MX2007009252A - Termointercambiadores de flujo paralelo que incorporan inserciones porosas. - Google Patents

Abstract

Un evaporador de flujo paralelo (minicanal o microcanal) incluye un miembro poroso insertado en la entrada de los canales de evaporador que proporciona controles de expansion de refrigerante y caida de presion que resultan en la eliminacion de la mala distribucion de refrigerante y la prevencion de inundacion potencial del compresor.

Description

TERMOINTERCAMBIADOfiES DE FLUJO PARALELO QUE INCORPORAN INSERCIONES POROSAS DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere generalmente a acondicionamiento de aire, bomba de calor y sistemas de refrigeración y, más particularmente, a evaporadores de flujo paralelo de los mismos, Una definición de un termointercambiador de flujo paralelo asi llamado se utiliza ampliamente en la industria de acondicionamiento de aire y refrigeración y designa un termointercambiador cc n una pluralidad de pasajes paralelos, entre los cuales se distribuye el refrigerante y fluye en 1< dirección general y sustancialmente perpendicular a la dirección de flujo (ie refrigerante en los manguitos de entrada y de salida. E¡sta definición se adapta bien dentro de la comunidad técnica y se utilizará a través del texto, La mala distribución del refrigerante en evaporadores de sistema de refrigerante es un fenómeno bien conocido. Provoca una degradación importante del evaporador y el rendimiento de sistema general sobre un amplio margen de condiciones de operación. La mala distribución del refrigerante puede o .urrir debido a diferencias en las impedancias de flujo d ntro de los canales del evaporador, la distribución de flujo de aire no uniforme sobre superficies de transferencia de calíLor externa, orientación inadecuada del termointercambiador o un diseño deficiente del colector y el sistema de distribución. La mala distribución es particularmente pronunlciada en evaporadores de flujo paralelo debido a su diseño e : specifico con respecto al enrutamiento del refrigerante a cada circuito de refrigerante. Intentos por eliminar o reducir los efectos de este fenómeno sobre el rendimiento de los evaporadores de flujo paralelo se han hecho con poco o ningún éxito. Las razones principales de tales fallas se han relacionado generalmente con la ccoommpplleejjiiddaadd yv llaa iinneeffjiciencia de la técnica propuesta o el costo prohibitivamente elevado de la solución. En años retientes, los termointercambiadores de flujo paralelo y los termointercambiadores de aluminio broncesoldado en horno en particular, han recibido mucha atención e interés, no sólo en el campo automotriz sino también en la industria de calefacción, ventilación, acondicionamiento de aire y refrigeración (HVAC&R) . Las razones principales por el empleo de la tecnología de flujo paralelo se refieren a su rendimiento superior, alto grado de compactación y una re.bistencia mejorada a la corrosión. Los termointercambiadores de flujo paralelo ahora se utilizan en aplicaciones de conde. sadores y evaporadores para múltiples productos y diseños del sistema y configuraciones. Las aplicaciones de eváporadores, aunque prometen mayores beneficios y remuneraciones, son más desafiantes y problemáticas. La mala distribución del refrigerante es una de las preocupaciones principales y obstáculos para la implementación de esta tecnología en las aplicaciones de evaporadores . Como se conoce, la mala distribución de refrigerante en termointercambiadores de flujo paralelo ocurre debido a una caida de presión desigual dentro de los canales y en los manguitos de entrada y de salida, asi como un diseño deficient del colector el sistema de distribución. En los manguitos, la diferencia en longitud de las trayectorias de re frigerante, la separación de fase y la gravedad son los factores principales responsables de la mala distribución. Dentro ce los canales del termointercambiador, variaciones en la proporción de transferencia de calor, la distribución de flujo de aire, las tolerancias de fabricación, y la gravedad son los factores dominantes Además, la tendencia reciente de la mejora del rendimiento del termointercambiadc r promovió la miniaturización de sus canales (minicanales y microcanales asi llamados), lo cual a su vez impactó negativamente la distribución del refrigerante. Puesto que extremadamente difícil controlar todos estos factores, muchos de los intentos previos por manejar una distribuc Lón de refrigerante, especialmente en evaporadores de flujo paralelo, han fallado. En los sistemas de refrigerantes que utilizan termointercambiadores de flujo paralelo, los manguitos o colectores de entrafa y de salida (estos términos se utilizaran en forma intercambiable a través del texto) normalmente tienen una forma cilindrica convencional. Cuando el flujo de doble fas e entra al colector, la fase de vapor normalmente se separa de la fase de liquido. Puesto que ambas fases fluyen indepeni ientemente, la mala distribución de refrigerante tiende a ocurrir. Si el flujo de doble fase entra al manguito de entrada a una velocidad relativamente elevada, la fase de liquido (gotitas de Liquido) se lleva por el momento del flujo más allá de la entrada del manguito hasta la porción remota del colector. Por lo tanto, los canales más cercanos a la entrada del manguit :o reciben en forma predominante la fase de vapor y los canale s alejados de la entrada del manguito reciben en su mayor parte la fase liquida. Si, por el contrario, la velocidad del flujo de doble fase que entra al manguito es baja, no existe un momento suficiente para llevar la fase liquida a lo largo del colector. Como resultado, la fase liquida entra a 1 os canales más cercanos a la entrada y la fase de vapor procede a las más alejadas. También, las fases de liquido y vapor en el manguito de entrada pueden separarse por las fuerzas de gravedad, provocando consecuencias de mala distribución similares. En cualquier caso, el fenómeno de 1 a mala distribución rápidamente sale a relucir y se manifiesta a si misma en el evaporador y la degradación del rendi iento de sistema general, Además, el enómeno de la mala distribución puede provocar las condicicjnes de doble fase (supercalentamiento nulo) en la salida de algunos canales, - promoviendo una inundación potencial en la succión del compresor que rápidamente se puede producir en daño al compresor. Por lo tanto es un objeto de la presente invención proporcionar un sistep a y método que solucione los problemas de la técnica anterior descrita previamente. J El objetivo de la presente invención es presentar un control de caida de presión para el evaporador (microcanal o minicanal) de flujo paralelo que esencialmente igualará la caida de presión a través de los circuitos del termointercambiador y por lo tanto eliminará la mala distribución del refrigerante y los problemas asociados con la misma. Además, es el objetivo de la presente invención proporcionar una expar sión de refrigerante en la entrada de cada canal, de este modo eliminando un flujo de doble fase predominantemente en el manguito de entrada, el cual es una" de las causas principales de la mala distribución de refrigerante. Se ha encontrado que la introducción de un medio poroso insertadD en cada canal evaporador de flujo paralelo, o en la entrada de cada canal evaporador de flujo paralelo, establece éstos objetivos. Por ejemplo, estas inserciones de medios porosos pueden bronce soldarse en cada canal durante el qroncesoldado en horno de todo el termointercambiador, enlazarse químicamente o fijar mecánicamente en el 1 igar. Además, estas inserciones pueden utilizarse como dispositivo de expansión primarios (y únicamente) para aplicaciones de bajo costo o como dispositivos de expansión secundarios, en caso de que se requiera un control de supercalentamiento preciso y una válvula de expansión termostática (TXV) o una válvula de expansión electrónica (EXV) se emplea como un dispositivo de expansión primario. Cualquier in serción porosa adecuada que logre los objetivos anteriores puede utilizarse. Inserciones porosas adecuadas y económicas pueden formarse de metal sinterizado, metal comprimido, tal como lana de acero, cerámicas porosas especialmente diseñada 5, etc. Cuando se coloca una inserción de medios porosos económica en cada canal del evaporador de flujo paralelo, o en J.a entrada de cada canal de evaporador de flujo paralelo, re resenta una resistencia mayor para el flujo de refrigerant 5 dentro del evaporador. En tales circunstancias, la reglón de caida de presión principal será a través de estas inserciones y las variaciones en la caida de presión en los canales o en los manguitos de los evaporadores de flujo paralelo que jugarán un papel menor insignificante) . Además, puesto que la expansión de refrigerante está teni ando lugar en la entrada de cada canal, un refrigerante liquidb de fase predominantemente sencilla se transporta a través dell manguito de entrada, especialmente en el caso cuando las in serciones porosas se utilizan como los dispositivos de expan ion primarios y únicos. Por lo tanto, se logra una distribucion de refrigerante uniforme, se mejora el rendimiento del e vaporador y del sistema y, al mismo tiempo, no se pierde e:1 control de supercalentamiento preciso (siempre que se requiera) . Además, bajo costo extra para el método propuesto hace <ie esta invención muy atractiva. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para un entendimiento adicional de los objetos de la invención, se hará referencia a la siguiente descripción detallada de la inverjción la cual se leerá junto con los dibujos anexos, en donde: La Figura 1 es una ilustración esquemática de un termointercambiador des flujo paralelo de acuerdo con la técnica anterior. La Figura 2 es una vista en corte lateral parcial de una modalidad de la presente invención. La Figura 3 es una vista extrema de una inserción porosa colocada en la entrada en un canal de la presente invención. La Figura 4 es una vista en perspectiva de la inserción porosa ilustrada en la Figura 3 La Figura 5 _. es una vista en corte lateral que ilustra una modalidad adicional de la presente invención. La Figura 5 3 es una vista en corte lateral que ilustra aún otra modal Ldad de la presente invención. La Figura 6 es una vista extrema de una pluralidad de canales en una modalidad de la invención. La Figura 7a es una vista en perspectiva la cual ilustra una modalidad <pe tapa porosa de la invención. La Figura b es una vista en perspectiva que ilustra una segunda modalidad de tapa porosa. La Figura es una vista en perspectiva que ilustra una tercera modalidad de tapa porosa Ahora con referencia a la Figura 1, un termointercambiador 1 0 de flujo paralelo (minicanal o microcanal) se muestra el cual incluye un colector o manguito 12 de entrada, un colector o manguito 14 de salida y una pluralidad de cana..es 16 dispuestos paralelos que interconectan fluidica ente el manguito 12 de entrada en el manguito 14 de salida. Típicamente, los colectores 12 y 14 de entrada y de salida son de forma cilindrica, y los canales 16 son tubos (o extrusior.es) de sección transversal aplanado o redondo. Los canales 1 6 normalmente tienen una pluralidad de elementos de mejoramiento de transferencia de calor internos y externos, tales como aletas. Por ejemplo, aletas 18 externas, uniformemente dispuesta entre las mismas para el mejoramiento del proceso de intercambio de calor y la rigidez estructural, típicamente se bronce-soldán con horno. Los canales 16 pueden teper mejoramiento de transferencia de calor internos y elementos estructurales también. En operació i, el refrigerante fluye hacia la abertura 20 de entrac.a y hacia la cavidad 22 interna del colector 12 de entra ia . Desde la cavidad 22 interna, el refrigerante en forma de liquido, un vapor o una mezcla de liquido y vapor (el escenario más tipico en caso de un evaporador con un dispositivo de expansión localizado corriente arriba) ent ca a las aberturas 24 de canal par pasar a través de los canales 16 hacia la cavidad 26 interna del colector 14 de salida. Desde ahi, el refrigerante, el cual normalmente ahora tiene la forma de un vapor, en caso de aplicaciones del evapo ador, fluye fuera de la abertura 28 de salida y después Hacia el compresor (no mostrado) . Externamente de los cajnales 16, el aire se hace circular de preferencia en forma uniforme sobre los canales 16 y las aletas 18 asociadas mediante un dispositivo de movimiento de aire, tal como un ventilador (no mostrado) , de tal manera que la interacción de transferencia de calor ocurre entre el aire que fluye fuera de los canales y el refrigerante dentro de los canales. De acuerdo con una modalidad de la presente invención, una inserci - 30 porosa se inserta en la entrada de cada canal 16. Cuando los canales 16 tienen elementos estructurales internos tales como miembros 16a de soporte (Figura 3) , normalmente incluidos para rigidez estructural y/o propósitos de mejoramiento de transferencia de calor, las inserciones 30 porosa;5 incorporan ranuras 32 para acomodar los miembros 16a de soporte cuando están en posición en la entrada de canal (vease Figura 4) . Además, en caso de que se desee proporcionar un grado variado de expansión y/o impedancia hidráulica por las inserciones 30 ó 32, por ejemplo, para contrarrestar otros factores antes mencionados que afectan la distrib >-?ción de refrigerante entre los canales 16, características tales como valores de porosidad o dimensiones geométricas (profundidad de inserción, profundidad de introducción, etc.) de las inserciones pueden alterarse para lograr el resultado deseado para cada canal 16. La Figura 5 >p ilustra otra modalidad en la cual todas las entradas en los canales 16 son cubiertas por un solo miembro 34 porosjo colocado dentro de un manguito 40. Además, un miembro 36 de soporte puede utilizarse para ayudar a establecer una posición relativa del miembro 34 poroso y los canales 16 dentro del manguito 40. Se debe observar que un ensamblaje del miembro 34 poroso y el miembro 36 de soporte puede fabricarse a partir de y combinarse en un solo miembro hecho de material poroso.

La Figura i b es una modalidad adicional de la estructura de la Figura 5a en la cual el miembro poroso es un compuesto de dos dif srentes materiales 34 y 34a porosos, Obviamente, un número de materiales compuestos dentro del miembro poroso pueden ser más de dos. La Figura 6 ilustra una vista lateral de la Figura 5a. La Figura 7a ilustra un miembro 34b poroso alargado unificado que sella múltiples canales 16 en una distancia predeterminada desde la entrada de canal. La Figura 7b ilustra un miembro 34c poroso alargado que tapa los extremos e los múltiples canales 16, La Figura 7c es una modificación de la estructura de la Figura 7b en la cual el miembro 34d poroso es de una forma precisa y tapa 1 .os extremos de los canales 16. La forma del miembro 34d poro )¡so puede ser cualquier configuración adecuada, en lugar de un rectángulo en sección transversal. Además el miembro 34d poroso se coloca de preferencia dentro del manguito 40 de tal manera que existe un espacio entre la pared interior del maijiguito 40 y el miembro 34a poroso que permite una distribuci .ón de refrigerante más uniforme antes de que entre al miembro 34d poroso en los canales 16. Se debe ent_;nder que cualquier tipo de miembro poroso y/o material que logre los objetivos de la presente invención pueden utilizarse. Similarmente, como se ilustra en las Figuras 2-7, cual 3uier diseño o configuración que logre los objetivos de la i nvención pueden emplearse en el uso de la presente invención. También, se ha observado que las inserciones porosas pueden utiliz arse en aplicaciones de condensador y evaporador dentro de manguitos intermedios también. Por ejemplo, si un termointercambiador tiene más de un paso de refrigerante, un mangu ito intermedio (entre los manguitos de entrada y de salidja ) se incorpora en el diseño de termointercambiador . En el manguito intermedio, el refrigerante tipicamente está en un estado de doble fase, y tales configuracione s de termointercambiador pueden beneficiarse similarm|ente de la presente invención al incorporar las inse ciones porosas en tales manguitos, intermedios. Además, 1as inserciones porosas pueden colocarse en un manguito de entrada del condensador y en un manguito de salida del evaporador para proporcionar solamente uniformidad de resistencia hidrául ica y un control de caida de presión y con menos efecto sobre el rendimiento general del termointercambiador . Puesto que, para aplicaciones particulares, los diversos factores quej provocan la mala distribución del refrigerante hacia los canales generalmente se conocen en la fase de diseño, la invjención ha encontrado viable introducir las características de diseño que las contrarrestaran para poder eliminar los ef.setos dañinos sobre el evaporador y el rendimiento general del sistema asi como una inundación potencial del compresor y daño. Por ejemplo, en muchos casos, generalmente se conoqe que el refrigerante fluye hacia el manguito de entrada a una velocidad elevada o baja y cómo el fenómeno de la mala distribución es afectado por los valores de velocidad. Una persona de experiencia ordinaria en la técnica reconocerá corno aplicar las enseñanzas de esta invención a otras cara teristicas del sistema. M Miieennttrraass llaa presente invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a las modalidades preferidas como se ilustra en los dibujos, se entenderá por alguien de experiencia en la técnica que varios cambios en detalle pueden efectuarse en la misma sin apartarse del espíritu y alcance de) la invención como se define por las reivindicaciones .

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1. Un termoi ntercambiador de minicanal o microcanal de flujo paralelo cara terizado porque comprende: un manguit de entrada que se extiende longitudinalmente y que tiene una abertura de entrada para conducir el flujo de fluido hacia el manguito de entrada y una pluralidad de abei turas de salida para conducir el flujo de fluido transversalm -.nte desde el manguito de entrada; una pluralidad de canales, cada uno teniendo una entrada de canal, ali neado en una relación sustancialmente paralela y conectado fluidicamente a la pluralidad de aberturas de salida pa era conducir el flujo de fluido desde el manguito de entrada; y un manguito de salida conectado fluidicamente a la pluralidad de canales para recibir el flujo de fluido de la misma ; donde el ter ointercambiador contiene por lo menos un miembro poroso colocado dentro de la trayectoria de flujo del termointercambiade r, por lo que el termointercambiador muestra una reducción importante de la mala distribución de flujo entre la pluralidad de canales. 2. El termc intercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el termointercambiador es un evaporador. 3. El termdintercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el termointercambiador es un condensador. 4. El termfintercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el miembro poroso tiene la forma de una inserción colocada en por lo menos un canal. 5. El term?intercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la inserción porosa se co[Loca en la entrada de canal. 6. El termcpintercambiador de flujo paralelo de conformidad con la rei vindicación 5, caracterizado porque la inserción porosa se co .oca adyacente a la entrada de canal. 7. El termointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la rei vindicación 5, caracterizado porque la inserción porosa se co .oca dentro del canal. 8. El termc intercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la inserción porosa se cploca en el manguito de entrada o en comunicación de fluido directo con un manguito de entrada, 9. El termc intercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la inserción porosa se cjoloca en el manguito de salida o en comunicación de fluido directo con el manguito de salida. 10. El termbintercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la inserción porosa se coloca en por lo menos uno de los manguitos o en comunicación de fluido directo con por lo menos uno de los mangu.tos 11. La inserción porosa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la inserción se forma* de un material seleccionado del grupo que consiste de un metal y una cerámica, 12. La inserción porosa de conformidad con la reivindicación 1, cara•¡eterizada porque la inserción se forma de un material seleccionado del grupo que consiste de metal sinterizado, metal cojnprimido, lana de metal o alambre de metal . 13. La inserción porosa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la inserción se coloca longitudinalmente a lo largo de un manguito. 14. La inserción porosa de conformidad con la reivindicación 1, caiacterizada porque existe un espacio entre la inserción y la superficie de pared interior del manguito . 15. La inserción porosa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la inserción es un compuesto de por lo menos dos inserciones diferentes, 16. La inse rción porosa de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque la sección transversal de la inserción no es Rectangular. misma; en donde e termointercambiador contiene por lo menos un miembro poroio colocado dentro de la trayectoria de flujo de termointercambiador, donde el miembro poroso se diseña para proporcionar por lo menos uno de un control de expansión y un control- de caida de presión en el sistema, y donde el termointercarrbiador muestra una reducción importante de la mala distribución de flujo entre la pluralidad de canales , 21. El termointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el termointercambiador es un evaporador. 22. El terp ointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el termointercambiador es un condensador. 23. El term ..intercambiador de conformidad con la reivindicación 20, c racterizado porque el miembro poroso funciona como un dispositivo de expansión primario. 24. El termpintercambiador de conformidad con la reivindicación 20, ce racterizado porque el miembro poroso funciona como un dispoaitivo de expansión secundario. 25. El termbintercambiador de flujo paralelo de conformidad con la rei vindicación 20, caracterizado porque el miembro poroso tiene La forma de una inserción colocada en por lo menos un canal. 26. El termointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque el miembro poroso se colóca en la entrada de canal. 27. El termointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque el miembro poroso se colóca adyacente a la entrada de canal. 28. El termointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque el miembro poroso se colóca dentro del canal. 29. El terrrtointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el miembro poroso se co Loca en el manguito de entrada o en comunicación de fluido directo con el manguito de entrada, 30. El terrr ointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el miembro poroso se coloca en el manguito de salida o en comunicación de fluido directo con el manguito de salida. 31. El termointercambiador de flujo paralelo de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el miembro poroso se coloca en el manguito de entrada o en comunicación de fluido directo con el manguito de entrada. 32. El mielmbro poroso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el miembro se forma de un material seleccionado del grupo que consiste de un metal y una cerámica. 33. El miembro poroso de conformidad con la reivindicación 20, ca acterizado porque el miembro se forma de un material selecc Lonado del grupo que consiste de metal sinterizado, metal comprimido, lana de metal o alambre de metal . 34. El mielmbro poroso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque el miembro se coloca longitudinalmente a lo largo del manguito. 35. El miembro poroso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque existe un espacio entre el miembro y la superficie de pared interior del manguito. 36. El mielmbro poroso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque la inserción es un compuesto de por lo mehos dos diferentes miembros. 37. El miembro poroso de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque la sección transversal del miembro no es rectangular, 38. El miembro poroso de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque la sección transversal del miembrcb es una porción de un circulo, 39. El miembro poroso de conformidad con la reivindicación 20, car,acterizado porque los miembros muestran características de rerdimiento variables entre por lo menos dos canales. 40. La inserción de conformidad con la reivindicación 39, ca racterizada porque las características de rendimiento variables dependen de por lo menos uno de porosidad, profundidad , profundidad de inserción y material.