DE112008000331T5

DE112008000331T5 - Wärmeübertragungsvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE112008000331T5
Application number: DE200811000331
Authority: DE
Inventors: John Peoria Seeli; David Peoria Zietlow
Original assignee: Bradley University Peoria; Bradley University
Current assignee: Bradley University Peoria; Bradley University
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2010-02-11
Also published as: GB2458425A; JP2010516997A; GB2458425B; US8424551B2; AU2008210471A1; AU2008210471B2; US20080178936A1; WO2008095009A2; WO2008095009A3; US8893738B2; JP2013231594A; JP5562649B2; GB0913019D0; US20130269909A1; MX2009008231A; CA2678331A1

Abstract

Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend einen Verteiler und eine Anzahl Rohren, die von dem Verteiler abgehen, wobei der Verteiler einen Einlass und eine Anzahl Mini-Wärmetauscher-Kanäle umfasst, die mit dem Einlass verbunden sind, wobei die Mini-Wärmetauscher-Kanäle jeweils mit einem der Anzahl Rohre funktionell verbunden sind, wobei mindestens ein Rohr einen Fluidstrombegrenzer aufweist.

Description

VERWEIS AUF FRÜHERE ANMELDUNGEN
Es werden die Zeitränge und Offenbarungen der U.S.-Patentschutzanmeldungen mit den Nummern 60/898337 und 12/022 673, jeweils vom 30. Januar 2007, in Anspruch genommen und diese verwiesen.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Wärmeaustauschanlagen. Insbesondere betrifft die Erfindung (1) Verfahren zur Optimierung der Strömung in Zwei Phasen-Wärmeaustauschern sowie (2) Vorrichtungen und Verfahren, die Rohre mit Strömungsbegrenzern umfassen, so dass auch in Zwei-Phasen-Systemen die Fluidströmung bestmöglich wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
BEZUGSSTELLEN:
Die folgenden Verweise werden hier anhand der Nummer zitiert und sie enthalten allgemeine Informationen zum Hintergrund. Die Zitierung ist nicht als direkte oder indirekte Bewertung des Stands der Technik anzusehen. Der Anmelder behält sich vor, die Richtigkeit der Aussagen in den hier genannten Nachweisen in Frage zu stellen.

1. Chisholm, D. (1983) Two-Phase Flow in Pipes and Heat Exchangers. George Godwin/Institution of Chemical Engineers, London. 1–24, 106–113, 123–128.
2. Paliwoda, A. (1992) "Generalized Method of Pressure Drop Calculation Across Pipe Components Containing Two-Phase Flow of Refrigerants". International Journal of Refrigeration. Bd. 15, Nr. 2, S. 119–125.
3. Watanabe, M., Katsuta, M. und Nagata, K. (1995) Two-phase flow distribution in multi-pass tube modeling serpentine type evaporator, Proceedings of the ASME/JSME Thermal Engineering Conference, 2, S. 35–42.
4. Campagna, Michael 2001, An Evaporator Model which accounts for the Maldistribution of Refrigerant applied to evaluate the Performance of Inlet Manifold Flow Distributors, Masters Thesis, Bradley University.

In gewerblichen Klima-, Heizungs- und Kühlanlagen begegnet man häufig einer Zwei-Phasen-Strömung, das heißt, einer Strömung mit einem Fluid in der flüssigen Phase und einem Fluid in der Dampf- oder Gasphase. Man muss das Verhalten von Rohren und Verteilern mit Zwei-Phasen-Strömung verstehen, soll eine ungleichmäßige Kühlmittelverteilung in den Verdampferverteilern vermieden werden. Bei einer gleichmäßigen Verteilung der Kühlmittel in den Rohren kann man die Größe des Verdampfers verringern unter Beibehaltung der Kühlkapazität und des Energieverbrauchs des Kompressors. Dies verringert die Installationskosten für die Systems, ohne dass sich deren Leistung verändert. Eine ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung ist der Hauptgrund, weshalb in vielen Anwendungen keine Mikrokanal-Wärmeaustauscher eingesetzt werden als Ersatz für Platten-, Lamellen- und Rohr-Wärmetauschern. Mikrokanal-Wärmeaustauscher besitzen in der Regel gegenüber Platten-Lamellen-Wärmeaustauschern eine 20 Prozent größere Wärmetauschfläche bei dem gleichen Packungsvolumen.
Campagna (4) beschäftigte sich mit der Simulation einer gleichförmigen, gleichmäßig verteilten Strömung eines Fluids in einem Verteiler mit parallelen Lochplatten, welche eingesetzt in dem Verteiler von zwei Gewindestäbe gehaltert sind. Nachteilig am Einsatz von Strömungsverteilerplatten in dem Verteiler ist, dass kein leichter Zugang und kein leichtes Einstellen im Zeitverlauf und während der Benutzung möglich ist. Es wird eine Vorrichtung beziehungsweise ein Verfahren benötigt, in der der Fluidstrom des Wärmetauschers so verändert werden kann, dass er gleichmäßiger verteilt ist und er auch leicht und schnell eingestellt werden kann, ohne dass man den Wärmetauscher auseinander bauen muss.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung und eines Wärmeübertragungsverfahrens. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer effizienteren Wärmeübertragungsvorrichtung und eines effizienteren Wärmeübertragungsverfahrens, wobei der Fluidstrom gleichförmiger verteilt ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens für das Modellieren einer bestmöglichen Wärmeübertragungseffizienz.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch die Verwendung einer Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend einen Verteiler und eine Anzahl Rohren, die von dem Verteiler abgehen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verteiler einen Einlass und eine Anzahl Mini-Wärmeaustauscher-Kanäle, die mit dem Einlass verbunden sind, wobei jeder Mini-Wärmeaustauscher-Kanal mit dem Rohr betriebsfähig verbunden ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst minde stens ein Rohr einen Fluidstrombegrenzer. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform enthält jedes Rohr einen Fluidstrombegrenzer. Die erfindungsgemäßen Fluidstrombegrenzer sind nicht auf eine besondere Maßnahme oder Struktur beschränkt, sondern nicht beschränkende Beispiele bei einigen Bauweisen sind u. a.: ein Rohr-Drosselventil, eine Rohr-Pressung oder ein Verengungsrohr-Abschnitt (wie ein Reduzierverbindungsstück, wobei der Verengungsrohr-Abschnitt einen kleineren Innendurchmesser als ein Rohr ohne Fluidstrombegrenzer hat). Mit der Erfindung lässt sich die Fluidströmung gleichmäßiger auf die Anzahl an Rohren verteilen als mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung ohne Fluidstrombegrenzer. Wenn jedes erfindungsgemäße Rohr auf ein jeweiliges bevorzugtes festgelegtes Maß begrenzt wird, wird die Fluidströmung in der Regel gleichmäßig auf die Rohre verteilt, was zu einer effizienteren Wärmeübertragung führt. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Fluidströmung etwa gleichmäßig auf die Rohre verteilt. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Fluid Flüssigkeit, Dampf oder eine Kombination von Flüssigkeit und Dampf. In einigen Ausführungsformen ist das Fluid Kühlmittel.
Die Aufgaben der Erfindung werden auch gelöst durch ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz der Wärmeübertragung, welches das Begrenzen der Fluidströmung in mindestens einem Rohr einer Wärmeübertragungsvorrichtung auf ein festgelegtes Ausmaß umfasst. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist das festgelegte Strömungsausmaß eine Funktion der Position des Rohrs entlang des Verteilers in Bezug auf eine Fluideinlassposition des Verteilers. In einigen Ausführungsformen wird die Fluidströmung in jedem Rohr der Wärmeübertragungsvorrichtung begrenzt. Die Fluidstrombegrenzung ist nicht auf ein bestimmtes Verfahren, eine bestimmte Maßnahme oder eine bestimmte Struktur beschränkt, sondern nicht beschränkende Beispiele bei einigen Bauweisen sind u. a. das Begrenzen der Fluidströmung unter Verwendung eines Rohr-Drosselventils, einer Rohr-Pressung oder eines Verengungsrohr-Abschnitts (wie ein Reduzierverbindungsstück, wobei der Verengungsrohr-Abschnitt einen kleineren Innendurchmesser als ein Rohr ohne Fluidstrombegrenzer hat). Wenn nur ein erfindungsgemäßes Rohr begrenzt wird, kann die Fluidströmung gleichmäßiger auf die Anzahl an Rohren verteilt werden als bei einer Wärmeübertragungsvorrichtung ohne Fluidstrombegrenzer. Wenn jedes erfindungsgemäße Rohr auf sein jewelliges bevorzugtes festgelegtes Ausmaß begrenzt wird, wird die Fluidströmung in der Regel gleichmäßig auf die Rohre verteilt, was zu einer effizienteren Wärmeübertragung führt. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Fluidströmung etwa gleichmäßig auf die Rohre verteilt. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Fluid Flüssigkeit, Dampf oder eine Kombination von Flüssigkeit und Dampf. In einigen Ausführungsformen ist das Fluid Kühlmittel.
Aufgaben der Erfindung werden auch durch ein Verfahren gelöst zum Modellieren der bestmöglichen Wärmeübertragungseffizienz einer Zwei-Phasen-Wärme-übertragungsvorrichtung, wobei die Vorrichtung einen Verteiler und eine Anzahl an Rohren umfasst, die von dem Verteiler abgehen. Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte: Abschätzen eines plötzlichen Expansions-Zwei-Phasen-Druckabfalls an einem Einlass In den Verteiler, Vorhersagen des Zwei-Phasen-Druckabfalls über Rohren des Verteilers, Bestimmen von Parametern für jedes Rohr der Vorrichtung, die mit ungleichmäßiger Fluidstromverteilung zusammenhängen, Bestimmen von Parametern für jedes Rohr der Vorrichtung, die mit einer gleichmäßigen Fluidstromverteilung zusammenhängen, und Bestimmen einer bevorzugten Begrenzungsquerschnittsfläche für jedes Rohr. In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung zudem einen Fluidstrombegrenzer, der mit mindestens einem aus der Anzahl an Rohren verbunden ist, und das Verfahren umfasst zudem die Schritte: Kalibrieren einer dimensionslosen Position für jeden Fluidstrombegrenzer auf eine Begrenzungsquerschnittsfläche des jeweiligen Rohrs und Bestimmen von Null-Offset-Werten. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zudem das Begrenzen der Querschnittsfläche von mindestens einem Rohr auf die bevorzugte Begrenzungsquerschnittsfläche. In anderen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zudem das Begrenzen der Querschnittsfläche von jedem Rohr auf die jeweilige bevorzugte Querschnittsfläche. Die Begrenzung der Fluidströmung ist nicht auf ein besonderes Verfahren, eine besondere Maßnahme oder Struktur beschränkt, sondern nicht beschränkende Beispiele bei einigen Bauweisen sind u. a. das Begrenzen der Fluidströmung unter Verwendung eines Rohr-Drosselventils, einer Rohr-Pressung oder eines Verengungsrohr-Abschnitts (wie ein Reduzierverbindungsstück, wobei der Verengungsrohr-Abschnitt einen kleineren Innendurchmesser als ein Rohr ohne Fluidstrombegrenzer hat). Wenn nur ein erfindungsgemäßes Rohr begrenzt ist, lässt sich die Fluidströmung gleichmäßiger auf die Anzahl an Rohren verteilen als mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung ohne Fluidstrombegrenzer. Wenn jedes erfindungsgemäße Rohr auf sein jeweiliges bevorzugtes festgelegtes Ausmaß begrenzt wird, wird die Fluidströmung in der Regel gleichmäßig auf die Rohre verteilt, was zu einer effizienteren Wärmeübertragung führt. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Fluidströmung etwa gleichmäßig auf die Rohre verteilt. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Fluid Flüssigkeit, Dampf oder eine Kombination von Flüssigkeit und Dampf. In einigen Ausführungsformen ist das Fluid Kühlmittel.
Die vorgenannten und weiteren Zielen dienen der Veranschaulichung der Erfindung; sie ist aber nicht darauf beschränkt. Der Fachmann kennt bei der Anwendung auch ohne Weiteres andere Verfahren zum Regeln des Flüssigkeitsstroms in ein oder mehren Rohren, um eine gleichförmigere Flüssigkeitsverteilung in den Verteilerrohren zu erreichen und eine effizientere Wärmeübertragung bei Zwei-Phasen-Wärmeübertragungsvorrichtungen zu erzielen. Die Erfindung kann vielfach abgewandelt werden, wie aus der nachstehenden Beschreibung und zugehörigen Zeichnungen der Anlage ersichtlich. Es sind erfindungsgemäß auch Merkmale und Unterkombinationen miteinander verwendbar. Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung und den anliegenden Zeichnungen zu entnehmen. Sie dienen der Darstellung von Beispielen und Ausführungsformen der Erfindung, beschränken diese aber nicht auf einzelne Merkmale.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und die Art und Weise beschrieben, wie der Anmelder sie derzeit als bestmöglich ausführbar ansieht. Die wesentlichen Elemente sind der nachstehenden Beschreibung erläutert, in den Zeichnungen dargestellt und in den beigefügten Patentansprüchen besonders und einzeln hervorgehoben. Es zeigt:
1 eine Wärmeübertragungsvorrichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 einen Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung der 1 entlang der Linie A-A in 1.
3 einen Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung der 1 entlang der Linie B-B in 2.
4 ein ungleichmäßiges Verteilungsmuster einer Wärmeübertragungsvorrichtung des Standes der Technik.
5 eine empirisch gemessene Standardabweichung der Strömung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung des Standes der Technik als Funktion der Kühllast.
6 eine empirisch gemessene Standardabweichung der Strömung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung des Standes der Technik als Funktion der Kühlmittelqualität.
7 eine empirisch gemessene Standardabweichung der Strömung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung des Standes der Technik als Funktion der Wasser-Massenströmungsrate.
8 eine empirisch gemessene Standardabweichung der Strömung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung als Funktion der Kühllast.
9 eine empirisch gemessene Standardabweichung der Strömung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung als Funktion der Kühlmittelqualität.
10 eine empirisch gemessene Standardabweichung der Strömung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung als Funktion der Wasser-Massenströmungsrate.
11 den empirisch gemessenen Druckabfall im Verteiler einer Wärmeübertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung verglichen mit derjenigen des Standes der Technik als Funktion der Wasser-Massenströmungsrate.
12, 12-A, 12-B, 12-C und 12-D ein Fließschema für ein Verfahren zur Vorhersage der Querschnittbegrenzungsfläche von Rohren eines Wärmeaustauschers nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
13 empirisch gemessene Wasser- und Luft-Verlustkoeffizienten als Funktion der dimensionslosen Ventileinstellungen, die mit festgelegten Querschnittbegrenzungsflächen korreliert wurden.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Hier sind mehrere detaillierte Ausführungsformen des Konzepts der Erfindung offenbart, wie es erforderlich ist. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass die offenbarten Ausführungsformen nur als Beispiele für die Prinzipien des erfindungsgemäßen Konzepts dienen, die in verschiedenen Formen ausgeführt werden können. Deshalb sollen spezifische, hier offenbarte, strukturelle und funktionelle Einzelheiten nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern nur als Grundlage für die Ansprüche und als repräsentative Grundlage der Lehren für den Fachmann, wie er das Konzept der Erfindung in praktisch jeder angemessen detaillierten Struktur verschiedenartig einsetzen kann.
Siehe 1: Dargestellt ist eine Wärmeübertragungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung der 1 enthält einen Verteiler und sechs Rohre, die von dem Verteiler abgehen. Einige Rohre enthalten ein Rohr-Drosselventil.
Das Begrenzen der Rohre verbessert die Gleichmäßigkeit der Massenverteilung zwischen Wärmeaustauscher-Rohren. Dies wurde experimentell gezeigt, wie nachstehend anhand der 1–11 und 13 noch genauer erläutert wird. Zwei Wärmeübertragungsvorrichtungen wurden gebaut und getestet, eine mit sechs vom Verteiler abgehenden Rohren und eine zweite mit 20 vom Verteiler abgehenden Rohren. Die Strömungsverteilung wurde anhand der Standardabweichung der Flüssigkeitsmassenströmung durch die Rohre gemessen. Es wurde die Strömungsverteilung verglichen zwischen den Wärmeübertragungsvorrichtungen ohne Fluidstrombegrenzer und den beiden gleichen Wärmeübertragungsvorrichtungen mit einem Quetschventil an jedem Rohr, wobei das Quetschventil auf eine festgelegte bevorzugte Begrenzungsquerschnittsfläche eingestellt war. Die festgelegte bevorzugte Begrenzungsquerschnittsfläche wurde mit einer Ausführungsform eines Verfahren zum Modellieren der Optimierung der Wärmeübertragungseffizienz einer erfindungsgemäßen Zwei-Phasen-Wärme-übertragungsvorrichtung bestimmt, wie weiter unten anhand des Fließschemas in 12 noch erläutert wird. Die Effizienz der Wärmeübertragungsvorrichtungen war besser, wenn die Fluidströmung mithilfe der Quetschventile gleichmäßiger verteilt wurde. Der Grad der Verbesserung variierte von Fall zu Fall. In diesem Beispiel wurde jedoch die durchschnittliche Standardabweichung der unbegrenzten Strömung drastisch von 9,09 [kg/Std.] auf 0,26 [kg/Std.] verringert, wenn die Rohre begrenzt waren. Zweitens wird bei gleichen Massenströmungsraten und einer gleichzeitigen gleichmäßiger verteilten Strömung der Druckabfall durch den Verteiler kleiner.
In herkömmlichen Wärmeaustauscher-Bauweisen trifft man auf viele Kräfte (Trägheits-, Schwer-, Reibungskraft usw.), durch die in einige Wärmeaustauscher-Rohre mehr Flüssigkeit eintritt als in andere. Um diesen Kräften entgegenzuwirken, wird eine zusätzliche Begrenzung an die Rohre angelegt, durch die zu viel Flüssigkeit strömt. Campagna (4) lehrt das Einbringen eines Einsatzes in den Verteiler. Wie in den 1 bis 3 dargestellt, wurde statt dessen jedes Rohr eines Verdampfers mit einem Rohr-Drosselventil ausgestattet, das man auch als Quetschventil bezeichnet. Nach richtigem Einstellen der Ventile war die Flüssigkeitsmassenströmung etwa gleichmäßig auf die Rohre verteilt. 4 zeigt das ungleichmäßig verteilte Strömungsmuster einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit 20 Rohren, von denen keines einen Fluidstrombegrenzer enthält.
Die Messung der Ungleichmäßigkeit der Strömungsverteilung wurde mithilfe des statistischen Maßes der Standardabweichung quantifiziert. Ein Standardabweichungswert von Null zeigt an, dass die Strömungsverteilung gleichmäßig war. Je größer die Standardabweichung, desto stärker ist die ungleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit auf die Rohre. Siehe 4: Im unbegrenzten Fall ist die Verteilung ungleichmäßig. In horizontalen Verteilern mit Aufwärtsströmung in den Rohren ist die Flüssigkeitsströmungsrate am größten in den Rohren, die am weitesten vom Einlass entfernt liegen. Bei unbegrenzten Rohren ist die Strömungsverteilung sehr ungleichmäßig. Die mittlere Standardabweichung war 9,09 [kg/Std.] über alle Experimente. Die 5, 6 und 7 zeigen die empirisch gemessene Standardabweichung der Strömungsverteilung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung ohne einen Fluidstrombegrenzer als Funktion der Kühllast, der Qualität bzw. der Massenströmungsrate der Flüssigkeit.
Die Experimente wurden bei gleichen Strömungsraten von Luft und Wasser durchgeführt, wobei die Rohre mit Strömungs-Drosselventilen begrenzt wurden. Es wurde für jedes Rohr eine bevorzugte Begrenzungsquerschnittsfläche bestimmt, wobei eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Modellieren der Optimierung der Wärmeübertragungseffizienz einer erfindungsgemäßen Zwei-Phasen-Wärmeübertragungs-vorrichtung verwendet wurde, wie weiter unten anhand des Fließschemas in 12 noch erläutert wird. Die Rohre wurden auf das festgelegte Ausmaß begrenzt. Die Standardabweichung der Flüssigkeitsmassenfraktion war drastisch verringert, was auf eine gleichmäßigere Strömungsverteilung hindeutet. Die Verteilung der Strömung nach Begrenzen der Rohre mit Ventilen war sehr viel besser. Die mittlere Standardabweichung über alle Experiment für den Fall mit gleichmäßiger Strömung war drastisch bis auf 0,26 [kg/Std.] verringert. Die Flüssigkeitsmassenströmungsraten in 90% der Rohre wichen um ±10% voneinander ab. Die 8, 9 und 10 zeigen die empirisch gemessene Standardabweichung der Strömungsverteilung durch eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit Quetschventilen, die für jedes Rohr auf die festgelegte bevorzugte Begrenzungsquerschnittsfläche eingestellt waren, als Funktion der Kühllast, der Qualität bzw. der Massenströmungsrate der Flüssigkeit.
11 zeigt den empirisch gemessenen Druckabfall im Verteiler einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit und ohne Fluidstrombegrenzer als Funktion der Wasser-Massenströmungsrate. 11 zeigt, dass der Druckabfall im Verteiler bei der begrenzten Strömung im Vergleich zu der unbegrenzten Strömung kleiner wird.
In diesem Beispiel musste ein Computerdesign-Werkzeug zur Bestimmung einer bevorzugten Begrenzungsquerschnittsfläche von Rohren entwickelt werden. 12 zeigt ein Fließschema für die Vorhersage der Begrenzungsquerschnittsfläche von Rohren. Die 12-A, 12-B, 12-C und 12-D sind Fortsetzungen des Fließschemas in 12. Das Design-Werkzeug wurde unter Verwendung von Quetschventilen an Rohren validiert, in denen Luft und Wasser eine Zwei- Phasen-Kühlmittelströmung simulierten. Die Unsicherheit beim Flächenverhältnis lag unter Verwendung der Instrumente innerhalb von 4% des Vollausschlags. Der Fehler bei der Vorhersage des Querschnitiflächenverhältnisses unter Verwendung des Design-Werkzeugs war kleiner als 6%.
Die Einstellung des Strömungsbegrenzerventils basierte auf dem Verlustkoeffizienten des Ventils und der Flüssigkeitsströmungsrate durch jedes Rohr im Fall der ungleichmäßigen Verteilung. Der Verlustkoeffizient wurde für ein bestimmtes Ventil unter Verwendung von Einzelphasen-Druckabfall-Korrelationen bestimmt. Die Beibehaltung der Eigendynamik wurde auf eine Komponente (z. B. ein Ventil) angewendet, was zu Gleichung 1 führte.
worin ist:
ΔP_1F der Einzelphasen-Druckabfall (lb_f/ft²)
ξ der Einzelphasen-Verlustkoeffizient (–)
ρ die Dichte des Einzelphasen-Fluids (lb_m/ft²)
V die Strömungsgeschwindigkeit (ft/s)
g_c die Proportionalitätskonstante für das 2. Newtonsche Gesetzt (32,2 lb_m-ft/lb_f-s²)
In diesem Beispiel wurde empirisch gezeigt, dass der Verlustkoeffizient gleich war, ob die Strömung nun Flüssigkeit oder Gas war. Der Zwei-Phasen-Druckabfall wurde unter Verwendung des Einzelphasen-Verlustkoeffizienten und des Zwei-Phasen-Multiplikators (β_c) von Paliwoda (Bezugsstelle 2) und des Zwei-Phasen-Druckabfall-Faktors (ϑ) mithilfe von Korrelation bestimmt.
worin ist:
m der Massenfluss (lb_m/ft²)
η' die dynamische Viskosität der Einzelphase
η'' die dynamische Viskosität der zwei Phasen
x die Dampf-Massenfraktion (–)
C ein empirischer Koeffizient
Die Eingangsvariablen sind die Massenströmungsraten von Wasser (m_w) und Luft (m_a), der Druck am Einlass zum Verteiler P_in, der Druckabfall über dem Verteiler ΔP_manifold, die Temperaturen von Luft und Wasser am Eingang zum Verteiler, die Anzahl der Rohre, die Flüssigkeitsströmungsraten durch die Rohre ohne Begrenzung
der Durchmesser der Rohre und der Durchmesser am Einlass des Verteilers und der Zwei-Phasen-Verlustkoeffizient für eine plötzliche Expansion am Einlass.
Der erste Schritt bei dem Modell besteht in der Abschätzung des Zwei-Phasen-Druckabfalls bei plötzlicher Expansion am Einlass des Verteilers. Der Einzelphasen-Druckabfall am Einlass kann auf Basis des mittleren hydraulischen Durchmessers am Einlass des Verteilers und der Massenflussdichte des Zwei-Phasen-Gemischs bestimmt werden. Der Einzelphasen-Verlustkoeffizient ξ_exp kann aus einer von Tabelle von Werten, die bei Paliwoda (Bezugsstelle 2) angegeben ist, auf Basis des Quadrats des Durchmesser-Verhältnisses (d/D)² entnommen werden, wobei d der Einlassrohr-Durchmesser und D der hydraulische Durchmesser des Verteilers ist. Der Zwei-Phasen-Druckabfall wird abgeschätzt durch Multiplizieren des Einzelphasen-Druckabfalls mit einem Zwei-Phasen-Multiplikator β_exp, Gleichung [3]. Der Druck am Einlass zum 1. Wärmeaustauscher-Rohr entspricht der Differenz zwischen dem Druck am Einlass und dem Zwei-Phasen-Druckabfall bei Expansion.
Der zweite Schritt besteht in der Vorhersage des Zwei-Phasen-Druckabfalls im Verteiler. Dieser lässt sich durch eine Zwei-Phasen-Druckabfall-Korrelation mit einem Verteiler-Verlustkoeffizienten unter Verwendung von Gleichung [2] bestimmen. Der Einzelphasen-Verlustkoeffizient über dem Verteiler wurde experimentell bestimmt, indem der Druckabfall über dem Verteiler unter Verwendung von Wasser mit einer Strömungsrate von 77 kg/Std. gemessen wurde, wobei man eine durchschnittliche Geschwindigkeit von 26,75 in/s und eine Reynolds-Zahl von 5000 erhält. Das Manometer, das für die Messung des Druckabfalls im Verteiler verwendet wurde, hat eine Unsicherheit von 0,001 in H₂O.
Beim dritten Schritt werden für jedes Rohr des Wärmeaustauschers die Parameter bestimmt, die mit einer ungleichmäßigen Strömungsverteilung zusammen hängen. Der Druck am Einlass in jedes der Mini-Wärmeaustauscher-Rohre kann anhand der Gleichungen 6 und 7 bestimmt werden. Dann wurde dieser Druckabfall in Gleichung 5 eingesetzt, wodurch der Zwei-Phasen-Verlustkoeffizient, C_sec, bestimmt wurde, bei dem es sich um einen Unterterm des Zwei-Phasen-Multiplikators handelt (siehe Gleichung 3).
Die Massenflussdichte basiert auf den Massen der beiden Fluide der Zwei-Phasen-Strömung an jedem Rohr. Die Fläche, die für die Berechnung der Massenflussdichte berücksichtigt wird, ist die Querschnittsfläche des Wärmeaustauscher-Rohrs. Zur Bestimmung von C_sec mussten die Luft-Massenströmungsraten an jedem Rohr für eine ungleichmäßige Strömung bestimmt werden. Somit gibt es für die Anzahl an Rohren eine Variable mehr als die Gleichungen erforderten. Die zusätzliche Variable kann bewältigt werden, indem man das Massengleichgewicht für die Luftströmung verwendet, wodurch die Summe der Masse an Luft an allen Rohren (berechnet) mit der Masse an Luft am Einlass (gemessen) gleichgesetzt wird.
Der vierte Schritt besteht in der Wiederholung von Schritt 3 und der Untersuchung der Parameter für gleichmäßige Strömungsverteilung. Unter Verwendung des Zwei-Phasen-Verlustkoeffizienten C_sec, ein Ergebnis von Schritt 3, kann man ξ_tube bestimmen, d. h. den Einzelphasen-Verlustkoeffizienten für jedes Rohr, der eine Funktion der Begrenzung ist, die eine gleichmäßige Strömung in jedem Rohr bewirkt. Andererseits kann unter Verwendung von Gleichung ξ_tube experimentell bestimmt werden anhand eines einzelnen Rohrs, wobei die Begrenzung an dem Ventil variiert wird. Die Ergebnisse zeigten, dass der Einzelphasen-Verlustkoeffizient gleich bleibt, ob das Fluid nun Luft oder Wasser ist.
Es wurde eine empirische Korrelation für die Ventilposition als Funktion von ξ_tube gemessen. Die erhaltenen Daten, die in 13 dargestellt sind, wurden mit drei verschiedenen polynomischen Gleichungen stückweise angepasst, wie in den Gleichungen 8 bis 10 dargestellt ist. Ventilposition = –2,6016·ξ[i] + 8,9735 für ξ < 1,16 [8] Ventilposition = 0,0019·ξ[i] 2 – 0,1442·ξ[i] + 5,8411 für 1,16 < ξ < 52,43 [9] Ventilposition = –0,0016·ξ[i] + 3,582 für 52,43 < ξ < 372,21 [10]
Der Korrekturfaktor [K] wurde in die Berechnung der gleichmäßigen Massenströmungsrate von Luft durch jedes Rohr eingeführt, um die Werte ξ_tube[i] auf den gültigen Bereich zu beschränken, so dass die Ventilposition zwischen 0 und 9 festgelegt werden konnte.
Der fünfte Schritt besteht in der Kalibrierung des Fluidstrombegrenzers. Bei diesem Beispiel wurden Quetschventile verwendet. Die für die Begrenzung verwendeten Quetschventile waren mit Graduierungen versehen. Diese Graduierungen haben keine Dimension, es bedeutet lediglich 9 vollständig geöffnet und 2,8 vollständig geschlossen bei einem flexiblen Rohr mit ¼ Zoll Innendurchmesser (5/16 Zoll Außendurchmesser). Es wurden Experimente entwickelt, mit denen die Graduierungen und die Begrenzungsfläche korreliert wurden.
Mit einer einfachen experimentellen Anordnung wurde das Quetschventil mit einer polynomischen Korrelation zweiten Grades, siehe Gleichung 11, zwischen der Graduierung und der Querschnittsfläche nach Begrenzung kalibriert. Die Korrelation basiert auf zwei Sätzen von Daten, die getrennt gesammelt wurden, so dass der Fehler minimiert wurde. Die entwickelte Korrelation passt die Daten am besten an mit einem R-Quadrat (R²) = 0,9933. Querschnittsfläche = –0,0008·(vp)2 + 0,0186·(vp) – 0,0488 [11]
worin vp die Ventilposition ist.
Der sechste Schritt besteht in der Bestimmung der Null-Offset-Werte. Damit die Ventileinstellungen in allen Fällen auf den vollständig offenen Bereich beschränkt wurden, wurden Null-Offsets [A = 1,1024, B = 1 und C = 0,8975] iterativ bestimmt und als Vielfache für den konstanten Term der Querschnittsflächengleichung 11 bzw. für die Ventilpositionsgleichungen 8 bis 10 verwendet.
Der siebte Schritt besteht in der Bestimmung einer bevorzugten Begrenzungsquerschnittsfläche für jedes Rohr. Ein Querschnittsflächenverhältnis jedes Rohrs wird derart festgelegt, dass das Fluid im Verteiler in einem angegebenen Betriebszustand gleichmäßiger verteilt ist. Das Flächenverhältnis ist gleich Endfläche/vollständig offene Fläche. Die Endfläche ist die Fläche des Rohrs nach Begrenzung. Die vollständig offene Fläche ist die Rohr-Querschnittsfläche ohne Begrenzung. Bei diesem Beispiel wurde das Quetschventil zum Verändern des Flächenverhältnisses verwendet. Ein Flächenverhältnis gleich 1 bedeutet vollständig offen und ein Flächenverhältnis gleich 0 bedeutet vollständig geschlossen. Die Unsicherheit bei der Vorhersage des Flächenverhältnisses durch das Design-Werkzeug unter Verwendung der Instrumente lag innerhalb von 4%.
In der vorstehenden Beschreibung wurden bestimmte Begriffe der Kürze, Klarheit und des Verständnisses halber verwendet. Daraus sollen jedoch keine unnötigen Beschränkungen über die Anforderungen des Standes der Technik hinaus abgeleitet werden, weil solche Begriffe zu Beschreibungszwecken verwendet werden und im weitesten Sinne verstanden werden sollten. Außerdem sind die Beschreibung und die Veranschaulichung der Erfindungen beispielhaft und der Umfang der Erfindungen ist nicht auf die genauen Einzelheiten beschränkt, die dargestellt oder beschrieben sind.
Die vorstehende eingehende Beschreibung der Erfindung erfolgte zwar anhand einer beispielhaften Ausführungsform und zwar ist die beste Art und Weise gezeigt und beschrieben, die für die Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen wird, aber selbstverständlich können bestimmte andere Veränderungen, Modifikationen oder Varianten als die hier spezifisch ausgeführten bei der Ausführung der vorstehenden Erfindung und bei ihrer Konstruktion vorgenommen und durch den Fachmann erzielt werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, und selbstverständlich sollen solche Veränderungen, Modifikationen oder Varianten in den Gesamtumfang der Erfindung fallen. Daher wird in Betracht gezogen, dass die Erfindung und jegliche und alle Veränderungen, Modifikationen, Varianten oder Äquivalente davon, die unter den wahren Geist und Umfang der hier offenbarten und beanspruchten zugrunde liegenden Prinzipien fallen, abgedeckt werden. Folglich soll der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt werden, jeglicher Inhalt, der in der vorstehenden Beschreibung enthalten und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, soll als veranschaulichend und nicht in einem beschränkenden Sinne verstanden werden.
Nachdem die Merkmale, Entdeckungen und Prinzipien der Erfindung, die Art und Weise, wie die Erfindung konstruiert und verwendet wird, die Merkmale der Bauweise und vorteilhafte, neue und nützliche Ergebnisse beschrieben worden sind, werden die neuen und nützlichen Strukturen, Vorrichtungen, Elemente, Anordnungen, Teile und Kombinationen in den beigefügten Patentansprüchen dargelegt.
Es sollte zudem selbstverständlich sein, dass die folgenden Ansprüche sämtliche generischen und spezifischen Merkmale der hier beschriebenen Erfindung sowie alle Aussagen über den Umfang der Erfindung, die aufgrund der Sprache als dazwischen liegend gelten, abdecken soll.
ZUSAMMENFASSUNG:
Verfahren für die Modellierung einer bestmöglichen Fluidstromverteilung in Zwei-Phasen-Wärmetauscheranlagen sowie eine Wärmeübertragungsvorrichtung mit Rohren, welche Strömungsbegrenzer aufweisen, so dass man in der Zwei-Phasen-Anlagen eine bestmögliche Fluidströmung erhalten kann.
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 Nicht-Patentliteratur

- Chisholm, D. (1983) Two-Phase Flow in Pipes and Heat Exchangers. George Godwin/Institution of Chemical Engineers, London. 1–24, 106–113, 123–128 [0003]
- Paliwoda, A. (1992) ”Generalized Method of Pressure Drop Calculation Across Pipe Components Containing Two-Phase Flow of Refrigerants”. International Journal of Refrigeration. Bd. 15, Nr. 2, S. 119–125 [0003]
- Watanabe, M., Katsuta, M. und Nagata, K. (1995) Two-phase flow distribution in multi-pass tube modeling serpentine type evaporator, Proceedings of the ASME/JSME Thermal Engineering Conference, 2, S. 35–42 [0003]
- Campagna, Michael 2001, An Evaporator Model which accounts for the Maldistribution of Refrigerant applied to evaluate the Performance of Inlet Manifold Flow Distributors, Masters Thesis, Bradley University [0003]

Claims

Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend einen Verteiler und eine Anzahl Rohren, die von dem Verteiler abgehen, wobei der Verteiler einen Einlass und eine Anzahl Mini-Wärmetauscher-Kanäle umfasst, die mit dem Einlass verbunden sind, wobei die Mini-Wärmetauscher-Kanäle jeweils mit einem der Anzahl Rohre funktionell verbunden sind, wobei mindestens ein Rohr einen Fluidstrombegrenzer aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei alle Rohre jeweils einen Fluidstrombegrenzer aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Fluidstrombegrenzer aus der Gruppe ausgewählt ist: Rohr-Drosselventil, Rohr-Pressung und Rohrengenabschnitt, wobei der Rohrengenabschnitt einen kleineren Innendurchmesser als ein Rohr ohne Fluidstrombegrenzer hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die zudem ein Fluid umfasst, wobei das Fluid Flüssigkeit, Dampf oder irgendein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Fluid ein Kühlmittel ist.
Verfahren zum Verbessern der Effizienz der Wärmeübertragung in einer Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend die Schritte: Begrenzen der Fluidströmung auf ein festgelegtes Maß in mindestens einem Rohr, das von einem Verteiler der Wärmeübertragungsvorrichtung abgeht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das festgelegte Maß eine Funktion der Position des Rohrs entlang des Verteilers in Bezug auf die Position des Flüssigkeitseinlasses in den Verteiler ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jedes Rohr einen Fluidstrombegrenzer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Fluidstrombegrenzer zum Begrenzen der Fluidströmung auf das festgelegte Ausmaß aus der Gruppe ausgewählt ist: Rohr-Drosselventil, Rohr-Pressung und Rohrengenabschnitt, wobei der Rohrengenabschnitt einen kleineren Innendurchmesser als ein Rohr ohne Fluidstrombegrenzer hat.
Verfahren nach Anspruch 6, das zudem den Schritt umfasst: Verteilen der Fluidströmung etwa gleichmäßig auf die Anzahl Rohren.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Fluid Flüssigkeit, Dampf oder ein Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Fluid Kühlmittel ist.
Verfahren zum Modellieren der bestmöglichen Wärmeübertragungseffizienz einer Zwei-Phasen-Wärmeübertragungsvorrichtung, wobei die Vorrichtung einen Verteiler und eine Anzahl Rohre umfasst, die von dem Verteiler abgehen und das Verfahren die Schritte umfasst: Abschätzen des plötzlichen Expansions-Zwei-Phasen-Druckabfalls am Einlass in den Verteiler; Vorhersagen des Zwei-Phasen-Druckabfalls über den Verteiler; Bestimmen von Parametern für jedes Rohr der Vorrichtung, die mit ungleichmäßiger Fluidstromverteilung zusammenhängen; Bestimmen von Parametern für jedes Rohr, die mit einer gleichmäßigen Fluidstromverteilung zusammenhängen; und Bestimmen einer bevorzugten Begrenzungsquerschnittsfläche für die Rohre.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung zudem einen Fluidstrombegrenzer umfasst, der mit mindestens einem aus der Anzahl an Rohren verbunden ist, und das Verfahren zudem die Schritte umfasst: Kalibrieren einer dimensionslosen Position für jeden Fluidstrombegrenzer auf eine Begrenzungsquerschnittsfläche des jeweiligen Rohrs und Bestimmen von Null-Offset-Werten.
Verfahren nach Anspruch 13, das zudem den Schritt umfasst: Begrenzen der Querschnittsfläche von mindestens einem Rohr auf die bevorzugte Begrenzungsquerschnittsfläche.