DE3005751A1 - Verfahren und vorrichtung zur erhoehung der waermeleistung von verdampfern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erhoehung der waermeleistung von verdampfern

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DE3005751A1 DE19803005751 DE3005751A DE3005751A1 DE 3005751 A1 DE3005751 A1 DE 3005751A1 DE 19803005751 DE19803005751 DE 19803005751 DE 3005751 A DE3005751 A DE 3005751A DE 3005751 A1 DE3005751 A1 DE 3005751A1
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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)

  1. Patentansprüche
    1i 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.
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    QRAMKOW · ROTERMUND 7000 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) SEELBERGSTR. »/25 ■ TEL. (0711) 5672 61 ZENTRALKABSEBAYER.VOLKSBANKEN MÖNCHEN KONTO-NUMMER7270■ POSTSCHECK:MÖNCHEN 77062-805
  2. 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. 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. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest ein Teilabschnitt des Rohres mit einem Zusatzkreislauf für das Kältemittel versehen wird.
  5. 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. 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.
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  7. 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. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) als geschlossener Verdrängungskörper ausgebildet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz als im Querschnitt sternförmiger Verdrängungskörper ausgebildet ist.
  10. 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. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) über seine Länge eine abnehmende Querschnittsfläche besitzt.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Rohreinsatz (2) über StutζVerformungen (5) im Rohr (1) gehaltert ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verdrängungskörper aus mehreren unmittelbar aufeinanderfolgenden, dicht miteinander verbundenen und koaxial im jeweiligen Kältemittelrohr (1)
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    gehalterten Rohrabschnitten (9, 10, 11, 12) besteht, deren Durchmesser in Ströraungsrichtung des Kältemittels in vorgebbarer Stufung abnimmt.
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