DE2947807C2 - Wärmetauscher in Kältemittelkreisläufen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Kältemittelkreisläufen, wie sie in Kälteanlagen verschiedenster Art benötigt werden. Solche Kälteanlagen verwenden insbesondere für tiefe Temperaturen Wärmetauscher mit einem zylindrischen Behälter mit senkrechter Achse, in dem eine Rohrwendel koaxial angeordnet ist, die einen senkrechten zylindrischen Hohlkörper umgibt.

Ein solcher Wärmetauscher ist aus der US-PS 23 80 029 bekannt. In de*, daraus bekannten Vorrichtung wird u. a. flüssiges Kühlmittel verwendet, das dort über eine Verteilerplatte nahe dem ot jren Ende in den Behälter eingeführt wird. Der zylindrische Hohlkörper im Zentrum des Behälters kann jedoch nicht als Sammler dienen und weist auch keine Verbindung nach außen auf.

τ Aufgabe der Erfindung ist es, den Raumbedarf von Wärmetauscher und Sammler in einer Kälteanlage zu verringern bzw. im gleichen Raum eine größere Kälteleistung unterzubringen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im im Kennzeichen des Hauptanspruches enthaltenen Merkmale. Eine Weiterbildung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.

Mit der Erfindung wird vor allem der Vorteil erreicht, daß der Raumbedarf entscheidend verringert wird oder bei gleichem Volumen eine größere Wärmeübertragungsleistung unterzubringen ist. Der Raumbedarf des gesamten Wärmetauschers ist nicht größer als bei einem herkömmlichen Druckausgleichsgefäß.

Im Gegensatz zu bekannten Wärmetauschern, die mit sehr großen Rohrlängen arbeiten müssen, wenn sie eine hohe Kälteleistung übertragen wollen, und die dadurch bedingt große Druckabfälle in den großen Rohrlängen aufweisen, ist dies bei der Erfindung nicht nötig. Dadurch läßt sich ein solcher Wärmetauscher auch leichter herstellen. Es ist dafür gesorgt, daß das Kältemittel von oben nach unten strömt, und in allen Bereichen des Bef triebs eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit aufweist, um eine ölrückführung auch bei tiefen Temperaturen zu gewährleisten.

Besonders vorteilhaft ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung die günstige ölrückführung des verdampfenden oder siedenden Kältemittels im Bereich der Mischungslücke des Öls mit dem jeweiligen Kältemittel, die allein durch die Schwerkraft und eine definierte Strömungsgeschwindigkeit in jedem Betriebszustand gewährleistet ist. Der zylindrische Hohlkörper im Innern des Wärmetauschers gewährleistet eine günstige Zwangsströmung. Die Rohrwendel, die den Hohlkörper umgibt, ist leicht herzustellen und kann so gewählt werden, daß sie relativ große Strömungsquerschnitte aufweist, wodurch sich ein äußerst geringer Druckabfall ergibt

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeisniele der Erfindung rein schematisch dargestellt Es zeigt
F i g. 1 einen Wärmetauscher mit zylindrischem Hohlkörper als Flüssigkeitssammler, oben offen, sowie mit einem Kältemitteleinlaß im Bereich der unteren Hälfte des Ringraums,

F i g. 2 einen Wärmetauscher ähnlich F i g. 1 mit topfförmigem Hohlkörper und oberem Kältemitteleinlaß, F i g. 3 eine Ausführung ähnlich F i g. 2 mit umgekehrtem Kältemitteldurchfluß durch die Rohrwendel,

F i g. 4 eine Ausführung ähnlich F i g. 2 mit oben geschlossenem Hohlkörper.
Bei der Ausführung des Wärmetauschers nach F i g. 1 weist eine Rohrwendel 2 oder ein Rohrbündel des Verdampfers eines Kältemittelkreislaufs eine Zuleitung 1 auf für das Kältemittel in flüssiger Form, wobei übliche kondensier- und verdampfbare Kältemittel (vergleiche DIN-Normen) anwendbar sind.

Besonders bewgbrt haben sich Fluorkohlenwasserstoffe. Der Verdampfer der Rohrwendel 2 weist eine Rückleitung 3 auf, die das gasförmige Kältemittel wieder einem Kreislauf zuführt.
Zentral und senkrecht angeordnet innerhalb eines Raumes, der von der Innenwand 8 des Gehäuses des Wärmetauschers begrenzt ist, ist der zylindrische Hohlkörper 5, hier oben offen, angeordnet, welcher für eine Zwangsströmung sorgt Der Hohlkörper ist als Flüssigkeitssammler ausgebildet und weist im Bereich seines unteren Endes, d.h. in Bodennähe des von der Innenwand 8 begrenzten Innenraums des Wärmetauschers und in der Nähe des Auslasses 7, kieine Durchlässe 10 in Form von Bohrungen — üoer den Umfang verteilt — auf, welche dem Rücklauf der kondensierenden Flüssigkeit (Kältemittel) und öl dienen. Es bildet sich daher im Wärmetauscher ein Flüssigkeitsspiegel 6 des Kältemittels aus, der sowohl im Flüssigkeitssammler, d. h. innerhalb des Hohlkörpers 5, als auch im ihn umgebenden Ringraum des Wärmetauschers vorhanden ist. Die öffnungen 10 weisen eine Durchtrittsfläche auf, die so klein ist, daß sie für gasförmiges Medium (Kältemittel) einen Strömungswiderstand darstellt der größer ist als derjenige für flüssiges Medium.
Die Durchlässe 10 im Ringraum zwischen Wärmetauscher-lnnenwand 8 und Rohr 5 des Hohlkörpers sind andererseits so dimensioniert, daß sie den Massenstrom des auskondensierten, flüssigen Mediums (Kältemittel) durchlassen. Die Durchlässe 10 sind in dem Hohlkörper 5 so tief angebracht (im unteren Drittel), daß sie immer von dem Flüssigkeitsspiegel 6 bedeckt sind (auch im Betrieb). Der Flüssigkeitsspiegel kann im Ruhezustand nahe dem oberen Ende des Hohlkörpers 5 liegen. An der tiefsten Stelle des Hohlkörpers 5 ist ein Auslaß 7 für das kondensierte flüssige Kältemittel, das im Hohlkör· per 5 gesammelt wurde, angeordnet zur Rückführung in seinen Kreislauf. Gasförmig war es in den Innenraum 8 an dessen unteren Ende eingetreten. Der Behälter des Wärmetauschers ist doppelwandig ausgebildet und weist zwischen der Innenwand 8 und der Außenwand 12 eine thermische Isolationsschicht 9 auf, d. h der Zwischenraum kann z. B. durch einen Isolationsstoff ausgeschäumt sein. Der Behälter des Wärmetauschers weist noch einen Einlaß 4 in der unteren Hälfte des Innen-

raums auf, durch den das bei 7 austretende Kältemittel gasförmig eintritt und durch den Ringraum zwischen dem Hohlkörper 5 und dem Innenbehälter 8 nach oben steigt. Die Strömungsrichtungen der Kältemittel in den zwei verschiedenen Kreisläufen sind in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet.

Die Rohrwendel 2 für den ersten der beiden Kältemittelkreisläufe bestfht vorzugsweise aus Kupfer, wobei die einzelnen Rohrwindungen, weiche gewendelt sind, noch mit im wesentlichen senkrechten Rippen zum besseren Wärmeübergang versehen sind. Die Rohrwendel 2 wird durchflossen von einem Kältemittel, das im Ausführungsbeispiel für einen Temperaturbereich zwischen — 150⁰C bis + 100"C ausgewählt wird und für Druckbereiche zwischen Vakuum bzw. etwa 0,2 bar bis ungefähr 25 bar. Ein typisches Kältemittel hat ein flüssiges Volumen von ca. einem Tausendstel seines gasförmigen Volumens und ist z. B. in DIN 8962 sowie VBG 20 genannt. Für das Kältemittel des zweiten Kreislaufs wird ein gleiches, bevorzugt jedoch ein unterschiedliches Kältemittel gleicher Art gewählt, d. h. im Ausführungsbeispiel ein Kältemittel mit anderem Kondensations- und/oder Verdampfungspunkt

Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 unterscheidet sich von demjenigen nach F i g. 1 besonders dadurch, daß der Eingang des Kältemittels 4 zentral am oberen Ende des domförmigen Bereichs der Innenwand 8 des Wärmetauscherbehälters mündet und das Kältemittel dort, z. B. in Gasform gemäß Pfeilrichtung eingeführt wird.

Im Unterschied zu F i g. 1 ist der Hohlkörper 5a bei dieser Ausführung noch an seinem oberen Ende geschlossen, so daß also der Hohlkörper 5a kein Rohr, sondern einen Topf oder eine Büchse darstellt. In der Decke dieses Hohlkörpers 5a ist noch eine kleine Öffnung 11, bevorzugt zentral, vorgesehen, die dem Druckausgleich dient und im Millimeterbereich liegt, z. B. 2 mm Durchmesser aufweist Während bei der Ausführung nach F i g. 1 die Strömungsrichtung der Kältemittel in den Kreisläufen einander entgegengesetzt war, ist sie im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 gleich gerichtet (Gleichstrom).

Bei der Ausführung nach F i g. 3 ist gegenüber der F i g. 2 lediglich die Strömungsrichtung für das die Rohrwendel 2 durchströmende Kältemittel umgekehrt worden, d. h, daß der Wärmetauscher nach F i g. 3 ebenfalls im Gegenstromprinzip betrieben wird (wie F i g. 1).

Bei der Ausführung nach F i g. 4 ist der Aufbau wiederum ähnlich F i g. 2 und H i g. 3, jedoch mit dem Unterschied, daß ein Hohlkörper 5b oben, d. h. an seiner Dekke, vollständig geschlossen ist. Diese Ausführungsform kann für bestimmte ausgewählte Druckbereiche der Kältemittelkreisläufe durchaus genügen. Der Betrieb des Wärmetauschers nach F i g. 4 erfolgt wie bei F i g. 2 im Gleichstrom. |

Im Betrieb bildet der Innenraum der Rohrwendel 2 die Verdampferseite des Wärmetauscher.«. Mit Vorteil weist die Rohrwendel ein definiertes Gefälle nach unten auf (entsprechend der Schraubenlinienform bzw. -Steigung). Der Querschnitt der Rohr 2 kann beliebig, je nach gewünschtem Durchsatz, ausgelegt werden. Der Druckwiderstand hält sich dadurch in erträglichen Grenzen und die ölrückführung ist in jedem Falle gewährleistet. Der Kondensationsraum des Wärmetauschers wird gebildet durch die Innenwand 8 des druckfesten Behälters, der zusammen mit dem Hohlkörper 5 die Zwangsströmung des kondensierenden Kältemittels gewährleistet. Während bei der Ausführung nach F i g. 1 gasförmiges Kältemittel immer an der Innenwand 8 aufwärts strömt, wird kondensiertes flüssiges Kältemittel abwärts laufen und über die Durchlässe 10 mit dem inneren Flüssigkeitssammelraum des Hohlkörpers 5 in Verbindung stehen und damit auch mit dessen Auslaß 7 für den Rückstrom in den Kältemittelkreislauf. Sobald sich an der Innenwand 8 des Behälters Flüssigkeit gebildet hat, sind die Öffnungen 10 geschlossen und nach dem hydraulischen Prinzip kann das kondensierende Kältemittel in Gasform nur aufwärts strömen.

Der das flüssige Kältemittel sammelnde Hohlkörper 5 ist in vorteilhafter Weise so ausgelegt, daß er das gesamte im Kreislauf befindliche Käkemittel in flüssiger Form aufnehmen kann. Die senkrechte oder auch stehende Anordnung des Wärmetauschers und des darin angeordneten Hohlkörpers 5 ergibt den einfachsten Einbau. Wenn der Einlaß 1 und der Auslaß 3 des Kältemittels eines zweiten Kreislaufs einander abgekehrt auf der gleichen Mittelachse des Wärmetauschers am höchsten bzw. am tiefsten Punkt des BehäiuTS angeordnet sind, ergibt sich eine besonders günstige Leitungsauslegung. Die Verdampfer- oder Kondensatorseite des Wärmetauschers wird nach den jeweiligen Erfordernissen ausgelegt.

Wie ersichtlich, ist der zylindrische Hohlkörper, der als Sammler dient, wenigstens einseitig offen (F i g. 2 bis 4) oder beidseitig offen (Fig. 1). In allen Figuren sind jedoch gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Eingang (gasförmig) ist in F i g. 1, rechts unten mit 4 bezeichnet, während er in den F Ί g. 2 bis 4 auf der senkrechten Mittelachse des Behälters dem Auslaß 7 gegenüberliegend angeordnet ist und als Eingang für Gas von oben dient.

Die Ausführungen der F i g. 1 und 3 sind für den Wärmetausch im Gegenstromprinzip ausgelegt, während die F i g. 2 und 4 für einen Wärmetausch im Gleichstromprinzip ausgebildet sind. Die Ausbildung ist derart, daß kondensierendes Kältemittel stets an der Innenwand 8 abwärts strömt, während gasförmiges Kältemittel an dieser aufwärts strömt Die (Zwangs-)Strömung wird dadurch beeinflußt, daß eine Verdrängung im Ringraum des Behälters 8, der den Hohlkörper 5 (Flüssigkeitssammler) umgibt, stattfindet. Die Temperatur der Rohrwendel hängt von der Temperatur des diese durchströmenden Kältemittels ab.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher in Kältemittelkreisläufen, insbesondere für tiefe Temperaturen, der aus einem zylindrischen Behälter mit senkrechter Achse besteht, in dem eine Rohrwendel koaxial angeordnet ist, die einen senkrechten zylindrischen Hohlkörper umgibt, der wenigstens eine Verbindung nach außen besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Bereich des zylindrischen Hohlkörpers (5) durch kleine Öffnungen (10) mit dem die Rohrwendel (2) aufnehmenden Ringraum verbunden ist.

Z Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (10) einen hohen Strömungswiderstand für gasförmiges Kältemittel e und einen niedrigen Strömungswiderstand für flüssiges Kältemittel besitzen.