DE102009013684A1 - Wärmetauschereinheit und wärmetechnische Anlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinheit mit einer Verdampfereinrichtung, die konfiguriert ist, ein Wärmetauscherbetriebsmittel zu verdampfen, und einer Verflüssigereinrichtung, die konfiguriert ist, das Wärmetauscherbetriebsmittel zu verflüssigen, wobei die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung für ein Überströmen des Wärmetauscherbetriebsmittels in Fluidverbindung stehen und zueinander in einer stirnseitigen Konfiguration angeordnet sind. Weiterhin ist eine wärmetechnische Anlage mit mehreren Wärmetauschereinheiten geschaffen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinheit sowie eine wärmetechnische Anlage, insbesondere einer Kälteanlage.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Der Bedarf an Klimatisierungsaufwand, insbesondere Kälteenergie, und somit der Gesamtenergiebedarf aufgrund steigender Arbeitsplatzanforderungen und Komfortwünsche ist stetig stark steigend. Die Klimatisierung der privaten wie gewerblichen Fahrzeugtechnik bezogen auf die Fahrgastzelle hat innerhalb von 10 Jahren von einem marginalen Marktanteil annähernd 100% erreicht. Ähnliches ist für die Klimatisierung des Gebäudebestands zu erwarten. Zusätzlich wird mit Umsetzung der europäischen Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden künftig der Kühlenenergiebedarf bei der Gebäudebewertung berücksichtigt. Energie- und kosteneffiziente Kühltechnologien gewinnen hierdurch weiter an Bedeutung.
  • Ein Hemmnis für den verstärkten Ausbau kapitalintensiver KWK-Technologien (KWK – Kraft-Wärme-Kopplung) ist die geringe Systemauslastung in den Sommermonaten. Die umweltschonende Kältebereitstellung mittels thermischer Kälteerzeugungsprozesse gilt als Möglichkeit, diesem Hemmnis entgegen zu wirken. Gerade in Fernwärmenetzen, die vorwiegend durch KWK-System versorgt werden, steht die notwendige Wärmeenergie zum Betrieb von thermischen Kälteerzeugungsprozessen als Abwärme aus der Stromerzeugung zur Verfügung.
  • Die Hauptkomponenten von Kälteanlagen wie Verdampfer, Absorber, Austreiber und Kondensator sind Wärmetauscher, die alle zwischen Medienwärme transportieren. Diese Wärmeüberträger sind hierbei für 50% der Kosten und 75% des Volumens der Kälteanlage verantwortlich.
  • In dem Dokument WO 2007/006289 A1 ist eine das Funktionsprinzip einer als Absorptionskälteanlage ausgeführten Wärmepumpe offenbart. Anhand eines schematischen Schaltbildes wird dort die Arbeitsweise der Wärmepumpe, die mehrere Wärmetauscherkomponenten aufweist, im Einzelnen erläutert. Wärmetauscherkomponenten werden bei der realen Konstruktion für eine Anlage dann auch zu Wärmetauschereinheiten zusammengefasst, die eine Ver dampfereinrichtung, die konfiguriert ist, ein Wärmetauscherbetriebs- oder Wärmetauscherarbeitsmittel zu verdampfen, und eine Verflüssigereinrichtung aufweisen, die konfiguriert ist, das Wärmetauscherbetriebs- oder Wärmetauscherarbeitsmittel mittel zu verflüssigen. Bekannte Bau- und Konstruktionsarten für Wärmetauschereinheiten sehen eine ausgesprochene räumliche Trennung der Funktionseinheiten vor, die gegebenenfalls in einer gemeinsamen Hülle oder einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Bei den bekannten Wärmetauschereinheiten sind die Verdampfereinrichtung und Verflüssigereinrichtung nebeneinander angeordnet. Eine Ausführung hiervon ist die so genannte Hamsterbacken-Konstruktion, bei der eine Verdampfereinrichtung zwischen zwei Teilverflüssigereinrichtungen angeordnet ist und der Gesamtaufbau in ein rohrförmiges Gehäuse integriert ist. Bekannte Einheiten von Wärmetauscherkomponenten verfügen über einen Tropfabscheider oder Dampfjalousien, um Flüssigkeitsspritzer den Übergang zu anderen Wärmetauschereinheiten zu erschweren oder dieses vollständig zu unterbinden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es eine Wärmetauschereinheit mit einem verbesserten konstruktiven Aufbau zu schaffen, der den flexiblen Einsatz der Wärmetauschereinheit in Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen unterstützt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmetauschereinheit nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine wärmetechnische Anlage, insbesondere Kälteanlage, nach dem unabhängigen Anspruch 10 geschaffen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung ist eine Wärmetauschereinheit mit einer Verdampfereinrichtung, die konfiguriert ist, ein Wärmetauscherbetriebsmittel zu verdampfen, und einer Verflüssigungseinrichtung geschaffen, die konfiguriert ist, das Wärmetauscherbetriebsmittel zu verflüssigen, wobei die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung für ein überströmendes Wärmetauscherbetriebsmittels in Fluidverbindung stehen und zueinander in einer stirnseitigen Konfiguration angeordnet sind.
  • Nach einem weiteren Aspekt ist eine Wärmepumpe, insbesondere Kälteanlage, mit mehreren Wärmetauschereinheiten geschaffen, die einem modularen Aufbau entsprechend zusammengesetzt sind.
  • Wärmeübertrager bekannter Art wurden bisher individuell und unabhängig voneinander an die erforderlichen Leistungen angepasst. Die mit der Erfindung neu geschaffene Einheit besteht aus einem oder mehreren Paaren aus Verdampfereinrichtung und Verflüssigereinrichtung, welche eine thermodynamische und prozesstechnische Einheit bilden. Diese thermodynamische Einheit ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Länge des Dampfweges als auch der spezifische Dampfmassenstrom unabhängig von der absoluten Leistung bzw. Kapazität der gesamten Wärmeübertragereinheit. Das einmal optimierte Verhältnis der Kapazitäten der Wärmeübertrager untereinander, welche eine übergeordnete Einheit bilden, bleibt selbst bei Skalierungen der Leistung erhalten.
  • Es können modulartige Wärmetauschereinheiten hergestellt werden, die in einer Gesamtanlage zusammensetzbar sind, wodurch eine verbesserte Skalierbarkeit von wärmetechnischen Anlagen oder Wärmepumpen, insbesondere Kälteanlagen und Entsalzungsanlagen, ermöglicht ist. Die stirnseitige Konfiguration ermöglicht darüber hinaus einen konstruktiven Aufbau mit optimierter Raumausnutzung und trägt entscheidend zur thermischen Trennung der unterschiedlichen Funktionseinheiten, Dampferzeuger und Verflüssiger bei, wodurch trotz räumlicher Optimierung die thermischen Verluste minimiert werden.
  • Bei der Verdampfereinrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Generator oder einen Verdampfer handeln. Die Verflüssigereinrichtung ist beispielsweise als ein Absorber oder ein Kondensator ausgeführt. Die stirnseitige Anordnung von Verdampfereinrichtung und Verflüssigereinrichtung führt im Vergleich zu bekannten Wärmetauschereinheiten zu einem veränderten Dampfströmungsverhalten zwischen den Einrichtungen, was eine Art Wellenbildung impliziert, wodurch ein erhöhter Wärme- und Stoffübergang erreicht ist. Die leistungsbezogene Wärmetauscherfläche ist verringert.
  • Die mit der Erfindung erreichte Skalierbarkeit ermöglicht es, wärmetechnische Anlagen, insbesondere Kälteanlagen, hinsichtlich der Anlagengröße und -leistung für unterschiedliche Anwendungen individuell anzupassen. Insbesondere ist eine kompakte Bauform ermöglicht, um in kleine Leistungsbereiche vorzustoßen, die für bekannte Bauarten des möglichen Zusammenbaus von Wärmetauscherkomponenten wegen schlechter Leistungsdichte und großem Platzbedarf unattraktiv waren.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung einander stirnseitig gegenüberstehend angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind Stirnflächen der Verdampferreinrichtung und der Verflüssigereinrichtung einander gegenüberliegend angeordnet, sei es in einem Abstand voneinander oder im Wesentlichen aufeinander liegend.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung wenigstens abschnittsweise stirnseitig ineinandergreifend angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform greifen Leitungsabschnitte von Verdampfereinrichtung und Verflüssigereinrichtung abschnittsweise ineinander, wobei eine hierdurch gebildete Überlappung vorzugsweise größer oder kleiner als die halbe Längserstreckung der jeweiligen Rohrleitungen ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass Rohrleitungen der Verdampfereinrichtung und Rohrleitungen der Verflüssigereinrichtung alternierend ineinandergreifen. Abwechselnd sind eine Rohrleitung der Verdampfereinrichtung und eine Rohrleitung der Verflüssigereinrichtung angeordnet.
  • Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass eine der Verflüssigereinrichtung zugewandte Stirnfläche der Verdampfereinrichtung im Wesentlichen vollständig überlappend mit einer der Verdampfereinrichtung zugewandten Stirnfläche der Verflüssigereinrichtung angeordnet ist und/oder umgekehrt. In einer Ausführungsform sind die stirnseitigen Flächen also im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine tropfabscheiderfreie Ausbildung vor. Im Unterschied zu bekannten Wärmetauschereinheiten können Aufwand und Vorkehrungen für einen Tropfenabscheider eingespart werden.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine dampfsperrenfreie und/oder eine tropfensperrenfreie Ausbildung vor. Hierdurch ist eine weitergehende Vereinfachung gebildet, die einen material- und kostensparenden Aufbau unterstützt.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht einen Modulaufbau vor. Das vorgesehen Konstruktionsprinzip hinsichtlich der Anordnung von Verdampfereinrichtung und Verflüssigereinrichtung ermöglicht es in einer Ausführungsform, in dem jeweiligen Modul eigenständige Strömungseigenschaften für das Wärmetauscherbetriebsmittel auszubilden, die sich im Wesentlichen auch nicht ändern, wenn mehrere als Modul aufgebaute Wärmetauschereinheiten zusammengesetzt werden in einer Anlage.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung in einem thermischen Verdichter gebildet sind. Beispielsweise ist der thermische Verdichter in eine Kälteanlage integriert.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Fig. einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung einer wärmetechnischen Anlage mit vier Wärmetauscherkomponenten,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Wärmetauschereinheit mit Verflüssigereinrichtung und Verdampfereinrichtung, bei der Stirnflächen einander gegenüberliegend angeordnet sind,
  • 3 eine schematische Darstellung einer Wärmetauschereinheit mit Verflüssigereinrichtung und Verdampfereinrichtung, bei der Stirnflächen ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet sind, und
  • 4 eine schematische Darstellung einer Wärmetauschereinheit mit Verflüssigereinrichtung und Verdampfereinrichtung in stirnseitiger Konfiguration, wobei die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung teilweise ineinander liegend angeordnet sind.
  • 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer wärmetechnischen Anlage mit einer Wärmetauschereinheit 10, die mit einem Dampferzeuger 11 und einem Verflüssiger 12 gebildet ist. Der Dampferzeuger 11 und der Verflüssiger 12 verfügen jeweils über zugeordnete Rohrleitungen 13, 14. Auf der Wärmetauschereinheit 10 ist eine weitere Wärmetauschereinheit 20 angeordnet, die mit einem Verflüssiger 21 und einem Dampferzeuger 22 gebildet ist. Die beiden Wärmetauschereinheiten 10, 20 bilden eine Kälteanlage.
  • Der Dampferzeuger 11 und der Verflüssiger 12 sind in einer stirnseitigen Konfiguration oder Anordnung positioniert, wobei Stirnflächen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Ein gleicher konstruktiver Aufbau ist für die weitere Wärmetauschereinheit 20 mit dem Verflüssiger 21 und den Dampferzeuger 22 vorgesehen.
  • Im Betrieb der Kälteanlage strömt verdampftes Betriebsmittel, welches auch als Arbeitsfluid bezeichnet wird, von dem Dampferzeuger 11 zu dem Verflüssiger 12, um dort wenigstens teilweise zu kondensieren. Das flüssige Kondensat wird dann dem Dampferzeuger 22 überführt, um dort zu verdampfen und anschließend als Dampf zum Verflüssiger 21 überzuströmen, wo erneut eine Kondensation stattfindet. Die hierbei erzeugte Flüssigkeit wird dann wieder dem Dampferzeuger 11 zugeführt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmetauschereinheit mit Verflüssigereinrichtung 30 und Verdampfereinrichtung 31 bei der Stirnflächen 32, 33 einander gegenüberliegend angeordnet sind.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmetauschereinheit mit Verflüssigereinrichtung 40 und Verdampfereinrichtung 41, bei der Stirnflächen 42, 43 ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet sind.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmetauschereinheit mit Verflüssigereinrichtung 50 und Verdampfereinrichtung 51 in stirnseitiger Konfiguration, wobei die Verdampfereinrichtung 50 und die Verflüssigereinrichtung 51 teilweise ineinander greifend angeordnet sind, so dass ein Überlappungsbereich 52 geschaffen ist.
  • Bei der jeweiligen Verdampfereinrichtung (Dampferzeuger) kann es sich um einen Verdampfer, einen Desorber oder einen Generator handeln. Die jeweilige Verflüssigereinrichtung (Verflüssiger) ist bevorzugt als Absorber oder Kondensator ausgeführt.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2007/006289 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40; 50) mit einer Verdampfereinrichtung, die konfiguriert ist, ein Wärmetauscherbetriebsmittel zu verdampfen, und einer Verflüssigereinrichtung, die konfiguriert ist, das Wärmetauscherbetriebsmittel zu verflüssigen, wobei die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung für ein Überströmen des Wärmetauscherbetriebsmittels in Fluidverbindung stehen und zueinander in einer stirnseitigen Konfiguration angeordnet sind.
  2. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung einander stirnseitig gegenüberstehend angeordnet sind.
  3. Wärmetauschereinheit (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung (51) und die Verflüssigereinrichtung (50) wenigstens abschnittsweise stirnseitig ineinandergreifend angeordnet sind.
  4. Wärmetauschereinheit (50) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Rohrleitungen der Verdampfereinrichtung (51) und Rohrleitungen der Verflüssigereinrichtung (50) alternierend ineinandergreifen.
  5. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40; 50) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verflüssigereinrichtung zugewandte Stirnfläche der Verdampfereinrichtung im Wesentlichen vollständig überlappend mit einer der Verdampfereinrichtung zugewandten Stirnfläche der Verflüssigereinrichtung angeordnet ist und/oder umgekehrt.
  6. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40; 50) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine tropfabscheiderfreie Ausbildung.
  7. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40; 50) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dampfsperrenfreie und/oder eine tropfensperrenfreie Ausbildung.
  8. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40; 50) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Modulaufbau.
  9. Wärmetauschereinheit (10; 20; 30; 40; 50) nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfereinrichtung und die Verflüssigereinrichtung in einem thermischen Verdichter gebildet sind.
  10. Wärmetechnische Anlage, insbesondere Kälteanlage, mit mehreren Wärmetauschereinheiten (10; 20; 30; 40; 50) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, die einem modularen Aufbau entsprechend zusammengesetzt sind.
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