CN1225166A - 蒸发器冷却剂分配器 - Google Patents

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Abstract

一种用于壳(24)和管(60,62,64)式蒸发器(28)的致冷剂分配器(54a),包含一逐渐减小的截面积,在工作中,它将致冷剂均匀地分配在蒸发器壳体(24)内的管束(58)中,并且使分配器(54a)和蒸发器(28)之间的压力降小。

Description

蒸发器冷却剂分配器
本发明的背景
本发明涉及一壳管式热交换器，更具体地说，涉及一种用于流体冷却器或类似装置的蒸发器的致冷剂分配器。
长期以来，壳管式热交换一直用于流体冷却器中，并且其技术也发展到了一定的高度。这种热交换器包括一壳体，其内有一管束。
某些壳管式热交换器适合用作冷却器系统的蒸发器。这种蒸发器通过使用换热介质从一需要冷却的热载荷处向致冷剂传递热量。最后，致冷剂将它在蒸发器中吸收的热量发射到一冷源上。有一种壳管式蒸发器称为溢流蒸发器，其中，一管束基本浸没在流体致冷剂中，而换热介质在管束内流动。
举例来说，如图1所示，换热回路22的管路97，其内流有换热流体，如水，包括换热管20，后者位于蒸发器28的壳体24内。管20与一需要冷却的空间或热载荷26流体连通。
同时，一致冷剂，如工业上称为R-11、R-12、R-13或R-134a等，在冷却器致冷剂回路30内流动。回路30包括蒸发器壳体24的内部，而管20置于后者之中。
在工作过程中，致冷剂从蒸发器28流至压缩机32，然后流过冷凝器34。致冷剂然后流回至蒸发器28的壳体24内而完成回路30。冷凝器是为了使回路30中流动的致冷剂与冷源36如空气和水交换热量，致冷剂的热量可以散射到冷源上。从系统角度看，热传递回路22与冷却器致冷剂回路30合作，从热载荷26向冷源36传递热量从而冷却热载荷。冷却器是用以完成热传递的工具。
更具体地说，回路22中的换热流体经过直接与热载荷进行热交换的热传递表面27相接触而被加热，并从热载荷26带走热量。被加热的换热流体流到蒸发器28内的管20中。管20从传热流体向围绕在蒸发器壳体24内的管20周围的温度相对低的致冷剂传递热量。通过这样的热传递使管20之外的致冷剂蒸发，从而使管20内的换热流体冷却。温度变低的换热流体然后返回至热载荷，在这里它被重新用来从热载荷传递另外的热量。
通过在蒸发器28内发生的换热过程产生的致冷剂蒸气以相对低的压力从蒸发器壳体24流到压缩机32。通过压缩机32中进行的压缩过程，致冷剂蒸气的浓度增大而温度大为升高。致冷剂从压缩机排到冷凝器34中。
冷凝器34把从压缩机32送来的温度相对高的致冷剂蒸气向温度相对低的冷源36如常温空气、大地或水源传递热量。流过冷凝器中的致冷剂将热量传递给该冷源而冷却致冷剂，并使蒸气冷凝成液态。致冷剂然后从冷凝器流至膨胀装置38而进一步降低其温度和压力。致冷剂然后再流回到蒸发器28的壳体24中，供循环使用。
有些冷却器包括一节约器40。如果采用一节约器，它将置于膨胀装置38的上游但位于一第二或另外膨胀装置99的下游。在这种系统中，另外的膨胀装置通常置于连接冷凝器出口42和节约器壳体的管路98中，而膨胀装置38将放在蒸发器28的入口44处。节约器本身包括：一入口46，与膨胀装置99连接；一流体出口48，与膨胀装置38连接；和一蒸气出口52，它联接着压缩机32的一中间压力口33。
在包含有节约器的冷却器中，压力和温度相对高的致冷剂从冷凝器34流至膨胀装置99使致冷剂的温度和压力产生一第一次下降，并使一部分致冷剂“闪蒸”成气体形式。节约器40的功能是使致冷剂在流经膨胀装置99时产生的流体和气体部分分开。
这种致冷剂的气体部分，其压力在压缩机吸气压力和排气压力之间，它被从节约器40送至压缩机33，在将其加入正在其中经受压缩的低压气体之中则提高了压缩过程的效率，因而也就提高了冷却器系统的效率。致冷剂的流体部分从节约器送至膨胀装置38，作为一两相混合物将致冷剂送至蒸发器28的内部之前在这里其压力和温度进一步降低。
关于致冷剂向蒸发器28内部的传送和管20的换热表面，需要将致冷剂均匀地分配在蒸发器管束的宽度长度方向上。因此，将一种致冷剂分配器54通常置于一蒸发器的下部，从而在蒸发器壳体内接受和分配致冷剂。
人历史上看，致冷剂分配器的截面积是恒定的，同时制造相对简单，但将其焊接和安装到蒸发器壳体内部很费工时。另外，以前的分配器依靠分配器内部和蒸发器壳体内部之间的压力差相对较大来运行。在这种分配器中为了防止致冷剂对蒸发器的管束分配不均而必需该相对大的压力差。然而，为了获得致冷剂分配某种程度的均匀而需要相对大的压力差，就会降低致冷剂在冷却器致冷剂系统中循环时的流动和控制效率。
在操作过程中，当致冷剂沿致冷剂分配器纵向流动时，一部分致冷剂被压力驱出位于分配器长度方向上的排孔。在以前的分配器中，质量流率和流速沿分配器的长度方向经常减小或无规则地波动，即使是在分配器内部和蒸发器壳体内部之间的压力差相对大时也是如此。进而导致沿这种分配器长度及其中的压力产生变化。内部分配器压力沿现有分配器长度方向上的这种变化通常会随时导致致冷剂通过不同的分配器孔中进入蒸发器壳体内部的致冷剂数量不均。因此在冷却器中循环的致冷剂量和蒸发器壳体内可用来进行热交换的表面积给定时，使用这种分配器的蒸发器的换热过程不够有效。
另外，分配器内的致冷剂质量流率和流速的这种变化和无规则性，以及以前分配器内部和其内安装有分配器的蒸发器壳体内部之间的压力差较大时，通常会导致不能切实有效地控制通过冷却器的致冷剂回路的致冷剂。
最后，许多现有分配器需要在蒸发器内制造/装配。这种制造工艺依其所涉及的劳动和时间，成本比较昂贵。
因此，需要改进冷却器蒸发器中使用的致冷剂分配器，以减小在蒸发器壳体内制造和安装的成本，从而提高对致冷剂在其中流动控制及致冷剂在其内的分配，并增加这种蒸发器和冷却器系统内热交换过程的效率。
本发明的技术方案
本发明的一个目的是提供一种用于壳管式热交换器的致冷剂分配器，其制造和安装较经济。
本发明的另一个目的是基本消除壳管式热交换器的蒸发器所用致冷剂分配器内所产生的压力降。
本发明的又一目的是使经过流体冷却器的蒸发器内致冷剂分配器的致冷剂质量速率基本恒定。
本发明的再一目的是使沿壳管式蒸发器内管束的长度方向所分配的致冷剂量更加均匀，从而，(1)提高其中的热传递效率；(2)增加使用蒸发器的冷却器系统的整个效率；和(3)提高对蒸发器和冷却器系统内致冷剂的流动控制。
本发明整体或局部上实现了所述一个或多个目的，它提供了一种致冷剂分配器，它具有一长形流动通道，后者截面以基本恒定的比率沿远离其入口方向逐渐减小。分配器上的孔最好沿分配器流动通道等距离隔开，从而沿着其内管束长度方向均匀地将致冷剂压入蒸发器内部。均匀的致冷剂分配是因为当其流经分配器时致冷剂的压力和质量速率保持基本恒定。致冷剂的压力和质量速率能保持基本恒定是因为分配器本身具有这种结构和几何形状。
附图的简要说明
图1是一典型的冷却器系统的流程图；
图2是如图1所示冷却器系统中所采用的冷却器的侧视图；
图3是图2所示冷却器的前视图，其中，壳体的一部分被打开，以更清晰地示出蒸发器管束；
图4是沿图3中4-4线的局部放大剖视图；
图5是位于图3所示蒸发器中的致冷剂分配器的局部分解透视图；
图6是沿图4中的6-6线的剖视图；
图7是一类似于图5的透视图，示出了蒸发器壳体内致冷剂分配器的位置和它与致冷剂进入蒸发器壳体的管路之间典型位置关系；
图8是沿图2中7-7线的剖视图。
优选实施例的详述
现在参考附图，具体地参考图2和图3，冷却器56包括：一蒸发器28；一压缩机32；一冷凝器34和一节约器40。如上所述，节约器40可用可不用。
另外，参考4、5和6所示，可以看出蒸发器28包括一壳体24，壳体24内有一管束58和一致冷剂分配器54a。管束5b包括多个管子如管子60、62和64，它们在蒸发器壳体24内沿纵向延伸。致冷剂分配器54a位于壳体24的下部，一般在管束58的下面，并像管束一样在其内纵向延伸，其长度与蒸发器壳体基本相同。
致冷剂分配器54a包括一入口部分66和一个或多个分支68、70，每个分支都分别延伸至各自远端72和74。在优选实施例中，采用了这样两个分支，尽管也可采用带有一单个分支的分配器且是本发明的范围。分配器54a的入口部分66的尺寸、形状决定了通过分配器54a及其分支的致冷剂的最大体积流率，和进入蒸发器壳体内致冷剂的体积流量。
每个分配器分支包括一顶部或盖部76和一底部或槽部78。在优选实施例中，盖部76包括一唇部或裙部80，它覆盖在槽部78的侧壁82。
和在优选实施例中相同，两个分配器分支68和70的每个槽部78沿其侧壁82的纵向长度方向上具有间距大致相等且尺寸相同的孔。各个孔的间距可以不均匀或者经过优化来提高致冷剂沿壳体24长度方向均匀分配，尽管尺寸和间距相同的孔从设计和降低制造成本的观点来看更好。
最好分配器分支68和70在蒸发器壳体和其管束以外，可以通过缝焊点焊来制造和安装。这两个分支和入口66一起依次放在并固定于壳体内。本发明的分配器的制造可以脱开主体操作，容易装到蒸发器壳体内，从而明显减少分配器和蒸发器的制造时间和用工，因此，降低了成本。
每个分配器分支内形成的致冷剂流动通道89的截面积沿分支的长度最好以基本恒定的比率变窄。因此，每个分配器分支68、70的最大截面积位于与入口部分66最近的分支的端部，其截面朝它们各自远端72和74延伸时逐渐减小。
另外再参考图7和8，致冷剂分配器54a的入口部分66通过蒸发器入口44与膨胀装置38的流体连通。在操作过程中，当冷却器56操作时，两相、但主要是流体的致冷剂从膨胀装置38的流出而进入蒸发器入口44。致冷剂从蒸发器入口44进入致冷剂分配器的入口部分66。分配器54a的入口部分66做成将致冷剂流均匀地分配在分配器分支68和70之间。
如上所述，分配器分支68和70内通道89的截面积以一预定的基本恒定的比率沿其长度方向从入口部分66到它们各自的远端72、74逐渐减小。致冷剂通道的流动截面积通过这种受控制的逐渐减少，可以使致冷剂在分配器中流动时其压力和质量速率保持基本恒定。
在流过分配器时，致冷剂的压力和质量速率基本恒定反过来可以使致冷剂沿蒸发器整个长度均匀地通过分配器排孔分配到其内部。因为致冷剂的压力和速率通过本发明的分配器保持为基本恒定，可以改变分配器孔的大小，从而使致冷剂分配器54a和壳体24内部之间的压力差相当小(小于2p.s.i)，从而取得致冷剂的均匀分配。
与现有致冷剂分配器获得足够(如果不是均匀的话)致冷剂分配所需的压力差相比较，通过本发明获得这样均匀分配所需的压力差相当小，这样可以明显改进膨胀装置38处对致冷剂流动的控制。这样还可以通过选择膨胀装置38来优化整个冷却器系统内致冷剂的测量和流动。
蒸发器内均匀的致冷剂分配可使蒸发器更加有效地利用蒸发器管束的换热表面。因此，蒸发器和冷却器系统内整个换热效率得以提高。另外，由于分配器54a的本质原因，可使制造和安装更经济，从而明显降低制造成本。
已通过优选实施例介绍了本发明，必须理解的是在不离开权利要求所规定的本发明的精神和范畴前提下可以改变零部件的结构和组合。

Claims (22)

1．一种用于流体冷却器的致冷剂蒸发器，包括：
一壳体；
多个管子，它们位于所述壳体内且基本沿壳体纵向延伸；和
一致冷剂分配器，所述分配器基本置于所述壳体内所述管下面并包含一入口，所述分配器至少有一致冷剂流动通道与所述入口流体连通，所述通道的截面积基本上沿远离所述入口的方向逐渐减小，所述分配器上形成有多个开孔与所述致冷剂通道和所述壳体内部流体连通。
2．如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述分配器包括一第一和一第二分支，每个分支形成一致冷剂流动通道；所述入口置于所述第一和第二分支之间，每个所述第一和第二分支内的所述致冷剂通道的截面积沿远离所述入口方向逐渐减小，每个所述第一和第二分支形成多个沿长度方向彼此分开的孔。
3．如权利要求2所述的蒸发器，其特征在于，所述孔沿所述分支的长度方向等距离彼此分开；所述入口将冷却剂流均匀地分配在所述第一和第二分支之间。
4．如权利要求3所述的蒸发器，其特征在于，所述孔大小基本一致，且其尺寸做成在冷却器工作时使所述分配器的内部和所述壳体的内部之间的压力差小于2磅/平方英寸。
5．为权利要求2所述的蒸发器，其特征在于，每个所述分支包括一盖部和槽部，而且所述入口将冷却剂流均匀地分开在所述第一和第二分支之间。
6．如权利要求5所述的蒸发器，其特征在于，所述孔是沿所述各个分支的槽部形成等距离隔开的。
7．如权利要求6所述的蒸发器，其特征在于，所述孔大小基本均匀，所述孔大小预先确定为，在所述冷却器操作时使所述分配器内部和所述壳体内部之间形成的压力差小于2磅/平方英寸。
8．如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分支所形成的每个所述通道的截面积沿远离出口方向的减少预先确定为，在所述冷却器工作时在贯穿整个所述通道内形成基本恒定的压力，且使贯穿所述分配器和多个管的长度方向上的每个所述孔中流出的致冷剂量基本相同。
9．如权利要求8所述的蒸发器，其特征在于，所述截面积沿每个所述分支以基本恒定的比率减小，且所述入口均匀地将致冷剂流分开在所述每个分支之间。
10．如权利要求9所述的蒸发器，其特征在于，每个所述第一和第二分支由一盖部和一槽部构成。
11．如权利要求10所述的蒸发器，其特征在于，所述孔的大小均匀，且把孔的大小选择为在所述冷却器工作时，在所述分配器内部和所述壳体内部之间保持一预定压力差。
12．如权利要求11所述的蒸发器，其特征在于，所述孔是沿所述第一和第二分支的槽部形成，并等距离隔开的；所述孔的大小做成在所述冷却器工作时在所述分配器的内部和所述壳体的内部之间保持一小于2磅/平方英寸的压力差。
13．一处用于壳管式热交换器的致冷剂分配器，包括：
一入口部分，用于接受和所述热交换器连通的致冷剂；
至少一个分支部分，它和所述入口部分连接，所述分支部分形成一致冷剂流动通道与所述入口部分流体连通，所述流动通道的截面积沿远离所述入口部分的方向减小并沿其长度方向形成有多个孔。
14．如权利要求13所述的致冷剂分配器，其特征在于，所述分配器包括至少两个分支，每个分支流体连通着所述分配器的所述入口部分，且形成一致冷剂流动通道，流动通道沿其长度方向形成有多个孔且其截面积沿远离所述入口方向减小。
15．如权利要求14所述的致冷剂分配器，其特征在于，每个所述分支截面积沿远离所述入口方向以一基本恒定的比率减小，所述通道的截面积的减小比率预先确定为，使流经此处的致冷剂保持基本恒定的速率和压力。
16．如权利要求15所述的致冷剂分配器，其特征在于，孔的大小基本一致，所述孔的大小预先确定为在所述分配器的内部和所述热交换器的壳体内部之间形成一小于2磅/平方英寸的压力差。
17．如权利要求16所述的致冷剂分配器，其特征在于，所述入口部分接受流入所述热交换器的致冷剂并将所述致冷剂流分成基本相等的部分，把各个相等的部分输送到所述每个分支内；而且每个所述至少两个分支都是由一槽部和一盖部构成的，所述孔沿所述槽部的长度方向以基本相同的间距隔开。
18．一种用于在壳管式热交换器壳体内的管束长度方向均匀分配致冷剂的方法，包括：
将致冷剂送至所述热交换器底部形成的一通道内；
制成多个与所述通道和所述壳体内部流体连通的孔；
通过使流动通道的截面积沿致冷剂流动方向减小，从而使致冷剂流过所述通道时保持基本恒定的压力和速率；
沿所述通道和所述管束的长度上通过所述多个孔从所述通道向所述壳体内以基本均匀的量流入致冷剂。
19．如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括将所述通道在所述热交换器内分成两个分支，并以基本相同的量向每个分支流入致冷剂；每个所述分支的截面积沿致冷剂流动的下游方向以一基本恒定的比率逐渐减小。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括使所述通道内的压力保持高于所述壳体内的压力。
21．如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括把所述通道内部和所述壳体内部之间的压力差限制为小于2磅/平方英寸。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，限制所述通道内部和所述壳体内部之间的压力差这一步还包括选择所述孔的大小而使之小于2磅/平方英寸。
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