DE102006002018A1

DE102006002018A1 - Plattenwärmeübertrager nach dem Gegenstromprinzip

Info

Publication number: DE102006002018A1
Application number: DE102006002018A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Ramming
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager, bestehend aus weitgehend parallel angeordneten Platten oder plattenförmigen Segmenten (1, 1'), die als Plattenzwischenräume (11) von Fluiden durchströmbare, nicht horizontal verlaufende Bereiche begrenzen, wobei abwechselnd jeweils ein von Fluiden durchströmbarer Bereich mit mindestens einem tiefliegenden Flüssigkeitseinlass (2) und einem hochliegenden Flüssigkeitsauslass (3) und ein von Fluiden durchströmbarer Bereich mit mindestens einem tiefliegenden Auslass (4) für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden ist, wobei jeweils die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, die mit einem tiefliegenden Auslass (4) für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich über Mittel (6, 6', 6'', 7, 7', 7'') verfügen, die den Einlass eines Gases ohne Druckverlust und den Einlass einer Flüssigkeit in fein zerstäubter Form ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager nach dem Gegenstromprinzip. Der Plattenwärmeübertrager ist gleichermaßen geeignet, Wärmeenergie in einen Fluidkreislauf einzuspeisen oder Wärmeenergie aus einem Fluidkreislauf abzuführen. Derartige Plattenwärmeübertrager sind für eine Verwendung in Anlagen zur Temperierung von Innenräumen, insbesondere in Heizungsanlagen mit reversiblen Wärmepumpen, geeignet.

Heizungsanlagen mit zirkulierenden Fluiden arbeiten in der Regel mit mehreren geschlossenen oder offenen Fluidkreisläufen, die voneinander entkoppelt sind. Zwischen diesen Fluidkreisläufen muss eine Energieübertragung vorgenommen werden, die möglichst effektiv und verlustarm erfolgen soll. Dieser Energieübertragung dienen in Heizungsanlagen integrierte Wärmeübertrager. In Wärmeübertragern durchströmen die Fluide der entkoppelten Kreisläufe eng benachbarte Strömungswege, die durch wärmeleitfähige Materialien voneinander getrennt sind. Die Strömungswege sind in der Regel so ausgestaltet, dass sich ein möglichst großflächiger Kontaktbereich zwischen den Fluiden und den wärmeleitfähigen Materialien ergibt. Die Wärmeübertragung wird gelegentlich dadurch intensiviert, dass sich zumindest in einem der Fluide durch die Energieübertragung ein Phasenübergang vollzieht.

In Heizungsanlagen mit Wärmepumpe ermöglicht ein Wärmeübertrager die Einspeisung der durch die Wärmepumpe gewonnenen Energie in den Heizungskreislauf. In Anlagen mit reversiblen Wärmepumpen können Räume nicht nur beheizt, sondern auch gekühlt werden. Für den Kühlbetrieb muss der Wärmeübertrager in der Lage sein, Energie aus dem Heizungskreislauf in ein niedrig temperiertes Kältemittel einzuspeisen.

Stand der Technik

Als Wärmeübertrager in Heizungsanlagen mit Wärmepumpen haben sich Plattenwärmeübertrager weitgehend etabliert. Diese umfassen flächige fluiddurchströmte Bereiche, die durch wärmeleitfähige Platten voneinander getrennt sind. Die fluiddurchströmten Bereiche können im Gegenstrom oder Gleichstrom durchströmt werden, wobei im Gegenstrom eine wesentlich effektivere Energieübertragung erfolgen kann. In den flächigen fluiddurchströmten Bereichen wird in der Regel eine Verdampfung beziehungsweise Verflüssigung eines Kältemittels vorgenommen. Die Montage der Plattenwärmeübertrager erfolgt aus Gründen eines gleichmäßigen Betriebes und einer einfach vorzunehmenden Entlüftung zumeist in steiler bis senkrechter Position, wobei die fluiddurchströmten Bereiche jeweils durch hoch- bzw. tiefliegende Ein- und Auslässe gespeist werden.

Bei reversiblen Wärmepumpen wird für den Kühlbetrieb ein Teil des Kältekreises beispielsweise über ein Vierwege-Ventil umgeleitet, damit die während des Heizbetriebes als Verdampfer wirkende Baugruppe als Verflüssiger und die während des Heizbetriebes als Verflüssiger wirkende Baugruppe als Verdampfer wirken können. Dadurch ändert sich im Leitungssystem die Fließrichtung des Kältemittels. Die Fließrichtung der als Wärmeträger im Heizkreislauf wirkenden Flüssigkeit wird jedoch häufig wegen des zu großen Installationsaufwandes für zusätzliche Ventile und Klappen nicht umgekehrt. Dadurch ergibt sich vor allem in preiswerten Kleinanlagen, die vorrangig für den Heizbetrieb optimiert sind, im Falle des Kühlbetriebes im Wärmeübertrager zwischen Heiz- und Kältekreis der ungünstigere Gleichstrombetrieb. Daraus erwachsen eine Reihe von Nachteilen.

Zunächst ergibt sich ein wesentlich geringerer Gütegrad im Kühlbetrieb. Bisher bekannte reversible Wärmepumpen zeigen im Heizbetrieb erwartungsgemäße Leistungszahlen, beispielsweise bei Luft/Wasser-Wärmepumpen etwa 3,3. Im Kühlbetrieb werden jedoch die für vergleichbare Kältemaschinen üblichen Leistungszahlen durch den nachteiligen Gleichstrombetrieb des Wärmetauschers nicht erreicht. So werden im Heizbetrieb Gütegrade um 0,5 erreicht, während im Kühlbetrieb lediglich Gütegrade um 0,3 erreicht werden.

Ein weiterer Nachteil zahlreicher herkömmlicher Plattenwärmeübertrager besteht darin, dass es beim Einsatz des Plattenwärmeübertragers als Verflüssiger notwendig ist, Heißgas oben über einen hochliegenden Einlass zuzuführen und entstehendes Kältemittelkondensat unten über einen tiefliegenden Auslass abzuziehen. Im Verdampferbetrieb wird das flüssige Kältemittel unten zugeführt und verdampftes Kältemittel oben abgesaugt. Es wurde in der Regel vermieden, flüssiges Kältemittel von oben zuzuführen, da es teilweise zu schnell in Richtung Auslass fallen oder fließen würde und nicht vollständig verdampft werden könnte. Zudem birgt flüssiges Kältemittel, welches den Wärmeübertrager unverdampft passiert, die Gefahr, den dem Wärmeübertrager nachgeschalteten Verdichter zu beschädigen.

Dieser Gefahr wird dadurch begegnet, dass das Kältemittel vor dem Verdichter überhitzt wird. Dazu muss im Kühlbetrieb am Verdampfer, wenn er im Gleichstrombetrieb gefahren wird, bei einer relativ niedrigen Temperatur und somit einem niedrigen Druck verdampft werden, was wiederum zu einer Verschlechterung der Leistungszahlen führt.

Es sind Plattenwärmeübertrager bekannt, bei denen flüssiges Kältemittel im oberen Bereich zugeführt wird ( DE 35 11 829 A1 ). Das erfolgt, indem das Kältemittel über eine Vernebelungsdüse in eine Gaskammer eingeleitet wird, von wo es fein zerstäubt zwischen die einzelnen Platten des Wärmeübertragers geleitet wird. Zum Schutz des Verdichters wird das verdampfte Kältemittel nach der Passage des Plattenwärmeübertragers zunächst über einen Auffangbehälter mit einem Kältemittelsumpf geführt, bevor es in die zum Verdichter führende Leitung gesaugt wird. Diese Konstruktion ist relativ aufwändig. Die Gaskammer und der Auffangbehälter mit dem Kältemittelsumpf erhöhen zudem die Baugröße der Wärmeübertragereinheit wesentlich. Dadurch geht der Vorteil der kompakten Bauform herkömmlicher Plattenwärmeübertrager weitgehend verloren. Ein weiterer Nachteil derartiger Konstruktionen besteht in der Notwendigkeit, den Kältemittelsumpf zyklisch zu entleeren, was bei außer Betrieb gesetzter Wärmepumpe erfolgt.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leistungsfähigen und kompakten Plattenwärmeübertrager anzugeben, der in jedem Betriebsmodus einer reversiblen Wärmepumpe im Gegenstrombetrieb gefahren werden kann, ohne die Fließrichtung der als Wärmeträger im Heizkreislauf wirkenden Flüssigkeit bei einem Wechsel der Betriebsart umkehren zu müssen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Plattenwärmeübertrager mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Ansprüche 2 bis 12 geben vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers an.

Die Erfindung geht davon aus, dass es möglich ist, einen steil oder senkrecht stehenden Plattenwärmeübertrager gleichermaßen als Kältemittelverdampfer und als Kältemittelverflüssiger einzusetzen und das Kältemittel in beiden Betriebsmodi von oben einzulassen, ohne die Bauform des Plattenwärmeübertragers gegenüber herkömmlichen Typen vergrößern zu müssen.

Die Erfindung beruht auf einem Plattenwärmeübertrager, bestehend aus weitgehend parallel angeordneten Platten, die von Fluiden durchströmbare, nicht horizontal verlaufende Bereiche begrenzen, wobei abwechselnd jeweils ein von Fluiden durchströmbarer Bereich mit mindestens einem tiefliegenden Flüssigkeitseinlass und einem hochliegenden Flüssigkeitsauslass und ein von Fluiden durchströmbarer Bereich mit mindestens einem tiefliegenden Auslass für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden ist, bei dem jeweils die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, welche mit einem tiefliegenden Auslass für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich über Mittel verfügen, die den Einlass eines Gases ohne Druckverlust und den Einlass einer Flüssigkeit in fein zerstäubter Form ermöglichen. Dadurch ist es möglich, die von Kältemittel durchströmten Bereiche des Plattenwärmeübertragers unabhängig von der Betriebsart immer in gleicher Richtung durchströmen zu lassen. Nur die Geometrie des jeweiligen Kältemitteleinlasses ist dem Aggregatzustand des einzulassenden Kältemittels angepasst. Als weitgehend parallel angeordnete Platten im Sinne der Erfindung sind auch plattenförmige Segmente anzusehen, die durch Aneinanderreihung und Verbindung die Ausbildung eines Plattenwärmeübertragers mit entsprechenden Plattenzwischenräumen ermöglichen.

Vorteilhafterweise weisen die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, die mit einem tiefliegenden Auslass für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich einen Heißgaseinlass mit großem Strömungsquerschnitt auf. Durch diesen Heißgaseinlass erfolgt der Einlass eines gasförmigen Kältemittels, wenn im Plattenwärmeübertrager dessen Verflüssigung erfolgen soll, wodurch dem Kältemittel Energie entzogen werden kann, was typischerweise im Heizbetrieb einer Wärmepumpe der Fall ist. Der Einlass des Kältemittels erfolgt in diesem Modus weitgehend ohne Druckverlust.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, die mit einem tiefliegenden Auslass für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich eine Düsenanordnung als Einlass für eine zu zerstäubende Flüssigkeit aufweisen. Durch diese Düsenanordnung erfolgt der Einlass eines flüssigen fein zerstäubten Kältemittels, wenn im Plattenwärmeübertrager dessen Verdampfung erfolgen soll, wodurch dem Kältemittel Energie zugeführt werden kann, was typischerweise im Kühlbetrieb einer Wärmepumpe der Fall ist. Die dem Kältemittel zugeführte Energie wird dabei an anderer Stelle an die Umwelt abgegeben.

Die feine Zerstäubung des Kältemittels verhindert ein zu schnelles Absinken des Kältemittels in den tiefliegenden Bereich des Kältemittelauslasses und sorgt für eine optimale Benetzung der den durchströmten Bereich begrenzenden Platten, wodurch eine effektive Energieübertragung und bei ausreichender Dimensionierung eine vollständige Verdampfung des Kältemittels erfolgen kann. Es hat sich gezeigt, dass bei ausreichend feiner Zerstäubung und genauer Dosierung des eingeleiteten Kältemittels auf eine separate Gaskammer und einen Auffangbehälter mit Kältemittelsumpf verzichtet werden kann. Dadurch ändert sich die Baugröße eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers gegenüber einem herkömmlichen Plattenwärmeübertrager praktisch nicht. Eine Belastung des dem Wärmeübertrager nachgeschalteten Verdichters durch angesaugte Flüssigkeit tritt dennoch nicht auf.

Erfindungsgemäße Plattenwärmeübertrager sind besonders gut zu optimieren, wenn die eingeleiteten Fluide unabhängig von ihrem Aggregatzustand beim Einströmen in den zu durchströmenden Bereich stets auf die gleiche oder zumindest eine ähnliche Strömungsgeometrie treffen. Das ist automatisch gegeben, wenn der Heißgaseinlass mit großem Strömungsquerschnitt und die Düsenanordnung als Einlass für eine zu zerstäubende Flüssigkeit dicht benachbart, jedoch separat angeordnet sind. Besonders vorteilhaft und ohne großen Aufwand realisierbar ist eine Bauform eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers, in dem der Heißgaseinlass mit großem Strömungsquerschnitt und die Düsenanordnung als Einlass für eine zu zerstäubende Flüssigkeit unmittelbar benachbart verlaufen und lediglich durch eine Trennwand voneinander getrennt sind.

Eine besonders leistungsfähige Ausführungsform ergibt sich, wenn der Heißgaseinlass mit großem Strömungsquerschnitt und die Düsenanordnung als Einlass für eine zu zerstäubende Flüssigkeit so ausgeführt sind, dass die Flüssigkeit fein zerstäubt in den Heißgaseinlass eingeleitet wird, bevor sie von dort in die von einem Fluid durchströmbaren Bereiche gelangt. Auf diese Weise übernimmt der Heißgaseinlass die Funktion einer vorgelagerten Gaskammer, ohne die Baugröße des Plattenwärmeübertragers zu erhöhen. Diese Variante lässt sich besonders vorteilhaft realisieren, wenn die Düsenanordnung eine koaxiale Zerstäubungslanze ist, die im Inneren eines durch den Plattenwärmeübertrager führenden Kanals ist, in dessen Wandung sich Öffnungen für die Einleitung von Heißgas oder fein zerstäubter Flüssigkeit in die vom jeweiligen Fluid zu durchströmenden Bereiche befinden.

Die Leistungsfähigkeit eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers lässt sich deutlich steigern, wenn die weitgehend parallel angeordneten Platten, welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, oberflächenvergrößernd strukturiert sind. Diese Strukturierung kann mit Vorteil so ausgestaltet werden, dass die Strukturen gleichzeitig strömungsleitend wirken, was zu besonders stabilen und gut reproduzierbaren Ergebnissen führt und der Ausbildung einer gleichmäßigen Durchströmung des gesamten Wärmeübertragers dient.

Obwohl bereits durch eine ausreichend feine Zerstäubung des Kältemittels und die richtige Dimensionierung des Plattenwärmübertragers eine hohe Funktionssicherheit, besonders im Hinblick auf eventuelle Beschädigungen eines nachgeschalteten Verdichters, gegeben ist, kann diese Funktionssicherheit weiter erhöht werden, wenn die weitgehend parallel angeordneten Platten, welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, so strukturiert sind, dass ein freier Fall eines Tropfens von einem hochliegenden Fluideinlass zu einem tiefliegenden Auslass sicher verhindert wird. Das kann durch eine Strukturierung bewirkt werden, die eine optische Durchsicht durch den zu durchströmenden Bereich vollständig verhindert, beispielsweise wenn die weitgehend parallel angeordneten Platten, welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, so strukturiert sind, dass sie konkave und konvexe Bereiche aufweisen, wobei die konvexen Bereiche einer Platte so weit in konkave Bereiche der jeweils benachbarten Platte hineinragen, dass ein freier Fall eines Tropfens von einem hochliegenden Einlass zu einem tiefliegenden Auslass sicher verhindert wird. Die auf diese Weise wellenförmig strukturierten Platten sind somit in einem Abstand zueinander angeordnet, der kleiner als die Amplitude der Wellenstruktur ist.

Ein besonders prädestiniertes Anwendungsgebiet der Erfindung findet sich in Anlagen zur Temperierung von Innenräumen, die mit einer reversiblen Wärmepumpe arbeiten. Für die in derartigen Anlagen benötigten Wärmeübertrager sind die erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager in hervorragender Weise geeignet. Insbesondere die Ausführungsform mit koaxialer Zerstäubungslanze eignet sich zudem sehr gut für eine Nachrüstung bestehender Anlagen, da eine koaxiale Zerstäubungslanze nachträglich im Heißgaseinlass herkömmlicher Plattenwärmeübertrager installiert werden kann, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen.

Ausführungsbeispiel
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Segmentes eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers mit neben einem Heißgaseinlass angeordneter Düsenanordnung,
2 eine schematische Darstellung eines Segmentes eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers mit durch eine Trennwand von einer Düsenanordnung abgetrennten Heißgaseinlass,
3 eine schematische Darstellung eines Segmentes eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers mit einer koaxialen Zerstäubungslanze in einem Heißgaseinlass,
4 eine seitliche Schnittdarstellung zweier Segmente eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers,
5 ein Anschlussschema einer Heizungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager mit Strömungsverlauf im Heizbetrieb,
6 ein Anschlussschema einer Heizungsanlage mit einem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager mit Strömungsverlauf im Kühlbetrieb,
7a, 7b Wärmeübertrager-Diagramme im Gleichstrom- und Gegenstrombetrieb.
Der erfindungsgemäße Plattenwärmeübertrager besteht aus einem Stapel plattenförmiger Segmente, die in einem Abstand zueinander angeordnet und in ihrem Randbereich fluiddicht miteinander verbunden sind. Durch den Stapel führen Kanäle, die jeweils alternierend mit jedem zweiten Plattenzwischenraum, von denen jeder einen von Fluiden durchströmbaren Bereich im Sinne der Erfindung darstellt, in Verbindung stehen. Die Kanäle sind auf einer Seite der Anordnung mit entsprechenden Verbindungsmitteln ausgestattet, um eine leckfreie Montage in einer Heizungsanlage zu ermöglichen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines plattenförmigen Segmentes 1 eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers mit neben einem Heißgaseinlass angeordneter Düsenanordnung. Vor dem plattenförmigen Segment 1 verläuft der Kältemittelstrom, hinter dem plattenförmigen Segment 1 verläuft der Strom der als Wärmeträger im Heizkreislauf wirkenden Flüssigkeit. Dementsprechend sind ein Kanal, der als mit einem Heizwasserrücklauf verbundener tiefliegender Flüssigkeitseinlass 2 dient, und ein Kanal, der als mit einem Heizwasservorlauf verbundener hochliegender Flüssigkeitsauslass 3 dient, vor dem plattenförmigen Segment 1 ohne Öffnungen dargestellt.
Des Weiteren umfasst die Anordnung einen weiteren Kanal als tiefliegenden Auslass 4 für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel. Dieser weist einen durchbrochenen Wandbereich 5 auf, durch welchen das Kanalinnere mit dem Plattenzwischenraum vor dem dargestellten plattenförmigen Segment 1 in Verbindung steht. Somit ist eine kontinuierliche Absaugung des flüssigen oder gasförmigen Kältemittels durch den Kanal möglich.
Im oberen Bereich weist die Anordnung zwei weitere Kanäle 6, 7 auf, deren Wandungen über Öffnungen verfügen, wodurch das Kanalinnere mit dem Plattenzwischenraum vor dem dargestellten plattenförmigen Segment 1 in Verbindung steht. Ein Kanal 6 weist zahlreiche Öffnungen 8 mit insgesamt großem Strömungsquerschnitt auf, wodurch ein druckverlustfreies Einströmen eines gasförmigen Kältemittels in den Plattenzwischenraum möglich ist. Dieser Kanal 6 dient in an sich bekannter Weise als Heißgaseinlass im Heizbetrieb. Unmittelbar neben diesem Kanal 6 ist der zweite Kanal 7 angeordnet, der lediglich über feine Sprühdüsen 9 mit dem Plattenzwischenraum in Verbindung steht. Über diesen Kanal 7 ist der Einlass einer Flüssigkeit in fein zerstäubter Form möglich. Dieser Kanal wird als Kältemitteleinlass im Kühlbetrieb benutzt. Die feine Zerstäubung des Kältemittels verhindert ein schnelles Absinken des Kältemittels in den tiefliegenden Bereich des Plattenzwischenraumes in die Nähe des Kältemittelauslasses 4 und sorgt für eine optimale Benetzung der den durchströmten Bereich begrenzenden Platten, wodurch eine effektive Energieübertragung und bei ausreichender Dimensionierung eine vollständige Verdampfung des Kältemittels erfolgen kann.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Segmentes 1 eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers mit durch eine Trennwand 10 von einer Düsenanordnung abgetrenntem Heißgaseinlass. In dieser Anordnung ist der Abstand zwischen den beiden Kältemitteleinlässen weiter verringert worden. Die separaten Kanäle 6, 7 gemäß 1 sind durch einen Kanal mit größerem Querschnitt ersetzt worden. Dieser Kanal wird durch eine ebene Trennwand 10 in zwei getrennte Bereiche 6', 7' unterteilt, von denen jeder mit einer separaten Medienzuleitung (nicht dargestellt) verbunden ist. Jeder Bereich 6', 7' steht mit dem Plattenzwischenraum vor dem dargestellten plattenförmigen Segment 1 in Verbindung, wobei diese Verbindung über Öffnungen unterschiedlicher Geometrie erfolgt. Der erste Bereich 6' weist zahlreiche Öffnungen 8 mit insgesamt großem Strömungsquerschnitt auf, wodurch ein druckverlustfreies Einströmen eines gasförmigen Kältemittels in den Plattenzwischenraum möglich ist. Dieser Bereich dient als Heißgaseinlass im Heizbetrieb. Der zweite Bereich 7' steht über feine Sprühdüsen 9 mit dem Plattenzwischenraum in Verbindung. Über diesen Bereich ist der Einlass einer Flüssigkeit in fein zerstäubter Form möglich, was die Nutzung als Kältemitteleinlass im Kühlbetrieb ermöglicht.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Segmentes eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers mit einer koaxialen Zerstäubungslanze 7'' in einem Heißgaseinlass. Der Heißgaseinlass ist analog zum Ausführungsbeispiel in 2 als Kanal mit gegenüber den restlichen Ein- und Auslässen 2, 3, 4 vergrößertem Querschnitt ausgeführt, der zahlreiche Öffnungen 8 mit insgesamt großem Strömungsquerschnitt aufweist, wodurch ein druckverlustfreies Einströmen eines gasförmigen Kältemittels in den Plattenzwischenraum möglich ist. Alternativ ist auch ein Heißgaseinlass ohne vergrößerten Querschnitt möglich.
Im als Heißgaseinlass fungierenden Kanal ist eine koaxiale Zerstäubungslanze 7'' angeordnet, deren Inneres über feine Zerstäubungsdüsen 9 mit dem Inneren des Kanals in Verbindung steht. Die Zerstäubungsdüsen 9 können entweder als sehr kleine Bohrungen oder als extra einzusetzende Düsen ausgeführt sein. Wird im Kühlbetrieb ein flüssiges Kältemittel in fein zerstäubter Form eingelassen, so erfolgt dieser Einlass zunächst in den Kanal 6'', der im Heizbetrieb als Heißgaseinlass benutzt wird. Auf diese Weise übernimmt der Heißgaseinlass die Funktion einer vorgelagerten Gaskammer, ohne die Baugröße des Plattenwärmeübertragers zu erhöhen. Das fein zerstäubte Kältemittel wird über die Öffnungen 8 in der Wandung des die Zerstäubungslanze umgebenden Kanals 6'' in die entsprechenden Plattenzwischenräume geleitet.
4 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung zweier Segmente 1, 1' eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers, die einen von Kältemittel durchströmten Plattenzwischenraum 11 begrenzen. Die weitgehend parallel angeordneten Platten sind so strukturiert, dass sie konkave und konvexe Bereiche aufweisen, wobei die konvexen Bereiche einer Platte so weit in konkave Bereiche der jeweils benachbarten Platte hineinragen, dass ein freier Fall eines Tropfens von einem hochliegenden Einlass zu einem tiefliegenden Auslass sicher verhindert wird. Die auf diese Weise wellenförmig strukturierten Platten sind somit in einem Abstand zueinander angeordnet, der kleiner als die Amplitude der Wellenstruktur ist. Dadurch wird ein freier Fall eines Tropfens von einem hochliegenden Fluideinlass zu einem tiefliegenden Auslass sicher verhindert. Dieser die Betriebssicherheit erhöhende Effekt kann auch durch eine andere Strukturierung, die eine optische Durchsicht durch den vom Kältemittel zu durchströmenden Bereich vollständig verhindert, bewirkt werden.
Die wellenförmige Strukturierung der einzelnen plattenförmigen Segmente dient gleichzeitig der Oberflächenvergrößerung und bei entsprechender Ausrichtung der Strömungsleitung.
5 zeigt ein Anschlussschema einer Heizungsanlage mit einer reversiblen Wärmepumpe und einem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager 12 mit Strömungsverlauf (dargestellt durch gestrichelte Pfeile) im Heizbetrieb. Ein Kältemittel, welches in einem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager 13 in Kontakt zu einem Bezugsreservoir verdampft, wird über ein Mehrwegeventil 14 einem Verdichter 15 zugeleitet und komprimiert, wodurch sich seine Temperatur erhöht. Dieses nunmehr als Heißgas zu bezeichnende Kältemittel durchströmt zunächst einen Wärmeübertrager 16, welcher der Warmwasserbereitung dient. Anschließend wird es über ein Mehrwegeventil 17 dem Heißgaseinlass eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers 12 zugeleitet, in welchem ein großer Teil der im Heißgas gespeicherten Energie auf einen Heizkreislauf für die Beheizung von Innenräumen übertragen wird. Dabei erfolgt die Rückverflüssigung des Kältemittels. Das nunmehr flüssige Kältemittel wird am Kältemittelauslass abgesaugt und über ein Expansionsventil 18 geleitet, wobei sich seine Temperatur weiter verringert, bevor es erneut dem als Verdampfer wirkenden Wärmeübertrager 13 in Kontakt zu einem Bezugsreservoir zugeleitet wird und Energie aus dem Bezugsreservoir aufnehmen kann. Als Bezugsreservoir dient beispielsweise eine auf Außen- oder Bodentemperatur befindliche große Wassermenge.
6 zeigt ein Anschlussschema einer Heizungsanlage mit einer reversiblen Wärmepumpe und einem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager 12 mit Strömungsverlauf (dargestellt durch gestrichelte Pfeile) im Kühlbetrieb. Ein gasförmiges Kältemittel, welches in einem als Verflüssiger wirkenden Wärmeübertrager 13 in Kontakt zu einem Bezugsreservoir kondensiert, wird über ein Expansionsventil 19 abgekühlt und einem hochliegenden Einlass eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers 12, in welchen der Einlass in fein zerstäubter Form erfolgt, zugeleitet. Im Plattenwärmeübertrager 12 besteht Wärmekontakt zu einem in diesem Fall als Kühlkreis wirkenden Heiz-/Kühlkreis einer Heizungsanlage. Durch Energieübertragung vom Kühlkreis auf das fein zerstäubte Kältemittel erfolgt dessen Erwärmung und Verdampfung. Das nunmehr wieder gasförmige Kältemittel wird am tiefliegenden Kältemittelauslass abgesaugt und über ein Mehrwegeventil 14 einem Verdichter zugeführt und komprimiert, wodurch sich seine Temperatur weiter erhöht. Anschließend erfolgt eine Durchleitung durch einen Wärmeübertrager 16, welcher der Warmwasserbereitung dient, bevor es erneut dem als Verflüssiger wirkenden Wärmeübertrager 13 in Kontakt zu einem Bezugsreservoir zugeleitet wird und Energie an das Bezugsreservoir abgeben kann.
Die dargestellte Anlage enthält zusätzliche Mehrwege-Ventile 14, 17 und ein zusätzliches Expansionsventil 19 bei ansonsten mit herkömmlichen Anlagen vergleichbarem Installationsaufwand. Die Fließrichtung des Kältemittels ist automatisch steuerbar. Der Verdichter 15 kann seine Förderrichtung in beiden Betriebsmodi beibehalten und die Richtung der Durchströmung des Plattenwärmeübertragers 12 ändert sich in keinem der Fluidkreisläufe, wodurch er stets im Gegenstrombetrieb gefahren werden kann.
Die 7a und 7b zeigen Wärmeübertrager-Diagramme im Gleichstrom (7a) – und im Gegenstrombetrieb (7b) in relativen Einheiten. Die Wärmeübertragerdiagramme stellen den Temperaturverlauf des Kältemittels des im Heiz-/Kühlkreis befindlichen Heizungswassers im Kühlbetrieb über der übertragenen Energiemenge dar. Charakteristische Temperaturen sind:
t_VL Vorlauftemperatur
t_RL Rücklauftemperatur
des Heizungswassers sowie
t₀ Verdampfungstemperatur
t_SG Sauggastemperatur
des Kältemittels.
Für den sicheren Betrieb des notwendigerweise enthaltenen Verdichters wird das Kältemittel nach der Verdampfung noch etwa um 5 K überhitzt. Dadurch wird auch bei relativ unstrukturierten plattenförmigen Segmenten sichergestellt, dass keine Flüssigkeitstropfen mitgerissen werden, die zu Flüssigkeitsschlägen und somit zu Beschädigungen des Verdichters führen würden.
Es ist ersichtlich, dass beim Gegenstrombetrieb die Verdampfungstemperatur t₀ wesentlich höher liegen kann als im Gleichstrombetrieb. Je höher die Verdampfungstemperatur liegt, desto höher ist der Verdampfungsdruck und desto niedriger ist die erforderliche Verdichtungsarbeit, um vom Verdampfungsdruck auf Kondensationsdruck zu gelangen. Pro Kelvin Verdampfungstemperaturanhebung verringert sich der in eine derartige Anlage einzuspeisende Elektroenergiebedarf um etwa 3 %. Die Verdampfungstemperatur kann beim Wechsel von der Gleichstrom- zur Gegenstrombetriebsart ungefähr um den Betrag der Sauggasüberhitzung t_SG – t₀ angehoben werden, was den Strombedarf im Kühlbetrieb um über 10 % verringert und einen entscheidenden Vorteil bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers darstellt.

1: plattenförmiges Segment
1': plattenförmiges Segment
2: tiefliegender Flüssigkeitseinlass
3: hochliegender Flüssigkeitseinlass
4: tiefliegender Auslass für Kältemittel
5: durchbrochener Wandbereich
6: Kanal als Kältemitteleinlass
6': Bereich als Kältemitteleinlass
6'': Kanal als Kältemitteleinlass
7: Kanal als Kältemittelauslass
7': Bereich als Kältemittelauslass
7'': koaxiale Zerstäubungslanze
8: Öffnungen
9: Sprühdüsen/Zerstäubungsdüsen
10: Trennwand
11: Plattenzwischenraum
12: Plattenwärmeübertrager
13: Wärmeübertrager
14: Mehrwegeventil
15: Verdichter
16: Wärmeübertrager
17: Mehrwegeventil
18: Expansionsventil
19: Expansionsventil

Claims

Plattenwärmeübertrager, bestehend aus weitgehend parallel angeordneten Platten oder plattenförmigen Segmenten (1, 1'), die als Plattenzwischenräume (11) von Fluiden durchströmbare, nicht horizontal verlaufende Bereiche begrenzen, wobei abwechselnd jeweils ein von Fluiden durchströmbarer Bereich mit mindestens einem tiefliegenden Flüssigkeitseinlass (2) und einem hochliegenden Flüssigkeitsauslass (3) und ein von Fluiden durchströmbarer Bereich mit mindestens einem tiefliegenden Auslass (4) für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, die mit einem tiefliegenden Auslass (4) für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich über Mittel (6, 6' , 6'', 7, 7', 7'') verfügen, die den Einlass eines Gases ohne Druckverlust und den Einlass einer Flüssigkeit in fein zerstäubter Form ermöglichen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, die mit einem tiefliegenden Auslass (4) für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich einen Heißgaseinlass (6, 6', 6'') mit großem Strömungsquerschnitt aufweisen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die von Fluiden durchströmbaren Bereiche, die mit einem tiefliegenden Auslass (4) für ein gasförmiges oder flüssiges Kältemittel verbunden sind, in ihrem oberen Bereich eine Düsenanordnung (9) als Einlass (7, 7', 7'') für eine zu zerstäubende Flüssigkeit aufweisen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaseinlass (6) mit großem Strömungsquerschnitt und die Düsenanordnung (9) als Einlass (7) für eine zu zerstäubende Flüssigkeit dicht benachbart, jedoch separat angeordnet sind.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaseinlass (6') mit großem Strömungsquerschnitt und die Düsenanordnung (9) als Einlass (7') für eine zu zerstäubende Flüssigkeit unmittelbar benachbart verlaufen und durch eine Trennwand (10) voneinander getrennt werden.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaseinlass (6'') mit großem Strömungsquerschnitt und die Düsenanordnung (9) als Einlass (7'') für eine zu zerstäubende Flüssigkeit so ausgeführt sind, dass die Flüssigkeit fein zerstäubt in den Heißgaseinlass (6'') eingeleitet wird, bevor sie von dort in die von einem Fluid durchströmbaren Bereiche gelangt.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung (9) eine koaxiale Zerstäubungslanze (7'') ist, die im Inneren eines durch den Plattenwärmeübertrager führenden Kanals verläuft, in dessen Wandung sich Öffnungen (8) für die Einleitung von Heißgas oder fein zerstäubter Flüssigkeit in die vom jeweiligen Fluid zu durchströmenden Bereiche befinden.
Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitgehend parallel angeordneten Platten (1, 1'), welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, oberflächenvergrößernd strukturiert sind.
Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitgehend parallel angeordneten Platten (1, 1'), welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, strömungsleitend strukturiert sind.
Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitgehend parallel angeordneten Platten (1, 1'), welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, so strukturiert sind, dass ein freier Fall eines Tropfens von einem hochliegenden Einlass zu einem tiefliegenden Auslass sicher verhindert wird.
Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitgehend parallel angeordneten Platten (1, 1'), welche die von Fluiden durchströmbaren Bereiche begrenzen, so strukturiert sind, dass sie konkave und konvexe Bereiche aufweisen, wobei die konvexen Bereiche einer Platte so weit in konkave Bereiche der jeweils benachbarten Platte hineinragen, dass ein freier Fall eines Tropfens von einem hochliegenden Einlass zu einem tiefliegenden Auslass sicher verhindert wird.
Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmeübertrager (12) mit einer Anlage zur Temperierung von Innenräumen verbunden ist, die mit einer reversiblen Wärmepumpe arbeitet.