PL248306B1 - Wymiennik ciepła - Google Patents

Abstract

Wymiennik ciepła zawiera ułożone do siebie równolegle minikanały (1), połączone z jednej strony kolektorem zasilającym (2), zaś z drugiej strony kolektorem powrotnym (4) oraz zawiera przewody (4) dla czynnika roboczego. Wewnątrz kolektora zasilającego (2) oraz kolektora powrotnego (3) jest wkładka dystrybucyjna (5), którą stanowi pręt, na którym osadzone są równolegle do siebie dyski. Pręt jest równoległy do długości kolektora (2, 3), w którym wkładka dystrybucyjna (5) jest umieszczona.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest minikanałowy wymiennik ciepła do zastosowania zwłaszcza jako parownik.

Znane są rozwiązania stosowane w wymiennikach ciepła, których zadaniem jest poprawa wymiany ciepła przez redukcję oporów przepływu, ograniczające napełnienie czynnikiem roboczym lub ułatwiające oszranianie, zwłaszcza w wymiennikach ciepła stosowanych w technice chłodniczej i pompach ciepła.

Z opisu patentowego PL235694B1 znany jest zespół wymiany ciepła dla urządzeń z pompą ciepła, zwłaszcza parownik urządzenia do wytwarzania i magazynowania lodu, który zawiera dwa takie same wymienniki ciepła włączone równolegle w obieg czynnika termodynamicznego kolektorami dolotowymi i kolektorami wylotowymi. Kolektory dolotowe połączone są z kolektorami wylotowymi poprzez prostopadłe do nich rurowe kanały przepływu. Końcowe odcinki przyłączeń kanałów przepływu do kolektora wylotowego odgięte są od wspólnej dla obu wymienników płaszczyzny radiatora o wymiar większy niż połowa sumy średnic zewnętrznych kolektorów dolotowego i wylotowego. Wzdłużnie do wnętrza kolektorów dolotowych wprowadzone są rurowe dystrybutory dyszowe, mające na pobocznicy wiele otworów dyszowych, które skierowane są współosiowo do kanałów przepływu. Średnice otworów dyszowych kolejno zwiększają się od końca doprowadzenia czynnika termodynamicznego. Dystrybutory dyszowe pierwszego i drugiego wymiennika wbudowane są w sąsiadujące końce obu kolektorów dolotowych. Wymienniki ciepła nałożone są na siebie tak, że ich prostoliniowe, długie odcinki kanałów przepływu sąsiadują naprzemiennie ze sobą w płaszczyźnie radiatora i spojone są cieplnie jedną, wspólną płytą radiatora.

Z opisu zgłoszeniowego wynalazku PL436097A1 znany jest wlotowy dystrybutor przepływu dla płytowego wymiennika ciepła, który przeznaczony jest do zastosowania w płytowych wymiennikach ciepła, w których jeden czynnik kontaktowy stanowi mieszaninę dwufazową ciecz-para. Płytowy wymiennik ciepła utworzony jest z zespołu płyt zestawionych ze sobą z zachowaniem odstępów, w których, pomiędzy każdymi dwiema płytami, utworzone są kanały przepływowe. Każda z płyt posiada zestaw wyciętych otworów, które wkomponowane w przynależny im kolektor zasilający czy kolektor wylotowy czynnika kontaktowego pełnią funkcję otworów wlotowych i otworów wylotowych kanałów przepływowych dla pierwszego oraz drugiego czynnika kontaktowego w wymienniku ciepła, co pozwala każdemu czynnikowi wpływać i wypływać z międzypłytowych kanałów przepływowych, czemu towarzyszy wymiana ciepła. Ten znany wlotowy dystrybutor zbudowany jest z zainstalowanego na wlocie kolektora zasilającego króćca zasilającego, w którego kanale płynie czynnik kontaktowy dwufazowy o fazie ciekłej i fazie gazowej oraz co najmniej jednej poziomej przegrody, która końcem zamontowana jest w wewnętrznej powierzchni pobocznicy króćca zasilającego. W pozostałej swojej części, od króćca zasilającego, poprowadzona jest w kolektorze zasilającym, wzdłuż części jego długości w kierunku dalszych jego kanałów przepływowych i która rozdziela wzdłuż swoich poziomych powierzchni wprowadzony do kolektora zasilającego czynnik kontaktowy dwufazowy na dwa strumienie, z których dolny każdej poziomej przegrody w kolektorze zasilającym prowadzony jest wzdłuż jego długości w kierunku dalszych od otworu wlotowego kolektora zasilającego kanałów przepływowych.

W opisie patentowym US6688137B1 został ujawniony lutowany wymiennik ciepła, który posiada system dystrybucji przepływu dwufazowego czynnika chłodniczego o poprawionych właściwościach cyrkulacyjnych. Wlotowy przewód kolektora ma równoległe przewody połączone ze sobą za pomocą kolana powrotnego, przy czym dolny koniec drugiego przewodu przepływowego jest płynnie połączony z górnym końcem pierwszego przewodu przepływowego w celu zamknięcia obwodu. Przewód pierwszego kolektora ma wiele otworów wylotowych w ścianie, aby umożliwić przepływ dwufazowego czynnika chłodniczego do kanałów przepływowych wzdłuż jego długości. Dysza na końcu przewodu kolektora zapewnia stosunkowo dużą prędkość strumienia przepływu czynnika chłodniczego, który zapobiega rozwarstwieniu czynnika.

Z opisu zgłoszeniowego wynalazku CN111397253 znany jest układ dystrybucji czynnika roboczego w mikrokanałowym wymienniku ciepła. Składa się on z rury zbiorczej i rury wewnętrznej wprowadzającej czynnik do wymiennika. Wewnętrzna rura wprowadzająca czynnik jest umieszczona w rurze zbiorczej i może go w niej prowadzić lub odprowadzać go z tej rury zbiorczej. Część rury wprowadzającej jest wygięta i skierowana do góry, przy czym przekrój poprzeczny tej rury zmniejsza się. Na końcu tej rury wprowadzającej, w części o najmniejszym przekroju poprzecznym znajduje się wiele otworów strumieniowych, przez które wprowadzany jest czynnik roboczy. To znane rozwiązanie może zwiększyć prędkość przepływu czynnika chłodniczego, zwiększyć stopień pełnego wymieszania czynnika chłodniczego po wytryśnięciu czynnika chłodniczego z otworów strumieniowych i może korzystnie poprawić jednorodność przepływu dwufazowego czynnika chłodniczego typu para-ciecz.

W znanych minikanałowych wymiennikach ciepła, stosowanych jako parowniki, problemem jest odpowiednia dystrybucja dwufazowego czynnika w jego wnętrzu, a szczególnie równomierne zasilanie poszczególnych kanałów, a także zapewnienie ich stabilnej pracy. W tych znanych wymiennikach ciepła, pracujących jako skraplacze, para czynnika roboczego zasilającego kolektor wymiennika rozpływa się równomiernie i wpływa, w sposób równomierny do poszczególnych kanałów na skutek zachodzenia zjawiska skraplania. W przypadku zastosowania minikanałowego wymiennika ciepła jako parownika, jest on zasilany parą mokrą, która zawsze ma tendencję do separacji w kolektorze zasilającym oraz powrotnym, a ponadto wysokie opory przepływu, charakterystyczne dla procesu wrzenia, utrudniają dopływ czynnika do poszczególnych minikanałów. Proces wrzenia czynnika roboczego w minikanałach może także powodować destabilizację pracy części wymiennika, polegającą na tym, że w poszczególnych kanałach następuje odwrotny kierunek przepływu od właściwego, w związku z czym na części wymiennika możliwe jest utworzenie wewnętrznych stref cyrkulacji czynnika, co wyłącza tę część wymiennika z właściwej pracy.

Celem wynalazku jest ujednorodnienie przepływu czynnika w kolektorze wlotowym oraz kolektorze wylotowym, a co za tym idzie stabilizację pracy wymiennika ciepła pracującego jako parownik.

Wymiennik ciepła zawierający ułożone do siebie równolegle minikanały, połączone z jednej strony kolektorem zasilającym, zaś z drugiej strony kolektorem powrotnym oraz zawierający przewody dla czynnika roboczego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wewnątrz kolektora zasilającego oraz kolektora powrotnego jest wkładka dystrybucyjna, którą stanowi pręt, na którym osadzone są równolegle do siebie dyski, przy czym pręt jest równoległy do długości kolektora, w którym wkładka dystrybucyjna jest umieszczona.

Korzystnie dyski na pręcie wkładki dystrybucyjnej rozmieszczone są równomiernie, zaś stosunek średnicy pręta do średnicy dysku wynosi od 0,1 do 0,9, przy czym stosunek średnicy dysku do średnicy kolektora wynosi od 0,5 do 0,9.

Dalsze korzyści uzyskiwane są, jeżeli stosunek odległości dwóch sąsiadujących dysków wkładki dystrybucyjnej do odległości od siebie dwóch sąsiadujących minikanałów wynosi od 1 do 3, zaś stosunek grubości dysku do odległości dwóch sąsiadujących dysków wkładki dystrybucyjnej wynosi 0,3.

Nowy wymiennik ciepła, minikanałowy, dzięki zastosowaniu wkładki dystrybucyjnej, zapewnia opór przepływu dwufazowego zarówno w kolektorze zasilającym, jak i w kolektorze powrotnym. Powstały opór przepływu, wraz ze specyficznym ukształtowaniem samej wkładki dystrybucyjnej zawierającej dyski, powoduje również wyhamowanie ewentualnej wewnętrznej cyrkulacji czynnika roboczego pomiędzy poszczególnymi kanałami wymiennika ciepła, jak również ogranicza możliwość powstania przepływu ukierunkowanego przeciwnie do zasadniczego kierunku przepływu w kanałach wymiennika ciepła, w których następuje proces odparowania fazy ciekłej czynnika. W tym nowym wymienniku ciepła możliwe jest uzyskanie równomiernej dystrybucji czynnika przez zastosowanie wkładki dystrybucyjnej, co nie wymaga dokonywania istotnych zmian w konstrukcji wymiennika, ani nie ogranicza ilości biegów w takim wymienniku.

Przedmiot wynalazku, w przykładach wykonania, został przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wymiennik ciepła w przekroju wzdłużnym wzdłuż lini i A-A pokazanej na fig. 3, fig. 2 - szczegół B wymiennika ciepła pokazany na fig. 1, fig. 3 - wymiennik ciepła w widoku z przodu, fig. 4 - wkładkę dystrybucyjną wymiennika ciepła w widoku z boku i góry, fig. 5 - wkładkę dystrybucyjną wymiennika ciepła w widoku z góry, natomiast fig. 6 - wkładkę dystrybucyjną wymiennika ciepła w widoku z boku.

Wymiennik ciepła, według wynalazku, w pierwszym przykładzie wykonania, zawiera równoległe rozmieszczone w stosunku do siebie minikanały 1 oraz zawiera kolektor zasilający 2, kolektor powrotny 3 i przewody 4 dla czynnika roboczego. Wewnątrz każdego z kolektorów 2, 3 umieszczona jest wkładka dystrybucyjna 5, która złożona jest z pręta 6, równoległego do długości kolektora 2, 3, w którym jest umieszczony, na którym to pręcie 6 umieszczone są równomiernie, równoległe do siebie dyski 7, które w centralnym miejscu mają otwór przelotowy, poprzez który osadzone są one na pręcie 6. Stosunek średnicy D pręta 6 do średnicy d dysku 7 - D/d - wynosi 0,1, przy czym stosunek średnicy d dysku 7 do średnicy Dk kolektora 2, 3 - d/Dk - wynosi 0,5. Stosunek odległości s dwóch sąsiadujących ze sobą dysków 7 do odległości L dwóch sąsiadujących ze sobą minikanałów 1 - s/L wynosi 1. Stosunek grubości h dysku 7 do odległości s od siebie dwóch sąsiadujących ze sobą dysków 7 - h/L - wynosi 0,3.

Wymiennik ciepła, według wynalazku, w drugim przykładzie wykonania, taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że stosunek średnicy d pręta 6 do średnicy D dysku 7 wynosi 0,5, przy czym stosunek średnicy D dysku 7 do średnicy Dk kolektora 2, 3 wynosi 0,7, zaś stosunek odległości s dwóch sąsiadujących ze sobą dysków 7 do odległości L dwóch sąsiadujących ze sobą minikanałów 1 wynosi 2.

Wymiennik ciepła, według wynalazku, w trzecim przykładzie wykonania, taki jak w przykładzie pierwszym z tym, że stosunek średnicy d pręta 6 do średnicy D dysku 7 wynosi 0,9, przy czym stosunek średnicy D dysku 7 do średnicy Dk kolektora 2, 3 wynosi 0,9, zaś stosunek odległości s dwóch sąsiadujących ze sobą dysków 7 do odległości L dwóch sąsiadujących ze sobą minikanałów 1 wynosi 3.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wymiennik ciepła zawierający ułożone do siebie równolegle minikanały, połączone z jednej strony kolektorem zasilającym, zaś z drugiej strony kolektorem powrotnym oraz zawierający przewody dla czynnika roboczego, znamienny tym, że wewnątrz kolektora zasilającego (2) oraz kolektora powrotnego (3) jest wkładka dystrybucyjna (5), którą stanowi pręt (6), na którym osadzone są równolegle do siebie dyski (7), przy czym pręt (6) jest równoległy do długości kolektora (2, 3), w którym wkładka dystrybucyjna (5) jest umieszczona.
2. 2. Wymiennik ciepła, według zastrz. 1, znamienny tym, że dyski (7) na pręcie (6) wkładki dystrybucyjnej (5) rozmieszczone są równomiernie.
3. 3. Wymiennik ciepła, według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosunek średnicy (d) pręta (6) do średnicy (D) dysku (7) wynosi od 0,1 do 0,9, przy czym stosunek średnicy (D) dysku (7) do średnicy (Dk) kolektora (7) wynosi od 0,5 do 0,9.
4. 4. Wymiennik ciepła, według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że stosunek odległości (s) dwóch sąsiadujących dysków (7) wkładki dystrybucyjnej (5) do odległości (L) od siebie dwóch sąsiadujących minikanałów (1) wynosi od 1 do 3.
5. 5. Wymiennik ciepła, według jednego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że stosunek grubości (h) dysku (7) do odległości (s) dwóch sąsiadujących dysków (7) wkładki dystrybucyjnej (5) wynosi 0,3.