EP2627962A2 - Baueinheit aus wärmetauscher und flüssigkeitsabscheider - Google Patents

Baueinheit aus wärmetauscher und flüssigkeitsabscheider

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EP2627962A2
EP2627962A2 EP11818912.5A EP11818912A EP2627962A2 EP 2627962 A2 EP2627962 A2 EP 2627962A2 EP 11818912 A EP11818912 A EP 11818912A EP 2627962 A2 EP2627962 A2 EP 2627962A2
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EP
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heat exchanger
liquid separator
assembly
heat transfer
transfer plates
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EP11818912.5A
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Martin Kolbe
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Tranter GmbH
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    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
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    • F28D2021/0071—Evaporators

Definitions

  • the invention refers to an assembly of a claytau ⁇ shear with a plate heat exchanger and a liquid separator for separating drops of vaporized refrigerant.
  • heat exchangers with fully welded heat transfer plates are used in a pressure vessel.
  • the pressure vessel has outer connections, for example, for the supply and discharge of a medium to be tempered, which flows through the heat transfer plates, a connection for supplying a liquid refrigerant to the interior of the pressure vessel as well as at least one connection for discharging the by the heat of the medium to be tempered on the surfaces of the heat transfer plates evaporated refrigerant.
  • heat exchangers are carried out with a package of a plurality of pairs of round heat transfer plates that are pressure stable in the container.
  • the container must have at least one sufficiently stable flat end plate to support the package of round heat transfer plates and to be able to absorb the high pressure acting on them.
  • heat exchangers can be operated with full or partial flooding, as well as single or multiple tanks.
  • Refrigeration and air conditioning systems have in the refrigerant circuit in addition to the heat exchanger a subordinate this downstream, separate container as a liquid separator and a compressor, which are connected to each other via pipes on.
  • the droplets entrained in the evaporation of a refrigerant on the heat transfer plates are separated from the gas phase in a known manner. This deposition is necessary so that no liquid can with the liquid separator on ⁇ associated compressor to re-liquefy the refrigerant from the subsequently be sucked in the form of drops, otherwise the compressor may be damaged.
  • the object of the invention is to develop a structural unit comprising a heat exchanger with a plate heat exchanger and a liquid separator for separating droplets from vaporized refrigerant, in particular for refrigeration and air-conditioning systems, which saves space, material and refrigerant as well as being compact.
  • the problem is solved by the features listed in the protection claim 1. Preferred developments emerge from the subclaims.
  • a structural unit according to the invention combines a heat exchanger and a liquid separator , comprising a pressure vessel in which heat transfer plates are arranged in a lower region and in which by the Anord ⁇ voltage of the heat transfer plates in the lower area above the heat transfer plates, an upper portion as a space for the deposition of Drops of vaporized refrigerant ⁇ medium is formed and wherein the heat transfer plates are arranged substantially parallel to the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the pressure vessel may further include the usual elements, such as external connection ports for supplying and discharging the media, as well as means for controlling the supply or discharge of the media, optionally means for guiding or distributing a liquid refrigerant or means for guiding and distributing the vaporous refrigerant . for example, by impact plates, screens or labyrinths have.
  • the pressure vessel is essentially of a tubular base body having on both sides with this welded dished ends formed. This allows the use of standard components and thus a cost-effective production.
  • heat exchanger plates are formed as at least one fully welded plate package of plate pairs with the described in the publication DE 10 2004 022 433 B4 profiled heat transfer plates having a rectangular shape with both sides arcuately delimited head pieces each having a passage opening.
  • the heat exchange can advantageously be realized in cross-flow.
  • the standing on the long side "standing" arrangement of the heat exchanger plates allows a low height.
  • the structural unit can have at least one further plate pack arranged above the first plate pack.
  • the further plate pack advantageously consists of more pairs of plates than the underlying, so that the present in the tubular body according to the circular cross-section at the installation of the further plate package larger inside width is utilized.
  • the pressure vessel has a compressive strength which is higher than the pressure which is possible in the plate space.
  • This advantageous embodiment prevents that at a leak of the circulation of the medium to be cooled, in particular on the heat exchanger plates then acting on the pressure vessel pressure leads to its bursting to exclude an escape of a hazardous refrigerant even in case of damage.
  • FIG. 1 vertical section of a structural unit in the axial direction
  • FIG. 2 cross-section of a structural unit
  • Fig. 1 and Fig. 2 is as a structural unit of a heat exchanger with a plate heat exchanger and a liquid, in a pressure vessel 1, near the bottom, parallel to the longitudinal axis of a fully welded plate package 2 of pairs of profiled heat transfer plates having a rectangular shape on both sides arcuately limited headers have arranged.
  • 1 essentially consists of a tubular basic body 3, a first dished bottom 4 and a second dished bottom 5, which are welded together.
  • a first nozzle 9 serves as an inlet for liquid refrigerant
  • a second nozzle 10 for sucking off the vaporized refrigerant
  • an inlet nozzle 11 and an outlet nozzle 12 for a medium to be tempered in the plate package 2 as well as an oil sump 13 shown with an oil extraction 14.
  • the pressure vessel is designed so that it can absorb a larger pressure than can be present in the plate space. This rupture of the pressure vessel is excluded in case of bursting or leakage and ensures safe operation of the plant.

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Abstract

Es wird eine Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus verdampftem Kältemittel, insbesondere für kälte- und klimatechnische Anlagen beschrieben, die kompakt aufgebaut ist. Erfindungsgemäß sind in einem Druckbehälter (1), in welchem in einem unterem Bereich Wärmeübertragungsplatten (2) angeordnet sind und in welchem durch die Anordnung der Wärmeübertragungsplatten (2) in dem unteren Bereich oberhalb der Wärmeübertragungsplatten (2) ein oberer Bereich als Raum für die Abscheidung von Tropfen aus verdampften Kältemittel gebildet wird, die Wärmeübertragungsplatten im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Druckbehälters angeordnet.

Description

Baueinheit aus Wärmetauscher und Flüssigkeitsabscheider
Die Erfindung bezeichnet eine Baueinheit aus einem Wärmetau¬ scher mit einem Plattenwärmeübertrager und einem Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus verdampftem Kältemittel .
In kälte- und klimatechnischen Anlagen und anderen Anwendungsgebieten werden Wärmetauscher mit voll verschweißten Wärmeübertragungsplatten in einem Druckbehälter eingesetzt. Der Druckbehälter weist äußere Anschlüsse, beispielsweise für die Zu- und Abführung eines zu temperierenden Mediums, das die Wärmeübertragungsplatten durchströmt, einen Anschluss für die Zuführung eines flüssigen Kältemittels zum Inneren des Druckbehälters als auch mindestens einen Anschluss zur Ableitung des durch die Wärme des zu temperierenden Mediums an den Oberflächen der Wärmeübertragungsplatten verdampften Kältemittels auf.
Oftmals werden Wärmetauscher mit einem Paket aus einer Vielzahl von Paaren runder Wärmeübertragungsplatten, die druckstabil im Behälter eingebaut sind, ausgeführt.
Der Behälter muss dabei mindestens eine ausreichend stabile plane Stirnplatte aufweisen, um das Paket der runden Wärmeübertragungsplatten zu stützen und den auf diese wirkenden hohen Druck aufnehmen zu können.
Die Eigenmasse des druckfesten Behälters ist dadurch erheblich .
Wärmetauscher können je nach Ausführung mit Voll- oder Teil- flutung sowie ein- oder mehrpässig betrieben werden.
Bestätigungskopie| Kälte- und klimatechnische Anlagen weisen im Kältemittelkreislauf neben dem Wärmetauscher einen diesem nachgeordneten, separaten Behälter als Flüssigkeitsabscheider und einen Kompressor, die über Rohrleitungen miteinander verbunden sind, auf.
Im Flüssigkeitsabscheider werden prinzipiell mittels Nutzung der Schwerkraft und gegebenenfalls unterstützt durch spezielle Einbauten, die bei dem Verdampfen eines Kältemittels an den Wärmeübertragungsplatten mitgerissene Tropfen aus der Gasphase in bekannter Weise abgeschieden. Diese Abscheidung ist erforderlich, damit von dem nachfolgend mit dem Flüssig¬ keitsabscheider verbundenen Kompressor zur erneuten Verflüssigung des Kältemittels keine Flüssigkeit in Form der Tropfen angesaugt werden kann, da ansonsten der Kompressor beschädigt werden kann.
Die übliche Ausführung der Wärmetauscher und der Flüssigkeitsabscheider in separaten Behältern bedingt ausladende Abmessungen, große Massen, aufwendige Führungen der erforderlichen Rohrleitungen zum Verbinden der einzelnen Anlagenteile sowie ein bestimmtes Kältemittelmindestvolumen.
Problematisch gestaltet sich auch der Transport derartiger Anlagen, so dass diese im Einzelfall erst am Aufstellungsort komplett montiert werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baueinheit aus einem Wärmetauscher mit einem Plattenwärmeübertrager und einem Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus verdampftem Kältemittel, insbesondere für kälte- und klimatechnische Anlagen zu entwickeln, die platz- und material- sowie kältemittelsparend sowie kompakt aufgebaut ist. Die Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteranspruchen .
Eine erfindungsgemäße Baueinheit vereint einen Wärmetauscher und einen Flüssigkeitsabscheider,, aufweisend einen Druckbehälter, in welchem in einem unterem Bereich Wärmeübertragungsplatten angeordnet sind und in welchem durch die Anord¬ nung der Wärmeübertragungsplatten in dem unteren Bereich oberhalb der Wärmeübertragungsplatten ein oberer Bereich als Raum für die Abscheidung von Tropfen aus verdampften Kälte¬ mittel gebildet wird und wobei die Wärmeübertragungsplatten im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Druckbehälters angeordnet sind.
Besondere Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere in der räum- und materialsparenden Bauweise der Baueinheit aus dem Wärmetauscher und dem Flüssigkeitsabscheider mit einer durch die Längsanordnung der Wärmeübertragungsplatten (also achsparallel zu dem Druckbehälter) besonders effektiven Raumausnut¬ zung. Die längs angeordneten Wärmeübertragungsplatten nutzen bauformbedingt den unteren Bereich des Druckbehälters vorteilhaft aus, bedingen ein relativ geringes „Totvolumen" unterhalb sowie seitlich der Wärmeübertragungsplatten und lassen oberhalb ein relativ großes Volumen in dem Druckbehälter frei, der für die Flüssigkeitsabscheidung zur Verfügung steht. Der relativ große nutzbare Volumenanteil des Raumes für die Flüssigkeitsabscheidung ermöglicht eine insgesamt geringere Baugröße des Druckbehälters . Insbesondere verbunden mit dem Entfall eines separaten Behälters für den Flüssigkeitsabscheiders und die Zusammenfassung der Funktionalitäten von Wärmetauscher und Flüssigkeitsabscheider in einem einheitlichen Druckbehälter wird so eine platzsparende und materialsparende Vorrichtung geschaffen, die zudem eine wesentliche Kältemitteleinsparung ermöglicht.
Aufwändige Verrohrungen zwischen Wärmetauscher und Flüssigkeitsabscheider, wie sie nach dem Stand der Technik üblich sind, entfallen und begünstigen so einen sicheren Betrieb einer kälte- oder klimatechnischen Anlage.
Mit dem einheitlichen Druckbehälter und dessen optimierter Baugröße, auch verbunden mit dem Entfall von Verrohrungen werden die Aufwendungen zur Wärmedämmung verringert. Es wird ferner ein energieeffizienterer Betrieb als bei separater Ausführung von Wärmetauscher und Flüssigkeitsabscheider ermöglicht .
Durch die geringere Baugröße ist aufgrund der Erfindung eine werkseitige Komplettmontage einschließlich Kompressor zu einer Gesamteinheit bei Abmessungen innerhalb der üblichen Containerdimensionen auch für Anlagen solcher Leistung möglich, wie dies bei separaten Druckbehältern für Wärmetauscher und Flüssigkeitsabscheider bisher nicht realisierbar war. Die Transportaufwendungen reduzieren sich; auch der Montageaufwand am Aufstellungsort reduziert sich. Zudem kann durch den Entfall der Erstellung von Verrohrungen sowie durch die werkseitige Fertigung ein höherer Qualitäts- und Sicherheitsstandard gewährleistet werden.
Der Druckbehälter kann weiterhin die üblichen Elemente, wie außen Anschlussstutzen zum Zu- und Abführen der Medien sowie im Inneren Einrichtungen für die Regelung der Zufuhr oder Abführung der Medien gegebenenfalls Mittel zur der Führung oder Verteilung eines flüssigen Kältemittels oder Mittel zur Führung und Verteilung des dampfförmigen Kältemittels, beispielsweise durch Prallplatten, Siebe oder Labyrinthe aufweisen .
Weitere Vorteile ergeben sich aus dem möglichen Betrieb des Wärmeübertragers der erfindungsgemäßen Baueinheit in allen üblichen Weisen, wie mit Teil- oder Vollflutung sowie ein- oder mehrpässig.
In einer vorteilhaften Variante ist der Druckbehälter im Wesentlichen aus einem rohrförmigem Grundkörper, der beidseitig mit diesem verschweißte Klöpperböden aufweist, gebildet. Dies ermöglicht die Verwendung von Standardbauteilen und somit eine kostengünstige Produktion.
In einer bevorzugten Ausbildung der erfindungsgemäßen Baueinheit sind die parallel zur Längsachse des Grundkörpers angeordneten Wärmetauscherplatten als mindestens ein vollverschweißtes Plattenpaket aus Plattenpaaren mit den in der Druckschrift DE 10 2004 022 433 B4 beschriebenen profilierten Wärmeübertragungsplatten ausgebildet, die eine rechteckige Form mit beiderseits bogenförmig begrenzten Kopfstücken mit je einer Durchtrittsöffnung aufweisen. Die langgezogene rechteckige Ausbildung der Plattenpaare, wie sie in DE 10 2004 022 433 B4 beschrieben sind, lassen bei deren Anordnung mit der längeren Rechteckseite achsparallel zu dem Grundkörper die Vorteile der Erfindung, insbesondere die Raumoptimierung und die sich dadurch ableitenden Vorteile in besonderer effektiver Weise zur Geltung kommen. Der Wärmeaustausch kann vorteilhaft im Kreuzstrom realisiert werden. Die auf der Längsseite „stehende" Anordnung der Wärmetauscherplatten erlaubt eine geringe Bauhöhe. In einer weiteren Variante kann die Baueinheit mindestens ein weiteres über dem ersten Plattenpaket angeordnetes Plattenpaket aufweisen. Das weitere Plattenpaket besteht günstigerweise aus mehr Plattenpaaren als das darunterliegende, so dass die im rohrförmigen Grundkörper gemäß dem kreisförmigen Querschnitt am Einbauort des weiteren Plattenpaket vorhandene größere lichte Weite ausgenutzt ist.
In weiteren Aus führungsvarianten ist es vorstellbar, bei axialer Verlängerung des rohrförmigen Grundkörpers, mindestens ein weiteres Plattenpaket in axialer Richtung in der Nähe der Unterseite des Grundkörpers anzuordnen.
Weitere Varianten der Anordnung von zusätzlichen Plattenpaketen in axialer Richtung im Grundkörper, wie die Anordnung eines über den ersten Plattenpaketen um deren halbe axiale Länge versetzten, in radialer Richtung des rohrförmigen Grundkörpers, breiteren Plattenpakets, sind als erf ndungsgemäße Ausführungen zu sehen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus einer Ausbildung einer kas- kadierbaren Anordnung der Plattenpakete- Dies bedeutet, dass die Plattenpakete nacheinander von dem zu kühlenden Medium durchströmt werden, wodurch eine Optimierung der Wärmeübertragung erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausbildung weist der Druckbehälter eine Druckfestigkeit auf, die höher ist als der im Plattenraum mögliche Druck. Durch diese vorteilhafte Ausbildung wird verhindert, dass bei einem Leck des Kreislaufs des zu kühlenden Mediums, insbesondere an den Wärmetauscherplatten der dann auf dem Druckbehälter wirkende Druck zu dessen Bersten führt, um einen Austritt eines gesundheitsgefährdenden Kältemittels auch im Havariefall auszuschließen. Des Weiteren ist es möglich die beschriebene Baueinheit zu¬ sammen mit dem Kompressor zur Verdichtung des verdampften Kältemittels mit den erforderlichen Verrohrungen in einem Gestell anzuordnen, so dass eine fertig konfigurierte, komplett montierte Anlage vorliegt, die lediglich noch mit den Anschlüssen für das zu temperierende Medium zu verbinden ist.
Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dies erfolgt anhand von
Fig. 1 Vertikalschnitt einer Baueinheit in axialer Richtung Fig. 2 Querschnitt einer Baueinheit
Nach Fig. 1 und Fig. 2 ist als Baueinheit aus einem Wärmetauscher mit einem Plattenwärraeübertrager und einem Flüssigkeitsabscheider, in einem Druckbehälter 1, in der Nähe der Unterseite, parallel zu dessen Längsachse ein vollverschweißtes Plattenpaket 2 aus Paaren profilierter Wärmeübertragungsplatten, die eine rechteckige Form mit beiderseits bogenförmig begrenzten Kopfstücken aufweisen, angeordnet.
Der Druckbehälter 1 besteht nach Fig. 1 im Wesentlichen aus einem rohrförmigen Grundkörper 3, einem ersten Klöpperboden 4 und einem zweiten Klöpperboden 5, die miteinander verschweißt sind .
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, ist das vollverschweißte Plattenpaket 2 zwischen einer linken Stirnplatte 6 und einer rechten Stirnplatte 7, die mittels Verbindungselementen 8 kraftschlüssig verbunden sind, drucksicher aufgenommen . Des Weiteren sind in den beiden Figuren 1 und 2 ein erster Stutzen 9 als Zulauf für flüssiges Kältemittel, ein zweiter Stutzen 10 zum Absaugen des verdampften Kältemittels, ein Zulaufstutzen 11 und ein Ablaufstutzen 12 für ein im Plattenpaket 2 zu temperierendes Medium als auch ein Ölsumpf 13 mit einer Ölabsaugung 14 dargestellt.
Ferner sind Anschlüsse für Messmittel zur Füllstandshöhenerfassung und -regelung vorhanden .
Mit der Verwendung von Klöpperböden 4; 5 für den Druckbehälter 1 mit dem darin angeordneten Plattenpaket 2 ergibt sich gegenüber Druckbehältern mit zumindest einem planen und schweren Behältermantelteil zur druckfesten Aufnahme eines Wärmetauschers mit runden Platten der Vorteil, dass zusätzliches Volumen zur Abscheidung von Tropfen aus dem verdampftem Kältemittel zur Verfügung steht und verringerte Abmessungen des Druckbehälters 1 bei gleichzeitig geringerer Eigenmasse desselben gegeben sind. Der Druckbehälter ist so ausgebildet, dass er einen größeren Druck aufnehmen kann, als im Plattenraum anliegen kann. Damit wird im Berst- bzw. Leckagefall ein Bersten des Druckbehälters ausgeschlossen und ein sicherer Anlagenbetrieb gewährleistet.
Verwendete Bezugszeichen
1 Druckbehälter
2 Wärmeübertragungsplatten
3 rohrförmiger Grundkörper
4 erster Klöpperboden
5 zweiter Klöpperboden
6 linke Stirnplatte
7 rechte Stirnplatte
8 Verbindungselemente
9 erster Stutzen
10 zweiter Stutzen
11 Zulaufstutzen
12 Ablaufstutzen
13 Ölsumpf
14 Ölabsaugung

Claims

SchutzanSprüche
1. Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus verdampf¬ tem Kältemittel, insbesondere für kälte- und klimatechnische Anlagen,
aufweisend einen Druckbehälter (1), in welchem in einem unterem Bereich Wärmeübertragungsplatten (2) angeordnet sind und in welchem durch die Anordnung der Wärmeübertragungsplatten (2) in dem unteren Bereich oberhalb der Wärmeübertragungsplatten (2) ein oberer Bereich als Raum für die Abscheidung von Tropfen aus verdampften Kältemittel gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmeübertragungsplatten im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Druckbehälters angeordnet sind.
2. Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druckbehälter (1), im Wesentlichen aus einem rohrförmigem Grundkörper (3) sowie beidseitig mit diesem verschweißten Klöpperböden ( 4 ; 5) besteht.
3. Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flussig- keitsabscheider nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei den Wärmeübertragungsplatten (2) um mindestens ein vollverschweißtes Plattenpaket aus Plattenpaaren profilierter Wärmeübertragungsplatten rechteckiger Form mit beiderseits bogenförmig begrenzten Kopfstücken mit je einer Durchtrittsöffnung handelt. Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein weiteres Plattenpaket über dem ersten Plattenpaket angeordnet ist, welches mehr Plattenpaare als das erste Plattenpaket aufweist.
Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass in axialer Verlängerung des rohrförmigen Grundkörpers (3) mindestens ein weiteres Plattenpaket in axialer Richtung nach dem ersten Plattenpaket angeordnet ist .
Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Plattenpakete kaskadiert angeordnet sind.
Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Druckbehälter (1) eine höhere Druckfestigkeit ausweist als der im Plattenraum der Wärmetauscherplatten mögliche Betriebsdruck.
Baueinheit aus einem Wärmetauscher und einem Flüssigkeitsabscheider nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Baueinheit zusammen mit einem Kompressor über einen ersten Stutzen (9) und einen zweiten Stutzen (10) an dem Druckbehälter (1) verrohrt in einem Gestell als komplette Anlage montiert ist.
EP11818912.5A 2010-10-12 2011-10-12 Baueinheit aus wärmetauscher und flüssigkeitsabscheider Withdrawn EP2627962A2 (de)

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