DE69510405T2 - Kältemittel-Verteilvorrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Dampfkompressionskälteanlage und bezieht sich insbesondere auf einen Kühlstromverteiler zum Verbessern der Leistung einer Dampfkompressionskälteanlage.
• Eine Dampfkompressionskälteanlage umfaßt typisch ein Paar Wärmetauscher, die operativ in einen Kreislauf für die Zirkulation von Kältemittel durch die Einheiten eingebunden sind. Eine Einheit dient in der Anlage als Verdampfer, während die andere als Kondensator dient. Die Saugseite eines Kompressors ist mit dem Kältemittelauslaß der Verdampfereinheit verbunden und derart angeordnet, daß das den Verdampfer verlassende Kältemittel auf eine höhere Temperatur und einen höheren Druck gebracht wird, bevor das Kältemittel in die Kondensatoreinheit eingeleitet wird. In dem Kondensator wird das unter hohem Druck stehende Kältemittel in einen flüssigen Zustand gebracht und dann in einer Expansionsvorrichtung auf eine niedrigere Temperatur und einen niedrigeren Druck gedrosselt, bevor es durch die Verdampfereinheit hindurchgeleitet wird. Das durch die Verdampfereinheit hindurchgehende Zweiphasen-Kältemittelgemisch wird in ein Wärmeübertragungsverhältnis mit einer Substanz höherer Temperatur, wie beispielsweise Luft oder Wasser, gebracht, wodurch das Kältemittel Energie aus der Substanz höherer Temperatur absorbiert und somit die gewünschte Abkühlung erzeugt.
• Die Leistung der Verdampfereinheit und somit die Gesamtleistung der Anlage hängt in großem Maße von der Fähigkeit ab, das Zweiphasen-Gemisch gleichmäßig in der gesamten Verdampfereinheit zu verteilen. In der Verdampfereinheit wird das Zweiphasen- Gemisch typisch durch eine Reihe paralleler Strömungskanäle geleitet, die mit einem Einlaßzufuhrsammler gekoppelt sind. Einige der Strömungskanäle sind in einiger Entfernung von dem Kältemitteleinlaß stationiert und empfangen aufgrund schlechter Verteilung mehr Gasphase als die näher am Einlaß liegenden Kanäle. Infolgedessen wird die Wärmeleistung der Einheit ungünstig beeinflußt und es tritt eine ungleichmäßige Verteilung der Wärmeübertragung an der Einheit auf.
• Bemühungen, die auf eine Vergrößerung der in Dampfkompressionskälteanlagen verwendeten Verdampfereinheiten gerichtet worden sind, um die Leistung der Anlage zu erhöhen, haben sich als nicht sehr erfolgreich erwiesen und resultierten in einer beträchtlichen Zunahme der Kosten dieser Anlagen. Versuche waren auch auf die Anbringung eingeschränkter Öffnungen oder Ringe am Eingang jedes Kältemittelstromkanals innerhalb der Verdampfereinheit einer Anlage gerichtet worden, um die Kältemittelverteilung innerhalb der Einheit und auf diese Art und Weise das Leistungsvermögen der Anlage zu verbessern. Auch hier kann wieder eine gewisse Verbesserung erzielt werden, jedoch nur zu erhöhten Kosten. Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, einen Stromverteiler in der die Expansionsvorrichtung und den Kältemitteleinlaß mit der Verdampfereinheit verbindenden Kältemittelzufuhrleitung anzubringen, vgl. beispielsweise die US-A-4543802 oder die US-A-5059226. Diese Einrichtungen sind jedoch zum größten Teil schwierig und teuer herzustellen und können bei bestehenden Anlagen nicht nachgerüstet werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Leistung von Dampfkompressionskälteanlagen zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 6 gelöst.
• Dieses Ziel der Erfindung wird mittels einer Strömungsmengen-Misch- und Verteileinheit zum Verbinden des Kältemitteleinlasses einer in einer Dampfkompressionskälteanlage benutzten Verdampfereinheit mit einer Expansionsvorrichtung erreicht. Die Misch- und Verteileinheit hat ein Gehäuse mit einem Hohlkörperabschnitt, einem erweiterten Trichterabschnitt an einem Ende und einem verengten Abschnitt an dem anderen Ende. Ein Reduzierstück mit einer Öffnung vorbestimmter Größe ist in dem verengten Abschnitt des Gehäuses eingebaut, und ein Mischschieber ist innerhalb des Körperabschnitts angebracht. Der Körperabschnitt des Gehäuses ist in enger Gleitbeziehung zu dem Kältemitteleingang in die Verdampfereinheit angeordnet, so daß dazwischen eine leckdichte Verbindung gebildet ist. Eine Kältemitteleinlaßleitung ist an dem Trichterende des Gehäuses befestigt und mit der Expansionsvorrichtung verbunden, wodurch ein Zweiphasen- Kältemittelgemisch in das Gehäuse gefördert wird. Der Zustrom wird in zwei radial verteilte Ströme aufgespalten, die dann vor dem Eintreten in die Reduzierstücköffnung rekombiniert werden, wodurch ein gut durchmischtes Zweiphasen-Kältemittelgemisch gleichmäßig über die Verdampfereinheit verteilt wird.
• Zum besseren Verständnis dieses und anderer Ziele der Erfindung wird diese nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Dampfkompressionskälteanlage ist, bei der die erfindungsgemäße Lehre angewandt ist;
• Fig. 2 eine vergrößerte partielle Seitenansicht im Schnitt ist, die die in der Anlage gemäß Fig. 1 verwendete Verdampfer-Wärmetauschereinheit zeigt;
• Fig. 3 eine vergrößerte Explosionsansicht ist, die die in der Anlage gemäß Fig. 1 verwendete Kältemittel-Misch- und Verteilanordnung zeigt;
• Fig. 4 eine vergrößerte Endansicht einer in der in Fig. 3 gezeigten Misch- und Verteilanordnung verwendeten Büchse ist; und
• Fig. 5 eine Schnittansicht nach der Linie 7-7 in Fig. 6 ist.
• Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist eine Dampfkompressionskälteanlage, allgemein mit 10 bezeichnet, dargestellt, welche nach den erfindungsgemäßen Lehren ausgebildet ist. Die Anlage beinhaltet eine Kondensatoreinheit 12 und eine Verdampfereinheit 13, die beide vorzugsweise hartgelötete Platteneinheiten der im Stand der Technik weit verbreiteten Art sind. Die Wärmetauscher sind über einen Kältemittelstromkreis 15, der zum Zirkulieren von Kältemittel durch die Einheiten angeordnet ist, verbunden. Durch jede Einheit fließendes Kältemittel wird in ein Wärmeübertragungsverhältnis mit Wasser oder einer beliebigen anderen geeigneten Substanz gebracht, die über Einlaßleitungen 16 und. 17 in die Einheiten eingebracht und über Ausstoßleitungen 18 und 19 aus diesen abgegeben wird.
• Ein Verdichter 20 ist in den Kältemittelstromkreis zwischen den Wärmetauschereinheiten eingebaut und derart angeordnet, daß er Kältemittel mit einer relativ hohen Temperatur und einem relativ hohen Druck in die Kondensatoreinheit abgibt. Das Kältemittel gibt seine Wärmeenergie an durch den Kondensator fließendes Wasser ab und wird in einen flüssigen Zustand zurückgeführt. Bei Verlassen der Kondensatoreinheit fließt das Kältemittel durch ein Expansionsventil 21, in dem es schnell auf einen niedrigeren Druck und eine niedrigere Temperatur gebracht wird. Das Expansionsventil trennt die Hochdruckseite des Systems von der Niederdruckseite.
• Das schnell abgekühlte oder gedrosselte Kältemittel zirkuliert unter dem Einfluß des Kompressors durch die Verdampfereinheit, in der es in ein Wärmeübertragungsverhältnis mit der zu kühlenden Substanz, die Luft, Wasser, Sole oder dergleichen sein kann, gebracht wird. Da das Kältemittel Wärme aus der Substanz absorbiert, wird das Kältemittel verdampfen.
• Flüssiges Kältemittel, das durch das Expansionsventil fließt, wird schnell auf einen niedrigeren Druck und eine niedrigere Temperatur gebracht, resultierend in einem Zweiphasen- Gemisch, in dem Flüssigphasentröpfchen in der Gasphase mitgeführt werden. Falls die flüssige Phase innerhalb der Gasphase nicht gleichmäßig vermischt und verteilt ist, wird die Leistung der Verdampfereinheit schwer beeinträchtigt. In dem vorliegenden System ist eine Kältemittel-Misch- und Verteilanordnung 24 an dem Kältemitteleingang des Verdampfers stromab des Expansionsventils angebracht. Nachstehend wird die Funktionsweise der Misch- und Verteileinrichtung erklärt.
• Die Misch- und Verteilanordnung 24 ist genauer in den Fig. 2 bis 5 gezeigt. Die Anordnung hat ein rohrförmiges Gehäuse 25 mit einem Körperabschnitt 26 mit einem erweiterten Trichterabschnitt 27 an einem Ende und einem reduzierten, verengten Abschnitt 28 an dem gegenüberliegenden Ende. Eine Büchse 31 ist in dem verengten Abschnitt des Gehäuses angebracht, wohingegen ein Mischflügel 33 in den Körperabschnitt des Gehäuses eingebaut ist.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die Misch- und Verteilanordnung 24 in den Kältemitteleingangsanschluß 30 der Verdampfereinheit 13 eingebaut. Der Körperabschnitt 26 des Gehäuses ist in den Einlaßanschluß 30 eingeschoben und wird bei der Montage verlötet, um eine leckdichte Verbindung mit diesem herzustellen. Das vergrößerte Trichterende 27 des Gehäuses befindet sich außerhalb des Einlaßanschlusses und ist so ausgelegt, daß darin das distale Ende einer Kältemittelzufuhrleitung 32 Aufnahme findet. Das distale Ende der Zufuhrleitung ist leckdicht mit der inneren Oberfläche des Trichters hartverlötet. Aus dem Expansionsventil 21 fließendes Kältemittel wird infolgedessen veranlaßt, sich durch die Misch- und Verteilanordnung zu bewegen, wenn es in die Verdampfereinheit 13 eintritt. Obwohl die Verdampfereinheit viele Formen annehmen kann, ist in Fig. 2 eine nach dem Prinzip hartverlöteter Platten aufgebaute Einheit gezeigt. Der Wärmetauscher enthält eine Reihe paralleler Wasserstromkanäle 37-37, die zwischen Kältemittelstromkanälen 38-38 angelegt sind. Die Kältemittelstromkanäle sind in Fluidstromverbindung zwischen dem Einlaßsammler 40 der Einheit und einem Auslaßsammler 41 angebracht. Der Auslaßanschluß 43 der Einheit ist wiederum mittels einer Saugleitung 43 mit der Saugseite des Verdichters 20 verbunden.
• Der in der Misch- und Verteileinheit 24 verwendete Mischflügel 33 ist so profiliert, daß eine enge Gleitpassung mit dem Innendurchmesser des Körperabschnitts 26 des Gehäuses 24 hergestellt wird. Bei der Montage wird der Mischflügel gegen die Schulter 34 des Gehäuses gelegt und der Körperabschnitt wird nach innen gebördelt, um den Mischflügel innerhalb des Körperabschnitts an seinem Platz zu arretieren. Der Flügel hat ein Paar Öffnungen 29-29, die derart angeordnet sind, daß sie den Kältemittelzustrom in zwei radial angeordnete Ströme aufteilen. Die radial gerichteten Ströme werden dann, wie durch den Pfeil 38 in Fig. 3 gezeigt, axial abgelenkt. Die Ströme werden dann rekombiniert, bevor sie stromab in den kontrahierten Endabschnitt 28 des Gehäuses fließen. Mischflügel der in Fig. 3 dargestellten Art sind von der Spraying Systems Co., Weaton, IL, die sie unter dem Handelsnamen "FULLJET" vertreibt, im Handel erhältlich.
• Wie weiter unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 dargestellt ist, ist die Büchse 31 ein rohrförmiges Element 45 mit einer Strömungspassage 47 darin und einer Öffnung 46, die an dem Auslaßende derselben ausgebildet ist. Die Öffnung ist mit einer gewünschten Größe ausgebildet, die von den Erfordernissen der Anlage abhängt. Bei der Montage wird die Büchse gleitend in dem verengten Endabschnitt 28 des Gehäuses 25 positioniert, wobei die Öffnung in Bezug auf die Strömungsrichtung stromabwärts zeigt. Die Büchse 31 wird innerhalb des Endabschnitts hartverlötet, um dazwischen eine leckdichte Verbindung zu erzeugen.
• Ein den Mischflügel verlassender Kältemittelstrom wird veranlaßt, durch die Öffnung der Büchse zu fließen, die mit dem Mischflügel zusammenwirkt, um das Kältemittel-Zweiphasengemisch gleichmäßig über die gesamte Länge des Kältemittel-Einlaßsammlers 40 zu verteilen. Infolgedessen fließt das gut verteilte Kältemittelgemisch durch die Kältemittelstromkanäle der Verdampfereinheit nach oben und sorgt dadurch für eine erhöhte Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der gekühlten Substanz. Tests haben gezeigt, daß die Wassertemperatur an einer eine Misch- und Verteilanordnung der hierin beschriebenen Art verwendenden Verdampfereinheit im Vergleich zu ähnlichen, in dieser Art von Anlage verwendeten Einheiten auf einem relativ konstanten Niveau bleibt.
• Wie in der vorstehenden Offenbarung festgestellt, sollte offensichtlich sein, daß die hierin beschriebene Misch- und Verteilanordnung relativ preiswert herzustellen ist und leicht montiert und in neuen oder bestehenden Dampfkompressionsanlagen installiert werden kann. Darüber hinaus kann die in der Einrichtung verwendete Büchsenöffnungsgröße in Abhängigkeit von den Erfordernissen einer gegebenen Anlage festgelegt werden, wodurch eine gegenüber derzeit verwendeten Strömungsverteilern weitreichendere Gestaltungsmöglichkeit geboten wird.

Claims (12)

1. Verfahren zum Verbinden einer Kältemittel-Expansionsvorrichtung mit dem Eingangsanschluß einer Verdampfereinheit, umfassend die Schritte

Bereitstellen eines Gehäuses mit einem rohrförmigen Körper, einem erweiterten Trichterabschnitt an einem Ende des Körperabschnitts und einem verengten Abschnitt an dem anderen Ende des Körperabschnitts;

Einbauen einer Büchse mit einer Öffnungseinrichtung in den verengten Abschnitt des Gehäuses;

Einbauen einer Mischeinrichtung in den Körperabschnitt des Gehäuses;

gleitendes Einbauen des Körperabschnitts des Gehäuses in den Eingangsanschluß der Verdampfereinheit; und

Verbinden des trichterförmigen Endabschnitts des Gehäuses mit einer Kältemittel- Expansionsvorrichtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches den weiteren Schritt umfaßt gleitendes Einbauen eines Mischflügels in den Körperabschnitt des Gehäuses und mechanisches Arretieren des Flügels in dem Körperabschnitt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner beinhaltet Herstellen einer leckdichten Verbindung zwischen der Büchse und dem verengten Abschnitt des Gehäuses.

4. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend den Schritt Ausbilden der Öffnung in der Büchse im Hinblick auf die Anforderungen der Verdampfereinheit.

5. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner beinhaltet Herstellen einer leckdichten Verbindung zwischen dem Körperabschnitt des Gehäuses und dem Eingangsanschluß der Verdampfereinheit.

6. Kältemittel-Misch- und Verteilanordnung zum Verbinden einer Expansionsvorrichtung mit dem Eingangsanschluß einer in einer Dampfkompressionskälteanlage verwendeten Verdampfereinheit, umfassend

ein rohrförmiges Gehäuse, das in dem Eingangsanschluß einer Verdampfereinheit untergebracht ist;

eine Koppeleinrichtung zum Bringen eines Endes des Gehäuses in Fluidstromverbindung mit einer Kältemittel-Expansionsvorrichtung;

einen Mischflügel, der innerhalb des Gehäuses eingebaut ist zum Einwirken auf einen Kältemittelstrom aus der Expansionsvorrichtung; und

eine Öffnungseinrichtung, die in dem Gehäuse stromab des Mischflügels angebracht ist zum Leiten von Kältemittel in die Verdampfereinheit.

7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der das Gehäuse einen Körperabschnitt, der den Mischflügel beherbergt, und einen verengten Abschnitt an einem Ende des Körperabschnitts, der die Mündungseinrichtung beherbergt, aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der der Mischflügel gleitend in den Körperabschnitt eingesetzt und bei der Montage durch Bördeln des Körperabschnitts arretiert wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, die ferner eine Büchse beinhaltet, die gleitend in den verengten Abschnitt des Gehäuses eingebaut ist, wobei die Büchse eine in dieser ausgebildete Öffnung aufweist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, die ferner eine zwischen der Büchse und dem verengten Abschnitt des Gehäuses hergestellte leckdichte Verbindung beinhaltet.

11. Anordnung nach Anspruch 6, bei der der Mischflügel eine Vielzahl von Strömungspfaden zum Teilen und Umleiten des in das Gehäuse eintretenden Kältemittelflußstroms aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 7, bei der das Gehäuse ferner einen erweiterten Trichter an dem anderen Ende des Körperabschnitts aufweist zum Aufnehmen einer an die Expansionsvorrichtung angeschlossenen Versorgungsleitung in demselben.