ES2373964T3

ES2373964T3 - Intercambiador de calor con expansión de fluido en tubo colector.

Info

Publication number: ES2373964T3
Application number: ES05855856T
Authority: ES
Inventors: Mikhail B. Gorbounov; Steven A. Lozyniak; Parmesh Verma; Michael F. Taras; Robert A. Chopko; Allen C. Kirkwood
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2012-02-10
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: WO2006083449A3; MX2007009245A; HK1118331A1; US20080092587A1; EP1844288A2; CN101120225B; EP1844288B1; WO2006083449A2; CN101120225A; KR20070091201A; JP2008528943A; AU2005326654A1; CA2596573A1; AU2005326654B2; EP1844288A4; BRPI0519933A2; ATE529717T1

Abstract

Un intercambiador (10) de calor constituido por: un tubo colector (20) que define una cámara (25) para recoger un fluido; al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor que define una pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos que se extienden de manera longitudinal a través del tubo o los tubos y que tienen una abertura (41) de entrada a la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos; y un conector o una pluralidad de conectores (50) que tienen un extremo (52) de entrada y un extremo (54) de salida y que definen un camino (55) de flujo de fluido que se extiende desde el mencionado extremo (52) de entrada hasta el mencionado extremo (54) de salida, donde el mencionado extremo de entrada está en comunicación de flujo de fluido con la cámara (25) del mencionado tubo colector (20) a través de una primera abertura (51) y donde el mencionado extremo (54) de salida está en comunicación de flujo de fluido con la abertura (41) de entrada de uno o de todos los tubos (40) multi-canal de intercambio de calor a través de una segunda abertura (53), caracterizados porque la mencionada abertura (51) está constituida por al menos un orificio de expansión de restricción de flujo que tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña.

Description

Intercambiador de calor con expansión de fluido en tubo colector.

Campo de la invención

Esta invención se refiere de manera general a intercambiadores de calor que tienen una pluralidad de tubos paralelos que se extienden entre un primer tubo colector y un segundo tubo colector, a los que se hace referencia algunas veces como tubos distribuidores, y, más en particular, a proporcionar una expansión de un fluido en el seno del tubo colector de un intercambiador de calor para mejorar la distribución de un flujo bifásico a través de los tubos paralelos del intercambiador de calor, por ejemplo un intercambiador de calor en un sistema de refrigeración por compresión. El documento US-A-5320165 describe un intercambiador de calor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son bien conocidos en la técnica. Los aires acondicionados y las bombas de calor que utilizan ciclos de refrigeración por compresión de vapor se utilizan comúnmente para enfriar

o para enfriar/calentar aire que se suministra a una zona de bienestar ambiental de climatización controlada dentro de una residencia, un edificio de oficinas, un hospital, una escuela, un restaurante u otra instalación. Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor también se utilizan comúnmente para enfriar aire u otro fluido secundario para proporcionar un ambiente refrigerado para productos de alimentación y bebidas dentro de, por ejemplo, vitrinas de exhibición en supermercados, ultramarinos, tiendas de comestibles, cafeterías, restaurantes y otros establecimientos de servicio de comida.

De manera convencional, estos sistemas de refrigeración por compresión de vapor incluyen un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión, y un evaporador conectados en comunicación de flujo de refrigerante. Los componentes básicos del sistema de refrigeración mencionados están interconectados mediante líneas de refrigeración en un circuito de refrigeración cerrado y están dispuestos de acuerdo con el ciclo de compresión de vapor utilizado. Un dispositivo de expansión, comúnmente una válvula de expansión o un dispositivo de dosificación de diámetro fijo, tal como un orificio o un tubo capilar, se disponen en la línea de refrigeración en una ubicación en el circuito de refrigeración aguas arriba, con respecto al flujo de refrigerante, del evaporador y aguas abajo del condensador. El dispositivo de expansión funciona expandiendo el refrigerante líquido que pasa a través de la línea de refrigeración circulando desde el condensador hacia el evaporador a una presión y temperatura inferiores. Como resultado de esto, una parte del refrigerante líquido que atraviesa el dispositivo de expansión se expande convirtiéndose en vapor. Como resultado, en sistemas de refrigeración por compresión de vapor convencionales de este tipo, el flujo de refrigerante que entra en el evaporador constituye una mezcla bifásica. Los porcentajes particulares de refrigerante líquido y refrigerante vapor dependen del dispositivo de expansión particular utilizado y del refrigerante utilizado, por ejemplo R12, R 22, R134a, R404a, R410A, R407C, R717, R744 u otro fluido compresible.

En algunos sistemas de refrigeración por compresión de vapor, el evaporador es un intercambiador de calor de tubos paralelos. Tales intercambiadores de calor tienen una pluralidad de caminos de flujo de refrigerante paralelos a través de los mismos, y estos están creados por una pluralidad de tubos que se extienden paralelamente entre sí entre un tubo colector de entrada y un tubo colector de salida. El tubo colector de entrada recibe el flujo de refrigerante del circuito de refrigeración y lo distribuye entre la pluralidad de caminos de flujo a través del intercambiador de calor. El tubo colector de salida sirve para recoger el flujo de refrigerante cuando abandona los respectivos caminos de flujo y para dirigir el flujo recogido de nuevo a una línea de refrigeración para devolverlo al compresor en un intercambiador de calor de paso único o a través de un banco adicional de tubos de intercambio de calor en un intercambiador de calor multi-paso.

Históricamente, los intercambiadores de calor de tubos paralelos utilizados en tales sistemas de refrigeración por compresión han usado tubos redondos, típicamente con un diámetro de 1/2 pulgada, 3/8 de pulgada o 7 milímetros. Más recientemente, se están utilizando tubos multi-canal con forma plana, rectangular u oval en intercambiadores de calor para sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Cada tubo multi-canal tiene una pluralidad de canales de flujo que se extienden de manera longitudinal paralelamente a la longitud del tubo, de manera que cada canal proporciona un camino de refrigeración con una sección recta de área pequeña. Por consiguiente, una intercambiador de calor con tubos multi-canal que se extienden paralelamente entre sí entre los tubos colectores de entrada y de salida del intercambiador de calor tendrá un número relativamente grande de caminos de refrigeración con una sección recta de área pequeña que se extenderán entre los dos tubos colectores. En contraposición, un intercambiador de calor de tubos paralelos con tubos redondos convencionales tendrá un número relativamente pequeño de caminos de flujo con una sección recta de área grande que se extenderán entre los tubos colectores de entrada y de salida.

La distribución no uniforme, a la que se hace referencia algunas veces como mala distribución, de un flujo de refrigerante bifásico es un problema común en intercambiadores de calor de tubos paralelos que tiene un impacto adverso en la eficiencia del intercambiador de calor. Los problemas de una mala distribución bifásica están causados por la diferencia en la densidad del refrigerante en fase vapor y el refrigerante en fase líquida presentes en el tubo colector de entrada debido a la expansión del refrigerante cuando atraviesa el dispositivo de expansión aguas arriba.

Una solución para controlar la distribución de flujo de refrigerante a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor por evaporación se describe en la patente de EE.UU. Nº 6.502.413 a favor de Repice y otros. En el sistema de refrigeración por compresión de vapor descrito en dicho documento, el refrigerante líquido a alta presión del condensador se expande de manera parcial pasando a ser un refrigerante a presión menor en un dispositivo de expansión en línea convencional aguas arriba del tubo colector de entrada del intercambiador de calor. De manera adicional, se dispone una restricción, tal como un simple estrechamiento en el tubo o una placa con un orificio interno dispuesta en el seno del tubo, en cada tubo conectado al tubo colector de entrada aguas abajo de la entrada del tubo para completar la expansión para pasar a ser una mezcla refrigerante líquido/vapor a una presión menor después de entrar en el tubo.

Otra solución para controlar la distribución de flujo a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor por evaporación se describe en la patente de Japón Nº JP4080575 a favor de Kanzaki y otros. En el sistema de refrigeración por compresión de vapor descrito en dicho documento, el refrigerante líquido a alta presión del condensador también se expande de manera parcial en un dispositivo de expansión en línea convencional para pasar a ser un refrigerante a presión menor aguas arriba de una cámara de distribución del intercambiador de calor. Una placa que tiene una pluralidad de orificios en su superficie se extiende a través de la cámara. El refrigerante a una presión menor se expande al pasar a través de los orificios para pasar a ser una mezcla líquido/vapor a baja presión aguas abajo de la placa y aguas arriba de las entradas a los respectivos tubos que se abren a la cámara.

La patente de Japón Nº 6241682 a favor de Massaki y otros, describe un intercambiador de calor de tubos de flujo paralelos para una bomba de calor en el que el extremo de entrada de cada tubo multi-canal que se conecta al tubo colector de entrada se aplasta para formar una restricción parcial de regulación de admisión en cada tubo justamente aguas abajo de la entrada del tubo. La patente de Japón Nº JP8233409 a favor de Hiroaki y otros describe un intercambiador de calor de tubos de flujo paralelos en el que una pluralidad de tubos multi-canal planos conecta una pareja de tubos colectores, cada uno de los cuales tiene un interior en el que el área de flujo disminuye en la dirección del flujo de refrigerante con el fin de distribuir uniformemente el refrigerante a los tubos respectivos. La patente de Japón Nº JP2002022313 a favor de Yasushi y otros describe un intercambiador de calor de tubos paralelos en el que se suministra refrigerante al tubo colector a través de un tubo de entrada que se extiende a lo largo del eje del tubo colector para terminar un poco antes del final del tubo colector, por lo cual el flujo de refrigerante bifásico no se separa cuando pasa desde el tubo de entrada hasta un canal anular entre la superficie externa del tubo de entrada y la superficie interior del tubo colector. Por consiguiente, el flujo de refrigerante bifásico pasa a través de cada una de las aberturas de los tubos al canal anular.

La obtención de una distribución uniforme de flujo de refrigerante entre el número relativamente grande de caminos de flujo de refrigerante con una sección recta de área pequeña es incluso más difícil de lo que resulta en intercambiadores de calor de tubos redondos convencionales y puede reducir de manera significativa la eficiencia del intercambiador de calor.

Resumen de la invención

Reducir la mala distribución del flujo de fluido en un intercambiador de calor que tiene una pluralidad de tubos multicanal que se extienden entre un primer tubo colector y un segundo tubo colector es un propósito general de la invención.

Reducir la mala distribución del flujo de refrigerante en un intercambiador de calor en un sistema de refrigeración por compresión de vapor que tiene una pluralidad de tubos multi-canal que se extienden entre un primer tubo colector y un segundo tubo colector es un propósito de un aspecto de la invención.

Distribuir refrigerante a los canales individuales de una matriz de tubos multi-canal de una manera relativamente uniforme es un propósito de un aspecto de la invención.

Posibilitar la distribución y la expansión del refrigerante en un intercambiador de calor en un sistema de refrigeración por compresión de vapor que tiene una pluralidad de tubos multi-canal cuando el flujo de refrigerante pasa desde un tubo colector a los canales individuales de una matriz de tubos multi-canal es un propósito de otro aspecto de la invención.

En un aspecto de la presente invención, se crea un intercambiador de calor que tiene un tubo colector que define una cámara para recoger un fluido, al menos un tubo multi-canal de intercambio de calor que define una pluralidad de canales de flujo de fluido discretos que se extienden de manera longitudinal a lo largo del mismo y que tiene una abertura de entrada a la mencionada pluralidad de canales de flujo de fluido discretos; y un conector o una pluralidad de conectores que tienen un extremo de entrada y un extremo de salida y que definen un camino de flujo de fluido que se extiende desde el mencionado extremo de entrada hasta el mencionado extremo de salida, donde el mencionado extremo de entrada está en comunicación de flujo de fluido con la cámara del mencionado tubo colector a través de una primera abertura y donde el mencionado extremo de salida está en comunicación de fluido con la abertura de entrada de uno o todos los mencionados tubos multi-canal de intercambio de calor a través de una segunda abertura, donde la mencionada primera abertura consiste en al menos un orificio de expansión de restricción de flujo que tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña. En una realización, el camino de flujo a través del conector puede ser divergente en la dirección del flujo de fluido a su través. La primera abertura tiene un área de flujo relativamente pequeña con el fin de proporcionar una restricción de flujo a través de la cual pasa el fluido cuando fluye desde la cámara del tubo colector a los caminos de flujo del intercambiador de calor.

En otro aspecto de la invención, un sistema de refrigeración por compresión de vapor incluye un compresor, un condensador y un intercambiador de calor por evaporación tal como se describió anteriormente conectado en comunicación de flujo de refrigerante, por lo cual el vapor refrigerante a alta presión pasa desde el compresor al condensador, el líquido refrigerante a alta presión pasa desde el condensador al intercambiador de calor por evaporación, y el vapor refrigerante a baja presión pasa desde el intercambiador de calor por evaporación al compresor.

Breve descripción de los dibujos

Para un mejor entendimiento de estos y otros propósitos de la invención, se hará referencia a la descripción detallada de la invención que se ofrece a continuación que debe leerse en conexión con los dibujos que acompañan, en los cuales:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una realización de un intercambiador de calor de acuerdo con la invención;

La Figura 2 es una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, tomada a lo largo de la línea 2-2 de la Figura 1;

La Figura 3 es una vista en alzado seccionada tomada a lo largo de la línea 3-3 de la Figura 2;

La Figura 4 es una vista seccionada tomada a lo largo de la línea 4-4 de la Figura 3;

La Figura 5 es una vista seccionada tomada a lo largo de la línea 5-5 de la Figura 3;

La Figura 6 es una vista en perspectiva, parcialmente seccionada, de otra realización de un intercambiador de calor de acuerdo con la invención;

La Figura 7 es una vista seccionada tomada a lo largo de la línea 7-7 de la Figura 6;

La Figura 8 es una vista seccionada tomada a lo largo de la línea 8-8 de la Figura 7;

La Figura 9 es una ilustración esquemática de un sistema de refrigeración por compresión de vapor que incorpora el intercambiador de calor de la invención;

La Figura 10 es una ilustración esquemática de otro sistema de refrigeración por compresión de vapor que incorpora el intercambiador de calor de la invención;

La Figura 11 es una vista en alzado, seccionada parcialmente, de una realización de un evaporador multi-paso de acuerdo con la invención; y

La Figura 12 es una vista en alzado, seccionada parcialmente, de una realización de un condensador multi-paso de acuerdo con la invención.

Descripción detallada de la invención

El intercambiador 10 de calor de la invención se describirá en general en la presente memoria con referencia a la realización de paso único y de tubos paralelos ilustrativa de un intercambiador de calor de tubo multi-canal tal como se representa en la Figura 1. En la realización ilustrativa del intercambiador 10 de calor representado en la Figura 1, los tubos 40 de intercambio de calor se muestran dispuestos paralelamente entre sí extendiéndose en general de manera vertical entre un tubo colector 20 de entrada que se extiende en general de manera horizontal y un tubo colector 30 de salida que se extiende en general de manera horizontal. Sin embargo, la realización representada es ilustrativa y no limitante de la invención. Debe entenderse que la invención descrita en la presente memoria puede llevarse a la práctica en varias otras configuraciones distintas del intercambiador 10 de calor. Por ejemplo, los tubos de intercambio de calor pueden disponerse paralelamente entre sí extendiéndose en general de manera horizontal entre un tubo colector de entrada que se extiende en general de manera vertical y un tubo colector de salida que se extiende en general de manera vertical. Como un ejemplo adicional, el intercambiador de calor podría tener un tubo colector con forma toroidal y un tubo colector de salida con forma toroidal de un diámetro diferente, extendiéndose los tubos de intercambio de calor bien radialmente aproximadamente hacia adentro o bien radialmente aproximadamente hacia afuera entre los tubos colectores toroidales. Los tubos de intercambio de calor también pueden disponerse en realizaciones de tubos paralelos multi-paso, tal como se discutirá adicionalmente en detalle más adelante en la presente memoria con referencia a las Figuras 11 y 12.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 1 a 5 en particular, el intercambiador 10 de calor incluye un tubo colector 20 de entrada, un tubo colector 30 de salida, y una pluralidad de tubos 40 de intercambio de calor multi-canal que se extienden de manera longitudinal y que proporcionan por consiguiente una pluralidad de caminos de flujo de fluido entre el tubo colector 20 de entrada y el tubo colector 30 de salida. Cada tubo 40 de intercambio de calor tiene una boca 43 de entrada en un extremo en comunicación de flujo de fluido con el tubo colector 20 de entrada a través de un conector 50, y una boca de salida en su otro extremo en comunicación de flujo de fluido con el tubo colector 30 de salida. Cada tubo 40 de intercambio de calor tiene una pluralidad de canales 46 de flujo paralelos que se extienden de manera longitudinal, es decir, a lo largo del eje del tubo, por lo que la extensión longitudinal del tubo proporciona caminos de flujo múltiples, independientes y paralelos entre la boca de entrada del tubo y la boca de salida del tubo. Cada tubo 40 de intercambio de calor multi-canal es un tubo "plano" que tiene, por ejemplo, una sección recta rectangular u ovalada, definiendo un interior que está subdividido para formar una matriz lado a lado de canales 42 de flujo independientes. Los tubos 40 multi-canal planos pueden, por ejemplo, tener una anchura de cincuenta milímetros o menos, típicamente entre doce y veinticinco milímetros, y una altura de alrededor de dos milímetros o menos, comparado con los tubos redondos convencionales de la técnica anterior que tienen un diámetro de 1/2 pulgada, 3/8 de pulgada o 7 mm. Los tubos 40 se muestran en sus correspondientes dibujos, en aras de la facilidad y la claridad de la ilustración, como si tuvieran doce canales 42 que definen caminos de flujo que tienen una sección recta circular. Sin embargo, debe entenderse que en aplicaciones comerciales, tales como por ejemplo sistemas de refrigeración por compresión de vapor, cada tubo 40 multi-canal tendrá típicamente alrededor de entre diez y veinte canales 42 de flujo, aunque pueden tener una multiplicidad de canales mayor o menor, tal como se desee. Generalmente, cada canal 42 de flujo tendrá un diámetro hidráulico, definido como cuatro veces el área de flujo dividida por el perímetro, comprendido en un intervalo de entre 200 micras aproximadamente y 3 milímetros aproximadamente. Aunque en los dibujos se representan como si tuviesen una sección recta circular, los canales 42 pueden tener una sección recta rectangular, triangular, trapezoidal o cualquier otra sección recta no circular deseada.

Cada tubo de la pluralidad de tubos 40 de intercambio de calor del intercambiador 10 de calor tiene su extremo 43 de entrada insertado en un conector 50, en lugar de estar éste insertado directamente en la cámara 25 definida en el seno del tubo colector 20 de entrada. Cada conector 50 tiene un extremo 52 de entrada y un extremo 54 de salida y define un camino 55 de flujo de fluido que se extiende desde el extremo 52 de entrada hasta el extremo 54 de salida. El extremo 52 de entrada está en comunicación de flujo de fluido con la cámara 25 del tubo colector 20 de entrada a través de una primera abertura 51. El extremo 54 de salida está en comunicación de flujo a través de una segunda abertura 53 con las aberturas 41 de entrada de los canales 42 en el extremo de entrada del tubo 40 de transferencia de calor asociado que se recibe en ese lugar. La primera abertura 51 del extremo 52 de entrada de cada conector 50 tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña. Por lo tanto, los colectores 50 proporcionan una pluralidad de restricciones de flujo, al menos uno asociado con cada tubo 40 de transferencia de calor, que proporcionan uniformidad en la caída de presión en el fluido que fluye desde la cámara 25 del tubo colector 20 hacia el camino 55 de flujo de fluido dentro del conector 50, asegurando por consiguiente una distribución de fluido relativamente uniforme entre los tubos 40 individuales asociados funcionalmente con el tubo colector 20.

En la realización representada en las Figuras 1, 2 y 3, el tubo colector 20 de entrada está constituido por un cilindro hueco elongado longitudinalmente con un extremo cerrado que tiene una sección recta circular. El extremo 52 de entrada de cada conector 50 está emparejado con una ranura 26 correspondiente existente en y extendiéndose a través de la pared del tubo colector 20 de entrada, estando el extremo 52 de entrada del conector 50 insertado en su ranura correspondiente. Cada conector puede estar cobresoldado, soldado, aglutinado con adhesivo, aglutinado por difusión o sujeto por otro método en una ranura de emparejamiento correspondiente en la pared del tubo colector 20. Sin embargo, el tubo colector 20 de entrada no está limitado a la configuración descrita. Por ejemplo, el tubo colector 20 puede estar constituido por un cilindro hueco elongado longitudinalmente con un extremo cerrado que tiene una sección recta elíptica o una tubería hueca elongada longitudinalmente con un extremo cerrado que tiene una sección recta cuadrada, rectangular, hexagonal, octogonal o de otra forma.

En la realización representada en las Figuras 6, 7 y 8, el tubo colector 20 de entrada está constituido por un caparazón de medio cilindro hueco elongado longitudinalmente con un extremo cerrado que tiene una sección recta generalmente semicircular y una pieza 58 insertada con forma de bloque que está cobresoldada, soldada, aglutinada con adhesivo o sujeta por otro método a la cara abierta del caparazón de medio cilindro. En esta realización, en lugar de una pluralidad de conectores 50, la pieza 58 insertada con forma de bloque forma un único conector 50. Una pluralidad de caminos 55 de flujo paralelos, longitudinalmente espaciados, se forma en el seno de la estructura con forma de bloque del conector 50. Cada camino 55 de flujo tiene un extremo 52 de entrada que tiene al menos una abertura 51 de entrada con área de flujo relativamente pequeña en comunicación de flujo con una cámara 25 de fluido definida en el seno del tubo colector 20 y un extremo 54 de salida que tiene una abertura 53 adaptada para recibir el extremo 42 de entrada de un tubo 40 de intercambio de calor. Por consiguiente, en esta realización, una pluralidad de tubos 40 de intercambio de calor están conectados al tubo colector por medio de un único conector 50 con forma de bloque. La pieza 58 insertada con forma de bloque proporciona un conector 50 que tiene una pluralidad de restricciones de flujo, con al menos una abertura 51 con un área de flujo relativamente pequeña asociada funcionalmente con cada tubo 40 de transferencia de calor, que proporciona uniformidad en la caída de presión en el fluido que fluye desde la cámara 25 del tubo colector 20 hacia el camino 55 de flujo de fluido en el seno del conector 50, asegurando por consiguiente una distribución de fluido relativamente uniforme entre los tubos 40 individuales asociados funcionalmente con el tubo colector 20.

En la realización representada en las Figuras 2, 3 y 5, sólo existe una primera abertura 51 con un área de flujo relativamente pequeña en el extremo 52 de entrada de cada conector 50. Sin embargo, debe entenderse que, si se desea, pueden crearse más de una primera abertura 51 con un área de flujo relativamente pequeña en el extremo 52 de entrada del conector 50. Por ejemplo, cuando los tubos de intercambio de calor son relativamente anchos y/o tienen un número de canales relativamente grande, puede ser deseable tener dos, tres o un número aún mayor de primeras aberturas 51 con un área de flujo relativamente pequeña dispuestas en intervalos espaciados en el extremo 52 de entrada del conector 50, tal como se muestra en las Figuras 6, 7 y 8, para asegurar una distribución uniforme de flujo de fluido en la multiplicidad de canales 42 de flujo del tubo 40 insertado en el extremo 54 de salida del conector 50.

El camino 55 de flujo de fluido que se extiende desde la abertura 51 de entrada del extremo 52 de entrada del conector 50 a las aberturas 53 de salida del extremo 54 de salida del conector 50 puede, como se aprecia mejor en la Figura 3 y en la Figura 7, diverger en la dirección del flujo de fluido desde la abertura 51 de entrada hacia la abertura 53 de salida. Un camino de flujo divergente ayuda a una distribución uniforme del fluido que fluye a través del camino 55 de flujo entre los diversos canales 42 de flujo del tubo 40 de intercambio de calor insertado en el extremo 54 de salida del conector 50, particularmente en aplicaciones de flujo de refrigerante en las que el fluido es una mezcla de refrigerante líquido y refrigerante vapor o se expande a una mezcla de refrigerante líquido/ refrigerante vapor cuando el fluido pasa a través de la abertura o de las aberturas 51 con un área de flujo relativamente pequeña.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 9 y 10, se muestra esquemáticamente un sistema 100 de refrigeración por compresión de vapor que tiene un compresor 60, el intercambiador 10A de calor, funcionando como un condensador, y el intercambiador 10B de calor, funcionando como un evaporador, conectados en un circuito de refrigeración en bucle cerrado mediante líneas 12, 14 y 16 de refrigeración. Igual que en los sistemas convencionales de refrigeración por compresión de vapor, el compresor 60 hace circular vapor refrigerante caliente a alta presión a través de la línea 12 refrigerante hasta el tubo colector 120 de entrada del condensador 10A, y a continuación a través de los tubos 140 de intercambio de calor del condensador 10A en los que el vapor refrigerante caliente se condensa para formar un líquido mientras circula intercambiando calor con un fluido refrigerante, tal como aire ambiente que pasa sobre los tubos 140 de intercambio de calor impulsado por un ventilador 70 del condensador. El refrigerante líquido a alta presión se recoge en el tubo colector 130 de salida del condensador 10A y circula continuación a través de la línea 14 de refrigeración hasta el tubo colector 20 de entrada del evaporador 10B. El refrigerante circula entonces a través de los tubos 40 de intercambio de calor del evaporador 10B en los que el refrigerante se calienta mientras circula intercambiando calor con aire que será así enfriado y que circula sobre los tubos 40 de intercambio de calor impulsado por un ventilador 80 del evaporador. El vapor refrigerante es recogido en el tubo colector 30 de salida del evaporador 10B y pasa desde a la línea 16 de refrigeración para volver al compresor 60 entrando en él a través de la succión de la boca de entrada. Aunque los ciclos de refrigeración por compresión de vapor de ejemplo ilustrados en las Figuras 9 y 10 son ciclos de aire acondicionado simplificados, debe entenderse que el intercambiador de calor de la invención puede utilizarse en sistemas de refrigeración por compresión de vapor de diseños diversos, incluyendo, sin que esto sea limitante, ciclos de bomba de calor, ciclos economizadores y ciclos de refrigeración.

En la realización representada en la Figura 9, el líquido refrigerante condensado pasa desde el condensador 10A directamente hasta el evaporador 10B sin atravesar un dispositivo de expansión. Por consiguiente, en esta realización el refrigerante entra típicamente en el tubo colector 20 de entrada del intercambiador 10B de calor por evaporación como un refrigerante líquido, a alta presión, y no como una mezcla refrigerante líquido/vapor totalmente expandido, a baja presión, tal como ocurre en sistemas convencionales de refrigeración por compresión. Por consiguiente, en esta realización, la expansión del refrigerante ocurre en el seno del evaporador 10B de la invención cuando el refrigerante pasa a través de la abertura o aberturas 51 de área relativamente pequeña en el extremo 52 de entrada hacia el camino 55 de flujo del conector 50, asegurando de esta manera que la expansión sólo tiene lugar después de haberse conseguido la distribución de una manera sustancialmente uniforme.

En la realización representada en la Figura 10, el líquido refrigerante condensado pasa a través de una válvula 50 de expansión que está asociada funcionalmente con la línea 14 de refrigeración cuando pasa desde el condensador 10A hasta el evaporador 10B. En la válvula 50 de expansión, el refrigerante líquido a alta presión se expande parcialmente para convertirse en un refrigerante líquido a menor presión y menor temperatura, o a una mezcla refrigerante líquido/vapor. En esta realización, la expansión final del refrigerante se completa en el seno del evaporador 10B cuando el refrigerante pasa a través de la abertura o aberturas 51 con un área de flujo relativamente pequeña en el extremo 52 de entrada hacia el camino 55 de flujo del conector 50. Una expansión parcial del refrigerante en una válvula de expansión aguas arriba del tubo colector 20 de entrada hacia el evaporador 10B puede ser ventajosa cuando la sección recta del área de flujo de las aberturas 51 no puede hacerse lo suficientemente pequeña como para asegurar la expansión completa cuando el líquido pasa a través de las aberturas 51 o cuando se utiliza una válvula de expansión como dispositivo de control de flujo.

Haciendo referencia ahora a la Figura 11, el intercambiador 10 de calor de la invención se representa en una realización de evaporador multi-paso. En la realización multi-paso ilustrada, el tubo colector 20 de entrada está particionado en una primera cámara 30A y una segunda cámara 30B, y los tubos 40 de intercambio de calor están divididos en tres bancos 40A, 40B y 40C. Los tubos del primer banco 40A de tubos tienen extremos de entrada insertados en conectores 50A respectivos que se abren a la primera cámara 20A del tubo colector 20 de entrada, y extremos de salida que se abren a la primera cámara 30A del tubo colector 30 de salida. Los tubos del segundo banco 40B de tubos tienen extremos de entrada insertados en conectores 50B respectivos que se abren a la primera cámara 30A del tubo colector 30 de salida, y extremos de salida que se abren a la segunda cámara 20B del tubo colector 20 de entrada. Los tubos del tercer banco 40C de tubos tienen extremos de entrada insertados en conectores 50C respectivos que se abren a la segunda cámara 20B del tubo colector 20 de entrada, y extremos de salida que se abren a la segunda cámara 30B del tubo colector 30 de salida. De esta manera, el refrigerante que entra en el intercambiador de calor desde la línea 14 de refrigeración pasa 3 veces en relación de intercambio de calor con aire que circula sobre la superficie exterior de los tubos 40 de intercambio de calor, en lugar de una sola vez como ocurre en un intercambiador de calor de paso único. De acuerdo con la invención, el extremo 43 de entrada de cada uno de los tubos de los bancos de tubos primero 40A, segundo 40B y tercero 40C se inserta en el extremo 54 de salida de su conector 50 asociado por lo cual los canales 42 de cada uno de los tubos 40 recibirán una distribución relativamente uniforme de mezcla refrigerante líquido/vapor expandida. La distribución y la expansión del refrigerante tiene lugar cuando el refrigerante pasa al conector desde el tubo colector a través de la abertura 51 que tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña, no sólo cuando el refrigerante pasa al primer banco 40A de tubos, sino también cuando el refrigerante pasa al segundo banco 40B de tubos y al tercer banco 40C de tubos, asegurando de esta manera una distribución más uniforme del refrigerante líquido/vapor cuando éste entra en los canales de flujo de los tubos de cada banco de tubos.

Haciendo referencia ahora a la Figura 12, el intercambiador 10 de calor de la invención se representa en una realización de condensador multi-paso. En la realización multi-paso ilustrada, el tubo colector 120 de entrada está particionado en una primera cámara 120A y una segunda cámara 120B, y el tubo colector 130 de salida también está particionado en una primera cámara 130A y una segunda cámara 130B, y los tubos 140 de intercambio de calor están divididos en tres bancos 140A, 140B y 140C. Los tubos del primer banco 140A de tubos tienen aberturas de extremo de entrada que conducen a la primera cámara 120A del tubo colector 120 de entrada y aberturas de extremo de salida que conducen a la primera cámara 130A del tubo colector 130 de salida. Los tubos del segundo banco 140B de tubos tienen extremos de entrada insertados en conectores 50B respectivos que se abren a la primera cámara 130A del tubo colector 130 de salida, y extremos de salida que se abren a la segunda cámara 120B del tubo colector 120 de entrada. Los tubos del tercer banco 140C de tubos tienen extremos de entrada insertados en conectores 50C respectivos que se abren a la segunda cámara 120B del tubo colector 120 de entrada, y extremos de salida que se abren a la segunda cámara 130B del tubo colector 130 de salida. De esta manera, el refrigerante que entra en el condensador desde la línea 12 de refrigeración pasa tres veces en relación de intercambio de calor con aire que circula sobre la superficie exterior de los tubos 140 de intercambio de calor, en lugar de una sola vez como ocurre en un intercambiador de calor de paso único. El refrigerante que entra en la primera cámara 120A del tubo colector 120 de entrada consiste enteramente en vapor refrigerante, a alta presión, dirigido desde la salida del compresor a través de la línea 14 de refrigeración. Sin embargo, el refrigerante que entra en el segundo banco de tubos y en el tercer banco de tubos consistirá típicamente en una mezcla líquido/vapor cuando el refrigerante se condensa parcialmente al pasar a través de los bancos de tubos primero y segundo. De acuerdo con la invención, el extremo de entrada de cada uno de los tubos de los bancos de tubos segundo 140B y tercero 140C se inserta en los extremos de salida de sus conectores 50B y 50C asociados, por lo cual los canales 42 de cada uno de los tubos recibirán una distribución relativamente uniforme de mezcla refrigerante líquido/vapor expandida. Obviamente, debe apreciarse que la caída de presión a través de las aberturas 51 debe estar limitada para que no exceda un umbral predeterminado para las aplicaciones de condensador, con el fin de no comprometer la eficiencia del intercambiador de calor. Adicionalmente, una persona experta en la técnica de manera ordinaria podrá entender que otras disposiciones multi-paso para los condensadores y los evaporadores también entran en el ámbito de la invención.

Mientras que la presente invención ha sido mostrada y descrita con referencia particular al modo preferido tal como se ilustra en los dibujos, una persona experta en la técnica entenderá que pueden realizarse varios cambios en los detalles tal como se define en las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1.-Un intercambiador (10) de calor constituido por:

un tubo colector (20) que define una cámara (25) para recoger un fluido;

al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor que define una pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos que se extienden de manera longitudinal a través del tubo o los tubos y que tienen una abertura (41) de entrada a la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos; y

un conector o una pluralidad de conectores (50) que tienen un extremo (52) de entrada y un extremo (54) de salida y que definen un camino (55) de flujo de fluido que se extiende desde el mencionado extremo (52) de entrada hasta el mencionado extremo (54) de salida, donde el mencionado extremo de entrada está en comunicación de flujo de fluido con la cámara (25) del mencionado tubo colector (20) a través de una primera abertura (51) y donde el mencionado extremo (54) de salida está en comunicación de flujo de fluido con la abertura (41) de entrada de uno o de todos los tubos (40) multi-canal de intercambio de calor a través de una segunda abertura (53), caracterizados porque la mencionada abertura (51) está constituida por al menos un orificio de expansión de restricción de flujo que tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña.
2.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el camino (55) de flujo de fluido del mencionado conector (50) o de cada uno de los mencionados conectores (50) comprende un camino de flujo de fluido divergente que se expande de manera uniforme en sección recta en la dirección del flujo de fluido a su través desde la mencionada primera abertura (51) hasta la mencionada segunda abertura (53) para distribuir fluido de manera uniforme a través del mencionado camino (55) de flujo a cada canal (42) de flujo de fluido discreto de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos.
3.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, no redonda.
4.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 3 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, rectangular.
5.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 3 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, generalmente ovalada.
6.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo que tiene una sección recta no circular.
7.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 6 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino (55) de flujo seleccionado de entre un grupo de secciones rectas rectangular, triangular o trapezoidal.
8.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino (55) de flujo que tiene una sección recta circular.
9.-Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que la mencionada primera abertura (51) comprende una pluralidad de aberturas (51).
10.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor que está constituido por:

un compresor (60), un condensador (10A) y un intercambiador (10B) de calor por evaporación tal como se describen en la reivindicación 1 conectados en comunicación de flujo de fluido en un circuito refrigerante por lo cual vapor refrigerante a alta presión pasa desde el mencionado compresor (60) al mencionado condensador (10A), un refrigerante a alta presión pasa desde el mencionado condensador (10A) al mencionado intercambiador (10B) de calor por evaporación, y vapor refrigerante a baja presión pasa desde el mencionado intercambiador (10B) de calor por evaporación al mencionado compresor (60).
11.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que la mencionada primera abertura (51) del mencionado conector (50) está constituida por un orificio de expansión.
12.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el camino (55) de flujo de fluido del mencionado conector o de cada uno de los mencionados conectores (50) comprende un camino de flujo de fluido divergente que se expande en sección recta en la dirección del flujo de fluido a su través desde la mencionada primera abertura (51) hasta la mencionada segunda abertura (53).
13.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 12 en el que la mencionada primera abertura (51) del mencionado conector (50) o de cada uno de los mencionados conectores (50) está constituida por un orificio de expansión.
14.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, no redonda.
15.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 14 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, rectangular.
16.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 14 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, generalmente ovalada.
17.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo que tiene una sección recta no circular.
18.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo y se selecciona de entre un grupo de secciones rectas rectangular, triangular o trapezoidal.
19.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo que tiene una sección recta circular.
20.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor está constituido por un intercambiador de calor de paso único.
21.- Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor está constituido por un intercambiador de calor multi-paso.
22.- Una intercambiador de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor es un condensador.
23.- Una intercambiador de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor es un evaporador.