DE3511829A1 - Refrigerant evaporator/condenser construction - Google Patents

Refrigerant evaporator/condenser construction

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Abstract

Refrigerant evaporator/condenser construction as heat pump components in the low-temperature range permit the installation of especially large and efficient heat-exchanger surfaces in relation to the performance required. A favourable performance number or annual work number is thus achieved. By means of the best heat-transmission properties, there are lower circulating volumes. Current is thus saved. The core-piece is block B, consisting of flow-optimised, profiled plate pairs. These are flowed through optimally by the media brine and refrigerant using the counterflow principle. Equipping chambers for gas, mist or liquid refrigerant. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Niedertemperaturheizsystem für Gebäude mit Wärmepumpenbetrieb, speziell mit Umweltwärmenutzung aus Luft und Boden bei Heizungsvorlauftemperaturen unter 40° C aus Sole um die 0° C.
Es soll mit den Elementen Kältemittelverdampfer und -kondensator eine maßgeschneiderte Wärmepumpe für den Nullgradbereich, mit rel. geringer Leistung , optimierbar sein. Dazu fehlen bislang am Markt die hier entwickelten Geräte. Gedacht ist an Heizleistungen zwischen 5-15 kW.The invention relates to a low-temperature heating system for buildings with heat pump operation, especially with use of environmental heat from air and soil at heating flow temperatures below 40 ° C from brine around 0 ° C.
With the elements refrigerant evaporator and condenser, a tailor-made heat pump for the zero degree range, with rel. low performance, be optimizable. The devices developed here have so far been lacking on the market for this purpose. The idea is for heating capacities between 5-15 kW.

Es gibt zwar Wärmetauscher in Kompaktbauweise für die Übergabe von Fernheizungswärme. Diese sind jedoch für den Betrieb eines Verdampfers nicht geeignet. Bezug: Druckschrift von ALFA-LAVAL BE 3734 A / 1.75. Der ideale Plattenvis£^3Hi$£lrrfür -KöWmittel fehlt ebenso.There are heat exchangers in compact design for the transfer of district heating. However, these are not suitable for operating an evaporator. Reference: publication from ALFA-LAVAL BE 3734 A / 1.75. The ideal plate vis £ ^ 3Hi $ £ lr r for -KöWmittel is also missing.

Die Erfindung geht davon aus, daß Röhrenverdampfer, auch neuerer Bauart wievon VDM, nicht an die Leistung von funktionstüchtigen Plattenverdampfern heranreichen können. Dabei kann sogar Nirosta-Stahl Verwendung finden.
Vor allem soll mit einer genügend großen Verdampferfläche die Anhebung der Leistungsziffer bzw. Jahresarbeitszahl erreicht werden. Schließlich ist das Maß der Verdampferfläche eine wichtige Einflußgröße, die in Konfektionswärmepumpen i.d.R. zu knapp ausgelegt ist. Die Nenngrößen von konfektionierten Wärmepumpen beziehen sich so gut wie nie auf 0° C Sole.The invention is based on the assumption that tube evaporators, even of the more recent designs such as those from VDM, cannot achieve the performance of functional plate evaporators. Even stainless steel can be used for this.
Above all, with a sufficiently large evaporator surface, the increase in the coefficient of performance or the annual coefficient of performance should be achieved. After all, the size of the evaporator area is an important influencing factor, which is usually too tight in ready-made heat pumps. The nominal sizes of prefabricated heat pumps almost never relate to 0 ° C brine.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß anstelle von Rohren bewährte, profilierte Wärmetauscherplatten verwendet werden,in entsprechender Abänderung.zur Erreichung eines hohen Gasvolumen-Durchsatzes. Da wurde zum einen eine Gaskammer geschaffen, in der eine Vernebelungsdüse das flüssige Kältemittel zerstäubt und zum anderen wurden die Platten darunter in fast vollem Querschnitt zum Einströmen des Nebelgemisches geöffnet. Durch den Kompressorsog wird so eine hervorragende Beaufschlagung der Plattenwände erreicht und damit eine günstige, schnelle Verdampfung des Kältemittels. Für den Fall nicht vollständiger Verdampfung ist unter der Gaskammer ein Kältemittelpumpensumpf vorgesehen. So wird erreicht, daß die Platten nicht in Kältemittel 'ersaufen', was deren Leistung mindern würde. Der angepaßte Kondensator gleichen Bauprinzips zirkuliert mit einem Pufferspeicher, dessen Temperatur über ein .VENTIL! die Vernebelungsmenge des Kältemittels steuert. Auf diese Weise kann auch der Kompressorbetrieb 2-stuf?g gefahren werden. Optimale Verdampfung>wie auch geringster Stromverbrauch,sind so möglich.The object is achieved according to the invention in that, instead of tubes , well-proven, profiled heat exchanger plates are used, in a corresponding modification to achieve a high gas volume throughput. On the one hand, a gas chamber was created in which an atomizing nozzle atomizes the liquid refrigerant and, on the other hand, the plates underneath were opened in almost full cross-section to allow the mist mixture to flow in. The compressor suction achieves excellent loading of the plate walls and thus cheap, rapid evaporation of the refrigerant. In the event of incomplete evaporation, a refrigerant pump sump is provided under the gas chamber. This ensures that the plates do not 'drown' in refrigerant, which would reduce their performance. The adapted condenser of the same construction principle circulates with a buffer storage, the temperature of which is via a .VENTIL! controls the amount of refrigerant atomized. In this way, the compressor can also be operated in 2 stages. Optimal evaporation > as well as the lowest power consumption are possible.

- 8T -- 8 T -

Zum Anfahren der Anlage kann es von Nutzen sein, ein Druckgefäß em/urichten,zur Betreibung der Vernebelungsdüse nach abgeschaltetem Kompressor. Das Gefäß wäre gegen Auskühlung zu isolieren.To start up the system, it can be useful to set up a pressure vessel for Operation of the nebulization nozzle after the compressor has been switched off. The vessel would have to be insulated against cooling.

Der Kondensator wird plattenmäßig kleinere Abmessungen aufweisen. In jedem Fall sind entsprechende Berechnungen anzustellen. Leistungsdaten sollten allerdings erst praktisch erprobt und ermittelt werden.The capacitor will have smaller dimensions in terms of plates. In appropriate calculations must be made in each case. Performance data should, however, first be tested and determined in practice.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert: Es zeigen:The invention is explained below with reference to drawings:

Fig. 1 a-c Blockdarstellung der Verdampfer- /KondensatorkonstruktionFig. 1 a-c block diagram of the evaporator / condenser construction

Fig. 2 Vertikalschmtt durch den VerdampferFig. 2 Vertical flow through the evaporator

Fig. 3 Querschnitt durch die Gaskammer C3 cross section through the gas chamber C.

\ Fig. 4 Vertika.1 s.c hn i t.tdurch den Block B\ Fig. 4 Vertika.1 s.c hn i t.t through the block B

Fig. 5, 6 Draufsicht. Block B - Gaskammer A1 mit Aufprallkörpe-rFig. 5, 6 plan view. Block B - gas chamber A 1 with impact body

Das flüssige Kältemittel fließt nach Verlassen des Entspannungsventils (8) über die Leitung (15) zur Vernebelungsdüse (17), die bei Wärmepumpenbetrieb Kältemitteldruckgas aus Leitung (16) erhält und damit die Vernebelung bewirkt. Der Nebel breitet sich in der Vernebelungskammer A aus und dieser wird durch den Kompressorsog senkrecht nach unten durch die Platten (1) gezogen und benetzt die inneren Oberflächen, worauf die Verdampfung des Kältemittels beginnt, bedingt durch die Wärme der auf der anderen Wandseite durchfließenden Sole. Evtl.nicht verdampfter Kältemittelnebel kann sich im Kältemittelsumpf D absetzen. Nach Abschalten der Wärmepumpe wird automatisch Ventil (12) geöffnet für eine vorbestimmte Zeit, sodaß Kältemittel ^- in Behälter (13) fließ\. In der Gaskammer C wird über die Absaugeinrichtung (9) das Kältemittelgas in den Kompressor geleitet.- · Von dort gelangt es nach Verdichtung in den Kondensator I I . Dieser besteht nur aus den Bauteilen Gaskammer A', Block B und Nebelkammer C. Von letzterer führt die Leitung (15) zum Entspannungsventil (8) und danach wieder zur Vernebelungskammer A. 'The liquid refrigerant flows after leaving the expansion valve (8) via the line (15) to the atomizing nozzle (17), which is used when the heat pump is in operation Compressed refrigerant gas from line (16) receives and thus the nebulization causes. The mist spreads in the misting chamber A and this one is drawn vertically downwards through the plates (1) by the compressor suction and wets the inner surfaces, whereupon the evaporation of the refrigerant begins, due to the heat of the brine flowing through on the other side of the wall. Any refrigerant mist that has not evaporated can settle in refrigerant sump D. After switching off the heat pump, valve (12) is automatically opened for a predetermined time, so that the refrigerant ^ - flows into container (13). In the gas chamber C, the suction device (9) The refrigerant gas is fed into the compressor - · From there it after compression in the condenser I I. This only consists of the components Gas chamber A ', block B and mist chamber C. From the latter, the line (15) leads to the expansion valve (8) and then back to the nebulization chamber A. '

Die Materialstärken und Schweißnähte werden dem Betriebsdruck entsprechend stark ausgeführt. Die Bleche können aus Nirosta-Stahl, Kupfer oder Aluminium sein.
Zur Konstruktion:The material thicknesses and weld seams are designed to be strong according to the operating pressure. The sheets can be made of stainless steel, copper or aluminum.
To the construction :

Den handelsüblichen Wärmetauscherplatten, etwa von Alfa-Laval, Vvird der obere u. untere Teil so abgeschnitten,-daß fast die voile Quer .--,chnittbbrei te erreicht ist. Zwei solcher Platten \\erd"n seitlich /u einem f-'aat /us,im-The commercially available heat exchanger plates, for example from Alfa-Laval, Vvird der upper and lower part cut off in such a way that almost the full cross-section is reached. Two such plates \\ erd "n laterally / u a f-'aat / us, im-

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

mencjr-schweißt, nachdem eine Platte um 180° gedreht u. gekippt wurde. Dieses Plattenpaar (2) wird mit seiner unten u. oben verbliebenen Öffnung in die Schlitze der Kopf- u. Fußplatte (6) (61) eingeführt und verschweißt. Zuletzt wird der Mantel (3) mit den v.g. Kopf- u. Fußplatten durch Schweißnähte verbunden. Es folgt der Anbau der Kammern A, C u. D bzw. A1 u. C.mencjr-welds after a plate has been rotated 180 ° and tilted. This pair of plates (2) is inserted into the slots in the top and bottom plate (6) (6 1 ) with its opening that remains at the bottom and top and welded. Finally, the jacket (3) is connected to the above-mentioned head and foot plates by welding seams. This is followed by the addition of chambers A, C and D or A 1 and C.

Der Pumpensumpf D wird folgendermaßen entleert: Bei Wärmepumpenstillstand öffnet das Magnetventil (12) und läßt kondensiertes Kältemittel in den Auffangbehälter (13) abfließen. Von dort aus besteht eine Leitungsverbindung zur Leitung (15). So gelangt das Kältemittel wieder in den normalen Kreislauf. Eine Rückstauklappe (20) verhindert den Rückfluß von Kältemittel aus Leitung (15) in den Behälter (13),The pump sump D is emptied as follows: When the heat pump is at a standstill opens the solenoid valve (12) and lets condensed refrigerant flow into the collecting container (13). From there there is a line connection to the line (15). In this way, the refrigerant returns to the normal cycle. A backflow flap (20) prevents the backflow of refrigerant from line (15) into the container (13),

Der Solezu- u. Abfluß (4) (5) bewerkstelligt einen gut verteilten Solefluß durch die Plattenzwischenräume (7), besonders durch den erweiterten Vorbau und den Aufprallkörper (22). Die eingebauten Abstandhalter (18) zwischen den Plattenpaaren (2) behindern den Durchfluß nicht bzw. sehr wenig. Sie sind an die Platten angeschweißt u. haben normal Rundform. Die vertieft liegenden Prägungen der Platten lassen den Solestrom passieren.The brine inflow and outflow (4) (5) creates a well-distributed brine flow through the plate gaps (7), especially through the extended front structure and the impact body (22). The built-in spacers (18) between the pairs of plates (2) do not or very little hinder the flow. They are welded to the plates and have a normal round shape. The recessed embossing of the plates allows the brine flow to pass.

Das einströmende Gas in Kammer A' beim Kondensator Il wird ebenfalls durch einen. Aufprallkörper (23) optimal verteilt zur Einströmung in die Schlitze (7) der Kopfplatte (6).The gas flowing into chamber A 'at the condenser II is also through a. Impact body (23) optimally distributed for the inflow into the Slots (7) in the top plate (6).

Einsatzgebiete: Areas of application :

Die REDER-Solarhäuser haben einen relativ geringen Zusatzwärmebedarf. Er liegt bei etwa 5 - 9 kW Norrnwärmebedarf. Die Häuser empfangen beträchtliche Strahlungsenergie aus passiver Solartechnik. Für den Zusatzheizbetrieb sollen Luft- u. Bodenwärme in einer Wasser-Wasser-Wärerr.pumpe eingesetzt werden. Soletemperatur im Winter ca. CP C. Die Heizanlage soll standardisiert werden in Verbindung mit einem einheitlichen Wärmepumpentyp. Dieser kann mit o.g. Elementen maßgeschneidert werden, bei einem überzeugenden Preis/Leistungsverhältnis.The REDER solar houses have a relatively low additional heat requirement. It is around 5 - 9 kW normal heat demand. The houses receive considerable Radiant energy from passive solar technology. For the additional heating operation, air and ground heat should be in a water-water heat pump can be used. Brine temperature in winter approx. CP C. The heating system is to be standardized in connection with a uniform type of heat pump. This can be tailor-made with the above-mentioned elements, with a convincing price / performance ratio.

Darüber hinaus sind dem Einsatz der beiden Geräte auch anderweitig keine Grenzen gesetzt.In addition, the two devices are not used in any other way Limits.

Claims (17)

Patentansprüche:Patent claims: erdampfer- / Kondensatorkonstruktion nach Art der Röhrenverdampfer im Gegenstromprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherblock (2) im Blechmantel (3) aus strömungsoptimierten, profilierten Plattenpaaren (1) in Schweißkonstruktion gefertigt ist, wobei Sole / Wasser über die Einmündung (4) in den Block B das Medium in voller Breite , gleichmäßig. in die Plattenzwischenräume (7 ) verteilbar ist und in analogerwe.ise wieder beim Austritt (5) einsammelbar, während im Grgenstrom Kältemittel durch die Öffnungen der Kopfplatte (6 ) hin zu denen der Fußplatte (61 ) geführt ist.Evaporator / condenser construction on the type of tube evaporator in the countercurrent principle, characterized in that the heat exchanger block (2) in the sheet metal jacket (3) is made of flow-optimized, profiled plate pairs (1) in a welded construction, with brine / water via the confluence (4) in the Block B the media in full width, evenly. i n the plate interspaces (7) is distributed and again collectable in analogerwe.ise at the outlet (5), while in Grgenstrom refrigerant to which the base plate (6 1) is guided through the openings of the top plate (6) out. 2. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich unterhalb der Gaskammer C ein Kältemittelsumpf befindet, mit einer automatischen Vorrichtung zur pünktlichen Entleerung.2. Construction according to claim 1, characterized in that below the gas chamber C is a refrigerant sump, with an automatic Device for punctual emptying. 3. Konstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Leitung (14) in Leitung (15) eingeleitet ist,nach dem Entspannungsventil (8).3. Construction according to claim 2, characterized in that the line (14) is introduced into line (15), after the expansion valve (8). 4. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende der Leitung (15) eine Vernebelungsdüse (17) eingebaut ist, welche sich in der Nebelkammer A befindet, wobei zum Betrieb der Düse (17) das Magnetventil (19) in Leitung (16) geöffnet sein muß zwecks Freigabe des Betriebsmittels, dem Kältemittelgas aus dem Kompressor.4. Construction according to claim 1, characterized in that at the end of the Line (15) a nebulization nozzle (17) is installed, which is located in the mist chamber A, the solenoid valve to operate the nozzle (17) (19) in line (16) must be open for the purpose of releasing the operating medium, the refrigerant gas from the compressor. 5. Konstruktion nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Leitung (16) auch aus einem Druckbehälter (25) versorgbar ist,vor Anlauf des Kompressors, vuiboi der IVhälter gut Wärm< >-g<.-dämmt ist.5. Construction according to claim 4, characterized in that the line (16) can also be supplied from a pressure vessel (25) before the compressor starts up, vuiboi the container good warmth < > -g <.- is insulated. 6. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfplatte (6) des Wärmetauscherblocks (2) so ausgebildet ist, daß sie mit offenen6. Construction according to claim 1, characterized in that the head plate (6) of the heat exchanger block (2) is designed so that it is open with Schützen (7) versehen ist,die am Rande zusammen mit den offenen Enden der Plattenpaare (2) verschweißt sind, was analog für die Fußplatte (6') gleichermaßen zutrifft.Protect (7) is provided at the edge together with the open ends of the plate pairs (2) are welded, which is the same for the base plate (6 ') equally applies. 7. Konstruktion nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelverdampfer I mit Wärmetauscherblock (2) in gleicher Bauweise im Kältemittelkondensator Il vorgesehen ist.7. Construction according to claim 6, characterized in that the refrigerant evaporator I is provided with the heat exchanger block (2) in the same design in the refrigerant condenser II. 8. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zufluß (4) wie auch im Abfluß (5) ein Aufprallkörper (22) vorgesehen ist.8. Construction according to claim 1, characterized in that in the inflow (4) as well as an impact body (22) is provided in the drain (5). 9. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaskammer A' des Kältemittelkondensators I! ein Aufprallkörper (23) eingebaut ist.9. Construction according to claim 1, characterized in that in the gas chamber A 'of the refrigerant condenser I! an impact body (23) installed is. 10. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaskammer C des Kältemittelverdampfers I die zentrale Absaug einrichtung (9) untergebracht ist.10. Construction according to claim 1, characterized in that in the gas chamber C of the refrigerant evaporator I, the central suction device (9) is housed. 11. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten der Plattenpaare (%) Fischgrätprofile besitzen, die vor dem Zusammenschweißen so gegeneinandergelegt sind, daß eine Platte um 180° .gekippt-11. Construction according to claim 1, characterized in that the plates of the plate pairs (%) have herringbone profiles, which are placed against each other before being welded together so that a plate is tilted by 180 °. ι
und gedreht ist, wobei die Offnungen (7) unten u. oben offen bleiben.ι
and is rotated, the openings (7) remaining open at the bottom and at the top. 12. Konstruktion nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß marktübliche Platten-Verwendung vorgesehen ist (z.B. ALFA-LAVAL o.a.) mit entsprechender Umarbeitung.12. Construction according to claim 11, characterized in that commercially available The use of plates is intended (e.g. ALFA-LAVAL or similar) with appropriate reworking. 13. Konstruktion nach Anspruch2 , dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaufende zum Pumpensumpf D eine Rückschlagklappe (11) angebracht ist und der Leerlauf des Pumpensumpfs von kondensiertem Kältemittel durch Öffnen des Magnetventils (12) möglich wird, wobei der Inhalt in Behälter (13) deponiert v\irdfwelcher Vorgang nach jedem Abschalten der Wärmepumpe automatisiert ist mit Zeitschaltung.13. Construction according to claim 2, characterized in that at the inlet end to the pump sump D a non-return valve (11) is attached and the idling of the pump sump of condensed refrigerant is possible by opening the solenoid valve (12), the contents being deposited in container (13) v is \ f ird which operation after each switching off of the heat pump automated timer. 14. Konstruktion nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß über die14. Construction according to claim 13, characterized in that over the Leitung (14') das Kältemittel aus Behälter (13) dem normalen Kältemittelkreislauf wieder zugeführt ist, wobei der Rückflußverhinderer (20) in Leitung (141) angeordnet ist.Line (14 ') the refrigerant from container (13) is fed back into the normal refrigerant circuit, the backflow preventer (20) being arranged in line (14 1 ). 15. Konstruktion nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Plattenpaaren (1) Abstandhalter (18) eingeschweißt sich zur Druckübertragung befinden, wie auch zwischen Mantel (3) und Platte (1).15. Construction according to claim 11, characterized in that between the plate pairs (1) spacers (18) are welded to transfer pressure are located, as well as between the jacket (3) and plate (1). 16. Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Magnetventils (19) ein steuerbares Thermoventil einbaubar ist, zur Volumenstromregulation in Anhängigkeit zum Leistungsbedarf.16. Construction according to claim 1, characterized in that instead a controllable thermal valve can be installed in the solenoid valve (19), for volume flow regulation depending on the power requirement. 17. Konstruktion nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Leistungsanpassung die Wärmepumpe 2-stufig fahrbar ist.17. Construction according to claim 16, characterized in that for further Output adjustment the heat pump can be driven in 2 stages.
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