ES2834434T3

ES2834434T3 - Intercambiador de calor

Info

Publication number: ES2834434T3
Application number: ES12717951T
Authority: ES
Inventors: Abbas A Alahyari; John H Whiton; Jules R Munoz; Miad Yazdani
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: EP2697589B1; WO2012142070A1; EP2697589A1; US20140027098A1; CN103477177A; CN103477177B

Abstract

Un intercambiador de calor (10) que comprende: una pluralidad de tubos (12) para estar dispuesto sustancialmente transversal a una dirección del flujo de aire a través del intercambiador de calor (10) y para estar dispuesto en una pluralidad de filas (40, 40a, 40b) de tubos (12) que se extiende sustancialmente a lo largo de la dirección del flujo de aire; una pluralidad de placas (14) sustancialmente integral a al menos dos tubos (12) de la pluralidad de tubos (12), cada placa (14) extendiéndose entre y conectada a los tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12); y una pluralidad de lengüetas (34) dispuesta en la pluralidad de placas (14) sustancialmente transversal al flujo de aire para generar vórtices en el flujo de aire; en donde la pluralidad de lengüetas (34) incluye una primera fila de lengüetas (34), la primera fila de lengüetas (34) se extiende a lo largo de la longitud de tubo (38) entre un par de tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12) y una segunda fila de lengüetas (34), la segunda fila de lengüetas (34) extendiéndose paralela a la primera fila de lengüetas (34) entre el mismo par de tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12); caracterizado por que las puntas (42) de las lengüetas (34) de la primera fila se extienden en una primera dirección común, y en donde las puntas (42) de las lengüetas (34) de la segunda fila se extienden en una segunda dirección común diferente a la primera dirección.

Description

DESCRIPCIÓN

Intercambiador de calor

Antecedentes de la invención

El objeto divulgado en esta memoria se refiere a intercambiadores de calor. Más específicamente, el objeto divulgado se refiere a la configuración de tubos y aletas para intercambiadores de calor. El documento US 2005/109496 describe un intercambiador de calor que tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1. Los intercambiadores de calor de microcanales han representado la construcción típica de intercambiadores de calor para, por ejemplo, aplicaciones de automoción y calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, por sus siglas en inglés), durante varios años. Estos intercambiadores de calor están encontrando una aplicación más amplia en productos HVAC residenciales e incluso aeroespaciales debido a su reducida ocupación de volumen, el costo relativamente bajo y la carga de refrigerante reducida en comparación con otras configuraciones de intercambiadores de calor.

En los intercambiadores de calor de microcanales, el refrigerante líquido o de dos fases fluye a través de pequeños puertos internos a los tubos extruidos. El aire fluye a través de aletas dobladas dispuestas entre los tubos. Debido a la alta densidad de superficie de esta construcción y a la forma plana del tubo típico, estos intercambiadores de calor son propensos a la retención de humedad y condensado y a problemas de acumulación de escarcha. Esto es especialmente problemático cuando los tubos están dispuestos horizontalmente. El agua se acumula en las superficies horizontales de los tubos, lo que da como resultado una mayor resistencia al flujo y térmica, así como la corrosión y picaduras de las superficies de los tubos.

Según el documento US 2005/109496 A1, la tubería del intercambiador de calor incluye al menos un par de tubos que están conectados, y separados por, un miembro de conexión. El miembro de conexión tiene una serie de proyecciones de aleta que se extienden a un ángulo desde el elemento, cada proyección de aleta que tiene una abertura para permitir que el aire pase a través del elemento. La tubería está dispuesta entre los cabezales de un intercambiador de calor en una configuración en ángulo de modo que las aletas se alineen con el flujo de aire que pasa sobre la tubería para mejorar el intercambio de calor.

Un intercambiador de calor que comprende tubos que están conectados y separados por elementos de conexión que incluyen proyecciones que se extienden en ángulo desde los elementos también se describe en el documento FR 1524182 A.

Breve descripción de la invención

De acuerdo con un aspecto de la invención, un intercambiador de calor comprende: una pluralidad de tubos para estar dispuesto sustancialmente transversal a una dirección del flujo de aire a través del intercambiador de calor y para estar dispuesto en una pluralidad de filas de tubos que se extiende sustancialmente a lo largo de la dirección del flujo de aire; una pluralidad de placas sustancialmente integral a al menos dos tubos de la pluralidad de tubos, extendiéndose cada placa entre los tubos adyacentes de la pluralidad de tubos y conectados a ellos; y una pluralidad de lengüetas dispuesta en la pluralidad de placas sustancialmente transversal al flujo de aire para generar vórtices en el flujo de aire. La pluralidad de lengüetas incluye una primera fila de lengüetas, la primera fila de lengüetas se extiende a lo largo de una longitud de tubo entre un par de tubos adyacentes de la pluralidad de tubos, y una segunda fila de lengüetas, la segunda fila de lengüetas se extiende paralela a la primera fila de lengüetas entre el mismo par de tubos adyacentes de la pluralidad de tubos; donde las puntas de las lengüetas de la primera fila se extienden en una primera dirección común, y donde las puntas de las lengüetas de la segunda fila se extienden en una segunda dirección común diferente a la primera dirección.

En realizaciones adicionales, el intercambiador de calor puede comprender adicionalmente las siguientes características:

Al menos un tubo de la pluralidad de tubos puede tener una sección transversal ovalada o en forma de ala.

En una realización, el intercambiador de calor comprende dos o más paletas dispuestas en dos o más filas de paletas en una placa entre tubos adyacentes de la pluralidad de tubos.

En una realización, la paleta tiene una cara de paleta en ángulo con la dirección del flujo de aire.

En una realización, al menos un tubo de la pluralidad de tubos comprende dos o más vías de transporte de fluido. En una realización, el número de vías de transporte de fluido del al menos un tubo está en el intervalo de dos a cuatro.

En una realización, la lengüeta es sustancialmente transversal al flujo de aire para generar vórtices en el flujo de aire. En una realización, la pluralidad de placas forma una superficie arrugada u ondulada.

En una realización, la pluralidad de tubos en una primera fila de tubos de la pluralidad de filas de tubos está sustancialmente escalonado en posición con respecto a la pluralidad de tubos en una segunda fila de tubos adyacente de la pluralidad de filas de tubos .

En otra realización, el intercambiador de calor comprende:

una pluralidad de tubos dispuesto sustancialmente transversal a una dirección del flujo de aire a través del intercambiador de calor y dispuesto en una pluralidad de filas de tubos que se extiende sustancialmente a lo largo de la dirección del flujo de aire,

al menos un tubo de la pluralidad de tubos que incluye dos o más vías de transporte de fluido; y una pluralidad de placas sustancialmente integral a dos o más tubos de la pluralidad de tubos, extendiéndose cada placa entre los tubos adyacentes de la pluralidad de tubos y conectados a ellos.

En una realización, al menos un tubo de la pluralidad de tubos tiene una sección transversal con una relación de aspecto mayor que 1:1, con respecto a una placa sustancialmente horizontal.

En una realización, el número de vías de transporte de fluido del al menos un tubo está en el intervalo de dos a cuatro.

En una realización, una o más paletas están dispuestas en la pluralidad de placas.

En una realización, una o más paletas tienen una cara de paleta alineada sustancialmente paralela a la dirección del flujo de aire.

Breve descripción de los dibujos

El objeto, el cual se considera como la invención, se indica particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones en la conclusión de la memoria descriptiva. Lo anterior y otras características y ventajas de la invención resultan evidentes a partir de la siguiente descripción detallada tomada juntamente con los dibujos adjuntos, en los cuales:

La FIG. 1 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que no pertenece a la invención.

La FIG. 2 es un ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene tubos elípticos;

La FIG. 3 es un ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene tubos en forma de ala;

La FIG. 4 es un ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene paletas de placa;

La FIG. 5 es un ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene múltiples paletas de placa;

La FIG. 6 es un ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene múltiples vías de fluido por tubo;

La FIG. 7 es otro ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene múltiples vías de fluido por tubo;

La FIG. 8 es otro ejemplo más que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene múltiples vías de fluido por tubo;

La FIG. 9 es otro ejemplo más que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que tiene múltiples vías de fluido por tubo;

La FIG. 10 es un ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que incluye lengüetas de placa;

La FIG. 11 es un esquema del flujo de vórtice mediante una realización de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral;

La FIG. 12 es una realización de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral que incluye lengüetas de placa;

La FIG. 13 es otro esquema del flujo de vórtice mediante una realización de un intercambiador de calor de tubos y aletas integral; y

La FIG. 14 es otro ejemplo que no pertenece a la invención de un intercambiador de calor 10.

La descripción detallada explica las realizaciones de la invención, junto con ventajas y características, a modo de ejemplo con referencia a los dibujos.

Descripción detallada de la invención

Se muestra en la FIG. 1 es una estructura de intercambiador de calor 10. En algunos ejemplos, el intercambiador de calor 10 es un intercambiador de calor de microcanales (MCHX, por sus siglas en inglés). El intercambiador de calor 10 tiene una estructura de tubo-aleta integrada donde una pluralidad de tubos 12 está dispuesto con una pluralidad de placas 14 que se extiende entre tubos 12 adyacentes de la pluralidad de tubos 12, y que actúa como aletas en esta estructura. Las placas 14 son sustancialmente integrales a los tubos 12. Un flujo de refrigerante 16, por ejemplo, un refrigerante líquido o de dos fases, se hace fluir a través de la pluralidad de tubos 12. Aunque el término "flujo de refrigerante" se utiliza a lo largo de la presente solicitud, debe apreciarse que cualquier líquido, gas o fluido de dos fases seleccionado se puede hacer fluir a través de la pluralidad de tubos 12 con el propósito de transferir calor. En algunas realizaciones, se dispone la pluralidad de tubos 12 en filas 18. Un flujo de aire 20 fluye sobre la pluralidad de tubos 12 y la pluralidad de placas 14 de manera que se transfiere energía térmica entre el flujo de aire 20 y el flujo de refrigerante 16 mediante el tubo 12 y la estructura de placa 14. En algunas realizaciones, la dirección del flujo de aire 20 es sustancialmente perpendicular al flujo de refrigerante 16.

Haciendo referencia ahora a la FIG. 2, los tubos 12 tienen una sección transversal que mejora el flujo de aire 20 y, por tanto, la transferencia de calor entre el flujo de aire 20 y el intercambiador de calor 10. En algunas realizaciones, como se muestra en la FIG. 2, la sección transversal de los tubos 12 es elíptica o puede tener forma de ala como se muestra en la FIG. 3. Las formas elípticas o de ala reducen el tamaño de la estela detrás de los tubos 12, lo que disminuye la caída de presión y mejora la transferencia de calor. Con referencia a la FIG. 4, las placas 14 incluyen una pluralidad de paletas 22 formada en las placas 14 que se extienden dentro del flujo de aire 20. Las paletas 22 pueden formarse, por ejemplo, mediante una operación de punzonado que corta la placa 14 en tres lados de la paleta 22 y pliega la paleta 22 a su posición, dando como resultado una abertura 24 de la placa en la placa 14. En algunas realizaciones, las paletas 22 tienen cada una, una cara 42 de paleta que está alineada sustancialmente paralela al flujo de aire 20. Como se muestra en la FIG. 5, las placas 14 están configuradas con múltiples filas de múltiples paletas 22 entre tubos 12 adyacentes. La utilización de paletas 22 y aberturas de placa 24 permite reducir el volumen de material y refrigerante en comparación con un intercambiador de calor de microcanales convencional y permite el drenaje de condensado a través de las aberturas de placa 24 para reducir la acumulación de condensado/hielo y/o la corrosión.

En algunas realizaciones, las placas 14 entre tubos 12 adyacentes son sustancialmente iguales en la longitud 26 de placa. Sin embargo, debe apreciarse que la longitud 26 de placa puede variar según se desee. En algunas realizaciones, como también se muestra en la FIG. 2, los tubos 12 en una primera fila 18a de tubos 12 pueden estar desplazados o escalonados con respecto a una segunda fila 18b adyacente de tubos 12 a lo largo de una longitud 30 del intercambiador de calor 10 para poder proporcionar una estructura más compacta y aumentar la transferencia de calor entre el flujo de aire 20 y el flujo de refrigerante 16.

Haciendo referencia ahora a la FIG. 6, se desea aumentar la distancia entre los tubos 12 o reducir el número de tubos 12 porque la transferencia de calor mediante las placas 14 es muy eficaz. Además, la reducción de un número de tubos 12 reduce las conexiones necesarias de los tubos 12 a un cabezal (no mostrado) que distribuye el flujo de refrigerante 16 a los tubos 12. Sin embargo, una reducción del número de tubos 12 por sí sola aumenta la caída de presión del flujo de refrigerante para la misma capacidad y caudales. Además, una reducción del número de tubos 12 combinada con un aumento en el área de la sección transversal de los tubos 12 para aumentar la capacidad de flujo, da como resultado una reducción en la transferencia de calor debido a un aumento en el diámetro hidráulico de los tubos 12 y un reducción del área total de transferencia de calor del lado del refrigerante.

Los ejemplos de las FIGs. 6-8 abordan este problema proporcionando múltiples vías de refrigerante más pequeñas 32 en cada tubo 12 de la pluralidad de tubos 12. Como se muestra en las FIGs. 6, 7 y 8, respectivamente, se pueden disponer dos, tres o cuatro vías 32 en cada tubo 12 para disminuir la caída de presión en comparación con un tubo 12 de tamaño similar con una única vía mientras se aumenta la capacidad de transferencia de calor del tubo 12 y se reduce las conexiones al cabezal. Si bien es posible incluir más de cuatro vías 32 en el tubo 12, la eficacia de la transferencia de calor de las vías adicionales disminuirá ya que la conducción de calor de las vías más internas será limitada en comparación con las vías más externas. Como se muestra en la FIG. 9, las paletas 22 se pueden utilizar con estas configuraciones de vías 32 múltiples para aumentar la transferencia de calor y proporcionar el drenaje de condensado a través de las aberturas 24 de la placa.

Haciendo referencia ahora a la FIG. 10, el intercambiador de calor 10 puede incluir generadores de vórtice, por ejemplo, lengüetas 34 dispuestas a lo largo de la placa 14. Las lengüetas 34 están orientadas a través del flujo de aire 20, como se muestra esquemáticamente en la FIG. 11, con el fin de generar vórtices 36 en sentido de la corriente en el flujo de aire 20 cuando el flujo de aire pasa a lo largo de la placa 14. La presencia de vórtices 36 puede aumentar la transferencia de calor entre la placa 14 y el flujo de aire 20. Haciendo referencia de nuevo a la FIG. 10, las lengüetas 34 son de forma triangular, o pueden tener otras formas, por ejemplo, trapezoidal o asimétricamente poligonal, o similar, para generar los vórtices 36 deseados. Las lengüetas 34 están dispuestas en filas 40 que se extienden a lo largo de una longitud de tubo 38, con múltiples filas, por ejemplo, dos o tres filas de lengüetas 34 entre los tubos 12 adyacentes. Las posiciones de las lengüetas 34 en una primera fila 40a pueden estar escalonadas con respecto a las posiciones de las lengüetas 34 en una segunda fila 40b, o pueden estar alineadas, dependiendo del vórtice 36 deseado.

Comparando las FIG. 10 y 12, se puede ver que en algunos ejemplos que las lengüetas 34 están alineadas de manera que una punta 42 de lengüeta de las lengüetas 34 están orientadas en la misma dirección, mientras que de acuerdo con la invención como se muestra en la FIG. 12, las puntas 42 de las lengüetas de las lengüetas 34 o las filas de las lengüetas 34 están orientadas en direcciones opuestas. Además, como se muestra en la FIG. 13, las lengüetas 34 se pueden ubicar y orientar para aumentar la fuerza de los vórtices 36 a lo largo de la placa 14.

Haciendo referencia a la FIG. 14, en algunas realizaciones, las placas 14 pueden no ser sustancialmente planas, pero pueden tener una forma ondulada o arrugada para tener además un efecto deseado sobre el flujo de aire 20, tal como una mayor generación de vórtices. La placa 14 ondulada se puede utilizar junto con las paletas 22 y/o lengüetas 34.

Si bien la presente descripción se ha descrito en detalle en relación con solo un número limitado de realizaciones, debería entenderse fácilmente que la invención no está limitada a tales realizaciones descritas. Más bien, la invención se puede modificar para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes no descritas hasta ahora, pero que son acordes con el alcance de la invención. Además, aunque se han descrito varias realizaciones de la invención, debe entenderse que los aspectos de la invención pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la presente descripción no debe verse como limitada por la descripción anterior, sino que solo está limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un intercambiador de calor (10) que comprende:

una pluralidad de tubos (12) para estar dispuesto sustancialmente transversal a una dirección del flujo de aire a través del intercambiador de calor (10) y para estar dispuesto en una pluralidad de filas (40, 40a, 40b) de tubos (12) que se extiende sustancialmente a lo largo de la dirección del flujo de aire;

una pluralidad de placas (14) sustancialmente integral a al menos dos tubos (12) de la pluralidad de tubos (12), cada placa (14) extendiéndose entre y conectada a los tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12); y

una pluralidad de lengüetas (34) dispuesta en la pluralidad de placas (14) sustancialmente transversal al flujo de aire para generar vórtices en el flujo de aire;

en donde la pluralidad de lengüetas (34) incluye una primera fila de lengüetas (34), la primera fila de lengüetas (34) se extiende a lo largo de la longitud de tubo (38) entre un par de tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12) y una segunda fila de lengüetas (34), la segunda fila de lengüetas (34) extendiéndose paralela a la primera fila de lengüetas (34) entre el mismo par de tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12); caracterizado por que las puntas (42) de las lengüetas (34) de la primera fila se extienden en una primera dirección común, y en donde las puntas (42) de las lengüetas (34) de la segunda fila se extienden en una segunda dirección común diferente a la primera dirección.

2. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 1, en donde la pluralidad de lengüetas (34) es sustancialmente triangular o trapezoidal.

3. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 1, en donde al menos un tubo (12) de la pluralidad de tubos (12) tiene una sección transversal con una relación de aspecto mayor que 1:1, con respecto a una placa (14) sustancialmente horizontal.

4. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 1, en donde al menos un tubo (12) de la pluralidad de tubos (12) tiene una sección transversal ovalada o en forma de ala.

5. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 3, en donde al menos un tubo (12) de la pluralidad de tubos (12) comprende dos o más vías de transporte de fluido.

6. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 4, en donde el número de vías de transporte de fluido del al menos un tubo (12) está en el intervalo de dos a cuatro.

7 .El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 1, que comprende además una o más paletas (22) dispuestas en la pluralidad de placas (14).

8. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 6, que comprende además dos o más paletas (22) dispuestas en dos o más filas de paletas en un placa (14) entre tubos (12) adyacentes de la pluralidad de tubos (12).

9. El intercambiador de calor (10) de la reivindicación 7 u 8, en donde una o más paletas (22) tienen una cara de paleta alineada sustancialmente paralela a la dirección del flujo de aire.