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Die Erfindung betrifft einen Plattenverdampfer, insbesondere für einen Kältemittelkreis, wie er als Teil einer Klimaanlage verwendet wird, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Ein üblicher Kältemittelkreis weist einen Kompressor auf, der Kältemittel verdichtet, welches anschließend durch einen Kondensator geleitet wird. Dort wird das Kältemittel entweder kondensiert und im flüssigen Zustand im Ejektor expandiert, oder das überkritische Gas wird nur abgekühlt und im Ejektor entspannt, so daß das Kältemittel nach der Entspannung aus einem Gemisch von überwiegend flüssiger Phase und überwiegend gasförmiger Phase besteht. Diese Phasen werden in einem Separator getrennt, wobei der überwiegend gasförmige Anteil des Kältemittels über einen Verdampfer wieder dem Kompressor zugeführt wird. Der überwiegend flüssige Anteil des Kältemittels wird einem zweiten Verdampfer zugeführt und von dort in den Ejektor gesaugt. Die im Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme kann beispielsweise der Luft entzogen werden, die dann gekühlt in den Fahrzeuginnenraum geleitet wird.
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Es sind auch indirekte Kreisläufe bekannt, bei denen der Verdampfer nicht von der zu kühlenden Luft durchströmt wird, sondern von einem Wärmeübertragungsmedium, das die zum Verdampfen des Kältemittels nötige Energie der zu kühlenden Luft in einem separaten Wärmetauscher entzieht. Das Problem hierbei ist, daß aufgrund des zusätzlichen Wärmeübergangs vom Wärmeübertragungsmedium zum Kältemittel der Wirkungsgrad tendenziell geringer ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdampfer für einen indirekten Kältemittelkreis zu schaffen, der sich durch einen guten Wirkungsgrad auszeichnet, der mindestens so gut ist wie der Wirkungsgrad eines direkten Kältemittelkreises.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Plattenverdampfer vorgesehen, insbesondere für einen Kältemittelkreis, mit einem Vorverdampfer, einem Niedertemperaturverdampfer und einem Nachverdampfer für Kältemittel, die zu einer Baugruppe integriert sind, sowie einem Eingang und einem Ausgang für ein Wärmeübertragungsmedium. Das Wärmeübertragungsmedium strömt dabei durch den Plattenverdampfer bezüglich der Strömungsrichtung des Kältemittels im Plattenverdampfer im Gegenstrom. Dieser Verdampfer beruht auf dem Grundgedanken, das Kältemittel nach der Expansion in einem einzigen kompakten Verdampfer in drei Schritten zu verdampfen. In einem ersten Schritt wird ein Teil des Kältemittels im Vorverdampfer teilweise verdampft. Anschließend wird der überwiegend flüssige Anteil des Kältemittels im Niedertemperaturverdampfer verdampft. Der überwiegend gasförmige Anteil des Kältemittels wird durch den Nachverdampfer geleitet, so daß sich das Kältemittel anschließend in einem vollständig gasförmigen Zustand befindet.
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Ein besonders hoher Wirkungsgrad läßt sich erzielen, wenn die Verdampfer Gegenstrom-Verdampfer sind. Auf diese Weise läßt sich für jeden der verschiedenen Verdichtungsschritte die optimale Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Kältemittel nutzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in den Plattenverdampfer ein Ejektor integriert. Auf diese Weise wird ein separates Bauteil eingespart, das ansonsten separat angeschlossen werden müßte.
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Der Ejektor ist vorzugsweise oberhalb des Niedertemperaturverdampfers angeordnet und weist einen Sauganschluß auf, der unmittelbar mit dem Niedertemperaturverdampfer verbunden ist. Die Integration des Ejektors an dieser Stelle führt zu kurzen Strömungswegen, einem geringen Druckverlust und einer kompakten Bauform.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in den Plattenverdampfer ein Separator integriert, der einen Flüssigphasenausgang und einen Gasphasenausgang aufweist. Dabei ist an den Flüssigphasenausgang der Niedertemperaturverdampfer und an den Gasphasenausgang der Nachverdampfer angeschlossen. Die Verdampfungsarbeit ist also auf drei spezifische Verdampfer aufgeteilt, für die jeder Verdampfer speziell ausgelegt werden kann. Dies gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad.
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Vorzugsweise ist der Separator unterhalb des Vorverdampfers angeordnet. Dies ergibt kurze Strömungswege, da das Kältemittel von dort unmittelbar zum Niedertemperaturverdampfer und zum Nachverdampfer geleitet werden kann.
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Vorzugsweise endet der Plattenblock des Vorverdampfers in einem Abstand von 15 bis 50 mm oberhalb des Bodens des Separators. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand innerhalb des Plattenverdampfers der Raum für die Trennung zwischen der überwiegend gasförmigen und der überwiegend flüssigen Phase des Kältemittels geschaffen werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- - 1 schematisch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreis mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer;
- - 2 schematisch einen Schnitt durch den Verdampfer;
- - 3 schematisch einen Schnitt entlang der Ebene III-III von 2;
- - 4 schematisch einen Schnitt entlang der Ebene IV-IV von 2;
- - 5 schematisch einen Schnitt entlang der Ebene V-V von 2;
- - 6 schematisch einen Schnitt entlang der Ebene VI-VI von 2;
- - 7 schematisch den Strömungsweg des Wärmeübertragungsmediums;
- - 8 schematisch eine Details des Separators;
- - 9 in einer perspektivischen Ansicht ein im Separator verwendetes Schwallblech;
- - 10 in vergrößertem Maßstab den mit dem Ejektor versehenen Bereich des Verdampfers von 2; und
- - 11 einen Schnitt entlang der Ebene XI-XI
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In 1 ist ein Kältemittelkreis 5 gezeigt, der einen elektrisch angetriebenen Kompressor 10, einen Kondensator bzw. Gaskühler 12 und einen Verdampfer 14 aufweist. Der Kondensator bzw. Gaskühler 12 ist mit einem internen Wärmetauscher 13 versehen, mittels dem Wärme vom Kältemittel auf der Hochdruckseite zur Niederdruckseite übertragen werden kann.
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Der Verdampfer 14 weist einen Ejektor 16 auf, mittels dem das im Kältemittelkreis zirkulierende Kältemittel expandiert werden kann. Auf der Niederdruckseite schließt sich an den Ejektor 16 ein Vorverdampfer 18 an, dessen Ausgang mit einem Separator 20 verbunden ist. Der Separator weist einen Gasphasenausgang 22 auf, der mit einem Nachverdampfer 24 verbunden ist. Der Ausgang des Nachverdampfers 24 führt über den internen Wärmetauscher 13 zur Saugseite des Kompressors 10. Der Separator 20 ist weiterhin mit einem Flüssigphasenausgang 26 versehen, an den ein Niedertemperaturverdampfer 28 angeschlossen ist. Der Ausgang des Niedertemperaturverdampfers 28 ist an einen Sauganschluß 30 des Ejektors 16 angeschlossen. Der Separator 20 ist außerdem mit einer Ölrückführung 32 versehen.
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Jeder der Verdampferbereiche 18, 24, 28 des Verdampfers 14 ist an einen Wärmetauscherkreis 34 angeschlossen, der einen Wärmetauscher 36 und eine Pumpe 38 aufweist. Als Wärmeübertragungsmedium im Wärmetauscherkreis 34 kann Wasser und/oder Glykol verwendet werden. Der Wärmetauscher 36 ist dabei vorzugsweise als Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher ausgeführt und ist Teil einer Klimaanlage. Das Wärmeübertragungsmedium wird vom Wärmetauscher 36 zuerst durch den Nachverdampfer 24, dann durch den Vorverdampfer 18 und anschließend durch den Niedertemperaturverdampfer 28 geführt, bevor es zum Wärmetauscher 36 zurückkehrt. Alle Verdampferbereiche sind dabei als Gegenstrom-Verdampfer ausgeführt.
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Im Betrieb des Kältemittelkreises wird das vom Kompressor 10 komprimierte und sich am Ausgang des Kondensators 12 im flüssigen oder überkritischen Zustand befindende Kältemittel durch den Ejektor 16 geführt, in welchem es expandiert. Anschließend durchströmt es den Vorverdampfer 18, in welchem etwa ein Drittel des Kältemassenstroms verdampft wird. Das Gemisch aus flüssigem und gasförmigem Kältemittel wird anschließend im Separator 20 in einen im wesentlichen gasförmigen Anteil und einen im wesentlichen flüssigen Anteil getrennt. Der im wesentlichen flüssige Anteil strömt über eine Drossel zum Niedertemperaturverdampfer 28, in welchem es (zu großen Teilen) verdampft wird. Anschließend wird das Kältemittel vom Sauganschluß 30 des Ejektors 16 angesaugt und wieder dem Vorverdampfer 18 zugeführt. Der im wesentlichen gasförmige Anteil des Kältemittels gelangt vom Separator 20 in den Nachverdampfer 24, in welchem die noch verbliebenen flüssigen Anteile verdampft werden. Außerdem wird das dampfförmige Kältemittel überhitzt. Es gelangt dann über den internen Wärmetauscher 13 zur Saugseite des Kompressors 10.
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Die zum Verdampfen des Kältemittels notwendige Wärmemenge wird über den Wärmetauscherkreis 34 zugeführt. Das Wärmeübertragungsmedium, das sich nach Durchströmen des Wärmetauschers 36 auf einem hohen Temperaturniveau befindet, durchströmt zuerst den Nachverdampfer 24. Nach Durchströmen des Nachverdampfers 24 befindet sich das Wärmeübertragungsmedium auf einem mittleren Temperaturniveau und strömt durch den Vorverdampfer 18. Nach Verlassen des Vorverdampfers 18 befindet sich das Wärmeübertragungsmedium auf einem niedrigen Temperaturniveau und wird durch den Niedertemperaturverdampfer 28 geleitet. Von dort gelangt es zum Wärmetauscher 36, wo es der zu kühlenden Luft Wärme entzieht.
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Nachfolgend wird anhand der 2 bis 9 der Verdampfer 14 im Detail beschrieben.
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Der Verdampfer 14 ist als kompakter Plattenverdampfer ausgeführt, der durch einen Aneinanderreihung von geeignet geformten Blechen gebildet ist. Im oberen Bereich unmittelbar nach dem Kältemitteleingang des Verdampfers 14 ist ein Ejektor 16 vorgesehen. Anschließend an den Ejektor 16 strömt das Kältemittel durch den Vorverdampfer 18, der hier mittig angeordnet ist. Durch den Vorverdampfer 18 strömt das Kältemittel in vertikaler Richtung von oben nach unten, wo es in den Separator 20 eintritt. Der Separator ist dadurch gebildet, daß das Plattenpaket des Vorverdampfers 18 in einem Abstand x oberhalb des Bodens des Verdampfers 14 endet, wobei der Abstand x in der Größenordnung von 15 bis 50 mm beträgt. Im Separator 20 trennt sich unter Schwerkrafteinfluß der überwiegend flüssige Anteil des Kältemittels vom überwiegend gasförmigen Anteil. In 3 ist beispielhaft das Niveau des überwiegend flüssigen Anteils des Kältemittels eingezeichnet.
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Durch den Separator 20 erstreckt sich der Flüssigphasenausgang 26, der über eine Drossel zum Eingang des Niedertemperaturverdampfers 28 führt. Durch diesen strömt das Kältemittel in vertikaler Richtung nach oben, wo es zum Sauganschluß 30 des Ejektors 16 gelangt. Durch den Separator 20 erstreckt sich weiterhin der Gasphasenausgang 22, über den es zum Nachverdampfer 24 gelangt, den es in vertikaler Richtung nach oben zum Ausgang des Verdampfers hin durchströmt.
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Durch Vergleich der in 2 eingezeichneten Strömungsrichtungen für das Kältemittel mit den in 7 eingezeichneten Strömungsrichtungen für das Wärmeübertragungsmedium ist zu sehen, daß sämtliche Verdampferbereiche 18, 24, 28 des Verdampfers 14 im Gegenstromverfahren arbeiten. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß eine im weitesten Sinne gleichmäßige Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Kältemittel vorliegt, also warmes Kältemittel und warmes Wärmeübertragungsmedium durch denselben Verdampferbereich strömen, also durch den Nachverdampfer 24, in welchem das Kältemittel überhitzt wird, und kaltes Kältemittel und kaltes Wärmeübertragungsmedium durch denselben Verdampferbereich strömen, nämlich den Niedertemperaturverdampfer 28.
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Die Sammler des Vorverdampfers 18, des Niedertemperaturverdampfers 28 und des Nachverdampfers 24 sind gebildet durch eine Aneinanderreihung von oberen Abschnitten von einzelnen Platten. Außerdem bilden die Sammler des Vorverdampfers 18, des Niedertemperaturverdampfers 28 und des Nachverdampfers 24 einen Sammler 50 des Verdampfers 14.
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Anhand der 4 und 5 wird nachfolgend der grundsätzliche Aufbau der im Verdampfer 14 verwendeten Verdampferbereiche erläutert. In 4 ist ein Schnitt zwischen zwei Platten gezeigt, zwischen denen das Kältemittel in vertikaler Richtung nach oben strömt. In 5 ist ein Schnitt zwischen zwei Platten gezeigt, zwischen denen das Wärmeübertragungsmedium in vertikaler Richtung nach unten strömt. Die entsprechenden Platten, die das Wärmeübertragungsmedium vom Kältemittel trennen, erstrecken sich parallel zur Schnitt- und zur Zeichenebene durch den gesamten Innenraum des Verdampfers, also auch bis oberhalb und unterhalb von hier schematisch angedeuteten Zickzack-Blechen 60, die zwischen den Platten angeordnet sind und zur Versteifung dienen. Die das Wärmeübertragungsmedium leitenden Kanäle und die das Kältemittel leitenden Kanäle sind abwechselnd zu jeder zweiten Kammer hin geöffnet. Die Zickzack-Bleche 60 enden knapp oberhalb bzw. unterhalb der Kanäle für das Wärmeübertragungsmedium und das Kältemittel, so daß ober- bzw. unterhalb der Zickzack-Bleche 60 ein kleiner Verteilraum 62 gebildet ist.
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Anhand der 4 und 6 ist zu sehen, daß das Flüssigphasenrohr 26 tiefer angeordnet ist als das Gasphasenrohr 22. Die Einlaßöffnungen für Kältemittel im Flüssigphasenrohr 26 des Niedertemperaturverdampfers 28 befinden sich am Boden des Flüssigphasenrohres in der tiefstmöglichen Position. Die Einlaßöffnungen im Gasphasenrohr 22 des Nachverdampfers 24 befinden sich dagegen an der Oberseite.
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Es ist eine Überströmöffnung 90 für Öl vorgesehen, das über einen Überströmkanal 92 zum Ausgang des Nachverdampfers 24 geführt wird. Der Überströmkanal 92 ist als Nut im Seitenblech 94 des Verdampfers 14 ausgeführt, das zur Stabilisierung der letzten Wärmetauscherplatte des Nachverdampfers 24 aufgelötet ist. Die Überströmöffnung 90, die den Bypass-Massenstrom definiert, ist in die letzte Wärmetauscherplatte gestanzt und im am Boden des Flüssigphasenrohres 26 angeordnet. Die Größe der Überströmöffnung ist an den Druckabfall der Platten des Nachverdampfers 24 so angepaßt, daß eine Bypass-Massenastrom von Öl/Flüssigkeit in der Größenordnung von 0,5 bis 5% des Gesamtmassenstroms erreicht wird.
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Im Bereich des Separators 20 sind unterhalb des Plattenpakets des Vorverdampfers 18 Schwallbleche 70 angeordnet, die Zickzack-gefaltet sind und Öffnungen aufweisen, beispielsweise nach Art von Kiemen 72 oder Löchern 74. Die Schwallbleche 70 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumblech, welches auf beiden Seiten mit einem Lotmaterial beschichtet ist. Auf diese Weise können die Schwallbleche zusammen mit den Platten zu einer Einheit verlötet werden. Mit dieser Einheit zusammen können auch die sonstigen Komponenten des Verdampfers ausgeführt werden, insbesondere der Ejektor 16.
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Da der Eingang zum Nachverdampfer 24 höher angeordnet ist als der Eingang zum Niedertemperaturverdampfer 28, wird dem Nachverdampfer 24 mehr überwiegend gasförmiges Kältemittel zugeführt als dem Niedertemperaturverdampfer 28. Daher ist der Massenstrom im Niedertemperaturverdampfer 28 bei einer gegebenen Leistung auf ein Minimum reduziert, so daß die Druckdifferenz zwischen dem Sauganschluß 30 des Ejektors 16 und dem Ausgang des Ejektors am Punkt E maximal ist (beste Ejektoreffizienz).
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Bei dem beschriebenen Verdampfer wird auch der Separator 20 zum Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium genutzt, da eine Wärmeübertragung über die Schwallbleche 70 und die an ihnen anliegenden Platten zum benachbarten Strömungsweg des Wärmeübertragungsmediums gegeben ist.
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In den 10 und 11 ist der Ejektor in Detail dargestellt. Er weist als wesentliche Bestandteile ein Düsenrohr 80 und einen Diffusor 82 auf. Das Düsenrohr ist an seinem im Verdampfer angeordneten Ende mit einer Verengung versehen, die durch Rollen, Ziehen, etc. gebildet sein kann. An seinem außenliegenden Ende ist das Düsenrohr mit einer Aufweitung versehen, die an einer Flanschplatte 84 befestigt ist, beispielsweise angelötet. Die Flanschplatte ist am Eingang des Verdampfers dicht angebracht.
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Der Diffusor 82 besteht aus Kunststoff und ist im Eingangsrohr des Verdampfers mittels einer Dichtung 86 befestigt. Er weist an seinem Eingang eine Aufweitung 86 auf, die mit einem Radius ausgeführt ist, so daß Turbulenzen beim Eintritt des vom Niedertemperaturverdampfers nachgesaugten Kältemittels verhindert werden.
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Um den Diffusor 82 herum sind mehrere Verstärkungsstege 90 angeordnet, die einstückig ausgebildet sind. Sie dienen zum einen der Verstärkung und zum anderen zur Positionierung des Diffusors im Inneren des Verdampfers, so daß er präzise auf das Düsenrohr 80 zentriert ist. Die Verstärkungsstege können auch in axialer Richtung verlängert ausgeführt werden (siehe den beispielhaft gezeigten Verstärkungssteg 91), so daß sie ein Auflager 92 für das Düsenrohr 80 bereitstellen. Dies führt zu einer noch präziseren Positionierung von Düsenrohr und Diffusor relativ zueinander.
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Durch die Verwendung von Kunststoff für den Diffusor und Metall für das Düsenrohr wird eine anforderungsgerechte, kostengünstige Konstruktion geschaffen. Das Düsenrohr hält den hohen Drücken auf der Hochdruckseite des Kältekreises stand. Der Diffusor muß nur sehr viel geringeren Drücken (Druckdifferenz in der Größenordnung von 1 bis 8 bar) standhalten und kann daher aus einem leichteren und kostengünstig zu verarbeitenden Material hergestellt werden.
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In 10 sind auch die abwechselnd angeordneten Ausgangsöffnungen 28A des Niedertemperaturverdampfers 28 zu sehen. Die jeweils dazwischenliegenden Kammern des Plattenverdampfers sind mit dem Wärmeübertragungsmedium gefüllt.
