EP0132620B1

EP0132620B1 - Verdampfer

Info

Publication number: EP0132620B1
Application number: EP84107488A
Authority: EP
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Kampf; Hans-Joachim Ing.-Grad. Ingelmann
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1983-07-28
Filing date: 1984-06-28
Publication date: 1987-09-16
Also published as: EP0132620A3; DE3466276D1; EP0132620A2; ES279746Y; DE3327179A1; US4543802A; ES279746U

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer, insbesondere für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Verdampfer sind bekannt (US-A-2 787 138). Bei diesen bekannten Bauarten ist ein Verwirbelungselement in der Form einer Venturidüse mit nachgeschalteten Verengungen vorgesehen. Diese Düse wird axial durchströmt und kann aufgrund der Durchmesserveränderungen des Strömungskanales für eine gewisse Verwirbelung des durchströmenden Mediums sorgen. Nachteilig ist, dass ein solches Mischelement eine relativ grosse axiale Baulänge benötigt, die aber nicht immer zur Verfügungsteht..
Bei beengten Einbauverhältnissen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, ist es nicht möglich, solche axialen Baulängen zu verwirklichen. Es ist auch nicht möglich, wegen der Abdichtprobleme an den Verdampfergehäusen, den Strömungsverteiler unmittelbar hinter dem Expansionsventil einzubauen, wodurch sich eine wenigstens einigermasseri befriedigende Aufteilung des Kältemittelstromes erzielen liesse. Vielmehr ist es erforderlich, gebogene oder räumlich gewundene Verbindungsleitungen zwischen dem Expansionsventil und dem Strömungsverteiler zu verwenden. Unter diesen Bedingungen kommt es wegen der unterschiedlichen Trägheit von Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit zur Trennung der beiden Phasen und zur Ausbildung von Drallströmungen, die auch durch die Vorschaltung eines Venturirohres nicht sicher vermieden werden könnten. Da diese unsymmetrischen Drallströmungen durch den Strömungsverteiler in Kreissegmenteaufgeteilt werden, wird ein Teil der Verdampferrohrstränge mit Kältemittelflüssigkeit überflutet, während andere Stränge überwiegend mit Gas gefüllt sind und am Wärmeaustausch nur wenig teilnehmen. Der Wirkungsgrad des Verdampfers verschlechtert sich damit entscheidend. Ausserdem wird die Verdampferleistung durch die Regeleigenschaften thermostatischer Expansionsventile vermindert.
Es ist zwar auch bekannt (US_-A-2 182 664) einen Verteiler für Kältemittel zylindrisch auszubilden, das Kältemittel axial in diesen zylindrischen Verteiler einzuführen und durch in gleicher Höhe angeordnete symmetrisch am Umfang verteilte Rohre wieder abzuführen. Mit einem solchen Verteiler wird es zwar möglich, die abgeführten Teilströme jeweils gleich gross zu gestalten; das Problem einer teilweisen Entmischung der flüssigen und der gasförmigen Phase eines durch gekrümmte Verbindungsleitungen.strömenden Kältemittels ist dadurch jedoch nicht zu lösen. Eine ungleiche Verteilung der Phasen bei der dort vorgesehenen axialen Zuströmung bleibt auch bei der Abströmung in die radial abgehenden Leitungen erhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verdampfer der eingangs genannten Art dafür zu sorgen, dass trotz gebogener oder gewundener Verbindungsleitungen zwischen Expansionsventi) und Strömungsverteiler eine homogene Nassdampfströmung am Strömungsverteiler vorliegt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches I. Durch diese Ausgestaltung wird unmittelbar vor dem Strömungsverteiler eine intensive Verwirbelung und Vermischung erreicht. Durch die Erweiterung des Strömungsquerschnittes wird ein Zerplatzen der aus Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit bestehenden Zweiphasenströmung erzielt, so dass diese beiden Phasen bei ihrer weiteren Strömung durch die Wirbeltrommel intensiv verwirbelt werden können. Dieser Effekt wird auch durch das Aufprallen der Flüssigkeitsteilchen auf die der Eintrittsöffnung gegenüberliegende Zylinderwand unterstützt. Eine zusätzliche Verbindungsleitung zwischen Wirbeltrommel und dem Strömungsverteiler entfällt.
Der Eintritt der Nassdampfströmung in das auf geringfügig niedrigerem Druckniveau stehende, als Wirbeltrommel ausgebildete Verwirbelun^gs-element erfolgt adiabat, d.h. ohne Wärmezufuhr aus der Umgebung. Die Verdampferleistung wird daher durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung nicht beschnitten. Es kann ausserdem davon ausgegangen werden, dass der geringe Druckabfall in dem Verwirbelungselement die Funktion und Leistungsfähigkeit der bisher schon verwendeten Expansionsventile nicht beeinträchtigt. Schliesslich müssen auch an die Fertigungsqtjalität - abgesehen von den bei Kälteanlägen übli_- chen Forderungen nach Druckfestigkeit, Dichtheit und Reinheit - keine besonderen Ansprüche gestellt werden, so dass der erfindungsgemässe Verdampfer ohne Mehrkosten gegenüber bekannten Verdampfern herstellbar ist. Hierbei macht sich auch die einfache Herstellungsmöglichkeit der Wirbeltrommel bemerkbar.
Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit der Erfindung liegt bei Verdampfern vor, bei denen die Kältemittelanschlüsse auf einer bestimmten Verdampferseite liegen müssen. Da die Saugleitungen, also die Leitungen zur Abführung des Kältemitteldampfes, auf der anderen Seite des Verdampfers liegen, ergibt sich, dass auf jeden Verdampferstrahl immer eine ungerade Rohrzahl entfällt. Es kommt nun vor, dass die Anzahl der Verdampferstränge, also die Anzahl der Kältemitteleinspritzungen, gerade ist, wodurch an sich eine gerade Anzahl von Rohren im Verdampferblock nötig wäre. Die Verdampferblöcke sind jedoch häufig so ausgeführt, dass sie eine ungerade Rohrzahl enthalten. In diesem Fall bleibt ein Leerrohr übrig.
Ein Beispiel soll dies erläutern: Ein Verdampferblock umfasse 9 Rohre in der Breite und 5 Rohre in der Tiefe, insgesamt also 45 Rohre. Die Kältemitteleinspritzung sei vierfach ausgelegt, wodurch sich vier Verdampferstränge ergeben. Auf jeden dieser Verdampferstränge entfallen nun 11 Rohre, so dass 4 x 11 = 44 Rohre benötigt werden. Das 45. Rohr bleibt als Leerrohr übrig.
Aufgrund der hohen Gasgeschwindigkeiten und den damit verbundenen hohen Druckverlusten kann die Saugleitung zum Kompressor, die den Kältemitteldampf wieder abführt, nicht durch das Leerrohr im Verdampfer auf die Anschlusseite des Verdampfers geführt werden. Mit der Erfindung ist es jedoch möglich, dieses Leerrohr als Verbindungsleitung zwischen Expansionsventil und Strömungsverteiler zu benutzen. Das Expansionsventil befindet sich also auf der der Anschlusseite abgewandten Seite des Verdampferblocks, wobei das Leerrohr dieses Expansionsventil mit der Anschlusseite verbindet. Auf der Anschlusseite ist dann ein erfindungsgemässes Verwirbelungselement angeordnet, das für eine homogene Nassdampfströmung vor dem Strömungsverteiler sorgt. Die Verdampferleistung wird hierdurch nicht beschnitten.
Mit dieser Ausführung wird nicht nur das Leerrohr im Verdampferblock ausgenutzt, vielmehr wird zugleich auch die Führung einer Verdampferanschlussleitung um den Verdampferblock herum vermieden, was insbesondere bei beengten Platzverhältnissen schwierig oder gar nicht.zu verwirklichen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung zur Zeichnung, in der eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines Verdampfers mit einer zur Erzielung einer homogenen Nassdampfströmung dem Strömungsverteiler vorgeschalteten Beruhigungsstrecke, wie sie jedoch unter beengten Einbauverhältnissen nicht realisiert werden kann,
Fig. 2 eine andere Anordung eines Verdampfers, die jedoch aufgrund von Abdichtproblemen am Verdampfergehäuse ebenfalls nicht zweckmässig ist,
Fig. 3 eine dem Stand der Technik entsprechende Anordnung des Verdampfers mit gebogener und/oder gewundener Verbindungsleitung zwischen dem Expansionsven_til und dem Strömungsverteiler,
Fig. 4 bis 6 vergrösserte Querschnitte durch die Verbindungsleitung zwischen Expansionsventil und Strömungsverteiler nach Fig. 3 gemäss den Bezu^gslinien IV-IV, V-V und VI-VI,
Fig. 7 die prinzipielle Anordnung eines erfindungsgemässen Verdampfers,
Fig. 8 einen Schnitt durch ein erfindungsgemässes Verwirbelungselement,
Fig. 9 einen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 8 entlang der Bezugslinie IX-IX, und
Fig. 10 die schematische Ansicht einer Anwendung des erfindungsgemässen Verwirbelungselementes bei einem Verdampfer mit ungerader Rohrzahl und gerader Zahl der Verdampferstränge.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Expansionsventil bezeichnet. In dieses Expansionsventil tritt in Richtung des Pfeiles A der Kältemittelstrom ein. Bei dem Expansionsventil handelt es sich um ein thermostatisches Expansionsventil, bei dem die Überhitzung des Kältemitteldampfes in den Verdampferrohren als Regelgrösse für die Füllungsregelung verwendet wird. Über eine Beruhigungsstrecke 2 ist dieses Expansionsventil mit einem Strömungsverteiler 3 verbunden, der den Kältemittelstrom symmetrisch aufteilt. Insbesondere findet hier ein Strömungsverteiler Verwendung, der den Kühlmittelstrom in Kreissegmente aufteilt. Ein solcher Strömungsverteiler ist beispielsweise der aus der US-PS-2 803116 bekannte Venturi-Verteiler. Die Beruhigungsstrecke 2 erfüllt in diesem Fall die Aufgabe, vor dem Strömungsverteiler 3 für eine homogene Nassdampfströmung oder eine zentrische Ringströmung zu sorgen, so dass jedem der Verdampferstränge von dem Strömungsverteiler 3 ein Kältemittelstrom von gleichen Eigenschaften zugeteilt wird.
Die Ausgänge des Strömungsverteilers 3 sind mit dem Verdampferblock 4 verbunden. Dieser Verdampferblock weist eine Reihe von Verdampferrohren auf. Jeweils mehrere dieser Verdampferrohre sind zu einem Verdampferrohrstrang zusammengefasst, so dass jeder der von dem Strömungsverteiler 3 ausgehenden Kältemittelteilströme mehrfach den Verdampferblock 4 durchströmt. Ziel ist es, dass am Ende aller Verdampferstränge das Kältemittel vollständig verdampft und um einen, in allen Strängen gleich grossen Betrag überhitzt ist. Diese Überhitzung wird dann wieder als Regelgrösse für die Füllungsregelung durch das Expansionsventil 1 verwendet. Anschliessend verlässt der Kältemitteldampf in Richtung des Pfeiles B den Verdampferblock und wird in hier nicht gezeigter Weise über eine Saugleitung dem Kompressor zugeführt.
Es ist ersichtlich, dass eine gleichmässige Verdampfung und Überhitzung des Kältemittels im Verdampferblock nur dann gewährleistet ist, wenn vor dem Strömungsverteiler 3 eine homogene Nassdampfströmung oder- im Fall der Aufteilung in Kreissegmente - eine zentrische Ringströmung vorliegt. Diese Aufgabe wird bei der Anordnung der Fig. 1 von der Beruhigungsstrecke 2 übernommen. Bei beengten Einbauverhältnissen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, ist es jedoch nicht möglich, eine derartige Beruhigungsstrecke, die im praktischen Anwendungsfall nicht - wie hier gezeigt - waagrecht, sondern senkrecht steigend oder fallend ausgeführt wird, zu verwirklichen. Es muss daher nach anderen Lösungen gesucht werden.
Eine ähnliche Anordung wie die Fig. 1 zeigt die Fig. 2. Hier wurde angesichts der Tatsache, dass hinter dem Expansionsventil 1 ebenfalls eine zumindestens annähernd homogene Nassdampfströmung herrscht, auf eine Beruhigungsstrecke verzichtet. Eine derartige Anordnung ist jedoch aufgrund von Abdichtproblemen an den Verdampfergehäusen im praktischen Anwendungsfall ebenfalls nicht möglich.
Eine dem Stand der Technik entsprechende Anordnung des Verdampfers bei beengten Einbauverhältnissen zeigt die Fig. 3. Hierbei tritt das Kältemittel in Richtung des Pfeiles A in das Expansionsventil 1 und wird von dort über eine mehrfach gebogene oder gewundene Leitung 5 dem Strömungsverteiler 3 zugeführt. Die Leitung 5 kann hierbei nicht mehr die Funktion einer Beruhigungsstrecke übernehmen, wie aus den Fig. 4 bis 6, die Querschnitte in Richtung der Bezugslinie IV-IV, V-V und VI-VI der Fig. 3 darstellen; gezeigt ist. Wie aus der Fig. 4 zu erkennen ist, herrscht unmittelbar hinter dem Expansionsventil 1 noch eine homogene Nassdampfströmung oder eine zentrische Ringströmung. Beim Passieren der mehrfach gebogenen oder gewundenen Leitung 15 kommt es .jedoch zur Ausbildung von Drallströmungen; viielche, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, eine exzentrische Ringströmung zur Folge haben. Es liegt also kein über den ganzen Querschnitt homogenes Gemisch von Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit mehr vor. Wird diese exzentrische Ringströmung nun, wie in der Fig. 6 gezeigt, von dem Strömungsverteiter 3 in Kreissegmente aufgeteilt, so werden die einzelnen Verdampferstränge nicht mehr gleichmässig mit Kältemitteldampf bzw. Kältemittelflüssigkeit beaufschlagt. Zur Verdeutlichung sind die den Kreissegmenten der Fig. 6 entsprechenden Zuleitungen A bis F zum Verdampferbtock auch in der Fig. 3 eingetragen. Hierbei ergibt sich, dass der mit D bezeichnete Verdämpferstrang mit sehr viel Nassdampfbeaufschlagt wird, während die anderen Verdampferstränge entsprechend weniger Nassdampf erhalten. Am wenigsten Nassdampf erhält bei der gezeigten Anordung der Verdampferstrang A. Die Aufteilung in Nassdampf bzw. Gas ist in der Fig. 3 am Beispiel des Verdampferstrangs A gezeigt. Der Nassdampf ist hierbei mit 6 und das Gas mit 7 bezeichnet.
Die inhomogene Aufteilung des Kältemittelstroms auf die einzelnen Verdampferrohrstränge führt zu zwei wesentlichen Nachteilen. Zum einen verschlechtert sich der Wirkungsgrad des Verdampfers. Andererseits ist der Kältemitteldampf beim Verlassen der Verdampferrohrstränge jedoch auch nicht gleichmässig überhitzt, was zu einer nicht befriedigenden Regelung des thermostatischen Expansiorisventils 1 führt:
Die Erfindung schlägt daher vor, unmittelbar vor dem Strömungsverteiler ein Verwirbelungselement mit sich aufweitendem Strömungsquerschnitt anzuordnen. Eine derartige Anordnung ist im Prinzip in der Fig. 7 gezeigt. Die Bezugszeichen der vorhergehenden Figuren wurden dabei beibehalten. Die Querschnittserweiterung des vor dem Strömungsverteiler 3 angeordneten Verwirbelungselementes 8 führt dabei zu einer heftigen Verwirbelung von Kälterriitteldampf und Kältemittelflüssigkeit und daher zu einem homogenen Gemisch. Der Strömungsverteiler kann die Kältemittetströmung nun in gleichartige Kältemittelteilströme, die den einzelnen Verdampferrohrsträngen zugeführt werden, aufteilen. Die Verdampfung und Überhitzung geschieht daher in allen Verdampferrohrsträngen gleichmässig, wodurch ein erhöhter Wirkungsgrad des Verdampfers und zugleich eine bessere Regelung des Expansionsventils gegeben sind. Der Eintritt der Nassdampfströmung in die auf geringfügig niedrigerem Druckniveau stehende Verwirbelungszelle und die damit verbundene Wirbelung verläuft adiabat, d.h. ohne Wärmezufuhr aus der Umgebung; die Verdampferleistung wird daher durch den Einbau eines derartigen Verwirbelungselementes nicht beschnitten. Der geringe Druckabfall in dem Verwirbelungselement beeinträchtigt zugleich die Funktion und Leistungsfähigkeit der bisher schon verwendeten Expansionsventile nicht.
Ein Ausführungsbeispiel für das in Fig. 7 nur schematisch angedeutete Verwirbelungselement 8 ist in der Fig. 8 gezeigt. Das Verwirbeluiagselement ist als zylinderförmige Wirbelzelle 9 ausgeführt. Auf den Zylindermantel 10 dieser Wirbelzelle 9 ist eine Eintrittsöffnung 11 für den Kältemittelstrom angeordnet. Der Durchmesser d_E dieser Eintrittsöffnung 11 ist kleiner gewählt als der Durchmesser d_w der Wirbelzelle 9, wobei das Verhältnis d_E/d_W vorzugsweise zwischen ½ und liegt. Hierdurch wird eine Erweiterung des Strömungsquerschnittes erreicht, was zu einem Zerplatzen der aus Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit bestehenden Zweiphasenströmung und daher zu einer heftigen Verwirbelung bzw. zur Bildung eines homogenen Gemisches führt. Da die Eintrittsöffnung 11 auf dem Zylindermantel angeordnet ist, trifft die Zweiphasenströmung zusätzlich auf die der Eintrittsöffnung gegenüberliegende Behälterwand, was die Verwirbelung weiter begünstigt. An die Fertigungsquaiität dieser Wirbelzelle müssen keine besonderen Ansprüche gestellt werden, abgesehen von den bei Kälteanlagen üblichen Forderungen, wie Druckfestigkeit, Dichtheit und Reiriheit.
Ebenfalls auf dem Zylindermantel 10 angeordnet ist die Auslassöffnung 12. Der zwischen der Eintrittsöffnung 11 und der Austrittsöffnung 12 wirksame Abstand L beträgt dabei vorzugsweise 25 bis 35 mm. Um eine einfache Bauweise zu erzielen, ist in die Austrittsöffnung 12 direkt der hier als Bauteil gezeigte Strömungsverteiler 13eingesetzt. Der Bauteil- und Montageaufwand wird hierdurch weiter reduziert und verbilligt die Herstellung eines erfindungsgemässen Verdampfers.
Den Querschnitt in Richtung der Bezugslinie IX-IX der Fig. 8 zeigt die Fig. 9. Hier ist der auf die Eintrittsöffnung 11 aufgesetzte Einlassstutzen 14 zu erkennen. Dieser Einlassstutzen 14 kann an sich beliebig auf dem Zylindermantel 10 angeordnet sein, wie durch den Winkel a, der zwischen 0 und 360° liegen kann, angedeutet ist. Die Einlass- öffnung kann damit den jeweiligen Einbauverhältnissen angepasst werden.
Eine spezielle Anwendung der Erfindung ist in der Fig. 10 gezeigt. Bekanntlich tritt des öfteren der Fall auf, dass ein Verdampferblock mit einer ungeraden Anzahl von Rohren ausgerüstet ist, während die Zahl der Verdampferrohrstränge und damit auch die Zahl der erforderlichen Rohre gerade ist. In diesem Fall bleibt ein Leerrohr im Ver_- dampferblock übrig. Dieses Leerrohr kann wegen der hohen Gasgeschwindigkeiten und den damit verbundenen hohen Druckverlusten nicht als Saugleitung zum Kompressor verwendet werden. Durch die Erfindung ist es jedoch möglich, dieses Leerrohr als Verbindungsleitung zwischen dem Expansionsventil und dem Strömungsverteiler zu verwenden. Eine gesonderte und manchmal schwierig oder gar nicht unterzubringende Verdampferanschlussleitung um den Verdampferblock herum entfällt damit.
Gemäss der schematischen Darstellung der Fig. 10 strömt das Kältemittel in Richtung des Pfeiles A durch das Expansionsventil 1 und wird über eine Verbindungsleitung 21 dem nur gestrichelt gezeichneten Leerrohr 22 zugeführt. Auf der Anschlusseite des Verdampferblocks 23 mündet dieses Leerrohr 22 in das hier als Wirbelzelle 24 ausgeführte Verwirbelungselement, wodurch wieder eine homogene Nassdampfströmung hergestellt wird. Nach Verlassen des auf der Wirbelzelle 24 aufgesetzten Strömungsverteilers 25 werden die nur schematisch gezeigten Kältemittelteilströme 26a bis 26d dann den Verdampferrohrsträngen zugeführt. Nach Passieren dieser Stränge gelangt der Kältemitteldampf über die Saugleitung 27 in Richtung des Pfeiles B zu dem hier nicht gezeigten Kompressor.

Claims

1. Verdampfer, insbesondere für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, mit einem Verdampferblock mit mehreren Verdampferrohren und einer Zuführvorrichtung für das Kältemittel, welche aus einem Expansionsventil und einem den Kältemittelstrom aufteilenden Strömungsverteiler (13) besteht, der auf eine Austrittsöffnung eines vorgeschalteten Verwirbelungselementes (8) aufgesetzt ist, wobei die Verbindungsleitung zwischen Expansionsventil und Strömungsverteiler mindestens teilweise gebogen oder gewunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verwirbelungselement (8) als eine Wirbeltrommel (9) ausgebildet ist, auf deren Zylinderwandung (10) die Eintrittsöffnung (11) in axialem Abstand (L) zu der Austrittsöffnung (12) angeordnet ist, und dass das Verhältnis der Durchmesser (d_E) zu (d_w) der Eintrittsöffnung (11) und der Wirbeltrommel (9) mindestens ¹/₂ und höchstens ²/₃ beträgt, so dass sich der Strömungsquerschnitt in Richtung des Kältemittelstromes sprunghaft erweitert.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (12) in der Zylinderwand (10) der Wirbeltrommel (9) angeordnet ist und dass der Strömungsverteiler (13) radial von dieser Zylinderwand (10) abragt.

3. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Expansionsventil (1) und der Wirbeltrommel (9) durch eines der Rohre (22) des Verdampferblockes (23) geführt ist.