DE2839415B1 - Kondensator-Verdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator-Verdampfer für eine Wärmepumpe oder eine Kältemaschine mit einem einen Kondensatorraum begrenzenden, einen oberen, mit der Druckseite eines Kompressors und einen unteren, mit der Flüssigseite eines Expansionsventils verbindbaren Stutzen aufweisenden und einen mit einem ersten Strömungsmittel beaufschlagbaren Wärmetauscher enthaltenden Kondensatorgehäuse, sowie einem ^inen Verdampferraum begrenzenden, einen ersten, mit der Niederdruckseite des Expansionsventils und einem zweiten, mit der Saugseite des Kompressors verbindbaren Stutzen aufweisenden und einen mit einem zweiten Strömungsmittel beaufschlagbaren Wärmetauscher enthaltenden Verdampfergehäuse, wobei das Kondensatorgehäuse oberhalb des Verdampfergehäuses angeordnet und von diesem durch eine wärmeleitende Zwischenwand getrennt ist.

Es sind kombinierte Kondensator-Verdampf er der angegebenen Art bekannt (DE-OS 1426934; H. L.

v. Cube: Lehrbuch der Kältetechnik, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe, 1975, Seiten 323, 324), bei denen ein Röhrenkesselkondensator im Mantelraum oberhalb des Rohrbündels eines Röhrenkesselverdampfers angeordnet ist. Die Wärmeübertragung an der

Zwischenwand trägt dort zur Überhitzung des im Verdampfer aufsteigenden Kältemitteldampfes und zur Kühlung des auf der Oberseite der Zwischenwand strömenden Kondensats bei. Aufgrund der kombi-

Original Inspected

nierten Bauweise handelt es sich um eine relativ kompakte Konstruktion. Der mit horizontaler Achse aufgestellte Kessel erfordert allerdings eine verhältnismäßig große Standfläche. Da eine Ölrückfiihrung aus dem überfluteten Verdampfer zum Kompressor nicht ohne weiteres möglich ist, ist diese Konstruktion wenig geeignet, mit geschmierten Kompressoren betrieben zu werden. Man ist deshalb ausschließlich auf die Verwendung von ölfreien Turboverdichtern oder Zentrifugalkompressoren (DE-OS 1426934) angewiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kombinierten Kondensator-Verdampfer der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem mit besonders einfachen Mitteln eine Überhitzung des vom Verdampfer abgesaugten Kältemitteldampfs und eine Unterkühlung des sich im Kondensator sammelnden Kondensats gewährleistet ist und der in einem weiten Leistungsbereich optimal betrieben werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird folgende Merkmalskombination vorgeschlagen:

- Die Wärmetauscher sind als Rohrwendeln mit im wesentlichen senkrechter Achse ausgebildet;

- der mit dem Expansionsventil verbindbare Stutzen des Verdampfers steht mit einem in das Innere der Windungen der betreffenden Rohrwendel eingreifenden, auf der Höhe der Wendelwindungen eine Anzahl radial nach außen weisender Austrittsöffnungen aufweisenden Einspritzrohr in Verbindung;

- der mit der Saugseite des Kompressors verbindbare Stutzen des Verdampfers steht mit einem etwa senkrecht in den Verdampferraum eingreifenden und dort über annähernd die gesamte Höhe sich erstreckende oder verteilte Eintrittsöffnungen aufweisenden und anschließend durch den Kondensatorraum geführten Absaugrohr in Verbindung.

Im stationären Betrieb wird der erfindungsgemäße Kondensator-Verdampfer so betrieben, daß der Flüssigkeitsspiegel sowohl im Kondensator- als auch im Verdampferraum sich unterhalb der Wärmetauscherrohrwendeln befindet. Das vom Expansionsventil kommende siedende Kältemittel wird über die Öffnungen des Einspritzrohrs in Form feiner Tröpfchen radial gegen die benachbarten Windungen des Wärmetauscherrohrs geschleudert, wodurch sich eine intensive Verteilung und Verwirbelung des Kältemittels im Verdampfer ergibt. Auch die Absaugung von Kältemitteldampf über das in den Verdampferraum eingreifende Absaugrohr trägt wesentlich zu dem Verwirbelungseffekt bei. Dadurch erhält man einen hohen Wärmeübergang. Im Kältekreislauf wird bei Verwendung eines geschmierten Kompressors unvermeidlich Öl mitgeführt und gelangt insbesondere in den Verdampfer. Das in den Flüssigkeitsbereich des Verdampfers hineinreichende Absaugrohr ermöglicht es, dieses Öl mit dem angesaugten Kältemitteldampf wieder zum Kompressor zurückzuführen, wenn die Sauggeschwindigkeit genügend groß gewählt wird. Aus diesem Grund beträgt die Sauggeschwindigkeit im Absaugrohr zweckmäßig zwischen 10 und 20 m/ see.

Der aus dem Verdampfer abgesaugte Kältemitteldampf wird im Bereich des durch den Kondensatorraum geführten Rohrstücks des Absauggrohrs erwärmt, so daß eventuell noch mitgeführte Flüssigkeitstropfen, die im Kompressor zu Flüssigkeitsschlägen führen könnten, verdampfen. Mit der gleichzeitig erzielten Überhitzung des Sauggases erhält man außerdem eine Verbesserung des Liefergrades. Die vom Verdampfer kommende Steigleitung des sich im Kondensatorraum befindlichen Rohrstücks verhindert, daß Kältemittel im Stillstand der Wärmepumpe oder der Kältemaschine in den Kompressor hineinkondensiert werden kann.

Mit der Durchführung der Absaugleitung durch den

ίο Kondensatorboden wird außerdem eine Flüssigkeitsunterkühlung des Kondensats erreicht und damit eine Blasenbildung verhindert. Dieser Effekt wird zusätzlich noch durch den Wärmeübergang durch den Zwischenboden unterstützt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema einer Kompressor-Wärmepumpe oder -Kältemaschine mit kombiniertem Kondensator-Verdampfer,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kondensator-Verdampfers, in welchem die Anordnung der Wärmetauscher gezeigt ist,

Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch den Kondensator-Verdampfer, in welchem die Anordnung des Absaugrohrs gezeigt ist,

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Kondensatorverdampfer gemäß Fig. 2 und 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Kondensatorteil entlang der Schnittlinie 5-5 der Fig. 2,
Fig. 6 eine Seitenansicht des Einspritzrohrs.

J5 Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anlage kann sowohl als Wärmepumpe wie auch als Kältemaschine verwendet werden. Es handelt sich um eine einstufige Anlage, bestehend aus einem kombinierten Kondensator-Verdampfer 10, einem an die Stutzen 12 und 18 des Kondensator-Verdampfers angeschlossenen Kompressor 20 und einem an die Stutzen 14 und 16 des Kondensator-Verdampfers angeschlossenen Expansionsventil 22. Der Kondensator 24 ist über dem Verdampfer 26 angeordnet und von diesem durch eine Zwischenwand 28 getrennt. Im Kondensator 24 befindet sich ein von einem ersten Strömungsmittel von unten nach oben durchströmter Wärmetauscher 30, während sich im Verdampfer ein von einem zweiten Strömungsmittel durchströmter Wärmetauscher 32 befindet.

Im Falle der Verwendung als Wärmepumpe ist der Wärmetauscher 30 an einen Heizkreislauf angeschlossen, während der den Wärmetauscher 32 enthaltende Kreislauf in direktem oder indirektem thermischen Kontakt mit einem geeigneten Wärmespeicher oder mit Solarkollektoren steht. Beim Betrieb als Kältemaschine wird durch den Wärmetauscher 30 üblicherweise Kühlwasser geleitet, wohingegen der Wärmetauscher 32 mit einem Kälteträger, beispielsweise einer Sole, beaufschlagt ist.

Als Arbeitsmittel für den Kreisprozeß werden Kältemittel, wie Fluorkohlenwasserstoffe oder Ammoniak verwendet. In den Verdampferraum 26 wird über das an den Stutzen 16 angeschlossene Einspritzrohr 34 siedendes Kältemittel eingespritzt, wo es unter Wärmeaufnahme am Wärmetauscher 32 verdampft. Der Dampf wird aus dem Verdampferraum über das Absaugrohr 36 vom Kompressor abgesaugt und dort

im Idealfall isentrop kombiniert. Der überhitzte Dampf gelangt über den Stutzen 12 in den Kondensatorraum 24, wo zunächst die Überhitzungswärme und dann die Kondensationswärme an das durch den Wärmetauscher 30 geleitete Strömungsmittel abgeführt wird. Das Kondensat 39 sammelt sich im unteren Teil des Kondensatorraums 24 und wird über den Stutzen 14 dem Expansionsventil 22 zugeleitet, in welchem es im Idealfall auf einer Isenthalpe wieder auf den Ausgangszustand entspannt und zum Einspritzrohr 34 geleitet wird.

Die Leistungen der Anlagenkomponenten sind so aufeinander abgestimmt, daß sich der Flüssigkeitsspiegel des Kältemittels im Kondensator und im Verdampfer während des stationären Betriebs unterhalb des jeweiligen Wärmetauschers befindet. Das Einspritzrohr 34 greift mit seinem freien Ende etwa axial nach unten durch das Innere der den Wärmetauscher 32 bildenden Rohrwendel hindurch. Das siedende Kältemittel wird durch die seitlichen Öffnungen 35 des Einspritzrohrs in Form von kleinen Tröpfchen radial gegen die Windungen der Wärmetauscherwendel 32 gesprüht und wird dort zum größten Teil sogleich verdampft. Das Absaugrohr 36 greift mit seinem freien Ende 37 ebenfalls durch die Rohrwendel 32 hindurch. Es weist mehrere sich über die Länge des des Rohrteils 37 erstreckende schlitzförmige Eintrittsöffnungen 38 auf, durch die Naßdampf aus dem Verdampferraum angesaugt wird. Die Ansauggeschwindigkeit im Absaugrohr ist dabei mit 10 bis 20 m/secso bemessen, daß auch Flüssigkeitströpfchen und insbesondere Öl aus dem Flüssigkeitsbereich 40 angesaugt werden. Das Absaugrohr ist an der Stelle 42 durch die Zwischenwand 28 hindurchgeführt und greift mit einem senkrechten Steigrohr 43 von unten her weit in den Kondensatorraum 24 hinein, um in der Nähe des Deckels U-förmig umgebogen und von dort aus wieder senkrecht nach unten bis zu einer Rohrdurchführung 44 in der Zwischenwand 28 geführt zu werden und schließlich auf der Verdampferseite zum Stutzen 18 zu gelangen. Das im Kondensatorraum befindliche Rohrstück 46 greift im wesentlichen axial durch das Innere der Rohrwendel 30 hindurch. Der abgesaugte Naßdampf nimmt über die Wandung des Rohrstücks 46 im Kondensatorraum Warme auf, bis ein überhitzter Zustand erreicht ist. Dadurch wird gewährleistet, daß nur überhitzter Dampf, gegebenenfalls unter Mitführung von Öltröpfchen, in den Kompressor 20 gelangt.

Auf der anderen Seite tritt im Kondensat 39 im Bereich der Stellen 42 und 44 über das Rohr 46 eine Abkühlung ein, die zumindest teilweise die unerwünschte Blasenbildung im Kondensat verhindert. Eine zusätzliche Verbesserung in dieser Hinsicht wird dadurch erzielt, daß über die Zwischenwand 28 ebenfalls ein Wärmeübergang stattfindet, der zu einer weiteren Unterkühlung des flüssigen Kältemittels 38

ίο führt. Die auf diese Weise übertragenen Wärmemengen gehen dem Kreisprozeß nicht verloren. Es ergibt sich lediglich eine geringfügige Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads zugunsten einer wesentlichen Verbesserung der Betriebszuverlässigkeit im Bereich des Kompressors und des Expansionsventils.

Wie insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist, besteht das Wärmetauscherrohr 32 im Verdampfer aus zwei übereinander angeordneten Rohrwendeln 32' und 32", die an einem Ende gemeinsam in einen Stutzen 50 münden. Die beiden Rohre 32' und 32" können sowohl parallel als auch hintereinander von dem betreffenden Strömungsmittel durchströmt werden, je nachdem, ob der Stutzen 50 am Kühlkreislauf angeschlossen oder durch einen Deckel unter Freilassung des Überströmungsraums 52 verschlossen ist. Im Falle der Paralleldurchströmung sind die beiden Stutzen 54 gleichsinnig als Eintritts- oder Austrittsstutzen beaufschlagt, während im Falle der Hintereinanderdurchströmung der eine als Eintrittsstutzen und der andere als Austrittsstutzen dient. Selbstverständlich kann auch das Wärmetauscherrohr 30 im Kondensator in zwei Teilrohre im Sinne der der Teilrohre 32' und 32" unterteilt werden.

An der Gehäusewandung sind sowohl im Kondensatorteil als auch im Verdampferteil je ein mit einem Stopfen verschließbarer Stutzen 56, 58 vorgesehen, die ein Reinigen der betreffenden Innenräume bei der Fertigung und nach einem eventuellen Burn-out des Motors ermöglichen. Das Schauglas 60 in der Wandung des Verdampfers ermöglicht eine optische Überwachung der Vorgänge im Verdampferraum während des Betriebs.

Aufgrund der senkrechten Anordnung seines Gehäuses benötigt der kombinierte Kondensator-Verdämpfer nur eine relativ kleine Grundfläche und kann daher platzsparend untergebracht werden. Der zugehörige Kompressor kann auf einer über dem Gehäuse befindlichen Konsole 62 angebracht werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Kondensator-Verdampfer für eine Wärmepumpe oder Kältemaschine mit einem einen Kondensatorraum begrenzenden, einen oberen, mit der Druckseite eines Kompressors und einen unteren, mit der Flüssigseite eines Expansionsventils verbindbaren Stutzen aufweisenden und einen mit einem ersten Strömungsmittel beaufschlagbaren Wärmetauscher enthaltenden Kondensatorgehäuse, sowie einem einen Verdampferraum begrenzenden, einen ersten, mit der Niederdruckseite des Expansionsventils und einem zweiten, mit der Saugseite des Kompressors verbindbaren Stutzen aufweisenden und einen mit einem zweiten Strömungsmittel beaufschlagbaren Wärmetauscher enthaltenen Verdampfergehäuse, wobei das Kondensatorgehäuse oberhalb des Verdampfergehäuses angeordnet und von diesem durch eine wärmeleitende Zwischenwand getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (30,32) als Rohrwendeln mit im wesentlichen senkrechter Achse ausgebildet sind, daß der mit dem Expansionsventil (22) verbindbare Stutzen (16) des Verdampfers (26) mit einem in das Innere der Windungen der betreffenden Rohrwendel (32) eingreifenden, auf der Höhe der Wendelwindungen eine Anzahl radial nach außen weisender Austrittsöffnungen (35) aufweisenden Einspritzrohr (34) in Verbindung steht, und daß der mit der Saugseite des Kompressors (20) verbindbare Stutzen (18) des Verdampfers (26) mit einem etwa senkrecht in den Verdampferraum (26) eingreifenden und dort über annähernd die gesamte Höhe sich erstreckende oder verteilte Eintrittsöffnungen (38) aufweisenden und anschließend durch den Kondensatorraum (24) zugeführten Absaugrohr (36) in Verbindung steht.

2. Kondensator-Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand (28) zwei Durchführungen (42, 44) für das Absaugrohr (36) aufweist, die auf der Kondensatorseite durch ein im wesentlichen U-förmig gebogenes Rohrstück (43, 46) des Absaugrohrs verbunden sind.

3. Kondensator-Verdampf er nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (46) axial durch die im Kondensatorraum (24) befindliche Rohrwendel (30) hindurchgreift.

4. Kondensator-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (36) und/oder im Kondensator (24) zwei axial übereinander angeordnete, parallel oder hintereinander durchströmbare Rohrwendeln (32', 32") angeordnet sind.

5. Kondensator-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Rohrwendeln (30, 32) mindestens zwei verschiedene Durchmesser aufweisen.

6. Kondensator-Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (35) des Einspritzrohrs (34) als sich über die Höhe der betreffenden Rohrwendel (32) erstreckende Längsschlitze ausgebildet sind.

7. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

die Austrittsöffnungen (35) des Einspritzrohrs (34) oberhalb des Flüssigkeitsspiegels (40) des Kältemittels im Verdampfer (26) angeordnet sind.

8. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnungen (38) des Absaugrohrs (36) als sich bis in die Nähe der Zwischenwand (28) erstreckende Längsschlitze ausgebildet sind.

9. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Absaugrohr (36) bis unterhalb des Flüssigkeitsspiegels (40) des Kältemittels im Verdampfer (26) erstreckt und in seinem unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegenden Teil wenigstens eine Eintrittsöffnung aufweist.

10. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendeln (30, 32) im Kondensator (24) und/oder im Verdampfer (26) ganz oder teilweise über dem Flüssigkeitsspiegel (39, 40) des Kältemittels angeordnet sind.

11. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendel (30) im Kondensator (24) von unten nach oben durchströmt ist.

12. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand (28) den Boden des das Kondensat (39) aufnehmenden Bereichs des Kondensatorgehäuses bildet.

13. Kondensator-Verdampf er nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Absaugrohr ca. 10 bis 12 m/sec beträgt.