ES2831020T3 - Multi-pass, multi-plate folded microchannel heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Un intercambiador de calor que comprende: un primer colector (32); un segundo colector (34) separado del primer colector; una pluralidad de segmentos de tubo (36) dispuestos en una relación paralela espaciada y que acoplan de manera fluídica el primer colector y el segundo colector, incluyendo la pluralidad de segmentos de tubo un codo (60) que define una primera placa (66) y una segunda placa (68), estando dispuesta la segunda placa en ángulo con respecto a la primera placa; y un divisor (38) dispuesto dentro del primer colector para formar una primera sección (32a) del primer colector y una segunda sección (32b) del primer colector; y un divisor dispuesto dentro del segundo colector para formar una primera sección (34a) del segundo colector y una segunda sección (34b) del segundo colector; en donde el intercambiador de calor tiene una configuración de múltiples pasos con respecto a un flujo de aire que incluye al menos un primer paso y un segundo paso, incluyendo el primer paso una primera parte (36a) de la pluralidad de segmentos de tubo y teniendo una primera orientación de flujo e incluyendo el segundo paso una segunda parte (36b) de la pluralidad de segmentos de tubo y teniendo una segunda orientación de flujo, siendo la segunda orientación de flujo diferente de la primera orientación de flujo, en donde varios segmentos de tubo en la primera parte y varios segmentos de tubo en la segunda parte son diferentes; caracterizado por que un inserto distribuidor alargado longitudinalmente (70) está dispuesto dentro de la segunda sección del segundo colector.A heat exchanger comprising: a first manifold (32); a second manifold (34) separate from the first manifold; a plurality of tube segments (36) arranged in a spaced parallel relationship and fluidly coupling the first manifold and second manifold, the plurality of tube segments including an elbow (60) defining a first plate (66) and a second plate (68), the second plate being arranged at an angle to the first plate; and a divider (38) disposed within the first manifold to form a first manifold section (32a) and a second manifold section (32b); and a divider disposed within the second manifold to form a first section (34a) of the second manifold and a second section (34b) of the second manifold; wherein the heat exchanger has a multi-pass configuration with respect to an air flow including at least a first pass and a second pass, the first pass including a first portion (36a) of the plurality of tube segments and having a first flow orientation and the second passage including a second part (36b) of the plurality of tube segments and having a second flow orientation, the second flow orientation being different from the first flow orientation, wherein several segments of tube in the first part and various tube segments in the second part are different; characterized in that a longitudinally elongated distributor insert (70) is disposed within the second section of the second manifold.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Intercambiador de calor de microcanales plegado de múltiples pasos y múltiples placasMulti-pass, multi-plate folded microchannel heat exchanger
La presente invención se refiere generalmente a un intercambiador de calor para su uso en una bomba de calor o sistema de refrigeración. El documento EP 0654645 divulga un intercambiador de calor que tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1.The present invention generally relates to a heat exchanger for use in a heat pump or refrigeration system. Document EP 0654645 discloses a heat exchanger having the features of the preamble of claim 1.
Los sistemas de calentamiento, enfriamiento, acondicionamiento de aire y refrigeración (HVAC&R, por sus siglas en inglés) incluyen intercambiadores de calor para rechazar o aceptar el calor entre el refrigerante que está circulando dentro del sistema y sus proximidades. Un tipo de intercambiador de calor que se ha vuelto cada vez más popular debido a su compactibilidad, a su peso más ligero, a su rigidez estructural y a su rendimiento superior, es un intercambiador de calor de microcanales o minicanales. En comparación con los intercambiadores de calor de placa y aleta convencionales, los intercambiadores de calor de microcanales también son más respetuosos con el medio ambiente, ya que utilizan menos carga de refrigerante, que normalmente son fluidos sintéticos con alto PCA (potencial de calentamiento atmosférico). Un intercambiador de calor de microcanales incluye dos o más formas de contención, como tubos, a través de los cuales circula un fluido de enfriamiento o calentamiento (es decir, refrigerante o una solución de glicol). Los tubos suelen tener una sección transversal aplanada y múltiples canales de flujo paralelos. Las aletas suelen estar dispuestas para extenderse entre los tubos con el fin de aumentar el intercambio eficiente de energía térmica entre el fluido de calentamiento/enfriamiento y el entorno circundante. Las aletas tienen un patrón ondulado, incorporan rejillas para mejorar aún más la transferencia de calor y suelen fijarse a los tubos mediante soldadura en atmósfera controlada.Heating, cooling, air conditioning and refrigeration (HVAC & R) systems include heat exchangers to reject or accept heat between the refrigerant that is circulating within the system and its vicinity. One type of heat exchanger that has become increasingly popular due to its compactness, lighter weight, structural rigidity, and superior performance is a micro-channel or mini-channel heat exchanger. Compared to conventional plate and fin heat exchangers, microchannel heat exchangers are also more environmentally friendly as they use less refrigerant charge, which are usually synthetic fluids with high GWP (Global Warming Potential). . A microchannel heat exchanger includes two or more forms of containment, such as tubes, through which a cooling or heating fluid (ie, coolant or a glycol solution) circulates. The tubes usually have a flattened cross section and multiple parallel flow channels. The fins are typically arranged to extend between the tubes in order to increase the efficient exchange of thermal energy between the heating / cooling fluid and the surrounding environment. The fins have a wavy pattern, incorporate louvers to further enhance heat transfer, and are often attached to the tubes by controlled atmosphere welding.
En las aplicaciones de refrigeración y de bomba de calor, cuando el intercambiador de calor de microcanales se utiliza como evaporador, la humedad presente en el flujo de aire proporcionado al intercambiador de calor para enfriar puede condensarse y congelarse después en las superficies externas del intercambiador de calor. El hielo o la escarcha formados pueden bloquear el flujo de aire a través del intercambiador de calor, reduciendo de ese modo la eficiencia y funcionalidad del intercambiador de calor y del sistema HVAC&R. Los intercambiadores de calor de microcanales tienden a congelarse más deprisa que los intercambiadores de calor de tubos redondos y de placa y aleta y, por lo tanto, requieren eliminar la formación de escarcha con mayor frecuencia, lo que reduce el tiempo útil de utilización del intercambiador de calor y el rendimiento general. En consecuencia, es deseable fabricar el intercambiador de calor de microcanales con una tolerancia mejorada a la formación de escarcha y un rendimiento mejorado.In refrigeration and heat pump applications, when the microchannel heat exchanger is used as an evaporator, the moisture present in the air flow provided to the heat exchanger for cooling may condense and then freeze on the external surfaces of the heat exchanger. hot. The formed ice or frost can block air flow through the heat exchanger, thereby reducing the efficiency and functionality of the heat exchanger and the HVAC & R system. Microchannel heat exchangers tend to freeze faster than round tube and plate-and-fin heat exchangers and therefore require more frequent de-icing, reducing the uptime of the exchanger heat and overall performance. Consequently, it is desirable to manufacture the microchannel heat exchanger with improved tolerance to frost formation and improved performance.
De acuerdo con un primer aspecto, la invención proporciona un intercambiador de calor que comprende: un primer colector; un segundo colector separado del primer colector; una pluralidad de segmentos de tubo dispuestos en una relación paralela espaciada y que acoplan de manera fluídica el primer colector y el segundo colector, incluyendo la pluralidad de segmentos de tubo un codo que define una primera placa y una segunda placa, estando dispuesta la segunda placa en ángulo con respecto a la primera placa; y un divisor dispuesto dentro del primer colector para formar una primera sección del primer colector y una segunda sección del primer colector; y un divisor dispuesto dentro del segundo colector para formar una primera sección del segundo colector y una segunda sección del segundo colector; en donde el intercambiador de calor tiene una configuración de múltiples pasos con respecto a un flujo de aire que incluye al menos un primer paso y un segundo paso, incluyendo el primer paso una primera parte de la pluralidad de segmentos de tubo y teniendo una primera orientación de flujo e incluyendo el segundo paso una segunda parte de la pluralidad de segmentos de tubo y teniendo una segunda orientación de flujo, siendo la segunda orientación de flujo diferente de la primera orientación de flujo, en donde varios segmentos de tubo en la primera parte y varios segmentos de tubo en la segunda parte son diferentes; caracterizado por que un inserto distribuidor alargado longitudinalmente está dispuesto dentro de la segunda sección del segundo colector.According to a first aspect, the invention provides a heat exchanger comprising: a first manifold; a second collector separate from the first collector; a plurality of tube segments arranged in a spaced parallel relationship and fluidly coupling the first manifold and the second manifold, the plurality of tube segments including an elbow defining a first plate and a second plate, the second plate being arranged at an angle to the first plate; and a divider disposed within the first manifold to form a first manifold section and a second first manifold section; and a divider disposed within the second manifold to form a first second manifold section and a second second manifold section; wherein the heat exchanger has a multi-pass configuration with respect to an air flow including at least a first pass and a second pass, the first pass including a first part of the plurality of tube segments and having a first orientation and the second passage including a second part of the plurality of tube segments and having a second flow orientation, the second flow orientation being different from the first flow orientation, wherein several tube segments in the first part and several tube segments in the second part are different; characterized in that a longitudinally elongated distributor insert is disposed within the second section of the second manifold.
El primer paso puede tener una orientación de flujo paralelo transversal.The first pass may have a transverse parallel flow orientation.
El segundo paso puede tener una orientación de contraflujo transversal.The second pass may have a cross flow orientation.
El número de segmentos de tubo dispuestos dentro de cada uno del primer paso y el segundo paso puede seleccionarse para reducir la formación de escarcha en el intercambiador de calor.The number of tube segments arranged within each of the first pass and the second pass can be selected to reduce frost build-up in the heat exchanger.
La segunda parte puede tener un mayor número de segmentos de tubo que la primera parte.The second part may have a greater number of tube segments than the first part.
Una relación de segmentos de tubo entre la primera parte y la segunda parte puede ser 20:80.A tube segment ratio between the first part and the second part can be 20:80.
Una relación de segmentos de tubo entre la primera parte y la segunda parte puede ser 40:60.A tube segment ratio between the first part and the second part can be 40:60.
Puede disponerse un divisor dentro del primer colector para definir una primera sección del primer colector y una segunda sección del primer colector, en donde la primera sección del primer colector está acoplada de forma fluídica a la primera parte de la pluralidad de segmentos de tubo, y la segunda sección del primer colector está acoplada de forma fluídica a la segunda parte de la pluralidad de segmentos de tubo. A divider may be provided within the first manifold to define a first section of the first manifold and a second section of the first manifold, wherein the first section of the first manifold is fluidly coupled to the first part of the plurality of tube segments, and the second section of the first manifold is fluidly coupled to the second part of the plurality of tube segments.
Puede disponerse un distribuidor dentro de la primera sección del primer colector.A distributor may be arranged within the first section of the first manifold.
Puede proporcionarse un distribuidor entre el primer paso y el segundo paso.A distributor can be provided between the first step and the second step.
El codo puede formarse alrededor de un eje dispuesto en perpendicular a un eje longitudinal de la pluralidad de segmentos de tubo.The elbow may be formed around an axis arranged perpendicular to a longitudinal axis of the plurality of tube segments.
El codo de cada segmento de tubo puede incluir un pliegue de cinta.The elbow of each tube segment may include a fold of tape.
El ángulo entre la segunda placa y la primera placa puede ser de aproximadamente 180 grados.The angle between the second plate and the first plate can be approximately 180 degrees.
Cada uno de la pluralidad de segmentos de tubo puede ser un tubo de microcanales que tiene una pluralidad de canales de flujo discretos formados en el mismo.Each of the plurality of tube segments may be a microchannel tube having a plurality of discrete flow channels formed therein.
La materia objeto, considerada por la presente invención, se señala particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al final de la memoria descriptiva. Las características y ventajas anteriores y otras de la invención son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:The subject matter, considered by the present invention, is particularly pointed out and clearly claimed in the claims at the end of the specification. The above and other features and advantages of the invention are apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
la figura 1 es un diagrama esquemático de un ejemplo de un ciclo de refrigeración por vapor de un sistema de refrigeración;Figure 1 is a schematic diagram of an example of a steam refrigeration cycle of a refrigeration system;
la figura 2 es una vista lateral de un intercambiador de calor de microcanales de acuerdo con una realización de la invención antes de una operación de acodamiento;Figure 2 is a side view of a microchannel heat exchanger according to an embodiment of the invention prior to a kinking operation;
la figura 3 es una vista en sección transversal de un segmento de tubo de un intercambiador de calor de microcanales de acuerdo con una realización de la invención;Figure 3 is a cross-sectional view of a tube segment of a microchannel heat exchanger according to an embodiment of the invention;
la figura 4 es una perspectiva de un intercambiador de calor de microcanales de acuerdo con una realización de la invención;Figure 4 is a perspective of a microchannel heat exchanger according to one embodiment of the invention;
la figura 5 es una vista frontal de un intercambiador de calor de microcanales de acuerdo con otra realización de la invención;Figure 5 is a front view of a microchannel heat exchanger according to another embodiment of the invention;
la figura 6 es una vista lateral de un intercambiador de calor de microcanales de acuerdo con una realización de la invención; la figura 7 es una vista en perspectiva de un intercambiador de calor de microcanales de acuerdo con otra realización más de la invención; yFigure 6 is a side view of a microchannel heat exchanger according to one embodiment of the invention; Figure 7 is a perspective view of a microchannel heat exchanger according to yet another embodiment of the invention; Y
la figura 7a es una vista en sección transversal del intercambiador de calor de microcanales de la figura 6 tomada a lo largo de la línea X-X de acuerdo con otra realización más de la invención; yFigure 7a is a cross-sectional view of the microchannel heat exchanger of Figure 6 taken along the line X-X in accordance with yet another embodiment of the invention; Y
la figura 7b es una vista en sección transversal del intercambiador de calor de microcanales de la figura 6 tomada a lo largo de la línea Y-Y de acuerdo con otra realización más de la invención.Figure 7b is a cross-sectional view of the microchannel heat exchanger of Figure 6 taken along the Y-Y line in accordance with yet another embodiment of the invention.
La descripción detallada a continuación explica realizaciones de la invención, junto con ventajas y características, a modo de ejemplo con referencia a los dibujos.The detailed description below explains embodiments of the invention, along with advantages and features, by way of example with reference to the drawings.
Con referencia ahora a la figura 1, se ilustra esquemáticamente un ciclo de refrigerante de compresión de vapor 20 de un sistema de refrigeración o acondicionamiento de aire. Los sistemas de acondicionamiento de aire o refrigeración ilustrativos incluyen, pero sin estar limitados por ello, por ejemplo, sistemas de refrigeración divididos, empaquetados, enfriadores, para tejados, para supermercados y para transporte. Un refrigerante R está configurado para circular a través del ciclo de compresión de vapor 20 de modo que el refrigerante R absorba calor cuando se evapora a baja temperatura y presión y libere calor cuando se condensa a una temperatura y presión más altas. Dentro de este ciclo 20, el refrigerante R fluye en sentido levógiro tal y como indica la flecha. El compresor 22 recibe vapor de refrigerante del evaporador 24 y lo comprime a una temperatura y presión más altas, pasando entonces el vapor relativamente caliente al condensador 26, donde se enfría y se condensa a un estado líquido mediante una relación de intercambio de calor con un medio refrigerante (no mostrado) como el aire. El refrigerante líquido R pasa luego desde el condensador 26 a un dispositivo de expansión 28, en donde el refrigerante R se expande a un estado bifásico líquido/vapor a baja temperatura cuando pasa al evaporador 24. A continuación, el vapor de baja presión vuelve al compresor 22, donde se repite el ciclo. El ciclo de compresión de vapor 20 descrito en el presente documento es un ciclo de bomba de calor que funciona en un modo de calentamiento. Como resultado, el serpentín exterior del ciclo 20 está configurado como evaporador 24 y el serpentín interior está configurado como condensador. Cuando se configura como bomba de calor, el ciclo de compresión de vapor incluye adicionalmente una válvula de cuatro vías 29 dispuesta aguas abajo del compresor 22 con respecto al flujo de refrigerante que invierte la dirección del flujo de refrigerante a través del ciclo 20 para conmutar entre el modo de funcionamiento de enfriamiento y calentamiento. Debe entenderse que el ciclo de refrigeración 20 representado en la figura 1 es una representación simplista de un sistema HVAC&R, y en el esquema se pueden incluir muchas mejoras y características conocidas en la técnica.Referring now to FIG. 1, a vapor compression refrigerant cycle 20 of a refrigeration or air conditioning system is schematically illustrated. Illustrative air conditioning or refrigeration systems include, but are not limited to, for example, split, packaged, chiller, rooftop, supermarket, and transportation refrigeration systems. A refrigerant R is configured to circulate through the vapor compression cycle 20 so that the refrigerant R absorbs heat when it evaporates at low temperature and pressure and releases heat when it condenses at a higher temperature and pressure. Within this cycle 20, the refrigerant R flows in the left-hand direction as indicated by the arrow. Compressor 22 receives refrigerant vapor from evaporator 24 and compresses it to a higher temperature and pressure, then the relatively hot vapor passes to condenser 26, where it is cooled and condensed to a liquid state through a heat exchange relationship with a cooling medium (not shown) such as air. The liquid refrigerant R then passes from the condenser 26 to an expansion device 28, where the refrigerant R expands to a low-temperature liquid / vapor two-phase state as it passes to the evaporator 24. The low-pressure vapor then returns to the compressor 22, where the cycle is repeated. The vapor compression cycle 20 described herein is a heat pump cycle operating in a heating mode. As a result, the outdoor coil of cycle 20 is configured as an evaporator 24 and the indoor coil is configured as a condenser. When configured as a heat pump, the vapor compression cycle further includes a four-way valve 29 disposed downstream of compressor 22 with respect to refrigerant flow that reverses the direction of refrigerant flow through cycle 20 to switch between the cooling and heating mode of operation. It should be understood that the refrigeration cycle 20 depicted in Figure 1 is a simplistic representation of an HVAC & R system, and many enhancements and features known in the art can be included in the schematic.
Con referencia ahora a la figura 2, se ilustra con más detalle un ejemplo de un intercambiador de calor 30 configurado para su uso en el sistema de compresión de vapor 20. El intercambiador de calor 30 puede usarse como condensador 24 o como evaporador 28 en el sistema de compresión de vapor 20. El intercambiador de calor 30 incluye al menos un primer colector o colector 32, un segundo colector o colector 34 separado del primer colector 32 y una pluralidad de segmentos de tubo 36 que se extienden en una relación espaciada paralela entre el primer colector 32 y el segundo colector 34, conectándolos. En las realizaciones ilustradas y no limitantes, el primer colector 32 y el segundo colector 34 están orientados generalmente de forma horizontal y los segmentos 36 del tubo de intercambio de calor se extienden generalmente de forma vertical entre los dos colectores 32, 34. Sin embargo, otras configuraciones, por ejemplo, cuando el primer y segundo encabezados 32, 34 están dispuestos sustancialmente en vertical también se encuentran dentro del alcance de la invención.Referring now to Figure 2, an example of a heat exchanger 30 configured for use in the vapor compression system 20 is illustrated in more detail. Heat exchanger 30 may be used as a condenser 24 or as an evaporator 28 in the vapor compression system 20. Heat exchanger 30 includes at least a first manifold or manifold 32, a second manifold or manifold 34 separate from the first manifold 32, and a plurality of tube segments 36 extending in parallel spaced relationship between the first manifold 32 and the second manifold 34, connecting them. In the illustrated and non-limiting embodiments, the first manifold 32 and the second manifold 34 are oriented generally horizontally and the segments 36 of the heat exchange tube extend generally vertically between the two manifolds 32, 34. However, other configurations, for example when the first and second headers 32, 34 are arranged substantially vertically are also within the scope of the invention.
Con referencia ahora a la figura 3, se ilustra un ejemplo de una sección transversal de un segmento de tubo de intercambio de calor 36. El segmento de tubo 36 incluye un tubo de intercambio de calor de microcanales aplanado que tiene un borde delantero 40, un borde trasero 42, una primera superficie 44 y una segunda superficie 46. El borde delantero 40 de cada tubo intercambiador de calor 36 se encuentra aguas arriba de su respectivo borde trasero 42 con respecto a un flujo de aire A que pasa a través del intercambiador de calor 36. El pasaje de flujo interior de cada segmento de tubo de intercambio de calor 36 puede estar dividido por paredes interiores en una pluralidad de canales de flujo discretos 48 que se extienden a lo largo de los tubos 36 desde un extremo de entrada hasta un extremo de salida y establecen una comunicación fluida entre los respectivos colectores primero y segundo 32, 34. Los canales de flujo 48 pueden tener una sección transversal circular, una sección transversal rectangular, una sección transversal trapezoidal, una sección transversal triangular u otra sección transversal no circular. Los tubos de intercambio de calor 36 que incluyen los canales de flujo discretos 48 pueden formarse utilizando técnicas y materiales conocidos, incluyendo, pero sin limitación, extrusión o plegado.Referring now to Figure 3, an example of a cross section of a heat exchange tube segment 36 is illustrated. Tube segment 36 includes a flattened microchannel heat exchange tube having a leading edge 40, a trailing edge 42, a first surface 44, and a second surface 46. The leading edge 40 of each heat exchanger tube 36 is upstream of its respective trailing edge 42 with respect to an air flow A passing through the heat exchanger. heat 36. The interior flow passage of each heat exchange tube segment 36 may be divided by interior walls into a plurality of discrete flow channels 48 which extend along tubes 36 from an inlet end to a outlet end and establish fluid communication between the respective first and second manifolds 32, 34. The flow channels 48 may have a circular cross section, a cross section rectangular salt, a trapezoidal cross section, a triangular cross section or other non-circular cross section. Heat exchange tubes 36 that include discrete flow channels 48 can be formed using known techniques and materials, including, but not limited to, extrusion or folding.
Los segmentos de tubo de intercambio de calor 36 descritos en el presente documento incluyen además una pluralidad de aletas 50. En una realización, las aletas 50 están formadas por una sola tira continua de material de aleta fuertemente plegada en forma de serpentina en forma de cinta, proporcionando de ese modo una pluralidad de aletas estrechamente espaciadas que se extienden generalmente de forma ortogonal a los segmentos de tubo de intercambio de calor 36. El intercambio de calor entre uno o más fluidos dentro de los segmentos de tubo de intercambio de calor 36 y un flujo de aire, A, tiene lugar a través de las superficies exteriores 44, 46 de los segmentos de tubo de intercambio de calor 36 que forman conjuntamente una superficie de intercambio de calor primaria, y también a través de la superficie de intercambio de calor de las aletas 50, la cual forma una superficie secundaria de intercambio de calor.The heat exchange tube segments 36 described herein further include a plurality of fins 50. In one embodiment, the fins 50 are formed of a single continuous strip of fin material tightly folded into a serpentine tape shape. , thereby providing a plurality of closely spaced fins that extend generally orthogonally to the heat exchange tube segments 36. The heat exchange between one or more fluids within the heat exchange tube segments 36 and an air flow, A, takes place through the outer surfaces 44, 46 of the heat exchange tube segments 36 which together form a primary heat exchange surface, and also through the heat exchange surface fins 50, which forms a secondary heat exchange surface.
El intercambiador de calor 30 tiene una configuración de múltiples pasos en relación con el flujo de aire A. Para lograr una configuración de múltiples pasos, en una realización ilustrada en las figuras 4-6, la configuración de múltiples pasos se logra formando al menos un codo 60 en cada segmento de tubo 36 del intercambiador de calor 30. El codo 60 se forma alrededor de un eje que se extiende sustancialmente en perpendicular al eje longitudinal de los segmentos de tubo 36. En la realización ilustrada, el codo 60 es un pliegue de cinta (véase la figura 6) formado plegando y torciendo los segmentos de tubo de intercambio de calor 36 alrededor de un mandril (no mostrado); sin embargo, otros tipos de pliegues se encuentran dentro del alcance de la invención. En una realización, se puede formar una pluralidad de codos 60 en varios lugares a lo largo de la pluralidad de segmentos de tubo de intercambio de calor 36.Heat exchanger 30 has a multi-pass configuration relative to air flow A. To achieve a multi-pass configuration, in one embodiment illustrated in Figures 4-6, the multi-pass configuration is achieved by forming at least one elbow 60 in each tube segment 36 of heat exchanger 30. Elbow 60 is formed around an axis that extends substantially perpendicular to the longitudinal axis of tube segments 36. In the illustrated embodiment, elbow 60 is a pleat. tape (see FIG. 6) formed by folding and twisting the heat exchange tube segments 36 around a mandrel (not shown); however, other types of pleats are within the scope of the invention. In one embodiment, a plurality of elbows 60 may be formed at various locations along the plurality of heat exchange tube segments 36.
El codo 60 define al menos parcialmente una primera sección 62 y una segunda sección 64 de cada uno de la pluralidad de segmentos de tubo 36, en donde, en la configuración plegada, la primera sección 62 forma una primera placa 66 del intercambiador de calor 30 con respecto al flujo de aire A y la segunda sección 64 forma una segunda placa 68 del intercambiador de calor 30 con respecto al flujo de aire A. En la realización ilustrada no limitante, el codo 60 se forma en un punto medio aproximado de los segmentos de tubo 36 entre los colectores primero y segundo 32, 34 opuestos, de modo que las secciones primera y segunda 62, 64 tengan generalmente el mismo tamaño. Sin embargo, otras realizaciones en las que la primera sección 62 y la segunda sección 64 tienen una longitud sustancialmente diferente se encuentra dentro del alcance de la invención.Elbow 60 at least partially defines a first section 62 and a second section 64 of each of the plurality of tube segments 36, wherein, in the folded configuration, the first section 62 forms a first plate 66 of the heat exchanger 30 with respect to air flow A and second section 64 forms a second plate 68 of heat exchanger 30 with respect to air flow A. In the illustrated non-limiting embodiment, elbow 60 is formed at an approximate midpoint of the segments of tube 36 between the opposite first and second manifolds 32, 34, so that the first and second sections 62, 64 are generally the same size. However, other embodiments in which the first section 62 and the second section 64 have a substantially different length are within the scope of the invention.
Tal y como se muestra en las figuras, el intercambiador de calor 30 se puede formar de modo que la primera placa 66 se coloque en un ángulo obtuso con respecto a la segunda placa 68. Como alternativa, o adicionalmente, el intercambiador de calor 30 también puede estar formado de modo que la primera placa 66 esté dispuesta en un ángulo agudo o sustancialmente en paralelo (figura 5) a la segunda placa 68. Como resultado del codo 60 entre las placas primera y segunda 66, 68, el intercambiador de calor 30 puede formarse con una forma convencional de serpentín en A o serpentín en V. La formación del intercambiador de calor 30 plegando los segmentos de tubo 36 da como resultado un intercambiador de calor 30 que tiene un radio de plegado reducido, como cuando se configura con un codo de 180°, por ejemplo. Como resultado, el intercambiador de calor 30 puede estar adaptado para encajar dentro de las envolturas de tamaño definidas por los sistemas de refrigeración y acondicionamiento de aire existentes.As shown in the figures, the heat exchanger 30 can be formed so that the first plate 66 is positioned at an obtuse angle with respect to the second plate 68. Alternatively, or additionally, the heat exchanger 30 also may be formed so that the first plate 66 is arranged at an acute angle or substantially parallel (FIG. 5) to the second plate 68. As a result of the elbow 60 between the first and second plates 66, 68, the heat exchanger 30 can be formed with a conventional A-coil or V-coil shape. Forming the heat exchanger 30 by folding the tube segments 36 results in a heat exchanger 30 having a reduced bend radius, as when configured with a 180 ° elbow, for example. As a result, the heat exchanger 30 can be adapted to fit within the size envelopes defined by existing refrigeration and air conditioning systems.
Con referencia nuevamente a la figura 2, una pluralidad de primeras aletas 50a se extienden desde la primera placa 66 y una pluralidad de segundas aletas 50b se extienden desde la segunda placa 68 del intercambiador de calor 30. En realizaciones en las que el intercambiador de calor 30 se forma plegando la pluralidad de segmentos de tubo 36, no hay aletas dispuestas dentro de la parte de codo 60 de cada segmento de tubo 36. Las primeras aletas 50a y las segundas aletas 50b pueden ser sustancialmente idénticas o, como alternativa, puede variar en cuanto a su tamaño, su forma o a su densidad.Referring again to Figure 2, a plurality of first fins 50a extend from first plate 66 and a plurality of second fins 50b extend from second plate 68 of heat exchanger 30. In embodiments in which the heat exchanger 30 is formed by folding the plurality of tube segments 36, there are no fins disposed within the elbow portion 60 of each tube segment 36. The first fins 50a and the second fins 50b may be substantially identical or, alternatively, may vary as for its size, its shape or its density.
Los intercambiadores de calor convencionales configurados como evaporadores de una bomba de calor tienen típicamente una configuración de flujo paralelo para lograr la eficiencia deseada. Sin embargo, la orientación de flujo paralelo conduce a una mala tolerancia a la formación de escarcha en los intercambiadores de calor de microcanales. El intercambiador de calor 30 puede tener cualquiera de una variedad de configuraciones de múltiples pasos de modo que el refrigerante pase a través del intercambiador de calor 30 en una o más de una orientación de flujo paralelo, una orientación de flujo transversal y una orientación de contraflujo, por ejemplo. En una realización, se puede disponer un divisor 38 dentro de ambos o uno de los colectores primero y segundo 32, 34 para aumentar el número de pasos y, por lo tanto, la longitud de la trayectoria del flujo, dentro del intercambiador de calor 30.Conventional heat exchangers configured as heat pump evaporators typically have a parallel flow configuration to achieve the desired efficiency. However, the parallel flow orientation leads to poor tolerance to frost formation in microchannel heat exchangers. Heat exchanger 30 can have any of a variety of multi-pass configurations such that refrigerant passes through heat exchanger 30 in one or more of a parallel flow orientation, a cross flow orientation, and a counter flow orientation. , for example. In one embodiment, a divider 38 may be provided within both or one of the first and second manifolds 32, 34 to increase the number of passages, and thus the length of the flow path, within the heat exchanger 30. .
En la realización ilustrada en la figura 7, un divisor 38 está dispuesto dentro del primer colector 32 para formar una primera sección 32a y una segunda sección 32b. Como resultado, el refrigerante suministrado a una entrada (no mostrada) del primer colector 32 solo está configurado para fluir a través de la parte 36a de los segmentos de tubo 36 conectada de manera fluídica a la primera sección 32a. Después de pasar por una primera parte 36a de los segmentos de tubo 36, el refrigerante se recibe en el segundo colector 34. Dentro del segundo colector 34, el refrigerante fluye desde la primera parte 36a de los segmentos de tubo 36, hacia una segunda parte adyacente 36b de los segmentos de tubo 36. La segunda parte 36b incluye un número diferente de segmentos de tubo 36 al de la primera parte 36a. En una realización, la relación de segmentos de tubo entre la primera parte 36a y la segunda parte 36b es de 20:80 o, como alternativa, de 40:60.In the embodiment illustrated in Figure 7, a divider 38 is disposed within the first manifold 32 to form a first section 32a and a second section 32b. As a result, the refrigerant supplied to an inlet (not shown) of the first manifold 32 is only configured to flow through the portion 36a of the tube segments 36 fluidly connected to the first section 32a. After passing through a first part 36a of the tube segments 36, the refrigerant is received in the second manifold 34. Inside the second manifold 34, the refrigerant flows from the first part 36a of the tube segments 36, towards a second part adjacent 36b of tube segments 36. Second part 36b includes a different number of tube segments 36 than first part 36a. In one embodiment, the tube segment ratio between the first part 36a and the second part 36b is 20:80 or, alternatively, 40:60.
El segundo colector 34 puede incluir de manera similar un divisor 38 para definir una primera y una segunda sección 34a, 34b del mismo acopladas de manera fluídica. El refrigerante está configurado para fluir desde el segundo colector 34 a través de la segunda parte 36b de los segmentos de tubo 36 conectados de forma fluídica hasta la segunda sección 32b del primer colector 32 y a una salida (no mostrada) formada en el mismo. Aunque el intercambiador de calor ilustrado 30 incluye dos partes distintas de segmentos de tubo de intercambiador de calor 36, los intercambiadores de calor 30 que tienen cualquier número de partes de segmentos de tubo 36 que forman pasos discretos a través del intercambiador de calor 30 se encuentran dentro del alcance de la invención.The second manifold 34 may similarly include a divider 38 to define first and second sections 34a, 34b thereof fluidly coupled. The refrigerant is configured to flow from the second manifold 34 through the second portion 36b of fluidly connected tube segments 36 to the second section 32b of the first manifold 32 and to an outlet (not shown) formed therein. Although the illustrated heat exchanger 30 includes two distinct parts of heat exchanger tube segments 36, heat exchangers 30 having any number of tube segment parts 36 that form discrete passageways through heat exchanger 30 meet within the scope of the invention.
Distribuir uniformemente el refrigerante dentro de un colector, como el colector 32 o 34 o un colector intermedio, por ejemplo, es un problema común de los intercambiadores de calor de microcanales. En general, es fácil distribuir el refrigerante de manera uniforme para longitudes de colector pequeñas, pero la mala distribución se convierte en un problema más significativo a medida que aumenta la longitud del colector.Evenly distributing the refrigerant within a manifold, like manifold 32 or 34 or an intermediate manifold, for example, is a common problem with microchannel heat exchangers. In general, it is easy to distribute the coolant evenly for short collector lengths, but maldistribution becomes a more significant problem as the collector length increases.
El intercambiador de calor 30 descrito en el presente documento tiene una distribución de refrigerante mejorada al dividir al menos uno de los colectores primero y segundo 32, 34, con un divisor 38. Como resultado, se reducen las longitudes del colector en el que el refrigerante debe distribuirse uniformemente. De forma adicional, al plegar el intercambiador de calor 30, la necesidad de un colector intermedio y, por lo tanto, los problemas de distribución asociados con dicho colector se eliminan. En una realización, un inserto distribuidor 70 alargado longitudinalmente, tal y como se conoce en la técnica, se coloca dentro de la segunda sección 34b del segundo cabezal 34. Otro distribuidor 70 puede estar dispuesto dentro de una o más de las secciones del primer colector 32 o del segundo colector 34 del intercambiador de calor 30. El inserto distribuidor 70 está dispuesto generalmente de forma centralizada dentro del volumen interior del colector y está configurado para distribuir uniformemente el flujo de refrigerante entre la pluralidad de tubos de intercambio de calor 36 acoplados de manera fluídica al mismo. En la realización ilustrada no limitante, un primer inserto distribuidor 70 está dispuesto dentro de la primera sección 32a del colector 32. El inserto distribuidor 70 dispuesto dentro de la primera sección 32 del primer colector 30 se encuentra generalmente sobre una parte o la longitud total de la sección 32, de modo que el refrigerante proporcionado a la misma se distribuya más uniformemente sobre la longitud de la primera sección 32, mejorando de ese modo la transferencia de calor del intercambiador de calor 30.The heat exchanger 30 described herein has an improved refrigerant distribution by dividing at least one of the first and second manifolds 32, 34, with a divider 38. As a result, the lengths of the manifold in which the refrigerant it should be evenly distributed. Additionally, by collapsing the heat exchanger 30, the need for an intermediate manifold and thus the distribution problems associated with such a manifold are eliminated. In one embodiment, a longitudinally elongated distributor insert 70, as is known in the art, is positioned within the second section 34b of the second head 34. Another distributor 70 may be disposed within one or more of the sections of the first manifold. 32 or from the second manifold 34 of the heat exchanger 30. The distributor insert 70 is disposed generally centrally within the interior volume of the manifold and is configured to evenly distribute the flow of refrigerant among the plurality of heat exchange tubes 36 coupled from fluidly to it. In the illustrated non-limiting embodiment, a first distributor insert 70 is disposed within the first section 32a of the manifold 32. The distributor insert 70 disposed within the first section 32 of the first manifold 30 is generally over a portion or the entire length of section 32, so that the refrigerant provided thereto is more evenly distributed over the length of the first section 32, thereby improving heat transfer from heat exchanger 30.
Debido a que la dirección del flujo de aire A es la misma con respecto a las partes primera y segunda 36a, 36b de los segmentos de tubo 36, el refrigerante dentro de cada una de estas partes tiene una orientación de flujo diferente. Por ejemplo, en la realización ilustrada no limitante, el aire A fluye desde el primer colector 32 hacia el segundo colector 34. Al suministrar el refrigerante a una entrada de la primera sección 32a del primer colector 32, el refrigerante que fluye a través de la primera parte 36a de los segmentos de tubo 36, mostrado en detalle en la figura 7a, tiene una orientación de flujo paralelo transversal. De forma adicional, el refrigerante que fluye a través de la segunda parte 36b de los segmentos de tubo 36, mostrado con más detalle en la figura 7b, tiene una orientación de contraflujo transversal.Because the air flow direction A is the same with respect to the first and second parts 36a, 36b of the tube segments 36, the refrigerant within each of these parts has a different flow orientation. For example, in the illustrated non-limiting embodiment, air A flows from the first manifold 32 to the second manifold 34. By supplying the refrigerant to an inlet of the first section 32a of the first manifold 32, the refrigerant flows through the The first part 36a of the tube segments 36, shown in detail in Figure 7a, has a transverse parallel flow orientation. Additionally, the refrigerant flowing through the second portion 36b of the tube segments 36, shown in more detail in Figure 7b, has a transverse counterflow orientation.
En intercambiadores de calor convencionales que tienen una configuración de flujo paralelo, el refrigerante bifásico entra en la primera sección 32 con una calidad de vapor baja en donde está configurado para absorber calor del aire A y comienza a hervir. Debido a que la ebullición tiene lugar a temperatura constante, la diferencia de temperatura entre el aire y el refrigerante se reduce progresivamente a medida que el aire fluye a través del intercambiador de calor 30, lo que reduce la transferencia de calor producida, particularmente en la placa aguas abajo 68. Este comportamiento reduce la efectividad general del intercambiador de calor y también da como resultado temperaturas de evaporación más bajas, lo cual es perjudicial tanto para la eficiencia del sistema como para la tolerancia a la formación de escarcha.In conventional heat exchangers having a parallel flow configuration, the two-phase refrigerant enters the first section 32 with a low vapor quality where it is configured to absorb heat from the air A and begins to boil. Because boiling takes place at a constant temperature, the temperature difference between the air and the refrigerant progressively reduces as the air flows through the heat exchanger 30, which reduces the heat transfer produced, particularly in the downstream plate 68. This behavior reduces the overall effectiveness of the heat exchanger and also results in lower evaporation temperatures, which is detrimental to both system efficiency and tolerance to heat. frost formation.
Al dividir la pluralidad de segmentos de tubo de intercambio de calor 36 de un intercambiador de calor 30 configurado como un evaporador en una primera parte 36a y una segunda parte 36b para formar dos pasos secuenciales, el refrigerante parcialmente evaporado se suministra desde el primer paso al segundo paso. En el segundo paso, el refrigerante está completamente hervido y el vapor sobrecalentado sale de la cara aguas arriba del intercambiador de calor 30. Al configurar el segundo paso para que tenga un flujo de refrigerante en contraposición al flujo de aire A, la diferencia de temperatura entre el aire y el refrigerante es favorable. De forma adicional, la presencia de vapor sobrecalentado en la cara aguas arriba del intercambiador de calor 30 evita la acumulación excesiva de escarcha y mejora la tolerancia a la formación de escarcha.By dividing the plurality of heat exchange tube segments 36 of a heat exchanger 30 configured as an evaporator into a first part 36a and a second part 36b to form two sequential passages, the partially evaporated refrigerant is supplied from the first passage to the second step. In the second step, the refrigerant is fully boiled and the superheated vapor comes out of the upstream face of the heat exchanger 30. By setting the second step to have a refrigerant flow as opposed to air flow A, the temperature difference between air and refrigerant is favorable. Additionally, the presence of superheated steam on the upstream face of heat exchanger 30 prevents excessive frost build-up and improves tolerance to frost formation.
Un intercambiador de calor 30 que tiene una construcción de múltiples pasos, múltiples placas y plegado permite optimizar la caída de presión del refrigerante, mejorando de ese modo el rendimiento. A medida que el refrigerante fluye a través de los segmentos de tubo de intercambio de calor 36, la calidad del vapor aumenta continuamente, conduciendo a un aumento del flujo volumétrico y, por lo tanto, a una mayor caída de presión. Al asignar un área de flujo interno progresivamente mayor a medida que el refrigerante se mueve de un paso al siguiente, es posible mejorar en gran medida el rendimiento de la caída de presión en comparación con los intercambiadores de calor convencionales. La mejora en la eficiencia operativa del intercambiador de calor 30 puede permitir que se reduzca el tamaño del intercambiador de calor 30 requerido para una aplicación deseada. Como alternativa, puede reducirse el tamaño de otros componentes del sistema, como un compresor, por ejemplo, lo que a su vez provocaría una temperatura de evaporación aún más alta y una mayor reducción de los ciclos de eliminación de escarcha, así como un aumento del rendimiento del sistema.A heat exchanger 30 having a multi-pass, multi-plate, and pleated construction allows the pressure drop of the refrigerant to be optimized, thereby improving performance. As the refrigerant flows through the heat exchange tube segments 36, the quality of the vapor continuously increases, leading to an increase in volumetric flow and thus a greater pressure drop. By allocating a progressively larger internal flow area as the refrigerant moves from one step to the next, it is possible to greatly improve the pressure drop performance compared to conventional heat exchangers. The improvement in the operational efficiency of the heat exchanger 30 may allow the size of the heat exchanger 30 required for a desired application to be reduced. Alternatively, other system components can be downsized, such as a compressor for example, which in turn would lead to an even higher evaporation temperature and further reduction in de-frost cycles, as well as an increase in the system performance.
Aunque la presente invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a las realizaciones ilustrativas ilustradas en los dibujos, los expertos en la técnica reconocerán que se pueden realizar varias modificaciones sin apartarse del alcance de la invención definido en las reivindicaciones. Por lo tanto, se pretende que la presente divulgación no se limite a las una o más realizaciones particulares divulgadas, sino que la divulgación incluya todas las realizaciones que se encuentren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. En particular, los principios y las relaciones similares pueden extenderse a las aplicaciones de tejados y unidades de paquete vertical. Although the present invention has been shown and described particularly with reference to the illustrative embodiments illustrated in the drawings, those skilled in the art will recognize that various modifications can be made without departing from the scope of the invention defined in the claims. Therefore, it is intended that the present disclosure is not limited to the one or more particular disclosed embodiments, but that the disclosure includes all embodiments that are within the scope of the appended claims. In particular, similar principles and relationships can be extended to rooftop applications and vertical package units.
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