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Wärmetauscher für eine Absorptionskälte- oder Wärmepumpen-
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anlage Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Absorptionskälte-
oder Wärmepumpenanlage mit mindestens einem in einer Ebene verlaufenden und für
die Durchströmung durch einen ersten Wärmeträger vorgesehenen Wärmetauschrohr, das
in einer Schale angeordnet ist, die mit einem Zulauf und Überlauf für einen zweiten
Wärmeträger versehen ist.
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Ein bekannter Wärmetauscher dieser Art weist Wärmetauschrohre auf,
die durch entsprechende Anordnung des Überlaufes der Schale vollständig vom zweiten
Wärmeträger überflutet sind.
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Wird dieser Wärmetauscher als Kocher einer Absorptionskälte-oder Wärmepumpenanlage
eingesetzt, so entsteht beim Durchtritt der Dampfblasen durch den zweiten Wärmeträger
ein Druckverlust, der einen negativen Einfluß auf das Wärmeverhältnis des Absorptionsprozesses
ausübt. Zusätzlich wird
infolge der überfluteten Wärmetauschrohre
durch die ungünstige Anordnung von Zulauf und Überlauf keine eindeutige Richtung
bzw. Führung der Strömung erzielt, so daß im Falle der Absorptionskälte- oder Wärmepumpenanlage
die Möglichkeit der Vermischung von armer und reicher Lösung gegeben ist.
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Thermodynamisch gesehen stellt diese Vermischung eine Entropievermehrung
und somit einen irreversiblen Vorgang dar, der den Wirkungsgrad der Austreibung
bzw. Absorption im Wärmetauscher negativ beeinflußt. Darüber hinaus wird der Wärmetauscher
durch den großen Inhalt der Schale in regeltechnischer Hinsicht träge und wenig
anpassungsfähig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher
der eingangs genannten Art anzugeben, der für den Einsatz in Absorptionskälte- oder
Wärmepumpenanlagen abgestimmt ist, gleichmäßige Verteilung und eindeutige Strömung
richtung des zweiten Wärmeträgers mit guter Regelmöglichkeit verbindet und geringen
Druckabfall aufweist. Darüber hinaus soll der Wärmetauscher einfach im Aufbau und
somit kostengünstig herzustellen sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun erfindungsgemäß darin, daß der
Überlauf in einer solchen Höhenlage angeordnet ist, daß das Wärmetauschrohr im Querschnitt
gesehen auf höchstens zwei Drittel, vorzugsweise der Hälfte seiner Erstreckung in
Höhenrichtung vom zweiten Wärmeträger umspült wird, daß die metallische Schale das
Wärmetauschrohr möglichst eng umfaßt und der Boden der Schale unter Freilassung
wenigstens eines, höchstens einen ausreichenden Durchtritt des zweiten Wärmeträgers
zulassenden Spaltes stellenweise oder bereichsweise am Wärmetauschrohr gut wärmeleitend
befestigt ist, und daß das Wärmetauschrohr auf seiner Außenfläche weitgehend mit
einer Kapillarstruktur versehen ist.
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Durch die Absenkung des Flüssigkeitsstandes auf höchstens zwei Drittel,
vorzugsweise die Hälfte des Durchmessers des Wärmetauschrohres wird zunächst einmal
die sich im Wärmetauscher befindende Menge des zweiten ~Wärmeträgers erheblich verringert
und somit seine Regelfähigkeit verbessert. Um hierbei die Austauschoberfläche groß
zu halten, ist das Wärmetauschrohr auf seiner Außenseite mit einer Kapillarstruktur
versehen, so daß auch jener Bereich des Wärmetauschrohres, der aus dem Flüssigkeitsspiegel
ragt, durch Kapillarwirkung mit einem Film des zweiten Wärmeträgers überzogen und
voll wirksam ist. Durch die möglichst nahe Heranführung' der Schale an das Wärmetauschrohr
sind Toträume vermieden und gleichzeitig ist der Inhalt der Schale weiter verringert.
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Diese Heranführung der Schale an das Wärmetauschrohr geht so weit,
daß zwischen dem Boden der Schale und dem Wärmetauschrohr lediglich ein solcher
Spalt verbleibt, der gerade eine ausreichende Durchströmung des zweiten Wärmeträgers
in Richtung zum Überlauf gestattet, wobei die Enge des Spaltes einen gleichmäßigen
Durchtritt des zweiten Wärmeträgers die gesamte Rohrlänge bewirkt und somit eine
gleichmäßige Beaufschlagung des Wärmetauschrohres erzielt. Schließlich wird durch
die stellenweise oder bereichsweise Befestigung des Wärmetauschrohres am Boden der
Schale die Strömung im Spalt weiter vergleichmäßigt und zusätzlich die im Wärmetausch
stehende Oberfläche des Wärmetauschrohres vergrößert. Diese Wirkungen treten dann
bevorzugt auf, wenn insbesondere mehrere Wärmetauschrohre nebeneinander in einer
Ebene verlaufend angeordnet sind.
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Eine empfehlenswerte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen,
daß das Wärmetauschrohr eine Wandstärke aufweist, die im Verhältnis zum Außendurchmesser
groß ist. Hierdurch
wird die Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschrohres
in peripherer Richtung erhöht, so daß auf die aus dem Flüssigkeitsspiegel ragenden
Bereiche des Wärmetauschrohres unvermindert am Wärmetausch teilnehmen.
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Die auf der Außenseite des Wärmetauschrohres angeordnete Kapillarstruktur
kann an sich beliebig ausgebildet sein, bevorzugt jedoch sind eingearbeitete peripher
umlaufende Rillen oder ein auf der Außenwand gut wärmeleitend angebrachtes engmaschiges
Metallnetz.
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Um eine gleichmäßige Abfuhr des zweiten Wärmeträgers aus der Schale
zu stabilisieren, ist es empfehlenswert, daß der Überlauf an seiner Ablaufkante
mit gleichmäßig verteilten wellenförmigen oder zackenförmigen Abflußnasen versehen
ist.
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Sind, wie meistens üblich, mehrere in einer Ebene nebeneinanderliegende
Wärmetauschrohre vorhanden, die im Querschnitt gesehen eine Gruppe bilden, ist es
für eine eindeutige Strömungsführung empfehlenswert, daß der Zulauf auf der einen
Seite und der Überlauf auf der anderen Seite der Gruppe.
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angeordnet ist.
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Bei Wärmetauschern mit geraden Wärmetauschrohren, die in mehreren
Ebenen übereinander angeordnet sind ist es vorteilhaft, daß die Überläufe der einzelnen
Schalen wechselseitig angeordnet sind und jeweils den Zulauf für die darunter angeordnete
Schale bilden. Hierdurch wird im Wärmetauscher eine mäanderförmige und somit eindeutige
Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgers erreicht.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann auch darin
bestehen, daß die Wärmetauschrohre kreisringförmig
oder spiralig
gewunden, wenigstens in zwei Ebenen Xbereinanw der angeordnet und in kreisförmigen
Schalen vorgesehen sind, die Überläufe aufweisen, die abwechselnd zentrisch oder
peripher angeordnet sind. Diese Anordnung gewährleistet auch bei dieser speziellen
Ausbildung eine eindeutige Führung des zweiten Wärmeträgers.
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Weitere Vorteile und empfehlenswerte Merkmale der Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den
schematischen Zeichnungen hervor.
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Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch den Gegenstand der
Erfindung gemäß der Schnittlinie I - I der Fig. 4 mit Wärmetauschrohren, die in
drei Ebenen übereinander angeordnet sind, wobei innerhalb des Wärmetauschers verlaufende
Teile, die hinter der Schnittebene angeordnet sind, nicht dargestellt sind, Fig.
2 die vergrößerte Seitenansicht eines Wärmetauschrohres im Ausschnitt, Fig. 3 eine
Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 2, Fig. 4 den inneren Aufbau des Wärmetauschers
in Seitenansicht aus Richtung IV - IV der Fig. 1, Fig. 5 einen Schnitt durch den
Gegenstand der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie V -V, wobei hinter der Schnittebene
liegende Teile nicht dargestellt sind, Fig. 6 einen Schnitt durch den Gegenstand
der Fig. 1 gemäß der Schnittlinie VI - VI und Fig. 7 einen vertikalen Querschnitt
durch einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung in einer Ausführungsvariante mit Wärmetauschrohren
in verschiedenen
Ebenen, die jeweils kreisringförmig ausgebildet
und konzentrisch zueinander angeordet sind.
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Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In Fig. 1 ist der vertikale Querschnitt durch einen Wärmetauscher
gemäß der Erfindung dargestellt. Die Wärmetauschrohre 10 sind als gerade Rohre ausgebildet,
die mit gegenseitigem Abstand verlaufen und zu drei Gruppen 12, 14, 16 von jeweils
neun Wärmetauschrohren zusammengefaßt sind. Die einzelnen Gruppen 12, 1#, 16 verlaufen
jeweils in einer horizontalen Ebene und sind mit gegenseitigem Abstand übereinander
angeordnet. Zur Verbindung der Wärmetauschrohre 10 der obersten Gruppe 12 mit den
Wärmetauschrohren der mittleren Gruppe 14 sind am rechten Ende der Wärmetauschrohre
10 Rohrbogen 18 vorgesehen, wie dies aus der Seitenansicht gemäß Fig. 4 zu erkennen
ist. Auf die gleiche Weise sind die Wärmetauschrohre der Gruppe 14 am linken Ende
über Rohrbogen 20 mit den Wärmetauschrohren der unteren Gruppe 16 verbunden. Für
die Zufuhr des ersten Wärmeträgers zu den Wärmetauschrohren sind die rechten Enden
der Wärmetauschrohre 10 der Gruppe 16 an ein Verteilrohr 22 angeschlossen, wogegen
für den Abfluß des ersten Wärmeträgers am linken Ende der oberen Gruppe ein# Sammelrohr
24 vorgesehen ist. Das Verteilrohr 22 ist in der Darstellung gemäß Fig. 1 im Innenraum
des Wärmetauschers, der von einem ringzylindrischen Mantel 26 begrenzt wird, nicht
eingezeichnet.
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Die Wärmetauschrohre 10 der einzelnen Gruppen 12, 14, 16 sind jeweils
in einer nach oben offenen, flachen Schale 32, 34, 36 angeordnet. Jede der Schalen
besitzt an drei zusammenhängenden Seiten einen ungefähr vertikal verlaufenden Rand
38, der
sich in vertikaler Richtung ungefähr bis zur Oberkante
der Wärmetauschrohre erstreckt, wogegen der vertikal verlaufende vierte Rand sich
in Höhenrichtung bis ungefähr zur Hälfte des Durchmessers der Wärmetauschrohre ausdehnt
und den Überlauf 40 in Form eines Überlaufwehres bildet. Der Überlauf 40 springt
hierbei über den Boden 52 in vertikaler Richtung nach unten vor und ist dort mit
wellenförmigen oder zackenförmigen Abflußnasen 42 versehen (vergleiche Fig. 4).
Jener Rand der Schalen, welcher jeweils den Überlauf 40 bildet, erstreckt sich in
Längsrichtung der Wärmetauschrohre 10.
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Oberhalb der obersten Gruppe 12 von Wärmetauschrohren ist ein Zulauf
44 in Form eines horizontal verlaufenden Rohres vorgesehen, das drei gleichmäßig
über die Länge der Wärmetauschrohre 10 verteilte Zulaufrohre 46 aufweist. Diese
münden in die Rinne 48 zwischen Rand 38 und dem linken Wärmetauschrohr 10 der Gruppe
12, wie dies deutlich aus Fig.
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1-zu ersehen ist. Um hierbei einen sicheren Zufluß des zweiten Wärmeträgers,
der im Zulauf 44 geführt wird, zu erzielen, ist der linke Rand 38 leicht zur Vertikalen
geneigt, so daß sich die Schale 32 im Querschnitt gemäß Fig. 1 nach oben leicht
erweitert und die Rinne 48 zwischen Rand 38 und Wärmetauschrohr 10 bildet.
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Die einzelnen Schalen 32, 34, 36 sind nun derart übereinander angeordnet,
daß der Überlauf bzw. die Abflußnasen 42 abwechselnd rechts und links der Gruppe
von Wärmetauschrohren angeordnet ist. Hierbei ist die Anordnung so getroffen, daß
sich die Abflußnasen 42 jeweils über der Rinne 48 der darunterliegenden Gruppe befinden
und der die Wärmetauschrohre außen umströmende zweite Wärmeträger kaskadenförmig
von Schale zu Schale und schließlich in den Mantel 26 fließt, von wo dieser durch
den Stutzen 50 abgezogen werden kann.
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Der Boden 52 der einzelnen Schalen verläuft im wesentlichen in einer
Ebene und mit Abstand zu den Wärmetauschrohren 10, so daß ein Spalt 54 für den Durchtritt
des zweiten Wärmeträgers frei bleibt. Um nun eine gut wärmeleitende Verbindung der
Wärmetauschrohre mit den einzelnen Schalen zu erreichen, weisen diese vorzugsweise
stellenweise nach oben zeigende Ausprägungen 56 auf, die sich bis zu den Wärmetauschrohren
10 erstrecken und dort gut wärmeleitend befestigt sind, z. B.
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durch Lötung oder Verschweißung. Über die Gesamtlänge der Wärmetauschrohre
gesehen sind eine Vielzahl solcher kegelförmigen Ausprägungen vorhanden, deren Anzahl
dadurch begrenzt ist, daß ein ausreichender Durchtrittsquerschnitt für den zweiten
Wärmeträger, der die Wärmetauschrohre außen benetzt, vorhanden ist. Im übrigen ist
darauf zu achten, daß die Strömung des zweiten Wärmeträgers die Wärmetauschrohre
gleichmäßig umspült.
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Fig. 2 zeigt ein Stück eines Wärmetauschrohres 10 in Seitenansicht.
Dieses ist mit peripher umlaufenden Rippen oder Rinnen 58 versehen, deren axialer
Abstand so gering ist, daß das gesamte Wärmetauschrohr von einem Film des zweiten
Wärmeträgers überzogen wird, auch wenn dieser nur einen Teil des Außenrohres umströmt.
Anstelle der Rippen 58 kann auch ein engmaschiges Metallnetz 60 Verwendung finden,
wie dies Fig. 3 zeigt.
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Während des Betriebes wird der erste Wärmeträger in Form einer Flüssigkeit
durch das Verteilrohr 22 den Wärmetauschrohren 10 zugeführt und nach dem Wärmeaustausch
über das Sammelrohr 24 abgeleitet. Der zweite Wärmeträger fließt vom Zulauf 44 über
die verteilt angeordneten Zulaufrohre -46 in die Rinne 48 der oberen Schale 32.
Von hier verteilt sich
diese durch die Spalte 54 über die gesamte
Schale, steigt langsam an und fließt beim Erreichen des Überlaufniveaus über den
ueberlauf 40 und die Abflußnasen 42 in die Rinne 48 der darunterliegenden Schale
34 zu Wiederholung des Spieles.
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Durch die entsprechende Ausbildung des Überlaufes 40 werden hierbei
die Wärmetauschrohre 10 jeweils nur in ihrer halben Höhe vom zweiten Wärmeträger
außen umspült. Um trotzdem eine Benetzung des gesamten Rohrumfanges zu erreichen,
sind die in Fig. 2 bzw. Fig. 3 gezeigten Kapillarstrukturen vorgesehen.
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Hierdurch wird die Austauschfläche vergrößert.
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Da die Wandstärke der Wärmetauschrohre im Verhältnis zum Außendurchmesser
groß ist, vorzugsweise im Verhältnis 1:4 bis 1:8, besteht eine gute Wärmeleitfähigkeit
in peripherer Richtung, das heißt, die Wärmetauschrohre nehmen auch in jenen Bereichen
voll am Wärmetausch teil, die nicht unmittelbar vom zweiten Wärmeträger umspült
sind.
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Aus den Fig. 5 und 6 sind die Ausprägungen 56 der Schalen deutlich
zu erkennen. Diese sind über die Länge der Wärmetauschrohre in einer Vielzahl gleichmäßig
verteilt angeordnet, so daß der-Spalt 54 unterteilt ist. Die lichte Höhe des Spaltes
beträgt etwa 1/8 bis 1/12 des Außendurchmessers des Wärmetauschrohres. Wie ein Vergleich
der Fig. 5 und 6 ergibt, sind die Ausprägungen 54 benachbarter Wärmetauschrohre
10 nicht auf einer senkrecht die Wärmetauschrohre schneidenden Linie sondern versetzt
angeordnet Die Ausprägungen besitzen ein kegelförmiges oder halbkugeliges Profil.
Auch wäre es möglich, die Ausprägungen linienförmig auszubilden, so daß die Wärmetauschrohre
bereichsweise mit dem Boden 52 verbunden wären. Die Basis der Ausprägungen weist
einen Durchmesser bzw. eine Breite-auf, die ungefähr ein Viertel bis zur Hälfte
des Außendurchmessers eines Wärmetauschrohres beträgt.
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Fig. 7 zeigt schließlich einen zentralen Vertikalschnitt durch eine
Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 1.
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Während in Fig. 1 die Wärmetauschrohre gerade ausgebildet sind, weisen
die Wärmetauschrohre 70 gemäß Fig. 7 kreisringförmige Form auf und sind konzentrisch
ineinander zu Gruppen angeordnet. Auch wäre es möglich die Rohre einer Gruppe spiralig
auszubilden. Zudem sind hier drei Gruppen übereinander angeordnet und mit kreisförmigen
Schalen 72, 74, 76 versehen. Der Zulauf 78 ist kreisringförmig ausgebildet und mit
gleichmäßig verteilten Zulaufrohren 80 versehen. Der Überlauf 82 der einzelnen Schalen
ist abwechselnd im Zentrum in Form eines Rohres (Schalen 72 und 76) oder an der
Peripherie vorgesehen (Schale 74). Selbstverständlich sind auch hier die Überläufe
entsprechend dem anderen Ausführungsbeispiel mit Abflußnasen 42 versehen. Bezüglich
der Befestigung der Schalen an den Wärmetauschrohren 70 gelten die weiter oben gemachten
Ausführungen sinngemäß, der Übersicht wegen sind in Fig. 7 keine Ausprägungen dargestellt.
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L e e r s e i t e