CN101600932A - 改善冷凝水排出的多通道热交换器 - Google Patents
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Abstract
热交换器包括大致竖直的第一集管和大致竖直的第二集管，和在该第一和第二集管之间沿水平方向延伸的多个大致扁平换热管的大致竖排。每个换热管具有从其入口端纵向平行延伸到其出口端的多个通道，每个通道限定离散的制冷剂流路。多个翅片在平行排布的管之间延伸。为便于扁平换热管外表面上聚集的冷凝水的排放，管相对于水平线以较小角度对齐，使得每个管的后缘在位置上低于每个管的前缘。
Description
技术领域
[0001]本发明总的涉及制冷剂蒸汽压缩系统换热器，该换热器具有延伸在第一集管和第二集管之间的多个平行扁平管，并具有设置在这些管之间翅片，更具体地涉及提供收集在扁平管和翅片外表面上的冷凝水排出的改善。
背景技术
[0002]现有技术中制冷剂蒸汽压缩系统已是公知的。使用制冷剂蒸汽压缩循环的空调和热泵一般用于冷却或冷却/加热供应给气候受控舒适区域的空气，这些区域位于住宅，办公楼，医院，学校，饭店或其它场所。制冷剂蒸汽压缩系统通常也用来冷却空气，或其它二次介质例如水或乙二醇溶液，以为展示柜中的食物和饮料产品、超市中的瓶装冷却器或其它类似的设备，方便店，食品杂货店，自助餐厅，咖啡店，饭店及其他饮食服务机构提供冷藏环境。
[0003]通常，该制冷剂蒸汽压缩系统包括串联成制冷剂流连通的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。上述基本的制冷剂蒸汽压缩系统部件在闭合制冷剂回路中通过制冷剂管相互连接，这些部件布置成与所使用的蒸汽压缩循环一致。膨胀装置，通常为膨胀阀或固定孔计量装置(如节流孔或毛细管)，相对于制冷剂流，在制冷剂回路中设置在位于蒸发器上游和冷凝器下游的位置处。该膨胀装置操作将通过制冷剂管的液体制冷剂膨胀到到较低的压力和温度，该制冷剂管将冷凝器连接至蒸发器。该制冷剂蒸汽压缩系统可以使用多种制冷剂，例如包括R-12，R-22，R-134a，R-404A，R-410A，R-407C，R717，R744或其它可压缩流体。
[0004]在一些制冷剂蒸汽压缩系统中，蒸发器为平行管热交换器，其具有成平行间隔关系在大致竖向延伸的第一集管或歧管和大致竖向延伸的第二集管或歧管之间纵向延伸的多个管，第一集管或歧管和第二集管或歧管中的一个作为进口集管/歧管。该进口集管接收来自制冷剂回路的制冷剂流，在通过该热交换器的多根平行流路当中分配制冷剂流。另一个集管用于收集离开各个流路的制冷剂流，并引导收集的流体回至制冷剂管，在单流路热交换器中用于返回到压缩机，或在多流路热交换器中用于返回至平行换热管的下游储液器。在后一种情况下，该集管是中间歧管或歧管腔，用作至平行传热管的相邻下游储液器的进口集管。
[0005]历史上，用于制冷剂蒸汽压缩系统的这种平行管换热器使用圆管，通常直径为1/2英寸，3/8英寸或7毫米。更近一点地，在制冷剂蒸汽压缩系统的换热器中使用扁平的、通常为矩形或椭圆形截面的多通道管。每个多通道管通常具有多个流通道，这些流通道成平行关系地纵向延伸管的整个长度，每个通道提供相对小的流路面积的制冷剂流路。因此，拥有在热交换器的入口和出口集管之间以平行关系延伸的多通道管的热交换器，在两个集管之间具有相当大数目的小流路面积制冷剂流路。有时，这种多通道热交换器结构也被称为微通道或小型通道换热器。
[0006]通常，翅片设置在传热管之间用于增强传热、结构刚度和热交换器设计的紧凑。在熔炉钎焊操作中，传热管和翅片永久地相互附接(以及连接至集管)。翅片可以是扁平、波纹、褶皱或百叶窗设计，并且典型地形成三角形的、矩形的、条缝或梯形的空气流通道。
[0007]当热交换器在制冷剂蒸汽压缩系统中用作蒸发器时，流过该蒸发器并从制冷剂输送管路的外表面以及该热交换器的关联翅片上经过的空气中的湿气，从该空气中冷凝出来并且聚集在这些管和翅片的外表面上。一般而言，由于圆管的圆柱形外表面和竖直延伸的平板翅片，冷凝水在本质上能很好从具有圆形传热管和平板翅片的制冷剂蒸汽压缩系统蒸发器上排掉。对于具有布置成竖向并在一对水平放置地集管之间延伸的扁平管和蛇形翅片的蒸发器换热器(例如，美国专利5,826,649中公开的热泵蒸发器/冷凝器热交换器)，冷凝水沉积在传热管和关联的换热翅片上，在重力作用下沿竖向延伸的管向下排出。该排出的冷凝水一般收集在热交换器下方的接水盘中。
[0008]美国专利No.5,279,360公开了一种蒸发器热交换器，其具有一排成间隔关系的扁平截面的平行换热管，和设置在相邻的换热管相对平面之间的的V型翅片。每个换热管被弯成V型，设置在一竖直面内，其输入端流体连通地与第一水平延伸集管连接，其输出端流体连通地与第二水平延伸集管连接。该V型弯头换热管的顶部在低于集管的高度上对齐，冷凝水盘设置在其下部。集中在该扁平换热管和该翅片之间的冷凝水，沿该扁平换热管相应的翅片自由边缘表面流下至该冷凝水盘。
[0009]然而，在现有技术中，换热器具有水平布置的扁平截面管，这些在一对间隔开且通常为竖直方向的集管之间，沿水平方向纵向地延伸。由于该管扁平的外表面水平布置，集中在该管上侧的冷凝水不能从该处排出。如果集中在该换热器管的外表面的冷凝水过多，对该制冷剂蒸汽压缩系统的总性能将有不利影响。例如，过多的冷凝水保留在该换热管的外表面上可能导致通过蒸发器的空气侧压降增加，其导致风扇耗能增加，降低通过该传热管的传热。同时，集中在该蒸发器换热管的外表面上的冷凝水将被不希望地夹带回流过该蒸发器和横向通过该扁平管的空气中。更进一步地，在一定条件下，过多的冷凝水残留加快了霜的积累，不希望地需要更频繁的除霜循环。
发明内容
[0010]提供一种热交换器，其具有在一对间隔集管之间纵向延伸的扁平换热管，收集在这些管的扁平表面上并来自从这些管上流过的空气的冷凝水从该扁平传热管的外扁平面自然地流下。
[0011]该热交换器包括间隔布置的且通常竖直纵向延伸的第一和第二集管，和至少一个具有大致扁平截面的换热管，该换热管限定至少一个沿换热管纵轴线延伸的流体流路。该扁平换热管纵向地在该第一和第二集管之间水平延伸，并且具有至流体流路的入口，和至流体流路的出口，该入口流体连通地通向第一集管，该出口流体连通地通向第二集管。该扁平换热管具有从其前缘延伸至其后缘的横轴，前缘相对于气流设置在该后缘的上游。该扁平换热管的横轴设置为与水平方向成锐角，优选地设置为该前缘在竖向上高于该后缘。在一个实施例中，该扁平换热管的横轴设置为与水平面的锐角范围为大约5度至大约10度。
[0012]在一个实施例中，该热交换器包括多根平行间隔设置的扁平换热管，这些扁平换热管成竖排。另外，该热交换器可以包括延伸在平行管排的相邻管之间的多个传热翅片。在一个实施例中，该多个翅片从该平行管排的相邻管的前缘尾部位置延伸至该管排的相邻管的后缘的前部位置。在一实施例中，该多个翅片从该平行管排的相邻管的前缘尾部位置延伸至该管排的相邻管的后缘的尾部位置，而且这些翅片的每一个在该管排的相邻管的后缘尾部延伸的部分，可以包括突起部，该突起部在平行管的管后缘之后延伸，该管后缘处于该翅片下方并与该翅片相邻。在一个实施例中，该多个翅片可以包括多个大致竖直板状翅片，延伸在所述平行管排的相邻管之间。可选择的，褶皱蛇形翅片可以设置在该管之间。该翅片可以是平板、波纹、条缝或百叶窗设计，并且形成三角形的、矩形的、或梯形的气流通道。
[0013]在该热交换器的一个实施例中，每个扁平换热管限定平行其纵轴延伸的多个平行流体流路，且该多个平行流体流路的每一个流体流路具有至流体流路的入口和至流体流路的出口，该入口流体连通地通向第一集管，该出口流体连通地通向。在每个换热管内限定流路的该多个通道可以是圆形、椭圆形、矩形、三角形或梯形截面。在一个实施例中，这些流体流路的每一个可以包括制冷剂流路。
附图说明
[0014]在下面的对发明的详细说明中，可以参照相关附图。其中：
[0015]图1是包括用作蒸发器的热交换器的制冷剂蒸汽压缩系统示意图；
[0016]图2是根据本发明的蒸发器热交换器的示例性实施例的透视图；
[0017]图3是沿图2中3-3线的部分截面图；
[0018]图4是根据本发明的蒸发器热交换器的另一个示例性实施例的部分截面图；和
[0019]图5是根据本发明的蒸发器热交换器的替代性的示例性实施例的部分截面图；
具体实施方式
[0020]将要描述的本发明的热交换器用作与简单化的空调循环制冷剂蒸汽压缩系统100相连的蒸发器，如附图1所示。虽然附图1中示出的典型的制冷剂蒸汽压缩循环为简单化空调循环，但是可以理解的是，本发明的热交换器可以用于不同设计的制冷剂蒸汽压缩系统中，包括但不限于：热泵循环，经济化循环、具有换热器和串轴部件如压缩机的循环、冷却器循环、具有再热的循环、以及具有不同选择和特征的其它循环。
[0021]该制冷剂蒸汽压缩系统100包括压缩机105，冷凝器110，膨胀装置120，和用作蒸发器的热交换器10，这些部件通过制冷剂管路102，104和106连接成闭合制冷剂回路。该压缩机105使热的、高压制冷剂蒸气循环通过排气制冷剂输出管路102进入冷凝器110的进口集管，且由此再通过该冷凝器110的换热器管，在换热器管中热的制冷剂蒸气在与冷却流体(如环境空气)进行热交换时从过热被降温，凝结成液体，并且通常被过冷，冷却流体由冷凝器风扇115吹过换热管。
[0022]高压、液体制冷剂离开该冷凝器110，并由此穿过液体制冷剂管路104至蒸发器热交换器10，其中经过膨胀装置120，在膨胀装置120中制冷剂被膨胀为低压低温的制冷剂液/气混合物。现在低压和低温的膨胀制冷剂由此穿过该蒸发器热交换器10的换热器管40，当制冷剂在换热器管中与要被冷却(在很多情况下被除湿)的空气热交换时，制冷剂被蒸发且通常过热，所述空气通过蒸发器风扇15从该换热管40和与之相连的传热翅片50上经过。该制冷剂(主要处在蒸气热力学状态中)，聚集在蒸发器热交换器10的出口集管30中，并由此出口集管流过吸气制冷剂管路106，通过压缩机的吸气口返回至压缩机105。当横过蒸发器热交换器10的空气流从换热管40和传热翅片50上经过与流过换热管40的制冷剂换热时，该空气被冷却，而流过蒸发器热交换器10并从该蒸发器热交换器10的制冷剂传输管40的外表面以及传热翅片50上经过的空气中的水份被从空气中冷凝出来，并聚集在该管和翅片的外表面。接水盘45设置在蒸发器热交换器10的下面，用于收集从管40和翅片50外表面流下的冷凝水。
[0023J这里将参照附图2-4所描绘的热交换器10的图示实施例从总体上描述平行流换热器10。该热交换器10包括布置成大致竖排的多个换热管40，每个换热管在在大致竖直延伸的第一集管20和大致竖直延伸的第二集管30之间沿其纵轴线在水平方向延伸，从而在该两个集管之间提供多个制冷剂流路。虽然该制冷剂集管20和30显示为圆柱形结构，但也可以为矩形，半圆柱形，或其它形状，以及具有单个腔或多个腔的设计，这取决于该制冷剂流路布置。每个换热管40具有安装至第一集管20的第一端部，安装至第二集管30的第二端部，和纵向延伸(即沿着该管的大致水平布置的纵轴线，管的整个长度)的多个平行流通道42，由此这多个个体流通道42的每一个提供了在第一集管和第二集管之间成制冷剂流连通的流路。内部制冷剂通道布置可以是单通道结构或多通道结构，这取决于特定的应用要求。
[0024]另外，每个多通道换热管40具有大致扁平的截面，例如，矩形截面或椭圆形截面，该截面限定内部，该内部可被分割形成并排排列的独立流通道42。每个扁平多通道管40可以具有宽度和高度，沿着前缘44至后缘46的横轴测量，该宽度例如是五十毫米或更少，通常是十到三十毫米，高度是大约两毫米或更小，这是与现有技术的圆管的直径1/2英寸，3/8英寸或7毫米相比。为了使说明清楚简单，附图中所示的管40具有限定了圆截面的流路的十个通道42。然而，要理解的是，在应用中每个多通道管40通常可以具有大约十个到大约二十个的流通道42。通常，每个流通道42具有的水力直径定义为4倍流动截面积除以“湿”周长，范围通常是从大约200微米至大约3毫米。虽然附图中描述为圆形截面，但是该通道42可以具有矩形，三角形，椭圆形或梯形截面，或其它任何需要的非圆形截面。同时，换热管40可以具有其它内部传热增强部件，如混合器和边界层破坏器。
[0025J在常规实践中，为了提高从换热管40的外表面上流过热交换器10的空气流和从这些换热管40的平行流通道42中流过的制冷剂之间的换热，热交换器10包括在平行排列管40的每一组之间延伸的多个外部换热翅片50。该翅片被钎焊或者以其它可靠的方式附接至邻接管40的外表面，以通过热传导在翅片50和扁平传热管40的外表面之间建立传热接触。因此，传热管40的外表面和该翅片50的表面一起形成外部传热表面，该外部传热表面参加与流过热交换器10的空气流的传热相互作用。外部传热翅片50也为热交换器10提供结构刚度，且辅助气流改变方向以提高传热性能。在附图2所描述的热交换器10的示例性实施例中，翅片50构成布置成平行间隔关系的多个板，这些板在传热管40之间大致垂直地延伸。然而，要理解的是，可以使用其它翅片结构，例如，形成三角形、矩形或梯形空气流通道的大致褶皱蛇形波状、条缝或百叶窗翅片，，代替本发明的蒸发器热交换器中的大致竖直翅片。
[0026]为便于聚集的冷凝水从扁平换热管40的外表面排出，换热管40以其横轴相对于水平面以较小角度对齐，使得每个管40的后缘46位置低于每个管40的前缘44。前缘44是换热管40的设置在热交换器10的空气流入口侧的边缘，该后缘46是换热管40的设置在热交换器10的空气流出口侧的边缘。热交换器10的水平延伸管40的大致竖向排中的每一个管40的后缘46位置低于前缘44，在重力影响下和空气流力辅助作用下，聚集在管40的外部大致扁平表面上的冷凝水横向地沿着每个管40的宽度，在穿过这些管的大致扁平表平面的气流方向上流至这些管40的相应后缘46，并排入到接水盘45中。沉积在每一个翅片50的表面上的冷凝水将向下排到该翅片下端下方的管40的上部外表面上，并同样地流向该管的后缘并从后缘排入接水盘45。因此，相对于该蒸发器热交换器10，重力和通过换热管40外表面的气流用于方便排出沉积在管40外表面上的冷凝水。在一个实施例中，扁平换热管40的横轴设置成与水平面成锐角，该锐角范围为大约5度至大约10度，便于冷凝水排出，而不损害气流分布。
[0027]如附图4和5所描述的蒸发器热交换器10的示例性实施例中，该翅片50的后缘56延伸超过该相应的换热管40的后缘46。在这些实施例中，冷凝水可以简单地从每个换热管40的后缘46排出以滴入接水盘45，或该冷凝水可以沿着延伸超过换热管40的后缘46的后缘56部分的下表面部分流动，以滴入该接水盘45。在如附图5所示的示例性实施例中，每个翅片50的后缘56包括下延伸部58，下延伸部58在换热管40的后缘46的后面向下延伸至下方相邻的翅片50，这里的后缘46在该下延伸部58所属的那一个翅片的下方。在这个实施例中，该下延伸部58通过提供向下延伸的表面进一步方便了冷凝水的排出，冷凝水沿该向下延伸的表面流至下方相邻的翅片，最后从最下面翅片50的延伸部58流入冷凝水接水盘45中。另外，可以设置从下延伸部向外延伸的突起59，该突起位于下方相邻管40的后缘46下面，以提供引导冷凝水从那个管40的后缘46排出的表面。
[0028]虽然已经通过图和参考图中的优选实施例对本发明进行了具体的显示和详细的描述，但是本领域技术人员可以理解到，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围下，可以对本发明进行各种细节上的改变。
Claims (28)
1.一种用于冷却通过其中的空气流的热交换器，包括：
间隔分开的且大致竖直纵向地延伸的第一和第二集管；以及
至少一个换热管，该换热管具有扁平截面且限定至少一个沿其纵轴线延伸的流体流路，所述至少一个扁平换热管在所述第一和第二集管之间沿水平方向纵向延伸，所述至少一个扁平换热管具有至所述流体流路的入口和至所述流体流路的出口，所述入口流体连通地通向所述第一集管，所述出口流体连通地通向所述第二集管，所述至少一个扁平换热管具有从所述至少一个扁平换热管的前缘延伸至所述至少一个扁平换热管的后缘的横轴，所述前缘相对于气流设置在所述后缘的上游，所述至少一个扁平换热管的横轴设置成与水平方向呈锐角，所述前缘设置为在竖向上高于所述后缘。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管包括多个成大致竖向排、平行间隔的扁平换热管。
3.如权利要求2所述的热交换器，其特征在于：进一步包括在所述平行管排的相邻管之间延伸的多个翅片。
4.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片从所述平行管排的相邻管的前缘的尾部位置延伸至所述管排的相邻管的后缘的前部位置。
5.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片从所述平行管排的相邻管的前缘的尾部位置延伸至所述管排的相邻管的后缘的尾部位置。
6.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片的每一个在所述管排的相邻管的后缘尾部延伸的部分，包括突起部，其在所述平行管排的管后缘后面延伸，位于所述翅片的下面。
7.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片包括多个大致竖直板状翅片，它们在所述平行管排的相邻管之间延伸。
8.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片包括蛇形波纹状翅片，它们在所述平行管排的相邻管之间延伸。
9.如权利要求8所述的热交换器，其特征在于：在所述平行管排的相邻管之间延伸的所述蛇形波纹状翅片，形成大致为三角形的、矩形的或梯形的气流通道中的一种。
10.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片为百叶窗型、波纹型、开缝型或平板型结构中的至少一种。
11.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管的横轴设置为与水平方向的锐角范围为大约5度至大约10度。
12.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管包括多个成大致竖向排的平行间隔的扁平换热管。
13.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于：进一步包括在平行管排的相邻管之间延伸的多个翅片。
14.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片从所述平行管排的相邻管的前缘的尾部位置延伸至所述管排的相邻管的后缘的前部位置。
15.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片从所述平行管排的相邻管的前缘的尾部位置延伸至所述管排的相邻管的后缘的尾部位置。
16.如权利要求15所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片的每一个在所述管排的相邻管的后缘后面延伸的部分，包括突起部，该突起部在所述平行管排的管后缘之后延伸，该管后缘位于所述翅片的下方并与该翅片相邻。
17.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片包括多个大致竖直板状翅片，这些翅片在所述平行管排的相邻管之间延伸。
18.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片包括蛇形波纹状翅片，这些翅片在所述平行管排的相邻管之间延伸。
19.如权利要求18所述的热交换器，其特征在于：在所述平行管排的相邻管之间延伸的所述蛇形波纹状翅片，形成大致为三角形的、矩形的或梯形的气流通道中的一种。
20.如权利要求13所述的热交换器，其特征在于：所述多个翅片为百叶窗型、波纹型、开缝型或平板型结构中的至少一种。
21.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管限定至少一个沿其纵轴线延伸的制冷剂流路。
22.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管限定平行其纵轴线延伸的多个平行制冷剂流路，所述多个平行制冷剂流路的每一个制冷剂流路都具有至所述制冷剂流路的入口和至所述制冷剂流路的出口，所述入口流体连通地通向所述第一集管，所述出口流体连通地通向所述第二集管。
23.如权利要求22所述的热交换器，其特征在于：所述多个平行流体流路形成矩形的、三角形的、梯形的、圆形的或椭圆形的通道中的至少一种，制冷剂从这些通道中流过。
24.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管具有内部传热增强部件。
25.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述至少一个扁平换热管具有矩形或椭圆形截面之一。
26.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述热交换器是制冷剂系统蒸发器。
27.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述热交换器具有单通道结构。
28.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述热交换器具有多通道结构。
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