致冷剂的逆流式蒸发器 发明背景
【技术领域】
本发明涉及热交换器的蒸发器，特别涉及为具有显著下滑(glide)特征的非共沸混合物致冷剂而优化的逆流式蒸发器。具体说来，本发明涉及壳和管式蒸发器，其中，致冷剂通过壳而流动并蒸发，同时，流体流动通过壳，并被汽化的致冷剂所冷却。蒸发器是致冷系统的一个部件，它能用于冷却大量的水。
相关技术的说明
用于冷却大量水的致冷系统通常包括热交换器蒸发器，它具有两条分隔的通道。一条通道携带致冷剂，而另一条通道携带欲冷却的流体，通常为水。当致冷剂流动通过蒸发器时，它吸收流体中的热量，从液相改变成气相。离开蒸发器后，致冷剂进入至压缩机，然后至冷凝器，再通过膨胀阀，返回至蒸发器，重复致冷循环。欲冷却的流体在分隔的流体通道中通过蒸发器，并被致冷剂的蒸发所冷却。然后，流体可引向冷却系统，用于冷却欲调节的空间，或它能用于其它致冷目的。
增加热交换器蒸发器效率的一种方法，特别是增加壳和管式蒸发器效率的一种方法通常是改变携带致冷剂的管子的数目和尺寸。但是，这种措施造成过高的成本增加。
另一种用于增加热交换器效率的措施通常是在热交换器管中安装杆，以便形成环形通道，流体在其中流动。此措施的申请披露于Oderman的美国专利No.1，303，107、Buffiere的美国专利No.3，749，155和Neusauter的美国专利No.5，454，429中。此措施通过增加壁附近的致冷剂流速来增加通过环形通道外壁地传热。然而，这种措施往往具有缺陷。例如，不同金属制成的金属零件之间的伽伐尼腐蚀会引起热交换器过早的失效，并要求过多的保养和维修。当杆使用于管状通道内时，流动能量会引起杆振动。管中流动和杆之间干扰发展的声学能量会在规定时间之外损坏蒸发器的结构。在某个应用中，此措施会引起穿过管的压力降上升，从而降低致冷循环的效率。此外，应用此措施常常会大大增加最终热交换器的成本，由于杆的材料费用以及与管内安装和夹持杆相关联的材料和劳力费用。
最近，某些管理单位已对可在某些致冷应用中使用的致冷剂类型施加了限制。鉴于这些限制，连同上述对现存蒸发器结构的局限，因而继续存在改进致冷剂用的蒸发器的需要。
发明概述
因此，本发明的一个目的是为致冷循环提供一种蒸发器，它致力于目前使用的所有类型的蒸发器，特别是在空气冷却致冷组件中使用的蒸发器的问题、局限和缺陷的解决。
另一目的是提出一种蒸发器，它能有效地应用较新的致冷剂，特别是具有下滑特征的非共沸混合物致冷剂进行运行。
另一目的是提出一种改进的蒸发器，它由便宜的部件构成，并能经济地进行建造。
发明的其它特点和优越性将在以下的说明书中提出，且部分将从说明书变得明确，或可通过本发明的实践加以了解。发明的目的和其它优点将通过书面说明及其权利要求，还有附图中具体指出的装置及组合加以实现和获得。
为获得这些和那些优点，以及与实施和大致描述的发明目的相适应，发明包括一种热交换器组件，该热交换器组件包括细长管状构件，在细长管状构件内设置有细长内构件，两件构件的尺寸均被确定为在内和管状构件的相对表面之间形成环形通道。此环形通道促进环形通道中流动的致冷剂与流过管状构件的流体之间的传热。组件还包含若干弹性支承构件，它们沿内构件的长度分隔地设置，并从内构件突出以密贴管状构件，将内构件中心地支承在管状构件内。支承构件最好是簇，而更好的是簇由与内构件整体生产的硬毛束制成。
最好若干热交换器管组件夹持在蒸发器的壳内，且每一组件的长度确定于需交换的热量值。最终的蒸发器最好用以在空气冷却致冷器应用中的非共沸混合物致冷剂与水之间进行传热。在该实施例中，致冷剂在一个方向单次通过地流动通过蒸发器，而水在相对方向单次通过地流动通过蒸发器。内构件最好成形成细长的圆柱。
在另一方面，发明包括一种方法，用于在管(若干管)和壳型热交换器中的流体与致冷剂之间进行热交换，该方法包括的步骤有：使致冷剂流动通过环形通道，此环形通道成形在细长管状构件与包含在管状构件内的细长内构件的相对表面之间，其中管状构件转而又包含在细长腔内。内构件被若干弹性支承物支承在管状构件内，这些弹性支承物沿内构件的长度分隔地设置，并从内构件突出以密贴管状构件。方法包括的步骤还有：使流体在细长腔中围绕管状构件的外表面而流动，以促进与致冷剂的热交换。最好致冷剂是具有显著下滑特征的非共沸混合物致冷剂。致冷剂和流体在相对方向流动通过热交换器，且每一均只进行单次通过。
实验还已表明应用此发明所获的改进，这时蒸发器应用诸如R-22的单成份致冷剂。
应看到，前述总体说明及以下的详细说明均只是举例和解释性的。
所含附图是为了能进一步了解发明，附图与说明相配合，并构成说明的一部分，附图展示了发明的若干实施例，它们与说明一起用于阐述发明的原理。
对附图的简要说明图1是一侧视图，用以表示按发明制作的热交换器蒸发器的实施例。
图2是图1所示热交换器蒸发器的实施例的横截面图，截面沿图1中线Ⅱ-Ⅱ截取。
图3是图1中蒸发器一件管状构件的横截面图，它表示细长内构件用弹性支承物设置在细长管状构件内。
图4是侧视图，它表示具有弹性支承构件的细长内构件的一个实施例。
图5是图4中细长内构件的端视图。
图6是沿图4所示内构件的Ⅵ-Ⅵ线截取的横截面图。
图7是一个展示水和致冷剂温度实例的图表，当水和致冷剂流动通过按本发明制作的蒸发器。
详细说明
现详细参看发明的现有推荐实施例，它们的实例描述于所附说明书和/或展示于附图中。
虽然本发明在热交换器组件方面具有较宽阔的应用，用以在管状构件中流动的流体与流过管状构件的流体之间进行热量传送，但本发明是作为HVAC空气冷却致冷器系统中的蒸发器组件发展起来，并具有特定应用，且最好是应用非共沸混合物致冷剂的这种蒸发器组合件。非共沸混合物致冷剂由多种成份组成，每种成份具有不同的沸点。这些非共沸混合物致冷剂通常具有显著的下滑特征，这意味着在它们的最低与最高沸点之间存在大的温差。这些非共沸混合物致冷剂中的一个实例是R-407C。为了有效地应用非共沸混合物致冷剂，发明者们已发现，蒸发器热交换器应是真正的逆流式组件，其中水的流动方向与致冷剂流动的方向相反。通常的多路蒸发器，其中两种流体中的一种流体流经通过来回折返的管子，并不能利用非共沸混合物致冷剂的显著下滑特征的优越性。另一方面，逆流式结构能保持通过热交换器长度的致冷剂与流体之间的最大平均温差，在其它变量为恒定时，造成最大的传热。在推荐实施例中，流体在反方向流动，且流体和致冷剂均单次通过蒸发器。如下文将更为充分地说明，发明者们发现一种有效应用非共沸混合物致冷剂的逆流式布置的方法，同时它仍能使蒸发器的长度及总体结构保持于商业可接受范围。
如图1-2所示，发明包括蒸发器45，用于将流体的热量传送给具有下滑特征的非共沸混合物致冷剂。流体最好是水，但其它流体也可应用。例如，乙醇、盐水、油和乙二醇可用于蒸发器中。蒸发器包括细长的腔36，它在两端具有头部38、39。流体入口40紧邻腔的第一端，用于接受诸如水的流体。流体沿第一轴向流动通过蒸发器的腔36，并在冷却状态通过出口41排出，出口41紧邻腔的相对的第二端。蒸发器45还包括致冷剂入口50，它与腔一端的头部39连通；和致冷剂出口51，它与腔相对端的头部38连通。蒸发器还包括若干细长的管状构件30，它们设置在细长腔内，用于接受来自腔第二端的头部39的致冷剂，使致冷剂流动通过管状构件30，并将加热状态的致冷剂通过细长腔第一端的头部38和出口51排出。在此布置中，蒸发器是真正的逆流式蒸发器，它采取致冷剂和欲被冷却流体，通常为水的单次通路。如下文将更为详细地说明，并如图3所示，细长形的挤压内构件10放置在每一管状构件内，这样，内构件和管状构件形成环形空间，致冷剂通过它而流动，以促进致冷剂与其它流体之间的传热。
蒸发器45具有细长腔36，它由外壳35加以限定。在此实施例中，壳是圆筒形的，但壳可有各种不同形状，这与发明并不偏离。水通过水入口40进入腔36，流动通过腔36，然后在冷却状态下离开出口41。液态致冷剂在位于腔36的第二端的头部39输入，通过液体通路分流板46分布在细长管状构件30，此处，致冷剂在与水流动的相反方向流动。在管状构件30中，致冷剂吸收来自水的热量。并蒸发。在与头部39相对的腔端，管状构件30连接至吸出通路分流板37，此处它们与头部38连通，并具有致冷剂出口。在此出口，致冷剂主要以蒸汽状态离开蒸发器。
蒸发器中的热交换器管束被若干分流板夹持在位，分流板沿蒸发器轴向间隔分布。这些分流板具有孔，管状构件通过它们而装配。在蒸发器端部的端分流板具有与蒸发器相同的横截面，并以外壳限定致冷剂头部。腔内的其余分流板并不横越整个腔而伸展，而是交错地固定至蒸发器的相对内表面，以引导水在蒸发器中以波浪形流动的形式流动，以增加水与在管中流动着的致冷剂之间的传热。蒸发器采用致冷剂和水均只在轴向单次通过蒸发器的流动而获得水和致冷剂的逆向流动。
在推荐实施例中，细长腔、若干细长的管状构件和细长的内构件基本是直的。在此具体实施例中，蒸发器长为12英尺，但是，其它长度也可应用以适应不同的流速和热交换水平。具有长度为16英尺的蒸发器结构已给出优异的结果。如图3所示，细长内构件10设置在细长管状构件30之内。内构件与管状构件的尺寸均制成在内构件与管状构件的相对表面之间形成环形通道29。在推荐实施例中，内构件具有恒定的直径。若干弹性支承构件12最好是由硬毛束制成的簇，它们安装至内构件上，并沿着内构件的长度而间隔地分布，以便突出以密贴管状构件，从而将内构件中心地支承在管状构件内。最佳结果是在将内构件同心地支承在管状构件内时获得。
致冷剂通过环形通道29而流动，并将热量通过管状构件30的壁传至流过管状构件30的外表面的流体。在推荐实施例中，管状构件为圆形横截面，内构件10具有实心的圆形横截面，并由泡沫塑料材料制成。欲应用的环形通道的尺寸将取决于具体的应用，考虑到所应用的流体，以及蒸发器的尺寸和负载特征。高度(内构件10的外表面与管状构件30的内表面之间的径向距离)在1/8至1/4英寸范围的环形通道已表示出，能为内直径为5/8”的管状构件提供可接受的传热，虽然本发明并不限于仅在此范围内的环形通道。
内构件10由这样的材料制成，它与流动通过环形通道的致冷剂是相容的，因而不会引起实际或应用问题。作为举例，由泡沫聚合材料制成的内构件10已证明特别适合用于诸如R-407C的非共沸混合物致冷剂。虽然内杆能由各种材料制成，并仍能获得本发明的许多特点，但具有如聚丙烯杆的特征的实心合成杆，而最好是泡沫聚乙烯杆已证明特别适用于本发明。泡沫聚合杆是这样的聚合杆，它们夹杂有气囊。泡沫杆比实心合成杆具有较高的强度和同心度，还具有较好的刚性，且在生产时，它们的尺寸能较好地控制。这样的杆与其它材制成的杆相比，也较为便宜。
更具体的说，由泡沫聚乙烯或泡沫聚丙烯制成的内构件已给出良好的结果。这两种材料均能抗化学冲击，这样的化学冲击会造成非冷凝。其它包括金属在内的材料也可用于制造内构件，但所有这些材料均具有一定缺陷，诸如制造或安装的过高价格、腐蚀、激发机械故障、过高的压力降，或难于在管状构件内定中心。
如图1和2所示，若干管状构件组装在冷却水的蒸发器内。只是为了举例，大约400根管子安装在按本发明提出的蒸发器中。每件管状构件具有5/8英寸的内径，而每一内构件具有3/8英寸的外径。这些尺寸参数可根据具体应用的需要而加以改变。
本发明的蒸发器使致冷系统的效率提高，因为提高了致冷剂与水之间的热交换效率。管状构件表面附近的致冷剂的质量流速增加，造成横越和管状构件30的壁的传热率提高。传热率能进一步提高，如果管状构件具有带肋片的内表面31与致冷剂接触，因为管状构件30的有效内表面面积增加。具有这种带肋片内表面的管子在市场上可买到。
在推荐实施例中，内构件由弹性支承构件12中心地夹持在管状构件内。在附图所示的实施例中，弹性支承构件从内构件伸出，并在一端安装至内构件上。在相对端，支承构件12密贴管状构件30的内表面，从而将内构件10保持在基本沿管状构件30的中心线的中心位置。
如图6所示，在推荐实施例中，弹性支承构件12由簇形成，而簇又最好由安装至内构件10上的硬毛束22构成。这些簇能由多种材料制成，它们与管状构件内使用的致冷剂相容，并具有足够的弹性，以便方便地插入管中，又将杆支持在位。举例说来，簇能由聚丙烯硬毛制成。这样的簇，或相似的弹性构件，能借助各种常规技术固定在内杆中。在披露的实施例中，簇通过在细长内构件10中钻孔或其它方法成形孔20而加以铺设，并永久性地将簇固定在孔内。在此实施例中，硬毛束本身对折，并插入孔20中。对折的硬毛束然后由钢制，或其它合适材料制成的U形钉21固定至内构件上。硬毛从内构件的表面伸出，然后修剪成适当长度，使内构件和弹性簇能方便地插入至管状构件中，这样，簇将压紧配合倚靠在管状构件的内壁上。例如，直径为3/8英寸的内构件被钻孔形成深为0.125英寸和直径为0.125英寸的孔以安放直径为0.100英寸的簇。在此应用中，直径为0.010英寸的硬毛可采用。
最终，本发明的支承构件可由各种材料和技术制成，只要最终的支承构件能以经济、技术可行的方法将外和内构件支持在适当的位置。
应用由硬毛制成的簇来构成弹性支承构件12的一个优点是，支承构件将弯曲，但然后它们本身又会回复至它们的原始形状，造成细长内构件10易于通过管状构件的一个开口端插入至细长管状构件30中。一旦细长内构件10插入管状构件30中，弹性支承物12将细长内构件10定于中心，并将其保持于其在细长管状构件30内的适当位置，以形成环形通道29。
在本推荐实施例中，弹性支承构件沿内构件的长度间隔地布置，还围绕环形通道的周边间隔地布置。如在文中实施及图4和5所示的，弹性支承构件12围绕内构件10的周边而布置，并按等距角向间距而隔开。这时，三件支承构件形成的组围绕内构件10的周边设置，并间隔120°的弧度。此外，一组中的支承构件12沿内构件10轴向间隔地分布，最好等轴向距离间隔地分布。
在一个推荐实施例中，由三簇构成的若干组中的每一组放置在沿内构件的特定距离上，从而内构件10沿其整个长度被基本中心地支承在管状构件30内。而在每一支承构件组中，单个簇等距地围绕着内构件的周边，还等距地沿着内构件的轴向长度。此外，至少有一个组的支承构件限定一条沿着环形通道29的长度的螺旋路径，如图4所示。
支承构件的推荐位形能将致冷剂流动通过环形通道29引起的压力降的值降至最低。3与7磅/英寸2之间的压力降对在环形通道中流动的致冷剂一般是可接受的，这不会降低致冷系统的效率。对于上述的具体举例性管子和杆的尺寸，这些压力损失分别对应弹性支承构件组之间的间隙频率约为10英寸和3英寸。更具体地说，连续两组弹性支承物组之间的距离为6.625英寸被认为是可接受的，如图4中以距离“D”表示。每一支承构件组内的单个簇的间隔也可加以优化以减少压力降，同时仍将细长内构件10定于中心。例如，从一簇至下一簇的轴向间距约为0.5英寸时被认为是可接受的，在图4中由距离“B”加以表示。
应用于推荐实施例的支承物12的螺旋位形也使致冷剂具有螺旋运动。当致冷剂通过管状构件，由于吸收了来自流体的热量，由液相改变至气相时，这趋于使致冷剂分层成液体层和蒸汽层的现象降至最小。
本发明的蒸发器最好使用具有显著下滑特征的非共沸混合物致冷剂。这种致冷剂之一就是R-407C，它是HFC-32/HFC-125和HFC-134a的三元混合物，是一种非臭氧消耗型致冷剂。这种混合物在给定压力下有若干个沸腾和冷凝温度。沸腾/冷凝温度的变化范围称为温度下滑。其它若干种非共沸混合物致冷剂也可在本发明的应用中使用。
由上述显然可见，本发明包括一种方法，它使得在具有细长腔的管和壳型热交换器中的流体和致冷剂之间的热交换更为有效。步骤包括：使致冷剂流动通过环形通道，该环形通道形成于细长管状构件和放置在管状构件内的细长内构件的相对表面之间，而管状构件转而又设置在细长腔内。下一步骤是使流体围绕管状构件的外表面流动。在此方法中，内构件被若干弹性支承物支承在管状构件内，这些弹性支承物沿内构件的长度间隔地分布，从内构件突出，并密贴管状构件。
按照本发明，壳和管式蒸发器中的流体冷却方法的推荐实施例包括的步骤有：使诸如水的流体通过设置在蒸发器壳的第一端邻近的流体入口流动进入蒸发器；使流体沿第一轴向流动通过壳内的细长腔；和将流体通过流体出口从热交换器排出，此流体出口设置在与第一端相对的壳的第二端附近。方法包括的步骤还有：使致冷剂通过致冷剂入口流动进入第一头部，此第一头部放置在壳的第二端；使致冷剂在与第一方向相对的第二方向流动通过环形通道，此环形通道形成于细长腔内的管状构件与管状构件内的内构件的相对表面之间；以及将致冷剂通过致冷剂出口从第二头部排出，此第二头部位于与第一头部相对的壳的第一端。致冷剂和流体均只有一次流动通过蒸发器，且最好致冷剂是具有显著下滑特征的非共沸混合物致冷剂。按照本发明，蒸发器具有若干外管和内构件，每一件长度的量级为16英尺。装置的具体尺寸可根据被冷却流体的量和温度进行改变。
应用在与水相对的方向流动的致冷剂以冷却水的方法，其中由簇支承的细长内构件被设置在细长管状构件内，当具有下滑特征的非共沸混合物致冷剂被用作工作致冷剂时，特别优异。此方法使致冷循环得以改进系统效率，还得以应用较短的蒸发器而不会牺牲效率。如此建造的插入物易于安装，并不会引起伽伐尼(galvanic)腐蚀。
这样，本发明为空气冷却致冷器致冷系统提供了一种逆流式蒸发器，该致冷系统应用诸如R-407C的显著下滑的非共沸混合物致冷剂。蒸发器和管子相当长，以便将致冷剂从进入蒸发器入口时主要为液体的状态蒸发成出口时约为95％质量的气体。对一种蒸发器，它具有382根外径为5/8英寸的管子和直径为3/8英寸的内圆柱形构件，长度为16英尺，已表明可提供要求的效率。据信，本发明的蒸发器，如长度为12英尺或更长，将提供明显优于现有系统的好处。图7表示了水和R-407C的温度的图表，当它们在相对方向流动通过按本发明建造的蒸发器。
内构件的推荐实施例的价格低廉，因为内构件由聚合杆构成，并装备有支承构件，它们借助经济、易于组装的支承系统将构件夹持在位。一个这样的实施例是上文详细披露的具有簇支承物的泡沫聚乙烯杆。此实施例的生产和材料成本相对金属杆是低的，内构件进入管状构件的组装特别容易，且费用实际可行。还已证明，最终的组件相对其它方案完全没有噪声。应用聚丙烯或聚乙烯的杆和簇从由于金属至金属的交界面引起的伽伐尼腐蚀或管泄漏观点来看也是对外管非有害的。此外，部件的这一组合能提供高的热交换值，但压力降是低或中等的。能提供发明范围内相同或相似优异性能的其它管材料及支承物特点将由权利要求加以限定。
本领域的技术人员将清楚，在不偏离本发明精神或范围的情况下，本发明的结构和方法可进行各种修正和改变。因此，本发明将涵盖此发明的修正和改变，这都将包括在所附权利要求及它们的等同替代的范围之内。