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Die Erfindung betrifft einen Trockenexpansionsverdampfer für Ammoniakkälteanlangen.
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Gattungsgemäße Trockenexpansionsverdampfer finden beispielsweise in Kälte- und Kühlanlagen bei Lagerhäusern, Kühlhäuser und für die Klimatisierung Anwendung.
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Ammoniakkälteanlagen werden wieder verstärkt in Industrie, Handel und Gewerbe eingesetzt. Ammoniak als Kältemittel wird als R717 bezeichnet, ist ein natürliches Kältemittel und besitzt keinen direkten Treibhauseffekt (GWP) sowie darüber hinaus auch kein Ozonabbaupotential (ODP). Somit werden zur Substitution von klimaschädlichen FCKW-Kältemitteln vielfältige Anstrengungen unternommen, um Ammoniak als Kältemittel verstärkt wieder einzusetzen.
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Allerdings wird, um einen effizienten Betrieb der Ammoniakkälteanlagen zu gewährleisten, in den Ammoniakkälteanlagen mit sogenannten gefluteten Verdampfern gearbeitet. Der überflutete Betrieb der Verdampfer führt zu großen Kältemittelfüllmengen und darüber hinaus zu einem hohen Platzbedarf für den Flüssigkeitsabscheider nach dem Verdampfer.
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Aufgrund der toxischen Eigenschaften des Ammoniaks sowie der angeführten technischen Erfordernisse, werden vermehrt Anstrengungen unternommen, um die Füllmenge der Anlagen zu reduzieren. Dies ist beispielsweise möglich, wenn die Ammoniakkälteanlagen im sogenannten Trockenexpansionsbetrieb betrieben werden.
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Bei der Betriebsart Trockenexpansion wird der Verdampfer der Ammoniakkälteanlage permanent von dem 2-Phasen-Gemisch des Kältemittels durchströmt. Dabei wird das Kältemittel vollständig im Verdampfer der Kälteanlage verdampft. Nachfolgend wird das gasförmige, trockene Kältemittel vom Verdichter angesaugt und nach der Verdichtung weiter im Kreislauf geführt.
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In Ammoniakkälteanlagen wird Kältemaschinenöl dem Kältemittel zugesetzt mit dem Ziel, bewegte Maschinenteile des Verdichters zu schmieren sowie innerhalb des Verdichters eine Abdichtung der druckaufbauenden Bereiche zu erreichen. Weiterhin wird durch das Kältemaschinenöl die im Schmierspalt entstehende Wärme abgeführt. Um einen reibungsarmen Betrieb des Verdichters zu gewährleisten, muss das Kältemaschinenöl in entsprechender Dosierung ständig dem Verdichter zugeführt und im Kreislauf gehalten werden.
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Weiterhin wird, um vereiste Verdampfer in Ammoniakkälteanlagen abzutauen, durch einen Umkehrbetrieb der Kälteanlage eine Heißgasabtauung zur Erhitzung und Eisabschmelzung des Verdampfers in Kältemittel-Luft-Kälteanlagen angewendet. Dies führt erschwerend dazu, dass Kältemittel im Verdampfer kondensiert und flüssiges Kondensat sich im Verdampfer ansammeln kann.
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Allerdings ist insbesondere bei der Anwendung der sogenannten Heißgasabtauung im Stand der Technik wie erwähnt der Nachteil bekannt, dass im Verdampfer Kondensat entsteht, welches sich im unteren Teil des Verdampfers ansammelt und dort verbleibt. Dies ist insbesondere aus dem Sammlerdesign mit erhöhtem Saugstutzen des Verdampfers konstruktionsbedingt abgeleitet, wodurch zum Teil nur eine ungenügende Abtauung des vereisten Verdampfers möglich ist.
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Weiterhin nachteilig ist, dass sich das Kältemittel Ammoniak relativ schlecht mit dem Kältemaschinenöl mischt.
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Im Trockenexpansionsbetrieb der Ammoniakkälteanlage wird annähernd mischbares Öl dem Kältemittel Ammoniak zugesetzt. Das Öl setzt sich in der vorliegenden Gasphase des Ammoniaks in den Komponenten der Kälteanlage an den jeweils tiefsten Stellen ab.
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Somit führt dieser Effekt bei Ammoniakkälteanlagen zu dem Risiko der Ansammlung von Kältemaschinenöl am Verdampferaustritt in den untersten Rohrreihen. Wegen der Gefahr von Flüssigkeitsschlägen soll die Ansammlung von Kältemaschinenöl in bestimmten Anlagenbereichen reduziert und die betroffenen Bauteile entölt werden. Wird dieser Aspekt vernachlässigt, kann es bei Anstauung von Kältemaschinenöl im Verdampfer zu einer schwallartigen Ansaugung des Flüssigkeitsgemisches durch den Verdichter kommen. Dadurch entsteht die Gefahr der Flutung des Kompressorraumes mit Öl, was zur Zerstörung des Verdichters durch Flüssigkeitsschläge führen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdampfer für Ammoniakkälteanlagen für den Trockenexpansionsbetrieb derart auszubilden, dass die Gefahr der Flüssigkeitsschläge für den Verdichter reduziert wird.
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Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Schutzanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen Trockenexpansionsverdampfer für Ammoniakkälteanlagen gelöst, welcher neben den üblichen Bestandteilen von Verdampfernmindestens mit einem Sammlerrohr und einem Austrittsrohr für das Kältemittelgas ausgestattet ist. Das Sammlerrohr und das Austrittsrohr sind erfindungsgemäß über einen Siphon miteinander verbunden. Der Siphon ist am Verdampferboden an der tiefsten Stelle des Trockenexpansionsverdampfers angeordnet.
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Ein Siphon ist allgemein ein geruchs- bzw. gasdichter, jedoch flüssigkeitsdurchlässiger Verschluss von Rohrsystemen und Gefäßen. Das Funktionsprinzip beruht auf einem S-förmigen Rohr, dessen untere Biegung stets mit Flüssigkeit gefüllt bleibt und damit den Durchlass von Gasen, beispielsweise Kanalgasen, verhindert.
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Bevorzugt ist der Siphon als flacher zylinderförmiger und stehender Behälter ausgebildet, der als untere Begrenzung einen ebenen geschlossenen Siphonboden aufweist. Die Seitenfläche wird durch einen kreiszylindrischen Siphonmantel gebildet. Die Siphondecke schließt den Siphon nach oben ab. In der Siphondecke sind Aussparungen das vertikale Sammlerrohr und das vertikale Einsteckende des Austrittsrohres angeordnet, die die Siphondecke von oben durchdringen.
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Vorteilhaft besteht das Austrittsrohr im Wesentlichen aus drei Bereichen, entgegen der Durchströmungsrichtung betrachtet, aus einem horizontalen Abschnitt mit einem Anschluss zum Saugstutzen des Verdichters hin, einem sich daran anschließenden Krümmer und einem vertikalen Abschnitt. Der vertikale Abschnitt besitzt endseitig ein Einsteckende, welches abgeschrägt ausgeführt ist. Mit dem Einsteckende ist das Austrittsrohr bis auf den Siphonboden in den Siphon eingesteckt.
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Bevorzugt ist das Einsteckende des Austrittsrohres im Siphon als Prallblech ausgebildet.
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Die Kältemittelverdampferrohre sind oberhalb des Siphons in das Sammlerrohr eingebunden, so dass der Siphon die tiefste Stelle des Verdampfers bildet. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung der Erfindung als Deckenverdampfer mit einer Leistung von 70 kW ausgeführt.
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Die Konzeption der Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen:
- Die Absaugung und Entölung des angestauten Kältemittels erfolgt am tiefsten Punkt des Verdampfers der Kälteanlage über einen Siphon, so dass eine größere Ansammlung von Kondensat und Kältemaschinenöl nicht entstehen kann. Der Siphon ist auf kleinstem Raum und sehr platzsparend im Vergleich zu herkömmlichen Abscheidern bei überfluteten Verdampfern ausgeführt. Der Siphon ist am unteren Ende des Kältemittelsammlers unterhalb der letzten Rohrreihe angeordnet und stellt somit den tiefsten Punkt des Verdampfers da, in dem sich das Kältemittel und das Kältemaschinenöl sammelt. Konstruktionsgemäß läuft Flüssigkeit im Verdampfer schwerkraftgetrieben bis zu diesem Punkt.
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Der Ansaugstutzen ist angeschrägt ausgeführt und wird senkrecht von oben in den Siphon eingesteckt und bis auf den Siphonboden geführt. Die eingesteckte Stutzenseite ist angeschrägt ausgeführt, um durch die Oberflächenspannung zwischen Rohr und Öl einen unterstützenden Effekt auf die Absaugung des Kältemittels sowie des Kältemaschinenöls zu erzielen. Dabei wirkt das eingesteckte Rohr zusätzlich als Prallblech, wodurch eine druckverlustarme Absaugung des gasförmigen Kältemittels aus dem Verdampfer ermöglicht wird.
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Die Vorteile der Erfindung sind vielgestaltig. So ist über den Siphon eine vollständige Absaugung des Kältemittels sowie Kältemaschinenöls aus dem Verdampfer erreichbar. Die Abtauzeiten für einen vereisten Verdampfer sind dadurch stark verkürzt, da der Verdampfer vollständig flüssigkeitsentleert ist und die Heißgasabtauung zeitlich sofort wirken kann. Im Weiteren wird eine temporäre Ölansammlung im Verdampfer vermieden und statt dessen eine kontinuierliche Ölabsaugung und damit eine stetige Ölzuführung zum Verdichter gewährleistet. Damit wird der Schutz des Verdichters vor einer schwallartigen Ölansaugung und Überflutung des Kompressorraumes realisiert.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: Seitenansicht Teilbereich Trockenexpansionsverdampfer,
- 2: Perspektivansicht Siphon mit Sammlerrohr und Austrittsrohr und
- 3: Seitenansicht des Siphons.
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In 1 ist ein Trockenexpansionsverdampfer 1 einer Ammoniakkälteanlage ausschnittsweise im Bereich des Verdampferbodens 4 dargestellt. Der Trockenexpansionsverdampfer 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sammlerrohr 2 für das austretende Kältemittelgas und das Austrittsrohr 3 für den Anschluss zum Ansaugstutzen des Verdichters der Kälteanlage über einen Siphon 5 fluidtechnisch miteinander verbunden sind. Das Kältemittelgas strömt vom Sammlerrohr 2 über den Siphon 5 in das Austrittsrohr 3 und wird nachfolgend vom Verdichter der Kälteanlage angesaugt. Flüssiges Kältemittel, beziehungsweise Kondensat, sowie flüssiges Kältemaschinenöl läuft schwerkraftgetrieben im Sammlerrohr 2 nach unten in den Siphon 5 und wird vom Gasstrom kontinuierlich mitgerissen.
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Der Siphon 5 ist am tiefsten Punkt des Trockenexpansionsverdampfers 1 angeordnet, um das sich absetzende Kältemittelöl und flüssiges Kältemittel kontinuierlich im Betrieb aus dem Verdampfer saugen zu können. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass sich keine Flüssigkeitsansammlungen im Trockenexpansionsverdampfer 1 bilden können.
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In 2 ist der Siphon 5 als Komponente des Trockenexpansionsverdampfers 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Das Sammlerrohr 2 ist vertikal angeordnet und endet im Siphon 5, sodass sich gegebenenfalls bildendes Kondensat des Kältemittels sowie Kältemittelöl im Siphon 5 sammeln. Aus dem Siphon 5 nach oben heraus ist das Austrittsrohr 3 für den Kältemitteldampf angeordnet, über welches das Kältemittel-Öl-Gemisch den Trockenexpansionsverdampfer 1 zum Ansaugstutzen des Verdichters der Kälteanlage hin verlässt.
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Beispielhaft sind Kältemittelverdampferrohre 6 gezeigt, welche vertikal angeordnet sind und in das Sammlerrohr 2 münden. Die untersten Kältemittelverdampferrohre 6 sind dabei oberhalb des Eingangs des Sammlerrohres 2 in den Siphon 5 angeordnet.
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In der perspektivischen Darstellung ist der Siphon 5 als flacher, zylinderförmiger Behälter gezeigt mit einem Durchmesser in der Summe der Durchmesser von Sammlerrohr 2 und Austrittsrohr 3.
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In 3 ist der Siphon 5 als Detail und vergrößert in der Seitenansicht gezeigt.
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Der Siphon 5 besteht aus einem kreiszylindrischen Siphonmantel 10, dem ebenen Siphonboden 9 und der durchbrochenen Siphondecke 11. Der vertikale Teil des Austrittsrohres 3 ist unten angeschrägt in den Siphon 5 von oben eingesteckt und bis zum Siphonboden 9 geführt. Das unterste Kältemittelverdampferrohr 6 ist oberhalb des Siphons 5 in das Sammlerrohr 2 eingeführt, so dass der gesamte Kältemittelvolumenstrom durch den Siphon 5 hindurchgeführt wird. Dabei erfährt der Kältemittelvolumenstrom eine Umlenkung um 180° vom Eintritt in den Siphon 5 vom Sammlerrohr 2 zum Austritt aus dem Siphon 5 durch das Einsteckende 7 des Austrittsrohres 3. Der Kältemittelstrom erfährt eine weitere Umlenkung im Bereich des Krümmers 8 um 90° und verlässt in horizontaler Richtung das Austrittsrohr 3 in Richtung des nicht dargestellten Verdichters.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trockenexpansionsverdampfer
- 2
- Sammlerrohr
- 3
- Austrittsrohr
- 4
- Verdampferboden
- 5
- Siphon
- 6
- Kältemittelverdampferrohr
- 7
- Einsteckende Austrittsrohr
- 8
- Krümmer
- 9
- Siphonboden
- 10
- Siphonmantel
- 11
- Siphondecke
