EP2392881B1 - Wärmeübertrager für phasenwechselndes Kältemittel mit horizontalem Verteiler- und Sammlerrohr - Google Patents

Wärmeübertrager für phasenwechselndes Kältemittel mit horizontalem Verteiler- und Sammlerrohr Download PDF

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EP2392881B1
EP2392881B1 EP10164993A EP10164993A EP2392881B1 EP 2392881 B1 EP2392881 B1 EP 2392881B1 EP 10164993 A EP10164993 A EP 10164993A EP 10164993 A EP10164993 A EP 10164993A EP 2392881 B1 EP2392881 B1 EP 2392881B1
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EP
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heat exchanger
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refrigerant
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    • F28D1/05316—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05341—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits combined with a particular flow pattern, e.g. multi-row multi-stage radiators

Definitions

  • the invention relates to a multi-flow heat exchanger for a refrigerant circuit.
  • Generic heat exchangers are used for example as a condenser or evaporator in refrigeration or heat pump circuits with phase-changing refrigerant.
  • Mehrflutige heat exchangers consist essentially of a manifold which distributes the refrigerant to a plurality of heat exchanger tubes, a plurality of heat exchanger tubes in which the refrigerant is indirectly brought into contact with the medium to be cooled or heated and a collector in which the refrigerant after heat transfer from the different, mostly parallel heat exchanger tubes is brought together before the refrigerant then leaves the heat exchanger.
  • multi-flow heat exchangers are usually formed in a vertical position of the manifolds and collectors with horizontally disposed heat transfer tubes, often the manifolds and manifolds are formed segmented, so realized in a vertical component areas for collecting and distributing refrigerant.
  • a heat exchanger in a horizontal arrangement or position goes from the DE 101 11 384 B4 out. Due to the structural dimensions This heat exchanger is suitable for larger refrigeration or heat pump systems with installation on flat roofs or outdoors.
  • a disadvantage of the aforementioned designs is that an effective oil separation and an effective refrigerant collector function must be taken over by additional components, which makes the use of horizontal heat exchangers more difficult and more expensive.
  • the task is derived to provide a heat exchanger available at the lowest possible space and low height, the refrigerant gas or liquid distribution and oil separation before heat transfer in the heat exchanger tubes and the Kältesch remplikeits- or gas collection after heat transfer in the heat exchanger tubes with the possibility allows the phase separation of liquid and gaseous refrigerant phase.
  • the object is achieved by a heat exchanger for phase-changing refrigerant with horizontal distributor tube and horizontal collector tube and intermediate refrigerant heat transfer tubes, wherein for the condenser operation of the multi-flow heat exchanger of the refrigerant gas inlet into the heat exchanger tubes in the upper region of the cross section of the manifold and the refrigerant liquid exit from the heat exchanger tubes in the upper Area of the cross section of the collector tube are arranged such that in the lower region of the cross section of the manifold Oil separation and in the lower part of the cross section of the header pipe, the refrigerant liquid separation takes place.
  • the separation of the liquid from the gaseous phase in both the header and the distributor tube is realized by the arrangement of the means for taking out the phases in the respective regions of the horizontal header and distributor tubes.
  • the collection or distribution of the gaseous phase takes place in each case in the upper region and the collection and distribution of the liquid phase in each case in the lower region of the collector or distributor tube cross-section.
  • a horizontally arranged refrigerant gas and oil inlet nozzle are provided on the manifold and in the lower region of the cross section of the manifold a vertically arranged oil collection pipe with oil return.
  • the refrigerant gas-oil mixture entering the distributor pipe is separated, whereby the gaseous phase accumulates in the horizontal distributor pipe in the upper region and the liquid oil phase in the lower region.
  • the liquid oil phase is then withdrawn in the lower area via the oil collection pipe and the oil return, whereas in the upper area of the refrigerant vapor enters the heat exchanger tubes.
  • the gas inlet arc enters the distributor tube horizontally in the lower part of the cross-section of the distributor tube and finally extends vertically upwards, forming a 90 ° bend.
  • the gas inlet arc ends with the opening for the refrigerant gas inlet.
  • the upper end of the gas inlet arc is bevelled to form a maximum baffle in the flow direction of the refrigerant vapor for the refrigerant oil droplets.
  • a vertically arranged liquid outlet nozzle for the liquid refrigerant phase is provided in the lower region of the cross section of the collector tube.
  • the condensed liquid phase of the refrigerant collects density-driven in the lower region of the cross section of the collector tube and then runs down through the liquid outlet nozzle.
  • the refrigerant liquid outlet is formed from the heat exchanger tube in the upper region of the cross section of the collector tube via a liquid inlet arc.
  • the horizontal heat exchanger tube is connected to the horizontal end of the liquid inlet arc.
  • the liquid inlet arc runs, forming a 90 ° bend vertically downwards, to the collector tube and ends with the opening for the refrigerant liquid inlet in the upper region of the cross section of the collector tube.
  • the invention is preferably realized in that the ratio of the tube diameter of heat exchanger tubes to distributor or collector tube is less than 0.7. This ensures that sufficient volume is made available for phase separation in the manifold and in the collector tube. According to an advantageous embodiment of the invention, a ratio of 0.2 to 0.25 is given as optimal.
  • a connection for measuring devices, sensors or the like is preferably further arranged.
  • the liquid outlet nozzle on the collector tube is preferably connected to a heat exchanger for subcooling the refrigerant liquid.
  • the heat exchanger can be used as a flooded evaporator, wherein the horizontal distribution pipe is used in the case as a collector and the horizontal header pipe as a distributor for the refrigerant.
  • FIG. 1 a heat exchanger 1 is shown in horizontal, horizontal design.
  • a horizontal embodiment of the heat exchanger 1 is to be understood as meaning that the heat exchanger tubes 3 are connected to the horizontal distributor 2 horizontally in one plane in a multiple flow. This results in the flooding of the heat exchanger from the number of the Distributor tube 2 outgoing heat exchanger tubes 3.
  • the heat exchanger tubes 3 pass through the heat exchanger 1 in different levels down and are introduced into the collector tube 4 in the lowest level.
  • the distributor tube 2 has two gas and oil inlet connection pieces 5, via which the refrigerant vapor / oil mixture flows into the distributor tube 2 via the gas and oil inlet connection pieces 5.
  • the gas and oil droplet mixture is distributed horizontally, with a separation taking place within the cross section of the distributor tube 2 in such a way that the refrigerant vapor in the upper region of the cross section and the liquid oil precipitated on the walls are deposited in the lower region of the cross section.
  • the separated refrigerant oil passes via the vertically downwards from the manifold 2 outgoing oil collection pipe 7 in an oil return 8, which feeds the oil to the refrigerant circuit at a suitable location in front of the compressor, not shown again.
  • the collector tube 4 forms the lowest point of the heat exchanger 1 for the accumulation of refrigerant liquid and the heat exchanger tubes 3 run in the upper region of the cross section of the collector tube 4, preferably at the highest point for the accumulation of refrigerant vapor and foreign gases.
  • the condensed in the function as a condenser in the heat exchanger 1 refrigerant vapor passes as a liquid refrigerant thus in the upper region of the collector tube 4 and there is a separation possibly still existing refrigerant vapor and the refrigerant liquid over the cross section of the space of the collector tube 4 of the shape that condensed liquid refrigerant phase accumulates in the lower region and the gaseous phase of the refrigerant remains in the upper region of the collector tube 4 and there is the possibility of backward degassing in each of the collector tube 4 outgoing heat exchanger tube 3.
  • the subcooling of the refrigerant remains in the heat exchanger, which has a positive effect on the efficiency of the process.
  • this also leads to a lower volume for the components.
  • the gas passage is effectively suppressed with pressure change due to load change, which in turn leads to an increase in the efficiency of the refrigerant circuit.
  • FIG. 2 the structural configurations are shown in detail.
  • the gas inlet 9 has its tapered opening for the refrigerant gas inlet in the upper region of the cross section of the manifold 2, extending vertically downwards in the arc to the side in the lower region of the manifold 2 and the distribution pipe 2 finally penetrates in the horizontal direction.
  • the horizontal heat exchanger tubes 3 are connected to the horizontal ends of the gas inlet bends 9. The refrigerant gas passes via the gas inlet in the upper region of the cross section of the distributor tube 2 into the gas inlet bend 9 and through it into the heat exchanger tubes 3.
  • the multiple deflection of the flow direction of the refrigerant gas ensures a separation of entrained refrigerant oil droplets, which are deposited on the walls of the manifold 2 and the gas inlet bends 9 and the contours of the manifold 2 following flow down and collect in the lower part of the manifold 2.
  • the refrigerant oil is discharged via the oil collector tube 7 from the manifold 2 and passes through an oil return 8 at a suitable point back into the refrigerant circuit.
  • the refrigerant gas which finally passes from the distributor tube 2 via the gas inlet bends 9 into the heat exchanger tubes 3, is now indirectly brought into thermal contact with the cooling air flow and liquefied on the way through the heat exchanger 1 down.
  • the exit of the liquefied refrigerant from the heat exchanger tube 3 takes place according to FIG. 2 via a liquid inlet bend 10, which opens into the upper region of the collector tube 4.
  • the end of the liquid inlet arc 10 is directly connected to the upper vertex of the collector tube 4 and soldered or welded in this, for example.
  • the refrigerant liquid thus flows in the upper region in the circular cross-section space of the collector tube 4, wherein vaporous components of the refrigerant are separated from the mass flow and accumulate in the upper region of the collector tube 4.
  • the refrigerant vapor in the header pipe 4 is thus able to be driven by the low density to flow back into the heat exchanger tubes 3 and then to condense further.
  • the collector tube 4 has a connection as a liquid outlet nozzle 6, through which the condensate leaves the heat exchanger 1.
  • a subcooler in which the condensed refrigerant is additionally subcooled to improve the efficiency of the cooling process.
  • the refrigerant vapor and oil separation in the manifold 2 by the additional surfaces of the outer shell of the gas inlet arc 9 is particularly efficient and thus only very little refrigerant oil in the heat exchanger tubes 3, since the oil in a high degree in Distributed pipe 2 and discharged via the oil collector tube 7 and the oil return 8.
  • the heat exchanger 1 can fulfill the function of the refrigerant collector, in particular by the volume of the collector tube 4 in a refrigerant circuit and it can be completely saved within the refrigerant circuit, the additional component of the collector.
  • a particular advantage of the invention is that the refrigerant charge can be reduced by 40% to 50% by this design.
  • FIG. 3 the front view of a heat exchanger 1 is shown.
  • the manifold 2 and the two gas and ⁇ leinhoffsstutzen 5 form the upper horizontal position of the heat exchanger 1.
  • the oil collector tube 7 and the oil return 8 are arranged approximately centrally and derive the separated refrigerant oil.
  • Below the manifold 2 the levels of Heat exchanger tubes 3 visible, which are interconnected by means of sheets.
  • the lowest level of the heat exchanger tubes 3 emerges horizontally from the image plane and is discharged via the gas inlet bends 9 vertically downwards.
  • the gas inlet bends 9 open into the uppermost point of the collector tube 4, so that the condensed refrigerant runs down into the collector and leaves the heat exchanger 1 through the liquid outlet nozzle 6.
  • the compact design of the heat exchanger 1 is very clearly visible and in particular it is shown that no additional space and in particular no additional height is required by the functional integration of oil collector and refrigerant collector in the heat exchanger.
  • the heat exchanger 1 can also be used as a flooded evaporator, for example in a heat pump cycle.
  • the distributor tube 2 forms the collector for the refrigerant gas from the evaporator and the collector tube 4 is the distributor for the refrigerant liquid in the heat exchanger 1, which is connected as a flooded evaporator.
  • Another advantage of the realization of the invention is that an efficient backward degassing in each heat exchanger tube 3 is possible. As a result, complex measures to ensure the degassing within a refrigerant circuit are not required, which leads to further cost reductions.
  • the conceptional principle of the invention is applicable to a variety of heat exchanger tasks, a particularly important application for the invention is the formation of the heat exchanger 1 as an air-cooled condenser.
  • Preferred applications of the heat exchanger 1 in refrigeration circuits are in the field of stationary refrigeration, especially in the supermarket cooling.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen mehrflutigen Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreislauf. Gattungsgemäße Wärmeübertrager werden beispielsweise als Kondensator oder Verdampfer in Kälte- oder Wärmepumpenkreisläufen mit phasenwechselndem Kältemittel eingesetzt.
  • Mehrflutige Wärmeübertrager bestehen im Wesentlichen aus einem Verteiler, welcher das Kältemittel auf mehrere Wärmeübertragerrohre verteilt, mehreren Wärmeübertragerrohren, in denen das Kältemittel mit dem zu kühlenden oder zu heizenden Medium indirekt in Kontakt gebracht wird und einem Sammler, in welchem das Kältemittel nach der Wärmeübertragung aus den verschiedenen, zumeist parallel geführten Wärmeübertragerrohren, zusammengeführt wird, bevor das Kältemittel dann den Wärmeübertrager verlässt.
  • Im Stand der Technik sind mehrflutige Wärmeübertrager zumeist in vertikaler Aufstellung der Verteiler und Sammler mit dazwischenliegenden horizontal angeordneten Wärmeübertragerrohren ausgebildet, wobei häufig die Verteiler und Sammler segmentiert ausgebildet sind, sodass in einem vertikalen Bauteil Bereiche zum Sammeln und zum Verteilen von Kältemittel realisiert sind.
  • Für diverse Anwendungen ist eine horizontale Anordnung der Wärmeübertrager aus Platz- oder anderen Gründen jedoch wünschenswert, sodass die bekannte Kältemittelsammlung und -Verteilung in der gewohnten Weise mit vertikal angeordneten Sammler- und Verteilerbereichen innerhalb eines Bauteils aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Bauhöhe entfällt.
  • Ein Wärmeübertrager in horizontaler Anordnung oder Lage geht beispielsweise aus der DE 101 11 384 B4 hervor. Aufgrund der baulichen Abmessungen dieses Wärmeübertragers ist dieser insbesondere für größere Kälte- oder Wärmepumpenanlagen mit Aufstellung auf Flachdächern oder im Freien geeignet.
  • Weiterhin geht aus der EP 1 046 875 A2 ein mehrflutiger Wärmeübertrager in horizontaler Anordnung hervor, der ein horizontal angeordnetes Verteilerrohr und ein horizontal angeordnetes Sammlerrohr aufweist.
  • Nachteilig an vorgenannten Bauformen ist, dass eine effektive Ölabscheidung und eine effektive Kältemittelsammlerfunktion von zusätzlichen Komponenten übernommen werden müssen, was den Einsatz horizontaler Wärmeübertrager erschwert und verteuert.
  • Daraus leitet sich die Aufgabe ab, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der bei geringstmöglichem Platzbedarf und niedriger Bauhöhe die Kältemittelgas- oder flüssigkeitsverteilung und die Ölabscheidung vor der Wärmeübertragung in den Wärmeübertragerrohren sowie die Kältemittelflüssigkeits- oder gassammlung nach der Wärmeübertragung in den Wärmeübertragerrohren mit der Möglichkeit der Phasentrennung von flüssiger und gasförmiger Kältemittelphase ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Wärmeübertrager für phasenwechselndes Kältemittel mit horizontalem Verteilerrohr und horizontalem Sammlerrohr und dazwischengeschalteten kältemittelführenden Wärmeübertragerrohren gelöst, wobei für den Verflüssigerbetrieb des mehrflutig ausgebildeten Wärmeübertragers der Kältemittelgaseintritt in die Wärmeübertragerrohre im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres und der Kältemittelflüssigkeitsaustritt aus den Wärmeübertragerrohren im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres derart angeordnet sind, dass im unteren Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres die Ölabscheidung und im unteren Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres die Kältemittelflüssigkeitsabscheidung erfolgt.
  • Gemäß der Konzeption der Erfindung wird die Abscheidung der flüssigen von der gasförmigen Phase sowohl im Sammler- als auch im Verteilerrohr durch die Anordnung der Mittel zur Entnahme der Phasen in den entsprechenden Bereichen der horizontalen Sammler- und Verteilerrohre realisiert. Konzeptionsgemäß erfolgt die Sammlung oder Verteilung der gasförmigen Phase jeweils im oberen Bereich und die Sammlung und Verteilung der flüssigen Phase jeweils im unteren Bereich des Querschnitts von Sammler- oder Verteilerrohr.
  • Durch die konzeptionsgemäße Integration dieser Funktionen in den Wärmeübertrager kann auf zusätzliche Komponenten zur Erfüllung dieser Funktionen in den jeweiligen Kältemittelkreisläufen verzichtet werden. Dies spart Platz, Bauraum und Kosten bei der Installation und im Betrieb der mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ausgestatteten Kältemittelkreisläufen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind am Verteilerrohr ein horizontal angeordneter Kältemittelgas- und Öleintrittsstutzen und im unteren Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres ein vertikal angeordnetes Ölsammelrohr mit Ölrückführung vorgesehen. Im Verflüssigerbetrieb wird das in das Verteilerrohr eintretende Kältemittelgas-Öl-Gemisch separiert, wobei sich in dem horizontalen Verteilerrohr im oberen Bereich die gasförmige Phase und im unteren Bereich die flüssige Öl-Phase ansammelt. Die flüssige Öl-Phase wird im unteren Bereich dann über das Ölsammelrohr und die Ölrückführung abgezogen, wohingegen im oberen Bereich der Kältemitteldampf in die Wärmeübertragerrohre eintritt.
  • Vorteilhaft wird der Kältemittelgaseintritt in das Wärmeübertragerrohr im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres über einen mit dem Ende des Wärmeübertragerrohres verbundenen Gaseintrittsbogen ausgebildet. Der Gaseintrittsbogen tritt im unteren Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres horizontal in das Verteilerrohr ein und verläuft schließlich, einen 90°-Bogen bildend, vertikal nach oben. Im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres endet der Gaseintrittsbogen mit der Öffnung für den Kältemittelgaseintritt. Zur Optimierung der Abscheidewirkung und der Strömungsmechanik ist das obere Ende des Gaseintrittsbogens angeschrägt ausgeführt, um eine maximale Prallfläche in Strömungsrichtung des Kältemitteldampfes für die Kältemittelöltröpfchen zu bilden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im unteren Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres ein vertikal angeordneter Flüssigkeitsaustrittsstutzen für die flüssige Kältemittel-Phase vorgesehen. Die kondensierte flüssige Phase des Kältemittels sammelt sich dichtegetrieben im unteren Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres und läuft dann durch den Flüssigkeitsaustrittsstutzen nach unten ab.
  • Weiterhin vorteilhaft ist der Kältemittelflüssigkeitsaustritt aus dem Wärmeübertragerrohr im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres über einen Flüssigkeitseintrittsbogen ausgebildet. Dabei ist das horizontale Wärmeübertragerrohr mit dem horizontalen Ende des Flüssigkeitseintrittsbogen verbundenen. Der Flüssigkeitseintrittsbogen verläuft schließlich, einen 90°-Bogen vertikal nach unten bildend, zum Sammlerrohr und endet mit der Öffnung für den Kältemittelflüssigkeitseintritt im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres.
  • Die Erfindung wird vorzugsweise dadurch realisiert, dass das Verhältnis der Rohrdurchmesser von Wärmeübertragerrohren zu Verteiler- oder Sammlerrohr kleiner als 0,7 ist. Damit wird realisiert, dass ausreichend Volumen für die Phasentrennung im Verteiler- und im Sammlerrohr zur Verfügung gestellt wird. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Verhältnis von 0,2 bis 0,25 als optimal angegeben.
  • Am Sammlerrohr ist vorzugsweise weiterhin ein Anschluss für Messgeräte, Sensoren oder Ähnliches angeordnet.
  • Der Flüssigkeitsaustrittsstutzen am Sammlerrohr ist in der Ausgestaltung des Wärmeübertragers als Kondensator vorzugsweise mit einem Wärmeübertrager zur Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit verbunden.
  • Alternativ kann der Wärmeübertrager als überfluteter Verdampfer eingesetzt werden, wobei das horizontale Verteilerrohr in dem Falle als Sammler und das horizontale Sammlerrohr als Verteiler für das Kältemittel genutzt wird.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    Perspektivische Ansicht Wärmeübertrager in liegender Ausgestaltung mit parallelen horizontalen Kältemittelverteiler- und Sammlerrohr,
    Fig. 2:
    Detail mit Querschnitt von horizontalem Verteilerrohr und horizontalem Sammlerrohr sowie Anschlüssen des Wärmeübertragers und
    Fig. 3:
    Frontansicht Wärmeübertrager.
  • In Figur 1 ist ein Wärmeübertrager 1 in horizontaler, liegender Ausführung dargestellt. Unter einer liegenden Ausführung des Wärmeübertragers 1 ist zu verstehen, dass die Wärmeübertragerrohre 3 horizontal in einer Ebene mehrflutig an dem horizontalem Verteiler 2 angeschlossen sind. Dabei ergibt sich die Flutigkeit des Wärmeübertragers aus der Anzahl der aus dem Verteilerrohr 2 abgehenden Wärmeübertragerrohre 3. Die Wärmeübertragerrohre 3 durchlaufen in verschiedenen Ebenen den Wärmeübertrager 1 nach unten und werden in der untersten Ebene in das Sammlerrohr 4 eingeführt. Das Verteilerrohr 2 weist zwei Gas- und Öleintrittsstutzen 5 auf, über welche das Kältemitteldampf-Öl-Gemisch über die Gas- und Öleintrittsstutzen 5 in das Verteilerrohr 2 einströmt. Im Verteilerrohr 2 verteilt sich das Gas- und Öltröpfchen-Gemisch horizontal wobei eine Separation innerhalb des Querschnitts des Verteilerrohres 2 derart stattfindet, dass sich der Kältemitteldampf im oberen Bereich des Querschnitts und das flüssige und an den Wandungen niedergeschlagene Öl im unteren Bereich des Querschnitts ablagern. Das abgeschiedene Kältemittelöl gelangt über das vertikal nach unten vom Verteilerrohr 2 abgehende Ölsammelrohr 7 in eine Ölrückführung 8, welche das Öl dem Kältemittelkreislauf an geeigneter Stelle vor dem nicht dargestellten Verdichter wieder zuführt.
  • Das Sammlerrohr 4 bildet den tiefsten Punkt des Wärmübertragers 1 für die Akkumulation der Kältemittelflüssigkeit und die Wärmeübertragerrohre 3 laufen im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres 4, vorzugsweise am höchsten Punkt zur Akkumulation des Kältemitteldampfes und von Fremdgasen, ein.
  • Der in der Funktion als Verflüssiger im Wärmeübertrager 1 kondensierte Kältemitteldampf gelangt als flüssiges Kältemittel somit in den oberen Bereich des Sammlerrohres 4 und es erfolgt eine Separation eventuell noch vorhandenen Kältemitteldampfes und der Kältemittelflüssigkeit über den Querschnitt des Raumes des Sammlerrohres 4 der Gestalt, dass sich die kondensierte flüssige Kältemittel-Phase im unteren Bereich ansammelt und die gasförmige Phase des Kältemittels im oberen Bereich des Sammlerrohres 4 verbleibt und dort die Möglichkeit der Rückwärtsentgasung in jedem einzelnen vom Sammlerrohr 4 abgehenden Wärmeübertragerrohr 3 gegeben ist.
  • Als besonderen Vorteil der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung ist herauszustellen, dass die Phasentrennung des Kältemittels nicht außerhalb des Verflüssigers erfolgt im Gegensatz zu anderen Wärmeübertragerkonzepten.
  • Daraus resultiert, dass die Unterkühlung des Kältemittels im Wärmeübertrager verbleibt, was einen positiven Effekt für die Effizienz des Prozesses besitzt. Darüber hinaus leitet sich daraus auch ein geringeres Volumen für die Komponenten ab. Weiterhin wird der Gasdurchschuss bei Druckänderung infolge Lastwechsel wirksam unterdrückt, was wiederum zu einer Erhöhung der Effizienz des Kältemittelkreislaufes führt.
  • In Figur 2 sind die konstruktiven Ausgestaltungen im Detail dargestellt. Durch den Gas- und Öleintrittsstutzen 5 wird das Kältemittelgas- und Öl-Gemisch horizontal in das Verteilerrohr 2 eingeführt. Im Querschnitt des Verteilerrohres 2 ist gemäß der gezeigten Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, dass der Gaseintrittsbogen 9 seine angeschrägte Öffnung für den Kältemittelgaseintritt im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres 2 aufweist, sich senkrecht nach unten im Bogen zur Seite in den unteren Bereich des Verteilerrohres 2 erstreckt und das Verteilerrohr 2 schließlich in horizontaler Richtung durchdringt. Die horizontalen Wärmerübertragerrohre 3 sind mit den horizontalen Enden der Gaseintrittsbögen 9 verbunden. Das Kältemittelgas gelangt über den Gaseintritt im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres 2 in den Gaseintrittsbogen 9 und durch diesen hindurch in die Wärmeübertragerrohre 3.
  • Die mehrfache Umlenkung der Strömungsrichtung des Kältemittelgases sorgt für eine Separation der mitgerissenen Kältemittelöl-Tröpfchen, welche sich an den Wandungen des Verteilerrohres 2 und der Gaseintrittsbögen 9 abscheiden und den Konturen des Verteilerrohres 2 folgend nach unten fließen und sich im unteren Bereich des Verteilerrohres 2 sammeln.
  • Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung mit den Gaseintrittsbögen 9 ist, dass durch die mehrfache Strömungsumlenkung der dynamische Druck des Kältemittelgasstromes aus dem Gas- und Öleintrittsstutzen 5 nicht auf die Wärmeübertragerrohre 3 wirkt und somit das Mitreißen von Öltröpfchen durch den Kältemittelgasstrom weitgehend reduziert bis gänzlich ausgeschlossen ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die damit konstruktiv erreichte bessere Verteilung des Gasstromes und die weitgehende Verhinderung von Kurzschlussströmen eine gleichmäßigere Flächenbelastung des Wärmeübertragers 1 erreicht wird. Darunter ist zu verstehen, dass der Kältemittelgasstrom gleichmäßiger auf die Wärmeübertragerrohre 3 verteilt wird, was die Temperaturdifferenzen im Wärmeübertrager verringert und die Effizienz desselben somit erhöht.
  • Schließlich wird das Kältemittelöl über das Ölsammlerrohr 7 aus dem Verteilerrohr 2 abgeleitet und gelangt über eine Ölrückführung 8 an geeigneter Stelle zurück in den Kältemittelkreislauf.
  • Das Kältemittelgas, welches aus dem Verteilerrohr 2 über die Gaseintrittsbögen 9 schließlich in die Wärmeübertragerrohre 3 gelangt, wird nun mit dem Kühlluftstrom indirekt in thermischen Kontakt gebracht und auf dem Wege durch den Wärmeübertrager 1 nach unten verflüssigt. Der Austritt des verflüssigten Kältemittels aus dem Wärmeübertragerrohr 3 erfolgt gemäß Figur 2 über einen Flüssigkeitseintrittsbogen 10, welcher in den oberen Bereich des Sammlerrohres 4 mündet. In der dargestellten Ausgestaltungsform ist das Ende des Flüssigkeitseintrittsbogens 10 direkt mit dem oberen Scheitelpunkt des Sammlerrohres 4 verbunden und in dieses beispielsweise eingelötet oder eingeschweißt. Die Kältemittelflüssigkeit strömt somit im oberen Bereich in den im Querschnitt kreisförmigen Raum des Sammlerrohres 4, wobei dampfförmige Bestandteile des Kältemittels aus dem Massestrom separiert werden und sich im oberen Bereich des Sammlerrohres 4 ansammeln. Der Kältemitteldampf im Sammlerrohr 4 ist somit in der Lage, durch die geringe Dichte getrieben nach oben in die Wärmeübertragerrohre 3 zurückzuströmen und nachfolgend weiter zu kondensieren.
  • Das Sammlerrohr 4 weist einen Anschluss als Flüssigkeitsaustrittsstutzen 6 auf, durch welchen das Kondensat den Wärmeübertrager 1 verlässt. Nicht dargestellt ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, nach welcher sich an den Flüssigkeitsaustrittsstutzen 6 ein Unterkühler anschließt, in welchem das kondensierte Kältemittel zur Verbesserung der Effizienz des Kälteprozesses zusätzlich unterkühlt wird.
  • Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Kältemitteldampf- und Ölseparation im Verteilerrohr 2 durch die zusätzlichen Flächen des Außenmantels des Gaseintrittsbogens 9 besonders effizient erfolgt und somit nur sehr wenig Kältemittelöl in die Wärmeübertragerrohre 3 hineingelangt, da das Öl in einem hohen Grade im Verteilerrohr 2 abgeschieden und über das Ölsammlerrohr 7 und die Ölrückführung 8 abgeleitet wird.
  • Durch die verhältnismäßig große Ausbildung des Verteilerrohres 2 und des Sammlerrohres 4 kann der Wärmeübertrager 1 die Funktion des Kältemittelsammlers, insbesondere durch das Volumen des Sammlerrohres 4 in einem Kältemittelkreislauf erfüllen und es kann das zusätzliche Bauteil des Sammlers innerhalb des Kältemittelkreislaufes gänzlich eingespart werden. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kältemittelfüllmenge um 40 % bis 50 % durch diese Bauweise reduziert werden kann.
  • In Figur 3 ist die Frontansicht eines Wärmeübertragers 1 dargestellt. Das Verteilerrohr 2 und die beiden Gas- und Öleintrittsstutzen 5 bilden die obere horizontale Lage des Wärmeübertragers 1. Das Ölsammlerrohr 7 und die Ölrückführung 8 sind in etwa mittig angeordnet und leiten das separierte Kältemittelöl ab. Unterhalb des Verteilerrohres 2 sind die Ebenen der Wärmeübertragerrohre 3 erkennbar, die mittels Bögen miteinander verbunden sind. Die unterste Ebene der Wärmeübertragerrohre 3 tritt horizontal aus der Bildebene heraus und wird über die Gaseintrittsbögen 9 vertikal nach unten abgeleitet. Die Gaseintrittsbögen 9 münden in den obersten Punkt des Sammlerrohres 4, sodass das kondensierte Kältemittel nach unten in den Sammler hineinläuft und durch den Flüssigkeitsaustrittstutzen 6 den Wärmeübertrager 1 verlässt. In dieser Ansicht ist die kompakte Bauweise des Wärmeübertragers 1 sehr deutlich erkennbar und insbesondere wird dargestellt, dass durch die Funktionsintegration von Ölsammler und Kältemittelsammler in den Wärmeübertrager kein zusätzlicher Bauraum und insbesondere keine zusätzliche Bauhöhe benötigt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass der Wärmeübertrager 1 auch als überfluteter Verdampfer, beispielsweise in einem Wärmepumpenkreislauf, eingesetzt werden kann. Dabei bildet funktionsgemäß umgekehrt das Verteilerrohr 2 den Sammler für das Kältemittelgas aus dem Verdampfer und das Sammlerrohr 4 ist der Verteiler für die Kältemittelflüssigkeit in dem als überfluteten Verdampfer geschalteten Wärmeübertrager 1.
  • Da derartige Kältekreisläufe mit dem Wärmeübertrager ohne Sammler betreibbar sind, ergeben sich diverse Vorteile. Beispielsweise können die Kältemittelfüllmengen in diesen Kreisläufen durch die Funktionsintegration des Sammlers in den Verflüssiger reduziert werden, was neben der aus ökologisch und wirtschaftlich günstigen Minimierung der Kältemittelfüllmengen für den Kältekreislauf zu einer Reduktion der Baugröße derartiger Kälteanlagen und somit zu sinkenden Kosten bei der Installation und der Investition derartiger Kreisläufe führt.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass der Ölverschleppung in einem solchen Kreislauf durch die Integration der Ölabscheidung in das Verteilerrohr 2 entgegengewirkt werden kann.
  • Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen Realisierung besteht darin, dass auch eine effiziente Rückwärtsentgasung in jedem einzelnen Wärmeübertragerrohr 3 möglich ist. Dadurch sind aufwändige Maßnahmen zur Sicherstellung der Entgasung innerhalb eines Kältemittelkreislaufes nicht erforderlich, was zu weiteren Kostenreduktionen führt.
  • Das konzeptionsgemäße Prinzip der Erfindung ist für verschiedenste Wärmeübertrager-Aufgaben anwendbar, ein besonders wichtiges Einsatzgebiet für die Erfindung besteht in der Ausbildung der Wärmeübertrager 1 als luftgekühlte Verflüssiger.
  • Weitere Einsatzgebiete bestehen wie erwähnt im Einsatz des Wärmeübertragers 1 als überflutete Verdampfer, beispielsweise bei Wärmepumpenanlagen.
  • Besonders vorteilhaft ist weiterhin, dass die Parallelschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Wärmeübertrager ohne die im Stand der Technik bekannten Problem der ungleichmäßigen Flächenbelastung und der Temperaturschichtung möglich ist.
  • Bevorzugte Einsatzgebiete der Wärmeübertrager 1 in Kältekreisläufen liegen auf dem Gebiet der stationären Kälteerzeugung, insbesondere bei der Supermarktkühlung.
    • LISTE DER BEZUGSZEICHEN
    • 1
    Wärmeübertrager
    2
    Verteilerrohr
    3
    Wärmeübertragerrohre
    4
    Sammlerrohr
    5
    Gas- und Öleintrittsstutzen
    6
    Flüssigkeitsaustrittsstutzen
    7
    Ölsammlerrohr
    8
    Ölrückführung
    9
    Gaseintrittbogen
    10
    Flüssigkeitseintrittsbogen

Claims (8)

  1. Wärmeübertrager (1) für phasenwechselndes Kältemittel mit horizontalem Verteilerrohr (2) und horizontalem Sammlerrohr (4) und dazwischengeschalteten kältemittelführenden Wärmeübertragerrohren (3), dadurch gekennzeichnet, dass für den Verflüssigerbetrieb des mehrflutig ausgebildeten Wärmeübertragers (1) der Kältemittelgaseintritt in die Wärmeübertragerrohre (3) im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres (2) und der Kältemittelflüssigkeitsaustritt aus dem Wärmeübertragerrohr (3) im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres (4) derart angeordnet sind, dass im unteren Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres (2) die Ölabscheidung und im unteren Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres (4) die Kältemittelflüssigkeitsabscheidung erfolgt.
  2. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Verteilerrohr (2) ein horizontal angeordneter Kältemittelgas - und Öleintrittsstutzen (5) und im unteren Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres (2) vertikal angeordnetes Ölsammlerrohr (7) mit Ölrückführung (8) vorgesehen sind.
  3. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelgaseintritt in das Wärmeübertragerrohr (3) im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres (2) über einen mit dem Ende des Wärmeübertragerrohres (3) verbundenen Gaseintrittsbogen (9) ausgebildet ist, der im unteren Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres (2) horizontal in das Verteilerrohr (2) eintritt und als Bogen vertikal nach oben verläuft und im oberen Bereich des Querschnitts des Verteilerrohres (2) mit der Öffnung für den Kältemittelgaseintritt endet.
  4. Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Querschnitts des Sammlerrohrs(4) ein vertikal angeordneter Flüssigkeitsaustrittsstutzen (6) vorgesehen ist.
  5. Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelflüssigkeitsaustritt aus dem Wärmeübertragerrohr (3) im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres (4) über einen mit dem Ende des Wärmeübertragerrohres (3) verbundenen Flüssigkeitseintrittsbogen (10) ausgebildet ist, der vertikal im oberen Bereich des Querschnitts des Sammlerrohres (4) mit der Öffnung für den Kältemittelflüssigkeitseintritt in das Sammlerrohr (4) endet.
  6. Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Sammlerrohr (4) ein Anschluss für ein Messgerät oder einen Sensor vorgesehen ist.
  7. Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaustrittsstutzen (6) mit einem Wärmeübertrager zur Unterkühlung der Kältemittelflüssigkeit verbunden ist.
  8. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Betrieb des Wärmeübertragers (1) als überfluteter Verdampfer das horizontale Verteilerrohr (2) als Sammler und das horizontale Sammlerrohr (4) als Verteiler für das Kältemittel ausgebildet sind.
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