DE4321250A1 - Rohrbündel-Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündel-Wärmetauscher, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben und aus der DE-A1-41 17 065 bereits bekannt ist.

In den herkömmlichen Wärmetauschern erfolgt die Verdampfung oder Kondensation des Arbeitsmediums bei konstantem Druck und konstanter Temperatur. Demgegenüber verläuft die Verdampfung bzw. Kondensation von aus ineinander gut löslichen Komponenten bestehenden sogenannten nicht azeotropischen Arbeitsmedien (Lösungen, Mischungen, Gemischen) bei konstantem Druck, aber bei veränderlicher Temperatur. Zur Verwirklichung dieses Vor­ gangs ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher geeignet. Arbeits­ medien veränderlicher Temperatur (im weiteren Lösungen) können vorteilhaft in Kreisläufen von kompressorbestückten Wärmepumpen oder Kältemaschinen verwendet werden, da bei deren Verwendung der Leistungsfaktor derartiger Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen maßgeblich verbessert werden kann. Im Vergleich zu den herkömm­ lichen Kompressor-Wärmepumpen kann (bei gleicher Aufgabenstel­ lung) mit den mit einer Lösung arbeitenden Kompressor-Wärmepum­ pen eine 30-60%ige Verbesserung des Leistungsfaktors erreicht werden. Dieser Vorteil kann ganz besonders dann gesichert wer­ den, wenn für die äußeren Medien der Wärmepumpe - welche die Wärmequelle bzw. den Wärmeverbraucher der Wärmepumpe bilden - ebenfalls eine veränderliche Temperatur (Abkühlung und Erwär­ mung) kennzeichnend ist.

Die an sich seit ziemlich langer Zeit (z. B. aufgrund der DE-PS 84 084) bekannte, mit einer zirkulierenden Lösung arbeitende kompressorbestückte Wärmepumpe bzw. Kältemaschine (im weiteren nur als Wärmepumpe bezeichnet) trat in jüngster Zeit in den Mittelpunkt der Entwicklungen. Dies gilt insbesondere für die Elemente der Wärmepumpe, die erforderlich sind, um bei den mit einer Lösung arbeitenden kompressorbestückten Wärmepumpen die erwarteten Vorteile sichern zu können.

Die Lösung ist stets die Mischung einer flüchtigeren und einer weniger flüchtigen Komponente (z. B. ist im Falle eines Ammo­ niak-Wasser Gemisches das Ammoniak die flüchtigere, das Wasser die weniger flüchtige Komponente). Während der Erwärmung einer Lösung mit gegebener Konzentration beginnt zuerst die flüchti­ gere Komponente zu verdampfen. Die Verdampfung findet während einer stetigen Temperaturerhöhung statt. In Abhängigkeit davon, ob von der flüchtigeren Komponente mehr oder weniger in der Lö­ sung enthalten ist, kann die Konzentration der Lösung unter­ schiedlich sein. Unter einem gegebenen Druck setzen die Ver­ dampfung und die Kondensation der verschiedene Konzentrationen aufweisenden Lösungen bei jeweils anderen Temperaturen ein und vollziehen sich entlang unterschiedlicher Temperaturablaufkur­ ven mit dem Unterschied, daß bei der Verdampfung die Temperatur ansteigt, bei der Kondensation hingegen fällt. Bei der Verdamp­ fung der Lösung beginnt zuerst die flüchtigere Komponente zu verdampfen und wird ausgetrieben, so daß ein Dampf von hoher Konzentration entsteht. Die Konzentration der zurückbleibenden flüssigen Phase geht aber bei ansteigender Temperatur der Ver­ dampfung kontinuierlich zurück. Bei der Kondensation der Lösung kondensiert zuerst der eine hohe Konzentration aufweisende Dampf, der dann bei kontinuierlich fallender Temperatur in die eine niedrigere Konzentration aufweisenden flüssige Phase ein­ geht.

Zu den wichtigsten Bauteilen der mit Lösungen arbeitenden kom­ pressorbestückten Wärmepumpen gehören die Wärmetauscher, in denen die bei veränderlicher Temperatur erfolgende Verdampfung bzw. Kondensation verwirklicht werden muß. Dazu ist erforder­ lich, daß in den Wärmetauschern das äußere Medium (bei den Wär­ mepumpen die an den Verdampfer angeschlossene Wärmequelle bzw. der an den Kondensator angeschlossene Wärmeverbraucher) und die im Kreislauf strömende Lösung miteinander im Gegenstrom zirku­ lieren. Für diesen Zweck sind die bekannten liegend angeordne­ ten Gegenstrom-Rohrbündel-Wärmetauscher am besten geeignet, de­ ren Rohrbündel in einem Mantelrohr (Wärmetauschermantel) ange­ ordnet sind.

Damit bei den mit Lösungen arbeitenden Wärmepumpen in den Wär­ metauschern der veränderliche Temperaturablauf stattfindet, ist es auch erforderlich, daß die bei der Verdampfung aus der Lö­ sung austretende, an den flüchtigeren Komponenten reiche Dampf­ phase und die zugehörige flüssige Phase stets miteinander zu­ sammen strömen. Das gleiche gilt auch für den Kondensator, wo jedoch der die flüchtigeren Komponenten verstärkt enthaltende kondensierende Dampf in der mit ihm zusammen strömenden flüssi­ gen Phase aufgehen muß. Hierzu ist erforderlich, daß bei einem aus mehreren parallelen Rohren bestehenden Rohrbündel-Wärmetau­ scher die Flüssigkeits- und Dampfphase beim Eintritt in den Wärmetauscher gleichmäßig verteilt werden und diese gleichmä­ ßige Verteilung zwischen den parallelen Rohren bis zum Ende des Wärmetauschers beibehalten wird.

Aus vorstehender Bedingung resultiert, daß zu dieser Aufgabe ein derartiger Rohrbündel-Wärmetauscher in waagerechter Anord­ nung erforderlich ist, bei dem die Rohre so ausgeführt sind, daß die Lösung über eine beliebige Länge in den parallelen Roh­ ren strömen kann, ohne daß sie sich dabei zwischen den Rohren vermischen würde. Dazu wird ein Rohrbündel-Wärmetauscher mit vom Eintritt bis zum Austritt ohne Unterbrechung verlaufenden parallelen Wärmetauscherrohren in vorzugsweise mehrzügiger bzw. mehrflutiger Ausbildung vorgesehen.

Beim eingangs genannten bekannten Rohrbündel-Wärmetauscher (DE- A1-41 17 065) erstrecken sich die waagerecht innerhalb eines Mantels angeordneten Wärmetauscherrohre zwischen zwei Rohrbö­ den, die eine Umlenkungskammer bzw. eine Austrittskammer für das Kreislaufmedium bzw. die Lösung (Kältemittel) innerhalb des Mantels begrenzen. Das Kreislaufmedium wird durch die Aus­ trittskammer hindurch nur der mittleren Reihe von höhengleich angeordneten Wärmetauscherrohren zugeführt, wobei das Kreis­ laufmedium durch die restlichen (oberen und unteren) Wärmetau­ scherrohre von der Umlenkkammer zur Austrittskammer zurück strömt. Die Verteileinrichtung für die Zuführung des Kreislauf­ mediums weist eine in geringem Abstand vor den Eintrittsöffnun­ gen der mittleren Reihe von Wärmetauscherrohren angeordnete breite Verteilleiste geringer Höhe mit Durchtrittsbohrungen auf, denen das Kreislaufmedium über einen sich axial durch die Austrittskammer erstreckenden Zuführungskanal zuströmt. Die Durchtrittsbohrungen in der Verteilerleiste sollen eine gleich­ mäßige Mischung von Flüssigphase und Dampfphase bewirken bzw. sicherstellen, während der kurze Weg von den Durchtrittsbohrun­ gen zu den Eintrittsöffnungen der Wärmetauscherrohre in Verbin­ dung mit der geringen Höhe der Verteilerkammer einer Entmi­ schung vorbeugen soll.

Ein Nachteil dieses Rohrbündel-Wärmetauschers liegt darin, daß das Kreislaufmedium nur einer waagerechten Reihe (oder allen­ falls zwei Reihen) von Wärmetauscherrohren zugeführt werden kann, was entweder eine sehr ungünstige Querschnittsform des Wärmetauschers bedingt oder aber bei über den Querschnitt gleichmäßig verteilten Rohren ein Übermaß an Wärmetauscherroh­ ren für die Rückströmung von der Umlenkkammer zur Austrittskam­ mer zur Folge hat. Außerdem findet in der Umlenkkammer eine Entmischung von Dampf und Flüssigkeit statt, die zu einer un­ gleichmäßigen Beschickung der Rückströmrohre führt, insbeson­ dere zwischen den oberen und den unteren Wärmetauscherrohren. Schließlich ist die bekannte Konstruktion mit zwei Rohrböden vergleichsweise aufwendig.

Allerdings sind waagerecht angeordnete Rohrbündel-Wärmetauscher mit über die gesamte Wärmetauschstrecke durchlaufenden Rohren auch bereits bekannt, wobei die Rohre einfach, doppelt oder mehrfach u-förmig verlaufen und an einem endseitigen Rohrboden abgestützt sind (DE-A1-41 17 066). Hier wird aber ebenfalls das Kreislaufmedium nur einer mittleren Reihe von höhengleichen Wärmetauscherrohren zugeführt, wobei den Eintrittsenden der Wärmetauscherrohre keine zusätzliche Verteileinrichtung zur gleichmäßigen Beschickung zugeordnet ist.

Schließlich ist auch ein waagerecht angeordneter Rohrbündel- Verdampfer für ein Kältemittel bekannt, bei dem in Längsabstän­ den verteilt sowie abwechselnd oben und unten innenseitig an den das Rohrbündel aufnehmenden Mantel Strömungsleitflächen an­ geschlossen sind, die dem durch den Mantel strömenden äußeren Medium eine schlangenlinienförmige Strömung erteilen und da­ durch den Wärmeaustausch verbessern (DE-B1-24 27 805).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in seinem Auf­ bau einfachen und kompakten Rohrbündel-Wärmetauscher zur Ver­ dampfung oder Kondensation von insbesondere nicht azeotropen Kreislauf-Gemischen vorzusehen, der im Interesse des veränder­ lichen Temperaturablaufes die gleichmäßige Verteilung der Flüs­ sigkeits- und der Dampfphase zwischen den waagerechten Rohren des Wärmetauschers sichert, selbst wenn diese Rohre eine unter­ schiedliche Höhenlage aufweisen, wobei gleichzeitig das über eine lange Strecke ohne Vermischung erfolgende gemeinsame Strö­ men der beiden Phasen in parallelen und gegebenenfalls mehrzü­ gigen Wärmetauscherrohren bei verhältnismäßig geringem Platzbe­ darf gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem Rohrbündel-Wärme­ tauscher mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen.

Bei einem speziellen erfindungsgemäßen mehrflutigen Rohrbündel- Wärmetauscher in waagerechter Ausführung ist im oberen Teil des durch eine Trennwand in zwei Teile aufgeteilten Innenraumes des Wärmetauscherkopfes ein Flüssigkeitssammelgefäß angeordnet, von dessen Boden Flüssigkeitsleitungsrohre zum Eingang der einzel­ nen Wärmetauscherrohre führen, wobei einen kleineren Durchmes­ ser als der Durchmesser dieser Wärmetauscherrohre aufweisende Flüssigkeitsleitungsrohre entlang ihres Mantels einen ringför­ migen freien Querschnitt lassend frei in das in einem Rohrboden befestigte Ende der Wärmetauscherrohre hineinreichen. Die Wär­ metauscherrohre bilden zwei oder vier Züge oder Wärmetauscher­ gänge innerhalb des Wärmetauschermantels, wobei die geraden Rohrabschnitte der einzelnen Gänge rohrweise durch Bögen mit­ einander verbunden sind, während der Innenraum des Wärmetau­ schermantels durch waagerechte und senkrechte Raumtrennelemente (Strömungsleitflächen) aufgeteilt ist, wodurch eine lange Kon­ taktstrecke mit einer intensiven Umspülung der Austauscherrohre annähernd im Gegenstrom erreicht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher werden die Dampf- und die Flüssigkeitsphase der Lösung bzw. des Kreislaufmittels zunächst voneinander getrennt und auf getrennten Wegen den Ein­ trittsenden der Wärmetauscherrohre gleichzeitig zugeführt, was eine im wesentlichen gleichmäßige Beschickung der Rohre mit beiden Phasen garantiert, die von der Höhenlage der Rohre unab­ hängig ist. In oberen Raum des Wärmetauscherkopfes erfolgt die Trennung der Dampf- und der Flüssigkeitsphase der Lösung, die gleichmäßige Verteilung der flüssigen Phase, sowie die Herein­ führung der flüssigen und der Dampfphase in die Wärmetauscher­ rohre, wobei aus dem unteren Raum die Herausführung der den Wärmetauscher verlassenden Lösung stattfindet. Die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeitsphase wird durch ein Flüssigkeits­ sammelgefäß gesichert, in dem sich ein gegebener Flüssig­ keitspegel einstellt, der eine gleiche Flüssigkeitsverteilung zwischen den zu den Wärmetauscherrohren führenden Flüssigkeits­ leitungsrohren sichert. Da die Flüssigkeitsleitungsrohre unter Belassung eines freien ringförmigen Abschnittes entlang ihres Mantels frei in die Enden der Wärmetauscherrohre hineinreichen, gewährleistet so dieser ringförmige Querschnitt auch den gleichmäßigen Eintritt der Dampfphase in die Wärmetauscher­ rohre. Die gegenstromähnliche Führung des zwischen den Wärme­ tauscherrohren strömenden äußeren Mediums wird auf einfache und platzsparende Weise durch die senkrechten und waagerechten Raumtrennelemente des Wärmetauschermantels gesichert.

Ein bedeutsames Element der erfindungsgemäßen Ausführung hin­ sichtlich der Kompaktbauweise ist noch die Maßnahme, daß die Richtungsumkehr zwischen den einzelnen Zügen oder Rohrgängen ohne eine eigene Umkehrkammer innerhalb des Wärmetauscherman­ tels erfolgt, wobei die Wärmetauscherrohre einzeln durch Ver­ bindungsbögen gewendet werden.

Enthält die in den Wärmetauscher eintretende Lösung viel Dampf, so ist die Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers zweckdienlich, bei der in den Wärmetauscherkopf ein nach dem Prallprinzip funktionierender Flüssigkeitsabscheider einge­ baut ist, der von einem zylindrischen Tropfenfängerblech umge­ ben wird, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des darunter angeordneten Flüssigkeitssammelgefäßes ist.

Ist jedoch der Dampfgehalt der Lösung sehr niedrig, wie z. B. beim Eintritt in den Verdampfer einer mit Lösungen arbeitenden Wärmepumpe, dann ist die Ausführungsform günstiger, bei welcher der die Lösung zuführende Rohrabschnitt in den unteren Teil des Flüssigkeitssammelgefäßes, zweckdienlicherweise in dessen Bo­ denteil, mündet und darüber ein mit Öffnungen versehenes Strö­ mungsdämpfer- und -verteilerblech angeordnet ist, wobei die in dem Strömungsdämpfer- und -verteilerblech vorgesehenen Öffnun­ gen in der Nähe des die Lösung einführenden Rohrabschnittes spärlicher, sich davon entfernend dichter angeordnet sind.

Zur gleichmäßigen Ableitung der infolge der veränderlichen Lei­ stung der Wärmepumpe ebenfalls veränderlichen Flüssigkeitsmenge ist es im Sinne der Erfindung zweckdienlich, wenn an das obere Ende der aus dem Bodenteil des Flüssigkeitssammelgefäßes ausge­ henden Flüssigkeitsleitungsrohre ein derartiger rohrförmiger Einsatz montiert wird, in dem seitlich eine Öffnung mit nach oben zunehmendem Querschnitt vorgesehen ist. In diesem Zusam­ menhang ist es wesentlich, daß die unteren Eintrittskanten der veränderlichen Querschnitt aufweisenden Öffnungen der an die Enden der Flüssigkeitsleitungsrohre montierten Einsätze im Ver­ gleich zum Boden des Flüssigkeitssammmelgefäßes in der gleichen Höhenebene angeordnet sind.

Schließlich ist es im Sinne der Erfindung vorteilhaft, wenn der Wärmetauscher eine gerade Anzahl von Wärmetauschergängen auf­ weist, wobei der Eingang und der Ausgang der Wärmetauscherrohre in ein und derselben Rohrwand (Rohrboden) ausgebildet ist, da in diesem Falle nur eine einzige Rohrwand bzw. ein einziger Wärmetauscherkopf ausgebildet werden muß und so die ganze Kon­ struktion eine kompaktere Bauweise erlangt.

Die Erfindung wird detailliert anhand von Ausführungsbeispielen aufgrund der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei bei­ spielsweise viergängige Wärmetauscher dargestellt sind. Es zei­ gen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers,

Fig. 2 die Stirnansicht des Wärmetauschers nach Fig. 1,

Fig. 3 der den inneren Aufbau des Wärmetauschers nach Fig. 1 darstellende Längsschnitt,

Fig. 4 eine Ausführungsvariante des Flüssigkeitsverteilers des erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer der Fig. 2 entsprechenden Ansicht, bei abgenommener hinterer Ver­ kleidung,

Fig. 5 eine andere mögliche Ausführungsform des Flüssigkeits­ verteilers in einer der Fig. 4 ähnlichen Ansicht,

Fig. 6 ein vergrößertes Detail des Flüssigkeitsverteilers nach Fig. 4 im Schnitt,

Fig. 7 ein der Fig. 6 entsprechendes Detail des Flüssigkeits­ verteilers nach Fig. 5,

Fig. 8 die Anordnung der Rohrbündelgänge des Wärmetauschers in senkrechtem Längsschnitt,

Fig. 9 die Anordnung der Rohrbündelgänge nach Fig. 8 im Quer­ schnitt und

Fig. 10 die Anordnung der Rohrbündelgänge nach Fig. 8 im waage­ rechten Längsschnitt.

Der in Fig. 1 und 2 zu sehende Wärmetauscher ist in seiner äu­ ßeren Erscheinung von einem üblichen Rohrbündel-Wärmetauscher nicht sehr verschieden und besteht letzterem ähnlich aus einem Wärmetauscherkopf 5, und dem das Bündel der Wärmetauscherrohre 14 aufnehmenden Wärmetauschermantel 6. An das offene Ende des Wärmetauschermantels ist die Rohrwand 12 angeschweißt, an die mittels Durchsteckschrauben der Flansch 13 des Wärmetauscher­ kopfes festgeschraubt ist. Am oberen Teil des Wärmetauscher­ kopfes 5 bildet ein Rohrstutzen 7 den Eintritt für das zuge­ führte Kreislaufmedium 1 (Lösung), und am Boden des Wärmetau­ scherkopfes 5 ein Rohrstutzen 8 für das austretende Kreislauf­ medium 2 vorgesehen. Angedeutet sind ferner das eintretende äu­ ßere Medium 3 und das austretende äußere Medium 4, die jeweils nahe der Rohrwand 12 unten bzw. oben in den Wärmetauschermantel 6 eintreten bzw. aus ihm austreten.

Die neuartigen Merkmale des Wärmetauschers können an Fig. 3 und 4 beobachtet werden. Aus diesen Figuren ist zu ersehen, daß der Wärmetauscherkopf 5 durch ein Raumtrennelement 18 in eine obere Dampfkammer 5a und eine untere Austrittskammer 5b für das Kreislaufmedium 1-2 aufgeteilt ist.

In der Dampfkammer 5a des Wärmetauscherkopfes 5 ist ein Flüs­ sigkeits-Prallabscheider 21 angeordnet, der von einem zylindri­ schen Tropfenfängerblech 22 umgeben ist. Der Umfang dieses Tropfenfängerbleches 22 ist kleiner als der des darunter ange­ ordneten Flüssigkeitssammelgefäßes 20, das zum Auffangen der aus dem Flüssigkeits-Prallabscheider herabfließenden Flüssig­ keit vorgesehen ist, während der aus dem zweiphasig zugeführten Kreislaufmedium anfallende Dampf die Dampfkammer 5a füllt. Die Flüssigkeit wird vom Boden des Flüssigkeitssammelgefäßes 20 durch Flüssigkeitsleitungsrohre 19 zu den im Wärmetauscherman­ tel 6 waagerecht angeordneten Wärmetauscherrohren 14 geführt, in welche die Flüssigkeitsrohre 19 einzeln frei hineinreichen und hierbei entlang ihres Mantels je eine Dampfeinspeisungsöff­ nung 14a mit einem ringförmigen freien Querschnitt zum Einströ­ men der Dampfphase aus der Dampfkammer 5a in die Wärmetauscher­ rohre 14 belassen.

Bei dem in den Figuren als Beispiel dargestellten viergängigen Wärmetauscher ist der Eintritt 27 der Wärmetauscherrohre 14 in der einen Hälfte der oberen Hälfte des Wärmetauschers, ihr Aus­ tritt 28 hingegen in dem unter die Eintritte 27 fallenden Teil der unteren Hälfte des Wärmetauschers angeordnet, wobei die En­ den der innerhalb des Wärmetauschermantels 6 auf der den vier Gängen entsprechenden Spurlinie geführten Wärmetauscherrohre 14 in die Rohrwand 12 eingeschweißt sind. Neben dem Eintritts- und dem Austrittsgang sind in den verbindenden Wendungen der übri­ gen Gänge die Wärmetauscherrohre 14 mit senkrechten und/oder waagerechten Biegungen von dem einen in den anderen Raum ge­ führt.

Im Interesse der besseren Vermischung des um die Wärmetauscher­ rohre 14 strömenden äußeren Mediums 3-4 sind im Innenraum des Wärmetauschermantels 6 senkrechte Leitbleche 15 angeordnet. Der durch den Wärmetauschermantel 6 umschlossene Innenraum des Wär­ metauschers ist in vier Raumteile (Sektoren) aufgeteilt, welche durch die von der Rohrwand 12 bis zur waagerechten Wendung der Wärmetauscherrohre reichenden, einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Wärmetauscherrohre aufweisenden senkrechten oberen 17a und unteren 17b Raumtrennelemente bzw. die waage­ rechten Raumtrennelemente 16a und 16b gegeneinander abgegrenzt sind. Die Ausgestaltung der letzteren ist ungleich, da das Raumtrennelement 16a von der Rohrwand 12 in der ganzen Länge des Wärmetauschers entlang läuft, wogegen das Raumtrennelement 16b von den senkrechten Wendungen der Wärmetauscherrohre 14 bis zum hinteren Ende des Wärmetauschers reicht.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist fol­ gende:
Die zu verdampfende oder zu kondensierende nicht azeotropische, aus flüchtigeren und weniger flüchtigen Komponenten bestehende, Flüssigkeits- und Dampfphase gleichermaßen enthaltende Lösung wird durch den am oberen Teil des Wärmetauscherkopfes befindli­ chen Rohrstutzen 7 in den im oberen Teil des Wärmetauscher­ kopfes angeordneten Flüssigkeitsabscheider hineingeführt. Wenn die in den Wärmetauscher eintretende Lösung 1 viel Dampf ent­ hält, so ist es zweckdienlich, den in Fig. 3 und 4 dargestell­ ten Flüssigkeits-Prallabscheider 21 zu verwenden, dessen zylin­ drisches Tropfenfängerblech 22 ein möglichst effektives Einfan­ gen der durch den Dampf mitgeführten Flüssigkeitstropfen si­ chert. Die durch den Flüssigkeitsabscheider 21 abgeschiedene Flüssigkeit wird in dem unter diesem angeordneten Flüssigkeits­ sammelgefäß 20 aufgefangen und gesammelt, von wo dann diese Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsleitungsrohre 19 in die Wär­ metauscherrohre 14 geführt wird. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist der Prallabscheider 21 in einem angeflanschten Aufsatz 5c des Wärmetauscherkopfs 5 angeordnet.

Es ist dafür zu sorgen, daß die Flüssigkeit aus dem Flüssig­ keitssammelgefäß 20 vollkommen gleichmäßig verteilt in die ein­ zelnen Wärmetauscherrohre 14 gelangt, und dies auch im Falle einer zufolge einer Leistungsänderung der Wärmepumpe eintreten­ den Änderung der Menge der flüssigen Phase. Zur Sicherung die­ ser gleichmäßigen Verteilung dient der an das Ende der aus dem Boden des Flüssigkeitssammelgefäßes 20 aufragenden Flüssig­ keitsrohre 19 aufgesetzte Einsatz 23, der in Fig. 6 zu sehen ist. An der Seite des Einsatzes 23 ist eine Einlauföffnung 23a ausgebildet, deren Querschnitt sich nach oben hin vergrößert. So ergibt sich bei einer kleineren Flüssigkeitsmenge ein nied­ rigerer Flüssigkeitspegel 26, wogegen bei einer Zunahme der Flüssigkeitsmenge sich ein höherer Flüssigkeitspegel 26 ein­ stellt. Bei der Ausgestaltung der Einsätze 23 ist es wichtig, daß die unteren Kanten der Einlauföffnungen 23a des Einsatzes 23 im Vergleich zu dem Boden des Flüssigkeitssammelgefäßes 20 in gleicher Höhe liegen.

Zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit wird zweckdienli­ cherweise eine andere Ausführungsform verwendet, wenn die Lö­ sung wenig Dampf enthält, was ein besonders am Eintritt des Verdampfers von Wärmepumpen vorkommender Zustand ist. Diese an­ dere Ausführungsform ist in den Fig. 5 und 7 zu sehen. Bei die­ ser Ausführungsform ist der Aufbau einfacher, da ein derartiges Flüssigkeitssammelgefäß 20′ zum Einsatz gelangt, in dessen un­ teren Teil der die Lösung 1 zuführende Rohrabschnitt 7 mündet. Die Einleitung kann durch den Boden, aber auch durch die Sei­ tenwand des Flüssigkeitssammelgefäßes 20′ erfolgen. Über der Eintrittsstelle 1 der Lösung ist ein Strömungsdämpfer- und Verteilerblech 24 angeordnet, das die gleichmäßige Verteilung der einströmenden Flüssigkeit in dem Flüssigkeitssammelgefäß 20′ fördert. Das Strömungsdämpfer- und -verteilerblech 24 ist mit Öffnungen 24a versehen, deren Zahl in der Nähe der Einmün­ dung des Rohrabschnitts 7 spärlicher ist, aber sich davon ent­ fernend zunehmend ansteigt. Wenn bei dieser Ausführungsform die Einsätze 23 verwendet werden, so sind diese so anzuordnen, daß ihre Einlauföffnungen 23a über dem Blech 24 oder mit diesem in einer Ebene beginnen.

Die flüssige Phase der Lösung gelangt demgemäß in der vorste­ hend beschriebenen Weise gleichmäßig verteilt durch die Flüs­ sigkeitsrohre 19 in die verschiedenen Wärmetauscherrohre 14. Die Dampfphase dringt dabei aus der Dampfkammer durch die ring­ förmigen Dampfeinspeisungsöffnungen 14a gleichmäßig verteilt in die Eintrittsenden aller Wärmetauscherrohre 14. In den Wärme­ tauscherrohren 14 strömen dann die beiden Phasen zusammen bis in die Austrittskammer 5b im Wärmetauscherkopf 5 unterhalb der Dampfkammer 5a, von wo dann die abströmende Lösung 2 durch den Rohrstutzen 8 austritt.

Das äußere Medium 3-4, das bei einem Verdampfer ein abzukühlen­ des, bei einem Kondensator ein auf zuwärmendes Medium ist, wird in den Innenraum des Wärmetauschermantels 6 unten, durch den Stutzen 9 eingeführt. Das äußere Medium strömt im Vergleich zu der in den Wärmetauscherrohren 14 strömenden Lösung im Gegen­ strom um die Wärmetauscherrohre 14, wobei mittels der senkrech­ ten Leitbleche 15 die bestmögliche Vermischung und eine mög­ lichst intensive Strömung des äußeren Mediums 3-4 gesichert wird. Der Innenraum des Wärmetauschermantels 6, in dem die Wär­ metauscherrohre 14 zu vier parallelen Gängen gebogen bzw. ge­ wendet sind, ist durch die Raumtrennelemente 16a, 16b bzw. 17a, 17b in vier Raumteile geteilt, die nacheinander vom äußeren Me­ dium 3-4 von seinem Eintritt in den Wärmetauscher bis zu seinem Austritt aus diesem durchströmt werden. Mittels der vorstehend beschriebenen Anordnung kann gesichert werden, daß die Wärme­ tauscherrohre 14, in denen die Lösung strömt, vom Eintritt der Lösung in den Wärmetauscher bis zu ihrem Austritt aus demsel­ ben, in ihrer ganzen Länge an dem Wärmeaustausch teilnehmen und daß die in den Wärmetauscherrohren 14 strömende Lösung 1-2 und das äußere Medium 3-4 zueinander im Gegenstrom strömen.

Die beschriebene Wärmetauscherausführung kann natürlich auch mit einer größeren Gängezahl als vier ausgeführt sein. Auch die Bedingung, daß die Zahl der Gänge eine gerade Zahl sein soll, ist obwohl zweckdienlich doch keineswegs verbindlich. Im Falle einer abweichenden Gängezahl sind lediglich die Zahl und die Ausführung der Raumtrennelemente 16 und 17 so zu verändern, daß das äußere Medium 3-4 den Biegungen bzw. Wendungen der Wärme­ tauscherrohre 14 stets entsprechend folgt. Somit sind folgende Gegenstände und Merkmale als erfindungszugehörig anzusehen:

Waagerecht angeordneter mehrgängiger Gegenstrom-Rohrbündel-Wär­ meaustauscher, insbesondere zum Verdampfen und zur Kondensation von nicht azeotropischen Lösungen, bestehend aus einem zum Ein­ tritt und Austritt der Lösung dienende Ein- und Austrittsstel­ len aufweisenden Wärmetauscherkopf und einem angeflanschten, das Bündel der Wärmetauscherrohre aufnehmenden Wärmetauscher­ mantel, an dem Ein- und Austrittsstellen für ein äußeres Medium vorgesehen sind, mit der Maßgabe, daß im oberen Teil des durch ein Trennelement (18) in zwei Teile aufgeteilten Innenraumes des Wärmetauscherkopfes (5) ein Flüssigkeitssammelgefäß (20, 20′) angeordnet ist, von dessen Boden Flüssigkeitsleitungsrohre (19) zum Eingang (27) der einzelnen Wärmetauscherrohre (14) führen, wobei einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser dieser Wärmetauscherrohre (14) aufweisende Flüssigkeitslei­ tungsrohre (19) entlang ihres Mantels einen ringförmigen freien Querschnitt lassend, frei in das in eine Rohrwand (12) befe­ stigte Ende der Wärmetauscherrohre (14) hineinreichen, und aus den Wärmetauscherrohren (14) mehr als zwei Wärmetauschergänge innerhalb des Wärmetauschermantels (6) ausgebildet sind, wobei die Wendungen der einzelnen Gänge der Wärmetauscherrohre (14) rohrweise ausgebildet sind, gleichzeitig der Innenraum des Wär­ metauschermantels (6) in besondere, die im Vergleich zur Lösung im Gegenstrom erfolgende Strömung des äußeren Mediums si­ chernde, durch waagerechte und senkrechte Raumtrennele­ mente (16a, 16b, 17a, 17b) begrenzte Raumteile aufgeteilt ist.

Ein solcher Wärmeaustauscher, bei dem in den Wärmeaustauscher­ kopf (5) ein nach dem Prallprinzip arbeitender Flüssigkeitsab­ scheider (21) eingebaut ist, der durch ein zylindrisches Trop­ fenfängerblech (22) umgeben ist, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser des darunter angeordneten Flüssigkeitssammelge­ fäßes (20) ist.

Ein solcher Wärmeaustauscher, bei dem der die Eingangstelle (1) bildende Rohrabschnitt (7) in den unteren Teil Flüssigkeitssam­ melgefäßes (20′), insbesondere in dessen Boden, mündet und dar­ über ein mit Öffnungen (24a) versehenes Strömungsdämpfer- und Verteilerblech (24) angeordnet ist.

Ein solcher Wärmeaustauscher, bei dem an das obere Ende der aus dem Boden des Flüssigkeitssammelgefäßes (20, 20′) aufragenden Flüssigkeitsleitungsrohre (19) ein rohrförmiger Einsatz (23) befestigt ist, an dessen Seite eine zur gleichmäßigen Fortlei­ tung einer veränderlichen Flüssigkeitsmenge geeignete, einen sich nach oben erweiternden Querschnitt aufweisende Einlauföff­ nung (23a) ausgebildet ist.

Ein solcher Wärmeaustauscher, bei dem die unteren Eintrittskan­ ten der einen veränderlichen Querschnitt aufweisenden Einlauf­ öffnungen (23a) der an das Ende der Flüssigkeitsleitungsrohre (19) befestigten Einsätze (23) im Vergleich zum Boden (20, 20′) in der gleichen Höhenebene angeordnet sind.

Ein solcher Wärmeaustauscher, bei dem die in dem Strömungsdämp­ fer- und Verteilerblech (24) vorgesehenen Öffnungen (24a) in der Nähe des die Lösung (1-2) einführenden Rohrabschnittes (7) spärlicher, sich davon entfernend aber dichter angeordnet sind.

Ein solcher Wärmeaustauscher, der Wärmeaustauschergänge gerader Zahl besitzt, wobei der Eingang (27) und der Ausgang (28) der Wärmeaustauscherrohre (14) in der gleichen Rohrwand (12) ausge­ bildet sind.

Claims (11)

1. Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere zum Verdampfen oder Kondensieren von nicht azeotropen Kreislauf-Gemischen, mit innerhalb eines Mantels (6) waagerecht angeordneten Tau­ scherrohren (14) zur Durchströmung mit einem teils flüssig und teils dampfförmig anfallenden Kreislaufmedium (1-2) und zur Umströmung mit einem durch den Mantel (6) geleiteten äußeren Medium (3-4), wobei den Tauscherrohren (14) ein­ trittsseitig eine Verteileinrichtung (19-23) zur gleichmä­ ßigen Beschickung der Tauscherrohre (14) mit dem zugeführ­ ten Kreislaufmedium (1) vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteileinrichtung (19 bis 23) einen vom zugeführten Kreislaufmedium (1) durchströmten Flüssigkeitsabscheider (21) mit einem Flüssigkeitssammler (20) aufweist, von dessen Boden jeweils ein Einleitungsrohr (19) in das Eintrittsende eines jeden Tauscherrohrs (14) führt, und daß jedes Eintrittsende der Tauscherrohre (14) mit einer Dampfeinspeisungsöffnung (14a) versehen ist, die mit einer dem Flüssigkeitsabscheider (21) nachfolgenden ge­ meinsamen Dampfkammer (5a) in Verbindung steht.

2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfeinspeisungsöffnungen (14a) von Ringkanälen zwischen der Innenwand der Tauscherrohre (14) und der einen kleineren Durchmesser aufweisenden Au­ ßenwand der Einleitungsrohre (19) gebildet sind.

3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauscherrohre (14) mit ihrem ein­ trittsseitigen Ende in einem Rohrboden (12) befestigt sind, der die gemeinsame Dampfkammer (5a) innerhalb eines Wärme­ tauscherkopfes (5) begrenzt.

4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkopf (5) mit einem Aufsatz (5c) versehen ist, der den Flüssigkeitsabscheider (21) aufnimmt.

5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkopf (5) durch eine waagerechte Trennwand (18) in eine obere Dampfkammer (5a) und eine untere Austrittskammer (5b) für das abgeführte Kreislaufmedium (2) unterteilt ist, in die die mindestens zweizügig ausgeführten Austauscherrohre (14) durch den Rohrboden (12) hindurch einmünden.

6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innenseitig an den Mantel (6) anschließend senkrechte und/oder waagerechte Strömungsleit­ flächen (15, 16a, 16b, 17a, 17b) für das äußere Medium (3- 4) vorgesehen sind.

7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Prallprinzip ar­ beitender Flüssigkeitsabscheider (21) vorgesehen ist, der von einer zylindrischen Tropfenfängerwand (22) mit kleine­ rem Durchmesser als der darunter angeordnete Flüssigkeits­ sammler (20) umgeben ist.

8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführleitung (7′) für das Kreislaufmedium (1-2) aufwärts gerichtet im Boden des Flüs­ sigkeitssammlers (20′) ausmündet und über diesem Boden eine mit Öffnungen (24a) versehene Verteilerplatte (24) angeord­ net ist.

9. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächendichte der Öffnungen (24a) in der Verteilerplatte (24) nahe der Zuführleitung (7′) kleiner und weiter ab von der Zuführleitung (7′) größer ist.

10. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einleitungsrohr (19) einen vom Boden des Flüssigkeitssammlers (20, 20′) aufra­ genden rohrförmigen Einlauf (23) aufweist, der mit einer seitlichen Einlauföffnung (23a) versehen ist, deren Öff­ nungsquerschnitt sich nach oben erweitert.

11. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Enden der Einlauföffnungen (23a) aller Einläufe (23) höhengleich angeordnet sind.