CN101563579B

CN101563579B - 用于并流式换热器集管内的分配改进的制冷剂蒸汽注入

Info

Publication number: CN101563579B
Application number: CN2006800566569A
Authority: CN
Inventors: M·F·塔拉斯; A·利夫森
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: HK1137804A1; US20100139313A1; ES2588012T3; CN101563579A; EP2092262A4; EP2092262A1; EP2092262B1; US8528358B2; WO2008073111A1

Abstract

本发明确保流过若干一般以并行方式设置的传热管的两相制冷剂均匀分配。一部分气相为主的制冷剂从上游位置分出并输送到下游位置，在该下游位置可能发生液相和气相制冷剂的分离，并且液相制冷剂可能积聚。来自气相为主的制冷剂的额外动力为气/液制冷剂混合物创造均匀条件，促进混合物在下游传热管的均匀分配。气相制冷剂可从不同位置分出。

Description

用于并流式换热器集管内的分配改进的制冷剂蒸汽注入

【技术领域】

本申请涉及一种并流式换热器，其中来自上游位置的气态制冷剂用于在沿集管驱动液相制冷剂方面提供额外的动力以改善与所述集管流体相通的并行管中的制冷剂分配，从而提高换热器和整个制冷系统的性能。

【背景技术】

制冷系统利用制冷剂调节传送到气候受控制空间的第二流体，例如空气。在基本的制冷系统中，制冷剂在压缩机中被压缩，并顺流流向冷凝器，在冷凝器中当与周围环境相互传热时，热量通常从制冷剂退到周围环境。然后制冷剂经过膨胀装置，在膨胀装置中制冷剂膨胀到较低的压力和温度，并流向蒸发器，在蒸发器中当与第二流体(如室内空气)相互传热时，制冷剂蒸发且通常过热，同时冷却并常常除湿所述第二流体。

最近几年，很大的兴趣和设计工作已经集中到制冷系统中换热器(冷凝器和蒸发器)的有效运作。换热器技术中一个相对较新的发展是并流式，或所谓的微通道或微型通道换热器的开发和应用(这两个词将交替地贯穿于本文)，例如冷凝器和蒸发器。

这些换热器具有若干并行的传热管，传热管通常是非圆形的，在这些传热管中制冷剂以并行方式分配和流动。传热管一般大致垂直于入口、中间和出口集管内制冷剂的流向，所述入口、中间和出口集管与传热管流体相通。使用通常具有铝的炉内钎焊结构的并流式换热器的主要原因，同其优越的性能、高紧密度、结构刚度和增强的耐腐蚀性能有关。

在用于冷凝器应用时，这些换热器通常设计为多程结构，通常设若干并行的传热管，各传热管内有制冷剂通过，以便通过平衡和优化传热及压降特性来获得优越的性能。在这样的设计中，进入入口集管(或所谓的入口管集箱)的制冷剂穿过横越冷凝器宽度的第一复式管通道流向对面的集管，对面的集管通常就是中间集管。收集于第一中间集管的制冷剂调转方向，分配于第二通道内的传热管并流向第二中间集管。这种流动模式可重复许多次以获得最佳冷凝器性能，直至制冷剂到达出口集管(或所谓的出口管集箱)。一般地，各个集管是圆柱形(然而其它形状也为本领域所知)，且用由同一个集管结构组件中的分隔物隔开的不同室表示。

传热用的波纹状且通常是百叶窗式的翅片置于传热管之间以增强管外传热和结构刚度。在炉内钎焊作业过程中这些翅片通常连接于传热管。此外，每个传热管优选包含若干相对较小的并行通道以增强管内传热和结构刚度。

然而，制冷系统中并流式换热器的使用存在一些障碍。尤其，当两相流体进入集管时，一个被称为制冷剂分配不均的问题常常发生在微通道换热器集管内。两相流体的气相相比于液相具有显著不同的特性，它以不同的速度流动并受到内力和外力的不同影响。这使气相脱离液相并独自流动。气相从液相的分离已经提出挑战，如并流式换热器内制冷剂分配不均。这种现象的发生是由于通道及入口和出口集管内不同的压降，还有不良的集管和分配系统设计。在集管内，制冷剂路径长度的不同、相位分离以及重力是造成分配不均的主要因素。换热器通道内，传热率、气流分配、制造公差以及重力的变化是主要因素。此外，增强换热器性能方面的最近趋势是促进通道小型化，这反过来对制冷剂分配产生负面影响。由于控制所有这些因素非常困难，加上被提议技术的复杂性和低效率，或解决方案的成本非常高，许多先前处理制冷剂分配的尝试，都失败了。

另一方面，制冷剂分配不均可能会导致换热器和整个系统的重大性能在大范围运行条件方面退化。因此，希望能减少或消除并流式换热器中的制冷剂分配不均。

【发明内容】

在本发明所揭示的一个实施例中，制冷剂蒸汽从上游位置分出，并进入并流式换热器中间集管内的一个位置，在此位置处出现两相制冷剂流体，并且液相可能从气相分离并积聚，这导致与所述中间集管流体相连的下游传热管内制冷剂分配不均。来自上游位置的制冷剂蒸汽具有较快的速度和足够的动力来创造大部分是均质流的条件，同时最初分离的两相制冷剂在所述中间集管内混合、雾化并重新分配。

在一个实施例中气态制冷剂从把压缩机连接到并流式换热器的管路分出。

在另一个实施例中，气相为主或两相均匀的制冷剂从上游集管内的一个位置分出并改变方向进入下游集管内的一个位置。

进一步，制冷剂蒸汽的流动可以是脉冲的或周期性地调节以改善制冷剂的分配效果。而且，多个分接管可用于将一部分制冷剂从同一个集管分出并使其改变方向进入不同的下游集管。另一方面，一部分制冷剂可从不同的上游集管输送到同一个下游集管。

此外，所揭示的发明可应用于用作冷凝器和蒸发器的并流式换热器装置。

本发明的这些以及其它特征可从下述说明和图示中得到最好的理解，以下是简要说明。

【附图说明】

图1显示的是包含本发明的制冷系统。

图2A是包含本发明的换热器的第一简图。

图2B显示的是换热器管的剖视图。

图3A是包含本发明的换热器的第二简图。

图3B显示的是另一个简图。

图4显示的是又一个实施例。

【具体实施例】

一个基本的制冷系统20，如图1所示，其包括压缩机22，压缩机22传送制冷剂给通向冷凝器24的排出管23。冷凝器24是一个并流式换热器，并且在一个所揭示的实施例中它是一个微通道换热器。在冷凝器24中热量从制冷剂转移到第二循环流体，如空气。高压的，但被降温、冷凝且通常被冷却的制冷剂进入冷凝器24下游的液体管路25并通过膨胀装置26，在膨胀装置26中制冷剂膨胀到较低的压力和温度。在膨胀装置26的下游，制冷剂流经蒸发器28并退回到压缩机22。虽然图1显示的是基本的制冷系统20，但是对于本领域的一般技术人员而言容易理解的是许多选项和特征都可以纳入制冷系统的设计。所有这些制冷系统结构都完全在本发明的范围内，并同样受益于本发明。

如图2A所示，冷凝器24具有集管结构30，集管30由多个室30A，30B和30C组成。入口集合室30A收容来自排出管23的制冷剂，通常是气相的。制冷剂流入第一组并行传热管32，然后穿越冷凝器的核心部分到达中间集管结构34的室34A。应当指出的是，在实践中，相比于四条图示说明的通道32，36，38和40可能有更多或更少的制冷剂通道。此外，应当认识到，虽然为了简单的目的各制冷剂通道都用单一的传热管来表示，但是在每条通道内通常会有许多传热管，在通道中分配着制冷剂，同时制冷剂在通道内流动，并且在冷凝器的应用中，往关于制冷剂流向的下游方向，每组内的传热管数量通常会有所减少。例如，在第一组内可能有12条传热管，在第二组内有8条传热管，在第三组内有5条传热管，而在最后第四组内只有2条传热管。隔板42置于集管34内以把室34A同位于同一集管结构34内的室34B隔开。

如图2A所示，在这个位置，当制冷剂沿管32流过第一通道时其开始凝结(由于与第二流体的相互传热)，并且尽管通常在两相混合物中会带有相对较少的液量，但是制冷剂还是处于两相热力学状态。并且，在这个位置，液相可能开始与气态制冷剂分离，如35所示，因为液相和气相具有不同的热物理性质并且受到外力的不同影响，如重力。液相和气相的分离可能会造成分配不均的状态，同时制冷剂从中间集管结构34的室34A流出，往回穿越冷凝器24的核心部分，再通过第二组并行传热管36进入集管结构30的室30B。

因为，在很多情况下，数量上有点无关紧要的液态制冷剂在室34A内积聚，所以制冷剂分配不均尚不会对冷凝器24的性能产生深远的影响，并且不需要采取特殊措施(然而，在某些情况下，可能要执行特殊设计规定)。第二组传热管36中的制冷剂一般平行于(但是是逆流)第一组传热管32中制冷剂的流向流动。如图2A所示，隔板42阻止制冷剂混合或在集合室30A和30B之间直接流通。在室30B内，制冷剂也处于两相热力学状态，但是包含的蒸汽质量较轻且潜在地促进液态制冷剂积聚于室30B的底部，如144所示。

在这种情况下，气态制冷剂将主要流入第三通道38的传热管的上部，同时液态制冷剂穿过第三组传热管38的下部。因此，制冷剂分配不均可能会对冷凝器24的性能产生深远的影响。

制冷剂从集管结构30的中间室30B流入通常平行于第一和第二组传热管32和36的第三组并行传热管38，穿越冷凝器24并进入集管结构34的中间室34B。中间室34B中的液态制冷剂含量，如244所示，甚至高于室34A和30B。

流经室34B的制冷剂具有愈加轻的蒸汽质量并潜在地为第四(最后)组传热管40创造类似的分配不均的条件。此外，置于室30B和30C之间的隔板42确保制冷剂沿期望的下游方向流动而不会短路或绕行。液态制冷剂通过液体管路25从室30C离开冷凝器24。众所周知，波纹状且通常是百叶窗式的翅片33设于传热管之间且连接于传热管(通常在炉内钎焊过程中)以扩展传热面并改善冷凝器24的结构刚度。

如图2B所示，管组32，36，38和40内的传热管可能由若干用壁101分隔的平行通道100组成。图2B是图2A所示的传热管的剖视图。通道100容许增强的传热特性，并帮助改善结构刚度。通道100的横截面可以采用不同的形式，虽然图2B以矩形作说明，但也可以是，例如，三角形、梯形或圆形的结构。

在本发明中，制冷剂从排出管23分出并进入管46，并流向位置47，位置47可能或可能不直接与分隔室30B和30C的隔板42相连，在位置47处将会出现大量积聚的液态制冷剂144(例如，由于重力作用的分离)。这种高压的压缩制冷剂蒸汽将趋于混合(创造更均匀的条件)并且以更均匀的方式将液态制冷剂重新分配于第三组传热管38中。

同样，另一管48可指向位置49，为液态制冷剂244更均匀地分配于集合室34B和第四组传热管40提供有利的条件。与控制器10相连的阀50可设置在管46和/或管48上以脉冲调制、调节或完全关闭此排出气体的流量。如此，制冷系统的设计者可实现对绕行的高压制冷剂蒸汽所需数量的精确控制，高压制冷剂蒸汽可加以调整使其适应，例如，特定的操作条件，从而使液相和气相制冷剂均匀分配于传热管之中。

应当认识到，为了说明本发明的概念，液体含量35，144和244可能有些夸大，同时它们也可能随操作和环境条件而变化。

另外，如图2A所示，多孔筛板44可与旁通管46和48连接，并且置于集合室30B和34B内以防止液滴干扰制冷剂流体离开传热管的上游组。因此，由于制冷剂分配不均造成的冷凝旋管24性能退化将变得最小或完全消除。

图3A显示的是另一个实施例124，其中并流式换热器的结构类似于图2A中的换热器。然而，来自中间集管结构34的室34A某一位置的一部分制冷剂蒸汽在位置136分出，中间集管结构34的室34A位于集管结构30的室30B的位置138的上游，在位置136处一小部分制冷剂蒸汽从室34A改变方向到室30B以改善制冷剂在室30B和传热管组38中的分配。同样，从集管结构30的室30B的位置140分出的一小部分制冷剂蒸汽可用于改善室34C和传热管组40中的分配，并流向室34C中的位置142。

图2A和3A中的多个分接管将气相为主的制冷剂中的一小部分传送到冷凝器内的不同位置。图3B显示的是分开的管路346和348，为了帮助液态制冷剂均匀分配于与集合室流体相连并位于关于制冷剂流向的下游的传热管，管路346和348还是将气相为主的制冷剂中的相对一小部分从冷凝器内不同位置传送到一个共同的位置350，如其中一个中间集合室，其具有一定量的积聚的液态制冷剂344。同样，气相为主的制冷剂中的一小部分可从同一上游位置传送到不同的下游位置以改善两相制冷剂在这些下游位置的分配。

图4显示的是又一个实施例220，其中制冷剂不会变更线路，并且相反地气相和液相之间的混合是通过脉冲调制通过并流式换热器的主要制冷剂流体来实现。主要流体的脉冲调制是通过周期性地改变流量控制装置的开口大小来实现，如电子控制膨胀阀226。当通过膨胀阀226的制冷剂被抑制(阀的开口大小减小)，冷凝器224内的压力增大，而当膨胀阀226开大些时，冷凝器224内的压力减小。冷凝器224内的压力变化将导致冷凝器中制冷剂速度变化，这转而将通过使液相和气相混合而促进制冷剂均匀分配。

主要制冷剂的脉冲调制还可以通过使用，例如，安装于蒸发器和压缩机之间的流量控制装置来实现。在这种情况下，这种流量控制装置的功能可以与通常安装在制冷装置中的所谓的吸入调节阀(SMV)228的功能结合，以便通过抑制压缩机吸入压力下的流量而选择性地减少装置容量，从而控制到达压缩机的制冷剂数量。SMV阀的较小开口允许较少的制冷剂传送到压缩机。SMV 228可快速循环(打开和关闭)以产生通过冷凝器224的制冷剂脉冲，同时脉冲的制冷剂流体转而促进液态和气态制冷剂在冷凝器224中的混合，这个方式同电子膨胀阀226实现的方式类似。电子膨胀阀和吸入调节阀这两者可单独或结合地使用，它们都由控制器200控制，控制器200将有选择地打开和关闭这些阀以促进气相和液相制冷剂的混合。吸入调节阀228可被取代，例如，由循环于打开和关闭位置之间的电磁阀取代(一些数量有限的流体仍然可能允许通过处于关闭位置的阀以防止压缩机吸入压力接近深真空)。此外，还必须了解，这种流量控制装置还可安装在制冷系统的其它位置。类似地，例如，位于制冷剂排出管或液态制冷剂管路上的阀可实现同样的功能，且以类似的方式受控制。

总之，本发明利用来自上游位置的气相为主的制冷剂中的一小部分，例如排出管或上游的集管，并使其改变方向进入并流式换热器中的某个位置，如在制冷剂路径的下游位置的中间集管，在此位置处可能发生气相和液相分离。此高压的气态制冷剂能够更好地混合并促进两相制冷剂均匀分配，以致分配不均的现象明显减少或消除，从而制冷剂进入一般以并行方式设置的传热管的下游组。

虽然本发明的重点在于冷凝器应用，但是制冷系统蒸发器也可受益于本发明。就蒸发器而言，来自制冷系统中许多较高压力的位置，例如排出管、冷凝集管等的制冷剂蒸汽的一小部分将改变方向进入入口或中间集管。流体脉冲调制，尽管是在上述冷凝器换热器中加以说明的，可按类似于上述的方式加以利用从而改善制冷剂在蒸发器换热器的分配。虽然本发明是以并流式换热器来作说明，但其也可应用于其它换热器类型，例如，在冷凝器应用中具有中间集管的换热器。还有，图2A和3A中的四通道换热器纯粹是示范性的，具有任何数量通道的换热器同样可受益于本发明。并且，包含许多室的集管结构30和34可采取多种不同的设计形状和结构。此外，集合室可能并不一定设置在同一个集管结构中。最后，隔板42可用单向阀或电磁阀替代。

尽管本发明的优选实施例已被揭露，但是本领域的一般技术人员将认识到，某些修改将落入本发明的范围内。因此应当对下述权利要求加以研究以确定本发明的真正范围和内容。

Claims

1.一种制冷系统，其包括：

压缩机，所述压缩机将压缩的制冷剂传送到冷凝器，从所述冷凝器出来的制冷剂通过膨胀装置，从所述膨胀装置出来后又通过蒸发器，从所述蒸发器出来后又返回所述压缩机；和

所述冷凝器和所述蒸发器中的至少一个具有若干传热管，所述传热管内制冷剂一般按并行方式顺流通过；和

位于所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个内的至少一个下游位置，当所述制冷剂通过所述若干传热管时，所述下游位置可能收容制冷剂混合物中分离的液相和气相，并且一部分气相为主的制冷剂从上游位置分出并传到所述下游位置以改善所述制冷剂混合物中分离的液相和气相在所述若干传热管中的分配。

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其中所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个具有至少一个与所述若干传热管流体相通的集管结构，所述至少一个集管结构具有至少一个分离元件，所述至少一个分离元件在所述至少一个集管结构内提供至少两个室，且至少其中一个所述室是所述下游位置。

3.根据权利要求2所述的制冷系统，其中所述分离元件是隔板、单向阀和电磁阀中的一种。

4.根据权利要求2所述的制冷系统，其中所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个是冷凝器且排出管、入口冷凝器集合室和上游的中间冷凝器集合室中的至少一个位于所述上游位置。

5.根据权利要求2所述的制冷系统，其中所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个是冷凝器且所述下游位置是一个中间集合室。

6.根据权利要求2所述的制冷系统，其中所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个是蒸发器且排出管、入口蒸发器集合室、上游的中间蒸发器集合室、入口冷凝器集合室和中间冷凝器集合室中的至少一个位于所述上游位置。

7.根据权利要求2所述的制冷系统，其中所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个是蒸发器且所述下游位置至少是入口集合室和中间集合室中的一个。

8.根据权利要求1所述的制冷系统，其中所述制冷系统具有若干源自相同的上游位置的分接管，所述分接管将所述气相为主的制冷剂输送到不同的下游位置。

9.根据权利要求1所述的制冷系统，其中所述制冷系统具有若干源自不同上游位置的分接管，所述分接管将所述气相为主的制冷剂输送到相同的下游位置。

10.根据权利要求8或9所述的制冷系统，其中位于分接管上的阀通过脉冲调制或调节所述阀使所述分出的气相为主的制冷剂流体受到控制。

11.根据权利要求10所述的制冷系统，其中用所述制冷系统的运行条件限定对所述分出的气相为主的制冷剂的所述脉冲调制或调节流量控制。

12.根据权利要求1所述的制冷系统，其中所述若干传热管具有与其传热相通的波纹状外部传热翅片。

13.根据权利要求1所述的制冷系统，其中所述若干传热管的每一个包括若干小的平行的内部通道，所述平行的内部通道在所述传热管内按并行路径输送制冷剂。

14.根据权利要求13所述的制冷系统，其中所述平行的内部通道创建一个微通道传热管。

15.根据权利要求13所述的制冷系统，其中所述平行的内部通道具有圆形、矩形、梯形或三角形中的至少一种结构。

16.一种制冷系统，其包括：

位于所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个内的至少一个下游位置，当所述制冷剂通过所述若干传热管时，所述下游位置可能收容制冷剂混合物中分离的液相和气相，并且流量控制装置运行以致当所述制冷剂通过所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个时所述制冷剂是脉冲的从而在下游位置尽量减少液相和气相制冷剂的分离。

17.根据权利要求16所述的制冷系统，其中所述制冷剂通过选择性地打开和关闭设于所述冷凝器和所述蒸发器之间的流量控制装置实现脉冲调制。

18.根据权利要求17所述的制冷系统，其中所述流量控制装置是一个电子膨胀阀。

19.根据权利要求16所述的制冷系统，其中所述制冷剂通过选择性地打开和关闭设于所述蒸发器和所述压缩机之间的流量控制装置实现脉冲调制。

20.根据权利要求19所述的制冷系统，其中所述流量控制装置是电磁阀。

21.根据权利要求19所述的制冷系统，其中所述流量控制装置是吸入调节阀。

22.一种运行制冷系统的方法，其包括下列步骤：

(1)提供一个压缩机，所述压缩机将压缩的制冷剂传送到冷凝器，从所述冷凝器出来的制冷剂通过膨胀装置，从所述膨胀装置出来后又通过蒸发器，从所述蒸发器出来后又返回所述压缩机；和

(2)提供具有若干传热管的所述冷凝器和所述蒸发器中的至少一个，所述传热管内制冷剂一般按并行方式顺流通过；和

(3)提供位于所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个内的至少一个下游位置，当所述制冷剂通过所述若干传热管时，所述下游位置可能收容制冷剂混合物中分离的液相和气相，并且一部分气相为主的制冷剂从上游位置分出并传到所述下游位置以改善所述制冷剂混合物中分离的液相和气相在所述若干传热管中的分配。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个具有至少一个与所述若干传热管流体相通的集管结构，所述至少一个集管结构具有至少一个分离元件，所述至少一个分离元件在所述至少一个集管结构内提供至少两个室，且至少一个所述室是所述下游位置。

24.根据权利要求22所述的方法，其中排出管、入口集合室和上游的中间集合室中的至少一个位于所述上游位置。

25.根据权利要求22所述的方法，其中若干源自相同的上游位置的分接管将所述气相为主的制冷剂输送到不同的下游位置。

26.根据权利要求22所述的方法，其中若干源自不同上游位置的分接管将所述气相为主的制冷剂输送到相同的下游位置。

27.根据权利要求25或26所述的方法，其中位于分接管上的流量控制装置通过脉冲调制或调节所述流量控制装置使所述气相为主的制冷剂流体的分出部分受到控制。

28.根据权利要求27所述的方法，其中用所述制冷系统的运行条件限定对所述分出的气相为主的制冷剂的所述脉冲调制或调节流量控制。

29.一种运行制冷系统的方法，其包括下列步骤：

(3)提供位于所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个的至少一个下游位置，当所述制冷剂通过所述若干传热管时，所述下游位置可能收容制冷剂混合物中分离的液相和气相，并且流量控制装置运行以致当所述制冷剂通过所述冷凝器和所述蒸发器中的所述至少一个时所述制冷剂是脉冲的从而在下游位置尽量减少液相和气相制冷剂的分离。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述流量控制装置是电子膨胀阀、排出管脉冲电磁阀、液体管路脉冲电磁阀、吸入管路脉冲电磁阀或它们的组合中的一个。

31.根据权利要求29所述的方法，其中所述流量控制装置是吸入调节阀。