Kältegerät mit Verdunstungsschale
Kältegeräte, insbesondere Haushalts-Kältegeräte, wie z.B. Kühlschränke, Gefriergeräte etc. verfügen im allgemeinen über eine Verdunstungsschale, in der Kondenswasser, das sich an einem Verdampfer des Geräts niederschlägt, sammelt. Indem die Verdunstungsschale in der Nachbarschaft eines Verdichters angeordnet ist, wird sie durch dessen Abwärme beheizt, so dass das Kondenswasser aus der Schale verdunstet.
Bei modernen Kühl- und Gefriergeräten tritt zunehmend das Problem auf, dass die Verdunstungsleistung einer herkömmlichen Verdunstungsschale nicht mehr ausreicht. Die Gründe hierfür hängen auf unterschiedliche Weise mit der hohen Energieeffizienz moderner Kältegeräte zusammen. Infolge eines verbesserten Wirkungsgrades ist die Oberflächentemperatur eines modernen Verdichters niedriger als die der noch vor einigen Jahren gebräuchlichen Verdichter. Das Wasser der Verdunstungsschale kann daher durch den Verdichter nicht mehr so stark erwärmt werden, und die Verdunstungsrate nimmt ab. Eine verbesserte Isolierung der Geräte führt zu kürzeren Verdichterlaufzeiten, das heißt der Anteil der Zeit, in der Abwärme zum Verdunsten des Wassers zur Verfügung steht, an der Gesamtlaufzeit des Geräts wird geringer.
Darüber hinaus kann eine automatische Abtauung des Geräts dazu führen, dass in kurzer Zeit große Mengen an Kondenswasser in die Schale strömen. Je größer jedoch die Wassermenge in der Schale ist, umso ungünstiger ist im allgemeinen das Verhältnis von Wärmeverlust durch Verdunstung zum Gesamtwärmeverlust der Verdunstungsschale. Wenn die Wassermenge in der Schale so groß wird, dass die Verdunstung den Zufluss nicht mehr ausgleichen kann, ist über kurz oder lang ein Überlaufen der Schale unvermeidlich.
Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2006 061 084.9 beschreibt ein Kältegerät, bei dem einem luftgekühlten Verflüssiger ein in eine Verdunstungsschale eintauchendes Rohrstück vorgeschaltet ist, um in der Verdunstungsschale gesammeltes, aus dem Innenraum des Kältegeräts herrührendes Kondenswasser zu erwärmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät, insbesondere Haushalts- Kältegerät, anzugeben, das trotz hoher Energieeffizienz in der Lage ist, sich in einer Verdunstungsschale sammelndes Kondenswasser in ausreichender Menge zu verdampfen.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät mit einem in einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt gegliederten Kältemittelkreislauf und einer Verdunstungsschale wenigstens eine mit dem Hochdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs thermisch verbundene Wärmetauscherplatte wenigstens zum Teil innerhalb der Verdunstungsschale angeordnet ist. Die Platte ermöglicht den Wärmeaustausch mit dem Wasser der Verdunstungsschale auf einer großen Oberfläche, so dass das Wasser effizient erwärmt werden kann, auch wenn nur während eines kleinen Teils der Betriebszeit des Kältegeräts warmes Kältemittel im Hochdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs zirkuliert.
Um einen intensiven Wärmeaustausch zu ermöglichen, erstreckt sich vorzugsweise auch derjenige Teil des Hochdruckabschnitts des Kältemittelkreislaufs, der mit der Wärmetauscherplatte thermisch verbunden ist, durch die Verdunstungsschale. So kann das Wasser nicht nur mittelbar über die Wärmetauscherplatte, sondern auch direkt durch Kontakt mit der Kältemittelleitung erwärmt werden.
Um bei einfachem Aufbau eine große Wärmeaustauschfläche unterzubringen, ist die Wärmetauscherplatte vorzugsweise im wesentlichen horizontal ausgerichtet.
Ein zwischen einem Rand der Wärmetauscherplatte und einer Seitenwand der Verdunstungsschale gebildeter Spalt ermöglicht es auch an der Unterseite der Wärmetauscherplatte erwärmtem Wasser, zur Wasseroberfläche aufzusteigen und sich dort durch Verdunstung abzukühlen.
In der Wärmetauscherplatte können zweckmäßigerweise ein oder mehrere Durchgänge gebildet sein, um das Aufsteigen von an der Unterseite der Wärmetauscherplatte erwärmtem Wasser auch abseits des äußeren Randes der Platte zu ermöglichen.
Ein oder mehrere an einen Rand der Wärmetauscherplatte angrenzende aus der Horizontalen ausgelenkte Bereiche begünstigen die Konvektion des Wassers und damit den Wärmeübergang von der Wärmetauscherplatte auf das Wasser. Die ausgelenkten Bereiche können sich sowohl an einem äußeren Rand der Platte befinden als auch an Rändern von abseits des äußeren Rands in der Platte gebildeten Durchgängen.
Einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung zufolge ist die Wärmetauscherplatte stromaufwärts von einem Verflüssiger mit dem Hochdruckabschnitt thermisch verbunden. Somit durchströmt in einem Verdichter verdichtetes und erwärmtes Kältemittel den mit der Wärmetauscherplatte verbundenen Leitungsabschnitt vor dem Verflüssiger. Indem das erwärmte Kältemittel somit Wärme zuerst an das Kondenswasser in der Verdunstungsschale und erst dann über den Verflüssiger abgibt, ist eine starke Erwärmung der Wärmetauscherplatte und damit eine hohe Verdunstungsleistung garantiert.
Umgekehrt kann die Wärmetauscherplatte nach einer zweckmäßigen Weiterbildung auch stromabwärts vom Verflüssiger mit dem Hochdruckabschnitt thermisch verbunden sein. Die Wärmetauscherplatte ist in diesem Fall zwar einer niedrigeren Vorlauftemperatur des Kältemittels ausgesetzt, so dass insgesamt weniger Wärme in der Verdunstungsschale freigesetzt wird; der Vorteil dieser Anordnung liegt jedoch darin, dass durch den Kontakt mit dem Wasser der Verdunstungsschale auch auf einem kurzen Leitungsweg ein sehr intensiver Wärmeaustausch möglich ist, so dass das Kältemittel mit einer niedrigeren Temperatur den Niederdruckabschnitt erreicht als im Falle der zuvor beschriebenen Anordnung mit stromaufwärts angeordneter Wärmetauscherplatte. Die niedrige Eintrittstemperatur im Niederdruckabschnitt wirkt sich wiederum günstig auf den Wirkungsgrad des gesamten Geräts aus.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung und/oder deren Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Verdunstungsschale gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 2 eine zur Fig. 1 analoge Ansicht gemäß einer zweiten Ausgestaltung der
Erfindung;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Verdunstungsschale gemäß einer dritten
Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 4 eine Wärmetauscherplatte gemäß einer vierten Ausgestaltung der
Erfindung;
Fig. 5 ein Blockdiagramm eines ersten Kältegeräts gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 ein Blockdiagramm eines zweiten Kältegeräts gemäß der Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 mit 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Verdunstungsschale 1 eines Kältegeräts, die herkömmlicherweise im Sockelbereich eines Kältegeräts benachbart zu einem in der Fig. 1 nicht gezeigten Verdichter angeordnet ist, um von dessen Abwärme beheizt zu werden. Eine von dem Verdichter ausgehende Hochdruck-Kältemittelleitung 2 erstreckt sich über die Verdunstungsschale 1 hinweg, und ein Wärmetauscherblech 3, das entlang seines oberen Randes zum Beispiel durch Lötung in inniger thermischer Verbindung zur Kältemittelleitung 2 steht, taucht von oben in die Verdunstungsschale 1 ein, um Wärme des in der Kältemittelleitung 2 zirkulierenden Kältemittels an Wasser in der Verdunstungsschale 1 abzugeben. Erwärmtes Wasser steigt auf beiden Seiten entlang der Oberflächen des Wärmetauscherblechs 3 auf und verteilt sich über die Oberfläche des Wassers in der Verdunstungsschale 1. Die vertikale Orientierung des Wärmetauscherblechs 3 begünstigt die Ausbildung von Konvektion im Wasser der Verdunstungsschale 1 , so dass die Temperatur des Wassers unmittelbar an der Wasseroberfläche deutlich höher sein kann als in tieferen Wasserschichten. Dies begünstigt die Verdunstung. Da außerdem mit steigendem Wasserspiegel in der Schale 1 die Kontaktfläche zwischen Wärmetauscherblech 3 und Wasser zunimmt, umgekehrt aber die Fläche, auf der das Blech 3 Wärme an die umgebende Luft verliert, kleiner wird, steigt
die Verdunstungsleistung der Schale der Fig. 1 mit steigendem Wasserspiegel. Die Neigung der Schale zum Überlaufen ist daher gering.
Einer in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausgestaltung zufolge hat die quer über die Verdunstungsschale 1 geführte Kältemittelleitung 2 einen gekröpften Verlauf, wobei ein Mittelstück 4 der Leitung 2 in die Schale 1 und meist auch in darin enthaltenes Wasser eintaucht. In Umkehrung des Aufbaus der Fig. 1 könnte an dem Mittelstück 4 ein nach oben ragendes Wärmetauscherblech befestigt sein. Bevorzugt ist die in Fig. 2 gezeigte Anordnung mit einem horizontalen Wärmetauscherblech 5, das sich von dem Mittelstück 4 der Leitung aus horizontal in entgegengesetzte Richtungen erstreckt. Da die Verdunstungsschale 1 im allgemeinen zwar eine beträchtliche Breite und Tiefe haben kann, aber nur eine geringe Höhe aufweist, liegt auf der Hand, dass das horizontal ausgerichtete Wärmetauscherblech 5 den Wärmeaustausch mit dem Wasser der Schale
1 auf einer größeren Oberfläche und damit mit höherer Intensität ermöglicht als die Ausgestaltung der Fig. 1.
Ein Spalt 7 zwischen den äußeren Rändern des Wärmetauscherblechs 5 und umgebenden Seitenwänden 6 der Verdunstungsschale 1 ermöglicht es an der Unterseite des Wärmetauscherblechs 5 erwärmtem Wasser an die Wasseroberfläche oberhalb des Wärmetauscherblechs 5 aufzusteigen und dort Wärme durch Verdunstung abzugeben.
Wie der Schnitt der Fig. 3 zeigt, kann eine geringfügige Asymmetrie in der Anordnung des Wärmetauscherblechs 5 in der Verdunstungsschale 1 , hier eine geringfügige Kippung des Blechs 5 gegen die Horizontale, die Ausbildung von Konvektion in der Verdunstungsschale 1 erheblich erleichtern. An der Unterseite des Blechs 5 erwärmtes Wasser erreicht so in kurzer Zeit und mit hoher Temperatur die Wasseroberfläche und kann effizient verdunsten.
Eine andere Möglichkeit, den Wärmetransport von der Unterseite des
Wärmetauscherblechs 5 zur Wasseroberfläche zu begünstigen, ist in Fig. 4 dargestellt, die eine perspektivische Ansicht einer Variante des Wärmetauscherblechs 5, montiert an der Kältemittelleitung 2, zeigt. Das Wärmetauscherblech 5 der Fig. 4, das wie das der Fig.
2 im Verlauf seines äußeren Randes an die Gestalt der Verdunstungsschale 1 angepasst ist, um auf dem gesamten Umfang des Wärmetauscherblechs 5 und den Seitenwänden 6
offen zu halten, ist hier mit einer Mehrzahl von eingestanzten Öffnungen 8 auf beiden Seiten des Leitungs-Mittelstücks 4 versehen. Aus den Öffnungen 8 freigestanzte Zungen 9 sind an ihrer dem Mittelstück 4 zugewandten Seite mit dem Wärmetauscherblech 5 verbunden, um effizient von dem Mittelstück 4 abgegebene Wärme aufzunehmen. An den schräg gestellten Zungen 9 erwärmtes Wasser steigt somit zur Oberfläche auf, gibt dort durch Verdunstung Wärme ab, und sinkt anschließend an den Seitenwänden 6 der Schale 1 wieder ab. Indem - anders als bei der Ausgestaltung der Fig. 3 - das warme Wasser entfernt von den Seitenwänden 6 ansteigt, sind Wärmeverluste über die Seitenwände 6, die nichts zur Verdunstung beitragen, minimiert. Die Zungen 9 stehen in der Ausgestaltung der Fig. 4 schräg, um das erwärmte Wasser zu den Seitenwänden 6 der - in der Darstellung der Fig. 4 weggelassenen - Schale 1 hin abzulenken; sie könnten auch vertikal orientiert sein.
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm des Kältemittelkreislaufs eines Kältegeräts gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Die Verdunstungsschale 1 mit der hindurch verlaufenden Kältemittelleitung 2 und dem Wärmetauscherblech 5 ist hier unmittelbar im Anschluss an einen Verdichter 10 angeordnet. Das Wärmetauscherblech 5 erreicht daher eine hohe Temperatur, und eine ausreichende Verdunstungsrate in der Verdunstungsschale 1 kann auch bei knappen Abmessungen der Schale 1 und des Wärmetauscherblechs 5 gewährleistet werden. Beim Erreichen eines stromabwärts von der Verdunstungsschale 1 angeordneten Verflüssigers 11 ist das Kältemittel somit schon ein Stück weit abgekühlt. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel am Eingang des Verflüssigers 11 und der Umgebung ist deshalb niedriger als bei einem Kältegerät ohne vorgelagerte Verdunstungsschale 1 , so dass ein Verflüssiger mit kleineren Abmessungen genügt, um am Verflüssigerausgang dieselbe Kältemitteltemperatur wie bei einem Gerät zu erreichen, bei dem keine Vorkühlung des Kältemittels in der Verdunstungsschale stattfindet.
An den Ausgang des Verflüssigers 11 schließen sich in dem Fachmann vertrauter Weise eine Drosselstelle 12 und ein Verdampfer 13 an, um den Kältemittelkreislauf zu schließen.
In der Ausgestaltung der Fig. 6 ist der Verflüssiger 1 1 unmittelbar im Anschluss an den Hochdruckausgang des Verdichters 10 angeordnet, und die Verdunstungsschale 1 befindet sich zwischen dem Ausgang des Verflüssigers 1 1 und der Drosselstelle 12. Da
das Kältemittel bei Erreichen der Verdunstungsschale 1 bereits erheblich kühler ist als im Falle der vorhergehenden Ausgestaltung, wird zum Einspeisen einer gegebenen Heizleistung in das Wasser der Verdunstungsschale 1 eine größere Fläche des Wärmetauscherblechs 5 benötigt als in der Ausgestaltung der Fig. 5. Umgekehrt jedoch kann ein wesentlich kompakterer Verflüssiger 1 1 verwendet werden, da dessen Ausgangstemperatur in der Ausgestaltung der Fig. 6 deutlich höher sein darf als im Falle der Fig. 5.