DE3019050A1

DE3019050A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3019050A1
Application number: DE19803019050
Authority: DE
Inventors: Gustav Sune Heurlin; Ingmar Kristoffersson
Original assignee: Alfa Laval AB
Current assignee: Alfa Laval AB
Priority date: 1979-05-25
Filing date: 1980-05-19
Publication date: 1980-12-04
Also published as: GB2051333B; US4354551A; GB2051333A; JPS55158456A; IL60148A0; CA1138422A; SE7904587L; FR2457466A1; BR8003183A; IL60148A; ZA803091B

Description

Wärmeaustauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, mit
dem ein Strömungsmittel unter Verdampfung eines komprimierten
Kühlmittels gekühlt werden soll.

Wärmeaustauscher für diese Anwendung sind seit langem als Eohr-Man.tel-Verdampf er ausgeführt worden. Ein Wärmeaustauscher dieser Art, wie ihn beispielsweise die DE-AS 22 57 427 beschreibt, bestehtaus.einem Rohrbündel aus von einem Mantel umgebenen waagerechten koaxialen Rohren. Das Innere der beiden koaxialen Rohre stellt das Einlaßrohr für das zu verdampfende Kühlmittel dar.
Das verdampfte Kühlmittel wird durch die Außenrohre zurüclc-
und aus dem Wärmeaustauscher herausgeführt, während das zu kühlende Strömungsmittel im Raum zwischen dem Rohrbündel und dem
Mantel strömt.

Die FR-PS 929 204 zeigt einen Verdampfer mit waagerechten Rohren, die mit ihren unteren Enden an eine Verteilerkammer und mit ihren oberen Enden an eine Sammelkammer für verdampftes Gas angeschlossen sind. Die Verteilerkammer, die Verdampferrohre und
die sainnelkammer sind von einem Behälter umgeben, durch den die zu kühlende Flüssigkeit strömt.

Die vorliegende Erfindung schafft einen neuartigen Verdampfer
mit hoher Kühlkapazität trotz geringem Volumen. Der vorgeschlagene Wärmeaustauscher kann im Rahmen der Erfindung abhängig vom

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beabsichtigten Einsatz in vielerlei Gestalt ausgeführt werden.

Der Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet,, daß er mindestens eine plattenförmige Druckzelle aufweist, in der das komprimierte Kühlmittel zur Verdampfung gebracht wird. Die plattenförmige Druckzelle weist Mittel auf, die einen Druckabfall im Kühlmittel bewirken. Weiterhin weist sie Ein- und Auslässe für das Kühlmittel auf und besteht aus dünnen Platten, die an ihren Außenkanten und an Punkten innerhalb der Wärmeaustauschfläche aneinandergefügt sind. Die Druckzelle ist von einem Behälter für das bei der Zustandsänderung des Kühlmittels zu kühlende Strömungsmittel umgeben.

Mit der beschriebenen Ausgestaltung des Raumes, in dem das komprimierte Kühlmittel verdampft wird, erhält man einen besonders effektiven Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem umgebenden Strömungsmittel über eine große Wärmeaustauschfläche.

Die Punktverbindungen, die gleichmäßig über die Wärmeaustauschfläche verteilt sind, beeinflussen den Strömungsverlauf in der Druckzelle so, daß sich ein verbesserter Wärmeaustausch ergibt. Abhängig von der verfügbaren Kapazität des Verdichters und der Temperatur, auf die Strömungsmittel unterschiedlicher Temperatur gekühlt werden sollen, lassen sich die Strömüngsbedirigungen für sowohl das Kühlmittel als auch das Strömungsmittel entsprechend den Anforderungen für den vorgeschlagenen Wäremaustauscher variieren.

Der Wärmeaustauscher weist vorzugsweise anstelle nur einer eine/ Anzahl von aus Platten ausgebildeten Druckzellen auf: Diese Zellen können entsprechend der Anwendung so in Reihe geschaltet

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werden, daß das Kühlmittel durch alle Druckzellen strömt, oder sie lassen sich an eine gemeinsame Verteilerkammer anschließen, aus der das Kühlmittel den Druckzellen zugeführt .wird.

Sind die aus Platten gebildeten DruckzeIlen so miteinander verbunden, daß das Kühlmittel durch sämtliche Druckzellen strömt, wird der Verdampfer mit einer Einrichtung versehen, die einen Druckabfall am Einlaß der ersten der in Reihe geschalteten Druckzellen bewirkt. Es ist auch möglich, jede Druckzelle mit einem Expansionsventil oder einem dünnen Einlaßrohr für das komprimierte kondensierte Kühlmittel zu versehen. Dann stattet man jede Druckzelle mit einem Saugrohr zum Abführen des verdampften Kühlmittels aus.

Die Druckzelle wird mit Vorteil zu zwei Hälften unterteilt durch eine durchgehende Längsverbindung, die über fast die gesamte Druckzelle verläuft, wobei der Einlaß für das Kühlmittel in die Druckzelle in der einen und der Auslaß für das Kühlmittel in der anderen Hälfte angeordnet sind und beide Hälften am dem Kühlmittelein- und -auslaß gegenüberliegenden Ende der Druckzelle miteinander verbunden sind.

Der Wärmeaustauscher ist mit Vorteil so ausgestaltet, daß das zu kühlende Strömungsmittel durch alle Druckzellen geführt wird. Es ist zweckmäßig, das Strömungsmittel im Gegenstrom zu führen; dann ordnet man die Druckzeilen einander so zu, daß man den Durchlaß für das Strömungsmittel abwechselnd an der einen oder der anderen Seite der Druckzellen erhält. Weiterhin ist es möglich, die Verbindung durch eine Durchflußöffnung durch die Druckzellen herzustellen.

Das Material der Druckzellen wählt man je nach dem zu kühlenden Strömungsmittel. Handelt es sich bei dem Strömungsmittel um ein Nahrungsmittel, ist gewöhnlich nichtrostender Stahl er-

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forderlich, obgleich dessen Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig niedrig ist. In anderen Anwendungen (beispielsweise in der verarbeitenden Industrie) lassen sich Metallwerkstoffe besserer Wärmeleitfähigkeit (beispielsweise Kupfer) einsetzen.

Um die Zelle druckfest zu machen* sind die Platten entlang ihrer Außenkanten miteinander verschweißt. Läßt sich die gleiche Druckfestigkeit erreichen, kann man die Platten auch verkleben. Die Druckzelle läßt sich natürlich aus zwei separaten Platten oder einer Platte herstellen, die umgefaltet wird..

Das im Wärmeaustauscher einzusetzende Kühlmittel ist zweckmäßigerweise Freon oder ein anderer halogenierter Kohlenwasserstoff.

Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden, die eine beispielhafte Ausführungsform eines Verdampfers zeigt.

Fig. 1 zeigt den Verdampfer von der Seite;

Fig. 2 einen Schnitt auf der Ebene II-II der Fig. 1 ;

Fig. 3 zeigt den Verdampfer von unten, d.h. der Ebene III-III der Fig. 1 her; und

Fig. 4 zeigt einen beispielhaften Kühlmittelkreislauf, der den beschriebenen Verdampfer enthält.

Wie in Fig. 2 ersichtlich, weist der Verdampfer eine Anzahl von Druckzellen 1, 1", 1"" auf, die von einem. Behälter 2 und einer Bodenplatte 3 umgeben sind. Der Behälter ist mit einem Einlaß 4 und einem Auslaß 5 für ein im Verdampfer zu kühlendes Strömungsmittel versehen. In der Bodenplatte 3 befindet

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sich ein Einlaßrohr 6 für das komprimierte kondensierte Kühlmittel. An den Verdampfer ist ein nicht gezeigtes Expansionsventil angeschlossen, das einen Druckabfall bewirkt. Anstelle des Expansionsventils läßt sich der Druckabfall auch mit einem Kapillarrohr erzeugen. Das Einlaßrohr 6 führt zum Inneren der Druckzelle 1, die mit einer Längsschweißnaht (nicht gezeigt) zu zwei Hälften unterteilt ist. Die Längsschweißnaht endet vor der Oberkante der Druckzelle. Weiterhin sind in der Druckzelle Punktschweißungen innerhalb der Wärmeaustauschfläche vorgesehen. Diese Punktschweißungen verbessern die Druckbeständigkeit der Druckzelle und auch die Strömungsbedingungen in der Druckzelle. Das verdampfte Kühlmittel wird dazu gezwungen, die gesamte Druckzelle zu durchströmen. Die erste Druckzelle 1 ist mit der nächsten Druckzelle 1· anihrer Unterkante über einen Raum 7 verbunden, der in Verbindung mit diesen beiden Druckzellen steht. Die.Verteiieranordnung der Räume (7, 8, ...), die die Druckzellen untereinander verbinden, ist besonders vorteilhaft. Die Druckzellen 1 *, 1" sind über den Raum 8 miteinander verbunden, usw. Das verdampfte Kühlmittel verläßt den Wärmeaustauscher durch einen. Auslaß 9. Um das zu kühlende Strömungsmittel im Verdampfer zu zwingen, jede Druckzelle zu durchlaufen, sind im Behälter 2 Trennwände 10 vorgesehen, die fast zum Boden 3 hin. verlaufen. Diese Trennwände erhöhen die Strömungsgeschwindigkeit im Verdampfer, da der Strömungsraum kleiner wird. Komprimiertes kondensiertes Kühlmittel wird durch ein Expansionsventil und dann unmittelbar in den Verdampfer geführt; das zu kühlende Strömungsmittel führt man in den Verdampfer im Gegenstrom zum Kühlmittel ein. Die zum Verdampfen erforderliche Wärme wird dem Strömungsmittel entzogen, das dadurch kälter wird.

Die Eig. 4 zeigt einen Kühlkreislauf, der einen Verdampfer der in Fig. 1 - 3 beschriebenen Art enthält. Der Kühlkreislauf ent-

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hält einen Verdichter 11, der das umlaufende Kühlmittel komprimiert. Der Verdichter ist mit einer Leitung 12 an einen Kondensator 13 angeschlossen, in dem das Kühlmittel kondensiert. Das komprimierte kondensierte Kühlmittel strömt in der Leitung 14 über ein Expansionsventil zu einem Verdampfer der beschriebenen Art. Das Kühlmittel verdampft dort und wird mit einer Leitung 17 zum Verdichter zurückgeführt, der es erneut komprimiert, und so weiter. Der Druck im Verdampfer kann im Betrieb bis zu 35 atm betragen.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Druckzellen so angeordnet, daß die Schlitze in ihnen sehr schmal sind - beispielsweise etwa 3 mm. Es stellen also die Wärmeaustauschflächen einen sehr großen Teil des verfügbaren Zellvolumens dar. Die über die Wärmeaustauschflächen verteilten punktschweißungen verstärken die Turbulenz in der Zelle und damit den Wärmeaustausch.

Alternativ kann der Behälter mit dem Strömungsmittel gefüllt sein, während das Kühlmittel dem Verdampfer zugeführt wird. Ist der gewünschte Kühleffekt erreicht, wird das Strömungsmittel vom Kühler abgezogen. Ist mit einem Durchlauf durch den Verdampfer der gewünschte Kühleffekt noch nicht erreicht, kann man das Strömungsmittel rückführen und erneut durchlaufen lassen.

Für Anwendungen in der Nahrungsmittelindustrie muß es möglich sein, den Wärmeaustauscher gründlich zu reinigen. Der vorgeschlagene Wärmeaustauscher kann mit Vorteil im Einsatz gereinigt werden (sogenannte CIP-Reinigung); es ist aber ebenso möglich, den Wärmeaustauscher zu reinigen, indem man in regelmäßigen Abständen den Behälter und die Bodenplatte entfernt; dann kann man die Wärmeaustauschflächen der Druckzeilen mechanisch reinigen.

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-In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Druckzeilen von einem rechteckigen Behälter umgeben. Natürlich kann der die Druckzellen umgebende Behälter auch in anderer Gestalt vorliegen - beispielsweise als Zylinder. Bei einer solchen Anordnung findet man Druckzellen mit unterschiedlicher Wärmeaustauschfläche.

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Zusammenfassung:

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Kühlen eines Strömungsmittels durch Verdampfen eines komprimierten Kühlmittels. Der Wärmeaustauscher weist eine oder mehrere plattenförmige Druckzellen (1, 1¹, 1") mit einem Einlaß (6) und einem
Auslaß (9) für das Druckmittel auf. Die Druckzelle besteht dabei aus dünnen Platten, die entlang ihrer Außenkanten und auch an Punkten innerhalb der Wärmeaustauschfläche miteinander verbunden sind. Die Druckzelle ist von einem Behälter (2) für das bei der Zustandsänderung des Kühlmittels zu kühlende Strömungsmittel umgeben.

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Leerseite

Claims

Postfack, S-147 00 Tumba, Schweden

Pat en tansprüche

!.Wärmeaustauscher zum Kühlen eines Strömungsmittels unter Verdampfung eines koirprimierten Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher mindestens eine plattenförmige Druckzelle (1,1', 1") mit Ein- und Auslässen (6, 9) für ein Kühlmittel sowie eine Einrichtung aufweist, die einen Druckabfall im Kühlmittel erzeugt, wobei die Druckzelle aus entlang ihren Kanten und an Punkten innerhalb der Wärmeaustauschfläche miteinander verbundenen dünnen Platten besteht und von einem Behälter (2) für das bei der Zustandsänderung des Kühlmittels zu kühlende Strömungsmittel umgeben ist.

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2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anzahl plattenförmiger Druckzellen (1, 1', 1"), die so verbunden sind, daß das Kühlmittel sämtliche Druckzellen durchläuft.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen eines Druckabfalls im komprimierten kondensierten Kühlmittel air Einlaß (6) der ersten der miteinander verbundenen Druckzellen (1) und ein Auslaß (9) für das verdampfte Kühlmittel an der letzten Druckzelle angeordnet ist.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Druckzelle (1, 1", 1") mittels einer Längsverbindung zu zwei Hälften aufgeteilt ist derart, daß der Kühlmitteleinlaß zur Druckzelle in der einen Hälfte und der Kühlmittelauslaß in der anderen Hälfte angeordnet sind, wobei die beiden Hälften am anderen Ende der Druckzelle miteinander verbunden sind.
5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Druckzelle mit einem Einlaßrohr für das Druckmittel und mit einem Saugrohr versehen ist, durch das das verdampfte Kühlmittel abgeführt wird.
6. Wärmeaustauscher nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Strömungsmittel die Zellen jeweils im Gegenstrom durchläuft.

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