DE102017118433A1

DE102017118433A1 - Wärmetauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät, Rohrverbindungselement und Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät

Info

Publication number: DE102017118433A1
Application number: DE102017118433.3A
Authority: DE
Inventors: Christof Kruschinski; Jürgen Rösch; Marlen Laforet; Patrick Schimke; Ingrid Zunker
Original assignee: Miele und Cie KG
Current assignee: Miele und Cie KG
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2017-08-14
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung (1) für ein Haushaltsgerät, wobei der Wärmetauscher (2, 3) ein Rohrleitungssystem bestehend aus miteinander über Rohrverbindungselemente verbundenen Kältemittelrohren (4) zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs zum Leiten eines Kältemittelstroms durch den Wärmetauscher (2, 3) umfasst. Um einen verbesserten Wärmeübertauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät sowie eine verbesserte Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät zu schaffen, ist in Strömungsrichtung des Kältemittelstroms durch den Wärmetauscher (2, 3) mindestens ein Rohrverbindungselement (5) angeordnet ist, welches den Kältemittelstrom in mindestens zwei parallel durchströmte Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) überführt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät und eine Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät sowie ein Rohrverbindungslelemnt.
In Haushaltsgeräten, die mit thermischer Energie arbeiten, wie beispielsweise Wäschebehandlungsmaschinen oder Geschirrspülmaschinen, wird Kältemittel eingesetzt, das beispielsweise in einem Wärmetauscher einer Wärmepumpeneinrichtung des Haushaltsgeräts zirkuliert.
Aus der DE197 09 176 A1 ist ein Lamellenwärmetauscher mit parallel zueinander angeordneten Lamellen bekannt, die von einem Rohrleitungssystem zum Leiten eines Kältemittelstroms durch den Wärmetauscher durchsetzt sind.
Bei Wäschebehandlungsmaschinen wie Wäschetrocknern kommen Wärmepumpeneinrichtungen mit Lamellenwärmetauschern zum Einsatz, bei denen in der Regel lange U-förmige Rohre durch einen Block aufeinanderliegender Lamellen geschoben und anschließend aufgeweitet werden, um einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Der Durchflussweg des Kältemittels durch den Wärmetauscher wird durch Verbinden der U-Bögen mit 180°-Rohrbögen auf der offenen U-Bogenseite erreicht. Dadurch ergibt sich eine Verschaltung der in dem Lamellenpaket angeordneten Rohre. Die 180°-Rohrbögen werden mit den U-Bögen verlötet, um so ein Rohrleitungssystem mit mehreren Kältemittelrohren zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs zu erhalten. Üblicherweise kommen Wärmetauscher mit einer gleichen Anzahl an Kältemittelkreisen zum Einsatz. Um den Druckverlust im Wärmetauscher zu begrenzen sind auch sogenannte mehrkreisige Wärmetauscher bekannt. Dabei sind die Wärmetauscher mit einer gleichen Anzahl an Kältemittelkreisen bzw. parallel vom Kältemittel durchströmten Kältemittelleitungen ausgebildet. Dies führt dazu, dass insbesondere bei einer großen Unterkühlung des Kältemittels sehr geringe Massenstromdichten vorliegen und somit schlechtere innere Wärmeübergänge zu den Lamellen. Um die gewünschte Unterkühlung zu erreichen, werden sehr viele Kältemittelrohre benötigt, was zu einer großen Kältemittelmenge und hohen Materialkosten führt. Die benötigten Verteiler sind kostenintensiv und halten ebenfalls eine relativ hohe Kältemittelmenge vor.
Außerdem sind sogenannte Mehrkreisverdampfer bekannt, bei denen Kältemittel mittels eines Verteilers über mehrere Verteilerkanäle zu den entsprechenden einzelnen Kreisen der Mehrkreisverdampferanordnungen gelangt ( DE 43 33 421 C2 ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmetauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät, ein Rohrverbindungselement und eine Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Überführung des Kältemittelstroms in mindestens zwei parallel durchströmte Kältemittelrohrabschnitte eine Verbesserung der Energieeffizienz erreicht wird. Es ist besonders vorteilhaft, dass dadurch die Gesamtzahl der die Lamellen des Wärmetauschers durchsetzenden Kältemittelrohrabschnitte verringert werden kann und so Material – und Herstellkosten reduziert werden können. Eine Optimierung der Kältemittelströmung wird durch die besondere Ausbildung eines Rohrverbindungselements mit y-förmig zu einem Anschlussrohr angeordneten Rohrbögen erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Wärmetauscheranordnung für eine Wärmepumpeneinrichtung,
2 eine erste Variante der Verschaltung der Kältemittelrohrabschnitte innerhalb des Wärmetauschers,
3 eine zweite Variante der Verschaltung der Kältemittelrohrabschnitte innerhalb des Wärmetauschers,
4 eine Ansicht eines Wärmetauscherblocks gemäß einer ersten Variante für die Verschaltung der Kältemittelrohrabschnitte,
5 eine perspektivische Darstellung eines Rohrverbindungselementes,
6 das Rohrverbindungselement 5 in der Draufsicht
7 eine Teilansicht eines Wärmetauscherblocks mit einer weiteren Ausführungsform des Rohrverbindungselements 5,
8 die Ausführungsform des Rohrverbindungselements 5 gemäß 7 in der Draufsicht,
9 eine perspektivische Darstellung eines Rohrverbindungselementes gemäß 7.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpeneinrichtung 1 für ein Haushaltgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel. In 1 handelt es sich bei dem Haushaltgerät um einen beispielhaften Wäschetrockner mit einer Wärmepumpeneinrichtung 1. Es kann sich bei dem Haushaltsgerät auch um ein beliebiges anderes Gerät handeln, das im Haushalt eingesetzt wird und in dem ein Kältemittel als Arbeitsmedium eingesetzt wird, beispielsweise eine Waschmaschine oder eine Geschirrspülmaschine.
Der Aufbau von Wärmepumpeneinrichtungen für Wäschetrockner ist allgemein bekannt und wird hier nicht näher beschrieben. Die Wärmepumpeneinrichtung 1 weist einen den Verflüssiger bildenden ersten Wärmetauscher 2 und einen den Verdampfer bildenden zweiten Wärmetauscher 3 auf. Die hier nicht näher dargestellten Lamellen der Wärmetauscher 2, 3 sind quer zur Strömungsrichtung der über die Wärmetauscher 2, 3 geführten Prozessluft PL eines Wäschetrockners mit Kältemittelrohren 4 durchsetzt sind. Die Kältemittelrohre 4 sind in bekannter Weise als lange U-förmige Rohre durch einen Block aufeinanderliegender Lamellen geschoben und anschließend aufgeweitet, um einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Der Durchflussweg des Kältemittels durch einen Wärmetauscher 2, 3 wird durch Verbinden der U-Bögen mit 180°-Rohrbögen auf der offenen U-Bogenseite erreicht. Dadurch ergibt sich eine Verschaltung der in dem Lamellenpaket angeordneten Kältemittelrohre. Die 180°-Rohrbögen werden mit den U-Bögen verlötet, um so ein Rohrleitungssystem mit mehreren Kältemittelrohren 4 zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs zu erhalten.
Im Folgenden wird der Kältemittelkreislauf und die Führung des Kältemittelstroms ausgehend von der Hochdruckseite HD des hier nicht dargestellten Kompressors der Wärmepumpeneinrichtung 1 über die Kältemittelrohre 4 des ersten Wärmetauschers 2 beschrieben. Das Kältemittel tritt bei diesem Ausführungsbeispiel über mindestens zwei parallel durchströmte Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte gasförmig in den den Verflüssiger der Wärmepumpeneinrichtung 1 bildenden ersten Wärmetauscher 2 ein. Im Verflüssiger nimmt die Dichte des Kältemittels beim Durchströmen des Wärmetauschers 2 zu, das Kältemittel wird enthitzt und der Flüssiganteil des Kältemittels nimmt in Strömungsrichtung KM zu. Mit zunehmender Dichte sinkt die Strömungsgeschwindigkeit. An geeigneter Stelle im Strömungsweg ist deshalb ein Rohrverbindungselement 5 angeordnet, welches den Kältemittelstrom aus den parallel durchströmten Kältemittelrohren 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte in eine gemeinsame Kältemittelleitung überführt. Dabei wird der Strömungsquerschnitt sowie die Anzahl der Kältemittel führenden Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte reduziert. Diese erste Variante der Verschaltung der Kältemittelrohrabschnitte innerhalb des Wärmetauschers 2 ist in 2 schematisch dargestellt. Ausgehend vom Verflüssiger strömt das Kältemittel über einen Kältemitteltrockner 6 und eine Kapillare 7 in mindestens ein Kältemittelrohr 4 des den Verdampfer der Wärmepumpeneinrichtung 1 bildenden zweiten Wärmetauscher 3. Im Verdampfer nimmt die Dichte des Kältemittels in Strömungsrichtung KM des Kältemittels zu. An geeigneter Stelle im Strömungsweg ist deshalb ein Rohrverbindungselement 5 angeordnet, welches den Kältemittelstrom aus der hier gezeigten einen Kältemittelleitung in zwei parallel durchströmte Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte überführt. Der Kältemittelkreislauf schließt, indem das Kältemittel zur Niederdruckseite ND des Kompressors geleitet wird.
In 3 ist eine weitere Variante für eine Verschaltung der Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte innerhalb des Wärmetauschers 2, 3 schematisch dargestellt. 3 zeigt auf der Kältemitteleintrittsseite vier parallel durchströmte Kältemittelrohre 4 die hier über Rohrverbindungselemente 5 an geeigneter Stelle in zwei Kältemittelleitungen und dann in Richtung Austrittsseite über ein weiteres Rohrverbindungselement in eine austretende Kältemittelleitung überführt werden. Die Verschaltung der Kältemittelrohre 4 ist in einer ersten Variante in dem den Verdampfer bildenden Wärmetauscher 3 der Wärmepumpeneinrichtung entsprechend umgekehrt, also symmetrisch ausgelegt. Je nach Auslegung der Wärmepumpeneinrichtung, kann aber auch eine asymmetrische Verschaltung der Kältemittelrohre 4 vorteilhaft sein. Mit asymmetrisch ist hier beispielsweise gemeint, dass die Kältemittelrohre 4 innerhalb eines Wärmetauschers 2, 3 von einer 4-2-1 Verschaltung, wie sie in 3 gezeigt ist auf eine 1-2 Verschaltung, wie sie in 2 gezeigt ist, überführt werden. Weitere Varianten der Verschaltungen der Kältemittelrohre 4 sind in Abhängigkeit der Gesamtzahl der erforderlichen Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte und Größe der Wärmetauscher 2, 3 möglich.
4 zeigt einen Wärmetauscherblock bestehend aus Verdampfer und Verflüssiger gemäß der schematischen Darstellung in 1. Mit 4.1 sind die U-Bögen bezeichnet, die die Kältemittelrohre 4 zu einem Rohrleitungssystem verbinden. Ein Rohrverbindungselement 5 verbindet hier zwei parallel durchströmte Kältemittelleitungen zu einer einzigen weiterführenden Kältemittelleitung. Das Rohrverbindungselement 5 ist in Strömungsrichtung des KM angeordnet und übernimmt im Verflüssiger die Funktion eines Kältemittelsammlers, indem es mindestens zwei Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte zu einer weiterführenden Kältemittelleitung verbindet. Im Verdampfer übernimmt das Rohrverbindungselement die Funktion des Verteilers, indem es den Kältemittelstrom aus einer Kältemittelleitung auf zwei weiterführende Kältemittelleitungen (Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte) verteilt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine symmetrische 2-1 Verschaltung von Verdampfer und Verflüssiger dargestellt. So ist je Wärmetauscher 2, 3 ein Rohrverbindungselement 5 vorgesehen. Je nach Auslegung der Wärmepumpeneinrichtung 1 bezüglich Zahl der Kältemittelrohre 4 und Größe der Wärmetauscher 2, 3 können aber auch mehrere Rohrverbindungselemente 5 symmetrisch oder asymmetrisch auf den Verdampfer und Verflüssiger verteilt vorgesehen werden.
In 5 ist das Rohrverbindungselement als Einzelheit perspektivisch dargestellt. Das Rohrverbindungselement 5 verbindet zwei parallel vom Kältemittel durchströmte Kältemittelrohre 4 bzw. Kältemittelrohrabschnitte zu einer weiterführenden Kältemittelleitung. Dabei werden zwei Rohrbögen 8 zu einem Anschlussrohr 9 zusammengeführt. Die Rohrbögen 8 werden vorzugsweise Y-förmig zu einem Anschlussrohr 9 zusammengeführt. Das Anschlussrohr 9 kann je nach Positionierung des Rohrverbindungselements 5 innerhalb des Wärmetauschers 2, 3 bzw. im Strömungsabschnitt des Kältemittelstroms mit kleinerem, gleichem oder größerem Rohrquerschnitt als die zuführenden bzw. abführenden Kältemittelrohre 4 ausgebildet sein. Die Y-förmige Zusammenführung ist strömungsoptimiert ausgebildet, wobei die Rohrbögen 8 vorzugsweise unter einem Winkel von bis zu 45° bezogen auf die Achse des Anschlussrohres 9 angestellt sind (siehe 6). Durch die winklige Anstellung der Rohrbögen 8 wird das Kältemittel widerstandsarm geführt, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung in den Strömungslinien der Kältemittelrohre 4 führt. Die Biegeradien der Rohrbögen 8 sind strömungsoptimiert vorzugsweise in einem Biegeverhältnis von Rohrdurchmesser x 1,8 bis 2,2 ausgebildet.
7 zeigt eine Teilansicht eines Wärmetauscherblocks mit einer weiteren Ausführungsform eines Rohrverbindungselements 5. Dieses Rohrverbindungselement 5 kann alternativ zu dem in 4 gezeigten Verbindungselement T eingesetzt werden. Das Rohrverbindungselement 5 ist in der 8 als Einzelheit in der Draufsicht dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Rohrbögen 8 und das Anschlussrohr 9 ebenfalls y-förmig vorzugsweise unter einem Winkel von 120° zueinander angeordnet. Bezogen auf die durch das Anschlussrohr 9 führende Symmetrielinie S ist auch ein Winkel von 90–150° möglich. 9 zeigt eine perspektivische Darstellung des Rohrverbindungselements gemäß 8. Das Anschlussrohr 9 und die Rohrbögen 8 sind bogenförmig derart ausgeführt, dass die Anschlussenden 8‘ und 9‘ der Rohrbögen 8 auf einer gemeinsamen Anschlussebene, die zum Beispiel durch eine Wandfläche des Wärmetauschers gebildet wird, liegen. Durch die winklige Anstellung der Rohrbögen 8 und des Anschlussrohres 9 wird das Kältemittel widerstandsarm zu- bzw. abgeführt. Das Kältemittel wird dadurch gleichmäßiger auf die Kreise verteilt bzw. aus den Kreisen abgeführt und der Druckverlust ist kleiner. Um eine geringe Bauhöhe bezogen auf die Anschlussebene zu erreichen, sind die Biegeradien der Rohrbögen 8 und des Anschlussrohres strömungsoptimiert vorzugsweise in einem Biegeverhältnis von Rohrdurchmesser x 1,3 ausgebildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19709176 A1 [0003]
DE 4333421 C2 [0005]

Claims

Wärmetauscher für einen Kältemittelkreis einer Wärmepumpeneinrichtung (1) für ein Haushaltsgerät, wobei der Wärmetauscher (2, 3) ein Rohrleitungssystem bestehend aus miteinander über Rohrverbindungselemente verbundenen Kältemittelrohren (4) zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs zum Leiten eines Kältemittelstroms durch den Wärmetauscher (2, 3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Kältemittelstroms durch den Wärmetauscher (2, 3) mindestens ein Rohrverbindungselement (5) angeordnet ist, welches den Kältemittelstrom in mindestens zwei parallel durchströmte Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) überführt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der parallel durchströmten Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) in Strömungsrichtung des Kältemittels mittels des Rohrverbindungselements (5) reduziert oder erhöht wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, der einen Verflüssiger der Wärmepumpeneinrichtung (1) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der parallel durchströmten Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) in Strömungsrichtung des Kältemittels mittels des Rohrverbindungselements (5) reduziert wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, der einen Verdampfer der Wärmepumpeneinrichtung (1) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der parallel durchströmten Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) in Strömungsrichtung des Kältemittels mittels des Rohrverbindungselements (5) erhöht wird.
Wärmetauscher nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrverbindungselement (5) die Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) Y-förmig zu einem Anschlussrohr (9) in eine weiterführende Kältemittelleitung zusammenführt.
Wärmepumpeneinrichtung (1) für ein Haushaltsgerät umfassend einen den Verflüssiger bildenden ersten Wärmetauscher (2) und einen den Verdampfer bildenden zweiten Wärmetauscher (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) innerhalb der Wärmetauscher (2, 3) symmetrisch zueinander ausgelegt ist.
Wärmepumpeneinrichtung für ein Haushaltsgerät umfassend einen den Verflüssiger bildenden ersten Wärmetauscher (2) und einen den Verdampfer bildenden zweiten Wärmetauscher (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung der Kältemittelrohre bzw. Kältemittelrohrabschnitte (4) innerhalb der Wärmetauscher (2, 3) asymmetrisch zueinander ausgelegt ist.
Rohrverbindungselement (5) für einen Wärmetauscher nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch, y-förmig zu einem Anschlussrohr (9) angeordnete Rohrbögen 8.