EP2135025B1

EP2135025B1 - Wärmeübertrager zum verdampfen eines flüssigen teils eines mediums mit bypass für einen dampfförmigen teil des mediums

Info

Publication number: EP2135025B1
Application number: EP08715822.6A
Authority: EP
Inventors: Boris Kerler; Wolfgang Seewald; Michael Paul Geiger; Christoph Walter; Michael Kranich; Ronald Gneiting
Original assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2019-01-23
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: CN101636629B; CN101636629A; WO2008110249A1; DE102007013125A1; EP2135025A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager als Verdampfer, wie er insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage für Kraftfahrzeuge verwendet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. So ein Wärmeübertrager ist aus FR 1 510 961 bekannt. Obwohl die Erfindung im folgenden Bezug auf den Verdampfer einer Heizungs- oder Klimaanlage für Kraftfahrzeuge nimmt, sei darauf hingewiesen, dass dieser Einsatzzweck nicht beschränkend zu verstehen ist, sondern dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ebenso in anderen Klimaanlagen und dergleichen mehr eingesetzt werden kann.
Es sind Wärmeübertrager bekannt, bei denen das zweiphasige Kältemittel aus einer Eintrittskammer auf eine Durchflusseinrichtung, vorzugsweise Rohre, insbesondere Flachrohre, verteilt wird. Nach Durchströmung der Flachrohre tritt das dampfförmige Kältemittel über eine Austrittskammer aus dem Verdampfer aus.
Dabei bereitet die gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kältemittels in der gesamten Länge der Eintrittskammer Schwierigkeiten. Grund dafür ist unter anderem die Ausbildung unterschiedlicher Strömungsformen in Abhängigkeit vom Betriebszustand. Des Weiteren spielt auch die Entmischung des bei Verdampfereintritt homogenen zweiphasigen Kältemittelgemisches über die Länge der Eintrittskammer eine besondere Rolle. Einzelne Rohre werden somit ausschließlich mit Kältemitteldampf versorgt, wodurch sich die Verdampferleistung verschlechtert.
Es ist daher eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kältemittels auf die Rohre anzustreben und eine Entmischung des zweiphasigen Kältemittels wirksam zu bekämpfen.
In der Auslegeschrift DE 24 36 733 reichen die Rohre eines Fallstromverdampfers über den Rohrboden hinaus. Oberhalb des Rohrbodens ist ein Auffangraum vorgesehen. Im Boden dieses Auffangraumes sind Verteilerrohre angeordnet, die nach unten derart verlängert sind, dass sie in den Flüssigkeitsraum zwischen den Rohren des Fallstromverdampfers hineinragen. Somit soll den Rohren des Fallstromverdampfers bei einem Überlauf gleichmäßig Flüssigkeit zugeführt werden.
Die DE 195 15 527 A1 zeigt einen Verdampfer, der eine Verteileinrichtung besitzt, die über eine ausgangsseitige Strömungsverbindung das Kältemittel auf die Eintrittsöffnungen einer Mehrzahl parallel geschalteter Flachrohre aufteilt. Die Strömungsverbindung, die aus einer Vielzahl von Kanälen besteht, mündet hierbei in ein Gehäuse, das durch eingesetzte Trennwände eine Vielzahl von abgeschlossenen Kammern bildet.
Der Aufbau derartiger Verdampfer ist jedoch relativ kompliziert und daher kostenintensiv.
Die FR 1 510 961 B offenbart einen Heizkörper, bei welchem ein By-Pass zwischen dem einlassseitigen Sammelkasten und dem auslassseitigen Sammelkasten.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, bei dem eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kältemittels auf einzelne Flachrohre möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung ist ein Wärmeübertrager mit mindestens einer Eintrittskammer, mindestens einer mit der Eintrittskammer kommunizierend verbundenen, von einem ersten Medium als einem Kältemittel, bevorzugt R134a, R744 oder andere, durchströmbaren und von einem zweiten Medium umströmbaren Durchflusseinrichtung für ein Verdampfen eines flüssigen Teils des ersten Mediums ausgeführt, wobei die Eintrittskammer mit mindestens einem By-Pass für einen dampfförmigen Teil des ersten Mediums zur Umgehung der mindestens einen Durchflusseinrichtung versehen ist.
Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass die Dampfphase aus der Eintrittskammer zumindest teilweise abgesaugt wird. Der hydraulische Durchmesser der By-Pass Öffnung wird dabei bevorzugt so festgelegt, dass unabhängig vom Lastfall größtenteils die Dampfphase aus der Eintrittskammer abgezogen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Bypass mit einer Austrittskammer verbunden, so dass die Dampfphase direkt aus dem Verdampfer abgesaugt werden kann. Eine derartige Ausgestaltung reduziert zusätzlich den kältemittelseitigen Druckverlust über die Durchflusseinrichtung und erhöht somit die Leistung des Verdampfers.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein By-Pass mit einem Ventil versehen, so dass eine lastfallabhängige Anpassung des hydraulischen Durchmessers des By-Pass realisiert werden kann, da bei festem By-Pass-Querschnitt mitunter die Gefahr besteht, dass einige Flüssigkeitstropfen mitgerissen werden.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein By-Pass mit einer Zwischenkammer verbunden, so dass Flüssigkeitstropfen, die durch den By-Pass mitgerissen werden, dennoch verdampft werden und so zur Steigerung der Kälteleistung beitragen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Vorteilhaft ist, dass mindestens ein By-Pass rohrförmig ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist, dass die Eintrittskammer mindestens einen By-Pass an einem Ende aufweist.
Vorteilhaft ist, dass mindestens ein By-Pass von beiden Enden beabstandet ist.
Vorteilhaft ist, dass das die Durchflusseinrichtung durchströmende Medium ein Kältemittel, bevorzugt R744, R134a oder andere, ist.
Vorteilhaft ist, dass die Durchflusseinrichtung aus Rohren, insbesondere Flachrohren besteht.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusseinrichtung aus Scheiben besteht.
Vorteilhaft ist, dass zwischen den Rohren und/oder Scheiben Rippen, bevorzugt Wellrippen, angeordnet sind.
Vorteilhaft ist, dass die Eintrittskammer und/oder die Austrittskammer und/oder die Zwischenkammer als Rohr und/oder als Kasten ausgebildet ist.
Die Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und den Zeichnungen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosivdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers gemäß vorliegender Erfindung,
Fig. 2a, 2b, 2c, 2e und 2f eine nicht erfindungsgemäße Verschaltungsvarianten eines Wärmeübertragers,
Fig. 2d eine erfindungsgemäße Verschaltungsvariante eines Wärmeübertragers,
Fig. 3 eine Explosivdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers gemäß vorliegender Erfindung, und
Fig. 4 eine schematische Perspektivdarstellung eines nicht erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.

Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Wärmeübertrager 1, insbesondere einen Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einer Explosivdarstellung. Ein derartiger Wärmeübertrager weist zumindest eine Eintrittskammer 2 auf, über welche das Kältemittel dem Verdampfer aus einem nicht dargestellten Kältemittelkreislauf, über eine Eintrittsöffnung 18 zugeführt wird (durch Pfeil A angedeutet). Die Eintrittskammer 2 ist länglich ausgebildet und durch zwei Enden begrenzt. Gemäß Fig. 1 ist die Eintrittsöffnung 18 an einem Ende der Eintrittskammer positioniert. Gemäß einer nicht gezeigten Variante kann die Eintrittsöffnung von beiden Enden beabstandet positioniert werden.
Ferner weist der Wärmeübertrager 1 einen Sammler 12 auf, der aus einer Einspritzplatte 5, einer Verteilerplatte 6 und einer Bodenplatte 7 besteht. Durch diesen Sammler wird das Kältemittel den Rohren 8, vorzugsweise Flachrohren, die beispielsweise als Mehrkammerrohre ausgeführt sind, zugeführt.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Durchflusseinrichtung 8 aus Scheiben.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ragen die Rohre 8 in die Eintrittskammer hinein, um bei einem Überlauf eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung auf die Rohre zu erreichen.
Zwischen den Rohren sind wärmeleitende Rippen, vorzugsweise Wellrippen, angeordnet, die von einem Medium, vorzugsweise Luft L (durch einen Pfeil angedeutet), umströmbar sind.
Die Rohre, sowie die Löcher der Bodenplatte 7 sind in der Mitte durch einen Steg unterteilt (nicht dargestellt), so dass zwei Strömungsbereiche 14 und 15 ausgebildet werden, die das Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchläuft.
Das Kältemittel durchströmt daher zuerst, dem Pfeil B folgend, einen Strömungsbereich 14, wird anschließend durch eine Zwischenkammer 13, die aus einer Bodenplatte 9, einer Umlenkplatte 10 und einer Abschlussplatte 11 besteht, dem Pfeil C folgend, umgelenkt und strömt durch einen Strömungsbereich 15 in entgegengesetzter Richtung, dem Pfeil D folgend, in den Sammler 12, Vorzugsweise ist der Strömungsbereich 15 der anströmenden Luft L zugewandt.
In der Einspritzplatte 5 des Sammlers 12 sind mehrere Einspritzbohrungen 16 vorgesehen, so dass das Kältemittel von der Eintrittskammer 2 in den Strömungsbereich 14 einströmen kann. Des Weiteren sind in der Einspritzplatte 2 Saugbohrungen 17 vorgesehen, so dass das Kältemittel vom Strömungsbereich 15 in die Austrittskammer 3 einströmen kann. Über die Austrittskammer 3 gelangt das Kältemittel anschließend in einen nicht dargestellten Kältemittelkreislauf (durch Pfeil E dargestellt). Die Einspritz- und/oder Saugbohrungen können in der Einspritzplatte und/oder Eintrittskammer vorgesehen sein.
Die Eintrittskammer 2 und/oder die Austrittskammer 3 sind als Rohr ausgeführt. Es ist auch möglich, die Eintrittskammer und/oder die Austrittskammer als Kasten auszuführen. In diesem Fall werden die Eintrittskammer und Austrittskammer aus umgeformten Blechen gebildet, wobei der Querschnitt einer Kammer bevorzugt D-förmig ist. Es ist auch möglich, dass Eintrittskammer und Austrittskammer aus einem umgeformten Blech gebildet werden.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sammler ein Bestandteil der Eintrittskammer und/oder der Austrittskammer.
In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Eintrittskammer und die Austrittskammer auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers angeordnet.
Ferner weist der Wärmeübertrager 1 einen By-Pass 4 zwischen Eintrittskammer 2 und Austrittskammer 3 auf. Gemäß Fig. 1 ist der By-Pass an dem der Eintrittsöffnung 18 gegenüberliegenden Ende 19 der Eintrittskammer mit der Austrittskammer verbunden.
Der hydraulische Durchmesser des By-Pass ist derartig festgelegt, dass unabhängig vom Lastfall des Wärmeübertragers größtenteils die Dampfphase aus der Eintrittskammer abgezogen wird und die Flüssigphase den Rohren 8 zugeführt wird. Der Lastfall (beispielsweise Volllast oder Teillast) gibt Auskunft über den Betriebspunkt eines Wärmeübertragers und somit über die eingespritzte Fluidmenge in den Wärmeübertrager.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der By-Pass mit einem Ventil versehen, das lastfallabhängig den hydraulischen Durchmesser des By-Pass anpassen kann.
In den Fig. 2a bis 2c, 2e und 2f sind mögliche nicht erfindungsgemäßen Verschaltungsvarianten eines Wärmeübertragers und in Figur 2d ist eine erfindungsgemäße Verschaltungsvariante gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Beispielhaft weist der Wärmeübertrager in den Ausführungsbeispielen 2a bis 2f jeweils vier Saugbohrungen 17 und Einspritzbohrungen 16, die jeweils ein oder mehrere Rohre versorgen, auf. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein Wärmeübertrager bis zu 45 Einspritzbohrungen und Saugbohrungen auf.
Gemäß Fig. 2b, Fig. 2d und Fig. 2f kann der Eintritt des Fluids F in den Wärmeübertrager (durch einen Pfeil dargestellt) und der Austritt des Fluids aus dem Wärmeübertrager (durch einen Pfeil dargestellt) auf der gleichen Seite erfolgen. Es ist auch möglich, je nach Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers, den Eintritt und den Austritt des Fluids F vorteilhaft auf gegenüberliegenden Seiten des Wärmeübertragers anzuordnen.
Der By-Pass 4 kann gemäß Fig. 2a und Fig. 2b das Ende der Eintrittskammer mit dem Ausgang 20 des Wärmeübertragers verbinden.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass der By-Pass das Ende der Eintrittskammer mit einem Bereich des Kältemittelkreislaufes verbindet, der zwischen dem Ausgang 20 des Wärmeübertragers und einer Drucksenke des Kältemittelkreislaufes liegt.
Es ist je nach Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers vorteilhaft, wie in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2c und Fig. 2d dargestellt, wenn der By-Pass das Ende der Eintrittskammer mit dem dem Ausgang der Austrittskammer und damit dem Ausgang 20 des Wärmeübertragers gegenüberliegenden Ende verbindet.
In den Beispielen Fig. 2a bis Fig. 2d ist der By-Pass rohrförmig ausgebildet.
In zwei weiteren Beispielen gemäß den Figuren 2e und 2f sind drei By-Pässe 4 durch Übertritte zur Austrittskammer ausgebildet. Mindestens ein Übertritt ist von beiden Enden der Eintrittskammer beabstandet. Die Übertritte sind als Überströmkanäle oder bei anliegenden Rohren als Durchbrüche ausgebildet, welche Eintrittskammer und Austrittskammer kommunizierend verbinden.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Wärmüberträger. Dieser Wärmeübertrager ist ähnlich aufgebaut wie der Wärmeübertrager gemäß Fig. 1. Der By-Pass 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch mit einer Zwischenkammer 13 verbunden. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass Flüssigkeitstropfen, die durch die By-Pass Öffnung mitgerissen werden, der Zwischenkammer 13 und in weiterer Folge den Rohren 8 zugeführt werden können. Die Flüssigkeitstropfen können daher im Strömungsbereich 15 verdampft werden und somit zur Kälteleistung beitragen.
Fig. 4 zeigt ein weiteres nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeübertrager in Mehrblockverschaltung gezeigt. In einer derartigen Anordnung wird das Fluid, bevorzugt ein Kältemittel, mindestens zweimal, bevorzugt mehrere Male umgelenkt.
Gemäß Fig. 4 wird eine mit der Gasphase mitgerissene Flüssigphase durch den By-Pass 4 aus dem 3. Block abgezogen und dem 6. Block wieder zugeführt, um hier zu verdampfen. Bevorzugt ist es auch möglich, Kältemittel aus einem der anderen ersten Blöcke (beispielsweise des ersten oder zweiten Blockes) mittels eines By-Passes abzuziehen, um es in einem späteren Block dem Wärmeübertrager wieder zuzuführen.

Claims

Wärmeübertrager (1) mit mindestens einer Eintrittskammer (2), mindestens einer mit der Eintrittskammer kommunizierend verbundenen, von einem ersten Medium durchströmbaren und von einem zweiten Medium umströmbaren Durchflusseinrichtung (8), wobei mindestens ein By-Pass die Eintrittskammer mit einer Austrittskammer (3) des Wärmeübertragers kommunizierend verbindet, wobei der Wärmeübertrager für einen Verdampfer ausgebildet ist, die Durchflusseinrichtungen für ein Verdampfen eines flüssigen Teils des ersten Mediums vorgesehen sind, die Eintrittskammer (2) mit dem mindestens einen By-Pass (4) für einen dampfförmigen Teil des ersten Mediums zur Umgehung der mindestens einen Durchflusseinrichtung versehen ist und wobei die Eintrittskammer und die Austrittskammer auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers angeordnet sind, wobei die Eintrittskammer länglich mit zwei Enden ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein By-Pass an dem vom Eintritt der Eintrittskammer entfernteren Ende angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein By-Pass als Durchbruch in der Eintrittskammer ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein By-Pass ein Ventil aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Ventil eine lastfallabhängige Anpassung des hydraulischen Durchmessers des By-Passes realisierbar ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre in die Eintrittskammer eingesteckt sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre mit oder ohne Überstand in die Eintrittskammer hineinragen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sammler die Eintritts- und/oder Austrittskammer mit der Durchflusseinrichtung verbindet.
Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts- und/oder Austrittskammer ein Bestandteil des Sammlers ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintritts- und/oder Austrittskammer mit dem Sammler über Bohrungen kommunizierend verbunden ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen im Sammler und/oder in der Eintrittskammer und/oder in der Austrittskammer angeordnet sind.