DE3844679C2 - Verdampfer für eine Adsorptionskälteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung einen Verdampfer für eine Adsorptionskälteanlage, die die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge eines Kältemittels mit Hilfe eines Feststoff-Adsorptionsmittels ausnützt, um einen Kühlvorgang oder Wärmepumpenbetrieb durchzuführen.

Adsorptionskältemaschinen, die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge eines Kühlmittels mittels eines Feststoff-Adsorptionsmittels ausnützen, um Kälte zu erzeugen oder um einen Wärmepumpenbetrieb durchzuführen, sind bekannt und insofern vorteilhaft, da niedriggradige Wärmequellen (beispielsweise Warmwasser mit ca. 85°C), wie etwa Warmwasser aus Sonnenkollektoren etc., oder Abwärme aus Anlagen wirksam genutzt werden kann und da derartige Kälteanlagen aus einer geringeren Anzahl beweglicher Bauelemente, wie beispielsweise Pumpen, bestehen, was wirtschaftlicher ist (und die Betriebsgeräusche im Vergleich mit Kompressor- Kälteanlagen geringer sind).

Bei einer bekannten Adsorptionskälteanlage dieser Bauart sind zwei Sätze von Adsorbern, die ein Feststoff- Adsorptionsmittel, wie beispielsweise Silicagel, Zeolit, aktivierte Holzkohle, aktiviertes Aluminiumoxid, etc., aufnehmen, parallel zueinander installiert und in ein System eingebunden, wobei Warmwasser zum Erhitzen des Adsorptionsmittels und Kühlwasser abwechselnd den beiden Adsorbern zugeführt werden können, um Adsorptions- und Desorptionsstufen wiederholt durchzuführen, wodurch kontinuierlich eine Kühlleistung erzielt wird. Beispielsweise beschreibt die US-PS 4 610 148 ein in diese Gruppe fallendes Wärmepumpensystem.

Bei einem derartigen Adsorptionskühlsystem wird jedoch Warmwasser, das innerhalb des einen Adsorbers zurückgeblieben ist, die gerade die Desorptionsstufe beendet hat, durch Kühlwasser herausgedrückt und an einen Kühler, wie beispielsweise einen Kühlturm, abgegeben.

Ferner sind Kälteanlagen einer Bauart bekannt, bei welchen die Verdampfer vollständig mit einem flüssigen Kältemittel bedeckt sind beispielsweise aus der DE-PS 800 079. In diesem Falle wirkt jedoch der Druck des Kältemittels immer auf die Außenflächen der Wärmeübertragungsrohre und infolgedessen wird ein Sieden an den Oberflächen behindert.

Schließlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einem Verdampfer für ein Adsorptionskühlsystem zu liefern, dessen Kühlwirkung verbessert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Verdampfer ist derart aufgebaut, daß eine Anzahl Wärmeübertragungsrohre, durch die das Wärmeträgerfluid hindurchtritt, horizontal in einer Mehrfach-Stufenanordnung, in deren Behälter aufgenommen werden, Verdampferschalen, die flüssiges Kältemittel enthalten, jeweils horizontal unter jeder Stufe der Wärmeübertragungsrohre angeordnet sind, und Überlaufrohre aufrecht am Boden einer jeden Verdampferschalen vorgesehen sind, die dazu dienen, den Flüssigkeitsspiegel einzustellen, so daß die Wärmeübertragungsrohr immer teilweise in die Flüssigkeit eintauchen und überschüssige Flüssigkeit ihrerseits veranlassen, von selbst nach unten zur nächsten unteren Verdampferschalenstufe zu fließen. Durch diesen Aufbau ist ein lebhaftes Sieden des Kühlmittels gewährleistet und infolgedessen wird der Kühlwirkungsgrad des Verdampfers erhöht.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Adsorptionskühlanlage;

Fig. 2 eine seitliche Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verdampfers, der für die erfindungsgemäße Adsorptionskälteanlagen verwendbar ist, und;

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung längs der Linie A-A der Fig. 7.

Die Erfindung wird anschließend näher beschrieben.

Die Kälteanlagen gemäß der Fig. 1, bei der die Erfindung anwendbar ist, umfaßt eine Anzahl Adsorbern 11, 11′, wovon jeder ein Festkörper- Adsorptionsmittel S und Wärmeübertragungsrohre 13, 13′ aufnimmt, einen Kondensator 14, einen Verdampfer 17 und Leitungen 16, 16′, 20, 20′, die die Mantelgehäuse 12, 12′ der Adsorber 11, 11′ über Ventile 15, 15′, 19, 19′, die eine Umwälzung eines Kältemittels gestatten, mit dem Kondensator 14 und dem Verdampfer 17 verbinden.

Das System wird derart betrieben, daß die Adsorber (11, 11′, . . .) derart eingesetzt werden, daß mindestens einer von ihnen sich in einer relativ zu den übrigen unterschiedlichen Betriebsplan befindet. Ein Wärmeträgerfluid zum Aufheizen des Adsorptionsmittels etc., das in den Wärmeübertragungsrohren 13′ des Adsorbers 11′ unmittelbar vor Umschaltung von der Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe verblieben ist, wird zu den Wärmeübertragungsrohren 13 des Adsorbers 11 unmittelbar vor Umschaltung von der Adsorptionsstufe zur Desorptionsstufe überführt, um das Adsorptionsmittel S aufzuheizen, und zu dem Zeitpunkt, wo die Gesamtmenge des restlichen Wärmeträgerfluids durch die Wärmeübertragungsrohre 13 hindurchgetreten und das Vorheizen beendet ist, werden die Adsorber 11, 11′ umgeschaltet, d. h. der eine Adsorber 11 wird in die Desorptionsstufe umgeschaltet, während der andere Adsorber 11′ zur Adsorptionsstufe umgeschaltet wird, wodurch ein Adsorptions- und Desorptionszyklus wiederholt wird.

Im Einklang mit dem erfindungsgemäßen System wird kurz vor dem Umschalten des einen Absorbers 11′ von der Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe das Wärmeträgerfluid zum Aufheizen des Adsorptionsmittels S, das innerhalb der Wärmeübertragungsrohre 13′ des Adsorbers 11′ verblieben ist, zu den Wärmeübertragungsrohren 13 des anderen Adsorbers 11 überführt, gerade bevor diese von der Adsorptionsstufe in die Desorptionsstufe gelangt, um das Festkörper-Adsorptionsmittel S vorzuheizen und anschließend wird der Strömungsweg umgekehrt, um das Wärmeträgerfluid zuzuführen. Nachdem der Absorber 11 in die Desorptionsstufe gelangt, wird im wesentlichen die gesamte Menge des Wärmeträgerfluids, das das Festkörper- Adsorptionsmittel vorgeheizt hat, zur Wärmequellenseite zurückgeführt, ohne daß es zu einem Kühlturm gelangt. Infolgedessen wird ein Wärmeverlust beträchtlich verringert und die Menge des Wärmeträgerfluids das zu einem Kühler, wie beispielsweise einen Kühlturm, fließt, wird auf ein Minimum gebracht.

Der Verdampfer 17 umfaßt vorzugsweise, wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, eine Anzahl Wärmeübertragungsrohre zum Durchfluß des Wärmeträgerfluids, die horizontal in einer Mehrfach-Stufenanordnung innerhalb seines Behälters 17a angeordnet sind, flache Verdampferschalen 40 zum Halten und Speichern eines flüssigen Kältemittels, die unterhalb jeder Stufe der Wärmeübertragungsrohre 22 angeordnet sind, und Überlaufleitungen 41, die vertikal am Boden einer jeden Verdampferschale 40 liegen und dazu dienen, den Flüssigkeitsspiegel einzustellen, so daß die Wärmeübertragungsrohre immer teilweise in die Flüssigkeit eintauchen und überschüssige Flüssigkeit veranlaßt wird, von selbst zur nächsten Stufe der Verdampferschale 40 herabzufließen.

Bei dem mit dem vorausgehend aufgeführten Verdampfer 17 ausgestatteten Kühlsystem sind, wenn flüssiges Kühlmittel vom Kondensator 14 in die oberste Stufe der Verdampferschale 40 im Gehäuse 17a des Verdampfers 17 strömt, die Wärmeübertragungsrohre 22 in der obersten Verdampferschale an ihren unteren Abschnitten in die Flüssigkeit in einer erforderlichen Tiefe eingetaucht, wobei überschüssiges flüssiges Kältemittel durch die Überlaufrohre 41 zu den unteren Stufen der Verdampferschalen 41 fließt, bis die unterste Verdampferschale 40 mit Flüssigkeit gefüllt ist. Zu diesem Zeitpunkt hat der Flüssigkeitsspiegel in allen Verdampferschalen die erforderliche Tiefe erreicht, und entsprechend sind die jeweiligen Wärmeübertragungsrohre 22 in ihren unteren Abschnitten in die Flüssigkeit in einem gleichen Flüssigkeitspegel eingetaucht. Anschließend werden die Mantelgehäuse 12, 12′ der Adsorber 11, 11′ und der Behälter 17a des Verdampfers 17 miteinander in Verbindung gebracht und das Adsorptionsmittel S im Adsorber 11, 11′ wird dabei gekühlt, um den Adsorptionsvorgang durchzuführen. Gleichzeitig tritt, wenn ein Heizmedium auf einer Anwendungsseite durch die Wärmeübertragungsrohre 22 im Verdampfer 17 strömt, ein lebhaftes Sieden an den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre 22 auf, mit welchem das flüssige Kältemittel L in Berührung steht und Kühlmittelspritzer werden an den freiliegenden Abschnitten der Wärmeübertragungsrohre 22 in einem dünnen Filmzustand aufgebracht. Der aufgebrachte Flüssigkeitsfilm wird auf den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre 22 verdampft und nimmt dabei latente Wärme auf, wodurch das durch die Wärmeübertragungsrohre 22 strömende Medium wirksam gekühlt wird.

Der Verdampfer 17 ist über eine als Abzug ausgebildete Rohrleitung 18 an dem Boden eines Kondensatorgehäuses 14a angeschlossen. Das Gehäuse 17a des Verdampfers und das Vakuum-Mantelgehäuse 12 des ersten Adsorbers 11 und das Vakuum-Mantelgehäuse 12′ des zweiten Adsorbers 11′ sind jeweils miteinander über die Leitungen 20, 20′ verbunden, die auf halbem Wege mit den Ventilen 19, 19′ ausgestattet sind. Somit kann eine benötigte Menge eines Kältemittels, z. B. von in den Mantelgehäusen 12, 12′ abgeschlossenem Wasser, abhängig von den Öffnungs- und Schließvorgängen der Ventile 15, 15′, 19, 19′ zwischen dem Kondensator 14 und dem Verdampfer 17 umgewälzt werden.

Andererseits nimmt der Verdampfer 17 in dem seitlich länglichen Gehäuse 17a Wärmeübertragungsrohre 22 auf, durch welche ein Wärmeträgerfluid einer Verbrauchsseite hindurchgeleitet wird, sowie die Verdampferschalen 40, die unterhalb der Wärmeübertragungsrohre 22 liegen, wie aus Fig. 3 hervorgeht.

Das vom Kondensator 14 dem Verdampfer 17 zugeführte flüssige Kältemittel wird in den Verdampferschalen 40 gespeichert und an den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre 22 vergast, um dem Wärmeträgerfluid der Verbraucherseite Wärme zu entziehen und es dabei zu kühlen.

In der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 nimmt der Verdampfer 17 in dem isolierten, seitlich länglichen Gehäuse 17a eine Anzahl Wärmeübertragungsrohre 22 auf, deren beiden Enden durch Rohrwände 35, 35′ gehalten werden und die horizontal angeordnet sind und eine Mehrfachreihe und Mehrfachstufe bilden. Jedes der Wärmeübertragungsrohre 22 ist an seinen Enden über einen Verteiler 37, 37′ mit einem Einlaßrohr 38 und einem Auslaßrohr 39 verbunden, und jede Stufe der Wärmeübertragungsrohre ist horizontal mit Verdampferschalen 40 ausgestattet, die die Unterseiten derselben abdecken.

Die Verdampferschale 40 ist derart ausgebildet, daß sie an ihren längsgerichteten Rändern nach innen abgeschrägt ist, damit Kältemittelspritzer, die an den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre 22 aufwallen, nicht aus der Verdampferschale 40 herausgeblasen oder herausgespült werden. Die Verdampferschalen 40 sind jeweils vertikal an ihrem Boden mit einem Überlaufrohr 41 ausgestattet, das dazu dient, die Speichermenge des Kältemittels konstant in einer gegenseitig abgestuften Lage zu halten.

Die Höhe jedes Überlaufrohrs 41 ist derart bemessen, daß diese ausgehend vom Boden der Verdampferschale 40, innerhalb eines Bereiches von 1/2 d bis 1 mm, und vorzugsweise 1/2 d bis 1/5 d liegt, wobei d einen Außendurchmesser des Wärmeübertragungsrohres 22 darstellt. Die Gesamtmenge des in allen Verdampferschalen aufgenommenen Kältemittels stellt einen Mindestwert dar, der unter bestimmten Betriebsbedingungen erforderlich ist.

Falls die Kältemittelmenge aufgrund einer Änderung der Betriebsbedingungen übermäßig groß wird und das Kältemittel auf den Boden des Gehäuses 17a herabfällt und zum Stillstand kommt, so wird die überschüssige Kältemittelflüssigkeit entweder vollständig durch Anordnung eines Heizgeräts vollständig verdampft oder durch Hochpumpen zur obersten Stufe der Verdampferschale 40 zurückgeführt.

Die Verdampferschalen 40 sind jeweils an ihren Randabschnitten mit Prallplatten 42 ausgestattet, um ein Verspritzen der Kältemittelflüssigkeit zu verhindern. Diese Platten erstrecken sich vertikal von der Unterseite einer jeden Verdampferschale nach unten.

In einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform kann der Verdampfer so ausgebildet sein, daß die Verdampferschalen an ihren Rand- oder Seitenwandabschnitten mit Überlauföffnungen ausgestattet sind, damit überschüssiges Kältemittel nach unten zu den unteren Verdampferschalen strömen kann, anstatt die Überlaufrohre vorzusehen.

Gemäß einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform weist der Verdampfer eine Anzahl von mit Rippen versehenen Wärmeübertragungsrohren auf, wobei die Rohre im Mantelgehäuse des Verdampfers vertikal installiert sind, so daß die Rippen horizontal verlaufen, wobei alle oder jeweils mehrere Rippen Verdampferschalen bilden. Die Verdampferschalen haben jeweils einen abgeschrägten Randabschnitt, der mit Überlauföffnungen oder -schlitzen ausgestattet ist.

Betriebsweise

Falls der Verdampfer 17 gemäß Fig. 2 aufgebaut ist, tritt ein heftiges Sieden des Kältemittels an den Abschnitten der Wärmeübertragungsrohre 22 auf, mit denen das Kältemittel in Berührung steht und Kältemittelspritzer werden an dem freiliegenden Abschnitt der Wärmeübertragungsrohre 22 aufgebracht und bilden einen gleichförmigen Flüssigkeitsfilm, der schnell von den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre 22 verdampft. Auf diese Weise werden die Wärmeübertragungsrohre 22 wirksam gekühlt.

Claims (2)

1. Liegender Verdampfer für eine Kälteanlage, die einen Kondensator und andere Komponenten enthält, mit Rohrleitungen, welche die Komponenten der Kälteanlage miteinander verbinden und die von einem Kältemittel durchströmt werden, mit einem Wärmeträgerfluid, welches die Wärmetauscherrohre des Verdampfers durchströmt, wobei die Wärmetauscherrohre in mehreren horizontalen Ebenen im Verdampfergehäuse angeordnet sind, die in jeweils übereinander angeordnete Verdampferschalen eintauchen, mit Überlaufrohren in den Verdampferschalen, die jeweils senkrecht am Boden der Verdampferschalen angeordnet sind und den Flüssigkeitsspiegel des Kältemittels begrenzen, in dem flüssiges Kältemittel von selbst über die Überlaufrohre nach unten strömt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteanlage nach einem Adsorptionsprinzip betrieben und mithilfe von Ventilen periodisch umgeschaltet wird, daß als Komponenten der Kälteanlage beheizbare bzw. kühlbare Adsorptionsbehälter angeordnet sind, daß der Verdampfer von oben mit flüssigem Kältemittel beschickt wird, daß die Höhe der Überlaufrohre derart bemessen ist, daß die Wärmetauscherrohre stets teilweise in das Kältemittel eintauchen, und daß an der Unterseite der Verdampferschalen vertikale Prallplatten angeordnet sind.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufrohre (41) jeweils aufrecht an einer Oberseite einer jeden Verdampferschale (40) in einer Höhe (h) angeordnet sind, die auf einen solchen Spiegel der Kältemittelflüssigkeit in der Verdampferplatte eingestellt ist, daß die Wärmeübertragungsrohre in die Kältemittelflüssigkeit in einem Tiefenbereich von der Hälfte ihres Außendurchmessers (d) bis zu 1 mm eintauchen können.