Intercambiador de calor con expansión de fluido en tubo colector.

Un intercambiador de calor (10) que comprende:

un tubo colector (20,

120) que tiene una superficie interior (22) que define una cámara (25, 20A, 20B, 120A, 120B) para recoger refrigerante; y

por lo menos un tubo de intercambio de calor (40, 140) que define un recorrido de flujo de refrigerante a través del mismo y que tiene una entrada que se abre (41) a dicho recorrido de flujo de refrigerante en un extremo de entrada de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor, el extremo de entrada (43) de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor se extiende adentro de dicha cámara de dicho tubo colector y se coloca con la entrada que se abre a dicho recorrido de flujo de refrigerante dispuesta con una relación espaciada con y enfrente de la superficie interior opuesta (22) de dicho tubo colector; caracterizado por definir de ese modo una holgura relativamente estrecha (G) entre la entrada que se abre a dicho recorrido de flujo de refrigerante de dicho tubo de intercambio de calor (40, 140) y la superficie interior opuesta (22) de dicho tubo colector, dicha holgura (G) funciona como una holgura de expansión.

Intercambiador de calor con expansión de fluido en tubo colector Campo de la invención

Esta Invención está relacionada generalmente con intercambiadores de calor de sistema de compresión de vapor de refrigerante que tienen una pluralidad de tubos paralelos que se extiende entre un primer tubo colector y un segundo tubo colector y, más particularmente, con proporcionar expansión de refrigerante dentro del tubo colector de entrada para mejorar la distribución de flujo de refrigerante en dos fases a través de los tubos paralelos del Intercambiador de calor.

Antecedentes de la invención

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 habltualmente para el enfriamiento o enfriamiento/calentamiento 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 el enfriamiento de aire, u otros medios secundarios, tales como agua o solución de glicol, para proporcionar un ambiente refrigerado para alimentos y bebidas con 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 susodichos componentes básicos del sistema de refrigerante se interconectan mediante tuberías de refrigerante en un circuito cerrado de refrigerante y se disponen de acuerdo con el ciclo de compresión de vapor empleado. En la tubería de refrigerante se dispone un dispositivo de expansión, habitualmente una válvula de expansión o un dispositivo de medición de calibre fijo, tal como un orificio o un tubo capilar, en una ubicación 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 a través de 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, de las condiciones de funcionamiento y del refrigerante en uso, por ejemplo, R-12, R-22, R-134a, R-44A, R-41A, R-47C, R-717, R-744 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 de los mismos proporcionados por una pluralidad de tubos que se extienden con una 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 retorna al compresor en un intercambiador de calor monopaso o a un banco adicional de tubos de intercambio de calor en un intercambiador de calor multipaso. 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 de tubos aguas abajo.

Históricamente, los intercambiadores de calor de tubos paralelos utilizados en estos sistemas de compresión de vapor de refrigerante han utilizado tubos redondos, típicamente con un diámetro de 9,525 mm (3/8 pulgadas) o 7 milímetros. Más recientemente, se están utilizando típicamente tubos planos multicanal de sección transversal rectangular u oval en intercambiadores de calor para los sistemas de compresión de vapor de refrigerante. Cada tubo multicanal tiene muy a menudo una pluralidad de canales de flujo que se extienden longitudinalmente con una relación paralela a la longitud del tubo, cada canal proporciona un recorrido de flujo de refrigerante de área de flujo relativamente pequeña. De este modo, un intercambiador de calor con tubos multicanal que se extienden con una 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 área de flujo pequeña que se extienden entre los dos tubos colectores. Por el contrario, un intercambiador de calor convencional con tubos redondos convencionales tendrá un número relativamente pequeño de recorridos de flujo de área de flujo grande que se extienden entre los tubos colectores de entrada y salida.

En los intercambiadores de calor de tubos paralelos, un problema común es una distribución no uniforme, también conocida como mala distribución, de flujo de refrigerante en dos fases 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 de flujo de refrigeración a través de tubos paralelos en un intercambiador de calor evaporador se describe en la patente de EE.UU. n° 6.52.413, Repice et al. En el sistema de compresión de vapor de refrigerante descrito en la misma, el refrigerante líquido a alta presión desde el condensador se expande parcialmente en una válvula convencional de expansión en línea aguas arriba del tubo colector de entrada de intercambiador de calor evaporador hasta un refrigerante líquido de presión más baja. En cada tubo conectado al tubo colector de entrada aguas abajo de la entrada del tubo se proporciona una restricción, tal como un simple estrechamiento en el tubo o una placa interna de orificios dispuesta dentro del tubo, para completar la expansión hasta 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 refrigerante a través de unos tubos paralelos en un intercambiador de calor evaporador se describe en la patente japonesa n° JP48575, Kanzaki et al. En el sistema de compresión de vapor de refrigerante descrito en la misma, el refrigerante líquido a alta presión desde el condensador también se expande parcialmente en una válvula convencional de expansión en línea hasta un refrigerante líquido a presión más baja, aguas arriba 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 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 n° 6241682, Massaki et al., describe un intercambiador de calor de tubos de flujo paralelo para una bomba de calor, en donde el extremo de entrada de cada tubo multicanal que se conecta al tubo colector de entrada se aplasta para formar una restricción estranguladora parcial en cada tubo justo aguas abajo de la entrada de tubos. La patente japonesa n° JP823349, Hiroki et al, describe un intercambiador de calor de tubos de flujo paralelo en donde una pluralidad de tubos planos multicanal se conectan entre un par de tubos colectores, cada uno de ellos tiene un interior que disminuye en área de flujo en el sentido del flujo de refrigerante como medio para distribuir uniformemente el refrigerante a los tubos respectivos. La patente japonesa n° JP2222313, Yasushi, describe un intercambiador de calor de tubos paralelos, en donde el refrigerante se suministra al tubo colector a través de un tubo de entrada que se extiende... [Seguir leyendo]

1. Un ¡ntercambiador de calor (1) que comprende:

un tubo colector (2, 12) que tiene una superficie interior (22) que define una cámara (25, 2A, 2B, 12A, 12B) para recoger refrigerante; y

por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) que define un recorrido de flujo de refrigerante a través del mismo y que tiene una entrada que se abre (41) a dicho recorrido de flujo de refrigerante en un extremo de entrada de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor, el extremo de entrada (43) de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor se extiende adentro de dicha cámara de dicho tubo colector y se coloca con la entrada que se abre a dicho recorrido de flujo de refrigerante dispuesta con una relación espaciada con y enfrente de la superficie interior opuesta (22) de dicho tubo colector; caracterizado por definir de ese modo una holgura relativamente estrecha (G) entre la entrada que se abre a dicho recorrido de flujo de refrigerante de dicho tubo de intercambio de calor (4, 14) y la superficie interior opuesta (22) de dicho tubo colector, dicha holgura (G) funciona como una holgura de expansión.

2. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicha holgura (G) tiene una amplitud, la amplitud de la holgura es variable con respecto al extremo de entrada (43) del por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14).

3. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) tiene una pluralidad de canales (42) que se extienden longitudinalmente con una relación paralela a través del recorrido de flujo de refrigerante de los mismos, cada uno de dicha pluralidad de canales define un recorrido discreto de flujo de refrigerante a través de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14).

4. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho intercambiador de evaporador.

5. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho intercambiador de condensador.

6. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho intercambiador de intercambiador de calor monopaso.

7. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho intercambiador de intercambiador de calor multipaso.

8. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho por lo menos intercambio de calor (4, 14) tiene una sección transversal generalmente rectangular.

9. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde dicho por lo menos intercambio de calor (4, 14) tiene una sección transversal generalmente ovalada.

calor es un calor es un calor es un calor es un un tubo de un tubo de

1. Un ¡ntercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 y que comprende:

un primer tubo colector (2, 12) y un segundo tubo colector (3, 13), cada tubo colector define una cámara (25, 2A, 2B, 12A, 12B, 13A, 13B) que recoge refrigerante; y

una pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14) que se extienden entre dicho primer y dicho segundo tubo colector, cada uno de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor tiene dicho extremo de entrada (48) que se abre a uno (2, 12) de dicho primer y dicho segundo tubo colector y un extremo de salida que se abre al otro (3, 13) de dicho primer y dicho segundo tubo colector, cada uno de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14) tiene una pluralidad de canales (42) que se extienden longitudinalmente con una relación paralela desde el extremo de entrada al extremo de salida de los mismos, cada uno de dichos canales define un recorrido discreto de flujo de refrigerante, el extremo de entrada (43) de cada uno de dicha pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14) se extiende adentro de dicha cámara (25, 2A, 2B, 12A, 12B) de dicho uno de dicho primer y dicho segundo tubo colector y se coloca con la entrada que se abre a dichos canales (42) dispuesta con una relación espaciada con y enfrente de una superficie interior opuesta (22) de dicho uno de dicho primer y dicho segundo tubo colector, que define de ese modo dicha holgura relativamente estrecha (G) entre la entrada que se abre (43) a dichos canales (42) y la superficie interior enfrente (22) de dicho uno de dicho primer y dicho segundo tubo colector.

11. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 o 1 en donde cada holgura (G) tiene una amplitud del orden de ,1 milímetros.

12. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde la, o cada, holgura (G) tiene una amplitud, la amplitud de las holguras son variables con respecto a los respectivos extremos de entrada (43) de la pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14).

13. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde cada holgura (G) tiene una amplitud, la amplitud de las holguras es variable con respecto a los respectivos canales (42) de por lo menos uno de la pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14).

14. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 3 o 1 en donde cada uno de dicha pluralidad de canales (42) define un recorrido de flujo que tiene una sección transversal no circular.

15. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 14 en donde cada uno de dicha pluralidad de canales

(42) define un recorrido de flujo tiene una sección transversal rectangular, triangular o trapezoidal.

16. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 3 o 1 en donde cada uno de dicha pluralidad de canales (42) define un recorrido de flujo que tiene una sección transversal circular.

17. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde la pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14) tienen una sección transversal generalmente rectangular.

18. Un intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 en donde la pluralidad de tubos de intercambio de calor (4, 14) tienen una sección transversal generalmente ovalada.

19. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante que comprende:

un compresor (6), un condensador (1A) y un intercambiador de calor evaporador (1B) conectados en comunicación de flujo de refrigerante por lo que el vapor de refrigerante a alta presión pasa desde dicho compresor (6) a dicho condensador (1A), el líquido de refrigerante a alta presión pasa desde dicho condensador (1A) a dicho intercambiador de calor evaporador (1B), y de vapor de refrigerante a baja presión pasa desde dicho intercambiador de calor evaporador (1B) a dicho compresor (6); en donde dicho intercambiador de calor evaporador (1B) es un intercambiador de calor según la reivindicación 1 e incluye

un tubo colector de entrada (2, 12) y un tubo colector de salida (3, 13), dicho tubo colector de entrada tiene dicha superficie interior (22) que define una cámara (25, 2A, 2B, 12A, 12B) para recibir refrigerante desde un circuito de refrigerante; y

por lo menos un dicho tubo de intercambio de calor (4, 14) se extiende entre dichos tubos colectores de entrada y de salida (2, 12, 3, 13), dicho por lo menos que un tubo de intercambio de calor tiene dicho extremo de entrada

(43) que se abre a dicho tubo colector de entrada y un extremo de salida que se abre a dicho tubo colector de salida, dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) tiene una pluralidad de canales (42) que se extienden longitudinalmente con una relación paralela desde el extremo de entrada el extremo de salida del mismo, cada uno de dichos canales define un recorrido discreto de flujo de refrigerante, el extremo de entrada (43) de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) pasa adentro de dichas cámaras (25, 2A, 2B, 12A, 12B) de dicho tubo colector de entrada (2) y se coloca con la entrada que se abre a dichos canales dispuesta con una relación espaciada con y enfrente de la superficie interior opuesta (22) de dicho tubo colector que define de ese modo dicha holgura de expansión (G) entre la entrada que se abre a dichos canales y la superficie interior opuesta enfrente de dicho tubo colector de entrada.

2. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 19 en donde la holgura de expansión (G) tiene una amplitud del orden de ,1 milímetros.

21. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 19 en donde dicha holgura (G) tiene una amplitud, la amplitud de la holgura es variable con respecto al extremo de entrada (43) de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14).

22. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 19 en donde dicha holgura de expansión (G) es un dispositivo primario de expansión en dicho sistema de compresión de vapor de refrigerante.

23. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 19 en donde dicha holgura de expansión (G) es un dispositivo secundario de expansión en dicho sistema de compresión de vapor de refrigerante.

24. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 19 en donde dicho intercambiador de calor evaporador (1B) es un intercambiador de calor monopaso.

25. Un sistema de compresión de vapor de refrigerante según la reivindicación 19 en donde dicho intercambiador de calor evaporador (1B) es un intercambiador de calor multipaso.

26. Un método de funcionamiento de un ciclo de compresión de vapor de refrigerante que comprende las etapas de:

proporcionar un compresor (6), un condensador (1A) y un intercambiador de calor evaporador (1B) conectados en un circuito de refrigerante;

pasar vapor de refrigerante a alta presión desde dicho compresor (6) a dicho condensador (1A);

pasar liquido de refrigerante a alta presión desde dicho condensador (1A) a un tubo colector de entrada (2, 12) de dicho ¡ntercambiador de calor evaporador;

proporcionar por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) que tiene una pluralidad de canales de flujo (42) 5 que definen una pluralidad de recorridos de flujo de refrigerante para pasar refrigerante desde el tubo colector de entrada (2, 12) a un tubo colector de salida (3, 13) de dicho ¡ntercambiador de calor evaporador (1B); caracterizado por que:

distribuir el líquido a alta presión recibido en el tubo colector de entrada (2, 12) hacia y a través de cada uno de dicha pluralidad de recorridos de flujo de refrigerante al hacer pasar el refrigerante líquido a alta presión a través de 1 una holgura de expansión (G) formada entre una superficie Interior (22) del tubo colector de entrada (2, 12) y una entrada (43) a dicho por lo menos un tubo de Intercambio de calor (4, 14), dicha holgura de expansión (G) tiene una amplitud medida entre la superficie Interior (28) del tubo colector de entrada y una entrada a dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14); y

pasar vapor de refrigerante a baja presión desde el tubo colector de salida (3, 13) de dicho ¡ntercambiador de 15 calor evaporador (1B) de regreso a dicho compresor (6).

27. Un método según la reivindicación 26 en donde dicha holgura de expansión (G) se proporciona como un dispositivo primario de expansión en dicho ciclo de compresión de vapor de refrigerante.

28. Un método según la reivindicación 26 en donde dicha holgura de expansión (G) se proporciona como un dispositivo secundario de expansión en dicho ciclo de compresión de vapor de refrigerante.

29. Un método según la reivindicación 26 que comprende además la etapa de variar la amplitud de dicha holgura

de expansión (G) con respecto al extremo de entrada (43) de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) por lo que el refrigerante líquido se distribuye de manera substanclalmente uniforme a la pluralidad de recorridos de flujo de refrigerante de dicho un tubo de intercambio de calor (4, 14) y se expande hasta una mezcla a baja presión de refrigerante líquido y refrigerante vapor.

3. Un método según la reivindicación 26 que comprende además la etapa de variar la amplitud de dicha holgura

de expansión (G) con respecto al extremo de entrada de dicho por lo menos un tubo de intercambio de calor (4, 14) entre un canal de flujo en la orilla adelantada y un canal de flujo en la orilla atrasada del tubo de intercambio de calor (4, 14) por lo que el refrigerante líquido se distribuye selectivamente entre la pluralidad de recorridos de flujo de refrigerante de dicho un tubo de intercambio de calor (4, 14).