DE102005059482A1 - Kältemittelakkumulator mit Flüssigkeitsabscheider - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelakkumulator mit Flüssigkeitsabscheider (1) für Kältemittelkreisläufe, umfassend einen Behälter (2) mit einem Eingang (3) für das Zweiphasengemisch und einem Ausgang (9) für den Kältemitteldampf, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prallblech (4) als Abscheider im oberen Teil des Kältemittelakkumulators (1) vorgesehen ist, welches Mittel zum Sammeln (5) des flüssigen Kältemittels aufweist, über die das flüssige Kältemittel in den unteren Bereich des Kältemittelakkumulators (1) leitbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Kältemittelakkumulator mit Flüssigkeitsabscheider für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen.
• Derartige Kältemittelakkumulatoren werden in Kälteanlagen oder Wärmepumpen, die nach dem Prinzip des Kaltdampfprozesses arbeiten, eingesetzt und nach dem Verdampfer platziert. Der Kältemittelakkumulator hat die Aufgabe, den noch nicht verdampften flüssigen Anteil des einströmenden Zweiphasengemischs des Kältemittels vom gasförmigen Anteil mit einem geeigneten Flüssigkeitsabscheider zu trennen. Das abgeschiedene flüssige Kältemittel und gegebenenfalls flüssige Kältemaschinenöl wird im Akkumulator akkumuliert bzw. zwischengespeichert.
• Im Stand der Technik sind diverse Ausgestaltungen für Kältemittelakkumulatoren gemäß dem Oberbegriff der Erfindung bekannt.
• Nach der US 2003/0079496 wird der in den Kältemittelakkumulator einströmende Kältemittelstrom frontal auf ein Prallblech geleitet. Dabei wird der flüssige Anteil des Kältemittelstromes gegen die innere Behälterwand des Akkumulators gelenkt und bleibt aufgrund von Trägheitskräften und Benetzungseffekten an der inneren Behälterwand haften und fließt nach unten in den Speicherbereich des Akkumulators.
• Nach der Lehre der US 2002/0095948 ist ein Kältemittelakkumulator bekannt, bei welchem die flüssigen Kältemittelanteile tangential an die innere Behälterwand geleitet werden und schließlich in den Speicherbereich des Akkumulators gelangen.
• Dem beschriebenen Stand der Technik haften diverse Nachteile an. Besonders gravierend ist der Nachteil, dass es beim Einsatz in einer Umgebung mit Temperaturen oberhalb der Sättigungstemperatur des einströmenden Kältemittels aufgrund des Temperaturgradienten zu einem Wärmeeintrag in den Akkumulator kommt. Dieser Wärmeeintrag wird unverhältnismäßig groß, wenn die Behälterwand des Akkumulators Bestandteil des mechanischen Abscheiders ist. Dann bildet sich auch bei einem nahezu ungefüllten Akkumulator ein dünner Film aus flüssigem Kältemittel an der Innenwand des Behälters aus, der ideale Voraussetzungen für die Verdampfungsvorgänge bzw. für die Wärmeaufnahme des Kältemittels schafft.
• Weiterhin ist nach der US 2005/0081559 ein Kältemittelakkumulator bekannt, der mit einem Prallblech unterhalb des Einlasses des Zweiphasengemisches arbeitet. Auf das Prallblech treffen die flüssigen Bestandteile auf, haften an diesem an und gelangen dann entlang des Prallblechs zu dessen unterer Kante. An der unteren Kante des Prallbleches bilden sich Tropfen aus flüssigem Kältemittel, welche dann infolge der Schwerkraft in den unteren Behälterbereich zwecks Zwischenspeicherung hinabtropfen.
• Besonders nachteilig ist bei dem angeführten Stand der Technik, dass der flüssige und der gasförmige Kältemittelstrom nach ihrer Trennung so geführt werden, dass sie sich kreuzen. Der gasförmige Strom reißt somit zwangsläufig wieder einen Teil der abgeschiedenen Flüssigkeit mit und befördert diesen zum Auslass des Akkumulators. Dieser Flüssigkeitsbypass bewirkt einen schlechten Abscheidewirkungsgrad. Zudem erhöht sich die Gefahr eines Kolbenschlages bei Kolbenkältemittelkompressoren, wenn die flüssige Phase des Kältemittels in Form von Tröpfchen in den Kompressor gelangt.
• Die aufgezeigten Nachteile der im Stand der Technik bekannten Kältemittelakkumulatoren erhöhen den umlaufenden Kältemittelmassestrom, ohne dabei die nutzbare Kälte- oder Wärmeleistung der Maschine zu erhöhen. Allerdings wirkt sich die Erhöhung des Kältemittelmassestroms negativ in einer Erhöhung der Antriebsleistung der Anlage aus. Die Leistungszahl (COP) oder Effizienz der Maschine verschlechtert sich entsprechend.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kältemittelakkumulator mit Flüssigkeitsabscheider derart auszubilden, dass ein hoher Abscheiderwirkungsgrad erreicht wird und dass andererseits der Kältemittelmassestrom durch Minimierung des Wärmeeintrags in das abgeschiedene flüssige Kältemittel minimiert wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kältemittelakkumulator mit Flüssigkeitsabscheider für Kältemittelkreisläufe gelöst, welcher einen Behälter mit einem Eingang für das Zweiphasengemisch und mit einem Ausgang für den Kältemitteldampf umfasst, wobei ein Prallblech als Abscheider im oberen Teil des Kältemittelakkumulators vorgesehen ist. Das Prallblech weist erfindungsgemäß Mitteln zum Sammeln des flüssigen Kältemittels auf, über die das flüssige Kältemittel in den unteren Bereich des Kältemittelakkumulators leitbar ist.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zum Sammeln des Kältemittels am unteren Rand des Prallblechs angeordnet. Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zum Sammeln des Kältemittels als Traufe regenrinnenartig ausgebildet. Die Traufe weist vorteilhaft einen Sammelbereich für flüssiges Kältemittel auf und ist zum Sammelbereich hin mit einem Gefälle ausgebildet. Dadurch wird gewährleistet, dass das auf dem Prallblech abgeschiedene flüssige Kältemittel in der Traufe gesammelt und zum Sammelbereich hin infolge Schwerkraft abgeleitet wird.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kältemittelakkumulators ist ein Absaugrohr für den Kältemitteldampf vorgesehen, welches ohne thermischen Kontakt zur Behälterwand hin ausgebildet ist, wobei vorteilhaft der Sammelbereich des Prallblechs mit dem Absaugrohr verbunden ist. Das flüssige Kältemittel gelangt somit über die Mittel zum Sammeln des Kältemittels zum Sammelbereich und von diesem außen am Absaugrohr entlang nach unten in den Bereich des Akkumulators. Besonders vorteilhaft ist es, das Absaugrohr J-förmig auszubilden, wobei die untere Öffnung des Absaugrohrs als Ansaugöffnung ausgestaltet und unterhalb des von oben mit dem Zweiphasengemisch beaufschlagten haubenartigen Prallbleches angeordnet ist.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich dadurch, dass das Prallblech halbkugelförmig, parabolisch oder kegelförmig ausgebildet ist.
• Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass die Absaugung für das gasförmige Kältemittel derart angeordnet wird, dass ein Mitreißen von Kältemitteltröpfchen durch den Kältemitteldampf bereits konstruktiv weitgehend unterbunden wird, und weiterhin darin, dass der den Massestrom erhöhende Wärmeeintrag in das flüssige Kältemittel durch gezieltes Sammeln und Ableiten des flüssiges Kältemittels vermindert wird.
• Der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kältemittelakkumulators lassen sich folgendermaßen umschreiben:
  Der Einlass des Kältemittelakkumulators für das Zweiphasengemisch befindet sich oberhalb des Prallbleches. Die flüssigen Bestandteile des einströmenden Kältemittels prallen auf das regenschirmartige Prallblech und bleiben durch Adhäsionskräfte auf diesem haften. Dadurch trennen sich die beiden Phasen voneinander. Die gasförmige Phase strömt durch den Ringspalt zwischen Prallblech und Behälter in den darunter liegenden Bereich des Behälters, wo die gasförmige Phase unterhalb des haubenartig ausgebildeten Prallbleches wieder abgesaugt wird.
• Die flüssige Phase fließt auf der gewölbten Oberfläche des Prallblechs nach unten in eine Auffang- und Ablaufrinne, welche allgemein als Mittel zum Sammeln von flüssigem Kältemittel bezeichnet werden. Dadurch bildet sich an der unteren Kante des Prallblechs keine Traufe im herkömmlichen Sinne, über welche das flüssige Kältemittel über den ganzen Rand des Prallbleches in den unteren Bereich tropfen würde. Das in der Auffangrinne gesammelte flüssige Kältemittel und flüssige Öl fließt durch die Schräglage des Prallblechs zu einem Schenkel des J-förmigen Absaugrohres. An dieser Stelle ist die Rinne geöffnet, so dass die Flüssigkeit an der äußeren Oberfläche des Absaugrohres anhaftend in den unteren Speicherbereich des Akkumulators abfließen kann, ohne dabei die innere Oberfläche des Behälters zu benetzen. Der Wärmeeintrag in den Akkumulator wird somit gering gehalten, da die Wärme bei niedrigem Kältemittelfüllstand nur noch über die Konvektion in den Akkumulator und nicht mehr über die Kältemittelverdampfung eintreten kann. Somit wird weiterhin verhindert, dass die abtropfende Flüssigkeit den Gasstrom kreuzt und von diesem mit in die Absaugung gerissen werden kann.
• Die Vorteile der Erfindung sind verschiedener Art. Besonders vorteilhaft ist, dass der Flüssigkeitsabscheider einen hohen Abscheidewirkungsgrad aufweist, da sich nach der Phasentrennung die Flüssigkeits- und Gasströme nicht kreuzen. Damit wird wirksam verhindert, dass das Gas- bzw. der Kältemitteldampf, welcher aus dem Kältemittelakkumulator zum Kältemittelverdichter hin austritt, keine Flüssigkeitströpfchen des in den Kältemittelakkumulator einströmenden Zweiphasengemischs aufweist.
• Hierdurch wird die Betriebssicherheit einer Kälteanlage bzw. Wärmepumpe wirksam erhöht, da die Gefahr von Kolbenschlägen durch Flüssigkeitseintritt in den Verdichter wirksam minimiert wird.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der Wärmeeintrag in den Kältemittelakkumulator minimiert wird, weil die innere Behälteroberfläche kein Bestandteil des Flüssigkeitsabscheiders ist und somit über diese Behälteroberfläche kein nennenswerter Wärmeeintrag in das akkumulierte füssige Kältemittel stattfindet.
• Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Lösung spiegeln sich letztlich vorteilhaft in einer Erhöhung der Leistungszahl der Kältemaschine oder Wärmepumpe wider, da sich der Kältemittelmassestrom der Anlage infolge der erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht erhöht.
• Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
• 1: Kältemittelakkumulator mit J-förmigem Absaugrohr im Querschnitt,
• 2a: halbkugelähnliches Prallblech mit Mitteln zum Sammeln des flüssigen Kältemittels,
• 2b: haubenartiges Prallblech mit Mitteln zum Sammeln des flüssigen Kältemittels und
• 2c: kreiskegelartiges Prallblech mit Mitteln zum Sammeln des flüssigen Kältemittels.
• In 1 ist ein Kältemittelakkumulator 1 mit J-förmigem Absaugrohr im Querschnitt dargestellt, der aus einem Behälter 2 besteht, welcher eine obere Begrenzung in Form einer Deckelplatte 10 mit Anschlüssen und eine untere Begrenzung in Form einer Bodenplatte 11 aufweist.
• Die dargestellte Ausgestaltungsform zeigt einen kreiszylindrischen Behälter 2, dessen Oberseite mit einer Deckelplatte 10 verschlossen ist und an dessen unterem Ende eine Bodenplatte 11 den Behälter abschließend vorgesehen ist. Die Deckelplatte 10 weist einen Eingang 3 für das Zweiphasengemisch auf sowie auch einen Anschluss für den Ausgang 9 des Kältemitteldampfes. Der Eingang 3 des Zweiphasengemisches ist etwa mittig an der Deckelplatte 10 angeordnet und das Zweiphasengemisch strömt somit von oben in den Behälter 2 ein. Das einströmende Zweiphasengemisch trifft von oben auf das Prallblech 4, welches in der dargestellten Ausgestaltung haubenartig bzw. halbkugelförmig, regenschirmartig ausgebildet ist. Zwischen dem derart ausgebildeten Prallblech 4 und der Behälterwand bildet sich ein Ringspalt aus.
• Das Prallblech 4 weist an seinem unteren Ende Mittel zum Sammeln des flüssigen Kältemittels 5 in Form einer Traufe 5 auf. Die Traufe 5 ist regenrinnenartig ausgestaltet, so dass das flüssige Kältemittel durch die regenrinnenartige Randgestaltung nicht unkontrolliert am Rand des Prallbleches 4 abtropft. Die regenrinnenartige Traufe 5 ist abfallend am Prallblech 4 umlaufend angeordnet und weist am unteren Ende einen Sammelbereich 6 für das flüssige Kältemittel auf. Der Sammelbereich 6 für das flüssige Kältemittel 6 steht in Verbindung mit dem Absaugrohr 7.
• Das Absaugrohr 7 ist mit Ausnahme vom Anschluss am Ausgang 9 für den Kältemitteldampf nicht mit dem Behälter 2 kontaktiert, um das Absaugrohr 7 thermisch vom Behälter weitgehend zu trennen und damit den Wärmeeinfall in das flüssige Kältemittel zu minimieren.
• Das Absaugrohr 7 ist J-artig ausgebildet und weist an seinem oberen Ende den Ausgang 9 für den Kältemitteldampf in der Deckelplatte 10 des Behälters 2 auf und an seinem unteren Ende die Ansaugöffnung 8, welche im Inneren des haubenartigen Prallblechs 4 angeordnet ist. Das Zweiphasengemisch strömt somit vom Eingang 3 für das Zweiphasengemisch auf das Prallblech 4. Auf dem Prallblech 4 werden die Flüssigkeitströpfchen aus dem Gemisch abgeschieden, welche nach dem Benetzen des Prallblechs 4 zum unteren Ende des Prallblechs 4 hin fließen und am unteren Ende des Prallblechs 4 von den Mitteln zum Sammeln des flüssigen Kältemittels 5, der regenrinnenartigen Traufe 5, aufgenommen werden. In der Traufe 5 fließt dann aufgrund des Gefälles das flüssige Kältemittel zum Sammelbereich für das flüssige Kältemittel 6, wo sich die flüssigen Bestandteile des Zweiphasengemisches somit zunächst separieren und konzentrieren.
• Der Sammelbereich 6 für flüssiges Kältemittel steht in Kontakt mit dem Absaugrohr 7, so dass das flüssige Kältemittel über das Prallblech 4, die Traufe 5 und den Sammelbereich 6 für das flüssige Kältemittel hin zum Absaugrohr 7 strömt. Über die Verbindung zwischen Sammelbereich 6 für das flüssige Kältemittel und Absaugrohr 7 fließt das flüssige Kältemittel außen am Absaugrohr 7 hinunter zum Kältemittelakkumulatorbereich.
• Besonders vorteilhaft wird dadurch erreicht, dass das flüssige Kältemittel nicht an der relativ warmen Akkumulatoraußenwand entlang in den Speicherbereich hinabläuft, sondern an dem relativ kalten, vom Kältemitteldampf zum Verdichter hin durchströmten Absaugrohr 7 hinab läuft. Hierdurch wird der Kältemittelmassestrom nicht zusätzlich durch verdampfendes Kältemittel erhöht und die Effizienz des Kälteprozesses ist somit höher als bei anderen Kältemittelakkumulatorkonzeptionen.
• In 2a bis c sind beispielhaft verschiedene Ausgestaltungen von Prallblechen 4 dargestellt. Die Prallbleche sind somit haubenartig ausgestaltet und weisen gemäß der sie vereinigenden erfinderischen Konzeption regenrinnenartige Traufen als Mittel zum Sammeln 5 des auf dem Prallblech 4 abgeschiedenen flüssigen Kältemittels auf. Gemäß den dargestellten Kurven zeigt 2a eine halbkugelförmige Ausgestaltung des Prallblechs 4. In 2b ist eine parabolische Form und in 2c eine kreiskegelförmige Form des Prallblechs 4 dargestellt. Die erfindungswesentliche Gemeinsamkeit besteht zwischen den einzelnen Ausgestaltungen darin, dass Mittel zum Sammeln und Ableiten 5 von flüssigem Kältemittel an den Prallblechen 4 vorgesehen sind. Dadurch wird verhindert, dass das auf dem Prallblech 4 abgeschiedene flüssige Kältemittel unmittelbar am Rand des Prallbleches 4 abtropft und bei entsprechend ungünstigen Strömungsverhältnissen vom Kältemitteldampf als Tropfen mitgerissen wird.
• LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1

Kältemittelakkumulator

2

Behälter

3

Eingang Zweiphasengemisch

4

Prallblech

5

Traufe; Mittel zum Sammeln des flüssigen Kältemittels

6

Sammelbereich für flüssiges Kältemittel

7

Absaugrohr

8

Ansaugöffnung

9

Ausgang Kältemitteldampf

10

Deckelplatte

11

Bodenplatte

Claims (10)

1. Kältemittelakkumulator mit Flüssigkeitsabscheider (1) für Kältemittelkreisläufe, umfassend einen Behälter (2) mit einem Eingang (3) für das Zweiphasengemisch und einem Ausgang (9) für den Kältemitteldampf, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prallblech (4) als Abscheider im oberen Teil des Kältemittelakkumulators (1) vorgesehen ist, wobei das Prallblech (4) Mittel zum Sammeln (5) des flüssigen Kältemittels aufweist, über die das flüssige Kältemittel in den unteren Bereich des Kältemittelakkumulators (1) leitbar ist.
2. Kältemittelakkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Sammeln (5) des Kältemittels am unteren Rand des Prallblechs (4) angeordnet sind.
3. Kältemittelakkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Sammeln des Kältemittels als Traufe (5) regenrinnenartig ausgebildet sind.
4. Kältemittelakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Traufe (5) einen Sammelbereich (6) für flüssiges Kältemittel aufweist und dass die Traufe (5) zum Sammelbereich (6) hin mit Gefälle ausgebildet ist.
5. Kältemittelakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absaugrohr (7) für den Kältemitteldampf vorgesehen ist, welches ohne thermischen Kontakt zur Behälterwand hin ausgebildet ist.
6. Kältemittelakkumulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbereich (6) des Prallblechs (4) mit dem Absaugrohr (7) verbunden ist.
7. Kältemittelakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (7) J-förmig ausgebildet ist, wobei die untere Öffnung des Absaugrohrs (7) als Ansaugöffnung (8) ausgebildet und unterhalb des von oben mit dem Zweiphasengemisch beaufschlagten Prallbleches (4) angeordnet ist.
8. Kältemittelakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallblech (4) halbkugelförmig ausgebildet ist.
9. Kältemittelakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallblech (4) kegelförmig ausgebildet ist.
10. Kältemittelakkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prallblech (4) parabolisch ausgebildet ist.