Теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в транскритическом холодильном цикле (варианты) - RU2319094C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к теплообменникам и, более конкретно, к теплообменникам, обеспечивающим сверхкритическое охлаждение рабочей среды в транскритическом холодильном цикле.

Одна общая форма теплообменника содержит так называемую "сердцевину", выполненную из трубок и взаимно соединенных ребер. Одна среда проходит по трубкам сердцевины, а другая среда проходит через саму сердцевину в пространстве между ребрами и трубками. Обычно противоположные концы трубок соединены с парой параллельных коллекторов, или "бачков", при этом один из коллекторов является впускным, а второй - выпускным и по этим коллекторам направляется одна из сред в трубки и из трубок соответственно.

Теплообменники этого общего типа используются для различных целей, например, как радиаторы, конденсаторы, испарители, охладители нагнетаемого воздуха, маслоохладители и пр., и все они могут применяться в транспортных средствах. Одна общая форма такого типа теплообменников известна как теплообменник с параллельными потоками, в котором через плоские трубки направляется хладагент через теплообменник. Обычно плоские трубки выполнены прямыми и на противоположных концах теплообменника расположены коллекторы так, чтобы принимать противоположные концы трубок. Однако известны изогнутые плоские трубки, выполненные так, что каждая трубка имеет конфигурацию "заколки для волос", состоящую из двух параллельных ветвей, а впускной и выпускной коллекторы располагаются рядом друг с другом для приема концов трубок. Одна такая конструкция показана в патенте США №5531268. Хотя конструкция, показанная в патенте 5531268, может выполнять поставленную перед ней задачу, всегда есть место для усовершенствования. Далее, такая конструкция может быть непригодной или неоптимальной для применения в некоторых системах кондиционирования воздуха, в которых используются более высокие рабочие давления, например в транскритическом холодильном цикле, в котором требуется газовый охладитель для обеспечения сверхкритического охлаждения такого хладагента, как двуокись углерода (CO₂).

Возросшая озабоченность относительно сохранения окружающей среды и, в частности, относительно применения многих обычных хладагентов, таких как CFC12 и, в меньшей степени, HFC134a, привела к тому, что начались исследования применения транскритических систем, работающих на СО₂, в частности в транспортных средствах. Во-первых, CO₂, применяемый в качестве хладагента в таких системах, может считаться как изначально извлеченный из атмосферы, и если произойдет его утечка из системы в атмосферу, то общего повышения содержания CO₂ в атмосфере не произойдет. Более того, несмотря на то что СО₂ не является желательным хладагентом с точки зрения парникового эффекта, он не разрушает озоновый слой и не приводит к усилению парникового эффекта, поскольку в результате утечек общего увеличения содержания атмосферного СО₂ не произойдет.

Основной задачей настоящего изобретения является создание нового и усовершенствованного теплообменника.

Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного теплообменника, пригодного для сверхкритического охлаждения рабочей среды в транскритическом холодильном цикле.

Согласно настоящего изобретения достигается по меньшей мере часть из указанных задач в теплообменнике для сверхкритического охлаждения рабочей среды транскритического холодильного цикла.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором, для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом параллельные ветви каждой трубки разнесены друг от друга, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом каждое ребро имеет высоту, проходящую от одной трубки до соседней трубки параллельно продольным осям коллекторов, и большой размер трубок не превышает этой высоты ребра.

При этом большой размер каждой трубки не превышает 12,7 мм, а малый размер не превышает 2, 54 мм.

Каждая трубка изогнута по меньшей мере дважды для определения по меньшей мере трех параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда последовательно протекает по меньшей мере по трем параллельным каналам из одного коллектора в другой.

Большой размер каждого конца трубки проходит параллельно продольным осям коллекторов в положении, где трубка соединена с коллектором.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом параллельные ветви каждой трубки разнесены друг от друга, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом большой размер каждой трубки не превышает 8,128 мм, а малый размер не превышает 1,524 мм.

В соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом параллельные ветви каждой трубки разнесены друг от друга, при этом каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом разделители в ребрах являются прорезями, не требующими удаления материала ребра при их формировании в ребре.

В соответствии с четвертым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором, для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом параллельные ветви каждой трубки разнесены друг от друга, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом разделители в ребрах являются щелевыми отверстиями, не требующими удаления материала ребра при их формировании в ребре.

В соответствии с пятым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом параллельные ветви каждой трубки разнесены друг от друга, при этом каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом для по меньшей мере одного ребра в не сложенном состоянии указанные разделители и перемычки имеют длины, проходящие параллельно длине ребра, и отношение длин разделителей к длинам перемычек находится в диапазоне от 200 до 600.

В соответствии с шестым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором, для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом параллельные ветви каждой трубки разнесены друг от друга, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом по меньшей мере одна из трубок содержит множество отверстий и имеет гидравлический диаметр от 0,381 до 1,016 мм.

В соответствии с седьмым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним из коллекторов, и второй конец, соединенный с другим коллектором, для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, при этом параллельные ветви каждой трубки имеют большие размеры, лежащие в одной плоскости, проходящей по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом большой размер каждой трубки не превышает 12,7 мм, а малый размер не превышает 2,54 мм.

При этом большой размер каждой трубки не превышает 8,128 мм, а малый размер не превышает 1,524 мм.

Каждая трубка изогнута по меньшей мере дважды для определения по меньшей мере трех параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда последовательно протекает по меньшей мере по трем параллельным каналам из одного коллектора в другой.

Большой размер каждого конца трубки проходит параллельно продольным осям коллекторов в положении, где трубка соединена с коллектором.

Предпочтительно разделители в ребрах представляют собой прорези, не требующие удаления материала ребра при их формировании в ребре.

В соответствии с восьмым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним из коллекторов, и второй конец, соединенный с другим коллектором для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек по меньшей мере двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, при этом параллельные ветви каждой трубки имеют большие размеры, лежащие в одной плоскости, проходящей по существу поперек продольных осей коллекторов, и при этом каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, проходящих параллельно параллельным ветвям, при этом перемычки и разделители расположены между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов, которые соединены друг с другом перемычками, причем каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее, при этом для по меньшей мере одного ребра в не сложенном состоянии разделители и перемычки имеют длины, проходящие параллельно длине ребра, и отношение длин разделителей к длинам перемычек находится в диапазоне от 200 до 600.

В соответствии с девятым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек, по меньшей мере, двух параллельных ветвей соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, причем каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, при этом параллельные ветви каждой трубки имеют большие размеры, лежащие в одной плоскости, проходящей по существу поперек продольных осей коллекторов, при этом большой размер каждой трубки не превышает 12,7 мм, а малый размер не превышает 2,54 мм.

В соответствии с десятым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором, для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, причем каждая трубка изогнута по меньшей мере дважды для определения по меньшей мере трех параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере три параллельных канала из одного коллектора в другой, при этом каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, причем большой размер каждой трубки не превышает 8,128 мм, а малый размер не превышает 1,524 мм.

В соответствии с одиннадцатым вариантом осуществления изобретения теплообменник для сверхкритического охлаждения рабочей среды в холодильном цикле содержит пару удлиненных коллекторов, продольные оси которых расположены по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, каждая трубка имеет первый конец, соединенный с одним коллектором, и второй конец, соединенный с другим коллектором, для переноса рабочей среды между коллекторами, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок, при этом каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, при этом каждая трубка изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через по меньшей мере два параллельных канала из одного коллектора в другой, причем параллельные ветви каждой трубки имеют большие размеры, лежащие в одной плоскости, проходящей по существу поперек продольных осей коллекторов, при этом каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, содержит множество отверстий и имеет гидравлический диаметр от 0,381 до 1,016 мм.

Другие задачи и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 - схематический вид холодильной системы, включающей теплообменник согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - вертикальная проекция теплообменника на фиг.1.

Фиг.3 - вид сбоку теплообменника на фиг.2.

Фиг.4 - вид сверху теплообменника на фиг.2.

Фиг.5 - сечение по линии 5-5 на фиг.3 в увеличенном масштабе.

Фиг.6 - увеличенный вид трубки, применяемой в теплообменнике на фиг.1-5.

Фиг.7 - вид в перспективе трубки и ребра, применяемых в теплообменнике согласно настоящему изобретению.

На фиг.1 теплообменник 10 согласно настоящему изобретению показан в соединении с базовой холодильной системой 12, которая работает по транскритическому холодильному циклу. Теплообменник 10 показан в форме газового охладителя 13, который обеспечивает сверхкритическое охлаждение рабочей среды или хладагента, например CO₂, холодильной системы 12 за счет отвода тепла в такую среду, как поток воздуха А на стороне ребер теплообменника. Холодильная система 12 содержит теплообменник 10, компрессор 14, сжимающий газовую фазу хладагента до сверхкритического давления для подачи в теплообменник 10, расширитель 16, который редуцирует давление хладагента, полученного из теплообменника 10 так, что по меньшей мере часть хладагента переходит в жидкую фазу, испаритель 17, который переносит тепло от одной среды в хладагент для перевода хладагента из жидкой фазы в газовую фазу, аккумулятор 18 (необязателен) и теплообменник 19 линии всасывания, который переносит тепло от хладагента, выходящего из теплообменника 10 в хладагент, выходящий из испарителя 17 или аккумулятора 18, если он используется. Следует понимать, что теплообменник 10 может найти применение и в холодильных системах другого типа, и в других конфигурациях холодильных систем, где используется транскритический холодильный цикл, и не ограничивается применением в конкретной холодильной системе, показанной на фиг.1, если это специально не оговорено в формуле. Далее, хотя описанный теплообменник 10 может обеспечить явные преимущества, если используется как газовый охладитель 13, он может оказаться полезным и при использовании в других целях, например как конденсатор или испаритель, независимо от того, применяется ли в системе транскритический холодильный цикл.

Как показано на фиг.2-4, теплообменник 10 содержит пару удлиненных трубчатых коллекторов 20 и 22, имеющих продольные оси 24 и 26, соответственно расположенных по существу параллельно друг другу, множество удлиненных трубок 28, разнесенных бок о бок вдоль продольных осей 24, 26 коллекторов 20, 22, и змеевидные ребра 30, проходящие между соседними парами трубок 28. Следует понимать, что в показанном варианте каждое ребро 30 проходит по всей длине L трубок 28, но средняя часть длины на фиг.2 не показана для упрощения иллюстрации. Предпочтительно ребра 30 прикрыты жалюзи. Как показано на фиг.3, каждая трубка имеет первый конец 31, соединенный с коллектором 20, и второй конец 32, соединенный с коллектором 22, для переноса хладагента между коллекторами 20 и 22.

Каждая трубка 28 имеет сплюснутое сечение с большим размером D и малым размером d, как лучше всего показано на фиг.5. Каждая из трубок 28 предпочтительно имеет множество отверстий и в самых предпочтительных вариантах трубка 28 имеет гидравлический диаметр в диапазоне от 0,381 до 1,016 мм. В этой связи следует отметить, что хотя на фиг.5 показано шесть отверстий 34, для некоторых случаях может оказаться предпочтительным использовать большее или меньшее количество отверстий 34 в трубке 28. Например, в одном предпочтительном варианте каждая трубка 28 имеет четыре отверстия. В одном предпочтительном варианте трубки рассчитаны на давление разрыва до 6500 фунтов на кв. дюйм при температуре окружающей среды 70°F, что может потребоваться для работы в качестве газового охладителя в транскритических холодильных системах на CO₂.

Предпочтительно большой размер D каждой трубки 28 номинально не превышает 12,7 мм, а малый размер d номинально не превышает 2,54 мм, хотя в некоторых наиболее предпочтительных вариантах малый размер номинально не превышает 1,524 мм, а большой размер D номинально не превышает 8,128 мм. Уменьшение большого размера D может обеспечить несколько преимуществ. Например, поскольку каждая трубка 28 содержит по меньшей мере две параллельных ветви 36, глубина теплообменника зависит от величины большого размера D трубки и с его уменьшением также может быть уменьшена. Далее, также может быть уменьшен диаметр коллекторов 20, 22 в конструкции, где большой размер D концов трубок 31, 32 проходит поперечно продольным осям 24, 26 коллекторов 20, 22 в тех местах, где концы 31, 32 трубок соединяются с коллекторами 20, 22, в отличие от показанного на фиг.1-4 параллельного соединения. Дополнительно можно сократить длину коллекторов 20, 22 в конструкции, где большой размер D концов 31, 32 трубок проходит параллельно продольным осям 24, 26 коллекторов 20, 22, как показано на фиг.1-4. Наконец уменьшение большого размера D в некоторых предпочтительных вариантах может позволить уменьшить высоту ребер. Однако следует понимать, что увеличенные ребра могут обеспечить преимущества в отношении эффективности воздушной стороны.

Как лучше всего видно на фиг.3, 4 и 6, каждая трубка 28 изогнута для определения по меньшей мере двух параллельных ветвей 36 трубки 28 так, чтобы хладагент последовательно перетекал по меньшей мере по двум параллельным каналам 38 из коллектора 20 в коллектор 22. В этом отношении предпочтительно, чтобы впускной и выпускной коллекторы выбирались так, чтобы теплообменник 10 работал по поперечно-противоточной схеме относительно потока среды на стороне оребрения теплообменника 10, когда он работает как газовый охладитель. Каждая пара параллельных ветвей соединена сгибом 39, который закручен на 90° относительно ветвей 36 в положении сгиба 39 так, что большой размер D проходит параллельно осям 26, 24 в положении сгиба 39, а не поперечно. Предпочтительно сгиб 39 формируется путем скручивания ветвей 36 на 90° относительно участка трубки 28 в положении сгиба и затем, сгибая трубку приблизительно на 180° в положении сгиба 39 для формирования сгиба 39. В этой связи следует отметить, что скрутка на 90° каждой из ветвей 36 относительно сгиба 39 может проводиться в одном и том же направлении, как показано на фиг.3 и 6, или в противоположных направлениях, в зависимости от того, какая конфигурация обеспечивает наибольшее преимущество для конкретного применения теплообменника 10. Как лучше всего видно на фиг.6, параллельные ветви 36 каждой трубки 28 предпочтительно отстоят друг от друга на расстояние X, при этом большие размеры D каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, показанной пунктирной линией Р на фиг.2 и 5 и проходящей по существу поперечно продольным осям 24, 26 коллекторов 20, 22. Это обеспечивает прохождение большого размера D параллельно направлению потока среды через ребра 30. Расстояние Х уменьшает перенос тепла от одной ветки 36 к другой, что может являться преимуществом, когда теплообменник 10 обеспечивает сверхкритическое охлаждение, поскольку температура хладагента может существенно меняться по мере его перетекания по трубкам 28 от одного коллектора 20 к другому коллектору 22. Предпочтительно расстояние Х достаточно для минимизации или предотвращения заполнения пространства между соседними параллельными ветвями 36 припоем во время пайки теплообменника 10, но не столь велико, чтобы неоправданно увеличивать глубину теплообменника 10. Хотя разнесение соседних параллельных ветвей 36 трубок 28 друг от друга является предпочтительным, для некоторых применений такое разнесение может не требоваться и/или быть нежелательным.

Как показано на фиг.1 и 5, каждое ребро имеет высоту Н, равную расстоянию между соседними трубками 28, т.е. высота Н ребра проходит от одной из трубок 28 до соседней трубки 28 параллельно продольным осям 24, 26 коллекторов 20, 22. Предпочтительно большой размер D трубок 28 не превышает высоту Н ребра. Это позволяет создать конструкцию, в которой каждый конец 31, 32 трубки может быть скручен на 90° относительно параллельных ветвей 36, от которых они отходят, так что большой размер D концов 31, 32 проходит параллельно продольным осям 24, 26 коллекторов 20, 22 в положении, где концы 31, 32 трубок соединены с коллекторами 20, 22, как показано на фиг.2. Это может оказаться важным для применений, где используется высокое давление, например, в газовых охладителях, применяемых в транскритических холодильных системах, где желательно, чтобы диаметр коллекторов 20, 22 был как можно меньше. В такой конструкции возможно и даже вероятно, что большой размер D будет больше внутреннего диаметра любого из коллекторов 20, 22. За счет того что большой размер D ориентирован параллельно продольной оси 24, 26 коллекторов 20, 22 в месте соединения концов 31, 32 трубок 28 с коллекторами 20, 22, большой размер D каждой трубки 28 может быть больше, чем внутренний диаметр каждого из коллекторов 20, 22. Хотя предпочтительно, чтобы большой размер D концов 31, 32 трубок проходил параллельно продольным осям 24, 26 коллекторов 20, 22 в положении, где концы 31, 32 трубок соединены с коллекторами 20, 22, для некоторых применений могут быть предпочтительны другие ориентации большого размера D в этом положении. Например, для некоторых применений преимущества может обеспечить поперечная ориентация большого размера D концов 31, 32 трубок относительно продольных осей 24, 26 в положении, где концы 31, 32 трубок соединены с коллекторами 20, 22.

Как описано выше, каждое из змеевидных ребер имеет длину L, проходящую параллельно параллельным ветвям 38 соседних трубок 28, и, как лучше всего показано на фиг.4, поперечную ширину W, проходящую поперечно параллельным ветвям 36 соседних трубок 28. В иллюстративных целях на фиг.5 показаны три ветви 36 трубок 28, а на фиг.7 показано ребро 30 для использования в такой конструкции теплообменника 10, где каждая из трубок 28 имеет только две параллельные ветви 36. Как показано на фиг.7, каждое из ребер 30 содержит множество чередующихся перемычек 40 и удлиненных пазов 42, проходящих параллельно параллельным ветвям 36 и расположенных между параллельными ветвями 26 соседних трубок 28 для разделения ширины W каждого ребра 30 на две или более дискретных полосок или элементов 44 ребра, которые соединены друг с другом перемычками 40. Каждый из элементов 44 ребра соответствует одной из параллельных ветвей 36 каждой из соседних трубок 28 и проходит вдоль нее. Пазы 42 в общем выполнены по прямой и имеют противоположные кромки 45, обращенные друг к другу и проходящие в основном поперек направления среднего потока через ребра 30. Хотя на фиг.7 показано ребро 30 для трубок 28, имеющих две параллельные ветви 36, следует понимать, что вышеописанная конструкция, содержащая перемычки 40, пазы 42 и элементы 44 ребер, используется в таких конструкциях теплообменника 10, которые имеют более чем две параллельные ветви 36 каждой трубки 28, например, в конструкциях, показанных на фиг.2-5. В таких конструкциях каждое ребро 30 предпочтительно проходит поперек всех параллельных ветвей 36, а элемент 44 ребра соответствует каждой параллельной ветви 36 каждой соседней трубки 28 и проходит вдоль нее, а перемычки 40 и пазы 42 имеются между каждым элементом 44 ребра.

Чередующиеся перемычки 40 в каждом из ребер 30 служат для ограничения перемещения элементов 44 относительно друг друга так, чтобы каждое ребро 30 оставалось единой деталью при сборке теплообменника 10 и, кроме того, для лучшего удержания элементов 44 ребра выровнены относительно друг друга, чтобы свести к минимуму падение давления на стороне оребрения теплообменника. Назначением удлиненных пазов 42 является минимизация теплопроводности от каждой из параллельной ветвей 36 к любой соседней параллельной ветви 36 каждой трубки 28, прерывая и тем самым сводя к минимуму перенос тепла между элементами 44, соединенными с каждой из параллельных ветвей 36. Это необходимо для таких применений, как, например, газовый охладитель на фиг.2-4, где температура рабочей среды, входящей в теплообменник 10, существенно отличается от требуемой температуры рабочей среды на выходе теплообменника 10. Расчеты показывают, что для ребра 30, если только 10% его высоты не прикрыты жалюзи (что является типичной величиной для ребер без жалюзи), то до 40% общего переноса тепла между параллельными ветвями 36 может происходить через ребра и, следовательно, не отводиться в воздух. В некоторых ситуациях проводимость тепла, полученного от ребра 30 на горячей стороне теплообменника 10, может поднять температуру ребра 30 на холодной стороне теплообменника до величины, превышающей температуру рабочей среды, текущей по трубкам 28 на холодной стороне, что приводит к нежелательной ситуации переноса тепла обратно в рабочую среду до того, как рабочая среда покинет теплообменник 10. Таким образом, необходимо, чтобы удлиненные пазы 42 проходили без перерыва на максимально большое расстояние вдоль длины ребра 30, а размер и количество перемычек 40 были сведены до минимума, необходимого для предотвращения разделения элементов 44 ребра при сборке и поддерживания приемлемой степени выравнивания элементов 44 каждого ребра при сборке.

Из вышеизложенного следует понимать, что для перемычек 40 и удлиненных пазов 42 возможны различные конфигурации. Например, в одном варианте выполнения ребра 30, выполненного из алюминия, когда ребро находится в не сложенном состоянии, каждая перемычка 40 проходит приблизительно на 0,02 дюйма вдоль длины ребра 30, а каждый удлиненный паз 42 ребра 30, выполненного из алюминия, проходит приблизительно на 8 дюймов вдоль длины не сложенного ребра 30. В одном предпочтительном варианте выполнения ребра 30 перемычки 40 и пазы 44 имеют длины, проходящие параллельно длине ребра 30 в не сложенном состоянии, а отношение длины паза 42 к длине перемычки 40 находится в диапазоне от 200 до 600. В другом примере, показанном на фиг.1, каждый из удлиненных пазов 42 проходит непрерывно от одной перемычки 40 через 10-14 складок 46 до следующей перемычки 40 в ребре 30 в сложенном состоянии.

Хотя перемычки 40 и пазы 42 могут выполняться различными способами, предпочтительно, чтобы пазы 42 выполнялись как щелевые отверстия или прорези в материале ребра, которые не требуют удаления материала ребра во время формирования ребра 30. Одним из способов, позволяющих получить такие щелевые отверстия или прорези, является использование дискового рассекателя в штампе, в котором штампуется ребро для создания простой прорези в ребре 30 во время штамповки ребра из полосы листового материала. Лезвие в дисковом рассекателе может иметь разрыв на небольшом участке при каждом обороте для формирования перемычки 40, чтобы каждый элемент 44 ребра оставался скрепленным с соседними элементами 44 ребра 30. В результате возникает физическая прорезь или щелевое отверстие в ребре 30, которая не уменьшает площадь его поверхности. В одной такой конструкции кромки 45 практически, но не совсем, упираются друг в друга. Проблема состоит в том, что элементы 44 ребра могут быть спаяны друг с другом в процессе пайки теплообменника. Одним из способов минимизации этой проблемы является расположение припоя на боковых стенках ветвей 36 трубок, в которые упираются ребра 30, вместо нанесения припоя на все ребро 30. Другим способом минимизации этой проблемы является смещение соседних элементов 44 ребра 30 в положениях, удаленных от перемычки 40, что может позволить плакировать само ребро. Еще одним способом решения этой проблемы является чеканка каждой перемычки 40 так, чтобы еще более раздвинуть элементы 44 ребра друг от друга. И вновь этот последний подход может позволить плакировать ребра. В то время как предпочтительными являются прорези, для некоторых применений может оказаться полезным формировать разделители 42 в форме пазов с удалением материала ребра при штамповке ребра 30. При этом, вероятно, будет достаточно, если разделители будут иметь ширину в несколько тысячных дюйма параллельно ширине W.

В то время как наличие перемычек 40 и прорезей 42 является предпочтительным, для некоторых применений перемычки 40 и прорези не нужны и/или нежелательны.

Предпочтительно закрывать ребра 30 с помощью жалюзи, множество форм которых хорошо известно. Точная конфигурация жалюзи в большой степени зависит от параметров конкретного применения, например, среды на стороне оребрения теплообменника 10, приемлемого падения давления на стороне оребрения теплообменника 10, количества параллельных ветвей 36 каждой трубки 28, от четного или нечетного числа параллельных ветвей 36 в каждой трубке 28.

Следует понимать, что, работая в качестве газового охладителя 13 в системе 12, теплообменник 10 обычно обеспечивает сверхкритическое охлаждение хладагента, однако могут существовать рабочие условия, где температура окружающей среды находится ниже критической, и в этом случае теплообменник 10 будет работать как конденсатор, обеспечивающий сверхкритическое охлаждение хладагента.

Как лучше всего видно на фиг.3, показанный теплообменник 10 содержит 12 параллельных ветвей 36 для каждой из трубок 28. Однако следует понимать, что оптимальное количество параллельных ветвей для каждого применения теплообменника 10 будет в большой степени зависеть от конкретных параметров для конкретного применения, например, от рабочей среды системы 12, оболочки, окружающей среды, в которой должен быть установлен теплообменник 10, и от функции теплообменника, т.е. работает ли он как газовый охладитель, конденсатор или испаритель, работает ли он в системе кондиционирования воздуха или в тепловом насосе. Например, для некоторых применений желательно иметь лишь две или три параллельных ветви 36 для каждой из трубок 28.

В качестве другого варианта в любом из коллекторов 20, 22 можно установить одну или более перегородку для направления хладагента из коллектора 20 через подмножество трубок 28 в коллектор 22, и затем обратно, через другое подмножество трубок 28 в коллектор 20 и так далее, столько раз, сколько необходимо для получения характеристик, диктуемых конкретным применением.

В одном предпочтительном варианте коллекторы 20, 22, трубки 28 и ребра 30 выполнены из алюминия и спаяны соответствующим припоем. Однако следует понимать, что в некоторых применениях для изготовления этих деталей можно применять другие материалы, определяемые параметрами конкретным применением.

Следует также понимать, что в то время как теплообменник 10, проиллюстрированный на фиг.1-2, показан так, что продольные оси 24, 26 коллекторов 20, 22 проходят горизонтально, а параллельные ветви 36 трубок 28 проходят вертикально, для некоторых применений может оказаться желательной такая ориентация, где оси 24, 26 расположены вертикально, а параллельные ветви 36 проходят горизонтально. Далее, хотя коллекторы 20, 22, показанные на фиг.1-3, расположены на одной стороне теплообменника 10, для некоторых применений может оказаться желательно, чтобы коллекторы 20, 22 размещались на противоположных сторонах теплообменника 10. В конструкции, в которой коллекторы 20, 22 расположены на одной стороне теплообменника, обычно используется четное число параллельных ветвей 36 каждой из трубок 28, а в конструкции, в которой коллекторы 20, 22 расположены на разных сторонах теплообменника, обычно используется нечетное число ветвей 36 каждой из трубок 28. Разумеется вместо трубчатых коллекторов 20, 22 можно использовать торцевые пластины с установленными на них бачками, если этого требуют условия конкретного применения.

Реферат

Изобретение предназначено для теплообмена и может быть использовано в холодильном цикле. Теплообменник содержит пару коллекторов, продольные оси которых расположены параллельно друг другу, множество трубок, разнесенных друг от друга вдоль продольных осей коллекторов, змеевидные ребра, проходящие между соседними парами трубок. Каждое ребро имеет длину, проходящую параллельно параллельным ветвям соседних трубок, и поперечную ширину, проходящую поперек, по меньшей мере, двух параллельных ветвей соседних трубок. Каждая трубка изогнута для определения, по меньшей мере, двух параллельных ветвей трубки так, что рабочая среда протекает последовательно через, по меньшей мере, два параллельных канала из одного коллектора в другой. Каждая трубка имеет сплюснутое сечение с большим размером и малым размером, а большие размеры каждой параллельной ветви лежат в одной плоскости, которая проходит поперек продольных осей коллекторов. Каждое ребро содержит множество чередующихся перемычек и удлиненных разделителей, расположенных между параллельными ветвями соседних трубок для разделения ширины каждого ребра на множество дискретных элементов. Каждый элемент ребра соответствует одной параллельной ветви каждой из соседних трубок и проходит вдоль нее. Каждое ребро имеет высоту, проходящую от одной трубки до соседней трубки параллельно продольным осям коллекторов, и большой размер трубок не превышает этой высоты ребра. Причем большой размер каждой трубки не превышает 8,128 мм или 12,7 мм, а малый размер не превышает 1,524 мм или 2,54 мм. Разделители в ребрах могут быть прорезями или щелевыми отверстиями, не требующими удаления материала ребра при их формировании в ребре. Разделители и перемычки имеют длины, проходящие параллельно длине ребра, и отношение длин разделителей к длинам перемычек может находиться в диапазоне от 200 до 600. По меньшей мере одна из трубок может содержать множество отверстий и имеет гидравлический диаметр от 0,381 до 1,016 мм. Изобретение обеспечивает усовершенствование сверхкритического охлаждения рабочей среды в транскритическом холодильном цикле. 11 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула