CN101568792B - 用于分配的小通道换热器集管插入件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微通道换热器的进口集管，在该进口集管内设有第一插入件，该第一插入件在进口集管的长度上充分延伸，该第一插入件具有多个开口，用于使制冷剂流入进口集管的内部空间，然后再流至这些通道。设在第一插入件内的第二插入件在第一插入件的长度上充分延伸，并且该第二插入件的横截面积在第二插入件朝向下游端部的方向上逐渐增加，使得在第一和第二插入件之间形成环形腔。横截面积递减的环形腔使制冷剂质量流量在沿着环形腔长度方向上保持基本恒定，由此保持液体的环形流型，并促进对各个通道的均匀流量分布。

Description

用于分配的小通道换热器集管插入件
技术领域
本申请总体涉及空气调节和制冷系统，尤其涉及这些系统的平行流蒸发器。
背景技术
目前在空气调节和制冷业中广泛使用的所谓平行流换热器的定义，指的是带有多个平行通道的换热器，被分配的制冷剂在这些平行通道中的流动方向通常基本垂直于该制冷剂在进口和出口集管中的流动方向。这个定义在技术共同体内得到很好的适用，全文将使用该定义。
制冷系统蒸发器中制冷剂分布不均是众所周知的现象。该现象导致蒸发器和整个系统在很广范围的操作条件下性能显著退化。可能导致制冷剂分布不均的原因有：蒸发器通道中的流动阻力不同，外部传热面上的空气流不均匀分布，热交换方向不当，或集管和分布系统的不良设计。由于平行流蒸发器关于每个制冷剂回路的制冷剂路径安排的的特殊设计，在平行流蒸发器中分布不均尤其显著。消除或减少平行流蒸发器中的上述现象对性能影响的尝试一直以来收效甚微。上述失败的主要原因通常因为所建议技术的复杂和效率低下，或者因为解决方案造价昂贵。
近年来，平行流换热器，尤其是钎焊铝换热器，不但在机动车领域而且在供热、通风、空调及制冷(HVAC&R)业引起很多关注和注意。采用平行流技术的主要原因在于其优良的性能，高度的紧凑性和强抗腐蚀性。现在平行流换热器可在冷凝器和蒸发器领域中运用于多种产品和系统设计及构造。这些蒸发器应用，尽管预示有巨大利益和报酬，但是更多的还是挑战和问题。制冷剂分布不均是在蒸发器领域实施该技术的主要问题和障碍之一。
已知在平行流换热器中制冷剂分布不均发生的原因是因为在通道内部和进口、出口集管中的压降不均，以及集管和分布系统的不良设计。在集管中，制冷剂路径长度的不同，相分离和重力作用是造成分布不均的主要因素。在换热器通道中，热交换率变化、空气流的分布、制造公差、和重力作用是主要因素。进一步的，最近增加换热器性能的趋势是提倡通道小型化(所谓的小通道和微通道)，这继而对制冷剂分布产生不良影响。由于很难控制所有这些因素，所以先前控制制冷剂分布，尤其是平行流蒸发器中的制冷剂分布的尝试有很多都失败了。
在使用平行流换热器的制冷系统中，进口和出口集管(这些术语在全文中可互换使用)通常设为传统的圆柱形。当两相流进入集管时，蒸汽相通常与液相分离。由于两相均独立地流动，因此往往导致制冷剂分布不均的发生。
如果两相流以相对高速进入进口集管，液相(液滴)由流体动量携带进一步离开集管入口到该集管的远处部分。因此，最靠近集管入口的通道主要接收汽相，远离集管入口的通道主要接收液相。另一方面，如果两相流进入集管的速度低，那么就没有足够的动量沿集管运送液相。结果是液相进入最靠近进口的通道而汽相继续到最远处的通道。同时，在进口集管中的液相和汽相能够被重力作用分离，导致类似的分布不均的结果。在任一个情况中，分布不均现象迅速出现，并导致蒸发器及整个系统性能明显降低。
在管翅式换热器中，共同的实践是设置通向相应管的单独毛细管或其他膨胀装置，以使进入管组的制冷剂获得相对均匀的膨胀。出于同样目的，另一个方法是在相应的管路的入口处设置单独的膨胀装置，例如所谓的“迪克西杯”(dixie cups)。这些方法在小通道或微通道应用中都不实用，在这些应用中，通道相对小且密集使得单独的限制性装置在制造过程中不能作为实用方式被安装在各自的通道内。
在空气调节和制冷行业中，在提及上述换热器中，术语“平行流”、“小通道”(或“微通道”)经常交叉互换，我们遵循类似的惯例。进一步的，小通道和微通道换热器区别仅在于通道尺寸(或者所谓的水力直径)，且可以同样受益于本申请的教导。在正文和权利要求中将全部这种的换热器(小通道和微通道)称为小通道换热器。
发明内容
简要地，根据本发明一个方面，提供一种平行流换热器，其包括：进口集管，其具有引导流体流入所述进口集管的进口开口和引导流体流出所述进口集管的多个出口开口；多个通道，该多个通道处于实质平行的对齐关系中，并且该多个通道流体连接至引导流体流出所述进口集管的所述多个出口开口；第一插入件，该第一插入件设在所述进口集管内，并且其一端部流体连接至所述进口开口，所述第一插入件在所述进口集管的长度上充分延伸，并且在该第一插入件中具有引导制冷剂从所述第一插入件流至所述进口集管的多个开口；以及第二插入件，其设在所述第一插入件内并且在所述第一插入件的长度上充分延伸，所述第二插入件的横截面积随着该第二插入件延伸离开所述进口开口而增加，所述第二插入件与所述第一插入件限定环形腔，该环形腔的横截面积随着该第二插入件延伸离开所述进口开口而减小。
平行流换热器的进口集管设有安装在该集管内的一对插入件，其中，外插入件在其一端部接收流体流，并且该外插入件设有通向集管的多个彼此隔开的开口，内插入件沿着外插入件的长度充分延伸，并且该内插入件的横截面积沿着该内插入件的长度增加，以保持处于两个插入件之间的环形腔中的制冷剂质量流量基本恒定。
根据本发明另一个方面，提供一种促进从换热器的进口集管至流体连接至该进口集管的多个平行小通道的均匀制冷剂流的方法，包括以下步骤：形成具有进口端部、下游端部和位于该进口端部和下游端部之间的多个开口的管；将所述管安装在所述进口集管内，使得该管在所述进口集管的长度上充分延伸，以允许制冷剂在流入所述多个平行小通道之前，流入所述进口端部、穿过所述管、再从所述多个开口流出进入到所述进口集管中；在所述管中设置沿所述管的长度充分延伸的插入件，所述插入件的横截面积随着该插入件延伸离开所述进口端部而增大，并且所述插入件与所述管限定环形腔，该环形腔的横截面积随着该插入件延伸离开所述进口端部而减小。
这内插入件同心地设在外插入件内并且该内插入件的下游端部固定至该外插入件。
仍是根据本发明的又一个方面，这内插入件的横截面形状为圆形并且内插入件成锥形，以提供带有环形截面的环形腔。
在下面所描述的附图中，描述了一种优选实施方式，但在不脱离本发明精神和范围下可以对其作出许多其他的改进和替代的设计与构造。
附图说明
图1是根据现有技术的平行流换热器的示意图。
图2是根据本发明的进口集管的纵剖面图。
图3是沿着图2中线3-3的剖面图。
具体实施方式
现在参考图1，所示的平行流换热器包括进口集管11，出口集管12，和将进口集管11与出口集管12互相流体连通的多个平行通道13。进口和出口集管11和12通常为圆柱形，通道13通常为扁平形管(或挤压件)。通道13通常具有多个内部和外部的传热增强元件，例如翅片15。
在操作中，两相制冷剂流入进口开口14并流入进口集管11的内腔16。来自内腔16的制冷剂，以液体、气体或气液混合物(混合物是典型的模式)的形式，进入通道开口17以穿过通道13到达出口集管12的内腔18。来自内腔18的制冷剂，现在通常为蒸气形式，流出出口开口19然后到达压缩机(未示出)。
如上所讨论的，理想的是两相的制冷剂是以均匀的方式(或者换句话说，相等的质量含汽率)从进口集管11进入独立的通道13，使得这些独立的通道13能获得充分热交换效果，并且在压缩机的吸气侧不会产生和观察到溢流工况。然而，因为上文所描述的多种现象，对独立通道13产生了制冷剂的不均匀流(所述的分布不均)。为了解决上述问题，本申请所引入的设计特征将促进单独通道内的制冷剂均匀分布。
参照图2，本发明进口集管显示为21，其流体连接至多个通道22。进口集管21在其进口端部和下游端部分别具有端盖23和24。端盖23和24与进口集管的侧壁一起限定内腔25，通道延伸到该内腔25中以从其中接收制冷剂流。
如图所示，进口集管21内设有第一或外插入件26，该插入件26延伸穿过处于进口集管21的进口端部处的开口27，并且在进口集管21的长度上充分延伸。如图所示，外插入件26在形状上为筒状，其具有侧壁28和端壁29，端壁29可以焊接或其他方式固定至端盖24。然而，应该认识到外插入件26可以是任意能装配入进口集管21的形状。因此，除了如图所示的圆形横截面形状，还可以是D形、肾形或板形等形状的插入件。
在外插入件中形成多个孔31。这些孔31优选为均匀间隔设置，但为了满足均匀分布也可不均匀间隔设置。进一步的，尽管如图所示孔31形成在第一插入件26的任何一侧上(即，孔31的轴线与通道22的轴线呈90度角)，但是孔的尺寸、形状、以及位置为满足期望的均匀分布的需要都可以改变。
如图所示，第二或内插入件32设在第一插入件26内。内插入件32在外插入件26的长度上充分延伸，并且该内插入件的一端部或上游端部33为尖头形，该内插入件的横截面尺寸朝着该内插入件的另一端部或下游端部34逐渐增加，该下游端部34以焊接或类似方式连接至端壁29。
因此可以看到，外插入件26和内插入件32的组合限定环形腔36，该环形腔36的径向长度随着朝向下游端部34延伸而减小。这种结构有益于形成下文所述的均匀流分布。
应该承认，内插入件32除了是如图所示的实心棒状外，也可以具有各种其它形状和设计，如空心棒、螺旋管，或者具有如圆形、D形或矩形的各种横截面设计。内插入件32的表面可以是光滑的或设有槽以形成涡效应以促进液汽混合。内插入件32也可以由泡沫/多孔材料形成以促进湍流，而湍流有助于混合气相和液相以形成更加均匀的流动。这样就会形成均匀或不均匀的空泡率，如果是不均匀的，则在第一进口的进口处形成较高的空泡率，而在其下游端空泡率减少。
考虑到本设计对流动特性的效果，应当承认优选的流型为环形或者离散的。离散的雾状流是汽液不分离的均质流，因此不会产生不均匀分布问题。对于环形流，在第一插入件26的内壁处产生薄层液体流体。研究表明这种流动特性能够帮助液体和蒸汽更加均匀分配通过分配孔31。然而，如没有第二插入件32，当流体流到第一插入件26内的下游时，由于流体通过孔31分配而使其质量流量显著减少，导致流动变化成朝向第一插入件26端部29的波浪或者分层波浪流型。尽管该流动仍高到足以处在环形流型中，但液体层厚度可能会显著减少，导致朝向第一插入件端部的开口处的液体干涸。
利用第二插入件32和与之关联的尺寸递减的环形腔，相对恒定的质量流量得以保持并且使流动维持在理想的环形流型。进一步的，这有助于避免液体汇集在第一插入件的端部。这些特征都可以改善两相流的分布，从而提高换热器的效率。

Claims (12)

1.一种平行流换热器，包括：
进口集管，其具有引导流体流入所述进口集管的进口开口和引导流体流出所述进口集管的多个出口开口；
多个通道，该多个通道处于实质平行的对齐关系中，并且该多个通道流体连接至引导流体流出所述进口集管的所述多个出口开口；
第一插入件，该第一插入件设在所述进口集管内，并且其一端部流体连接至所述进口开口，所述第一插入件在所述进口集管的长度上延伸，并且在该第一插入件中具有引导制冷剂从所述第一插入件流至所述进口集管的多个开口；以及
第二插入件，其设在所述第一插入件内并且在所述第一插入件的长度上延伸，所述第二插入件的横截面积随着该第二插入件延伸离开所述进口开口而增加，所述第二插入件与所述第一插入件限定环形腔，该环形腔的横截面积随着该第二插入件延伸离开所述进口开口而减小。
2.根据权利要求1所述的平行流换热器，其特征在于：所述第二插入件与所述第一插入件同心。
3.根据权利要求1所述的平行流换热器，其特征在于：所述第一插入件是圆形横截面管。
4.根据权利要求1所述的平行流换热器，其特征在于：所述第二插入件是锥形棒。
5.根据权利要求1所述的平行流换热器，其特征在于：所述多个开口形成在所述第一插入件的任一侧上。
6.根据权利要求5所述的平行流换热器，其特征在于：所述多个开口对齐成使它们的轴线垂直于所述多个通道的轴线。
7.一种促进从换热器的进口集管至流体连接至该进口集管的多个平行小通道的均匀制冷剂流的方法，包括以下步骤：
形成具有进口端部、下游端部和位于该进口端部和下游端部之间的多个开口的管；
将所述管安装在所述进口集管内，使得该管在所述进口集管的长度上延伸，以允许制冷剂在流入所述多个平行小通道之前，流入所述进口端部、穿过所述管、再从所述多个开口流出进入到所述进口集管中；
在所述管中设置沿所述管的长度延伸的插入件，所述插入件的横截面积随着该插入件延伸离开所述进口端部而增大，并且所述插入件与所述管限定环形腔，该环形腔的横截面积随着该插入件延伸离开所述进口端部而减小。
8.根据权利要求7所述的平行流换热器，其特征在于：所述插入件与所述管同心。
9.根据权利要求7所述的平行流换热器，其特征在于：所述管具有圆形横截面。
10.根据权利要求7所述的平行流换热器，其特征在于：所述插入件为锥形棒。
11.根据权利要求7所述的平行流换热器，其特征在于：所述多个开口形成在所述管的任一侧上。
12.根据权利要求11所述的平行流换热器，其特征在于：所述多个开口对齐成使它们的轴线垂直于所述多个平行小通道的轴线。
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