DE69926600T2

DE69926600T2 - Verbesserter Verdampfereintritt

Info

Publication number: DE69926600T2
Application number: DE69926600T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Franklin Reinke; Mark G. Franksville Voss
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: ATE301808T1; CN1266977A; AU757774B2; EP1031802B1; US5910167A; CN1133054C; DE69926600D1; JP2000249428A; ZA991447B; ES2243031T3; CA2262798A1; AU1841899A; EP1031802A1; BR9909837A; TW406179B

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verdampfer für Kältemittel und insbesondere auf einen verbesserten Eintritt für einen solchen Verdampfer, um den Wirkungsgrad und die Effizienz des Verdampfungsvorganges noch zu verbessern bzw. zu erhöhen.
In dem Patent US-A-5.651.268 wird ein Verdampfer beschrieben, in dem eine Vielzahl von Rohren nebeneinander angeordnet ist, wobei jedes Rohr einen U-förmigen Durchgang bildet. Ein Ende eines jeden Rohres umgibt eine Verteilerleitung vollständig, die mit der Zufuhr von Kältemittel verbunden ist und durch alle Rohre hindurchfließt. Die Verteilerleitung besitzt Austritte, die schraubenförmig in bestimmten Abständen über ihre Länge verteilt sind, und jede Öffnung führt in eine entsprechende Öffnung der Rohre.
Die amerikanischen Patente 5.341.870 vom 30. August 1994 und 5.533.259 vom 9. Juli 1996, beide von Hughes et al., auf deren vollständige Beschreibungen hierin Bezug genommen wird, und die dadurch Bestandteil dieses Patentes werden, stellen besondere Verdampfer für Kältemittel dar, die für die Verwendung in Klimaanlagen für Wohnungen ideal geeignet sind. Während die in den Patenten von Hughes et al. beschriebene Konstruktion für den beabsichtigten Zweck gut funktioniert und gegenüber herkömmlichen Verdampfern in Klimaanlagen tatsächlich eine Verbesserung darstellt, unterliegt sie den gleichen Schwierigkeiten in Bezug auf Wirkungsgrad und Effizienz, wenn das Kältemittel innerhalb des Verdampfers nicht richtig verteilt wird.
Bei einer schlechten Verteilung wird ein Abschnitt des Verdampferkerns oft mit dem flüssigen Kältemittel überflutet, während ein anderer Abschnitt zu wenig davon erhält. Ein Beispiel für eine schlechte Verteilung auf der Grundlage eines Infrarot-Wärmebildes von einem tatsächlichen Verdampfer ist in 1 gezeigt. Dieser Verteiler besitzt die allgemeine Konfiguration, die in den oben genannten Patenten von Hughes et al. veranschaulicht wird, bei dem ein Sammler 10 einen Eintritt 12 und der gegenüberliegende Sammler 14 einen Austritt 16 besitzt, d.h. bei dem veranschaulichten Verdampfer handelt es sich um einen in der Branche als Gleichstrom-Steilschrägrohrverdampfer bekannten Verdampfer.
Die mit den Sammlern 10 und 14 verbundenen Rohre sind mit 18 schematisch dargestellt und selbstverständlich verlaufen nicht gezeigte Rippenschlangen zwischen den aneinander angrenzenden Rohren 18.
In einem solchen Verdampfer geht bei Rohren mit einer zu geringen Menge an Kältemittel flüssiges Kältemittel oder die Kältemittelmischung sehr schnell aus. Folglich enthalten hohe Anteile eines Rohres mit zu wenig Kältemittel nur heißes, gasförmiges Einphasen-Kältemittel. Die Wärmeübertragung ist schlecht.
Außerdem liegen die Oberflächentemperaturen luftseitig, wo Heißgas fließt, meistens über dem Taupunkt und demzufolge kommt es zu keiner Feuchtigkeitskondensation der Luft, die durch diese Heißgasbereiche hindurchströmt. Somit findet in diesen Bereichen keine Entfeuchtung statt.
Dort, wo es zu Entfeuchtung kommt, ist außen an den Rohren Feuchtigkeit vorhanden, welche den Widerstand gegen die Luft, die durch den Verdampfer strömt, an diesen Stellen erhöht. Das heißt, der Widerstand gegen den Luftstrom ist in den Bereichen, die heiß durchströmt werden, geringer, und folglich erhalten die heißen Bereiche eine disproportionale Menge der Gesamtluftmenge, die durch den Verdampfer fließt, was den Wirkungsgrad und die Effizienz weiter reduziert.
Überflutete Rohre erzeugen durchgehend eine ausgezeichnete Wärmeübertragung, doch oft wird nicht das gesamte flüssige Kältemittel verdampft. Demzufolge wird nicht verdampftes Kältemittel nicht eingesetzt und die Arbeit, die für die Kondensation von Dampf in Flüssigkeit aufgewendet wird, ist im wesentlichen verschwendet. Außerdem kann das Vorhandensein von nicht verdampfter Flüssigkeit in der Saugleitung dazu führen, dass Wärmeausdehnungsventile, die in dem System eingesetzt werden, "pendeln" bzw. "schwingen". Ein instabiler Betrieb ist die Folge.
Wie in 1 zu sehen ist, sind die Bereiche, in denen Heißgas fließt, schraffiert. Die nicht schraffierten Bereiche dagegen zeigen die gut funktionierenden Bereiche oder Bereiche, in denen die Rohre überflutet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung soll eine gleichmäßigere Verteilung des Kältemittels in Verdampfern allgemein sowie bei Gleichstrom-Steilschrägrohrverdampfern erreicht werden, indem Bereiche in dem Verdampferkern, die zu wenig Kältemittel erhalten, was zu einer zu starken Überhitzung des Kältemittels führt, eliminiert oder minimiert werden.
Hauptzielsetzung der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten Verdampfer für ein Kältemittel zu liefern. Es ist insbesondere eine Zielsetzung der Erfindung, eine neue und verbesserte Kältemittel-Eintrittskonstruktion für einen Verdampfer zu liefern, so dass eine gleichmäßigere Verteilung des Kältemittels in dem Verdampfer erreicht wird.
Mit einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird die oben genannte Zielsetzung durch einen Verdampfer mit einem Paar, in einem Abstand zueinander angeordneter, Sammler erreicht. Mindestens ein Rohr verläuft zwischen den Sammlern, ist an einer Seite jeweils in Fluid-Kommunikation mit ihnen und definiert eine Vielzahl von, in einem Abstand zueinander angeordneten, Durchgängen für das Kältemittel, die zwischen den Sammlern verlaufen. Mindestens ein Kältemittel-Eintritt befindet sich an einem der Sammler. Der Eintritt besitzt einen ersten Stutzen, der mit einer zu verdampfenden Kältemittel-Quelle verbunden ist, und einen zweiten Stutzen, der mit dem ersten Stutzen verbunden ist und sich innerhalb des einen Sammlers befindet und von der einen Seite des einen Sammlers weggeführt wird. Folglich wird das Kältemittel, das verdampft werden soll, auf das Innere des Sammlers gegenüber der Stelle der Kältemittel-Durchgänge gesprüht und der Sammler selbst dient als Aufschlagverteiler. Der Eintritt besitzt auch noch einen dritten Stutzen, der ebenfalls mit dem ersten Stutzen verbunden ist. Der dritte Stutzen ist gegenüber dem zweiten Stutzen seitlich zu dem Sammler ausgerichtet, der die Durchgänge enthält. So liefert der dritte Stutzen eine Aufschlagverteilung des Kältemittels für die Rohre, die eng an den Eintritt angrenzen, während der zweite Stutzen eine Aufschlagverteilung für die Durchgänge liefert, die von dem Eintritt weiter entfernt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsart ist der dritte Stutzen kleiner als der zweite Stutzen.
Die Vielzahl der Durchgänge wird vorzugsweise durch eine Vielzahl von Rohren definiert und die Rohre sind in ihrer Vielzahl in einem Abstand zueinander angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsart besitzt die Vielzahl von Rohren jeweils Rohrenden, die jeweils in eine Seite der Sammler hineinführen.
In einer bevorzugten Ausführungsart definiert jedes Rohr zusätzlich eine Vielzahl von, in einem Abstand zueinander angeordneter, Kältemittel-Durchgänge.
In einer äußerst bevorzugten Ausführungsart ist der eine Sammler verlängert und eine Vielzahl von Kältemittel-Eintritten ist in einem bestimmten Abstand entlang dem einen Sammler angeordnet.
Ebenfalls in einer bevorzugten Ausführungsart handelt es sich mindestens bei dem einen Sammler im allgemeinen um einen rohrförmigen Sammler.
In einer bevorzugten Ausführungsart besitzt ein Verdampfer einen verlängerten Sammler. Eine Vielzahl von, in einem Abstand zueinander angeordneter, abgeflachter Rohre besitzt Enden, die an einer Seite des Sammlers jeweils in einem gleichen Abstand zueinander angeordnet sind. Ein Sammlereintritt besitzt eine Vielzahl, in einem Abstand zueinander angeordneter, Einspritzdüsen, die jeweils mit einer gemeinsamen Quelle von Kältemittel, das verdampft werden soll, verbunden sind. Jede Einspritzdüse besitzt eine Auslassöffnung, die von der einen Seite des Sammlers, welche die Enden der abgeflachten Rohre aufnimmt, weggeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsart verlaufen die Enden der Rohre in das Innere des Sammlers hinein und die Einspritzdüsen befinden sich zwischen den Enden von Paaren angrenzender Rohre.
Vorzugsweise bei den Auslassöffnungen handelt es sich um primäre Auslassöffnungen und jede Einspritzdüse besitzt weiterhin eine sekundäre Auslassöffnung, die kleiner ist als die primäre Auslassöffnung, und die zu der einen Seite des Sammlers zwischen den Enden von Paaren angrenzender Rohre gerichtet ist.
Weitere Zielsetzungen und Vorteile werden aus der folgenden Spezifikation im Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen noch deutlicher.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Verdampfers nach dem bisherigen Stand der Technik;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Verdampfers gemäß der Erfindung;
3 ist eine Teilansicht einer Einspritzdüse, die bei dem Verdampfer eingesetzt wird, in vergrößertem Maßstab;
4 ist eine Teil-Schnittansicht der Einspritzdüse in vergrößertem Maßstab; und
5 ist eine Ansicht ähnlich 1, die jedoch einen Verdampfer zeigt, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 2 bis 5 dargestellt und wird hier innerhalb des Kontextes eines sogenannten Gleichstrom-Steilschrägrohrverdampfers beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf diese Verdampfer beschränkt ist. Sie kann effizient bei jedem Verdampfer eingesetzt werden, der einen Sammler besitzt, welcher in Fluid-Kommunikation mit einer Vielzahl von Kältemittel-Durchgängen steht, die in bestimmten Abständen zueinander angeordnet sind.
Der Verdampfer besitzt einen Eintrittssammler 20 in Form eines verlängerten Rohres sowie einen Austrittssammler 22. Eine Reihe abgeflachter Rohre mit mehreren Stutzen 24 verbindet die Sammler 20 und 22. Rippenschlangen 26 sind zwischen den aneinander angrenzenden, abgeflachten Rohren 24 angeordnet.
Der Austrittssammler 22 besitzt einen einzelnen Austritt 28, der herkömmlich ausgeführt sein kann. Der Eintrittssammler 20 nimmt in einer bevorzugten Ausführungsart vier Kältemittel-Einspritzdüsen 30, 32, 34 und 36 auf, die in einem gleichmäßigen Abstand zueinander entlang dem Eintrittssammler angeordnet sind. Bei den Einspritzdüsen 30, 32, 34 und 36 kann es sich um gängige Rohre handeln, die alle mit einem herkömmlichen Verteiler 38 verbunden sind, welcher wiederum an eine gemeinsame Quelle eines flüssigen Kältemittels angeschlossen ist, d.h. im Grunde den Kondensator eines Kühlsystems, unabhängig davon, ob er für reine Kühlungszwecke, für Wärmepumpen, zur Klimatisierung oder für alle drei Einsatzmöglichkeiten verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 3 besitzt jedes der Rohre 24 ein Ende, das weit in das Innere des Eintrittssammlers 20 hinein verläuft. Aus den Rohrenden 40 ist ersichtlich, dass jedes Rohr selbst eine Vielzahl separater Durchgänge 42 besitzt, die vorzugsweise einen hydraulischen Durchmesser von 1,8 mm (0,07'') oder weniger besitzen. Der hydraulische Durchmesser wird wie herkömmlich definiert, nämlich vier Mal der Querschnitt eines jeden Durchganges 42, dividiert durch den benetzten Umfang des Durchganges.
Die Enden 42 sind in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet und wie in 3 zu sehen ist, befindet sich eine repräsentative Einspritzdüse der Einspritzdüsen, nämlich Einspritzdüse 34, zwischen den Enden eines Paares aneinander angrenzender Rohre 24. Wie auch zu erkennen ist, werden die Einspritzdüse 34 und die Einspritzdüsen 30, 32 und 36 aus einem Rundrohr gebildet, das einen kleineren Durchmesser aufweist als das Rohr, das den Eintrittssammler 20 bildet. Die Einspritzdüse 34 tritt in einem nominal rechten Winkel zu dem Eintrittssammler sowie zu der Ebene, die von den Rohren 24 in unmittelbarer Nähe des Sammlers 20 gebildet wird, in den Sammler 20 ein.
Wie in 4 zu sehen ist, treten die Rohre 24 seitlich 44 zum Sammler 20 ein, wobei sich die Enden 40 fast bis zur Hälfte in das Innere des Sammlers 20 hinein erstrecken. Die Einspritzdüse 34 besitzt ein abgedichtetes Ende 48 innerhalb des Sammlers 20. Ihm gegenüber befindet sich ein Stutzen 49, der angeschlossen wird, und der das Kältemittel aufnimmt. Die Einspritzdüse 34 besitzt auch eine erste oder primäre Auslassöffnung 50, die in die Innenseite 52 des Sammlers 20 abführt, der sich gegenüber der Seite 44 befindet, an der die Rohre 24 in den Sammler 20 eintreten. Eine sekundäre Auslassöffnung 54 befindet sich ebenfalls in der Einspritzdüse 34 innerhalb des Sammlers 20 auf einer gemeinsamen Mittellinie mit der primären Auslassöffnung 50. Die sekundäre Auslassöffnung 54 ist kleiner als die primäre Auslassöffnung und leitet das flüssige Kältemittel zur Seite 44. Die Einspritzstelle kann an einem Punkt zwischen aneinander angrenzenden Rohrenden 40 oder an einer Stelle liegen, die mit einem Rohrende fluchtet.
Das Versprühen bzw. Zerstäuben von Flüssigkeit aus der primären Auslassöffnung erfolgt entlang der Innenseite 52 des Sammlers, so dass das Kältemittel weit in das Innere des Sammlers hinein verteilt wird, damit alle Rohre 24 zwischen den Einspritzdüsen 30, 32, 34 und 36 von dem Kältemittel erhalten bzw. Kältemittel aufnehmen. In vielen Fällen sind nur die primären Auslassöffnungen 50 erforderlich. Doch manchmal, insbesondere an den Stellen, wo die Rohrenden 40 weit in das Innere des Sammlers 20 hinein verlaufen, kann es sein, dass die Rohre, die sich in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüsen 30, 32, 34 oder 36 befinden, nicht genügend Kältemittel erhalten, da das Kältemittel wegen des Aufschlags auf die Innenfläche 52 buchstäblich an ihren Enden 42 vorbeigesprüht wird. Somit können die sekundären Auslassöffnungen 54 in jeder Einspritzdüse 30, 32, 34 und 36 vorgesehen werden, um zu gewährleisten, dass die Rohre 24, die unmittelbar an jede Einspritzdüse angrenzen, eine angemessene Menge des flüssigen Kältemittels erhalten.
5 zeigt das Infrarot-Wärmebild eines tatsächlichen Verdampfers, der gemäß der Erfindung hergestellt worden ist. Die darauf zu sehenden schraffierten Bereiche zeigen die Bereiche an, in denen Heißdampf fließt. Es ist zu erkennen, dass durch den Einsatz der Erfindung bei dem Verdampfer in 5 diese Bereiche erheblich reduziert sind, so dass der Wirkungsgrad und die Effizienz des Verdampferbetriebes gegenüber dem in 1 beschriebenen erheblich verbessert werden.
In einem Verdampfer wie dem dargestellten, der als ein Verdampfer mit 8,8 kW (30.000 BTU/Stunde) ausgelegt ist, gibt es vier Stellen für Einspritzdüsen. Jede Einspritzdüse besteht aus einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 6,35 mm (0,25'') und einer Wandstärke von 0,89 mm (0,035''). Die primären Auslassöffnungen 50 haben einen Durchmesser von 3,18 mm (0,125''), während die sekundären Auslassöffnungen 54 einen Durchmesser von 1,32 mm (0,052'') besitzen. Bei einer Ausführungsart hat der Verdampfer 45 der abgeflachten Rohre 24 in seinem Kern, das bedeutet 11,25 Rohre 24 je Einspritzdüse.
Aus dem oben Gesagten ist zu erkennen, dass bei einem Verdampfer, der gemäß der Erfindung hergestellt wurde, das zugeführte flüssige Kältemittel ausgezeichnet verteilt wird, so dass der Wirkungsgrad und die Effizienz des Betriebes verbessert werden. Die verwendete Konstruktion ist relativ einfach, da die Einspritzdüsen aus Rohrleitungen hergestellt werden, in die die Auslassöffnungen in der richtigen Größe hineingebohrt sind. Somit können bei minimalen Kosten und geringer Komplexität eine wirkliche Verbesserung im Wirkungsgrad und in der Effizienz erzielt werden.

Claims

Verdampfer mit einem Paar, in einem bestimmten Abstand zueinander angeordneter, Sammler (20, 22); wobei mindestens ein Rohr (24) zwischen den Sammlern verläuft und an einer Seite (44) jeweils in Fluid-Kommunikation mit ihnen ist, und eine Vielzahl von, in einem Abstand zueinander angeordneten, Durchgängen für das Kältemittel (42) definiert, die zwischen den Sammlern verlaufen; und mindestens einem Kältemittel-Eintritt (34) in einem (20) der Sammler, wobei der Eintritt einen ersten Stutzen besitzt, der mit einer zu verdampfenden Kältemittel-Quelle verbunden wird, und einen zweiten Stutzen (50) besitzt, der mit dem ersten Stutzen verbunden wird und sich innerhalb des einen Sammlers befindet und von der einen Seite (44) des einen Sammlers (29) weggeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (34) einen dritten Stutzen (54) in dem einen Sammler (20) besitzt, der mit dem ersten Stutzen (49) verbunden ist, wobei der dritte Stutzen zu der einen Seite (44) des einen Sammlers gerichtet ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Durchgängen durch eine Vielzahl von Rohren (24) gebildet wird, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind, und der zweite und dritte Stutzen (50, 54) sich zwischen aneinander angrenzenden Rohren (24) befinden.
Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, wobei der dritte Stutzen (54) kleiner ist als der zweiter Stutzen (50).
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Durchgängen durch eine Vielzahl von Rohren (24) gebildet wird, und die Vielzahl der Rohre in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet ist.
Verdampfer nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Rohren jeweils Rohrenden (40) besitzt, die in die eine Seite (44) der Sammler (20, 22) hineinführen.
Verdampfer nach Anspruch 4, wobei jedes der Rohre (24) außerdem eine Vielzahl von Kältemittel-Durchgängen (42) bestimmt, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei der Sammler (20) verlängert ist und eine Vielzahl von Kältemittel-Eintritten (30, 32, 34, 36) in einem bestimmten Abstand entlang dem einen Sammler angeordnet ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei mindestens der eine Sammler (20) im allgemeinen rohrförmig ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei ein Sammler (20) verlängert ist, und der Verdampfer eine Vielzahl von, in einem Abstand zueinander angeordneten, abgeflachten Rohren (24) mit Enden (40) besitzt, die an einer Seite (44) des Sammlers im wesentlichen in einem gleichen Abstand zueinander aufgenommen werden, und wobei ein Eintritt in den Sammler eine Vielzahl, in einem Abstand zueinander angeordneter, Einspritzdüsen (30, 32, 34, 36) besitzt, die jeweils mit einer gemeinsamen Quelle von Kältemittel, das verdampft werden soll, verbunden werden sollen, und jede Einspritzdüse eine Auslassöffnung (50) besitzt, die von der einen Seite (44) des Sammlers weggeführt wird.
Verdampfer nach Anspruch 9, wobei die Enden (40) in das Innere des Sammlers hinein verlaufen und die Einspritzdüsen sich zwischen den Enden von Paaren angrenzender Rohre (24) befinden.
Verdampfer nach Anspruch 9, wobei es sich bei den Auslassöffnungen (50) um primäre Auslassöffnungen handelt, und jede Einspritzdüse weiterhin eine sekundäre Auslassöffnung (54) besitzt, die kleiner ist als die primäre Auslassöffnung (50), und zu der einen Seite (44) des Sammlers zwischen den Enden von Paaren angrenzender Rohre gerichtet ist.