Wärmeübertrager

Abstract

 Wärmeübertrager zum Verdampfen oder Kondensieren von Kältemittel im Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe, in dem das Kältemittel als Naßdampf und entfernt davon als überhitztes Gas auftritt.
Um zu erreichen, daß mit einfachen Mitteln eine Steigerung des Wärmeübergangs zwischen dem Kältemittel und dem damit in Wärmeaustausch tretenden Wärmeübertrager erreicht wird, ist der freie Strömungsquerschnitt (1, 5) für das Kältemittel im Naßdampfbereich größer als im Bereich (1, 3) für das überhitzte Gas.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei einem bekannten Wärmeübertrager dieser Art (DE-PS 341 457) sind mehrere Rohrkörper übereinander und parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die Rohrkörper bestehen aus konzentrisch angeordneten Rohren, die jeweils an gegenüberliegenden Enden mit dem zugehörigen benachbarten Rohr strömungsmäßig verbunden sind. Durch den in allen Rohrkörpern gleichen Strömungsquerschnitt zwischen dem inneren und äußeren Rohr wird Kältemittel, und durch das innere Rohr Wasser im Gegenstrom, geführt. Der obenliegende Bereich dieses Wärmeübertragers ist für überhitztes Kältemittelgas und der untere Bereich für Naßdampf-Kältemittel vorgesehen.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 Maßnahmen zu treffen, durch die mit einfachen Mitteln eine Steigerung des Wärmeübergangs zwischen dem Kältemittel und dem damit in Wärmeaustausch stehenden Wärmeträger erreicht wird.

[0004] Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

[0005] Der wärmetechnische Vorteil der Teilung des Wärmeübertragers in Abschnitte mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten besteht darin, daß für die einzelnen Stufen der Kondensation bzw. der Verdampfung optimale thermodynamische Strömungsbedingungen für den Wärmeübergang erreicht werden.

[0006] Je größer die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases ist, um so höher ist auch der Wärmeübergang an den Wärmeübertragungs- flächen. Deshalb wird z.B. bei der Kondensation das überhitzte Kältemittelgas zunächst in den Bereich mit dem kleineren Strömungsquerschnitt eingeführt, den es mit hoher Geschwindig- keit und großer Wärmeabgabe passiert. Dabei geht es in den Zustand der Sättigung mit größerer Massenstromichte über. Mit höherer Massenstromdichte steigt aber der Druckverlust. Deshalb wird das in Naßdampf übergehende Kältemittel anschließend in den Bereich mit dem vergrößerten Strömungsquerschnitt geführt. Hierdurch wird somit abhängig vom Zustand des Kältemittels über die Länge des Wärmeübertragers ein optimaler Wärmeübergang bei geringem Druckverlust erreicht.

[0007] Die Erfindung ist nachfolgend an Hand der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0008] Es zeigt:

Fig. 1 einen Wärmeübertrager im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt des Wärmeübertragers in seinem Bereich mit großem Strömungsquerschnitt,

Fig. 3 einen Querschnitt des Wärmeübertragers in seinem Bereich mit kleinem Strömungsquerschnitt und

Fig. 4 einen Längsschnitt des Wärmeübertragers in seinem Bereich kleinen Strömungsquerschnitts in vergrößerter Darstellung.

[0009] Ein Wärmeübertrager ist aus einem Außenrohr 1 und einem davon koaxial umgriffenen Innenrohr 2 gebildet. Das Außenrohr 1 weist über seine Länge einen gleichbleibenden Durchmesser auf, während sich der Durchmesser des Innenrohres 2 über seine Länge vermindert. Dabei besteht das Innenrohr 2 aus einem zylindrischen Rohrabschnitt 3 großen Durchmessers, das über einen kegeligen Rohrabschnitt 4 in einen Rohrabschnitt 5 kleinen Durchmessers übergeht. Hierdurch sind Bereiche im Wärmeübertrager mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten für das zwischen den Rohren 1 und 2 hindurchzuführende Kältemittel gebildet.

[0010] Im Bereich mit dem erweiterten Strömungsquerschnitt befinden sich auf dem Rohrabschnitt 5 mit dem kleinen Durchmesser radial stehende und axial sich erstreckende Rippen 6 zur Vergrößerung der Wärmeübergungsfläche vom Kältemittel zum Innenrohr 2 bzw. dem darin geführten Wärmeträger. Dagegen ist um den Rohrabschnitt 3 mit großem Durchmesser ein Draht 7 in Windungen mit Steigung gewickelt, der zur Verwirbelung des dort strömenden überhitzten Kältemittelgases dient. Der konische Rohrabschnitt 4 ist in dem Abschnitt angeordnet, in dem das Kältemittel vom überhitzen Zustand in den den Naßdampf-Zustand übergeht. Durch entsprechend lange' Ausbildung des Rohrabschnitts 4 kann dabei auch in diesem Übergangszustand des Kältemittels ein optimaler Wärmeübergang erzielt und dem Umstand Rechnung getragen werden, daß der Übergangszustand z.B. abhängig von der Temperatur des Wärmeträgers an unterschiedlichen Orten längs des Wärmeübertragers eintreten kann.

[0011] Bei der Verwendung des so aufgebauten Wärmeübertragers als Verdampfer im Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe oder Kältemaschine wird das Kältemittel nach der üblichen Expansion in den Bereich des erweiterten Strömungsquerschnitts zwischen dem Außenrohr 1 und dem Rohrabschnitt 5 des Innenrohrs 2 eingeführt, dort nimmt es Wärme aus dem im Innenrohr 2 fließenden Wärmeträger auf und geht fortschreitend in den gasförmigen Zustand mit abnehmender Sättigung über. Es tritt dann in den verkleinerten Strömungsquerschnitt zwischen dem Außenrohr 1 und dem Rohrabschnitt 3 des Innenrohres 2 über, wo es infolge wesentlich höherer Geschwindigkeit und entsprechend gesteigerter Wärmeaufnahme schnell überhitzt wird und als reines Gas dem Kompressor der Wärmepumpe zugeführt werden kann.

[0012] Bei Verwendung des Wärmeübertragers als Kondensator wird das überhitzte gasförmige Kältemittel in entgegengesetzter Richtung zunächst dem verkleinerten Strömungsquerschnitt zugeführt und geht nach entsprechender wärmeabgabe an das Wärmeträgermittel in Naßdampf und dabei in den erweiterten Strömungsquerschnitt über.

[0013] Neben den thermodynamischen Verbesserungen wird auch noch erreicht, daß lediglich der Rohrabschnitt 5 im Bereich des großen Strömmgsquerschnitts aus schwierig herzustellendem Rippenstrangprofil gefertigt werden muß.

Ansprüche

1. Wärmeübertrager zum Verdampfen oder Kondensieren von Kältemittel im Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe, in dem das Kältemittel als Naßdampf und entfernt davon als überhitztes Gas auftritt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der freie Strömungsquerschnitt für das Kältemittel im Nassdampfbereich größer als im Bereich für das überhitzte Gas ist.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei koaxial angeordnete Rohre (1,2) vorgesehen sind, von denen das eine durchgehend gleichen und das andere einen Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser aufweist.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
da3 sich der Durchmesser des erweiterten Rohres (2) kontinuierlich vom kleinen auf den großen Durchmesser erweitert.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen zwei Rohre (3,5) ungleichen Durchmessers ein kogoliger Rohrabschnitt (4) mit entsprechenden Enddurchmessern eingesetzt ist.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß im erweiterten Bereich des Strömungsquerschnitts Wärmetauschrippen (6) am inneren Rohr (5) vorgesehen sind.

6. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Strömungsquerschnitt im Bereich für das überhitzte Gas Verwirbelungselemente (7) angeordnet sind.

Zeichnung