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Wärmeaustauscher für wahlweise Verwendung als Verdampfer
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oder Kondensator Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für
wahlweise Verwendung als Verdampfer oder Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1. Ein solcher Wärmeaustauscher kann vorzugsweise in einer Wärmepumpenanlage Verwendung
finden.
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Eine Wärmepumpenanlage besteht im Prinzip aus einem geschlossenen
Kreis, in welchem ein Kompressor, ein erster Wärmeaustauscher, ein Expansionsventil
und ein zweiter Wärmeaustauscher liegen. In einer ersten Betriebsart arbeitet der
erste Wärmeaustauscher als Kondensator, in welchem das im geschlossenen Kreis zirkulierende
Kühlmittel kondensiert wird, während der zweite Wärmeaustauscher als Verdampfer
für das Kühlmittel arbeitet.
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Eine Wärmemenge wird auf diese Weise aus der Umgebung vom Kühlmittel
in dem zweiten Wärmeaustauscher aufgenommen und bei einer höheren Enthalpie über
den ersten Wärmeaustauscher von dem Kühlmittel an den Wärmeverbraucher abgegeben.
Beispielsweise kann man sich vorstellen, daß der erste Wärmeaustauscher sich in
einem Wohnhaus befindet, während sich der andere Wärmeaustauscher außerhalb des
Hauses befindet. Bei dieser ersten Betriebsart, die während der kälteren Jahreszeit
angewendet wird, wird dem Wohnhaus von außen Wärme zugeführt.
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Während der wärmeren Jahreszeit wünscht man stattdessen,das Wohnhaus
zu kühlen, so daß der erste Wärmeaustauscher als Verdampfer und der zweite Wärmeaustauscher
als Kondensator arbeiten muß.
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In diesem Fall ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels häufig entgegengesetzt
zur Strömungsrichtung im ersten Fall.
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Bei Wärmepumpen der beschriebenen Art werden häufig Rohrwärmeaustauscher
mit Wasser oder einer anderen gleichwertigen Flüssigkeit als Wärme- oder Kälteträger
verwendet. Um einen solchen Wärmeaustauscher alternativ als Verdampfer oder Kondensator
verwenden zu können, war es bisher notwendig, daß das Kühlmittel über die Außenseite
der Rohre strömt. Durch eine solche Verwendungsart werden nämlich gewisse Funktionsprobleme
beim Übergang des Wärmeaustauschers zwischen dem Verdampfer- und Kondensatorbetrieb
vermieden. Gleichzeitig wird jedoch der Nachteil in Kauf genommen, daß eine verhältnismäßig
große Kühlmittelmenge in das System eingefüllt
werden muß. Als
Folge hiervon sind große und daher teure und viel Raum erfordernde Flüssigkeitsabscheider
und Sammelbehälter für Kühlmittel erforderlich.
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Um diese Nachteile zu beseitigen, wäre es daher ein Vorteil, wenn
man das Kühlmittel innerhalb der Rohre strömen lassen könnte. Dies ist auch möglich,
solange man nur verlangt, daß der Rohrwärmeaustauscher entweder nur als Verdampfer
oder Kondensator arbeitet. Der Rohrwärmeaustauscher enthält normalerweise ein Bündel
gerader Röhren, d.h. Rohre sind nach den Seiten abdichtend in zwei Stirnwände eingelassen
und befestigt, welche Stirnwände häufig als Rohrplatten bezeichnet werden und die
von einem Mantel umgeben sind, der dichtend an den Rohrplatten befestigt ist.
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Wenn ein solcher Rohrwärmeaustauscher als Verdampfer arbeiten soll,
wird er mit einer Anordnung zur Verteilung des Kühlmittels ausgerüstet, entweder
in Gestalt von Drosseleinrichtungen in jeder Rohröffnung oder in Gestalt einer sogenannten
Düsenplatte, die eine Anzahl Düsen enthält, von denen jede mit je einem Rohr koaxial
angeordnet ist. Die Düsenplatte ist unmittelbar im Anschluß an die Rohröffnungen
angeordnet.
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Wenn der Rohrwärmeaustauscher dagegen als Kondensator arbeiten soll,
dann ist er nicht mit einer Kühlmittelverteilungseinrichtung ausgerüstet, sondern
nur mit einer Einlaufkammer im Anschluß an die
Rohre, so daß das
in Gasform einströmende Kühlmittel sich auf die Rohre verteilen kann. Im Anschluß
an das Auslaufende der Rohre befindet sich eine entsprechende Kammer für das Sammeln
und Abführen des kondensierten Kühlmittels.
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Wenn man nun versucht, einen solchen als Verdampfer vorgesehenen Rohrwärmeaustaus2rals
Kondensator zu verwenden, so erhält man einen schlechten Wirkungsgrad, weil in einer
ersten möglichen Betriebsform das Gas durch die Kühlmittelverteilungsanordnung strömen
muß, was einen relativ großen Druckabfall zur Folge hat.
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In einer zweiten möglichen Betriebsform, bei welcher das Gas in der
umgekehrten Richtung durch die Rohre strömt, füllen sich die Rohre zunächst zu einem
großen Teil mit Kondensat, bevor ein Dränieren überhaupt erst möglich wird, wonach
das Dränieren unter einem unnötigen Druckabfall stattfindet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der
eingangs genannten Art zu entwickeln, in welchem das Kühlmittel mit gutem Wirkungsgrad
innerhalb der Rohre strömen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch
genannt.
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In der erfindungsgemäßen Ausbildung arbeitet ein Rohrwärmeaustauscher
in effektiver Weise sowohl als Verdampfer wie auch als Kondensator mit einer mäßigen
Kühlmittelmenge. Dank der geraden Durchströmungsrichtung erhält man eine schnelle
Umstellung ohne Gefahr eines Schadens, wenn die Anlage reversiert wird.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Abstand zwischen
den in der Düsenplatte koaxial mit je einem Rohr angeordneten Düsen und den Rohreinläufen
nicht minimal klein sein muß, um eine wirksame Verteilung der Flüssigkeit auf die
Rohre zu erreichen. Man kann den Abstand so groß machen, daß sich eine Kammer.für
angesammeltes Kondensat bildet, an welche ein Ablauf angeschlossen wird, welcher
gewöhnlich in der Wand des Distanzringes selbst oder in der Nähe der Distanzringwand
in der äußeren Stirnwand angeordnet wird. Dieser Ablauf fungiert als Eintrittsöffnung
für Gas, wenn die Strömungsrichtung des Mediums im Kondensator dieselbe ist wie
im Verdampfer.
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Durch die die Erfindung weiterbildende Anordnung gemäß Anspruch 2
wird eine noch wirksamere Verteilung der einkommenden Flüssigkeit auf die Rohre
sichergestellt, ohne daß der Kondensatfluß in einer von beiden Richtungen behindert
wird.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die
Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt
durch das eine Ende einer Ausführungsform eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine entsprechende Darstellung wie Fig. 1 von einer anderen Ausführungsform
eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung.
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In Fig.1, welche eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt,
ist ein äußerer Mantel mit 1 bezeichnet, welcher zwischen zwei inneren Stirnwänden
2 befestigt ist, von denen nur eine in der Zeichnung dargestellt ist. Diese Stirnwände
haben eine Anzahl Löcher 3, in welche je ein gerades Rohr 4 nach den Seiten dichtend
eingesetzt ist. Der Wärmeaustauscher hat zwei äußere Stirnwände 5, die mit Anschlüssen
6 für das Medium versehen sind, welches durch die Rohre 4 hindurchströmen soll.
An der Innenseite der dargestellten einen äußeren Stirnwand 5 befindet sich in einem
geringen Abstand von dieser Stirnwand eine Düsenplatte 7, die mit einer Anzahl Düsen
8 versehen ist, von denen jede koaxial mit einem Rohr 4 angeordnet ist. Zwischen
der inneren Stirnwand 2 und der äußeren Stirnwand 5 ist ein Distanzring 9 derart
eingesetzt, daß sich eine Kammer 10 zwischen der inneren Stirnwand 2 und der Düsenplatte
7 bildet. Im unteren Teil des Distanzringes 9 befindet sich ein Anschluß 11, der
entweder als Ablauf für das sich in der Kammer 10 sammelnde Kondensat dient oder
als Eintrittsöffnung für Gas dient.
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Wenn der beschriebene Wärmeaustauscher als Verdampfer verwendet wird,
dann wird die Flüssigkeit durch den gezeigten Anschluß 6 zugeführt. Sie wird durch
die Düsen 8 verteilt und strömt von diesen auf die Rohre 4, so daß die Flüssigkeit
auf diese Rohre gleichmäßig verteilt wird.
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Wenn dagegen der Wärmeaustauscher als Kondensator arbeiten soll, dann
wird das zugeführte Gas entweder durch den anderen nicht gezeigten Anschluß 6 (am
rechten Ende des in Fig. 1 angedeuteten Wärmeaustauschers) oder durch den Anschluß
11 eingeleitet und strömt durch die Rohre 4, wobei es kondensiert. Der in Fig. 1
dargestellte Anschluß 6 ist hierbei verschlossen. Das Kondensat strömt in dem ersten
der beiden genannten Kondensatorbetriebsformen in die Kammer 10 und wird durch den
Anschluß 11 abgeführt.
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In der anderen Kondensatorbetriebsform strömt das Kondensat in eine
Kammer an dem nicht dargestellten rechten Ende des Wärmeaustauschers, von wo aus
es abgeführt wird.
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In der anderen, aus Fig. 2 hervorgehenden Ausführungsform der Erfindung
werden für entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet.
Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der oben beschriebenen besteht
nur darin, daß rohrförmige Mundstücke 12 vorhanden ist, die sich von den Düsen 8
bis fast an den Eingang der Rohre 4 erstrecken. Es ist auch möglich, daß sich die
Mundstücke 12 bis an die Rohre 4 oder sogar
in diese hinein erstrecken.
In diesem Falle wäre es erforderlich, daß zumindest der Teil der Mundstücke, welcher
sich in diesem Falle in das Rohr hinein erstreckt, sowie ein kleines zusätzliches
Ende einen kleineren Durchmesser hat als die Innenseite der Rohre, damit ein freier
Durchtritt zwischen den Rohren und der Kammer 70 sichergestellt ist.
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Die Arbeitsweise des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 2 ist dieselbe wie
bei dem Wärmeaustauscher gemäß Fig. 1.
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L e e r s e i t e