DE102006055122A1

DE102006055122A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102006055122A1
Application number: DE102006055122A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Rochester Hills Wawzyniak
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2007-06-06
Also published as: US20070119580A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit einem Block (2) von ein erstes Fluid führenden Rohren (11) mit Rohrenden (11a), mit Rohrböden (4) aufweisenden Sammelkästen (5), wobei die Rohrenden (11a) mit einer Einstecktiefe (x) in den Rohrböden (4) aufgenommen sind. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Einstecktiefe (x) der Rohrenden (11a) variabel ist. Der Wärmeübertrager ist vorzugsweise als Verdampfer in Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen einsetzbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Wärmeübertrager, z. B. Kältemittelverdampfer werden bei Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Block von Rohren, die vom zu verdampfenden Kältemittel durchströmt werden, und Rippen, welche von zu kühlender Luft überströmt werden, welche dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird. Die Rohre sind jeweils mit Sammel- oder Verteilerkästen verbunden, über welche das Kältemittel zugeführt, umgelenkt oder wieder abgeführt wird. Ein Problem, welches bei allen Verdampfern auftritt, ist die gleichmäßige Verteilung des in den Verdampfer eingespritzten Kältemittels auf sämtliche Rohre. Das Kältemittel, welches unmittelbar vor Eintritt in den Verdampfer in einem Expansionsorgan entspannt wird, liegt an der Einspritzstelle des Verdampfers als Zweiphasengemisch, bestehend aus dampfförmigem und flüssigem Kältemittel, vor. Werden die Verdampferrohre nicht gleichmäßig beaufschlagt, kommt es zu einer unterschiedlichen Verdampfung und damit zu einer unterschiedlichen Temperaturverteilung, die sich auch auf der Luftseite des Verdampfers auswirkt und zu einer so genannten Strähnigkeit des Luftstromes führt. Darüber hinaus kann sich in den einzelnen Rohren ein erhöhter Druckabfall ausbilden, was für die Leistung des Verdampfers schädlich ist. Diese Nachteile sind besonders ausgeprägt im thermischen Teillastbetrieb, welcher im Jahresdurchschnitt üblicherweise am häufigsten auftritt (im Gegensatz zum Volllastbetrieb). Eine Verbesserung der Kältemittelverteilung dient nicht nur der Komforterhöhung, sondern auch der Reduzierung der Leistungsaufnahme und damit dem Kraftstoffverbrauch.

Es wurden verschiedene Lösungen bekannt, mit denen eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Rohre angestrebt wird. In der DE 44 22 178 A1 ist im Eintrittsbereich des Verdampfers ein Verteilerorgan in Form eines Porenkörpers angeordnet, aus dessen Poren das Kältemittel austritt und sich somit gleichmäßig verteilen soll. Durch die DE 197 19 250 A1 , die DE 197 19 251 C2 und die DE 197 19 257 C2 wurden weitere Lösungsvorschläge für eine Verteilung des Kältemittels im Eintrittsbereich bekannt, wobei separate, zu den Rohren hinführende Kanäle oder Verteilerrohre mit Kältemittelaustrittsöffnungen vorgesehen sind. Diese Vorschläge sind durch einen erhöhten konstruktiven Aufwand im Bereich der Eintrittskästen des Verdampfers gekennzeichnet, was die Herstellungskosten erhöht.

Heutige Flachrohrverdampfer, wie sie durch die EP 1 065 453 B1 oder die WO 2005/047800 A1 bekannt wurden, kommen ohne derartige Verteilermittel aus. Die bekannten Flachrohrverdampfer sind zweireihig ausgebildet und weisen jeweils zwei doppelte Sammelkästen auf, in welche die Rohrenden eingesteckt sind. Die Einspritzung des Kältemittels erfolgt von einer Stirnseite eines Sammelkastens in eine Eintrittskammer. Von dort wird das Kältemittel auf die Rohre verteilt und ein- oder mehrfach im Verdampferblock umgelenkt (mehrflutige Durchströmung in einzelnen Rohrgruppen). Auch bei diesen bekannten Flachrohrverdampfern kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Kältemittels und den oben genannten Nachteilen.

Ausgehend von dem zuletzt genannten Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Fluids in einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu erreichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einstecktiefe der Rohre im Rohrboden variabel ist, d. h. die Rohrenden ragen mit unterschiedlicher Höhe aus dem Rohrboden hervor. Vorteilhafterweise ist der Wärmeübertrager als Verdampfer ausgebildet, und das Fluid ist vorteilhaft ein Zweiphasenfluid, insbesondere ein Kältemittel. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der Verdampfer eine Eintrittskammer mit wenigstens einer stirnseitig angeordneten Einspritzöffnung auf, wobei die Einspritzöffnung(en) prinzipiell auch an anderen Orten, wie insbesondere längsseitig angeordnet sein kann. Bei einem Verdampfer mit oben liegendem Eintrittsbereich ist es vorteilhaft, wenn die Einstecktiefe der Rohrenden mit zunehmendem Abstand vom Ort der Einspritzung abnimmt. Bei einem Verdampfer mit unten liegendem Eintrittsbereich ist es vorteilhaft, wenn die Rohreinstecktiefe mit zunehmendem Abstand vom Einspritzort zunimmt. Die ab- oder zunehmende Einstecktiefe kann vorteilhafterweise nach einer linearen oder nichtlinearen Funktion erfolgen.

Der Erfinder hat festgestellt, dass sich die Kältemittelströmung mit zunehmendem Abstand vom Ort der Einspritzung bis zum am weitesten entfernten Rohr stark ändert, und zwar in folgender Weise: unmittelbar im Bereich der Einspritzstelle liegt die Kältemittelströmung als stark verwirbeltes Gemisch aus Kältemitteldampf und Flüssigkeitströpfchen vor. Mit zunehmendem Abstand von der Einspritzstelle geht die Kältemittelströmung in eine geschichtete Strömung über, wobei sich – bei horizontaler Strömung – im geodätisch unten liegenden Bereich eine Schicht aus flüssigem Kältemittel und darüber eine Schicht aus dampfförmigen Kältemittel ausbildet. Der Ort des Überganges von verwirbelter zu geschichteter Strömung hängt dabei von der Größe des Kältemittelmassenstromes ab. Durch eine variable Rohreinstecktiefe kann diesem Phänomen der Kältemittelströmung Rechnung getragen und eine annähernd gleichmäßig Verteilung des Kältemittels auf die einzelnen Rohrquerschnitte erreicht werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist relativ einfach – lediglich durch unterschiedliche Rohrlängen und/oder Einstecktiefen – realisierbar und somit kostengünstig. Möglich ist es, dass unterschiedliche Einstecktiefen zumindest bei einem Teil der Rohre auch ohne unterschiedliche Rohrlängen realisiert werden, wenn beispielsweise ein Ausgleich am anderen Ende des jeweiligen Rohres erfolgt. Es werden die Vorteile einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auf der Luftseite, ein gleichmäßiger, geringerer Druckabfall in den Rohren und eine höhere Verdampferleistung erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 einen Ausschnitt eines bekannten Flachrohrverdampfers nach dem Stand der Technik und
2 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Verdampfers mit variabler Rohreinstecktiefe.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Verdampfers 1, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, z. B. durch die oben genannte EP 1 065 453 B1 oder die WO 2005/047800 A1. Der Verdampfer 1 weist einen Block 2 von Flachrohren 3 auf, zwischen denen nicht dargestellte, von Luft überströmbare Rippen angeordnet sind. Die Rohre 3 weisen Rohrenden 3a auf, welche in Öffnungen eines Rohrbodens 4 eingesteckt sind. Der Rohrboden 4 ist Teil eines Sammelkastens 5, welcher ein stirnseitig angeordnetes Einspritzrohr 6 aufweist, über welches dem Verdampfer 1 Kältemittel zugeführt wird. Die Achse des Einspritzrohres 6 ist mit 6a bezeichnet, sie entspricht der Einspritzrichtung des Kältemittels. Der Sammelkasten 5 weist eine Eintrittskammer 7 auf, welche durch eine Trennwand 8 gegenüber einer benachbarten Kammer abgeteilt ist. Das Kältemittel gelangt über das Einspritzrohr 6 in die Eintrittskammer 7 und verteilt sich von dort auf die Rohre 3. Es strömt dann (in der Zeichnung) von oben nach unten, d. h. in Richtung der Schwerkraft. Anschließend wird das Kältemittel – wie aus dem Stand der Technik bekannt – in der Tiefe (in Luftströmungsrichtung) und/oder in der Breite (quer zur Luftströmungsrichtung) umgelenkt. Auf diesem Weg verdampft das Kältemittel in den Rohren 3 und bewirkt somit eine Abkühlung der zu klimatisierenden Luft. Die Rohrenden 3a bei dem bekannten Verdampfer 1 weisen eine Einstecktiefe auf, die mit dem Maß x bezeichnet ist. Das Maß x, d. h. die Einstecktiefe ist bei allen Rohren 3 dasselbe. Aufgrund der sich ändern den Kältemittelströmung kommt es bei dem bekannten Verdampfer 1 zu einer ungleichmäßigen Beaufschlagung der Rohre 3.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Verdampfer 10, wobei für gleiche Teile die gleichen Bezugszahlen wie in 1 verwendet werden. Der Verdampfer 10 weist eine Eintrittskammer 7 mit einem stirnseitig angeordneten Einspritzrohr 6 und einem Rohrboden 4 auf. Die Flachrohre 11 weisen Rohrenden 11a auf, welche in den Rohrboden 4 mit einer unterschiedlichen Einstecktiefe eingesteckt sind. Die Oberkanten der Rohrenden 11a sind durch eine gerade Linie f verbunden. Der Abstand der Rohre 11 von der Stirnfläche des Einspritzrohres 6 ist mit a bezeichnet. Die Einstecktiefe des dem Einspritzrohr 6 am nächsten liegenden Rohres ist mit x_max und die Einstecktiefe des am weitesten vom Einspritzrohr 6 entfernten Flachrohres 11 ist mit x_min bezeichnet. Man erkennt somit aus der Darstellung, dass die Einstecktiefe x einer linear fallenden Funktion f über dem Abstand a folgt. Die durch das Einspritzrohr 6 in die Einstrittskammer 7 horizontal eintretende Kältemittelströmung liegt zunächst zweiphasig als stark verwirbeltes Gemisch von Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeitsteilchen vor. Mit zunehmendem Abstand a vom Einspritzrohr 6 ändert die Kältemittelströmung ihren Zustand in eine geschichtete Strömung, welche aus einer unteren Schicht von flüssigem Kältemittel und einer darüber angeordneten Schicht von dampfförmigem Kältemittel besteht. Durch die abgestufte Einstecktiefe x der Rohrenden 11a kann erreicht werden, dass die Rohre 11 weitgehend gleichmäßig mit Kältemittel, d. h. mit einem annähernd gleichen Kältemittelmassenstrom pro Rohr versorgt werden. Die dargestellte linear abfallende Funktion f ist nur ein Ausführungsbeispiel und darüber hinaus auch nicht maßstabsgerecht – es dient der schematischen Veranschaulichung der Erfindung. Möglich ist ebenso eine nicht-lineare fallende Funktion. Darüber hinaus ist die zu wählende Rohreinstecktiefe x abhängig von dem Kältemitteldurchsatz, welcher für die Auslegung des Verdampfers herangezogen wird. Bei einem maximalen Kältemitteldurchsatz wird sich die verwirbelte Kältemittelströmung relativ weit (in Richtung a) in die Einstrittskammer hinein erstrecken, d. h. der Übergang zur Schichtung der Strömung tritt in einem größeren Abstand a von der Einspritzstelle auf. Bei einem geringeren Kältemittelmassenstrom wird sich die geschichtete Strömung näher am Einspritzort einstellen. Das Muster für die variable Einstecktiefe der Rohrenden wird sich an einem Auslegungspunkt zwischen diesen beiden Extremen orientieren.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Eintrittskammer – geodätisch gesehen – unten angeordnet sein, so dass das stirnseitig der Eintrittskammer zugeführte Kältemittel in den Kältemittelrohren von unten nach oben, d. h. entgegen der Schwerkraft strömt. In diesem Falle ist die Funktion für die Einstecktiefe vorzugsweise eine steigende, d. h. die Einstecktiefe nimmt mit wachsendem Abstand a vom Einspritzrohr 6 zu.
Der in 2 dargestellte Verdampfer 10 ist vorzugsweise als zweireihiger Flachrohrverdampfer ausgebildet und weist eine mehrflutige Kältemittelströmung auf, d. h. das Kältemittel wird sowohl in der Breite (in Richtung +a oder –a) als auch in der Tiefe (in Luftströmungsrichtung) umgelenkt. Bei der Realisierung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die variable Rohreinstecktiefe vorzugsweise für den ersten Durchgang gilt – dies sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die in die Eintrittskammer 7 mündenden Flachrohre 11. Nach dem ersten Durchgang kann insbesondere in diesem Fall oftmals davon ausgegangen werden, dass sich die Kältemittelströmung dermaßen vergleichmäßigt oder homogenisiert hat, dass eine variable Einstecktiefe nicht mehr erforderlich ist bzw. keine signifikanten Vorteile mehr bringt.
Der erfindungsgemäße Verdampfer ist vorzugsweise für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen verwendbar.

Claims

Wärmeübertrager mit einem Block (2) von ein erstes Fluid führenden Rohren (11) mit Rohrenden (11a), mit Rohrböden (4) aufweisenden Sammelkästen (5), wobei die Rohrenden (11a) mit einer Einstecktiefe (x) in den Rohrböden (4) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstecktiefe (x) der Rohrenden (11a) variabel ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Verdampfer (1) ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid ein Zweiphasenfluid, insbesondere ein Kältemittel ist.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sammelkasten (5) wenigstens eine Eintrittskammer (7) aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Eintrittskammer (7) wenigstens eine Einspritzöffnung (6) stirnseitig angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskammer (7) – geodätisch gesehen – oben angeordnet und die mit der Eintrittskammer (7) kommunizierenden Rohre (11) in Richtung der Schwerkraft durchströmbar sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskammer – geodätisch gesehen – unten angeordnet ist und die Rohre von unten nach oben entgegen der Schwerkraft durchströmbar sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstecktiefe (x) mit zunehmendem Abstand (a) der Rohrenden (11a) von der Einspritzöffnung (6) abnimmt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstecktiefe (x) mit zunehmendem Abstand (a) der Rohrenden von der Einspritzöffnung zunimmt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstecktiefe (x) nach einer linearen Funktion veränderbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstecktiefe (x) nach einer nicht -linearen Funktion veränderbar ist.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrflutig, d. h. in mindestens zwei Rohrgruppen vom ersten Fluid durchströmbar und dass die Einstecktiefe (x) mindestens für die erste Rohrgruppe (11) variabel ist.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (11) als Flachrohre, vorzugsweise als Mehrkammerrohre ausgebildet sind.
Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mindestens einen Verdampfer (1) nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 13.