Un intercambiador (10) de calor constituido por: un tubo colector (20) que define una cámara (25) para recoger un fluido;

al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor que define una pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos que se extienden de manera longitudinal a través del tubo o los tubos y que tienen una abertura (41) de entrada a la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos; y un conector o una pluralidad de conectores (50) que tienen un extremo (52) de entrada y un extremo (54) de salida y que definen un camino (55) de flujo de fluido que se extiende desde el mencionado extremo (52) de entrada hasta el mencionado extremo (54) de salida, donde el mencionado extremo de entrada está en comunicación de flujo de fluido con la cámara (25) del mencionado tubo colector (20) a través de una primera abertura (51) y donde el mencionado extremo (54) de salida está en comunicación de flujo de fluido con la abertura (41) de entrada de uno o de todos los tubos (40) multi-canal de intercambio de calor a través de una segunda abertura (53), caracterizados porque la mencionada abertura (51) está constituida por al menos un orificio de expansión de restricción de flujo que tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña

Intercambiador de calor con expansión de fluido en tubo colector.

Campo de la invención Esta invención se refiere de manera general a intercambiadores de calor que tienen una pluralidad de tubos paralelos que se extienden entre un primer tubo colector y un segundo tubo colector, a los que se hace referencia algunas veces como tubos distribuidores, y, más en particular, a proporcionar una expansión de un fluido en el seno del tubo colector de un intercambiador de calor para mejorar la distribución de un flujo bifásico a través de los tubos paralelos del intercambiador de calor, por ejemplo un intercambiador de calor en un sistema de refrigeración por compresión. El documento US-A-5320165 describe un intercambiador de calor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Antecedentes de la invención

Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor son bien conocidos en la técnica. Los aires acondicionados y las bombas de calor que utilizan ciclos de refrigeración por compresión de vapor se utilizan comúnmente para enfriar o para enfriar/calentar aire que se suministra a una zona de bienestar ambiental de climatización controlada dentro de una residencia, un edificio de oficinas, un hospital, una escuela, un restaurante u otra instalación. Los sistemas de refrigeración por compresión de vapor también se utilizan comúnmente para enfriar aire u otro fluido secundario para proporcionar un ambiente refrigerado para productos de alimentación y bebidas dentro de, por ejemplo, vitrinas de exhibición en supermercados, ultramarinos, tiendas de comestibles, cafeterías, restaurantes y otros establecimientos de servicio de comida.

De manera convencional, estos sistemas de refrigeración por compresión de vapor 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 refrigeración mencionados están interconectados mediante líneas de refrigeración en un circuito de refrigeración cerrado y están dispuestos de acuerdo con el ciclo de compresión de vapor utilizado. Un dispositivo de expansión, comúnmente una válvula de expansión o un dispositivo de dosificación de diámetro fijo, tal como un orificio o un tubo capilar, se disponen en la línea de refrigeración en una ubicación en el circuito de refrigeración aguas arriba, con respecto al flujo de refrigerante, del evaporador y aguas abajo del condensador. El dispositivo de expansión funciona expandiendo el refrigerante líquido que pasa a través de la línea de refrigeración circulando desde el condensador hacia el evaporador a una presión y temperatura inferiores. Como resultado de esto, una parte del refrigerante líquido que atraviesa el dispositivo de expansión se expande convirtiéndose en vapor. Como resultado, en sistemas de refrigeración por compresión de vapor convencionales de este tipo, el flujo de refrigerante que entra en el evaporador constituye una mezcla bifásica. Los porcentajes particulares de refrigerante líquido y refrigerante vapor dependen del dispositivo de expansión particular utilizado y del refrigerante utilizado, por ejemplo R12, R 22, R134a, R404a, R410A, R407C, R717, R744 u otro fluido compresible.

En algunos sistemas de refrigeración por compresión de vapor, el evaporador es un intercambiador de calor de tubos paralelos. Tales intercambiadores de calor tienen una pluralidad de caminos de flujo de refrigerante paralelos a través de los mismos, y estos están creados por una pluralidad de tubos que se extienden paralelamente entre sí entre un tubo colector de entrada y un tubo colector de salida. El tubo colector de entrada recibe el flujo de refrigerante del circuito de refrigeración y lo distribuye entre la pluralidad de caminos de flujo a través del intercambiador de calor. El tubo colector de salida sirve para recoger el flujo de refrigerante cuando abandona los respectivos caminos de flujo y para dirigir el flujo recogido de nuevo a una línea de refrigeración para devolverlo al compresor en un intercambiador de calor de paso único o a través de un banco adicional de tubos de intercambio de calor en un intercambiador de calor multi-paso.

Históricamente, los intercambiadores de calor de tubos paralelos utilizados en tales sistemas de refrigeración por compresión han usado tubos redondos, típicamente con un diámetro de 1/2 pulgada, 3/8 de pulgada o 7 milímetros. Más recientemente, se están utilizando tubos multi-canal con forma plana, rectangular u oval en intercambiadores de calor para sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Cada tubo multi-canal tiene una pluralidad de canales de flujo que se extienden de manera longitudinal paralelamente a la longitud del tubo, de manera que cada canal proporciona un camino de refrigeración con una sección recta de área pequeña. Por consiguiente, una intercambiador de calor con tubos multi-canal que se extienden paralelamente entre sí entre los tubos colectores de entrada y de salida del intercambiador de calor tendrá un número relativamente grande de caminos de refrigeración con una sección recta de área pequeña que se extenderán entre los dos tubos colectores. En contraposición, un intercambiador de calor de tubos paralelos con tubos redondos convencionales tendrá un número relativamente pequeño de caminos de flujo con una sección recta de área grande que se extenderán entre los tubos colectores de entrada y de salida.

La distribución no uniforme, a la que se hace referencia algunas veces como mala distribución, de un flujo de refrigerante bifásico es un problema común en intercambiadores de calor de tubos paralelos que tiene un impacto adverso en la eficiencia del intercambiador de calor. Los problemas de una mala distribución bifásica están causados por la diferencia en la densidad del refrigerante en fase vapor y el refrigerante en fase líquida presentes en el tubo colector de entrada debido a la expansión del refrigerante cuando atraviesa el dispositivo de expansión aguas arriba.

Una solución para controlar la distribución de flujo de refrigerante a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor por evaporación se describe en la patente de EE.UU. Nº 6.502.413 a favor de Repice y otros. En el sistema de refrigeración por compresión de vapor descrito en dicho documento, el refrigerante líquido a alta presión del condensador se expande de manera parcial pasando a ser un refrigerante a presión menor en un dispositivo de expansión en línea convencional aguas arriba del tubo colector de entrada del intercambiador de calor. De manera adicional, se dispone una restricción, tal como un simple estrechamiento en el tubo o una placa con un orificio interno dispuesta en el seno del tubo, en cada tubo conectado al tubo colector de entrada aguas abajo de la entrada del tubo para completar la expansión para pasar a ser una mezcla refrigerante líquido/vapor a una presión menor después de entrar en el tubo.

Otra solución para controlar la distribución de flujo a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor por evaporación se describe en la patente de Japón Nº JP4080575 a favor de Kanzaki y otros. En el sistema de refrigeración por compresión de vapor descrito en dicho documento, el refrigerante líquido a alta presión del condensador también se expande de manera parcial en un dispositivo de expansión en línea convencional para pasar a ser un refrigerante a presión menor aguas arriba de una cámara de distribución del intercambiador de calor. Una placa que tiene una pluralidad de orificios en su superficie se extiende a través de la cámara. El refrigerante a una presión menor se expande al pasar a través de los orificios para pasar a ser una mezcla líquido/vapor a baja presión aguas abajo de la placa y aguas arriba de las entradas a los respectivos tubos que se abren a la cámara.

La patente de Japón Nº 6241682 a favor de Massaki y otros, describe un intercambiador de calor de tubos de flujo paralelos para una bomba de calor en el que el extremo de entrada de cada tubo multi-canal que se conecta al tubo colector de entrada se aplasta para formar una restricción parcial de regulación de admisión en cada tubo justamente aguas abajo de la entrada del tubo. La patente de Japón Nº JP8233409 a favor de Hiroaki y otros describe un intercambiador de calor de tubos de flujo paralelos en el que una pluralidad de tubos multi-canal planos conecta una pareja de tubos colectores, cada uno de los cuales tiene un interior en el que el área de flujo disminuye en la dirección del flujo de refrigerante con el fin de distribuir uniformemente el refrigerante a... [Seguir leyendo]

1. Un intercambiador (10) de calor constituido por:

un tubo colector (20) que define una cámara (25) para recoger un fluido;

al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor que define una pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos que se extienden de manera longitudinal a través del tubo o los tubos y que tienen una abertura (41) de entrada a la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos; y un conector o una pluralidad de conectores (50) que tienen un extremo (52) de entrada y un extremo (54) de salida y que definen un camino (55) de flujo de fluido que se extiende desde el mencionado extremo (52) de entrada hasta el mencionado extremo (54) de salida, donde el mencionado extremo de entrada está en comunicación de flujo de fluido con la cámara (25) del mencionado tubo colector (20) a través de una primera abertura (51) y donde el mencionado extremo (54) de salida está en comunicación de flujo de fluido con la abertura (41) de entrada de uno o de todos los tubos (40) multi-canal de intercambio de calor a través de una segunda abertura (53) , caracterizados porque la mencionada abertura (51) está constituida por al menos un orificio de expansión de restricción de flujo que tiene una sección recta con un área de flujo relativamente pequeña.

2. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el camino (55) de flujo de fluido del mencionado conector (50) o de cada uno de los mencionados conectores (50) comprende un camino de flujo de fluido divergente que se expande de manera uniforme en sección recta en la dirección del flujo de fluido a su través desde la mencionada primera abertura (51) hasta la mencionada segunda abertura (53) para distribuir fluido de manera uniforme a través del mencionado camino (55) de flujo a cada canal (42) de flujo de fluido discreto de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos.

3. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, no redonda.

4. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 3 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, rectangular.

5. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 3 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, generalmente ovalada.

6. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo que tiene una sección recta no circular.

7. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 6 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino (55) de flujo seleccionado de entre un grupo de secciones rectas rectangular, triangular o trapezoidal.

8. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino (55) de flujo que tiene una sección recta circular.

9. Un intercambiador (10) de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que la mencionada primera abertura (51) comprende una pluralidad de aberturas (51) .

10. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor que está constituido por:

un compresor (60) , un condensador (10A) y un intercambiador (10B) de calor por evaporación tal como se describen en la reivindicación 1 conectados en comunicación de flujo de fluido en un circuito refrigerante por lo cual vapor refrigerante a alta presión pasa desde el mencionado compresor (60) al mencionado condensador (10A) , un refrigerante a alta presión pasa desde el mencionado condensador (10A) al mencionado intercambiador (10B) de calor por evaporación, y vapor refrigerante a baja presión pasa desde el mencionado intercambiador (10B) de calor por evaporación al mencionado compresor (60) .

11. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que la mencionada primera abertura (51) del mencionado conector (50) está constituida por un orificio de expansión.

12. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el camino (55) de flujo de fluido del mencionado conector o de cada uno de los mencionados conectores (50) comprende un camino de flujo de fluido divergente que se expande en sección recta en la dirección del flujo de fluido a su través desde la mencionada primera abertura (51) hasta la mencionada segunda abertura (53) .

13. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 12 en el que la mencionada primera abertura (51) del mencionado conector (50) o de cada uno de los mencionados conectores (50) está constituida por un orificio de expansión.

14. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, no redonda.

15. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 14 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, rectangular.

16. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 14 en el que el mencionado al menos un tubo (40) multi-canal de intercambio de calor tiene una sección recta aplanada, generalmente ovalada.

17. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo que tiene una sección recta no circular.

18. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo y se selecciona de entre un grupo de secciones rectas rectangular, triangular o trapezoidal.

19. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que cada uno de los canales de la mencionada pluralidad de canales (42) de flujo de fluido discretos define un camino de flujo que tiene una sección recta circular.

20. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor está constituido por un intercambiador de calor de paso único.

21. Un sistema (100) de refrigeración por compresión de vapor tal como se describe en la reivindicación 10 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor está constituido por un intercambiador de calor multi-paso.

22. Una intercambiador de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor es un condensador.

23. Una intercambiador de calor tal como se describe en la reivindicación 1 en el que el mencionado intercambiador (10B) de calor es un evaporador.