DE4409920C2 - Einrichtung zur Führung des Kältemittels in einem liegenden Rohrbündelverdampfer mit U-Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Führung des Kältemittels in einem liegenden Rohrbündelverdampfer mit U-Rohren, in deren Innenräumen das Kältemittel verdampft und überhitzt wird und in mindestens zwei getrennten Kältemittelwegen geführt ist, während ein flüssiger Kälteträger um die Rohre durch senkrechte Umlenkplatten mit wechselnd versetzten kreisabschnittsförmigen Durchtrittsöffnungen mäanderförmig strömt.

In Kälteanlagen zur Kühlung eines flüssigen Kälteträgers, zum Beispiel Wasser, haben waagerechte Verdampfer mit U-Rohren wegen der günstigen Temperaturführung breite Anwendung gefunden. Das Kältemittel verdampft unter mehrfacher Umlenkung in den Rohren und verläßt diese überhitzt. Der Kälteträger strömt um die Rohre. Zur Führung des Kälteträgers sind senkrechte Umlenkplatten angeordnet. Sie haben wechselnd versetzte waagerechte kreisabschnittsförmige Durchtrittsöffnungen, so daß der Kälteträger mäanderförmig durch den Verdampfer strömt. Der Leistungsbedarf der Kälteverbraucher an derartigen Kälteanlagen unterliegt vielfach starken Schwankungen. Als Beispiele werden Klimaanlagen mit den jahreszeitlichen Schwankungen im Kältebedarf genannt. Schwierigkeiten bereitet dann der meist über längere Zeit erforderliche Teillastbetrieb. Der Leistungsbedarf läßt sich durch Drosselung der Kältemittelzufuhr zum Verdampfer nicht beliebig herunterregeln. Die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren wird gering. Das vom Kältemittel stets aus dem Verdichter mitgerissene Öl lagert sich dadurch in den Verdampferrohren ab und es kommt zu Betriebsstörungen.

Aus der DE 41 17 066 A1 ist es bekannt, durch eine Vielzahl von Umlenkungen und einen relativ kleinen Strömungsquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren so zu erhöhen, daß der Öltransport zurück in den Verdichter gewährleistet ist. Würde der Strömungsquerschnitt so weit verkleinert, daß auch bei Teillast eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit für den Öltransport vorhanden wäre, führte dies bei Vollast zu unzulässig hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Leistungsverlusten. Für Kälteanlagen mit starken Schwankungen im Leistungsbedarf ist diese Konstruktion daher nicht geeignet.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist es bekannt, den Verdampfer in zwei getrennte Kältemittelwege aufzuteilen. Bei einer bekannten Ausführung ist vor dem Rohrboden parallel zur üblicherweise senkrechten Biegeebene der U-Rohre ein Steg angebracht, der das Rohrfeld in zwei Kältemittelwege trennt. Bei geringem Leistungsbedarf wird nur ein Kältemittelweg, d. h. ein Teil der Rohre mit Kältemittel beaufschlagt. An der Führung des Kälteträgers ändert sich bei diesem Konstruktionsprinzip nichts. Alle Rohre werden in gleicher Weise wie bei Vollast umströmt. Bei Teillast, also Abschaltung eines Kältemittelweges, wird nur ein seitlich des Steges liegendes Rohrfeld mit Kältemittel beaufschlagt. Die Verdampfung des Kältemittels vom flüssigen Eintritt zum dampfförmigen Austritt ergibt über die Rohrlänge unterschiedliche Wärmeübertragungsverhältnisse. So ist im dampfförmigen überhitzten Bereich die Wärmeübertragung an den Kälteträger am geringsten. Das ist der Bereich der oberen Rohre vor dem Austritt. An den anderen Rohrbereichen ist, je nach Flüssigkeits-Dampf-Verhältnis, die Wärmeübertragung an den Kälteträger wesentlich größer. Sind die Durchtrittsöffnungen der Umlenkplatten senkrecht zum Steg angebracht, wird in Strömungsrichtung des Kälteträgers etwa nur die Hälfte gekühlt. Die andere Hälfte strömt ohne wesentliche Durchmischung ungekühlt zum Kälteträgeraustritt. Erst hier findet die Durchmischung des gekühlten und des ungekühlten Teils des Kälteträgers statt, verbunden mit einem Energieverlust. Bei einer Anordnung der Durchtrittsöffnungen der Umlenkplatten parallel zum Steg wird zwar der gesamte Kälteträger durchmischt, aber den oberen Bereich der Rohre mit dem wesentlich schlechteren Wärmeübergang an der Überhitzungsstrecke durchströmt immer nur der gleiche Kälteträgeranteil ohne laufende Durchmischung mit dem stärker gekühlten Kälteträgeranteil, so daß es auch hier zu Energieverlusten kommt. Bei der vorstehend beschriebenen Führung des Kälteträgers strömt er im Bereich der Durchtrittsöffnungen der Umlenkplatten, also an den äußeren Rohren, in Längsströmung und zwischen den Umlenkplatten, also an den inneren Rohren, in Querströmung zu den Rohren. Am günstigsten für den Wärmeübergang ist bekanntlich die Querströmung zu den Rohren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Führung des Kältemittels in einem liegenden Rohrbündelverdampfer mit U-Rohren und zwei getrennten Kältemittelwegen zu schaffen, die im Voll- und Teillastbetrieb eine gleichbleibende Kühlung des Kälteträgers und seine Durchmischung an allen Rohrbereichen jedes Kältemittelweges zwischen jedem Umlenkplattenpaar bewirkt, um eine geringe Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kälteträger, verbunden mit geringerem Energieverbrauch, zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der erste Kältemittelweg aus dem äußeren Rohrbündelbereich besteht, dessen Rohrfeld im Rohrbündelquerschnitt die Form von zwei Kreissegmenten im oberen und unteren Teil des Rohrbündels hat, deren Rohre am dem Rohrboden gegenüberliegenden Rohrbündelende durch die äußeren Rohrbögen verbunden sind, und daß ferner weitere getrennte Kältemittelwege im dazwischen liegenden Rohrfeld aus waagerecht getrennten Rohrbereichen bestehen, die am dem Rohrboden gegenüberliegenden Rohrbündelende durch die inneren Rohrbögen verbunden sind.

Bei erforderlichem Teillastbetrieb ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein innerer Kältemittelweg der ständig mit Kältemittel beaufschlagte Grundlastweg. Es wird nur das innere Rohrfeld betrieben, weil hier die Wärmeübertragungsverhältnisse durch die vorrangige Querströmung am günstigsten sind.

Nachstehend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch einen Rohrbündelverdampfer mit U-Rohren und zwei getrennten Kältemittelwegen im Schema.

Fig. 2: den Querschnitt durch einen Rohrbündelverdampfer nach Fig. 1.

Nach Fig. 1 gelangt der Kälteträger über den Eintrittsstutzen 1 in den Raum um die Rohre. Umlenkplatten 2 mit wechselnd versetzten Durchtrittsöffnungen 3 erzwingen einen mäanderförmigen Strömungsweg zum Austrittsstutzen 4. Der erste Kältemittelweg besteht aus dem äußeren Rohrfeld 5, welches die Form von zwei gegenüberliegenden Kreissegmenten hat. Ausschließlich zur besseren Erkennbarkeit der Funktion des Verdampfers ist das Rohrfeld des ersten Kältemittelweges in Fig. 2 schraffiert dargestellt. Das dazwischenliegende innere Rohrfeld 6 umfaßt den zweiten inneren Kältemittelweg.

Im Teillastbetrieb wird nur dem zweiten inneren Kältemittelweg das flüssige Kältemittel durch die Einspritzleitung 7 und die Verteilerkammer 8 zugeführt. Es gelangt in die U-Rohre 9. Zur Wahrung der Übersicht jeweils nur ein Rohr dargestellt. Nach vier Strömungswegen, wie aus den eingezeichneten Pfeilen ersichtlich, gelangt das Kältemittel verdampft und überhitzt zum Absaugstutzen 10. Der Kälteträger umströmt auf seinem mäanderförmigen Weg alle Rohrbereiche vom flüssigen bis zum dampfförmig überhitzten Bereich im Querstrom bei vollständiger Durchmischung. Folglich ist die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur und der Kälteträgertemperatur gering. Damit ist auch im Teillastbetrieb ein guter Wirkungsgrad vorhanden. Bei Vollast wird der erste Kältemittelweg zugeschaltet. Über die Einspritzleitung 11 und die Einspritzkammer 12 wird den Rohren 13 Kältemittel zugeführt. Nach mehrfacher Umlenkung, wie mit den Pfeilen eingezeichnet, gelangt es verdampft und überhitzt zum Absaugstutzen 14.

Bezugszeichenliste

1

Eintrittsstutzen

2

Umlenkplatten

3

Durchtrittsöffnungen

4

Austrittsstutzen

5

äußeres Rohrfeld

6

inneres Rohrfeld

7

Einspritzleitung

8

Verteilerkammer

9

U-Rohre

10

Absaugstutzen

11

Einspritzleitung

12

Einspritzkammer

13

Rohre

14

Absaugstutzen

Claims (2)

1. Einrichtung zur Führung des Kältemittels in einem liegenden Rohrbündelverdampfer mit U-Rohren, in deren Innenräumen das Kältemittel verdampft und überhitzt wird und in mindestens zwei getrennten Kältemittelwegen geführt ist, während ein flüssiger Kälteträger um die Rohre durch senkrechte Umlenkplatten mit wechselnd versetzten kreisabschnittsförmigen Durchtrittsöffnungen mäanderförmig strömt, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Kältemittelweg aus dem äußeren Rohrbündelbereich besteht, dessen Rohrfeld (5) im Rohrbündelquerschnitt die Form von zwei Kreissegmenten im oberen und unteren Teil des Rohrbündels hat, deren Rohre am dem Rohrboden gegenüberliegenden Rohrbündelende durch die äußeren Rohrbögen verbunden sind, und daß ferner mindestens ein weiterer getrennter Kältemittelweg im dazwischen­ liegenden Rohrfeld (6) aus einem waagerecht getrennten Rohrbereich besteht, dessen Rohre am dem Rohrboden gegenüberliegenden Rohrbündelende durch die innere Rohrbögen verbunden sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein innerer Kältemittelweg (6) bei Teillastbetrieb der ständig mit Kältemittel beaufschlagte Grundlastweg ist.