DE2454757A1

DE2454757A1 - Kaeltemittelseitig umschaltbarer waermetauscher

Info

Publication number: DE2454757A1
Application number: DE19742454757
Authority: DE
Inventors: Bruno Metzner; Peter Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-11-19
Filing date: 1974-11-19
Publication date: 1976-05-20

Description

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Kältemittelseitig umsehaltbarer Wärmetauscher,

Die Erfindung betrifft einen lcältemittelseitig umschaltbaren Wärmetauscher, bestehend aus einem Mantel mit Deckel und Boden und in diesem Gehäuse angeordneten Rohren und Anschlußstutzen für ein primäres und ein sekundäres Wärmetauschmedium. ; ' - .

Es sind eine Vielzahl von Wärmetauschern unterschiedlicher Bauart bekannt. Diesen bekannten Wärmetauschern ist gemeinsam, daß sie aus einer Anzahl von Rohren bestehen, die von einem gemeinsamen Mantel umgeben sind. Dabei können einige Rohre zu Gruppen zusammengefaßt sein oder die Rohre sind durch Krümmer verbunden, so daß eine sehr lange Rohrstrecke entsteht. Das primäre Wärmetauschmediura wird dabei durch diese Rohre oder Rohrbündel geleitet, das sekundäre Wärmetauschmedium füllt den Raum zwischen den mit einem Deckel und einem Boden, jeweils mit einem Anschlußstutzen für Zu- bzw. Abfluß des Wärmetauschmediums versehenen Mantel und den Rohren bzw. Rohrbündeln. Die Führung der beiden Wärmetauschmedien kann bei den bekannten Wärmetauschern entweder im Gegenstrom, Kreuzstrom oder im Parallelstrom geführt werden. Die Wärmetauscher haben die Aufgabe, die berührungsfreie Wärmeübertragung von einem Medium auf ein anderes zu bewirken. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades zum Wärmetausch wurden bereits Wärmetauscher mit Rohren, die gerippte Oberflächen aufweisen (fin-tubes), aufgezeigt, insbesondere für den Wärmetausch zwischen gasförmigen Medien, z.B. Dampf/Luft oder Dampf/Gas. Schließlich sind auch Wärmetauscher mit Doppelboden bekannt geworden, bei denen das eine, vorzugsweise heiße Medium in den Doppelrohren derart geführt ist, daß es in das.Innenrohr eintritt und am Ende des Innenrohres in das konzentrisch angeordnete Außenrohr gelangt und in ihm zurückgeführt wird, während das andere, kalte Medium diese Rohre •von außen umgibt. Derartige Wärmetauscher werden für Kontaktapparate und für andere Reak'tionsapparate verwendet. Derartige Wärmetauscher werden in Anlagen als Verflüssiger oder Verdampfer betrieben, wobei meistens beide Verwendungsarten in einer

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Anlage Anwendung finden, wodurch sich eine relativ hohe Anzahl von Wärmetauschern, z.3. bei Heizkreisläufen mit Wärmepumpen · ergibt. Daher stellen auch die in einer Anlage verwendeten Wärmetauscher eine hohe Investition dar und bestimmen meist wesentlich die Gesamtkosten einer Anlage.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, der kältemittelseitig umschaltbar ist, so daß er wahlweise zur Kühlung oder Heizung verwendet werden kann, so daß die Anzahl der in einem Kreislauf einer Anlage verwendeten Wärmetauscher gesenkt werden kann. Die Lösung der Aufgabe steht in einem Wärmetauscher, der drei Anschlußstutzen für das primäre Wärmetauschmedium aufweist, von denen zwei jeweils wahlweise benutz't v/erden und der zwei Anschlußstutzen für das senkundäre Wärmetauschmedium aufweist. Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wärmetauschers ist es in besonders einfacher Weise möglich, den Wärmetauscher sowohl als Verdampfer als auch als Kondensator zu benutzen. Bei der Verwendung als Verdampfer wird das Kältemittel durch einen der drei Anschlußstutzen für das primäre Wärmetauschmedium in flüssiger Form den Rohren des Wärmetauschers zugeführt, so daß es beim Durchströmen der Rohre verdampfen kann. Bei der Verwendung des gleichen Wärmetauschers als Kondensator wird das Kältemittel durch einen anderen der drei Anschlußstutzen für das primäre Wärmetauschmedrum den Rohren des Wärmetauschers in der Gasphase zugeführt, so daß es beim Durchströmen der Rohre kondensieren kann. In beiden Fällen wird vorzugsweise als sekundäres Wärmetauschmedium eine Flüssigkeit, z.B. Wasser 'verwendet.

Bei einer zweckmäßigen weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind die Wärnetausehröhre als Röhrenbündel mit einem schwimmenden Kopf ausgebildet und der kälteseitige Anschluß ist mittels einer Stopfbuchse durch den Deckel . des Wärmetauschergehäuses geführt. Eine derartige Anordnung ist besonders gut für thermisch hoch belastete Wärmetauscher geeignet.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers v/eist auf der dem schwimmenden Kopf entgegenge- -¹ setzten Seite eine Verteileinrichtung für das primäre Wärme-

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tauschmittel auf, wobei die verteileinrichtung aus in einer Platte - die in dem Wärmetausehergehäuse angeordnet ist - angeordneten Rohren besteht, die einen geringeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser der Wärmetauschrohre aufweisen und teilweise in die Wärmetauschrohre ragen. Damit läßt sich jedem Einzelrohr der Wärmetauschrohre, die für die Vollbeaufschlagung beim Verdampfen des Kältemittels erforderliche Kaltemittelmenge so zuführen, daß durch die leinetische Energie die einzelnen Rohre über die gesamte Länge benetzt werden und so die volle Innenfläche jedes Einzelrohres zur Verdampfung des flüssigen Kältemittels herangezogen wird.

Weiterhin hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß die zu der Verteileinrichtung gehörenden Rohre an ihrem in die Wärmetauscherrohre ragenden Ende eine venturidüsenartige Verengung aufweisen bzw. als Injektor ausgebildet sind. Hierbei läßt sich die Injektorwirkung dazu ausnützen, mit Hilfe der angesaugten, gasförmigen Kältemittelmenge die Strömungsgeschwindigkeit in den Wärmetauschrohren, in die die Verteilerrohre ragen, so weit zu erhöhen, daß der Wärmetausch zwischen-den gasförmigen, d. h. bereits verdampften Kältemitteln und der Rohrwand durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit verbessert wird. Eine weitere Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet,daß die Verteileinrichtung nur :eine geringere Zahl von Rohren aufweist als der Anzahl der Wärmetauscherrohre entspricht. Damit sind mehrere der Wärmetauscherrohre ohne einragendes Rohr für das Kältemittel. Damit kann sich in diesen Wärmetauschrohren beim Betreiben des Wärmetauschers als Verdampfer ein Kältemittelgasstrom ausbilden, der entgegen der Kältemittelströmungsrichtung im Inneren derjenigen Wärmetauschrohre verläuft, in die ein Rohr der Verteilanordnung ragt, so daß die Kältemittelmenge,'. welche durqh die Injektorwirkung der Rohre der Verteilanordnung ' / angesaugt wird, von der Seite des schwimmenden Kopfes zur Ver-. teilerseite hin zuströmen kann, wobei außerdem das durch die Wärmetauschrohre hindurchströmende Kältemittelgas gleichzeitig überhitzt wird.

Schließlich sei noch die weitere Ausgestaltung genannt, bei welcher der Wärmetauscher einen zusätzlichen Kondensatabzugs-■■■· stutzen aufweist, der bei dem Betreiben des Wärmetauschers als ■ Kondensator die anfallende kondensierte und damit flüssige ' -

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Kältemittelmenge an etwa der tiefsten .Stelle des Wärmetauscherbereiches abführt. Dabei sammelt sich -das in den Wärmetauschrohren kondensierende Kältemittel, das in dem Spalt zwischen dem Rohr vor der Verteileranordnung und dem Wärmetauscherrohr austritt, bevor es über den Kondensatorabflußstutzen abfließt, im Kopf des Wärmetauschers.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels und des Beispiels einer Schaltung mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher näher erläutert und beschrieben.
Es zeigt:

Fig. 1: einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher,

Fig. 2: ein Detail einer Varianten der Verteilanordnung ,

Fig. 3: Schema einer Anlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher.

Der in Fig. 1 dargestellte.erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht aus einem Gehäuse, mit dem Mantel (l), dem Boden (2) und dem Deckel (3). Dabei kann sowohl der Boden (2) als auch der Deckel (3) angeflanscht sein. An dem Mantel ist ein Zulaufstutzen (4) für das sekundäre»Wärmetauschmedium, Wasser, und ein Ablaufstutzen (5). Diese beiden Anschlußstutzen (4), (5) sind so angeordnet, daß der Wärmetauscher in Parallelstrom, Kreuzstrom oder Gegenstrom betrieben werden kann. Plattenförmige Einbauten (6), (7) dienen ebenfalls der Führung des als Wärmetauschmedium verwendeten Wassers. In dem Gehäuse'des Wärmetauschers sind die Wärmetauscherrohre (8) als Rohrbündel angeordnet. An·ihrem einen Ende sind die Rohre (8) in der Platte (9) gelagert, eventuell verschweißt, an dem entgegengesetzten Ende dient die beweglich angeordnete Platte (lO) zur Lagerung der Rohre (8). An dieser Platte (lO) ist auch der i schwimmende Kopf (11) befestigt, von dem aus über den ^! Stutzen (12) das primäre Wärmetauschmittel, das Kältemittel ab- ' geführt wird. Die Dichtheit der Durchdringung des Bodens (2) wird durch eine Stopfbuchse in bekannter Weise '.

'erreicht. · i

Der Deckel (3) weist die Anschlußstutzen (13) und (14) auf, die der Ab- und Zufuhr des primären Wärmetauschmediums, des Kälte- '

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mittels, dienen. Der Ab-' Ix-*/. 7,ufIu-3stutzen (.12) dient der Ab- bzw. Zufuhr des. gasförmigen Kältemittels beim wahlweisen Betrieb des Apparates als Verdampfer bzw. Kondensator; der Zuflußstutzen (14) dient der Zufuhr des flüssigen Kältemittels beim Betrieb des Wärmetauschers als Verdampfer; der Abflußstutzen (13) dient der Abfuhr des flüssigen Kältemittels beim Betrieb des Wärmetauschers als Kondensator. Damit ist der Wärmetauscher umschaltbar, wahlweise für den Betrieb als Kondensator oder als Verdampfer, zum Heizen oder Kühlen.

In der in Fig. 2 dargestellten Varianten ist die - auch in Fig. 1 dargestellte - Verteileinrichtung (15) gesondert dargestellt. In dieser Varianten besteht die Verteileinrichtung (15) aus einer in den Deckel (3) oder dem Mantel (l) des Wärmetauschers fest angeordneten Platte (16), in der die Verteilrohre (17) befestigt sind. Diese Verteilrohre ragen in die Wärmetauschrohre (8) hinein und sind gegebenenfalls an ihrem Ende injektorartig ausgebildet. Bei der Zufuhr der flüssigen Kältemittel (primäres Wärmetauschmedium) durch den zufuhrstutzen (14) saugt die Injektoreinrichtung (Ende der Verteilrohre (17) / Wärmetauschrohre (3) ) Kältemittel an, das durch Wärmetauschrohre (8), in die keine Verteilrohre (17) ragen, zurückgeströmt -ist. '

In Fig. 2 ist ferner der Kondensatabzugstutzen (18) dargestellt.

Eine Schaltung für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher zeigt Fig. 3, der zu entnehmen ist, daß in einer derartigen Wärmepumpen- oder Kühlanlage mindestens ein mit Flüssigkeit beaufschlagter Wärmetauscher eingespart werden kann.

Das vom Kältekompressor bzw. Verdichter (19) verdichtete Kälte- _; mittelgas wird in die Leitung" (20) gedrückt. Von hier aus ^>r kann es beispielsweise- folgende Wege nehmen: Weg A:

Über das Magnetventil (21) wird das Kältemittelgas über die ■Leitung (22) dem luftseitigen Verflüssiger (23) zugeführt und kondensiert dort zu Kältemittelflüssigkeit, welche über die ' Leitung (24) beispielsweise einem Sammler (25) zugeführt wird. Aus dem Sammler (25) wird die Kältemittelflüssigkeit entweder ; über die Leitung (27) und das Magnetventil (28) dem luftseitigen Verdampfer (29) zugeführt, in welchem es verdampft, oder

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aber über die Leitung (30) und das Magnetventil (3l) dem mit flüssigem Medium beaufschlagten umschaltbaren Wärmetauscher (32) zugeführt, wo es ebenfalls verdampft. Der Kältemitteldampf wird über die Leitungen (33) und/oder (34) der Saugseite des Verdichters zugeführt. Es können auch beispielsweise die Apparate (29) und (32) gleichzeitig mit Kältemittel beaufschlagt werden. Der mit Flüssigkeit beaufschlagte Apparat (32) arbeitet in der zuvor beschriebenen Weise als Verdampfer . '
Weg B:

Über die Umgehung (35) und das Magnetventil (36) bei geschlossenem Magnetventil (37) wird Kältemittelgas vom Ausgang des Verdichters (19) aus bei geschlossenem Magnetventil (21) über die Leitung (33) dem mit Flüssigkeit beaufschlagten Wärmetauscher (32) zugeführt, in welchem es zu Kältemittelflüssigkeit kondensiert, welche bei geschlossenem Magnetventil (31) und geöffnetem Magnetventil (38), welches z.B. auch durch ein Rückschlagventil zu ersetzen wäre, und die Leitung (39) dem Sammler (25) zugeführt. Gleichzeitig könnte auch noch über das Magnetventil (2l) der luft- oder gasgekühlte Kondensator (23) vom Kältemittelgas beaufschlagt werden. Das Kondensat käme dann ebenfalls in den Sammler (25).

Aus dem Sammler (25) kommt dann die Kühlmittelflüssigkeit wieder über die Leitungen (26) und (27), das Magnetventil (28) in den gasbeaufschlagten Verdampfer (29), wo sie zu Kältemittelgas verdampft, welches über die Leitung (34) der Saugseite des Verdichters (19) zugeführt wird. In diesem Fall arbeitet der umschal tbare mit Flüssigkeit beaufschlagte Wärmetauscher,(32) als Kondensator.
Weg G:

Dieser Weg beinhaltet in dieser beispielsweisen Schaltung die Beaufschlagung des gasbeaufschlagten Kondensators (23) und Verdampfers (29) unter Umgehung des umschaltbaren mit Flüssigkeit beaufschlagten Wärmetauschers (32), welcher in diesem Fall außer Betrieb ist.

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Claims

Patentansprüche

l.y Wärmet aus eher, bestehend aus einem Mantel mit Deckel -_t und Böden und in diesem Gehäuse angeordneten Rohren und Anschlußstutzen für ein primäres und ein sekundäres Wärmetauschmedium, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher mindestens drei Anschlußstutzen (12, 13, 14) für das primäre Wärmetauschmedium aufweist, von denen zwei jeweils wahlweise benutzt werden, und zwei Anschlußstutzen (4, 5) für das sekundäre Wärmetauschmedium aufweist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Anschlußstutzen (13, 14) derart angeordnet sind, daß der Anschlußstutzen (14) den Anschlußstutzen (13) konzentrisch umgibt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß von den drei Anschlußstutzen (12, 13, 14) einer (14) den Zuflußstutzen bildet, einer (13) den Abflußstutzen bildet und einer (12) je nach Schaltung den Zu- oder . Abflußstutzen bildet, und daß ein Zuflußstutzen und ein Abflußstutzen auf der einen Seite des Wärmetauschers angeordnet sind, wobei beide Stutzen für die Zu- und Abfuhr von flüssigem Kältemittel ausgebildet sind, und ein umschaltbarer Zu- oder Abflußstutzen auf der anderen Seite des Wärmetauschers angebracht ist, welcher für. die Zu- oder Abfuhr von gasförmigem Kältemittel ausgebildet ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetausehröhre (8) als Röhrenbündel mit einem schwimmenden Kopf (ll) ausgebildet sind, und daß der i kälteseitige Anschluß (12) mittels einer Stopfbuchse durch den Boden (2) des Wärmetauschers geführt ist.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß .der Wärmetauscher auf der dem schwimmenden Kopf (ll) entgegengesetzten Seite eine Verteileinrichtung (15) für das. primäre Wärmetauschmittel angeordnet, hat, wobei die Verteil- j 'einrichtung (15) aus in einer Platte (16) angeordneten -Rohren (17) besteht, die einen geringeren Außendurchmesser als

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der Innendurchmesser der Wärmetauscherrohre (3) aufweisen und teilweise in die Wärmetauscherrohre (3) ragen.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Verteileinrichtung (15) gehörenden Rohre (17) an ihrem in die Wärmetaxischerröhre (8) ragenden Ende eine venturidüsenartige Verengung aufweisen.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu der Verteileinrichtung (15) gehörenden Rohre (17) an ihrem in die Wärmetauscherrohre (8) ragenden Ende als Injektor ausgebildet sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileinrichtung (15) nur eine geringere Zahl von Rohren (17) aufweist als der Anzahl der Wärmetauscherrohre (8) entspricht.
9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 ... bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher einen zusätzlichen Kondensatabaugstutsen (l8) aufweist.

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