DE69821800T2

DE69821800T2 - Gegenstromverdampfer für kältemittel

Info

Publication number: DE69821800T2
Application number: DE1998621800
Authority: DE
Inventors: H. Ronald FILIUS; H. Stephen SMITH
Original assignee: York International Corp
Current assignee: York International Corp
Priority date: 1997-12-16
Filing date: 1998-12-15
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: JP2002508500A; EP1040310A1; DE69821800D1; WO1999031452A1; CN1163723C; CN1282413A; TW432196B; US6530421B1; US6092589A; EP1040310B1; AU1826399A; JP4038020B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscherverdampfer, insbesondere einen Gegenstromverdampfer, der für zeotrope Kältemittel mit prägnanten Gleiteigenschaften optimiert ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Verdampfer vom Röhrenwärmetauschertyp, bei dem das Kältemittel durch die Röhren fließt und verdampft, während eine Flüssigkeit durch den Dampfraum fließt und von dem verdampfenden Kältemittel gekühlt wird. Der Verdampfer ist Bestandteil einer Kühlanlage, die zum Kühlen großer Wassermengen verwendet werden kann.
Beschreibung des Standes der Technik
Kühlanlagen der Art, die zum Kühlen großer Wassermengen eingesetzt werden, umfassen typischerweise einen Wärmetauscherverdampfer mit zwei getrennten Durchgangswegen. Ein Durchgangsweg führt Kältemittel und ein anderer führt die zu kühlende Flüssigkeit, gewöhnlich Wasser. Wenn das Kältemittel durch den Verdampfer strömt, absorbiert es Wärme von der Flüssigkeit und wechselt von einer Flüssig- in eine Dampfphase. Nachdem das Kältemittel den Verdampfer verlassen hat, strömt es weiter zu einem Kompressor, dann zu einem Kondensator, dann zu einem Expansionsventil und wieder zum Verdampfer zurück und wiederholt den Kältekreislauf. Die zu kühlende Flüssigkeit geht in einem separaten Flüssigkeitskanal durch den Verdampfer hindurch und wird durch die Verdampfung des Kältemittels gekühlt. Die Flüssigkeit kann dann zu einem Kühlsystem zum Kühlen der zu klimatisierenden Räume geleitet werden, oder sie kann zu anderen Kühlzwecken verwendet werden.
Ein Verfahren zur Erhöhung des Wirkungsgrads von Wärmetauscherverdampfern im Allgemeinen und insbesondere von jenen vom Röhrenwärmetauschertyp besteht darin, die Anzahl und Abmessungen der das Kältemittel führenden Röhren zu verändern. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einer untragbaren Kostensteigerung.
Eine andere Vorgehensweise zur Steigerung des Wirkungsgrads von Wärmetauschern im Allgemeinen bestand darin, Stäbe in Wärmetauscherröhren einzubauen, um ringförmige Durchgänge auszubilden, in denen eine Flüssigkeit fließt. Anwendungen dieser Vorgehensweise sind in den US-Patenten Nr. 1 303 107 von Oderman, 3 749 155 von Buffiere und 5 454 429 von Neusauter offenbart. Bei dieser Vorgehensweise wird die Wärmeübertragung durch die Außenwand des Kreisrings erhöht, indem die Strömungsmenge des Kältemittels nahe der Wand erhöht wird. Jedoch weist diese Vorgehensweise oft Nachteile auf. Beispielsweise kann eine galvanische bzw. Kontaktkorrosion zwischen Metallteilen aus verschiedenen Metallen zu vorzeitigen Ausfällen des Wärmetauschers führen und ausgedehnte Wartungen und Reparaturen erfordern. Wenn die Stäbe innerhalb der Röhrendurchgänge verwendet werden, kann die Energie der Strömung die Stäbe zum Vibrieren bringen. Die durch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und den Stäben in den Röhren entwickelte akustische Energie kann im Lauf der Zeit die Struktur des Verdampfers beschädigen. Bei einigen Anwendungsfällen verursacht diese Vorgehensweise einen hohen Druckabfall am Rohr, wodurch die Wirkung des Kältekreislaufs vermindert wird. Außerdem haben Anwendungen dieser Vorgehensweise schon oft die Kosten des sich ergebenden Wärmetauschers wegen der Materialkosten für den Stab und der Werkstoff- und Arbeitskosten im Zusammenhang mit dem Einbau und dem Halten des Stabs innerhalb des Rohrs prägnant erhöht.
Vor kurzem haben bestimmte Aufsichtsgremien Beschränkungen für jene Arten von Kältemitteln erlassen, die für bestimmte Kühlanwendungen verwendet werden können. Zusammen mit den vorgenannten Einschränkungen besteht angesichts dieser Beschränkungen bei bestehenden Verdampferentwürfen weiterhin ein Bedarf an einem verbesserten Verdampfer für Kältemittel.
Das US-Patent Nr. 4 784 218 offenbart einen Wärmetauscher mit Strömungsbrecherelementen in Form von an einem Stab angebrachten Klingen. Bei jeder beliebigen Klinge besteht ein Kontakt zwischen den Klingen und der inneren Röhrenwand effektiv nur an einem Kontaktpunkt oder überhaupt nicht. Ein derartiger Punktkontakt oder Kontaktmangel hält die Brecherstruktur nicht an ihrer Position innerhalb der Röhre. Vielmehr neigen die Klingen dazu, in die Grenzschicht einzudringen.
Das US-Patent Nr. 4 090 559 offenbart einen Wärmetauscher mit einer verwundenen Drahtbürste mit Reibungspassung gegen eine Röhrenwand. Die Röhre und die Zentrierbürste sind aus einem Metall wie Kupfer, Aluminium oder Stahl hergestellt.
Das US-Patent Nr. 4 412 582 lehrt die Verwendung von Polypropylen für flache Leitflächen, welche die Strömung von Flüssigkeit in einem Wärmetauscher unterbrechen. Dieses System verwendet mehrere Abstandsstäbe zum Anbringen der Leitflächen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Verdampfer für einen Kältekreislauf zur Verfügung zu stellen, der die Probleme, Beschränkungen und Nachteile derzeit in Benutzung befindlicher Verdampfer aller Art, vor allem jener, die in luftgekühlten Kälteeinheiten verwendet werden, anspricht.
Ein weiteres Ziel ist es, einen Verdampfer zur Verfügung zu stellen, der wirksam mit neueren Kältemitteln, vor allem zeotropen Kältemitteln mit Gleiteigenschaften, arbeitet.
Ein noch anderes Ziel ist es, einen verbesserten Verdampfer vorzusehen, der aus kostengünstigen Bestandteilen besteht und ökonomisch zu bauen ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nun folgenden Beschreibung erläutert und sind zum Teil aus der Beschreibung ersichtlich, oder sie können durch die praktische Anwendung der Erfindung erfahren werden. Die Ziele und weiteren Vorteile der Erfindung werden durch die Vorrichtungen und Kombinationen, die insbesondere in der schriftlichen Beschreibung und ihren Ansprüchen hervorgehoben werden, sowie durch die beigefügten Zeichnungen realisiert und erhalten.
Um diese und andere Vorteile zu erreichen und gemäß dem Zweck der Erfindung, wie er ausgeführt und ausführlich beschrieben ist, sieht ein Aspekt der Erfindung eine Wärmetauschervorrichtung vor, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Die Borstenbüschel sind vorzugsweise integral mit dem inneren Bauelement hergestellt.
Bevorzugt werden mehrere Wärmetauscherröhrenvorrichtungen innerhalb des Dampfraums eines Verdampfers gehalten, wobei jede Vorrichtung eine Länge aufweist, die nach der Menge der ausgetauschten Wärme bestimmt wird. Bei Verwendung in einem luftgekühlten Kältegerät wird der sich ergebene Verdampfer vorzugsweise zum Übertragen von Wärme zwischen einem zeotropen Kältemittel und Wasser benutzt. In dieser Ausführungsform wird das Kältemittel durch den Verdampfer in einem einzigen Durchlauf in eine Richtung fließen gelassen, während das Wasser durch den Verdampfer in einem einzigen Durchlauf in die entgegengesetzte Richtung fließen gelassen wird. Das innere Bauelement ist vorzugsweise wie ein langer Zylinder geformt.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Austauschen von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und einem Kältemittel in einem Röhrenwärmetauscher mit einer oder mehreren Röhren vor, wie in Anspruch 15 definiert ist.
Vorzugsweise ist das Kältemittel ein zeotropes Kältemittel mit prägnanten Gleiteigenschaften. Das Kältemittel und die Flüssigkeit fließen in entgegengesetzten Richtungen durch den Wärmetauscher, wobei sie jeweils nur einen einzigen Durchlauf ausführen.
Experimente haben auch Verbesserungen gezeigt, wenn die vorliegende Erfindung mit Verdampfern angewendet wurde, die ein Kältemittel mit einem einzigen Bestandteil, wie etwa R-22, verwendet haben.
Es sollte verstanden werden, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur als Beispiel und zur Erläuterung dienen.
Die beigefügten Zeichnungen sind zum weiteren Verständnis der Erfindung eingeschlossen, und sie sind in die Beschreibung aufgenommen und stellen einen Teil von ihr dar, sie veranschaulichen mehrere Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht, die eine Ausführungsform eines Wärmetauscherverdampfers zeigt, der gemäß der Erfindung hergestellt ist.
2 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie II-II der Ausführungsform des in 1 gezeigten Wärmetauscherverdampfers.
3 ist eine Querschnittsansicht eines der röhrenförmigen Bauelemente des Verdampfers von 1, die ein langes inneres Bauelement mit elastisch biegsamen, in dem langen röhrenförmigen Bauelement angeordneten Stützbauelementen zeigt.
4 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform des langen inneren Bauelements mit elastisch biegsamen Stützbauelementen.
5 ist eine Ansicht des langen inneren Bauelements der 4 von hinten.
6 ist eine Querschnittsansicht längs der Linie VI-VI des in 4 gezeigten inneren Bauelements.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Wasser- und Kältemitteltemperatur veranschaulicht, wenn diese durch einen Verdampfer fließen, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es wird nun detailliert Bezug auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen Beispiele in der beiliegenden Beschreibung beschrieben und/oder in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind.
Zwar weist die vorliegende Erfindung eine breitere Anwendungsmöglichkeit auf in Bezug auf eine Wärmetauschervorrichtung zum Übertragen von Wärme zwischen Flüssigkeiten, welche innerhalb, und Flüssigkeiten, welche über ein röhrenförmiges Bauelement fließen, aber die Erfindung wurde entwickelt und weist eine besondere Anwendungsmöglichkeit auf als Verdampfervorrichtung in einer luftgekühlten HVAC (heating, ventilating and air conditioning – Heiz-, Belüftungs- und Klimatisierungs-)-Kältekompressoranlage, vorzugsweise eine, die zeotrope Kältemittel verwendet. Zeotrope Kältemittel bestehen aus mehreren Bestandteilen, wobei jedes Bestandteil einen anderen Siedepunkt hat. Diese zeotropen Kältemittel weisen typischerweise eine prägnante Gleiteigenschaft auf, was bedeutet, dass ein großer Temperaturunterschied zwischen ihrem niedrigsten und ihrem höchsten Siedepunkt besteht. Ein Beispiel für diese Kältemittel ist R-407C. Zur wirksamen Verwendung zeotroper Kältemittel haben die Erfinder festgestellt, dass der Verdampfer-Wärmetauscher eine echte Gegenstromeinheit sein sollte, in der das Strömen des Wassers in entgegengesetzter Richtung zum Strömen des Kältemittels erfolgt. Konventionelle Verdampfer mit mehreren Durchläufen, bei denen eine der beiden Flüssigkeiten durch Röhrenleitungen fließt, die hin und her wechseln, machen sich die prägnanten Gleiteigenschaften zeotroper Kältemittel nicht zunutze. Dagegen hält die Gegenstromkonfiguration den größten durchschnittlichen Temperaturunterschied zwischen Kältemittel und Flüssigkeit durch die Länge des Wärmetauschers aufrecht, was zur höchsten Wärmeübertragung führt, wobei andere Variable konstant bleiben. Bei der bevorzugten Ausführungsform fließen die Flüssigkeiten in entgegengesetzte Richtungen und jede führt nur einen Durchlauf durch den Verdampfer aus. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, haben die Erfinder eine effiziente Weise zur Verwendung einer Gegenstromanordnung mit zeotropen Kältemitteln gefunden, während der Verdampfer noch in ökonomisch annehmbaren Grenzen hinsichtlich Länge und Gesamtgestaltung gehalten wurde.
Wie in den 1–2 gezeigt ist, umfasst die Erfindung einen Verdampfer 45 zum Übertragen von Wärme von einer Flüssigkeit zu einem zeotropen Kältemittel mit Gleiteigenschaften. Die Flüssigkeit ist vorzugsweise Wasser, aber auch andere Flüssigkeiten können verwendet werden. Beispielsweise können in dem Verdampfer Alkohol, Salzlösung, Öl und Glykol verwendet werden. Der Verdampfer weist eine lange Kammer 36 mit Sammlern 38, 39 an jedem Ende auf. Neben einem ersten Ende der Kammer befindet sich ein Flüssigkeitseinlass 40 zur Aufnahme von Flüssigkeit, wie etwa Wasser. Die Flüssigkeit fließt in einer ersten axialen Richtung durch die Kammer 36 des Verdampfers und wird in gekühltem Zustand durch einen Auslass 41 neben einem gegenüberliegenden zweiten Ende der Kammer abgelassen. Der Verdampfer 45 umfasst auch einen Kältemittelein lass 50, der mit dem Sammler 39 an einem Ende der Kammer in Verbindung steht, und einen Kältemittelauslass 51, der mit dem Sammler 38 am gegenüberliegenden Ende der Kammer in Verbindung steht. Des Weiteren weist der Verdampfer mehrere lange röhrenförmige Bauelemente 30 auf, die innerhalb der langen Kammer zum Aufnehmen von Kältemittel von dem Sammler 39 am zweiten Ende der Kammer, zum Fließenlassen des Kältemittels durch die röhrenförmigen Bauelemente 30 und Ablassen des Kältemittels in erwärmtem Zustand durch den Sammler 38 und den Auslass 51 am ersten Ende der langen Kammer positioniert sind. In dieser Anordnung ist der Verdampfer ein echter Gegenstromverdampfer, der einen einzigen Durchlauf eines Kältemittels und einer zu kühlenden Flüssigkeit, typischerweise Wasser, annimmt. Wie nachstehend detaillierter beschrieben wird und wie in 3 gezeigt ist, ist ein extrudiertes inneres Bauelement 10 von langer Form in jedem röhrenförmigen Bauelement angeordnet, so dass das innere Bauelement und das röhrenförmige Bauelement einen Kreisring 29 bilden, durch den Kältemittel fließt, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der anderen Flüssigkeit zu erleichtern.
Der Verdampfer 45 weist eine lange Kammer 36 auf, die durch einen äußeren Dampfraum 35 definiert ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Dampfraum von zylindrischer Form, aber der Dampfraum kann in einer Anzahl unterschiedlicher Formen vorliegen, ohne von der Erfindung abzuweichen. Wasser tritt durch den Wassereinlass 40 in die Kammer 36 ein, fließt durch die Kammer 36 und tritt dann am Auslass 41 in gekühltem Zustand aus. Flüssiges Kältemittel wird am Sammler 39, der am zweiten Ende der Kammer 36 angebracht ist, eingeführt und durch eine Flüssigdurchlauf-Leitfläche 46 an die langen röhrenförmigen Bauelemente 30 verteilt, in denen das Kältemittel in entgegengesetzter Richtung zur Strömung des Wassers fließt. In den röhrenförmigen Bauelementen 30 absorbiert das Kältemittel Wärme aus dem Wasser und verdampft. Am dem Sammler 39 gegenüberliegenden Ende der Kammer sind die röhrenförmigen Bauelemente 30 mit einer Ansaugdurchlauf-Leitfläche 37 verbunden, an der sie mit einem Sammler 38 in Verbindung stehen, der einen Auslass für das Kältemittel aufweist. An diesem Auslass verlässt das Kältemittel den Verdampfer vorrangig in einem Dampfzustand.
Das Bündel Wärmetauscherröhren im Verdampfer wird durch mehrere Leitflächen in Position gehalten, die axial längs des Verdampfers beabstandet sind. Diese Leitflächen weisen Löcher auf, durch die die röhrenförmigen Bauelemente passen. Die Endleitflächen an den Enden des Verdampfers haben denselben Querschnitt wie der Verdampfer und definieren zusammen mit dem äußeren Dampfraum die Kältemittelsammler. Die übrigen Leitflächen innerhalb der Kammer erstrecken sich nicht quer durch die gesamte Kammer und sind alternativ an gegenüberliegenden Innenflächen des Verdampfers zum Leiten der Wasserströmung in den Verdampfer in einem wellenähnlichen Fluss befestigt, um die Wärmeübertragung zwischen dem Wasser und dem Kältemittel, die in den Röhren fließen, zu erhöhen. Der Verdampfer erreicht einen Gegenstrom von Wasser und Kältemittel, wobei sowohl das Kältemittel als auch das Wasser in nur einem einzigen axialen Durchlauf durch den Verdampfer fließen.
In der bevorzugten Ausführungsform sind die lange Kammer, die mehreren langen röhrenförmigen Bauelemente und die langen inneren Bauelemente im Wesentlichen gerade. In dieser besonderen Ausführungsform hat der Verdampfer eine Länge von 3,66 m (12 Fuß), jedoch können auch andere Längen für eine Anpassung an unterschiedliche Strömungsmengen und Wärmetauschpegel verwendet werden. Verdampferentwürfe, die eine Länge von 4,88 m (16 Fuß) aufweisen, haben zu ausgezeichneten Ergebnissen geführt. Wie in 3 gezeigt ist, ist ein langes inneres Bauteil 10 innerhalb des langen röhrenförmigen Bauelements 30 angeordnet. Sowohl das innere Bauelement als auch das röhrenförmige Bauelement sind so bemessen, dass sie einen Kreisring 29 zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des inneren Bauelements und des röhrenförmigen Bauelements bilden. In der bevorzugten Ausführungsform weist das innere Bauelement einen konstanten Durchmesser auf. Mehrere elastisch biegsame Stützbauelemente 12 sind in der Form von Büscheln, die bevorzugt aus Borstenbündeln hergestellt sind, an dem inneren Bauelement angebracht und längs des inneren Bauelements beabstandet, um vorzustehen und mit dem röhrenförmigen Bauelement in Eingriff zu kommen, um dadurch das innere Bauelement zentriert innerhalb des röhrenförmigen Bauelements zu stützen. Die besten Ergebnisse wurden durch konzentrisches Stützen des inneren Bauelements innerhalb des röhrenförmigen Bauelements erhalten.
Das Kältemittel fließt durch den Kreisring 29 und überträgt Wärme durch die Wand des röhrenförmigen Bauelements 30 an eine Flüssigkeit, die über die Außenfläche des röhrenförmigen Bauelements 30 fließt. In der bevorzugten Ausführungsform weist das röhrenförmige Bauelement einen kreisrunden Querschnitt auf und das innere Bauelement 10 weist einen festen kreisförmigen Querschnitt auf und ist aus geschäumtem Kunststoff hergestellt. Die Abmessungen des zu verwendenden Kreisrings hängen von der besonderen Anwendung unter Berücksichtigung der verwendeten Flüssigkeiten und der Größe und Belastungseigenschaften des Verdampfers ab. Für ein röhrenförmiges Bauelement von 16 mm (5/8 Zoll) Innendurchmesser wurde gezeigt, dass Kreisringe mit einer Höhe (radialer Abstand zwischen der Außenfläche des inneren Bauelements 10 und der Innenfläche des äußeren Bauelements 30) im Bereich von 3,2 bis 6,4 mm (1/8 bis 1/4 Zoll), die einen Außendurchmesser des inneren Bauelements 10 von 3,2 bis 9,5 mm (1/8 bis 3/8 Zoll) ergeben, einen akzeptablen Wärmetausch liefern. Jedoch ist die Erfindung nicht auf Kreisringe beschränkt, die nur innerhalb dieses Bereichs liegen.
Das innere Bauelement 10 ist aus einem Material hergestellt, das mit dem durch den Kreisring fließenden Kältemittel kompatibel ist und das nicht auf andere Weise praktische oder Anwendungsprobleme aufwirft. Beispielsweise hat sich ein inneres Bauelement 10 aus einem geschäumten Polymermaterial als besonders gut für zeotrope Kältemittel wie etwa R-407C erwiesen. Während die inneren Stäbe aus einer Vielfalt von Werkstoffen hergestellt sein können und dennoch viele Merkmale der vorliegenden Erfindung vorweisen können, haben sich feste synthetische Stäbe mit Eigenschaften wie jene von Polypropylenstäben und am meisten bevorzugt Stäbe aus geschäumtem Polyethylen als für die Erfindung besonders gut geeignet erwiesen. Stäbe aus geschäumtem Polymer sind Polymerstäbe, die Gaseinschlusstaschen aufweisen. Geschäumte Stäbe sind von größerer Fe stigkeit und Konzentrizität als feste Polymerstäbe und weisen auch eine bessere Steifigkeit auf und ihre Abmessungen können bei der Herstellung besser gesteuert werden. Derartige Stäbe sind auch relativ kostengünstig im Vergleich zu Stäben, die aus anderen Materialien hergestellt sind.
Genauer gesagt, haben innere Bauelemente aus geschäumtem Polyethylen oder aus geschäumtem Polypropylen gute Ergebnisse gezeigt. Diese beiden Materialien widerstehen einem chemischen Angriff, der zu nichtkondensierbaren Stoffen führen würde. Andere Materialien, einschließlich Metalle, können zur Ausbildung der inneren Bauelemente verwendet werden, aber alle weisen bestimmte Nachteile wie überhöhte Herstellungs- oder Installationskosten, Korrosion, Steigerung mechanischer Ausfälle, überhöhter Druckabfall oder Schwierigkeiten beim Zentrieren innerhalb der röhrenförmigen Bauelemente auf.
Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, sind mehrere röhrenförmige Bauelemente in einem Verdampfer eingebaut, der zum starken Abkühlen von Wasser verwendet wird. Rein beispielsweise sind annähernd 400 Röhren in einem Verdampfer umfasst, der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Jedes röhrenförmige Bauelement hat einen Innendurchmesser von 16 mm (5/8 Zoll) und jedes innere Bauelement hat einen Außendurchmesser von 9,5 mm (3/8 Zoll). Diese Abmessungsparameter können bei Bedarf für bestimmte Anwendungen modifiziert werden.
Der Verdampfer der vorliegenden Erfindung sieht einen erhöhten Wirkungsgrad des Kühlsystems aufgrund der gesteigerten Wärmetauscherwirkung zwischen dem Kältemittel und dem Wasser vor. Die Massenströmungsmenge des Kältemittels nahe der Oberfläche des röhrenförmigen Bauelements wird erhöht, was zu einer erhöhten Wärmeaustauschrate an der Wand des röhrenförmigen Bauelements 30 führt. Die Wärmeaustauschrate kann weiter erhöht werden, wenn das röhrenförmige Bauelement eine gerippte Innenoberfläche 31 hat, die in Kontakt mit dem Kältemittel ist, so dass die wirksame Innenseitenfläche des röhren förmigen Bauelements 30 vergrößert wird. Röhrenleitungen mit derartigen gerippten Innenflächen sind im Handel erhältlich.
In der bevorzugten Ausführungsform wird das innere Bauelement von den biegsamen Stützbauelementen 12 zentral innerhalb des röhrenförmigen Bauelements gehalten. In der in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsform erstrecken sich die biegsamen Stützbauelemente von dem inneren Bauelement und sind an einem Ende an dem inneren Bauelement angebracht. Am gegenüberliegenden Ende befinden sich die Stützbauelemente 12 mit der Innenfläche des röhrenförmigen Bauelements 30 in Eingriff und halten dadurch das innere Bauelement 10 in einer im Wesentlichen zentralen Position längs der Mittellinie des röhrenförmigen Bauelements 30.
Wie in 6 gezeigt ist, sind in einer bevorzugten Ausführungsform die biegsamen Stützbauelemente 12 aus Büscheln geformt, die ihrerseits vorzugsweise aus an dem inneren Bauelement 10 angebrachten Borstenbündeln 22 hergestellt sind. Diese Büschel können aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein, die mit dem in dem röhrenförmigen Bauelement verwendeten Kältemittel kompatibel sind und die ausreichend biegsam sind, um leicht in eine Röhre eingeführt zu werden und dennoch die Stab in Position zu halten. Beispielsweise können die Büschel aus Polypropylenborsten hergestellt sein. Büschel dieser Art oder ähnliche biegsame Bauelemente können an dem inneren Stab durch verschiedene herkömmliche Techniken befestigt sein. In der offenbarten Ausführungsform werden die Büschel aufgebaut, indem ein Loch 20 in das lange innere Bauelement 10 gebohrt oder anderweitig geformt wird und die Büschel dauerhaft in den Löchern befestigt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Borstenbüschel auf sich zusammengefaltet und in das Loch 20 eingeführt. Die verdoppelten Borstenbüschel werden dann durch eine Heftklammer 21 aus Stahl oder einem anderen geeigneten Material an dem inneren Bauelement befestigt. Die Borsten, die von der Oberfläche des inneren Bauelements abstehen, werden dann auf die korrekte Länge geschnitten, so dass das innere Bauelement und die biegsamen Büschel leicht in das röhrenförmige Bauelement eingeführt werden können, und die Bü schel werden dann in Presspassung gegen die Innenwand des röhrenförmigen Bauelements gebracht. Beispielsweise wird in ein inneres Bauelement von 9,5 mm (3/8 Zoll) Durchmesser gebohrt, um ein Loch von 3,2 mm (0,125 Zoll) Tiefe und 3,2 mm (0,125 Zoll) Durchmesser zur Unterbringung eines Büschels von 2,5 mm (0,100 Zoll) Durchmesser zu formen. Borsten mit einem Durchmesser von 0,25 mm (0,010 Zoll) sind bei dieser Anwendung annehmbar gewesen.
Letztendlich können die Stützbauelemente der vorliegenden Erfindung aus verschiedenen Materialien nach verschiedenen Techniken hergestellt werden, solange die daraus entstehenden Stützbauelemente die äußeren und inneren Bauelemente in der korrekten Position auf eine Art und Weise halten, die sowohl ökonomisch als auch technisch annehmbar ist.
Ein Vorteil des Ausbildens der biegsamen Stützbauelemente 12 aus zu Büscheln gefassten Borsten besteht darin, dass sich die Stützbauelemente biegen lassen, aber dann von allein in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, was zu einem problemlosen Einführen des langen inneren Bauelements 10 in das fange röhrenförmige Bauelement 30 durch ein offenes Endes des röhrenförmigen Bauelements führt. Sobald das lange innere Bauelement 10 in das röhrenförmige Bauelement 30 eingeführt ist, zentrieren die biegsamen Stützen 12 das lange innere Bauelement 10 und halten es in seiner korrekten Position innerhalb des langen röhrenförmigen Bauelements 30 zum Ausbilden des Kreisrings 29.
In der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform sind die biegsamen Stützbauelemente längs des inneren Bauelements beabstandet, und sie sind auch entlang des Perimeters des Kreisrings beabstandet. Die biegsamen Stützbauelemente 12, wie sie hier ausgeführt sind, und unter Bezugnahme auf die 4 und 5, sind entlang des Perimeters des inneren Bauelements 10 positioniert und durch mit Winkeln versehene Räume in gleichem Abstand voneinander getrennt. In diesem Fall sind Sätze aus drei Stützbauelementen entlang des Umfangs des inneren Bauelements 10 platziert und durch einen 120°-Bogen getrennt. Zusätzlich sind die Stützbauelemente 12 einer Satz axial längs des inneren Bauelements 10 beabstandet, vorzugsweise durch gleiche axiale Abstände.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden mehrere Sätze aus je drei Büscheln an bestimmten Abständen längs des inneren Bauelements platziert, so dass das innere Bauelement 10 im Wesentlichen zentral innerhalb des röhrenförmigen Bauelements 30 entlang seiner Gesamtlänge gestützt ist. In jedem Satz Stützbauelemente sind die einzelnen Büschel entlang des Perimeters des inneren Bauelements sowie längs der axialen Länge des inneren Bauelements gleich beabstandet. Außerdem definieren die Stützbauelemente von mindestens einer der Sätze einen spiralförmigen Weg längs des Kreisrings 29, wie in 4 gezeigt ist.
Die bevorzugte Konfiguration der Stützbauelemente minimiert die Menge des Druckabfalls, der durch das durch den Kreisring 29 fließende Kältemittel bewirkt wird. Druckabfälle zwischen 20,7 und 48,7 kPa (zwischen drei und sieben Psi) sind im Allgemeinen für das in dem ringförmigen Durchgang fließende Kältemittel annehmbar, ohne die Wirkung der Kühlanlage zu vermindern. Bei den bestimmten, vorstehend erörterten beispielhaften Röhren- und Stababmessungen entsprechen diese Druckverluste einer Spaltfrequenz zwischen den Sätzen biegsamer Stützbauelemente von etwa 25,4 cm bzw. 7,6 cm (10 Zoll bzw. 3 Zoll). Genauer gesagt, wurde festgestellt, dass ein Abstand von 16,8 cm (6,625 Zoll) zwischen aufeinanderfolgenden Sätzen biegsamer Stützen annehmbar ist, wie durch den Abstand „D" in 4 gezeigt ist. Die Beabstandung der einzelnen Büschel innerhalb jedes Satzes von Stützbauelementen kann auch optimiert werden, um den Druckabfall zu senken, während das lange innere Bauelement 10 trotzdem zentriert wird. Beispielsweise wurde festgestellt, dass eine axiale Beabstandung von annähernd 12,7 mm (0,5 Zoll) von einem Büschel zum nächsten annehmbar ist, und sie wird durch den Abstand „B" in 4 bezeichnet.
Die spiralförmige Konfiguration der in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Stützen 12 versetzt das Kältemittel in eine spiralförmige Bewegung. Dies neigt dazu, die Schichtung des Kältemittels in Flüssigschichten und Gasschichten auf ein Minimum zu reduzieren, da das Kältemittel aufgrund der von der Flüssigkeit aufgenommenen Wärme durch das röhrenförmige Bauelement die Phase von einer Flüssigkeit in ein Gas wechselt.
Der Verdampfer der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise mit einem zeotropen Kältemittel mit prägnanten Gleiteigenschaften verwendet. Ein solches Kältemittel ist R-407C, das ein ternäres Gemisch von HFC-32/HFC-125/ und HFC-134a und ein keine Ozonverarmung verursachendes Kältemittel ist. Das vorliegende Gemisch weist bei einem gegebenen Druck mehrere Siede- und Kondensationstemperaturen auf. Der Bereich, in dem die Siede-/Kondensationstemperatur schwankt, wird als Temperaturgleiten bezeichnet. Eine Anzahl anderer zeotroper Kältemittel kann ebenfalls bei der Anwendung der Erfindung eingesetzt werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, weist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewirken eines Wärmeaustauschs zwischen einer Flüssigkeit und einem Kältemittel in einem Röhrenwärmetauscher mit langer Kammer auf. Die Schritte umfassen das Fließenlassen des Kältemittels durch eine ringförmige Passage, welche zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen eines langen röhrenförmigen Bauelements und eines in dem röhrenförmigen Bauelement angeordneten langen inneren Bauelements gebildet ist, wobei das röhrenförmige Bauelement seinerseits innerhalb der langen Kammer angeordnet ist. Ein weiterer Schritt besteht darin, die Flüssigkeit um die Außenfläche des röhrenförmigen Bauelements herum fließen zu lassen. Bei diesem Verfahren wird das innere Bauelement innerhalb des röhrenförmigen Bauelements von mehreren biegsamen Stützen gestützt, die längs des inneren Bauelements beabstandet sind, von dem inneren Bauelement vorstehen und mit dem röhrenförmigen Bauelement in Eingriff kommen.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrens zum Kühlen einer Flüssigkeit in einem Verdampfer vom Röhrenwärmetauschertyp weist erfindungsgemäß folgende Schritte auf: Fließenlassen einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, in den Ver dampfer durch einen neben einem ersten Ende des Dampfraums des Verdampfers angeordneten Flüssigkeitseinlass, Fließenlassen der Flüssigkeit durch eine lange Kammer innerhalb des Dampfraums in einer ersten axialen Richtung und Ablassen der Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher durch einen neben einem zweiten Ende des Dampfraums gegenüber dem ersten Ende angeordneten Flüssigkeitsauslass. Das Verfahren umfasst weiteren die folgenden Schritte: Fließenlassen des Kältemittels durch einen Kältemitteleinlass in einen ersten am zweiten Ende des Dampfraums platzierten Sammler, Fließenlassen des Kältemittels in die zweite Richtung entgegen der ersten Richtung durch einen zwischen gegenüberliegenden Oberflächen eines röhrenförmigen Bauelements innerhalb der langen Kammer ausgebildeten Kreisring und ein inneres Bauelement innerhalb des röhrenförmigen Bauelements und Ablassen des Kältemittels aus einem am ersten Ende des Dampfraums gegenüber dem ersten Sammler befindlichen zweiten Sammler durch einen Kältemittelauslass. Sowohl das Kältemittel wie auch die Flüssigkeit fließen nur einmal durch den Verdampfer, und vorzugsweise ist das Kältemittel ein zeotropes Kältemittel mit prägnanten Gleiteigenschaften. Der Verdampfer weist mehrere äußere Röhren und innere Bauelemente gemäß der vorliegenden Erfindung auf, die jeweils eine Länge in der Größenordnung von 4,88 m (16 Fuß) haben. Die spezifischen Abmessungen der Vorrichtung können in Abhängigkeit von der Menge und der Temperatur der gekühlten Flüssigkeit variieren.
Das Verfahren zum Kühlen von Wasser unter Verwendung eines in eine zum Wasser entgegengesetzte Richtung fließenden Kältemittels, bei dem lange, von Büscheln gestützte innere Bauelemente innerhalb der langen röhrenförmigen Bauelemente angeordnet sind, ist besonders vorteilhaft, wenn ein zeotropes Kältemittel mit Gleiteigenschaften als Arbeitskältemittel verwendet wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine verbesserte Systemwirksamkeit für den Kältekreislauf und erlaubt auch die Verwendung eines kürzeren Verdampfers, ohne dafür die Effizienz zu opfern. Die so konstruierten Einfügungen sind leicht einzubauen und fördern keine Kontaktkorrosion.
Damit stellt die Erfindung einen Gegenstromverdampfer für eine luftgekühlte Kältekühlanlage zur Verfügung, die ein prägnantes zeotropes Gleitkältemittel wie etwa R-407C verwendet. Der Verdampfer und die Röhrenleitungen sind ausreichend lang, um das Kältemittel aus einem vorrangig flüssigen Zustand beim Eintreten in den Einlass des Verdampfers zu einem Gas einer Qualität von annähernd 95% beim Austritt zu verdampfen. Für einen Verdampfer mit 382 Röhren mit einem Außendurchmesser von 16 mm (5/8 Zoll) und inneren zylindrischen Bauelementen mit einem Durchmesser von 9,5 mm (3/8 Zoll) wurde gezeigt, dass Längen von 4,88 m (16 Fuß) den gewünschten Wirkungsgrad liefern. Es wird angenommen, dass Verdampfer der vorliegenden Erfindung mit Längen von 3,66 m (zwölf Fuß) oder mehr deutliche Vorteile gegenüber bekannten Anlagen tiefern. 7 zeigt ein Diagramm der Temperatur von Wasser und von dem Kältemittel R-407C, während sie in entgegengesetzten Richtungen durch einen Verdampfer fließen, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert wurde.
Die bevorzugte Ausführungsform der inneren Bauelemente ist kostengünstig, da die inneren Bauelemente aus polymeren Stäben hergestellt sind und mit Stützbauelementen ausgestattet werden können, die die Bauelemente durch ein ökonomisches und leicht zusammensetzbares Stützsystem an Ort und Stelle halten. Eine solche Ausführungsform ist der Stab aus geschäumtem Polyethylen mit Büschelstützen, die vorstehend detailliert offenbart wurden. Die Herstellungs- und Materialkosten für diese Ausführungsform sind im Verhältnis zu Metallstäben gering und der Zusammenbau des inneren Bauelements in die röhrenförmigen Elemente ist äußerst einfach und kosteneffizient. Die entstehende Kombination hat sich ebenfalls als vollständig geräuschfrei im Verhältnis zu anderen Optionen erwiesen. Die Verwendung des Polypropylen- oder Polyethylenstabs und der Büschel sollte für die äußere Röhre vom Standpunkt der Kontaktkorrosion oder Röhrenundichtheit, die durch Reibung von Metall auf Metall verursacht werden, ebenfalls nicht schädlich wirken. Außerdem liefert diese Kombination von Bauelementen hohe Wärmetauschwerte mit niedrigen oder gemäßigten Druckabfällen. Andere Röhrenmaterialien und Stützmerkmale, die dieselben oder ähnliche vorteilhafte Eigenschaften liefern, fallen unter den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

Wärmetauschervorrichtung, welche folgendes umfasst: ein röhrenförmiges langes Bauelement; ein in dem langen röhrenförmigen Bauelement angeordnetes langes inneres Bauelement, wobei das lange innere und das lange röhrenförmige Bauelement so dimensioniert sind, dass sie zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des inneren Bauelements und des röhrenförmigen Bauelements einen Kreisring bilden, um den Wärmeaustausch zwischen einer in dem Kreisring fließenden Flüssigkeit und einer über dem röhrenförmigen Bauelement fließenden Flüssigkeit zu erleichtern; und mehrere einzelne Sätze von in Längsrichtung beabstandeten biegsamen Stützbauelementen, wobei die Stützbauelemente entlang des Perimeters des langen inneren Bauelements beabstandet sind und jedes Stützbauelement in der Form eines nicht-metallischen Büschels eines Bündels von Borsten vorliegt, das an dem inneren Bauelement angebracht ist und vorsteht, um mit dem langen röhrenförmigen Bauelement in Eingriff zu kommen und das innere Bauelement innerhalb des röhrenförmigen Bauelements zu stützen.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das innere Bauelement fest ist und einen kreisförmigen Querschnitt hat.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das innere Bauelement aus Polypropylen hergestellt ist.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das innere Bauelement der Länge nach einen konstanten Durchmesser aufweist.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Borsten aus Polypropylen hergestellt sind.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das röhrenförmige Bauelement eine Metallröhre mit einer gerippten Innenfläche ist, um den Wärmeaustausch mit der in dem Kreisring fließenden Flüssigkeit zu erhöhen.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das röhrenförmige Bauelement eine gerippte Innenfläche hat, um den Wärmeaustausch mit der in dem Kreisring fließenden Flüssigkeit zu erhöhen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in Verwendung zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit, die über die Außenfläche eines röhrenförmigen Bauelements fließt, und eines Kältemittels, das durch das röhrenförmige Bauelement hindurchfließt.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei das innere Bauelement und das Stützbauelement mit einem zeotropen Kältemittel chemisch kompatibel sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei das röhrenförmige Bauelement und das innere Bauelement im Wesentlichen gerade sind und konzentrisch sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei das röhrenförmige Bauelement und das innere Bauelement eine Länge von mindestens 3,66 m (12 Fuß) aufweisen.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Durchmessers des langen inneren Bauelements zum Durchmesser des röhrenförmigen langen Bauelements zwischen 1 : 5 und 3 : 5 liegt.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Stützbauelementsatz drei Stützbauelemente aufweist.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stützbauelemente eines Satzes längs des inneren Bauelements etwa 12,7 mm (0,5 Zoll) voneinander beabstandet sind.
Verfahren zum Austauschen von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und einem Kältemittel in einem Röhrenwärmetauscher, welches die folgenden Schritte umfasst: Fließenlassen des Kältemittels durch eine ringförmige Passage, welche zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen eines langen röhrenförmigen Bauelements und eines in dem röhrenförmigen Bauelement angeordneten langen inneren Bauelements gebildet ist, wobei das röhrenförmige Bauelement innerhalb des Mantels des Wärmeaustauschers angeordnet ist; Fließenlassen der Flüssigkeit um die Außenfläche des röhrenförmigen Bauelements herum; und Stützen des inneren Bauelements innerhalb des röhrenförmigen Bauelements anhand mehrerer einzelner Sätze von in Längsrichtung beabstandeten biegsamen Stützen, wobei jeder Satz mehrere Stützbauelemente umfasst, die entlang des Perimeters des langen inneren Bauelements beabstandet sind, und wobei jedes Stützelement in der Form eines nicht-metallischen Büschels eines Bündels von Borsten vorliegt, das an dem inneren Bauelement angebracht ist und von dem inneren Bauelement vorsteht, um mit dem röhrenförmigen Bauelement in einer Art Presspassung in Eingriff zu kommen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei jede der biegsamen Stützen an einem Ende des inneren Bauelements angebracht ist und sich am anderen Ende mit der Fläche des röhrenförmigen Bauelements in Eingriff befindet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das innere Bauelement fest ist und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das innere Bauelement aus Polypropylen hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das innere Bauelement einen konstanten Durchmesser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Kältemittel ein zeotropes Kältemittel ist und das innere Bauelement und die biegsamen Stützbauelemente mit einem zeotropen Kältemittel chemisch kompatibel sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das innere Bauelement und das röhrenförmige Bauelement im Wesentlichen gerade sind und konzentrisch sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Druckabfall zwischen 20,7 und 48,3 kPa liegt.