DE2947807C2

DE2947807C2 - Heat exchangers in refrigerant circuits

Info

Publication number: DE2947807C2
Application number: DE19792947807
Authority: DE
Inventors: Xaver Dipl.-Ing. 7451 Grosselfingen Mayer; Hermann Dipl.-Ing. 7460 Balingen Ruoss
Original assignee: Heraeus Voetsch GmbH
Current assignee: MAYER, XAVER, DIPL.-ING., 7451 GROSSELFINGEN, DE
Priority date: 1979-11-28
Filing date: 1979-11-28
Publication date: 1984-05-30
Also published as: DE2947807A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Kältemittelkreisläufen, wie sie in Kälteanlagen verschiedenster Art benötigt werden. Solche Kälteanlagen verwenden insbesondere für tiefe Temperaturen Wärmetauscher mit einem zylindrischen Behälter mit senkrechter Achse, in dem eine Rohrwendel koaxial angeordnet ist, die einen senkrechten zylindrischen Hohlkörper umgibt.The invention relates to a heat exchanger in refrigerant circuits, as they are required in various types of refrigeration systems. Use such refrigeration systems especially for low temperatures heat exchangers with a cylindrical container with a vertical Axis in which a coiled tubing is arranged coaxially, which surrounds a vertical cylindrical hollow body.

Ein solcher Wärmetauscher ist aus der US-PS 23 80 029 bekannt. In de*, daraus bekannten Vorrichtung wird u. a. flüssiges Kühlmittel verwendet, das dort über eine Verteilerplatte nahe dem ot jren Ende in den Behälter eingeführt wird. Der zylindrische Hohlkörper im Zentrum des Behälters kann jedoch nicht als Sammler dienen und weist auch keine Verbindung nach außen auf.Such a heat exchanger is known from US Pat. No. 2,380,029. In de *, device known therefrom will inter alia liquid coolant used over there Place a distribution plate near the end of the container is introduced. However, the cylindrical hollow body in the center of the container cannot act as a collector serve and also has no connection to the outside world.

τ Aufgabe der Erfindung ist es, den Raumbedarf von Wärmetauscher und Sammler in einer Kälteanlage zu verringern bzw. im gleichen Raum eine größere Kälteleistung unterzubringen. The object of the invention is to reduce the space required by the heat exchanger and collector in a refrigeration system or to accommodate a greater refrigeration capacity in the same room.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im im Kennzeichen des Hauptanspruches enthaltenen Merkmale. Eine Weiterbildung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.This problem is solved by the features contained in the characterizing part of the main claim. One Further training can be found in the subclaim.

Mit der Erfindung wird vor allem der Vorteil erreicht, daß der Raumbedarf entscheidend verringert wird oder bei gleichem Volumen eine größere Wärmeübertragungsleistung unterzubringen ist. Der Raumbedarf des gesamten Wärmetauschers ist nicht größer als bei einem herkömmlichen Druckausgleichsgefäß.With the invention, the advantage is achieved that the space requirement is significantly reduced or a greater heat transfer capacity has to be accommodated with the same volume. The space required by the entire heat exchanger is no larger than with a conventional pressure equalization vessel.

Im Gegensatz zu bekannten Wärmetauschern, die mit sehr großen Rohrlängen arbeiten müssen, wenn sie eine hohe Kälteleistung übertragen wollen, und die dadurch bedingt große Druckabfälle in den großen Rohrlängen aufweisen, ist dies bei der Erfindung nicht nötig. Dadurch läßt sich ein solcher Wärmetauscher auch leichter herstellen. Es ist dafür gesorgt, daß das Kältemittel von oben nach unten strömt, und in allen Bereichen des Bef triebs eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit aufweist, um eine ölrückführung auch bei tiefen Temperaturen zu gewährleisten.In contrast to known heat exchangers, which have to work with very long pipe lengths when they have a want to transfer high cooling capacity, and the resulting large pressure drops in the large pipe lengths have, this is not necessary in the invention. This also makes such a heat exchanger easier produce. It is ensured that the refrigerant flows from top to bottom, and in all areas of the Bef The drive has a sufficient flow rate to allow oil to be returned even at low temperatures to ensure.

Besonders vorteilhaft ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung die günstige ölrückführung des verdampfenden oder siedenden Kältemittels im Bereich der Mischungslücke des Öls mit dem jeweiligen Kältemittel, die allein durch die Schwerkraft und eine definierte Strömungsgeschwindigkeit in jedem Betriebszustand gewährleistet ist. Der zylindrische Hohlkörper im Innern des Wärmetauschers gewährleistet eine günstige Zwangsströmung. Die Rohrwendel, die den Hohlkörper umgibt, ist leicht herzustellen und kann so gewählt werden, daß sie relativ große Strömungsquerschnitte aufweist, wodurch sich ein äußerst geringer Druckabfall ergibtIn the solution according to the invention, the favorable oil return of the evaporating oil is particularly advantageous or boiling refrigerant in the area of the miscibility gap between the oil and the respective refrigerant, solely through gravity and a defined flow velocity in every operating state is guaranteed. The cylindrical hollow body inside the heat exchanger ensures a favorable Forced flow. The coiled tubing that surrounds the hollow body is easy to manufacture and can be selected so that it has relatively large flow cross-sections, resulting in an extremely low pressure drop results

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeisniele der Erfindung rein schematisch dargestellt Es zeigt
F i g. 1 einen Wärmetauscher mit zylindrischem Hohlkörper als Flüssigkeitssammler, oben offen, sowie mit einem Kältemitteleinlaß im Bereich der unteren Hälfte des Ringraums,In the drawings, exemplary embodiments of the invention are shown purely schematically
F i g. 1 a heat exchanger with a cylindrical hollow body as a liquid collector, open at the top, and with a refrigerant inlet in the area of the lower half of the annular space,

F i g. 2 einen Wärmetauscher ähnlich F i g. 1 mit topfförmigem Hohlkörper und oberem Kältemitteleinlaß, F i g. 3 eine Ausführung ähnlich F i g. 2 mit umgekehrtem Kältemitteldurchfluß durch die Rohrwendel,F i g. 2 shows a heat exchanger similar to FIG. 1 with pot-shaped Hollow body and upper refrigerant inlet, F i g. 3 shows an embodiment similar to FIG. 2 with reverse Refrigerant flow through the coiled tubing,

F i g. 4 eine Ausführung ähnlich F i g. 2 mit oben geschlossenem Hohlkörper.
Bei der Ausführung des Wärmetauschers nach F i g. 1 weist eine Rohrwendel 2 oder ein Rohrbündel des Verdampfers eines Kältemittelkreislaufs eine Zuleitung 1 auf für das Kältemittel in flüssiger Form, wobei übliche kondensier- und verdampfbare Kältemittel (vergleiche DIN-Normen) anwendbar sind.F i g. 4 shows an embodiment similar to FIG. 2 with a hollow body closed at the top.
In the execution of the heat exchanger according to FIG. 1, a coiled tubing 2 or a tube bundle of the evaporator of a refrigerant circuit has a feed line 1 for the refrigerant in liquid form, conventional condensable and evaporable refrigerants (see DIN standards) being applicable.

Besonders bewgbrt haben sich Fluorkohlenwasserstoffe. Der Verdampfer der Rohrwendel 2 weist eine Rückleitung 3 auf, die das gasförmige Kältemittel wieder einem Kreislauf zuführt.
Zentral und senkrecht angeordnet innerhalb eines Raumes, der von der Innenwand 8 des Gehäuses des Wärmetauschers begrenzt ist, ist der zylindrische Hohlkörper 5, hier oben offen, angeordnet, welcher für eine Zwangsströmung sorgt Der Hohlkörper ist als Flüssigkeitssammler ausgebildet und weist im Bereich seines unteren Endes, d.h. in Bodennähe des von der Innenwand 8 begrenzten Innenraums des Wärmetauschers und in der Nähe des Auslasses 7, kieine Durchlässe 10 in Form von Bohrungen — üoer den Umfang verteilt — auf, welche dem Rücklauf der kondensierenden Flüssigkeit (Kältemittel) und öl dienen. Es bildet sich daher im Wärmetauscher ein Flüssigkeitsspiegel 6 des Kältemittels aus, der sowohl im Flüssigkeitssammler, d. h. innerhalb des Hohlkörpers 5, als auch im ihn umgebenden Ringraum des Wärmetauschers vorhanden ist. Die öffnungen 10 weisen eine Durchtrittsfläche auf, die so klein ist, daß sie für gasförmiges Medium (Kältemittel) einen Strömungswiderstand darstellt der größer ist als derjenige für flüssiges Medium.
Die Durchlässe 10 im Ringraum zwischen Wärmetauscher-lnnenwand 8 und Rohr 5 des Hohlkörpers sind andererseits so dimensioniert, daß sie den Massenstrom des auskondensierten, flüssigen Mediums (Kältemittel) durchlassen. Die Durchlässe 10 sind in dem Hohlkörper 5 so tief angebracht (im unteren Drittel), daß sie immer von dem Flüssigkeitsspiegel 6 bedeckt sind (auch im Betrieb). Der Flüssigkeitsspiegel kann im Ruhezustand nahe dem oberen Ende des Hohlkörpers 5 liegen. An der tiefsten Stelle des Hohlkörpers 5 ist ein Auslaß 7 für das kondensierte flüssige Kältemittel, das im Hohlkör· per 5 gesammelt wurde, angeordnet zur Rückführung in seinen Kreislauf. Gasförmig war es in den Innenraum 8 an dessen unteren Ende eingetreten. Der Behälter des Wärmetauschers ist doppelwandig ausgebildet und weist zwischen der Innenwand 8 und der Außenwand 12 eine thermische Isolationsschicht 9 auf, d. h der Zwischenraum kann z. B. durch einen Isolationsstoff ausgeschäumt sein. Der Behälter des Wärmetauschers weist noch einen Einlaß 4 in der unteren Hälfte des Innen-Fluorocarbons have been particularly popular. The evaporator of the coiled tubing 2 has a return line 3 which returns the gaseous refrigerant to a circuit.
The cylindrical hollow body 5, here open at the top, is arranged centrally and vertically within a space which is delimited by the inner wall 8 of the housing of the heat exchanger, which ensures a forced flow , ie near the bottom of the interior of the heat exchanger bounded by the inner wall 8 and near the outlet 7, no passages 10 in the form of bores - distributed over the circumference - which serve to return the condensing liquid (refrigerant) and oil. A liquid level 6 of the refrigerant is therefore formed in the heat exchanger and is present both in the liquid collector, ie within the hollow body 5, and in the annular space of the heat exchanger surrounding it. The openings 10 have a passage area which is so small that it represents a flow resistance for a gaseous medium (refrigerant) which is greater than that for a liquid medium.
The passages 10 in the annular space between the inner wall of the heat exchanger 8 and the tube 5 of the hollow body are on the other hand dimensioned in such a way that they allow the mass flow of the condensed liquid medium (refrigerant) to pass through. The passages 10 are placed so deep in the hollow body 5 (in the lower third) that they are always covered by the liquid level 6 (even during operation). The liquid level can be close to the upper end of the hollow body 5 in the state of rest. At the lowest point of the hollow body 5 there is an outlet 7 for the condensed liquid refrigerant, which has been collected in the hollow body 5, for recirculation into its circuit. In gaseous form, it had entered the interior space 8 at its lower end. The container of the heat exchanger is double-walled and has a thermal insulation layer 9 between the inner wall 8 and the outer wall 12, ie. h the space can e.g. B. be foamed with an insulation material. The tank of the heat exchanger also has an inlet 4 in the lower half of the inner

raums auf, durch den das bei 7 austretende Kältemittel gasförmig eintritt und durch den Ringraum zwischen dem Hohlkörper 5 und dem Innenbehälter 8 nach oben steigt. Die Strömungsrichtungen der Kältemittel in den zwei verschiedenen Kreisläufen sind in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet.space through which the exiting refrigerant at 7 enters in gaseous form and through the annular space between the hollow body 5 and the inner container 8 rises upwards. The directions of flow of the refrigerants in the two different circuits are shown in FIG. 1 through Arrows indicated.

Die Rohrwendel 2 für den ersten der beiden Kältemittelkreisläufe bestfht vorzugsweise aus Kupfer, wobei die einzelnen Rohrwindungen, weiche gewendelt sind, noch mit im wesentlichen senkrechten Rippen zum besseren Wärmeübergang versehen sind. Die Rohrwendel 2 wird durchflossen von einem Kältemittel, das im Ausführungsbeispiel für einen Temperaturbereich zwischen — 150⁰C bis + 100"C ausgewählt wird und für Druckbereiche zwischen Vakuum bzw. etwa 0,2 bar bis ungefähr 25 bar. Ein typisches Kältemittel hat ein flüssiges Volumen von ca. einem Tausendstel seines gasförmigen Volumens und ist z. B. in DIN 8962 sowie VBG 20 genannt. Für das Kältemittel des zweiten Kreislaufs wird ein gleiches, bevorzugt jedoch ein unterschiedliches Kältemittel gleicher Art gewählt, d. h. im Ausführungsbeispiel ein Kältemittel mit anderem Kondensations- und/oder VerdampfungspunktThe coiled tubing 2 for the first of the two refrigerant circuits is preferably made of copper, the individual coiled tubing turns being provided with essentially vertical ribs for better heat transfer. The coil tubing 2 is passed through by a refrigerant, which in the exemplary embodiment for a temperature range between -. Is selected 150 ⁰ C to 100 "C and pressure ranges between the vacuum and about 0.2 bar to about 25 bar A typical refrigerant has a liquid Volume of about one thousandth of its gaseous volume and is mentioned, for example, in DIN 8962 and VBG 20. For the refrigerant of the second circuit, an identical, but preferably a different, refrigerant of the same type is selected, ie in the exemplary embodiment a refrigerant with a different condensation - and / or evaporation point

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach F i g. 1 besonders dadurch, daß der Eingang des Kältemittels 4 zentral am oberen Ende des domförmigen Bereichs der Innenwand 8 des Wärmetauscherbehälters mündet und das Kältemittel dort, z. B. in Gasform gemäß Pfeilrichtung eingeführt wird.The embodiment according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 especially because that the inlet of the refrigerant 4 is centrally located at the upper end of the dome-shaped area of the inner wall 8 of the Heat exchanger tank opens and the refrigerant there, z. B. introduced in gas form according to the direction of the arrow will.

Im Unterschied zu F i g. 1 ist der Hohlkörper 5a bei dieser Ausführung noch an seinem oberen Ende geschlossen, so daß also der Hohlkörper 5a kein Rohr, sondern einen Topf oder eine Büchse darstellt. In der Decke dieses Hohlkörpers 5a ist noch eine kleine Öffnung 11, bevorzugt zentral, vorgesehen, die dem Druckausgleich dient und im Millimeterbereich liegt, z. B. 2 mm Durchmesser aufweist Während bei der Ausführung nach F i g. 1 die Strömungsrichtung der Kältemittel in den Kreisläufen einander entgegengesetzt war, ist sie im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 gleich gerichtet (Gleichstrom).In contrast to FIG. 1 the hollow body 5a is still closed at its upper end in this embodiment, so that the hollow body 5a is not a pipe, but a pot or a can. In the Covering this hollow body 5a, a small opening 11, preferably in the center, is also provided, which is used for pressure equalization serves and is in the millimeter range, z. B. 2 mm in diameter While in execution according to FIG. 1 the direction of flow of the refrigerants was opposite to one another in the circuits, it is in the exemplary embodiment according to FIG. 2 directed in the same way (Direct current).

Bei der Ausführung nach F i g. 3 ist gegenüber der F i g. 2 lediglich die Strömungsrichtung für das die Rohrwendel 2 durchströmende Kältemittel umgekehrt worden, d. h, daß der Wärmetauscher nach F i g. 3 ebenfalls im Gegenstromprinzip betrieben wird (wie F i g. 1).In the embodiment according to FIG. 3 is opposite to FIG. 2 only the direction of flow for the coiled tubing 2 refrigerants flowing through have been reversed, d. h that the heat exchanger according to FIG. 3 also is operated in the countercurrent principle (as in FIG. 1).

Bei der Ausführung nach F i g. 4 ist der Aufbau wiederum ähnlich F i g. 2 und H i g. 3, jedoch mit dem Unterschied, daß ein Hohlkörper 5b oben, d. h. an seiner Dekke, vollständig geschlossen ist. Diese Ausführungsform kann für bestimmte ausgewählte Druckbereiche der Kältemittelkreisläufe durchaus genügen. Der Betrieb des Wärmetauschers nach F i g. 4 erfolgt wie bei F i g. 2 im Gleichstrom. |In the embodiment according to FIG. 4, the structure is again similar to FIG. 2 and H i g. 3, but with the difference that a hollow body 5b is completely closed at the top, ie at its cover. This embodiment can be sufficient for certain selected pressure ranges of the refrigerant circuits. The operation of the heat exchanger according to FIG. 4 takes place as in FIG. 2 in direct current. |

Im Betrieb bildet der Innenraum der Rohrwendel 2 die Verdampferseite des Wärmetauscher.«. Mit Vorteil weist die Rohrwendel ein definiertes Gefälle nach unten auf (entsprechend der Schraubenlinienform bzw. -Steigung). Der Querschnitt der Rohr 2 kann beliebig, je nach gewünschtem Durchsatz, ausgelegt werden. Der Druckwiderstand hält sich dadurch in erträglichen Grenzen und die ölrückführung ist in jedem Falle gewährleistet. Der Kondensationsraum des Wärmetauschers wird gebildet durch die Innenwand 8 des druckfesten Behälters, der zusammen mit dem Hohlkörper 5 die Zwangsströmung des kondensierenden Kältemittels gewährleistet. Während bei der Ausführung nach F i g. 1 gasförmiges Kältemittel immer an der Innenwand 8 aufwärts strömt, wird kondensiertes flüssiges Kältemittel abwärts laufen und über die Durchlässe 10 mit dem inneren Flüssigkeitssammelraum des Hohlkörpers 5 in Verbindung stehen und damit auch mit dessen Auslaß 7 für den Rückstrom in den Kältemittelkreislauf. Sobald sich an der Innenwand 8 des Behälters Flüssigkeit gebildet hat, sind die Öffnungen 10 geschlossen und nach dem hydraulischen Prinzip kann das kondensierende Kältemittel in Gasform nur aufwärts strömen.In operation, the interior of the coiled tubing 2 forms the evaporator side of the heat exchanger. «. With advantage if the coiled tubing has a defined downward gradient (corresponding to the helical shape or pitch). The cross-section of the tube 2 can be designed as desired, depending on the desired throughput. The pressure resistance This keeps it within tolerable limits and the oil return is guaranteed in any case. The condensation space of the heat exchanger is formed by the inner wall 8 of the pressure-tight container, which, together with the hollow body 5, ensures the forced flow of the condensing refrigerant. While in the execution according to FIG. 1 gaseous refrigerant always flows up the inner wall 8, condensed liquid refrigerant will run downwards and via the passages 10 to the internal liquid collection space of the hollow body 5 are in communication and thus also with its outlet 7 for the return flow into the refrigerant circuit. As soon as liquid has formed on the inner wall 8 of the container, are the openings 10 closed and according to the hydraulic principle, the condensing refrigerant can in Flow only upward in the form of gas.

Der das flüssige Kältemittel sammelnde Hohlkörper 5 ist in vorteilhafter Weise so ausgelegt, daß er das gesamte im Kreislauf befindliche Käkemittel in flüssiger Form aufnehmen kann. Die senkrechte oder auch stehende Anordnung des Wärmetauschers und des darin angeordneten Hohlkörpers 5 ergibt den einfachsten Einbau. Wenn der Einlaß 1 und der Auslaß 3 des Kältemittels eines zweiten Kreislaufs einander abgekehrt auf der gleichen Mittelachse des Wärmetauschers am höchsten bzw. am tiefsten Punkt des BehäiuTS angeordnet sind, ergibt sich eine besonders günstige Leitungsauslegung. Die Verdampfer- oder Kondensatorseite des Wärmetauschers wird nach den jeweiligen Erfordernissen ausgelegt.The hollow body 5 collecting the liquid refrigerant is advantageously designed so that it encompasses the entire can absorb in the cycle cheese agents in liquid form. The vertical or standing Arrangement of the heat exchanger and the hollow body 5 arranged therein results in the simplest Installation. If the inlet 1 and the outlet 3 of the refrigerant of a second circuit are facing away from each other the same central axis of the heat exchanger at the highest or lowest point of the BehäiuTS are, the result is a particularly favorable line design. The evaporator or condenser side of the The heat exchanger is designed according to the respective requirements.

Wie ersichtlich, ist der zylindrische Hohlkörper, der als Sammler dient, wenigstens einseitig offen (F i g. 2 bis 4) oder beidseitig offen (Fig. 1). In allen Figuren sind jedoch gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Eingang (gasförmig) ist in F i g. 1, rechts unten mit 4 bezeichnet, während er in den F Ί g. 2 bis 4 auf der senkrechten Mittelachse des Behälters dem Auslaß 7 gegenüberliegend angeordnet ist und als Eingang für Gas von oben dient.As can be seen, the cylindrical hollow body, which serves as a collector, is open at least on one side (FIGS. 2 to 4) or open on both sides (Fig. 1). In all figures, however, the same parts are provided with the same reference numerals. The inlet (gaseous) is shown in FIG. 1, labeled 4 at the bottom right, while in F Ί g. 2 to 4 on the vertical central axis of the container is arranged opposite the outlet 7 and as an inlet for Gas from above is used.

Die Ausführungen der F i g. 1 und 3 sind für den Wärmetausch im Gegenstromprinzip ausgelegt, während die F i g. 2 und 4 für einen Wärmetausch im Gleichstromprinzip ausgebildet sind. Die Ausbildung ist derart, daß kondensierendes Kältemittel stets an der Innenwand 8 abwärts strömt, während gasförmiges Kältemittel an dieser aufwärts strömt Die (Zwangs-)Strömung wird dadurch beeinflußt, daß eine Verdrängung im Ringraum des Behälters 8, der den Hohlkörper 5 (Flüssigkeitssammler) umgibt, stattfindet. Die Temperatur der Rohrwendel hängt von der Temperatur des diese durchströmenden Kältemittels ab.The statements in FIG. 1 and 3 are designed for heat exchange using the countercurrent principle, while the F i g. 2 and 4 are designed for a heat exchange in the direct current principle. The training is such that condensing refrigerant always flows down the inner wall 8, while gaseous refrigerant flows upwards at this. The (forced) flow is influenced by a displacement in the annular space of the container 8, which surrounds the hollow body 5 (liquid collector), takes place. The temperature of the Coiled tubing depends on the temperature of the refrigerant flowing through it.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Heat exchangers in refrigerant circuits, especially for low temperatures, from a consists of a cylindrical container with a vertical axis, in which a coiled tubing is arranged coaxially which surrounds a vertical cylindrical hollow body which has at least one connection to the outside possesses, characterized in that the lower region of the cylindrical hollow body (5) is connected through small openings (10) with the annular space receiving the coiled tubing (2).

Z Heat exchanger according to Claim 1, characterized in that the openings (10) have a high flow resistance for gaseous refrigerant e and a low flow resistance for liquid refrigerant.