專利名稱：具有呈串聯(lián)逆流布置的雙通路熱交換器的雙回路冷卻器的制作方法
具有呈串聯(lián)逆流布置的雙通路熱交換器的雙回路冷卻器
背景技術(shù)：
本發(fā)明大體涉及水冷式冷卻器，且更具體地，涉及呈串聯(lián)逆流布 置的兩個蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的互連。
串聯(lián)逆流布置的水冷式冷卻器包括兩個獨立的蒸汽壓縮制冷系 統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)具有對兩種回路來說^^共的且串聯(lián)地布置的冷卻水回 路和冷凝器水回路。因為具有串聯(lián)逆流的分開的回路在蒸發(fā)器和冷凝 器之間具有更低的平均壓差，所以這種布置允許比單制冷回路設(shè)計更
高的性能系數(shù)(COP),從而需要更少的能量來將制冷劑從蒸發(fā)器壓縮
到冷凝器。
在這種系統(tǒng)中，蒸發(fā)器和冷凝器各自中的水流過跨過兩個制冷回 路的多個管道，其中制冷回路^皮位于管道的中間處的管^1分開，且各 個管道通常通過使管道向管板擴張而封閉地密封到管板上。
出現(xiàn)的 一個問題是對管道進行維護的問題(例如如果管道在運行 中出現(xiàn)故障時可能需要的)。管道的這種移除需要在管道已經(jīng)擴張的所 有位置處切割管道，然后拉出管道。不可能完全移除管道，因為不能 接近以切割在制冷劑邊界內(nèi)的中心管板位置處的管道。如果從內(nèi)部切 割管道，或者如果管道在運行中出現(xiàn)故障，則會在回路之間產(chǎn)生不允
許任何一個回路運行的泄漏路徑，^v而不利地影響可靠性和可維護性兩者。
雙回路系統(tǒng)的另一個問題是控制的問題。用于控制水冷式冷卻器 的關(guān)鍵參數(shù)是離開溫差的使用，離開溫差是離開熱交換器的水的溫度 和熱交換器內(nèi)的制冷劑溫度的差值。由于水管3爭過雙系統(tǒng)中的兩個制 冷劑回路，所以不可能獲得上游回路的冷凝器或蒸發(fā)器的離開水溫。
除了上述可維護性和控制之外，跨過雙回3各的現(xiàn)有才支術(shù)熱交換器管道還引起可靠性、可接近性、運輸和性能的問題。也就是說，因為 公共的管道延伸越過兩個回路，所以不可能獨立地優(yōu)化各個回路中的 熱傳遞管道，而且由于更長的管道引起的更長的機器運輸也是困難 的。
具有雙水通路布置是合乎需要的，其中，可以在冷卻器上的相同 位置上形成進入水連接和離開水連接，從而允許在非連^妄端上接近致 冷器和冷凝器的管板，而不需要為了清潔或替換管道而將通向冷卻器 的水管移除。同樣，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，對于在保持固定數(shù)量的 熱交換器管道的同時在熱交換器管道中獲得更高的水速而言，雙通路 布置可以是合乎需要的。本發(fā)明通過新型機械布置和水箱設(shè)計而允許 有帶有串聯(lián)逆流布置的雙通^^熱交換器。

發(fā)明內(nèi)容
簡單地講，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，各個回路具有^吏制冷回路與 致冷介質(zhì)分開的唯一的管板。在各個回路之間的是將水/人上游回路傳 到下游回路的中間水箱。水箱可以移除以便于維護，且能夠以更短的 長度要求來分開運輸元件。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，由于各個回路具有其分開且唯一的管
路徑，使得可以保持無故障回路的運行，從而提高可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，由于可從外面"^妄近中間水箱，所以可 以安裝溫度測量儀器，以獲得上游回路的離開溫差，從而提供對系統(tǒng) 更好的控制。
根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，在致冷器和冷凝器兩者中進行供應(yīng)， 以便在中間水箱上的同 一位置處形成進入水連接和離開水連接，從而 大大地有利于接近中間水箱。
按照本發(fā)明的另 一個方面，致冷器中間水箱和冷凝器中間水箱中 的每一個都具有三個分開的通道，且進入水方向和離開水方向在相應(yīng)的致冷器水箱和冷凝器水箱中相反，從而使得相應(yīng)的流成串聯(lián)逆流布 置。
在以下所述的附圖中描繪了一個優(yōu)選實施例；然而，可以對其係: 出各種其它修改和備選構(gòu)造而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
附圖簡迷


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的單回路冷卻器中的溫度的示意性說明。 圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙回路冷卻器中的溫度的示意性說明。 圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙回路冷卻器的冷凝器和蒸發(fā)器的示意性 說明。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的雙回路冷卻器系統(tǒng)的示意性說明。
圖5是本發(fā)明的一個方面的雙回路系統(tǒng)中的冷凝器和蒸發(fā)器的示 意性說明。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的雙回路系統(tǒng)的水箱部分的示意性 說明。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的雙回路系統(tǒng)的水箱部分的透視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的雙回路系統(tǒng)的水箱部分的端視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的水箱布置的示意性說明。 圖10是其進一步說明，以顯示其流動方向和關(guān)系。
具體實施例方式
圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)中典型的單回路冷卻器的冷凝器11和致冷 器或蒸發(fā)器12。如圖所示，冷凝器水和蒸發(fā)器水以逆流關(guān)系流動，且 引起的進入和離開冷凝器和蒸發(fā)器的溫度如圖所示。
為了獲得提高的COP,如圖2所示，雙回路以串聯(lián)逆流布置連接。
7此處，如圖所示，兩個獨立的蒸汽壓縮制冷回路13和14由中間管板 15連接。第一回路13具有冷凝器16和蒸發(fā)器17，且第二回路14具 有其自己的冷凝器18和蒸發(fā)器19。然而，冷凝器16和1S的冷凝器 水回路對兩個回路是公共的且串聯(lián)地布置。同樣，蒸發(fā)器17和19的 冷卻水回路對兩個回路是公共的且串聯(lián)地布置。參照圖3可以最佳地 了解這一點。
在圖3中將了解，冷凝器管道21很長且跨過回路13的冷凝器16 和回路14的冷凝器18其中各個冷凝器的長度。雖然中間管板15隔 離和分開了相應(yīng)的回路13和14中的制冷劑，^f旦是經(jīng)過冷凝器管道21 的水流從冷凝器16的進口到冷凝器18的出口是連續(xù)的。
類似地，蒸發(fā)器管道22是延伸越過回路13和14兩者的一體式 部件，中間管板僅為系統(tǒng)13和14中的制冷劑4是供隔離，但允許蒸發(fā) 器水連續(xù)地從蒸發(fā)器19的入口端流到蒸發(fā)器17的出口端。
串聯(lián)逆流效用通過使熱交換器分成兩個隔開的回路來實現(xiàn)。對于 典型的制冷劑熱交換器，致冷器和冷凝器的飽和條件是來自各個回路 的離開水溫的函數(shù)。如圖2所示，對于單回路冷卻器，致冷器和冷凝 器的典型的離開水溫將分別為44F和95F。高效的水/制冷劑熱交換器 將在離開水和制冷劑之間具有約1華氏度的溫差，或LTD，從而在單 回路情況下，在致冷器中，飽和溫度將為43F，且在冷凝器中將為96F， 見圖1。所產(chǎn)生的提升就是該差值，或53華氏度。在各個回路中都具 有等效制冷效用的兩回路設(shè)計中，兩個回路中間的水溫大約為進入溫 度和離開溫度的平均數(shù)。在以上的圖2的實例中，致冷器回路和冷凝 器回路之間的溫度分別將是49F和90F。對于典型的熱交換器LTD， 則兩個致冷器回路的飽和條件將是大約48F和43F，且兩個冷凝器的 飽和條件將是大約96F和91F。對于串聯(lián)逆流-沒計，致冷器和冷^:器 水從相反端進入，因此致冷器回路和冷凝器回^各是成對的，從而使得 更高飽和度的致冷器與具有更高飽和溫度的冷凝器在同一回路上，且 兩個更低飽和度的熱交換器是成對的。結(jié)果是，各個制冷劑回路都具有相同的溫升，且各個回路的溫升小于單回路設(shè)計。在以上所述的實
例中，單回路溫升是53華氏度，且串聯(lián)逆流溫升是48華氏度。串聯(lián) 逆流布置具有大約小10%的溫升，從而具有更高的系統(tǒng)^:率。
如上所述，具有跨過兩個回路的熱交換器管道的這種雙回路系統(tǒng) 提出了關(guān)于維護、可靠性、運輸、性能、控制和可接近性的問題。
現(xiàn)參照圖4，顯示了克服上述問題的系統(tǒng)。第一回路23包括冷凝 器24、膨脹裝置26、蒸發(fā)器27和壓縮器28,它們以眾所周知的方式 以串聯(lián)流動關(guān)系運行。第二回路29包括冷凝器31、膨脹裝置32、蒸 發(fā)器33和壓縮器34，它們也以串聯(lián)流動關(guān)系連接，并且以眾所周知 的方式運行。兩個回路23和29以類似于圖3所示的方式互連，但卻 在兩個回路之間的接口處有不同的結(jié)構(gòu)，且關(guān)于冷凝器和蒸發(fā)器兩者
內(nèi)的管道有不同的結(jié)構(gòu)。
如圖4和5所示，兩個蒸發(fā)器27和33之間的中間位置處有蒸發(fā) 器水箱36,且兩個冷凝器24和31之間的中間位置處有冷凝器水箱 37。另外，不像以上所述的系統(tǒng)(在該系統(tǒng)中，管道是延伸越過兩個回 路的一體式管道)，回路1的冷凝器管道38是分開的，并且獨立于回 路2的冷凝器管道39，而且回路l中的蒸發(fā)器管道41是分開的且與 回路2的蒸發(fā)器管道42不同。也就是說，冷凝器管道38流體地連接 到水箱36的一側(cè)上，且冷凝器管道39流體地連接到水箱36的另一 側(cè)上。類似地，蒸發(fā)器管道41流體地連接到水箱37的一側(cè)上，且蒸 發(fā)器管道42流體地連接到水箱37的另一側(cè)上。因此，當水經(jīng)過第一 回路23和第二回路29之間時，水箱36和37充當水的中間容器。
上迷設(shè)計的優(yōu)點有很多。首先，不具有較長的一體式管道，而是 管道且因此制冷回路大體僅有約 一半長，并且可以更容易地處理及運 輸?shù)侥骋坏攸c，管道且因此制冷回路獨立于水箱且可以與水箱分開。 其次，由于管道是獨立的，所以它們可以構(gòu)造成以便優(yōu)化各個回路中 的性能。也就是說，除了各個回路中的管道的長度變化之外，第二回 路內(nèi)的管道的數(shù)量可以與第一回路中的管道的數(shù)量不同，如圖5所示，而且可以做出其它改變，例如不同的管道材料或不同的熱傳遞增強。 這允許設(shè)計者優(yōu)化各個回路的期望的能力、效率、壓降或成本。
通過參照圖6可以了解本系統(tǒng)的其它優(yōu)點。因為來自上游管道的
水沿著水箱36(或者在蒸發(fā)器的情況下是水箱37)的一側(cè)排出，這傾向
于在水箱內(nèi)引起紊流，從而使得單獨的流動流混合，使得水箱在水進 入下游回路的管道之前變成具有相對一致的溫度的水的儲器。這種混
合對熱傳遞效用是有益的，從而提高整個系統(tǒng)的COP提高。
通過使用所述水箱36,現(xiàn)在可以從外面沖妄近中間水箱36,而且
溫度測量儀器43可以容易地用于獲得上游熱交^:器的離開溫差，從
而提供對系統(tǒng)的改進控制。
使用所述水箱的另 一個優(yōu)點是有利于維護和修理的優(yōu)點。也就是
說，由于水箱以允許移除水箱的方式附接到管道回路上，所以如將在
而顯著地改進了可維護性。另外，由于任何一個回路中的管道故障都 不會對相鄰回路產(chǎn)生制冷劑泄漏路徑，所以顯著地提高了系統(tǒng)的可靠 性。
現(xiàn)參照圖7和8，顯示了中間水箱和相鄰回路的結(jié)構(gòu)性接口。如 圖所示，中間水箱44包括較短的圓柱體，該圓柱體具有從一端47到 另一端縱向地形成的多個孔46,以用于接收穿過相應(yīng)的管板49和51 的螺栓48。因此，水箱44^f皮夾在相應(yīng)的回路的管板49和51之間， 而且可以通過移除螺栓48來輕易地拆卸水箱44，以便為了修理目的 而在回路之間的管板處接近管道。因此將認識到，回路中的每一個都 是獨立的，且可以接近中間管道到管板的接頭，而不干擾任何一個回 路的制冷劑邊界。
雖然在圖7和8中顯示了水箱44的長度相對較短(即約4英寸)， 但是在保持處于本發(fā)明的范圍內(nèi)的同時可以顯著地改變水箱的構(gòu)造、 尺寸和形狀。另外，雖然按照與水冷式冷卻器一起使用來描述，但是 本發(fā)明還可以應(yīng)用于氣冷式冷卻器，其中串聯(lián)連接的回路的蒸發(fā)器通過中間水箱結(jié)構(gòu)而互連。
以上所述的本發(fā)明的實施例僅與單通路熱交換器關(guān)系有關(guān)。為了 獲得雙通路布置，如圖9和10所示以及如現(xiàn)在將描述的，必須較大 地修改中間水箱和各種離開連接和進入連接。
不具有單次通過熱交換器的管道，而是回路#1和#2(52和53)中的 每一個分別使其熱交換器布置成使得流體兩次通過熱交換器中的每 一個。也就是說，不是如以上所述的那樣水在致冷器和冷凝器的一端 處進入，而是水分別進入和離開中間水箱54和56,且然后在離開相 應(yīng)的水箱之前經(jīng)過熱交換器中的各個兩次。為了使這種情況出現(xiàn)，熱 交換器中的每一個都必須通過回轉(zhuǎn)彎頭使其管道在其端部處互連。因 此，在回路組和#2的冷凝器57內(nèi)，熱交換器58具有回轉(zhuǎn)彎頭59, 且熱交換器61具有回轉(zhuǎn)彎頭62。類似地，在致冷器63中，熱交換器 64具有回轉(zhuǎn)彎頭66,且熱交換器67具有回轉(zhuǎn)彎頭68。
現(xiàn)將參照圖IO描述水進入和離開回路的方式。如圖所示，致冷 器回路63的中間水箱56 ^皮分成三個通道69、 71和72。進入水流入 通道69中，然后流向熱交換器67,此處水首先經(jīng)過通路l、回轉(zhuǎn)彎 頭68,且然后經(jīng)過通路2，之后其進入水箱56中的通道71。然后水 進入熱交換器64中，首先經(jīng)過通路l，然后經(jīng)過回轉(zhuǎn)彎頭66,且然 后經(jīng)過通路2，之后其進入水箱56的通道72且然后離開致冷器。
在冷凝器57中，水流入中間水箱54中且然后沿著與從水箱56 流向熱交換器67的水相反的方向流動(即流向熱交換器58),此處水首 先經(jīng)過第一通路，然后經(jīng)過回轉(zhuǎn)彎頭59,且然后返回而經(jīng)過第二通3各， 此后其進入水箱54的中間通道中。注意，流動的方向與水箱56的中 間通道71中的流動方向相反。然后水進入熱交^灸器61中，首先流動 經(jīng)過第一通路，然后經(jīng)過回轉(zhuǎn)彎頭62，且然后在水進入水箱54之前 經(jīng)過第二通路，然后水從水箱54中離開。
因此將了解，通過使用中間水箱54和56以及冷凝器57和致冷 器63其中各個中的選擇性的流動方向而獲得了雙通路串聯(lián)逆流布置。
ii另外，中間水箱54和56中的每一個中的用于進入水和離開水的互連 共同位于水箱本身上，從而有利于容易地接近水箱。
權(quán)利要求
1.一種具有第一制冷回路和第二制冷回路的類型的冷卻器系統(tǒng)，其中各個制冷回路具有壓縮器、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器，且所述第一回路和所述第二回路中的相應(yīng)的蒸發(fā)器具有用以引導待冷卻的流體的流動的多個管道，且所述第一回路和所述第二回路的所述相應(yīng)的蒸發(fā)器以串聯(lián)關(guān)系互連，使得所述待冷卻的流體連續(xù)地經(jīng)過所述第一回路和所述第二回路的所述相應(yīng)的蒸發(fā)器，所述冷卻器系統(tǒng)包括蒸發(fā)器水箱，其互連于所述第一回路的蒸發(fā)器和所述第二回路的蒸發(fā)器之間且在其中具有至少三個通道，其中第一通道具有水入口連接且第二通道具有水出口連接；所述第一回路的蒸發(fā)器和所述第二回路的蒸發(fā)器其中各個均具有在其端部處通過回轉(zhuǎn)彎頭互連的第一通路管道和第二通路管道；使得水流入所述第一通道中，且然后流入所述第一回路的蒸發(fā)器和所述第二回路的蒸發(fā)器其中一個中，連續(xù)地流過所述第一通路、所述回轉(zhuǎn)彎頭且流過所述第二通路，然后在流過所述其它蒸發(fā)器之前流入所述蒸發(fā)器水箱的第三通道中，且連續(xù)地流過所述第一通路、所述回轉(zhuǎn)彎頭并流過所述第二通路，且然后流入所述第二通道中并流出所述水出口連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一 回路和所述第二回路中的相應(yīng)的冷凝器具有用以引導待冷卻的流體 的流動的多個管道，且所述第 一 回^各和第二回3各中的所述相應(yīng)的冷凝 器以串聯(lián)關(guān)系互連，使得所述待冷卻的流體連續(xù)地經(jīng)過所述第一回路 和所述第二回路的所述相應(yīng)的蒸發(fā)器；冷凝器水箱，其互連于所述笫一回路的冷凝器和所述第二回路的 冷凝器之間且在其中具有至少三個通道，其中第 一通道具有水入口連 接且第二通道具有水出口連接；所述第一回路的冷凝器和所述第二回路的冷凝器其中各個都具有在其端部處通過回轉(zhuǎn)彎頭互連的第一通路管道和第二通路管道；使得水流入所述第一通道中且然后流入所述第一回路的冷凝器 或所述第二回路的冷凝器的其中 一個中，連續(xù)地流過所述第 一通路、 所述回轉(zhuǎn)彎頭并流過所述第二通路，且然后在流向所述其它冷凝器之 前流入所述冷凝器水箱的第三通道中，連續(xù)地流過所述第一通路、所 述回轉(zhuǎn)彎頭并流過所述第二通路，且然后流入通向所述水出口連接的 所述冷凝器水箱的所述第二通道中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻器系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝 器水箱和所述蒸發(fā)器水箱以這樣的方式連接使得所述相應(yīng)的冷凝器 和蒸發(fā)器的所述第三通道中的流呈相反的方向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的冷卻器系統(tǒng)，其特征在于，從所述蒸 發(fā)器水箱流向所述蒸發(fā)器其中之一的水的方向與從所述冷凝器水箱 流向所述冷凝器其中之一的水流的方向相反。
5. —種雙回路冷卻器，包括具有壓縮器、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器的第一回路，其中所述 蒸發(fā)器具有至少 一個管道，以用于引導待冷卻的水從入口端到回轉(zhuǎn)彎 頭并返回到所述管道的出口端的流動；具有壓縮器、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器的第二回路，其中所述 蒸發(fā)器具有至少 一個管道，以用于引導待冷卻的水從入口端到回轉(zhuǎn)彎 頭并返回到所述管道的出口端的流動；以及具有入口流開口和出口流開口 、且以流體的方式互連于所述第一 回路管道入口端和出口端與所述第二回路管道入口端和出口端之間 的蒸發(fā)器水箱，使得待冷卻的水流入所述蒸發(fā)器水箱中，流過所述第 一回路管道，流回所述蒸發(fā)器水箱中，流過所述笫二回路管道，流回 所述蒸發(fā)器水箱中且然后流出所述出口流開口 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙回路冷卻器，其特征在于，所述雙 回路冷卻器包括所述第一回路冷凝器和所述第二回路冷凝器中的每一個，所述第一回路冷凝器和所述第二回路冷凝器中的每一個具有至少一個管道，以用于引導待冷卻的水從入口到回轉(zhuǎn)彎頭并返回到所述管道的出口 端的;荒動；冷凝器水箱，其具有入口流開口和出口流開口且以流體的方式互 連于所述第 一管道入口端和出口端及所述第二回3各管道入口端和出 口端之間，使得待冷卻的水流入所述冷卻器水箱中，流過所述第二回 路管道，流回所述冷凝器水箱中，流過所述第一回路管道，且流回所 述冷凝器水箱中，且然后流出所述出口流開口。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙回路冷卻器，其特征在于，所述蒸 發(fā)器水箱和所述冷凝器水箱中的每一個都具有形成于其中的三個通 道，其中第一通道具有所述入口流開口 ，第二通道具有所述出口流開 口 ，且第三通道用于以流體的方式連接所述兩個蒸發(fā)器/冷凝器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻器系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝 器水箱和所述蒸發(fā)器水箱以這樣的方式連接使得所述相應(yīng)的冷凝器 和蒸發(fā)器的所述第三通道中的相應(yīng)的流呈相反的方向。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻器系統(tǒng)，其特征在于，從所述蒸 發(fā)器水箱流向所述第 一 回路管道的水的方向與從所述冷凝器水箱流 向所述第二回路管道的水流方向相反。
全文摘要
雙制冷回路、水冷式冷卻器使其各個蒸發(fā)器和冷凝器由水箱互連，各個水箱具有入口流連接和出口流連接，且三個通道與第一回路和第二回路的相應(yīng)的蒸發(fā)器/冷凝器互連，且冷凝器/蒸發(fā)器中的每一個在其端部處都具有回轉(zhuǎn)彎頭，以提供雙通路流動布置。冷凝器水箱中的流進入第一通道中，然后沿一個方向流向一個回路的冷凝器，而進入蒸發(fā)器水箱中的流進入第一通道中，然后沿相反的方向流向回路蒸發(fā)器其中之一。這樣，就實現(xiàn)了具有兩個水通路的串聯(lián)逆流布置。
文檔編號F25B7/00GK101617181SQ200680056510
公開日2009年12月30日 申請日期2006年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月10日
發(fā)明者M·A·斯塔克, S·M·麥貝恩 申請人:開利公司