DE202022105684U1 - Dry expansion evaporator for ammonia chillers - Google Patents
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Abstract
Trockenexpansionsverdampfer (1) für Ammoniakkälteanlagen mit einem Sammlerrohr (2) und einem Austrittsrohr (3) für das Kältemittelgas, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammlerrohr (2) und das Austrittsrohr (3) über einen Siphon (5) miteinander verbunden sind und dass der Siphon (5) am Verdampferboden (4) an der tiefsten Stelle des Trockenexpansionsverdampfers (1) angeordnet ist. Dry expansion evaporator (1) for ammonia refrigeration systems with a collector pipe (2) and an outlet pipe (3) for the refrigerant gas, characterized in that the collector pipe (2) and the outlet pipe (3) are connected to one another via a siphon (5) and that the siphon (5) is arranged on the evaporator bottom (4) at the lowest point of the dry expansion evaporator (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen Trockenexpansionsverdampfer für Ammoniakkälteanlangen.The invention relates to a dry expansion evaporator for ammonia refrigeration systems.
Gattungsgemäße Trockenexpansionsverdampfer finden beispielsweise in Kälte- und Kühlanlagen bei Lagerhäusern, Kühlhäuser und für die Klimatisierung Anwendung.Generic dry expansion evaporators are used, for example, in refrigeration and cooling systems in warehouses, cold stores and for air conditioning.
Ammoniakkälteanlagen werden wieder verstärkt in Industrie, Handel und Gewerbe eingesetzt. Ammoniak als Kältemittel wird als R717 bezeichnet, ist ein natürliches Kältemittel und besitzt keinen direkten Treibhauseffekt (GWP) sowie darüber hinaus auch kein Ozonabbaupotential (ODP). Somit werden zur Substitution von klimaschädlichen FCKW-Kältemitteln vielfältige Anstrengungen unternommen, um Ammoniak als Kältemittel verstärkt wieder einzusetzen.Ammonia refrigeration systems are increasingly being used again in industry, trade and commerce. Ammonia as a refrigerant is referred to as R717, is a natural refrigerant and has no direct greenhouse effect (GWP) and also no ozone depletion potential (ODP). Various efforts are therefore being made to replace climate-damaging CFC refrigerants in order to increasingly use ammonia as a refrigerant again.
Allerdings wird, um einen effizienten Betrieb der Ammoniakkälteanlagen zu gewährleisten, in den Ammoniakkälteanlagen mit sogenannten gefluteten Verdampfern gearbeitet. Der überflutete Betrieb der Verdampfer führt zu großen Kältemittelfüllmengen und darüber hinaus zu einem hohen Platzbedarf für den Flüssigkeitsabscheider nach dem Verdampfer.However, in order to ensure efficient operation of the ammonia refrigerating plants, so-called flooded evaporators are used in the ammonia refrigerating plants. The flooded operation of the evaporators leads to large amounts of refrigerant and also to a large amount of space required for the liquid separator after the evaporator.
Aufgrund der toxischen Eigenschaften des Ammoniaks sowie der angeführten technischen Erfordernisse, werden vermehrt Anstrengungen unternommen, um die Füllmenge der Anlagen zu reduzieren. Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Ammoniakkälteanlagen im sogenannten Trockenexpansionsbetrieb betrieben werden.Due to the toxic properties of ammonia and the technical requirements mentioned, more efforts are being made to reduce the capacity of the systems. This is possible, for example, when the ammonia refrigeration systems are operated in so-called dry expansion operation.
Bei der Betriebsart Trockenexpansion wird der Verdampfer der Ammoniakkälteanlage permanent von dem 2-Phasen-Gemisch des Kältemittels durchströmt. Dabei wird das Kältemittel vollständig im Verdampfer der Kälteanlage verdampft. Nachfolgend wird das gasförmige, trockene Kältemittel vom Verdichter angesaugt und nach der Verdichtung weiter im Kreislauf geführt.In the dry expansion operating mode, the evaporator of the ammonia refrigeration system is constantly flowed through by the 2-phase mixture of the refrigerant. The refrigerant is completely vaporized in the evaporator of the refrigeration system. The gaseous, dry refrigerant is then sucked in by the compressor and, after compression, circulated further.
In Ammoniakkälteanlagen wird Kältemaschinenöl dem Kältemittel zugesetzt mit dem Ziel, bewegte Maschinenteile des Verdichters zu schmieren sowie innerhalb des Verdichters eine Abdichtung der druckaufbauenden Bereiche zu erreichen. Weiterhin wird durch das Kältemaschinenöl die im Schmierspalt entstehende Wärme abgeführt. Um einen reibungsarmen Betrieb des Verdichters zu gewährleisten, muss das Kältemaschinenöl in entsprechender Dosierung ständig dem Verdichter zugeführt und im Kreislauf gehalten werden.In ammonia refrigeration systems, refrigeration machine oil is added to the refrigerant with the aim of lubricating moving machine parts of the compressor and sealing the pressure-building areas within the compressor. Furthermore, the heat generated in the lubricating gap is dissipated by the refrigeration machine oil. In order to ensure low-friction operation of the compressor, the refrigeration machine oil must be constantly supplied to the compressor in the appropriate dosage and kept in circulation.
Weiterhin wird, um vereiste Verdampfer in Ammoniakkälteanlagen abzutauen, durch einen Umkehrbetrieb der Kälteanlage eine Heißgasabtauung zur Erhitzung und Eisabschmelzung des Verdampfers in Kältemittel-Luft-Kälteanlagen angewendet. Dies führt erschwerend dazu, dass Kältemittel im Verdampfer kondensiert und flüssiges Kondensat sich im Verdampfer ansammeln kann.Furthermore, in order to defrost icy evaporators in ammonia refrigeration systems, a hot gas defrost for heating and ice melting of the evaporator in refrigerant-air refrigeration systems is used by reverse operation of the refrigeration system. To make matters worse, refrigerant condenses in the evaporator and liquid condensate can collect in the evaporator.
Allerdings ist insbesondere bei der Anwendung der sogenannten Heißgasabtauung im Stand der Technik wie erwähnt der Nachteil bekannt, dass im Verdampfer Kondensat entsteht, welches sich im unteren Teil des Verdampfers ansammelt und dort verbleibt. Dies ist insbesondere aus dem Sammlerdesign mit erhöhtem Saugstutzen des Verdampfers konstruktionsbedingt abgeleitet, wodurch zum Teil nur eine ungenügende Abtauung des vereisten Verdampfers möglich ist.However, in particular when using the so-called hot gas defrosting in the prior art, the disadvantage is known, as mentioned, that condensate forms in the evaporator, which condensate accumulates in the lower part of the evaporator and remains there. This is derived in particular from the design of the collector with a raised suction connection of the evaporator, which means that the iced-up evaporator can sometimes only be defrosted insufficiently.
Weiterhin nachteilig ist, dass sich das Kältemittel Ammoniak relativ schlecht mit dem Kältemaschinenöl mischt.Another disadvantage is that the refrigerant ammonia mixes relatively poorly with the refrigerator oil.
Im Trockenexpansionsbetrieb der Ammoniakkälteanlage wird annähernd mischbares Öl dem Kältemittel Ammoniak zugesetzt. Das Öl setzt sich in der vorliegenden Gasphase des Ammoniaks in den Komponenten der Kälteanlage an den jeweils tiefsten Stellen ab.In dry expansion operation of the ammonia refrigeration system, almost miscible oil is added to the ammonia refrigerant. The oil settles in the present gas phase of the ammonia in the components of the refrigeration system at the respective lowest points.
Somit führt dieser Effekt bei Ammoniakkälteanlagen zu dem Risiko der Ansammlung von Kältemaschinenöl am Verdampferaustritt in den untersten Rohrreihen. Wegen der Gefahr von Flüssigkeitsschlägen soll die Ansammlung von Kältemaschinenöl in bestimmten Anlagenbereichen reduziert und die betroffenen Bauteile entölt werden. Wird dieser Aspekt vernachlässigt, kann es bei Anstauung von Kältemaschinenöl im Verdampfer zu einer schwallartigen Ansaugung des Flüssigkeitsgemisches durch den Verdichter kommen. Dadurch entsteht die Gefahr der Flutung des Kompressorraumes mit Öl, was zur Zerstörung des Verdichters durch Flüssigkeitsschläge führen kann.Thus, in ammonia refrigeration systems, this effect leads to the risk of refrigeration machine oil accumulating at the evaporator outlet in the lowest rows of tubes. Due to the risk of liquid hammer, the accumulation of refrigeration machine oil in certain areas of the system should be reduced and the affected components should be de-oiled. If this aspect is neglected, a build-up of refrigeration machine oil in the evaporator can result in a surge of the liquid mixture being sucked in by the compressor. This creates the risk of the compressor room being flooded with oil, which can lead to the destruction of the compressor due to liquid hammer.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdampfer für Ammoniakkälteanlagen für den Trockenexpansionsbetrieb derart auszubilden, dass die Gefahr der Flüssigkeitsschläge für den Verdichter reduziert wird.The object of the invention is to design an evaporator for ammonia refrigeration systems for dry expansion operation in such a way that the risk of liquid hammer for the compressor is reduced.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.The object is achieved by an object with the features according to claim 1 protection. Further developments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen Trockenexpansionsverdampfer für Ammoniakkälteanlagen gelöst, welcher neben den üblichen Bestandteilen von Verdampfernmindestens mit einem Sammlerrohr und einem Austrittsrohr für das Kältemittelgas ausgestattet ist. Das Sammlerrohr und das Austrittsrohr sind erfindungsgemäß über einen Siphon miteinander verbunden. Der Siphon ist am Verdampferboden an der tiefsten Stelle des Trockenexpansionsverdampfers angeordnet.The object of the invention is achieved in particular by a dry expansion evaporator for ammonia refrigeration systems, which in addition to the usual components of evaporators at least with a collector pipe and an outlet pipe for the refrigerant gas is equipped. According to the invention, the collector pipe and the outlet pipe are connected to one another via a siphon. The siphon is located on the bottom of the evaporator at the lowest point of the dry expansion evaporator.
Ein Siphon ist allgemein ein geruchs- bzw. gasdichter, jedoch flüssigkeitsdurchlässiger Verschluss von Rohrsystemen und Gefäßen. Das Funktionsprinzip beruht auf einem S-förmigen Rohr, dessen untere Biegung stets mit Flüssigkeit gefüllt bleibt und damit den Durchlass von Gasen, beispielsweise Kanalgasen, verhindert.A siphon is generally an odour-tight or gas-tight but liquid-permeable closure of pipe systems and vessels. The functional principle is based on an S-shaped tube, the lower bend of which always remains filled with liquid, thus preventing the passage of gases, such as sewer gases.
Bevorzugt ist der Siphon als flacher zylinderförmiger und stehender Behälter ausgebildet, der als untere Begrenzung einen ebenen geschlossenen Siphonboden aufweist. Die Seitenfläche wird durch einen kreiszylindrischen Siphonmantel gebildet. Die Siphondecke schließt den Siphon nach oben ab. In der Siphondecke sind Aussparungen das vertikale Sammlerrohr und das vertikale Einsteckende des Austrittsrohres angeordnet, die die Siphondecke von oben durchdringen.The siphon is preferably designed as a flat, cylindrical and upright container which has a flat, closed siphon bottom as the lower boundary. The side surface is formed by a circular-cylindrical siphon casing. The siphon cover closes the siphon at the top. Recesses are arranged in the siphon cover, the vertical header pipe and the vertical insertion end of the outlet pipe, which penetrate the siphon cover from above.
Vorteilhaft besteht das Austrittsrohr im Wesentlichen aus drei Bereichen, entgegen der Durchströmungsrichtung betrachtet, aus einem horizontalen Abschnitt mit einem Anschluss zum Saugstutzen des Verdichters hin, einem sich daran anschließenden Krümmer und einem vertikalen Abschnitt. Der vertikale Abschnitt besitzt endseitig ein Einsteckende, welches abgeschrägt ausgeführt ist. Mit dem Einsteckende ist das Austrittsrohr bis auf den Siphonboden in den Siphon eingesteckt.Advantageously, the outlet pipe essentially consists of three areas, viewed against the direction of flow, of a horizontal section with a connection to the suction port of the compressor, an adjoining bend and a vertical section. The vertical section has an insertion end which is beveled. With the insertion end, the outlet pipe is inserted into the siphon up to the bottom of the siphon.
Bevorzugt ist das Einsteckende des Austrittsrohres im Siphon als Prallblech ausgebildet.The insertion end of the outlet pipe in the siphon is preferably designed as a baffle plate.
Die Kältemittelverdampferrohre sind oberhalb des Siphons in das Sammlerrohr eingebunden, so dass der Siphon die tiefste Stelle des Verdampfers bildet. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung der Erfindung als Deckenverdampfer mit einer Leistung von 70 kW ausgeführt.The refrigerant evaporator tubes are integrated into the collector tube above the siphon so that the siphon forms the lowest point of the evaporator. The embodiment of the invention is particularly preferably designed as a ceiling evaporator with an output of 70 kW.
Die Konzeption der Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:
- Die Absaugung und Entölung des angestauten Kältemittels erfolgt am tiefsten Punkt des Verdampfers der Kälteanlage über einen Siphon, so dass eine größere Ansammlung von Kondensat und Kältemaschinenöl nicht entstehen kann. Der Siphon ist auf kleinstem Raum und sehr platzsparend im Vergleich zu herkömmlichen Abscheidern bei überfluteten Verdampfern ausgeführt. Der Siphon ist am unteren Ende des Kältemittelsammlers unterhalb der letzten Rohrreihe angeordnet und stellt somit den tiefsten Punkt des Verdampfers da, in dem sich das Kältemittel und das Kältemaschinenöl sammelt. Konstruktionsgemäß läuft Flüssigkeit im Verdampfer schwerkraftgetrieben bis zu diesem Punkt.
- The suction and de-oiling of the accumulated refrigerant takes place at the lowest point of the evaporator of the refrigeration system via a siphon, so that a large accumulation of condensate and refrigeration machine oil cannot occur. The siphon takes up very little space and is very space-saving compared to conventional separators for flooded evaporators. The siphon is located at the lower end of the refrigerant collector below the last row of pipes and is therefore the lowest point of the evaporator where the refrigerant and the refrigeration machine oil collect. By design, liquid in the evaporator travels to this point by gravity.
Der Ansaugstutzen ist angeschrägt ausgeführt und wird senkrecht von oben in den Siphon eingesteckt und bis auf den Siphonboden geführt. Die eingesteckte Stutzenseite ist angeschrägt ausgeführt, um durch die Oberflächenspannung zwischen Rohr und Öl einen unterstützenden Effekt auf die Absaugung des Kältemittels sowie des Kältemaschinenöls zu erzielen. Dabei wirkt das eingesteckte Rohr zusätzlich als Prallblech, wodurch eine druckverlustarme Absaugung des gasförmigen Kältemittels aus dem Verdampfer ermöglicht wird.The suction nozzle is beveled and is inserted vertically into the siphon from above and guided to the bottom of the siphon. The inserted nozzle side is beveled in order to achieve a supporting effect on the suction of the refrigerant and the refrigeration machine oil through the surface tension between the pipe and the oil. The inserted pipe also acts as a baffle plate, which enables the gaseous refrigerant to be extracted from the evaporator with low pressure loss.
Die Vorteile der Erfindung sind vielgestaltig. So ist über den Siphon eine vollständige Absaugung des Kältemittels sowie Kältemaschinenöls aus dem Verdampfer erreichbar. Die Abtauzeiten für einen vereisten Verdampfer sind dadurch stark verkürzt, da der Verdampfer vollständig flüssigkeitsentleert ist und die Heißgasabtauung zeitlich sofort wirken kann. Im Weiteren wird eine temporäre Ölansammlung im Verdampfer vermieden und statt dessen eine kontinuierliche Ölabsaugung und damit eine stetige Ölzuführung zum Verdichter gewährleistet. Damit wird der Schutz des Verdichters vor einer schwallartigen Ölansaugung und Überflutung des Kompressorraumes realisiert.The advantages of the invention are manifold. In this way, the refrigerant and refrigeration machine oil can be completely extracted from the evaporator via the siphon. The defrosting times for an iced evaporator are greatly reduced because the evaporator is completely drained of liquid and the hot gas defrosting can take effect immediately. Furthermore, a temporary accumulation of oil in the evaporator is avoided and instead a continuous oil extraction and thus a constant oil supply to the compressor is ensured. This protects the compressor against surges of oil intake and flooding of the compressor room.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : Seitenansicht Teilbereich Trockenexpansionsverdampfer, -
2 : Perspektivansicht Siphon mit Sammlerrohr und Austrittsrohr und -
3 : Seitenansicht des Siphons.
-
1 : Side view of the dry expansion evaporator section, -
2 : Perspective view of siphon with collector pipe and outlet pipe and -
3 : Side view of the siphon.
In
Der Siphon 5 ist am tiefsten Punkt des Trockenexpansionsverdampfers 1 angeordnet, um das sich absetzende Kältemittelöl und flüssiges Kältemittel kontinuierlich im Betrieb aus dem Verdampfer saugen zu können. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich keine Flüssigkeitsansammlungen im Trockenexpansionsverdampfer 1 bilden können.The siphon 5 is arranged at the lowest point of the
In
Beispielhaft sind Kältemittelverdampferrohre 6 gezeigt, welche vertikal angeordnet sind und in das Sammlerrohr 2 münden. Die untersten Kältemittelverdampferrohre 6 sind dabei oberhalb des Eingangs des Sammlerrohres 2 in den Siphon 5 angeordnet.
In der perspektivischen Darstellung ist der Siphon 5 als flacher, zylinderförmiger Behälter gezeigt mit einem Durchmesser in der Summe der Durchmesser von Sammlerrohr 2 und Austrittsrohr 3.In the perspective view, the siphon 5 is shown as a flat, cylindrical container with a diameter that is the sum of the diameters of the
In
Der Siphon 5 besteht aus einem kreiszylindrischen Siphonmantel 10, dem ebenen Siphonboden 9 und der durchbrochenen Siphondecke 11. Der vertikale Teil des Austrittsrohres 3 ist unten angeschrägt in den Siphon 5 von oben eingesteckt und bis zum Siphonboden 9 geführt. Das unterste Kältemittelverdampferrohr 6 ist oberhalb des Siphons 5 in das Sammlerrohr 2 eingeführt, so dass der gesamte Kältemittelvolumenstrom durch den Siphon 5 hindurchgeführt wird. Dabei erfährt der Kältemittelvolumenstrom eine Umlenkung um 180° vom Eintritt in den Siphon 5 vom Sammlerrohr 2 zum Austritt aus dem Siphon 5 durch das Einsteckende 7 des Austrittsrohres 3. Der Kältemittelstrom erfährt eine weitere Umlenkung im Bereich des Krümmers 8 um 90° und verlässt in horizontaler Richtung das Austrittsrohr 3 in Richtung des nicht dargestellten Verdichters. The siphon 5 consists of a circular-cylindrical siphon
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Trockenexpansionsverdampferdry expansion evaporator
- 22
- Sammlerrohrcollector tube
- 33
- Austrittsrohroutlet pipe
- 44
- Verdampferbodenevaporator bottom
- 55
- Siphonsiphon
- 66
- Kältemittelverdampferrohrrefrigerant evaporator tube
- 77
- Einsteckende AustrittsrohrPlug-in outlet pipe
- 88th
- Krümmermanifold
- 99
- Siphonbodensiphon bottom
- 1010
- Siphonmantelsiphon jacket
- 1111
- Siphondeckesiphon cover
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification | ||
R163 | Identified publications notified |