DE4220000A1 - Wärmeübertrager für flüssige Medien unter Verwendung von Kältemittelgemischen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für flüssige Medien unter Verwendung von Kältemittel­ gemischen, der insbesondere für die Sekundärenergienutzung mit Wärmepumpen geeignet ist.

Es sind zahlreiche technische Wärmeübertrager für nichtazeotrope Kältemittelgemische bekannt. Die meisten Wärmeübertrager für Kälteanlagen sind für große Temperaturänderungen der Stoffströme (Temperaturbänder) nur begrenzt geeignet. Bei ausreichender Länge des wasserseitigen Strömungs­ weges treten große kältemittelseitige Druckverluste auf. Bei kleinen kältemittelseitigen Druckverlusten ist der wasserseitige Strömungsweg zu gering. Doppelrohr-, Rohr-in-Rohr- und Koaxialwärme­ übertrager, die nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, ermöglichen große Temperaturbänder, jedoch bei großen Druckverlusten des Kältemittels. Bei ihnen ist die Leistung pro Wärmeübertragerelement begrenzt und damit für große Leistungen keine kompakte Bauweise realisierbar. Für große Leistungen werden in der Kältetechnik vorwiegend Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt. Wird das Kältemittelgemisch im Mantelraum geführt, ist aufgrund der Durchmischung der gesamten Flüssig­ keitsphase nur ein kleines Temperaturband realisierbar, wobei der überflutete Verdampfer den Grenzfall des minimalen Temperaturbandes darstellt.

Die Bemühungen um die Anwendung der nichtazeotropen Kältemittelgemische reichen bis in das Jahr 1888 zurück /1/, /5/, /7/. Es wird von der Anwendung des reinen Gegenstromes ausgegangen. Die Erfolge bei der kommerziellen Anwendung der nichtazeotropen Kältemittelgemische, mit dem Ziel der Leistungszahlverbesserung von Kälteanlagen, sind bis heute sehr gering. Das ist auch auf das ungelöste Wärmeübertragerproblem zurückzuführen. Übersichten zu den wissenschaftlichen Arbeiten und den praktischen Versuchen enthalten /1/, /7/. Einen Überblick zu der gesamten Problematik der nichtazeotropen Kältemittelgemische vermitteln /3/, /4/, /5/. Speziell mit den Wärmeübertrager beschäftigen sich /1/, /5/.

Das Problem der Konstruktion der Wärmeübertrager für nichtazeotrope Kältemittelgemische wird bereits in /1/ (S. 223 letzter Absatz) benannt. Für die Kondensation und Verdampfung wird der Gleichgewichtszustand der Phasen gefordert und darauf hingewiesen, daß diese Forderung in den üblichen Rohrbündel- Kondensatoren und -Verdampfern nicht erfüllt ist (S. 221). In /2/ (S. 228, Pkt. 6.80) wird auf die Kälteerzeugung bei gleitender Temperatur und die damit verbundene veränderliche Temperatur über die Länge der Rohrschlange hingewiesen.

Die nichtisotherme Phasenumwandlung der nichtazeotropen Kältemittelgemische ermöglicht eine Anpassung des kältemittelseitigen Temperaturverlaufs an den des äußeren Stoffstromes im Kondensator bzw. Verdampfer bei Gegenstrom in den Wärmeübertragern, wodurch sich die Leistungszahl des Prozesses verbessert /3/ (S. 296, S. 297 Nichtisotherme Kälteerzeugung). Diese Thesen wurden in weiteren Arbeiten unterstutzt. So wurde in /6/ (S. 24, Zusammenfassung) formuliert, daß Kondensator und Verdampfer einen echten Gegenstrom gewährleisten müssen und so konstruiert sein müssen, daß die Verdampfung und Kondensation im Gleichgewichtszustand der Phasen stattfindet.

Die Auswirkungen auf die Große des Temperaturbandes des Kältemittelgemisches bei Abweichung vom Phasengleichgewicht, durch die unterschiedliche konstruktive Gestaltung des Wärmeübertragers, beschreibt /5/.

Die Notwendigkeit der reinen Gegenstromfuhrung zur Erreichung geringer Temperaturdifferenzen zwischen den Medien wird in /7/ (S. 33 unten) bekräftigt. Daraus wird auch die Verwendung von Koaxialwärmeübertragern (reine Gegenstromer) abgeleitet /7/ (S. 80 Mitte).

Auch in /8/ (S. 808) wird betont, daß es wichtig ist, die Wärmeübertrager im Gegenstrom zu betreiben. In der Versuchsanlage wurden Doppelrohrwärmeübertrager (reine Gegenströmer) eingesetzt.

Im gleichen Sinne äußert sich auch /9/ (S. 15, The Questions of heat exchangers), in dem gefordert wird: Gegenstrom so gut wie möglich, mindestens im Verdampfer. Diese Meinung wird bis in die Gegenwart vertreten, wie /10/ (S. 169) zeigt.

Es kann zusammenfassend gesagt werden, daß in der internationalen Literatur bis heute die Meinung vertreten wird, daß Wärmeübertrager für Kälteanlagen und Wärmepumpen mit nichtazeotropen Kältemittelgemischen (mit dem Ziel der Leistungszahlsteigerung bei der Abkühlung bzw. Erwarmung von Stoffströmen) nach dem Prinzip der reinen Gegenströmführung konstruiert sein müssen, wobei sich Verdampfung bzw. Kondensation im Phasengleichgewicht befinden sollen.
/1/ Klimek, L.
Kälteprozeß mit Kältemittelgemisch und die praktischen Anwendungs­ möglichkeiten; Allgemeine Wärmetechnik 9 (1958)10, 219-224
/2/ Bäckström, M. Emblik, E.
Kältetechnik, Verlag G. Braun Karlsruhe, 3. Auflage 1965
/3/ Lorenz, A.
Zur Anwendung binärer Kältemittelgemische in Kompressionskälteanlagen; Luft- und Kältetechnik 9 (1973) 6, 296-301
/4/ Kruse, H Jakobs, R.
Die Bedeutung der nichtazeotropen Zweistoffkältemittel beim Einsatz in Wärmepumpen und Kälteanlagen; Klima-Kälteingenieur 5 (1977) 7/8, 253-260, 564-571
/5/ Trepp, Ch.
Einige Grundlagen für die Berechnung von Zweistoffkälteanlagen; In: Energieeinsparung durch Mehrstoffkälteanlagen, Forster-Verlag 1979 Nr. 1, Zürich
/6/ Ahnefeld, G.
Ein Beitrag zum Einsatz nichtazeotroper Zweistoffkältemittel in Kompressionswärmepumpen und -kältemaschinen; Luft- und Kältetechnik 16 (1980) 1, 19-24
/7/ Jakobs, R. M.
Die Verwendung von nichtazeotropen Zweistoff-Kältemitteln in Wärmepumpen; Forschungsberichte des DKV Nr. 3, Stuttgart 1981
/8/ Ramet, C. L., Rojey, A.
Application of mixed refrigerants to compression heat pumps; VDI-Bericht 539, 807-816, VDI-Verlag, Düsseldorf 1984
/9/ Schnitzer, H., Bertsson, T.
Improvement of COP of compressing heat pumps through the use of nonazeotropic mixtures, 2nd Int. Symp. York 1984, Paper A2, 13-20
/10/ Didion, D. A., Birens, D. B.
Role of refrigerant mixtures as alternatives to CFCs, Int. journ. of refr., Vol 13, No 3, May 1990, 163-175

Aufgabe der Erfindung ist es, den Widerspruch zwischen dem notwendigen Strömungsweg des äußeren Stoffstromes und dem dadurch bedingten Kältemitteldruckverlust der Wärmeübertrager für Kälteanlagen und Wärmepumpen mit nichtazeotropen Kältemittelgemischen zu lösen, um eine hohe Leistungszahl der Anlage zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst, indem die Medien nach dem Kreuzgegenstromprinzip geführt werden und das Kältemittelgemisch eine nichtisotherme Phasenänderung aufweist.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Die Zeichnung zeigt eine Gesamtansicht des Wärmeübertragers mit abgenommenem Kanalboden 2 und abgenommenen Seitenverkleidungen 5.

Der Aufbau des Wärmeübertragers erfolgt aus einzelnen Plattenkanalelementen 1, die an ihren Längsseiten durch Löten oder Schweißen gasdicht verschlossen werden. Zwischen den Platten können vor der Montage Einbauten, z. B. Wirbelzellen, eingebracht werden, die ebenso wie die Plat­ ten mit speziellen Oberflächenstrukturen oder -schichten, z. B. durch Prägen, Sintern oder Metallflammspritzen, versehen werden können. Die Einbauten werden nach Möglichkeit mit den Platten durch Löten fest verbunden.

Die Plattenkanalelemente 1 sind als Bündel in Rechteckform angeordnet. Sie sind in Umlenkbleche 6 eingeschoben und in den Kanalböden 2 verlötet. Grund- 3 und Deckenplatte 4 des Gehäuses werden mit den Umlenkblechen 6 und den Kanalböden 2 verschraubt oder verlötet. Die abnehmbare Seitenverkleidung 5 gestattet eine gute mechanische Reinigung in Richtung der Umlenkbleche 6.

Die Anzahl der Umlenkbleche 6 verhält sich proportional dem Temperaturband des flüssigen Mediums.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager gestattet in Kälteanlagen und Wärmepumpen mit nichtazeotropen Kältemittelgemischen eine hohe Leistungszahl und läßt sich gut reinigen. Er ist damit insbesondere für Abwässer und andere verschmutzende Medien geeignet.

Claims (1)

1. Wärmeübertrager für flüssige Medien unter Verwendung von Kältemittelgemischen, gekennzeichnet dadurch, daß die Medien in an sich bekannter Weise nach dem Kreuzgegenstromprinzip geführt sind und das Kältemittelgemisch eine nichtisotherme Phasenänderung aufweist.