專利名稱：串聯(lián)式熱交換器和串聯(lián)回路的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明有關(guān)將致冷劑封裝于管子、通道等的所有熱交換器，尤其包括翅片管、翅片盤管和刺型翅片熱交換器在內(nèi)。盡管針對的是所有的熱交換器，但本發(fā)明特別適用于蒸氣去除成問題的、諸如蒸發(fā)器之類的熱交換器。
目前的熱交換器或是由一根連續(xù)的長管所構(gòu)成，或是由一多回路熱交換器所構(gòu)成。
在連續(xù)長管的情況下，管子起始處的兩相(主要是液體)致冷劑的密度隨該兩相致冷劑流過管子的長度而減小。取決于流動條件，致冷劑在靠近管子端部處可以完全是蒸氣，密度非常低。對于較大的熱交換器，通過該管子的壓降開始會嚴(yán)重影響效率。這對于蒸發(fā)器特別明顯。
在多回路致冷劑熱交換器的情況下，引入多條回路以解決連續(xù)長管熱交換器的壓降問題。雖然多條回路可解決這一問題，但它們引起了諸如傳熱障礙之類的其它問題。為在各回路端部處實(shí)現(xiàn)便于處理的蒸氣速度(即壓降)，多條回路具有低于最佳值的通過大部分兩相區(qū)域的速度。理想的是，優(yōu)選更高的液體速度，因?yàn)樗鼈儗?yīng)于更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)。采用諸如歧管之類的復(fù)雜分配器來將致冷劑均勻地分到多條致冷劑回路。但是，由于系統(tǒng)上的負(fù)載以及致冷劑流動速度嚴(yán)重影響分配器對致冷劑的分配，因而諸回路的致冷劑量各不相同。例如，在高速流動下工作良好的一分配器可能導(dǎo)致在低載或低流量條件下有過多的致冷劑導(dǎo)入某一回路，反之亦然。
另外，分配器本身是一種價格昂貴的裝置，要正確安裝和適當(dāng)設(shè)計非常耗時。
需要一種在其整個長度上可保持兩相流動而無需現(xiàn)有技術(shù)中的多回路分配器的熱交換器。
發(fā)明概要本發(fā)明的一個目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于解決現(xiàn)有技術(shù)熱交換器的諸多問題。
本發(fā)明的一個目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于提供一種串聯(lián)式熱交換器，它可在熱交換器的整個長度上保持更為一致的氣態(tài)-液態(tài)致冷劑關(guān)系。
本發(fā)明的一個目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于省去多回路熱交換器所需要的分配器。
本發(fā)明的一個目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于在熱交換器整個長度上保持一個比傳統(tǒng)盤管更為一致的致冷效果。
本發(fā)明的一個目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于消除對致冷劑分配量的顧慮。
本發(fā)明的一個目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于提供一種帶有多個液體/蒸氣分離器的熱交換器。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，它可提供更均勻、更高的通過熱交換器的平均致冷劑速度，從而實(shí)現(xiàn)壓降便于處理的更高的傳熱。
本發(fā)明提供了一種串聯(lián)式熱交換器。該串聯(lián)式熱交換器包括從一入口延伸到一出口的一串聯(lián)通道和從該通道中分離出蒸氣的多個蒸氣液體分離器。
本發(fā)明還提供了一種在第一和第二流體之間交換熱量的方法，其中第一流體具有氣態(tài)和液態(tài)。該方法包括以下步驟將第一流體導(dǎo)入一封閉的通道；在第二流體與該封閉通道中液態(tài)的第一流體之間交換熱量；以及隨氣態(tài)形成而從該通道分離出氣態(tài)的第一流體。該方法可通過在分離步驟之前使第一流體膨脹而得到改進(jìn)。
本發(fā)明還提供了一種蒸氣液體分離器。該蒸氣液體分離器包括將一入口連接于一出口的一彎曲通道，其中入口豎向地位于出口的上方；以及一位于通道內(nèi)側(cè)的、高度介于入口和出口之間的中間蒸氣出口。
本發(fā)明還提供了一種改制具有多個U形彎頭的管狀熱交換器的方法。該方法包括以下步驟去掉選定的U形彎頭；以及用E形蒸氣液體分離器代替選定的U形彎頭。
附圖簡述

圖1表示一現(xiàn)有技術(shù)的連續(xù)長管型熱交換器。
圖2是圖1管子中的液體致冷劑圖表。
圖3表示一現(xiàn)有技術(shù)的多回路熱交換器。
圖4是將現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器與本發(fā)明的熱交換器相比較的方框圖。圖4A表示圖1的熱交換器，圖4B表示具有一附加回路的圖3的熱交換器，圖4C表示本發(fā)明的熱交換器。
圖5表示本發(fā)明的具有諸新型蒸氣液體分離器的熱交換器。
圖6表示一圖5的蒸氣液體分離器。
圖7表示圖6的蒸氣液體分離器的一較佳實(shí)施例。
附圖詳細(xì)描述圖1表示一現(xiàn)有技術(shù)的、具有一封閉的致冷劑通道12的熱交換器10。圖1的熱交換器10是一種單回路熱交換器，它具有五個彎路14、15、16、17和18以及四個分別連接于這五個彎路的U形彎頭19、20、21和22。熱交換器10還具有一入口24和一出口26。主要為液體致冷劑的兩相致冷劑進(jìn)入入口24并沿通道12的長度流動。該兩相致冷劑通過通道12壁與通道12外的流體交換熱量，從而在該過程中使致冷劑氣化。兩相致冷劑由陰影部分30表示，氣態(tài)致冷劑由通道12內(nèi)無陰影部分30的部分表示。隨著通道長度從入口24穿越到出口26，液體致冷劑的百分比含量降到了在出口26處沒有液體致冷劑存在、通道12中僅有氣態(tài)致冷劑的點(diǎn)。
這進(jìn)一步示于圖2中，該圖包含Y軸42上的液體致冷劑占總致冷劑的百分比與從X軸44上的入口24到出口26的距離之間關(guān)系的圖表40。在入口24處，液體致冷劑的百分比含量接近100％，如點(diǎn)46所示。點(diǎn)46處從100％下降通常可歸因于急驟蒸發(fā)。隨著經(jīng)過通道12的長度，越來越多的液體致冷劑吸熱并氣化，這由線48表示。在到達(dá)出口26之前，在一些點(diǎn)處通道12內(nèi)沒有液體致冷劑，如圖40上的點(diǎn)50所示，并且留下的氣態(tài)致冷劑被過熱。
圖3示出一現(xiàn)有技術(shù)的多回路熱交換器60。這里所示的三個回路僅僅是示例性的，如圖4B中所示，在任何具體的場合下可使用更多或更少的回路。熱交換器60具有一入口62、一出口64、三個回路66、68和70、一位于入口62與回路66、68、70之間的分配器72以及一位于回路66、68、70與出口64之間的出口歧管。
分配器72從入口62處接納流體，并試圖分開該流體以提供各回路66、68、70相同的致冷劑量。根據(jù)負(fù)載和流動條件，每條回路66、68、70中的致冷劑量可以、也可以不基本相同。分配器72由于需要在所有條件下都保持均勻的致冷劑分配量，因而其本身在設(shè)計、制造和安裝方面較為昂貴。
排出歧管74接納流出各回路66、68、70的致冷劑，將這些致冷劑混合并引導(dǎo)至出口64。出口歧管74與分配器72相比相對較為便宜，因?yàn)槠绻?4不要求在所有條件下均勻分配致冷劑。
圖4表示現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器10和60與本發(fā)明的熱交換器100之間的比較。圖4A表示呈具有一入口24和一出口26的單根長通道12形式的熱交換器10。圖4B表示具有一入口24、一出口26和四條由一分配器72供給并由一歧管74收集的回路66、68、70和76。圖4C表示本發(fā)明的具有一入口24和出口26以及一串聯(lián)熱交換通道102的熱交換器100。
沿串聯(lián)通道102間隔地設(shè)置的是液體蒸氣分離器104，它除去氣態(tài)致冷劑并將該氣態(tài)致冷劑通過管道105引導(dǎo)至一出口歧管106，然后引導(dǎo)至出口26。通道102在管子的整個長度上保持相對較恒定的兩相關(guān)系，同時省去了多回路熱交換器的分配器。這樣，本發(fā)明集現(xiàn)有技術(shù)熱交換器的優(yōu)點(diǎn)于一身，而避免了它們的缺點(diǎn)。
圖5更詳細(xì)地示出了本發(fā)明的熱交換器100。如圖所示，熱交換器100具有六條彎路110、112、114、116、118和120，但這僅僅是示例性的，對于任何具體的場合是可以變化的。在每組相鄰的彎路之間有一U形彎頭，包括位于彎路110和112之間的U形彎頭122、彎路112和114之間的U形彎頭124、彎路114和11 6之間的U形彎頭126、彎路116和118之間的U形彎頭128、彎路118和120之間的U形彎頭130。
在本發(fā)明中，用本發(fā)明的新型液體蒸氣分離器104代替選定的傳統(tǒng)U形彎頭。在圖5中，U形彎頭126和130經(jīng)這樣的改進(jìn)。注意，改制這些U形彎頭的方便性說明本發(fā)明可很容易地適用于對現(xiàn)有熱交換器的改制。
實(shí)際上，沿串聯(lián)通道102長度離得越遠(yuǎn)，分離器104的數(shù)量就越多，它們的間隔就越近。這是因?yàn)樵跓峤粨Q器入口24處的液體致冷劑百分比含量更大，并且液體致冷劑在氣化之前會吸收一些熱量。這在圖4C中清楚地示出，其中，分離器104間隔得越來越近，這與它們到熱交換器出口26的距離成正比，與它們離熱交換器入口24的距離成反比。圖5還例示出，包括彎路110、112和114的第一部分沒有分離器，而與第一部分具有相同長度的、包括彎路116、118和120的第二部分有分離器104。
圖6中更為詳細(xì)地示出了一液體蒸氣分離器104。每個蒸氣液體分離器104可考慮呈E形，如圖6所示。該蒸氣液體分離器104在E形頂臂的末端處具有一入口150，在E形中臂的末端處具有一蒸氣出口152，在E形底臂的末端處具有一兩相出口154。一U形通道156將入口150與兩相出口154相連，同時，蒸氣出口152位于從通道156離心方向上的內(nèi)側(cè)延伸出來的一延伸部分158上。分離器104如圖6所示那樣定向，使入口150設(shè)置在兩出口152、154上方，并使兩相出口154位于最下部位置。分離器104最好在同一平面內(nèi)，但也可改制成使各臂在不同平面內(nèi)。
在工作中，氣態(tài)和液態(tài)致冷劑進(jìn)入入口150，受重力作用而被向下拉，并因動量和離心力作用而被向外拉。密度較大的液態(tài)致冷劑被向外拋到最遠(yuǎn)處，從而使氣態(tài)致冷劑向內(nèi)移，其中至少一些氣態(tài)致冷劑通過蒸氣出口152流出。液態(tài)致冷劑和一些氣態(tài)致冷劑通過兩相出口154流出。這樣，分離器104在致冷劑沸騰時將氣態(tài)致冷劑除去，從而維持了兩相致冷劑。隨著蒸氣被除去，更多的致冷劑沸騰以代替它，因而多少降低了壓力并增加了致冷效果。與傳統(tǒng)的多回路盤管一樣，致冷劑蒸氣的百分比含量在通過熱交換器100時仍會從約10％到100％變化。采用串聯(lián)式熱交換器100的不同在于平均百分比含量保持更低(更多液體)。由于大部分熱容量與液體相關(guān)，而大部分壓降與蒸氣相關(guān)，因而液體多是好事。
如果引導(dǎo)至分離器入口150的管道如彎路114具有螺旋形的肋條、槽等，則兩相致冷劑可以有類似于槍膛線所造成的自旋。在這種情況下，自旋可造成兩相致冷劑繞通道156而走“來復(fù)線”，如線162所示。這種自旋的致冷劑可能旋繞過進(jìn)口166而到達(dá)蒸氣出口152，從而使液態(tài)或兩相致冷劑流出。為防止液體或兩相致冷劑進(jìn)入延伸部分158，可圍繞進(jìn)口166而形成延伸部分158的一壩狀屏障164。該屏障164可通過焊接一銅管而形成，以使延伸部分158形成一部分管子突伸到通道156中，從而形成屏障164?；蛘?，可將材料焊接或用其它方法固定到通道156上而形成屏障164。
圖7表示圖6蒸氣液體分離器104的一較佳實(shí)施例，其標(biāo)號相同。用U形彎頭126處的蒸氣液體分離器104來最為清楚地表示其與彎路114和116之間的關(guān)系。在分離器104的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)兩相流體保持其環(huán)形流動模式的趨向有時對于離心力來說太強(qiáng)而很難被克服。為克服環(huán)形流動模式，U形通道156的直徑制成大于與入口150和出口154相連的彎路114、116的直徑。主要意義是在入口150處，進(jìn)入的兩相致冷劑中蒸氣的快速膨脹克服了環(huán)形流動模式而允許離心力將大部分液體拉到彎部的外側(cè)。或者，可采用某種形式的紊流器。
雖然本發(fā)明因?yàn)檎舭l(fā)器中蒸氣去除是一個問題而尤其適用于蒸發(fā)器，但本發(fā)明也適用于將蒸氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的冷凝器。當(dāng)將蒸氣液體分離器104用于冷凝器時，使兩相流體反向流動，從出口154進(jìn)入和從入口150流出。而且，將蒸氣注入形成E形的中央腿部的出口152?；旧鲜菍D4C的布置反過來，使接頭26用作入口，接頭24用作出口。連續(xù)地加入蒸氣以代替冷凝成液體致冷劑的蒸氣，使熱交換器100整個長度上的冷凝保持充分恒定。
以上所描述的是一種獨(dú)特而新穎的、具有多個液體蒸氣分離器的串聯(lián)式熱交換器。在該熱交換器中，可維持兩相流體的量，同時避免了多回路熱交換器中所使用的分配器的難點(diǎn)。可以預(yù)計到，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以以各種不同的方式來改進(jìn)本發(fā)明。例如，當(dāng)將出口154設(shè)置在底側(cè)而借助重力時，分離器100工作情況最好，但在克服重力工作時仍會產(chǎn)生良好的分離。如果出現(xiàn)一“反引力”場合，則可通過將其變?yōu)轭愃啤皢位煽谇佟毙螤顏砀倪M(jìn)E形，使入口150在底側(cè)，兩相出口154在頂側(cè)。另外，串聯(lián)通道最好具有圓形截面，但也可改制成橢圓形、方形或其它形狀的截面。分離器的形狀可通過重新排列E形諸臂的位置來進(jìn)行明顯改制，也可通過將諸臂制成不同長度或位于不同平面內(nèi)來進(jìn)行改制。此類變化可造成一種螺絲錐型的分離器，使蒸氣從中部抽出。也可考慮其它修改。所有這些修改均應(yīng)落入所要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種熱交換器，包括從一熱交換器入口延伸到一熱交換器出口的一串聯(lián)通道和設(shè)置在該串聯(lián)通道中的、從該通道中分離出蒸氣的多個蒸氣液體分離器。
2．如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，這些蒸氣液體分離器呈E形。
3．如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，這些蒸氣液體分離器具有一兩相入口、一蒸氣出口和一兩相出口，兩相入口位于蒸氣出口上方，兩相出口位于蒸氣出口下方。
4．如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，該通道具有一無分離器的第一部分和一含分離器的第二部分，這兩個部分的長度基本相等。
5．如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，這些分離器與它們到熱交換器出口的距離成正比地間隔得越來越近。
6．如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，蒸氣入口具有一圍繞該入口的屏障。
7．如權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，它在兩相入口處具有蒸氣膨脹器。
8．如權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，這些分離器的形狀和位置制成在整個熱交換器上保持均勻的致冷效果。
9．如權(quán)利要求3所述的熱交換器，其特征在于，它在兩相入口處具有一蒸氣膨脹器。
10．如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，這些分離器與它們到熱交換器出口的距離成正比地間隔得越來越近。
11．如權(quán)利要求10所述的熱交換器，其特征在于，這些蒸氣液體分離器呈E形。
12．一種在第一和第二流體之間進(jìn)行熱交換的方法，其中該第一流體具有氣態(tài)和液態(tài)，該方法包括以下步驟將第一流體導(dǎo)入一封閉的通道；在第二流體與該封閉通道中液態(tài)的第一流體之間交換熱量；以及隨氣態(tài)形成而從該通道分離出氣態(tài)的第一流體。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，分離步驟包括將蒸氣從第一流體中分離，將該蒸氣引導(dǎo)至一蒸氣出口，以及將液態(tài)的第一流體引導(dǎo)至一第一流體出口。
14．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在分離步驟之前還包括使第一流體膨脹的步驟。
15．如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括在第一流體的通路中提供屏障的步驟。
16．一種蒸氣液體分離器，包括將一入口連接于一出口的一彎曲通道，其中入口豎向地位于出口的上方；以及一位于通道內(nèi)側(cè)的、高度介于入口和出口之間的中間蒸氣出口。
17．如權(quán)利要求16所述的蒸氣液體分離器，其特征在于，入口的直徑小于彎曲通道的直徑。
18．如權(quán)利要求17所述的蒸氣液體分離器，其特征在于，在彎曲通道中還具有一圍繞中間蒸氣出口的屏障。
19．如權(quán)利要求16所述的蒸氣液體分離器，其特征在于，在彎曲通道中還具有一圍繞中間蒸氣出口的屏障。
20．一種改制具有多個U形彎頭的管狀熱交換器的方法，該方法包括以下步驟去掉選定的U形彎頭；以及用E形蒸氣液體分離器代替選定的U形彎頭。
全文摘要
一種串聯(lián)式熱交換器(100)。該熱交換器(100)包括從一入口(24)延伸到一出口(106)的一串聯(lián)通道(102)和從該通道中分離出蒸氣的多個蒸氣液體分離器(104)。
文檔編號F28C3/08GK1230250SQ97197835
公開日1999年9月29日 申請日期1997年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月13日
發(fā)明者S·S·漢考克 申請人:美國標(biāo)準(zhǔn)公司