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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Wärmeträgermedium mit einem von dem Kältemittel durchströmbaren Wärmetauscherraum, in welchem sich der Aggregatzustand des Kältemittels von einer ersten Phase zu einer zweiten Phase ändert. Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Kältemittelkreis mit einem Kompressor, einem ersten Wärmetauscher zur Verflüssigung des Kältemittels, einem Expansionsorgan und einem zweiten Wärmetauscher zum Verdampfen des Kältemittels.
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Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Wärmeträgermedium werden vor allem in Kältemittelkreisen, beispielsweise in Wärmepumpen oder Kältemaschinen, eingesetzt, in welchen sich der Aggregatzustand des Kältemittels unter Zufuhr oder Abgabe von Wärme ändert.
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Bei Wärmepumpen wird das Kältemittel in einem ersten Wärmetauscher, dem sog. Verdampfer, unter niedrigem Druck und unter Zufuhr von über ein Wärmeträgermedium in den Kreisprozess eingebrachter Wärme verdampft. Das verdampfte Kältemittel wird anschließend unter Zufuhr elektrischer Energie über einen Kompressor auf ein höheres Druckniveau verdichtet, wobei die Temperatur des Kältemittels auf ein beispielsweise für die Erwärmung von Brauchwarmwasser geeignetes Temperaturniveau steigt. In einem zweiten Wärmetauscher, dem sog. Verflüssiger, gibt das hoch temperierte und energiereiche Kältemittel Energie an ein weiteres Wärmeträgermedium ab, wobei das Kältemittel kondensiert und anschließend über ein Expansionsorgan bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur erneut dem Verdampfer zugeführt wird.
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Die Effizienz derartiger Kreisprozesse bestimmt sich durch den sog. COP-Wert (”Coefficient of Performance”), der sich aus dem Quotienten der verflüssigerseitig an das Wärmeträgermedium abgegebenen Wärmeenergie zu der von dem Verdichter aufgebrachten Verdichterleistung ergibt. Ein COP-Wert von 4 bedeutet beispielsweise, dass 1 kW Elektroenergie aufgewendet werden muss, um 4 kW Wärmeenergie abgeben zu können.
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Entscheidenden Einfluss auf den COP-Wert haben die in dem Kreislauf als Verdampfer bzw. Verflüssiger eingesetzten Wärmetauscher, in welchen die Wärme zwischen dem sich in einem Phasenübergang befindenden Kältemittel und einem Wärmeträgermedium übertragen wird. Bei bekannten Wärmetauschern, wie beispielsweise Plattenwärmetauschern oder Rohrbündelwärmetauschern, ergeben sich konstruktionsbedingt größere Temperaturdifferenzen zwischen dem wärmeabgebenden bzw. wärmeaufnehmendem Wärmeträgermedium und dem Kältemittel, die über eine entsprechende Mehrleistung des Kompressors ausgeglichen werden müssen, was einen negativen Einfluss auf den COP-Wert des gesamten Kreisprozesses mit sich bringt.
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Diese Problematik soll am Beispiel einer Luftwärmepumpe näher verdeutlicht werden. Bei einer Lufttemperatur von beispielsweise 5°C und einer Warmwassersolltemperatur von 45°C wäre von der Wärmepumpe theoretisch eine Wärmeförderhöhe von 40 K zu überwinden. Hinzu kommen jedoch die in dem Verdampferwärmetauscher wie auch in dem Verflüssigungswärmetauscher zu überwindenden Temperaturdifferenzen, die üblicherweise im Bereich von 8 K liegen, wodurch sich eine tatsächliche Wärmeförderhöhe von 56 K verbunden mit der dafür erforderlichen Mehrleistung des Kompressors ergibt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Wärmetauscher sowie einen Kältemittelkreis anzugeben, bei welchen die zu überwindenden Temperaturdifferenzen zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium möglichst gering gehalten werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass im Anströmbereich des Wärmetauscherraums eine Phasenweiche angeordnet ist, die derart ausgestaltet ist, dass eine erste Phase des Kältemittels in den Wärmetauscherraum geführt wird und eine zweite Phase über einen Bypass zum Abströmbereich des Wärmetauscherraums geführt wird.
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Mittels einer derartigen Phasenweiche im Anströmbereich des Wärmetauschers wird erreicht, dass nur die jeweils für den Phasenübergang im Wärmetauscherraum benötigten Anteile des Kältemittels in den Wärmetauscherraum geführt werden. Anteile des Kältemittels, die den Phasenübergang bereits durchlaufen haben und insoweit zu dem Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium nicht mehr wesentlich beitragen können, werden über den Bypass zum Abströmbereich des Wärmetauscherraums geführt, wodurch sich innerhalb des Wärmetauscherraums eine sehr effiziente Wärmeübertragung und daraus resultierend sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem im Wärmetauscherraum strömenden Kältemittel und dem Wärmeträgermedium ergeben.
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Nachfolgend werden zunächst Einzelheiten des Wärmetauscherraums erläutert werden, bevor dann auf weitere Einzelheiten insbesondere der Phasenweiche eingegangen werden wird.
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Von konstruktivem Vorteil ist eine Ausgestaltung des Wärmetauschers, nach welcher der Wärmetauscherraum eine ringzylindrische Geometrie aufweist. Der Wärmetauscherraum kann im Querschnitt ringförmig sein und sich in vertikaler Richtung ringzylindrisch erstrecken.
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In dem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass ein von dem Wärmeträgermedium durchströmbares Wärmetauscherrohr insbesondere spiralförmig durch den Wärmetauscherraum geführt ist. Das durch den Wärmetauscherraum geführte Wärmetauscherrohr wird außenseitig von dem Kältemittel im Gegenstrom zu dem in dem Wärmetauscherrohr geführten Wärmeträgermedium umströmt. Aufgrund der vergleichsweise langen Strömungswege des Wärmeträgermediums innerhalb des spiralförmig verlaufenden Wärmetauscherrohrs und dem das Wärmetauscherrohr auf engem Raum überströmenden Kältemittel ergibt sich ein effizienter Austausch von Wärme zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Kältemittel.
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Von Vorteil für eine effiziente Wärmeübertragung ist ferner eine Ausgestaltung, nach welcher das Wärmetauscherrohr ein Wellrohr, insbesondere ein Edelstahl-Wellrohr, ist. Wellrohr bietet gegenüber glattwandigen Rohren den Vorteil, dass sich im Inneren des Wärmetauscherrohres turbulente Strömungen ausbilden. Die Turbulenzen sorgen dafür, dass den Wärmeübertrag beeinträchtigende Grenzschichten, wie diese bei laminaren Strömungen anzutreffen sind, abgelöst werden, wodurch sich der Wärmeübergang über die Wand des Wärmetauscherrohres verbessert.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscherraum von einem Außenrohr und einem Innenrohr begrenzt wird. Das Innenrohr kann bei einer solchen Ausführung insbesondere koaxial zu dem Außenrohr verlaufen.
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Im Hinblick auf eine effiziente Wärmeübertragung wird in weiterer Ausgestaltung vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr zur Bildung von Stromschnellen sowohl an dem Außenrohr als auch an dem Innenrohr anliegt. Durch die Anlage des als Wellrohr ausgebildeten Wärmetauscherrohrs zwischen den den Wärmetauscherraum begrenzenden Rohren entstehen stromschnellenartige Engestellen für das das Wärmetauscherrohr umströmende Kältemittel. Beim Durchströmen der Wellentäler erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels, wobei sich die Strömungsgeschwindigkeit nach Durchströmen wieder reduziert. Es ergibt sich eine hochturbulente Strömung des Kältemittels mit den damit verbundenen Vorteilen im Hinblick auf den Wärmeübergang. Den Wärmeübergang beeinträchtigende Grenzschichten werden abgelöst.
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Die Anlage des Wärmetauscherrohres an dem Innenrohr und/oder dem Außenrohr kann direkt oder indirekt über geeignete Zwischenelemente erfolgen, beispielsweise über zusätzliche Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen wie etwa Drahtgeflechte oder Ähnliches, wodurch sich die Turbulenzen weiter verstärken lassen.
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Von konstruktivem Vorteil ist schließlich eine Ausgestaltung, nach welcher das Innere des Innenrohres den Bypass bildet.
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Während vorstehend auf Einzelheiten des Wärmetauscherraums eingegangen wurde, werden nachfolgend Einzelheiten der Phasenweiche zunächst im Zusammenhang mit einem der Verflüssigung von Kältemittel dienenden Wärmetauscher erläutert werden.
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In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Phasenweiche von einem Schwerkraftabscheidungsraum gebildet wird, in welchem die flüssige Phase des Kältemittels unter dem Einfluss der Schwerkraft in Richtung des Bypasses abgeführt wird. Innerhalb des Schwerkraftabscheidungsraums lässt sich die flüssige Phase des Kältemittels unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten in Richtung des Bypasses abführen. Die gasförmige Phase kann dem Wärmetauscherraum zugeführt werden und dort durch Abgabe von Energie an das Wärmeträgermedium verflüssigt werden. Vorteilhaft ist der Schwerkraftabscheidungsraum oberhalb des Wärmetauscherraums in dessen Anströmbereich angeordnet.
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In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass unterhalb des Schwerkraftabscheidungsraums ein die flüssige Phase des Kältemittels kanalisierender Trichter angeordnet ist. Über den Trichter können die flüssigen Anteile des Kältemittels aufgefangen und über den Bypass in Richtung der Abstromseite des Wärmetauscherraums geleitet werden.
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Von konstruktivem Vorteil ist eine Ausgestaltung, nach welcher der Trichter im Einlaufbereich des Bypasses angeordnet ist. Insbesondere kann der Trichter in eine stirnseitige Öffnung des als Bypass dienenden Innenrohres des Wärmetauscherraums eingesetzt sein.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass im Abströmbereich des Wärmetauscherraums ein Sammelbereich vorgesehen ist, in welchem sich flüssiges Kältemittel sammelt. In diesem Sammelbereich kann sowohl das über den Bypass geführte flüssige Kältemittel als auch das innerhalb des Wärmetauscherraums verflüssigte Kältemittel gesammelt werden. Der Sammelbereich bildet eine Barriere für gasförmiges Kältemittel, weshalb dieses nicht durch den Bypass hindurch in Richtung der Abströmseite des Wärmetauscherraums strömen kann.
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Von besonderem Vorteil ist schließlich eine Ausgestaltung, nach welcher die gasförmige Phase einem Druckgefälle folgend in den Wärmetauscherraum strömt. Das sich innerhalb des Wärmetauscherraums abkühlende und sich bei Erreichen der Kondensationstemperatur verflüssigende Kältemittel ist einer starken Volumenänderung unterzogen. Diese führt innerhalb des Wärmetauscherraums zu einem Druckgefälle, welches in die Phasenweiche einströmendes, gasförmiges Kältemittel in Richtung des Wärmetauscherraums ansaugt.
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Während vorstehend Einzelheiten eines der Verflüssigung von Kältemittel dienenden Wärmetauschers erläutert wurden, werden nachfolgend Einzelheiten eines der Verdampfung von Kältemittel dienenden Wärmetauschers erläutert werden.
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Bei einem solchen Wärmetauscher ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, dass die Phasenweiche von einem insbesondere als Diffusorrohr ausgebildeten Diffusor gebildet wird, in welchem gasförmiges Kältemittel nach oben steigt und flüssiges Kältemittel nach unten sinkt. Das flüssige Kältemittel kann zum Zwecke der Verdampfung in den Wärmetauscherraum geführt werden, in welchem es unter Aufnahme von über das wärmeabgebende Wärmeträgermedium eingebrachter Energie verdampft wird. Die bereits verdampften Anteile können innerhalb des Diffusors nach oben steigen und über den Bypass zur Abstromseite des Wärmetauscherraums geführt werden.
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Von konstruktivem Vorteil ist eine Ausgestaltung, nach welcher der Diffusor im Einströmbereich des Bypasses angeordnet ist. Der Diffusor kann insbesondere koaxial zu dem als Bypass verwendeten Innenrohr des Wärmetauchers angeordnet sein.
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In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass innerhalb des Diffusors Öffnungen vorgesehen sind, die über den Bypass mit dem Wärmetauscherraum strömungsverbunden sind. Die flüssigen Anteile des Kältemittels können über diese Öffnungen aus dem Diffusor austreten und über die Einströmseite des Bypasses in den Wärmetauscherraum strömen. Gasförmige Anteile des Kältemittels können über die Öffnungen aus dem Diffusor austreten und innerhalb des Bypasses nach oben in Richtung der Abströmseite des Wärmetauscherraums strömen.
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Darüber hinaus wird zur Lösung der vorstehenden Aufgabe bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten oder der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, dass an- oder abstromseitig des Wärmetauscherraums ein Zusatzwärmetauscher zur Übertragung von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium angeordnet ist.
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Über einen solchen Zusatzwärmetauscher kann eine Übertragung von Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium erfolgen, bevor das Kältemittel in den in den eigentlichen Wärmetauscherraum einströmt oder nachdem es den eigentlichen Wärmetauscherraum durchströmt hat. Durch diesen zusätzlichen Wärmeaustausch ergibt sich eine sehr effiziente Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium verbunden mit einer daraus resultierend geringen Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien.
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Bei einem als Verflüssiger verwendeten Wärmetauscher kann der Zusatzwärmetauscher eingangsseitig zur Enthitzung von über dessen Kondensationstemperatur temperiertem Kältemittel und ausgangsseitig zur Unterkühlung des sich in etwa auf dessen Kondensationstemperatur befindenden Kältemittels dienen. Bei einem als Verdampfer verwendeten Wärmetauscher kann der Zusatzwärmetauscher eingangsseitig zur Vorverdampfung eines gewissen Anteils des Kältemittels und ausgangsseitig zur Überhitzung des sich in etwa auf dessen Verdampfungstemperatur befindenden Kältemittels dienen.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der anstromseitig des Wärmetauschers angeordnete Zusatzwärmetauscher über die Phasenweiche mit dem Wärmetauscherraum verbunden ist. Die Phasenweiche befindet sich strömungstechnisch betrachtet zwischen dem Zusatzwärmetauscher und dem Wärmetauscherraum. Anteile des Kältemittels, die bereits in dem Zusatzwärmetauscher einen Phasenübergang erfahren haben, werden nach verlassen des Zusatzwärmetauschers über die Phasenweiche von den übrigen Kältemittelanteilen getrennt und über den Bypass zum Abstrombereich des Wärmetauscherraums geführt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der Zusatzwärmetauscher einen von dem gasförmigen Kältemittel durchströmbaren Strömungsraum aufweist, der außenseitig von dem Wärmeträgermedium umströmbar ist. Der Strömungsraum kann insbesondere koaxial zu dem Bypass ausgerichtet sein.
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Für einen effizienten Wärmeübertrag zwischen dem gasförmigen Kältemittel und dem Wärmeträgermedium wird vorgeschlagen, dass zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche Rippen vorgesehen sind. Die Rippen können im außenseitigen Umströmungsbereich angeordnet sein, wodurch sich eine verbesserte Wärmeübertragung ergibt.
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Ebenfalls im Hinblick auf einen effizienten Wärmeaustausch wird vorgeschlagen, dass die Rippen zum Strömungsraum hin offen ausgebildet sind. Das innerhalb des Strömungsraums strömende, gasförmige Kältemittel kann in die Öffnungen der Rippen eintreten bzw. innerhalb der Öffnungen turbulent verwirbeln, wodurch sich der Wärmeübertrag weiter verbessert.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass sich die Rippen bis in den Strömungsraum hinein erstrecken. Die Bereiche der Rippen, die sich in den Strömungsraum hinein erstrecken, bilden auf diese Weise Strömungshindernisse, die Turbulenzen erzeugen und etwaige Druckstöße innerhalb des Kältemittelgasstroms, wie diese beispielsweise bei Kolbenverdichtern häufig anzutreffen sind, beruhigen. Insbesondere können die Rippen von ellipsoidem oder diskusförmigem Querschnitt sein.
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In alternativer Ausgestaltung des Zusatzwärmetauschers wird vorgeschlagen, dass der Zusatzwärmetauscher von dem Kältemittel durchströmbare Rohre aufweist, die von dem Wärmeträgermedium umströmbar angeordnet sind. Über die Wände der Rohre kann ein Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Kältemittel erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass sich die Rohre von einer unteren Kammer zu einer oberen Kammer des Zusatzwärmetauschers erstrecken. Die Rohre bilden eine Strömungsverbindung zwischen den beiden Kammern.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Rohre U-förmig ausgebildet sind. Die U-förmigen Rohre können eine Strömungsverbindung zwischen der oberen und der unteren Kammer bilden. Alternativ können sich die Rohe auch spiralförmig um die beiden Kammern herum von der einen in die andere Kammer erstrecken.
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Darüber hinaus wird in weiterer Ausgestaltung vorgeschlagen, dass mehrere Rohre über den Umfang verteilt angeordnet sind. Die Verteilung kann insbesondere radialsymmetrisch sein.
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Darüber hinaus wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten oder der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen, dass der Wärmetauscherraum mindestens zwei Wärmetauscherrohre aufweist, welche von dem Wärmeträgermedium durchströmbar sind.
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Durch das Vorsehen mehrerer Wärmetauscherrohre lassen sich Druckverluste innerhalb der vom Wärmeträgermedium durchströmten Wärmetauscherrohre reduzieren. Da der Druckverlust mit zunehmender Rohrlänge progressiv steigt, kann die Effizienz der Wärmeübertragung durch das Vorsehen mehrerer Rohre verbessert werden. Denkbar sind beispielsweise Wärmetauscherräume, in welchen zwei, drei, vier, fünf oder noch mehr Rohre in spiralförmiger Anordnung parallel zueinander hindurchgeführt sind.
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Vorteilhaft laufen die Enden der Wärmetauscherrohre in Flanschplatten aus, wonach das über die Wärmetauscherrohre in separaten Strömen durch den Wärmetauscherraum geführte Wärmeträgermedium wieder zusammengeführt wird.
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Insbesondere können die Flanschplatten die Stirnseiten der vorstehend beschriebenen Zusatzwärmetauscher bilden.
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In Bezug auf einen Kältemittelkreis der eingangs genannten Art wird zur Lösung der vorstehenden Aufgabe vorgeschlagen, dass die Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
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Durch eine derartige Ausgestaltung der Wärmetauscher ergeben sich geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium.
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In Ausgestaltung des Kältemittekreises wird vorgeschlagen, dass die Phasenweiche des zur Verflüssigung des Kältemittels dienenden Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12 und die Phasenweiche des zur Verdampfung des Kältemittels dienenden Wärmetauschers gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15 ausgebildet ist. Über die entsprechenden Phasenweichen im Anströmbereich der Wärmetauscher wird erreicht, dass nur die jeweils für den Phasenübergang im Wärmetauscherraum benötigten Anteile des Kältemittels in den Wärmetauscherraum geführt werden. Anteile des Kältemittels, die den Phasenübergang bereits durchlaufen haben und insoweit an dem Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium nicht mehr wesentlich beitragen können, werden über die Bypässe zu den Abströmbereichen der Wärmetauscherräume geführt, wodurch sich innerhalb der Wärmetauscherräume eine sehr effiziente Wärmeübertragung und daraus resultierend sehr geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem im Wärmetauscherraum strömenden Kältemittel und dem Wärmeträgermedium ergeben.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers sowie eines entsprechenden Kältemittelkreises werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert werden. Darin zeigen:
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1 eine Übersicht über einen Kältemittelkreislauf mit einem als Verflüssiger und einem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher,
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2 eine vergrößerte Ansicht des als Verflüssiger dienenden Wärmetauschers aus 1,
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3 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers aus 2, bei welchem zu Veranschaulichungszwecken einige Bauteile nicht dargestellt sind,
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4 in perspektivischer Ansicht eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 2 mit IV bezeichneten Einzelheit,
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5 in perspektivischer Ansicht eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 2 mit V bezeichneten Einzelheit,
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6 eine vergrößerte Ansicht des als Verdampfer dienenden Wärmetauschers aus 1,
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7 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers aus 6, wobei zur Veranschaulichung einige Bauteile des Wärmetauschers nicht dargestellt sind,
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8 eine vergrößerte Ansicht des Wärmstauschers aus 6 gemäß der in 6 mit VIII bezeichneten Einzelheit,
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9 in perspektivischer Ansicht eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 6 mit IX bezeichneten Einzelheit,
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10 eine weitere perspektivische Ansicht des unteren Bereichs des Wärmetauschers aus 6, und
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11 eine alternative Ausführungsform eines Zusatzwärmetauschers.
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1 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau eines Kältemittelkreises mit zwei erfindungsgemäßen Wärmetauschern 10, 20, die von einem Kältemittel und jeweils einem wärmeabgebenden bzw. wärmeaufnehmendem Wärmeträgermedium durchströmt werden. Als Wärmeträgermedien können verschiedene Arten von Medien, wie beispielsweise Wasser, wässrige Lösungen, Kältemittel, Öl oder andere Wärmeträgermedien verwendet werden.
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Die Kältemittelströme sind in 1 als durchgezogene Pfeile und die Strömungen der Wärmeträgermedien als punktierte Pfeile dargestellt.
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Bei dem in 1 rechts abgebildeten Wärmetauscher 20 handelt es sich um den Verdampfer des Kältemittelkreises. In diesem wird Wärme von einem wärmeabgebenden Wärmeträgermedium auf das Kältemittel übertragen, welches infolge der Wärmeaufnahme verdampft und über den Anschluss 24.6 einem Kompressor 30 zugeführt wird. Über den Kompressor 30 wird unter Zufuhr elektrischer Energie der Druck des Kältemitteldampfes erhöht, wobei dessen Temperatur steigt. Das auf diese Weise höher temperierte Kältemittel tritt anschließend über den Anschluss 14.6 in den Wärmetauscher 10 ein, in welchem das Kältemittel auf einem höheren Temperaturniveau Wärme auf ein wärmeaufnehmendes Wärmeträgerfluid abgibt. Infolge dieser Wärmeabgabe kondensiert das Kältemittel und verlässt den Wärmetauscher 10 über den Anschluss 15.8 in flüssiger Form. Anschließend wird der Druck des Kältemittels über ein Expansionsorgan 40 reduziert und das Kältemittel erneut dem der Verdampfung dienenden Wärmetauscher 20 über dessen Anschluss 25.8 zugeführt.
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Die beiden Wärmetauscher 10, 20 stimmen in konstruktiver Hinsicht weitgehend überein, weshalb nachfolgend zunächst auf die konstruktiven Gemeinsamkeiten beider Wärmetauscher 10, 20 insbesondere anhand der Darstellungen in den 2 und 3 sowie 6 und 7 eingegangen werden wird, bevor dann deren Funktionsweise sowie die unterschiedlich ausgeführten Phasenweichen 12, 22 im Einzelnen erläutert werden.
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Die Wärmetauscher 10, 20 sind stehend angeordnet und von insgesamt zylindrischer Geometrie. Innerhalb eines von dem Kältemittel durchströmbaren ringzylindrischen Wärmetauscherraums 11, 21 erfährt das Kältemittel einen Phasenübergang von einer gasförmigen hin zu einer flüssigen Phase oder umgekehrt. Der Wärmetauscherraum 11, 21 ist nach oben und nach unten hin offen ausgebildet und wird seitlich durch ein Außenrohr 11.1, 21.1 und ein koaxial zu diesem angeordnetes Innenrohr 11.2, 21.2 begrenzt. Durch den Wärmetauscherraum 11, 21 sind beim Ausführungsbeispiel zwei Wärmetauscherrohre 11.3, 21.3 spiralförmig hindurchgeführt. Die Wärmetauscherrohre 11.3, 21.3 sind um das Innenrohr 11.2, 21.2 herumgewickelt, vgl. auch die 3 und 7.
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Bei den Wärmetauscherrohren
11.3,
21.3 handelt es sich um aus Edelstahl bestehende Wellrohre, die sowohl an dem Innenrohr
11.2,
21.2 als auch an dem Außenrohr
11.1,
21.1 anliegen. Durch die sowohl innen als auch außen wellige Geometrie der Wärmetauscherrohre
11.3,
21.3 wird eine turbulente Strömung des in den Wärmetauscherrohren
11.3,
21.3 strömenden Wärmeträgermediums erzeugt. Durch diese Turbulenzen werden den Wärmeübergang beeinträchtigende, laminare Grenzschichten an der Innenseite der Wärmetauscherrohre
11.3,
21.3 abgelöst. Aufgrund der Anlage der Wärmetauscherrohre
11.3,
21.3 sowohl an dem Innenrohr
11.2,
21.2 als auch an dem Außenrohr
11.1,
21.1 ist es dem in dem Wärmetauscherraum
11,
21 strömenden Kältemittel nur möglich, den Wärmetauscherraum
11,
21 über die Wellentäler der Wärmetauscherrohre
11.3,
21.3 zu passieren, wodurch sich innerhalb des Wärmetauscherraums
11,
21 eine Vielzahl von Stromschnellen für das Kältemittel bilden. Diese Stromschnellen bilden Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen des im Ringkanal strömenden Kältemittels welche dazu führen, dass laminare Grenzschichten auch an der Außenseite der Wärmetauscherrohre
11.3,
21.3 abgelöst werden. Hierdurch wird der Wärmeaustausch in dem Wärmetauscherraum
11,
21 verbessert, wodurch sich die Temperaturdifferenzen zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium gering halten lassen. Weitere Einzelheiten und Alternativen solcher Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen in einem Ringkanal mit einem durch diesen verlaufenden Wärmetauscherrohr sind in der
DE 10 2008 059 543 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt als erfindungswesentlicher Bestandteil vollständig in die vorliegenden Anmeldung mit einbezogen werden soll.
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Die Innenrohre 11.2, 21.2 sind beidseitig offen und dienen als Bypass 13, 23, worauf nachfolgend im Zusammenhang mit den Phasenweichen 12, 22 noch näher einzugehen sein wird.
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Eintritts- bzw. austrittsseitig weisen die Wärmetauscher 10, 20 Zusatzwärmetauscher 14, 15, 24, 25 auf, die von dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium durchströmt werden, bevor bzw. nachdem das Kältemittel und das Wärmeträgermedium in den eigentlichen Wärmetauscherraum 11, 21 einströmen bzw. aus diesem ausströmen.
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Die Zusatzwärmetauscher 14, 15, 24, 25 sind gemeinsam mit dem Wärmetauscherraum 11, 21, dem Bypass 13, 23 sowie der Phasenweiche 12, 22 innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 16, 26 der Wärmetauscher 10, 20 angeordnet. Bei beiden Wärmetauschern 10, 20 ist jeweils ein oberer Zusatzwärmetauscher 14, 24 und ein unterer Wärmetauscher 15, 25 vorgesehen, die vom Aufbau her bei beiden Wärmetauschern 10, 20 identisch ausgebildet sind und nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 anhand der Darstellungen des der Verflüssigung dienenden Wärmetauschers 10 erläutert werden.
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Der Zusatzwärmetauscher 14 dient zum Austausch von Wärme zwischen gasförmigem Kältemittel und dem in flüssiger Form vorliegenden Wärmeträgermedium. Der Zusatzwärmetauscher 14 ist von insgesamt zylindrischer Geometrie und bildet das obere Ende des Wärmetauschers 10. Über den Anschluss 14.6 tritt das Kältemittel in den Zusatzwärmetauscher 14 ein. Im Gegenstrom zum Kältemittel tritt das Wärmeträgermedium über einen Anschluss 14.7 aus dem Zusatzwärmetauscher 14 aus. Der Zusatzwärmetauscher 14 wird gebildet von einem mit dem Kältemittelanschluss 14.6 verbundenen Rohr 14.2, welches auf seinem Außenumfang mit Rippen 14.3 versehen ist. Das Rohr 14.2 bildet in seinem Inneren einen Strömungsraum 14.8, welcher von dem gasförmigen Kältemittel durchströmbar ist. Nach radial außen erstrecken sich von dem Rohr 14.2 Rippen 14.3. Diese laufen nach radial außen spitz zu und sind in Richtung des Strömungsraums 14.8 offen ausgebildet. Die Rippen 14.3 sind von insgesamt elliptischem bzw. diskusförmigem Querschnitt und reichen bis in den Strömungsraum 14.8 hinein, vgl. 1, wodurch den Wärmeübergang verbessernde Turbulenzen innerhalb des Strömungsraums 14.8 erzeugt werden. Außenseitig werden die Rippen 14.3 von dem Wärmeträgermedium umströmt, wobei zwischen den Rippen 14.3 Umlenkelemente 14.1 vorgesehen sein können, die den Fließweg des Wärmeträgermediums vergrößern und damit den Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium verbessern, vgl. auch 1 sowie die Umlenkelemente 24.1 in 8. Die Umlenkelemente 14.1 sind beim Ausführungsbeispiel von insgesamt scheibenförmiger Geometrie und erstrecken sich von dem Gehäuse 16 des Wärmetauschers 10 radial einwärts in Richtung des Rohres 14.2, wobei ein Durchströmungsspalt zwischen dem Rohr 14.2 und den Umlenkelementen 14.1 verbleibt.
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Die vorstehenden Beschreibungen betreffend den Zusatzwärmetauscher 14 lassen sich auch auf den baugleichen Zusatzwärmetauscher 24 des Wärmetauschers 20 übertragen, vgl. Fig. insbesondere 8.
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In 11 ist eine alternative Ausgestaltung eines Zusatzwärmetauschers 14' dargestellt, die anstelle der Zusatzwärmetauscher 14, 24 verwendet werden kann und sich durch einen vereinfachten Aufbau auszeichnet. Auch dieser Zusatzwärmetauscher 14' ist von insgesamt zylindrischer Geometrie und bildet das obere Ende des Wärmetauschers 10 bzw. des Wärmetauschers 20. Über den Anschluss 14.6' tritt das Kältemittel in den Zusatzwärmetauscher 14' ein. Im Gegenstrom zum Kältemittel tritt das Wärmeträgermedium über einen Anschluss 14.7' aus dem Zusatzwärmetauscher 14' aus. Der Zusatzwärmetauscher 14' wird gebildet von einem mit dem Kältemittelanschluss 14.6' verbundenen Rohr 14.2', welches auf seinem Außenumfang mit plattenförmigen Elementen 14.3' versehen ist. Das Rohr 14.2' bildet in seinem Inneren einen Strömungsraum 14.8', welcher von dem gasförmigen Kältemittel durchströmbar ist. Nach radial außen erstrecken sich zwischen dem Rohr 14.2' und dem Gehäuse 16, 26 des Wärmetauschers 10, 20 die Elemente 14.3', die den Strömungsweg des Wärmeträgermediums schließen, so dass es dem Wärmeträgermedium nur möglich ist, durch in den Elementen 14.3' vorgesehene Öffnungen 14.1' das Rohr 14.2' außenseitig zu umströmen. Auch hierdurch lassen sich mit konstruktiv einfachen Mitteln Turbulenzen mit den damit verbundenen Vorteilen im Hinblick auf den Wärmeübergang erreichen.
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Auch der Aufbau der unteren Zusatzwärmetauscher 15, 25 ist bei den beiden Wärmetauschern 10, 20 identisch und wird nachfolgend anhand der Darstellung des Wärmetauschers 10 in den 1, 2 und 5 beschrieben werden.
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Der Zusatzwärmetauscher 15 ist von insgesamt zylindrischer Geometrie und im unteren Endbereich des Wärmetauschers 10 angeordnet. Der Zusatzwärmetauscher 15 wird gebildet von einer unteren Strömungskammer 15.2 und einer oberen Strömungskammer 15.3, die über eine Platte 15.4 voneinander getrennt sind. Das Kältemittel strömt von oben her in die Kammer 15.3 ein. Von hier aus gelangt es über mehrere U-förmige Rohre 15.6 in die untere Kammer 15.2. Die Rohre 15.4 werden vom Wärmeträgermedium über den Anschluss 15.7 umströmt, wobei ein Austausch von Wärme zwischen dem Wärmeträgermedium und dem Kältemittel stattfindet.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise des Kältemittelkreises und insbesondere auch die Funktionsweise der Phasenweichen 12, 22 der beiden Wärmetauscher 10, 20 im Einzelnen erläutert werden.
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Der Wärmetauscher 10 lässt sich in drei Zonen gliedern, eine Enthitzerzone E, eine Verflüssigungszone F sowie eine Unterkühlungszone U.
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Über den Kompressor 30 tritt energiereiches, hochtemperiertes, gasförmiges Kältemittel von oben über den Anschluss 14.6 in den Wärmetauscher 10 ein. Am Eintritt des Wärmetauschers 10 befindet sich das Kältemittelgas in einem überhitzen Zustand, d. h. auf einem Temperaturniveau, welches oberhalb der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels liegt. Beispielsweise weist das Kältemittel am Eingang des Wärmetauschers 10 bei einer angenommenen Verflüssigungstemperatur von 45°C eine Temperatur von 70°C bei einem Druck von 11 bar auf. Überschlägig lässt sich sagen, dass die der Temperaturdifferenz zwischen 45°C und 70°C entsprechende Energie in etwa der durch den Kompressor 30 aufgewendeten Energie entspricht. Die beim Phasenübergang frei werdende, weitaus größere Energiemenge entspricht in etwa der in dem Verdampfer 20 aufgenommen, von außen zugeführten Energie.
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Nach Eintritt in den Wärmetauscher 10 tritt das Kältemittelgas zunächst in die Enthitzerzone E ein, in welcher sich der Zusatzwärmetauscher 14 befindet. Unmittelbar hinter dem Anschluss 14.6 tritt das Kältemittelgas in das Rohr 14.2 des Zusatzwärmetauschers 14 ein. Da das Rohr 14.2 einen größeren Querschnitt als der Anschluss 14.6 aufweist, sinkt die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Kältemittels ab. Durch die in den Strömungsraum 14.8 hineinragenden Rippen 14.3 werden Turbulenzen zur Verbesserung der Wärmeübertragung mit dem das Rohr 14.2 außenseitig umströmenden Wärmeträgermedium erzeugt.
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Auch erfolgt über die in den Strömungsraum 14.8 hineinragenden Rippen 14.3 eine Beruhigung des Kältemittelstroms, der aufgrund der zyklischen Verdichtungsweise des Kompressors 30, beispielsweise eines Hubkolben- oder Rollkolbenverdichters, einer Vielzahl von wiederkehrenden Druckstößen ausgesetzt ist. Diese schwingungsförmigen Druckimpulse innerhalb des Kältemittelgasstroms können zu unerwünschten Geräuschentwicklungen führen. Die Rippen 14.3 bilden insoweit Prallplatten, an denen sich der Kältemittestrom ähnlich einem Auspuff bei Verbrennungsmotoren beruhigt. Insoweit übernimmt der Zusatzwärmetauscher 14 auch die Funktion eines so genannten ”Mufflers”, der dazu dient, derartige Druckimpulse abzubauen.
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Alternativ oder in Ergänzung kann zum Abbau der Druckimpulse auch Stahlwolle in den Strömungsweg des Kältemittelgases eingebracht werden.
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Innerhalb des internen Wärmetauschers 14.1 findet eine erste Übertragung von Wärme von dem Kältemittel auf das Wärmeträgerfluid statt. Das Wärmeträgerfluid tritt nach Durchlaufen der Wärmetauscherrohre 11.3 oberhalb einer Platte 14.5 in den Zusatzwärmetauscher 14 ein. Anschließend umströmt das Wärmeträgermedium sowohl das Rohr 14.2 als auch die an diesem vorgesehenen Rippen 14.3, wodurch Wärme des im Strömungsraum 14.8 strömenden, überhitzen Kältemittelgases auf das wärmeaufnehmende Wärmeträgerfluid übertragen wird. Hierdurch sinkt die Temperatur des überhitzten, d. h. oberhalb dessen Verflüssigungstemperatur temperierten, Kältemittelgases.
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Am Wärmeaustausch nimmt neben dem Rohr 14.2 und den Rippen 14.3 auch die Platte 14.5 teil.
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Das Wärmeträgermedium wurde vor Eintritt in den Zusatzwärmetauscher 14 beim Durchlaufen der spiralförmigen Wärmetauscherrohre 11.3 bereits auf eine Temperatur aufgeheizt, die in etwa der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels entspricht, in Weiterführung des oben genannten Beispiels also auf eine Temperatur von etwa 45°C. Nach Durchlaufen des Zusatzwärmetauschers 14 befindet sich das über den Anschluss 14.7 austretende und anschließend einem Wärmeverbraucher zugeführte Wärmeträgermedium auf einem Temperaturniveau, welches oberhalb der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels liegt. Der Zusatzwärmetauscher 14 stellt für das wärmeaufnehmende Wärmeträgermedium insoweit eine Nachheizstufe dar, in welcher es noch einmal mittels des am höchsten temperierten Kältemittels des gesamten Kältemittelkreises nachgeheizt wird.
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Aufgrund der insbesondere bei Wärmepumpen häufig wechselnden Betriebsbedingungen ist die Temperatur des den Verdichter 30 verlassenden Kältemittelgases jedoch nicht immer konstant. Bei geringerer Überhitzung des Kältemittelgases kann innerhalb des Zusatzwärmetauscher 14 bereits eine teilweise Vorverflüssigung des Kältemittels eintreten. Diese bereits verflüssigten Anteile des Kältemittels haben ihre Aufgabe erfüllt, können innerhalb des Wärmetauscherraums 11 keine nennenswerte Wärmeenergie mehr abgeben und würden im Wärmetauscherraum 11 lediglich als raumgreifender Ballst mitgeführt werden.
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Um zu verhindern, dass bereits verflüssigte Kältemittelanteile in den Wärmetauscherraum 11, in welchem das gasförmige Kältemittel seine Wärme durch einen Phasenübergang an das Wärmeträgermedium abgeben soll, eintreten und die Effizienz der Wärmeübertragung beeinträchtigen, ist im Anschluss an den Zusatzwärmetauscher 14 eine Phasenweiche 12 vorgesehen. Innerhalb der Phasenweiche 12 werden die flüssigen Anteile des Kältemittels von den gasförmigen separiert.
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Die Phasenweiche 12 ist nach Art eines Schwerkraftabscheidungsraums 12.1 gestaltet, vgl. insbesondere 4. Innerhalb des Zusatzwärmetauschers 14 vorverflüssigtes Kältemittel wird nach Eintritt in die Phasenweiche 12 unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten in Richtung eines Trichters 12.2 geführt. Nach Art eines Regens fallen die verflüssigten Anteile des Kältemittels aus dem Gasstrom aus. Der Trichter 12.2 ist an seinem unteren Ende mit Öffnungen versehen, die in Richtung des als Bypass 13 dienenden Innenrohres 11.2 des Wärmetauscherraums 11 durchströmbar sind. Über den Bypass 13 gelangt das vorverflüssigte Kältemittel auf direktem Weg zum unten liegenden Abströmbereich des Wärmetauscherraums 11.
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Das gasförmige Kältemittel tritt nach erfolgter Enthitzung ebenfalls in den Schwerkraftabscheidungsraum 12.1 ein. Der Schwerkraftabscheidungsraum 12.1 ist in Richtung des Wärmetauscherraums 11 offen gestaltet, weshalb die gasförmigen Anteile des Kältemittels von oben her in diesen eintreten können. Da es beim Phasenübergang von gasförmig zu flüssig zu einer großen Volumenänderung des Kältemittels kommt, ergibt sich aufgrund des sich im Wärmetauscherraum 11 von oben nach unten zunehmend verflüssigenden Kältemittels ein Druckgefälle. Dieses hat eine Sogwirkung zur Folge, derart, dass die gasförmigen Anteile des Kältemittels aus dem Schwerkraftabscheidungsraum 12.1 in den seitlich gelegenen Wärmetauscherraum 11 hineingezogen werden.
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Im Abstrombereich des Wärmetauscherraums 11 treffen die über den Bypass 13 geführten Kältemittelanteile und die in dem Wärmetauscherraum 11 verflüssigten Kältemittelanteile wieder zusammen.
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Da sich das verflüssigte Kältemittel im unteren Bereich des Wärmetauschers 10 bzw. des Wärmetauscherraums 11 staut, wie dies in durch den in strichpunktierte Linie in 2 eingezeichneten Kältemittelspiegel K veranschaulicht werden soll, können die gasförmigen Anteile des Kältemittels nicht über den Bypass 13 den direkten Weg zur Abströmseite des Wärmetauscherraums 11 nehmen. Nachdem das Kältemittel innerhalb des Wärmetauschers 10 vollständig verflüssigt wurde, befindet sich das sich im unteren Bereich des Wärmetauschers 10 stauende Kältemittel auf einem in etwa der Kondensationstemperatur entsprechenden Niveau, in Weiterführung des obigen Beispiels auf einem Temperaturniveau von 45°C. Während der Verflüssigung innerhalb des Wärmetauscherraums 11 eventuell mit nach unten gerissene gasförmige Anteile können über den Bypass 13 nach oben steigen und kondensieren entweder an der Innenseite des Bypasses 13 oder werden über das Druckgefälle erneut in den Wärmetauscherraum 11 gezogen werden, wodurch sichergestellt ist, dass das Kältemittel in der sich anschließenden Unterkühlungszone U in rein flüssiger Form vorliegt.
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Nach Durchlaufen der Verflüssigungszone F tritt das in flüssiger Form vorliegende Kältemittel in die Unterkühlungszone U ein.
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In der Unterkühlungszone U wird das Kältemittel unter dessen Kondensations- bzw. Verflüssigungstemperatur unterkühlt. Hierzu ist der Zusatzwärmetauscher 15 vorgesehen, der eine effektive Unterkühlung des aus der Verflüssigungszone F stammenden Kältemittels ermöglicht. Nach Durchlaufen der oberen Kammer 15.3, der sich von dieser sternenförmig erstreckenden Rohre 15.6 sowie der unteren Kammer 15.2 und dem damit verbundenen Wärmeaustausch mit dem über den Anschluss 15.7 einströmenden Wärmeträgermedium befindet sich das Kältemittel am Anschluss 15.8 auf einem unterhalb der Verflüssigungstemperatur liegenden Temperaturniveau, beispielsweise auf einer Temperatur von 31°C.
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Über den Anschluss 15.8 gelangt das flüssige Kältemittel zu dem Expansionsorgan 40.
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Obschon das Kältemittel in dem Zusatzwärmetauscher 15 unterhalb dessen Kondensationstemperatur unterkühlt wurde, bildet sich durch die Druckabsenkung innerhalb des Expansionsorgans 40 bei Eintritt in die Niederdruckseite unmittelbar Kättemittelgasanteile. Auf der hinter dem Expansionsorgan 40 liegende Niederdruckzone beträgt die Temperatur des Kältemittels beispielsweise 15°C bei einem Druck von 5 bar. Die sich beim Entspannen innerhalb des Expansionsorgans bildenden Gasanteile werden oftmals auch als ”Flash-Gas” bezeichnet. Diese Gasanteile treten nicht gleichmäßig auf, sondern weisen eine unrhythmische, schwingungsförmige Intensität auf, was aus den starken Druckimpulsen beim Druckabbau innerhalb des Expansionsorgans 40 zu erklären ist.
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In diesem hochdynamischen Zustand gelangt das aus zwei Phasen bestehende Kältemittel über den Anschluss 25.8 in den der Verdampfung des Kältemittels dienenden Wärmetauscher 20.
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Auch der Wärmetauscher 20 lässt sich in drei Zonen gliedern. Zunächst tritt das Kältemittel in eine Vorverdamfperzone V ein, durchläuft danach die Verdampfungszone D bevor es den Wärmetauscher 20 über die Überhitzerzone Ü verlässt.
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Innerhalb der Vorverdampfungszone V befindet sich ein Zusatzwärmetauscher 25, der analog dem Zusatzwärmetauscher 15 des Wärmetauschers 10 aufgebaut ist. In den Zusatzwärmetauscher 25 erfolgt ein erster Wärmeaustausch mit dem wärmeabgebenden Wärmeträgermedium, wodurch weitere Anteile des Kältemittels verdampft werden. Auch wird der sich in einem dynamischen zustand befindende Kältemittelstrom beim durchlaufen der Rohe 25.6 beruhigt.
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Um zu verhindern, dass das Flash-Gas und die innerhalb des Zusatzwärmetauschers 25 verdampften Anteile des Kältemittels, die in dem Wärmetauscherraum 21 keine nennenswerte Energie mehr aufnehmen können und die Effizienz der Wärmeübertragung innerhalb des Wärmetauscherraums 21 stark beeinträchtigen würden, in den Wärmetauscherraum 21 des Wärmetauschers 20 gelangen, ist wiederum eine Phasenweiche 22 vorgesehen.
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Die Phasenweiche 22 unterscheidet sich grundlegend von der Phasenweiche 12 des Wärmetauschers 10.
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Die Phasenweiche 22 des Wärmetauschers 20 wird von einem rohrförmigen Diffusor 22.1 gebildet. Nach Austritt aus der oberen Kammer 25.3 des Zusatzwärmetauschers 25 tritt das Gemisch aus flüssigem und gasförmigem Kältemittel noch immer impulsreich in den Diffusor 22.1 ein. Der Diffusor 22.1 befindet sich innerhalb des als Bypass 23 für die gasförmigen Anteile des Kältemittels dienenden Innenrohres 21.2 des Wärmetauschers 20. Das Diffusorrohr 22.1 ist an seinem oberen Ende über einen Deckel geschlossen und weist eine Vielzahl radialer Öffnungen 22.2 auf.
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Ähnlich wie bei Auspuffanlagen von Verbrennungsmotoren wird das noch immer impulsreiche Kältemittel in das Diffusorrohr 22.1 geführt. Beim Durchtreten der Öffnungen 22.2 werden die Druckimpulse abgebaut, und es erfolgt eine Beruhigung des Kältemittelstroms, vgl. 10. Auch kann der Raum hinter den Öffnungen 22.2 zur weiteren Beruhigung des Kältemittelstroms mit Stahlwolle ausgefüllt sein. Nach dem sich die Druckimpulse des Kältemittelstroms abgebaut haben, sinken die flüssigen Anteile des Kältemittels unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten und treten über im Bereich des unteren Endes des Innenrohres 21.1 vorgesehene Zulauföffnungen 25.5 von unten her in den Wärmetauscherraum 21 ein. Unter dem Einfluss der Sogwirkung des Verdichters 30 werden die gasförmigen Bestandteile des Kältemittels nach oben angesaugt und über einen Gasauslass 27 aus dem Bypass 23 entlassen, vgl. auch 8. Innerhalb des Wärmetauscherraums 21 werden die flüssigen Kältemittelanteile verdampft, wodurch deren Dichte abnimmt und diese nach oben aufsteigen. Auf diese Weise erfolgt eine Phasentrennung der flüssigen Phase von der gasförmigen Phase des Kältemittels, die innerhalb des Wärmetauscherraums 21 keine nennenswerte Energie mehr aufnehmen kann.
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Der Gasauslass 27 ist am Ende des Bypasses 23 angeordnet und von insgesamt schornsteinartiger Bauweise. Der Gasauslass 27 ist über ein plattenförmiges Halteelement 27.1 innerhalb des Bypasses 23 festgelegt. Von dem Halteelement erstreckt sich kaminartig ein Steigrohr 27.2 nach oben, dessen Ende über einen Deckel 27.3 verschlossen ist. Der Deckel 27.3 erstreckt sich seitlich über das Steigrohr 27.2 hinaus und weist randseitig eine nach unten weisende Abwinklung 27.4 auf. Im Bereich des oberen Endes des Steigrohres 27.2 ist eine Vielzahl von über dessen Umfang verteilten Öffnungen 27.5 vorgesehen, über welche das Kältemittelgas den Gasauslass 27 verlässt.
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Das bereits energiereiche Kättemittelgas wird über den Bypass 23 auf direktem Weg zur Abstromseite des Wärmetauscherraums 21 geführt. Das flüssige Kältemittel wird durch den Wärmetauscherraum 21 geführt, in welchem es vom im Gegenstrom über die Wärmetauscherrohre 22.3 geführten Wärmeträgermedium Energie aufnimmt und verdampft wird. Als energiereiches Kältemittelgas verlässt es den Wärmetauscherraum 21, wo es auf das über die Phasenweiche 22 auf direktem Weg nach oben geführte Kältemittelgas trifft.
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Nach Verlassen des Wärmetauscherraums 21 erweitert sich der Querschnitt und die Strömungsgeschwindigkeit des aus dem Wärmetauscherraum 21 austretenden Kältemitteldampfes verringert sich. Bei der Verdampfung des Kältemittels eventuell mit nach oben gerissene Flüssigkeitstropfen werden dadurch abgeschieden. Auch werden mitgerissene Ölanteile des Kältemittels, die zur Schmierung der bewegbaren Teile des Kompressors 30 erforderlich sind, abgeschieden und in einer Ölauffangwanne 28 aufgefangen.
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Die Ölauffangwanne 28 wird gebildet durch den zwischen dem Steigrohr 27.2 des Gasauslasses 27 und dem Innerohr 21.2 bestehenden Freiraum. Innerhalb der Ölauffangwanne 28 werden etwaige Kältemittelreste restlos verdampft, wodurch die Gefahr einer für den Kompressor 30 schädlichen Naßdampfansaugung verhindert wird. Die dazu erforderlich Energie über durch Wärmeübertragung über das Innenrohr 21.2 bezogen. Das sich innerhalb der Ölauffangwanne 28 sammelnde Öl wird über eine kapillarartige Rückführung 29 in Richtung des zu schmierenden Kompressors 30 geführt. Die Rückführung 29 taucht mit einem Ende 29.1 in die Ölauffangwanne 28 ein und befindet sich mit ihrem anderen im Sauggasstrom des Kompressors 30, wodurch nach dem Injektorprinzip ein Unterdruck entsteht, der das aufgefangene Öl in Richtung des Kompressors 30 strömen lässt.
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Nach Verlassen der Verdampfungszone D tritt das Kältemittel gasförmig in die Überhitzungszone Ü ein, in welcher sich ein Zusatzwärmetauscher 24 befindet, dessen Konstruktion mit der des Zusatzwärmetauschers 14 des Wärmetauschers 10 übereinstimmt.
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Innerhalb des Zusatzwärmetauschers 24 nimmt das rein gasförmig vorliegende Kältemittelgas weitere Energie aus dem über den Anschluss 24.7 zugeführten Wärmeträgermedium aufnimmt. Das Kältemittel verlässt über den Anschluss 24.6 den Wärmetauscher 20 beispielsweise mit einer Temperatur von 23°C und wird erneut dem Verdichter 30 zugeführt, wobei über die Rückführung Öl zur Schmierung des Verdichters 30 mitgenommen wird.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungen von Wärmetauschern sowie eines Kältemittelkreises zeichnen sich insbesondere durch eine effiziente Übertragung von Energie zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeträgermedium aus, wodurch sich bei Wärmepumpen verbesserte COP-Werte erreichen lassen. Über Phasenweichen, die jeweils am Eingang der Wärmetauscherräume angeordnet sind, lassen sich die bereits einer Phasenumwandlung unterlegenen Anteile des Kältemittels von jenen Anteilen des Kältemittels trennen, die innerhalb des Wärmetauscherraums noch einer Phasenumwandlung unterzogen werden sollen. Auch die oberhalb bzw. unterhalb des Wärmetauscherraums angeordneten Zusatzwärmetauscher bewirken eine Verbesserung des COP-Werts und damit eine verbesserte Effizienz der Wärmepumpe. Durch die Anordnung mehrerer Rohrstränge innerhalb des Wärmetauscherraums werden Druckverluste gering gehalten, was sich durch eine Senkung von Pumpenenergie positiv auf die Effizienz mit der Wärmepumpe verbundenen Systeme, beispielsweise einem Heizungskreislauf, auswirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wärmetauscher, Verflüssiger
- 11
- Wärmetauscherraum
- 11.1
- Außenrohr
- 11.2
- Innenrohr
- 11.3
- Wärmetauscherrohr
- 12
- Phasenweiche
- 12.1
- Schwerkraftabscheidungsraum
- 12.2
- Trichter
- 13
- Bypass
- 14
- Zusatzwärmetauscher
- 14'
- Zusatzwärmetauscher
- 14.1
- Umlenkelement
- 14.1'
- Öffnung
- 14.2
- Rohr
- 14.2'
- Rohr
- 14.3
- Rippe
- 14.3'
- Element
- 14.4
- Platte
- 14.5
- Platte
- 14.6
- Anschluss
- 14.6'
- Anschluss
- 14.7
- Anschluss
- 14.7'
- Anschluss
- 14.8
- Strömungsraum
- 14.8'
- Strömungsraum
- 15
- Zusatzwärmetauscher
- 15.2
- Kammer
- 15.3
- Kammer
- 15.4
- Platte
- 15.6
- Rohr
- 15.7
- Anschluss
- 15.8
- Anschluss
- 15.9
- Platte
- 15.10
- Platte
- 16
- Gehäuse
- E
- Enthitzerzone
- F
- Verflüssigungszone
- U
- Unterkühlungszone
- K
- Kältemittelspiegel
- 20
- Wärmetauscher, Verdampfer
- 21
- Wärmetauscherraum
- 21.1
- Außenrohr
- 21.2
- Innenrohr
- 21.3
- Wärmetauscherrohr
- 22
- Phasenweiche
- 22.1
- Diffusorrohr
- 22.2
- Öffnung
- 22.3
- Deckel
- 22.4
- Einlass
- 22.5
- Ablauf
- 23
- Bypass
- 24
- Zusatzwärmetauscher
- 24.1
- Umlenkelement
- 24.2
- Rohr
- 24.3
- Rippe
- 24.4
- Platte
- 24.5
- Platte
- 24.6
- Anschluss
- 24.7
- Anschluss
- 24.8
- Strömungsraum
- 24.9
- Umlenkelement
- 25
- Zusatzwärmetauscher
- 25.2
- Kammer
- 25.3
- Kammer
- 25.4
- Platte
- 25.6
- Rohr
- 25.7
- Anschluss
- 25.8
- Anschluss
- 25.9
- Platte
- 25.10
- Platte
- 26
- Gehäuse
- 27
- Gasauslass
- 27.1
- Haltelement
- 27.2
- Steigrohr
- 27.3
- Deckel
- 27.4
- Abwinklung
- 27.5
- Öffnung
- 28
- Ölauffangwanne
- 29
- Rückführung
- 29.1
- Ende
- 29.2
- Ende
- V
- Vorverdampfungszone
- D
- Verdampfungszone
- Ü
- Überhitzungszone
- 30
- Kompressor
- 40
- Expansionsorgan
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008059543 A1 [0064]
