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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenapparat für den Stoff- und Wärmeaustausch mit Phasenwechsel nach Anspruch 1 sowie eine Sorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine mit einem solchen Plattenapparat nach Anspruch 11.
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In dieser Anmeldung werden die Bezeichnungen Wärmepumpe und Kältemaschine bzw. Sorptionswärmepumpe und Sorptionskältemaschine synonym verwendet.
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Sorptionswärmepumpen bzw. -kältemaschinen beinhalten als Hauptkomponenten Rohrbündelwärmetauscher in horizontaler Bauart. Diese Hauptkomponenten werden als Verdampfer, Absorber, Kondensator oder Austreiber betrieben. Im Folgenden ist mit dem Begriff „Kälteanlage“ immer der Einsatz eines Sorptionskreislaufs als Kälteanlage oder Wärmepumpe gemeint. Diese horizontalen Rohrbündel werden typischerweise in Behältern installiert und auf der Rohraußenseite mit Kältemittel oder Sorptionsmittel (flüssig oder fest) beaufschlagt. Auf den Rohrinnenseiten strömt der jeweilige Wärmeträger, beispielsweise Wasser, evtl. in Mischungen, Dampf oder heißes Gas. Die abgeschlossenen Behälter dienen der Aufrechterhaltung des für die Funktion des Kälteanlagenprozesses erforderlichen Betriebsdruckes und halten störende Stoffe fern. Normalerweise befinden sich jeweils zwei Hauptkomponentenwärmetauscher gemeinsam in einem Behälter. Die Abdichtung der Durchführung der Wärmetauscherrohre durch die Behälterwand erfolgt normalerweise durch Einwalzen, Löten oder Schweißen. Dies ist mit einem hohen Aufwand hinsichtlich Verarbeitung und Materialaufwand verbunden und birgt zudem Risiken im Hinblick auf die Betriebssicherheit und die Anlagenfunktion: Beim Betrieb im Überdruck können im Falle von Undichtigkeiten gefährliche Stoffe austreten. Beim Betrieb im Unterdruck können eindringende Stoffe die Funktion der Anlage beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für den Einfluss nicht-kondensierbarer Gase auf die Funktion von Absorptionskälteanlagen mit dem flüssigen Arbeitsstoffpaar Wasser/wässrige Lithiumbromidlösung.
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Als Alternative zur Anwendung von Rohrbündelwärmetauschern kommen insbesondere für Anlagen kleinerer Leistung Plattenwärmetauscher in Frage.
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Der Stand der Technik wird durch nachfolgende Veröffentlichungen beschrieben:
- Die JP 2001 201 211 A zeigt einen Absorber für eine Kältemaschine, bei der ein Adsorptionsblock auf seiner Einlassseite am Heizmediumeinlass in eine erste Abschlussplatte eingebaut und damit verbunden ist und entsprechend am gegenüberliegenden Auslass in eine zweite Platte eingebaut ist. Parallel dazu wird analog ein Verdampfungs-/Kondensationsblock mit den beiden Platten verbunden und dann wird ein Gehäuse durch diese Platten beidseitig geschlossen, so dass die Kältemaschinenkomponenten luftdicht im Gehäuse liegen.
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Aus der
DE 41 41 556 A1 ist ein Wärmetauscher für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem in einem Behälter eine Mehrzahl von Wärmetauscherschlangen angeordnet ist. Die Wärmetauscherschlangen werden außerhalb des Behälters in einem gemeinsamen Einlass und einem gemeinsamen Auslass zusammengeführt.
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Aus der
US 2 877 000 A ist ein Wärmetauscher für Kälteanlagen bekannt, bei dem in einem Behälter eine Mehrzahl von Wärmetauscherplatten mit Strömungskanälen in den Platten und zwischen den Platten angeordnet ist. Die Strömungskanäle in den Wärmetauscherplatten werden an den beiden Stirnseiten in einer Einlass- und einer Auslasskammer zusammengeführt. Durch Leit- und Trennbleche und die beabstandeten Wärmetauscherplatten werden die Strömungskanäle zwischen den Wärmetauscherplatten definiert. Durch die Leit- und Trennbleche werden die Wärmetauscherplatten im Abstand zu der Behälterwandung gehalten.
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Aus der
DE000019860151A1 ist ein Wärmespeicher mit festem Sorptionsmittel bekannt. Zwischen der spiralförmigen Wicklung einer gewickelten „Platte“ mit Wärmetauscherkanälen ist das feste Sorptionsmittel eingebracht.
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Aus der
GB772065A ist eine Absorptionskältemaschine bekannt, bei der der Verdampfer als Rohrschlangenwärmetauscher mit Lamellen ausgebildet ist.
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Aus der
FR2591504A1 ist ein Plattenwärmetaucher bekannt, der als Verdampfer bzw. Kondensator ausgebildet ist. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird auf Wärmetauscherplatten aufgebracht und der entstehende Dampf wird unter den Wärmetauscherplatten aus dem Gehäuse abgeführt.
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Aus der
EP1122505B1 sind Plattenwärmetauscher bekannt, die insbesondere für den Einsatz in Sorptionswärmepumpen bzw. -kältemaschinen als Kondensator, Verdampfer, Generator und Austreiber geeignet sind. Der Plattenwärmetauscher umfasst eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Platten, die jeweils zwei Hauptflächen und umlaufende Kanten aufweisen und einen Plattenstapel bilden bei dem die Hauptflächen der Platten einander zugewandt sind. Zwischen den Platten sind Strömungskanäle für ein zu verdampfendes, zu kondensierendes, zu absorbierendes oder zu desorbierendes Medium ausgebildet.
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In Sorptionswärmepumpen bzw. -kältemaschinen müssen die verwendeten Wärmetauschergeometrien einen Betrieb mit geringen prozessinternen Druckverlusten, d.h. in der Dampfströmung vom Austreiber zum Kondensator sowie vom Verdampfer zum Absorber, ermöglichen. Eine besondere Schwierigkeit bei der Ausführung der Hauptkomponenten einer Absorptionswärmepumpe/-kältemaschine als Plattenapparate besteht in einer effizienten Trennung von Gas- und Flüssigkeitsströmung. Die flüssigen Prozessströme müssen zuverlässig im jeweiligen Apparat zurückgehalten und der vorgesehenen Austrittsöffnung zur Weiterleitung an den nächsten Apparat zugeführt werden, während der aus der flüssigen Phase hervorgebrachte Dampfstrom in einen anderen Apparat überströmen soll. Bei dem Plattenapparat bzw. Plattenwärmetauscher nach der
EP1122505B1 und auch bei anderen Plattenwärmetauschern mit Phasenwechsel wird die gasförmige Komponente seitlich aus den Platten abgeführt. Damit können über die ganze Höhe der Platten Flüssigkeitstropfen durch das entstehende Gas seitlich zwischen den Platten ausgetragen werden, so dass keine effektive Trennung zwischen Gas- und Flüssigkeitsströmung erfolgt.
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Ausgehend von der
EP1122505B1 ist es Ziel dieser Erfindung ist, einen Plattenwärmetauscher bzw. einen Plattenapparat für den Stoff- und Wärmeaustausch mit Phasenwechsel anzugeben, der eine effektive Trennung von Dampf- und Flüssigkeitsströmung gewährleistet.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Dadurch, dass die Platten Durchbrüche aufweisen und dadurch dass die Kantenseiten des Plattenstapels abgedichtet sind, wird das entstehende Gas gezwungen durch die Durchbrüche zu strömen. Damit hat das entstehende Gas nicht mehr die Möglichkeit über die gesamte Höhe der Platten, sondern nur noch zwischen seinem Entstehungspunkt und dem nächsten Durchbruch Flüssigkeitstropen mitzureißen. Damit wird die Trennung von Gas- und Flüssigkeitsströmung wesentlich verbessert.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problematik der effektiven Trennung von gasförmiger Phase und flüssiger Phase tritt insbesondere bei Verdampfern und bei Generatoren auf, da dort Flüssigkeit und entstehender Dampf getrennt werden müssen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird dem sich von Platte zu platte vergrößernden Gasstrom - Verdampfung, Desorption - bzw. sich verkleinernden Gasstrom - Kondensation, Sorption - Rechnung getragen, wodurch schädliche Druckverluste vermieden werden.
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Durch die Versetzung der Durchbrüche von Platte zu Platte nach Anspruch 3 erfolgt eine zusätzliche Umlenkung, wodurch aufgrund der Schwerkraft Flüssigkeitstropfen abgeschieden werden.
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Durch die Kombination von Plattenstapeln bzw. Funktionseinheiten nach Anspruch 4 lassen sich auf einfache Weise Verdampfer und Absorber bzw. Generator und Kondensator für eine Sorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine - Ansprüche 7,8 und 9 - realisieren.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 führt zu einer kompakten Bauform und die Ausgestaltung nach Anspruch 6 führt zu einer flachen Bauform und der Gasstrom wird zusätzlich noch einmal zwischen den beiden Funktionseinheiten um 90° umgelenkt.
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Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 10 bildet wenigstens eine der äußeren Platten des Plattenstapels einen Teil des gasdichten Gehäuses.
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Anspruch 11 bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine bei der Verdampfer, Absorber, Generator und/oder Kondensator durch einen Plattenapparat gemäß der vorliegenden Erfindung realisiert sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
- 1a und 1b eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2a und 2b eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 4a und 4b eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse;
- 5a und 5b eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit zwei Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse;
- 6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung in Form einer Sorptionswärmepume bzw. -kältemaschine mit vier Funktionseinheiten.
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1a und 1b zeigen eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Plattenapparats gemäß der Erfindung. 1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie A - A in 1 b. 1b ist eine Aufsicht aus Richtung des Pfeils P. Der Plattenapparat nach 1a und 1b umfasst eine Funktionseinheit 1 mit einem rechteckigen Plattenstapel 2 der eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Platten 4-1 bis 4-6 aufweist. Jede der Platten 4-i weist zwei Hauptflächen 6 auf und wird durch eine umlaufende Kante 8 begrenzt. Die Kanten 8 der Platten 4 spannen eine umlaufende Kantenseite 10 des Plattenstapels 2 auf. Die umlaufende Kantenseite 10 ist abgedichtet und bildet zusammen mit der einer äußeren Platte 4-1 und einer Abdeckung 12 ein gasdichtes Gehäuse. Zwischen den Platten 4 sind erste Strömungskanäle 14 für einen ersten Stoffstrom 16 ausgebildet. Über eine erste Zuleitung 18 wird der erste Stoffstrom zugeführt und über eine erste Ableitung 20 wird der erste Stoffstrom 16 abgeleitet. Die erste Zuleitung 18 umfasst mehrere Anschlüsse, um den ersten Stoffstrom besser auf die Plattenbreite zu verteilen. In die einzelnen Platten 4 integriert und damit in gutem thermischen Kontakt mit den Platten 4 sind Leitungen 22, die zweite Strömungskanäle 23 für einen zweiten Stoffstrom 24 bilden. Die Zuführung des zweiten Stoffstroms 24 erfolgt über eine zweite Zuleitung 26 und die Ausleitung erfolgt über eine zweite Ableitung 28. Mit Ausnahme der äußeren Platte 4-1 weisen die Platen 4-2 bis 4-6 eine Mehrzahl von fluchtenden Durchbrüchen 30 auf, die dritte Strömungskanäle 32 bilden. In der Abdeckung 12 ist eine Zu/Ableitung 34 vorgesehen.
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Die Funktionseinheit 1 kann als Verdampfer V, Kondensator K, Absorber A oder als Generator G ausgebildet sein. Ist die Funktionseinheit 1 ein Verdampfer, wird über die erste Zuleitung die zu verdampfende Flüssigkeit als erster Stoffstrom 16 zugeführt. Durch Wärmeeinkopplung mittels einem Wärmeträgermedium in den Leitungen 22 wird zumindest ein Teil der zu verdampfenden Flüssigkeit verdampft und der entstehende Dampf über die Durchbrüche 30, die die dritten Strömungskanäle 32 bilden, und über die Zu/Ableitung 34 abgeführt.
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Ist die Funktionseinheit 1 als Kondensator K ausgebildet, wird Dampf über die Zu/Ableitung 34 zugeführt und durch ein wärmeaufnehmendes Medium in den Leitungen 22 kondensiert der Dampf an den Platten 4 und das flüssige Kondensat wird über die erste Ableitung 20 abgeführt. Die erste Zuleitung 18 ist hierbei nicht nötig.
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Ist die Funktionseinheit 1 als Absorber A ausgebildet, wird über die erste Zuleitung 18 flüssige arme Lösung zugeführt. Über die Zu/Ableitung 34 und die dritten Strömungskanäle 32 wird gasförmiges Kältemittel zugeführt. Das gasförmige Kältemittel wird an den Platten durch die arme Lösung sorbiert und die reiche Lösung wird über die erste Ableitung 20 abgeführt. Die dabei freiwerdende Wärme wird durch ein Wärmeträgermedium in den Leitungen 22 aufgenommen.
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Ist die Funktionseinheit 1 als Generator G ausgebildet, wird über die erste Zuleitung 18 reiche Lösung zugeführt. Durch ein Wärme abgebendes Wärmeträgermedium in den Leitungen 22 wird an den Platten 4 gasförmiges Kältemittel ausgetrieben und über die dritten Strömungskanäle 32 und die Zu/Ableitung 34 abgeführt.
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Die Funktionseinheit 1 bzw. der Plattenapparat gemäß der zweiten Ausführungsform nach 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass sich der Querschnitt der Durchbrüche 30 von Platte 4-i zu Platte 4-i+1 vergrößert oder verkleinert, wodurch der größeren Dampf- bzw. Gasmenge von Platte zu Platte Rechnung getragen wird.
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3 zeigt eine den 1a und 2a entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten und zweiten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Durchbrüche 30 von Platte zu Platte versetzt angeordnet sind. Durch diese Versetzung der Durchbrüche 30 erfolgt eine zusätzliche Umlenkung des Gasstroms, wodurch aufgrund der Schwerkraft Flüssigkeitstropfen abgeschieden werden. Gemäß den Ausführungsformen nach 1 und 2 können die Durchbrüche 30 einen konstanten Querschnitt oder einen sich vergrößernden Querschnitt aufweisen.
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4a und 4b zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit zwei Funktionseinheiten 1-1 und 1-2, die nebeneinander mit einander zugewandten Hauptflächen 6 angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist als Generator/Kondensator-Bauteil oder als Verdampfer/Absorber-Bauteil für den Einsatz in Sorptionswärmepumpen bzw. Kältemaschinen geeignet. Die Abdeckung 12 ist nicht vorhanden, stattdessen sind die beiden Funktionseinheiten 1-1 und 1-2 über ein Distanzelement 36 direkt miteinander verbunden. Die linke äußere Platte 4-1 der ersten Funktionseinheit 1-1 und die rechte äußere Platte 4-6 der zweiten Funktionseinheit 1-2 bilden zusammen mit dem Distanzelement 36 ein gasdichtes Gehäuse. Der in der ersten Funktionseinheit 1-1 durch Verdampfung oder Austreibung erzeugte Dampf wird in der zweiten Funktionseinheit 1-2 kondensiert oder sorbiert. Durch das Distanzelement 36 erfolgt die thermische Entkoppelung der beiden Funktionseinheiten 1-1 und 1-2. Durch Kopplung von zwei Funktionseinheiten 1-1 und 1-2 - beispielsweise Verdampfer und Absorber oder Austreiber und Kondensator - entsteht eine Nieder-, Mittel- oder Hochdruckeinheit einer Sorptionswärmepumpe/- kältemaschine.
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Durch Gegenüberstellen von zwei Funktionseinheiten 1-1 und 1-2, die jeweils eine Grundplatte ohne Aussparungen besitzen, entsteht ein Plattenapparat, der ohne weitere Behälterwandung als Nieder-, Mittel- oder Hochdruckeinheit einer Sorptionswärmepumpe/-kältemaschine eingesetzt werden kann. Die einander zugewandten Abschlussplatten 4-1 und 4-6 der beiden Funktionseinheiten 1-1 und 1-2 weisen die Durchbrüche 30 für den Austritt bzw. Eintritt der Dampfströmung auf. Das Distanzelement 36 kann zur Verbesserung der thermischen Trennung und Verringerung des Wärmestroms zwischen den beiden Funktionseinheiten, der einen Verlustmechanismus für den Wärmepumpenkreislauf darstellt, eingesetzt werden. In den Zwischenraum zwischen beiden Funktionseinheiten 1-1 und 1-2 können Einbauten für eine zusätzliche Verbesserung der Flüssigkeitsrückhaltung eingesetzt werden - nicht dargestellt.
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Nieder-, Mittel- oder Hochdruckeinheit einer Sorptionswärmepumpe kann durch unterschiedliche Anordnungen von Apparaten realisiert werden.
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5a und 5b zeigen eine fünfte Ausführungsform der Erfindung mit zwei Funktionseinheiten 1-1 und 1-2, die übereinander in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass die beiden Plattenstapel 2-1 und 2-2 die Kanten 8 einander zuweisen. Hierdurch wird die Abdeckung 12 wieder notwendig. Die Dampfströmung verlässt die erste Funktionseinheit 1-1 senkrecht durch die Durchbrüche 30 der letzten Platte 4-6 und tritt nach zweimaliger Umlenkung um jeweils 90 Grad in die zweite Funktionseinheit ein.
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6 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung mit vier Funktionseinheiten 1-1, bis 1-4, die als Verdampfer V, Absorber A, Generator G und Kondensator K ausgebildet sind und somit eine Sorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine bilden. Verdampfer V und Absorber A sowie Generator G und Kondensator k sind analog der vierten Ausführungsform aufgebaut. Absorber A und Kondensator K teilen sich einen gemeinsamen Plattenstapel, da sie sich auf dem gleichen Temperaturniveau befinden.
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Alle vier oder mehr Hauptkomponenten einer Absorptionswärmepumpe können zu Funktionseinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut werden. Dazu befinden sich Absorber A und Kondensator K auf einer gemeinsamen Grundplatte und auf den Kondensatorteil wird ein Generator G bzw. auf den Absorber ein Verdampfer V aufgesetzt. Durch Anschluss eines Rohrleitungskreislaufs mit Lösungswärmetauscher zwischen Generator G und Absorber A sowie einer Kondensatleitung zwischen Kondensator K und Verdampfer V wird eine vollständige Sorptionswärmepumpe gebildet. Extern sind drei Wärmeträgerkreisläufe anzuschließen. Absorber A und Kondensator K können seriell mit Kühlwasser durchströmt werden. Die Wärmeträgerstromführung zwischen Absorber A und Kondensator K kann in die Plattenstruktur integriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- P
- Pfeil
- V
- Verdampfer
- A
- Absorber
- G
- Generator
- K
- Kondensator
- 1
- Funktionseinheit
- 2
- Plattenstapel
- 4
- Platten
- 6
- Hauptflächen von 4
- 8
- Kanten von 4
- 10
- Kantenseite von 2
- 12
- Abdeckung von 2
- 14
- erste Strömungskanäle
- 16
- erster Stoffstrom
- 18
- erste Zuleitung für 16
- 20
- erste Ableitung für 16
- 22
- Leitungen für 24
- 23
- zweite Strömungskanäle
- 24
- zweiter Stoffstrom
- 26
- zweite Zuleitung für 24
- 28
- zweite Ableitung für 24
- 30
- Durchbrüche
- 32
- dritte Strömungskanäle
- 34
- Zu/Ableitung in/aus 32
- 36
- Distanzelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2001201211 A [0005]
- DE 4141556 A1 [0006]
- US 2877000 A [0007]
- DE 000019860151 A1 [0008]
- GB 772065 A [0009]
- FR 2591504 A1 [0010]
- EP 1122505 B1 [0011, 0012, 0013]
