DE69102164T2

DE69102164T2 - Wärmeaustauschvorrichtung, insbesondere für hybride, nichtazeotrope Arbeitsmedien verwendende Wärmepumpen.

Info

Publication number: DE69102164T2
Application number: DE69102164T
Authority: DE
Inventors: Arpad Bakay; Gyoergy Bergmann; Geza Hivessy; Tamas Homola; Mihaly Horvath
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1990-02-27
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2011-02-26
Also published as: HU901058D0; HUT56949A; DE69102164D1; NO910706L; ATE106536T1; CA2037144C; NO176036B; FI910889A0; CZ279387B6; CA2037144A1; NO176036C; US5150749A; FI95315C; EP0444846A3; CS9100466A2; HU210994B; FI95315B; NO910706D0; JPH0642886A; RU1814716C

Description

Diese Erfindung betrifft eine Wärmetauscher-Vorrichtung mit einem Gegenstrom-Wärmetauscher, insbesondere für mit nichtazeotropen Arbeitsfluiden betriebene Hybridwärmepumpen.
Die Wärmetauscher der erfindungsgeinäßen Wärmetauscher-Vorrichtung sind von dem Typ, bei dem ein Fluid im flüssigen Zustand in Dampf oder umgekehrt umgewandelt wird. Bei herkömmlichen Arbeitsfluiden verlaufen solche Änderungen bei konstanter Temperatur. Es gibt aber Arbeitsfluide, die aus gegenseitig gut löslichen Komponenten verschiedener Flüchtigkeit bestehen und ihre Phasen bei ständig zunehmenden und abnehmenden Temperaturen verändern, wenn ihre flüssige Phase in einen gasförmigen Zustand oder umgekehrt umgewandelt wird. Wenn solche nichtazeotropen Arbeitsfluide in Kompressionsoder Hybridwärmepumpen verwendet werden, kann im Vergleich zu mit herkömmlichen Arbeitsmedien betriebenen Wärmepumpen eine beträchtliche Erhöhung des Wirkungsgrades erreicht werden.
Hybridwärmepumpen sind der Fachwelt, z.B. aus EP 0 021 205, bekannt und wurden jüngst in den Blickpunkt fachlichen Interesses wegen ihrer überlegenen technischen Güte gerückt.
Beim Betrieb von Hybridwärmepumpen sind jedoch verschiedene Erfordernisse zu beachten.
Die Ausnutzung der vorteilhaften Erscheinung der sich ständig ändernden Temperaturen des Arbeitsfluides im Verlaufe des Wärmetausches erfordert offensichtlich Gegenstrom-Wärmetauscher, in denen sowohl das Arbeitsfluid als auch das zu kühlende oder zu wärmende Fluid (das "externe" Fluid) in entgegengesetzten Richtungen in gut abgeschlossenen Kanälen, z.B. Rohren, wahlweiser Querschnittsflächen oder Behältern mit Ablenkplatten, wie im Falle der in der Fachwelt bekannten Wärmetauscher des Rohrbündel-Typs, strömen.
Weil ferner die Konzentrationen der Phasen von nichtazeotropen Fluiden voneinander verschieden sind, ist es notwendig, daß beide Phasen in gleicher Richtung strömen, während sich einander benachbarte Flüssigkeits- und Dampfteilchen ständig berühren, so daß ihre Temperaturen praktisch gleich werden und optimale thermodynamische Ergebnisse erzielt werden können. Ein solcher ständiger Kontakt wird sichergestellt, wenn die Strömung des Arbeitsmediums dispers ist, in der die in den strömenden Dämpfen fein verteilten Flüssigkeitsteilchen durch letztere initgerissen werden. Eine disperse Strömung wird erreicht durch entsprechend ausgewählte Parameter der Einrichtungen und Arbeitsbedingungen, wie sie für den Fachmann einleuchtend sind.
Das Strömungsbild kann jedoch zusammengesetzt sein und einen Kern mit disperser Strömung aufweisen, der von einer kreisringförmigen Grenzschicht umschlossen ist, wodurch die Temperaturgleichheit der Arbeitsmediumphasen beträchtlich gestört werden kann. Solche ungünstige Auswirkungen können durch Mischeinrichtungen in den die Phasen des Arbeitsmediums tranportierenden Rohren vermieden werden, wie in EP 0 242 838 beschrieben wird.
Eine weitere Schwierigkeit entsteht, wenn das Arbeitsfluid in einer Vielzahl paralleler Kanäle oder Rohre statt in einem einzigen strömt. Es leuchtet ein, daß in solchen Fällen beide Phasen des Arbeitsmediums auf die Kanäle oder Rohre eines Wärmetauschers gleichmäßig verteilt sein müssen, weil sonst darin ungleiche Temperaturänderungsverläufe auftreten, die zu Verlusten führen ähnlich denen, die durch mangelhafte disperse Strömung verursacht werden.
Das Problem der gleichen Verteilung des Arbeitsmediums auf eine Vielzahl paralleler Kanäle oder Rohre ist besonders bei Wärmetauschern großer industrieller Anlagen wichtig, die 50 bis 100 parallele Wärmetauschrohre aufweisen können, mit einer optimalen Länge, die zwischen 30 und 40 Metern betragen kann. Es leuchtet ein, daß die Beibehaltung der gleichmäßigen Verteilung beider Phasen und ihre klare Trennung in solchen Wärmetauschrohren spezielle Schwierigkeiten bedeutet, nicht zu sprechen von offensichtlichen Schwierigkeiten bei der Herstellung, beim Transport und Aufbau am Betriebsort.
Zur Ausnutzung der von Hybridwärmepumpen gebotenen Vorteile und zur Überwindung der vorgenannten Schwierigkeiten sind verschiedene Wärmetauscher-Vorrichtungen mit senkrechten oder waagerechten Wärmetauschern vorgeschlagen worden, z.B. in US- A-4 843 837. Die bekannten Vorrichtungen entsprechen dem Bauprinzip der in Absorber-Kühlschränken oder -Wärmepumpen verwendeten Wärmetauscher. Ihr Hauptmangel besteht darin, daß sie im Prinzip nicht in der Lage sind, einen zweckdienlichen Verlauf der Temperaturänderungen der Phasen ihrer Arbeitsmedien zu gewährleisten, ohne die ein optimaler Wirkungsgrad bei Hybridwärmepumpen nicht erreicht werden kann.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer anderen Wärmetauscher-Vorrichtung, die geeignet ist, alle Forderungen auf funktionellem und strukturellem Gebiet der mit nichtazeotropen Arbeitsfluiden betriebenen Hybridwärmepumpen zu erfüllen, insbesondere die Forderung nach gleichgerichteten Temperaturänderungen der Arbeitsfluidphasen unabhängig von der Größe der Anlage und auf einfache Weise.
Offensichtlich sind gleichgerichtete Temperaturänderungen der Arbeitsfluidphasen von deren gleichgerichteter Strömung abhängig, und daher stellt die Sicherstellung einer solchen Strömung eine Hauptforderung dar, die eine von der Erfindung angestrebte Wärmetauscher-Vorrichtung erfüllen muß. Wie schon angedeutet, besteht aber eine andere Forderung darin, die Arbeitsfluidphasen auf die Rohre eines Wärmetauschers gleichmäßig zu verteilen.
Die gleichgerichtete Strömung von Medien verschiedener Dichte erfordert waagerechte Verläufe, weil sonst die Strömungsbedingungen durch Schwerkraft beherrscht würden. Somit müssen beide Arbeitsfluidphasen in waagerechten Richtungen geführt werden, wie die Rohre waagerecht angeordneter Wärmetauscher.
Die gleichmäßige Verteilung der Arbeitsfluidphasen auf die Rohre eines Wärmetauschers kann durch Vorsehen einer Fluid-Verteilervorrichtung in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher erreicht werden.
Wärmetauscher mit vorgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtungen sind bereits bekannt, z.B. aus dem Patent GB-A-893,633 an Wiegand Apparatebau. Die bekannten Systeme arbeiten jedoch mit senkrechten Wärmetauschern, z.B. mit die Schwerkraftwirkung ausnutzenden Verdampfern, die auf einfache Weise für die Zusammenarbeit mit ihnen vorgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtungen auszulegen sind. Darin wird eine Flüssigphase eines Arbeitsmediums in Form von durch Schwerkraftwirkung entstehenden Tropfen geführt, wogegen seine Gasphase schleppend herabsinkt. Dies bedeutet eher verschiedene statt gleichgerichtete Strömung der Phasen.
Der Schlüsselgedanke der Erfindung ist, daß die Schwierigkeiten der gleichgerichteten Strömung und der gleichmäßigen Verteilung gelöst werden können durch Einsetzen von Verbindungsleitungen zwischen den Rohren eines waagerecht angeordneten Wärmetauschers und den Auslässen einer vorgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtung, weil festgestellt wurde, daß unvermeidbare Richtungswechsel in den Fluidläufen zwischen der Fluid-Verteilervorrichtung und dem Wärmetauscher zu kurz sind, um eine wesentliche Phasentrennung zur Folge zu haben, so daß gleichmäßig verteilte und senkrecht abziehende Mengen eines Arbeitsfluides die Rohre eines waagerechten Wärmetauschers praktisch in einem gleichgerichteten Strom erreichen.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung eine Wärmetauscher-Vorrichtung, ausgelegt für die gleichgerichtete Strömung der flüssigen und gasförmigen Phasen eines Arbeitsfluides, die in an sich bekannter Weise einen Wärmetauscher des Rohrbündel-Typs mit einer Vielzahl von Wärmetauschrohren und eine dem Wärmetauscher vorgeschaltete Fluid-Verteilervorrichtung mit Fluidauslässen aufweist, deren Zahl der Zahl der Wärmetauschrohre entspricht. Wie angedeutet, besteht die eigentliche Erfindung darin, daß der Wärmetauscher vom im wesentlichen waagerechten Gegenstrom-Typ mit waagerechten Wärmetauschrohren ist, die je mit einem anderen Fluidauslaß der Fluid-Verteilervorrichtung mittels Verbindungsrohren verbunden sind.
Es wird sich an zweckdienlich ausgewählten mechanischen und thermodynamischen Parametern der Wärmetauschrohre und der Verbindungsrohre zeigen, daß die neuen, von der oben angegebenen Erfindung vorgeschlagenen Merkmale zu einer Anordnung führen, die zur Erfüllung der Aufgabe geeignet ist, gleichgerichtete Strömung der Arbeitsfluidphasen sicherzustellen, weil die waagerechte Anordnung der Wärmetauschrohre Schwerkraftwirkungen verhindert, die eine Trennung von Medien verschiedener Dichte entstehen lassen könnte. Dadurch, daß die Verbindungsrohre ihrerseits an nur untergeordneten Richtungswechseln geschlossene Wege bilden, stellen sie sicher, daß schon richtig verteilte Arbeitsfluidphasen die waagerechten Wärmetauschrohre in erforderlichen Anteilen erreichen, so daß alle Wärmetauschrohre Gemische von Arbeitsfluidphasen derselben Temperatur und in jeweiligen durch den optimalen Wirkungsgrad geforderten Mengen abgeben.
Vorzugsweise weist die Fluid-Verteilervorrichtung einen Mantel mit oberhalb des Mantelbodens endenden Verteilerrohren zum Einleiten einer flüssigen Phase des Arbeitsfluides auf, wobei die Auslässe in Form von Rohren vom Mantelboden konzentrisch zu den Verteilerrohren nach unten ragen und von größerer Strömungsquerschnittsfläche als die Verteilerrohre sind. Es wird sich zeigen, daß sich eine solche Fluid-Verteilervorrichtung zusätzlich zum einfachen Aufbau durch zuverlässige Arbeitsweise hinsichtlich der gleichmäßigen Verteilung beider Phasen des Arbeitsfluides auf die die Auslässe bildenden Rohre auszeichnet.
Die Verteilerrohre können Durchflußregulierorgane aufweisen, die exakte Einstellungen der Durchf lußmengen in einzelnen Verteilerrohren auf einen gemeinsamen Wert ermöglichen, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigphase des Arbeitsfluides in den Auslässen zuverlässig hergestellt wird.
Die Auslaßenden der Verteilerrohre oberhalb des Mantelbodens der Fluid-Verteilervorrichtung sind vorzugsweise angeschrägt. Die herablaufende Flüssigkeit wird dann aus den Verteilerrohren an der tiefsten Stelle der angeschrägten Auslaßenden an senkrechten Linien entlang statt mit einer kreisringförmigen Querschnittsfläche austreten, wie es bei Verteilerrohren mit gleichmäßigen Rändern der Fall wäre. Durch einen solchen konzentrierten Abzug der Flüssigphase des Arbeitsfluides wird ein Teil der Querschnittsfläche der Auslässe für das Einströmen der gasförmigen Fluidphase zuverlässig freigehalten.
Wo die Phasen des Arbeitsfluides nicht deutlich voneinander getrennt sind und daher ihre gleichmäßige Verteilung gefährdet ist, kann der Fluid-Verteilervorrichtung eine mit ihr betriebsmäßig in Serie verbundene Phasen-Trennvorrichtung vorgeschaltet sein, die Flüssigkeiten von Dämpfen in einem aus ihrem Gemisch bestehenden Arbeitsfluid zu trennen vermag. Durch eine solche Phasen-Trennvorrichtung ist gewährleistet, daß das Arbeitsfluid in die Fluid-Verteilervorrichtung in Form gegenseitig gut getrennten Phasen eintritt, was eine Grundbedingung für eine zuverlässige und zweckdienliche Fluidverteilung ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Phasen-Trennvorrichtung einen Mantel mit einem Arbeitsfluid-Einlaß, einem Gasphasen-Auslaß, der mit einem Gasphasen-Einlaß der Fluid-Verteilervorrichtung verbunden ist, einem Flüssigphasen-Auslaß, der mit den Verteilerrohren der Fluid-Verteilervorrichtung verbunden ist, und einer Leitblech-Trennvorrichtung zwischen dem Arbeitsfluid-Einlaß und dem Flüssigphasen-Auslaß innerhalb und im Abstand vom Mantel. Solche Phasen-Trennvorrichtungen heben sich durch die Einfachheit ihres Aufbaus hervor, der dennoch eine deutliche Trennung der verschiedenen Phasen von Fluiden sicherstellt.
In den Fällen, in denen die Flüssigphase des Arbeitsfluides statt durch Schwerkraftwirkung durch Überdruck transportiert wird, wird für ihre Abgabe vorzugsweise eine Pumpe in der Rohrleitung vorgesehen sein, welche den Flüssigphasen-Auslaß der Phasen-Trennvorrichtung mit den Verteilerrohren der Fluid-Verteilervorrichtung verbindet. Das Bereitstellen der Pumpe in einem solchen Verbindungsrohr bedeutet einfachen Zusammenbau und einfache Überwachung der Arbeitsweise.
Die Fluid-Verteilervorrichtung und die Phasen-Trennvorrichtung können zu einer einzigen Einheit in einem gemeinsamen Mantel kombiniert sein. Wo die Phasen des Arbeitsfluides vor der Verteilung getrennt werden müssen, hat eine solche kombinierte Einheit den Vorteil eines mäßigen Raumbedarfs und eines einfachen Mechanismus.
Vorzugsweise umschließt der gemeinsame Mantel eine Leitblech- Trennvorrichtung, die einem Arbeitsfluid-Einlaß gegenüberliegt, eine darunter, im Abstand vom Mantel angeordnete Flüssigkeits-Auffangschale, eine Leitplatte, die dem Arbeitsfluid-Einlaß gegenüberliegend am Mantel angeordnet ist und sich über der Flüssigkeits-Auffangschale erstreckt, Verteilerrohre mit angeschrägten Auslaßenden, die vom Boden der Flüssigkeits-Auffangschale nach unten ragen und oberhalb des Bodens des gemeinsamen Mantels enden, und Auslässe, die vom Boden des gemeinsamen Mantels konzentrisch zu den Verteilerrohren nach unten ragen und einzeln mit den Wärmetauschrohren des Wärmetauschers verbunden sind, wobei die Strömungsguerschnittsfläche der Auslässe größer ist als die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerrohre. In diesem Falle werden alle Aufgaben einer Fluid-Verteilervorrichtung und einer Phasen-Trennvorrichtung von einer einzelnen kompakten Einheit von relativ einfachem Aufbau und begrenzter Erstreckung ausgeführt. Über den allgemeinen Gedanken der Kombination hinaus gewährleistet die am Mantel in bezug auf die Strömungsrichtung der Dämpfe hinter der Leitblech-Trennvorrichtung befestigte Leitplatte, daß Flüssigkeitsteilchen, die von den Dämpfen mitgerissen werden, trotzdem sie die Leitblech-Trennvorrichtung passiert hatten, sicher in die Flüssigkeits- Auffangschale geleitet werden.
Ferner können die Verteilerrohre in ihren Einlässen Reduzierdüsen aufweisen. Die Düsen sind dazu bestimmt, einerseits bei jedem stabilisierten Betriebszustand in der Flüssigkeits-Auffangschale einen Flüssigkeitsstand aufrechtzuerhalten, und andererseits ein Überlaufen der aufgefangenen Flüssigkeit direkt in den Mantel zu verhindern. Die Erfüllung beider Forderungen fördert in günstiger Weise die gleichmäßige Fluidverteilung auf die Auslässe. In Kenntnis maximaler und minimaler Durchflußmengen an bestimmten Stellen des Wärmepumpenzyklus werden solche Forderungen von Fachleuten ohne weiteres erfüllt.
Weiter oben wurde angegeben, daß die Rohrlänge von Wärmetauschern in großen industriellen Anlagen gelegentlich unhandliche Größen erreicht, weswegen verschiedene Arten Schwierigkeiten bei der Herstellung, beim Transport usw. entstehen können. Um solche Schwierigkeiten zu vermeiden, kann der Wärmetauscher der Wärmetauscher-Vorrichtung in wenigstens zwei Wärmetauscher-Sektionen unterteilt sein, wobei Wärmetauschrohr-Sektionen in bezug auf die Fluidströme in Serie verbunden sind. Eine solche Unterteilung wird durch die im wesentlichen waagerechte Anordnung des Wärmetauschers vereinfacht, dessen Sektionen gegenseitig übereinanderliegen können, wodurch erforderliche Längen in begrenzten Flächen erreicht werden können.
Die Verbindung von Fluidströmen in Serie bedeutet die gegenseitige Verbindung der Mäntel und der Wärmetauschrohr-Sektionen aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen. Die Verbindung der Mäntel in Serie ist selbstverständlich und benötigt keine detaillierte Beschreibung. Andererseits kann die Verbindung der Wärmetauschrohr-Sektionen in Serie auf zwei verschiedene Weisen durchgeführt werden. Insbesondere:
Wenn mit deutlich getrennten Strömen der Arbeitsfluidphasen in den Wärmetauschrohr-Sektionen gerechnet werden kann, können die Wärmetauschrohr-Sektionen aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen einzeln durch Verbindungsrohre miteinander verbunden sein. Eine solche gegenseitige Verbindung ermöglicht den Bau von Wärmetauschern mit Wärmetauschrohren beliebiger Länge auf einer begrenzten Fläche, weil das zu Beginn gleichmäßig verteilte Arbeitsfluid von einer Wärmetauscher-Sektion in die nächste überströmt, so als strömte es ununterbrochen in Kanälen kontinuierlicher Länge.
Hier wird die Flexibilität in der Wahl der Leistung verschiedener Wärmetauscher-Sektionen durch die Möglichkeit sichergestellt, Verbindungsrohre zu verwenden, die Übergangsprofile aufweisen, mit denen sich ihre Strömungsquerschnittsfläche und dadurch die thermodynamischen Bedingungen in einer nachgeschalteten Wärmetauscher-Sektion ändern lassen, deren Wärmetauschrohr-Sektionen von einem Durchmesser sind, der von dem in der vorhergehenden Wärmetauscher-Sektion verschieden ist.
Eine ähnliche Änderung kann mit einer Anordnung erreicht werden, die Rohrböden verwendet: Sowohl die Verbindungsrohre als auch die Wärmetauschrohr-Sektionen einer nachfolgenden Wärmetauscher-Sektion enden in sich gegenüberliegenden Rohrböden, die durch eine Dichtung mit Durchlässen verbunden sind, welche sowohl mit den Verbindungsrohren als auch den Wärmetauschrohr-Sektionen in Deckungsstellung stehen. Es leuchtet ein, daß eine solche Anordnung das Zusammenfügen von Rohren verschiedener Durchmesser und dadurch die Sicherung erwünschter thermodynamischer Bedingungen in nachfolgenden Wärmetauscher-Sektionen ermöglicht, wie es für Fachleute offensichtlich ist.
Andererseits, wenn es wahrscheinlich ist, daß Phasenanteile in einer vorgeschalteten Wärmetauscher-Sektion abweichen und dadurch ähnliche Verläufe gleichgerichteter Temperaturänderungen in verschiedenen Wärmetauschrohr-Sektionen gefährden, wird eine Serienverbindung von Wärmetauschrohr-Sektionen aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen vorzugsweise durch gegenseitiges Verbinden solcher Wärmetauschrohr-Sektionen durch eine Kombination einer nacgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtung mit einer vorgeschalteten Phasen-Trennvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, hergestellt. Eine solche Serienverbindung ermöglicht die Wiederherstellung gleichmäßiger Phasenverteilung in den Wärmetauschrohr-Sektionen einer nachgeschalteten Wärmetauscher-Sektion, was bei großen industriellen Anlagen nicht zu vermeiden sein kann.
Ferner ermöglicht eine solche gegenseitige Verbindung offensichtlich eine Änderung der Zahk der Wärmetauschrohr-Sektionnen in zwei aufeinander folgenden Wärmetauscher-Sektionen in bezug aufeinander. Es bedeutet eine vergrößerte Flexibilität bei der Konstruktion hinsichtlich Leistung un damit verbundener Betriebszustände.
Bekanntermaßen neigen Phasen eines Fluides dazu, getrennt zu strömen. Beispielsweise strömt die Flüssingphase eines Fluides in Rohren in Kreisringform, wogegen die Dampfphase im Kern des Strömungsbildes strömt. Die Phasen versuchen, dieses Strömungsbild zu erhalten oder wiederherzustellen, statt dispers ineinande zu strömen. Wenn daher, wie bei Wärmetauschern für Hybridwärmepumpen, disperse Strömung erwünscht ist, muß für eine intermittierende Vermischung beider Phasen Sorge getragen werden, insbesondere bei langen Wärmetauschrohren. Eine solche Vermischung kann mit einer Mischvorrichtung in den Wärmetauschrohren erreicht werden, welche die disperse Strömung eines ARbeitsfluids zu verbessern vermag.
Mischvorrichtungen für solche Zwecke sind in der Fachwelt bekannt, wie wsich aus EP 0 242 838 ergibt. Ablenkflächen zwingen die Phasen eines Fluides zum Platzwechsel. Weil sich externe Strömungsbedingungen nicht änder, neigen die Phasen dazu, ihre anfänglichen Plätze wiederzugewinnen, was aber nur durch gegenseitige Durchdringung erreicht werden kann, wodurch eine intensive Durchmischung entsteht und disperse
Strömung bei leichtem Anstieg des Strömungswiderstandes wiederhergestellt wird.
Die Erfindung wird nachstehend in detaillierter Form unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die als Beispiel verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen und in denen zeigt: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht mit einer Darstellung der Hauptmerkmale der Erfindung,
Fig. 1a eine Einzelheit aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,
Fig. 2 eine Längsschnittansicht in vergrößertem Maßstab eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Fluid-Verteilervorrichtung,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer Fig. 1 ähnlichen Ansicht,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Fig. 3 ähnlichen Ansicht, jedoch bei vergrößertem Maßstab,
Fig. 5 eine Längsschnittansicht einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine Einzelheit aus Fig. 5 mit weiteren Einzelheiten, in vergrößertem Maßstab,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer zum Teil geschnittenen Seitenansicht,
Fig. 8 eine Längsansicht mit einem Teilschnitt einer Einzelheit,
Fig. 9 eine Längsschnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 10 eine vereinfachte Ansicht einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung. Schließlich
Fig. 11 eine Längsschnittansicht einer Wärmetauschrohr-Sektion mit einer Mischvorrichtung darin.
Ähnliche Bezugszeichen bezeichnen in allen Zeichnungsblättern ähnliche Einzelheiten.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 20 den Mantel eines an sich-bekannten Wärmetauschers 21 des Rohrbündel-Typs mit Wärmetauschrohren 22. Leitplatten 24 im Mantel 20 dienen dazu, ein externes Medium, z.B. Wasser, entlang einer Zickzacklinie im Gegenstrom zu einem Arbeitsfluid, z.B. einem nichtazeotropen Kältemittel, das in den Wärmetauschrohren 22 strömt, zu führen. Das externe Medium wird in den Mantel 20 über einen Einlaß 30 eingeleitet und über einen Auslaß 32 abgeleitet.
Entsprechend dem Hauptmerkmal der Erfindung ist die Lage des Wärmetauschers 21 im wesentlichen waagerecht. Es kann eine leichte Neigung gegen die Waagerechte angewendet werden, wenn ein Arbeitsfluid in den Wärmetauschrohren 22 unter Schwerkraftwirkung statt unter Druck fließen muß.
Das Arbeitsfluid wird in die Wärmetauschrohre 22 von einer Fluid-Verteilervorrichtung 33 mit einem Mantel 34 kommend eingeleitet. Die Fluid-Verteilervorrichtung 33 ist, wie weiter oben angegeben, in Strömungsrichtung vor dem Wärmetauscher vorgesehen. Einlässe 36 und 38 dienen zum Einleiten einer rein gasförmigen bzw. einer rein flüssigen Phase des Arbeitsf luides. Auslässe 40, deren Zahl der Zahl der Wärmetauschrohre 22 entspricht, sind je mit einem anderen der letztgenannten gemäß der Forderung der Erfindung mittels Verbindungsrohren 42 verbunden.
Sowohl die Verbindungsrohre 42 als auch die Wärmetauschrohre 22 enden in sich gegenüberliegenden Rohrböden 44 bzw. 46, die über eine Dichtung 48 mittels Durchgangsbolzen 50 verbunden sind. Die Dichtung 48 weist Durchlässe 52 auf, die sowohl mit den Erst- als auch den Letztgenannten in Deckungsstellung stehen, so daß das Arbeitsfluid ungehindert von den Verbindungsrohren 42 in die Wärmetauschrohre 22 strömen kann.
Es leuchtet ein, daß eine solche unbehinderte Strömung auch durch Verbindungsrohre 42 erreicht werden kann, die sowohl an den Auslässen 40 als auch den Wärmetauschrohren 22 durch Schweißen oder Einrollen befestigt sind. Jedoch ermöglicht die Befestigung mittels Rohrböden und Dichtungen, wenngleich relativ teurer, eine einfache Demontage bei Reinigung oder Reparatur. Sie ermöglicht ferner, wie weiter unten beschrieben (Fig. 8), eine Änderung der Strömungsquerschnittsfläche des Arbeitsfluides.
Im vorliegenden Fall wird am Austrittsende der Wärmetauschrohre 22, die in eine Sammelkammer 54 mit einem Auslaß 56 münden, eine ähnliche Anordnung verwendet.
Arbeitsweise: Das externe Fluid wird, wie mit einem Pfeil 58 angegeben, durch den Einlaß 30 eingeleitet. Es folgt einem Strömungsweg in Zickzacklinie zwischen den Leitplatten 24 innerhalb des Mantels 20 und wird schließlich, wie durch einen Pfeil 60 angegeben, durch den Auslaß 32 abgeleitet.
Eine rein gasförmige Phase eines Arbeitsfluides wird in die Fluid-Verteilervorrichtung 33 durch den Einlaß 36 entsprechend einem Pfeil 62 eingeleitet. Auf ähnliche Weise wird eine rein flüssige Phase desselben Arbeitsfluides, wie mit einem Pfeil 64 angegeben, durch den Einlaß 38 eingeleitet. Im Innern des Mantels 34 der Fluid-Verteilervorrichtung 33 verteilen sich die beiden Phasen in beliebiger zweckdienlicher Weise gleichmäßig auf die Auslässe 40. Folglich sind die thermodynamischen Zustände in den Wärmetauschrohren 22, insbesondere der Verlauf der Temperaturänderungen darin, die gleichen, mit einer entsprechenden Erhöhung des Wirkungsgrades einer angeschlossenen Wärmepumpe, wie im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert wurde. Das Arbeitsf luid verläßt die Wärmetauschrohre 22 durch die Sammelkammer 54 und den Auslaß 56, wie mit einem Pfeil 66 angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Fluid-Verteilervorrichtung 33 ist in Fig. 2 dargestellt. Sie umfaßt einen Mantel 34 mit Verteilerrohren 68, deren Zahl der Zahl der Wärmetauschrohre 22 und somit der Zahl der Auslässe 40 entspricht. Die Verteilerrohre 68 sind mit dem Flüssigphaseneinlaß 38 über Regulierorgane 70 verbunden, die eine Einstellung des Strömungswiderstandes in jedem Verteilerrohr 68 ermöglichen, um darin denselben Wert für die Durchflußmenge sicherzustellen. Die Verteilerrohre 68 enden oberhalb des Bodens vom Mantel 34, so daß dazwischen eine Lücke bleibt. Ferner haben die Verteilerrohre 68 angeschrägte Auslaßenden 72, deren Anschrägung zur Strömungsrichtung der Gasphase des Arbeitsf luides entgegengesetzt ist. Die Auslässe 40 in Form von Rohren ragen vom Boden des Mantels 34 konzentrisch zu den Verteilerrohren 68 nach unten. Jedoch ist ihre Strömungsquerschnittsfläche größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerrohre 68.
Arbeitsweise: Die Gasphase des Arbeitsfluides strömt in der Richtung des Pfeils 62 ein, wogegen seine Flüssigphase durch die Regulierorgane 70 in die Verteilerrohre 68 strömt, in denen sie in Form einer kreisringförmigen Grenzschicht herabfließt. Aufgrund der angeschrägten Auslaßenden der Verteilerrohre 68 wird die kreisringförmige Gestalt der Strömungsquerschnittsfläche der Flüssigphase des Arbeitsfluides in einzelne Flüssigkeitsströme umgewandelt, die an der tiefsten Stelle der Verteilerrohre 68 austreten und sicher in die Einlaßöf fnungen der Auslässe 40 tropfen. Die Gasphase des Arbeitsfluides, die auf die angeschrägten Enden 72 der Verteilerrohre 68 auftrifft und dadurch zu den Einlässen der Auslässe 40 abgelenkt wird, hat somit reichlich Platz zu freier Strömung zwischen den Verteilerrohrenden 72 und dem Mantelboden ebenso wie in den Auslässen 40.
Folglich werden beide Phasen des Arbeitsfluides auf die Auslässe 40 gleichmäßig verteilt und alle Wärmetauschrohre 22 empfangen die gleiche Menge von ihm im gleichen Verhältnis aus den Verbindungsrohren 42.
Wenn das zuströmende Arbeitsfluid in einem Naßdampfzustand ist, in dem seine Phasen miteinander vermischt sind, erfordert eine gleichmäßige Verteilung ihre Trennung vor dem Eintritt in eine Fluid-Verteilervorrichtung. Zu diesem Zweck kann in Strömungsrichtung vor der Fluid-Verteilervorrichtung eine Phasen-Trennvorrichtung 73, wie in Fig. 3 dargestellt, vorgesehen sein.
Auch die Phasen-Trennvorrichtung 73 umfaßt einen Mantel 74 mit einem Arbeitsfluideinlaß 76, einem Gasphasenauslaß 78 und einem Flüssigphasenauslaß 80. Der Gasphasenauslaß 78 ist mit dem Gasphaseneinlaß 36 der Fluid-Verteilervorrichtung 33 und der Flüssigphasenauslaß 80 mit dem Flüssigphaseneinlaß 38 der letztgenannten verbunden. Die Phasen-Trennvorrichtung 73 weist Mittel auf, welche die Phasen eines Arbeitsfluides im Naßdampf zustand voneinander zu trennen vermögen, wie es der Fachwelt bekannt ist.
Arbeitsweise: Ein solches Arbeitsfluid wird, wie mit einem Pfeil 82 angegeben, vom Einlaß 76 der Phasen-Trennvorrichtung 73 empfangen. Die voneinander getrennten Phasen werden über Auslässe 78 und 80 abgeleitet und über die Einlässe 36 bzw. 38 in die Fluid-Verteilervorrichtung 33 eingeleitet, wie dies bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Fall war.
Beispielhafte Einzelheiten einer Phasen-Trennvorrichtung, die zur Verwendung mit der Erfindung geeignet ist, sind in Fig. 4 dargestellt. Im vorliegenden Falle umfaßt die Phasen-Trennvorrichtung 73 auch wieder einen Mantel 74 mit Ein- und Auslässen, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde.
Gleiches gilt für die Verbindungen zu der Fluid-Verteilervorrichtung. Ein weiteres Merkmal besteht in der Bereitstellung einer Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84, die innerhalb des Mantels 74 eine Stellung zwischen dem Arbeitsfluideinlaß 76 und dem Flüssigphasenauslaß 80 im Abstand vom eigentlichen Mantel 74 einnimmt. Aufgrund dieser weggerückten Anordnung besteht einerseits reichlich Raum für die Strömung der Gasphase und andererseits eine Möglichkeit zur Verwendung beispielsweise des Bodenteils des Mantels 74 als Sammelbecken für die von der Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84 herabströmende Flüssigkeit.
Wie im vorliegenden Falle kann der Einlaß 38 für die Flüssigphase des Arbeitsfluides eine Förderpumpe 86 aufweisen, wenn Druckabfälle nicht auf andere Weise als dadurch gemeistert werden können, daß die Fluid-Verteilervorrichtung 33 auf einem höheren Niveau als die Phasen-Trennvorrichtung 73 angeordnet ist.
Arbeitsweise: Das zuströmende Arbeitsfluid (Pfeil 82) trifft auf die Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84 auf; durch den Aufprall trennen sich Flüssigkeitsteilchen des Arbeitsfluides ab und tropfen in die Flüssigkeitssammelschale am Boden des Mantels 74. Die von mitgerissenenen Flüssigkeitsteilchen freie Gasphase strömt durch den Auslaß 78 in den Einlaß 36 der Fluid-Verteilervorrichtung 33, wie durch den Pfeil 62 angedeutet. Die am Boden des Mantels 74 sich ansammelnde Flüssigphase strömt durch den Auslaß 80 ab und wird von der Pumpe 86 in den Einlaß 38 gefördert, wie durch den Pfeil 64 angedeutet. Ab da ist die Arbeitsweise der Wärmetauscher-Vorrichtung derjenigen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ähnlich.
Die Fluid-Verteilervorrichtung 33 und die Phasen-Trennvorrichtung 73 können zu einer einzelnen Einheit 87 in einem gemeinsamen Mantel 88 kombiniert sein. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der gemeinsame Mantel 88 umschließt, wie dargestellt, eine Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84, die eine dem Fluideinlaß 76 gegenüberliegende Stellung einnimmt, wie es bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Fall war. Unterhalb der Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84 befindet sich eine Flüssigkeits-Auffangschale 90 im Abstand vom Mantel 88. Am Mantel 88 ist eine Ablenkplatte 92 auf einer dem Arbeitsfluideinlaß 76 entgegengesetzten Seite befestigt. Die Ablenkplatte 92 erstreckt sich über der Flüssigkeits-Auffangschale 90, so daß darauf auftreffende Flüssigkeitstropfen gezwungen sind, auf ihr in die Flüssigkeits-Auffangschale 90 herabzufließen. Auch hier ragen vom Boden der Flüssigkeits-Auffangschale 90 Verteilerrohre 68 nach unten, deren Zahl, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, der Zahl der Wärmetauschrohre 22 des Wärmetauschers 2l entspricht. Sie enden über dem Boden des gemeinsamen Mantels 88 und weisen angeschrägte Auslaßenden 72 auf, die gruppenweise nach der Seite des Mantels 88 weisen, von der die Gasphase nach innen strömt.
Auch hier ragen Auslässe 40 in Form von Rohren vom Boden des Mantels 88 konzentrisch zu den Verteilerrohren 68 nach unten, wie es auf ähnliche Weise bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Fall war. Die Auslässe 40 sind einzeln mit den Wärmetauschrohren 22 des Wärmetauschers 21 verbunden und ihre Strömungsquerschnittsfläche ist auch hier größer als die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerrohre 68, die aus dem Boden der Flüssigkeits-Auffangschale 90 herausragen.
Im vorliegenden Falle sind ferner Reduzierdüsen 94 in den Einlässen der Verteilerrohre 68 vorgesehen, wie in Fig. 6 der Zeichnung dargestellt. Die Größe der Düsen 94 muß so gewählt werden, daß in allen möglichen stabilen Betriebszuständen an der Flüssigkeits-Auffangschale 90 eine zweckdienliche Flüssigkeitsmenge erscheint, wogegen an ihrem Rand keine Flüssigkeit überfließen sollte. Wie schon angedeutet, ist die Größenbemessung der Düsen 94 bei Kenntnis der maximalen und minimalen Durchflußmengen an einer bestimmten Stelle eines gewünschten Zyklus für den Fachmann Routinearbeit. Die Durchlässe der Düsen 94 können in bezug auf die Verteilerrohre 68 außermittig sein, wenn aus Konstruktions- oder betrieblichen Gründen erforderlich.
Es leuchtet ein, daß die Einheit 87 und insbesondere die Flüssigkeits-Auffangschale 90 so eingestellt sein müssen, daß sie exakt waagerechte Stellungen einnehmen, weil sonst Fluidsäulenhöhen oberhalb der Düsen 94 nicht gleich sein werden, wodurch eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigphase behindert würde.
Arbeitsweise: Das entsprechend dem Pfeil 82 über den Einlaß 76 einströmende Arbeitsfluid trifft auf die Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84 auf, woraufhin seine Flüssigkeitstropfen ausgeschieden werden und in die Flüssigkeits-Auffangschale 90 tropfen, wogegen die Gasphase des Arbeitsfluides durch die zwischen dem Mantel 88 und der Ablenkplatten-Trennvorrichtung 84 verbliebenen Lücken zum Boden des Mantels 88 strömt. Ein Flüssigkeitsstand 96 in einer Säule konstanten Drucks stellt sicher, daß die Verteilerrohre 68 mit der Flüssigphase des Arbeitsfluids gleichmäßig versorgt werden. Die herabströmende Flüssigkeit tropft von den tiefsten Stellen der angeschrägten Auslaßenden 72 in die Auslässe 40, so daß eine zweckdienliche Strömungsquerschnittsfläche für die gasförmige Arbeitsfluidphase freigehalten wird, die gegen die angeschrägten Auslaßenden 71 strömt und dadurch in ähnlicher Weise in die Auslässe 40 abgelenkt wird. Somit empfangen auch hier die Wärmetauschrohre 22 gleiche Mengen der Arbeitsfluidphasen, dank der Arbeitsweise der Arbeitsfluid-Verteilereinrichtungen zum Aufteilen der Flüssig- und Gasphasen.
Wie erwähnt, können die erforderlichen Längen der Wärmetauschrohre 22 beträchtliche Werte zwischen 30 und 40 Metern erreichen, was Schwierigkeiten in vielerlei Hinsichten bedeutet. Die Erfindung ermöglicht die Handhabung solcher Schwierigkeiten durch Unterteilen des Wärmetauschers 21 in wenigstens zwei Wärmetauscher-Sektionen 21a und 21b, die gemäß Fig. 7 der Zeichnung in Serie verbunden sind. Die mit in zuvor beschriebenen Figuren benutzten Bezugszeichen verwendeten Affixe "a" und "b" bezeichnen entsPrechende Bauteile der Wärmetauscher-Sektionen 2la und 2lb. Gleiches gilt für die Fälle, wo weitere Suffixe verwendet werden (Fig. 10).
Im vorliegenden Fall sind die Wärmetauscher-Sektionen 21a und 21b übereinander angeordnet, was eine Halbierung der gewünschten Längen im Raumbedarf bedeutet. Je größer die Zahl der unterteilten Sektionen, je kleiner relativ ist die Länge im Raumbedarf für die Aufnahme eines Wärmetauschers einer bestimmten Größe. Ist der Wärmetauscher in mehr als zwei Sektionen unterteilt, können einige der Wärmetauscher-Sektionen die Räume zwischen zwei übereinanderangeordneten Sektionen einnehmen, wodurch noch kompaktere und gleichzeitig weniger hohe Anordnungen erreicht werden können.
Die Serienverbindung der Wärmetauscher-Sektionen 21a und 21b besteht in der Verbindung der beiden Mäntel 20a und 20b bzw. der Wärmetauschrohr-Sektionen 22a und 22b. Die Verbindung der Mäntel in Serie bietet keine Schwierigkeiten. Andererseits bieten sich für die Serienverbindung der Wärmetauschrohr-Sektionen 22a und 22b zwei Möglichkeiten an.
Die Wärmetauschrohr-Sektionen 22a und 22b können, wie in Fig. 7 dargestellt, einzeln durch Verbindungsrohre 42a verbunden sein. In diesem Falle durchströmt das Arbeitsfluid die Wärmetauscher-Sektionen 21a und 21b, wie wenn es in einer durchgehenden Rohrleitung ununterbrochen strömen würde. Dennoch ist es möglich, wie nachstehend dargelegt wird, die Strömungsbedingungen an thermodynamische Erfordernisse anzupassen.
Die Anpassung läßt sich erreichen durch Einsetzen von Übergangsprofilen in die Verbindungsrohre 42a.
Im vorliegenden Fall vergrößern solche Übergangsprofile 100 die Durchmesser der Wärmetauschrohr-Sektionen 22b der nachfolgenden Wärmetauscher-Sektion 21b, was den betriebstechnischen Forderungen des Verdampfers von Hybridwärmepumpen entspricht.
Jedoch können die Übergangsprofile ebenso sich stetig verkleinernde Durchmesser aufweisen, was z.B. bei den Kondensatoren von Hybridwärmepumpen der Fall ist, deren Wärmetauscher zum Ende des Wärmeaustauschs hin verkleinerte Strömungsquerschnittsflächen erfordern.
Derartige Änderungen der Rohrdurchmesser lassen sich auch durch entsprechend gelochte Dichtungen erreichen, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Hier weist die Dichtung 48b konische Durchlässe 52b auf, die sich zu den Wärmetauschrohr-Sektionen 22b der nachfolgenden Wärmetauscher-Sektion 21b hin verjüngen, dadurch die Strömungsquerschnittsfläche nach Bedarf verkleinern.
Eine andere Möglichkeit zur Verbindung aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen in Serie ist in Fig. 9 dargestellt. Hier sind die Wärmetauschrohr-Sektionen 22a der Wärmetauscher-Sektion 21a mit Wärmetauschrohr-Sektionen 22b der Wärmetauscher-Sektion 21b durch eine Kombination einer Fluid-Verteilervorrichtung 33a mit einer Phasen-Trennvorrichtung 73a verbunden. Natürlich liegt die Phasen-Trennvorrichtung 73a in Strömungsrichtung vor der Fluid-Verteilervorrichtung 33a, die in bezug darauf nachgeschaltet ist. Die Verbindung ist offensichtlich dieselbe wie bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, so daß auf eine Beschreibung von Einzelheiten verzichtet werden kann.
Arbeitsweise: Das die Wärmetauschrohr-Sektionen 22a durchströmende Fluid wird insgesamt in die Phasen-Trennvorrichtung 73a eingeleitet statt in einzelne Verbindungsrohre wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Somit werden die Phasen des Arbeitsfluides voneinander getrennt und getrennt in die Fluid-Verteilervorrichtung 33a eingeleitet, worin sie gleichmäßig auf die Auslässe 40a und somit auf die Wärmetauschrohr-Sektionen 22b der nachfolgenden Wärmetauscher-Sektion 21b verteilt werden, ähnlich dem Vorgang in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform.
Die Serienverbindung von Wärmetauscher-Sektionen mittels kombinierter Phasen-Trenn- und Fluid-Verteilervorrichtungen ist von großer Wichtigkeit dort, wo eine erneute Verteilung der Arbeitsfluidphasen als notwendig erscheint, was bei großen industriellen Anlagen zutreffen kann, wo eine Vielzahl von Wärmetauscher-Sektionen verwendet wird und daher die Strömungswege von beträchtlicher Länge sein können.
Jedoch besteht ein weiterer Vorteil der vorstehend beschriebenen Serienverbindung von Wärmetauscher-Sektionen darin, daß sie es ermöglicht, die Zahl und/oder den Durchmesser der Wärmetauschrohr-Sektionen aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen wie im Falle der Fig. 9 zu ändern, wo die Durchmesser der Wärmetauschrohr-Sektionen 22b kleiner sind als die der Wärmetauschrohr-Sektionen 22a in der vorausgehenden Wärmetauscher-Sektion 21a. Durch diese Flexibilität kann eine Serienverbindung mittels einer Kombination aus einer Phasen-Trennvorrichtung und einer Fluid-Verteilervorrichtung sich auch dann als gerechtfertigt erweisen, wenn, wie in Fig. 9, nur zwei Wärmetauscher-Sektionen vorhanden sind, d.h. bei relativ kleinen Einrichtungen zur privaten Nutzung.
Andererseits benutzen große industrielle Anlagen beide vorstehend beschriebenen Möglichkeiten, weil dort ununterbrochene lange Strömungswege und die intermittierende Neuverteilung der Arbeitsfluidphasen in gleichem Maße notwendig sein können. Eine vereinfachte Ansicht einer solchen Anlage ist in Fig. 10 dargestellt. Ihr Wärmetauscher ist in fünf Wärmetauscher-Sektionen 21a, 21b, 21c, 21d und 21e unterteilt. Die ersten vier Wärmetauscher-Sektionen 21a, 21b, 21c und 21d sind in Serie durch Verbindungsrohre 42a, 42b bzw. 42c verbunden. Andererseits sind die Wärmetauscher-Sektionen 21d und 21e durch eine Kombination einer nachgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtung 33a mit einer vorgeschalteten Phasen-Trennvorrichtung 73a verbunden, weil angenommen wird oder festgestellt worden ist, daß das Arbeitsfluid nach Durchlaufen von vier Wärmetauscher-Sektionen in einem ununterbrochenen ständigen Strom mit Sicherheit eine Neuverteilung vor dem Durchlauf und Austritt aus der letzten Wärmetauscher-Sektion 21e benötigt.
Wie erläutert wurde, ist eine disperse Strömung des Arbeitsfluides eine grundsätzliche Forderung für einen ähnlichen Verlauf der Temperaturänderungen seiner beiden Phasen. Außer durch zweckdienlich ausgewählte thermodynamische Parameter wird eine disperse Strömung ebenso durch mechanische Mittel verbessert. Zu diesem Zweck kann in die Wärmetauschrohre oder, was auf dasselbe-hinausläuft, in ihre Sektionen eine Mischvorrichtung eingesetzt sein, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, die einen Teil eines Wärmetauschrohres 22 mit einer Mischvorrichtung 98 darin darstellt. Wie angegeben, solche Vorrichtungen sind in der Fachwelt bekannt und benötigen daher keine nähere Beschreibung. Ihre Aufgabe ist im wesentlichen, die gasförmigen und flüssigen Phasen des Arbeitsfluides durch Erzwingung eines Platzwechsels zur gegenseitigen Durchdringung zu bringen. Dies wird mit Ablenkflächen erreicht, welche die Phasen aus ihren normalen Strömungswegen ablenken, in die sie so bald wie möglich wieder zurückzukehren versuchen, wodurch mehrere gegenseitige Durchdringungen stattfinden, die das disperse Strömungsverhalten wiederherstellen.

Claims

1. Wärmetauscher-Vorrichtung, ausgelegt für die gleichgerichtete Strömung der flüssigen und gasförmigen Phase eines Arbeitsfluides, mit einem Wärmetauscher (21) des Rohrbündel-Typs mit einer Vielzahl von Wärmetauschrohren (22) und einer dem Wärmetauscher (2l) vorgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtung (33) mit Fluidauslässen, deren Zahl der Zahl der Wärmetauschrohre (22) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (21) vom im wesentlichen waagerechten Gegenstrom-Typ mit waagerechten Wärmetauschrohren (22) ist, die je mit einem anderen Fluidauslaß (40) der Fluid-Verteilervorrichtung (33) mittels Verbindungsrohren (42) verbunden sind (Fig. 1).

2. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Verteilervorrichtung (33) einen Mantel (34) mit oberhalb des Mantelbodens endenden Verteilerrohren (68) zum Einleiten einer flüssigen Phase des Arbeitsfluids aufweist, wobei die Fluidauslässe (40), die vom Mantelboden konzentrisch zu den Verteilerrohren nach unten ragen, von größerer Strömungsquerschnittsfläche sind als die Verteilerrohre (Fig. 2).

3. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Durchflußregulierorgane (70) in den Verteilerrohren (68) (Fig. 2).

4. Wärmetauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerrohre (68) angeschrägte Auslaßenden (72) aufweisen (Fig. 2).

5. Wärmetauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluid-Verteilervorrichtung (33) eine mit ihr in Serie verbundene Phasen-Trennvorrichtung (73) vorgeschaltet ist, die Flüssigkeiten von Dämpfen in einem aus ihrem Gemisch bestehenden Arbeitsfluid zu trennen vermag (Fig. 3).

6. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen- Trennvorrichtung (73) einen Mantel (74) mit einem Arbeitsfluid-Einlaß (76), einem Gasphasen-Auslaß (78), der mit einem Gasphasen-Einlaß (36) der Fluid-Verteilervorrichtung (33) verbunden ist, einem Flüssigphasen-Auslaß (80), der mit den Verteilerrohren (68) der Fluid-Verteilervorrichtung verbunden ist, und einer Leitblech-Trennvorrichtung (84) zwischen dem Arbeitsfluid-Einlaß und dem Flüssigphasen-Auslaß innerhalb und im Abstand vom Mantel aufweist (Fig. 4).

7. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Bereitstellung einer Pumpe (86) in einer Rohrleitung (38), welche den Flüssigphasen-Auslaß (80) der Phasen-Trennvorrichtung (73) mit den Verteilerrohren (68) der Fluid-Verteilervorrichtung (33) verbindet (Fig. 4).

8. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluid-Verteilervorrichtung (33) und die Phasen-Trennvorrichtung (73) zu einer einzigen Einheit (87) in einem gemeinsamen Mantel (88) kombiniert sind (Fig. 5).

9. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Mantel (88) eine Leitblech-Trennvorrichtung (84) umschließt, die einem Arbeitsf luid-Einlaß (76) gegenüberliegt, eine darunter, im Abstand vom Mantel angeordnete Flüssigkeits-Auffangschale (90), eine Leitplatte (92), die dem Arbeitsfluid-Einlaß gegenüberliegend am Mantel angeordnet ist und sich über der Flüssigkeits-Auffangschale erstreckt, Verteilerrohre (68) mit angeschrägten Auslaßenden (72), die vom Boden der Flüssigkeits-Auffangschale nach unten ragen und oberhalb des Bodens des gemeinsamen Mantels enden, und Auslässe (40), die vom Boden des gemeinsamen Mantels konzentrisch zu den Verteilerrohren nach unten ragen und einzeln mit den Wärmetauschrohren (22) des Wärmetauschers (21) verbunden sind, wobei die Strömungsquerschnittsfläche der Auslässe größer ist als die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerrohre (Fig. 5).

10. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Reduzierdüsen (94) in den Einlässen der Verteilerrohre (68) (Fig. 6).

11. Wärmetauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche l bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (21) in wenigstens zwei Wärmetauscher-Sektionen (2la, 21b usw.) unterteilt ist, wobei die Wärmetauschrohr-Sektionen (22a, 22b usw.) in bezug auf die Fluidströme in Serie verbunden sind (Fig. 7).

12. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohr-Sektionen (22a, 22b usw.) aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen (21a, 21b usw.) einzeln durch Verbindungsrohre (42a, 42b usw.) miteinander verbunden sind (Fig. 10).

13. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsrohre (42a) Übergangsprofile (100) zur Änderung ihrer Strömungsquerschnittsfläche aufweisen (Fig. 7).

14. Wärmetauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Verbindungsrohre (42a) und die Wärmetauschrohr-Sektionen (22b) einer nachfolgenden Wärmetauscher-Sektion (21b) in sich gegenüberliegenden Rohrböden (44b, 46b) enden, die durch eine Dichtung (48b) mit Durchlässen (52b) verbunden sind, welche sowohl mit den Verbindungsrohren als auch den Wärmetauschrohr-Sektionen in Deckungsstellung stehen (Fig. 8).

15. Wärmetauscher-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschrohr-Sektionen (22a, 22b usw.) aufeinanderfolgender Wärmetauscher-Sektionen (21a, 21b usw.) durch eine Kombination einer nachgeschalteten Fluid-Verteilervorrichtung (33a) und einer vorgeschalteten Phasen-Trennvorrichtung (73a) miteinander verbunden sind (Fig. 9).

16. Wärmetauscher-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine Mischvorrichtung (98) in den Wärmetauschrohren (22), welche die disperse Strömung des Arbeitsfluids zu verbessern vermag (Fig. 11).