Испаритель-конденсатор для теплового насоса - RU2200917C2

Чертежи

Описание

Область применения
Представленное изобретение касается теплообменников и, более точно, теплообменника, который может служить наружным змеевиком и функционировать и как испаритель, и как конденсатор в теплонасосной установке.

Уровень техники
Использование тепловых насосов как для нагревания, так и для охлаждения растет. Такие системы наиболее приспособлены для использования при не очень холодном климате и даже используются при таких климатических условиях, когда применяется некоторая другая дублирующая система нагрева. Как хорошо известно, тепловые насосы состоят из внутреннего теплообменника, расположенного внутри здания, в котором регулируется температура, и внешнего теплообменника, размещенного вне этого здания. В зависимости от того, осуществляет ли система операцию охлаждения или нагревания, один теплообменник используется как испаритель, а другой - как конденсатор, и наоборот.

В случае, когда расположенный снаружи теплообменник действует как испаритель, на его поверхностях обычно образуется конденсат. Должны быть обеспечены специальные средства, чтобы гарантировать быстрое удаление конденсата с поверхностей теплообменника, в противном случае будет уменьшаться эффективность его работы из-за того, что окружающий воздух будет передавать теплоту слою конденсата, иногда представляющему собой слой льда, вместо непосредственно поверхности теплообменника.

Недавние успехи в конструировании теплообменников привели к появлению целого поколения так называемых теплообменников "с параллельным током". В этих теплообменниках вместо обычных коллекторов с раздельными резервуарами часто используются трубчатые блоки резервуаров-коллекторов. С другой стороны, также могут использоваться многослойные блоки резервуаров-коллекторов. Расположенные напротив друг друга коллекторы соединяются некоторым количеством труб, которые обычно имеют гладкую поверхность и между которыми размещены пластины.

Несмотря на то, что такие теплообменники при использовании их в качестве испарителей по многим характеристикам превосходят свои прототипы, дренаж конденсата, сформировавшегося на трубах и пластинах, является важной проблемой.

Кроме того, поскольку хладагент, используемый в таких системах, будет течь по нескольким гидравлически параллельным путям одновременно, во избежание потери эффективности каким-либо образом должно быть обеспечено равномерное распределение хладагента по этим путям, особенно когда теплообменник функционирует как испаритель.

Это изобретение призвано преодолеть некоторые из вышеуказанных проблем.

Существенные признаки изобретения
Главным объектом изобретения является создание нового и улучшенного теплообменника. Более детально, объектом изобретения является создание нового и улучшенного конденсатора-испарителя для использования в теплонасосных установках.

В качестве примерного варианта вышеуказанного объекта изобретения рассмотрим конденсатор-испаритель, включающий в себя два изогнутых, практически конгруэнтных трубчатых коллектора. Один из них является верхним коллектором, а другой располагается в точности под этим первым и является нижним коллектором. В верхнем коллекторе расположен первый ряд удлиненных пазов. Пазы открываются вниз на нижний коллектор. В нижнем коллекторе сформирован второй ряд удлиненных пазов. Пазы открываются вверх на верхний коллектор. Каждому пазу в первом ряду соответствует паз во втором ряду, и соответствующие пазы в рядах выровнены относительно друг друга. Коллекторы соединяются расположенными параллельно друг другу прямыми гладкими трубами, имеющими вытянутое сечение. Трубы вставлены противоположными концами в соответствующие пазы первого и второго рядов. В коллекторах предусмотрены первый и второй проходы для хладагента.

За счет использования прямых вертикально размещенных труб, имеющих вытянутое сечение, достигается превосходный сток конденсата. Кроме того, за счет изготовления коллектора с по крайней мере одним изгибом достигается компактность.

В своем наилучшем варианте изобретение дополнительно включает первый и второй ограничители потока соответственно в первом и втором коллекторах. Первый и второй проходы для хладагента находятся соответственно в первом и втором коллекторах, причем сами коллекторы связаны переходной трубой, один конец которой расположен в первом коллекторе с противоположной от первого прохода для хладагента стороны первого ограничителя потока, а второй конец расположен во втором коллекторе с противоположной от второго прохода для хладагента стороны второго ограничителя потока.

В одном из вариантов один или большее количество ограничителей потока представляют собой перегородку. В другом варианте по крайней мере одним из ограничителей потока является односторонний клапан.

Другие объекты и усовершенствования станут очевидными из следующего описания, сопровожденного чертежами.

Описание чертежей
Фиг. 1 - это объемное изображение одного из вариантов конденсатора-испарителя, сделанного в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - схематическое изображение вертикального разреза модифицированного варианта конденсатора-испарителя;
фиг. 3 - схематический вид другого варианта конденсатора-испарителя, в котором используются клапаны (показаны в увеличенном виде).

Описание наилучшего варианта изобретения
Примерные варианты конденсаторов-испарителей иллюстрируются на чертежах. Такие конденсаторы-испарители будут обычно являться теплообменниками с параллельным током, хотя и многоходовые варианты будут специально рассмотрены.

Обратимся к фиг. 1. Первый блок резервуара-коллектора в целом обозначен цифрой 10 и сформирован из трубы 12, изогнутой в форме буквы U. Нижний блок резервуара-коллектора в целом обозначен цифрой 14 и состоит из такой же трубы 16, также изогнутой в форме буквы U. Желательно, чтобы трубы 12 и 16 были практически конгруэнтны в геометрическом смысле и выровнены относительно друг друга таким образом, чтобы первый коллектор 10 являлся верхним коллектором, а коллектор 14 располагался в точности под этим первым и являлся нижним коллектором.

В верхнем коллекторе 10 расположен ряд удлиненных трубных пазов 18, открывающихся вниз на нижний коллектор 14. В нижнем коллекторе 14 также расположен ряд удлиненных трубных пазов 20, открывающихся вверх на верхний коллектор 10. Каждому пазу из ряда 18 в верхнем коллекторе 10 соответствует паз из ряда 20 в нижнем коллекторе 14, и соответствующие пазы в рядах 18 и 20 выровнены относительно друг друга. Верхние концы 24 гладких труб 22 с вытянутым сечением вставлены в трубные пазы 18 и плотно укреплены в них с помощью, например, пайки. Противоположные концы 26 гладких труб 22 вставлены в трубные пазы 20 и плотно укреплены в них тоже с помощью пайки. Таким образом, трубы 22 расположены параллельно друг другу как в геометрическом, так и в гидравлическом смысле. Желательно разместить между смежными трубами 22 и припаять к их стенкам изогнутые пластины 30 (только одна из которых показана на фиг. 1).

На одном конце коллектора 10 находится проход 32. Противоположный конец заделан заглушкой 34.

На одном конце коллектора 14 находится проход 36. Заглушка 38 такая же, как и 34, закрывает его противоположный конец.

Было обнаружено, что когда описанный выше теплообменник функционирует как испаритель в системе с теплообменником, эффективность работы улучшается, если хладагент, который нужно испарить, уже в двухфазном потоке подводится к нижнему коллектору 14. Это делается для улучшения распределения хладагента и увеличения однородности потока через трубы 22. Таким образом, проход 36 будет использоваться как входное отверстие во время операции испарения и как выходное отверстие во время операции конденсирования. Аналогично проход 32 будет использоваться как выходное отверстие во время операции испарения и как входное отверстие во время операции конденсирования.

В обычном случае теплообменник, показанный на фиг. 1, будет сформирован в одной плоскости с использованием стандартных методов. Изгибы 40 и 42 в верхнем коллекторе 10 и 44, 46 в нижнем коллекторе 14 могут быть сформированы из отдельных частей путем спайки с использованием отводящего оборудования, описанного в Патентной Грамоте Соединенных Штатов 5341870, выданной 30 августа 1994 г. Хьюджесу. Полное описание этого патента можно найти с помощью указанной ссылки.

Это позволяет придать конденсатору-испарителю любую форму по желанию - от практически прямоугольной жесткой формы (как показано на фиг. 1) до практически полностью круговой формы (не показана). Таким образом, внешние размеры теплообменника, частью которого является конденсатор-испаритель, могут быть сделаны очень компактными.

Еще более важным является то, что расположение коллекторов 10 и 14 с вертикальными гладкими трубами 22 с вытянутым сечением позволяет достигнуть этой компактности, оставляя ориентацию труб 22 вертикальной, что обеспечивает превосходный дренаж конденсата, когда конденсатор-испаритель функционирует как испаритель. Таким образом, за счет особого использования изогнутых верхних и нижних коллекторов достигается превосходный дренаж конденсата, в то время как сохраняется очень желательная особенность компактности конструкции.

Фиг. 2 иллюстрирует модифицированный конденсатор-испаритель. Еще одна модификация показана на фиг.3 и, поскольку на обеих фигурах конденсатор-испаритель показан в плоском виде, следует специально отметить, что наилучшие варианты конденсаторов-испарителей, показанные на фиг.2 и 3, имеют точно такие же загнутые коллекторы, как и вариант на фиг. 1.

Ниже будет описан (с учетом предыдущего замечания) вариант, изображенный на фиг. 2, причем одинаковым деталям будут соответствовать одинаковые цифровые ссылки.

Иллюстрируемый фиг. 2 вариант является многоходовым вариантом, точнее говоря двухходовым. Для любого теплообменника, имеющего описанную здесь конфигурацию, многократные проходы увеличивают скорость хладагента, проходящего через теплообменник. Как известно, увеличение скорости увеличивает интенсивность передачи теплоты. Таким образом, многократные проходы позволяют выбрать оптимальную скорость потока и достигнуть наилучшей эффективности. Для обеспечения многоходовой конфигурации изображенный на фиг. 2 вариант снабжен ограничителем 50 потока, представляющем собой перегородку. Перегородка 50 припаяна внутри трубы 16, формирующей нижний коллектор. Точно такая же перегородка 52 припаяна внутри трубы 12, формирующей верхний коллектор 10.

С противоположной от прохода 36 стороны перегородки 50 расположено отверстие 60 во внутренность нижнего коллектора 14. Такое же отверстие 62 расположено в верхнем коллекторе 10 и размещено с противоположной от прохода 32 стороны перегородки 52. Переходная труба 64, имеющая приблизительно такой же внутренний диаметр, как и трубы 12, 16, и значительно больший, чем поперечное сечение потоков внутри труб 22, связывает отверстия 60 и 62. Таким образом, путь потока через вариант испарителя-конденсатора, изображенный на фиг. 2, идет из прохода 32 через ту часть верхнего коллектора 10, которая расположена слева от перегородки 52, и далее через гладкие трубы 22 с вытянутым сечением идет к той части нижнего коллектора 14, которая расположена слева от перегородки 50. Оттуда поток жидкости через переходную трубу 64 проходит обратно в верхний коллектор 10, в ту его часть, которая расположена справа от перегородки 52. Далее через трубы 22 поток возвращается в ту часть нижнего коллектора 14, которая расположена справа от перегородки 50. Отсюда поток идет до прохода 36.

Когда теплообменник действует как конденсатор, такое движение потока не дает никакого особого преимущества, зато такая схема дает существенное преимущество при работе теплообменника в качестве испарителя в теплонасосной системе.

Напомним, что при обсуждении варианта, показанного на фиг. 1, было указано, что увеличение эффективности достигается путем более однородного распределения испаряющегося хладагента, чего в свою очередь можно добиться за счет введения хладагента сначала в нижний коллектор 14. Следовательно, когда теплообменник действует как испаритель, проход 36 опять может быть использован как входное отверстие для хладагента. За счет такого использования прохода 36 произойдет относительно однородное распределение хладагента в правой относительно перегородки 50 части нижнего коллектора и при движении потока по трубам 22 в верхний коллектор 10 будет достигнута хорошая эффективность испарения. Накопившись в верхнем коллекторе 10, хладагент, частично все еще находящийся в жидкой форме, возвратится по переходной трубе 64 в нижний коллектор и снова будет течь вверх через трубы 22, находящиеся слева от перегородки 50. И снова, поскольку прежде чем второй раз пройти через теплообменник хладагент находится в нижней части коллектора 14, достигается более однородное распределение и, следовательно, более эффективный цикл испарения. Таким образом, изобретение, иллюстрируемое на фиг. 2, обеспечивает получение однородного распределения хладагента во время операции испарения при многоходовой схеме с помощью переходной трубы 64, которая перед вторым проходом возвращает хладагент в нижний коллектор. Естественно в случае, когда требуется организовать более двух проходов, могут быть использованы дополнительные переходные трубы, одна для каждого дополнительного прохода. Это гарантирует то, что более однородное распределение хладагента, достигаемое помещением его в нижний коллектор, происходит на каждом проходе.

Фиг. 3 иллюстрирует еще один вариант изобретения, в котором также заложено преимущество более однородного распределения хладагента во время операции испарения, которое достигается за счет помещения хладагента в нижний коллектор вертикально размещенного теплообменника. Как и прежде, одинаковым деталям будут соответствовать одинаковые цифровые ссылки. В показанном на фиг. 3 варианте заглушка 38 заменена дополнительным проходом 70. Далее перегородка 52 заменена односторонним клапаном 72, установленным внутри трубы 12 верхнего коллектора вблизи отверстия 62 со стороны прохода 32. Следует отметить, что односторонний клапан 72 показан на фиг. 3 в увеличенном размере.

Односторонний клапан ориентирован так, чтобы поток мог пройти только из левой относительно клапана 72 части верхнего коллектора 10 в правую часть верхнего коллектора 10, но не обратно.

Такой же односторонний клапан 74 расположен внутри переходной трубы 64 вблизи ее соединения с нижним коллектором 14. Односторонний клапан 74 позволяет потоку внутри переходной трубы 64 проходить только вниз.

В варианте, показанном на фиг. 3, проход 32 служит только как выходное отверстие во время операции испарения и никаких других функций не выполняет. В то же время проход 36 по-прежнему служит как входное отверстие во время операции испарения и как выходное отверстие во время операции конденсирования. Дополнительный проход 70 используется только как входное отверстие и только во время операции конденсации. Таким образом, во время операции испарения вариант фиг. 3 функционирует точно так же, как вариант, показанный на фиг. 2, потому что односторонний клапан 74 позволит потоку хладагента пройти из верхнего коллектора 10 в нижний коллектор 14 через переходную трубу 64. В то же время односторонний клапан 72 предотвратит прохождение потока из правой части коллектора 10 непосредственно к проходу 32, который служит выходным отверстием.

С другой стороны, когда вариант фиг. 3 действует как конденсатор, хладагент, который будет конденсироваться, подается через входное отверстие 70 и течет через трубы 22 в левую часть верхнего коллектора 10. Оттуда он пройдет через односторонний клапан 72 в правую часть верхнего коллектора 10, перетечет вниз через трубы 22 и в конечном счете попадет в проход 36, который в данном случае служит выходным отверстием. Переходная труба 64 не может послужить обходным путем, потому что односторонний клапан 74 предотвращает движение потока хладагента внутри переходной трубы 64 вверх.

Следовательно, можно указать, что теплообменники, предназначенные для использования в качестве конденсаторов-испарителей в теплонасосных системах и созданные в соответствии с изобретением, обладают несколькими преимуществами. Во-первых, они могут быть достаточно компактно сконфигурированы, чтобы уменьшить размеры модулей системы, в которых они используются. В то же время вертикальная ориентация труб 22 гарантирует превосходный дренаж конденсата, когда теплообменники действуют как испарители. Более того, использование переходных труб 64 и ограничителей потока либо в форме перегородок 50 и 52, либо в виде односторонних клапанов 72 и 74 обеспечивает возможность многократных проходов, что позволяет достигнуть оптимальных скоростей потока. В то же время, достигается равномерное распределение хладагента в случае, когда теплообменник действует как испаритель, что позволяет максимизировать эффективность цикла испарения. Это достигается за счет оригинальной конструкции устройства, которая гарантирует, что хладагент всегда попадает в нижний коллектор перед каждым проходом во время операции испарения.

В заключение отметим, что хоть изобретение и было описано в контексте теплообменника, который можно использовать и как испаритель, и как конденсатор, представляется очевидным, что изобретение может эффективно использоваться и в теплообменнике, служащем исключительно как испаритель.

Реферат

Изобретение относится к теплонасосной установке. Конденсатор-испаритель имеет первый и второй изогнутые и практически конгруэнтные трубчатые коллекторы. Один из коллекторов является верхним коллектором, а второй - нижним коллектором. Первый ряд удлиненных трубных пазов расположен в верхнем коллекторе, а второй ряд удлиненных трубных пазов расположен в нижнем коллекторе. Каждому трубному пазу в первом ряду соответствует трубный паз во втором ряду, причем соответствующие трубные пазы в указанных рядах выровнены относительно друг друга. Коллекторы соединяются прямыми гладкими параллельными друг другу трубами с вытянутым сечением. В одном из коллекторов находится первый проход для хладагента, а во втором из коллекторов находится второй проход для хладагента. Использование изобретения позволит улучшить дренаж конденсата в конденсаторе-испарителе с сохранением компактных размеров. 4 с. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула