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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät und eine Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät.
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In Haushaltsgeräten, die mit thermischer Energie arbeiten, wie beispielsweise Haushaltskältegeräte oder Wäschetrockner, wird Kältemittel eingesetzt, das beispielsweise in einem Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager einer Wärmepumpenanlage des Haushaltsgeräts zirkuliert.
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Die
DE 1129516 beschreibt einen Röhrenwärmetauscher, dessen Wärmeaustauschfläche aus vielen Paaren gleichachsig ineinander gesteckter Rohre besteht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät sowie eine verbesserte Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät und eine Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Ein Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät weist eine Rohrleitung zum Leiten eines Kältemittelstroms durch den Wärmeübertrager auf. Die Rohrleitung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsquerschnitt eines ersten Rohrleitungsabschnitts der Rohrleitung kleiner als ein Strömungsquerschnitt eines zweiten Rohrleitungsabschnitts der Rohrleitung ist.
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Eine gemäß dem hier vorgestellten Konzept umgesetzte Gestaltung der Rohrleitung des Wärmeübertragers bietet den Vorteil, ein Volumen bzw. eine Menge des für einen effizienten Betrieb des Haushaltsgeräts zu verwendenden Kältemittels reduzieren zu können.
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Wenn als Kältemittel eine brennbare Substanz eingesetzt wird, kann mit der Verringerung des Kältemittelvolumens die Gerätesicherheit erhöht werden. Zudem kann eine Umweltverträglichkeit des zugeordneten Haushaltsgeräts erhöht werden, da zum einen mit der Verwendung von weniger Kältemittel eine Erwärmung der Umwelt verringert werden kann und zum Anderen bei einer eventuellen unsachgemäßen Öffnung des Kältemittelkreises weniger Kältemittel in die Umwelt austreten kann. Darüber hinaus kann durch die Mengenverringerung des Kältemittels in dem Haushaltsgerät eine Kostenreduktion im Fertigungsprozess des Haushaltsgeräts erzielt werden.
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Ein Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät weist eine Rohrleitung zum Leiten eines Kältemittelstroms durch den Wärmeübertrager auf. Die Rohrleitung weist einen ersten Rohrleitungsabschnitt, einen zweiten Rohrleitungsabschnitt und einen zwischen dem ersten Rohrleitungsabschnitt und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt angeordneten Übergangsrohrleitungsabschnitt auf, wobei der erste Rohrleitungsabschnitt einen ersten Strömungsquerschnitt für den Kältemittelstrom aufweist und der zweite Rohrleitungsabschnitt einen zweiten Strömungsquerschnitt für den Kältemittelstrom aufweist, wobei der erste Strömungsquerschnitt kleiner als der zweite Strömungsquerschnitt ist.
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Bei dem Haushaltsgerät kann es sich beispielsweise um einen elektrisch betriebenen Wäschetrockner oder einen elektrisch betriebenen Waschtrockner handeln. Unter dem Kältemittelkreis ist eine Zirkulation des Kältemittels in der Wärmepumpe zu verstehen. Bei dem Wärmeübertrager kann es sich beispielsweise um einen Rohrbündelwärmeübertrager handeln. Der erste Rohrleitungsabschnitt, der Übergangsrohrleitungsabschnitt und der zweite Rohrleitungsabschnitt können gemeinsam eine gesamte und zusammenhängende Rohrleitungsstrecke in dem Wärmeübertrager bilden. Der erste Rohrleitungsabschnitt kann in den Übergangsrohrleitungsabschnitt übergehen und der Übergangsrohrleitungsabschnitt in den zweiten Rohrleitungsabschnitt übergehen. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Abschnitten können diskret oder fließend sein. Der Rohrleitungsabschnitt, der Übergangsrohrleitungsabschnitt und der zweite Rohrleitungsabschnitt können einstückig zur Bildung der Rohrleitung vorliegen. Bei dem ersten Rohrleitungsabschnitt kann es sich insbesondere um einen Bereich der Rohrleitung des Wärmeübertragers handeln, in dem das Kältemittel im Betrieb der Wärmepumpe im flüssigen Aggregatszustand vorliegt. Unter dem Strömungsquerschnitt ist eine für die Strömung eines Volumenstroms des Kältemittels durch die Rohrleitung freie Querschnittsfläche in der Rohrleitung zu verstehen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann der Wärmeübertrager eine Kältemittelverdrängungseinrichtung aufweisen. Die Kältemittelverdrängungseinrichtung kann zumindest in einem Abschnitt eines Innenraums des ersten Rohrleitungsabschnitts angeordnet sein, um den ersten Strömungsquerschnitt zu realisieren. Bei der Kältemittelverdrängungseinrichtung kann es sich um ein ein- oder mehrteiliges Bauteil oder Bauelement handeln. Die Kältemittelverdrängungseinrichtung kann so in dem Innenraum des ersten Rohrleitungsabschnitts eingebracht sein, dass der Kältemittelstrom zwischen einer Außenseite der Kältemittelverdrängungseinrichtung und einer Innenseite der Rohrleitung im ersten Rohrleitungsabschnitt geführt werden kann. Somit kann der entsprechende Strömungsquerschnitt der Querschnittsfläche entsprechen, die sich zwischen der Innenseite der Rohrleitung und der Außenseite der Kältemittelverdrängungseinrichtung erstreckt. Beispielsweise kann es sich dabei um eine ringförmige Querschnittsfläche handeln. Mit dem Einsatz der Kältemittelverdrängungseinrichtung kann die erwünschte Kältemittelreduzierung vorteilhaft durch eine örtlich exakt realisierbare Kältemittelverdrängung im Rohrleitungsinnenraum erreicht werden, insbesondere, wenn das Kältemittel zumindest in dem Abschnitt des Innenraums des ersten Rohrleitungsabschnitts im flüssigen Aggregatszustand vorliegt und damit eine hohe Dichte aufweist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Kältemittelverdrängung auch erreicht werden, indem zusätzlich zu der Kältemittelverdrängungseinrichtung oder alternativ zu der Kältemittelverdrängungseinrichtung der erste Rohrleitungsabschnitt einen geringeren Rohrleitungsquerschnitt als der zweite Rohrleitungsabschnitt aufweist. So kann die Verringerung des Kältemittelbedarfs im Wärmeübertrager ohne zusätzliche Bauteile erreicht werden.
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Beispielsweise kann die Kältemittelverdrängungseinrichtung ein stabförmiges Bauteil umfassen. Das stabförmige Bauteil kann in einer Strömungsrichtung des Kältemittelstroms in der Rohrleitung koaxial mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt in dem Innenraum des ersten Rohrleitungsabschnitts angeordnet sein. Das stabförmige Bauteil kann als einer massiver Zylinder oder ein Hohlzylinder ausgeführt sein. Mit dem Einsatz des stabförmigen Bauteils kann insbesondere in geradlinigen Abschnitten der Rohrleitung des ersten Rohrleitungsabschnitts der verringerte erste Strömungsquerschnitt einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Kältemittelverdrängungseinrichtung ein Granulatvolumen umfassen. Das Granulatvolumen kann zwischen einem sich quer zu der Strömungsrichtung erstreckenden ersten Sieb und einem sich quer zu der Strömungsrichtung erstreckenden zweiten Sieb in dem Innenraum des ersten Rohrleitungsabschnitts angeordnet sein. Das Granulatvolumen kann aus einer Vielzahl gleich oder unterschiedlich großer Partikel bestehen, die durch die Siebe fest und sicher im Innenraum des ersten Rohrleitungsabschnitts positioniert werden können. Das Granulatvolumen kann besonders vorteilhaft in gerundeten Bereichen der Rohrleitung des Wärmeübertragers eingesetzt werden. Mit der Verwendung eines Granulats kann neben der Kältemittelverdrängung mit einfachen Mitteln eine energietechnisch vorteilhafte Verwirbelung des den ersten Rohrleitungsabschnitt durchströmenden Kältemittelvolumens erreicht werden.
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Gemäß einer häufigen Ausführungsform kann der erste Rohrleitungsabschnitt mindestens einen ersten geradlinigen Abschnitt, mindestens einen zweiten geradlinigen Abschnitt und mindestens einen den ersten geradlinigen Abschnitt mit dem zweiten geradlinigen Abschnitt verbindenden gebogenen Abschnitt aufweisen. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei dem Wärmeübertrager beispielsweise um einen Rohrbündelwärmeübertrager. Im Rohrbündelwärmeübertrager kann die Übertragung der thermischen Energie besonders effizient und platzsparend umgesetzt werden.
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Entsprechend kann das stabförmige Bauteil eine dem gebogenen Abschnitt des ersten Rohrleitungsabschnitts entsprechende Biegung aufweisen und sich in dem gebogenen Abschnitt des ersten Rohrleitungsabschnitts erstrecken. So kann vorteilhafterweise auch in den gebogenen Bereichen des Wärmeübertragers die Kältemittelverdrängung realisiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Teilmenge des Granulatvolumens in dem gebogenen Abschnitt des ersten Rohrleitungsabschnitts angeordnet sein. Auch auf diese Weise kann die Kältemittelverdrängung in den gebogenen Bereichen des Wärmeübertragers realisiert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Übergangsrohrleitungsabschnitt einen dritten Strömungsquerschnitt für den Kältemittelstrom aufweisen. Dabei kann der dritte Strömungsquerschnitt größer als der erste Strömungsquerschnitt und kleiner als der zweite Strömungsquerschnitt sein. Insbesondere kann die Kältemittelverdrängungseinrichtung ferner zumindest in einem Abschnitt eines Innenraums des Übergangsrohrleitungsabschnitts angeordnet sein, um den dritten Strömungsquerschnitt zu realisieren. Mit dieser Ausführungsform kann die Kältemittelverdrängung auch an einem Ort einer Übergangsphase des Kältemittels zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Aggregatszustand erreicht werden.
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Günstig ist es auch, wenn die Kältemittelverdrängungseinrichtung ferner zumindest in einem Abschnitt eines Innenraums des zweiten Rohrleitungsabschnitts angeordnet ist, um den zweiten Strömungsquerschnitt zu realisieren. So kann auch im zweiten Rohrleitungsabschnitt eine Kältemittelverdrängung erreicht werden, um das erforderliche Gesamtvolumen an Kältemittel noch weiter zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsform des Wärmeübertragers kann das stabförmige Bauteil an eine Innenwand der Rohrleitung angrenzend in der Rohrleitung fixiert sein. So kann ohne Weiteres ein vorteilhafter Wärmeübergang zwischen Kältemittelverdrängungseinrichtung und Rohrleitung geschaffen werden.
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Auch kann das stabförmige Bauteil an einer Außenseite eine räumliche Strukturierung aufweisen. Diese Ausführungsform des Wärmeübertragers kann eine die Effizienz des Wärmeübertragers steigernde Turbulation des entlang der Außenseite des stabförmigen Bauteils geführten Kältemittelstroms bewirken.
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Ferner kann das stabförmige Bauteil als ein an gegenüberliegenden Enden verschlossener Hohlzylinder ausgebildet sein. So kann neben einer Einsparung bei den Materialkosten ein Gewicht des Wärmeübertragers reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Wärmeübertrager einen Verflüssiger der Wärmepumpe repräsentieren. Bei dem Verflüssiger kann der erste Rohrleitungsabschnitt einen in einer Strömungsrichtung des Kältemittelstroms einem Expansionselement der Wärmepumpe vorgelagerten Ausgangsbereich des Verflüssigers bilden. Mit dieser Ausführungsform des Wärmeübertragers kann beispielsweise Prozessluft eines dem Wärmeübertrager zugeordneten Haushaltsgeräts vorteilhaft erwärmt werden.
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Alternativ kann der Wärmeübertrager einen Verdampfer der Wärmepumpe repräsentieren. Bei dem Verdampfer kann der erste Rohrleitungsabschnitt einen in einer Strömungsrichtung des Kältemittelstroms einem Expansionselement der Wärmepumpe nachgelagerten Eingangsbereich des Verdampfers bilden. Mit dieser Ausführungsform des Wärmeübertragers kann beispielsweise Prozessluft eines dem Wärmeübertrager zugeordneten Haushaltsgeräts vorteilhaft entfeuchtet werden.
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Eine Wärmepumpe für ein Haushaltsgerät weist einen Verflüssiger wie oben aufgeführt, einen Verdampfer wie oben aufgeführt und ein Expansionselement, das zwischen dem Ausgangsbereich des Verflüssigers und dem Eingangsbereich des Verdampfers angeordnet ist, auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Wärmepumpe kann der erste Strömungsquerschnitt im Verflüssiger kleiner als der erste Strömungsquerschnitt im Verdampfer sein. So kann ein optimales Verhältnis zwischen Kältemitteleinsparung und Effizienzwahrung bei der Wärmepumpe hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung eines Haushaltsgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit Kältemittelverdrängungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit Kältemittelverdrängungseinrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
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4 bis 7 schematische Darstellungen eines Rohrleitungsabschnitts eines Wärmeübertragers mit Kältemittelverdrängungseinrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen;
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8 einen schematischen Querschnitt eines Rohrleitungsabschnitts eines Wärmeübertragers mit einer Kältemittelverdrängungseinrichtung mit kreisrundem Querschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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9 einen schematischen Querschnitt eines Rohrleitungsabschnitts eines Wärmeübertragers mit einer Kältemittelverdrängungseinrichtung mit rechteckigem Querschnitt gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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10 bis 12 Diagramme zur Erläuterung der Auswirkungen des Einsatzes einer Kältemittelverdrängungseinrichtung in Rohrleitungsabschnitten eines Wärmeübertragers in Bezug auf Kältemittelfüllmenge, Wärmeübergang und Druckverluste im Wärmeübertrager gemäß Ausführungsbeispielen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Haushaltsgeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In 1 handelt es sich bei dem Haushaltsgerät 100 um einen beispielhaften Wärmepumpentrockner 100. Es kann sich bei dem Haushaltsgerät 100 auch um ein beliebiges anderes Gerät handeln, das im Haushalt eingesetzt wird und in dem ein Kältemittel als Arbeitsmedium eingesetzt wird.
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Der Wärmepumpentrockner 100 weist in einem Innenraum eine Trommel 102 zur Aufnahme von zu trocknenden Textilien und eine Wärmepumpe 104 auf. Der Innenraum des Wärmepumpentrockners 100 ist von einem Gehäuse 106 umschlossen, an dem auch eine Einfüllöffnung zum Befüllen der Trommel 102 mit Textilien angeordnet ist. Die Wärmepumpe 104 umfasst einen Kompressor 108, einen ersten Wärmeübertrager 110 in Form eines Verdampfers 110, einen zweiten Wärmeübertrager 112 in Form eines Kondensators bzw. Verflüssigers 112, eine Drossel 114 sowie einen Kältemittelkreis 116 mit Rohrleitungen, in der ein Kältemittel durch die Wärmepumpe 104 zirkuliert.
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In dem Kältemittelkreis 116 der Wärmepumpe 104 wird das Kältemittel von dem Verdampfer 110 zu dem Kompressor 108 geführt. In dem Kompressor 108 wird das gasförmige Kältemittel komprimiert und in komprimierter Form dem Verflüssiger 112 zugeführt, in dem das gasförmige Kältemittel kondensiert. Das verflüssigte komprimierte Kältemittel wird von dem Verflüssiger 112 durch die Drossel 114 geführt und entspannt sich dabei. Die Drossel 114 wird im Folgenden entsprechend als Expansionselement 114 bezeichnet. Das entspannte Kältemittel wird zurück zu dem Verdampfer 110 geführt und in dem Verdampfer 110 verdampft.
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Im Betrieb des Wärmepumpentrockners 100 wird vorgewärmte Luft – sogenannte Prozessluft 118 – in die Trommel 102 geleitet, um die dort befindlichen Textilien zu trocknen. Dabei nimmt die Prozessluft 118 Feuchtigkeit aus den Textilien auf und kühlt ab. Die Wärmepumpe 104 wird in dem Wärmepumpentrockner 100 zum Entfeuchten und Wiedererwärmen der Prozessluft 118 eingesetzt. Der Verdampfer 110 und der Verflüssiger 112 werden dabei als indirekte Wärmeübertrager eingesetzt, d. h., die Wärmeübertragung zwischen Prozessluft 118 und Kältemittel erfolgt durch Wände der Rohrleitungen des Kältekreises 116, und die beiden Medien der Prozessluft 118 und des Kältemittels bleiben getrennt.
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Zur Wiederaufbereitung wird die feuchte und kühle Prozessluft 118 zunächst aus der Trommel 102 zu dem Verdampfer 110 geführt und in dem Verdampfer 110 entfeuchtet. Von dem Verdampfer 110 wird die Prozessluft 118 zu dem Verflüssiger 112 geführt und in dem Verflüssiger 112 erwärmt. Von dem Verflüssiger 112 wird die Prozessluft 118 wieder in die Trommel 102 geführt, um erneut Feuchtigkeit aus den Textilien aufzunehmen.
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Um einen effizienten Betrieb von Wärmepumpengeräten wie dem Wärmepumpentrockner 100 zu ermöglichen, ist es erforderlich, ausreichend große Wärmeübertrager 110, 112 einzusetzen. Dies bedingt relativ große Kältemittelfüllmengen. Bei einer Beschädigung des Kältemittelkreises 116 besteht die Möglichkeit, dass Kältemittel austritt und zu Schäden führen kann. Der hier beschriebene Ansatz ermöglicht eine geringe Füllmenge von Kältemittel in einer Wärmepumpenanlage 104, wodurch die Gerätesicherheit erhöht, gute Umwelteigenschaften des Haushaltsgeräts 100 erreicht, und die Herstellkosten gering gehalten werden können.
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Das hier vorgestellte Konzept der Kältemittelreduktion in der Wärmepumpe 104 durch eine Reduzierung eines Strömungsquerschnitts für das Kältemittel im Kältemittelkreis 116 wird anhand der nachfolgenden Figuren ausführlich erläutert.
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2 zeigt eine beispielhafte Wärmepumpe 104 gemäß dem hier vorgestellten Konzept im schematischen Querschnitt. Die Wärmepumpe 104 umfasst den ersten Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager 110 in Form des Verdampfers 110 und den zweiten Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager 112 in Form des Verflüssigers 112. 2 zeigt im Querschnitt eine Rohrleitung 200 des Kältemittelkreises, in der das Kältemittel durch den Verdampfer 110 geleitet wird, und eine weitere Rohrleitung 202 des Kältemittelkreises, in der das Kältemittel durch den Verflüssiger 112 geleitet wird.
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Eine freie Querschnittsfläche der Rohrleitungen 200, 202 bildet einen Strömungsquerschnitt für einen durch die Rohrleitungen 200, 202 geführten Strom des Kältemittels der Wärmepumpe 104. Je größer die freie Querschnittsfläche ist, desto größer ist der Strömungsquerschnitt. Je größer der Strömungsquerschnitt ausgelegt ist, um größer kann ein Volumenstrom des in den Rohrleitungen 200, 202 geführten Kältemittels bemessen sein und umso schneller kann der Volumenstrom des Kältemittels durch die Rohrleitungen 200, 202 strömen.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe 104 sind die Wärmeübertrager 110, 112 jeweils als Rohrbündelwärmeübertrager 110, 112 ausgeführt, bei denen die Rohrleitungen 200, 202 jeweils in einer Vielzahl von Windungen durch je einen Hohlzylinder als Gehäuse für die Wärmeübertrager 110, 112 führen. Eine Strömungsrichtung 204 des in den Rohrleitungen 200, 202 durch den Verdampfer 110 und den Verflüssiger 112 zirkulierenden Kältemittels ist in der Darstellung in 2 durch eine Mehrzahl von Pfeilen gekennzeichnet.
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Die Rohrleitung 200 des Verdampfers 110 weist einen ersten Rohrleitungsabschnitt 206, einen Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 und einen zweiten Rohrleitungsabschnitt 210 auf. Dabei geht der erste Rohrleitungsabschnitt 206 in den Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 über und der Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 in den zweiten Rohrleitungsabschnitt 210 über. Die weitere Rohrleitung 202 des Verflüssigers 112 weist einen weiteren ersten Rohrleitungsabschnitt 206, einen weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 und einen weiteren zweiten Rohrleitungsabschnitt 210 auf. Dabei geht der weitere erste Rohrleitungsabschnitt 206 in den weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 über und der weitere Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 in den weiteren zweiten Rohrleitungsabschnitt 210 über.
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Die jeweiligen ersten Rohrleitungsabschnitte 206, Übergangsrohrleitungsabschnitte 208 und zweiten Rohrleitungsabschnitte 210 der Rohrleitungen 200, 202 sind dadurch gekennzeichnet, dass das in ihnen bei Betrieb der Wärmeübertrager 110, 112 geführte Kältemittel ganz oder teilweise in unterschiedlichen Aggregatszuständen bzw. Phasen vorliegt. In den ersten Rohrleitungsabschnitten 206 befindet sich das Kältemittel ganz oder hauptsächlich in der flüssigen Phase. In den Übergangsrohrleitungsabschnitten 208 befindet sich das Kältemittel in einem gemischten Aggregatszustand in teilweise flüssiger und teilweise gasförmiger Phase. In den zweiten Rohrleitungsabschnitten 210 befindet sich das Kältemittel ganz oder hauptsächlich in der gasförmigen Phase.
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Die ersten Rohrleitungsabschnitte 206 beider Wärmeübertrager 110, 112 der Wärmepumpe 104 sind jeweils diejenigen Rohrleitungsbereiche der Wärmeübertrager 110, 112, die dem zwischen den Wärmeübertragern 100, 112 angeordneten Expansionselement 114 der Wärmepumpe 104 am nächsten liegen. Konkret bildet der erste Rohrleitungsabschnitt 206 des Verdampfers 110 einen in der Strömungsrichtung 204 des Kältemittelstroms dem Expansionselement 114 nachgelagerten Eingangsbereich des Verdampfers 110. Der weitere erste Rohrleitungsabschnitt 206 des Verflüssigers 112 bildet einen in der Strömungsrichtung 204 des Kältemittelstroms dem Expansionselement 114 vorgelagerten Ausgangsbereich des Verflüssigers 112. Das Expansionselement 114 wird im Folgenden auch als Kapillare 114 bezeichnet.
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Im Betrieb der Wärmepumpe 104 liegt das Kältemittel in dem den Eingangsbereich des Verdampfers 110 bildenden ersten Rohrleitungsabschnitt 206 und dem den Ausgangsbereich des Verflüssigers 112 bildenden weiteren ersten Rohrleitungsabschnitt 206 überwiegend im flüssigen Aggregatszustand vor. In der flüssigen Phase hat das Kältemittel die höchste Dichte und die langsamste Strömungsgeschwindigkeit in der Wärmepumpe 104. Hier wirkt sich also eine Anpassung des Strömungsquerschnitts der Rohrleitungen 200, 202, um Kältemittel zu sparen, am effektivsten aus.
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Die jeweiligen ersten Rohrleitungsabschnitte 206, Übergangsrohrleitungsabschnitte 208 und zweiten Rohrleitungsabschnitte 210 der Rohrleitungen 200, 202 sind durch spezifische jeweilige Strömungsquerschnitte für einen Strom des Kältemittels durch die Abschnitte 206, 208, 210 gekennzeichnet. Der erste Rohrleitungsabschnitt 206 und der weitere erste Rohrleitungsabschnitt 206 weisen je einen ersten Strömungsquerschnitt für den in den Rohrleitungen 200, 202 geführten Kältemittelstrom auf. Der zweite Rohrleitungsabschnitt 210 und der weitere zweite Rohrleitungsabschnitt 210 weisen je einen zweiten Strömungsquerschnitt für den Kältemittelstrom auf. Der erste Strömungsquerschnitt ist kleiner als der zweite Strömungsquerschnitt.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe 104 wird der in dem ersten Rohrleitungsabschnitt 206 und dem weiteren ersten Rohrleitungsabschnitt 206 reduzierte Strömungsquerschnitt durch eine Anordnung von Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 im Innenraum des ersten Rohrleitungsabschnitts 206 und im Innenraum des weiteren ersten Rohrleitungsabschnitts 206 realisiert.
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Bei der in 2 gezeigten beispielhaften Wärmepumpe 104 liegen die Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in Form von stabförmigen Bauteilen vor, die koaxial mit den Rohrleitungen 200, 202 im Innenraum der ersten Rohrleitungsabschnitte 206 angeordnet und fixiert sind. Es können auch andere Formen von Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 eingesetzt werden, worauf später noch ausführlicher eingegangen wird.
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Durch die Anordnung der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 im Innenraum der ersten Rohrleitungsabschnitte 206 der Rohrleitungen 200, 202 wird der Kältemittelstrom in diesen Bereichen teilweise verdrängt und zwischen eine Außenseite der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 und eine Innenseite der Rohrleitungen 200, 202 gezwungen. Auf diese Weise wird der erste Strömungsquerschnitt in den ersten Rohrleitungsabschnitten 206 im Vergleich zu dem zweiten Strömungsquerschnitt in den zweiten Rohrleitungsabschnitten 210, in denen keine Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 angeordnet sind, reduziert. In den den ersten Rohrleitungsabschnitten 206 strömt somit weniger Kältemittel, und das Kältemittel strömt langsamer.
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Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe 104 sind auch in dem weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 des Verflüssigers 112 Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in Form von stabförmigen Bauteilen angeordnet. Damit wird auch im weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 eine Verdrängung des Kältemittels realisiert.
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Bei der in 2 gezeigten beispielhaften Wärmepumpe 104 liegen sämtliche Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in Form von stabförmigen Bauteilen mit gleicher Größe und identischem Querschnitt vor. Es wird somit in dem ersten Rohrleitungsabschnitt 206 des Verdampfers 110, in dem weiteren ersten Rohrleitungsabschnitt 206 des Verflüssigers 112 und in dem weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 des Verflüssigers 112 der erste Strömungsquerschnitt hergestellt.
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Die in 2 gezeigte beispielhafte Wärmepumpe 104 weist einen Kältemitteltrockner 214 auf, der zwischen den Ausgangsbereich des Verflüssigers 112 und das Expansionselement 114 geschaltet ist. In der Strömungsrichtung tritt das in der Wärmepumpe 104 zirkulierende Kältemittel an einer Hochdruckseite 216 des Kompressors in den Verflüssiger 112 ein, verlässt an dem durch den weiteren ersten Rohrleitungsabschnitt 206 gebildeten Ausgangsbereich den Verflüssiger 112 und tritt in den Kältemitteltrockner 214 ein. Vom Kältemitteltrockner 214 strömt das Kältemittel durch das Expansionselement 114 und tritt an dem durch den ersten Rohrleitungsabschnitt 206 gebildeten Eingangsbereich des Verdampfers 110 in den Verdampfer 110 ein. Das Kältemittel tritt nach Durchströmen des zweiten Rohrleitungsabschnitts 210 des Verdampfers 110 aus dem Verdampfer 110 aus und gelangt an einer Niederdruckseite 218 des Kompressors wieder in den Kompressor.
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Die Prozessluft 118 im Wärmepumpentrockner wird quer zu den Rohrleitungen 200, 202 der Wärmeübertrager 110, 112 durch die Wärmepumpe 104 geleitet und entzieht dem Verflüssiger 112 über das Kältemittel Wärmeenergie. Hierdurch kondensiert das unter Hochdruck stehende Kältemittel in den Rohren des Verflüssigers 112. Das flüssige Kältemittel sammelt sich in den letzten Rohren 206 des Verflüssigers 112 vor der Kapillare 114. Da hier das Kältemittel größtenteils in flüssiger Form vorliegt, hat es in diesem Bereich auch die höchste Dichte und ist die Einsparung an Kältemittel mit den Kältemittelverdrängern 212 ist am höchsten.
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Ähnlich verhält es sich mit den ersten Rohren 206 aufseiten des Verdampfers 110. Hier wird das flüssige Kältemittel über die Kapillare 114 in den Verdampfer 110 eingespritzt. In den ersten Rohren 206 ist also der Anteil an flüssigem Kältemittel relativ hoch.
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Um die Kältemittelmenge zu reduzieren, werden in die letzten Rohre 206 des Verflüssigers 112 bzw. die ersten Rohre 206 des Verdampfers 110, in denen sich flüssiges Kältemittel befindet, die Kältemittelverdränger 212 eingebracht. Ziel ist es, das Kältemittel, das in diesen Bereichen 206 oder auch 208 in flüssiger Form vorliegt, zwischen Kältemittelverdrängern 212 und Rohrinnenwand zu führen und den freien durchströmten Querschnitt auf ein Minimum zu vermindern. Das durch die Kältemittelverdränger 212 belegte Volumen kann nicht vom flüssigen Kältemittel eingenommen werden. Grundvoraussetzung ist, dass die Kältemittelverdränger 212 bei einer Ausführung als Rohre von beiden Seiten dicht abgeschlossen oder massiv ausgeführt sind.
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Die ersten Rohrleitungsabschnitte 206, Übergangsrohrleitungsabschnitte 208 und zweiten Rohrleitungsabschnitte 210 der Rohrleitungen 200, 202 in 2 sind beispielhaft gewählt, sie können je nach Funktion und Aufbau der Wärmepumpe 104 auch jeweils länger oder kürzer sein. Auch können der erste Rohrleitungsabschnitt 206 und der weitere erste Rohrleitungsabschnitt 206, der Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 und der weitere Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 sowie der zweite Rohrleitungsabschnitt 210 und der weitere zweite Rohrleitungsabschnitt 210 unterschiedlich lang sein.
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Die Übergänge zwischen den ersten Rohrleitungsabschnitten 206, Übergangsrohrleitungsabschnitten 208 und zweiten Rohrleitungsabschnitten 210 der Rohrleitungen 200, 202 sind bei der in 2 gezeigten beispielhaften Wärmepumpe 104 fließend und nicht durch Rohrnähte oder sonstige Merkmale gekennzeichnet.
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Durch das Einbringen der Kältemittelverdränger bzw. Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in die Wärmetauscherrohre 200, 202 in den Bereichen 206, 208, in denen flüssiges oder teilweise flüssiges Kältemittel vorliegt, wird die Menge an (brennbarem) Kältemittel reduziert. An diesen Stellen ist die Dichte des Kältemittels am größten und die Fließgeschwindigkeit am geringsten. Somit können hier die Kältemittelverdränger 212 gemäß Ausführungsbeispielen verhältnismäßig groß ausgeführt werden. Die Kältemittelreduktion ist hier am größten.
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Das hier vorgestellte Prinzip der Kältemittelverdrängung kann analog auch im Wärmetauscher-Verteiler umgesetzt werden.
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3 zeigt eine weitere beispielhafte Wärmepumpe 104 gemäß dem hier vorgestellten Konzept im schematischen Querschnitt. Die in 3 gezeigte Wärmepumpe 104 gleicht im Aufbau der in 2 gezeigten. Unterschiede bestehen in Anordnung und Größe der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212.
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Bei der in 3 gezeigten Variante der Wärmepumpe 104 werden wiederum Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in Form von stabförmigen Bauteilen eingesetzt. Allerdings weisen hier die eingesetzten Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 unterschiedlich große Querschnitte auf. Es kommen Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in vier Kategorien zum Einsatz, konkret Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit einem großen Querschnitt, Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit einem größeren mittleren Querschnitt, Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit einem kleineren mittleren Querschnitt und Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit einem kleinen Querschnitt.
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Die Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem großen Querschnitt sind in dem weiteren ersten Rohrleitungsabschnitt 206 des Verflüssigers 112 angeordnet.
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Die Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem größeren mittleren Querschnitt sind im weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 des Verflüssigers 112 und in einem – in der Strömungsrichtung 204 des Kühlmittels – ersten Teilabschnitt des ersten Rohrleitungsabschnitts 206 des Verdampfers 110 angeordnet.
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Die Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem kleineren mittleren Querschnitt sind in einem – in der Strömungsrichtung 204 des Kühlmittels – zweiten Teilabschnitt des zweiten Rohrleitungsabschnitts 210 des Verflüssigers 112, in einem – in der Strömungsrichtung 204 des Kühlmittels – zweiten Teilabschnitt des ersten Rohrleitungsabschnitts 206 des Verdampfers 110 und im Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 des Verdampfers 110 angeordnet.
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Die Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem kleinen Querschnitt sind in einem – in der Strömungsrichtung 204 des Kühlmittels – ersten Teilabschnitt des zweiten Rohrleitungsabschnitts 210 des Verflüssigers 112 und in einem – in der Strömungsrichtung 204 des Kühlmittels – ersten Teilabschnitt des zweiten Rohrleitungsabschnitts 210 des Verdampfers 110 angeordnet.
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Bei der in 3 gezeigten Variante der Wärmepumpe 104 wird durch die Anordnung der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem größeren mittleren Querschnitt in dem weiteren Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 des Verflüssigers 112 und der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem kleineren mittleren Querschnitt in dem Übergangsrohrleitungsabschnitt 208 des Verdampfers 110 ein dritter Strömungsquerschnitt für den Kältemittelstrom in der Wärmepumpe 104 hergestellt. Der dritte Strömungsquerschnitt ist größer als der erste Strömungsquerschnitt und kleiner als der zweite Strömungsquerschnitt.
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Der zweite Strömungsquerschnitt wird durch die teilweise Anordnung der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 mit dem kleinen Querschnitt in dem weiteren zweiten Rohrleitungsabschnitt 210 des Verflüssigers 112 und dem zweiten Rohrleitungsabschnitt 210 des Verdampfers 110 realisiert.
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Wie die Darstellung in 3 zeigt, ist eine Größenordnung der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 in der Wärmepumpe 104 so gestaltet, dass der jeweilige Querschnitt der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 umso größer ist, je flüssiger das Kältemittel in den zugeordneten Bereichen vorliegt.
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Durch den Einsatz der Kältemittelverdränger 212 auch in den Bereichen 208 des Zweiphasengebietes und in den Bereichen 210 der Gasphase des Kältemittels wird auch dort die Kältemittelmenge reduziert. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Kältemittelverdränger 212 in ihrem Verdrängervolumen bzw. Querschnitt dem jeweiligen Kältemittelzustand angepasst sind, um einen negativen Einfluss auf den Wärmepumpenprozess zu vermeiden. Es kommt so nicht dazu, dass der Strömungswiderstand zu stark ansteigt und zu einem höheren Energieverbrauch des Wärmepumpensystems führt. Der Einfluss auf die Kältemittelmenge ist in diesen Bereichen 208, 210 jedoch deutlich geringer.
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Insgesamt wird mit der in 3 gezeigten Ausgestaltung der Wärmepumpe 104 mit variablen Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 jedoch eine noch weiter gehende Kältemittelvolumenoptimierung in der Wärmepumpe 104 erzielt.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel können die unterschiedlichen Strömungsquerschnitte in der Wärmepumpe 104 auch durch unterschiedliche Rohrleitungsquerschnitte oder durch eine Erhöhung des Kältemitteldurchsatzes im Kältekreis, z. B. durch eine Durchmesservergrößerung bzw. Verkürzung der Kapillare, realisiert werden.
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Die 4 bis 7 zeigen anhand schematischer Darstellungen einen Teilbereich eines Abschnitts der Rohrleitungen 200, 202 eines als Rohrbündelwärmeübertrager ausgeführten beispielhaften Wärmeübertragers, bei dem die hier vorgestellten Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 zumindest teilweise im Rohrinnenraum angeordnet sind.
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Bei dem in den 4 bis 7 jeweils gezeigten beispielhaften Rohrleitungsabschnittsteilbereich handelt es sich beispielsweise um einen Teilbereich des ersten Rohrleitungsabschnitts des Verdampfers oder des weiteren ersten Rohrleitungsabschnitts des Verflüssigers der Wärmepumpe. Der Teilbereich des Rohrleitungsabschnitts weist einen ersten geradlinigen Abschnitt 400, einen zweiten geradlinigen Abschnitt 402 und einen den ersten geradlinigen Abschnitt 400 mit dem zweiten geradlinigen Abschnitt 402 verbindenden gebogenen Abschnitt 404 auf. Die geradlinigen Abschnitte 400, 402 erstrecken sich parallel zueinander, sodass der Rohrleitungsabschnittsteilbereich eine regelmäßige U-Form bildet.
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Dieser Teilbereich des Rohrleitungsabschnitts wird auch als sogenannter Hairpin (deutsch Haarnadel oder Haarklemme) des Rohrbündelwärmeübertragers bezeichnet. Der Rohrbündelwärmeübertrager setzt sich generell aus einer Vielzahl solcher Hairpins zusammen.
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Der Hairpin ist einstückig gebildet, die einzelnen Abschnitte 400, 402, 404 gehen übergangslos ineinander über.
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Der Hairpin ist quer bezüglich einer Mehrzahl von Lamellen 406 zum Führen der Prozessluft in dem Wärmeübertrager angeordnet. An einander gegenüberliegenden Enden weist der Hairpin je eine Rohraufweitung 408 für einen besseren Wärmeübergang auf.
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In 4 ist der Teilbereich des Rohrleitungsabschnitts mit einer zweistückigen Kältemittelverdrängungseinrichtung 212 gezeigt. Die Kältemittelverdrängungseinrichtung 212 weist hier zwei identische stabförmige Bauteile 410 auf. Die stabförmigen Bauteile 410 sind geradlinig ausgeformt. Das eine stabförmige Bauteil 410 ist in dem ersten geradlinigen Abschnitt 400 des Hairpins angeordnet, und das andere stabförmige Bauteil 410 ist in dem zweiten geradlinigen Abschnitt 400 des Hairpins angeordnet.
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Die stabförmigen Bauteile 410 sind mit einer Mehrzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Befestigungseinrichtungen 412 an einer Innenwand des Hairpins fixiert.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die stabförmigen Bauteile 410 koaxial mit den geradlinigen Abschnitten 400, 402 des Hairpins in dem Rohrinnenraum angeordnet.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Hairpins, bei dem der Rohrbogen bzw. gebogene Abschnitt 404 des Hairpins des Rohrbündelwärmetauschers in das Kältemittelverdrängervolumen mit einbezogen wird. Es kommt hier für die Kältemittelverdrängungseinrichtung 212 eine gebogene Variante des stabförmigen Bauteils 410 zum Einsatz. Das stabförmige Bauteil 410 weist eine dem gebogenen Abschnitt 404 des Hairpins entsprechende Biegung auf und erstreckt sich damit einstückig in den geradlinigen Abschnitten 400, 402 und dem gebogenen Abschnitt 404 des Hairpins. Hierdurch wird die Kältemittelmenge im Hairpin weiter reduziert.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Hairpins, bei dem die Kältemittelverdrängungseinrichtung 212 ein Granulatvolumen 600 aufweist. Das Granulatvolumen 600 setzt sich aus einer Vierzahl unregelmäßig geformter Partikel zusammen, die zur Kältemittelverdrängung ungeordnet im Rohrinnenraum vorliegen. Auch bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel des Hairpins wird der gebogene Abschnitt 404 des Hairpins in das Kältemittelverdrängervolumen mit einbezogen, indem das Granulatvolumen 600 durchgehend in den geradlinigen Abschnitten 400, 402 und im gebogenen Abschnitt 404 des Hairpins angeordnet ist.
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Zur Fixierung und Positionierung des Granulatvolumens 600 im Rohrinnenraum kommen zwei Siebe bzw. Grobsiebe 602 zum Einsatz, die sich quer zur Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Hairpin erstreckend zwischen die Rohrwände eingepresst sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann anstelle des Granulats 600 ein mechanisch stabiler Schaum, z. B. ein Metallschaum, zur Realisierung der Kältemittelverdrängungseinrichtung 212 eingesetzt werden.
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7 zeigt eine Mischform der Kältemittelverdrängungseinrichtung 212, die hier sowohl die zwei geradlinigen stabförmigen Bauteile 410 aus 4 als auch eine Teilmenge des Granulatvolumens 600 aus 6 aufweist. Die beiden stabförmigen Bauteile 410 sind in den geradlinigen Abschnitten 400, 402 des Hairpins angeordnet und mit den Befestigungseinrichtungen 412 an der Rohrwand fixiert. Das Granulatteilvolumen 600 ist zwischen den stabförmigen Bauteilen 410 im gebogenen Abschnitt 404 des Hairpins fixiert.
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Durch den Einsatz der Kältemittelverdrängungseinrichtungen 212 beispielsweise mit entsprechenden Innengeometrien in den Rohren 200, 202 der Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager in den Bereichen, in denen das Kältemittel in flüssiger Phase vorliegt, und/oder in den Übergangsbereichen, in denen das Kältemittel in flüssiger und gasförmiger Phase, gegebenenfalls auch nur in gasförmiger Phase, vorliegt, wird die Kältemittelmenge reduziert.
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8 und 9 zeigen in je einem schematischen Querschnitt ein Detail aus einem beispielhaften Rohrbündelwärmeübertrager mit Kältemittelverdrängungseinrichtung 212. Gezeigt ist jeweils ein Abschnitt der Rohrleitung 200 bzw. 202 in Kombination mit einer sich quer zur Rohrleitung 200 bzw. 202 erstreckenden Lamelle 406.
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In 8 weist die Kältemittelverdrängungseinrichtung 212 das stabförmige Bauteil 410 als Kältemittelverdränger für das Kältemittel auf. Das stabförmige Bauteil 410 ist hier als Kreiszylinder ausgeformt und koaxial mit der Rohrleitung 200, 202 im Innenraum der Rohrleitung 200, 202 angeordnet. Die Platzierung des stabförmigen Bauteils 410 im Rohrinnenraum bildet einen Kanal bzw. Durchflussbereich 800 für das die Rohrleitung 200, 202 durchströmende Kältemittel zwischen einer Außenseite 802 des stabförmigen Bauteils 410 und einer Innenseite 804 der Rohrleitung 200, 202.
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In der in 8 gezeigten Variante weist das stabförmige Bauteil bzw. der Kältemittelverdränger 410 an der Außenseite 802 eine räumliche Strukturierung 806 in Form einer Mehrzahl von eingeprägten Noppen 806 auf. Die Noppen 806 dienen zur Führung und/oder Fixierung des Kältemittelverdrängers 410 in dem Rohr 200, 202. Alternativ können separate Führungshilfen, z. B. Kunststoffspritzteile, vorgesehen sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kältemittelverdränger 410 als Rohr bzw. Hohlzylinder ausgebildet. Dabei sind die Enden des Kältemittelverdrängers 410 mit je einer Endkappe dicht verschlossen. Alternativ können die Enden zusammengedrückt, angeformt, eingeschraubt usw. sein. Bei der Rohrausführung kann ein Verschluss der Lötenden gelötet, geschweißt, geklebt oder (ähnlich einem Trockenfilter) angeformt sein.
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Gemäß Ausführungsbeispielen des Kältemittelverdrängers 410 können die Enden strömungsoptimiert ausgeführt sein, beispielsweise durch eine teilweise tropfenförmige Ausgestaltung.
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Als Füllung des als Rohr ausgeführten Kältemittelverdrängers 410 kommt Luft, Kältemittel oder ein Vakuum infrage.
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Wird der rohrförmige Kältemittelverdränger 410 gemäß einem Ausführungsbeispiel als Energiespeicher eingesetzt, ist als Füllung beispielsweise PCM oder Wasser denkbar. Zu beachten ist bei einem Einsatz des Kältemittelverdrängers 410 als Energiespeicher, dass ein guter Kontakt zum Rohr 200, 202 bestehen soll, z. B. durch anliegende Rippen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Kältemittelverdränger 410 massiv ausgeführt, also aus Vollmaterial gebildet. Auch in der Ausführung aus Vollmaterial kann der Kältemittelverdränger 410 als Energiespeicher eingesetzt werden.
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9 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine beispielhafte Ausführung des stabförmigen Kältemittelverdrängers 410 mit rechteckigem – hier quadratischem – Querschnitt. Der so ausgeformte Kältemittelverdränger 410 ist in Längsrichtung in der Rohrleitung 200, 202 angeordnet und über eine Einklemme seiner Längskanten zwischen den Rohrbögen der Innenwand 804 der Rohrleitung 200, 202 in der Rohrleitung 200, 202 fixiert. Anstelle der Einklemme kann der Kältemittelverdränger 410 mittels Einpressen, Kleben, Löten, Schweißen, etc. an der Rohrinnenwand 804 fixiert werden. Durch die in 9 gezeigte eckige Formgebung des Kältemittelverdrängers 410 ist dieser selbstführend im Rohr 200, 202.
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In 9 ist der Kältemittelverdränger 410 gerade ausgeformt. Die Gestaltung des Kältemittelverdrängers 410 kann auch gedrallt sein.
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Gemäß Ausführungsbeispielen ist die räumliche Strukturierung 806 an der Oberfläche bzw. Außenseite 802 des Kältemittelverdrängers 410 als eine Rippenstruktur bzw. Rippengeometrie oder Wellenstruktur ausgeformt. So wird eine die Effizienz des Wärmeübertragers steigernde turbulente Strömung des Kältemittels erzeugt. Alternativ kann die turbulente Strömung des Kältemittels durch eine spezifische Formgebung des gesamten Kältemittelverdrängers 410, z. B. durch Verdrehen oder eine besondere eckige Formgebung, erreicht werden.
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Mit derartigen Turbulatoren versehen, findet ein Einsatz des Kältemittelverdrängers 410 aber fast ausschließlich im Gasbereich des Wärmeübertragers zumeist am Verflüssiger-Eingang oder Verdampfer-Ausgang statt. Das gasförmige Kältemittel soll nämlich möglichst turbulent durch den Wärmeübertrager strömen, um eine gute Energieabgabe zu gewährleisten.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von turbulenter Strömung besteht in der Ausgestaltung der Rohre 200, 202 mit innenliegenden Rohr- oder Rippengeometrien, wenn die Rohre in Wärmeübertragern eingesetzt werden, die nicht als Rohrbündelwärmeübertrager ausgeführt sind.
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Als Material für den Kältemittelverdränger 410 kommt Kupfer, Aluminium, Stahl, usw. infrage. Möglich ist auch eine Herstellung als Kunststoffspritzteil, aus EPDM oder Ähnliches.
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10 bis 12 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Auswirkungen des Einsatzes der hierin vorgestellten Kältemittelverdrängungseinrichtung in Rohrleitungsabschnitten eines Wärmeübertragers.
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10 zeigt ein schematisches Diagramm zur tendenziell benötigten Kältemittelfüllmenge im Wärmeübertrager beim Betrieb mit flüssigem Kältemittel. Auf der Abszisse ist ein Durchmesser eines beispielhaften Kältemittelverdrängers einer Kältemittelverdrängungseinrichtung in mm aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Füllmenge des Kältemittels schematisch dargestellt. Der kontinuierlich fallende Graph 1001 im Diagramm illustriert, dass die benötigte Kältemittelfüllmenge mit ansteigendem Kältemittelverdrängerdurchmesser sinkt.
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11 zeigt ein schematisches Diagramm zu möglichen Steigerungen des kältemittelseitigen bzw. inneren Wärmeübergangs, welche aufgrund der erhöhten Geschwindigkeiten bzw. Re-Zahlen durch den Einsatz von Kältemittelverdrängern in der Flüssigphase des Kältemittels realisierbar sind. Wiederum ist auf der Abszisse der Durchmesser eines beispielhaften Kältemittelverdrängers einer Kältemittelverdrängungseinrichtung in mm aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Wärmeübergangskoeffizient schematisch dargestellt. Der kontinuierlich steigende Graph 1101 im Diagramm illustriert, dass sich der Wärmeübergang mit der Vergrößerung des Kältemittelverdrängerdurchmessers erhöht.
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12 zeigt ein schematisches Diagramm zur Erhöhung der kältemittelseitigen Druckverluste durch den Einsatz von Kältemittelverdrängern. Auch hier ist auf der Abszisse der Durchmesser eines beispielhaften Kältemittelverdrängers einer Kältemittelverdrängungseinrichtung in mm aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Druckverlust schematisch dargestellt. Der steigende Graph 1201 illustriert die Steigerung des inneren Druckverlusts durch das Einbringen eines runden Kältemittelverdrängers in einem runden Rohr mit definiertem Durchmesser. Der gemäß dem hier vorgestellten Ansatz optimal ausgestaltete Kältemittelverdränger ist bei gleicher Performance so ausgelegt, dass sich die Energieeinbußen durch die erhöhten Druckverluste und die Energieeinsparungen durch den gesteigerten inneren Wärmeübergang gegenseitig aufheben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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