EP2671032B1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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EP2671032B1
EP2671032B1 EP12703096.3A EP12703096A EP2671032B1 EP 2671032 B1 EP2671032 B1 EP 2671032B1 EP 12703096 A EP12703096 A EP 12703096A EP 2671032 B1 EP2671032 B1 EP 2671032B1
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EP
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evaporator
unit
distribution
distribution unit
refrigerant medium
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Andreas Freund
Wolfgang Seewald
Michael Sickelmann
Bernd Schäfer
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F25B39/028—Evaporators having distributing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/39—Dispositions with two or more expansion means arranged in series, i.e. multi-stage expansion, on a refrigerant line leading to the same evaporator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits

Definitions

  • the invention relates to an evaporator according to the patent claim 1.
  • Evaporators are known in which the two-phase refrigerant is distributed from an inflow channel to a flow-through device, preferably tubes, in particular flat tubes. After flowing through the flat tubes, the vapor refrigerant exits the evaporator via an outflow channel.
  • the uniform distribution of the liquid refrigerant in the entire length of the inflow channel presents difficulties.
  • the reason for this is among other things the formation of different flow forms depending on the operating condition.
  • the segregation of the two-phase refrigerant mixture which is homogeneous at the time of evaporator entry also plays a special role over the length of the inflow channel. Individual pipes are thus supplied exclusively with refrigerant vapor, whereby the evaporator performance deteriorates.
  • the refrigerant is only distributed to a small proportion (typically 1/3, 1/4 or 1/6) of the flat tubes and further deflected in several blocks and thus passed through the evaporator. In these deflections additional fittings for uniform mixing of the liquid and gaseous phase are often provided.
  • the current admission of the refrigerant to only a portion of the block and existing internals lead to a significantly increased pressure drop of the refrigerant in the entire block or the evaporation section.
  • the refrigerant mixed in the individual collectors by internals, such as partitions, screens, etc. so that higher pressure losses are expected in the evaporator unit.
  • the ratio of the pressure differences in the distribution unit (injection pipe + distribution unit for the 1st block) and the entire block (flat tubes + deflections between the blocks) is in the range of less than 3.
  • US-A-2004/0159121 discloses an evaporator according to the preamble of claim 1.
  • the invention has for its object to provide an improved evaporator, which realizes low refrigerant side pressure losses.
  • the evaporator in particular for a heating or air conditioning system in a motor vehicle, is provided with a distributor unit which can be charged with a refrigerant medium and flows through it in a diverter unit after only one diversion (two-block construction), wherein the distribution unit is designed in the sense of a uniform distribution of the refrigerant medium over the entire evaporator width. Due to the additional internals in the distribution unit, the two-phase refrigerant is thus distributed evenly over the entire evaporator width on the flat tubes and deflected only once. Another advantage lies in the fact that due to the uniform loading of all flat tubes, the refrigerant is not mixed in the deflection.
  • a design of the distribution unit in the sense of a ratio V of the pressure difference between the pressure difference in the distribution unit on the one hand and the pressure difference in the evaporator unit on the other hand can be provided which is greater than 3.
  • V the ratio of the pressure differences
  • An increase in the ratio of the pressure differences is necessary for a homogeneous distribution of the refrigerant in the distribution unit and thus leads to an increase in the specific cooling capacity due to a better temperature profile.
  • a design of the distribution unit in the sense of a ratio of the pressure difference between the pressure difference in the distribution unit on the one hand and the pressure difference in the evaporator unit on the other hand be provided in the range between 3 and 70.
  • a design of the distribution unit in the sense of a ratio of the pressure difference between the pressure difference in the Distribution unit on the one hand and the pressure difference in the evaporator unit on the other hand be provided, which in a range of 3 to 30 at a refrigerant medium mass flow of 30 kg / h on the one hand and 30-70 at a refrigerant medium mass flow of 250 kg / h lies.
  • FIGS. 2 and 3 a pressure-enthalpy diagram or schematically illustrated a refrigerant circuit of an air conditioner, wherein essential points of the refrigerant circuit have been provided with numerals, which were represented according to the pressure-enthalpy diagram.
  • An embodiment of the invention provides in particular for a deflection unit free of any intermediate mixing means.
  • Claim 1 also claims a pressure distribution element in the distribution unit in the sense of a distribution of the refrigerant medium in parallel to all through-flow or flow around tubes, in particular flat tubes, the evaporator unit.
  • the installation of an additional pressure loss element at the evaporator inlet (before evaporation) for the distribution of the refrigerant in parallel to all flat tubes over the entire Width of the evaporator may be provided so that all flat tubes are supplied evenly with liquid and gaseous refrigerant (this pressure loss element has no effect on the cooling capacity). This results in a large ratio of pressure loss in the refrigerant distribution at the evaporator inlet to the pressure loss in the evaporator network (evaporator section).

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer gemäß dem Patentanspruch 1.
  • Es sind Verdampfer bekannt, bei denen das zweiphasige Kältemittel aus einem Einströmkanal auf eine Durchflusseinrichtung, vorzugsweise Rohre, insbesondere Flachrohre, verteilt wird. Nach Durchströmung der Flachrohre tritt das dampfförmige Kältemittel über einen Ausströmkanal aus dem Verdampfer aus.
  • Dabei bereitet die gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kältemittels in der gesamten Länge des Einströmkanals Schwierigkeiten. Grund dafür ist unter anderem die Ausbildung unterschiedlicher Strömungsformen in Abhängigkeit vom Betriebszustand. Des Weiteren spielt auch die Entmischung des bei Verdampfereintritt homogenen zweiphasigen Kältemittelgemisches über die Länge des Einströmkanals eine besondere Rolle. Einzelne Rohre werden somit ausschließlich mit Kältemitteldampf versorgt, wodurch sich die Verdampferleistung verschlechtert.
  • Um das Kältemittel optimal auf alle Flachrohre zu verteilen, wird das Kältemittel nur auf einen kleinen Anteil (typischerweise 1/3, 1/4 oder 1/6) der Flachrohre verteilt und in mehreren Blöcken weiter umgelenkt und so durch den Verdampfer geleitet. In diesen Umlenkungen werden häufig zusätzliche Einbauten zur gleichmäßigen Vermischung der flüssigen und gasförmigen Phase vorgesehen. Die aktuelle Beaufschlagung des Kältemittels auf nur einen Teil des Blockes und vorhandene Einbauten führen dabei zu einem deutlich erhöhten Druckverlust des Kältemittels im gesamten Block bzw. der Verdampfungsstrecke.
  • Ferner wird auch bei dem in der US 2008/0223566 A1 offenbarten und in Zweiblockverschaltung ausgeführten Wärmeübertrager, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, das Kältemittel in den einzelnen Sammlern durch Einbauten, wie Zwischenwände, Blenden etc. zwischenvermischt, so dass höhere Druckverluste in der Verdampfereinheit zu erwarten sind. Das Verhältnis der Druckdifferenzen in der Verteilungseinheit (Einspritzrohr + Verteileinheit für den 1. Block) und dem gesamten Block (Flachrohre + Umlenkungen zwischen den Blöcken) liegt dabei im Bereich von kleiner 3.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrager in Zwei- und auch Mehrblockverschaltung lassen jedoch insbesondere im Hinblick auf ihre konstruktive Ausgestaltung (aufwändiger Fertigungsprozess) sowie dem vergleichsweise hohen kältemittelseitigen Druckabfall in der Verdampfungsstrecke noch Wünsche offen. US-A-2004/0159121 offenbart einen Verdampfer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Verdampfer zu schaffen, welcher geringe kältemittelseitige Druckverluste realisiert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Verdampfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist der Verdampfer, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug, mit über eine Verteilungseinheit mit einem Kältemittel-Medium beschickbaren und von diesem durchströmten und nach nur einer Umlenkung (Zweiblock-Bauweise) in der Tiefe in einer Umlenkeinheit umströmten Verdampfereinheit ausgebildet, wobei die Verteilungseinheit im Sinne einer gleichmäßigen Verteilung des Kältemittel-Mediums über die gesamte Verdampfer-Breite ausgelegt ist. Aufgrund der zusätzlichen Einbauten in der Verteilereinheit wird das zweiphasige Kältemittel also gleichmäßig über die gesamte Verdampfer-Breite auf die Flachrohre verteilt und nur einmal umgelenkt. Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, dass aufgrund der gleichmäßigen Beaufschlagung aller Flachrohre das Kältemittel in der Umlenkung nicht zwischenvermischt wird. Vorzugsweise kann eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses V der Druckdifferenz zwischen der Druckdifferenz in der Verteilungseinheit einerseits und der Druckdifferenz in der Verdampfereinheit andererseits vorgesehen sein, welche größer 3 ist. Eine Erhöhung des Verhältnisses der Druckdifferenzen ist dabei notwendig für eine homogene Verteilung des Kältemittels in der Verteilungseinheit und führt somit in weiterer Folge zu einer Erhöhung der spezifischen Kälteleistung aufgrund eines besseren Temperaturprofils.
  • Beispielsweise kann eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses der Druckdifferenz zwischen der Druckdifferenz in der Verteilungseinheit einerseits und der Druckdifferenz in der Verdampfereinheit andererseits im Bereich zwischen 3 und 70 vorgesehen sein. Diese Werte haben sich im Rahmen getätigter Versuche als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Dabei kann insbesondere eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses der Druckdifferenz zwischen der Druckdifferenz in der Verteilungseinheit einerseits und der Druckdifferenz in der Verdampfereinheit andererseits vorgesehen sein, welche in einem Bereich von 3 bis 30 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 30 kg/h einerseits und von 30-70 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 250 kg/h liegt.
  • Das Verhältnis der Differenzdrücke zum Kältemittel-Medium-Massenstrom, wie oben beschrieben, wird durch Fig. 1 veranschaulicht. Hierbei stellt die Differenz (p2-p3) die Druckdifferenz in der Verteilungseinheit und die Differenz (p3-p4) die Druckdifferenz in der Verdampfereinheit dar. Zur besseren Veranschaulichung sind ferner in den Fig. 2 und 3 ein Druck-Enthalpie Diagramm beziehungsweise schematisch ein Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage dargestellt, wobei wesentliche Punkte des Kältemittelkreislaufes mit Ziffern versehen wurden, die entsprechend im Druck-Enthalpie Diagramm dargestellt wurden.
  • Aufgrund der Verteilung über die Verteilungseinheit mit einem zusätzlichen Druckverlust des Kältemittels auf alle Flachrohre, und zwar über die gesamte Verdampferbreite, kann ein gleichmäßiges Temperaturprofil ohne zusätzliche Einbauten im Netz bzw. in den Sammelkästen erzielt werden.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung sieht dabei insbesondere eine von jeglichen Zwischenvermischungsmitteln freie Umlenkeinheit vor.
  • Anspruch 1 beansprucht auch ein Druckverteilelement in der Verteilungseinheit im Sinne einer Verteilung des Kältemittel-Mediums parallel auf sämtliche durch- bzw. umströmten Rohre, insbesondere Flachrohre, der Verdampfereinheit.
  • Im Sinne eines Druckverteilelements kann beispielsweise der Einbau eines zusätzlichen Druckverlustelements am Verdampfer-Eintritt (vor Verdampfung) zur Verteilung des Kältemittels parallel auf alle Flachrohre über die gesamte Breite des Verdampfers vorgesehen sein, so dass alle Flachrohre gleichmäßig mit flüssigem und gasförmigem Kältemittel versorgt werden (dieses Druckverlustelement hat dabei keine Auswirkung auf die Kälteleistung). Daraus ergibt sich ein großes Verhältnis von Druckverlust bei der Kältemittel-Verteilung am Verdampfer-Eintritt zum Druckverlust im Verdampfer-Netz (Verdampferstrecke).

Claims (5)

  1. Verdampfer mit einer Verteilungseinheit und mit einer Verdampfereinheit, welche über die Verteilungseinheit mit einem Kältemittel-Medium beschickbar ist und von diesem Kältemittel-Medium durchströmbar ist, wobei das Kältemittel-Medium mit nur einer Umlenkung in der Tiefe in einer Umlenkeinheit der Verdampfereinheit umlenkbar ist, wobei die Verteilungseinheit im Sinne einer gleichmäßigen Verteilung des Kältemittel-Mediums über die gesamte Verdampfer-Breite ausgelegt ist, wobei aufgrund zusätzlicher Einbauten in der Verteilereinheit das zweiphasige Kältemittel-Medium gleichmäßig über die gesamte Verdampfer-Breite gleichmäßig auf die Flachrohre verteilt wird und nur einmal umgelenkt wird, und dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer mit einem Druckverteilelement in der Verteilungseinheit zur Verteilung des Kältemittel-Mediums parallel auf sämtliche durch- bzw. umströmten Flachrohre der Verdampfereinheit ausgelegt ist.
  2. Verdampfer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses V zwischen den Druckdifferenzen über die Verteilungseinheit einerseits und über die Verdampfereinheit andererseits, das größer 3 ist.
  3. Verdampfer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses zwischen den Druckdifferenzen über die Verteilungseinheit einerseits und über die Verdampfereinheit andererseits im Bereich zwischen 3 und 70.
  4. Verdampfer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses zwischen den Druckdifferenzen über die Verteilungseinheit einerseits und über die Verdampfereinheit andererseits, welche in einem Bereich von 3 bis 30 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 30 kg/h und von 30-70 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 250 kg/h liegt.
  5. Verdampfer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine von jeglichen Zwischenvermischungsmitteln freien Umlenkeinheit.
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