DE102010010840A1

DE102010010840A1 - Überfluteter Verdampfer mit Zwangsumlauf

Info

Publication number: DE102010010840A1
Application number: DE201010010840
Authority: DE
Inventors: Gotthard Saupe
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2030-03-11
Also published as: DE102010010840B4

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anordnung und Gestaltung der Einrichtungen zur Kältemitteleinspritzung, Kältemittelverteilung und Sammlung sowie der Rückführung von abgeschiedenen Kältemittel im Verdampfer von Kältesätzen oder Kälteanlagen, die ohne Überhitzung mit Kältemittelzwangsumlauf und integrierter Flüssigkeitsabscheidung arbeiten, wobei das Kältemittel mit Ölanteilen durchsetzt ist. Um eine gleichmäßige Beaufschlagung und hohe Wärmebelastung der Verdampferfläche sowie eine gute Trennung von Kältemittel und unlöslichen Öl gewährleistet, sind neben einem Verdampferrohrbündel oder Plattenpaket im Zwischenraum zum Verdampfermantel auf einer Seite eine unten nur zum Verdampferrohrbündel oder Plattenpaket offene Einspritzkammer und auf der anderen Seite eine oben offene Sammelkammer für Kältemittel angeordnet. Diese sind über eine Einrichtung zur Kältemittelrückführung, die vom oberen Teil der Sammelkammer zur Einspritzkammer führt, miteinander verbunden. Im unteren Teil der Sammelkammer (Ölsumpf) ist ein Anschluss zur Ölrückführung angeordnet. Die Kammern entsprechen der Länge des Verdampferrohrbündels oder Plattenpaketes. Sie liegen abgedichtet an diesen und am Verdampfermantel sowie den beiden Verdampferböden an.

Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung und Gestaltung der Einrichtungen zur Kältemitteleinspritzung, Kältemittelverteilung und Sammlung sowie der Rückführung von abgeschiedenen Kältemittel im Verdampfer von Kältesätzen oder Kälteanlagen, die ohne Überhitzung mit Kältemittelzwangsumlauf und integrierter Flüssigkeitsabscheidung arbeiten, wobei das Kältemittel mit Ölanteilen durchsetzt ist.
Bei überfluteter Verdampfung an Rohrbündeln oder Plattenpaketen ohne Überhitzung, sogenannten Thermosyphon- oder Schwerkraftsystemen, wird Kältemittel über Hoch- oder Niederdruckregler in einen separaten Flüssigkeitsabscheider eingespritzt, der Flüssigkeit und Gas trennt. Die Flüssigkeit läuft danach über eine Rücklaufleitung (Schwerkraftumlauf) mit Ölfalle/Ölsumpf von unten in das Rohrbündel oder Plattenpaket und kann dort als Flüssigkeit ohne spezielle Verteiler die Verdampferfläche mit Kältemittel benetzten und verdampfen. Ein Teil der Flüssigkeit gelangt unverdampft wieder in den Abscheider.
Bekannt sind auch überflutete Verdampfer, bei denen durch Ejektoreinspritzung in den Verdampfer das infolge Schwerkraftwirkung aus dem Abscheider ablaufende Kältemittel mitgerissen wird. Dadurch erhöht sich der Kältemittelmassenstrom durch den Verdampfer und steigert auf einfache Weise die kältemittelseitigen Wärmeübergänge. Die dabei ohne Verteiler in den Verdampfer gelangenden Flashgasanteile können zu nachteiligen Fehlverteilungen durch Gasbypässe führen, die Teile der Verdampferfläche quasi abschalten. Erforderlich ist immer ein nach überfluteten Verdampfern geschalteter Flüssigkeitsabscheider zum Schutz des Verdichters vor Flüssigkeit und zur Rückführung der abgeschiedenen Flüssigkeit in den Verdampfer. Seine Größe und Anordnung im Schwerkraftbetrieb über oder neben dem Verdampfer einschließlich Zirkulationsleitung führen zu nachteiligen Gesamtabmessungen sowie großen Kältemittelfüllungen.
Bei überfluteter Verdampfung an Rohrbündeln oder Plattenpaketen mit integrierter Flüssigkeitsabscheidung, sogenannten Behältersiedern wird Kältemittel über Hoch- oder Niederdruckregler direkt in den Verdampfer entspannt und vollständig verdampft. Die maximal möglichen Flächenbelastungen sind niedriger als mit Zwangsumlauf (Schwerkraft-, Ejektor- oder Pumpenbetrieb), aber die kompakte Bauweise ist vorteilhaft. Flashgasanteile nach der Entspannung können auch hier Verdampferfläche blockieren und eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung behindern. Da bei den bekannten Ausführungen von unten eingespritzt wird, die Ölschwerkrafttrennung von Kältemittel und dem schwereren Öl jedoch auch im unteren Teil einen beruhigten Bereich erfordert, wird die Ölrückführung behindert. So wird die Ölkonzentration im Verdampfungsprozess nachteilig erhöht und der Wärmeübergang beim Sieden verringert. Ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung durch einen unteren Einspritzstutzen führt auch zum örtlichen „Durchspritzen” oder „Aufschäumen” oberhalb des Verdampfers und kann den integrierten Flüssigkeitsabscheider überlasten, so dass es zur unerwünschten Flüssigkeitsbelastung der Saugleitung und damit des Verdichters kommen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, Einrichtungen zur Kältemitteleinspritzung, Kältemittelverteilung, Kältemittelsammlung und Kältemittelrückführung anzugeben, mit denen das Kältemittel im Zwangsdurchlauf so durch den Verdampfer mit integrierter Flüssigkeitsabscheidung strömt, dass eine gleichmäßige Beaufschlagung und hohe Wärmebelastung der Verdampferfläche sowie eine gute Trennung von Kältemittel und unlöslichen Öl gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass neben einem Verdampferrohrbündel oder Plattenpaket im Zwischenraum zum Verdampfermantel auf einer Seite eine unten nur zum Verdampferrohrbündel oder Plattenpaket offene Einspritzkammer und auf der anderen Seite eine oben offene Sammelkammer für Kältemittel angeordnet sind. Diese sind über eine Einrichtung zur Kältemittelrückführung, die vom oberen Teil der Sammelkammer zur Einspritzkammer führt, miteinander verbunden. Im unteren Teil der Sammelkammer (Ölsumpf) ist ein Anschluss zur Ölrückführung angeordnet. Die Kammern entsprechen der Länge des Verdampferrohrbündels oder Plattenpaketes. Sie liegen abgedichtet an diesen und am Verdampfermantel sowie den beiden Verdampferböden an.
Eine Verteillanze in der Einspritzkammer lässt das Gemisch aus Kältemittelflüssigkeit, Flashgas und Öl mit möglichst geringer Geschwindigkeit einströmen. Der Spalt der unten offenen Einspritzkammer verteilt flüssiges Kältemittel gleichmäßig über die gesamte Länge des Verdampferrohrbündels oder Plattenpaketes.
Damit Flashgas in der Einspritzkammer die gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung über die gesamte Länge des Verdampferrohrbündels oder Plattenpaketes nicht stört, d. h. keine Wärmeübertragerfläche blockiert, ist eine differenzdruckabhängige Überströmeinrichtung 13, z. B. ein Rückschlagventil zwischen Einspritzkammer 2 und dem Raum vor dem integriertem Flüssigkeitsabscheider 6 angeordnet, welche Flasgasanteile zur Austrittsseite des Rohrbündels oder Plattenpaketes 1c leitet. Der einzustellende Differenzdruck der Überströmeinrichtung richtet sich nach dem Druckverlust des Rohrbündels oder Plattenpaketes im Zwangsumlauf.
Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Die zugehörige Zeichnung zeigt in
einen überfluteten Zwangsumlauf-Verdampfer mit Einrichtungen zur Kältemitteleispritzung, Kältemittelverteilung, integrierter Flüssigkeitsabscheidung sowie Kältemittelsammlung
und in
das Schema der angeschlossenen Einrichtungen zur Kältemittelrückführung und Flashgas-Überströmung
Der überflutete Verdampfer mit integrierter Flüssigkeitsabscheidung besteht aus: Verdampfermantel 1 und Verdampferböden 1a und 1b (ausgeblendet), Einspritzkammer 2, Anschluss Kältemitteleinspritzung 3 mit Verteilrohr 3a, Überströmanschlüsse Flashgas 4a und 4b, Sammelkammer 5 mit Anschluss Kältemittelrückführung 10 zum Ejektor 11 sowie dem Ölsumpf 8 mit Anschluss zur Ölrückführung 8a, Rohrbündel oder Plattenpaket 1c, integriertem Flüssigkeitsabscheider 6, Saugstutzen 7 zum Verdichter und den Kälteträgeranschlüssen 9. Dabei liegen Einspritzkammer 2 und Sammelkammer 5 abgedichtet an den beiden Längsseiten des Rohrbündel oder Plattenpaketes 1c und den Böden 1a, 1b sowie am Verdampfermantel 1. Der Boden 1b ist auf der Zeichnung ausgeblendet.
Der Zwangsumlauf beginnt am Ejektor 11. Hier wird neues Kältemittel mit Ölanteilen, (Kältemittel/Ölgemisch) vom Einspritzorgan 12 kommend, über den Anschluss Kältemitteleinspritzung 3 in die Einspritzkammer 2 gespritzt und gleichzeitig abgeschiedenes Kältemittel aus dem oberen Teil der Sammelkammer 5 am Anschluss 10 abgesaugt und ebenfalls über den Anschluss Kältemitteleinspritzung 3 mit in die Einspritzkammer 2 rückgeführt. Der unten offene Teil der Einspritzkammer 2 ist als langer Verteilkanal ausgebildet, der das flüssige Kältemittel, Ölanteile und Flashgasanteile gleichmäßig in das gesamte Rohrbündel oder Plattenpaket 1c von unten einströmen lässt. Nach Zwangsdurchströmung der Verdampferfläche fließt oben austretende Flüssigkeit direkt in die Sammelkammer 5 oder wird im integrierten Flüssigkeitsabscheider 6 aufgefangen und läuft danach in die Sammelkammer 5 ab. Dort setzen sich unlösliche Ölanteile im unteren nicht durchströmten Teil der Sammelkammer 5, dem Ölsumpf 8 ab und können über einen Ölanschluss 8a rückgeführt werden. Das verdampfte Kältemittel strömt vom integrierten Flüssigkeitsabscheider 6 über den Saugstutzen 7 zur Saugseite des Verdichters. Mit Rückführung des Kältemittels aus dem Rückführanschluss 10 im oberen Bereich der Sammelkammer 5 durch den Ejektor 11 schließt sich der Zwangsumlauf. Die Einspritzung des Kältemittel/Ölgemisch in die Einspritzkammer 2 wird durch ein Verteilrohr 3a vergleichmäßigt. Damit eingespritztes Flashgas die gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung in der Einspritzkammer 2 über die gesamte Länge des Verdampferrohrbündels oder Plattenpaketes nicht stört, d. h. keine Wärmeübertragerfläche blockiert, ist eine differenzdruckabhängige Überströmeinrichtung 13, z. B. ein Rückschlagventil zwischen Einspritzkammer 2 und dem Raum vor dem integriertem Flüssigkeitsabscheider 6 angeordnet, welche Flasgasanteile zur Austrittsseite des Rohrbündels oder Plattenpaketes 1c leitet. Der eingestellte Differenzdruck der Überströmeinrichtung 13 richtet sich nach dem Druckverlust des Rohrbündels oder Plattenpaketes 1c im Zwangsumlauf, d. h. das Rückschlagventil öffnet oberhalb des Differenzdruckes, der sich im Zwangsumlauf über dem Rohrbündel oder Plattenpaket ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfermantel
1a 1b: Verdampferböden, 1b im Bild ausgeblendet
1c: Rohrbündel oder Plattenpaket
2: Einspritzkammer
3: Anschluss Kältemitteleinspritzung
3a: Verteilrohr
4: Überströmanschlüsse, Austritt 4a, Eintritt 4b
5: Sammelkammer
6: integrierter Flüssigkeitsabscheider
7: Saugstutzen
8: Ölsumpf
8a: Anschluss Ölrückführung
9: Kälteträgeranschlüsse
10: Anschluss Kältemittelrückführung
11: Ejektor, Eirichtung zur Kältemittelrückführung auf höheres Druckniveau
12: Kältemittel vom Einspritzorgan
13: Überströmeinrichtung

Claims

Einrichtung zur Einspritzverteilung, zum Zwangsdurchlauf, zur Sammlung und Rückführung von Kältemittel und Öl in Verdampfern mit integriertem Flüssigkeitsabscheider von Kältesätzen oder Kälteanlagen, gekennzeichnet dadurch, dass neben einem Verdampferrohrbündel oder Plattenpaket im Zwischenraum zum Verdampfermantel auf einer Seite eine unten offene Einspritzkammer und auf der anderen Seite eine oben offene Sammelkammer für Kältemittel angeordnet sind und diese über Anschlüsse, vom oberen Teil der Sammelkammer zu einer an sich bekannten Einrichtung (Ejektor) für die Einspritzung und Rückführung von Kältemittel in die Einspritzkammer führend, miteinander verbunden sind.
Einrichtung zur Einspritzverteilung, zum Zwangsdurchlauf, zur Sammlung und Rückführung von Kältemittel und Öl nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Einspritzkammer sowie die Sammelkammer einseitig offene dichte Behälter darstellen, die der Länge des Verdampferrohrbündels oder Plattenpaketes entsprechen, an diesen abgedichtet anliegen und ebenso zum Verdampfermantel sowie den beiden Verdampferböden abgedichtet sind.
Einrichtung zur Einspritzverteilung, zum Zwangsdurchlauf, zur Sammlung und Rückführung von Kältemittel und Öl nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen der Einspritzkammer und dem Raum vor dem integrierten Flüssigkeitsabscheider eine differenzdruckabhängige Überströmeinrichtung angeordnet ist.