DE3005751A1 - Verfahren und vorrichtung zur erhoehung der waermeleistung von verdampfern - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur erhoehung der waermeleistung von verdampfernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung von Verdampfern,
insbesondere von Rohrbündelverdampfern.
Es ist bekannt, daß in der Praxis bei Verdampfern das Kältemittel in das jeweilige Verdampferrohr mit einem Dampfgehalt
von etwa 0% bis 20% eintritt, wobei unter Dampfgehalt das
Verhältnis von Dampfmassenstrom zu Gesamtmassenstrom zu verstehen ist. Am Ende des Verdampferrohres ist das Kältemittel
vollständig verdampft, d.h. der Dampfgehalt beträgt 100%.
Mit zunehmender Verdampfung nimmt auch die Strömungsgeschwindigkeit
entlang des jeweiligen Rohres zu, und sowohl der Druckabfall dp/dl als auch der Wärmeübergangskoeffizient
OL weisen entlang des Rohres unterschiedliche Werte auf.
Es ist weiterhin bekannt, daß bei zunehmender durchströmter Rohrlänge und damit zunehmender Massenstromdichte der
mittlere Wärmeübergangskoeffizient Ot* zunimmt. Der Gesamtdruckverlust
Δ ρ nimmt ebenfalls stark zu, und dies verringert die mittlere Temperaturdifferenz Δ^ im Verdampfer.
Da die übertragene Wärmeleistung proportional OG χ Δ w
ist, ergibt sich jeweils für einen bestimmten Anwendungsfall eine bestimmte optimale Rohrlänge. Diese optimale Rohrlänge
läßt sich jedoch in sehr vielen technischen Anwendungsfällen aus konstruktiven Gründen oder Fertigungsgründen nicht
einhalten.
Um die Wärmeübertragungsie istung zu verbessern, ist. es
bereits bekannt, den Strömungsquerschnitt für das Kältemittel nach einer gewissen Rohrstrecke durch Gabelung zu
verdoppeln. Diese Maßnahme kann in manchen Fällen eine Verbesserung erbringen, ermöglicht aber keine echte Optimierung
bzw. Maximierung der Wärmeübertragungsleistung.
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Es sind auch bereits verschiedene Arten von Rohreinbauten bekannt, die sich zumindest über einen Teil der Länge des das
Kältemittel führenden Rohres erstrecken. Mittels dieser Einsätze soll die Kältemittelgeschwindigkeit beeinflußt und
dadurch die Wärmeübertragungsleistung verbessert werden. Nachteilig ist bei diesen beispielsweise in Form von Wendeln
ausgebildeten Rohreinsätzen jedoch vor allem, daß durch diese Einbauten unübersichtliche Strömungszustände entstehen,
die eine Berechnung der Wärmeübertragungsleistung des Gesamtverdampfers verhindern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs definierten Art zu schaffen, das es ermöglicht,
unabhängig von der jeweiligen Rohrlänge die höchstmögliche Wärmeübertragungsleistung gezielt zu erreichen.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß zum Zwecke der Maximierung der Wärmeübertragungsleistung
die Massenstromdichte entlang der Verdampferrohre derart
verändert wird, daß an jeder Stelle eine annähernd gleichmäßige Heizflächenbelastung der Rohroberfläche gegeben ist.
Die Maximierung der Wärmeübertragungsleistung kann insbesondere erreicht werden, wenn die Wärme rein konvektiv von
der Rohrwand an das Kältemittel übertragen wird. Der Bereich des Blasensiedens, der bei Verdampfern bisheriger Bauart im
Bereich kleiner Dampfgehalte auftritt und infolge der relativ niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten einen großen Teil der
Rohrlänge beansprucht, wird vermieden (s. VDI-Wärmeatlas,
Abschn. Ha, Hb).
Die Massenstromdichte und der gleichwertige hydraulische Rohrdurchmesser werden erfindungsgemäß so eingestellt,
daß entlang des Rohres ein gleichbleibender Optimalwert für den Druckgradienten und den Wärmeübergangskoeffizienten
erhalten wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung wird unter Verwendung von sich zumindest über einen Teil der Länge der das Kältemittel
führenden Rohre erstreckenden Rohreinsätzen realisiert, und zwar dadurch, daß der freie Strömungsquerschnitt eines jeden
Rohres durch wenigstens einen Rohreinsatz in Strömungsrichtung des Kältemittels ausgehend von einem zumindest im wesentlichen
flüssiges Kältemittel führenden Minimalwertbereich bis zu einem zumindest im wesentlichen dampfförmiges Kältemittel
führenden Maximalwertbereich erweitert ist.
Bei der Festlegung des Ausmaßes der Erweiterung des freien Strömungsquerschnittes werden die Kriterien des erfindungsgemäßen
Maximierungsverfahrens berücksichtigt, und zwar vorzugsweise auf rechnerischer Basis, da gerade ein wesentlicher
Vorteil der Erfindung darin zu sehen ist, daß aufgrund der einfachen und definierten Geometrie und dadurch übersichtlichen
Strömungszustände die Verdampfer der Berechnung zugänglich
werden. Dies soll jedoch nicht ausschließen, daß das jeweils angestrebte Maximum der Wärmeübertragungsleistung unter Berücksichtigung
der Grundlehre der Erfindung auf dem Versuchswege ermittelt wird.
Als Rohreinsätze werden vorzugsweise geschlossene Verdrängungskörper
verwendet, aber es sind prinzipiell zur Realisierung einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anordnung beliebige
Arten von Verdrängungskörpern geeignet, sofern sie es ermöglichen, den freien Strömungsquerschnitt des Kältemittels längs
des Rohres in der erforderlichen Weise vorzugeben.
In der Praxis kann es vorteilhaft sein, Verdrängungskörper zu verwenden, die aus mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden
und vorzugsweise koaxial im jeweiligen Kältemittelrohr gehalterten Rohrabschnitten bestehen, deren Durchmesser in Strömungsrichtung
des Kältemittels in vorgebbarer Stufung abnimmt.
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Als fertigungs- und montagemäßig günstige Variante ist auch
die Verwendung von einzelnen, relativ zueinander unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisenden Verdrängungskörpern zu
erwähnen, die in den geraden Abschnitten eines schlangenförmig durch ein Lamellenpaket geführten Rohres angeordnet werden
können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert; in der Zeichnung
zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante .
Nach Fig. 1 ist ein Verdampferrohr 1 in üblicher, schlangenförmiger
Weise durch ein Lamellenpaket geführt. In die geraden Abschnitte dieses Rohres 1 sind Verdrängungskörper 2, 21, 2'1
in Form von endseitig geschlossenen Rohren eingeschoben, wobei eine bezüglich des Rohres 1 koaxiale Lagefixierung durch Ansätze
5 sichergestellt ist, die vorzugsweise durch örtlich begrenzte Rohrverformungen realisiert werden. Weil die Rohrkrümmer
nur unwesentlich an der Wärmeübertragung beteiligt sind, ist es nicht erforderlich, in deren Bereich Verdrängungskörper anzubringen.
Die in ihrer Größe, d.h. hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche
unterschiedlichen Verdrängungskörper 2, 2', 21' legen für das
bei 7 zuströmende Kältemittel im Verlauf der Rohrlänge unterschiedliche freie Strömungsquerschnitte fest. So wird zu Beginn
des Rohres 1 durch den Verdrängungskörper 2 ein Ringspalt 3 mit vergleichsweise kleiner Spaltweite festgelegt, wodurch die Massenstromdichte
(kg/qm,s) bzw. die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und der gleichwertige hydraulische Durchmesser verringert werden.
Dies trägt zur Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten und des
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Druckabfalles bei.
Die Spaltbreite bzw. der freie Strömungsquerschnitt wird dabei so eingestellt, daß der optimale Druckgradient dp/dl und die
maximal mögliche mittlere Wärmeübergangsζahlo6 erreicht werden.
Um diesen optimalen Wert des Druckgradienten auch im weiteren Verlauf der Rohrlänge sicherzustellen, muß unter Berücksichtigung
der zunehmenden Verdampfung der freie Strömungsquerschnitt erhöht werden, was durch Verringerung der jeweiligen Querschnittsfläche der in Strömungsrichtung des Kältemittels aufeinanderfolgenden
Verdrängungskörper 2' und 211 erreicht wird. Dieses Prinzip
läßt sich über verhältnismäßig große Rohrlängen erfolgreich anwenden, wobei beispielsweise erst bei einem Dampfgehalt von etwa
90 % auf die Verwendung eines weiteren Verdrängungskörpers verzichtet werden kann. Dies ist in Fig. 1 durch den letzten Rohrabschnitt
4 angedeutet, in dem kein Verdrängungskörper mehr angeordnet werden muß und aus dem das praktisch voll verdampfte
Kältemittel bei 8 austritt.
Anstelle der Verwendung einzelner, relativ zueinander unterschiedliche
Querschnittsflächen aufweisender Verdrängungskörper ist es auch möglich, gemäß einer weiteren Ausführungsvariante
der Erfindung Rohreinsätze zu benutzen, die wiederum als geschlossene Verdrängungskörper ausgebildet sind, jedoch aus
mehreren aufeinanderfolgenden Rohrabschnitten 9, 10, 11, 12 mit abgestuftem Durchmesser stehen. Dies ist in schematischer
Weise in Fig. 2 dargestellt.
Auch bei dieser Ausführungsform ergibt sich somit ein in Strömungsrichtung
zunehmender f.reier Strömungsquerschnitt, wobei die Zunahme dieses freien Strömungsquerschnitts bzw. die Abnahme
der entsprechenden Querschnittsfläche des Verdrängungskörpers gemäß den Bemessunge- und Dimensionierungsvorschriften des Verfahrens
nach der Erfindung erfolgt.
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Das Prinzip der Vorgabe bestimmter freier Strömungsquerschnitte
für das einem Verdampferrohr zugeführte Kältemittel kann nicht nur mittels speziell gewählter Verdrängungskörper realisiert
werden, sondern es ist auch möglich, zumindest zu Teilabschnitten des jeweiligen Verdampferrohres einen Kältemittel-Zusatzkreislauf
parallel zu schalten, wobei das im Zusatzkreislauf umlaufende Kältemittel im betroffenen Teilabschnitt den freien Strömungsquerschnitt für das insgesamt durch das jeweilige Verdampferrohr
geführte Kältemittel verringert, und zwar in einer durch die Dimensionierung des jeweiligen Zusatzkreislaufes vorgebbaren
Weise.
Bei allen praktischen Ausführungsformen und Realisierungen des Verfahrens nach der Erfindung muß jedoch sichergestellt sein,
daß die Massenstromdichte jeweils derart verändert wird, daß an jeder Stelle entlang des Verdampfers eine annähernd gleichmäßige
Heizflächenbelastung der Rohroberfläche gegeben ist, da nur auf diese Weise die angestrebte Maximierung der Wärmeübertragungsleistung entsprechend der Lehre der Erfindung erreicht werden
kann.
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Claims (13)
- Patentansprüche1i Verfahren zur Erhöhung der Wärmeleistung von Verdampfern, insbesondere von Rohrbündelverdampfern, durch sich zumindest über einen Teil der jeweiligen Rohrlänge erstreckende, im Sinne einer Abnahme der Massenstromdichte des Kältemittels wirkende Beeinflussung der Kältemittelströmung, dadurch gekennzeichnet , daß zum Zwecke der Maximierung der Wärmeleistung die Massenstromdichte entlang der durchströmten Rohre derart verändert wird, daß an jeder Stelle entlang des Verdampfers eine annähernd gleichmäßige Heizflächenbelastung der Rohroberfläche gegeben ist.130034/0530QRAMKOW · ROTERMUND 7000 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) SEELBERGSTR. »/25 ■ TEL. (0711) 5672 61 ZENTRALKABSEBAYER.VOLKSBANKEN MÖNCHEN KONTO-NUMMER7270■ POSTSCHECK:MÖNCHEN 77062-805
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Massenstromdichte und/oder der gleichwertige hydraulische Rohrdurchmesser so eingestellt wird, daß an jeder Stelle entlang des Rohres ein Optimalwert für den Druckgradienten und den Wärmeübergangskoeffizienten erhalten wird, die zu einer maximalen mittleren Heizflächenbelastung führen.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Massenstromdichte so eingestellt wird, daß man stets im Bereich des konvektiven Wärmeüberganges liegt.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Teilabschnitt des Rohres mit einem Zusatzkreislauf für das Kältemittel versehen wird.
- 5; Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß in Strömungsrichtung des Kältemittels aufeinanderfolgende Teilabschnitte des Rohres mit jeweils voneinander getrennten und unterschiedlich dimensionierten Zusatzkreisläufen versehen werden.
- 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche unter Verwendung von sich zumindest über einen Teil der Länge der das Kältemittel führenden Rohre erstreckenden Rohreinsätzen, dadurch gekennzeichnet , daß der freie Strömungsquerschnitt eines jeden Rohres (1) durch wenigstens einen Rohreinsatz (2) in Strömungsrichtung des Kältemittels ausgehend von einem zumindest im wesentlichen flüssiges Kältemittel führenden Minimalwertbereich (3) bis zu einem zumindest im wesentlichen dampfförmiges Kältemittel führenden Maximalwertbereich (4) erweitert ist.130034/0530
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Zunahme des freien Strömungsquerschnitts zumindest im wesentlichen der Zunahme des Dampfgehalts der sich einstellenden Zweiphasen-Strömung entspricht.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) als geschlossener Verdrängungskörper ausgebildet ist.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz als im Querschnitt sternförmiger Verdrängungskörper ausgebildet ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) über seine Länge zumindest im wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche besitzt und in Strömungsrichtung des Kältemittels aufeinanderfolgende Rohreinsätze relativ zueinander abnehmende Querschnittsflächen aufweisen.
- 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) über seine Länge eine abnehmende Querschnittsfläche besitzt.
- 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) über StutζVerformungen (5) im Rohr (1) gehaltert ist.
- 13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verdrängungskörper aus mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden, dicht miteinander verbundenen und koaxial im jeweiligen Kältemittelrohr (1)130034/0530gehalterten Rohrabschnitten (9, 10, 11, 12) besteht, deren Durchmesser in Ströraungsrichtung des Kältemittels in vorgebbarer Stufung abnimmt.130034/0530
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