DE19623259C2 - Wärmetauscher für Kältekreisläufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Kältekreis­ läufe, bestehend aus einem das Kältemittel führenden, mit entsprechenden Vor- und Rücklaufanschlüssen versehenen Hohlkörper, der in einem zweiseitig offenen, von zwangs­ geförderter Luft durchströmbaren Umschließungsgehäuse an­ geordnet ist, das auch den Luftförderer enthält und dessen Querschnitt dem wirksamen Querschnitt des Luftförderers entspricht. Nachfolgend wird der Einfachheit halber nur auf Wärmetauscher in Verwendung als Verdampfer Bezug genommen, obgleich das Ganze im wesentlichen auch für Kondensatoren gilt.

Derartige Wärmetauscher sind bekannt und bspw. als Ver­ dampfer in Kältekreisläufen in Benutzung, so daß es diesbezüglich an sich keines besonderen druckschrift­ lichen Nachweises bedarf. Nur bspw. sei hierzu auf die US- PS 40 69 687 verwiesen. Solche Verdampfer dienen dazu, um von Luft durchströmt zu werden und um diese abzukühlen und bspw. in sogenannte Kühl- und Frischhaltezellen einzu­ leiten. Beim Wärmetauscher (Verdampfer) nach der genannten US-PS handelt es sich um einen einfach gewendelten Rohrleitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufes, welcher Rohrleitungsabschnitt mit seiner Wendelachse quer in einer Luftförderleitung angeordnet ist. Anspruchsvollere, in einem Umschließungsgehäuse angeordneten Verdampfer sind aus Kupferrohren mit aufgepreßten Aluminiumlamellen gebil­ det, durch die der Luftstrom mit vorgeschalteten Axial­ lüftern hindurchgeblasen wird. Die Verdampfer mit ihren Lamellen haben dabei Kastenform, d. h., eine rechteckige Anströmfläche, die, bedingt durch den in relativ geringer Distanz davor gesetzten Axiallüfter, von der Luft mit einer im Querschnitt im wesentlichen zylindrischen Strö­ mung angeströmt wird, was bedeutet, daß die Eckbereiche einer derart angeströmten, rechteckigen Anströmfläche nicht oder nur gemindert mit Luft beaufschlagt werden, was zwangsläufig Negativfolgen für den Wirkungsgrad auch solcher Verdampfer hat, da der Wärmeübergang von der Luft an das Kältmittel in den Eckbereichen gemindert ist. Mit solchen lamellierten Rohren ausgestattete Wärmetauscher sind im übrigen nach dem DE 94 00 544 U1 bekannt, wobei sich solche zylindrisch gewendelten Rohre praktisch nur im Mantelbereich eines durchgeblasenen Luftstromes erstrecken und dabei sogar in Betracht gezogen ist, innerhalb der Wendel den Kompressor anzuordnen. Hinzu kommt noch, daß solche Verdampferausbildungen ziemliche Geräusche verursachen, da sich die durchgeblasene Luft hinter den quer die Lamellen durchgreifenden, das Kältemittel führenden Rohren stark verwirbelt, in denen das Kältemittel im Gegensatz dazu im wesentlichen laminar strömt. Wünschenswert wäre dabei einerseits eine geringere Verwirbelung der Luft und andererseits eine mehr turbulente Strömung des Kältemittels, um auch auf der Kältemittelseite den Wärmeaustausch zu verbessern.

Diesbezüglich ist schon in Betracht gezogen worden, die Kupferrohre innen zwecks Übertragungsflächenvergrößerung mit Längsrippen zu versehen, was aber die Kosten für derartige Rohre erhöht und nicht zu einer Verwirbelung des strömenden Kältemittels führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher der eingangs genannten Art dahingehend zu ver­ bessern, daß primär dessen Anströmquerschnitt im wesent­ lichen dem Querschnitt der anströmenden Luft entspricht und sekundär damit gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen ist, auf einfache Weise sowohl luft- als auch kältemit­ telseitig Elemente vorsehen zu können, die, und zwar für beide den Verdampfer durchströmende Medien, bei gleichzei­ tiger Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche für Richtungs­ änderungen, d. h., mehr oder weniger turbulente Umschich­ tungen in den Strömungen beider Medien sorgen.

Diese Aufgabe ist mit einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Längsachse des Umschließungsgehäuses vertikal orientiert ist und daß der in Form einer spiralförmig gewickelten Tasche ausgebildete und axial zum Umschließungsgehäuse in diesem orientiert angeordnete Hohlkörper einschließlich der von ihm begrenzten, über den Durchströmquerschnitt verteilten Luftdurchströmkanäle den Querschnitt des Umschließungsgehäuses ausfüllt.

In völliger Abkehr vom Bauprinzip der Verdampfer bishe­ riger und eingangs genannter Art, bei denen im übrigen im unteren Bereich entstehender Kältemitteldampf von da aus die Gesamtstrecke der Rohre durchströmen muß, stellt der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine vertikal orientierte Tasche dar, die, was noch näher erläutert wird, einfach aus relativ dünnem Blech herzustellen ist, und was kompli­ kationslos die Möglichkeit eröffnet, den Verdampfer mit Elementen zu versehen, die sowohl auf der Luft- als auch auf der Kältemittelseite für Strömungsumlenkung und damit Umschichtungen bzw. Turbulenzen in beiden Strömungen sorgen, wobei der gesamte obere Raum des Hohlkörpers als Kältemitteldampfsammelraum dient, d. h., der Kältemittel­ dampf kann von Rohrkrümmern und horizontalen Durchström­ strecken unbehindert und geräuschlos nach oben aufsteigen und in den Kältemittelkreislauf zurückströmen. Die Bemes­ sung der Höhe des taschenförmig ausgebildeten Hohlkörpers richtet sich dabei einfach nach dem rechnerisch zu ermittelden Erfordernis der Größe der Wärmetauschfläche.

Da der Wärmetauscher bzw. Verdampfer nach der erfin­ dungsgemäßen Lösung nicht mehr aus mit Lamellen bestückten Rohren besteht, sondern einfach einen Hohlkörper aus Blech darstellt, ist, wie gesagt, der Möglichkeit Rechnung getragen und die Voraussetzung erfüllt, den Verdampfer vorteilhaft dahingehend weiter ausbilden zu können, daß die Wände des Hohlkörpers mit in die Luftströmkanäle weisenden, entgegengesetzt windschief zur Längsachse orientierten und sich punktuell gegenseitig abstützenden Rippenprägungen versehen sind, wobei ferner die sich unmittelbar aneinander anschließenden Rippenprägungen der den Hohlkörper bildenden Wände, im Querschnitt senkrecht zur Längsachse bzw. Wickelachse des Hohlkörpers gesehen, im wesentlichen tulpenförmig ausgebildet sind und deren Querschnitt sich in Durchströmrichtung der Kältemittels vergrößert.

Durch diese Ausbildung erfüllen die derart genutzten Taschenwände gleichzeitig vier Funktionen: Gegenseitige Abstützung der Wände auf der Luftseite, sanfte und ge­ räuschlose Aufsplittung der durchströmenden Luft in unter­ schiedliche Richtungen, auf der Kältemittelseite ent­ sprechende Umschichtung bzw. Durchmischung des noch flüs­ sigen Kältemittels und schließlich Vergrößerung der Wärme­ tauschfläche.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbei­ spielen im einzelnen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 stark schematisiert und im Vertikalschnitt den Wärmetauscher;

Fig. 2 im Horizontalschnitt die bevorzugte Ausführungs­ form des Wärmetauschers;

Fig. 3 vergrößert im Horizontalschnitt die bevorzugte Gestaltung und Zuordnung der den Wärmetauscher bildenden Wände;

Fig. 4, 5 Ausführungsformen des Wärmetauschers im Vertikal­ schnitt;

Fig. 6 eine bauliche Einzelheit und

Fig. 7 stark schematisiert und zum Vergleich einen belüftbaren Verdampfer bisheriger Art.

Der Wärmetauscher besteht grundsätzlich, wie bisher auch schon, aus einem das Kältemittel führenden, mit entspre­ chenden Vor- 2 und Rücklaufanschlüssen 3 versehenen Hohl­ körper 1, der in einem zweiseitig offenen, von zwangs­ geförderter Luft durchströmbaren Umschließungsgehäuse 4 angeordnet ist, das auch den Luftförderer 6 enthält und dessen Querschnitt dem wirksamen Querschnitt des Luft­ förderers 6 entspricht. Hierzu wird auf die Vergleichs­ figur 7 verwiesen, in der der Lüfter 6 gestrichelt ange­ deutet und der den Verdampfer bildende Hohlkörper 1 aus einem mit Lamellen L bestückten Rohr R gebildet ist. Im Bedarfsfall können zwei oder mehr solcher lamellen­ bestückter Rohre R senkrecht zur Zeichnungsebene hinter­ einander angeordnet sein, was dann außerdem einen Rücklaufverteiler und einen Vorlaufsammler verlangt. Ist die Anströmfläche entsprechend groß, können auch mehr als ein Lüfter vorgeschaltet sein.

In völliger Abkehr von dieser Bauweise zeichnet sich der vorliegende, als Verdampfer wirkende Wärmetauscher demge­ genüber und an Fig. 1, 2 orientiert dadurch aus, daß die Längsachse 4' des Umschließungsgehäuses 4 vertikal orien­ tiert ist und daß der in Form einer spiralförmig gewickelten Tasche 1''' ausgebildete und axial zum Um­ schließungsgehäuse in diesem orientiert angeordnete Hohl­ körper 1 einschließlich der von ihm begrenten, über den Durchströmquerschnitt verteilten Luftdurchströmkanäle 9 den Querschnitt des Umschließungsgehäuses 4 ausfüllt, d. h., der Querschnitt des Umschließungsgehäuses 4 entspricht dabei im wesentlichen dem Luftaustrittsquerschnitt 6' des Luftförderers 6 und der Hohlkörper 1 einschließlich der von ihm begrenzten Luftdurchströmkanäle 9 mit seinem Querschnitt entspricht im wesentlichen dem Querschnitt des Umschließungsgehäuses 4, wobei der im Querschnitt im wesentlichen flach rechteckig ausgebildete und mit seiner Querschnittshauptachse A vertikal orientierte Hohlkörper 1 vom das flüssige Kältemittel zuführenden Rücklauf 3 bis zum den Kältemitteldampf abführenden Vorlauf 2 einen Gang bildet, dessen benachbarte, auf Distanz angeordnete Wände 8 die axial orientierten Luftdurchströmkanäle 9 begrenzen. Der den Hohlkörper 1 bildende Wärmetauscher besteht also, wie aus Fig. 2 ersichtlich, aus nur einem Gang, der spiralförmig, von der Peripherie des Zentralbereiches 7 ausgehend, gewickelt ist. Hilfseinrichtungen dafür stehen zur Verfügung, mit denen die beiden entsprechend langen, die Wände der Tasche bildenden Blechstreifen zusammengeführt und unmittelbar nach ihrer Zusammenführung an ihren oberen und unteren Rändern miteinander verschweißt werden, was die größere Erstreckungslänge des äußeren Blechstreifens berücksichtigt. Um beim Wickel­ vorgang die ebenfalls spiralförmig verlaufenden Schweiß­ nähte komplikationslos verlegen zu können, sind die Ränder der beiden Blechstreifen wie bspw. in den Fig. 4, 5 dar­ gestellt ausgebildet. In diesem Fall ist der Rücklauf­ anschluß 3 im Zentralbereich 7 des Hohlköpers 1 in der unteren Hälfte angeschlossen und der Vorlaufanschluß 2 schließt sich oben an das äußere Ende des spiralförmig gewickelten Hohlkörpers an, was nicht besonders darge­ stellt ist. Bei dieser Ausführungsform sind aber vorteil­ haft die Luftdurchströmkanäle 9 völlig frei von irgend­ welchen Vor- und Rücklaufanschlußführungen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist das Umschlie­ ßungsgehäuse 4 an die Außenumfangsfläche des spiralför­ migen Hohlkörpers 1 angepaßt und weist im Bereich des äußeren Hohlkörperendes eine Stützstufe 13 auf, um mit dem sich anschließenden Abschnitt 4' des Umschließungsgehäuses 4 den angrenzenden Abschnitt 14 des Hohlkörpers 1 bzw. der Tasche 1''' abzustützen. Es kann aber auch in Betracht ge­ zogen werden, das Umschließungsgehäuse im wesentlichen zy­ lindrisch auszubilden und für den Abschnitt 14 einen zwickelangepaßten Stützkeil vorzusehen.

Gemäß Fig. 3 sind die Wände 8 des Hohlkörpers 1 vorteilhaft mit in die Luftströmkanäle 9 weisenden, entgegengesetzt windschief zur Längsachse 4' orientierten und sich punktuell gegenseitig abstützenden Rippenprägungen 10 versehen, die, abgesehen von der sich dadurch ergebenden gegenseitigen Abstützung der Gänge untereinander, orientiert an Fig. 3 folgendes bewirken: Durch die entgegengesetz geneigten Rippenprägungen 10 werden der durchströmenden Luft von unten nach oben entsprechend entgegengesetzte Richtungen aufgeprägt, was zwangsläufig im mittleren Bereich der Strömung zu deren Durchwirbelung führt. Da dies gleichmäßig verteilt über die ganze Höhe der spiralförmigen Tasche 1''' ringsum in allen Wicklungsgängen erfolgt, geschieht dies praktisch ohne Geräuschentwicklung. Da die Rippenprägungen 10 auf der Kältemittelseite, also im Hohlkörper 1 ihre Negativ­ entsprechungen haben, geschieht dies auch mit dem Kälte­ mittel.

Die Rippenprägungen sind dabei bevorzugt und vorteilhaft, wie in Fig. 3 dargestellt ausgebildet, d. h., die sich unmittelbar aneinander anschließenden Rippenprägungen 10 der den Hohlkörper 1 bildenden Wände 8 sind, im Quer­ schnitt senkrecht zur Längsachse 4' bzw. Wickelachse WA des Hohlkörpers 1 gesehen, im wesentlichen tulpenförmig ausgebildet und deren Querschnitt vergrößert sich in Durchströmrichtung der Kältemittels. Dadurch liegen auf der Kältemittelseite mehr oder weniger scharfe Kanten 10' vor, die für eine entsprechende Störung der Kältemittel­ strömung sorgen, zusätzlich verbunden mit einer Umschich­ tung des Kältemittels im mittleren Bereich wie auf der Luftseite. Abgesehen von diesen Funktionen und der Wärme­ übertragungsflächenvergrößerung (die Rippenprägungen 10 werden an die die Wänden 8 bildenden Blechstreifen­ zuschnitten vor deren Verformung und Zusammenfügung zu den Taschen 1'', 1''' eingeprägt) übernehmen diese Rippen­ prägungen auch gleichzeitig, wie vorerwähnt, vorteilhaft die Abstandshaltung der Gänge untereinander, d. h., luft­ seitig angeordnete Abstandshalteelmente sind entbehrlich.

Da sich eine spiralförmig gewickelte Tasche 1''' vom Blechmaterial und von der Wickelachse WA aus gesehen nicht beliebig eng ansetzen läßt, entsteht bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 2 ein relativ querschnittsgroßer Zentrums­ bereich 7, der anströmseitig verblendet werden muß, um die Luft in die Luftführungskanäle 9 zu leiten. Um diesbezüg­ lich für eine strömungsgünstigere Luftführung zu sorgen, ist die Verblendung anströmseitig und wie bspw. in Fig. 6 dargestellt in Form eines im Querschnitt halbkugel- oder parabelförmigen Anströmprofiles 7' ausgebildet.

Um schließlich einen Länge beanspruchenden Diffusor zwischen Luftförderer 6 (bevorzugt Axiallüfter) und An­ strömfläche F des Hohlkörpers 1 zu vermeiden, weist unter nochmaligem Bezug auf Fig. 1 das Umschließungsgehäuse 4 einschließlich des Anordnungsraumes 5 für den Luftförderer durchgehend den gleichen Durchmesser D auf, d. h., der ganze Verdampfer bzw. Wärmetauscher einschließlich seines Luftförderers 6 stellt ein Rohr dar, dem die Luft durch die Öffnungen 15 zuströmt.

Claims (6)

1. Wärmetauscher für Kältekreisläufe, bestehend aus einem das Kältemittel führenden, mit entsprechenden vor- (2) und Rücklaufanschlüssen (3) versehenen Hohlkörper (1), der in einem zweiseitig offenen, von zwangsgeförderter Luft durchströmbaren Umschließungsgehäuse (4) angeordnet ist, das auch den Luftförderer (6) enthält und dessen Querschnitt dem wirksamen Querschnitt des Luftförderers (6) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (4') des Umschließungsgehäuses (4) vertikal orientiert ist und daß der in Form einer spi­ ralförmig gewickelten Tasche (1''') ausgebildete und axial zum Umschließungsgehäuse in diesem orientiert angeordnete Hohlkörper (1) einschließlich der von ihm begrenzten, über den Durchströmquerschnitt verteilten Luftdurchströmkanäle (9) den Querschnitt des Umschlie­ ßungsgehäuses (4) ausfüllt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Rück- (3) oder Vorlaufanschluß des Hohlkörpers (1) im verblendeten Zentralbereich (7) des Umschließungs­ gehäuses (4) angeordnet ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verblendung des Zentralbereiches (7) anström­ seitig in Form eines im Querschnitt halbkugel- oder parabelförmigen Anströmprofiles (7') ausgebildet ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (8) des Hohlkörpers (1) mit in die Luftdurchströmkanäle (9) weisenden, entgegengesetzt windschief zur Längsachse (4') des Umschließungsgehäuses (4) orientierten und sich punktuell gegenseitig abstützenden Rippenprägungen (10) versehen sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich unmittelbar aneinander anschließenden Rippenprägungen (10) der den Hohlkörper (1) bildenden Wände (8), im Querschnitt senkrecht zur Längs- (4') oder Wickelachse (WA) des Hohlkörpers (1) gesehen, im wesentlichen tulpenförmig ausgebildet sind und deren Querschnitt sich in Durchströmrichtung des Kältemittels vergrößert.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungsgehäuse (4) mit einer an das Vorlaufende oder den Rücklaufanfang des spiralförmig gewickelten Hohlkörpers (1) angepaßten Stützstufe (13) versehen ist.