DE3150470A1

DE3150470A1 - Waermetauscher einer waermepumpe oder einer kaelteanlage

Info

Publication number: DE3150470A1
Application number: DE19813150470
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. Dr. 3470 Höxter Bogdanski; Leopold von Dipl.-Ing. 3474 Boffzen Keudell; Manfred 3474 Boffzen Petz
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 1981-12-19
Filing date: 1981-12-19
Publication date: 1983-06-30

Description

STIEBEL ELTRON GmbH &Co"*KG 3150470 Holzminden /Weser

20.11.1981 Akte

Wärmetauscher einer Wärmepumpe oder einer Kälteanlage

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher einer Wärmepumpe oder einer Kälteanlage mit einem topfartigen Behälter, der oben und unten mit Böden geschlossen ist, und mit sich durch den Behälter erstreckenden Wärmetauscherrohren, insbesondere Verflüssiger, bei dem Kältemittel im Behälter kondensiert und Wärmeträgermedium durch die Wärmetauscherrohre geführt ist.

Ein derartiger Wärmetauscher ist bekannt. Seine Wärmetauscherrohre sind etwa folgendermaßen aufgebaut;

Durch die Behälterboden ist ein Sammelrohr für einen Zulauf und ein Sammelrohr für den Ablauf geführt. Die Sammelrohre liegen im Behälter parallel und sind durch zahlreiche über die Höhe des Behälters verteilte Rohrbogen miteinander verbunden. Strömungstechnisch liegen die Rohrbogen damit zueinander parallel. Da Kältemittelheißgas bei einem solchen als Verflüssiger arbeitenden Wärmetauscher oben in den Behälter eingeleitet wird und

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das Kältemittelkondensat unten aus dem Behälter abgezogen wird, erfolgt die Wärmeübertragung von Kältemittel auf die Wärmetauscherrohre damit im Querstrom. Dies bedeutet eine ungünstige Wärmeübertragung.

Jeder der genannten Rohrbogen muß beim Stand der Technik mit jedem der beiden Sammelrohre verlötet sein. Diese Lötstellen liegen zwangsläufig im Innern des Behälters. Einerseits sind solche Lötstellen in der Herstellung aufwendig. Andererseits vor allem ist es unerwünscht, daß„Lötstellen oder sonstige Verbindungen direkt zwischen dem Kältemittelkreis und dem Wärmeträgerkreis liegen.

Günstig ist bei dem genannten Verflüssiger, daß dieser bezogen auf die Größe der Wärmetauscherflächen kompakt aufgebaut ist, wobei zugleich wegen der Parallelschaltung der Rohrbogen der Druckverlust des durch die Wärmetauscherrohre geführten Wärmeträgermediums gering ist. Günstig am topfartigen Behälter ist, daß er keine Einbauprobleme mit sich bringt und sich in ihm unten ohne weiteres das Kältemittelkondensat sammeln kann.

Eine bessere Wärmeübertragung läßt sich im Gegenstrom durch einen Wärmetauscher mit einem koaxialen Doppelrohr erreichen. Bei einem solchen Wärmetauscher wäre ein hoher Druckverlust des Wärmeträgermediums, ein kleines Kältemittelkondensat-Sammelvolumen und ein sperriger Aufbau in Kauf zu nehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der

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eingangs genannten Art mit dessen Vorteilen vorzuschlagen, bei dem die Wärmetauscherrohre im Behälterinnern keine Verbindungsstellen aufweisen und bei dem die Wärmeübertragung im Gegenstrom erfolgt.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Wärmetauscherrohre von wenigstens zwei je einstückigen Rohr— wendeln gebildet sind, die sich zwischen den Böden von oben nach unten wendeln, daß beide Anschlußenden jeder Rohrwendel außerhalb des Behälters liegen und die Rohrwendeln an den Anschlußenden aneinander angeschlossen sind und daß die eine Rohrwendel die bzw« eine andere Rohrwendel zylinderartig umschließt. Damit sind innerhalb des Behälters liegende Verbindungsstellen der Rohrwendeln umgangen. Jede Rohrwendel verläuft für sich durch das Behälterinnere. Der Anschluß der Rohrwendeln aneinander erfolgt außerhalb des Behälters und braucht deshalb erst nach dem Einsetzen der Rohrwendeln in den Behälter durchgeführt zu werden. Anders als bei im Behälter liegenden Lötstellen besteht also nicht die Gefahr¹, daß in einem Störungsfall Kältemittel in die Rohrwendeln eintreten kann. Tritt in den Behälter oben Kältemitteldampf ein und sind die Rohrwendeln von unten nach oben vom Wärme— tauscherraedium durchströmt, dann erfolgt damit in jeder Rohrwendel ein Wärmetausch im Gegenstrom, wobei auch kleinere Teraperaturdifferenzen zu einer Wärmeübertragung führen. Jede Rohrwendel verläuft über eine im Vergleich zur Höhe des Behälters lange Strecke im Behälter und die Rohrwendeln schließen sich, so daß der im Innern des

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Behälters zur Verfügung stehende Raum durch Wärmetauscher flächen ausgenutzt ist. Um geringe Druckverluste für das Wärmeträgermedium zu erreichen, können die Rohrwendeln strömungstechnisch parallel geschaltet werden.

Da die Rohrwendeln separate Einzelteile sind, lassen sich je nach dem Einsatzfall unterschiedliche Führungen des Wärmeträgermediums durch die Rohrwendeln erreichen. Die Rohrwendeln lassen sich einzeln entsprechend ihrer Lage an die dort günstigsten Wärmeübertragungsbedingungen anpassen. Derartige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 einen Verflüssiger einer Wärmepumpe im Schnitt,

Figur Z eine Schnittansicht des Verflüssigers nach Figur 1 längs der Linie H-II nach Figur 1,

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verflüssigers schematisch, wobei die Rohrwendeln,in Reihe geschaltet_}im Gegenstrom beaufschlagt werden,

Figur h ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verflüssigers schematisch, wobei die Rohrwendeln parallelgeschaltet sind,

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verflüssigers schematisch, wobei Eintritt und Austritt des Wärmeträgermediums oben vorgesehen sind,

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Figur 6 in Darstellungen a, b und c in gleicher Länge unterschiedlich gewickelte Rohrwendeln und in Darstellung d die Zusammenstellung der Röhr— wendein im Verflüssiger.

Ein Verflüssiger (Kondensator) einer Wärmepumpe weist einen zylindrischen Behälter 1 auf, dessen Mantel 2 unten mit einem Boden 3 und oben mit einem Deckel 4 verschlossen ist. In den Behälterinnenraum mündet oben ein Einlaßstutzen 5, durch den das Kältemittel als Heißgas eintritt. Unten an den Behälter 1 ist ein Auslaßstutzen angeschlossen, durch den das Kältemittel den Behälter 1 in flüssigem/ gegebenenfalls unterkühltem Zustand verläßt.

Zwischen den Böden 3 und k- verlaufen Rohrwendeln, beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 vier Rohrwendeln 7 bis 10. Die Rohrwendeln sind aus durchgehenden Rohrstücken gewickelt. Sie sind zwischen den Böden von oben nach unten gewendelt.

Die Rohrwendeln 8 und 10 sind gegensinnig zu den Rohrwendeln 7 und 9 gewickelt. Die Rohrwendeln 7 und 8 einerseits und die Rohrwendeln 9 und 10 andererseits liegen auf gleichen zylindrischen Mantelflächen. Die Rohrwendeln 7 und 8 umschließen dabei die Rohrwendeln 9 und 10 zylinderartig. Die Rohrwendeln liegen somit koaxial im Mantel 2.

Jede Rohrwendel weist ein unteres Anschlußende 11 und ein oberes Anschlußende 12 auf. Alle Anschlußenden 11

und 12 liegen außerhalb des Behälters 1. Die unteren Anschlußenden 11 ragen durch den unteren Boden 3« Die oberen Anschlußenden 12 ragen durch den oberen Boden k. Die Rohrwendeln sind im Bereich ihrer Anschlußenden an den Böden abgedichtet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 münden die unteren Anschlußenden 11 in eine untere Kammer 13. Die Anschlußenden. 12 münden in eine obere Kammer 14. An die untere Kammer 13 ist eine Zuleitung 15 für Wärmeträgermedium, nämlich Wasser, angeschlossen. An die obere Kammer 14 ist eine Ableitung 16 für Warmwasser angeschlossen. Es liegen damit die Rohrwendeln 7 bis 10 strömungstechnisch parallel. Dementsprechend niedrig ist der Strömungswiderstand der Wärmetauscherverrohrung insgesamt.

Im Betrieb des Verflüssigers tritt durch den Einlaßstutzen 5 Heißgas ein. Durch die Zuleitung 15» die Rohrwendeln 7 bis 10 und die Ableitung 16 wird Wasser gefördert. Das Heißgas kondensiert im Gegenstrom zum Wasser an den Rohrwendeln.

Die Gesamtrohrlänge der inneren Rohrwendeln 9 und 10 ist kleiner als die Gesamtrohrlänge der äußeren Rohrwendeln 7 „und 8. Das Heißgas tritt in der Achse der zylindrischen Mantelflächen ein, so daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Heißgas und dem Wärmeträgermedium der inneren Rohrwendeln 9 und 10 größer ist als die Temperaturdifferenz zwischen dem die Rohrwendeln 7 und 8 erreichenden Heißgas und dem diese durchströmenden Wasser. Die

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daraus resultierende unterschiedliche Wärmeübertragung ist durch die unterschiedliche Bemessung der Rohrlängen kompensiert.

Entsprechend der gewünschten Leistung des Verflüssigers kann die Anzahl der Rohrwendeln, deren Länge und Steigung variiert werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 sind Rohrwendeln 17» 18 und 19 vorgesehen, die auf drei konzentrischen zylindrischen Mantelflächen liegen. Die Rohrwendeln 17» 18 und 19 sind mittels Rohrbogen 20 und 21 strömungstechnisch in Reihe geschaltet. Im zylindrischen Behälter sind zwischen den Rohrwendeln 17, 18 und 19 Umlenkzylinder 22 und 23 angeordnet. Innerhalb der Mantelfläche der inneren Rohrwendeln 19 ist unterhalb des Einlaßstutzens ein Leitkörper 2k angeordnet. Der Umlenkzylinder 23 sitzt am oberen Boden k und reicht nicht bis zum unteren Boden 3· D^er Umlenkzylinder 22 sitzt am unteren Boden 3 und reicht nicht bis zum oberen Boden 4. Im Bereich des unteren Bodens 3 hat er kleine Öffnungen 25, durch die Kondensat zum Auslaßstutzen 6 fließen kann. Die Rohrbogen 20 und 21 sind an die außerhalb der Böden 3 und k liegenden Anschlußenden 11 bzw. 12 angeschlossen. Die Anschlußenden 11 bzw. 12 können hierfür beispielsweise als Gewindestutzen oder Lötstutzen ausgebildet sein.

Tritt beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 Heißgas durch den Einlaßstutzen 5 ein, dann wird dieses vom Leitkörper 24 zunächst rundum an die innere Rohrwendel· 19 geleitet. Es strömt längs des Umlenkzylinders 23 zunächst

nach unten und dann längs der Rohrwendel 18 nach oben, wonach es längs der Rohrwendel 17 nach unten strömt. Kondensat wird durch den Auslaßstutzen 6 abgezogen. Damit erfolgt die Wärmeübertragung nicht nur an jeder Rohrwendel für sich im Gegenstrom, sondern an den in Reihe geschalteten Rohrwendeln insgesamt im Gegenstrom.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur k mündet der Einlaßstutzen 5 in einen Verteiltopf 26, der an seinem Umfang Öffnungen 27 in Richtung der Rohrwendeln 28, 29 und 30 aufweist. Die Rohrwendeln 28, 29 und 30 sind über Rohrbogen 31 und 32 parallelgeschaltet. Der Verteiltopf 26 kann unten offen oder geschlossen sein in Richtung zum zylindrischen Behälter 1.

In Figur 5 sind Rohrwendeln 33» 3^ und 35 gezeigt, die mittels eines Rohrbogens 36 und eines Rohrbogens 37 so verbunden sind, daß den parallelgeschalteten Rohrwendeln 3^· und 35 die Rohrwendel 33 in Reihe geschaltet ist. In Figur 5 liegen sowohl die Zuleitung 15 als auch die Ableitung 16 oben. Der untere Rohrbogen 36 ist mit einem Entleerungsventil 38 versehen.

In Figur 6a, b, c sind drei Rohrwendeln 39» ^O und kl gezeigt, welche so gewickelt sind, daß sie die gleiche Rohrlänge aufweisen. Die Rohrwendel 39 verläuft dabei eine kleine Strecke auf einer äußeren Mantellinie und für den Rest ihrer Länge auf einer inneren Mantellinie.

,läuft
Die Rohrwendel 40 /über einen Teil ihrer Länge auf der äußeren Mantellinie und zum Rest auf einer mittleren Mantellinie. Die Rohrwendel 41 verläuft nur auf der äusseren Mantellinie. In Figur 6d ist die Zusammenstellung

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dieser Rohrwendeln 39» 40 und 4i im Behälter 1 gezeigt. Die Rohrwendeln 39» 4o und 4i weisen alle gleiche Strö— mungswiderstände auf. Sie sind außerhalb des Behälters mit Rohrbogen 42, 43 parallelgeschaltet.

Die Rohrwendeln müssen nicht alle im gleichen Wärme— trägerkreis liegen. Es ist auch möglich, für einen weiteren Wärmeträgerkreis, beispielsweise für die Brauchwasserbeheizung eine der Rohrwendeln vorzusehen.

Im Rahmen der Erfindung liegen auch Kombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung ist nicht nur bei einem Verflüssiger, sondern ebenso bei einem Verdampfer einer Wärmepumpe einzusetzen. Der Behälterinnenraum wird dann vom Wärmeträgermedium durchströmt. Das Kältemittel fließt in den Rohrwendeln.

Leerseite

Claims

20.11.1981 Patent-yschutzansprüche

1.) Wärmetauscher einer Wärmepumpe oder einer Kälteanlage mit einem topfartigen Behälter, der oben und unten mit Böden geschlossen ist, und mit sich durch den Behälter erstreckenden Wärmetauscherrohren, insbesondere Verflüssiger, bei dem Kältemittel im Behälter kondensiert und Wärmeträgermedium durch die Wärmetauscherrohre geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre von wenigstens zwei je einstückigen Rohrwendeln (7 bis 10; 17, 18, 19; 28, 29, 30; 33, 3^, 35; 39, 40, 41) gebildet sind, die sich zwischen den Böden (3, 4) von oben nach unten wendeln, daß beide Anschlußenden (11, 12) jeder Rohrwendel außerhalb des Behälters (i) liegen und die Rohrwendeln an den Anschlußenden (11, 12) aneinander angeschlossen sind und daß die eine Rohrwendel die bzw. eine andere Rohrwendel zylinderartig umschließt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendeln an ihren Anschlußenden (11, 12) über Rohrbogen (20, 21 ) miteinander verbunden sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußenden Gewindestutzen oder Lotstutzen sind.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendeln konzentrisch zueinander und zum Behälter (i) angeordnet sind.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche," dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwendeln unterschiedliche Rohrlänge aufweisen, wobei die Rohrlänge innenliegender Rohrwendeln (9, 10) kürzer ist als die außenliegender Rohrwendeln (7» 8).

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Rohrwendeln gleiche Rohrlänge aufweisen.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Rohrwendeln (39» ^O) teilweise auf einer äußeren Mantellinie und teilweise auf einer mittleren oder inneren Mantellinie verlaufen.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer inneren Rohrwendel (i9) ein Leitkörper {Zh) angeordnet ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Rohrwendeln (17» 18, 19) Umlenkzylinder (22, 23) angeordnet und die Rohrwendeln (i7, 18, 19) in Reihe geschaltet sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der inneren Rohrwendel (30) ein Verteilertopf (26) angeordnet ist.

11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf gleicher Mantelfläche liegende Rohrwendeln (7, 8 bzw. 9» 1O)-gegensinnig gewickelt sind.

12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an verschiedene Rohrwendeln verschiedene Wärmeträgerkreise angeschlossen sind.