CN104067081B - 蒸发器和液体分布器 - Google Patents

Abstract

一种液体分布器传送液体的下降流以沿所述液体分布器的纵向范围大致均匀地进行分布。所述液体分布器具有底壁，其包括具有多个横向间隔的且纵向延伸的通道的纵向延伸的分布板。用于冷冻工作流体的管壳式蒸发器结合有作为将液体分布至在外壳的内部体积中布置的管束的热交换管上的分布器的所述液体分布器。每个通道均与所述热交换管的多个垂直列中的各个列相对齐且被构造成沿所述各个管列的纵向范围大致均匀地将液体制冷剂的下降流传送至所述各个管列上。

Description

蒸发器和液体分布器

相关申请案的交叉参考

本专利申请要求于2012年1月27日提交的序列号为61/591，456的美国临时专利申请的优先权，其全文以引用的方式并入本文。

技术领域

示例性实施方案一般涉及液体分配的技术领域以及热交换器的技术领域，更特别地，其涉及通过制冷冷却器的蒸发器的管组进行的液体分布。

背景技术

制冷冷却器通常用于冷却待被供给至热交换器的工作流体，如水，其中热交换器与建筑物的气候控制的空间相关联以调节抽出的用于气候控制的空间的且以与冷却的工作流体成热交换关系通过的空气，从而冷却空气。制冷冷却器包括制冷剂蒸汽压缩机、制冷剂蒸汽冷凝器、制冷剂液体蒸发器和制冷剂流计量装置。根据所采用的制冷剂，冷却器可被表征为高压制冷剂冷却器、中压制冷剂冷却器或低压制冷剂冷却器。

在通常为管壳式热交换器的蒸发器中，待冷却的工作流体通过在一个或多个管束中排列的多个热交换管进行流通。将待蒸发的制冷剂液体送入蒸发器外壳中的内部且被带至与通过在一个或多个管束中排列的热交换管通过的制冷剂成热交换关系，从而蒸发液体制冷剂并冷却工作流体。从蒸发器通过的工作流体通过与气候控制的空间相关联的热交换器而流通回来。在蒸发器中形成的制冷剂蒸汽流通回压缩器以被压缩至具有较高压力和较高温度的蒸汽状态，然后通过冷凝器以被冷凝回液体状态，从而在通过制冷剂流计量装置的过程中被膨胀至较低的压力并被送回蒸发器外壳的内部。

一般性地，在中压和高压降膜式制冷剂冷却器中，被送至蒸发器的液体制冷剂被推动通过多个喷嘴以通过管束进行分布。排列喷嘴并设计喷嘴样式，从而可通过管束的长度而实现均匀的液体分布。使用这种喷嘴必然伴有制冷剂压力的不可忽略的压降。在中压和高压制冷剂冷却器中，所产生的压降并非显著的问题，这是因为在与中压和高压制冷剂相关联的冷凝和蒸发压力之间具有相对较大的差异。然而，在低压制冷剂冷却器的***中，由于在与低压相关联的冷凝和蒸发温度之间的固有低差异，可禁止伴随使用这种喷嘴而产生的高压降。

发明概要

在本公开的一个方面，提供了一种液体分布器，其用于将液体降膜传送至位于在液体分布器下方布置的目标上。液体分布器包括壳体，其具有包括纵向延伸的分布板的底壁，所述分布板具有多个横向间隔的且纵向延伸的通道，所述多个通道中的每个通道被构造成传送液体的下降流以沿液体分布器的纵向范围大致均匀地进行分布。每个通道包括沿分布板的纵向范围不间断延伸的上部槽以及在上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝。在一个实施方案中，多孔材料可被布置在上部槽中。在一个实施方案中，可与分布板的上表面超邻近地布置具有多个通过穿孔板的孔的穿孔板，且该孔是以纵向间隔被设置在与分布板中的通道相对齐的多个横向间隔的列中。

在一个实施方案中，从分布板的下表面向外且在上部槽的下方纵向延伸有槽。该槽包括在上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝。该槽具有远端顶部，其具有以与水平面成45至60度的范围内的角度向内聚合的外侧。

在本公开的一个方面，一种用于冷却工作流体的管壳式蒸发器包括限定内部体积的外壳、被布置在外壳的内部体积中的管束以及被布置在管束上方的内部体积中的制冷剂分布器。管束包括以多个垂直管列和多个水平管排的阵列进行设置的多个纵向延伸的热交换管。制冷剂分布器具有底壁，其包括具有多个横向间隔的且纵向延伸的通道的纵向延伸的分布板。每个通道均与热交换管的多个垂直列中的各个列相对齐且被构造成沿各个管列的纵向范围大致均匀地将液体制冷剂的下降流传送至各个管列上。每个通道包括沿通道的纵向范围不间断延伸的上部槽以及在上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝。

附图说明

为了进一步理解本发明，将结合附图参考下列详细描述，其中：

图1为根据一个示例性实施方案的采用低压制冷剂的管壳式蒸发器的局部立体图；

图2为如本文所公开的液体分布器的一个实施方案的立体图；

图3为如本文所公开的液体分布器的另一个实施方案的立体图；

图4为如本文所公开的液体分布器的一个实施方案的剖面侧视图；

图5为如本文所公开的液体分布器的分布板的剖面侧视图；

图6为沿线6-6所取的图5所示的分布板的剖面平面图；

图7为在液体分布器的一个实施方案中位于图5所示的分布板中的通道的剖面侧视图，其中在通道的上部槽中布置有多孔介质；

图8为在本文所公开的液体分布器的替代实施方案中与图5所示的分布板超邻近的穿孔板的平面图；

图9为液体分布器的另一个实施方案的横截面视图；以及

图10为液体分布器的另一个实施方案的立体图。

具体实施方式

首先参照图1，通常以12表示出根据一个示例性实施方案的一种管壳式蒸发器的一个实施方案，其采用了低压制冷剂以降低待冷却的流体的温度。管壳式蒸发器12包括外壳14，其具有在外壳14的内部限定出热交换区10的外表面16和内表面18,以及多个被布置在外壳14内部的管束20。每个管束20包括多个在列和排的矩阵中以间隔关系排列的热交换管22。在所示的示例性实施方案中，外壳14具有大致为椭圆形的横截面。然而，应理解的是，外壳14可采用多种形式，包括圆形和非圆形。

外壳14包括制冷剂入口15，其被构造成从制冷剂源（未示出）接收液体制冷剂或液体和蒸汽制冷剂的混合物。外壳14还包括蒸汽出口25，其向外壳14的内部开放且被构造成连接至外部装置，如压缩器（未示出）。所示的管壳式蒸发器12还包括被设置于外壳14下部的制冷剂池沸腾区24。制冷剂池沸腾区24包括池管束26，通过该池管束26，加热流体以与在制冷剂池沸腾区24中集合的制冷剂池28成热交换关系通过。制冷剂池28包括具有上表面29的一些液体制冷剂。通过池管束26流通的加热流体与制冷剂池28进行热交换以将一些制冷剂从液体转换成蒸汽状态。

如前面所指出的，管壳式蒸发器12包括多个共同形成通常以30所标出的降膜式蒸发器的管束20。然而，应理解的是，虽然在图1中示出多个管束20，但任何数量的管束20，包括单个管束均可与管壳式蒸发器12相连以用作降膜式蒸发器。每个管束20包括在列和排的矩阵中以间隔关系排列的热交换管22。在每列和排中的管22的数量是设计选择的问题。每个管22提供了待冷却的流体，例如但不限于水或水/乙二醇的混合物通过的流动通路且充当被送至外壳14的内部的低压制冷剂和待冷却的流体之间的热交换界面。在图1所示的蒸发器12的实施方案中，可在外壳14的内部与在液体制冷剂池28的表面29上相间隔的每个束20的最下面一排的管22成横向间隔关系布置管束20。

蒸发器12还包括多个模块化液体分布器40，其与降膜式蒸发器30的多个管束20操作性地相关联。每个液体分布器具有用于接收通过液体入口15的液体制冷剂或液体和蒸汽制冷剂的混合物的至少一个入口32。每个模块化液体分布器30与用于将液体制冷剂基本上均匀地分布至管束20上的降膜式蒸发器30的多个管束20中各个管束相关联的配对，如下面将更完全地所解释的。如图1所示，每个液体分布器40在各管束20中与最上面一排的管22成间隔关系且在其上方进行布置。由于每个液体分布器40和相关联的管束20在构造、设置和功能上基本上类似，因此详细的描述将参照一对液体分布器40和一对相关联的管束20，要理解的是具有一个或三或或多个液体分布器40和相关联的管束20的设置将具有类似的构造、设置和操作。

现在参照图2和3，其示出了具有相关联的降膜式蒸发器30的两个液体分布器40总成的实施方案，其中降膜式蒸发器30具有与两个液体分布器40相对齐的两个单元36。每个模块化液体分布器40包括纵向延伸且大致为矩形的平行管状壳体，其具有共同限定内部体积（其在本文被称之为液体分布室）的顶壁42、底壁44、一对横向间隔的侧壁46以及一对纵向间隔的端壁48。模块化液体分布器40是与每个液体分布器成平行横向间隔关系而进行布置的，且每个液体分布器是以与各管束20相对齐且在其上方进行布置的。各液体分布室50的下部区域可通过至少一个液体流平连接器52且通常是通过多个液体流平连接器而进行互连的。

通过被布置在液体分布器40的顶壁42的至少一个入口55，如图2所示或通过多个纵向间隔的入口55，如图3所示向每个液体分布器40送入液体制冷剂或液体和蒸汽制冷剂的混合物。在图2所示的实施方案中，至每个液体分布器40的入口55以与液体入口15成直接流动连通的方式连接以接收被送至管壳式蒸发器12的制冷剂。在图3所示的实施方案中，至每个液体分布器40的多个入口55中的每一个经纵向延伸的液体歧管54以与液体入口15成流动连通的方式连接，从而接收被送至管壳式蒸发器12的制冷剂。制冷剂流从每个液体分布器40的液体分布室50沿重力方向向下流过在每个底壁44中的出口并落至被布置在液体分布器40下方的管束20的管22上。落在管22上的液体制冷剂在管22的外表面上形成薄膜且经由从通过管22的流动通路传输的具有较高温度的待冷却的流体传递出来的热量蒸发。

现在参照图4，每个液体分布器40包括被布置在液体分布室50的上部区域58中的第一限流器60。第一限流器60被构造成至少横向越过降膜式蒸发器30的横向范围对通过入口55或入口55接收的制冷剂进料流进行初始重新分布。如果需要的话，液体分布器40还可包括被布置在相对于液体制冷剂流位于下游，即位于第一限流器60下方的液体分布室50的上部区域58中的第二限流器62。第二限流器62被构造成沿液体分布器40的长度纵向地对已通过第一限流器60的制冷剂进料流进行初始重新分布。在图4所示的液体分布器40的实施方案中，第一限流器60包括第一穿孔板64且第二限流器62包括第二穿孔板66。第一穿孔板64具有多个通过其的孔65，其中可选择性地设置该孔65以推动通过其的液体制冷剂的横向重新分布。第二穿孔板66具有多个通过其的孔67，其中可选择性地设置该孔67以推动通过其的液体制冷剂的纵向重新分布。

已分别通过第一和第二限流器60和62，即已通过穿孔板限流器64和66中的孔65和67的液体制冷剂降至液体分布室50的下部区域并在底壁44上集合以形成位于液体分布室50的下部区域中的制冷剂池。每个液体分布器40的底壁44包括分布板70，其被构造成沿形成被布置在各液体分布器40下方的单元30的各管束22的管22的长度重新分布液体制冷剂。

在另一实施方案中，如图9所示，穿孔板限流器64和66被位于液体分布器40中的喷射管100所代替。喷射管100为沿液体分布器40纵向延伸的管状结构并经喷射进入管102通过入口55接收液体和/或蒸汽制冷剂，如图10所示。喷射管100还包括沿喷射管100的上部106插有喷射进入管102的多个喷射口104。如图所示，喷射口104可大致为圆形或可采用其他形状，例如，长槽。在一些实施方案中，液体分布器40包括一个或多个排放口或排放管108，例如，其延伸通过顶壁42以将任何夹带的蒸汽制冷剂排出液体分布室50并排放至外壳14的内部并经排放出口25排出蒸发器（如图1所示）。在一些实施方案中，排放管106位于液体分布器40的近端附近。

再次参照图9，在操作中，液体制冷剂经喷射进入管102进入喷射管100。喷射管100进行填充且在喷射管100中的液体制冷剂的压力将液体制冷剂推出喷射口104并推至分布室50中。在一些情况下，可能会发生液体制冷剂的爆涨，从而导致在液体分布器40中存在一些数量的蒸汽制冷剂。通过排放管108排出这种蒸汽制冷剂。

现在参照图5和6，分布板70具有横向范围、纵向范围以及从其上表面72至其下表面74所测量的厚度。分布板70包括与位于分布板70下方的各管束20中的管22列的数量相等的多个横向间隔的且纵向延伸的通道80。每个通道80均沿其长度与各管22列相对齐。每个通道80包括上部槽76和多个下部狭缝78。通常具有大致为矩形的横截面的上部槽76形成于分布板70的上表面72中并从分布板70的前缘77纵向不间断地延伸至分布板70的后缘79。上部槽76具有从分布板70的上表面72至上部槽76的内面，即底部82所测量的深度以及横向，即与上部槽76的纵向长度横向测量的开幅。每个上部槽76的深度小于分布板70的厚度。在一个实施方案中，上部槽74具有方形横截面，其中上部槽的宽度和深度相等且上部槽的深度延伸至分布板70厚度的大约一半的位置。

多个下部狭缝78形成于纵向间隔的每个上部槽76的底部82中且穿过每个上部槽76的底部82。下部狭缝78中的每一个纵向延伸预选的距离并具有小于上部槽76宽度的宽度。因此，下部狭缝78比上部槽76更薄且更短。例如，下部狭缝78可具有小于上部槽76宽度的50%的宽度，且在一个实施方案中，其具有为上部槽76宽度的40%的宽度。下部狭缝78可具有位于20：1至25：1范围中的长度与宽度之比。

从每个上部槽76的底部82至分布板70的下表面74通过分布板70的其余厚度对经小空间纵向分开的较薄的下部狭缝78的样式直接进行机加工。在一个实施方案中，分开纵向布置的下部狭缝78的小空间84可具有大约为下部狭缝78长度的约1/16的长度。因此，每个通道80限定延伸通过分布板70的多个液体流通路。

在通过下表面74后，下部狭缝78继续通过纵向延伸的槽86，且该槽86从分布板70的下表面74向下延伸以在远端顶部90结束，如图5所示。远端顶部90的外侧88以与水平面成锐角的方式向内形成角度。在一个实施方案中，每个槽86的远端顶部90的外侧88以45度至60度内的角度向内形成角度。在一个实施方案中，可与分布板70一体形成纵向延伸的接头86。纵向延伸的槽86的远端顶部90的成角度的外侧88确保了液体张力不会使液体制冷剂流出狭缝74以粘至分布板70的下表面。

如果位于上部槽76下面的下部狭缝78也纵向不间断地延伸通道80的长度且具有足够的制冷剂流，那么制冷剂将作为下降制冷剂的纵向延伸的、不间断的且实心的片材从每个通道80排出。分开下部狭缝78的未经机加工的空间84拆散实心片材的形式，如果下部狭缝78也在上部槽74的下面纵向不间断的延伸，则将自然地存在实心片材的形式。狭窄的下部狭缝78还提供了足够的流限制，其中制冷剂的头部在分布板70的上表面72上集合。与分开纵向延伸的下部狭缝78的未经机加工的空间84的该制冷剂头部的建立确保了制冷剂将以稳定的列的形式从下部狭缝74排出。此外，通过成角度的外侧88在槽86的远端顶部90上建立的锐利边缘确保了狭缝74中的流动之间具有至下降液膜的整齐过渡并将下降液膜集中至位于其下面的管22上。

现在参照图7，可在开放通道80中的一个或多个或全部的上部槽74中布置多孔介质92。多孔介质92可纵向延伸通道70的整个长度。多孔介质92允许液体制冷剂的通路通过通道80的上部槽76，但还提供了便于沿通道80的整个长度进行更均匀的分布的额外的流阻。在通过液体分布器70的液体为制冷剂的一个实施方案中，多孔介质92包括泡沫铝，例如但不限于泡沫铝合金6101。要理解的是，其它多孔材料，包括其它泡沫材料也可用作多孔介质92，只要材料是兼容的即可，如从腐蚀和耐久性的观点来看是兼容的，其具有通过液体分布器70的特定液体。

在另一个实施方案中，可与分布板的上表面72超邻近地布置进一步的穿孔板94，如图7所示。穿孔板94具有延伸通过其的多个孔96。以横向间隔且纵向延伸的排的样式设置孔96。每排的孔96均被布置在各个列70的上方。沿通道80的整个长度纵向间隔地布置一排中的孔96。在该实施方案中，延伸通过穿孔板94的孔96仅提供了用于在分布板70上集合的液体的液体流路以通往通道80。孔96可选择性地位于各排中以沿每个通道80的长度提供液体流的所需分布，其最终目标为使沿与液体分布器70相关联的管束20的管22的长度的液体分布尽量得均匀。

设有如本文所公开的一个或多个液体分布器40的管壳式蒸发器12非常适合于连同低压制冷剂一起使用。例如，在104 ℉（40 ℃）具有位于45 psi（310.3 kPa）以下的液相饱和压力的制冷剂构成了低压制冷剂。低压制冷剂的一个实例包括R245fa。然而，还应理解的是，在使用中压制冷剂，如R134a或高压制冷剂，如R410a的冷却器***中的管壳式降膜蒸发器中也可采用本文所公开的液体分布器的示例性实施方案。

进一步地，尽管已参照作为一种用于将液体制冷剂传送至冷却器***的管壳式蒸发器12的降膜式蒸发器30的管束20上的制冷剂分布器的申请描述了本文所公开的液体分布器40，但要理解的是液体分布器40的使用并不限于这个申请。相反地，如本文所公开的液体分布器40可用于需要将其构造成传送液体的下降流以沿液体分布器的纵向范围大致均匀地进行分布的其他申请中。

本文使用的术语是用于描述而非限制。本文所公开的具体结构和功能细节不得被解释为限制，而仅仅是用作教导本领域的技术人员使用本发明的基础。本领域的技术人员也将认识到，可在不脱离本发明的范围的情况下，使用等同物取代参考本文公开的示例性实施方案而描述的元素。

尽管已参照图示的示例性实施方案具体地示出和描述了本发明，但是本发明的技术人员将认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可做出各种修改。因此，本发明并不限于所公开的特定实施方案，但本公开将包括落在所附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (17)

1.一种用于冷冻工作流体的管壳式蒸发器，其包括：

限定内部体积且具有制冷剂入口的外壳；

被布置在所述外壳的所述内部体积中的管束，所述管束包括以多个垂直管列和多个水平管排的阵列进行设置的多个纵向延伸的热交换管；

被布置在位于所述管束上的所述内部体积中的液体制冷剂分布器，所述液体制冷剂分布器具有底壁，其包括纵向延伸的分布板，所述分布板具有多个横向间隔的且纵向延伸的通道，所述多个通道中的每个通道均与所述热交换管的多个垂直列中的各个列相对齐且被构造成沿所述各个管列的纵向范围大致均匀地将液体制冷剂的下降流传送至所述各个管列上；

其中，所述分布板的所述多个通道中的每个通道包括沿着该通道的纵向范围不间断延伸的上部槽，以及在所述上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝、或者从所述分布板的下表面向外且在所述上部槽的下方纵向延伸的槽，所述槽包括在所述上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝；并且

其中，所述上部槽限定了具有宽度和深度的纵向延伸的腔体，并且其中，多孔材料被布置在所述上部槽的所述腔体中。

2.根据权利要求1所述的管壳式蒸发器，其中所述多孔材料包括泡沫铝或泡沫铝合金。

3.根据权利要求1所述的管壳式蒸发器，其中所述槽具有远端顶部，其具有向内聚合的纵向延伸的外侧。

4.根据权利要求3所述的管壳式蒸发器，其中所述槽具有远端顶部，其具有以与水平面成45至60度的范围内的角度向内聚合的纵向延伸的外侧。

5.根据权利要求1所述的管壳式蒸发器，其还包括与所述分布板的上表面超邻近布置的穿孔板，所述穿孔板包括多个延伸通过所述穿孔板的孔，所述多个孔被设置在多个横向间隔的列中，每一列均包括多个纵向间隔的孔且在所述分布板中的所述多个通道中的各个通道上相对齐。

6.根据权利要求1所述的管壳式蒸发器，其中所述液体分布器还包括：

用于接收制冷剂流并向在所述液体分布器中的所述底壁上方间隔的上部区域开放的制冷剂入口；以及

与所述底壁成间隔关系并在其上布置的第一限流器，所述第一限流器被构造成最初横向地对所接收的制冷剂流进行重新分布。

7.根据权利要求6所述的管壳式蒸发器，其中所述第一限流器包括穿孔板。

8.根据权利要求6所述的管壳式蒸发器，其中所述液体分布器还包括与所述底壁成间隔关系并在其上布置的且位于所述第一限流器下方的第二限流器，所述第二限流器被构造成纵向地对所接收的制冷剂流进行重新分布。

9.根据权利要求8所述的管壳式蒸发器，其中所述第二限流器包括穿孔板。

10.根据权利要求6所述的管壳式蒸发器，其中所述第一限流器包括喷射管。

11.根据权利要求10所述的管壳式蒸发器，其中所述喷射管包括位于所述喷射管上表面的一个或多个喷射口。

12.根据权利要求1所述的管壳式蒸发器，其中所述液体制冷剂分布器包括用于从所述液体制冷剂分布器排出蒸汽制冷剂的排放口。

13.根据权利要求12所述的管壳式蒸发器，其中所述排放口被布置在所述液体制冷剂分布器的上壁处。

14.一种模块化液体分布器，其包括：

具有共同限定液体分布室的顶壁、底壁、一对横向间隔的侧壁以及一对纵向间隔的端壁的壳体，所述顶壁具有用于接收待分布的液体的入口且所述底壁包括纵向延伸的分布板，所述分布板具有多个横向间隔的且纵向延伸的通道，所述多个通道中的每个通道被构造成传送所述液体的下降流以沿所述液体分布器的纵向范围大致均匀地进行分布；

其中，所述分布板的所述多个通道中的每个通道包括沿着该通道的纵向范围不间断延伸的上部槽，以及在所述上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝、或者从所述分布板的下表面向外且在所述上部槽的下方纵向延伸的槽，所述槽包括在所述上部槽的下方以纵向间隔进行布置的且与其成流动连通的多个下部狭缝；并且

其中，所述上部槽限定了具有宽度和深度的纵向延伸的腔体，并且其中，多孔材料被布置在所述上部槽的所述腔体中。

15.根据权利要求14所述的液体分布器，其中所述槽具有远端顶部，其具有以与水平面成45至60度的范围内的角度向内聚合的纵向延伸的外侧。

16.根据权利要求14所述的液体分布器，其还包括与所述分布板的上表面超邻近布置的穿孔板，所述穿孔板包括多个延伸通过所述穿孔板的孔，所述多个孔被设置在多个横向间隔的列中，每一列均包括多个纵向间隔的孔且在所述分布板中的所述多个通道中的各个通道上相对齐。

17.根据权利要求14所述的液体分布器，其还包括与所述底壁成间隔关系并在其上布置的第一限流器，所述第一限流器被构造成最初横向地对所接收的制冷剂流进行重新分布，所述第一限流器为穿孔板；以及与所述底壁成间隔关系并在其上布置的且位于所述第一限流器下方的第二限流器，所述第二限流器被构造成纵向地对所接收的制冷剂流进行重新分布，所述第二限流器为穿孔板。