CH678103A5 - - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage. 



  Diffusionsabsorptionsanlagen sind als Kleinkälteanlagen zur Verwendung in Haushaltkühlschränken seit langem bekannt. Diese Absorptionskälteanlagen wurden bezüglich ihres Wirkungsgrads entscheidend verbessert. Ein solches Aggregat ist z.B. im Schweizer Patent Nr. 475 527 ausführlich beschrieben. Diese Aggregate weisen jedoch eine relativ geringe Leistung auf. Für grosse Kälteanlagen, z.B. zur Klimatisierung oder zur Verwendung als Wärmepumpen in Heizanlagen sind sie deshalb nicht geeignet. In diesen Anlagen werden Ammoniak und Wasser als Stoffpaare eingesetzt, wobei das Wasser der absorbierende Stoff darstellt und das Ammoniak das Kältemittel. Als druckausgleichendes Hilfsgas wird in der Regel Wasserstoff oder Helium verwendet.

  Verdampfer in Anlagen, die eine grosse Leistung zu erbringen haben, müssen in der Lage sein, die dafür erforderlichen grossen Mengen an Kältemittel zu verdampfen und die Verdampfungswärme aus dem zu kühlenden Medium mit möglichst geringen Verlusten zu entnehmen. Bei den bekannten Diffusionsabsorptionsanlagen kleiner Leistung wird die Verdampfungswärme aus der Umgebungsluft bezogen. Bei grossen Anlagen ist das in der Regel nicht möglich oder unerwünscht, vielmehr soll die Verdampfungswärme mittels eines Sekundärsystems mit flüssigem Medium zugeführt werden. 



  Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb, einen Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung zu zeigen. 



  Diese Aufgabe wird bei einem Verdampfer der eingangs  erwähnten Art durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. 



  Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung. 
   Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Teilansicht eines Verdampfers und 
   Fig. 3 eine Aufsicht auf den Verdampfer gemäss Fig. 2. 
 



  In Fig. 1 ist das Schema einer Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung dargestellt. Ein derartiges Aggregat umfasst einen Gasbrenner 1 oder eine andere Wärmequelle, einen Austreiber mit Gasblasenpumpe 2 in welchem der Kältemitteldampf ausgetrieben wird. Dieser Dampf gelangt über einen Dreifach-Wärmetauscher 2a durch eine Dampfleitung in den Kondensator 4. Hier kondensiert der Kältemitteldampf und das Kondensat fliesst durch eine Kondensatleitung in einen Verdampfer 5, wo es unter Wärmeaufnahme verdampft. Das durch die Verdampfung reich gewordene Hilfsgas strömt in einen Gaswärmetauscher 6 und kühlt das dort einströmende arme Gas ab. Das reiche Gas strömt anschliessend in einen Absorber 3, wo ein Teil des Kältemitteldampfs durch die arme Lösung absorbiert wird. Die durch den Absorptionsvorgang reich gewordene Lösung gelangt über den Dreifach-Wärmetauscher 2a in den Austreiber 2.

  Das Kältemittel wird hier wie erwähnt ausgetrieben und die dadurch arm gewordene Lösung mittels der Gasblasenpumpe hochgepumpt und dadurch in die Lage versetzt, oben in den Absorber zu fliessen, wobei die arme Lösung zuvor ebenfalls durch den Dreifach-Wärmetauscher 2a geleitet wird. Der Absorber 3 und der Kondensator 4 werden durch das Medium eines Sekundärsystems durchflossen, das dort Wärme  auf einem hohen Temperaturniveau aufnimmt. Der Verdampfer 5 wird durch ein Medium eines weiteren Sekundärsystems durchflossen, das ihm Wärme auf einem tiefen Temperaturniveau zuführt. 



  In Fig. 2 wird ein Verdampfer dargestellt. Dieser Verdampfer besteht aus vier koaxial angeordneten Rohrschlangen 9 bis 12, wobei die äusserste Schlange 9 sichtbar ist und die inneren Schlangen 10 bis 12 im aufgeschnittenen Teil der Zeichnung im Querschnitt erkennbar sind. Die Fig. 3 zeigt diese koaxiale Anordnung in der Aufsicht von oben. Im innern der Rohre dieser Rohrschlangen 9 bis 12 fliesst die Flüssigkeit des Sekundärsystems, die dem Verdampfer Wärme abgibt. Die Einspeisung der Flüssigkeit des Sekundärsystems erfolgt parallel und wird am Ende der vier Rohrschlangen durch Auslässe 13 bis 16 entnommen. Ein Einlass 23 für die äusserste Rohrschlange ist in Fig. 1 sichtbar. Die Rohrschlangen 9 bis 12 befinden sich in einem zylindrischen Gehäuse 17, das im innern ein Blindrohr 18 aufweist.

  Das Blindrohr 18 und das Gehäuse 17 sind oben und unten mit je einem Deckel fest verbunden, wobei das Blindrohr offen gegenüber der Umgebung ist, damit innerhalb des Blindrohrs atmosphärischer Druck herrscht. Das in der Diffusionsabsorptionswärmepumpe verwendete Hilfsgas strömt in dem durch das Blindrohr 18 und dem Gehäuse 17 gebildeten Raum entlang den äusseren Oberflächen der Rohrschlangen. Das Kältemittel, hier Ammoniak, kommt aus dem Kondensor und wird in vier Teilströme aufgegliedert, um dem Verdampfer durch Einlässe 19 bis 22 zugeführt zu werden. Diese Einlässe 19 bis 22 sind im oberen Teil des Absorbers so angeordnet, dass den Rohrschlangen durch je einen der Einlässe das Kältemittel einzeln zugeführt wird (Fig. 3). 



  Die Rohre der Rohrschlangen 9 bis 12 weisen einen flachovalen Querschnitt auf. Dieser ist im aufgeschnittenen Teil der Fig. 2 ersichtlich. Diese Querschnittsform weist  gegenüber den sonst üblichen kreisrunden Querschnitten in mehrfacher Hinsicht erhebliche Vorteile auf. Zum einen wird nämlich der Wärmeübergang der Flüssigkeit des Sekundärsystems durch den Formfaktor ganz erheblich verbessert. Der Wärmeübergang wird um so besser, je flacher das Rohrprofil ist. Eine Verflachung des Rohrprofils vergrössert aber auch den Druckverlust, der beim Durchströmen der Flüssigkeit im innern der Rohre entsteht. Es hat sich gezeigt, dass ein Profil mit einer inneren lichten Weite von 4 mm bezüglich Wärmeübergangsverbesserung noch vertretbarem Druckverlust am günstigsten ist. 



  Das flache Profil der Rohrschlangen wirkt sich zum anderen aber auch günstig aus für die gleichmässige Verteilung des Kältemittels über die ganze Rohroberfläche, ein Erfordernis, das für einen leistungsfähigen Verdampfer erfüllt werden muss. Das aus dem Absorber stammende arme Hilfsgas gelangt durch einen Gaswärmetauscher in den oberen Teil des Verdampfers und wird durch das verdampfende Ammoniak aufgeladen. Die durch den Verdampfungsvorgang benötigte Wärmeenergie wird dem Medium des Sekundärsystems entnommen. Die hier dargestellte Diffusionsabsorptionswärmepumpe weist wärmeseits eine Leistung von ca. 3 Kilowatt auf, wobei ca. 1 Kilowatt aus der Verdampfungsleistung des Verdampfers stammt.

   Um eine derart hohe Leistung zu erzielen, ist es erforderlich, dass im Verdampfer eine grosse Oberfläche mit Kältemittel benetzt wird, damit dem Medium des Sekundärsystems ausreichend Wärmeenergie entzogen werden kann. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Fläche durch vier konzentrisch angeordnete Rohrschlangen zur Verfügung gestellt. Damit die Verdampfung gleichmässig über dem ganzen Oberflächenbereich stattfinden kann, ist es notwendig, dass jede Stelle der Rohroberflächen kontinuier lich mit Ammoniak versorgt wird. Dazu dienen im wesentlichen zwei Massnahmen. Zum einen sind die einzelnen Windungen der Rohrschlangen im Abstand zueinander angeordnet, wie dies aus Fig. 2 entnommen werden kann.

  In dem durch diesen Abstand gebildeten Spalt kann sich das Ammoniak infolge seiner Oberflächenspannung sammeln und spiralförmig nach unten fliessen, wobei kontinuierlich ein Teil des Kältemittels immer wieder über die Rohrfläche praktisch senkrecht nach unten verteilt wird und sich in dem durch den nächsten Spiralgang gebildeten Spalt mit dem dort vorhandenen Kältemittel wieder vermischt. Die oberste Windung jeder Rohrschlange weist einen erhöhten Abstand auf und bildet demnach einen grösseren Spalt. Dies gewährleistet, dass das durch die Einlässe 19-22 eintretende Ammoniak sehr schnell den ganzen radialen Umfang einer Rohrschlange benetzt. Zum andern hat die Oberfläche der Rohrschlangen so beschaffen zu sein, dass eine gleichmässige Benetzung zustande kommt. Im Ausführungsbeispiel wird das dadurch erreicht, dass die Rohre mit einem randrierungsähnlichen Kreuzprofil versehen sind.

  Bei diesem Profil ist darauf zu achten, dass die einzelnen Einkerbungen durchgehend sind und bei den Kreuzungen mit den quer dazu verlaufenden Kerbungen nicht verschlossen werden. Dies gewährleistet eine ausserordentlich gute Benetzung der ganzen Rohroberflächen mit einer dünnen Kältemittelschicht. Zudem vergrössert diese Randrierung die Oberfläche der Rohre. Das Ammoniak wird auf der Rohroberfläche gleichsam verwirbelt. 



  Die Rohroberfläche kann auch anders als randriert beschaffen sein, entscheidend ist ihre Kapillarwirksamkeit. So können beispielsweise die Rohre mit eng gelegten spiralig um die Rohre verlaufende Kerben versehen werden. 



  Der Abstand zwischen den konzentrisch angeordneten Rohrspiralen ist möglichst klein zu halten. Ebenso der  Abstand zwischen der äussersten Rohrschlange und dem zylindrischen Gehäuse 17 und der innersten Rohrschlange und dem Blindrohr 18. Denn die durch diese Abstände gebildeten Spälte werden durch das arme Hilfsgas durchströmt. Je kleiner dieser Raum ist, desto effektiver erfolgt die Diffusion des Ammoniaks in das Gas (Fig. 2). Allerdings dürfen diese Zwischenräume nicht beliebig klein sein, da sonst für das durchströmende Hilfsgas ein zu grosser Druckverlust entstehen würde, der eine hinreichende Zirkulation des Hilfsgases im Gesamtsystem verhindern würde. Das im innern des Verdampfers angeordnete Blindrohr 18 hat aber nicht nur die Aufgabe, einen für eine leistungsfähige Diffusions notwendigen geringen Spalt zu bilden, es reduziert auch das unter Druck stehende Volumen.

   Dies ist für die Sicherheit des Apparats von entscheidender Bedeutung (Kesselformel). 



  Die Rohrschlangen 13 bis 16 besitzen infolge ihrer konzentrischen Anordnung verschieden grosse Durchmesser, dadurch wird auch die Rohroberfläche der einzelnen Schlangen unterschiedlich gross. Es muss also dafür gesorgt werden, dass die einzelnen Rohrschlangen ihrer Oberfläche entsprechend mit verschieden grossen Mengen von Ammoniak gespeist werden. Eine Verteilervorrichtung die zwischen Kondensator und Verdampfer geschaltet ist, nimmt diese Aufteilung in vier unterschiedliche Teilströme des Ammoniaks vor. Mit dem am Ausführungsbeispiel dargestellten Verdampfer wird es möglich, Diffusionsabsorptionswärmeanlagen mit ausreichend grossen Leistungen herzustellen, die in der Lage sind, als Wärmepumpen in Heizanlagen oder zum Zwecke der Klimatisierung Verwendung zu finden. 

Claims (7)

1. Verdampfer für eine Diffusionsabsortionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen Gehäuse eine Rohrspirale angeordnet ist, deren Oberfläche Kapillarwirksam ist, wobei sich die einzelnen Rohrspiralwindungen zueinander im Abstand befinden.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Rohres der Rohrspirale flachoval ausgebildet ist.

3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der obersten Spiralwindung zur nächsten Spiralwindung grösser ist als die übrigen Windungsabstände der Spirale.

4. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im innern des Verdampfergehäuses koaxial ein Blindrohr angeordnet ist.

5.

Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere weitere Rohrspiralen im Verdampfergehäuse vorgesehen sind, die zur ersten Rohrspirale koaxial verlaufen.

6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohroberfläche der Rohrspiralen randriert ausgebildet ist.

7. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohroberfläche der Rohrspiralen mit spiralig um die Rohre verlaufenden Kerben versehen ist. 1. Verdampfer für eine Diffusionsabsortionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen Gehäuse eine Rohrspirale angeordnet ist, deren Oberfläche Kapillarwirksam ist, wobei sich die einzelnen Rohrspiralwindungen zueinander im Abstand befinden. 2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Rohres der Rohrspirale flachoval ausgebildet ist. 3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der obersten Spiralwindung zur nächsten Spiralwindung grösser ist als die übrigen Windungsabstände der Spirale. 4. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im innern des Verdampfergehäuses koaxial ein Blindrohr angeordnet ist. 5.

Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere weitere Rohrspiralen im Verdampfergehäuse vorgesehen sind, die zur ersten Rohrspirale koaxial verlaufen. 6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohroberfläche der Rohrspiralen randriert ausgebildet ist. 7. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohroberfläche der Rohrspiralen mit spiralig um die Rohre verlaufenden Kerben versehen ist.