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Die
Erfindung betrifft generell Systeme zum Kühlen eines Fluids. Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Dampf-Verdichtungs-Kühlsystem zum Kühlen einer
Flüssigkeit,
beispielsweise Wasser, bei dem der Verdampfer des Systems einen
Bereich hat, der in einem gefluteten Modus arbeitet und einen Bereich hat,
der in einem Rieselfilmmodus arbeitet. Ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist bekannt, beispielsweise aus US-A-5 561 987.
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Dampf-Verdichtungs-Kühlsysteme
zum Kühlen
von Wasser, die üblicherweise
als "Kältemaschinen" bezeichnet werden,
werden weit verbreitet in Klimaanlagenanwendungen verwendet. Derartige Systeme
haben große
Kühlkapazitäten von überlicherweise
350 KW (100 tons) oder mehr und werden verwendet, um große Strukturen,
beispielsweise Bürogebäude, große Geschäftshäuser und
Schiffe, zu kühlen.
Bei einer typischen Anwendung, die eine Kältemaschine anwendet, weist
das System einen geschlossenen Flusskreislauf von gekühltem Wasser auf,
der das Wasser von dem Verdampfer der Kältemaschine zu einer Anzahl
von Luft-zu-Wasser-Wärmetauschern
zirkuliert, die in dem zu kühlenden Raum
oder in den zu kühlenden
Räumen
angeordnet sind. Eine weitere Anwendung für eine Kältemaschine ist eine Prozesskältemaschine
für Flüssigkeiten bei
Industrieanwendungen. 1 zeigt
die generelle Anordnung einer typischen Kältemaschine 10 des Stands
der Technik. Bei einer Kältemaschine 10 fließt Kühlmittel
in einem geschlossenen Kreislauf von einem Verdichter 12 zu
einem Kondensator 14, zu einer Expansionsvorrichtung 16,
zu einem Verdampfer 18 und danach zu dem Verdichter 12 zurück. In dem Kondensator 14 wird
das Kühlmittel
durch Übertragen
von Wärme
an ein Fluid gekühlt,
das in Wärmetauschbeziehung
mit dem Kühlmittel
fließt.
Dieses Fluid ist typischerweise ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser,
das von einer Quelle 20 geliefert wird. In dem Verdampfer 18 fließt Wasser
von einem Kreislauf, der generell mit 22 bezeichnet wird,
in Wärmetauschbeziehung
mit dem Kühlmitel
und wird durch Übertragen
von Wärme
an das Kühlmittel
gekühlt.
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Der
Verdampfer einer Kältemaschine
ist typischerweise ein Wärmetauscher
des Typs mit Hülle und
Rohr (shell-and-tube type). Ein Wärmetauscher mit einer Hülle und
einem Rohr weist generell die äußere Hülle auf,
in der eine Mehrzahl von Rohren eingeschlossen ist, die als ein
Rohrbündel
bezeichnet wird. Die zu kühlende
Flüssigkeit,
beispielsweise Wasser, fließt
durch das Rohrbündel.
Die zum Sieden benötigte
Energie wird als Wärme
von dem durch die Rohre fließenden
Wasser erhalten. Wenn die Wärme
abgezogen ist, kann das gekühlte
Wasser dann zum Klimatisieren oder zum Kühlen einer Prozessflüssigkeit
verwendet werden. Demgemäß ist es ein
grundlegendes Ziel einer Kältemaschinenkonstruktion,
den Wärmeaustausch
zu optimieren, der in der Verdampferhülle stattfindet.
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Generell
ist die Wärmetransferrate
zwischen einer Oberfläche
und einer Substanz in einem flüssigen
Zustand viel größer als
die Wärmetransferrate zwischen
der Oberfläche
und der gleichen Substanz in einem gasförmigen Zustand. Aus diesem
Punkt ist es für
eine effektive und effiziente Wärmetransferleistung
wichtig, die Rohre in einem Kältemaschinenverdampfer
während
des Betriebs der Kältemaschine mit
flüssigem
Kühlmittel
bedeckt oder angefeuchtet zu halten. Die meisten Kältemaschinenverdampfer des
Stands der Technik erreichen das Ziel, die Rohre angefeuchtet zu
halten, durch einen Betrieb des Verdichters auf eine Art, die als
als "gefluteter
Modus" bekannt ist.
Bei einem gefluteten Modus ist das Niveau des flüssigen Kühlmittels in der Verdampferhülle ausreichend
hoch, so dass alle Rohre unterhalb des Niveaus des flüssigen Kühlmittels
sind. 2 zeigt schematisch
eine Kältemaschine 24,
die in einem gefluteten Zustand arbeitet, wobei alle Rohre unterhalb
des Kühlmittelniveaus 28 sind.
Obwohl der Betrieb einer Kältemaschine
in einem gefluteten Zustand sicherstellt, dass alle Rohre angefeuchtet
sind, erfordert er auch eine relativ große Kühlmittelmenge, insbesondere
bei Verdichtern mit einer großen
Kapazität.
Falls die Kühlmittelkosten
niedrig sind, ist diese Betrachtung von geringer Bedeutung, jedoch
kann die benötigte
Kühlmittelmenge,
während
die Kosten steigen, ein signifikanter Kostenfaktor werden. Die Kosten
werden nicht nur bei den anfänglichen
Kosten der für
die Kältemaschine
benötigten
Kühlmittelfüllung betrachtet,
sondern auch bei den Wartungskosten und den Austauschkosten über die
Betriebszeit der Kältemaschine.
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In
letzter Zeit wurden zur Verwendung bei derartigen Kältemaschinen
neue Kühlmittel
eingeführt,
um chlorierte Kühlmittel
zu ersetzen, die nicht mehr verwendet werden, da man herausgefunden hat,
dass sie die atmosphärische
Ozonschicht verringern. Derartige Kühlmittel sind signifikant teuer
als jene, die sie ersetzt haben. Folglich kann die Reduzierung der
benötigten
Kühlmittelmenge,
um das System einer Kältemaschine
zu befüllen,
nicht nur zu einer signifikanten Einsparung in Dollar führen, sondern
auch helfen, das Bedürfnis
zu befriedigen, umweltfreundliche Produkte herzustellen.
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Ein
Ansatz, eine geringere Kühlmittelfüllung einzusetzen,
war, das zu verwenden, was als "Rieselfilm"-Verdampfer (falling
film evaporator) bekannt ist. Das Konzept eines Rieselfilm-Verdampfers
beruht auf der Tatsache, dass der Wärmetransfer zwischen einem
Kühlmittel
und einer Außenoberfläche eines
Rohrs hauptsächlich
durch Konvektion und Leitung geschieht und das eine ausreichende
Wärmetransferleistung
nicht nur durch Eintauchen des Rohrs in einen Behälter mit
flüssigem
Kühlmittel
erreicht werden kann, aber auch durch Aufrechterhalten eines kontinuierlich
erneuerten Flüssigkeitsfilm an
der Außenoberfläche des
Rohrs erreicht werden kann. Demgemäß kann anstatt eines Anfeuchtens der
Rohre durch Eintauchen in flüssiges
Kühlmittel die
benötigte
Kühlmittelfüllmenge
in der Kältemaschine
durch Installieren einer Einrichtung zum Abgeben eines Flusses von
flüssigem
Kühlmittel über die
Rohre reduziert werden. Der Kühlmittelfluss
hält die Oberfläche der
Rohre mit einem Film von flüssigem Kühlmittel
feucht, so dass die Wärmetransfereffizienz des
Verdampfers beibehalten wird, ohne das es notwendig ist, das gesamte
Rohrbündel
mit flüssigem Kühlmittel
geflutet zu halten. Ein derartiger Fluss kann durch Sprühen von
flüssigem
Kühlmittel über die
oberen Rohre des Rohrbündels
des Verdampfers erhalten werden. Das Kühlmittel bedeckt die oberen Rohre
und fließt
zu den tiefer liegenden unteren Rohren aufgrund des Gravitationsflusses
hinab. Aus diesem Grund wird ein derartiger Wärmetauscher als Rieselfilm-Verdampfer
bezeichnet. Es ist bei einem Rieselfilm-Verdampfer extrem wichtig,
dass es einen ausreichenden Fluss von flüssigem Kühlmittel über das Rohrbündel gibt,
so dass das gesamte Kühlmittel nicht
im oberen Bereich verdampft und dadurch die untersten Rohre unangefeuchtet
lässt,
die so nicht in der Lage sind, einen Wärmetransfer durchzuführen.
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Ein
Faktor, der die Fähigkeit
beeinflusst, eine Oberfläche
anzufeuchten, ist die Oberflächenspannung
der Flüssigkeit.
Generell ist die Fähigkeit
der Flüssigkeit
eine Oberfläche
anzufeuchten besser, je niedriger die Oberflächenspannung ist. Wasser beispielsweise
hat eine relativ hohe Oberflächenspannung
und ist darum ein relativ schwaches Anfeuchtungsmittel. Einige der
Flüssigkeiten,
die zur Zeit in weit verbreiteter Verwendung sind, haben sehr niedrige
Oberflächenspannungen,
d. h. weniger als 30 dynes/cm bei 26,6°C und folglich eine gute Anfeuchtungsfähigkeit.
Beispiele derartiger Kühlmittel
umfassen R-134A, R-410A,
R-407C, R-404 und R-123.
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Man
hat herausgefunden, dass bei Rieselfilm-Verdampfern, insbesondere
wenn Kühlmittel
mit einer relativ hohen Oberflächenspannung
verwendet werden, es unmöglich
sein kann, eine gute Wärmetransfereffizienz
bei einem akzeptablen Aufwand zu erreichen, wenn die Rate des an
die Rohre abgegebenen Kühlmittels
gleich der Gesamtflussrate des Kühlmittels
durch den Verdampfer ist. Der Ausdruck Rezirkulationsverhältnis wird
verwendet, um das Verhältnis
der Flussrate des abgegebenen Kühlmittels mit
der Gesamtflussrate durch den Verdampfer zu vergleichen. Wenn diese
Flüsse
gleich sind, wird gesagt, dass das Zirkulationsverhältnis gleich
1 ist. Ein wohl bekanntes Verfahren des Stands der Technik, um einen
ausreichenden Fluss von flüssigem
Kühlmittel über die
Rohre in einem Rieselfilm-Verdampfer zu erzeugen, ist, eine mechanische
Pumpe hinzuzufügen,
um das Kühlmittel
in der Verdampferhülle
zu rezirkulieren. 3 zeigt
schematisch einen Verdampfer 30 des Rieselfilm-Typs in
einem Kältemaschinensystem 32.
Man stellt fest, dass im Gegensatz zu dem in 2 dargestellten gefluteten Verdampfer
das von der Expansionsvorrichtung 16 fließende Kühlmittel über eine
Versorgungsleitung 35 in die Verdampferhülle 36 zu
einer Abgabevorrichtung fließt,
die allgemein als ein Sprühdeck 38 bekannt
ist, das über
der höchsten
Lage von Rohren 40 liegt. Ein Rezirkulationskreis, der
eine Rezirkulationspumpe 42 aufweist, saugt flüssiges Kühlmittel
von dem unteren Bereich der Verdampferhülle durch eine Leitung 44 und
liefert es durch eine Leitung 46 an die Versorgungsleitung 35, wo
es wieder durch das Spraydeck 38 verteilt wird. Das Rezirkulationssystem
stellt folglich sicher, dass es einen ausreichenden Fluss durch das
Spraydeck 38 gibt, um die Rohre angefeuchtet zu halten.
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Bei
einem derartigen Rieselfilm-Verdampfersystem können alle Rohre in einem angefeuchteten Zustand
gehalten werden, wobei das Niveau 48 des Pools aus flüssigem Kühlmittel
in dem Verdampfer unter dem untersten Rohr in dem Rohrbündel ist.
Um sicherzustellen, dass alle Rohre in dem Bündel angefeuchtet sind, kann
das Rezirkulationsverhältnis
(das Verhältnis
der Sprühdeckflussrate
zu der Gesamtflussrate durch den Verdampfer) in der Größe von 10 :
1 sein. Da der Verdampfer effizient arbeiten kann, ohne dass die
Rohre geflutet sind, kann die Kühlmittelmenge,
die notwendig ist, um ein derartiges System zu befüllen, verglichen
mit einem System mit einem Verdampfer, der in einem gefluteten Zustand
arbeitet, entsprechend reduziert werden. Man hat jedoch herausgefunden,
dass der zusätzliche
Aufwand für
das Rezirkulationssystem, insbesondere die Pumpe, jegliche Einsparungen
zunichte machen kann, die durch die Verwendung von weniger Kühlmittel
erreicht wurden. Offensichtliche Nachteile des Erfordernisses nach
einer Pumpe umfassen erhöhte Aufwände, eine
niedrigere Zuverlässigkeit
und höhere
Wartungsaufwände.
Weniger offensichtlich, aber extrem signifikant, sind der erhöhte parasitäre Stromverbrauch
und eine reduzierte Nettomaterialausnutzung in einer Kältemaschine,
die eine Rezirkulationspumpe benötigt.
Insbesondere führt
der parasitäre Stromverbrauch
ungefähr
zu einer Erhöhung
von 1% bis 2% des Stromverbrauchs der Kältemaschine, falls eine Pumpe
verwendet wird, um das vollständige
Befeuchten bei einem Rieselfilm-Verdampfer sicherzustellen; das
wird von dem heutigen Hocheffizienzkältemaschinenmarkt als eine
signifikante Erhöhung
betrachtet und wird aus der Perspektive der globalen Erwärmung als
eindeutiger Nachteil betrachtet.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Kältemaschinensystem bereitzustellen,
bei dem ein Bereich des Systemverdampfers in einem Rieselfilmmodus
und ein Bereich in einem gefluteten Modus arbeitet.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen kombinierten Rieselfilm-/gefluteten
Verdampfer ohne Rezirkulationssystem zu betreiben.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Zweifachdurchlaufverdampfer
zu betreiben, wobei der erste Durchlauf in einem gefluteten Modus und
der zweite in einem Rieselfilmmodus arbeitet.
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Es
ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Zweifachdurchlauf-Verdampfer
für ein
Kältemaschinensystem
bereitzustellen, wobei die Wärmetransferrohre
in dem ersten Durchlauf Wärmetransferrohre
vom Wiedereintritts-Hohlraum-Typ (re-entrant cavity type) und jene
in dem zweiten Durchlauf Wärmetransferrohre
des Kondensator-Typs sind.
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Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Zweifachdurchlauf-Verdampfer
bereitzustellen, wobei der erste Durchlauf in einem gefluteten Modus und
der zweite Durchlauf in einem Rieselfilmmodus arbeitet und ein einziger
Rohrtyp einen optimalen Wärmetransfer
in beiden Modi bereitstellt.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Dampf-Verdichtungs-Kühlsystem
zum Kühlen
einer Flüssigkeit,
das einen Verdichter, einen Kondensator, eine Expansionsvorrichtung
und einen Verdampfer aufweist, die alle in Serie miteinander verbunden sind,
um einen geschlossenen Kühlmittelflusskreislauf
zum Zirkulieren eines Kühlmittels
dadurch zu bilden. Der Verdampfer des Systems weist eine äußere Hülle mit
einem oberen Ende und einem unteren Ende und mit einem darin gebildeten
Kühlmitteleinlass
und mit einem darin gebildeten Kühlmittelauslass
auf. Der Verdampfer weist ferner eine Mehrzahl von im wesentlichen
horizontalen Wärmetransferrohren
auf, die innerhalb der äußeren Hülle umfasst sind.
Mindestens ein Bereich der Wärmetransferrohre
ist dem oberen Ende der Hülle
und mindestens ein Bereich der Rohre ist dem unteren Ende der Hülle benachbart.
Die Rohre sind derart ausgebildet, dass die zu kühlende Flüssigkeit dadurch hindurch fließt. Der
Verdampfer weist auch eine Einrichtung zum Aufnehmen von Kühlmittel,
das durch die äußere Hülle fließt, und
eine Einrichtung zum Abgeben des Kühlmittels auf die Wärmetransferrohre
auf, die dem oberen Ende der äußeren Hülle benachbart
angeordnet sind. Die äußere Hülle hat
einen einzigen Kühlmitteleinlass
und einen einzigen Kühlmittelauslass. Der
geschlossene Kühlmittelflusskreislauf
des Kühlsystems
ist derart ausgestaltet, dass das Niveau eines flüssigen Kühlmittels
in der äußeren Hülle bei
einem derartigen Niveau gehalten wird, dass mehr als 25% der horizontalen
Rohre während
eines Betriebs des Kühlsystems
im stabilen Zustand in flüssigem Kühlmittel
eingetaucht sind. Die horizontalen Rohre, die nicht in flüssigem Kühlmittel
eingetaucht sind, arbeiten in einem Rieselfilm-Wärmetransfermodus. Während eines
derartigen Betriebs im stabilen Zustand ist die Kühlmittelflussrate
durch die Einrichtung zum Abgeben vorzugsweise nicht größer als
die Kühlmittelgesamtflussrate
von dem Kühlmitteleinlass zu
dem Kühlmittelauslass.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Verdampfer von dem Typ, bei welchem die zu kühlendes
Flüssigkeit
zwei Durchläufe
durch die äußere Hülle macht.
Ein erster Durchlauf erfolgt durch eine erste Gruppe von horizontalen
Wärmetransferrohren,
die dem unteren Ende der Hülle
benachbart sind, und ein zweiter Durchlauf erfolgt durch eine zweite
Gruppe von horizontalen Rohren.
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Andere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich,
wobei ähnliche
Bezugszeichen ähnliche Elemente
bezeichnen und wobei gilt:
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1 ist ein schematisches
Diagramm eines Kältemaschinensystems
des Stands der Technik;
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2 ist ein schematisches
Diagramm eines Bereichs eines Kältmaschinensystems
des Stands der Technik mit einem gefluteten Verdampfer;
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3 ist ein schematisches
Diagramm eines Bereichs eines Kältemaschinensystems
des Stands der Technik mit einem Rieselfilm-Verdampfer;
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4 ist ein schematisches
Diagramm eines Kältemaschinensystems
mit einem hybriden Rieselfilm-/gefluteten Verdampfer gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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5 ist ein vereinfachter
Schnitt des hybriden Rieselfilm-/gefluteten Verdampfers des Typs,
der in 4 dargestellt
ist.
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4 zeigt schematisch eine
Kältemaschine 10,
die einen erfindungsgemäßen hybriden
Rieselfilm-/gefluteten Verdampfer 50 enthält. Die
Kältemaschine 10 enthält einen
geschlossenen Standardkühlmittelflusskreislauf,
bei welchem Kühlmittel
von einem Verdichter 12 zu einem Kondensator 14,
einer Expansionsvorrichtung 16, einem Verdampfer 50 und danach
zurück
zu dem Verdichter fließt.
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Der
Verdampfer 50 weist eine äußere Hülle 52 auf, durch
die eine Mehrzahl von horizontalen Wärmetransferrohren 54 in
einen Rohrbündel
verläuft.
Es wird ferner auf 1 Bezug
genommen. Der Verdampfer in der dargestellten Ausführungsform
ist vom dem Zweifachdurchlauftyp mit einem Wasserbehälter 56 an
dessen einem Ende, der eine Trennwand 58 aufweist, die
ihn in einen Einlassbereich 60 bzw. einen Abgabebereich 62 aufteilt,
die mit einem Wassereinlass 64 und einem Wasserauslass 66 kommunizieren.
Wasser, das durch den Einlass 64 in den Einlassbereich 60 fließt, fließt durch
eine erste Gruppe von Rohren 68, die dem unteren Ende der
Verdampferhülle 50 benachbart
sind, zu dem anderen Ende 70, wo es seine Richtung umkehrt,
und wird durch eine zweite Gruppe von Rohren 72, die dem oberen
Ende der Hülle
benachbart sind, in den Abgabebereich 62 des Wasserbehälters 56 zurückgeleitet, wo
es aus dem Wasserbehälter
durch die Abgabeleitung 66 abgeführt wird. Wie wohl bekannt
ist, können, falls
gewünscht,
mehr als zwei Wasserdurchläufe durch
die Hülle 52 erreicht
werden, indem mehrere Trennwände
verwendet werden, die die Rohre in mehrere unterschiedliche, miteinander
verbundene Gruppen teilen.
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Im
Betrieb tritt ein Kühlmittel
in die äußere Hülle 52 des
Verdampfers 50 durch einen Kühlmitteleinlass 74 in
einem im Wesentlichen flüssigen
Zustand ein und tritt aus der Verdampferhülle durch einen Kühlmittelauslass 76 in
einem im Wesentlichen gasförmigen
Zustand aus.
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Wie
sowohl in 4 als auch 5 dargestellt ist, fließt das Kühlmittel,
das in den Verdampfer durch den Einlass 74 über eine
Einlassleitung 78 eintritt, zu einem Verteilsystem 80,
das in übereinander
liegender Beziehung mit der obersten Lage der zweiten Gruppe von
Rohren 72 angeordnet ist. Das Verteilsystem weist eine
Anordnung von Sprühköpfen oder Düsen 82 auf,
die über
der obersten Lage von Rohren angeordnet sind, so dass sämtliches
Kühlmittel, welches
in die Verdampferhülle
fließt,
geeignet auf die Rohre verteilt wird oder auf diese gesprüht wird.
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Bei
einem Betrieb im stationären
Zustand ist der Kühlmittelfüllstand
in dem System 10 und die Gesamtkonstruktion des geschlossenen
Kühlmittelflusskreislaufs
derart gestaltet, dass das Niveau 51 von flüssigem Kühlmittel
in der äußeren Hülle 52 auf
einem Niveau gehalten wird, so dass mehr als 25% der horizontalen
Wärmetransferrohre
in flüssigem
Kühlmittel
eingetaucht sind.
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Folglich
arbeitet der Verdampfer 50 während eines derartigen Betriebs
im stationären
Zustand, wobei die Rohre in dem unteren Bereich des Verdampfers
in einem gefluteten Wärmetransfermodus arbeiten,
während
diejenigen, die nicht in flüssigem Kühlmittel
eingetaucht sind, in einem Rieselfilm-Wärmetransfermodus arbeiten.
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In
einem hoch effizienten Verdampfer ist es außerordentlich wichtig, dass
alle Wärmetransferrohre
immer ausreichend angefeuchtet sind, um einen optimalen Wärmetransfer
von allen Rohren zu erreichen. Um dieses Ergebnis zu erreichen,
soll ein erfindungsgemäßer Rieselfilm-/gefluteter
Verdampfer derart arbeiten, dass zwischen 25% und 75% der horizontalen
Wärmetransferrohre
während
des Betriebs des Kühlsystems
im stationären
Zustand in flüssigem Kühlmittel
eingetaucht sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das System derart
konstruiert, dass ungefähr
50% der horizontalen Wärmetransferrohre
während
eines Betriebs des Kühlsystems
im stationären
Zustand in flüssigem
Kühlmittel
eingetaucht sind.
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Obwohl
der Hybridverdampfer in Verbindung mit einer Fließanordnung
von unten nach oben dargestellt ist und damit beschrieben wurde,
könnte
er auch bei einer nebeneinanderliegenden Anordnung angewendet werden.
Bei einer derartigen Anordnung fließt eintretendes warmes Wasser
durch eine Seite des Rohrbündels,
und relativ kaltes Wasser fließt durch
die andere Seite des Rohrbündels.
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Bei
noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
der Verdampfer 50 vom oben beschriebenen Typ, wobei die
zu kühlende Flüssigkeit
zwei Durchläufe
durch die äußere Hülle 52 macht.
Bei dieser Ausführungsform
ist die erste oder untere Gruppe von Rohren 68 von einer
Art, die unter Wiedereintritts-Hohlraum-Typ-Wärmetransferrohre bekannt ist,
die für
ihre gute Leistung in Verdampfern des gefluteten Typs wohl bekannt
sind. Ein Beispiel für
ein derartiges Wiedereintritts-Hohlraum-Rohr ist "Turbo B1-3", das von der Wolverine Tube
Company handelsüblich
erhältlich
ist. Die zweite und obere Gruppe von Wärmetransferrohren 72 ist in
dieser Ausführungsform
von dem Typ, der generell für
eine Verwendung in Verdampferanwendungen konstruiert ist und kann
insbesondere von dem "Verdampferrohr
des Stachel-Typs" (spike type condenser
tube) sein, der von der Wolverine Tube Company als "Turbo C1"- oder "C2"-Wärmetransferrohre
kommerziell erhältlich
ist.
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Wie
man erkennt, erlaubt die Verwendung der unterschiedlichen Typen
von Wärmetransferrohren
in dem oberen und unteren Bereich, dass sowohl der geflutete Bereich
als auch der Rieselfilm-Bereich des Verdampfers einen hohen Wärmetransferkoeffizienten
erreicht. Man versteht jedoch ferner, dass das Endziel ein Optimieren
des Wärmetransfers
sowohl in dem Rieselfilm-Verdampferbereich als auch in dem gefluteten
Verdampferbereich ist. Die Rohre müssen nicht unterschiedlich
sein. Dieses Ziel könnte
mit einem einzigen Rohr erreicht werden, das einen optimalen Wärmetransfer
in beiden Modi bereitstellt.
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Die
Vorteile der beschriebenen Anordnung sind besonders vorteilhaft,
wenn sie bei einem Verdampfertyp verwendet werden, der zweifach
von unten nach oben durchlaufen wird. Um derartige Vorteile vollständig zu
würdigen,
soll zuerst verstanden werden, dass in einem typischen zweifach
durchlaufenen Verfampfer die Temperatur des Wassers, das an dem
Einlass 64 eintritt, unge fähr 12°C (54°F) betragen kann, dieses Wasser
wird auf ungefähr
8 bis 9°C
(47 bis 48°F)
am Ende des ersten Durchlaufs 70 gekühlt und kann dann um einige
zusätzliche
Grad auf ungefähr
7°C (44°F) gekühlt werden,
wo es aus dem Verdampfer durch den Auslass 66 abfließt. Demgemäß ist die
Temperatur des Wassers, das durch die Rohre fließt, in dem unteren oder Siedebehälterbereich
relativ hoch, während
sie in dem oberen Wärmetransferbereich
oder dem Rieselfilm-Wärmetransferbereich
relativ niedrig ist.
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Indem
dies berücksichtigt
wird, können
die Vorteile der vorliegenden Ausführungsform wie folgt beschrieben
werden. Die Behältersiede-Koeffizienten
(pool boiling coefficients) sind näherungsweise proportional zum
Quadrat der Wandüberhitzung (ΔTWS), welche als die Differenz zwischen der
Rohrwandtemperatur und der Sättigungstemperatur
des Kühlmittels
definiert ist. Im Gegensatz dazu sind die Rieselfilmverdampfungs-Koeffizienten
näherungsweise
umgekehrt proportional zur vierten Wurzel der Wandüberhitzung.
Folglich ist bei dem ersten Wasserdurchlauf eines Verdampfers mit
einer Anordnung, die von unten nach oben durchströmt wird,
die Wandüberhitzung
relativ hoch, was zu hohen Blasensiede-Koeffizienten führt. Jedoch
können
sich, unter der Annahme eines gefluteten Verdampfers und des gleichen
Typs von Wärmetransferrohren
in dem zweiten Durchlauf die Blasensiede-Koeffizienten um einen
Faktor von drei bis vier in dem zweiten Durchlauf reduzieren, wo
die Überhitzung
der Wand klein wird, da das rohrseitige Fluid relativ kalt wird.
Bei einer typischen hoch effizienten Kältemaschine kann die Differenz
zwischen einer Wassertemperatur und einer Kühlmittel-Sättigungstemperatur in der Größe von 7°C (12°F) liegen,
wo das Wasser in den Wärmetauscher
eintritt und kann so niedrig wie 0,5 bis 1°C (1 bis 2°F) sein, wo das Wasser aus dem
Wärmetauscher
austritt. Demgemäß werden
die Rieselfilm-Wärmetransfer-Koeffizienten
höher als
die Behältersiede-Koeffizienten,
während
die Temperaturdifferenz niedrig wird, so wie sie es in dem zweiten Durchlauf
ist. Das trifft insbesondere zu, falls wie in der vorliegenden Ausführungsform
geeignete Wärmetransferoberflächen in
beiden Wasserdurchläufen verwendet
werden.
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Man
sollte verstehen, dass gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Wärmetauscher
ohne eine Kühlmittelzirkulierpumpe
in einer Weise betrieben wird, um hohe Wärmetransferkoeffizienten sowohl bei
dem Behältersiede-Verdampfermodus
als auch dem Rieselfilm-Verdampfermodus zu erreichen und von diesen
zu profitieren.