带有与第二腔524隔开的第一腔522的挤压集管520。第二腔524可以是D形或任何形状，制冷剂流过这个腔。小通道或微通道换热器的小通道管道530可以插入第一腔522中。第一腔522和第二腔524通过一组将制冷剂分入小通道管道530的一个或多个节流孔544而彼此连通。挤压集管520优选为具有一体成型的插入物540，不过本发明设想了插入物540与集管520相连或与集管520组装来限定第二腔524。
图6示出了带有连接至分支647的弯曲部648的D形插入物640。这些分支647之间具有平坦部646。一个或多个节流孔644可以设在平坦部646上。这些分支647可以邻接小通道或微通道换热器的小通道管道630，用于在铜焊到集管620上之前进行定位。替换性地，分支647可以邻接小通道管道630，形成摩擦配合从而保持D形插入物640在集管620内的正确位置。这个摩擦配合消除了对铜焊或其它固定连接装置的需要。
插入物中的一个或多个节流孔可以定位成邻近于小通道管道的入口，如图2至图6所示。替换性地，这一个或多个节流孔的至少一个可以具有与平行小通道管道1的纵轴A成大于0度的角度。图7示出了带有插入物4的小通道或微通道换热器的集管2。插入物4可以是任何形状，例如图7所示的圆柱形管道。插入物4具有一组一个或多个节流孔3。流体沿着插入物3流动并且通过一个或多个节流孔3供应给小通道管道1。α是位于一个或多个节流孔3的每一个与进入小通道管道1的流体之间的角度。图8示出带有插入物4的小通道换热器10的简图。端盖5可用来密封集管2。流体流入插入物3，由箭头12标出，流体流出小通道管道1，由箭头14标出。
申请人用具有19英寸高度、36英寸集管长度并且连接101个小通道管道的原型盘管进行了测试。根据这些试验结果，确定如果一个或多个节流孔3与垂直于这些小通道的平面B成锐角，性能就会得到改善。还发现，优选地，与小通道管道的轴线所成角度应该大约在约+30°到约+330°以及这个范围之间的任何子范围。插入物3的当量水力直径D，优选地，在从约1/4英寸到约1/2英寸的范围内，集管与插入物的容积比在约2到约3的范围内。这一个或多个节流孔3的每一个，优选地供应约1个小通道管道到约10个小通道管道。如上所述，节流孔尺寸优选地在约0.3mm到约1.3mm的范围内。
图9示出了各种节流孔角度的代表性试验结果。当这一个或多个节流孔垂直于小通道管道1中的流动方向时，如图7所示，盘管容量(定义为从在小通道管道1内部流动的制冷剂传递给从小通道管道1的外表面流过的空气的热量总值)对于不同的角度α有大大的改善。图10示出对于α＝90°时的代表性红外图象。如图10所示，流体分配相对于不同的角度α和没有插入物的集管有改善。垂直于小通道管道3的一个或多个节流孔的定向还形成旋流效应，由此，流出节流孔的流体在进入小通道管道之前必须围绕插入管的周边行进，其促进了流体混合。
作为降低小通道或微通道换热器中的分配不均匀的另一方法，插入物可以在集管内部形成紊流和/或混合条件，使得制冷剂的液相和汽相不分离。集管内部的混合可以通过很多方式得到，包括但不限于混合器插入物和/或改变集管的形状。导致这种混合的集管中的插入物或集管的形状可以是任何形状或形式，并且能用作入口和/或中间和/或出口集管920。图11所示的这种例子是集管中的螺旋桨型插入物940。螺旋桨型插入物940具有叶片943。这些叶片943可以促使流体在集管920的开放容积922中混合，这种混合由箭头901示出。这种混合阻止汽相和液相的分离从而降低到小通道管道930的分配不均匀，并且相对于现有技术形成双相流的蒸汽和液体的更均质的混合物。
具有上述这些插入物特征的任何组合的插入物还可以改善从集管到小通道管道的双相流体的分配均匀性。例如，可以将容积减小和压降结合并最优化，以获得大于单独实施容积减小和压降所获得的整体分配改善。最优化的一个例子是，与只实施压降相比，在与容积减小组合时，为压降所选取的节流孔尺寸可以增大。这尤其对受到制造和成本约束的节流孔尺寸的情况有益。
结合混合并具有容积减小的插入物可以最优化成获得大于单独实施容积减小和混合的任一者所获得的整体分配改善。最优化的一个例子是，可以设计/优化降低集管内容积的插入物或集管的形状，例如，如图13上所示的选择，其中，插入物具有波纹状的形状，从而也有助于混合而不是分离液相和汽相。
可以优化产生压降和混合的插入物以获得大于单独实施压降和混合的任一者所获到的整体分配改善。优化的一个例子是，插入物或者集管形状在双相流进入小通道管道之前可以产生混合并且还可以提供压降。这尤其对受到制造和成本约束的节流孔尺寸的情况有益。
插入物可以产生容积减小、压降和混合，对它们进行最优化可以获得大于单独实施容积减小、压降和混合所获得的整体分配改善。优化的一个例子是插入物或集管形状，其在双相流进入小通道管道之前优化了容积减小、压降和混合。这尤其对受到制造和成本约束的节流孔尺寸的情况有益。一个可以组合这三种方法的例子是带有定向偏离小通道管道1030的平面A的一个或多个节流孔1044的管中管式分配器1040，如图12所示。集管1020内部的管中管式分配器1040的存在减小了集管1020的供应小通道管道1030的开放内容积1022，由此改善了分配不均匀，如上所述。管中管式分配器1040上的这一个或多个节流孔1044提供足够大的压降，其导致均匀的流体分配，如上所述。从一个或多个节流孔1044出来且进入小通道管道1030的偏置流体在开放内容积1022的其余部分内提供旋转/混合，如箭头1001所示，由此阻止液体蒸汽分离并且降低分配不均匀，如上所述。
另外，上述的一个或多个插入物可以与多通道小通道或微通道换热器(蒸发器或冷凝器或气体冷却器或任何其它换热器)结合，在这里制冷剂在离开换热器之前超过一次地横穿整个管道长度。多通道小通道或微通道换热器提供更多益处，见证双相流的集管的净长可以通过增大通道数而减小，但其又增加了中间集管中的分配不均匀复杂性。
插入物的特定类型，包括材料、尺寸和形状，可以根据小通道或微通道换热器的特定需要而改变。优选地，插入物是铝材。本发明已经描述了具有一个或多个本文所述特征的许多示例性实施例。应当理解，这些特征可以在这许多示例性实施例之间互换。
尽管已参照一个或多个示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不背离其范围下，可以做出各种改变，并且对它的零部件可以作同等替换。此外，可以根据本发明的教导，在不背离其范围的情况下，做出很多改型以适应特定情形或材料。因此，这意味着，本发明不受设想为实施本发明的最佳实施形式的特定实施例(多个实施例)的限制，而是包括所有落在所附权利要求范围内的实施例。

Claims (2)

1.一种小通道换热器装置，包括：
具有容积的插入物，所述插入物处在位于该小通道换热器的多根管道与集管的集管内壁之间的间隙内；
其中，所述插入物是D形管插入物，其具有邻近所述集管的弯曲部和邻近所述多根管道的平坦部，所述平坦部具有贯穿其的一个或多个节流孔，所述容积由所述平坦部和所述弯曲部围成；以及
其中，所述D形管插入物具有一对分支，在这对分支之间具有所述平坦部，以及所述分支邻接所述管道。
2.一种用于降低根据权利要求1所述的小通道换热器中的流体分配不均匀的方法，该方法包括：
减少集管的内容积，该集管将包含蒸汽和液体的流分配给小通道换热器的多根管道，
其中，所述减少包括通过插入所述插入物减少所述内容积。
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