ES2237831T3 - Conjunto intercambiador de calor y ventilador. - Google Patents

Abstract

UN CONJUNTO DE VENTILADOR DE FLUJO MIXTO E INTERCAMBIADOR DE CALOR (10) ES DE TIPO SOPLADO PORQUE EL VENTILADOR (16) DESCARGA AIRE SOBRE LA CARA CORRIENTE ARRIBA DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR (12) QUE OFRECE RESISTENCIA AL FLUJO. EL VENTILADOR (16) ES DE FLUJO MIXTO, POR LO QUE HAY TANTO COMPONENTES AXIALES COMO COMPONENTES SIGNIFICATIVOS RADIALES EN EL FLUJO DE AIRE QUE SALE DE LA HELICE DEL VENTILADOR (16 - 1). LOS COMPONENTES RADIALES PRODUCEN UNA PRESION ESTATICA QUE FACILITA EL FLUJO A TRAVES DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR (12). EL CONJUNTO (10) INCLUYE UNA HELICE (16 - 1) QUE TIENE UN CUBO GENERALMENTE CILINDRICO (16 - 2) Y VARIAS ASPAS CURVADAS HACIA ATRAS (16 - 3). LA HELICE (16 - 1) TIENE UN RADIO DE CURVATURA DE SALIDA QUE ES MAYOR QUE SU RADIO DE CURVATURA DE ENTRADA. UN CARENADO (14) ENCIERRA LA HELICE (16 - 1) Y GUIA EL FLUJO DE AIRE HACIA ESTA (16 - 1) Y HACIA EL INTERCAMBIADOR DE CALOR (12). EL CUBO CILINDRICO (16 - 2) Y UNA SOLIDEZ APARENTE DE ASPA INFERIOR A LA UNIDAD HACEN A LAHELICE DEL VENTILADOR (16 - 1) APTA PARA SU FABRICACION EN UNA SOLA PIEZA MEDIANTE UN PROCESO DE MOLDEO. EN UNA SEGUNDA REALIZACION HAY UN BLOQUEO CORRIENTE ABAJO Y LOS COMPONENTES RADIALES DEL FLUJO DE AIRE REDUCEN LA INCIDENCIA SOBRE EL BLOQUEO.

Description

Conjunto intercambiador de calor y ventilador.

Los intercambiadores de calor de aire a refrigerante son comúnmente usados en sistemas de aire acondicionado y de refrigeración para intercambiar calor entre un refrigerante y aire cuando los dos fluidos fluyen a través del intercambiador de calor. En general, cuanto mayor es el caudal de aire a través del intercambiador de calor, mejor son las características de transferencia de calor del intercambiador de calor. El intercambiador de calor de aire a refrigerante típico usado en un sistema de aire acondicionado o de refrigeración es del tipo de aletas y tubos. En un intercambiador de calor de aletas y tubos, el refrigerante fluye a través de un camino de flujo cerrado dentro de una disposición de tubos dentro del intercambiador de calor. El aire fluye por el exterior de los tubos. Hay una pluralidad de aletas que sobresalen de la superficie exterior de los tubos para aumentar el área superficial y por lo tanto las características de transferencia de calor del tubo. A igualdad de otras variables, debe existir un cierto flujo mínimo de aire a través de un intercambiador de calor de una determinada área de transferencia de calor de refrigerante a aire, para el sistema al que el intercambiador de calor da servicio para que sea capaz de trabajar a su capacidad de diseño.

Los diseñadores de sistemas de aire acondicionado realizan constantemente esfuerzos para mejorar sus productos. Un objetivo común de diseño es proporcionar la máxima capacidad posible de refrigeración o de calefacción con el menor recinto posible o espacio disponible. Casi inevitablemente, los cambios de configuración que mejoran una característica de un sistema originan problemas en otro. Por ejemplo, a un diseñador del intercambiador de calor puede parecerle deseable reducir el volumen total y el área de la superficie de un intercambiador de calor, manteniendo a la vez el área de transferencia de calor necesaria para conseguir la capacidad requerida mediante la disposición de los tubos del intercambiador de calor en múltiples hileras. Conforme aumenta el número de hileras de tubos, aumenta también la resistencia al flujo de aire a través del intercambiador de calor. Así, aumentar el número de hileras de tubos a través de los que el aire debe pasar en un intercambiador de calor, hace que el trabajo del diseñador de la porción de movimiento del aire del sistema sea más difícil, ya que ese diseñador debe proporcionar una disposición de ventilador que pueda proporcionar el caudal de aire necesario a través del intercambiador de calor. La resistencia al flujo de aire puede ser debida también a cambios en el camino del fluido que el flujo de aire debe seguir.

Para superar la pérdida de presión a través de un intercambiador de calor de hileras multitubulares, el ventilador que mueve el aire a través del intercambiador de calor debe producir una presión diferencial relativamente elevada en el aire que fluye a través de él. Los ventiladores de flujo axial puro no son generalmente capaces de producir la presión diferencial requerida sin causar graves compromisos en las actuaciones. Por ejemplo, si un ventilador de flujo axial que tiene un cubo relativamente pequeño y palas largas es usado en una aplicación de éstas, habrá grandes pérdidas en la periferia del área barrida por el impulsor del ventilador. Estas pérdidas pueden ser evitadas usando un ventilador de flujo axial con un cubo relativamente grande y palas cortas, pero entonces la distribución del flujo de aire a través del intercambiador de calor será inferior a la óptima y el rendimiento térmico del sistema se resentiría. Algunas de las pérdidas asociadas con la producción de presiones diferenciales elevadas con un ventilador de flujo axial pueden ser reducidas haciendo que sea muy pequeña la separación u holgura entre las puntas del impulsor del ventilador y la envuelta que define el orificio circundante. Conseguir la pequeña separación necesaria en una fabricación y operación de montaje típicas puede resultar muy difícil y caro y el diseñador deberá realizar fases para asegurar que la separación pueda ser mantenida a lo largo de la vida del sistema con poco o ningún mantenimiento.

Un ventilador de flujo mixto combina en un único ventilador las características de los ventiladores de flujo axial y de flujo centrífugo. En tal ventilador, una porción de una pala impulsora determinada imparte movimiento axial al aire que fluye a través del impulsor mientras otra porción de la pala imparte movimiento centrífugo. Dicho ventilador es capaz de crear presiones diferenciales relativamente elevadas cuando se opera con una resistencia de flujo aguas abajo relativamente elevada y por consiguiente caudales de aire relativamente altos cuando se las compara, por ejemplo, con un ventilador de flujo sólo axial que opere en un ambiente similar. Los ventiladores de flujo mixto de la técnica anterior tenían típicamente formas de cubo de impulsor que favorecían una transición al aire que entraba y fluía a través del ventilador desde una dirección axial a una dirección radial. En general, esas formas de cubo aumentan el diámetro en el sentido de aguas arriba a aguas abajo. Dichos cubos presentan problemas de fabricación, especialmente si un impulsor de ventilador debe ser hecho de plástico por medio de un proceso de moldeo. La actuación de un ventilador de flujo mixto es menos sensible al espacio entre la punta de la pala del impulsor y la envuelta de un ventilador de flujo axial.

Lo que se necesita es una combinación de ventilador con un intercambiador de calor que tenga una resistencia al flujo de aire relativamente elevada en la que el ventilador pueda producir eficientemente el flujo de aire requerido a través del intercambiador de calor. La configuración del impulsor del ventilador debe ser tal que el impulsor pueda ser fabricado por medio de un proceso de moldeo.

Es un objetivo de este invento proporcionar una presión estática mayor.

Es otro objetivo de este invento proporcionar un ventilador apropiado para operar en un espacio ajustado.

Es un objetivo adicional de este invento hacer el mejor uso del limitado espacio disponible en las aplicaciones existentes con ventilador axial.

Es otro objetivo más de este invento proporcionar un ventilador axial modificado apropiado para ser usado en combinación con una gran resistencia aguas abajo. Estos objetivos son conseguidos por medio del invento presente en sus realizaciones descritas.

El documento US-A-4460312 describe un conjunto que tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Se proporciona, de acuerdo con el invento, un conjunto como se reivindica en la reivindicación 1.

En general, el invento es aplicable a sistemas de aire acondicionado y de refrigeración. Más en particular, el invento está relacionado con la configuración y disposición de un ventilador encapsulado de movimiento de aire y con un intercambiador de calor de aire a refrigerante que promueve un aumento de flujo de aire a través del intercambiador de calor y mejora de esta manera la transferencia de calor. El invento es también adaptable para ser usado en sistemas de refrigeración de motores y en aplicaciones similares. Una realización del invento presente comprende un conjunto de ventilador e intercambiador de calor en el que el intercambiador de calor origina una resistencia relativamente elevada al flujo de aire. El ventilador es del tipo de flujo mixto que produce tanto flujo axial como radial de aire a través de él. El conjunto incluye un impulsor y un alojamiento estático que guía y hace girar el flujo de aire a través del impulsor del ventilador hacia la cara de aguas arriba del intercambiador de calor, donde el intercambiador de calor se halla situado aguas abajo. En otra realización, el intercambiador de calor está situado aguas arriba del ventilador y hay una interrupción del flujo aguas abajo del ventilador, tal como un bloque motor o una pared, el ventilador impulsa aire a través del intercambiador de calor y proporciona al menos una descarga radial parcial para reducir las pérdidas de la energía del flujo causadas por la incidencia sobre la interrupción del flujo aguas abajo. Para conseguir una ventaja esencial en el diseño, el hueco o envuelta tradicional del ventilador axial es acortado y las palas del impulsor son radialmente extendidas en la porción de aguas abajo del hueco o envuelta del ventilador. Se ha de observar que si la resistencia aguas abajo es pequeña, el sentido del flujo es predominantemente axial y esta condición no sería apropiada para conseguir los beneficios del invento presente. Sin embargo, si la resistencia aguas abajo es elevada o está sustancialmente interrumpida de manera que el flujo es forzado a girar radialmente, el flujo cerca de las puntas de las palas tiene componentes radiales mayores, con lo que las palas actúan como las palas de un ventilador centrífugo y generan una presión estática mayor para conseguir más flujo a través de la resistencia aguas abajo y/o dirigir radialmente el flujo. Adicionalmente, debido a la componente radial, habrá disminución de pérdidas de energía del flujo debido a la incidencia en el caso de una interrupción aguas abajo. El factor de solidez aparente de la pala del impulsor es inferior a la unidad y, a diferencia de muchos ventiladores de flujo mixto de la técnica anterior, el cubo impulsor tiene forma generalmente cilíndrica, facilitando ambas características la fabricación del impulsor en una pieza usando un proceso de moldeo.

La Figura 1 es una vista en perspectiva, parcialmente en corte, de una porción de una unidad de acondicionador de aire de terminal encapsulada, PTAC, que emplea el ventilador del invento presente;

la Figura 2 es una vista desde arriba de la estructura de la Figura 1;

la Figura 3 es una vista parcialmente seccionada del conjunto de ventilador e intercambiador de calor del invento presente;

la Figura 4 es una vista que se corresponde con la Figura 3 y que muestra un dispositivo de la técnica anterior;

la Figura 5 es una vista que se corresponde con la Figura 3 y muestra una aplicación de refrigeración en transporte; y

la Figura 6 es un diagrama para ayudar a definir la expresión "solidez aparente de pala".

Básicamente, un ventilador axial convencional es modificado reduciendo la extensión axial del orificio o envuelta del ventilador y aumentando la extensión radial de las palas del impulsor del ventilador que son radialmente extendidas en la porción de aguas abajo del orificio o envuelta del ventilador.

En las Figuras 1-3, el número 10 designa en general a un conjunto de ventilador e intercambiador de calor como el que puede ser encontrado en un acondicionador de aire terminal encapsulado o unidad PTAC. El conjunto 10 incluye el intercambiador de calor 12, el alojamiento estático o cerco de orificio 14 del conjunto del orificio del condensador y el ventilador 16. La envuelta o cerco del orificio 14 está soportado preferentemente por el miembro de soporte integral 13. El intercambiador de calor 12 tiene una cara 12-1 aguas arriba. El ventilador 16 incluye el impulsor 16-1, el cubo 16-2, una pluralidad de palas 16-3 con aro deflector integral 16-4 y es accionado por el motor 18 alrededor del eje A-A. De preferencia, el impulsor 16-1, el cubo 16-2, las palas 16-3 y el aro deflector 16-4, son de plástico moldeado por inyección y constituyen una sola pieza. Como se aprecia mejor en la Figura 3, la punta 16-3a de cada pala 16-3 tiene una extensión radial variable y puede tener un ángulo de salida curvado hacia atrás. Específicamente, las porciones de aguas arriba o de borde de ataque de las palas 16-3 están radialmente espaciadas desde y dentro de la abertura 14-1 en el cerco del orificio o envuelta estática 14 y definen el radio de barrido de entrada al impulsor 16-1. Las palas 16-3 tienen un borde de punta extendido o franja de pala 16-3a que está axialmente separado del cerco del orificio o envuelta estacionaria 14, que tiene una extensión radial al menos nominalmente igual a la de la abertura 14-1 y que define el radio de barrido de salida del impulsor 16-1. La extensión radial aumentada de las franjas de pala 16-3a pueden ser del orden de 0,635 centímetros, definiendo el diámetro exterior del aro deflector 16-4 la máxima dimensión radial exterior normal de las franjas de pala 16-3a. Tanto la extensión radial reducida del cerco del orificio 14, como la existencia de franjas de pala 16-3a, son necesarias para que el ventilador 16 pueda representar una ventaja en sustitución de una técnica de diseño convencional anterior mientras consigue los beneficios del invento presente.

El invento presente podrá ser apreciado mejor haciendo referencia a la Figura 4, que es una vista de un dispositivo de una técnica anterior correspondiente a la Figura 3 y con la numeración de la estructura correspondiente aumentada en un centenar. Comparando las Figuras 3 y 4, se pone fácilmente de manifiesto que el cerco del orificio o envuelta 14 tiene una extensión axial inferior a la de la envuelta 114 y que las palas 16-3, debido a la presencia de las franjas de pala 16-3a, tienen una extensión radial mayor, estando su mayor extensión radial aguas abajo de la envuelta 14, mientras que las palas 116-3 tienen su mayor extensión radial hacia dentro de la abertura 114-1 de la envuelta 114. La combinación de esas dos características cambia el flujo axial del ventilador 116 al flujo mixto del ventilador 16, siendo la elevación de presión la suma de la acción del perfil aerodinámico de los ventiladores axiales más la acción centrífuga que resulta del cambio de radio.

Con referencia a las Figuras 1 y 2, se hace notar por medio de las flechas que indican el flujo, que hay dos entradas o caminos de flujo que alimentan al ventilador 16. En la unidad PTAC ilustrada, el flujo que proviene del lado izquierdo pasa por y refrigera al compresor (no ilustrado), mientras que el flujo que proviene del lado derecho representa aire ambiental. El intercambiador de calor 12 está aguas abajo del ventilador 16 y presenta una resistencia al flujo. Sin embargo, el aumento de presión estática debida a la acción centrífuga origina un flujo mayor a través del intercambiador de calor 12 del que causaría el ventilador 116 si las únicas diferencias fueran la presencia de las franjas de pala 16-3a y el acortamiento de la extensión axial del cerco del orificio 114. Suponiendo que el ventilador 116 fuera adecuado para el diseño, el uso del ventilador 16 presenta una capacidad adicional que puede absorber un aumento de capacidad del intercambiador de calor 12 y por lo tanto del sistema, o puede permitir el uso de un ventilador más pequeño.

En el conjunto de ventilador e intercambiador de calor 10 de las Figuras 1-3, el intercambiador de calor 12 presenta una resistencia al flujo, pero el flujo pasa a través del intercambiador de calor 12 ayudado por el aumento de presión estática. En la refrigeración de transporte, por ejemplo, la unidad de refrigeración está situada enteramente en el exterior del remolque para maximizar el espacio de carga y se construye la unidad de refrigeración todo lo compacta que sea posible para permitir que sea colocada entre la cabina del camión y el remolque, mientras que permita la articulación necesaria del camión para girar en las curvas. De acuerdo con esto, el diseño puede tener un ventilador que impulse aire a través de un intercambiador de calor y lo descargue contra una pared antes de fluir dentro de la estructura de distribución de aire. Alternativamente, el ventilador puede impulsar aire a través del radiador y descargar el aire de manera tal que el bloque motor constituya una interrupción al flujo con relación al flujo axial. El invento presente reduce la cantidad de aire que incide sobre una pared o similar, ya que el componente centrífugo es una descarga radial. La Figura 5 ilustra la adaptación del invento presente a la refrigeración en transporte y generalmente corresponde a la modificación de la Figura 3 mediante la colocación del intercambiador de calor o radiador 12 aguas arriba del ventilador 16 y con una pared maciza o bloque motor 212 situado aguas abajo del ventilador 16. Debido a que existe una componente axial a la salida del ventilador, parte del aire incidirá contra el bloque motor o pared 212, pero la porción centrífuga descargada radialmente será descargada sin incidir con el bloque motor o pared 212.

Para que el impulsor 16-1 pueda ser fabricado de una pieza por medio de un proceso de moldeo, es necesario que el cubo 16-2 sea generalmente cilíndrico. Las enseñanzas de la técnica anterior indican que un ventilador de flujo mixto requiere un cubo de impulsor que tenga una forma, por ejemplo, cónica, que facilite la transición del flujo axial a radial. El cubo 16-2, aunque es cilíndrico, puede conseguir el mismo efecto. En operación, existe una capa de aire separada a lo largo de la superficie cilíndrica del cubo. El espesor de la capa de flujo separada aumenta desde aguas arriba hacia aguas abajo a lo largo de la superficie. El espesamiento de la capa en el cubo actúa haciendo que el flujo entrante gire, de manera muy parecida al cubo del impulsor de flujo mixto de la técnica anterior. La capa separada de flujo no afecta significativamente a la actuación del flujo del ventilador.

Fabricar el impulsor 16-1 en una pieza por medio de un procedimiento de moldeo requiere además que el impulsor tenga un factor de seguridad aparente de la pala menor que la unidad. La Figura 6 muestra dos palas impulsoras adyacentes 16-3. Las palas están dispuestas a un ángulo de escalonamiento \alpha. La separación s entre palas es la distancia entre dos puntos similares de palas adyacentes. Las palas 16-3 tienen una longitud de cuerda c. El factor de solidez de la pala (\sigma) es la longitud de la cuerda dividida por la separación de palas, o \sigma = c / s. La longitud aparente de la cuerda es c', donde c' = c sen \alpha. El factor de solidez aparente (\sigma') de la pala es la longitud aparente de la cuerda dividida por la separación de palas, o \sigma' = c' / s. Si el factor de solidez aparente de la pala en un impulsor es menor que la unidad, no hay solape de palas que haga posible moldear dicho impulsor en una pieza.

Para conseguir un rendimiento óptimo, el ventilador del invento presente debe trabajar contra una contrapresión de escape relativamente elevada. Para conseguir esto en un flujo a través de la configuración, es necesario que la porción de conducto de la envuelta dirija esencialmente toda la descarga del ventilador contra la cara de aguas arriba del intercambiador de calor y que el intercambiador de calor esté situado relativamente cerca del extremo del impulsor de ventilador aguas abajo, esto es, que la distancia entre el impulsor y la cara de aguas arriba sea del orden de dos veces o menos el radio máximo de barrido del impulsor. Para conseguir esto en un arrastre a través de la disposición con una configuración de flujo de descarga interrumpida o desviada, la estructura de distribución del camino del flujo debe ser tal que al menos una porción del flujo sea dirigida radialmente hacia el exterior del impulsor.

Claims (8)

1. Un conjunto (10) que comprende:

un ventilador (16) que tiene un eje e incluye un impulsor (16-1);

teniendo dicho impulsor (16-1) una primera porción (16-3) que tiene un radio de barrido de entrada y una segunda porción (16-3a) que tiene un radio de barrido de salida, siendo dicho radio de barrido de salida mayor que dicho radio de barrido de entrada;

una envuelta (14) que define una abertura (14-1) separada axialmente de dicha segunda porción (16-3a) y estando dicha envuelta (14) situada radialmente hacia fuera de y cooperando con al menos una parte de dicha primera porción (16-3);

teniendo dicha segunda porción (16-3a) una extensión radial mayor que dicha abertura (14-1);

medios (13) para soportar dicha envuelta (14);

medios motores (18) para accionar dicho ventilador (16);

una resistencia al flujo (12; 212) separada axialmente de dicha segunda porción (16-3a);

por lo que cuando dichos medios motores (28) accionan dicho ventilador (16), dicho ventilador (16) actúa como un ventilador de flujo mixto para producir un aumento de presión estática; caracterizado porque dicha segunda porción (16-3a) tiene una porción que está curvada hacia atrás.

2. El conjunto de la reivindicación 1, en el que dicha resistencia al flujo es un intercambiador de calor.

3. El conjunto de la reivindicación 1, en el que dicha resistencia al flujo es un miembro macizo (212).

4. El conjunto de la reivindicación 3, en el que dicha resistencia al flujo está situada aguas abajo de dicho ventilador (16).

5. El conjunto de cualquier reivindicación precedente, en el que dicho ventilador (16) tiene un cubo (16-2) generalmente cilíndrico.

6. El conjunto de cualquier reivindicación precedente, en el que dicho ventilador (16) tiene un factor de solidez aparente de la pala inferior a la unidad.

7. El conjunto de cualquier reivindicación precedente, en el que dicho ventilador (16) incluye un único miembro que define un cubo (16-2) y dicho impulsor (16-1).

8. El conjunto de la reivindicación 7, en el que dicho miembro único incluye además un aro deflector (16-4).