Mejora de la distribución de refrigerante en colectores de intercambiadores de calor de flujo paralelo.

Un sistema de refrigerante (20) que comprende:

un condensador (24;

124; 224; 324; 424; 524);

un compresor (22);

un dispositivo de expansión (26); y

un evaporador (28),

el compresor para entregar un refrigerante comprimido al condensador, el refrigerante de dicho condensador pasa através del dispositivo de expansión, y desde dicho dispositivo de expansión a través del evaporador, y desde dichoevaporador se devuelve a dicho compresor; y

por lo menos dicho condensador o dicho evaporador que tienen una pluralidad de tubos de transferencia de calor(32, 36, 38, 40) que pasan un refrigerante aguas abajo de manera generalmente paralela; y

por lo menos una ubicación (30B, 34A, 34B, 34) dentro de dicho evaporador (28) que es probable que reciba fasesseparadas de vapor y líquida de mezcla de refrigerante cuando el refrigerante fluye a través de la pluralidad de tubosde transferencia de calor, caracterizado por que por lo menos una parte de la fase de vapor separada se toma de15 dicha ubicación y se entrega a una ubicación aguas abajo (30C, 34B; 30; 25) sin pasar por lo menos por algunos delos tubos de transferencia de calor para mejorar la distribución de un refrigerante restante que fluye a través de lostubos de transferencia de calor omitidos que están en directa comunicación de fluidos con esta ubicación.

Mejora de la distribución de refrigerante en colectores de intercambiadores de calor de flujo paralelo Antecedentes de la invención Esta solicitud está relacionada con intercambiadores de calor de flujo paralelo multi-paso en sistemas refrigerantes, en donde las fases líquida y de vapor de refrigerante se separan de manera no deseada en uno o más colectores intermedios, lo que tiene como resultado una mala distribución del refrigerante entre los tubos de transferencia de calor aguas abajo y una consiguiente degradación de las prestaciones del intercambiador de calor. En particular, esta solicitud está relacionada con el cambio de ruta de una de las fases de refrigerante (la fase líquida para los condensadores y la fase de vapor para los evaporadores) desde por lo menos un colector intermedio a una o más ubicaciones aguas abajo, sin pasar por uno o más bancos de tubos de transferencia de calor dentro del intercambiador de calor de flujo paralelo y permitiendo posteriormente la distribución uniforme del resto de refrigerante predominantemente de una sola fase (la fase de vapor para los condensadores y la fase líquida para los evaporadores) entre los tubos paralelos de transferencia de calor que están situados aguas abajo y están en comunicación de fluidos con por lo menos un colector intermedio. De este modo se mejoran las prestaciones del sistema de refrigerante en conjunto y del intercambiador de calor.

Los sistemas de refrigerante utilizan un refrigerante para acondicionar un fluido secundario, tal como el aire, que se entrega a un espacio con climatizador. En un sistema de refrigerante básico, el refrigerante es comprimido en un compresor, y fluye aguas abajo a un condensador, en el que el calor es extraído típicamente desde el refrigerante al medio ambiente, durante la interacción de transferencia de calor con este medio ambiente. Entonces el refrigerante fluye a través de un dispositivo de expansión, en el que se expande a una presión y temperatura menores, y a un evaporador, en el que durante la interacción de transferencia de calor con otro fluido secundario (p. ej. aire en el interior) , el refrigerante se evapora y típicamente se sobrecalienta, mientras enfría y a menudo deshumidifica este fluido secundario.

En los últimos años, buena parte del interés y esfuerzo de diseño se ha centrado en el funcionamiento eficiente de los intercambiadores de calor (condensadores y evaporadores) en los sistemas de refrigerante. Un avance relativamente reciente en la tecnología de intercambiadores de calor es el desarrollo y la aplicación de intercambiadores de calor de flujo paralelo, o denominados de microcanales o minicaneles, (estos dos términos se utilizan indistintamente en el texto) , como los condensadores y los evaporadores.

Estos intercambiadores de calor están provistos de una pluralidad de tubos paralelos de transferencia de calor, típicamente de forma no redonda, entre los que el refrigerante se distribuye y fluye de manera paralela. Los tubos de transferencia de calor están orientados generalmente de manera substancialmente perpendicular a la dirección de flujo del refrigerante en los colectores de entrada, salida e intermedios que están en comunicación de fluidos con los tubos de transferencia de calor. Las principales razones para el empleo de los intercambiadores de calor de flujo paralelo, que usualmente tienen una construcción de aluminio con soldadura fuerte, están relacionadas con sus superiores prestaciones, un alto grado de compactabilidad, rigidez estructural y una mayor resistencia a la corrosión.

Cuando se utiliza en muchas aplicaciones de condensador y de evaporador, estos intercambiadores de calor normalmente están diseñados para una configuración de múltiples pasos, típicamente con una pluralidad de tubos paralelos de transferencia de calor dentro de cada paso de refrigerante, con el fin de obtener superiores prestaciones mediante el equilibrado y la optimización de las características de transferencia de calor y de caída de presión. En estos diseños, el refrigerante que entra en un colector de entrada (o denominado distribuidor de entrada) viaja a través de un primer paso multi-tubo a través de una anchura del intercambiador de calor a un colector opuesto, típicamente intermedio. El refrigerante recogido en un primer colector intermedio invierte su sentido, se distribuye entre los tubos de transferencia de calor los tubos en el segundo paso y fluye a un segundo colector intermedio. Este patrón de flujo se puede repetir varias veces, para lograr unas óptimas prestaciones del intercambiador de calor, hasta que el refrigerante alcanza un colector de salida (o denominado distribuidor de salida) . Típicamente, los colectores individuales son de forma cilíndrica (aunque en la técnica también se conocen otras formas) y están representados por diferentes cámaras separadas por particiones dentro del mismo conjunto de construcción de colector.

Se colocan unas aletas onduladas típicamente en forma de listones paralelos de transferencia de calor entre los tubos de transferencia de calor para mejorar la transferencia de calor al exterior y obtener una construcción rígida. Estas aletas usualmente se conectan a los tubos de transferencia de calor durante la operación de soldadura en horno. Por otra parte, cada tubo de transferencia de calor contiene preferiblemente una pluralidad de canales paralelos relativamente pequeños para el aumento de la transferencia de calor en un tubo y para obtener rigidez estructural.

Sin embargo, ha habido algunos obstáculos para la utilización de los intercambiadores de calor de flujo paralelo en un sistema de refrigerante. En particular, un problema, conocido como mala distribución de refrigerante, se produce típicamente en los colectores del intercambiador de calor de microcanales cuando el flujo en dos fases entra en el colector. Una fase de vapor del flujo de dos fases tiene propiedades significativamente diferentes, se mueve a

velocidades diferentes y es sometida a diferentes efectos de las fuerzas internas y externas que en una fase líquida. Esto hace que la fase de vapor se separe de la fase líquida y fluya de forma independiente. La separación de la fase de vapor y la fase líquida ha planteado unos retos, tales como la mala distribución de refrigerante en los intercambiadores de calor de flujo paralelo. Este fenómeno se produce debido a la desigual caída de presión en el interior de los canales y en los colectores de entrada y de salida, así como un pobre diseño del sistema de distribución y colectores. En los distribuidores, la diferencia de longitud de los recorridos del refrigerante, la gravedad y la separación de fases son los principales factores responsables de la mala distribución. Dentro de los canales del intercambiador de calor, las variaciones en la velocidad de transferencia de calor, la distribución del flujo de aire, las tolerancias de fabricación y la gravedad son los factores dominantes. Por otra parte, una reciente tendencia de mejora de prestaciones en intercambiadores de calor ha promovido la miniaturización de sus canales, que a su vez ha impactado negativamente en la distribución del refrigerante. Dado que es extremadamente difícil controlar todos estos factores, junto con la complejidad y la ineficiencia de las técnicas propuestas o un coste prohibitivamente alto de las soluciones, muchos de los anteriores intentos para gestionar la distribución del refrigerante han fracasado.

Por otro lado, la mala distribución del refrigerante puede provocar la degradación de las prestaciones del sistema total y del intercambiador de calor en un gran abanico de condiciones de funcionamiento. Por lo tanto, sería deseable reducir o eliminar la mala distribución de refrigerante en los intercambiadores de calor de flujo paralelo.

El documento EP 0886113 A2 describe un sistema tal como se establece en la parte caracterizadora previa de la reivindicación 1.

Compendio de la invención La invención proporciona un sistema de refrigerante según la reivindicación 1 y un método de funcionamiento de un sistema de refrigerante según la reivindicación 14.

En las realizaciones descritas de esta invención, una de las fases de la mezcla de refrigerante en dos fases, que es la fase líquida para condensadores y la fase de vapor para evaporadores, se toma de una ubicación dentro de un intercambiador de calor de flujo paralelo, en el que una fase líquida es probable que se separe de una fase de vapor y se acumule, provocando la mala distribución del refrigerante en tubos de transferencia de calor aguas abajo que están en comunicación de fluidos con esta ubicación aguas arriba. El refrigerante tomado, predominantemente en una sola fase, que es, una vez más, líquido para los condensadores... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de refrigerante (20) que comprende:

un condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) ;

un compresor (22) ;

un dispositivo de expansión (26) ; y

un evaporador (28) ,

el compresor para entregar un refrigerante comprimido al condensador, el refrigerante de dicho condensador pasa a través del dispositivo de expansión, y desde dicho dispositivo de expansión a través del evaporador, y desde dicho evaporador se devuelve a dicho compresor; y

por lo menos dicho condensador o dicho evaporador que tienen una pluralidad de tubos de transferencia de calor (32, 36, 38, 40) que pasan un refrigerante aguas abajo de manera generalmente paralela; y

por lo menos una ubicación (30B, 34A, 34B, 34) dentro de dicho evaporador (28) que es probable que reciba fases separadas de vapor y líquida de mezcla de refrigerante cuando el refrigerante fluye a través de la pluralidad de tubos de transferencia de calor, caracterizado por que por lo menos una parte de la fase de vapor separada se toma de dicha ubicación y se entrega a una ubicación aguas abajo (30C, 34B; 30; 25) sin pasar por lo menos por algunos de los tubos de transferencia de calor para mejorar la distribución de un refrigerante restante que fluye a través de los tubos de transferencia de calor omitidos que están en directa comunicación de fluidos con esta ubicación.

2. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 1, que comprende

por lo menos una ubicación (30B, 34A, 34B, 34) dentro de dicho condensador que es probable que reciba fases separadas de vapor y líquida de mezcla de refrigerante cuando el refrigerante fluye a través de la pluralidad de tubos de transferencia de calor, y por lo menos una parte de la fase líquida se toma de dicha ubicación y se entrega a una ubicación aguas abajo (30C, 34B; 30; 25) sin pasar por lo menos por algunos de los tubos de transferencia de calor para mejorar la distribución de un refrigerante restante que fluye a través de los tubos de transferencia de calor omitidos que están en directa comunicación de fluidos con esta ubicación.

3. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 1 o 2, en donde dicho por lo menos uno de entre dicho condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) y dicho evaporador (28) tiene por lo menos una estructura (30, 34) de colector en comunicación de fluidos con dicha pluralidad de tubos de transferencia de calor (32, 36, 38, 40) , dicha por lo menos una estructura de colector está provista de por lo menos un miembro de separación que proporciona por los menos dos cámaras (30A, 30B, 30C, 34A, 34B) dentro de dicha por lo menos una estructura de distribuidor y por lo menos una de dichas cámaras es dicha ubicación de toma.

4. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 3, en donde dicho miembro de separación es uno de entre una placa de separación (42) , una válvula de retención, una válvula de flotador (52; 80) , una electroválvula, un orificio con un sellado de líquido y una combinación de los mismos.

5. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 1 o 2, en donde dicho por lo menos uno de entre dicho condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) y dicho evaporador (28) tiene por lo menos una estructura (30, 34) de colector en comunicación de fluidos con dicha pluralidad de tubos de transferencia de calor (32, 36, 38, 40) , dicha por lo menos una estructura de colector está provista de por lo menos un miembro de separación que proporciona por los menos dos cámaras (30A, 30B, 30C, 34A, 34B) dentro de dicha por lo menos una estructura de distribuidor y por lo menos una de dichas cámaras es dicha ubicación aguas abajo (30C, 34B; 30; 25) .

6. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 1 o 2, en donde dicho por lo menos uno de entre dicho condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) y dicho evaporador (28) tiene un tubo de salida (25) de refrigerante y dicho tubo de salida de refrigerante es dicha ubicación aguas abajo (30C; 34B; 30; 25) .

7. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en cualquier reivindicación anterior, en donde dicho refrigerante separado es llevado por lo menos parcialmente por una línea de derivación (53; 56; 62; 78) .

8. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 7, en donde dicha línea de derivación (53; 56; 62; 78) tiene por lo menos unos elementos internos o externos de mejora de transferencia de calor.

9. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 7, en donde dicha línea de derivación (53; 56; 62; 78) asociada por lo menos con dicho condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) o con dicho evaporador (28) está colocada en el recorrido de flujo de aire que se mueve sobre por lo menos dicho condensador

o dicho evaporador. 9

10. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en la reivindicación 9, en donde dicha línea de derivación (53; 56; 62; 78) asociada por lo menos con dicho condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) o con dicho evaporador (28) está colocado aguas arriba de por lo menos dicho condensador o dicho evaporador, con respecto al flujo de aire.

11. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en cualquier reivindicación anterior, en donde cada uno de dicha pluralidad de tubos de transferencia de calor (32, 36, 38, 40) tiene una pluralidad de pequeños canales (100) internos paralelos que llevan refrigerante en recorridos paralelos dentro de dichos tubos de transferencia de calor, y en donde dichos canales internos paralelos crean un tubo de microcanales de transferencia de calor o tubo de minicanales de transferencia de calor.

12. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en cualquier reivindicación anterior, en donde hay múltiples ubicaciones con tomas.

13. El sistema de refrigerante (20) tal como se establece en cualquier reivindicación anterior, en donde hay múltiples ubicaciones aguas abajo.

14. Un método de funcionamiento de un sistema de refrigerante que comprende las etapas de:

(1) proporcionar un compresor (22) para entregar un refrigerante comprimido a un condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) , el refrigerante de dicho condensador pasa a través de un dispositivo de expansión (26) , y desde dicho dispositivo de expansión a través de un evaporador (28) y desde dicho evaporador se devuelve a dicho compresor; y

(2) proporcionar por lo menos dicho condensador o dicho evaporador que tienen una pluralidad de tubos de transferencia de calor (32, 36, 38, 40) que pasan un refrigerante aguas abajo de manera generalmente paralela;

caracterizado por la etapa de:

(3) identificar por lo menos una ubicación (34A, 34B, 30B, 34) dentro de dicho evaporador (28) que es probable que reciba fases separadas de vapor y líquida de mezcla de refrigerante cuando el refrigerante fluye a través de la pluralidad de tubos de transferencia de calor, y por lo menos una parte de la fase de vapor se toma de dicha ubicación y se entrega a una ubicación aguas abajo (30C, 34B; 30; 25) sin pasar por lo menos por algunos de los tubos de transferencia de calor para mejorar la distribución de un refrigerante restante que fluye a través de los tubos de transferencia de calor omitidos que están en directa comunicación de fluidos con esta ubicación.

15. El método según se establece en la reivindicación 14, que comprende la etapa de (4) identificar por lo menos una ubicación (34A, 34B, 30B, 34) dentro de dicho condensador (24; 124; 224; 324; 424; 524) es probable que reciba fases separadas de vapor y líquida de mezcla de refrigerante cuando el refrigerante fluye a través de la pluralidad de tubos de transferencia de calor, y por lo menos una parte de la fase líquida separada se toma de dicha ubicación y se entrega a una ubicación aguas abajo (30C, 34B; 30;

25) sin pasar por lo menos por algunos de los tubos de transferencia de calor para mejorar la distribución de un refrigerante restante que fluye a través de los tubos de transferencia de calor omitidos que están en directa comunicación de fluidos con esta ubicación.