WO2008107340A2 - Kältegerät mit zweistufigem wärmetauscher - Google Patents

Kältegerät mit zweistufigem wärmetauscher Download PDF

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    • F25D2321/141—Removal by evaporation
    • F25D2321/1412—Removal by evaporation using condenser heat or heat of desuperheaters

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration device having a storage space and a refrigerant circuit, in which a refrigerant is circulated between a storage space cooling evaporator and a condenser.
  • a refrigerant is circulated between a storage space cooling evaporator and a condenser.
  • Such refrigerators are well known.
  • heat is removed from the storage room in thermal contact with the evaporator; this heat is released again by condensing the refrigerant after compression in the condenser at a higher temperature than that of the storage room.
  • the performance of the refrigerant circuit is critically dependent on the heat flows that can be achieved at the evaporator and condenser. Since these are proportional to the surface available for heat exchange, it is difficult to make the evaporator and condenser both compact and efficient at the same time. But a bottleneck is in particular the transfer of waste heat to the ambient air in the conventional condensers. Typically, these include a flowed through by the refrigerant pipe and attached to the pipes structures such as wires, fins or the like., Which absorb heat from the pipeline and this release to the air over a large surface area.
  • Object of the present invention is to provide a refrigeration device that achieves a high heat exchange performance with a compact evaporator.
  • the object is achieved by the entire condenser is immersed in liquid in a refrigerator with a storage room and a refrigerant circuit in which a refrigerant is circulated between a storage room cooling evaporator and a condenser.
  • the liquid generally has a much higher heat capacity than air, so that a small volume of liquid can absorb a large amount of heat energy from the evaporator. Warming-driven convection of the liquid quickly and efficiently removes heat from the warm surface.
  • Condenser and liquid are preferably received in a tank.
  • This tank preferably contains not only liquid, but also steam, since the evaporation of the liquid volume heated by the condenser and the recondensation of the vapor elsewhere allow the heat to be distributed quickly and efficiently.
  • the tank preferably has at least locally a structured surface. If the tank contains steam, the structured surface is preferably formed at a vapor-containing area of the tank, in order to ensure a rapid recondensation and thus a rapid removal of the heat from the condenser to the environment.
  • the heat exchanger is arranged at a distance from the water surface in the tank. This allows the formation of a thermal coating in the tank where liquid heated by the condenser collects near the liquid surface where it evaporates efficiently while at the surface cooled liquid flows back to the condenser and keeps it at a lower temperature than that of the liquid surface.
  • the liquid in the tank is preferably water.
  • the tank can be connected to the interior by a supply line, so that water from the tank, which is lost through evaporation to the environment, can be replaced by condensation water from the interior.
  • the interior of the tank communicates preferably via a pressure equalization opening with the environment, so that the tank is not mechanically stressed by overpressure with high heat input to the condenser or negative pressure with low heat input.
  • the tank is provided with a growth of germs at least inhibiting equipment.
  • This equipment may for example consist of a metal, in particular silver ion-emitting surface coating.
  • the tank is expediently composed of a shell and a lid, wherein the shell can be inexpensively made of a plastic and the lid is preferably made of metal due to the good thermal conductivity.
  • a supply and discharge of the condenser are advantageously carried out between the shell and lid.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a refrigeration device according to the invention.
  • Fig. 2 is a perspective view of the condenser of the refrigerator.
  • 1 shows a schematic section through a refrigerator, such as a refrigerator or freezer with a body 1 and a door 2, which enclose an interior space 3.
  • a refrigerant circuit of the apparatus comprises an evaporator 4 arranged on a rear wall of the body 1 and, in a rear recess 5 of the body 1, a compressor 6 and a condenser assembly 7. Between the compressor 6 and the condenser assembly 7 there is a fan 8 in the recess 5 placed fresh air over the condenser assembly 7 on the compressor 6 blows away.
  • the condenser assembly 7 is shown in Fig. 2 in a perspective, partially exploded view. It comprises a substantially closed water tank, which is formed from two parts, a shell 9 made of plastic and a plugged onto the shell 9 cover 10 made of thin-walled aluminum sheet. At the bottom of the shell 9, a condenser 1 1 is arranged in a known wire tube construction.
  • the condenser 11 comprises a continuous meander shaped copper tube 12 through which compressed refrigerant coming from the compressor 6 flows, and a plurality of wires 13 soldered to the meanders of the copper tube 12 to form a rigid plate-like structure connect.
  • Inlet and outlet lines 14, 15 of the condenser 1 1 are passed through two notches 16 formed on the upper edge of the shell 9.
  • the lid 10 formed of sheet aluminum, for example by deep drawing, has a plurality of hollow ribs 18 projecting upwardly from a horizontal base plate 17.
  • a circumferential around the base plate 17 horizontal ridge 19 is provided to support itself on the upper edge of the shell 9.
  • the web 19 and the base plate 17 are connected by a hairpin-shaped apron 20 in cross section, which dips into the interior of the shell 9.
  • a further notch 21 on the edge of the shell 9 is provided to pass a condensed water line 22 (see FIG. 1), which starts from a collecting channel 23 at the bottom of the evaporator 4 in the interior 3.
  • a condensed water line 22 precipitating water passes into the shell 9 and flooded the condenser 1 1.
  • the condenser 1 1 By contact with the water, the condenser 1 1 despite relatively small dimensions deliver a high thermal output, which leads to the water surface to intense evaporation , Due to the evaporation will the water in the shell 9, the supplied heat withdrawn again, and it is released on the lid 10 again by the water vapor condenses there.
  • the tank may be provided with an overflow opening (not shown) through which water can flow into an evaporation tray located outside the tank as soon as the water level rises above the overflow opening.
  • the distance between the water level and the condenser 1 1 is suitably several centimeters, so that a convection flow can form in the water, which efficiently conveys heat emitted by the condenser 1 1 to the water surface.
  • the space between the water surface and the lid 10 is desirably a few centimeters wide to allow the formation of a convection flow which will quickly convey the water vapor to the lid 10.
  • the hollow ribs 18 are about 1-2 cm wide wide enough to allow penetration of the convection flow into its interior and thus an efficient energy transport up to the upper ends of the ribs.

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Abstract

Bei einem Kältegerät mit einem Lagerraum (3) und einem Kältemittelkreis (4, 6, 11), in dem ein Kältemittel zwischen einem den Lagerraum kühlenden Verdampfer (4) und einem 10 Verflüssiger (11) umgewälzt wird, ist der gesamte Verflüssiger (11) in Flüssigkeit eingetaucht.

Description

Kältegerät mit zweistufigem Wärmetauscher
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät mit einem Lagerraum und einem Kältemittelkreis, in dem ein Kältemittel zwischen einem den Lagerraum kühlenden Verdampfer und einem Verflüssiger umgewälzt wird. Derartige Kältegeräte sind allgemein bekannt. Indem Kältemittel in dem Verdampfer unter niedrigem Druck verdampft wird, wird dem in thermischem Kontakt mit dem Verdampfer stehenden Lagerraum Wärme entzogen; diese Wärme wird wieder freigesetzt, indem das Kältemittel nach Verdichten in dem Verflüssiger bei einer höheren Temperatur als der des Lagerraumes zum Kondensieren gebracht wird.
Die Leistungsfähigkeit des Kältemittelkreises hängt kritisch von den an Verdampfer und Verflüssiger realisierbaren Wärmeflüssen ab. Da diese proportional zur für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Oberfläche sind, ist es schwierig, Verdampfer und Verflüssiger gleichzeitig kompakt und leistungsfähig zu machen. Einen Engpass stellt aber insbesondere die Übertragung der Abwärme auf die Umgebungsluft in den herkömmlichen Verflüssigern dar. Üblicherweise umfassen diese eine von dem Kältemittel durchströmte Rohrleitung und an den Rohrleitungen befestigte Strukturen wie etwa Drähte, Lamellen oder dergl., die Wärme von der Rohrleitung aufnehmen und diese über eine große Oberfläche an die Luft abgeben. Je höher das Verhältnis von Wärme abgebender Oberfläche zum Volumen des Verflüssigers ist, um so schwieriger ist es, eine ausreichende Durchlüftung des Verflüssigers zu gewährleisten, das heißt, es kommt zu einem Wärmestau im Verflüssiger, weil die darin erwärmte Luft nicht schnell genug abfließen kann.
Eine Zwangsbelüftung des Verflüssigers kann hier zwar in gewissem Umfang Abhilfe schaffen. Da aber die Strömungsgeschwindigkeit auch der zwangsumgewälzten Luft in unmittelbarer Nähe der Wärme abgebenden Oberflächen immer geringer wird, sind diese von einer dünnen Warmluftschicht umgeben, die die diese Oberflächen isolieren und deren Aufrechterhaltung aufgrund der geringen Wärmekapazität der Luft nur wenig Leistung erfordert. 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 Kältegerätes herrührendes Kondenswasser zu erwärmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Kältegerät anzugeben, das eine hohe Wärmeaustauschleistung mit einem kompakten Verdampfer erzielt.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Kältegerät mit einem Lagerraum und einem Kältemittelkreis, in dem ein Kältemittel zwischen einem den Lagerraum kühlenden Verdampfer und einem Verflüssiger umgewälzt wird, der gesamte Verflüssiger in Flüssigkeit eingetaucht ist. Die Flüssigkeit hat im Allgemeinen eine wesentlich höhere Wärmekapazität als Luft, so dass ein kleines Flüssigkeitsvolumen eine große Menge an Wärmeenergie vom Verdampfer aufnehmen kann. Durch von der Erwärmung angetriebene Konvektion der Flüssigkeit wird die Wärme schnell und effizient von der warmen Oberfläche abtransportiert.
Verflüssiger und Flüssigkeit sind vorzugsweise in einem Tank aufgenommen.
Dieser Tank enthält vorzugsweise nicht nur Flüssigkeit, sondern auch Dampf, da durch Verdunstung des vom Verflüssiger erwärmten Flüssigkeitsvolumens und Rekondensation des Dampfes an anderer Stelle die Wärme schnell und effizient verteilen lässt.
Um Wärme an die Umgebung abzugeben, hat der Tank vorzugsweise wenigstens lokal eine strukturierte Oberfläche. Wenn der Tank Dampf enthält, ist die strukturierte Oberfläche vorzugsweise an einem den Dampf enthaltenden Bereich des Tanks gebildet, um eine schnelle Rekondensation und damit einen schnellen Abtransport der Wärme vom Verflüssiger zur Umgebung zu gewährleisten.
Zweckmäßig ist auch, dass der Wärmetauscher von der Wasseroberfläche im Tank beabstandet angeordnet ist. Dies ermöglicht die Ausbildung einer Wärmeschichtung im Tank, bei der sich vom Verflüssiger erwärmte Flüssigkeit in der Nähe der Flüssigkeitsoberfläche sammelt und dort effizient verdunstet, während an der Oberfläche abgekühlte Flüssigkeit zum Verflüssiger zurückströmt und diesen auf einer niedrigeren Temperatur als derjenigen der Flüssigkeitsoberfläche hält.
Die Flüssigkeit in dem Tank ist vorzugsweise Wasser.
Der Tank kann durch eine Zulaufleitung mit dem Innenraum verbunden sein, so dass Wasser aus dem Tank, das durch Verdunstung an die Umgebung verloren geht, durch Kondenswasser aus dem Innenraum ersetzt werden kann.
Das Innere des Tanks kommuniziert vorzugsweise über eine Druckausgleichsöffnung mit der Umgebung, so dass der Tank nicht durch Überdruck bei starker Wärmezufuhr zum Verflüssiger bzw. Unterdruck bei geringer Wärmezufuhr mechanisch beansprucht ist.
Bei Verwendung von Wasser, vor allem wenn dieses Wasser über die Zulaufleitung durch Kondenswasser ergänzt wird, ist es zweckmäßig, wenn der Tank mit einer das Wachstum von Keimen wenigstens hemmenden Ausrüstung versehen ist. Diese Ausrüstung kann zum Beispiel aus einer Metall-, insbesondere Silberionen abgebenden Oberflächenbeschichtung bestehen.
Der Tank ist zweckmäßigerweise aus einer Schale und einem Deckel zusammengesetzt, wobei die Schale preiswert aus einem Kunststoff gefertigt sein kann und der Deckel aufgrund des guten Wärmeleitvermögens vorzugsweise aus Metall gefertigt ist.
Eine Zu- und Ableitung des Verflüssigers sind zweckmäßigerweise zwischen Schale und Deckel durchgeführt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kältegerätes; und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Verflüssigers des Kältegerätes. Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Kältegerät wie etwa einen Kühl- oder Gefrierschrank mit einem Korpus 1 und einer Tür 2, die einen Innenraum 3 umschließen. Ein Kältemittelkreis des Gerätes umfasst einen an einer Rückwand des Korpus 1 angeordneten Verdampfer 4 und, in einer rückwärtigen Nische 5 des Korpus 1 , einen Verdichter 6 und eine Verflüssigerbaugruppe 7. Zwischen dem Verdichter 6 und der Verflüssigerbaugruppe 7 ist in der Nische 5 ein Ventilator 8 platziert, der Frischluft über die Verflüssigerbaugruppe 7 hinweg auf den Verdichter 6 bläst.
Die Verflüssigerbaugruppe 7 ist in Fig. 2 in einer perspektivischen, teilweise auseinandergezogenen Ansicht dargestellt. Sie umfasst einen im Wesentlichen geschlossenen Wassertank, der aus zwei Teilen, einer Schale 9 aus Kunststoff und einem auf die Schale 9 aufgesteckten Deckel 10 aus dünnwandigem Aluminiumblech gebildet ist. Am Boden der Schale 9 ist ein Verflüssiger 1 1 in an sich bekannter Drahtrohrbauweise angeordnet. Der Verflüssiger 1 1 umfasst ein durchgehendes, zu Mäandern geformtes Kupferrohr 12, das von vom Verdichter 6 kommendem, verdichtetem Kältemittel durchströmt ist, sowie eine Vielzahl von Drähten 13, die an die Mäander des Kupferrohres 12 angelötet sind und diese zu einer starren, plattenförmigen Struktur verbinden. Zu- und Ableitungen 14, 15 des Verflüssigers 1 1 sind durch zwei am oberen Rand der Schale 9 gebildete Kerben 16 hindurchgeführt.
Der aus Aluminiumblech zum Beispiel durch Tiefziehen geformte Deckel 10 weist eine Vielzahl von von einer horizontalen Grundplatte 17 nach oben abstehenden, hohlen Rippen 18 auf. Ein rings um die Grundplatte 17 umlaufender horizontaler Steg 19 ist vorgesehen, um sich auf dem oberen Rand der Schale 9 abzustützen. Der Steg 19 und die Grundplatte 17 sind durch eine im Querschnitt haarnadelförmige Schürze 20 verbunden, die ins Innere der Schale 9 eintaucht.
Eine weitere Kerbe 21 am Rand der Schale 9 ist vorgesehen, um eine Kondenswasserleitung 22 (siehe Fig. 1 ) hindurchzuführen, die von einer Auffangrinne 23 am Fuß des Verdampfers 4 im Innenraum 3 ausgeht. Durch die Kondenswasserleitung 22 gelangt sich am Verdampfer 4 niederschlagendes Wasser in die Schale 9 und überschwemmt den Verflüssiger 1 1. Durch den Kontakt mit dem Wasser kann der Verflüssiger 1 1 trotz relativ geringer Abmessungen eine hohe Wärmeleistung abgeben, die an der Wasseroberfläche zu intensiver Verdunstung führt. Durch die Verdunstung wird dem Wasser in der Schale 9 die zugeführte Wärme wieder entzogen, und sie wird am Deckel 10 wieder freigesetzt, indem der Wasserdampf dort kondensiert. An der Unterseite des Deckels 10 kondensierendes Wasser wird dank der in die Schale 9 eintauchenden Schürze 20 komplett zu dem in der Schale 9 enthaltenen Wasser zurückgeführt. Ein Entweichen von Wasserdampf ist im Wesentlichen nur durch die Kerben 16, 21 möglich, die gleichzeitig auch zum Druckausgleich zwischen dem Inneren des Tanks und der Umgebung dienen.
Um ein Überlaufen des Tanks durch über den Kondenswasserleitung 22 zugeführtes Wasser zu verhindern, kann der Tank mit einer (nicht dargestellten) Überlauföffnung versehen sein, über die Wasser in eine außerhalb des Tanks gelegene Verdunstungsschale abfließen kann, sobald der Wasserspiegel über die Überlauföffnung ansteigt.
Der Abstand zwischen dem Wasserspiegel und dem Verflüssiger 1 1 beträgt zweckmäßigerweise mehrere Zentimeter, so dass sich in dem Wasser eine Konvektionsströmung ausbilden kann, die vom Verflüssiger 1 1 abgegebene Wärme effizient zur Wasseroberfläche befördert. Genauso ist der Platz zwischen der Wasseroberfläche und dem Deckel 10 zweckmäßigerweise einige Zentimeter breit, um die Ausbildung einer Konvektionsströmung zu ermöglichen, die den Wasserdampf schnell zum Deckel 10 befördert. Die hohlen Rippen 18 sind mit ca. 1-2 cm Breite breit genug, um ein Eindringen der Konvektionsströmung auch in ihr Inneres und damit einen effizienten Energietransport bis an die oberen Enden der Rippen zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
1. Kältegerät mit einem Kühlraum (3) und einem Kältemittelkreis (4, 6, 1 1 ), in dem ein Kältemittel zwischen einem den Kühlraum (8) kühlenden Verdampfer (4) und einem Verflüssiger (1 1 ) umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verflüssiger (1 1 ) zumindest weitgehend in Flüssigkeit eingetaucht ist.
2. Kältegerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Verflüssiger (1 1 ) in Flüssigkeit eingetaucht ist.
3. Kältegerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Tank (9, 10), der Verflüssiger (1 1 ) und Flüssigkeit aufnimmt.
4. Kältegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (9, 10) Flüssigkeit und Flüssigkeitsdampf enthält.
5. Kältegerät nach einem der Ansprüchel bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (9, 10) wenigstens lokal (10) eine strukturierte Oberfläche (18) hat.
6. Kältegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte
Oberfläche (18) an einem den Flüssigkeitsdampf enthaltenden Bereich des Tanks (9, 10) vorgesehen ist.
7. Kältegerät nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche (18) zumindest ähnlich eines Kühlkörpers mit einer zackenartigen Oberfläche ausgebildet ist.
8. Kältegerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche (18) an einer Wand der Tanks (9,10) ausgebildet ist.
9. Kältegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand (19) abnehmbar am Tank (9,10) angeordnet ist und den Deckel des Tanks (9,10) bildet.
10. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Verflüssiger (1 1 ) von der Wasseroberfläche im Tank (9, 10) beabstandet angeordnet ist.
1 1. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zulaufleitung (22) des Tanks (9,10) mit dem Kühlraum (3) verbunden ist.
12. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Tanks (9, 10) über eine Druckausgleichsöffnung (16, 21 ) mit der Umgebung kommuniziert.
13. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Innenraum des Tanks (9, 10) mit einer das Wachstum von Keimen wenigstens hemmenden Ausrüstung versehen ist.
14. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (9, 10) aus einer Schale (9) und einem Deckel (19) zusammengesetzt ist, und dass die Schale (9) aus einem Kunststoff und der Deckel (10) aus Metall gefertigt ist.
15. Kältegerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zu- und
Ableitung (14, 15) des Verflüssigers (1 1 ) zwischen Schale (9) und Deckel (10) passieren.
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