DE102011003649A1

DE102011003649A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102011003649A1
Application number: DE102011003649A
Authority: DE
Inventors: Andreas Freund; Dipl.-Ing. Schäfer Bernd; Dipl.-Ing. Seewald Wolfgang; Dipl.-Ing. Sickelmann Michael
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-08-09
Also published as: WO2012104438A2; US9599409B2; EP2671032A2; EP2671032B1; WO2012104438A3; US20140027096A1

Abstract

Wärmeübertrager, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug, mit über eine Verteilungseinheit mit einem Kältemittel-Medium beschickbaren und von diesem durchströmten und nach nur einer Umlenkung (Zweiblock-Bauweise) in der Tiefe in einer Umlenkeinheit umströmten Verdampfereinheit, wobei die Verteilungseinheit im Sinne einer gleichmäßigen Verteilung des Kältemittel-Mediums über die gesamte Verdampfer-Breite ausgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Patentanspruch 1.
Es sind Verdampfer bekannt, bei denen das zweiphasige Kältemittel aus einem Einströmkanal auf eine Durchflusseinrichtung, vorzugsweise Rohre, insbesondere Flachrohre, verteilt wird. Nach Durchströmung der Flachrohre tritt das dampfförmige Kältemittel über einen Ausströmkanal aus dem Verdampfer aus.
Dabei bereitet die gleichmäßige Verteilung des flüssigen Kältemittels in der gesamten Länge des Einströmkanals 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 des Einströmkanals eine besondere Rolle. Einzelne Rohre werden somit ausschließlich mit Kältemitteldampf versorgt, wodurch sich die Verdampferleistung verschlechtert.
Um das Kältemittel optimal auf alle Flachrohre zu verteilen, wird das Kältemittel nur auf einen kleinen Anteil (typischerweise 1/3, 1/4 oder 1/6) der Flachrohre verteilt und in mehreren Blöcken weiter umgelenkt und so durch den Verdampfer geleitet. In diesen Umlenkungen werden häufig zusätzliche Einbauten zur gleichmäßigen Vermischung der flüssigen und gasförmigen Phase vorgesehen. Die aktuelle Beaufschlagung des Kältemittels auf nur einen Teil des Blockes und vorhandene Einbauten führen dabei zu einem deutlich erhöhten Druckverlust des Kältemittels im gesamten Block bzw. der Verdampfungsstrecke.
Ferner wird auch bei dem in der US 2008/0223566 A1 offenbarten und in Zweiblockverschaltung ausgeführten Wärmeübertrager, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, das Kältemittel in den einzelnen Sammlern durch Einbauten, wie Zwischenwände, Blenden etc. zwischenvermischt, so dass höhere Druckverluste in der Verdampfereinheit zu erwarten sind. Das Verhältnis der Druckdifferenzen in der Verteilungseinheit (Einspritzrohr + Verteileinheit für den 1. Block) und dem gesamten Block (Flachrohre + Umlenkungen zwischen den Blöcken) liegt dabei im Bereich von kleiner 3.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrager in Zwei- und auch Mehrblockverschaltung lassen jedoch insbesondere im Hinblick auf ihre konstruktive Ausgestaltung (aufwändiger Fertigungsprozess) sowie dem vergleichsweise hohen kältemittelseitigen Druckabfall in der Verdampfungsstrecke noch Wünsche offen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmeübertrager zu schaffen, welcher insbesondere im wärmeübertragenden Teil des Verdampfers – der Verdampfungsstrecke bzw. Verdampfereinheit – geringe kältemittelseitige Druckverluste realisiert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist der Wärmeübertrager, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug, mit über eine Verteilungseinheit mit einem Kältemittel-Medium beschickbaren und von diesem durchströmten und nach nur einer Umlenkung (Zweiblock-Bauweise) in der Tiefe in einer Umlenkeinheit umströmten Verdampfereinheit ausgebildet, wobei die Verteilungseinheit im Sinne einer gleichmäßigen Verteilung des Kältemittel-Mediums über die gesamte Verdampfer-Breite ausgelegt ist. Aufgrund der zusätzlichen Einbauten in der Verteilereinheit wird das zweiphasige Kältemittel also gleichmäßig über die gesamte Verdampfer-Breite auf die Flachrohre verteilt und nur einmal umgelenkt. Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, dass aufgrund der gleichmäßigen Beaufschlagung aller Flachrohre das Kältemittel in der Umlenkung nicht zwischenvermischt wird. Vorzugsweise kann eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses V der Druckdifferenz zwischen der Druckdifferenz in der Verteilungseinheit einerseits und der Druckdifferenz in der Verdampfereinheit andererseits vorgesehen sein, welche größer 3 ist. Eine Erhöhung des Verhältnisses der Druckdifferenzen ist dabei notwendig für eine homogene Verteilung des Kältemittels in der Verteilungseinheit und führt somit in weiterer Folge zu einer Erhöhung der spezifischen Kälteleistung aufgrund eines besseren Temperaturprofils.
Beispielsweise kann eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses der Druckdifferenz zwischen der Druckdifferenz in der Verteilungseinheit einerseits und der Druckdifferenz in der Verdampfereinheit andererseits im Bereich zwischen 3 und 70 vorgesehen sein. Diese Werte haben sich im Rahmen getätigter Versuche als besonders vorteilhaft erwiesen.
Dabei kann insbesondere eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses der Druckdifferenz zwischen der Druckdifferenz in der Verteilungseinheit einerseits und der Druckdifferenz in der Verdampfereinheit andererseits vorgesehen sein, welche in einem Bereich von 3 bis 30 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 30 kg/h einerseits und von 30–70 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 250 kg/h liegt.
Das Verhältnis der Differenzdrücke zum Kältemittel-Medium-Massenstrom, wie oben beschrieben, wird durch 1 veranschaulicht. Hierbei stellt die Differenz (p₂ – p₃) die Druckdifferenz in der Verteilungseinheit und die Differenz (p₃ – p₄) die Druckdifferenz in der Verdampfereinheit dar. Zur besseren Veranschaulichung sind ferner in den 2 und 3 ein Druck-Enthalpie Diagramm beziehungsweise schematisch ein Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage dargestellt, wobei wesentliche Punkte des Kältemittelkreislaufes mit Ziffern versehen wurden, die entsprechend im Druck-Enthalpie Diagramm dargestellt wurden.
Aufgrund der Verteilung über die Verteilungseinheit mit einem zusätzlichen Druckverlust des Kältemittels auf alle Flachrohre, und zwar über die gesamte Verdampferbreite, kann ein gleichmäßiges Temperaturprofil ohne zusätzliche Einbauten im Netz bzw. in den Sammelkästen erzielt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht dabei insbesondere eine von jeglichen Zwischenvermischungsmitteln freie Umlenkeinheit vor.
Eine weitere Ausführungsform sieht ein Druckverteilelement in der Verteilungseinheit im Sinne einer Verteilung des Kältemittel-Mediums parallel auf sämtliche durch- bzw. umströmten Rohre, insbesondere Flachrohre, der Verdampfereinheit vor.
Im Sinne eines Druckverteilelements kann beispielsweise der Einbau eines zusätzlichen Druckverlustelements am Verdampfer-Eintritt (vor Verdampfung) zur Verteilung des Kältemittels parallel auf alle Flachrohre über die gesamte Breite des Verdampfers vorgesehen sein, so dass alle Flachrohre gleichmäßig mit flüssigem und gasförmigem Kältemittel versorgt werden (dieses Druckverlustelement hat dabei keine Auswirkung auf die Kälteleistung). Daraus ergibt sich ein großes Verhältnis von Druckverlust bei der Kältemittel-Verteilung am Verdampfer-Eintritt zum Druckverlust im Verdampfer-Netz (Verdampferstrecke).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2008/0223566 A1 [0005]

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug, mit über eine Verteilungseinheit mit einem Kältemittel-Medium beschickbaren und von diesem durchströmten und nach nur einer Umlenkung (Zweiblock-Bauweise) in der Tiefe in einer Umlenkeinheit umströmten Verdampfereinheit, wobei die Verteilungseinheit im Sinne einer gleichmäßigen Verteilung des Kältemittel-Mediums über die gesamte Verdampfer-Breite ausgelegt ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses V der Druckdifferenzen zwischen der Verteilungseinheit (p₂ – p₃) einerseits und der Verdampfereinheit (p₃ – p₄) andererseits, das größer 3 ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses der Druckdifferenzen zwischen der Verteilungseinheit einerseits und der Verdampfereinheit andererseits im Bereich zwischen 3 und 70.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Verteilungseinheit im Sinne eines Verhältnisses der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Verteilungseinheit einerseits und dem Druck in der Verdampfereinheit andererseits in einem Bereich von 3 bis 30 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 30 kg/h einerseits und von 30–70 bei einem Kältemittel-Medium-Massenstrom von 250 kg/h liegt.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine von jeglichen Zwischenvermischungsmitteln freien Umlenkeinheit.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Druckverteilelement in der Verteilungseinheit im Sinne einer Verteilung des Kältemittel-Mediums parallel auf sämtliche durch- bzw. umströmten Rohre, insbesondere Flachröhre, der Verdampfereinheit.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Dual-Flow-Verdampfer als Wärmeübertrager.