DE3638107A1 - Waerme-/kaeltetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärme-/Kältetauscher mit einem ersten Kreislauf bestehend aus einer Vielzahl von Strömungskanälen sowie je einem gemeinsamen Zuleitungsrohr und einem gemeinsamen Sammelrohr für ein Wärmeträgermedium, und mit einem zweiten Kreislauf, bestehend aus je einem Kältemittel-Zuleitungsrohr und einem Kältemittel-Ableitungs­ rohr mit einem dazwischen liegenden Verdampfer einem Ex­ pansionsventil, einem Verdichter und einem Kondensator.

Bekanntlich werden derartige Wärme-/Kältetauscher als Son­ nenkollektoren bzw. als Kühlvorrichtung eingesetzt, wobei für die erste Verwendungsart die Beheizung von Schwimmbä­ dern oder die Warmwasserbereitung und für die zweite Verwen­ dungsart die Herstellung von Kunsteisbahnen typische Anwen­ dungsbeispiele sind. Bei einem Wärmeaustauscher kann als erstes Trägermedium beispielsweise Wasser verwendet werden. Dagegen wird bei einem Kältetauscher als erstes Trägerme­ dium beispielsweise Sole verwendet.

Für die Strömungskanäle des ersten Kreislaufes verwendet man Rohr-, Schlauch- oder Matten-Wärmetauscher, die auch als Absorber bezeichnet werden die gemeinsam an der Zu­ leitung und der Ableitung angeschlossen sind. Diese beiden Leitungen führen zu einer Kältemaschine, welche den zweiten Kreislauf enthält. Insbesondere ist bei den bekannten Vor­ richtungen der Verdampfer in der Kältemaschine angeordnet. Er muß bei den herkömmlichen Maschinen relativ voluminös und aufwendig ausgebildet sein um die Funktion der gesam­ ten Anlage zu gewährleisten. Die Herstellung ist damit mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme-/ Kältetauscher anzugeben, welcher auf einfache Weise und mit weniger Kosten herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärme-/Kältetauscher der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Sammel-Ablei­ tungsrohr einen Verdampfer enthält, daß das Zu­ leitungs- und das Sammelrohr auf dem kürzesten Weg mit­ einander verbunden sind, und daß das Expansionsventil un­ mittelbar vor dem Sammelrohr liegt.

Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, den Verdamp­ fer nicht mehr in der Kältemaschine, sondern in unmittel­ barer Nähe des Absorbers anzuordnen. Das Kältemittel ver­ dampft im Rohrbündel und nimmt die Wärme direkt von dem im Sammelrohr strömenden Wärmeträgermedium auf. Ein Gehäuse für den Verdampfer ist daher nicht mehr erforderlich. Die Verbindung zwischen dem Absorber und der Kältemaschine er­ folgt nicht mehr über die Rohre des Wärmeträgermediums, sondern über die Kältemittelrohre, welche dünner und billi­ ger sind. Insgesamt können durch diese Maßnahmen die Her­ stellungskosten gesenkt werden. Eine weitere Kostenerspar­ nis wird auch dadurch erreicht, daß sich eine Isolierung der Verbindungsleitungen für Absorber und Kältemaschine erübrigt, da die Kälte erst nach dem Expansionsventil ent­ steht, das direkt vor dem Absorber liegt.

Außerdem ist die Verdampfungstemperatur höher, da die Wärme­ verluste des Wärmeträgermediums vom Wärmetauscher bis zur Kältemaschine entfallen und die Wärmeaufnahme gleichmäßig im Sammelrohr des Absorbers erfolgt.

Die Länge des Verdampferrohrbündels hängt von der Kälte­ leistung der Kältemaschine und dem K-Wert der verwendeten Rohre des Rohrbündels ab. Es ist besonders vorteilhaft, daß das Rohrbündel die gleiche Länge hat wie das Sammel­ rohr. Das hat den Vorteil daß der Wärmeaustausch gleich­ mäßig über die gesamte Sammelrohrlänge des Wärmetauschers erfolgt. Die sich ergebende höhere Verdampfertemperatur erhöht den Wirkungsgrad der Kältemaschine.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die im ersten Kreislauf angeordnete Wärmeträgermediumpumpe gegenüber herkömmlichen Anlagen kleiner ausgelegt werden kann, da sie das Wärmeträgermedium nur noch durch den Wär­ metauscher, nicht jedoch zur Kältemaschine und zurück pumpen muß. Die in der Regel als Wärmeträgermedium verwendeten Ethylen- und Propylenglykolmischungen haben besonders bei Minus-Temperaturen eine hohe Viskosität und Dichte, was bei langen Rohrleitungen hohe Druckverluste bewirkt, die durch stärkere Pumpen ausgeglichen werden müssen.

Es ist besonders vorteilhaft, daß der Verdampfer als Rohr­ bündelverdampfer ausgebildet ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung be­ steht darin, daß das Rohrbündel aus glattwandigem Rohr be­ steht.

Es kann auch vorteilhaft sein, daß das Rohrbündel aus Rippen­ rohr besteht. Das hat den Vorteil, daß die Rohroberfläche ver­ größert und damit der Wärmeaustausch verbessert wird. Bei der Anordnung der Rippen wird darauf geachtet daß die Strömung des Wärmeträgermediums nicht behindert wird. Es kann zur Ver­ größerung der Oberfläche auch vorteilhaft sein, daß das Rohr­ bündel spiralförmig im Sammelrohr verläuft.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Rohre des Rohrbündelverdampfers im Sammelrohr weitgehend mit ihrer gesamten Außenfläche dem im Sammelrohr fließenden Wärmeträgermedium ausgesetzt sind. Durch diese Maßnahme wird eine optimale Wärmeübertragung auf den Rohrbündelverdampfer sichergestellt. Eine Wärmeabgabe vom Rohrbündelverdampfer un­ mittelbar auf das Sammelrohr wird verhindert.

Des weiteren ist vorteilhaft daß der Rohrbündelverdampfer mindestens nach der strömungstechnischen Zuleitung des ge­ samten Wärmeträgermediums in das Sammelrohr in einem Längs­ bereich des Sammelrohrs vorgesehen ist. Da dieser Bereich des Sammelrohrs das gesamte erwärmte Wärmeträgermedium enthält, und noch keine zuleitungsbedingte Abkühlung erfolgt ist, sind hier sehr hohe Temperaturen des Wärmeträgermediums zu erwarten.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht dar­ in daß der gesamte Rohrbündelverdampfer als separate Baugruppe, insbesondere selbsttragend in das expansionsventilseitige Ende des Sammelrohres einbaubar ist. Dies hat den Vorteil einer ein­ fachen Montage und Wartung. Unter Umständen können auf diese Weise auch bereits installierte Sammelrohre nachgerüstet werden. Des weiteren ist es vorteilhaft, daß der Rohrbündelverdampfer mindestens ein zurückgeführtes Rohr, insbesondere jedoch eine Vielzahl einzelner Rohre, aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es daß die Rohre des Rohrbündelver­ dampfers im Querschnitt des Sammelrohres symmetrisch, insbe­ sondere symmetrisch bezüglich einer gleichförmigen Strömungs­ geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmediums angeordnet sind. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Strömung des Wärmeüber­ tragungsmediums vom Rohrbündelverdampfer möglichst wenig ge­ stört wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles weiter beschrieben:

Fig. 1 zeigt schematisch einen Wärme-/Kältetauscher und

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Sammelrohrverdampfer

In Fig. 1 ist ein mattenförmiger Wärme-/Kältetauscher 10 veranschaulicht der aus einer Vielzahl von U-förmigen Strömungskanalen 11 besteht. Die Strömungskanäle 11 sind eingangsseitig mit einem gemeinsamen Zuleitungsrohr 12 und ausgangsseitig mit einem gemeinsamen Sammelrohr 13, das einen Rohrbündelverdampfer (Fig. 2) enthält, verbunden. Zu­ leitungsrohr 12 und Sammelrohr 13 sind unter Zwischenschaltung einer Umwälzpumpe 14 in der kürzestmöglichen Weise mitein­ ander verbunden. Der Rohrbündelverdampfer kann als separate Baueinheit ausgeführt sein die in das Sammelrohr 13 einge­ bracht ist.

In den Strömungskanälen 11, dem Zuleitungsrohr 12 und dem Sammelrohr 13 zirkuliert ein Wärmeträgermedium, was bezüg­ lich eines einzigen U-förmigen Strömungskanals 11′ durch Pfeile veranschaulicht ist. In diesem ersten Kreislauf wird das Wärmeträgermedium von der Umwälzpumpe 14 über das Zu­ leitungsrohr 12 in den einen Schenkel der Strömungskanäle 11 gepumpt. Beim Durchströmen der Strömungskanäle 11 nimmt es von der Umgebung Wärme auf, die im Rohrbündelverdampfer des Sammelrohres 13 unter Abkühlung an einen zweiten Kreislauf abgegeben wird.

Im zweiten Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel, das über eine Kältemittelzuleitung 15 von einer Kältemaschine 16 herangeleitet und über eine Kältemittelableitung 17 zur Käl­ temaschine 16 zurückgeführt wird. Die Kältemittelzuleitung 15 und die Kältemittelableitung sind in der Kältemaschine 16 über einen Verdichter 18 mit einem Kondensator 19 verbunden.

Die Ausdehnung des komprimierten Kältemittels erfolgt durch ein Expansionsventil 20 in der Kältemittelzuleitung unmittel­ bar bevor die Kältemittelzuleitung 15 in den Rohrbündelver­ dampfer des Sammelrohrs 13 mündet.

In Fig. 2 ist der Querschnitt des Rohrbündelverdampfers dar­ gestellt. In dem hier gezeigten Beispiel besteht er aus einem aus einem Kältemittelzuleitungsrohr 15′ und einem Kältemittelableitungsrohr 17′ bestehenden Rohr­ bündel, welches im Inneren des Sammelrohrs 13 angeordnet und vom Wärmeträgermedium 21 umgeben ist. Das Rohrbündel kann sich über die gesamte Länge des Sammel­ rohrs 13 erstrecken. Es kann aber auch ausreichend sein, wenn das Rohrbündel lediglich in einem Bereich des Sammelrohrs 13 verläuft, beispielsweise im Anschluß an das Expansionsventil 20.

In der Fig. 2 sind das Kältemittelzuleitungsrohr 15′ und das Kältemittelableitungsrohr 17′ auf Abstand zur Innenwand des Sammelrohrs 13 gehalten, um eine möglichst vollständige Um­ strömung zu erreichen.

In den beiden Kältemittelrohren zirkuliert das Kältemittel 22 wobei die Strömungsrichtungen senkrecht zur Zeichenebene verlaufen und durch die Pfeilsymbole "x" und "·" gekenn­ zeichnet sind. Selbstverständlich können an Stelle des hier gezeigten Rohrbündels für das Kältemittel 22 auch mehr als zwei Rohre verwendet werden.

Im folgenden wird anhand der beiden Figuren die Funktion der gesamten Vorrichtung beschrieben. Das Wärmeträgerme­ dium 21 wird durch die Umwälzpumpe 14 nach der Aufnahme von Wärme aus den Strömungskanälen 11 in das Sammelrohr 13 gepumpt, wo es das Kältemittel 22 enthaltende Rohrbündel 15′, 17′ umströmt. Durch die Wärme, die vom Wärmeträger­ medium 21 unmittelbar an das Kältemittel 22 abgegeben wird, verdampft das Kältemittel 22. Es wird dann zur Kältema­ schine 16 gepumpt, wo ihm die Wärme wieder entzogen wird.

Claims (10)

1. Wärme-/Kältetauscher mit einem ersten Kreislauf, besteh­ end aus einer Vielzahl von Strömungskanälen sowie je einem gemeinsamen Zuleitungsrohr und einem gemeinsamen Sammelrohr für ein Wärmeträgermedium und mit einem zwei­ ten Kreislauf, bestehend aus je einen Kältemittel-Zulei­ tungsrohr und einem Kältemittel-Ableitungsrohr mit einem dazwischen liegenden Verdampfer, einem Expansionsventil, einem Verdichter und einem Kondensator, dadurch gekennzeichnet, das das Sammelrohr (13) den Verdampfer enthält, daß das Zuleitungsrohr (12) und das Sammelrohr (13) auf dem kürzesten Weg miteinander verbunden sind und daß das Expansionsventil (20) unmittelbar vor dem Sammelrohr (13) liegt.

2. Wärme-/Kältetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer aus einem Rohrbündel besteht.

3. Wärme-/Kältetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel aus glattwandigem Rohr besteht.

4. Wärme-/Kältetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel aus Rippenrohr besteht.

5. Wärme-/Kältetauscher nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel spiralförmig im Sammelrohr (13) ver­ läuft.

6. Wärme-/Kältetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (15′, 17′) des Rohrbündelverdampfers im Sammelrohr (13) weitgehend mit ihrer gesamten Außen­ fläche dem im Sammelrohr (13) fließenden Wärmeträger­ medium ausgesetzt sind.

7. Wärme-/Kältetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbündelverdampfer mindestens nach der strö­ mungstechnischen Zuleitung des gesamten Wärmeträger­ mediums in das Sammelrohr (13) in einem Längsbereich des Sammelrohres (13) vorgesehen ist.

8. Wärme-/Kältetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rohrbündelverdampfer (15′, 17′) als se­ parate Baugruppe, insbesondere selbsttragend in das ex­ pansionsventilseitige Ende des Sammelrohres (13) ein­ baubar ist.

9. Wärme-/Kältetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbündelverdampfer mindestens ein zurückge­ führtes Rohr (15′, 17′), insbesondere jedoch eine Viel­ zahl einzelner Rohre, aufweist.

10. Wärme-/Kältetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Rohrbündelverdampfers im Querschnitt des Sammelrohres (13) symmetrisch, insbesondere symme­ trisch bezüglich einer gleichförmigen Strömungsgeschwin­ digkeit des Wärmeübertragungsmediums angeordnet sind.