DE69216874T2

DE69216874T2 - Verdampfer

Info

Publication number: DE69216874T2
Application number: DE69216874T
Authority: DE
Inventors: Michael J Boero; Gregory Gerald Hughes; Rodney A Struss
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: DE69216874D1; AU1089492A; KR920016354A; JPH05118706A; EP0501736A3; AU642376B2; EP0501736A2; BR9200714A; ATE148216T1; EP0501736B1; KR940002338B1; KR930018243A; CA2060792A1; AR244874A1; USRE35502E; KR100216052B1; US5157944A; MX9200868A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verdampfer und speziell einen Verdampfer zur Verwendung in einem Kühlsystem.
Zwar wird allgemein angenommen, daß jeder Wärmetauscher beliebig auswechselbar in einer Vielzahl von Wärmeaustauschprozessen verwendet werden kann, z.B. als Ölkühler, Kühler, Kondensator, Verdampfer, usw., doch dies ist häufig nicht der Fall, besonders wenn eines der Wärmeaustausch-Fluide einem Phasenwechsel während des Wärmeaustausches unterliegt, z.B. von einer Flüssigkeit in Dampf übergeht oder umgekehrt. Einfach ausgedrückt, vielfach verändert der Phasenwechsel die Mechanik des Wärmetauschvorgangs beträchtlich, und dies trifft vor allem auf Verdampfer in Kühlsystemen zu.
In einem solchen System wird ein Wärmeaustausch-Fluid vorwiegend in der flüssigen Phase zu einem Verdampfer geleitet. Manchmal kann es vollständig in der flüssigen Phase vorliegen, während es in anderen Fällen auch eine Mischphase aus Flüssigkeit und Dampf sein kann. Auf jeden Fall gelangt das Kühlmittel durch ein Expansionsventil oder Kapillarrohr in einen Bereich mit niedrigerem Druck, in dem der Verdampfer untergebracht ist. Stromabwärts des Expansionsventils oder des Kapillarrohres liegt das Kühlmittel anfangs in der Mischphase vor, das heißt, es besteht sowohl aus einer Kühlflüssigkeit als auch aus Kühldampf.
Da das Kühlmittel innerhalb des Systems fließt, weist es eine kinetische Energie auf, die ihrerseits mit dessen Masse im Verhältnis steht. Bei einer gegebenen Menge Kühlmittel in der flüssigen Phase im Vergleich zur gleichen Menge Kühlmittel in der Dampfphase ist die kinetische Energie und somit die Bewegungsgröße aufgrund der viel höheren Dichte des Materials der flüssigen Phase wesentlich größer.
Bei einem typischen Verdampfer nach dem Stand der Technik mit einer Rohrverzweigung bzw. einem Sammler zur Verteilung des Kühlmittels auf verschiedene Strömungswege durch den Verdampfer und mit einem einzigen Einlaß in die Rohrverzweigung ist deshalb oft feststellbar, daß beim Eintritt der Mischphase durch den einzigen Einlaß in die Rohrverzweigung die Bewegungsenergie der flüssigen Phase des einströmenden Kühlmittels dazu führt, daß das Kühlmittel schnell ein großes Stück oder sogar die gesamte Länge der Rohrverzweigung herunterfließt und sich im wesentlichen an einem Ende von ihr sammelt oder staut. Folglich nehmen die Strömungswege, die in der Nähe des Einlasses mit der Rohrverzweigung verbunden sind, häufig hauptsächlich das Kühlmittel in der Dampfphase auf, während zu den weiter von dem Einlaß entfernten vor allem das Kühlmittel in der flüssigen Phase gelangt. Da das Kühlmittel in der Dampfphase bereits die latente Verdampfungswärme absorbiert hat, können jene Strömungswege, die hauptsächlich das Kühlmittel in der Dampfphase leiten, nicht die gesamte Wärme absorbieren, die sie absorbieren könnten, wohingegen jene, die vorwiegend das Kühlmittel in der flüssigen Phase aufnehmen, aufgrund der Wärmeleitfähigkeitsbeschränkungen der Verdampferkonstruktion nicht die gesamte Wärme absorbieren können, welche das durch sie hindurchfließende Kühlmittel in der flüssigen Phase eigentlich absorbieren könnte. Die gleichen Faktoren beeinflussen die Verdampfung in jedem Kanal eines Mehrwegverdampfers. Zudem kann der Auslaßwiderstand zu einer schlechten Verteilung des Kühlmittels zwischen den Strömungswegen führen.
Dadurch entsteht natürlich eine schlechte Verdampferleistung.
Mit der vorliegenden Erfindung sollen eines oder mehrere der obengenannten Probleme gelöst werden.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßsammler zwei beabstandete Öffnungen autweist, die sich allgemein an dessen Enden gegenüberliegen, um zwei aufeinandertreffende Fluidströme zu erzeugen und dadurch eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids zwischen den Rohren zu erreichen. Vorzugsweise ist der Sammler gerade, und die Öffnungen sind allgemein axial im Rohrinnern ausgerichtet.
Desweiteren berücksichtigt die Erfindung, daß Rohre eine Vielzahl von Durchtritten für jeden Strömungsweg durch den Wärmeaustauschbereich ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein länglicher Auslaßsammler geschaffen, der zum Einlaßsammler beabstandet ist und eine Fluidverbindung mit den Rohren an Stellen hat, die zu dem Einlaßsammler beabstandet sind. Von dem Auslaßsammler gehen zwei Auslässe ab, von jedem Ende einer.
Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine im allgemeinen C- förmige Leitung verwendet, welche die Einlässe miteinander verbindet. In der Leitung ist ein T-Stück vorgesehen, durch welches das zu verdampfende Fluid in die Leitung gelangt, um dann zu beiden Einlässen zu strömen.
Am günstigsten sind die Rohre in zwei oder mehreren Reihen angeordnet, wobei eine Reihe in direkter Fluidverbindung mit dem Auslaßsammler steht. Zwei oder mehr Zwischensammler stehen mit der einen Reihe, die den Einlaßsammler umfaßt, in Fluidverbindung, und ein Paar Leitungen verbindet die Zwischensammler an deren gegenüberliegenden Enden miteinander. Konkret hat der Zwischensammler, der in direkter Fluidverbindung mit der Reihe steht, die direkt mit dem Einlaßsammler verbunden ist, ein Auslaßpaar an den gegenüberliegenden Enden, die voneinander weg ausgerichtet sind und so zwei Ströme austretenden Fluids erzeugen, mit denen der Auslaßwiderstand verringert wird. Der Zwischensammler, der in direkter Fluidverbindung mit der Reihe steht, die direkt mit dem Auslaßsammler verbunden ist, hat ein Einlaßpaar an den gegenüberliegenden Enden, die zueinander weisen und so zwei Ströme eintretenden Fluids erzeugen, wodurch die kinetische Energie zerstreut wird. Darüber hinaus sind die Zwischensammler nebeneinander angeordnet, und der Zwischensammlerauslaß ist mit dem benachbarten Zwischensammlereinlaß verbunden.
Verständlicher wird die Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die hier lediglich als Beispiel angeführt wird, anhand der beiliegenden Zeichnungen, wobei:

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Zweiwege- Verdampfers ist;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Einlaßsammlers etwa entlang der Linie 2-2 aus Fig. 1 ist und
Fig. 3 eine fragmentarische Schnittdarstellung des Einlaßsammlers etwa entlang der Linie 3-3 aus Fig. 2 ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 ist eine exemplarische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers in Form eines Zweiwege-Gegen/Querstrom-Verdampfers dargestellt. Jedoch sind die Wirkprinzipien der Erfindung natürlich auch auf Einwegverdampfer sowie auf Mehrwegverdampfer mit mehr als zwei Strömungswegen anwendbar.
Wie in Fig. 1 erkennbar, umfaßt der Verdampfer einen Einlaßsammler, allgemein als 10 gekennzeichnet, und einen Auslaßsammler, allgemein als 12 bezeichnet. Beide können im Schnitt zylindrisch sein und aus Rohren mit kreisförmigem Querschnitt bestehen. Zudem weist der Verdampfer ein Paar Zwischensammler, allgemein als 14 und 16 gekennzeichnet, auf, die genau wie die Sammler 10 und 12 nebeneinander angeordnet sind und zu selbigen parallel beabstandet sind. Durch zwei U-förmige Rohre 18 und 19 an beiden Enden der Sammler 14 und 16 entsteht eine Fluidverbindung zwischen ihren Innenseiten. Die einzelnen Rohre 20, bei denen es sich am günstigsten um herkömmliche Flachrohre handelt, sind in zwei Reihen (von denen nur eine abgebildet ist) angeordnet. Eine Reihe der Rohre 20 erstreckt sich zwischen dem Einlaßsammler 10 und dem Zwischensammler 14, und die Enden der entsprechenden Rohre 20 stehen mit dem Innern der beiden Sammler 10 und 14 in Fluidverbindung. Eine zweite Reihe von Rohren 20 verläuft zwischen den Sammlern 12 und 16, und jedes Ende der Rohre 20 in dieser Reihe steht mit dem Innern der Sammler 12 und 16 in Fluidverbindung.
Die Rohre 20 in beiden Reihen sind zueinander beabstandet, und zwischen den benachbarten Rohren 20 befinden sich Rippen, wie z.B. Schlangenrippen 22, die in bekannter Weise mit den Rohren verbunden sind.
Eine allgemein C-förmige Leitung 24 weist entgegengesetzte Enden 26 und 28 auf, die sich an den entsprechenden gegenüberliegenden Enden des Sammlers 10 in Fluidverbindung mit dessen Innerem befinden. Am besten ist in der Mitte der Leitung zwischen den Enden 26 und 28 ein T-Stück 30 mit den Verzweigungen 32 und 34, die sich zu den Enden 26 und 28 erstrecken, und mit einer Verzweigung 36 vorgesehen, die zum Beispiel an einen Kondensator (nicht abgebildet) in einem Kühlsystem angeschlossen wird, der ein Kühlmittel aus einem Verdichter (nicht dargestellt) eines derartigen Systems kondensiert. Bekanntlich nimmt ein derartiger Verdichter normalerweise das Kühlmittel in Dampfphase von einem Verdampfer, wie dem aus Fig. 1, auf. Der Kühlmittelfluß durch einen solchen Verdichter erfolgt von einer Verzweigung 40 eines T-Stückes 42 in einer C- förmigen Leitung 44. Eine Verzweigung 46 des T-Stückes 42 steht in Fluidverbindung mit einem Ende 48 der Leitung 44. Die Enden 48 und 52 stehen mit dem Innern des Auslaßsammlers 12 an dessen entgegengesetzten Enden in Fluidverbindung.
Während des Betriebs wird das Kühlmittel über die Leitung 24 in den Einlaßsammler 10 eingeleitet und fließt von dort durch die dazugehönge Reihe von Rohren 20 (nicht dargestellt) zum Zwischensammler 14. Durch die U-förmigen Rohre 18 und 19 fließt es aus beiden Enden des ersten Zwischensammlers 14 heraus und anschließend von beiden Enden in den Zwischensammler 16 hinein. Von dort strömt das Kühlmittel durch die zweite Reihe von Rohren 20 nach oben zum Auslaßsammler 12 und weiter durch die Leitung 44 zur Verzweigung 40, damit es zum Kondensator zurückgeführt wird. Um eine maximale Leistung zu erreichen, ist eine Luftströmung in Richtung des Pfeils 60 vorhanden, und natürlich fließt bei dieser Luftströmung das eintretende Kühlmittel vom hinteren Teil des Verdampfers nach vorn, d.h. entgegengesetzt zur Luftströmung (Pfeil 60), wodurch ein Gegenstrom entsteht. Da die Rohre 20 quer zum Wärmeaustauschbereich verlaufen, in dem der Luftstrom auftritt, hat der Verdampfer zudem Querströmungseigenschaften.
Zwecks größerer Klarheit wird der Einlaßsammler als ein Rohr mit C-förmigen Leitungen und kreisförmigem Querschnitt beschrieben. Bei einer tatsächlichen Anwendung ist es wahrscheinlich, daß die Sammler, Einlässe und Auslässe alle in einer Schichtkonstruktion aufgenommen sind.
Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die Enden 62 und 64 des Einlaßsammlers 10 verschlossen und mittels tellerförmiger Stopfen 66 bzw. 68 abgedichtet sind. Jeder der Teller 66 und 68 weist eine mittige Öffnung 70, 72 auf, die sich auf der Längsachse 74 des Sammlers 10 und zu ihr ausgerichtet befindet. Die Enden 26 und 28 der Leitung 24 sind auf der Außenseite der Teller 66 und 68 an den Öffnungen 70, 72 abgedichtet. Somit strömt das eintretende Kühlmittel zur Verzweigung 36 des T-Stückes 30, durch die C-förmige Leitung 24 hindurch zu deren Enden 26, 28 und wird allgemein axial durch die Öffnungen 70 und 72 in Form von zwei zueinander gerichteten Strömen 78 und 80 eingeleitet.
Die Rohre 20 haben offene Enden 84 im Innern des Einlaßsammlers, die sich über dessen gesamte Länge verteilen (siehe Fig. 2 und 3).
Während des Betriebs werden die flüssigen Phasen der eintretenden Ströme 78 und 80 infolge der Bewegungsgröße, die aus dem Fluß durch das System resultiert, allgemein entlang der Achse 74 ausgerichtet, so daß sie kollidieren bzw. aufeinandertreffen. Dadurch zerstreut sich wiederum die kinetische Energie, die normalerweise dazu führen würde, daß sich das eintretende Kühlmittel am Ende 64 des Einlaßsammlers 10 anhäuft, wenn nur die Einlaßöffnung 70 genutzt werden würde, oder am Ende 62, falls lediglich die Einlaßöffnung 72 genutzt werden würde. Da diese Ströme normalerweise auch Dampf aufweisen, brechen sie nicht genau in der Mitte des Sammlers 10 auf, sondern vielmehr über einem großen Teil der gesamten Länge des Sammlers 10. Dadurch wird das Kühlmittel in der flüssigen Phase weitgehend gleichmäßig über die gesamte Länge des Sammlers 10 verteilt, so daß von einer Seite des Verdampfers zur anderen eine gleichmäßige Kühlmitteiströmung zu den einzelnen Rohren 20 entsteht. Als Folge dessen werden die Ursachen der ungenügenden Leistung von Verdampfern wesentlich verringert oder vollständig eliminiert.
Um die Strömung so gleichmäßig wie möglich zu machen, kann die zuvor beschriebene Anordnung mit zwei U-förmigen Rohren 18 und 19 zur Übertragung zwischen den Zwischensammlern 14 und 16 und mit einer Auslaßleitung 44, die allgemein dem Einlaßsystem gleicht, verwendet werden. Es gibt Anzeichen dafür, daß die erreichte Verdampfer-Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Verdampfern mit nur einem Einlaß etwa zwischen 7 - 10 Prozent liegt.
Die Beschreibung der Wirkungsweise des Einlaßsammlers 10 trifft auch auf den zweiten Zwischensammler 16 zu, bei dem zwei eintretende Ströme aufeinandertreffen, die so das Fluid gleichmäßiger über die Länge des Sammlers 16 verteilen. Der Auslaßsammler 12 hat zwei Auslässe zu den Leitungsenden 26, 28, die die Strömung von beiden Enden des Sammlers 12 lenken, wobei durch die Schaffung der Auslässe an beiden Enden ein gleichförmigerer Auslaßwiderstand entsteht. Ebenso hat der erste Zwischensammler 14 zwei Auslaßöffnungen zu den Rohren 18 und 19 hin, die das Kühlmittel aus beiden Enden herausleiten und somit den Widerstand angleichen. Das Kühlmittel von dem einen Ende des ersten Zwischensammlers wird in das benachbarte Ende des zweiten Zwischensammlers eingeleitet. Dadurch entsteht der kürzest mögliche Weg für das Kühlmittel von beiden Enden der Sammler.
Die Gesamtleistungsfähigkeit des Systems erhöht sich, und zwar durch die Kombination aus einem Einlaßsammler mit zwei Einlässen an den entgegengesetzten Enden, einem Auslaßsammler mit zwei Auslässen an den entgegengesetzten Enden und einem Paar Zwischensammler, das durch ein Paar Öffnungen an beiden Enden verbunden ist. Mit einem derartigen System werden die Probleme infolge des Reibungsunterschiedes zwischen Fluiden und Gasen überwunden und eine gleichmäßigere Verteilung des Fluids durch die Sammler und folglich durch die Rohre erreicht. Die Einlaßöffnungen an den gegenüberliegenden Enden des Einlaßsammlers und des zweiten Zwischensammlers schaffen zwei Ströme, die zueinander ausgerichtet sind und das Kühlmittel entlang des Sammlers gleichmäßig verteilen. Durch die Auslässe an den gegenüberliegenden Enden des Auslaßsammlers und des ersten Zwischensammlers wird der Flußwiderstand in den zahlreichen Strömungswegen angeglichen und damit ein gleichförmigeres Strömungsverhalten quer durch den Verdampfer zwecks höchster Leistungsparameter geschaffen.

Claims

1. Verdampfer für Kühlmittel mit: einer Vielzahl von Rohren (20), die parallel zueinander beabstandet und hydraulisch miteinander verbunden sind, zwischen den Rohren verlaufenden und an ihnen befestigten Rippen (22), einem länglichen Sammler (10, 12, 14, 16), der sich zwischen den Rohren erstreckt und eine Fluidverbindung mit dem Innern jedes Rohres hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (10, 16) ein Einlaßsammler ist und zwei beabstandete Öffnungen (70, 72) aufweist, die sich allgemein an dessen Enden gegenüberliegen, so daß das Fluid, welches verdampft werden soll und durch die Öffnungen eintritt, die Form von zwei aufeinandertreffenden Strömen (78, 80) annimmt, damit die Gleichförmigkeit der Verteilung des Fluids auf die Vielzahl der Rohre (20) verbessert wird.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (70, 72) auf der Innenseite des Sammlers allgemein axial ausgerichtet sind.

3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferrohre (20) eine Fülle von Kanälen für das Fluid durch einen Wärmeaustauschbereich hindurch bilden.

4. Verdampfer nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer weiterhin einen Auslaßsammler (12, 14) umfaßt, der sich zwischen den Rohren (20) erstreckt und in Fluidverbindung mit dem Innern jedes Rohres steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßsammler (12, 14) einander gegenüberliegende Öffnungen (70, 72) hat, die entgegensetzt zueinander ausgerichtet sind, so daß das Fluid, welches aus den Öffnungen austritt, die Form zwei divergierender Ströme annimmt, damit der Auslaßwiderstand verringert und die Gleichförmigkeit der Verteilung des Fluides auf die Vielzahl der Rohre (20) verbessert werden.

5. Verdampfer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine allgemein C-förmige Leitung (24, 44) die Öffnungen (70, 72) miteinander verbindet und ein T-Stück (30, 42) in der Leitung geschaffen wird, durch welches das zu verdampfende Fluid in die Leitung eingebracht werden kann, um zu den Öffnungen (70, 72) zu strömen, oder zum Wegströmen von den Öffnungen (70, 72) aus der Leitung heraus aufgenommen werden kann.

6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Leitung (24, 44) die Öffnungen (70, 72) außerhalb des Sammlers (10,12) miteinander verbindet.

7. Verdampfer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler ein Rohr mit allgemein kreisförmigem Querschnitt ist und sich die Öffnungen an dessen gegenüberliegenden Enden befinden und allgemein axial zueinander ausgerichtet sind.

8. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter länglicher Sammler (14) zwischen den Rohren (20) verläuft und mit dem Innern jedes Rohres in Fluidverbindung steht, wobei der zweite längliche Sammler zueinander beabstandete gegenüberliegende Öffnungen an dessen beiden Enden hat, und ein dritter länglicher Sammler (16) geschaffen wird, an dessen Enden sich zwei Öffnungen gegenüberliegen, eine zweite Vielzahl beabstandeter Rohre (20) von dem dritter Sammler (16) ausgeht, von denen jedes ein offenes Ende innerhalb des dritten Sammlers (16) aufweist, wobei die offenen Enden auf der gesamten Länge des dritten Sammler angeordnet sind und ein Paar Leitungen (18, 19) eine Öffnung des zweiten Sammlers mit einer Öffnung des dritten Sammlers verbindet und die andere Öffnung des zweiten Sammlers mit der anderen Öffnung des dritten Sammler verbindet.

9. Verdampfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer umfaßt: eine gemeinsame Leitung (24), welche die Einlaßsammleröffnungen (70, 72) miteinander verbindet, wobei jedes aus der ersten Vielzahl der Rohre (20) ein offenes Ende innerhalb des Einlaßsammlers (10) aufweist und die offenen Enden auf der gesamten Länge des Einlaßsammlers (10) angeordnet sind.

10. Verdampfer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer umfaßt: einen Auslaßsammler (12), zwei einander gegenüberliegende, beabstandete Auslaßsammleröffnungen an dessen Enden und eine gemeinsame Leitung (44), welche die Auslaßsammleröffnungen miteinander verbindet, wobei die zweite Vielzahl der Rohre (20) jeweils ein anderes offenes Ende innerhalb des Auslaßsammlers (12) hat und die offenen Enden auf der gesamten Länge des Auslaßsammlers (12) angeordnet sind.

11. Verdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßsammler (10) neben dem Auslaßsammler (12) angeordnet ist, sich der zweite Sammler (14) neben dem dritten Sammler (16) befindet, welche somit Zwischensammier bilden, und das Paar Leitungen (18, 19) die benachbarten Enden der Zwischensammler (14,16) miteinander verbindet.