CN112789473A - 涡旋增强热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种管和翅片热交换器包括：多个热交换管，其构造成使制冷剂穿过其流动；多个翅片，其定位成使得多个热交换管穿过多个翅片中的多个管开口；以及从多个翅片的翅片表面延伸的多个涡旋发生器。多个涡旋发生器布置成在热交换管处限定喷嘴状通道。

Description

涡旋增强热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求受益于2019年9月5日提交的编号为No. 62/896,131的美国申请，该申请通过引用以其全部被并入在本文中。
技术领域
示例性实施例关于加热、通风、空调和制冷(HVAC＆R)系统的领域。更具体地，本公开涉及用于HVAC＆R系统的管和翅片热交换器(或称为管翅片式热交换器，即tube and finheat exchangers)的构造。
背景技术
当前，许多HVAC＆R系统在其蒸发器区段中利用圆管板翅片(RTPF)热交换器。由于结霜和其它设计考虑，这些热交换器通常利用初步的翅片设计，而没有增强以改进热能交换性能和效率，并且因此需要较大的翅片表面积以满足性能要求。
通常，这样的蒸发器需要较大的流动深度以管理出口空气温度，并且明显较大、过度沉重并且较高成本。在结霜条件下由于阻塞，要求表面中断的大多数常见翅片增强策略诸如切口(lances)和百叶窗几何结构变得无效。
发明内容
在一个实施例中，管和翅片热交换器包括多个热交换管，其构造成使制冷剂穿过其流动；多个翅片，其定位成使得多个热交换管穿过多个翅片中的多个管开口；以及从多个翅片的翅片表面延伸的多个涡旋发生器。多个涡旋发生器布置成在热交换管处限定喷嘴状通道。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，多个涡旋发生器中的一个或多个涡旋发生器在形状上是三角形或矩形中的一个。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，多个涡旋发生器相对于穿过热交换器的空气流的大体方向以非零攻角(或迎角，即angle of attack)定位。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，攻角在5度和70度之间。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，从翅片表面起的涡旋发生器高度与多个翅片中的相邻翅片之间的跨度的比在0.01与1之间。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器具有流向长度与从翅片表面起的高度的大于1的纵横比(aspect ratio)。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器的最上游端在多个热交换管中的相关管的上游。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，多个热交换管以多个流向延伸的排布置。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器定位在每个流向延伸的排的交替的热交换管处。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器仅定位在多个流向延伸的排中的流向延伸的排的最上游的热交换管处。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，热交换器是蒸发器。
在另一个实施例中，加热、通风、空调和制冷(HVAC＆R)系统包括压缩机；冷凝器，其流体地连接到压缩机；和蒸发器，其流体地连接到压缩机和冷凝器。蒸发器或冷凝器中的一个或多个被构造为管和翅片热交换器并且包括：多个热交换管，其构造用于使制冷剂穿过其流动；多个翅片，其位于使得多个热交换管穿过多个翅片中的多个管开口；和从多个翅片的翅片表面延伸的多个涡旋发生器。多个涡旋发生器布置成在热交换管处限定喷嘴状通道。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，多个涡旋发生器中的一个或多个涡旋发生器在形状上是三角形或矩形中的一个。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，多个涡旋发生器相对于穿过管和翅片热交换器的空气流的大体方向以非零攻角定位。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，攻角在5度和70度之间。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，从翅片表面起的涡旋发生器高度与多个翅片中的相邻翅片之间的跨度的比在0.01与1之间。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器具有流向长度与从翅片表面起的高度的大于1的纵横比。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器的最上游端在多个热交换管中的相关管的上游。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，多个热交换管以多个流向延伸的排布置。
附加地或备选地，在该实施例或其它实施例中，涡旋发生器位于每个流向延伸的排的交替的热交换管处。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式地限制性的。参考附图，相似的元件被相似地编号：
图1是蒸汽压缩循环的实施例的示意图；
图2是圆管板翅片热交换器的实施例的示意图；
图3是管和翅片装置的透视图；
图4A- 4D示出了示例性的涡旋发生器的形状;
图5是涡旋发生器的实施例的平面图；
图6是涡旋发生器的实施例的侧视图；
图7是另一种管和翅片装置的透视图；
图8是涡旋发生器装置的实施例的平面图；
图9是涡旋发生器装置的另一实施例的平面图；和
图10是涡旋发生器装置的又另一个实施例的平面图。
具体实施方式
本文参照附图通过例证和非限制的方式给出了所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述。
现在参考图1，示意性地示出了加热、通风、空调和制冷(HVAC＆R)系统的蒸汽压缩制冷剂循环20。示例性的HVAC＆R系统包括但不限于例如分体式、包装式、冷却器(chiller)、屋顶、超市和运输HVAC＆R系统。制冷剂R被构造为通过蒸汽压缩循环20循环，以使得制冷剂R在较低的温度和压力下蒸发时吸收热量，并在较高的温度和压力下冷凝时释放热量。
在该蒸汽压缩制冷剂循环20内，制冷剂沿如由箭头所示的逆时针方向流动。压缩机22从蒸发器24接收制冷剂蒸汽，并将其压缩至较高的温度和压力，其中然后使相对热的蒸汽传递到冷凝器26，在冷凝器26中通过与冷却介质(未示出)诸如空气的热交换关系被冷却并冷凝成液态。液体制冷剂R然后从冷凝器26传递到膨胀装置28，其中，制冷剂R在传递到蒸发器24时被膨胀至低温两相液体/蒸汽状态。在蒸发器24处，流动或相对温暖的返回空气30被例如通过蒸发器风扇32推动穿过蒸发器24。返回空气30经由与流动通过蒸发器24的制冷剂R的热能交换而被冷却，并作为供给空气36流动到调节空间34，诸如房间或被制冷的容器。低压制冷剂蒸汽然后返回到压缩机22，在此重复循环。
现在参考图2，更详细地示出了构造成用于蒸汽压缩循环20中的蒸发器24的一个示例。尽管本公开利用蒸发器24作为本文描述的基础，但是本领域的技术人员将意识到，本公开也可以应用于冷凝器26或其它系统中的其它热交换器。该示例性的蒸发器24是圆管板翅片热交换器并且包括多个热交换管42。多个热交换管42延伸穿过位于第一歧管38和第二歧管40之间的多个翅片46中的管开口44(在图3中最佳地示出)。在一些实施例中，多个翅片46中的每个翅片被定位成正交于多个热交换管42。另外，在诸如图2中所示的一些实施例中，多个热交换管42以多通构造的方式布置，多于一次地通过多个翅片46。将意识到，图2的实施例仅是示例性的，并且其它热交换器构造在本公开的范围内。
现在参考图3，示出了翅片46构造的示例。以多个流向的排布置的多个热交换管42穿过翅片开口44。一个或多个涡旋发生器48从翅片表面50延伸并且定向成在涡旋发生器48和热交换管42之间形成喷嘴状通道52。在一些实施例中，涡旋发生器48从翅片表面50正交地延伸。涡旋发生器48相对于热交换管42的位置引起引导穿过蒸发器24的返回空气30沿着通道52加速，导致相对于空气流30的方向在热交换管42下游的管尾流区域(tube wakeregion)54中的延迟的流分离。沿着通道52的加速的流还引起以更高速度撞击在下游的热交换管42管上，导致换热管42表面上的增强的对流传热。涡旋发生器48产生流向纵向的涡旋，其改变了热交换管42处的边界层，从而增加了空气侧的传热系数。此外，涡旋引起返回空气流30的增强混合，并促进霜在蒸发器24表面上的更均匀分布。
参考图4A-4D，示出了涡旋发生器48的示例形状。在图4A中，示出了三角翼形涡旋发生器48，而在图4B中示出了矩形翼形涡旋发生器48。在图4A和图4B的构造中，涡旋发生器48在涡旋发生器48的上游端56处从翅片46突出，而涡旋发生器48的下游端58固定至翅片46。在图4C和图4D中分别示出的是三角小翼涡旋发生器48和矩形小翼涡旋发生器48。在图4C和4D的构造中，涡旋发生器48的第一横向侧(或侧边，即lateral side)60固定到翅片46，而涡旋发生器48的第二横向侧62从翅片表面50突出。涡旋发生器48可以是例如通过翅片46的冲压操作而形成，或者备选地可以通过钎焊或粘合剂施加等被紧固至翅片46。
图5中所示的是在热交换管42处的示例性涡旋发生器48布置的俯视图。涡旋发生器48布置成带有非零的攻角64，该攻角64是涡旋发生器48相对于返回空气流30的流动方向的角度。在一些实施例中，攻角64在5度和70度之间。攻角64在涡旋发生器48和热交换管42之间产生喷嘴状通道52。尽管在一些实施例中攻角64对于蒸发器24的涡旋发生器48中的所有涡旋发生器可以相等，但在其它实施例中攻角64可取决于蒸发器24的特性而变化。
现在参考图6的侧视图，相邻的翅片46由翅片跨度66隔开，该跨度在一些实施例中是在1毫米和12.7毫米之间。此外，涡旋发生器48具有涡旋发生器高度68，并且在一些实施例中，涡旋发生器高度68与翅片跨度66的比是在0.01与1之间。涡旋发生器48还具有流向长度70，使得流向长度70与涡旋发生器高度68的纵横比大于1。
再次参考图3，在一些实施例中，涡旋发生器48的上游端56位于热交换管42的上游。在其它实施例中，可以利用其它布置。例如，在图7的实施例中，上游端56位于热交换管42的下游。然而，将意识到，这些布置仅仅是示例性的。
图3和7的实施例示出了在每个热交换管42处具有两个涡旋发生器48的构造，从而在每个热交换管42处限定了喷嘴状通道52。在其它实施例中，如图8-10中所示，利用其它这样的布置。例如，在图8的实施例中，涡旋发生器48仅位于热交换管42的流向的排的最上游的热交换管42处。如图9中所示，在另一实施例中，成对的涡旋发生器48如此位于，使得具有涡旋发生器48的热交换管42与未伴随以涡旋发生器48的热交换管42沿着流向的排交替。在图10中示出了另一种构造，在此每个热交换管48都伴随有单个涡旋发生器48，其中涡旋发生器48的方位沿着流向的排交替分布在热交换管42的横向侧。
本公开的构造改进了蒸发器24的热能性能，特别是在结霜构造中。性能改进包括以容易且成本有效地制造的构造的低压降损失。附加地，对于与没有涡旋发生器48的热交换器相同的性能，热交换器的整体尺寸可以被减小。
术语“大约”旨在包括与基于在提交申请时可用的装备的特定数量的测量相关的误差程度。
本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外清楚指出，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时规定了存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件部件和/或其组合。
尽管已经参照一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是由本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种更改并且可以用等同物代替其元件。附加地，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于作为预期用于实施本公开的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种管和翅片热交换器，其包括：
多个热交换管，其构造成使制冷剂穿过其流动；
多个翅片，其设置成使得所述多个热交换管穿过所述多个翅片中的多个管开口；以及
从所述多个翅片的翅片表面延伸的多个涡旋发生器，所述多个涡旋发生器布置成在所述热交换管处限定喷嘴状通道。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述多个涡旋发生器中的一个或多个涡旋发生器在形状上是三角形或矩形中的一个。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述多个涡旋发生器相对于穿过所述热交换器的空气流的大体方向以非零攻角设置。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述攻角在5度和70度之间。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，从所述翅片表面起的涡旋发生器高度与所述多个翅片中的相邻翅片之间的跨度的比在0.01与1之间。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述涡旋发生器具有流向长度与从所述翅片表面起的高度的大于1的纵横比。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述涡旋发生器的最上游端在所述多个热交换管中的相关管的上游。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述多个热交换管以多个流向延伸的排布置。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，涡旋发生器设置在每个流向延伸的排的交替的热交换管处。
10.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述涡旋发生器仅设置在所述多个流向延伸的排中的流向延伸的排的最上游的热交换管处。
11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器是蒸发器。
12.一种加热、通风、空调和制冷(HVAC＆R)系统，其包括：
压缩机；
冷凝器，其流体地连接到所述压缩机；和
蒸发器，其流体地连接到所述压缩机和所述冷凝器；
其特征在于，所述蒸发器或所述冷凝器中的一个或多个被构造为管和翅片热交换器，包括：
多个热交换管，其构造用于使制冷剂穿过其流动；
多个翅片，其设置成使得所述多个热交换管穿过所述多个翅片中的多个管开口；和
从所述多个翅片的翅片表面延伸的多个涡旋发生器，所述多个涡旋发生器布置成在所述热交换管处限定喷嘴状通道。
13.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，所述多个涡旋发生器中的一个或多个涡旋发生器在形状上是三角形或矩形中的一个。
14.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，所述多个涡旋发生器相对于穿过所述管和翅片热交换器的空气流的大体方向以非零攻角设置。
15.根据权利要求14所述的HVAC＆R系统，其特征在于，所述攻角在5度和70度之间。
16.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，从所述翅片表面起的涡旋发生器高度与所述多个翅片中的相邻翅片之间的跨度的比在0.01与1之间。
17.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，所述涡旋发生器具有流向长度与从所述翅片表面起的高度的大于1的纵横比。
18.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，所述涡旋发生器的最上游端在所述多个热交换管中的相关管的上游。
19.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，所述多个热交换管以多个流向延伸的排布置。
20.根据权利要求12所述的HVAC＆R系统，其特征在于，涡旋发生器设置在每个流向延伸的排的交替的热交换管处。
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