DE3606253C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für Klimaanlagen insbesondere in Automobilen, mit einer Vielzahl von horizontalen, gestapelten Verdampferplatten mit dazwischen angeordneten, gewellten Rippenelementen, die in Längsrichtung von Luft durchströmt sind.

Ein solcher Verdampfer ist in der US-PS 39 78 687 beschrieben. In dieser Druckschrift ist jedoch das Problem des Tautropfenniederschlags an den Verdampferplatten und an den Rippenelementen nicht angesprochen. Diese Tautropfen können mit der zirkulierenden Luft in den Innenraum eines Automobils gelangen. Angaben über die Dimensionierung der Rippenelemente fehlen.

In "Lehrbuch der Kältetechnik, Band 1, Seite 345, 346, 351 und 352" sind Beispiele für die geometrische Gestaltung von Verdampfern aufgeführt. Das Problem des Tropfenniederschlags wird auf Seite 352 nur kurz erwähnt. Zur Vermeidung des Mitreißens von Tröpfchen wird empfohlen, eine auf die Anströmfläche bezogene Luftgeschwindigkeit von 2,5 m/s nicht zu überschreiten.

Diese sehr niedrige Zulässigkeitsgrenze beschränkt entsprechend den Volumendurchsatz pro Flächeneinheit. Will man einen hohen Volumendurchsatz erreichen, wie er bei der Klimatisierung von Automobilen erwünscht ist, müssen die Verdampfer größer ausgelegt werden, was einen hohen Raumaufwand erfordert, der in Kraftfahrzeugen naturgemäß sehr begrenzt ist. Außerdem ist der Wärmeübergang bei diesen geringen Luftgeschwindigkeiten beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verdampfer der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß trotz des Auftretens von Tautropfenniederschlag im Verdampfer ein wesentlicher breiterer nutzbarer Luftgeschwindigkeitsbereich zur Verfügung gestellt wird, bei denen dennoch kein Wasserspritzen auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippenelemente einen Rippenabstand (fp) von 3,2 bis 4,0 mm und eine Rippenhöhe (H) von 14 bis 20 mm haben, und daß die Luftgeschwindigkeit zwischen den Verdampferplatten 6 m/s nicht überschreitet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Geometrie der Rippenelemente einen erheblichen Einfluß auf das Auftreten des Wasserspritzens, also des Ablösens von Tröpfchen, hat. Die hier gefundene Geometrie verringert die Kapillarkräfte, so daß der sich auf Grund des Tautropfenniederschlags bildende Wasserfilm nicht so hoch steigt wie bei den vorbekannten Verdampfern. Hierdurch vergrößert sich die wirksame Höhe der Rippenelemente und damit auch die Querschnittsfläche für die hindurchströmende Luft. Der erfindungsgemäße Verdampfer kann jetzt mit höheren Luftgeschwindigkeiten angeströmt werden, ohne daß es zu nennenswerten Tropfenablösungen kommt. Dabei wurde bei der geometrischen Gestaltung auch berücksichtigt, daß der Wärmeübergang an den Rippenelementen nicht verschlechtert wird.

Die Unteransprüche offenbaren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 die Vorderansicht eines Verdampfers mit teilweisen Weglassungen;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Flachrohrs und gewellten Rippenelements, die ein Rohrelement bilden;

Fig. 3 die Frontansicht eines Teils des gewellten Rippenelements in vergrößertem Maß;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 1;

Fig. 5 bis 7 Grafiken zur Darstellung der experimentellen Resultate.

Wie die Fig. 1 zeigt, hat der Verdampfer einen Innenteil (1), der eine Vielzahl von Rohrlementen (2) und gewellten Rippenelementen (3) zeigt, die abwechselnd in Stapelform angeordnet sind. Der Innenteil (1) wird durch eine obere Endplatte (5) und durch eine untere Endplatte (4) begrenzt, wodurch der Innenteil (1) abgedichtet wird.

Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, bestehen das oberste und das unterste Rohrelement (2) jeweils aus einer flachen, tablettförmigen Platte (2 a) aus Aluminium und einer flachen Platte. Jeder der anderen Rohrelemente (2) hat zwei tablettförmige Platten (2 a), die an ihren vier Kanten miteinander verbunden sind.

Die Bezugsziffer (7) bezeichnet einen ausgebauten Abschnitt, der als Behälter fungiert und mit Durchlässen (22) versehen ist. Die ausgebauchten Abschnitte (7) sind untereinander über ein Flachrohr (8) verbunden, in dem Innenrippen (19) vorgesehen sind. Das Flachrohr (8) bildet einen zusammenhängenden Fluidweg. Die Bezugsziffer (9) bezeichnet Mulden, die durch entsprechendes Biegen der gegenüberliegenden Seitenkanten jeder Platte gebildet werden, um dem Kondenswasser zu erlauben, aus dem Verdampfer herauszufließen. Die Mulden (9) haben Seitenwände (10), die so weit nach außen gebogen sind, daß deren weggebogenen Abschnitte (11) genau so hoch sind wie die Oberfläche des Flachrohrs (8). Die Bezugsziffer (24) bezeichnet einen Tauwasseraustritt, über den das Tauwasser aus dem Flachrohr (8) herausfließen kann. Die weggebogenen Abschnitte (11) sind an den gebogenen Rippenelementen (3) befestigt, wodurch die Seitenwände (10) zur Vermeidung schädlicher Verbiegungen oder Verkrümmung verstärkt werden. Ferner sind Verstärkungsrippen (12) vorgesehen, die dem Schutz der tablettförmigen Platten (2 a) im Bereich der ausgebauchten Abschnitte (7) gegen mögliches Auftrennen der dortigen Verbindung unter dem Druck des durchströmenden Fluids dienen.

Das in Fig. 3 dargestellte, gewellte Rippenelement (3) wird durch faltenförmiges Biegen einer Platte hergestellt, wodurch sich gebogene Abschnitte (3 b) und ebene Abschnitte (3 a) ergeben. Aus Fig. 4 ist zu ersehen, daß die Breite in Richtung der durch den Pfeil W angedeuteten Luftströmung im wesentlichen der des Rohrelements (2) entspricht und daß der Mittelabschnitt mit dem Flachrohr (8) verbunden ist, während die äußeren Abschnitte mit den weggebogenen Abschnitten (11) verbunden sind. Hierdurch liegen die gewellten Rippenelemente in Luftwegen. Die gewellten Rippenelemente (3) bestehen normalerweise aus Aluminium. Vorzugsweise werden zunächst Raster (3 c) von Vorsprüngen eingeprägt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung liegen der Rippenabstand (fp) und die Höhe (H) der gewellten Rippenelemente (3) innerhalb eines bestimmten Zahlenbereichs, und zwar der Rippenabstand (fp) im Bereich von 3,2 bis 4 mm und die Höhe im Bereich von 14 bis 20 mm. Zu diesen Bereichen ist man gekommen durch Beobachtung des Auftretens von Wasserspritzern im Innenteil (1), wobei eine Beziehung zwischen dem Grad des Wasserspritzens sowie dem Rippenabstand und der Rippenhöhe der gewellten Rippenelemente (3) hergestellt wurde. Während des Verdampfens entsteht nämlich auf den Rohrelementen (2) und den gewellten Rippenelementen (3) ein Kondensat und sammelt sich in den Mulden (9). Wenn die Menge mehr wird, so bewegen sich die Tropfen in Richtung des Luftstromes und verlassen den Verdampfer über die Tauwasseraustritte (24). Wenn die Menge des Kondensats die Kapazität der Mulden (9) überschreitet, steigt das überfließende Wasser durch Kapillarwirkung an allen ebenen Abschnitten (3 a), die durch die benachbarten Rippenwandungen begrenzt werden, hoch, so daß ein Wasserfilm (30) entsteht, der die Höhe (H) hat, wie aus den Fig. 3 und 4 zu ersehen ist. Auf Grund dieser Wasserfilme wird der Freiraum zwischen den ebenen Abschnitten (3 a) eingeengt, wodurch sich die Geschwindigkeit der hindurchtretenden Luft erhöht. Solange kein Wasserfilm vorhanden ist, beträgt die Luftgeschwindigkeit etwa 3 bis 4 m/s. Erhöht sich die Luftgeschwindigkeit auf 6 bis 7 m/s oberhalb des Wasserfilms, so werden Tautropfen mit dem Luftstrom mitgerissen, und es entstehen Spritzer. Dies wurde durch Experimente festgestellt.

Um ein Wasserspritzen zu vermeiden, muß die Fläche oberhalb des Wasserfilms (30) zwischen den ebenen Abschnitten (3 a) vergrößert werden, damit die Luftgeschwndigkeit auf 6 m/s oder weniger herabgesetzt wird. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, den Rippenabstand zwischen einem ebenen Abschnitt (3 a) und dem nächsten so zu vergrößern, daß sich die dort wirkenden Kapillarkräfte verringern. Dies hat zur Folge, daß die Höhe des Wasserfilms (30) geringer wird und sich die wirksame Höhe der gewellten Rippenelemente (3) vergrößert und damit auch die Querschnittsfläche für die hindurchströmende Luft. Durch Experimente wurde festgestellt, daß, wenn der Rippenabstand (fp) 3,2 mm und die Höhe (H) der Rippen (3) 14 mm oder mehr sind, die Spritzmenge minimiert wird. Wenn jedoch der Rippenabstand (fp) 4 mm überschreitet, verschlechtert sich der Wärmeübergang an den Rippen wegen der verringerten Wärmeübertragungsfläche verhältnismäßig stark. Wenn die Höhe (H) der Rippenelemente 20 mm überschreitet, verringert sich die Effizienz der Rippen. Zusätzlich wird die Effizienz der Rippen duch die reduzierte Anzahl der Rohrelemente (2) beeinträchtigt. Im Ergebnis liegt deshalb der optimale Bereich für den Rippenabstand und die Rippenhöhe innerhalb der obengenannten Werte.

Das Fluid strömt in den durch die Pfeile angegebenen Richtungen von einem Eintrittsrohr (13) über einen Einlaßkopf (14) in einem Zick-Zack-Weg durch das Innenteil (1) zu einem Auslaßkopf (15) und einem Austrittsrohr (16).

Ein typisches Ausführungsbeispiel ist nachstehend beschrieben.

Bei den Versuchen bezüglich des Verdampfers wurden vier Typen gewellter Rippenelemente (3) mit einem Rippenabstand (fp) von 2,8 mm, 3,2 mm, 3,6 mm und 4,0 mm und einer Höhe von 10 mm, 12 mm, 14 mm und 16 mm verwendet. Jeder Verdampfer wurde nach üblicher Art betrieben, und es wurde die Spritzwassermenge pro Stunde gemessen. Die Messungen wurden nach üblichen Methoden durchgeführt. Die Spritzwassermenge eines Verdampfers mit gewellten Rippenelementen, die einen Rippenabstand von 2,8 mm und eine Höhe von 12 mm hatten, wurde als Referenzwert von 100% genommen, mit dem die Spritzwassermenge, die bei den anderen Verdampfern auftraten, verglichen wurde. Die Ergebnisse sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.

Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, tritt nur ein geringes Wasserspritzen auf, wenn der Rippenabstand (fp) 3,2 mm oder mehr ist. Fig. 6 läßt erkennen, daß das Wasserspritzen gleichfalls gering ist, wenn die Höhe der Rippen 14 mm oder mehr ist.

Es wurde ein anderer Versuch durchgeführt, um zu ermitteln, wie die Wirksamkeit des Wärmeaustauschs im Verhältnis zur Höhe (H) der Rippen variiert. Hierzu wurde die Höhe der Rippen geändert, während die Wärmeaustauschrate beobachtet wurde. Die Ergebnisse sind aus Fig. 7 zu ersehen, wobei ein Referenzwert von 100% einer Rippenhöhe von 10 mm erhalten wurde. Wie deutlich zu sehen ist, verringert sich die Wärmeaustauschwirksamkeit beträchtlich, wenn die Rippen höher als 20 mm sind.

Mit der vorliegenden Erfindung wird das Wasserspritzen minimiert, ohne daß die Wärmeaustauschwirksamkeit bei den normalen Größen der Verdampfer beeinträchtigt wird. Es besteht deshalb keine Notwendigkeit für den geneigten Einbau eines Verdampfers.

Claims (3)

1. Verdampfer für Klimaanlagen insbesondere in Automobilen, mit einer Vielzahl von horizontal, gestapelten Verdampferplatten mit dazwischen angeordneten, gewellten Rippenelementen, die in Längsrichtung von Luft durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenelemente (3) einen Rippenabstand (fp) von 3,2 bis 4,0 mm und eine Rippenhöhe (H) von 14 bis 20 mm haben, und daß die Luftgeschwindigkeit zwischen den Verdampferplatten (2) 6 m/s nicht überschreitet.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampferplatten (2) aus geprägten, wannenförmigen Plattenhälften (2 a) zusammengesetzt sind, daß jede Plattenhälfte (2 a) an jedem ihrer gegenüberliegenden Endabschnitte einen ausgebauchten Abschnitt (7) aufweist, an denen die Verdampferplatten (2) aneinanderliegen, und daß im Rand jeder Verdampferplatte (2) nahe den ausgebauchten Abschnitten (7) eine Öffnung für einen Tauwasseraustritt (24) ausgespart ist.

3. Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenhälften durch Biegen ihrer Umfangskanten entstandene Mulden (9) aufweisen, die mit dem Tauwasseraustritt (24) in Verbindung stehen.