DE202010001062U1

DE202010001062U1 - Lamellenwärmetauscher

Info

Publication number: DE202010001062U1
Application number: DE201020001062
Authority: DE
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2020-01-19

Abstract

Lamellenwärmetauscher (10) für den Einsatz in einem Kühlmöbel mit einer Mehrzahl von Lamellen (20), welche von einer Mehrzahl von Kühlrohren (30) durchsetzt werden und die Kühlrohre (30) in einer rechtwinkligen Matrix in Reihen und Ebenen angeordnet sind und die Rohrabstände (a) in den Reihen sich von den Rohrabständen (b) in Richtung der Ebenen unterscheiden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lamellenwärmetauscher für ein Kühlmöbel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Kühlmöbel gemäß Anspruch 13.
Hier betrachtete Kühlmöbel werden beispielsweise für Verkaufspräsentationen in Geschäften verwendet. Sie können als Kühltruhe ausgeführt sein, wobei ein Schleier gekühlter Luft in der Truhe oberhalb der Waren erzeugt wird, um die Warentemperatur im gewünschten Temperaturbereich zu halten. Ebenso können die Kühlmöbel als Kühlregal ausgeführt sein, bei denen ein vertikaler Luftschleier ausgebildet wird, um so die gekühlten Waren von dem Umgebungsraum zu trennen. Zum Kühlen der Luft wird, wie später am Ausführungsbeispiel im Detail erläutert, ein Lamellenwärmetauscher verwendet. Bekannte Lamellenwärmetauscher weisen eine Vielzahl von Rohren auf, welche in Reihen und Ebenen entweder zueinander versetzt oder in einem rechtwinkligen System zueinander ausgerichtet sind. Bei den Letztgenannten wird der Abstand der Rohre zueinander identisch in beide Richtungen, also innerhalb einer Reihe und senkrecht dazu, gewählt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Leistung eines Lamellenwärmetauschers bei gegebener Größe zu erhöhen und tolerant gegen Vereisungen so auszuführen, dass er kostengünstig gefertigt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Lamellenwärmetauscher gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfinderisch wird ein Lamellenwärmetauscher für den Einsatz in einem Kühlmöbel bereitgestellt, mit einer Mehrzahl von Kühlrohren und einer Mehrzahl von Lamellen, wobei die Mehrzahl der Kühlrohre die Mehrzahl der Lamellen durchsetzen und die Rohre in einer rechtwinkligen Matrix in Reihen und Ebenen angeordnet sind und die Rohrabstände in den Reihen sich von den Rohrabständen in Richtung der Ebenen unterscheiden. Der Begriff „Mehrzahl von Kühlrohren” umfasst, dass der Wärmetauscher ein einziges Rohrsystem aufweist, mit einem Ein- und einem Ausgang für das Kühlfluid. Die unterschiedlichen Abstände der Rohre bewirken, dass die Luftführung durch den Wärmetauscher effektiver wird. Wenn im Einbauzustand die Abstände der Rohre in Richtung des Luftstroms kleiner sind, als die Abstände quer zur Richtung der Luftströmung, kann bei praktisch unveränderter Abbremsung der Luft die Wärmeübertragung erhöht werden. Anders ausgedrückt: Es kann die Breite des Wärmetauschers, gemessen in Richtung der Fließrichtung der Luft reduziert werden. Hierdurch steigt zum einen die Frosttoleranz und ebenso kann der Materialeinsatz reduziert werden. Ebenso kann bei gleicher Wärmeübertragung und gleicher Vereisungsneigung bis zu 20% Material gespart werden.
Insbesondere liegt das Umfangs-Flächenverhältnis U_A des Lamellenwärmetauschers zwischen 1,7 und 2,3 mm/cm². Das Umfangs-Flächenverhältnis ist als das Verhältnis von der einem Kühlrohr zugeordneten Fläche einer Lamelle zu dem Kühlrohrumfang definiert und ist – wie später eingehend erläutert wird – ein Maß für Kühlwirkung. Das angegebene Verhältnis ist typisch für Kühlmöbel im Verkaufsbereich von Geschäften und so eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere für diesen Einsatzbereich.
Vorteilhafter Weise ist der Durchmesser der Kühlrohre größer als 8 mm und insbesondere größer gleich 10 mm. Kleine Rohre haben den Nachteil, dass die Kosten für die Verbindungsbögen (U-förmige Rohrabschnitte) an den Wärmetauscherenden ansteigen. Ebenso steigt der Druckabfall in den Rohren überproportional an, so dass ein höherer konstruktiver Aufwand für die Verteiler- und Sammelsysteme notwendig wird. So sind Rohre mit Durchmessern kleiner als 10 mm im gegebenen Einsatzbereich nicht wirtschaftlich.
Ebenso ist der Durchmesser der Kühlrohre kleiner als 15 mm und vorzugsweise kleiner gleich 13 mm. Bei großen Rohrdurchmessern steigt der Materialaufwand der Rohre und es muss für ein bestimmtes Umfangs-Flächenverhältnis U_A der Abstand der Rohre erhöht werden, was den Platzbedarf des Wärmetauschers erhöht. Auch ergibt sich bei kleineren Rohren ein kleinerer Luftwiderstand, so dass der Ventilator weniger Antriebsenergie benötigt. Ebenso wird bei kleineren Rohren bei einer fluchtenden Anordnung der Raum für die Ablagerung von Eis größer, so dass die Vereisungsneigung reduziert wird.
Vorteilhafter Weiser liegt das Verhältnis der Rohrabstände innerhalb der Reihen zu denen in Richtung der Ebenen zwischen 0,7 und 0,9. Durch diese Verkleinerung der Rohrabstände in der Richtung der Reihe, welches vorzugsweise die Richtung ist, in welcher die Luft durch den Wärmetauscher geleitet wird, können zum einen Materialkosten gespart werden und zum anderen bei gleicher Leistung die Erstreckung in dieser Richtung reduziert und so der Wärmetauscher kompakter und materialsparend gefertigt werden. Bei Verhältnissen größer als 0,9 kommt der beschriebene Vorteil nicht zum Tragen und bei Verhältnissen kleiner als 0,7 wird die Kälteableitung an die umströmende Luft begrenzt.
In einer weiterführenden Ausführungsform beträgt bei einem Kühlrohrdurchmesser von 12 mm der Rohrabstand in den Richtung der Ebenen zwischen 45 mm und 55 mm und innerhalb der Reihen 40 mm +/– 5 mm. Auch kann bei einem Kühlrohrdurchmesser von 11 mm der Rohrabstand in den Ebenen 48 mm +/– 5 mm und in den Reihen 38,4 mm +/– 5 mm betragen. Bei einem Kühlrohrdurchmesser von 10 mm kann der Rohrabstand in den Ebenen 46 mm +/– 5 mm und in den Reihen 36,8 mm +/– 5 mm betragen. Ferner kann bei einem Kühlrohrdurchmesser von 13 mm der Rohrabstand in den Ebenen 52 mm +/– 5 mm und in den Reihen 41,6 mm +/– 5 mm betragen. Diese Werte sind im Wesentlichen Beispielswerte für vorteilhafte Ausführungen und zeigen exemplarisch an, bei welchen Verhältnissen der Werte von a, b und d sich vorteilhafte Leistungswerte des Wärmetauschers ergeben.
Weiterführend können zusätzlich zu den genannten Kühlrohren weitere Kühlrohre mittig zwischen den Ebenen und gleichzeitig mittig zwischen den entsprechenden Reihen vorgesehen sein. Durch diese mittige Ausrichtung der zusätzlichen Rohre kann die Kühlleistung weiter erhöht werden.
Der Lamellenwärmetauscher ist geeignet, mit CO₂ als einem umweltfreundlichen Kühlmittel betrieben zu werden. CO₂, also Kohlendioxyd, wird als Kühlmittel der Zukunft gesehen. Dabei werden kleinere Rohre verwendet, wie beispielsweise 9 mm. Dies bringt Vorteile eines geringeren Materialeinsatzes und besserer Frosttoleranz.
In einem entsprechenden Kühlmöbel wird der Luftstrom im Wärmetauscher durch die Zwischenräume der Kühlrohre geleitet wird, deren Abstand in Strömungsrichtung geringer ist. Hierdurch kann bei gleicher Kühlleistung die Breite des Wärmetauschers in der Richtung längs zum Luftstrom reduziert werden.
Anschließend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht von einer Kühllamelle mit Kühlrohren,
2 eine entsprechende Seitenansicht mit Bemaßungen zur Auslegung und
3 eine alternative Ausführungsform mit Zusatzkühlrohren.
Die einzelnen 1 bis 3 zeigen schematisch einen Lamellenwärmetauscher in einer Seitenansicht, wie sie bei Kühlmöbeln häufig eingesetzt werden. Der Übersichtlichkeit halber sind die Umlenkrohre, welche jeweils zwei Rohre miteinander verbinden, nicht dargestellt.
Ein entsprechendes Kühlmöbel kann eine Gefriertruhe oder Gefrierschrank sein und als Tiefkühlgerät (–18°C) oder wenige Grade unter Null oder über Null Grad Kühltemperatur eingesetzt werden. Diese Kühlmöbel können als „steckerfertige” Standalone-Kompressionskältemaschinen ausgeführt sein. Dabei komprimiert ein Kompressor das Kältemittel, leitet es zu einem Kondensator weiter, wo es sich abkühlt. Es wird weiter über eine Drossel zur Druckreduzierung zu dem Verdampfer, also dem Lamellenwärmetauscher, geführt, wo das Kühlmittel verdampft und die Verdunstungskälte zur Kühlung verwendet wird. Auch kann das Kühlmöbel als ein Remote-Gerät lediglich das Drosselorgan und den Verdampfer umfassen und der Rest der Kälteerzeugung, also der Verdichter/Kompressor und Verflüssiger befinden sich in einer zentralen Kälteanlage, über die die einzelnen Kühlmöbel mit flüssigem Kältemittel versorgt werden und welche ferner das verdampfte Kältemittel wieder ansaugt. Übliche hier betrachtete Leistungen sind dabei 1–9 kW bei einer Länge des Wärmetauschers von 1,25 bis 3,75 m, wobei das Kühlmöbel eine Bautiefe von 100 und 150 cm aufweist und wobei üblicherweise FKW-Kältemittel verwendet wird.
Der Verdampfer ist als Lamellenwärmetauscher ausgeführt. Das heißt, er besteht im Prinzip aus einem Rohr. An dieses Rohr sind Lamellen als Wärmetauscheroberflächen wärmeleitend befestigt, so dass die Kontaktoberfläche zur Umgebung erhöht wird. Es werden dabei eine Vielzahl von vorzugsweise ebenen Lamellen 20 verwendet, welche parallel zueinander ausgerichtet sind und mehrfach von dem Kühlrohr 30 durchstoßen werden. 1 zeigt eine dieser Lamellen 20 in der Draufsicht, wobei eine Vielzahl gleichartiger Lamellen hintereinander angeordnet ist. An den Enden dieser Lamellenpakete, welche von den Kühlrohren durchdrungen werden, sind an den Enden der Kühlrohre U-förmige Umlenkrohre vorgesehen, welche jeweils zwei benachbarte Rohre druckdicht miteinander verbinden. So entsteht der Lamellenverdampfer, welcher nur noch einen Eingang und entsprechend einen Ausgang aufweist, und so in den beschriebenen Kühlkreislauf eingebaut zu werden. Die Lamellen haben dabei jeweils Abstände zueinander von (abhängig von der Baugröße) etwa 5 bis 10 mm und durch diese Bereiche wird der Luftkreislauf des Kühlgeräts geleitet, wodurch die Luft abgekühlt wird.
Als eine Kenngröße der Auslegung von Lamellenwärmetauschern wird das Umfangs-Flächenverhältnis U_A verwendet, um zu beurteilen, wie effektiv die Ableitung der Kälte von dem Kühlrohr geschehen kann. Dabei wird der Umfang des Kühlrohrs in Relation zu der Fläche der jeweiligen Ableitfläche für dieses Rohr genutzt wird. Die Fläche A = a·b ist in 1 als gestricheltes Rechteck für das mittige Kühlrohr 30 gezeigt und entspricht dem Produkt der Abstände a der Kühlrohre in den Reihen mit dem Abstand b der Ebenen. Mit steigendem U_A wird der Wärmetauscher für eine bestimmte Leistung in seinen Außenmaßen kleiner.
Die Qualität des Wärmetauschers bemisst sich nach drei Kriterien:

a) k·A Wert
b) der Frosttoleranz
c) dem Materialeinsatz und den Herstellkosten

Zu a): Der k·A Wert ist das Produkt aus dem Wärmeübergangskoeffizienten mit der Fläche A = a·b der Lamelle, welche für ein Kühlrohr wirksam ist. Je größer das Umfangs-Flächenverhältnis U_A, desto intensiver kann die Lamelle vom Rohr gekühlt werden und folglich steigt der k·A Wert.
Zu b): Während der Kühlphase kommt es zu Eisablagerungen im Verdampfer. Diese vermindern mit zunehmender Kühlzeit den Luftdurchsatz. In Folge kann in dem Kühlmöbel der Luftschleier aus gekühlter Luft, welcher die gekühlten Waren umströmt, zusammenbrechen, so dass eine Abtauung erfolgen muss. Diese Standzeit, also die Zeitspanne zwischen zwei Abtauungen, auch Frosttoleranz genannt, ist ein wesentliches Kriterium eines Lamellenwärmetauschers. Aufgrund des geringen Volumens haben Wärmetauscher mit hohem Umfangs-Flächenverhältnis U_A eine schlechtere Frosttoleranz und müssen somit häufiger abgetaut werden. Dies erhöht den Energiebedarf des Kühlmöbels und verschlechtert die erreichbare Kühltemperatur.
Zu c): Die intensivere Kühlung der Wärmetauscher mit einem hohen Umfangs-Flächenverhältnis U_A führt dazu, dass der Materialaufwand bei gegebener übertragener Leistung sinkt.
In der bevorzugten Ausführungsform gemäß 2 beträgt der Abstand b der Rohre in der einen Richtung, welche als die Richtung der Ebenen definiert ist, 50 mm. Der Abstand a der Rohre innerhalb der Kühlrohrreihen, also senkrecht zu den Ebenen, beträgt 40 mm und der Außendurchmesser d der Kühlrohre beträgt 12 mm. Die Abstände der Rohre werden jeweils in Bezug auf ihre Mittelachse gemessen. Ferner zeigt 2 die bevorzugte Richtung L, in der die zu kühlende Luft durch den Wärmetauscher geleitet wird. Die Rohre stehen in der Richtung längs zur Strömungsrichtung enger als quer zu ihr. So kann die Ausdehnung des Wärmetauschers längs zur Strömungsrichtung reduziert werden, ohne aber die Anzahl der Rohre, welche im Wärmeaustausch zu dem Luftstrom stehen, zu reduzieren. Die Lamellenfläche A, welche als Ableitoberfläche den Kühlrohren zugeordnet ist, beträgt (siehe 1) A = a·b, also 2000 mm². Der Umfang U_Rohr der Kühlrohre beträgt U_Rohr = Π·d = 37,7 mm. Das Umfangs-Flächenverhältnis U_A beträgt 1,88 mm/cm².

In der nachfolgenden Tabelle sind Beispielswerte für unterschiedliche Rohrdurchmesser angegeben:

d (mm)	9	10	11	12	13	14	15
Abstand der Ebenen b (mm)	43,5	46	48	50	52	54	55,8
Rohrabstand a innerhalb einer Reihe (mm)	34,8	36,8	38,4	40	41,6	43,2	44,64
U_Rohr = Π·d (mm)	28,3	31,4	34,6	37,7	40,8	44,0	47,1
Verhältnis der Rohrabstände a zu b	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8
U_A = U_Rohr/(a·b) (mm/cm)	1,9	1,9	1,9	1,9	1,9	1,9	1,9

Wie beschrieben ist der Abstand a innerhalb einer Reihe kleiner als der Abstand der Rohre zueinander in den Ebenen. Bei a = 40 mm und b = 50 mm beträgt das Verhältnis a zu b der obigen Tabelle 0,8, wobei dieser Wert nicht streng vorgegeben ist, sondern auch Verhältnisse von 0,7 bis 0,9 vorteilhaft sind.

Claims

Lamellenwärmetauscher (10) für den Einsatz in einem Kühlmöbel mit einer Mehrzahl von Lamellen (20), welche von einer Mehrzahl von Kühlrohren (30) durchsetzt werden und die Kühlrohre (30) in einer rechtwinkligen Matrix in Reihen und Ebenen angeordnet sind und die Rohrabstände (a) in den Reihen sich von den Rohrabständen (b) in Richtung der Ebenen unterscheiden.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sein Umfangs-Flächenverhältnis (U_A), welches das Verhältnis von der einem Kühlrohr (30) zugeordneten Fläche einer Lamelle (20) zu dem Rohrumfang (U_Rohr) definiert ist, zwischen 1,7 und 2,3 mm/cm² liegt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) der Kühlrohre größer als 8 mm und vorzugsweise größer gleich 10 mm ist.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d) der Kühlrohre kleiner als 15 mm und vorzugsweise kleiner gleich 13 mm ist.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kühlrohre zwischen 10 und 12 mm beträgt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Rohrabstände (a) in Richtung der Reihen zu den Abständen (b) der Rohre in Richtung der Ebenen zwischen 0,7 und 0,9 liegt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kühlrohrdurchmesser von 12 mm der Rohrabstand (b) in Richtung der Ebenen zwischen 50 mm +/– 5 mm und der Rohrabstand (a) innerhalb der Reihen 40 mm +/– 5 mm beträgt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kühlrohrdurchmesser von 11 mm der Rohrabstand (b) in Richtung der Ebenen 48 mm +/– 5 mm und der Rohrabstand (a) innerhalb der Reihen 38,4 mm +/– 5 mm beträgt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kühlrohrdurchmesser von 10 mm der Rohrabstand (b) in Richtung der Ebenen 46 mm +/– 5 mm und der Rohrabstand (a) innerhalb der Reihen 36,8 mm +/– 5 mm beträgt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1–5 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kühlrohrdurchmesser von 13 mm der Rohrabstand (b) in Richtung der Ebenen 52 mm +/– 5 mm und der Rohrabstand (a) innerhalb der Reihen 41,6 mm +/– 5 mm beträgt.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass weitere Kühlrohre (35) mittig zwischen den Ebenen und gleichzeitig mittig zwischen den entsprechenden Reihen vorgesehen sind.
Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass er geeignet ist, mit CO₂ als Kühlmittel betrieben zu werden.
Kühlmöbel mit einem Lamellenwärmetauscher (10) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (L) in Richtung der Kühlrohre (30) geleitet wird, deren Abstand (a) zueinander in Strömungsrichtung geringer ist als der Abstand (b) der Kühlrohre quer zur Strömungsrichtung (L).