COLECTOR DE MINICANAL PARA INTERCAMBIADOR DE CALOR.

Un intercambiador de calor que comprende: por lo menos un tubo de intercambio de calor (40) que define una pluralidad de recorridos discretos (42) de flujo de fluido a través del mismo y que tiene una abertura de entrada (41) a dicha pluralidad de recorridos de flujo de fluido;

y un tubo colector (20) que tiene una cámara (55) para la distribución de un fluido y caracterizado porque comprende además un canal alargado longitudinalmente (54) para la recepción de un refrigerante fluido de dos fases desde un circuito de fluido, dicha cámara (55) que tiene una entrada en comunicación de fluidos con dicho canal (54) y una salida en comunicación de flujo con la abertura de entrada (41) a dicha pluralidad de recorridos (42) de flujo de fluido de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (40), dicho canal (54) define un paso de flujo turbulento que tiene una área en sección transversal relativamente pequeña comparada con el área en sección transversal del tubo colector (20) para inducir una mezcla uniforme del refrigerante en fase líquida y el refrigerante en fase de vapor a medida que el fluido pasa a través del tubo colector (20)

La invención se refiere en general a los intercambiadores de calor que tienen una pluralidad de tubos paralelos que se extienden entre un primer tubo colector y un segundo tubo colector tal como se define en el preámbulo de la reivindicación 1, y, más particularmente, a mejorar la distribución del flujo de fluidos entre los tubos que reciben el flujo de fluidos desde el tubo colector de un intercambiador de calor, por ejemplo, un intercambiador de calor en un sistema de compresión de vapor de refrigerante. Tales intercambiadores de calor se conocen, por ejemplo, del documento US-B1-6.564.863.

Los sistemas de compresión de vapor de refrigerante son bien conocidos en la técnica. Los aparatos de aire acondicionado y las bombas de calor que emplean ciclos de compresión de vapor de refrigerante se utilizan habitualmente para el enfriamiento o enfriamiento/calefacción de aire suministrado a una zona de confort de clima controlado dentro de una residencia, edificio de oficinas, hospital, escuela, restaurante u otra instalación. Los sistemas de compresión de vapor de refrigerante también se utilizan habitualmente para la enfriamiento de aire, u otros medios secundarios, tales como agua o solución de glicol, para proporcionar un ambiente enfriado para alimentos y bebidas dentro de, por ejemplo, cabinas de visualización en los supermercados, tiendas de conveniencia, tiendas de comestibles, cafeterías, restaurantes y demás establecimientos de servicio de alimentos.

Convencionalmente, estos sistemas de compresión de vapor de refrigerante incluyen un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión y un evaporador conectados en comunicación de flujo de refrigerante. Los componentes básicos del sistema de refrigerante mencionados se interconectan mediante tuberías de refrigerante en un circuito cerrado de refrigerante y dispuestas de acuerdo con el ciclo de compresión de vapor empleado. Un dispositivo de expansión, habitualmente una válvula de expansión o un dispositivo de medición de perforación fija, tal como un orificio o un tubo capilar, se dispone en la tubería de refrigerante en un lugar en el circuito de refrigerante aguas arriba con respecto al flujo de refrigerante del evaporador y aguas abajo del condensador. El dispositivo de expansión funciona para expandir el refrigerante líquido que pasa por la tubería de refrigerante que va desde el condensador al evaporador a una presión y la temperatura más bajas. De este modo, una parte del refrigerante líquido que atraviesa el dispositivo de expansión se expande a vapor. Como resultado, en los sistemas convencionales de compresión de vapor de refrigerante de este tipo, el flujo de refrigerante que entra en el evaporador constituye una mezcla de dos fases. Los porcentajes particulares de refrigerante líquido y de refrigerante vapor dependen del dispositivo de expansión particular empleado y el refrigerante en uso, por ejemplo, R12, R22, R134a, R404A, R410A, R407C, R717, R744 u otro fluido compresible.

En algunos sistemas de compresión de vapor de refrigerante, el evaporador es un intercambiador de calor de tubos paralelos. Tales intercambiadores de calor tienen una pluralidad de recorridos paralelos de flujo de refrigerante a través suyo proporcionados por una pluralidad de tubos que se extiende en relación paralela entre un tubo colector de entrada, o colector de entrada, y un tubo colector de salida, o colector de salida. El tubo colector de entrada recibe el flujo de refrigerante del circuito de refrigerante y distribuye el flujo de refrigerante entre la pluralidad de recorridos de flujo a través del intercambiador de calor. El tubo colector de salida sirve para recoger el flujo de refrigerante a medida que sale de los respectivos recorridos de flujo y para dirigir el flujo recogido de nuevo a la tubería de refrigerante para volver al compresor en un intercambiador de calor de paso único o a un banco adicional de tubos de intercambio de calor en un intercambiador de calor de varios pasos. En este último caso, el tubo colector de salida es un colector intermedio o una cámara de colector y sirve como un tubo colector de entrada al siguiente banco aguas abajo de los tubos.

Históricamente, los intercambiadores de calor de tubos paralelos utilizados en estos sistemas de compresión de vapor de refrigerante han utilizado tubos redondos, normalmente con un diámetro de 1,3 cm (1/2 pulgada), 1,0 cm (3/8 pulgadas) o 7 milímetros. Más recientemente, se están utilizando tubos multicanal de sección transversal plana, normalmente rectangular u oval en intercambiadores de calor para los sistemas de compresión de vapor de refrigerante. Cada tubo multicanal tiene normalmente una pluralidad de canales de flujo que se extienden longitudinalmente en relación paralela a la longitud del tubo, cada canal proporciona un recorrido de flujo de refrigerante de pequeña área de flujo. De este modo, un intercambiador de calor con tubos multicanal que se extiende en relación paralela entre los tubos colectores de entrada y salida del intercambiador de calor tendrá un número relativamente grande de recorridos de flujo de refrigerante de pequeña área de flujo que se extienden entre los dos tubos colectores. Por el contrario, un intercambiador de calor de tubos paralelos con tubos redondos convencionales tendrá un número relativamente pequeño de recorridos de flujo de área grande que se extienden entre los tubos colectores de entrada y salida.

Una distribución no uniforme, también conocida como mala distribución, de flujo de refrigerante en dos fases es un problema común en los intercambiadores de calor de tubos en paralelo que afecta negativamente a la eficiencia del intercambiador de calor. Los problemas por mala distribución de dos fases son causados a menudo por la diferencia de densidad del refrigerante en fase de vapor y el refrigerante en fase líquida presente en el tubo colector de entrada debido a la expansión del refrigerante a medida que atraviesa el dispositivo de expansión aguas arriba.

Una solución para controlar la distribución del flujo de refrigeración a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor por evaporación se da a conocer en la patente de EE.UU nº 6.502.413, Repice et al. En el sistema de compresión de vapor de refrigerante descrito en la misma, el refrigerante líquido a alta presión del condensador se expande parcialmente en una válvula de expansión convencional en línea aguas arriba del tubo colector de entrada del intercambiador de calor por evaporación a un líquido refrigerante a presión más baja. Se facilita una restricción, tal como un simple estrechamiento en el tubo o una placa de orificio interno dispuesta dentro del tubo, en cada tubo conectado al tubo colector de entrada aguas abajo de la entrada del tubo para completar la expansión a una mezcla de refrigerante a baja presión de líquido/vapor después de entrar en el tubo.

Otra solución para controlar la distribución de flujo de refrigeración a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor por evaporación se da a conocer en la patente japonesa nº JP4080575, Kanzaki et al. En el sistema de compresión de vapor de refrigerante descrito en la misma, el refrigerante líquido a alta presión procedente del condensador también se expande parcialmente en una válvula de expansión convencional en línea a un líquido refrigerante a presión más baja aguas arriba de una cámara de distribución del intercambiador de calor. Una placa que tiene una pluralidad de orificios en ella se extiende a través de la cámara. El refrigerante líquido a menor presión se expande a medida que pasa a través de los orificios a una mezcla a baja presión de líquido/vapor aguas abajo de la placa y aguas arriba de las entradas a los tubos respectivos que se abren en la cámara.

La patente japonesa nº JP2002022313, Yasushi, describe un intercambiador de calor de tubos paralelos en el que el refrigerante se suministra al tubo colector a través de un tubo de entrada que se extiende a lo largo del eje del tubo colector para terminar cerca del extremo del tubo colector en cuyo caso el flujo de refrigerante en dos fases no se separa a medida que pasa desde el tubo de entrada en un canal anular entre la superficie externa del tubo de entrada y la superficie interior del tubo colector. El flujo de refrigerante en dos fases pasa de ahí a cada uno de los tubos que se abre en el canal anular.

Obtener una distribución uniforme del flujo de refrigerante entre el número relativamente grande de recorridos de flujo de refrigerante de pequeña área de flujo es aún más difícil de lo que es en intercambiadores de calor convencionales de tubo redondo y... [Seguir leyendo]

1. Un intercambiador de calor que comprende:

por lo menos un tubo de intercambio de calor (40) que define una pluralidad de recorridos discretos (42) de flujo de fluido a través del mismo y que tiene una abertura de entrada (41) a dicha pluralidad de recorridos de flujo de fluido; y un tubo colector (20) que tiene una cámara (55) para la distribución de un fluido y caracterizado porque comprende además un canal alargado longitudinalmente (54) para la recepción de un refrigerante fluido de dos fases desde un circuito de fluido, dicha cámara (55) que tiene una entrada en comunicación de fluidos con dicho canal (54) y una salida en comunicación de flujo con la abertura de entrada (41) a dicha pluralidad de recorridos (42) de flujo de fluido de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (40), dicho canal

(54) define un paso de flujo turbulento que tiene una área en sección transversal relativamente pequeña comparada con el área en sección transversal del tubo colector (20) para inducir una mezcla uniforme del refrigerante en fase líquida y el refrigerante en fase de vapor a medida que el fluido pasa a través del tubo colector (20).

2. Un intercambiador de calor según la reivindicación 1, en el que dicha cámara (55) tiene una sección transversal generalmente en forma de T.

3. Un intercambiador de calor según la reivindicación 1, en el que dicha cámara (55) tiene una sección transversal generalmente en forma de V.

4. Un intercambiador de calor según la reivindicación 3, en el que dicha cámara generalmente en forma de V (55) se abre directamente en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54).

5. Un intercambiador de calor según la reivindicación 3, en el que dicha cámara generalmente en forma de V (55) se conecta en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54) mediante por lo menos un agujero de orificio.

6. Un intercambiador de calor según la reivindicación 1, en el que dicha cámara (65) tiene una sección transversal contorneada generalmente divergente hacia el exterior desde dicho canal (54) hacia la salida de dicha cámara.

7. Un intercambiador de calor según la reivindicación 6, en el que dicha cámara (55) se abre directamente en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54).

8. Un intercambiador de calor según la reivindicación 6, en el que dicha cámara (55) se conecta en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54) mediante por lo menos un agujero de orificio.

9. Un intercambiador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, en el que dicho canal (54) tiene una sección transversal generalmente circular.

10. Un intercambiador de calor según cualquier reivindicación anterior, en el que dicho tubo colector (20) es un cuerpo extruido.

11. Un intercambiador de calor según la reivindicación 1, en el que:

por lo menos un tubo de intercambio de calor comprende una pluralidad de tubos de intercambio de calor (40) que tienen un extremo de entrada (43) y un extremo de salida, cada uno de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor tiene una pluralidad de recorridos de flujo (42) que se extienden longitudinalmente en relación paralela desde el extremo de entrada al extremo de salida de los mismos; y el tubo colector comprende: un tubo colector de entrada (20) que define una cámara que se extiende longitudinalmente (62), dicho tubo colector de entrada tiene una pluralidad de ranuras longitudinales espaciadas (66) que se abren en dicha cámara (62) de tubo colector a través de una pared de dicho tubo colector de entrada, cada ranura (66) adaptada para recibir el extremo de entrada (43) de un tubo de intercambio de calor respectivo; y una pieza de inserción (50) que se extiende longitudinalmente dispuesta dentro de dicha cámara (62) de dicho tubo colector de entrada (20), dicha pieza de inserción define un canal (54) que se extiende longitudinalmente dentro de dicho tubo colector y una cámara (55) que se extiende longitudinalmente dentro de dicho tubo colector, dicho canal (54) de dicha pieza de inserción está en comunicación de fluidos con dicha cámara (62) de dicho tubo colector de entrada para recibir el fluido del circuito de fluido, y dicha cámara

(55) de dicha pieza de inserción está en comunicación de fluidos con la pluralidad de recorridos de flujo (40) de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor (40) y está en comunicación de flujo de fluidos con dicho canal (54) de dicha pieza de inserción.

12. Un intercambiador de calor según la reivindicación 11, en el que dicha cámara (55) de dicha pieza de inserción

(50) tiene una sección transversal generalmente en forma de T.

13. Un intercambiador de calor según la reivindicación 11, en el que dicha cámara (55) de dicha pieza de inserción

(50) tiene una sección transversal generalmente en forma de V.

14. Un intercambiador de calor según la reivindicación 13, en el que dicha cámara generalmente en forma de V (55) se abre directamente en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54) de dicha pieza de inserción (50).

15. Un intercambiador de calor según la reivindicación 13, en el que dicha cámara generalmente en forma de V (55) se conecta en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54) de dicha pieza de inserción (50) mediante por lo menos un agujero de orificio.

16. Un intercambiador de calor según la reivindicación 11, en el que dicha cámara (54) de dicha pieza de inserción

(50) tiene una sección transversal con contorno generalmente divergente hacia el exterior desde dicho canal (55) de dicha pieza de inserción (50) hacia dicha pared de dicho tubo colector de entrada (20) que tiene la pluralidad de ranuras (66) en el mismo.

17. Un intercambiador de calor según la reivindicación 16, en el que dicha cámara (54) de dicha pieza de inserción

(50) se abre directamente en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (55) de dicha pieza de inserción (50).

18. Un intercambiador de calor según la reivindicación 16, en el que dicha cámara (54) de dicha pieza de inserción

(50) se conecta en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (54) de dicha pieza de inserción (50) mediante por lo menos un agujero de orificio.

19. Un intercambiador de calor según la reivindicación 1, en el que:

el tubo colector comprende un tubo colector de entrada (20), y la cámara comprende una cámara que se extiende longitudinalmente (65) que tiene una boca abierta; y por lo menos un tubo de intercambio de calor comprende una pluralidad de tubos de intercambio de calor (40) dispuestos en relación longitudinalmente espaciada, cada uno de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor tiene un extremo de entrada (43), un extremo de salida y una pluralidad de recorridos de flujo (42) que se extienden longitudinalmente en relación paralela desde el extremo de entrada al extremo de salida, los extremos de entrada (43) de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor (40) se extienden hasta la boca abierta de dicha cámara (65) de tubo colector; el intercambiador de calor comprende además:

una pluralidad de piezas de inserción de bloque (70), cada pieza de inserción dispuesta dentro de dicha cámara (65) de tubo colector entre cada par de tubos de intercambio de calor vecinos de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor (40), dichas piezas de inserción de bloque (70) rellenan el volumen dentro de la cámara (65) de tubo colector entre cada par de tubos de intercambio de calor vecinos.

20. Un intercambiador de calor según la reivindicación 19, en el que dicha cámara (65) tiene una sección transversal contorneada generalmente divergente hacia el exterior desde dicho canal (62) hacia la boca abierta de dicha cámara.

21. Un intercambiador de calor según la reivindicación 20, en el que dicha cámara (65) se abre directamente en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (62).

22. Un intercambiador de calor según la reivindicación 20, en el que dicha cámara (65) se conecta en comunicación de flujo de fluido con dicho canal (62) mediante por lo menos un agujero de orificio (66).

23. Un intercambiador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, en el que dicho tubo colector (20) es un cuerpo extruido (60).