DE2427805B1

DE2427805B1 - Rohrbuendelverdampfer fuer Kaeltemittel

Info

Publication number: DE2427805B1
Application number: DE19742427805
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Pflueger Appbau & Co KG GmbH
Current assignee: Pflueger Appbau & Co KG GmbH
Priority date: 1974-06-08
Filing date: 1974-06-08
Publication date: 1975-11-27
Also published as: DE2427805C2; FR2274007A1; FR2274007B1; IT1028977B; GB1476847A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelverdampfer für Kältemittel, bei dem das zu kühlende Medium innerhalb eines Gehäusemantels die Außenseite des Rohrbündels beaufschlagt und das Kältemittel durch die Innenseite der Rohre strömt, wobei innerhalb des Gehäusemantels Umlenkbleche für das zu kühlende Medium angeordnet sind.

Derartige Rohrbündelverdampfer werden in einen aus Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Druckreduzierventil bestehenden Kältemittelkreislauf eingesetzt. Die Zufuhr des Kältemittels zu einem solchen Rohrbündelverdampfer wird gewöhnlich durch ein vor dem Kältemitteleinlaß angeordnetes thermostatisches Expansionsventil mit äußerem Druckausgleich geregelt, dessen Öffnungs- und Schließphase in Abhängigkeit von einem hinter dem Kältemittelaustritt befindlichen

ίο Pressostaten und Thermostaten gesteuert wird. Diese Steuerung erfolgt dadurch, daß nur dann flüssiges Kältemittel über das Expansionsventil in den Verdampfer eingelassen wird, wenn der Pressostat und der Thermostat am Verdampferaustritt eine ausschließlich dampfförmige Phase des Kältemittels registrieren. Diese Anordnung ist nicht nur als Regelung bzw. Steuerung des Verdampfers, sondern auch als Sicherheitsmaßnahme für den nachgeschalteten Kompressor zu verstehen, der durch den gefürchteten Tropfenschlag einer von ihm angesaugten flüssigen Kältemittelphase erheblich beschädigt werden kann.

Bislang hat sich gezeigt, daß der Wirkungsgrad eines jeden Verdampfers hinsichtlich des Kältemittelkreislaufes nur so gut ist wie das Rohr mit der schlechtesten Wärmeübertragung und damit mit der schlechtesten Kältemittelverdampfung innerhalb des Rohrbündels. Der Grund beruht darin, daß das Kältemittel in dem Rohr mit der schlechtesten Verdampfung in flüssiger Phase durchschlägt und den Thermostaten bzw. Pressostaten zu einem Schließen des Expansionsventils am Einlaß des Verdampfers veranlaßt. Die Folge ist, daß die anderen Rohre des Rohrbündels mit besserer Verdampfung weniger Kältemittel erhalten, als sie gemäß ihrer Auslegung verdampfen könnten. In der Praxis verschiebt sich auf diese Weise der gasförmige Phasenzustand des Kältemittels nachteilig zum Verdampfereintritt hin, wodurch der Wirkungsgrad des Verdampfers und damit auch der Wirkungsgrad des gesamten Kältemittelkreislaufes erheblich herabgesetzt werden.

Um diese Nachteile ein wenig zu mildern, war man in der Vergangenheit gezwungen, entweder größere Verdampfer zu bauen oder mehrere kleinere Verdampfer hintereinanderzuschalten, was nicht nur einen großen Platz- und Kostenaufwand bedingte, sondern auch eine größere Leistung des Kompressors auf der Saugseite erforderte.

Ein bekannter Rohrbündelverdampfer der eingangs genannten Art (nach der DT-AS 10 77 681) versuchte diesem Mißstand dadurch zu begegnen, daß er das Kältemittel progressiv in mehreren Wegen durch das Rohrbündel führte. Dabei wurden die beiden Stirnseiten des Rohrbündels mit Umlenkdeckeln und diese auf ihrer Innenseite mit Trennstegen und Anschlüssen derart versehen, daß die Zufuhr des Kältemittels sowohl in die oberste als auch in die unterste waagerechte Rohrreihe und die Umlenkung des Kältemittels jeweils nur von einer waagerechten Rohrreihe zur nächsten darüber- oder darunterliegenden Rohrreihe erfolgt und daß ferner der Austritt des Kältemittels aus dem Umlenkdeckel etwa in Höhe seiner waagerechten Symmetrieachse erfolgt. Durch diese Maßnahmen sollte mittels einer progressiv ansteigenden Volumenzunahme der Innenseite der Rohre eine verbesserte Verdampfung und damit ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden. Ein Durchschlag von Kältemitteldampf in flüssiger Phase kann jedoch auch mit diesem Rohrbündelverdampfer nicht verhindert werden, da einerseits das

Kühlmedium trotz Vorsehung von Umlenkblechen die Außenseite der Rohre auf Grund der Kreisform des Mantelgehäuses mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten umspült und da andererseits die in sogenannten »toten Ecken« angeordneten Rohre nur teilweise vom Kühlmedium beaufschlagt werden können und hinsichtlich der Durchschlagsgefahr von Kältemittel in flüssiger Phase besonders gefährdet sind.

Hiervon ausgehend hat sich die vorliegende Erfindung nunmehr die Aufgabe gestellt, einen Rohrbündelverdampfer der eingangs genannten Gattung unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile zu schaffen, der bei kompakter Bauweise in jedem Rohr des Rohrbündels eine völlig gleichmäßige Kältemittelmenge verdampft und auf dem letzten Längenstück des Rohrweges das restlos verdampfte Kältemittel gegenüber der Verdampfungstemperatur überhitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gehäusemantel des Rohrbündel Verdampfers eine rechteckige Querschnittsform aufweist, daß der Abstand der Rohre untereinander und von der Innenwand des Gehäusemantels konstant ist und daß das Verhältnis der projezierten freien Durchströmflächen des zu kühlenden Mediums parallel und senkrecht zu den Rohren zwischen zwei benachbarten Umlenkblechen etwa 1 :1 ist. Durch die Kombination dieser Merkmale wurde in überraschender Weise sichergestellt, daß jedes Rohr unter Ausschaltung sogenannter »Totzonen« völlig gleichmäßig im Mittel beaufschlagt wird, wodurch infolge des daraus resultierenden völlig gleichmäßigen Wärmeüberganges von der Außenseite zur Innenseite des Rohres eine völlig gleichmäßige Verdampfung des Kältemittels auf der Innenseite der Rohre erfolgt. Wesentlich ist dabei, daß durch das Verhältnis von 1 :1 der projizierten freien Durchströmflächen des kühlenden Mediums parallel und senkrecht zu den Rohren zwischen zwei benachbarten Umlenkblechen die Strömungsgeschwindigkeit sowohl senkrecht wie auch parallel zu den Rohren gleichgehalten wird, deren optimaler Wert für Wasser etwa zwischen 1 und 1,2 m/sek liegt.

Dabei hat sich in überraschender Weise herausgestellt, daß die Länge des Rohrbündels etwa auf die Hälfte der optimalen rechnerischen Länge für herkömmliche Verdampfer mit kreisrundem Mantelgehäuse bemessen werden konnte, wie sie sich nach der einschlägigen Literatur ergeben. Dabei hat sich weiterhin erwiesen, daß das Rohrbündel trotz seiner knappen Bemessung noch eine Überhitzungsstrecke von 5 bis 10% der Gesamtlänge des Rohrbündels beinhaltete, wobei die Durchflußrichtung des zu kühlenden Mediums zu der Durchflußrichtung des Kältemittels vorteilhaft im Quer-Gegenstrom angeordnet ist.

Durch diese Merkmale konnte beispielsweise ein Rohrbündelverdampfer mit einer Flächenbelastung von etwa 25 000 bis 30 000 kcal/m²h geschaffen werden, der vier mal neun Rohre aufweist, die in einem Rohrraster von 10 mm angeordnet sind sowie einen Außendurchmesser von 8 mm, eine Wanddicke von 0,5 mm und eine Rohrlänge von 1250 mm besitzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. In den Zeichnungen ist die Erfindung veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Kältemittelkreislauf mit einem Rohrbündelverdampfer in schematischer Darstellung,

F i g. 2 ein Rohrbündelverdampfer gemäß der Erfindung mit Verdampfungs- und Überhitzungsstrecke in schematischer Darstellung,

F i g. 3 eine Seitenansicht eines neuen Rohrbündelverdampfers in tatsächlicher Ausführung,
S F i g. 4 die Draufsicht von F i g. 3,

Fig. 5 die Ausschnittsvergrößerung V von Fig. 3 in vertikalem Schnitt und

F i g. 6 die Schnittansicht VI/VI von F i g. 3.

Der zu einem Wärmepumpenkreislauf geschaltete Kältemittelkreislauf der Fig. 1 besteht aus dem Verdampfer 1, dem Kompressor 2, dem Kondensator 3 und dem Druckreduzierventil 4. In den Rohrbündelverdampfer 1 strömt durch den Eintrittsstutzen Γ ein zu kühlendes Medium, z. B. Wasser ein, welches einen Teil seines Wärmeinhaltes (Enthalpie) an das in den Rohren befindliche Kältemittel abgibt und alsdann den Rohrbündelverdampfer 1 an seinem Austrittsstutzen 1" verläßt. Das im Rohrbündelverdampfer 1 verdampfte Kältemittel wird sodann vom Kompressor 2 angesaugt, auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau angehoben und in den Kondensator 3 gedruckt. Im Kondensator 3 gibt das Kältemittel bis zu seiner Kondensation einen Teil seines Wärmeinhaltes an einen entsprechend damit verbundenen Wärmeabnehmer, z. B. eine Fußbodenheizung, eine Lüftungsanlage od. dgl., ab. Alsdann strömt das Kältemittel aus dem Kondensator 3 heraus durch ein Druckreduzierventil 4, indem es einer quasi-adiabatischen Expansion unterworfen und damit noch stärker heruntergekühlt wird, bis es etwa wieder die Temperatur- und Druckwerte bei seinem ursprünglichen Eintritt in den Rohrbündelverdampfer 1 erreicht hat. Die Zufuhr des Kältemittels zu dem Rohrbündelverdampfer 1 wird durch ein vor dem Kältemitteleinlaß angeordnetes thermostatisches Expansionsventil 5 mit äußerem Druckausgleich geregelt, dessen Öffnungsund Schließphase in Abhängigkeit von einem hinter dem Kältemittelaustritt befindlichen Pressostaten 6 und Thermostaten 7 gesteuert wird. Erst dann, wenn der Pressostat 6 und der Thermostat 7 am Austritt des Verdampfers 1 eine ausschließlich dampfförmige Phase des Kältemittels registrieren, wird das thermostatische Expansionsventil 5 mit äußerem Druckausgleich geöffnet und erneut flüssiges Kältemittel in den Rohrbündelverdampfer zur Verdampfung eingelassen.

Bezeichnet man einmal die einzelnen Rohre des Verdampfers 1 mit den Buchstaben a, b, c, duna e, so hat sich in der Vergangenheit bei den bekannten Rohrbündelverdampfern dieser Art herausgestellt, daß der Wirkungsgrad eines jeden Verdampfers hinsichtlich des Kältemittelkreislaufes nur so gut ist wie das Rohr mit der schlechtesten Wärmeübertragung und damit mit der schlechtesten Kältemittelverdampfung innerhalb des Rohrbündels. Im vorliegenden Fall soll a das Rohr mit dem besten Wärmeübertragungseffekt sein, was zur Folge hat, daß in diesem Rohr a das eingetretene Kältemittel bereits nach einer relativ kurzen Strecke vollkommen verdampft. Demgegenüber soll das Rohr e den schlechtesten Wärmeübertragungseffekt besitzen, so daß hier das Kältemittel in flüssiger Phase durchschlägt, während die Rohre b, c und d einen zwischen diesen Extremwerten liegenden Verdampfungseffekt aufweisen sollen. Das hat zur Folge, daß das durch das Rohr e durchschlagende Kältemittel in flüssiger Phase den Pressostaten 6 und den Thermostaten 7 dazu veranlaßt, das thermostatische Expansionsventil 5 geschlossen zu halten, und zwar so lange, wie am Austritt des Verdampfers 1 auf Grund eines entsprechenden Druck- und Temperaturzustandes dem Presso-

staten 6 und dem Thermostaten 7 das ausschließliche Vorhandensein von Kältemitteldampf angezeigt wird.

Das führt dazu, daß das Rohr e mit dem schlechtesten Wärmeübertragungseffekt die pro Zeiteinheit im Rohrbündelverdampfer 1 verdampfte Kältemittelmenge und damit den Wirkungsgrad sowohl des Rohrbündelverdampfers 1 als auch des gesamten Kältemittelkreislaufes bestimmt.

Demgegenüber weist der in F i g. 2 schematisch dargestellte Rohrbündelverdampfer 1 gemäß der Erfindung in seinen Rohren /"bis ο einen vollkommen gleichen Verdampfungseffekt auf. Auch hier tritt das zu kühlende Medium über den Eintrittsstutzen 1' in den Gehäusemantel V" ein, gibt einen Teil seines Wärmeinhaltes über die Rohre an das Kältemittel ab und verläßt den Gehäusemantel über den Austrittsstutzen 1". Unterdessen tritt das Kältemittel in vornehmlich flüssiger Phase durch den Eintritt 1^IV des Verdampfers 1 ein, wird innerhalb der Phasenverdampfungsstrecke Vs vollkommen in die dampfförmige Phase übergeführt, in einer anschließenden Überhitzungsstrecke Us gegenüber der Verdampfungstemperatur ein wenig überhitzt und am Verdampfungsaustritt l^v vom Kompressor 2 angesaugt. Auf Grund der Tatsache, daß sich die Verdampferrohrlängen wegen der fehlenden Neigung zum Durchschlagen auf die Hälfte gegenüber denen herkömmlicher Bauart verkürzen lassen, verringert sich auch der kältemittelseitige Druckabfall beim Durchgang durch den Verdampfer 1. Dadurch steht bei sonst gleichbleibenden Bedingungen am Saugstutzen des Kompressors 2 ein höherer Druck an. Nach den für Gaskompressoren geltenden Gesetzmäßigkeiten bewirkt dieser höhere Druck eine größere Förderleistung des Kompressors 2, was wiederum zu einer Steigung der Kälteleistung von etwa 4 bis 5% bei einem Druckanstieg am Kompressoreintritt von 0,1 ata führt.

Ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig.3bis6 dargestellt, wobei die Bezeichnungen der F i g. 2 entsprechend übernommen wurden. Dieser Rohrbündelverdampfer 1 weist an den Stirnenden des Rohrbündels je eine Sammelhaube 8 und 8' auf, die mit dem jeweiligen Rohrboden 9 verschweißt ist. Die Rohre f bis ο sind in die Rohrboden 9 in an sich bekannter Weise eingeschweißt, eingelötet oder eingewalzt. Im Inneren des Gehäusemantels V" sind Umlenkbleche 10 angeordnet, deren Anordnung insbesondere aus den F i g. 5 und 6 hervorgeht.

Wie insbesondere der F i g. 6 zu entnehmen ist, weist der Gehäusemantel Γ" eine rechteckige Querschnittsform auf, wobei der Abstand der Rohre untereinander und von der Innenwand des Gehäusemantels 1'" konstant ist. Dieser Abstand, nachfolgend kurz Raster r genannt, beträgt bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung 10 mm, wobei die aus einem rostfreien Edelstahl bestehenden Rohre einen Außendurchmesser von 8 mm, eine Wanddicke von 0,5 mm und eine Rohrlänge von 1250 mm besitzen. Mit einem derartig kompakt gestalteten Rohrbündelverdampfer konnte in überraschender Weise eine Flächenbelastung von 25 000 bis 30 000 kcal/m²h erzielt werden. Dabei war zur Lösung der Erfindung jedoch auch die Anordnung der Umlenkbleche 10 entscheidend. Diese Umlenkbleche 10 sind nämlich derart angeordnet, daß das Verhältnis der projizierten freien Durchströmflächen Fp und Fi des zu kühlenden Mediums parallel und senkrecht zu den Rohren zwischen zwei benachbarten Umlenkblechen, z.B. 10 und 10' in Fig.3 und Fig.6 bzw. zwischen dem letzten Umlenkblech 10 und dem Rohrboden 9, etwa 1 :1 ist. Was hierbei unter den projizierten freien Durchströmflächen Fs und Fp zu verstehen ist, wurde in Fig.6 durch Schraffuren angedeutet. Das Verhältnis der Flächen Fs und Fp von etwa 1 :1 hat zur Folge, daß die Strömungsgeschwindigkeit Vkm des zu kühlenden Mediums vom Eintritt 1' bis zum Austritt 1" des Verdampfers 1 völlig konstant ist, wie es in F i g. 3 durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Die rechteckige Querschnittsform des Gehäusemantels 1'" sowie der. konstante Abstand r der Rohre untereinander und von der Innenwand des Gehäusemantels V" bewirken zudem eine völlig gleichmäßige Beaufschlagung der Rohre, damit einen völlig gleichmäßigen Wärmeübergang von dem zu kühlenden Medium an das zu verdampfende Kältemittel und damit einen hohen und gleichmäßigen Verdampfungseffekt. Dabei betrug die Geschwindigkeit des zu kühlenden Mediums Wasser etwa 1 bis l,2m/sek, wodurch sich eine Überhitzungsstrecke Üs(s. Fig.2) von 5 bis 10% der Gesamtlänge L des Rohrbündels ergab (s. F i g. 2).

Es versteht sich, daß sich der Erfindungsgedanke auch auf andere Rohrabmessungen übertragen läßt, wenn sowohl die rechteckige Querschnittsform des Gehäusemantels Γ" als auch ein konstantes Raster rder Rohre eingehalten wird, als auch die Umlenkbleche 10 in Abhängigkeit von den vorgenannten Größen so innerhalb des Gehäusemantels Γ" angeordnet werden, daß das Verhältnis der projizierten freien Durchströmflächen Fp und Fs des zu kühlenden Mediums parallel und senkrecht zu den Rohren zwischen zwei benachbarten Umlenkblechen bzw. zwischen dem letzten Umlenkblech und dem Rohrboden 9 etwa 1 :1 ist. Und schließlich ist es im Hinblick auf die Volumenzunahme des Kältemitteldampfes möglich, die Rohre in bekannter Weise mittels entsprechender Umlenkböden 8 an den Stirnseiten des Rohrbündels 1 progressiv — und nicht wie in den Ausführungsformen 3 bis 6 dargestellt — gleichbleibend zu verschalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohrbündelverdampfer für Kältemittel, bei dem das zu kühlende Medium innerhalb eines Gehäusemantels die Außenseite des Rohrbündels beaufschlagt und das Kältemittel durch die Innenseite der Rohre strömt, wobei innerhalb des Gehäusemantels Umlenkbleche für das zu kühlende Medium angeordnet sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

1. daß der Gehäusemantel (V") eine rechteckige Querschnittsform aufweist,

2. daß der "Abstand (r) der Rohre untereinander und von der Innenwand des Gehäusemantels (1'") konstant ist, und

3. daß das Verhältnis der projizierten freien Durchströmflächen (Fp, Fs) des zu kühlenden Mediums parallel und senkrecht zu den Rohren zwischen zwei benachbarten Umlenkblechen (10) etwa 1 :1 ist.

2. Rohrbündelverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrichtung des zu kühlenden Mediums zu der Durchflußrichtung des Kältemittels im Quer-Gegenstrom angeordnet ist.

3. Rohrbündelverdampfer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Überhitzungsstrecke (Os) von 5 bis 10% der Gesamtlänge (L)des Rohrbündels (1) aufweist.

4. Rohrbündelverdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohrbündelverdampfer (1) mit einer Flächenbelastung von etwa 25 000 bis 30 000 kcal/m^h vier mal neun Rohre aufweist, die in einem Rohrraster (r) von 10 mm angeordnet sind sowie einen Außendurchmesser von 8 mm, eine Wanddicke von 0,5 mm und eine Rohrlänge von 1250 mm besitzen.

5. Rohrbündelverdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre und der Gehäusemantel (1'") aus Kupfer oder rostfreiem' Stahl bestehen.

6. Rohrbündelverdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in an sich bekannter Weise in Rohrboden (9) eingeschweißt, eingelötet oder eingewalzt sind.

7. Rohrbündelverdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des zu kühlenden Mediums Wasser etwa 1 bis 1,2 m/sek beträgt.

8. Rohrbündelverdampfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre im Hinblick auf die Volumenzunahme des Kältemittels infolge seiner Verdampfung in bekannter Weise mittels Umlenkböden an den Stirnseiten des Rohrbündels progressiv verschaltbar sind.