DE102014000539A1

DE102014000539A1 - Evaporator

Info

Publication number: DE102014000539A1
Application number: DE102014000539.9A
Authority: DE
Inventors: Lars Brauer; Walter Nestler; Steffen Oberländer; Eberhard Wobst
Original assignee: THERMEA ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: Engie Refrigeration GmbH
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zusatz zum Druckluft-Kältetrockner zum Entfeuchten von Druckluft mittels eines Kältemittelkreislaufs mit Kohlendioxid als Kältemittel gemäß DE 10 2012 110 237.6, wobei der Verdampfer (2) in Form eines Rohrbündelwärmeübertragers (40) ausgestaltet ist, in dessen Mantel (42) ein Berieselungsrohr (48), das sich über die gesamte Länge des Mantels (42) erstreckt und dessen erster Endabschnitt stoffschlüssig mit der Kältemittel-Einlassöffnung (44) des Mantels (42) verbunden ist, angeordnet ist. Das Berieselungsrohr (48) weist entlang seiner gesamten Länge radial angeordnete Düsen (49) auf, wobei der zweite Endabschnitt des Berieselungsrohres (48) dicht verschlossen ist. Im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers (40) sprühen die Düsen (49) flüssiges Kältemittel auf die Rohre der Rohrbündel (43), sodass einem durch die Rohre der Rohrbündel (43) fließendem Medium von dem verdampfenden Kältemittel Wärme entzogen wird.The invention relates to an addition to the compressed air refrigerant dryer for dehumidifying compressed air by means of a refrigerant circuit with carbon dioxide as refrigerant according to DE 10 2012 110 237.6, wherein the evaporator (2) in the form of a Rohrbündelwärmeübertragers (40) is configured in the jacket (42) Sprinkler tube (48) which extends over the entire length of the jacket (42) and whose first end portion is integrally connected to the refrigerant inlet port (44) of the jacket (42) is arranged. The sprinkler pipe (48) has radially disposed nozzles (49) along its entire length, the second end portion of the sprinkler pipe (48) being sealed. During operation of the tube bundle heat exchanger (40), the nozzles (49) spray liquid refrigerant onto the tubes of the tube bundles (43) so that heat is withdrawn from the evaporating refrigerant to a medium flowing through the tubes of the tube bundles (43).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zusatz zu DE 10 2012 110 237.6 , wobei der Verdampfer im Kältemittelkreislauf des Druckluft-Kältetrockners als Rohrbündelwärmeübertrager ausgebildet ist.The invention relates to an addition to DE 10 2012 110 237.6 , wherein the evaporator is formed in the refrigerant circuit of the compressed air refrigerant dryer as a tube bundle heat exchanger.

Eine üblicherweise bekannte Ausformung eines Wärmeübertragers, beispielsweise in einem Kältemittelkreislauf, ist der Rohrbündelwärmeübertrager, bei dem im Inneren eines Hohlzylinders, dem Mantel, eine Vielzahl von Rohren mit einer geringen Nennweite angeordnet sind. Durch den Hohlzylinder strömt ein Medium höherer Temperatur, durch die Rohre eines niedrigerer Temperatur oder umgekehrt. Bei diesem Vorgang kühlt das wärmere Medium ab, während das kältere Medium aufgeheizt wird. Läuft, bei Verwendung des Rohrbündelwärmeübertragers als Verdampfer in einem Kältemittelkreislauf, ein Kältemittel durch den Mantel, so wird eine vergleichsweise große Menge an Kältemittel notwendig, um alle in dem Mantel angeordneten Rohre gleichmäßig zu beaufschlagen. Üblicherweise ist der Mantel zu 90% (in Kombination mit einem ausreichend dimensionierten Abscheidesammler bis zu 100%) mit flüssigem Kältemittel gefüllt. Diese Ausgestaltung eines Verdampfers ist auch als überfluteter Verdampfer bekannt.A conventionally known embodiment of a heat exchanger, for example in a refrigerant circuit, is the tube bundle heat exchanger, in which a plurality of tubes with a small nominal diameter are arranged in the interior of a hollow cylinder, the jacket. Through the hollow cylinder flows a medium of higher temperature, through the tubes of a lower temperature or vice versa. During this process, the warmer medium cools, while the colder medium is heated. Runs when using the tube bundle heat exchanger as an evaporator in a refrigerant circuit, a refrigerant through the jacket, so a comparatively large amount of refrigerant is necessary to uniformly apply all arranged in the shell tubes. Normally, the jacket is filled to 90% (in combination with a sufficiently sized collector up to 100%) with liquid refrigerant. This embodiment of an evaporator is also known as a flooded evaporator.

Wünschenswert wäre ein als Verdampfer einsetzbarer Rohrbündelwärmeübertrager, der mit weniger Kältemittel eine effektive und gleichmäßige Abkühlung eines durch die Rohre strömenden Mediums erlaubt, über einen großen Leistungsbereiche einsetzbar ist und kleine Zeitkonstanten (schnelle Leistungsregelung) aufweist.It would be desirable to use a usable as an evaporator shell and tube heat exchanger, which allows with less refrigerant effective and uniform cooling of a medium flowing through the pipes, can be used over a large power ranges and small time constants (fast power control) has.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verdampfer in Form eines Rohrbündelwärmeübertragers zur Verfügung zu stellen, der eine effektive und gleichmäßige Abkühlung eines durch die Rohre strömenden Mediums, beispielsweise Druckluft, ermöglicht und sich in einem großen Leistungsbereich mit möglichst geringen Abweichungen hinsichtlich Betrag und Zeit (kleine Regelfläche) vom Sollwert regeln lässt, wobei nur eine geringe Menge an Kältemittel benötigt wird, sodass der Mantel nur zu maximal 25% mit flüssigem Kältemittel gefüllt ist.The object of the invention is to provide an evaporator in the form of a tube bundle heat exchanger, which allows an effective and uniform cooling of a medium flowing through the pipes, for example compressed air, and in a large power range with minimal deviations in terms of amount and time (small Regulating surface) can be regulated by the setpoint, with only a small amount of refrigerant is needed, so that the jacket is filled only to a maximum of 25% with liquid refrigerant.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß Patentanspruch 1; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen befinden sich in den Unteransprüchen 2 bis 4.The solution of this task is carried out according to claim 1; expedient embodiments of the inventions are in the dependent claims 2 to 4.

Der erfindungsgemäße Verdampfer ist in Form eines Rohrbündelwärmeübertragers ausgebildet, umfassend einen als Hohlzylinder ausgebildeten Mantel, dessen beide Endabschnitte mit je einem Verschlusselement, beispielsweise einem Deckel, hermetisch dicht verschlossen sind. Im Bereich der beiden Endabschnitte sind je eine erste und eine zweite Durchlassöffnung angebracht, wobei jeweils eine der zwei Durchlassöffnungen kleiner als die andere sein kann. Die erste, vorzugsweise kleinere, der jeweils zwei Durchlassöffnungen ist eine Einlass- bzw. Auslassöffnung für das Kältemittel. Die zweite, vorzugsweise größere, der jeweils zwei Durchlassöffnungen nimmt die Rohre der Rohrbündel auf, durch welche im Betrieb des Wärmeübertragers ein zweites Medium, z. B. zu entfeuchtende Druckluft, fließt.The evaporator according to the invention is designed in the form of a tube bundle heat exchanger, comprising a shell designed as a hollow cylinder, whose two end portions are hermetically sealed, each with a closure element, such as a lid. In each case a first and a second passage opening are attached in the region of the two end sections, with one of the two passage openings being smaller than the other. The first, preferably smaller, of the respective two passage openings is an inlet or outlet opening for the refrigerant. The second, preferably larger, of the respective two passage openings receives the tubes of the tube bundle, through which a second medium, for. B. to be dehumidified compressed air flows.

Im Inneren des Hohlzylinders ist mindestens ein Rohr, im Folgenden Berieselungsrohr genannt, zum Einleiten des Kältemittels angeordnet, welches an seinem ersten Endabschnitt stoffschlüssig mit der Kältemittel-Einlassöffnung des Mantels verbunden ist. Der zweite Endabschnitt des Berieselungsrohres endet blind, d. h., der zweite Endabschnitt des Berieselungsrohres ist hermetisch abgedichtet. Als Rohrmaterial kann Glattrohr oder zur Leistungssteigerung bzw. Baugrößenreduzierung Rohr mit Oberflächenvergrößerung z. B. Rillenrohr eingesetzt werden. Das Berieselungsrohr erstreckt sich innerhalb des Mantels vorzugsweise über die gesamte Länge des Mantels von der im Bereich des ersten Mantel-Endabschnitts angeordneten Einlassöffnung zu dem diesem ersten Endabschnitt gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt des Mantels. Das Berieselungsrohr weist außerdem eine Vielzahl von Düsen auf, welche entlang des Berieselungsrohres über seine gesamte Länge verteilt und vorzugsweise mit gleichmäßigem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Düsen sind derart gestaltet, dass Kältemittel, welches durch die Einlassöffnung in das Berieselungsrohr eingeleitet wird, durch die Düsen aus jeweils einer Auslassöffnung in den Hohlzylinder gelangen kann. Die Düsen können beispielsweise in der Art angebracht sein, dass sie mit ihrer jeweiligen Auslassöffnung radial von der Mittelachse des Berieselungsrohrs weg in den Innenraum des Mantels orientiert sind, sodass im Betrieb des Verdampfers in das Berieselungsrohr eingeleitetes Kältemittel radial durch die Düsen aus dem Berieselungsrohr in den Mantel strömt und an den Rohren verdampft. Ein unter Umständen nicht verdampfter Anteil sammelt sich um unteren Mantelbereich und wird mittels einer ggf. regelbaren Pumpe oder eines ggf. regelbaren Ejektors zurück ins Verteilerrohr gefördert.In the interior of the hollow cylinder, at least one pipe, hereinafter referred to as a sprinkler pipe, is arranged to introduce the refrigerant, which at its first end portion is connected in a materially bonded manner to the refrigerant inlet opening of the jacket. The second end portion of the sprinkler tube terminates blind, d. h., The second end portion of the sprinkler tube is hermetically sealed. As a pipe material smooth tube or to increase performance or size reduction tube with surface enlargement z. B. groove tube can be used. The sprinkler tube preferably extends within the shell over the entire length of the shell from the inlet opening arranged in the region of the first shell end section to the second end section of the shell opposite this first end section. The sprinkler tube also has a plurality of nozzles which are distributed along the sprinkler tube over its entire length and are preferably arranged with uniform spacing from each other. The nozzles are designed such that refrigerant, which is introduced through the inlet opening into the showering tube, can pass through the nozzles from in each case one outlet opening into the hollow cylinder. The nozzles may, for example, be mounted in such a way that they are oriented with their respective outlet opening radially away from the center axis of the sprinkler pipe into the interior of the jacket, so that in the operation of the evaporator refrigerant introduced into the sprinkler pipe radially through the nozzles from the sprinkler pipe into the Sheath flows and evaporates on the pipes. A portion which may not be vaporized collects around the lower jacket area and is conveyed back into the distributor pipe by means of an optionally controllable pump or an optionally controllable ejector.

Das Berieselungsrohr und die daran angebrachten Düsen sind in der Art im Mantel des Rohrbündelwärmeübertragers angeordnet, dass alle Rohre des mindestens einen, im Inneren des Rohrbündelwärmeübertragers angeordneten, Rohrbündels im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers mit Kältemittel besprüht werden können.The sprinkler pipe and the nozzles attached thereto are arranged in the manner of the jacket of the shell-and-tube heat exchanger in that all tubes of the at least one tube bundle arranged inside the shell-and-tube heat exchanger can be sprayed with refrigerant during operation of the shell-and-tube heat exchanger.

Durch diese Ausgestaltungsform eines Verdampfers wird es möglich, ein im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertrager durch die Rohre der Rohrbündel strömendes Medium mit einer im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Menge an Kältemittel zu kühlen. Aufgrund der geringen erforderlichen Kältemittelmenge ist außerdem die Trägheit des Verdampfers gering und eine schnelle sowie punktgenaue Leistungsanpassung möglich.This embodiment of an evaporator makes it possible to use a medium flowing through the tubes of the tube bundles during operation of the shell-and-tube heat exchanger with one in comparison to cool the prior art reduced amount of refrigerant. In addition, due to the small amount of refrigerant required, the inertia of the evaporator is low and rapid and precise power adjustment is possible.

Gemäß einer Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass der Mantel des Verdampfers einen zusätzlichen Kältemittel-Austritt aufweist, welcher im Betrieb des Verdampfers unten angeordnet ist, über den nicht verdampftes, flüssiges Kältemittel mittels einer Pumpe oder eines Ejektors zurück zum Kältemitteleingang des Verdampfers gefördert wird.According to one embodiment, it can also be provided that the jacket of the evaporator has an additional refrigerant outlet, which is arranged at the bottom in the operation of the evaporator, is conveyed via the non-evaporated, liquid refrigerant by means of a pump or an ejector back to the refrigerant inlet of the evaporator.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass am Kältemitteleinlass des Verdampfers ein Regelventil angeordnet ist, das im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers nur soviel Kältemittel in den Verdampfer einleitet, dass das durch die Düsen des Berieselungsrohrs in den Mantel eingebrachte Kältemittel vollständig innerhalb des Mantels verdampft. Als Regelgröße kann in diesem Fall z. B. ein minimaler Kältemittelfüllstand im unteren Bereich des Mantelrohres dienen. Pumpe und Ejektor zur Rückführung des überschüssigen Kältemittels können dann entfallen.It may further be provided that a control valve is arranged at the refrigerant inlet of the evaporator, which only introduces into the evaporator during operation of the tube bundle heat exchanger, that the refrigerant introduced into the jacket through the nozzles of the sprinkler tube evaporates completely within the jacket. As a controlled variable can in this case z. B. serve a minimum refrigerant level in the lower region of the jacket tube. Pump and ejector to return the excess refrigerant can then be omitted.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert; hierzu zeigt die Figur einen erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertrager im Längsschnitt in schematischer Darstellung.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment; For this purpose, the figure shows a tube bundle heat exchanger according to the invention in a longitudinal section in a schematic representation.

Der Rohrbündelwärmeübertrager 40 umfasst einen als Hohlzylinder ausgebildeten Mantel 42, der eine Einlassöffnung 44 und zwei Auslassöffnungen 45 für das Kältemittel, sowie eine Einlassöffnung 46 und eine Auslassöffnung 47 für ein Rohrbündel 43, durch dessen Rohre im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers 40 zu entfeuchtende Druckluft strömt.The tube bundle heat exchanger 40 comprises a jacket designed as a hollow cylinder 42 that has an inlet opening 44 and two outlet openings 45 for the refrigerant, as well as an inlet opening 46 and an outlet opening 47 for a tube bundle 43 , through the tubes during operation of the tube bundle heat exchanger 40 compressed air to be dehumidified flows.

Im Inneren des Mantels 42 ist an die Einlassöffnung 44 ein Berieselungsrohr 48 stoffschlüssig angeschlossen. Dieses Berieselungsrohr 48 erstreckt sich gemäß der Figur oberhalb des Rohrbündels 43 und parallel zur Längsachse des Hohlzylinders 42 über die gesamte Länge des Rohrbündels 43. An gleichmäßig zueinander beabstandeten Öffnungen entlang des Rohres 48 sind Düsen 49 angeordnet, die mit ihren Düsenauslassöffnungen in Richtung der Rohre des Rohrbündels 43 orientiert sind.Inside the coat 42 is at the inlet opening 44 a sprinkler pipe 48 cohesively connected. This sprinkler pipe 48 extends according to the figure above the tube bundle 43 and parallel to the longitudinal axis of the hollow cylinder 42 over the entire length of the tube bundle 43 , At evenly spaced openings along the tube 48 are nozzles 49 arranged with their nozzle outlet openings in the direction of the tubes of the tube bundle 43 are oriented.

Im Betrieb des erfindungsgemäßen Verdampfers strömt flüssiges Kältemittel durch die Einlassöffnung 44 in das im Hohlzylinder 42 angeordnete Berieselungsrohr 48. Durch die Düsen 49 des Berieselungsrohres 48 wird das Kältemittel gleichmäßig auf die Rohre des Rohrbündels 43 gesprüht. Aufgrund des Verdampfens des versprühten Kältemittels wird durch die Rohre des Rohrbündels 43 geleitete Druckluft abgekühlt, wobei in der Druckluft gespeicherte Feuchtigkeit auskondensiert.During operation of the evaporator according to the invention, liquid refrigerant flows through the inlet opening 44 in the hollow cylinder 42 arranged sprinkler pipe 48 , Through the nozzles 49 of the sprinkler pipe 48 The refrigerant is applied evenly to the tubes of the tube bundle 43 sprayed. Due to the evaporation of the sprayed refrigerant is through the tubes of the tube bundle 43 cooled compressed air, wherein condenses stored in the compressed air moisture.

Die im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers 40 oben angeordnete Kältemittel-Auslassöffnung 45 ist über eine Kältemittelleitung mit dem Verdichter des Kältemittelkreislaufs verbunden, sodass das gasförmige Kältemittel aus dem Hohlzylinder 42 abgesaugt wird. Die im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers 40 unten angeordnete Kältemittel-Auslassöffnung 45 ist über eine Kältemittel-Rückführleitung mittelbar mit der Kältemittel-Einlassöffnung 44 verbunden. Flüssiges Kältemittel, welches sich im Hohlzylinder 42 ansammelt, wird so wieder zum Kältemitteleintritt des Rohrbündelwärmeübertragers 40 zurückgeführt.The during operation of the tube bundle heat exchanger 40 above arranged refrigerant outlet opening 45 is connected via a refrigerant line to the compressor of the refrigerant circuit, so that the gaseous refrigerant from the hollow cylinder 42 is sucked off. The during operation of the tube bundle heat exchanger 40 bottom arranged refrigerant outlet 45 is indirectly via a refrigerant return line with the refrigerant inlet port 44 connected. Liquid refrigerant, which is in the hollow cylinder 42 accumulates, is so back to the refrigerant inlet of Rohrbündelwärmeübertragers 40 recycled.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

4040: RohrbündelwärmeübertragerShell and tube heat exchanger
4242: Hohlzylinder/MantelHollow cylinder / coat
4343: Rohrbündeltube bundle
4444: Einlassöffnung für KältemittelInlet opening for refrigerant
4545: Auslassöffnung für KältemittelOutlet opening for refrigerant
4646: Einlassöffnung für RohrbündelInlet opening for tube bundle
4747: Auslassöffnung für RohrbündelOutlet opening for tube bundle
4848: Berieselungsrohran irrigation pipe
4949: Düsenjet

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012110237 [0001]

Claims

Evaporator, in particular for use in a compressed air refrigeration dryer for dehumidifying compressed air by means of a refrigerant circuit according to the main patent DE 10 2012 110 237.6, characterized in that the evaporator ( 2 ) in the form of a tube bundle heat exchanger ( 40 ) is formed, the tubes of the tube bundle ( 43 ) in the operation of the evaporator ( 2 ) are traversed by the compressed air to be dehumidified, wherein the tube bundle heat exchanger ( 40 ) additionally at least one at its first end portion hermetically sealed Berieselungsrohr ( 49 ) inside the evaporator ( 2 ) parallel to the tube bundles ( 43 ) is arranged and the second end portion at an inlet opening ( 44 ) in the coat ( 42 ) of the tube bundle heat exchanger ( 40 ) and by means of a refrigerant line medium or directly with a refrigerant outlet of the expansion valve ( 6 ) or ejector of the refrigerant circuit is connected, wherein the at least one sprinkler tube ( 48 ) has passage openings over its entire length, at which nozzles ( 49 ) are arranged with their outlet openings in the direction of the tubes of the tube bundle ( 43 ) are aligned.

Evaporator according to claim 1, characterized in that the at least one sprinkler pipe ( 48 ) during operation of the tube bundle heat exchanger ( 40 ) above the tubes of the tube bundle ( 43 ) is arranged.

Evaporator according to claim 1 or 2, characterized in that at the refrigerant side entrance of the evaporator ( 2 ) is arranged a control valve or an ejector in the refrigerant pipe.

Evaporator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the jacket ( 42 ) at least two outlet openings ( 45 ) for the refrigerant, wherein at least one of the two refrigerant outlet openings ( 45 ) in the operation of the evaporator ( 2 ) is arranged below and is integrally connected to a first end of a refrigerant return line, whose second end to the refrigerant inlet opening ( 44 ) of the evaporator ( 2 ) is connected directly or indirectly to the return of unevaporated, liquid refrigerant to the refrigerant inlet of the evaporator ( 2 ).

Evaporator according to one of claims 3 or 4, characterized in that a small liquid level in the lower jacket area serves as a controlled variable for the control valve installed in the refrigerant line upstream of the evaporator.