INTERCAMBIADOR DE CALOR CON EXPANSIÓN DE FLUIDO EN ETAPAS MÚLTIPLES EN EL COLECTOR.

Intercambiador de calor con expansión de fluido de etapas múltiples en el colector. Campo de la Invención Esta invención se refiere, en general, a intercambiadores de calor como se definen en el preámbulo de la reivindicación 1, que tienen al menos un tubo de intercambio de calor que define una pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido a través del mismo, y que se extienden entre un primer colector y un segundo colector, a los que se hace referencia algunas veces como distribuidores, y, más particularmente para proporcionar expansión de fluido dentro del colector de un intercambiador de calor para mejorar la distribución de flujo en dos fases a través de tubos paralelos del intercambiador de calor, por ejemplo un intercambiador de calor en un sistema de compresión de refrigerante. Un tal intercambiador de calor es conocido por el documento JP 6241682. Se dan a conocer intercambiadores de calor de la técnica anterior en los documentos EP 0228330, US 5632329 y US 4724904. Antecedentes de la Invención Son bien conocidos en la técnica sistemas de compresión de vapor de refrigerante. Se utilizan corrientemente acondicionadores de aire y bombas de calor que utilizan ciclos de compresión de vapor de refrigerante para enfriar y enfriar/calentar aire suministrado a una zona de comodidad de ambiente controlado dentro de una residencia, edificio de oficinas, hospital, escuela, restaurante u otras instalaciones. Los sistemas de compresión de vapor de refrigeración son usados también comúnmente para enfriar aire u otro fluido secundario para proporcionar un entorno refrigerado para artículos de alimentación y productos de bebidas dentro de, por ejemplo, cajas de presentación en supermercados, almacenes de mercancías, tiendas de comestibles, cafeterías, restaurantes y otros establecimientos de servicios de alimentación. 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 o circulación refrigerante. Los componentes del sistema refrigerante básico anteriormente citado están interconectados por tuberías de refrigerante en un circuito de refrigerante cerrado y dispuestos de acuerdo con el ciclo de compresión de vapor empleado. Un dispositivo de expansión, comúnmente una válvula de expansión o un dispositivo de dosificación de ánima fija, tal como un orificio o un tubo capilar, está dispuesto en la tubería de refrigerante en un lugar aguas arriba del circuito de refrigerante, con respecto al flujo de refrigerante, del evaporador, y aguas abajo del condensador. El dispositivo de expansión funciona para expandir el líquido refrigerante que pasa a través de la tubería de refrigerante que discurre desde el condensador al evaporador hasta una presión y una temperatura inferiores. Al hacerlo así, una parte del líquido refrigerante que atraviesa el dispositivo de expansión se dilata en forma de vapor. Como consecuencia, en 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 líquido refrigerante y de vapor de refrigerante dependen del dispositivo de expansión particular utilizado y del refrigerante en uso, por ejemplo R12, R22, R134a, R404A, R407C, R717, R744 u otro fluido compresible. En algunos sistemas de compresión de vapor refrigerante, el evaporador es un intercambiador de calor de tubos paralelos. Tales intercambiadores de calor tienen una pluralidad de trayectorias paralelas de flujo de refrigerante a través de ellos, proporcionadas por una pluralidad de tubos dispuestos en relación de paralelismo entre un colector de entrada y un colector de salida. El colector de entrada recibe el flujo de refrigerante desde el circuito de refrigerante y lo distribuye entre la pluralidad de trayectorias de flujo a través del intercambiador de calor. El colector de salida sirve para recoger el flujo de refrigerante a medida que abandona las respectivas trayectorias de circulación y para dirigir el flujo recogido de nuevo a la tubería de refrigerante para su retorno al compresor en un intercambiador de calor de pasada única o a través de un grupo adicional de tubos de intercambio de calor en una intercambiador de calor de varias pasadas. Habitualmente, los intercambiadores de calor de tubos paralelos utilizados en tales sistemas de compresión de refrigerante han utilizado tubos redondos, normalmente con un diámetro de 12,7 mm (1/2 pulgadas), 9,525 mm (3/8 de pulgada) o 7 milímetros. Más recientemente, han estado siendo utilizados tubos de forma plan, rectangular u ovalada, de canales múltiples, en intercambiadores de calor para sistemas de compresión de vapor de refrigerante. Cada tubo de múltiples canales tiene una pluralidad de canales de flujo dispuestos longitudinalmente en relación de paralelismo en la longitud del tubo, proporcionando cada canal una trayectoria de refrigerante de pequeña área de flujo en sección transversal. De ese modo, un intercambiador de calor con tubos de múltiples canales, que se extienden en relación de paralelismo entre los colectores de entrada y salida del intercambiador de calor, tendrá un número relativamente grande de trayectorias de refrigerante de pequeña área de flujo en sección transversal, que se extienden entre los dos colectores. En contraposición, un intercambiador de calor de tubos paralelos con tubos redondos convencionales tendrá un número relativamente pequeño de trayectorias de circulación de área de flujo grande que se extienden entre los colectores de entrada y salida. La distribución no uniforme, a la que se hace referencia también como mala distribución, de flujo de refrigerante de dos fases, es un problema común en intercambiadores de calor de tubos paralelos, que afecta de manera adversa la 2 ES 2 365 740 T3 eficacia del intercambiador de calor. Entre otros factores, los problemas de mala distribución de dos fases son causados por la diferencia de densidades del refrigerante en fase de vapor y del refrigerante en fase líquida, que existe en el colector de entrada debido a la expansión del refrigerante al atravesar el dispositivo de expansión de 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 describe en la patente de Estados Unidos No. 6.502.413, de Repice et al. En el sistema de compresión del vapor de refrigerante descrito en ella, el refrigerante líquido a alta presión procedente del condensador es parcialmente expandido en un dispositivo convencional de expansión en línea, aguas arriba del colector de entrada del intercambiador de calor hasta un refrigerante de presión inferior. Adicionalmente, se dispone en cada tubo una restricción, tal como un simple estrechamiento del tubo o una placa interna de orificios, dentro del tubo, conectada al colector de entrada, aguas abajo de la entrada del tubo, para completar la expansión hasta una mezcla de líquido/vapor de refrigerante de baja presión después de entrar en el tubo. Otra solución a la distribución de flujo de refrigeración a través de tubos paralelos en un intercambiador de vapor por evaporación de expone en la patente japonesa No. JP4080575, de Kanzaki et al. En el sistema de compresión de vapor de refrigerante descrito en dicha patente, el refrigerante líquido a alta presión, procedente del condensador, es también expandido parcialmente en un dispositivo convencional de expansión en línea hasta un refrigerante de presión inferior aguas abajo de una cámara de distribución del intercambiador de calor. A través de la cámara se extiende una placa que tiene una pluralidad de orificios en ella. El refrigerante a presión inferior se expande a medida que pasa a través de los orificios hasta una mezcla de líquido/vapor de baja presión, aguas abajo de la placa y aguas arriba de las entradas a los respectivos tubos que desembocan en la cámara. La patente japonesa No. 6241682, de Massaki et al., describe un intercambiador de calor de tubos de circulación paralelos para una bomba de calor en la que el extremo de entrada de cada tubo de canales múltiples que se conecta al colector de entrada está aplastado para formar una restricción de estrangulación parcial en cada tubo, justamente aguas abajo de la entrada del tubo. La patente japonesa No. JP8233409, de Hiroaki et al., da a conocer un intercambiador de calor de tubos de circulación paralelos, en el que una pluralidad de tubos planos, de canales múltiples, se conectan entre un par de colectores, cada uno de los cuales tiene un interior que disminuye de área de flujo en la dirección del flujo de refrigerante como unos medios para distribuir uniformemente el refrigerante... [Seguir leyendo]

un colector (20, 30; 120, 130) que define una cámara de fluido (25, 20A, 20B, 30A, 30B; 120A, 120B, 130A, 130B) para recoger un fluido; y al menos un tubo de intercambio de calor (40; 140), definiendo dicho tubo una pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido a través del mismo y que tiene una abertura de entrada a dicha pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido; caracterizado por un conectador (50; 50A, 50B, 50C) que tiene un extremo de entrada (52) y un extremo de salida (54) y que define una cámara de entrada (51) en el citado extremo de entrada (52) en comunicación de circulación de fluido con la cámara de fluido del citado colector (20; 120), una cámara de salida (53) en dicho extremo de salida (54) en comunicación de fluido con la abertura de entrada de dicho al menos tubo de intercambio de calor (40; 140), y una cámara intermedia (57) que define una trayectoria de flujo entre dicha cámara de entrada (51) y dicha cámara de salida (53), teniendo dicha trayectoria de circulación una pluralidad de lumbreras (56) de restricción de flujo dispuestas en ella en una disposición en serie separadas. 2. Un intercambiador de calor (10) según la reivindicación 1, en el que cada lumbrera (56) de restricción de flujo de la citada pluralidad de lumbreras (56) de restricción de flujo comprende un orificio de expansión. 3. Un intercambiador de calor (10) según la reivindicación 1 ó la 2, en el que cada lumbrera (56) de restricción de flujo de la citada pluralidad de lumbreras (56) de restricción de flujo comprende una abertura cilíndrica de pared recta. 4. Un intercambiador de calor (10) según la reivindicación 1 ó la 2, en el que cada lumbrera (56) de restricción de flujo de la citada pluralidad de lumbreras (56) de restricción de flujo comprende una abertura perfilada. 5. Un intercambiador de calor (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho al menos un tubo de intercambio de calor (40; 140) tiene una sección transversal aplanada, rectangular. 6. Un intercambiador de calor (10) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que cada una de la citada pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido es una trayectoria de circulación que tiene una sección transversa no circular. 7. Un intercambiador de calor (10) según la reivindicación 6, en el que cada una de la citada pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido es seleccionada de un grupo de sección transversal rectangular, triangular o trapecial. 8. Un intercambiador de calor (10) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que cada una de la citada pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido es una trayectoria de circulación que tiene una sección transversal circular. 9. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante que comprende: un compresor (60), un condensador (10A) y un intercambiador de calor (10B) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, conectados en comunicación de circulación de fluido en un circuito refrigerante, por lo que vapor de refrigerante a elevada presión pasa desde dicho compresor (60) al citado condensador (10A), refrigerante a elevada presión pasa desde dicho condensador (10A) al citado intercambiador de calor (10B), y vapor de refrigerante a baja presión pasa desde el citado intercambiador de calor (10B) a dicho compresor (60); en el que dicho colector es un colector de entrada (20) y el intercambiador de calor (10B) comprende además un colector de salida (30), estando cada colector en comunicación de circulación de fluido con el circuito de refrigerante, estando la citada cámara de fluido (25; 25A) definida por el citado colector de entrada (20) y para recibir refrigerante procedente del circuito de refrigerante; y dicho al menos un tubo de intercambio de calor (40) incluye además una abertura de salida, extendiéndose la citada pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido desde la abertura de entrada a la abertura de salida, estando la abertura de salida en comunicación de circulación de fluido con el citado colector de salida (30). 10. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 9, en el que dicho intercambiador de calor consiste en un intercambiador de calor de pasada única. 11. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 9, en el que el citado intercambiador de calor consiste en un intercambiador de calor de pasadas múltiples. 9 ES 2 365 740 T3 12. un sistema de compresión de vapor de refrigerante según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que dicho intercambiador de calor consiste en un condensador. 13. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que dicho intercambiador de calor consiste en un evaporador. 14. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante, que comprende: un compresor (60), un primer intercambiador de calor (10A) y un segundo intercambiador de calor (10B) según la reivindicación 1, conectados en comunicación de circulación de fluido en un circuito de refrigerante, por lo que un refrigerante circula en un primer sentido en un modo de enfriamiento desde el citado compresor (60) a través de dicho primer intercambiador de calor (10A), de ahí a través de dicho segundo intercambiador de calor (10B) y en retorno al citado compresor (60), y circula en un segundo sentido en un modo de calentamiento desde dicho compresor (60) a través del citado segundo intercambiador de calor (10B), de ahí a través de dicho primer intercambiador de calor (10A) y en retorno al citado compresor (60); en el que: dicho colector del citado segundo intercambiador de calor es un primer colector (20) y el segundo intercambiador de calor (10B) comprende además un segundo colector (30), estando cada colector en comunicación de circulación de fluido con el circuito de refrigerante, estando la citada cámara de fluido (25; 20A) definida por el citado primer colector (20) y para recibir refrigerante del circuito de refrigerante que circula en el primer sentido, y definiendo dicho segundo colector (30) una cámara (30B) para recibir refrigerante desde el circuito de refrigerante que circula en un segundo sentido; dicho al menos un tubo de intercambio de calor (40) tiene un primer extremo y un segundo extremo, estando la pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido en comunicación de circulación de fluido entre la cámara de fluido (25; 20A) del citado primer colector (20) y la cámara de fluido (30B) del citado segundo colector (30); y dicha cámara de entrada (51) en el citado extremo de entrada (52) del citado conectador (50; 50A) está en comunicación de circulación de fluido con la cámara de fluido (25; 20A) del citado primer colector (20), y en el que dicho conectador (50, 50A) está adaptado para crear una caída de presión relativamente grande en el flujo de refrigerante que pasa en el primer sentido y una caída de presión relativamente pequeña en el flujo de refrigerante que pasa en el segundo sentido. 15. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante, que comprende: un compresor (60), un primer intercambiador de calor (10A) según la reivindicación 1 y un segundo intercambiador de calor (10B), conectados en comunicación de circulación de fluido en un circuito de refrigerante, por lo que un refrigerante circula en un primer sentido en modo de enfriamiento desde dicho compresor (60) a través del citado primer intercambiador de calor (10A), de ahí a través de dicho segundo intercambiador de calor (10B) y de retorno al citado compresor (60), y circula en un segundo sentido en modo de calentamiento desde el citado compresor (60) a través de dicho segundo intercambiador de calor (10B), de ahí a través de dicho primer intercambiador de calor (10A) y en retorno al citado compresor (60); en el que: el primer intercambiador de calor (10A) comprende además un primer colector (120), y en el que dicho colector definido en la reivindicación 1 es un segundo colector (130), estando cada colector en comunicación de circulación de fluido con el circuito de refrigerante, definiendo dicho primer colector (120) una cámara de fluido (120A) para recibir refrigerante del circuito de refrigerante que circula en el primer sentido y estando dicha cámara de fluido (130B) definida por el citado segundo colector (130) y para recibir refrigerante del circuito de refrigerante que circula en un segundo sentido; dicho al menos un tubo de intercambio de calor (140) tiene un primer extremo y un segundo extremo, estando la pluralidad de trayectorias discretas de circulación de fluido en comunicación de circulación de fluido entre la cámara de fluido (120A) del citado primer colector (120) y la cámara de fluido (130B) del citado segundo colector (130); y la citada cámara de entrada (51) en dicho extremo de entrada (52) de dicho conectador (50; 50B) está en comunicación de circulación de fluido con la cámara de fluido de dicho segundo colector (130), y en el que dicho conectador (50; 50B) está adaptado a crear una caída de presión relativamente pequeña en el flujo de refrigerante que pasa en el primer sentido y una caída de presión relativamente grande en el flujo de refrigerante que pasa en la segunda dirección. ES 2 365 740 T3 11 ES 2 365 740 T3 12 ES 2 365 740 T3 13 ES 2 365 740 T3 14 ES 2 365 740 T3 ES 2 365 740 T3 16