MXPA98004319A - Montaje de intercambiador de calor y ventilador - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un montaje que comprende:un ventilador que tiene un eje y que incluye un impulsor;el impulsor tiene una primera porción que tiene un radio de barrido de entrada y una segunda porción que tiene un radio de barrido de salida con el radio de barrido de salida siendo mayor que el radio de barrido de entrada;una cubierta que define una abertura separada axialmente desde la segunda porción y dicha cubierta estáubicada radialmente hacia fuera de y en contacto con por lo menos una parte de la primera porción;dicha segunda porción tiene una extensión radial mayor que dicha abertura;medios para soportar la cubierta;medios de motor para impulsar el ventilador;una resistencia de flujo separada axialmente desde la segunda porción;mediante lo cual cuando los medios de motor impulsan el ventilador, el ventilador actúa como un ventilador de flujo mixto con el fin de producir una presión estática incrementada.

Description

MONTAJE DE INTERCAMBIEADOR DE CALOR Y VENTILADOR DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los intercambiadores de calor de aire a refrigerante se utilizados comúnmente en sistemas de acondicionamiento de aire y refrigeración para intercambiar calor entre un refrigerante y el aire ya que los dos fluidos fluyen a través del intercambiador de calor. En general, mientras mayor sea la velocidad de flujo de aire a través del intercambiador de calor, mejor será el rendimiento de transferencia de calor del intercambiador de calor. El intercambiador de calor de aire a refrigerante tipico usado en un sistema de acondicionamiento de aire o refrigeración es del tipo de aleta y tubo. En un intercambiador de calor de aleta y tubo, el refrigerant'e fluye a través de una trayectoria de flujo cerrada dentro de una disposición de tubos en el intercambiador de calor. El aire fluye sobre el exterior de los tubos. Hay una pluralidad de aletas que se extienden desde la superficie externa de los tubos con el fin de aumentar el área de superficie y por lo tanto el rendimiento de transferencia de calor del tubo. Estando otras variables iguales, debe haber cierto flujo de aire mínimo a través de un intercambiador de calor que tiene un área de transferencia de calor de refrigerante a aire dada para el sistema de manera que el intercambiador sirve para ser capaz de funcionar a su capacidad calculada.

Los diseñadores de los sistemas de acondicionamiento de aire constantemente se ven comprometidos en los esfuerzos para mejorar sus productos. Un objetivo de diseño común es proporcionar la capacidad de enfriamiento o calentamiento máxima posible en el alojamiento u espacio disponible más pequeño posible. De manera casi inevitable, los cambios en la configuración que mejoran un aspecto de un sistema conducen a problemas en otro. Por ejemplo, un diseñador de un intercambiador de calor puede encontrar que es deseable reducir el volumen total y el área de superficie total frontal de un intercambiador de calor, al tiempo que se mantiene el área de transferencia de calor necesaria para lograr la capacidad requerida, disponiendo los tubos del intercambiador de calor en filas múltiples. Debido a que el número de filas de tubo aumenta, la resistencia al flujo de aire a través del intercambiador de calor también aumenta. Por lo tanto, al aumentar el número de filas de tubo a través de las cuales el aire en el intercambiador de calor debe pasar a realizar la tarea del diseñador de la porción de movimiento de air* del sistema más"^difícil ya que el diseñador debe proporcionar una disposición de ventilador que pueda proporcionar la velocidad de flujo de aire necesaria a través del intercambiador de calor. Los cambios en la trayectoria de fluido que el flujo de aire debe seguir también pueden causar la resistencia al flujo de aire.

Para superar la pérdida de presión a través del intercambiador de calor de fila de tubos múltiples, el ventilador que mueve el aire a través del intercambiador de calor debe producir una presión diferencial relativamente alta en el flujo de aire a través del mismo. Los ventiladores de flujo axial puro generalmente no son capaces de producir la presión diferencial requerida sin presentar desventajas severas en el rendimiento. Por ejemplo, si se utiliza en tal aplicación un ventilador de flujo axial que tiene una campana relativamente pequeña y aspas largas, abra grandes perdidas en la periferia del área de barrido del impulsor del ventilador. Estas pérdidas pueden evitarse usando un ventilador de flujo axial con una campana relativamente grande y aspas cortas pero entonces la distribución del flujo de aire a través del intercambiador de calor será menor que la óptima y el rendimiento térmico del sistema sufrirá. Algunas de las perdidas asociadas con la producción de presiones diferenciales altas con un ventilador de flujo axial pueden reducirse haciendo un espacio entre las puntas del impulsor del «-ventilador y el orificio circundante definiendo la cubierta muy pequeña. Lograr el espacio pequeño necesario en la fabricación típica y la operación de ensamblado puede ser difícil y costoso y el diseñador debe adoptar las medidas para asegurar que el espacio pueda mantenerse a lo largo de la vida del sistema con poco o ningún mantenimiento. Un ventilador de flujo mixto combina en un ventilador individual las características de flujo tanto de los ventiladores de flujo centrífugo como axial. En tal ventilador, una porción de una aspa de impulsor dada imparte movimiento axial al aire que fluye a través del impulsor mientras que otra porción del aspa imparte movimiento centrífugo. Tal ventilador es capaz de crear diferencias de presión relativamente altas cuando está operando con una resistencia de flujo descendente relativamente alta y por lo tanto velocidades de flujo de aire relativamente altas en comparación con, por ejemplo, un ventilador de flujo únicamente axial que opera en un ambiente similar. Los ventiladores de flujo mixto de la técnica anterior típicamente han tenido configuraciones de campana de impulsor que promueven una transición en el aire que entra y el flujo a través del ventilador desde una dirección axial a una radial. Estas configuraciones de la campana generalmente aumentan el diámetro en una dirección ascendente • a descendente. Tales - campanas presentan problemas de fabricación, en especial si se va a hacer un impulsor de ventilador de plástico mediante un proceso de moldeado. El rendimiento de un ventilador de flujo mixto es menos sensible al espacio de la punta del aspa del impulsor a la cubierta q?e un ventilador de flujo axial. Lo que se necesita es un ventilador en combinación con un intercambiador de calor que tiene una resistencia al flujo de aire relativamente alta en donde el ventilador puede producir de manera eficiente el flujo de aire requerido a través del intercambiador de calor. La configuración del impulsor del ventilador debe ser tal que el impulsor puede hacerse mediante un proceso de moldeado. Esta invención se refiere generalmente a sistemas de refrigeración y de acondicionamiento de aire. En forma más particular, la invención se refiere a la configuración y a la disposición de un ventilador que 'mueve aire protegido y un intercambiador de calor de aire a refrigerante que promueve el flujo de aire incrementado a través del intercambiador de calor y por lo tanto la transferencia de calor mejorada. La invención también es adaptable para usarse en sistemas enfriadores de motor y aplicaciones similares. Una modalidad de la presente invención es un ventilador y un montaje de intercambiador de calor en donde el intercambiador de calor crea una resistencia de flujo de aire relativamente alta. El ventilador es del tipo de flujo mixto que produce flujo de aire tanto axial como radial a través del mismo. El montaje incluye un impulsor y una cubierta fija que guía y hace girar el flujo de aire a través del impulsor del ventilador hacia la cara ascendente del intercambiador de calor en donde el int ercambiador de calor se ubica en forma descendente. En otra modalidad, el intercambidor de calor se ubica en forma ascendente respecto al ventilador y hay un bloqueo de flujo descendente del ventilador tal como un bloque de motor o una pared, el ventilador extrae aire a través del intercambiador de calor y proporciona por lo menos una descarga radial parcial para reducir las perdidas de energía del flujo causadas por el choque en el bloqueo de flujo descendente. Para lograr esencialmente un descenso en el diseño, el orificio o cubierta del ventilador axial tradicional se acorta y las aspas del impulsor se extienden radialmente en la porción descendente del orificio o cubierta del ventilador. Deberá notarse que s'i la resistencia descendente es baja, la dirección de flujo es predominantemente axial y esta condición será inadecuada para lograr los beneficios de la presente invención. Si, sin embargo, la resistencia descendente es alta o sustancialmente bloqueada de manera que el flujo es forzado a girar radialmente, el flujo cerca de las puntas de las aspas tiene componentes radiales mayores con las aspas actuando mediante estos de manera semejante a las aspas de un ventilador centrifugo y generando una presión estática superior para tener más flujo a través de la resistencia descendente y/o para dirigir radialmente el flujo. Adicionalmente, debido al componente radial, habrá perdidas de energía de flujo disminuidas causadas por el choque en e] caso de un bloqueo descendente. El factor de solidez aparente del aspa del impulsor es menor que uno y, a diferencia de muchos ventiladores de flujo mixto de la técnica anterior, la campana del impulsor generalmente tiene forma cilindrica, ambos aspectos facilitan la fabricación del impulsor en una pieza usando un proceso de moldeado. Un objetivo de esta invención es proporcionar una presión estática superior. Otro objetivo de esta invención es proporcionar un ventilador adecuado para operación en un espacio hermético. Un objetivo adicional en esta invención es hacer el mejor uso del espacio limitado disponible como en las aplicaciones de ventiladores axiales existentes. Un objetivo adicional de esta invención es proporcionar un ventilador axial modificado adecuado para uso en combinación con una alta resistencia descendente. Estos y otros objetos serán evidentes más adelante, llevados a cabo mediante la presente invención. Básicamente, un ventilador axial convencional* se modifica reduciendo la extensión axial del orificio o cubierta del ventilador y aumentando la extensión radial de las aspas del impulsor del ventilador que se extienden radialmente en la porción descendente del orificio o cubierta del ventilador.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista pictórica parcialmente cortada de una porción de la unidad de acondicionador de aire terminal empacada, PTAC, que emplea el ventilador de la presente invención. La Figura 2 es una vista superior de la estructura de la Figura 1. La Figura 3 es una vista parcialmente en sección del montaje de intercambiador y ventilador de la presente invención. La Figura 4 es una vista que corresponde a la Figura 3 y que muestra un dispositivo de la TÉCNICA ANTERIOR. La Figura 5 es una vista que corresponde a la Figura 3 y que muestra una aplicación de refrigeración de transporte, y La Figura 6 es un diagrama para ayudar a definir el término "solidez aparente del aspa". En las Figuras 1-3 el número 10 designa de manera general un montaje de intercambiador de calor y ventilador tal como puede encontrarse en una unidad PTAC o acondicionador de aire terminal empacado. El montaje 10 incluye el intercambiador de calor 12, la cubierta estacionaria u anillo de orificio 14 del montaje de orificio del condensador y el ventilador 16. El anillo 14 del orificio o cubierta está soportado preferiblemente mediante el miembro 13 de soporte integral. El intercambiador de calor 12 tiene lü cara ascendente 12-1. El ventilador 16 incluye el impulsor 16-1, la campana 16-2, una pluralidad de aspas 16-3 con el anillo embragador integral 16-4 y es impulsado mediante el motor 18 alrededor del eje A-A. Preferiblemente el impulsor 16-1, la campana 16-2, las aspas 16-3 y el anillo embragador 16-4 son de plástico moldeado por inyección y constituyen una pieza individual. Como se muestra mejor en la Figura 3, la punta 16-3a de cada aspa 16-3 es de extensión radial variable y puede tener un ángulo de salida curvo hacia atrás. De manera específica, las- porciones de borde de avanzada o ascendentes de las aspas 16-3 están separadas radialmente desde y dentro de la abertura 14-1 en el anillo del orificio o cubierta fija 14 y definen el radio de barrido de entrada del impulsor 16-1. Las aspas 16-3 tienen un borde de punta extendido o tira de paleta 16-3a que están separadas axialmente desde el anillo del orificio o cubierta fija 14, que tiene una extensión radial por lo menos nominalmente igual a aquella de la abertura 14-1 y que define el radio de barrido de salida ^del impulsor 16-1. La extensión radial aumentada de las tiras de paleta 16-3a pueden estar en el orden de 0.635cm (0.25 pulgadas) con el diámetro externo del anillo embragador 16-4 que define la dimensión radial externa máxima normal de las tiras de paleta 16-3a. Tanto la extensión axial reducida del anillo de orificio 14 como la provisión de las tiras de paleta 16-3a son necesarias de manera que el ventilador 16 pueda hacer una disminución en el reemplazo en un diseño de la técnica anterior convencional al tiempo que se logran los beneficios de la presente invención. La presente invención puede apreciarse mejor con referencia a la Figura 4 que es una vista de un dispositivo de la TÉCNICA ANTERIOR que corresponde a la Figura 3 y con una estructura correspondiente numerada desde el número 100. Al comparar las Figuras 3 y 4, es fácilmente evidente que el anillo del orificio o cubierta 14 es de una extensión axial menor que la cubierta 114 y que las aspas 16-3, debido a la presencia de la tira de paleta 16-3a, tienen una extensión radial mayor con su mayor extensión radial descendente de la cubierta 14 mientras que las aspas 116-3 tienen su extensión axial mayor radialmente hacia adentro de la abertura 114-1 de la cubierta 114. La combinación de estos dos aspectos cambia el flujo axial del ventilador 116 al flujo mixto del ventilador 16 con la presión elevada siendo la suma de la acción aerodinámica que se encuentra en los ventiladores axiales más la acción centrifuga que resulta del cambio de radio. Con referencia a las Figuras 1 y 2, se notará en virtud de las flechas que indican el flujo que hay dos entradas o trayectorias de flujo que suministran al ventilador 16. En la unidad PTAC ilustrada, el flujo desde el lado izquierdo pasa sobre y enfría el compresor (no ilustrado) mientras que el flujo desde el lado derecho representa el aire del ambiente. El intercambiador de calor 12 es descendente del ventilador 16 y representa una resistencia de flujo. Sin embargo, la presión estática incrementada debido a la acción centrifuga causa un flujo mayor a través del intercambiador de calor 12 de lo que lo haría el "ventilador 116 si las únicas diferencias fueran la presencia de las tiras de paleta 16-3a y el acortamiento de la extensión axial del anillo de orificio 114. Asumiendo que el ventilador 116 fuera adecuado para el diseño, el uso del ventilador 16 representa la capacidad extra que puede acomodar un incremento en el intercambiador de calor 12 y por lo tanto en la capacidad del sistema o puede permitir el uso de un ventilador menor. En el montaje 10 del intercambiador de calor y ventilador de las Figuras 1-3, el intercambiador de calor 12 es una resistencia de flujo, pero el flujo no se efectúa a través del intercambiador de calor 12 facilitado por la presión estática .incrementada . En la refrigeración de transportes, por ejemplo, la unidad de refrigeración se ubica completamente en el exterior del remolque con el fin de aumentar al máximo el espacio de carga y la unidad de refrigeración se hace tan compacta como sea posible para permitir ser colocada entre la cabina del remolque y éste al mismo tiempo permite la articulación necesaria para que el carro haga giros. En consecuencia, el diseño puede tener un ventilador que extrae aire a través del intercambiador de calor y lo descarga contra una pared antes de fluir en la estructura de distribución de aire. Alternativamente, el ventilador puede extraer aire a través del radiador y descargar el aire de manera que el bloque del motor constituye un bloqueo del flujo respecto al flujo axial. La presente invención reduce la cantidad de aire que choca sobre una pared o similar ya que el componente centrifugo es una descarga radial. La Figura 5 ilustra la adaptación de la presente invención a la refrigeración de transportes y generalmente corresponde a la modificación de la Figura 3 al colocar el intercambiador de calor o radiador 12 en forma ascendente respecto al ventilador 16 y la pared sólida o bloque de motor 212 ubicado en forma descendente respecto al ventilador 16. Debido a que hay un componente axial de la salida del ventilador, algo del aire chocará contra el bloque del motor o pared 212, pero la porción centrifuga descargada radialmente será descargada sin choque con el bloque de motor o pared 212. Para que el impulsor 16-1 pueda fabricarse en una sola pieza mediante un proceso de moldeado, es necesario que la campana 16-2 sea generalmente cilindrica. La enseñanza de la técnica anterior ha sido que un ventilador de flujo mixto requiere una campana de impulsor que tiene una configuración, por ejemplo cónica, que promueve la transición do flujo axial a radial. La campana 16-2, aunque es cilindrica, puede tener el mismo efecto. Durante la operación, hay una capa de aire separada a lo largo de la superficie cilindrica de la campana. El espesor de la capa de flujo separada aumenta desde arriba hacia abajo a lo largo de la superficie. La capa que se hace más gruesa en la campana actúa para girar el flujo entrante de una manera muy similar a la campana del impulsor de flujo mixto de la técnica anterior. La capa de flujo separada no afecta de manera significativa el rendimiento de flujo del ventilador. La fabricación del impulsor 16-1 en una sola pieza mediante un proceso de moldeado también requiere que el' impulsor tenga un factor de solidez aparente del aspa menor que 1. La Figura 6 muestra dos aspas 16-3 del impulsor adyacentes. Las aspas se fijan a un ángulo ? escalonador. La separación s del aspa es la separación entre dos puntos similares sobre las aspas adyacentes. Las aspas 16-3 tienen la longitud c de la cuerda. El factor de solidez del aspa (s) es la longitud de la cuerda dividida entre la separación del aspa, o s=c/s. La longitud de la cuerda aparente es c' , en donde c'= c sen d. El factor de solidez del aspa aparente (s' ) es la longitud de la cuerda aparente dividida entre la separación del aspa, o s' =c'/s. Si el factor de solidez del aspa aparente en un impulsor es menor que uno, no hay traslape de la cuchilla que haga posible moldear tal impulsor en una pieza. Para lograr el rendimiento óptimo, el ventilador de la presente invención debe trabajar contra una contrapresión de escape relativamente alta. Para lograr esto en un flujo a través de la configuración, es necesario que la porción del ducto de la cubierta dirija esencialmente toda la descarga del ventilador contra la cara ascendente del intercambiador de calor y que el intercambiador de calor sea colocado relativamente próximo al impulsor del ventilador extremo descendente, es decir que la distancia entre el impulsor y la cara ascendente sea del orden de dos veces el radio de barrido máximo del .impulsor o menos. Para lograr esto en una extracción a través de la disposición con una configuración de flujo de descarga desviado o bloqueado, la estructura de distribución de flujo de la trayectoria de flujo debe ser tal que por lo menos una porción del flujo se dirija radialmente hacia afuera del impulsor.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES ]. Un montaje caracteri ado porque comprende: un ventilador que tiene un eje y que incluye un impulsor; el impulsor tiene una primera porción que tiene un radio de barrido de entrada y una segunda porción que .tiene un radio de barrido de salida con el radio de barrido de salida siendo mayor que el radio de barrido de entrada; una cubierta separada axialmente desde la segunda porción y ubicada radialmente hacia afuera de y que hace contacto con por lo menos una parte de la primera porción; medios para soportar la cubierta; medios de motor para impulsar el ventilador; una resistencia de flujo separada axialmente desde la segunda porción; mediante lo cual cuando los medios de motor impulsan el ventilador, el ventilador actúa como un ventilador de flujo mixto con el fin de producir una presión estática incrementada.
2. 2. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la resistencia de flujo es un intercambiador de calor. - - 3. El montaje de conformidad con la reivindicación , caracterizado porque la resistencia de flujo es un miembro sólido. A . El montaje de conformidad con la reivindicación 3, caract rizado porque la resistencia de flujo se ubica en ior a descendente respecto al ventilador. 5. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la segunda porción tiene una porción que está curva hacia atrás. 6. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ventilador tiene una campana generalmente cilindrica. 7. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ventilador tiene un factor de solidez aparente aspado menor que uno. 8. El montaje de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el ventilador incluye un miembro individual que define una campana y tal impulsor. 9. El montaje de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el miembro individual incluye además un anillo embragador.