DISPOSITIVO Y MÉTODO DE DISTRIBUCIÓN DE REFRIGERANTE
Campo de la Invención La presente invención se refiere a un dispositivo y método de distribución de refrigerante para utilizarse en un sistema de refrigeración que tiene un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión, y un evaporador. Técnica Antecedente En un sistema de aire acondicionado tipico, el refrigerante liquido a alta presión de un condensador entra a un dispositivo de expansión en donde se reduce la presión.
El refrigerante en la salida del dispositivo de expansión consiste en una mezcla de liquido y vapor refrigerantes de baja presión. Esta mezcla entra en un evaporador en donde la mayor parte del liquido se convierte en vapor, mientras que el refrigerante absorbe energía del termopermutador mientras este enfria el aire para el espacio acondicionado. En termopermutadores evaporadores construidos de múltiples tubos de transferencia térmica paralelos, la mezcla entrante de liquido-vapor refrigerantes tipicamente entra en un colector común que alimenta múltiples tubos de forma simultánea. Debido a los efectos de gravedad e impulso, el refrigerante liquido se separa del refrigerante en vapor y permanece en el fondo del tubo. El refrigerante liquido procederá hacia el extremo del colector y alimentará más - -
refrigerante liquido en los tubos en el extremo del colector que a los tubos adyacentes al tubo de admisión del colector. Esto tiene como resultado una alimentación desigual del refrigerante en los tubos de transferencia térmica del termopermutador, causando una utilización menor que óptima del termopermutador evaporador. A medida que el refrigerante liquido absorba calor hierve o se evapora. Si algunos tubos tienen menos refrigerante liquido fluyendo a través de ellos para hervir, algunas partes del termopermutador pueden sub-utilizarse si todo el refrigerante liquido hierve muy antes de la salida de los tubos de transferencia térmica. A medida que el evaporador refrigerante suministra aire frió, es deseable que la distribución de temperatura en el flujo de aire emergente sea relativamente uniforme. Este objetivo es complicado por el hecho de que numerosos pasajes refrigerantes pueden suministrar aire frió no uniforme. Se sabe que al igual que en otros casos, una fase de vapor fluye en un pasaje refrigerante a lo largo del espacio superior en una tuberia de distribución de refrigerante orientada horizontalmente. La fase liquida fluye tipicamente en un pasaje refrigerante a lo largo del volumen inferior de la tuberia de distribución de refrigerante. De esta forma, convencionalmente se separa el flujo de refrigerante. Este fenómeno ha complicado la tarea - - de distribuir uniformemente el fluido refrigerante dentro y a lo largo de los diversos pasajes refrigerantes de un sistema de distribución de refrigerante. Otro factor de complicación es que entre más remoto se encuentre el refrigerante de un lado de admisión de un sistema que incluye varios pasajes de evaporación de refrigerante, es más difícil que el refrigerante liquido fluya uniformemente. Por el contrario, entre más cerca se encuentre el refrigerante en el lado de admisión, es más difícil que el refrigerante liquido fluya. Como resultado, las características de enfriamiento del aire que pasa alrededor del pasaje de evaporación de refrigerante próximo al lado de admisión y que pasa alrededor de pasajes distales de evaporación de refrigerante es desigual. Consecuentemente, la temperatura del aire que pasa alrededor del pasaje de evaporación de refrigerante en el lado de admisión difiere de la que rodea los pasajes distales de evaporación de refrigerante. Este fenómeno tiende a ocasionar una distribución desigual de temperatura en el aire frió que emerge. Una búsqueda de la técnica anterior reveló las siguientes referencias: USPN 6,449,979; USPN 5,651,268; USPN 5,448,899; GB 2 366 359, cuyas descripciones se incorporan en la presente mediante la referencia. La patente ?979 trata principalmente la - -
distribución de refrigerante en evaporadores automotrices. La idea es controlar el flujo de refrigerante hacia abajo del colector empleando una serie de orificios progresivamente más pequeños. Ver, e . g. , Figuras 1 y 2. La patente ?268 describe un aparato para mejorar la distribución de refrigerante en evaporadores automotrices. El concepto fundamental es mezclar el liquido y vapor refrigerantes en la entrada del evaporador y controlar la distribución de lo tubos a través de pequeños orificios que se localizan alrededor del tubo de admisión. Ver, e . g. , Figuras 9 y 12. La patente ? 899 describe un sistema que separa el refrigerante liquido del vapor en la entrada del evaporador por medio de gravedad. El vapor se canaliza hacia la salida del evaporador y solo se permite que el refrigerante liquido proceda a través del termopermutador. Una limitación de este procedimiento es que las orientaciones del termopermutador son tales que la gravedad separa el liquido y el vapor. Además, este procedimiento es más adecuado para evaporadores tipo placa y puede no funcionar de manera efectiva en otros tipos de evaporadores. La GB 2 366 359 muestra una disposición de cuatro secciones de termopermutadores que controlan el flujo de refrigerante de tal forma que balancea la transferencia térmica del refrigerante. Sin embargo, existe una distribución de refrigerante no uniforme en cada sección, que impide la utilización eficiente del termopermutador. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objetivo de la invención es proporcionar a los tubos de transferencia térmica una mezcla homogénea de refrigerante liquido y en vapor que proporcionará una alimentación uniforme de refrigerante. El resultado será la utilización uniforme del termopermutador evaporador. La invención incluye un dispositivo de distribución de refrigerante que se localiza en un colector de admisión de un termopermutador de múltiples tubos de un sistema de refrigeración. Convencionalmente, el sistema tiene un medio de dispositivo de expansión que suministra un fluido refrigerante de dos fases al colector de admisión. El termopermutador de múltiples tubos tiene también un colector de salida que suministra un fluido refrigerante que se encuentra substancialmente en un estado de vapor. Una pluralidad de tubos se encuentran en comunicación fluida entre los colectores de admisión y salida. El dispositivo de distribución de refrigerante incluye un pasaje de admisión que se extiende substancialmente a lo largo y dentro del colector de admisión. El pasaje de admisión se encuentra en comunicación con el evaporador. Una o más boquillas de diámetro pequeño (hasta 5 mm - - de diámetro; preferentemente hasta 1.5 mm de diámetro, dependiendo de la tasa de flujo y el tamaño del termopermutador) se encuentran dispuestas dentro del colector de admisión que se encuentran en comunicación fluida con el pasaje de admisión. Concomitantemente, se proporcionan también una o más boquillas capilares de liquido dentro del colector de admisión y en comunicación fluida con el pasaje de admisión. El fluido refrigerante de dos fases en el pasaje de admisión tiene una interfaz de liquido-vapor refrigerante bajo la cual el fluido se encuentra predominantemente en la fase liquida y arriba de la cual el fluido se encuentra predominantemente en la fase de vapor. Cada boquilla de diámetro pequeño tiene un puerto de admisión de vapor que se encuentra por arriba de la interfaz liquido-vapor refrigerante. Cada boquilla de capilaridad de liquido tiene un puerto de admisión de liquido bajo la interfaz liquido-vapor refrigerante. El flujo de refrigerante en el tubo de admisión y la diferencia de presión entre el tubo de admisión y el colector de salida impulsan un flujo liquido a través de las boquillas capilares de liquido y un flujo de vapor a través de las boquillas de diámetro pequeño. El vapor interfiere con el flujo liquido para crear una mezcla homogénea de refrigerante liquido y vaporoso para suministrarse de forma relativamente uniforme a través de la pluralidad de tubos para la distribución eficiente del fluido refrigerante. La invención también incluye un método para distribuir una mezcla homogénea de refrigerante liquido y vaporoso a la pluralidad de tubos utilizando el dispositivo de distribución de refrigerante descrito. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una ilustración esquemática de los principales componentes de un sistema de refrigeración convencional y muestra en donde se sitúa la invención; y La Figura 2 es una vista seccionada parcialmente cortada de un termopermutador de múltiples tubos con un colector de admisión que aloja la invención; y La Figura 3 es una vista en perspectiva cortada diagonal del colector de admisión que muestra una posición deseada de las boquillas capilares de liquido en relación con una interfaz de refrigerante liquido-vapor. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE INVENCIÓN Volviendo primero a la Figura 1, se representan los componentes principales de un sistema de refrigeración convencional. Esta figura es útil para ilustrar el posicionamiento de la invención en relación con los componentes convencionales. Se apreciará que el término
"ciclo de refrigeración" es un término genérico que describe un ciclo de compresión de vapor que se utiliza tanto en sistemas de aire acondicionado como de refrigeración a baja temperatura. En la Figura 1, el compresor agrega energía a un refrigerante al comprimirlo a una alta presión. El refrigerante entra al condensador a lo largo del pasaje (1) como un vapor a alta temperatura. Tipicamente, el condensador rechaza la energía hacia un disipador térmico -comúnmente aire ambiental. Cuando emerge del condensador como un liquido sub-enfriado a alta presión (2) , el refrigerante fluye a través de un dispositivo de expansión (regulador) . Este dispositivo reduce la presión del refrigerante. Cuando abandona el dispositivo de expansión, el refrigerante se encuentra en dos fases: principalmente liquida (aproximadamente 80%) ; y algo de vapor (aproximadamente 20%) en el pasaje (3). Este refrigerante de dos fases entra entonces al evaporador. Ahi, absorbe energía y proporciona un efecto de enfriamiento. En la mayoría de los casos, a medida que el evaporador de fluido continúa absorbiendo energía, el refrigerante se evapora o hierve. El sistema se encuentra diseñado para evaporar completamente todo el refrigerante, proporcionando gas super-calentado a baja presión de regreso al compresor (4) . Comúnmente, el fluido se enfria por aire. Sin embargo, el refrigerante puede ser también un liquido - tal como agua.
En la Figura 1, la invención que va a describirse en la presente se localiza en la entrada del evaporador. Volviendo ahora a las Figuras 1-3, se representa un dispositivo de distribución de refrigerante 10 en un colector de admisión 12 de un termopermutador de múltiples tubos 14 de un sistema de refrigeración 20. Convencionalmente, el sistema tiene un medio de dispositivo de expansión 22 (Figura 1) que suministra un fluido refrigerante de dos fases 24 (Figura 3) al colector de admisión 12. Tipicamente, el termopermutador de múltiples tubos tiene también un colector de salida 26 (Figura 2) que suministra un fluido refrigerante frió 28 que se encuentra sustancialmente en estado de vapor. Aunque se representa con una sección transversal circular, cualquiera o ambos colectores pueden tener una sección transversal elíptica u oval, y pueden o no ser simétricos alrededor de un plano ecuatorial. Como se sabe, una pluralidad de tubos 30 se encuentran en comunicación fluida entre los colectores de admisión y salida 12, 26. El dispositivo de distribución de refrigerante 10 incluye un pasaje de admisión 32 (Figuras 2, 3) que se extiende sustancialmente a lo largo y dentro del colector de admisión 12. El pasaje de admisión se encuentra en comunicación con el medio de dispositivo de expansión 22. Una o más boquillas 34 de diámetro pequeño se encuentran dispuestas dentro del colector de admisión 12, que se - -
encuentran en comunicación fluida con el pasaje de admisión 32. Adicionalmente, una o más boquillas capilares de liquido 36 se encuentran también dentro del colector de admisión 12 y se encuentran en comunicación fluida con el pasaje de admisión 32. El fluido refrigerante de dos fases en el pasaje de admisión 32 tiene una interfaz de refrigerante liquido-vapor 38 (Figura 3) . Abajo de la interfaz de refrigerante liquido-vapor 38, el fluido se encuentra predominantemente en fase liquida. Arriba de la interfaz de refrigerante liquido-vapor 38, el fluido se encuentra predominantemente en una fase de vapor. La una o más boquillas 34 de diámetro pequeño tienen puertos de admisión de vapor 40 que se encuentran arriba de la interfaz de refrigerante liquido-vapor 38. La una o más boquillas capilares de liquido 36 tienen puertos de admisión de liquido 42 que se encuentran bajo la interfaz de refrigerante liquido-vapor 38. La presión ejercida por el flujo de refrigerante en el pasaje de admisión 32 y la diferencia de presión entre el pasaje de admisión 32 y el colector de salida 26 impulsan un flujo liquido a través de las boquillas capilares de liquido 36 y un flujo de vapor a través de la una o más boquillas 34 de diámetro pequeño. De esta manera, el flujo de vapor interfiere con el flujo liquido para crear una mezcla atomizada homogénea de refrigerante liquido y vaporoso que va a suministrarse de manera relativamente uniforme a través del colector de admisión 12 a través de la pluralidad de tubos 30 hacia el colector de salida 26 para la eficiente distribución del fluido refrigerante. Una o más boquillas 34 de diámetro pequeño incluyen una sección de admisión 44 que se extiende radialmente hacia el exterior desde el pasaje de admisión 32 y una sección de salida 46 conectada a la sección de admisión 44. La sección de salida 46 se extiende axialmente en relación al pasaje de admisión 32 para dirigir un flujo de vapor hacia un puerto de salida 48 de una boquilla de capilaridad de liquido 36 adyacente. Como se muestra en la Figura 2, existen múltiples pares de boquillas de diámetro pequeño y de liquido. Los pares adyacentes tienen boquillas de vapor que se encuentran orientadas en direcciones opuestas. En la Figura 3, la interfaz de refrigerante liquido-vapor 38 se encuentra en una elevación que tiende a elevarse con la distancia lejos del puerto de admisión del pasaje de admisión 32. La invención abarca también un método para el suministro de una mezcla homogénea de refrigerante liquido y vaporoso de manera relativamente uniforme a través de los múltiples tubos de un termopermutador 14 con un colector de -
admisión 12. El método comprende las etapas de: proporcionar un pasaje de admisión 32 dentro del colector de admisión 12, encontrándose el pasaje de admisión 32 en comunicación con un medio de dispositivo de expansión; disponer una o más boquillas 34 de diámetro pequeño dentro del colector de admisión 12 que se encuentra en comunicación fluida con el pasaje de admisión 32; localizar una o más boquillas capilares de liquido 34 también dentro del colector de admisión 12 en comunicación con el pasaje de admisión 32; suministrar un fluido refrigerante de dos fases al pasaje de admisión a fin de crear una interfaz de refrigerante liquido-vapor 38 en el mismo bajo la cual el fluido se encuentra predominantemente en fase liquida y arriba de la cual el fluido se encuentra predominantemente en fase de vapor; situar una o más boquillas de diámetro pequeño de manera que los puertos de admisión de vapor asociados 40 se encuentren arriba de la interfaz de refrigerante liquido-vapor ; sumergir la una o más boquillas capilares de liquido a fin de que los puertos de admisión de liquido asociados se encuentren bajo la interfaz de refrigerante liquido-vapor ; y presurizar el flujo de refrigerante en el pasaje de - - admisión a fin de que el flujo liquido se impulse a través de las boquillas capilares de liquido y el flujo de vapor a través de las boquillas de vapor de manera que el flujo de vapor interfiera con el flujo liquido para crear una mezcla homogénea de refrigerante liquido y vaporoso que va a suministrarse de manera relativamente uniforme a través de múltiples tubos hacia el colector de salida para la eficiente distribución del fluido refrigerante. La presión en la punta 48 de la linea de capilaridad de liquido 36 (Figura 3) es inferior a cualquier otra parte alrededor de la punta. Por lo tanto, el flujo liquido se atrae y se libera en el colector. Las gotas se dispersarán en la fase de vapor, permitiendo asi el suministro uniforme del refrigerante a los tubos . Se apreciará que convencionalmente, la entrada del refrigerante puede ubicarse hacia cualquier extremo del colector de admisión 12 o intermedia entre los mismos. Dependiendo de en dónde se localice dentro del colector de admisión 12 del termopermutador, algunos de los tubos 30 del termopermutador pueden recibir todo el líquido, algo del vapor y algo de la mezcla. Por consiguiente, la invención descrita evita lo que de otra manera sería un uso no efectivo del termopermutador. La definición de refrigerante en esta descripción incluye cualquier fluido/químico en donde el fluido se encontrará en los estados líquido y de vapor al fluir a través del evaporador. Dado que el refrigerante absorbe energía, continuamente hierve (se evapora) , convirtiendo eventualmente en vapor el volumen total de refrigerante. Es el cambio de fases y el calor de vaporización lo que caracteriza los sistemas de refrigeración de compresión de vapor. Existen cientos de químicos que pueden clasificarse como refrigerantes, pero lo siguiente lista los más comunes: HCFC-22 (utilizado en la gran mayoría de los sistemas de aire acondicionado) ; HFC-134a (utilizado en acondicionadores de aire de automóviles, máquinas expendedoras y refrigeradores domésticos) ; HFC-404A (utilizado en sistemas de refrigeración comercial) ; y HFC-410A (utilizado en acondicionadores de aire y que es un reemplazo designado para HCFC-22) . El HCFC es un hidroclorofluorocarburo. Un fluido refrigerante tal como HCFC-22 se utiliza actualmente en la mayoría de los acondicionadores de aire. HCFC-22 (R22) consiste de clorodifluorometano. El R22 es un refrigerante HCFC de un solo componente con un bajo potencial de agotamiento de ozono. Se utiliza para aplicaciones de acondicionamiento de aire y refrigeración en una diversidad de mercados, incluyendo, aparatos domésticos, construcción, procesamiento de alimentos, y supermercados. Freon® es un nombre comercial para un grupo de clorofluorocarburos utilizados principalmente como refrigerantes. Freon® es una marca registrada que pertenece a E.l. du Ponte de Nemours & Company. Las temperaturas y presiones típicas con HCFC-22 en los 4 puntos de estado en el ciclo de refrigeración (Figura 1) son: 1. 18.279 Kg/cm2 (260 psig), 82°C, vapor supercalentado 2. 17.576 Kg/cm2 (250 psig), 38°C, líquido subenfriado 3. 5.695 Kg/cm2 (81 psig), 9°C líquido y vapor en dos fases 4. 5.273 Kg/cm2 (75 psig), 16°C vapor supercalentado . Los refrigerantes menos comunes y/o futuros son: Dióxido de carbono (un reemplazo a largo plazo para muchos de los refrigerantes anteriores) ; /Amoniaco (utilizado en sistemas más grandes de refrigeración de almacenamiento en frió) ; Iso-butano y propano (utilizados en pequeños sistemas de refrigeración en Europa) ; y Agua (también puede utilizarse como un refrigerante de dos fases) .
Aunque las modalidades de la invención se han ilustrado y descrito, no se pretende que estas modalidades ilustren y describan todas las formas posibles de la invención. Más bien, las palabras utilizadas en la especificación son palabras de descripción más que de limitación, y se entiende que pueden realizarse varios cambios sin apartarse del espíritu y alcance de la invención.