SE525022C2 - Förångare och värmeväxlare med extern slinga - Google Patents

Description

25 525 022 2 särskilt problem som avser värmeväxlare av plattypen är att ackumulerat vätske- medium i de nedre delarna av förångaren orsakar en icke-likformig strömning med minskad verkningsgrad som resultat.

Föreliggande uppfinning löser eller minskar ovanstående problem.

Sammanfattning av uppfinningen Det är ett ändamål med föreliggande uppfinning att lösa ovannämnda problem.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är alltså att tillhandahålla en effektivare förångare.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att minska slitaget på en kompressor som är kopplad till och samverkar med en förångare.

Ytterligare ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att förbättra verkningsgraden hos värmeväxlare generellt och speciellt värmeväxlare av plattyp. Ännu ett ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en värmeväxlare av plattyp med en integrerad överhettare/underkylare.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller en förångare utrustad med en dräneringsanordning som dränerar ackumulerad vätska från förångarens nedre delar.

Dräneringsanordningen inbegriper en injektor och/eller en pump.

Föreliggande uppfinning tillhandahåller också en överhettare/underkylare i en värmeväxlare av plattyp genom att tillhandahålla samverkande avgränsade zoner i värmeväxlarens förångare och kondensor.

Uppfinningen är definierad av åtföljande krav 1 och 6, medan fördelaktiga utföringsformer är definierade i de beroende kraven 2 - 5 och 7 - 14.

Kortfattad beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj nedan med hänvisning till åtföljande ritningar, i vilka: fig. 1 illustrerar arbetsprincipen för en konventionell värmeväxlare: fig. 2 illustrerar olika utföringsformer av en förångare som används i en värmeväxlare enligt föreliggande uppfinning; fig. 3 illustrerar ett exempel på hur en första plattsida, dvs en framsida A', av en plattvärmeväxlare enligt föreliggande uppfinning skulle kunna utformas; fig. 4 illustrerar ett exempel på hur en andra plattsida, dvs en baksida B', hos en plattvärmeväxlare enligt föreliggande uppfinning skulle kunna utformas. 10 15 20 25 30 35 u- fo. 525 022 3 Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Ett problem beträffande verkningsgraden hos en förångare är att idealt bör inget flytande medium lämna förångaren, dvs vätskeinnehållet i det förångade mediet bör vara noll, vilket är svårt att uppnå i praktiken. Ett ändamål med före- liggande uppfinning är alltså att tillhandahålla en effektivare förångare genom att minimera vätskeinnehållet i det förångade mediet som lämnar förångaren.

Ett annat problem är att ett högre vätskeinnehåll i det förångade mediet ökar slitaget på den samverkande kompressom kopplad till nämnda förångare. Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är således att minska slitaget på kompressom kopplad till förångaren genom att minimera vätskeinnehållet i det förångade mediet som lämnar förångaren.

Ett särskilt problem som avser värmeväxlare av plattypen är att ackumulerat vätskemedium i de nedre delama av förångaren orsakar en ieke-likformig strömning med minskad verkningsgrad som resultat. Ett ändamål med föreliggande uppfinning är således att förbättra verkningsgraden hos en värmeväxlare av plattyp genom att minska mängden av ackumulerat vätskemedium i förångaren.

Ett annat problem som avser värmeväxlare är att överhettaren/underkylaren är en extern enhet, vilket gör värmeväxlama skrymmande och inte särskilt kostnadseffektiva. Ännu ett ändamål med föreliggande uppfinning är alltså att tillhandahålla en värmeväxlare av plattyp med integrerad överhettare/underkylare.

Med hänvisning till fig. 2 kommer arbetsprincipen för en förångare enligt föreliggande uppfinning nu att beskrivas. Ett medium, t ex ett kylmedium såsom freon, cirkulerar från en förångningskammare 110' till en kompressor 120' och vidare till en kondensor 130' och slutligen tillbaka in i förångningskammaren 110' via en expansionsventil 140' i fig. 2. Enligt uppfinningen är förångningskammaren 110' försedd med en dräneringsanordning 160' i dess nedre delar, vilken låter ackumulerat medium i vätsketillstånd att ledas in i en extern återkopplingsslinga.

Detta kommer att minska vätskenivån 150' i förångningskammaren och följaktligen öka förångarens verkningsgrad liksom minska mängden vätska som ankommer till kompressom 120', och som en följd minskar slitaget på kompressom 120', såsom inses av en fackman på området. Dräneringsanordningen består av en koppling, t ex en slang eller ett rör mellan ett ytterligare utlopp 410' i de nedre delarna av för- ångningskammaren 110' och ett ytterligare inlopp 170' i en expansionsanordning, såsom en expansionsventil 140', i en föredragen utföringsform. Expansions- anordningen kan också vara ett kapillärrör eller liknande. Expansionsventilen 140' är försedd med ett ytterligare inlopp 170' för den återkopplade dräneringen i den föredragna utföringsformen. Det ytterligare inloppet 170' i expansionsventilen 140' erfar ett negativt tryckt, vilket åstadkommer en injektorverkan som orsakas av mediet som strömmar genom expansionsventilen 140' från kondensorn 130' till 10 15 20 25 30 35 525 022 4 förångaren 110' med en relativt hög hastighet. Denna injektorverkan kan utnyttjas för att transportera vätskemediet från utloppet 410' tillbaka in i expansionsventilen 140'.

I en altemativ utföringsform leder dräneringsanordningen inte tillbaka in i expansionsventilen 140' utan in i kopplingen mellan expansionsventilen 140' och förångningskammaren 110', såsom indikeras med pilen 180' i fig. 2.

I en annan utföringsforrn leder nämnda externa slinga direkt tillbaka in i nämnda förångningskammare 110', såsom illustreras med pilen 190' i fig. 2.

I ytterligare en annan utföringsform inbegriper nämnda dräneringsanordning 160' en pump.

Injektorverkan såsom beskriven ovan kan också utnyttjas i dessa alternativa utföringsformer. Detta innebär att en expansionsdriven injektor används för att transportera mediet genom dräneringsanordningen enligt uppfinningen.

Förångaren, kondensorn och värmeväxlaren enligt föreliggande uppfinning kommer nu att beskrivas mera i detalj för det specifika fall där förångaren och kondensorn är utförda i form av en värmeväxlare av plattyp. Plattvärmeväxlare är allmänt kända anordningar för värmeväxling mellan olika media och används i ett flertal sammanhang, och föreliggande uppfinning är inte begränsad till någon speciell tillämpning. Emellertid tillämpas uppfinningen enklast vid plattvärme- växlare av den hellödda typen. Detta innebär att värmeväxlaren består av plattor som har ett spårmönster och inlopps- och utloppskopplingar för medierna. Plattorna är placerad i ett paket och sammanlödda till en fast enhet. Separata kanaler bildas således fór mediema, vilka typiskt cirkulerar i motsatta riktningar mellan omväxlande par av plattor. Denna teknik är allmänt känd och kommer inte att beskrivas i detalj här.

I enbart illustrerande syfte kommer uppfinningen att beskrivas här för det speciella fallet med en värmeväxlare i vilken värmeväxling äger rum mellan tre medier, I, II och III, men uppfinningen kan tillämpas for värmeväxling mellan ett godtyckligt antal media. Medierna som använda skulle t ex kunna vara: I = freon, II = saltvatten och III = vatten men andra alternativ finns, vilket är känt av en fackman på området.

Med hänvisning nu till fig. 3 avbildas en framsida A' av en platta 300 hos en värmeväxlare av plattyp enligt föreliggande uppfinning. Plattan i fig. 3 illustreras i sin korrekta stående arbetsposition, dvs tyngdkraften arbetar nedåt i figur 3. Sidan A' är försedd med ett inlopp 305 och utlopp 310 för mediet II tillsammans med ett inlopp 315 och utlopp 320 för mediet I. En barriär D skiljer mediema från varandra så at mediet II cirkulerar på vänster sida om barriären D och mediet I på höger sida om barriären D i fig. 3, dvs i kondensorkammaren 380. Enligt uppfinningen till- handahålls en ytterligare barriär E, vilken bildar en avgränsad zon A" tillsammans 10 15 20 25 30 35 525 022 5 med en kanal C" mellan nämnda zon A" och kondensorkammaren 380 i vilken mediet I cirkulerar. Barriärema åstadkoms med ett lämpligt samverkande topp- och dalmönster mellan plattoma såsom är känt, t ex från dokumentet WO 00/03189 och kommer inte att beskrivas i detalj här.

Med hänvisning nu till fig. 4, illustreras baksidan B' av plåten 300 i fig. 3 i sin korrekta upprättstående arbetsposition. Sidan B' har inlopp 405 och 420 tillsammans med utlopp 415 och 425 och en barriär F som separerar mediema från varandra så att mediet I cirkulerar till vänster i förångningskammaren 450, och mediet III till höger om barriären F i fig. 4. Dessutom tillhandahåller uppfinningen ett utlopp 410 i de nedre delarna av förångningskammaren 450, kopplat till den utvändiga dräneringsanordningen 430 i enlighet med föreliggande uppfinning.

Dräneringsanordningen 430 har samma funktion som dräneringsanordningen 160' beskriven ovan med hänvisning till fig. 2 och kan utföras på samma sätt. Alltså består dräneringsanordningen 430 av en koppling, t ex en slang eller ett rör mellan utloppet 410 och expansionsventilen 440, såsom illustreras med pilen 460 i fig. 4, eller alternativt mellan utloppet 410 och någonstans mellan expansionsventilen 440 och inloppet 405, såsom illustreras med pilen 470 i fig. 4, eller alternativt mellan utloppet 410 och ett ytterligare inlopp 490, såsom illustreras med pilen 480 i fig. 4.

Dräneringsanordningen kan utnyttja injektorverkan beskriven ovan, dvs innefatta en expansionsdriven injektor, och kan eventuellt också innefatta en pump, såsom förklarades ovan med hänvisning till fig. 2. Dräneringen enligt föreliggande uppfinning dränerar alltså automatiskt vätska från förångningskammaren 450.

Under drift dränerar denna dränering alltså kontinuerligt en relativt liten mängd vätska från förångningskammaren och injicerar den sedan tillbaka in i kammaren.

När värmeväxlaren är avstängd eller av något skäl stannas, kommer som ett resultat vätska att ackumuleras i förångningskammaren 450. Emellertid dränerar dräneríngen enligt föreliggande uppfinning förångningskammaren 450 effektivt så snart som värmeväxlaren sätts på. Alltså, omedelbart efter start av värmeväxlaren kommer en relativt stor mängd vätska att dräneras genom dräneringen, men mängden dränerad vätska kommer att minska ganska snabbt. Denna dränering ökar verkningsgraden hos förångaren och värmeväxlaren och minskar slitaget på kompressom, såsom inses av en fackman på området.

Med hänvisning nu till fig. 3 och 4 kommer arbetsprincipen för värme- växlaren enligt föreliggande uppfinning att beskrivas. Enbart i illustrerande syfte kommer en värmeväxlare använd för en värmepumpstillämpning att beskrivas.

Mediet II, t ex saltvatten, inkommer vid inloppet 305 i fig. 3 vid en relativt högre temperatur, t ex motsvarande marktemperaturen, t ex vid l2° C, och leds nedåt i en kanalkammare 385 under värmeväxling med mediet I och utträder därefter genom 10 l5 20 25 30 35 525 022 6 utloppet 310 vid en lägre temperatur, t ex 7°, för att ledas tillbaka till marken i en sluten slinga.

Inloppet 315 matas med mediet I, t ex freon, av kompressorn så att mediet I inkommer i kondensorkammaren 380 genom inloppet 315 under högt tryck och hög temperatur, t ex 80° C. Mediet I leds mot inloppet 370 av kanalen C" under värme- växling med mediet III och vidare upp genom kanalen C" och leds genom den avgränsade zonen A" under värmeväxling med sig självt. Således ger zonen A" enligt föreliggande uppfinning en dubbel verkan såtillvida att den arbetar som en överhettare under förångningssteget av mediet I och som en underkylare under kondenseringssteget för mediet I. Således kondenseras mediet I ytterligare i den avgränsade zonen A". Detta ökar verkningsgraden för värmeväxlaren och minskar slitaget på kompressom såsom inses av en fackman på området.

Mediet I lämnar utloppet 320 vid en lägre temperatur, t ex 32° C, och matas därefter till expansionsventilen 440. Efter att ha passerat expansionsventilen 440 inträder mediet I genom inloppet 405 vid avsevärt lägre tryck och temperatur, t ex 2° C. Mediet I börjar att förångas vid ett lägre tryck och förångas ytterligare när det upphettas i förångningskammaren 450. Mediet I leds sedan mot den avgränsade zonen B" under värmeväxling med mediet II, för att utträda genom utloppet 415.

När det ankommer till den avgränsade zonen B" är temperaturen hos mediet I i detta illustrerande exempel kring 7° C. Mediet I har värmeväxling med sig självt i den avgränsade zonen B" såsom beskrivs ovan och är således i detta steg, dvs förång- ningssteget, utsatt för ovan beskrivna överhettningsfunktion. Överhettaren säkerställer att all vätska förångas före ankomst till kompressom, vilket ytterligare ökar verkningsgraden hos värmeväxlaren och minskar slitaget på kompressom, såsom inses av en fackman på området.

Vidare återmatas ackumulerat medium I i form av vätska av dränerings- anordningen 430 enligt föreliggande uppfinning såsom beskrivs ovan. Mediet I leds därefter från utloppet 415 vid högre temperatur, t ex 10°C, till kompressom i en sluten slinga.

Således cirkulerar mediet I i en sluten slinga från förångningskammaren 450 till kompressorn och vidare till kondensorkammaren 380 och därefter tillbaka till förångningskammaren 450 genom expansionsventilen 440. Mediet I kan också cirkulera i återkopplingsslingan som bildas av dräneringsutloppet 410 och dräneringsanordningen 430 enligt föreliggande uppfinning, såsom beskrivs ovan.

Mediet III, t ex vatten, inkommer genom inloppet 420 vid en relativt lägre teniperatur, t ex 38° C, och lämnar utloppet 425 vid en relativt högre temperatur, t ex 44° C, eftersom mediet III har värmeväxling med mediet I i värmeväxlaren.

Mediet III inkommer i en kanalkammare 485 genom ett inlopp 420 vid en relativt låg temperatur, t ex 38° C, och leds genom nämnda kanalkammare 485 under 10 15 525 022 7 värmeväxling med nämnda medium I. Nämnda medium III lämnar sedan nämnda kanalkammare 485 genom ett utlopp 425 vid en relativt högre temperatur, t ex 44° C. Som en nettoeffekt har alltså mediet II gett en viss mängd värme till medium III. Även om föreliggande uppfinning har beskrivits för fallet med en förångare och kondensor i en värmeväxlare av plattyp använd i en värmepumpstillämpning, skall det förstås att uppfinningen kan tillämpas i en bred mångfald av uppvärm- nings- och/eller kylningstillämpningar. Till exempel inser en fackman på området att ovan beskrivna process kan realisera en luftkonditioneringstillämpning, värme- växlaren behöver inte vara plattyp osv. Vidare kan förångaren enligt uppfinningen inte enbart användas i värmeväxlare utan kan tillämpas i vilken som helst förång- ningsprocess. Figurema 3 och 4 är inte i skala och illustrerar enbart arbetsprincipen för uppfinningen som exempel. Följaktligen kan en fackman på området realisera uppfinningen på många olika sätt utan att gå ur ramen för föreliggande uppfinning såsom definierad av följande patentkrav.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 525 022 I? PATENTKRAV

1. l. Förångare av plattyp med åtminstone ett inlopp och åtminstone ett utlopp som låter ett medium inkomma i och gå ut från nämnda förångare, vilken förångare innefattar ett flertal sammankopplade, parallellt anordnade förångningskammare (l l0') som har åtminstone ett gemensamt inlopp och åtminstone ett gemensamt utlopp som låter ett medium inkomma i och gå ut från nämnda kammare, kännetecknad av att nämnda förångare är försedd med en extern slinga (l60') anordnad att dränera nämnda medium från de nedre delarna av nämnda förångningskammare (1 l0') och återföra nämnda medium till förångningskamrama (110').

2. Förångare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda inlopp är kopplat till en expansionsanordning (140') med en kopplingsanordning, vilken expansions- anordning (140') är försedd med ett ytterligare inlopp (170'), och att nämnda externa slinga (l60') är anordnad att återföra nämnda medium till förångningskammaren (1 l0') genom det ytterligare inloppet (l70') hos nämnda förångningsanordning (140').

3. Förångare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda inlopp är försett med ett ytterligare inlopp (l70') och att nämnda externa slinga (l60') är anordnad att återföra nämnda medium till förångningskamrarna (l10') genom nämnda ytterligare inlopp (l70') med hjälp av en expansionsdriven injektor.

4. Förångare enligt krav 1, kännetecknad av att nämnda extema slinga (1 60') innefattar en pump.

5. Värmeväxlare, kännetecknad av att den innefattar en förångare enligt något av kraven 1 - 4.

6. Värmeväxlare av plattyp bildad av samverkande omväxlande plattor som har ett spårmönster som bildar åtminstone två skilda kanalslingesystem, vilka låter ett första medium (I) cirkulera i det första av nämnda kanalsystem under värme- växling med ett andra medium (II) som cirkulerar i det andra av nämnda kanal- system, varvid nämnda första kanalslingesystem innefattar en del som bildar ett flertal sammankopplade förångningskammare (450) som har åtminstone ett gemensamt inlopp (405) och åtminstone ett gemensamt utlopp (415) som låter nämnda första medium (I) inkomma i och gå ur från nämnda kammare (450), kännetecknad av att nämnda förångningskammare (450) är försedda med ett ytterligare utlopp (410) kopplat till en dräneringsanordning (430) anordnad att dränera nämnda medium (I) från nämnda förångningskammares (450) nedre delar i en extern slinga och återföra nämnda första medium (I) till nämnda förång- ningskammare (450). 10 15 20 25 30 35 525 022 9

7. Värmeväxlare enligt krav 6, kännetecknad av att nämnda samverkande plåtar bildar ett tredje kanalsystem i vilket ett tredje medium (III) kan cirkulera under värmeväxling med åtminstone nämnda forsta medium (I).

8. Värmeväxlare enligt krav 7, kännetecknad av att nämnda kammare (450) har en avgränsad zon (B") definierad, och att utloppet (415) från nämnda kammare (450) är kopplat via en kompressor till en del av nämnda forsta kanal- system, vilket bildar en kondensorkammare (3 80) som har en väsentligen vertikal kanal (C") som leder det forsta mediet (I) från nämnda kammares (3 80) nedre delar upp in i en andra avgränsad definierad zon (A"), varvid nämnda forsta medium (I) kan cirkulera i nämnda två zoner (A" B") under värmeväxling med sig självt.

9. Värmeväxlare enligt krav 8, vidare kännetecknad av att den innefattar: - en andra kanalkammare (3 85) som har ett inlopp (305) och ett utlopp (310) som låter nämnda forsta medium (II) inkomma i nämnda forsta kanalkammare (385) genom nämnda inlopp 305 for att ledas genom nämnda forsta kanalkammare (3 85) under värmeväxling med nämnda forsta medium (I) och att lämna nämnda forsta kanalkammare (3 85) genom nämnda utlopp (310), - ett flertal sammankopplade forångningskammare (450) som har ett gemensamt inlopp (405), ett gemensamt utlopp (415) och en avgränsad zon (B"), vilka låter nämnda forsta medium (I) inkomma genom nämnda inlopp (405) for att ledas genom nämnda forångningskammare (450) under värmeväxling med nämnda andra medium (II) och vidare genom nämnda zon (B") under värmeväxling med sig självt, och att lämna nämnda forångningskammare (450) genom ett utlopp (415) och, - en kompressor och en kondensorkammare (3 80) som har ett inlopp (315) och ett utlopp (320), vilken kondensorkammare (380) vidare har en andra avgränsad zon (A") och en väsentligen vertikal kanal (C") som leder till nämnda andra avgränsade zon (A") från nämnda kondensorkammares (3 80) nedre delar och nämnda kompressor är kopplad till nämnda utlopp (415) och nämnda inlopp (315), vilket låter nämnda forsta medium (I) ledas från nämnda utlopp (415) in i nämnda kondensorkammare (380) genom nämnda inlopp (315) via nämnda kompressor och ledas vidare genom nämnda kondensorkammare (3 80) under värmeväxling med nämnda tredje medium (III) och vidare ledas upp genom nämnda kanal (C") in i och genom nämnda zon (A") genom vilken nämnda forsta medium (I) tillåts ledas under värmeväxling med sig självt och därefter lämna nämnda kondensorkammare (3 80) genom nämnda utlopp (320) och, - en expansionsventil (440) kopplad till nämnda utlopp (320) och inlopp (405), vilken låter nämnda forsta medium (I) ledas från nämnda kondensorkammare (3 80) in i nämnda forångningskammare (450) genom nämnda inlopp (405) via nämnda expansionsventil (440) och, 10 15 20 525 022 /0 - en andra kanalkammare (485) som har ett inlopp (420) och ett utlopp (425), vilken låter nämnda tredje medium (III) inkomma i nämnda andra kanalkammare (485) genom nämnda inlopp (420) och ledas genom nämnda andra kanalkammare (485) under värmeväxling med nämnda första medium (I) och låter nämnda tredje medium (III) lämna nämnda kanalkammare (485) genom nämnda utlopp (425).

10. Värmeväxlare enligt något av kraven 6 - 9, kännetecknad av att nämnda dräneringsanordning (430) är anordnad att återföra närrmda första medium (I) till förångningskammaren (450) genom en extem expansionsanordning (440) som matar nämnda inlopp (405) med medium (I).

11. 1 1. Värmeväxlare enligt något av kraven 6 - 9, kännetecknad av att nämnda dräneringsanordning är anordnad att införa nämnda första medium (I) i ett ytterligare inlopp med hjälp av en expansionsdriven injektor.

12. Värmeväxlare enligt något av kraven 6 - 10, kännetecknad av att nämnda dräneringsanordning (430) innefattar en pump.

13. Värmepumpsystem, kännetecknat av att det innefattar en förångare enligt något av kraven l - 4 och/eller en Värmeväxlare enligt något av kraven 5 - 12.

14. Luftkonditioneringssystem, kännetecknat av att det innefattar en för- ångare enligt något av kraven 1 - 4 och/eller en Värmeväxlare enligt något av kraven 5 - 12.