UA121423C2 - Теплообмінник - Google Patents

Abstract

Пропонується теплообмінник, що містить посудину для зберігання холодильного агента, посудину, яка має камеру, обмежену поверхнею стінки посудини, при цьому посудина містить впускний отвір і випускний отвір для транспортування холодильного агента в камеру та з камери. Принаймні одна частина трубки знаходиться всередині камери для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або із трубної частини крізь перший і другий отвори. Принаймні одна трубна частина має середній діаметр. Камера містить простір для флюїду, причому вказаний простір має об'єм, причому принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню, що контактує з простором для флюїду, при цьому вказана поверхня має площу. Об'єм, поділений на добуток площі та середній діаметр, менше або дорівнює константі.

Description

Галузь винаходу

Винахід стосується теплообмінника. Зокрема, винахід стосується теплообмінника для охолодження флюїду. Винахід також стосується системи охолодження, що включає теплообмінник, який має функцію випарника.

Попередній рівень техніки

Охолоджувач флюїду можна використовувати для охолодження рідини, наприклад, води, споживчої рідини, такої як лимонад або пиво, або іншого флюїду. Такі охолоджувачі флюїду широко застосовують у промисловості, побутовій техніці, питних закладах, ресторанах, наприклад, ресторанах швидкого харчування, харчовій промисловості тощо. Часто флюїд, що охолоджується охолоджувачем флюїду, повинен подаватись, наприклад, у склі. Як відомо у даній галузі промисловості використовують охолоджувачі флюїду, що мають холодильну посудину, що містить трубку з холодильним агентом, який проходить через внутрішню частину холодильної посудини. Таким чином, рідина, що охолоджує, така як вода, може знаходитися всередині холодильної посудини; а холодильний агент, що протікає через трубку, може охолоджувати воду. Придатну для споживання рідину можна подавати через іншу трубку, яка занурена у охолоджену воду. Проте, зазвичай, такого роду охолоджувачі флюїду мають великі розміри, тому вони займають великий простір у використовуваних установах. Ще один недолік цих охолоджувачів флюїду полягає в тому, що вони енергетично неефективні.

Загалом, теплообмінники, як відомо, використовуються в холодильних системах. Однак, існує потреба у вдосконаленому теплообміннику.

У патенті ОР 1247580 описано холодильну систему, що включає компресор, конденсатор, флюїдну лінію та охолоджуючий блок, причому охолоджуючий блок включає кільцеву холодильну камеру, що містить холодильний агент.

У патенті ОЕ 10 2012 204057 також описано теплообмінник, що містить порожнину, яка заповнюється холодильним агентом, що виходить з випарника для регулювання температури холодильного агенту перед тим, як направити його в конденсатор.

Стислий опис винаходу

Один із аспектів винаходу полягає у забезпеченні компактного теплообмінника, який є ефективним та/або потребує лише обмеженої кількості холодильного агенту.

Один аспект винаходу полягає у забезпеченні теплообмінника, що містить: посудину для холодильного агенту, посудину, що має камеру, обмежену поверхнею стінки посудини, впускний отвір та випускний отвір для транспортування холодильного агенту в камеру та із камери; принаймні одну трубку, в якій, принаймні, одна частина трубки знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору стінки посудини, а другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору посудини для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або із трубної частини через перший отвір і другий отвір, де вказана принаймні одна трубна частина має середній діаметр; причому камера містить простір для холодильного агенту, при цьому вказаний простір має об'єм, причому принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню, що контактує з простором для флюїду, при цьому вказана поверхня має площу; причому об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,15. Це рівнозначно твердженню, що вказаний об'єм, який може бути заповнений холодильним агентом, дорівнює або менше у 0,6 рази об'єму, визначеного вказаною трубною частиною.

Цей теплообмінник може мати відносно велику потужність теплообміну, одночасно потребує значно меншої кількості холодильного агенту, який необхідний, наприклад, у системі охолодження. Принаймні одна трубна частина всередині камери може включати ряд суміжних трубних сегментів. Суміжні трубні сегменти можуть бути визначені як сегменти труб, зовнішні поверхні яких знаходяться одна навпроти іншої.

Переважно, об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,1. Більш переважно, об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,08. Це допомагає зменшити кількість холодильного агенту та/або збільшити холодопродуктивність.

Принаймні одна трубна частина всередині камери може містити декілька суміжних трубних сегментів, при цьому суміжні трубні сегменти розташовані відносно один до одного з проміжком між парою суміжних трубних сегментів не більше 2 міліметрів, переважно не більше ніж 1 міліметр, переважно не більше 0,5 міліметра. Це допомагає зменшити кількість холодильного агенту та/або збільшити холодопродуктивність ще більше. бо Принаймні одна трубна частина всередині камери може включати декілька суміжних трубних сегментів, причому суміжні трубні сегменти утворюють гексагональну мозаїку в поперечному перерізі камери. Гексагональна мозаїка є підходящою структурою для отримання компактного теплообмінника. Альтернативно, суміжні трубні сегменти можуть бути розташовані у вигляді прямокутної сітки або мати іншу відповідну форму.

Декілька суміжних трубних сегментів гексагональної мозаїки можуть бути розташовані рядами, при цьому кожен ряд складається з кількох обмоток, кількість яких в будь-якому ряді відрізняється по відношенню до кожного суміжного ряду на одну обмотку, причому, якщо розглядати послідовні ряди, то кількість обмоток монотонно збільшується або зменшується, або спочатку збільшується, а потім зменшується. Це забезпечує компактний контур розташування трубних сегментів.

Принаймні одна трубна частина може бути розташована в декількох обмотках навколо стінової частини вказаної посудини та навколо області, зовнішньої до камери. Це може забезпечити камеру з невеликим об'ємом, тоді як трубка не потребує різких поворотів. Вказана зовнішня область може утворювати поглиблення, що проникає в камеру і межує з вказаною стіновою частиною стінки посудини.

Камера може мати форму тороїду. Тороїд може бути сформований, наприклад, шестикутником або чотирикутником. Шестикутник або чотирикутник може мати закруглені кути, що відповідають контуру трубки.

Якщо брати ширше, загальна форма камери може мати форму зв'язаної орієнтованої поверхні з родом 0, 1, 2,..., де рід, що дорівнює 1, визначає тороїд. Род зв'язаної, орієнтованої поверхні є цілим числом, що представляє максимальну кількість відрізків вздовж непересічних замкнутих простих кривих, без зображення не зв'язаного результуючого різноманіття. Однак, хоча тороїдна форма є переважною, винахід не обмежується певним типом поверхні.

Відстань між центральною віссю трубки у двох суміжних обмотках, помножена на половину квадратного кореня з трьох, може бути менше, ніж зовнішній діаметр трубки. Це визначає компактну гексагональну мозаїку.

Відстань від поверхні стінки посудини до окружності першого сегмента принаймні однієї трубної частини, суміжної до поверхні, може бути, по суті, рівною відстані між цією окружністю та окружністю другого сегмента принаймні однієї трубної частини, що примикає до першого

Зо сегменту.

Простір для флюїду може містити пропан як холодильний агент. Компактна конструкція означає, що потрібна лише невелика кількість пропану. Таким чином, запропонований теплообмінник здатний задовольнити суворі екологічні правила та/або правила безпеки.

Посудина може додатково включати корпус, а стінка посудини може бути вкладена в корпус, де корпус сконструйовано з можливістю зміцніти стінки посудини, враховуючи різницю тиску між камерою та середовищем теплообмінника. Корпус може мати форму тороїду.

Теплообмінник може бути частиною системи, яка додатково включає компресор, конденсатор і розширювальний клапан, причому компресор, конденсатор, розширювальний клапан та теплообмінник знаходяться в комунікації по флюїду, причому впускний отвір приєднаний по флюїду до розширювального клапану і випускний отвір приєднаний по флюїду до компресору.

Згідно з іншим аспектом винаходу пропонується спосіб охолодження флюїду. Спосіб включає: забезпечення компресора, конденсатора, розширювального клапана і випарника, в комунікації по флюїду для створення холодильного циклу, причому випарник включає теплообмінник, та теплообмінник включає посудину, при цьому посудина має камеру, що обмежена поверхнею стінки посудини, та містить впускний отвір і випускний отвір для транспортування холодильного агенту в камеру та із камери, причому забезпечення компресора, конденсатора, розширювального клапана і випарника в комунікації по флюїду включає приєднання по флюїду впускного отвору посудини до розширювального клапана і приєднання по флюїду випускного отвору посудини до компресора; забезпечення принаймні однієї трубки, в якій принаймні одна частина трубки знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплено до першого отвору посудини, а другий кінець трубної частини прикріплено до другого отвору посудини для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або із трубної частини через перший отвір і другий отвір, причому вказана принаймні одна трубна частина має середній діаметр; забезпечення камери з простором для флюїду, при цьому вказаний простір має об'єм, причому принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню, що контактує з простором для флюїду, при цьому вказана поверхня має площу; 60 причому об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,15; при цьому спосіб додатково включає: керування компресором для циркуляції холодильного агенту через холодильний цикл, що включає простір для флюїду, і для протікання флюїду крізь трубну частину.

Фахівець у даній галузі зрозуміє, що функції, описані вище, можуть бути об'єднані в будь- який спосіб як корисні. Більш того, модифікації та варіанти, описані щодо теплообмінника або системи охолодження, також можуть бути застосовані до способу, а модифікації та варіанти, описані для цього способу, також можна застосовувати до теплообмінника або системи охолодження.

Короткий опис креслень

У подальшому аспекти винаходу будуть висвітлюватися за допомогою прикладів з посиланням на креслення. Креслення схематичні, та виконані не в масштабі.

На Фіг. 1 показана система охолодження.

На Фіг. 2 зображений перспективний вигляд теплообмінника.

На Фіг. 3 показаний вигляд частково відкритого теплообмінника.

На Фіг. 4 зображений поперечний переріз частини теплообмінника.

На Фіг. 5 зображений вид зверху теплообмінника.

На Фіг. 6 зображений вид збоку теплообмінника.

На Фіг. 7 показана альтернативна система охолодження з частковим поперечним перерізом теплообмінника.

На Фіг. 8 показана альтернативна система охолодження з видом зверху теплообмінника.

На Фіг. 9 зображений поперечний переріз частини теплообмінника.

На Фіг. 10 зображений поперечний переріз ще одного теплообмінника.

На Фіг. 11 показана блок-схема способу охолодження рідини.

На Фіг. 12 зображений поперечний переріз другого прикладу теплообмінника.

На Фіг. 13 зображений перспективний вигляд другого прикладу теплообмінника.

На Фіг. 14 зображений поперечний переріз третього прикладу теплообмінника.

На Фіг. 15 показаний перспективний вигляд третього прикладу теплообмінника.

На Фіг. 16 показаний перспективний вигляд частково відкритого третього прикладу теплообмінника.

Детальний опис варіантів здійснення винаходу

У подальшому приклад реалізацій винаходу буде описано більш детально з посиланням на креслення. Однак далі буде зрозуміло, що деталі, описані тут, наведені лише як приклади, щоб допомогти зрозуміти винахід без обмежень об'єму його розкриття. Кваліфікований фахівець зможе знайти альтернативні варіанти здійснення винаходу в межах об'єму та сутності даного винаходу, як визначено в доданих пунктах формули винаходу та їх еквівалентах.

На Фіг 1 зображена схема системи охолодження, в якій холодильний агент може циркулювати у холодильному циклі. Система охолодження містить компресор 1, конденсатор 2, клапан 3, розширювальний пристрій 4 та випарник 14. Випарник показано у поперечному перерізі. Поперечний переріз відповідає поперечному перерізу 303 на Фіг. 3. Ці компоненти 1, 2,

З, 4, 14 флюїдно з'єднані для утворення холодильного циклу. Багато різних реалізацій компресора, конденсатора, клапана, розширювального пристрою та випарника відомі в даній галузі техніки. Наприклад, клапан З і розширювальний пристрій 4 можуть бути об'єднані за допомогою розширювального вентиля. Деякі аспекти винаходу стосуються випарника 5, який може бути включений в такий холодильний цикл системи охолодження. У подальшому випарник 14 буде описаний більш детально. Відзначимо, що на Фіг. 1, 7 і 8, компресор 1, конденсатор 2, клапан З та розширювальний пристрій 4 зображені як символи для позначення будь-якого відповідного пристрою, тоді як випарник 14 зображений більш детально, щоб ілюструвати аспекти певних варіантів здійснення випарника 14.

Як показано на Фіг. 1, випарник 14 включає посудину 5, що включає камеру 302, а камера 302 містить трубопровід 10, 301.

На Фіг. 2 показаний перспективний вигляд посудини 5, 201, що може виконувати роль випарника 14 у холодильному циклі. У цьому прикладі посудина має тороїдну форму.

Зображений тороїд є тороїдом, утвореним поворотом плоского шестикутника 401 (див. Фіг. 4) навколо осі (вільно зображено як поз. 202), зовнішнім до цього шестикутника 401, вісь якого паралельна площині шестикутника 401 і не перетинає шестикутник. Слід розуміти, що шестикутник може бути замінений іншими формами. Шестикутник 401 ілюструється на Фіг. 4. Як показано на Фіг. 4, шестикутник може мати закруглені кути. Закруглення кута шестикутника 401 може відповідати контуру трубної частини 402. бо На Фіїг. 2 і Фіг. З показана трубна частина 8, з'єднана з одним кінцем трубної частини 10, так щоб флюїд міг протікати через трубну частину 8 у трубну частину 10. Крім того, показана трубна частина 9, що з'єднана з іншим кінцем трубної частини 10, щоб флюїд міг протікати з трубної частини 10 у трубну частину 9. Відзначимо, що потік флюїду може бути зворотним, так що флюїд тече з трубної частини 9 у трубну частину 10, а потім у трубну частину 8.

На Фіг. З показаний частково відкритий вигляд однієї і тієї ж посудини 5, 201, що показана на

Фіг. 1 і 2. Камера 302 зображеної посудини 5, 201 має тороїдну форму, як описано вище. На кресленні показано, що камера 302 посудини 5, 201 щільно упакована трубкою 301. Трубка 301 намотана всередині камери 302 навколо вказаної осі 202 і, таким чином, навколо поглиблення у вказаній камері, причому поглиблення утворює зовнішню зону вказаної камери.

На Фіг. 4 знову показаний поперечний переріз, що відповідає частині 303 посудини 5, як показано на Фіг. 1, 2 і 3. Відзначимо, що трубки 12 і 11 для транспортування холодильного агенту не зображені на Фіг. 2, З та 4 для простоти. Як видно з креслення, камера 302 теплообмінника щільно упакована трубними обмотками 404. Ці обмотки можуть належати всі тій самій трубці. Альтернативно, в камері 302 знаходиться ряд трубок, і кожна обмотка належить до однієї з цих трубок.

У конкретному прикладі розміри розташування камери 302 та трубних обмоток 404 є наступними. Трубка або трубки можуть мати внутрішній діаметр 7 мм, зовнішній діаметр 8 мм, товщину стінки 0,5 мм. Відстань між будь-якими двома суміжними обмотками трубки може становити 8,5 мм, при вимірюванні від центральної осі до центральної осі трубки. Відстань від трубки до стінки посудини може становити 0,5 мм. Кількість обмоток може становити 27.

На Фіг. 5 зображений вид зверху камери, в якій обмотки не показані. На Фіг. б показаний вид збоку камери. Далі надано приклад розмірів камери. Найменший діаметр 501 камери може бути 292,65 мм, а найбільший діаметр 502 камери може становити 407,35 мм. Вимірювання можна зробити з точністю 5 1 мм. Висота 601 камери може становити 52 мм.

Повертаючись до Фіг. 1, відзначимо, що позиції 8 і 9 схематично показують, що трубка входить і виходить з камери 302 через два отвори у стінці посудини. Отвори можуть охоплювати трубку так, щоб жоден холодильний агент не міг входити або виходити з камери крізь отвір, а жодний флюїд зовні не міг проходити крізь отвір у камеру 5. Крім того, стінка посудини має впускний отвір б і випускний отвір 7, з'єднані з трубопроводом 11, 12 для транспортування

Зо холодильного агенту з розширювального пристрою в камеру 302 і з камери 302 у компресор 1.

Впускний отвір 6 розташований в нижній частині камери 302 або, принаймні, нижче рівня рідкого холодильного агенту всередині камери. Проте впускний отвір б також може бути вище рівня рідкого холодильного агенту в інших варіантах здійснення винаходу. Випускний отвір 7 знаходиться у верхній частині камери 302 або, принаймні, вище рівня рідкого холодильного агенту всередині камери. Таким чином, рідкий холодильний агент не може досягати компресора.

Як пояснюється, посудину можна використовувати в холодильному циклі системи охолодження. Посудина в цьому стані містить холодильний агент у камері, який циркулює через цикл охолодження. Частина холодильного агенту знаходиться у рідкому стані, інша частина знаходиться у фазі пари. Посудина включає камеру, обмежену поверхнею стінки посудини, впускний отвір і випускний отвір для транспортування холодильного агенту в камеру та з неї.

Впускний отвір може бути будь-де; випускний отвір переважно знаходиться вище рівня рідкого холодильного агенту в певних варіантах здійснення винаходу. Передбачена принаймні одна трубка, крізь яку рідина, що підлягає охолодженню, повинна протікати в ході роботи системи.

Принаймні одна трубна частина знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору посудини, а другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору посудини, щоб забезпечити комунікацію по флюїду до і/або із трубної частини через перший і другий отвори. Наприклад, трубка проходить через перший отвір і/або другий отвір. Перший отвір і другий отвір можуть бути отвором у стінці посудини та/лабо отвором в тороїдному корпусі, що охоплює стінку посудини, як пояснено нижче. У прикладі, показаному на фіг. 2 і 3, камера теплообмінника є порожниною 201. Трубна частина всередині посудини розташована у декількох обмотках навколо стінової частини вказаної стінки посудини, причому ця частина стінки обмежує вказану порожнину. Порожнина 201 проходить повністю через посудину 5 і обмежується стіновою частиною стінки посудини, так що витік будь- яких флюїдів через порожнину не відбувається. Обмотки розташовані у вигляді гексагональної мозаїки та утворюють пучок з проміжком між кожною парою суміжних обмоток. Цю гексагональну мозаїку краще можна оцінити з посиланням, наприклад, на Фіг. 4, де показано поперечний переріз посудини з однієї сторони порожнини, як показано на Фіг. З в позиції 303.

Іншими словами, у поперечному перерізі, перпендикулярному центральній осі трубних обмоток 60 або трубних сегментів, трубки розташовані у вигляді гексагональної сітки. Трубки можуть бути прикріплені одна до одної, щоб тримати їх на місці.

Поверхня 403 стінки посудини сконструйована так, що між стінкою посудини і всіма обмотками 402, які знаходяться назовні від пучка, існує проміжок. Обмотки, які знаходяться назовні від пучка, є обмотками, оточеними менш ніж шістьма суміжними обмотками. Наприклад, обмотка 405 оточена шістьма суміжними обмотками 406-411 і не знаходиться назовні від пучка.

Обмотка 412 оточена трьома суміжними обмотками 406, 413, 414, а обмотка 414 оточена чотирма суміжними обмотками 412, 406, 407, 415.

У прикладі, показаному на Фіг. 4, обмотки з гексагональної мозаїки розташовані рядами, наприклад 416, 417, 418 тощо, кожен ряд 418 складається з обмоток 414, 407, 408 тощо, причому кількість обмоток в будь-якому одному ряді 417 відрізняється відносно кожного суміжного ряду 416 або 418 на одну обмотку. У свою чергу, при розгляді послідовних рядів 416, 417, 418 тощо, число обмоток спочатку збільшується від трьох обмоток до шести обмоток, а потім зменшується до чотирьох обмоток.

В альтернативному варіанті здійснення винаходу кількість обмоток у кожному ряді монотонно збільшується або монотонно зменшується. Наприклад, кількість обмоток у ряді може збільшуватися, наприклад, з трьох (нижній ряд) до семи (верхній ряд). В іншому прикладі кількість обмоток в ряді може зменшуватися, наприклад, з семи (нижній ряд) до трьох (верхній ряд). Ряди у гексагональної мозаїки можна ідентифікувати в трьох різних напрямках, а збільшення/зменшення кількості обмоток в кожному ряді визначається принаймні до одного з цих напрямків.

Повертаючись до фіг. 4, відзначимо, що схема збільшення кількості обмоток в кожному ряді є ідентичною для всіх трьох напрямків, в яких ряди можуть бути ідентифіковані. Ця властивість також допомагає зберегти камеру невеликою за розміром.

Камера 302 і поверхня стінки 403 посудини мають форму тороїду, сформованого шестикутником. Цей шестикутник має закруглені кути, що відповідають контуру трубок 402, 412.

Коли кількість обмоток у кожному ряді є монотонною, то форма камери та поверхні є формою тороїду, утвореного чотирикутником, необов'язково з закругленими кутами.

Відстань між центральною віссю трубки у двох суміжних обмотках 410, 411, помножена на одну половину квадратного кореня з трьох, є меншою, ніж зовнішній діаметр трубки (позначений

Зо а на Фіг. 9). Звертаючись до фіг. 9, відзначимо, що відстань між центральною віссю трубки в двох суміжних обмотках дорівнює сумі проміжку (позначеного 5 на Фіг. 9) між зовнішніми діаметрами пар суміжних сегментів трубки (позначеними 4 на Фіг. 9) трубної частини.

У конкретному прикладі відстань між центральною віссю трубки у двох суміжних обмотках становить 8,5 мм, внутрішній діаметр трубки становить 7 мм, а зовнішній діаметр трубки становить 8 мм. Проміжок між рядами 416, 417, 418 у прикладі становить 7,4 мм, що менше, ніж відстань 8,5 мм між центральними осями суміжних обмоток, що робить конструкцію компактною.

Відстань від внутрішньої поверхні 401 до окружності 402 першої частини трубки, що примикає до внутрішньої поверхні 401, може бути приблизно рівною відстані між цією окружністю і окружністю 419 другої частини обмотки трубки, що примикає до першої частини трубки.

Теплообмінник за п. 1 формули винаходу, де трубка має внутрішній діаметр 7 мм, і відстань між контурами кожної пари суміжних обмоток становить від 0,2 до 0,8 мм.

В залежності від розмірів теплообмінника, серед інших параметрів, теплообмінник може використовуватися разом із різними матеріалами холодильного агенту, включаючи фреон.

У конкретному прикладі камера містить пропан, як холодильний агент. Розміри, описані вище, добре підходять для системи охолодження на основі пропану як холодильного агенту.

На Фіг. 7 показана альтернативна конфігурація. Оскільки більшість аспектів, наведених на

Фіг. 7, подібні до конфігурації на Фіг. 1, докладний опис їх буде опущено. Конфігурація, показана на Фіг. 7, відрізняється від конфігурації, показаної на Фіг. 1, тим, що впускний отвір 706 камери 302 розташований у верхній частині камери.

На Фіг. 8 показаний вид зверху теплообмінника, зображеного на фіг. 7. Показано, що впускний отвір 706 камери 302 і випускний отвір 7 камери 302 розташовані на протилежних сторонах по відношенню до осі 202. Взагалі може виявитися вигідним розташовувати впускний отвір 706 і випускний отвір 7 досить далеко один від одного, щоб уникнути того, що холодильний агент, який тільки що надходить крізь вхід 706, безпосередньо викачується крізь випускний отвір 7. Така конфігурація є вигідною, коли як впускний отвір, так і випускний отвір, розташовані вище рівня рідкого холодильного агенту.

Наприклад, довжина трубної частини всередині посудини знаходиться в діапазоні від 25 до 35 метрів. Об'єм камери за мінусом об'єму, зайнятому принаймні однією трубною частиною, 60 може бути, наприклад, від 700 мм3 до 800 мм3, наприклад 730 мм3. Завдяки цим розмірам трубки особливо придатні в якості охолоджувача для пивного крана.

На Фіг. 10 показаний інший варіант здійснення теплообмінника. Знову ж таки, лише поперечний переріз показує частину теплообмінника, подібну частині, позначеній 303 на Фіг. 3.

Поверхня 1004 стінки 1001 посудини, яка обмежує камеру 1005, є замкнутою поверхнею, а тороїдний корпус 1003 охоплює стінку 1001 посудини. У деяких варіантах, наповнюваний матеріал 1002 заповнює будь-який простір між стінкою 1001 посудини та тороїдним корпусом 1003. Альтернативно, між стінкою 1001 посудини та тороїдним корпусом 1003 не існує ніякого простору або лише невеликий простір. Тороїдний корпус 1003 має форму тороїду, наприклад тороподібну форму. Стінка посудини/камери також може бути тороїдом, але, наприклад, тороїдом, утвореним шестикутником (як у кресленні) або чотирикутником. Завдяки більш міцній конструкції торів 1003 та наповнюваному матеріалу 1002 стінка 1001 посудини не повинна бути настільки міцною, щоб витримувати різницю тиску між камерою 1005 і середовищем теплообмінника.

На Фіг. 12 їі Фіг. 13 показаний ще один варіант здійснення тороїдної посудини 1201 з трубками 1202. На Фіг. 12 показаний поперечний переріз, як на Фіг. 13, у позиції 1203. Трубні обмотки розташовані у вигляді прямокутної сіткию, а сама посудина має тороїдну форму, утворену шляхом обертання прямокутної форми. На фігурах для простоти не показані впускні отвори та випускні отвори. Ці впускні отвори та випускні отвори можуть бути подібними до варіантів здійснення, зображених на Фігурах 1 - 10.

На Фіїг. 14, Фіг. 15 і Фіг. 16 показаний ще один варіант здійснення посудини кубічної форми 1401 з трубками 1402. На Фіг. 15 зображений перспективний вигляд. На Фіг. 16 показаний частково відкритий перспективний вигляд. На Фіг. 14 зображений поперечний переріз, вказаний на Фіг. 15 у позиції 1403. Кілька трубних сегментів 1605 з'єднані за допомогою деталі 1604 ШО- подібної форми. Трубні сегменти 1605 розташовані у вигляді прямокутної сітки (квадратна мозаїка), як показано у поперечному перерізі Фіг. 14. Трубка має трубну частину 1402 в камері 1410, і трубка виходить з камери на ділянках 1508 і 1509. Відзначено, що в альтернативному варіанті здійснення винаходу, використовуючи О-подібну форму аналогічно, трубні сегменти 1605 можна було б розташувати у вигляді гексагональної мозаїки замість квадратної мозаїки.

Впускний отвір 6 і випускний отвір 7 для холодильного агенту не зображені. Вони можуть бути

Зо розташовані в різних місцях, як описано вище, стосовно Фіг. 1-10. Наприклад, впускний отвір для холодильного агенту може знаходиться в нижній частині посудини 1401, а випускний отвір для холодильного агенту може знаходиться у верхній частині посудини 1401. Однак, можливі також інші розташування.

На Фіг. 9 показаний поперечний переріз 303 Фіг. 3. Принципи, пояснені відносно Фіг. 9, також можуть бути застосовані до посудин альтернативних форм, таких як ті, що зображені на Фіг. 13- 16. Принаймні одна трубна частина 10 в камері 302 має зовнішній діаметр. Якщо діаметр змінюється вздовж трубної частини або якщо кілька трубних частин мають різні діаметри, принаймні одна трубна частина має середній діаметр трубки а.

У камері 302 частина простору зайнята принаймні однією трубною частиною 10. Частина простору не обов'язково може бути зайнята іншими об'єктами. Простір, що залишився 902, може бути зайнятий флюїдом (рідиною, газом). При використанні теплообмінника в якості випарника, цей простір займає холодильний агент (частково в рідкій фазі, частково в газоподібній фазі). Об'єм цього залишкового простору, що повинен бути зайнятий холодильним агентом, можна визначити, наприклад, шляхом розрахунку. Альтернативно, щоб визначити об'єм простору, простір може бути тимчасово заповнений рідиною, і кількість рідини, необхідної для заповнення простору, може бути використана для визначення об'єму простору.

Загальна площа А зовнішньої поверхні 901 принаймні однієї трубної частини може бути визначена шляхом розрахунку. Наприклад, якщо радіус трубки становить г, а довжина трубної частина становить Ї, то площа А може бути оцінена як А-2тпііЇ. Таким чином, визначається загальна площа зовнішньої поверхні, що знаходиться в контакті (для теплообміну) з холодильним агентом у просторі. Діаметр (середній) а трубки дорівнює двом радіусам г, тобто а-аг.

Об'єм М може виражатися у кубічних міліметрах (мм3), площа А може бути виражена у квадратних міліметрах (мм), а діаметр а може бути виражений в міліметрах (мм).

Об'єм М визначеного таким чином простору, поділений на добуток площі А зовнішньої поверхні принаймні однієї трубної частини і середнього діаметру а, принаймні, однієї трубної частини, дає число М наступним чином:

М-МДА-а), де А-21(й/2)..

Оскільки для трубної частини кругового поперечного перерізу площа поперечного перерізу 60 дорівнює паг/4, то це можна виразити як М-У/4МІ), де М - об'єм, визначений трубною частиною

МІ - пагі уд-да/д.

У певних переважних варіантах здійснення винаходу число М менше або дорівнює 0,15; тобто МЛ «х 0,6. У певних, більш переважних варіантах здійснення винаходу це число М менше або дорівнює 0,12; тобто М/М х 0,48. У певних, більш переважних варіантах здійснення це число

М менше або дорівнює 0,10; тобто М/Мі «х 0,4. У певних, більш переважних варіантах здійснення винаходу, це число М менше або дорівнює 0,09; тобто МЛ « 0,36. У певних, більш переважних варіантах здійснення, це число М менше або дорівнює 0,08; тобто М/М «х 0,32. У певних, більш переважних варіантах здійснення, це число М менше або дорівнює 0,05; тобто МЛ х 0,2.

У всіх випадках об'єм М холодильного агенту відносно невеликий у порівнянні з об'ємом Мі трубної частини, тобто М/М х 0,6.

Наприклад, обмеження відносно цього числа може бути застосоване для будь-якого заданого діаметра трубки, щоб визначити розмір проміжку між суміжними трубними сегментами.

Крім того, у певних варіантах здійснення винаходу це число більше 0,03; тобто М/Мі » 0,12.

Як показано, принаймні одна трубна частина в камері 302 містить декілька суміжних трубних сегментів 301. Суміжні трубні сегменти можуть бути розташовані відносно один одного з проміжком 5 між парою суміжних трубних сегментів, що становить не більше 2 міліметрів, переважно, не більше 1 міліметра, переважно, не більше 0,5 міліметра. Це обмеження може замінити або доповнити вищезгадане обмеження стосовно максимального числа, отриманого шляхом ділення об'єму на добуток площі та середнього діаметра. Це обмеження може застосовуватися до труб великого або малого діаметра.

У конкретному прикладі діаметр трубної частини (частин) може бути, наприклад, 40 мм або більше, а суміжні трубні сегменти можуть бути розташовані відносно один одного з проміжком між парами суміжних трубних сегментів не більше 2 міліметрів, переважно не більше 1 міліметра, переважно не більше 0,5 міліметрів.

Фіг 11 ілюструє спосіб охолодження рідини. На етапі 1101 спосіб починається із забезпечення циклу, що включає компресор 1, конденсатор 2, розширювальний клапан 3,4 і випарник, при цьому випарник включає теплообмінник 14, а теплообмінник 14 включає посудину 5 для холодильного агенту. На етапі 1102 компресор, конденсатор, розширювальний клапан і випарник з'єднують в комунікації по флюїду для створення холодильного циклу,

Зо причому випарник включає теплообмінник, а теплообмінник включає посудину з камерою, обмеженою поверхнею стінки посудини, яка містить впускний отвір и випускний отвір для транспортування холодильного агенту в та із камери, причому забезпечення компресора, конденсатора, розширювального клапана та випарника в комунікації по флюїду включає приєднання по флюїду впускного отвору посудини до розширювального клапану и приєднання по флюїду випускного отвору посудини до компресора. Передбачена принаймні одна трубка, в якій принаймні одна трубна частина знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору посудини, а другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору посудини, щоб забезпечити комунікацію по флюїду до і/або із трубної частини через перший отвір і другий отвір, де вказана принаймні одна трубна частина має середній діаметр. Передбачена камера с простором для флюїду, причому вказаний простір має об'єм. Принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню в контакті з простором для флюїду, при цьому вказана поверхня має площу. Об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметру менше, або дорівнює 0,2. Спосіб додатково включає на етапі 1103, керування компресором для циркуляції холодильного агенту через холодильний цикл, що включає простір для флюїду, а також для наступного проходження флюїду через трубну частину.

У певних прикладах, принаймні, одна трубна частина в камері розташована у декількох суміжних трубних сегментах, причому зовнішні поверхні суміжних трубних сегментів знаходяться одна проти іншої, крім того існує простір для флюїду між парою суміжних трубних сегментів, і простір між трубними сегментами, принаймні однієї трубної частини, має об'єм.

Принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню в контакті з простором для флюїду, при цьому вказана зовнішня поверхня має площу, а об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметру принаймні однієї трубної частини менше, ніж 0,15; 0,12;50,10; 0,09 або 0,08.

Приклад представляє теплообмінник, що включає: посудину для холодильного агенту, яка має камеру, обмежену поверхнею стінки посудини, впускний отвір і випускний отвір для транспортування холодильного агенту в камеру та із камери через стінку посудини; принаймні одну трубку, в якій принаймні одна трубна частина знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору в стінці бо посудини, та другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору в стінці посудини для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або із трубної частини через перший отвір і другий отвір; причому камера теплообмінника є порожниною, та трубна частина розташована у декількох обмотках навколо стінової частини вказаної стінки посудини, при цьому стінова частина обмежує вказану порожнину; причому обмотки розташовані у вигляді гексагональної мозаїки та створюють пучок з проміжком між кожною парою суміжних обмоток; причому поверхня стінки посудини розташована навколо пучка з простором між стінкою посудини і кожної з обмоток, сконструйованих з можливістю бути зануреними в рідкий холодильний агент при теплообміні та знаходяться назовні від пучка.

Розташування трубних обмоток у вигляді гексагональної мозаїки веде до відносно великого простору, зайнятого трубками і відносно невеликого простору в камері назовні від трубок.

Останній простір повинен бути зайнятий рідким холодильним агентом; оскільки простір для рідкого холодильного агенту зменшується, загальна кількість холодильного агенту, необхідного для підтримки холодильного циклу зменшується. Схема дозволяє створити компактну конструкцію, одночасно дозволяє холодильному агенту обмінюватися теплом з вмістом трубок і дозволяє газоподібному холодильному агенту текти вгору.

Поверхня стінки посудини може мати вказаний проміжок між стінкою посудини и всіма обмотками, що знаходяться назовні від пучка. Це дозволяє створити компактну конструкцію теплообмінника.

Поверхня може бути замкненою поверхнею. Це дозволяє створити компактну і/або міцну конструкцію.

Обмотки у гексагональної мозаїки можуть бути розташовані рядами, при цьому кожен ряд складається з кількох обмоток, кількість яких в будь-якому ряді відрізняється по відношенню до кожного суміжного ряду на одну обмотку, причому, якщо розглядати послідовні ряди, то кількість обмоток монотонно збільшується або зменшується, або спочатку збільшується, а потім зменшується. Це забезпечує компактний пучок обмоток.

Камера може мати форму тороїду, сформованого шестикутником або чотирикутником. Така форма камери може компактно розмістити в собі трубопровід. Відзначено, що краї

Зо шестикутника або чотирикутника можуть бути злегка округлені зовні, наприклад, для забезпечення кращої стійкості до високого тиску всередині камери.

Шестикутник або чотирикутник має закруглені кути, що відповідають контуру трубки (див., наприклад, біля позиції 402 на Фіг. 4). Це додатково зменшує кількість холодильного агенту, що подається в камеру.

Відстань між центральною віссю трубки у двох суміжних обмотках, помножена на половину квадратного кореня з трьох, може бути меншою, ніж зовнішній діаметр трубки. Це додатково зменшує кількість холодильного агенту.

Відстань від внутрішньої поверхні до окружності трубної частини, суміжної до внутрішньої поверхні, може дорівнювати відстані між окружністю першої обмотки трубки до окружності другої обмотки трубки, при цьому друга обмотка примикає до першої обмотки. Це додатково зменшує кількість холодильного агенту.

Трубка може мати внутрішній діаметр 7 мм, а відстань між кожною парою суміжних обмоток може бути від 0,2 до 0,8 мм. Це дозволяє отримати компактну конструкцію, що дозволяє холодильному агенту обмінюватись теплом з вмістом трубки і дозволяє газоподібному холодильному агенту текти вгору.

Камера може містити пропан як холодильний агент. Це відповідний холодильний агент, що використовується у невеликих кількостях. Невеликий розмір частини камери, яка не зайнята трубками, допомагає зменшити кількість холодильного агенту (наприклад, пропану), що є необхідним.

Випускний отвір може знаходитися вище рівня рідкого холодильного агенту. Це запобігає витоку холодильного агенту з камери та переміщення його до компресора у рідкій формі.

Стінка посудини може бути укладена у тороїдний корпус. Це дозволяє зміцнити конструкцію кількома різними способами.

Наприклад, корпус тороїдної форми може бути сконструйований з можливістю зміцнення стінки посудини, виходячи з різниці тиску між камерою та середовищем теплообмінника. Тому стінка посудини може бути виготовлена з менш міцного матеріалу. Наприклад, між стінкою посудини та корпусом тороїдної форми може бути встановлений жорсткий матеріал для наповнення, в результаті чого тороїдний корпус та матеріал для наповнення утримують стінку посудини на місці. 60 Іншим прикладом є забезпечення системи охолодження для охолодження рідини, що включає цикл, що включає компресор, конденсатор, розширювальний клапан або розширювальний пристрій та теплообмінник, описаний вище, у комунікації по флюїду, причому впускний отвір приєднаний по флюїду до розширювального клапану і випускний отвір приєднаний по флюїду до компресору. Це дозволяє теплообміннику працювати як випарник у холодильному циклі.

Інший приклад є надає спосіб охолодження рідини, який включає забезпечення циклу, що включає компресор, конденсатор, розширювальний клапан або розширювальний пристрій, і випарник у комунікації по Ффлюїду, де випарник включає теплообмінник, який містить: посудину для холодильного агенту, посудину, що має камеру, обмежену поверхнею стінки посудини, впускний отвір і випускний отвір для транспортування холодильного агенту в камеру та з камери через стінку посудини, принаймні одну трубку, в якій, принаймні, одна частина трубки знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору в стінці посудини, а другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору в стінці посудини для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або з трубної частини через перший отвір і другий отвір, причому камера теплообмінника є порожниною, та трубна частина розташована у декількох обмотках навколо стінної частини вказаної стінки посудини, при цьому стінова частина обмежує вказану порожнину, причому обмотки розташовані у вигляді гексагональної мозаїки та утворюють пучок з проміжком між кожною парою суміжних обмоток, причому поверхня стінки посудини розташована навколо пучка, з простором між стінкою посудини та кожною з обмоток, що сконструйовані з можливістю бути занурені в рідкий холодильний агент при теплообміні та знаходяться назовні від пучка; приєднання по флюїду впускного отвору до розширювального клапану та приєднання по флюїду випускного отвору до компресору; і керування компресором для циркуляції холодильного агенту через холодильний цикл, і для протікання рідини через трубку.

Зо Приклади та варіанти здійснення винаходу, описані тут, служать для ілюстрації без обмеження. Спеціаліст у даній галузі техніки зможе розробити альтернативні варіанти здійснення винаходу, не видходячи від об'єму винаходу у вигляді формули винаходу. Довідкові знаки, занесені в круглі дужки у формулу винаходу, не повинні тлумачитися як такі, що обмежують формулу винаходу. Елементи, які описуються як окремі об'єкти у формулі винаходу або описі, можуть бути реалізовані як єдиний апаратний або програмний елемент, що поєднує функції описаних елементів.

Claims (16)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Теплообмінник, який містить: посудину для холодильного агента, яка має камеру, обмежену поверхнею стінки посудини, впускний отвір та випускний отвір для транспортування холодильного агента в камеру та із камери; принаймні одну трубку, в якій принаймні одна частина трубки знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору посудини, а другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору посудини, для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або із трубної частини через перший отвір і другий отвір, причому вказана принаймні одна трубна частина має середній діаметр; причому камера містить простір для холодильного агента, при цьому вказаний простір має БО об'єм, причому принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню, яка контактує з простором для флюїду, при цьому вказана поверхня має площу; причому об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,15.

2. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,12.

3. Теплообмінник за п. 2, який відрізняється тим, що об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,10.

4. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що принаймні одна трубна частина всередині камери містить декілька суміжних трубних сегментів, при цьому суміжні трубні сегменти розташовані відносно один одного з проміжком між парою суміжних трубних сегментів не більше 2 міліметрів, переважно не більше 1 міліметра, переважно не більше 0,5 міліметра.

5. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що принаймні одна трубна частина всередині камери містить декілька суміжних трубних сегментів, причому суміжні трубні сегменти, в поперечному перерізі камери, утворюють гексагональну мозаїку або розташовані у вигляді прямокутної сітки.

6. Теплообмінник за п. 5, який відрізняється тим, що декілька суміжних трубних сегментів гексагональної мозаїки розташовані рядами, при цьому кожен ряд складається з кількох обмоток, причому кількість обмоток у будь-якому ряді відрізняється відносно кожного суміжного ряду на одну обмотку, причому, якщо розглядати послідовні ряди, то кількість обмоток монотонно збільшується або зменшується, або спочатку збільшується, а потім зменшується.

7. Теплообмінник за п. 71, який відрізняється тим, що принаймні одна трубна частина розташована в декількох обмотках навколо стінової частини вказаної стінки посудини та навколо області, зовнішньої відносно камери.

8. Теплообмінник за п. 7, який відрізняється тим, що камера має форму тороїду, сформованого шестикутником або чотирикутником.

9. Теплообмінник за п. 8, який відрізняється тим, що шестикутник або чотирикутник мають закруглені кути, що відповідають контуру трубки.

10. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що відстань між центральною віссю трубки у двох суміжних обмотках, помножена на половину квадратного кореня з трьох, менше, ніж зовнішній діаметр трубки.

11. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що відстань від поверхні стінки посудини до окружності першого сегмента принаймні однієї трубної частини, суміжної до поверхні, практично дорівнює відстані між цією окружністю та окружністю другого сегмента принаймні однієї трубної частини, що примикає до першого сегмента.

12. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що простір для флюїду містить пропан як холодильний агент.

13. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що посудина додатково містить корпус та стінка посудини вкладена в корпус, причому корпус сконструйований з можливістю зміцніти Зо стінку посудини, враховуючи різницю тиску між камерою та середовищем теплообмінника.

14. Теплообмінник за п. 13, який відрізняється тим, що корпус має форму тороїду.

15. Теплообмінник за п. 1, який відрізняється тим, що додатково містить компресор, конденсатор і розширювальний клапан, при цьому компресор, конденсатор, розширювальний клапан і теплообмінник знаходяться в комунікації по Ффлюїду, причому впускний отвір приєднаний по флюїду до розширювального клапана і випускний отвір приєднаний по флюїду до компресора.

16. Спосіб охолодження флюїду, який включає: забезпечення компресора, конденсатора, розширювального клапана та випарника, в комунікації по флюїду для створення холодильного циклу, причому випарник містить теплообмінник, та теплообмінник містить посудину з камерою, що обмежена поверхнею стінки посудини, причому посудина містить впускний отвір і випускний отвір для транспортування холодильного агента в камеру та із камери, причому забезпечення компресора, конденсатора, розширювального клапана та випарника в комунікації по флюїду включає приєднання по флюїду впускного отвору посудини до розширювального клапана і приєднання по флюїду випускного отвору посудини до компресора; забезпечення принаймні однієї трубки, в якій принаймні одна частина трубки знаходиться всередині камери, причому перший кінець трубної частини прикріплений до першого отвору посудини, та другий кінець трубної частини прикріплений до другого отвору посудини для забезпечення комунікації по флюїду в трубну частину та/або із трубної частини через перший і другий отвори, причому вказана принаймні одна трубна частина має середній діаметр; забезпечення камери з простором для холодильного агента, при цьому вказаний простір має об'єм, причому принаймні одна трубна частина має зовнішню поверхню, що контактує з простором для флюїду, при цьому вказана поверхня має площу; причому об'єм, поділений на добуток площі та середнього діаметра, менше або дорівнює 0,15; при цьому спосіб додатково включає: керування компресором для циркуляції холодильного агента через холодильний цикл, що включає простір для флюїду, і протікання флюїду крізь трубну частину.

. Ш й З сво оо м 6 с-е- КК у р. с

Фіг. ; і й се фе 8 - | дооваоно 7 ; з (- 303 І | Фіг. З й

ЗІ, оо св Ф) пвх «фен Али й т щі 416-. хе СО 9, йе з я

Фіг. 4

Фіг. 5 п0ШН5ИО те

Фіг. 6

1 2 12 х ОБ Дай Дод 8 ршшшишни ни й 4 - 3 /бовов и) й -705 Фіг. 7 1 й 12 7 кан се Ї / 202 ' К що 706 | -О я раї ня Фіг в й

Ер Е вової у х см т 002 ово. 906, и У МО

Фіг. 10

Забезпечити цикл з компресором, конденсатором, розширювальним клапаном і випарником, де 0 їі шо 1103 проходила в трубку

Фіг. 11 у чу ат чу ж во 1201-- іа фа в

Фіг. 12 - - ї 1201 іх; ен . шо | Фіг. 13 1401 5-55 веввеввеввоврм вве оо, о ие о веввеввевеве ово Фев мА мана АНАЧАЧАЧІ

Фіг. 14

1508 ; о ТК 1401 і: | З --1509

Фіг. 15 1508 в ри 1402 а о Гр. и--1509 1605 о У 16504 1410

Фіг. 16