AT514841A1 - Vorrichtung für den Wärmeaustausch - Google Patents

Abstract

Vonichtung für den Wänneaustausch von mindestens zwei Fluidströmen, umfassend wenigstens zwei Fluidkammern (3a, 3b), die durch eine Fluidkammertrennwand (2) voneinander getrennt sind, wobei die Fluidkammertrennwand (2) von wenigstens einem wänneleitenden Element (1) durchsetzt ist, welches sowohl in die erste Fluidkammer (3a) als auch in die zweite Fluidkammer (3b) ragt.

Description

Vorrichtung für den 'Wärmeaustausch

Die Erfindung betrifft eine Vomchtung für den Wärmeaustausch «wischen zwei Fluidströmen. Weiters betrifft die Erfindung, ein Verfahren «um Herstellen einer solchen Vorrichtung.

Vorrichtungen für den Wärmeaustausch «wischen zwei Stoffströmen werden allgemein als Wärmetauscher bezeichnet. Solche sind vielfach in der Technik im Einsatz, und es existiert dafür eine Vielzahl von Konstr uktionsweisen und Ausfährungsvariamen. Allgemein, bekannt sind z.B. Rohrbünde) - Wärmetauscher wie \ie zur Übertragung von R&uchg3«wärme· auf Mcizwasser eingesetzt werden (beispielsweise in der Kraftwerksteehniky Eine häufig verwendete Wärmeiauscherbaoart für den Wärmeaustausch zwischen flüssigen Medien beruht auf dern Prinzip der Plattenwärmetauseher. Weiters sind Rippen·· bzw. Lamellen-Wärmetauscher für den Wmrme-Austausch zwischen gasförmigen und flüssigen Medien bekannt. Wärmetauscher spielen eine wichtige Rolle in der Energietechdik, wo F.ffi/icnz. Kosten, Baufellgröße und Wartungsfreundlichkeit wesentliche Auswahl.- und BrfMgskriterien sind.

Bin zunehmend wichtiges Emsatefeld betrifft den Wäniteaustausck bei dem .mindestens' ein gasförmiger Stoffstrom involviert ist. Die größte Herausforderung besteht hier darin, trotz sehr geringer W armeöbergangszahlen·' von gasförmigen Medien effiziente Wärmeübertragungen. bei. möglichst kleine« Bauteiiahmessunge« zu erzielen. Bei den bestehenden bzw. bekannten Konzepten kommen große Wärmetauscher-Oherfläehen «um Einsatz, die neben konstruktiven Herausforderungen auch große Bauteüabmessungen. mit .hohem PiatzbedarL hohem Materialeinsatz und oft erheblichem Isolationsau Iw and bedeuten,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch zwischen zwei Stoffströmen bereit zu stellen, wobei zumindest ein Stoffstrom gasförmig ist, bd dem die beschriebenen Nachteile vermieden sind. Insbesondere soll eint: solche Vorrichtung bereit gestellt werden, bei der eine effiziente Wännoühenrjjgung bei kompakter Bauweise möglich ist

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung für den Wärmeaustausch von -mindestens zwei Flu td strömen, .umfassend wenigstens zwei Fiuidkammem, die durch eine Fluidkammertrennwaud voneinander getrennt sind, welche dadurch gekennzeichnet 1st, dass die Fluid.kammcrttenn'wand von wenigsten« einem wärme leilenden Elemern durchsetzt ist, welches sowohl in die erste Ruidkammcr als auch in die zweite Fluidkammcr ragt·.

Bevorzugt sind mehrere wärmeleitende Elemente vorgesehen. welche die Ruidk ammeittennwand ähnlich wie Borsten oder Stifte einer Bürste durchsetzen.

Eine Grundidee der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, die Wärmetauscher-Oberflächen sowie den- Warmetransporf durch zumindest: ein wärmeleitendes Element (bevorzugt mehrere) zu realisieren« welches in die Raumbereiche der Fluidströme« also in die jeweilige Fluidkauunern - ähnlich wie LeUschaufein oder Rüge) hineinreicht. Um eine neu muhe Angk-iehung der Temperaturen der Fluide /.e erreichen- sind die Strömungsrichtungen der Fluide, entsprechend der Bauweise vors Gegenstrom-Wärmetauschern, einander entgegengesetzt. Es handelt sich also um eure Vorrichtung für den Wärmeaustausch zwischen zwo· Fluiden nach den; Gcgcnstromprisuip. wobei die ausyy tausc hende Wärme durch Wärmetauscher-Elemente üben ragen wird, die in beide F'luidkammem hioeinragon und die auf je einer Seile von einem Fluid umstrdmt werden. Die Ruidkammern selbst sind zueinander fiuiddicht abgeirennt sodsss kein Fluid von der einen Huidkammer zur anderen ttnkontroliiert übertreten kann.

Unter einem wärmeleitenden Element wird erf-odungsgemäß ein solches Bauteil verstanden, welches eine Würmeleitung vorn Fluid der einen Fluidkammer zur« Fluid der zweiten Fluidkammer he; hestimmungsgentäßer Verwendung der Vorrichtung sichcrstcUt. Dabei weist das wärmeleitende Element einen Wämteleitungskoeffizicm und eine Dimension auf, sodass hei best*mmungsgemäßer Verwendung Wärme vom wärmerett Fluid, welches das Element uthströmt., an das Eletnetn abgegeben wird, innerhalb des Elements in die zweite Eluidkammer geleitet wird und auf das kältere Fluid in der zweiten Fluidkammer, welches Fluid das Element amsurnmt., abgibt. Das wärmeleitende Element ist in der RuidkammMrennwand verankert.

Im einfachsten Fall ist jeweils ein wärmeleitendes Element einstückig aus-gebildet. Für die -optimaJe Wirkungsweise' dieses Konzeptes ist. bevorzugt vorgesehen, dass die wärmeleitenden Elemente ohne Axialversalz in der Trennkammer, ih der sie verankert sind, von der einen FioMkarnmer in die andere reichen.

Das wenigstens eine wärmeleitende Element ist bevorzugt derart angeordnet, dass es die Wand etwa im Wesentlichen senkrecht zur Wand bezogen auf die Uingsausdehnung des Elements durchsetzt.

Weiters kann vorgesehen sein« dass das wenigstens eine wärmeleitende Element bis. etwa zur Hälfte der Breite der angrenzenden Fioidkammer hinemragen. wobei auf der gegenüber! legenden Seite der jeweiligen Fluidkammer wieder eine Flu id karnmertrenn wand vorgesehen ist. welche Wiederum zumindest ein wärmeleitendes Element aufweist, welches ebenfalls bis etwa zur Hälfte der Breite der Fluidkammer reicht. ln einem Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein« dass das wenigstens eine wärmeleitende Element im Querschnitt entlang der Strdmungsrichtung des Fluids ein Strömungsgünstiges Profil, beispielsweise eine Ltnseniorm. ein Tragfiächenprofil oder ein Leiisehaufelproftl, aufweist.

Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verhältnis der Ausdehnung lü des wärmeleitenden Elements in Sirömungsfichtung zur Ausdehnung (B) senkrecht zur Strömungsrichiurtg und parallel zur PinidkammeArennwänd einen Wert L/B zwischen 12,5 und 1,6 aufwcist Bevorzugt beträgt die Ausdehnung (B) quer zur Sirömtmgsridnung zwischen ÖJ und 2,5 mm und die Ausdehnung (Ls in Strömungsrichtung zwischen 4 end 10 mm.

In einem Aspekt der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausdehnung des wärmeleitenden Elementes innerhalb einer 'Fliudkanimer senkrecht zur Fluidkammenrenftwänd, in der dieses verankert ist, einen Wert zwischen 4 .und 15 mm aufwcist.

In einer Ausföhrungsvariantc kann -vorgesehen sein, dass die wärmeleitenden Elemente derart ungeordnet sind, dass sie innerhalb der· Pfnkikarnmer das Volumen zu zwischen 20 und 50 % uu.sfuSlen.

Bevorzug? ist vorgesehen, dass das wärmeleitende Element emo Wärmeleitfähigkeit von große·· als 100 W/m°K aufwcist. Dazu kann es beispielsweise aas dem standardisierten Werkstoff CuNi2Si tHattdeKhczoicrutung $B22i bestehen. Hirse Altematüe dazu wäre ein hochwärmelcttcndes Keramik-Matena). Da die wrirmeleitenden Elemente aus einem sein' gut wärmeleitenden Material bestehen. kann auf der relativ kurzen Länge der Elemente bereits eine geringe Temperature!)fferenzen tz.8 < 2 'X.fi /wischen den Element-Enden zu relativ großen Wrirmeströmen führen. hi einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Huidkaannerttennwattd (selbst, ohne wärmeleitende Elemente) und/oder Außenwände dm Fiuidkamraer eine Wänneleitfähigkeit. vor: kleiner als 5 WArrK aufwetsen. Die Eluidkammertrennwand aber auch Außenwände der Fluidkammcr können eme Dicke von mehr als '2 tnm aufwetsen; diese •können auch aus schlecht wärmeleitenden Werkstoff bestehen, insbesondere aus einem Material der Gruppen AlkalbAkmxmiaovdlikate (CI00). Magnesiumsihkan? (C2ü0>. Titanatc (C3Ö0). Enlalkali-AluminiumsiUkate. oder Aluminium- und Magncsiumsiiikatc sowie Kombinationen daraus.

In einem Aspekt der Erfindung kann .vorgesehen sein, dass mehr als zwei, vorzugsweise zumindest vier Eluidkarnrnern vorgesehen sind, die abwechselnd in Gegenrichtung d arch strömbar sind..

In einer; Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstem· ein 'Distsmzhalteelcment vorgesehen Ist, welches bevorzugt dtc F!uklka?mraUY.w eschen wand durchdrmgt. Dieses kann zwischen den warnte lei Sen den Elemente» an geordnet sen"! Die Dsstanzhalteelememe sind in der Fitüdkammerfrennwand verankert und können um den sömseiüg angrenzenden Disianzciemcnien tuner alKäUigen weheren Fmidkammertrennwand, die parallel zur ersten Fluidkammertrennwand ist, durchgehende Tragsäulen ausbilden. Dies kann geschehen, indem diese Distanzelcroenic von den Außenwänden dos Wärmetauschers gegeneinander gedrückt werden und damit eine feste Distanz der Treitnwände zueinander gewährleisten. Bevorzugt werden die Distaozelemente krafischlüssig von den Außenwänden gehalten. im Gegensatz zu den Konsiniktionsprmzipien bei PlauenwännetauschcaK können die Flmdkauunertrennwände bei der vorgosehlagenen Lösung z.B. ca. 2 mm stark ausgeführt und damit festigkeits- und fer? igungsbezogenen Kriterien genügen.

Bevo.rz.ngf ist vorgesehen, dass die wärmeleitenden Elemente in einer Art und Weise eingerichtet sind, dass sich über bestimmte Raum herd ehe innerhalb der Flimlkammern Queroder Rotationsströmungen uushiiden, die über einen gröberen Fiuidkarnmerhctcich zu einer DerohmLehitng ries Fluides führen.

Die besten Ergebnisse werden bei dem vorgeschlagenen Konzept dann errpidil, wenn der Abstand von Fhhdkarnmerfretinwartd im Außenwand bei -gasförmigen Medien einen Wert zwischen S und 30 mm sowie bei flüssigen Medien zwischen S und 10 mm beträgt. hi einem Aspekt betrifft die Erfind-mg ein Veriahren zur Herstellung einer solchen Verrichtung wobei in. tone Flusdk&mmcrzwischenwand zumindest du wärmeleitendes Element eingebracht wird, vorzugsweise deren selektives Lascfsintom.

Weitere Vorteile und Details der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren und Fi guten besc lim i hungen er I äulest.

Fig. la- Id zeigt ein erstes Äusfühmngsbc-tspid für eine Vorrichtung für den 'Wärmeaustausch.

Figi 2 zeigt ein /.weites Ausführungsboispkd für eine Vorrichtung.

Ff?,, 3 zeig? einen Querschnitt durch ein Bündel von wärmeleitenden .Elementen,

Fig. 4 Ms 8 zeigt weitere Ausführnngsbefspi&ie für eine Vorrichtung.. Für die nachfolgende Figurenbeschreibung ist anzumerken, dass gleiche Bauteile mit gleichen Bezugs/eichen versehen sind und der grundsätzliche Aufbau der Vorne-Hungen ähnlich ist, sodass auf eine Beschreibung jedes einzelnen Bezugs/dchens und Bauteils bei jeder Figur verzichtet wird. Es wird diesbezüglich auf jeweils andere Figuren verwiesen, bei denen die Bauteile und Sezugszeiehen. erläutert sind.

Fig, la zeigt schematisch einen Ausschnitt ans einer erfindungsgemäBcn Vorrichtung. Dargestellt ist eine erste Fluidkammer 3a tin der füg. In oben), eine zweite Fiuidkamnier 3b (in der Fug, ia unten) und eine die beiden I'luidkammem 3a, 3b trennende Huidkammeitrenowaud 2, Die Fluidkammern 3a, 3b sind in der Fig, la aus Übersicbtsgründen offen dargestellf, wobei diese erfmdimgsgemäB geschlossen, sind, d.h, von Außenwänden begrenzt sind (siehe dazu beispielsweise die Fig. 2 und 4} und einen 'Einlass und einen Auslass aufweisen. Erkennbar ist weiters Mn wärmeleitendes Element 1, welches die FLisökamn>e;1 rennwand 2 durchsetzt. Damn das wärmeleitende Element I Warme von der Fluidkammer 3a. m die Fluidkammcr 3b übertragen kann, muss das wärmeleitende Eiemen?. I in die jeweilige Fiuidkamnier 3a, 3b hlstcinmgen und in besfimmungsgemäßer Verwendung von jeweils einem Fluid umströmt werden. Dazu weis? das wärmeleitende Element 1 Fortsätze 4a. 4b auf. die jeweils in eine Fluidkamrner 3a, 3b ragen. Das wärmeleitende Element 1 nimmt vom wärmeren Fluid Wärme at? einem Fortsatz 4a auf, leitet diese entlang des Elements 1 zam anderen Fori sei* 4 b und gibt diese, dann an das andere- Fluid ab. Das erfsndungsgemä&e Beispiel von Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung für eien Wärou'uusiuusch zwischen zwei gasförmige?; Fluiden. In diesem rd.il ragen die Fortsätze 4a. 4b des wärmeleitenden Element 1 etwa gleich weit in den jeweiligen Flutdraom der Ruidkarntncrn 3a, 3b,

In der Fig. la ist ein einzelnes wärmeleitendes Element 1 dargestellt, das. in die Fl uidkammermmnwand 3 in einer Art und 'Weise verankert ist, dass es, wie ein durchgehender Stift in den Ftuidkammern 3a. 3b von den jeweiUgen.'FIuiden mmimmi wird. Vorteilhaft ist es. wenn mehrere solcher Sri für hzw. wenn mehrere wärmeleitendeElemente I vorgesehen sind. Die Wämteöbertragung beruht dabei darauf, dass wärmeleitende Elemente I ein Temperatumive&u annehmen, das annähernd dem. Mittelwert der 'Temperaturen der Fluide entspricht. Das Fluid mit der höheren Temperatur gibt Wärme an die wärmeleitende rietnena. ! ab, diese, wird durch W urmeldmng auf die andere Seite der Ruidhatumertrennwand 2 übertragen und dort an das andere Fluid wieder abgegeben. in Fig. 2 ist sc her nah sch dargestellL wie die wärmeleitenden Elemente 3. ähnlich wie dk Borsten oder Stifte einer Bürste, bezogen auf die Verankcrungsilaehe in größer Zahl in der Ruidkatnrnertreriß wand 2 eingesetzt sind, sodass sie tut den gegenüberliegenden Seiten von den jeweiligen Fluiden umströtm werden, wodurch die Wärmeübertragung vom Fluid auf das .wärmeleitende Element 1 hzw. umgekehrt erfolgt. Die Fluidkammem 3a, 3b sind, dem Konzept entsprechend, flache, schmale Räume mit beispielsweise plan parallel en AuBenwamlußgen 7, wobei auch die Flnidkamniextrennwand 2 planparallci m diesen sein kann. io Fig, 3 ist. in einem Ausschnitt ein Querschnitt dttroh. dn. Bündel 8 ab wärmeleitenden Elementen 1 gezeigt, webet die Schnitiebenc parallel zur Fiuidkammcrtretmwand 2 ist. Die angedeutete Begrenzungs warnt 9 ist die seil liehe Gehäusewand der Vorrichtung.

In Fig. 4 ist ein Konzept beispielhaft übd schematisch dargesielii, bei die Vorrichtung aus einem Stapel aufeinander liegender Fluidkamment 3a, 3b bestein, die in der Gegenrichtung von den Fluiden durehströmt werden, ln emem .Aspekt der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Vorrichtung aus einem Paket von abwechselnd durchströmten ebenen oder gekrümmten Fluidkammern 3a. 3b zusammengesetzt ist. weiche jeweils von Fluidkammertremiwändon 2 getrennt sind.. In den Plnidkammerimnnw&nden 2 sind wärmeleitende Elemente 1 eingesetzt, die den Wärmetransport ermöglichen.

Die wärmeleitenden Elemente i„ deren Aufgabe es ist. Tcmpcraturuntcrschiede zwischen den Fiuidett durch Wärmeieitung auvzugleichen. sind fest und dicht in der Trennwand 2 zwischen diesen Fhndkainment 3a, 3b verankert und reichen in diesem Fall auf beiden Setten bis etwa zur Hälfte der jeweiligen Fioidkammer 3a, 3b. Nur bei den R&ndkamrnern. du« sind jene Fluidkitmmem 3K, die vor: der Außenwand '7 begrenzt werden, reichen die wärmeleitendest Elemente 1 bis knapp an die Außenwand 7. Die 'wärmeleitenden Elemente I können ans einem anderen Material bestehen, als die Wände der Flmdkamment 7, bzw die

Fiuidkammortrenmvartde 2, da bei diese« Wärmeleitfähigkeit nicht wichtig, biw, ihr manche Anwendongs falle sogar nachteilig ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sicht vor, dass die wärmeleitenden Elemente \ eine besondere geometrische Fon» aufweisen und dass die wärmeleitenden Elemente 1 gegebenenfalls innerhalb der Ruklkammern 3a, 3b in spezieller Art angeordnet sind. Die geometrische Form der wärmeleitenden Elemente I ist dabei so gestaltet, dass sie einen möglichst geringen Strömungswidcrstand verursachen und dementsprechend •strömungsdynamiseh opt imiert. beispielsweise eine linsenförmige. tragllächcntbrimgc oder leitschanfeliormigü Kontur auiweisen. Die wärmeleitenden Elemente 1 könnest beispielsweise in Sirdmungsrichtung in parallelen Reihen ungeordnet sein, wobei die einzelnen wärmeleitenden Elemente 1 zweier paralleler Reihest bevorzugt parallel versetzt sind (siehe Fig. .3, Bündel 8),

Hg, lb, le, Id zeigen beispielhaft drei mögliche Strömungskontureo 5a, 5b. 5e in Form eines senkrechten Schnittes zum wärmeleitenden Element I der Fig. 1a. Derartige

Strömurigskontnren ermöglichen, dass zahlreiche wärmeleitenden Elemente I auf engem Raum untergebracht werden, ohne dass der Strömungswiderstand der Eluidkammern 3a. 3b sich unzulässig erhöht. Die gesamte Kontakt 8äc he der Fluide mit der wännetausehenden Oberfläche des wärmeleitenden Elementes 1 kann damit sehr stark, gesteigert werden.

Die Ausdehnung der wärmeleitenden Elemente I senkrecht zur FöuidkamnierOemnvami 2. in der sie verankert sind !v\v. entsprechend dazu der Abstand der Fhuidkaffimertreunwände 2, hängt natürlich von den physikalischen Eigenschaften des Fluides ah, das die Hoidkaminer 3a, 3b dufchströou. Für flüssige Medien ist die Kammerhreise a nur eie Bruchteil der Kamrnorbreitc h für gasförmige Medien O'tg 5). ln Fig. 5 ist sme Vorrichtung nach dem vorgcsehlagenen Konzept schematisch dargcstclk, welche mehr als /wes, nämlich iunf Ruidkanura-rn 3a. 3h uufwetst. wobei für die schmäleren Fluidkammem 3h eine Flüssigkeit als Fluid vorgesehen ist und für die breiteten Fluidkammern 3a eist Gas als Fluid vorgesehen ist.

Bei gasförmigen Medien spielt für die Leistung des Wärmetauschers der Wärmeübergang eine bedeutendere Rolle, als die Wärmeleitung. Beispielsweise ergibt sich, wenn beide Fluide gasförmig sind, bei optimaler konstruktiver Auslegung sowie bei Einsatz eines Materials mit der Wärmeleitzahl von zumindest 100 W/m°K ein Ίernperaturunietschied zwischen den 'Enden des· wärmeleitenden Elementes 1 von ca. Ö»B ···· 1 *€, Demnach ist hier der l'emperaturgradiem im wärmeleitenden Element I von untergeordneter Bedeutung gegenüber dem Wärmeübergang und daher kann die Fluidkamrnerhöhv entsprediend gesteigert werden. Die maximale Huidkammerhühe für gasförmige Medien ist in erster Lime durch die mechanische Stabilität der wärmeleitenden Elemente l sowie durch fertigungstechnische Einschränkungen hegtenn

Erfindungsgemäß kann weiters vorgesehen sein, dass die Begrertzungswände 2, 7 der Floidkammero 3a, 3b durch Absiundsclemcntc 12 innerhalb der Flaidkammsm 3a« 3b ahgestützt werden, die in ähnlicher Weise wie die wärmeleitenden Elemente 1 in den Fluidkammertrennwänders 2 verankert sind. Im Unterschied z.u den wärmeleitenden Elementen I berühren sieh die Absiandseiemcntt 12 der benachbarten Fluidkammertreonwandc 3m 3b. sodass sich durchgehende, säulcnartige Stützen ergeben, die von den Außenwänden 9 dos Wärmetauschers kraftschlüssig gegeneinander gepresst werden können, in Fig. 6 ist schematisch eine dieser „Säulen", zusammengesetzt aus den Abstandsdementen 12 der jeweiligen Fluidkammertrenn wände 2 dargestellt. Diese Abstundsclemcntc 12 smd im Querschnitt deutlich größer, und In der Anzahl um 2 bi a 3 Größenordnungen geringer als die wärrneleilenden Elemente 1. Zur Vermeidung, unnötiger Strbmungsveriuste ist es allerdings auch hier vorteilhaft, die Quetsch nittskohtur der Ahstandselemente 12 stvömungsgünstig auszuführen.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung in mehrere Segmente unterteilt ist, wobei jedes Segment unterschied!iche Konstruktionsmcrkmale aufweisen und aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann. Diese Segmente werdet» in der Weise zusammengefügi. dass sich durchgehende Fluidkammern ergeben. Fig. ? Kt em Beispiel für ein solches Konzept eines geteilten Wärmetauschers gezeigt.

Der Vorteil von geteilten Konzepten besteht beispielsweise darin, dass für unterschiedliche Temperaturbereiche jeweils geeignete Materialien verwendet werden können, oder dass Bereiche, die hohe chcmiseh/thcnrtisohen Belastungen ausgesetzt sind, im Bedarfsfall leicht und kostengünstig ausgewechseit werden können.

Experimente haben gezeigt, dass zur Erzielung der maximalen Wirkung dieses hier vorgesehlagencn Wärmetauscher-Konzeptes die Ausdehnung der wärmeleitenden Elemente 1 senkrecht zur Fluidkamtnertrennwattd 2, in der diese verankert sind, in einem Bereich zwischen 4 mm und 15 mm angesiedelt ist. Der Abstand der Fluidkammertrennwände 2 bewegt sieh datnit in einem Bereich zwischen ca. 8 und ca, 30 mm. im Gegensatz zu herkömmlichen Blatten Wärmetauschern, wo .der Abstand der Bcgrcn/.ungsw ände φ/.w. der Fluidkammcrhrettei zwischen 2 und 5 mm beträgt. Damit sind für den gleichen I^luidmassenstrorn beim vorgeschlagenen Konzept wesentlich weniger Fiuidkammern 3a, 3b erforderlich als bei üblichen Piattenwärmeiausehern, was insbesondere für den Zusammenbau öder die Zerlegung sowie für die Zn· und Ableitongsdnnehtungeft Vorteile bietet

Die Gefahr bzw. das Problem des Auftretens von «sTotwasser“-Gebieten ist bei der vorgeschlagenen. Problemlösung ebenfalls erheblich geringer.

Das 'Verhältnis der Ausdehnung L des wärmeleitenden Elemente 1 in Stromungsrichiung zur senkrechten Ausdehnung B liegt vorteilhafter Weise in einem Bereich zwischen ÜB ~ 1 .ft bis 12,5. In diesem Bereich wird der beste Kompromiss erzielt bezüglich Umf&ngsiänge und würrncabktlender Quersehnhtsfläche bei gleichzeitig minimalem Sirünmngswidcrstand und dor Vermeidung von unerwünschter WärmeleUnng in Strcnmmgsricbtung. .Die wärmeleitenden Elemente i können ein spezielles Strörnungsprofil aotweisen, »nil dem zum einen, wie bereits angeführt, der Strömungswidcrstand fur das Fluid minimal gehalten werden kann, zum ändert.·n aber, in Kombination mu einer speziellen Anordnung und .Ausrichtung dieser Elemente, eine gerichtete Strömung ties Fluides innerhalb der Rutdkammer .Ha. 3b erzielbar 1st. Dies ist beispielsweise für Anwendungen wichtig, wo Dampfblasen abgeschieden werden müssen, wo durch Aufriihreffekte eine stabile Vermischungen verschiedener Flui.dkompononten notwendig ist oder wo eine 'vollständige Durchmischung und Homogenisierung über den gesamtes StrömungsquerseMtt. erreicht werden soll.

Ftg. 3 zeigt eine mögliche Anordnung von wärmeleitenden Elementen 1 innerhalb eines FUüdmumes Ha. 3b. Die Abstände zwischen nebeneinander ungeordneten, benachbarten Wärmeleitenden Eiememcn 1 entspricht nahenmgs weise der Dicke B der wärmeleitenden Elemente I. senkrecht zur Strdmungsxichtung. Die benachbarten wärmeleitenden Elemente 1 in Sirömungsrichumg tbzsv. die hmterelnandct angeordneten wärmeleitenden Elemente .1} sind seitlich so versetzt, dass ein nachfolgendes wärmeleitenden Element: 1 jeweils zwischen zwei vorne positionierten wärmeleitenden Elemente 1 ungeordnet ist. wobei die nachfolgenden, wärmeleitenden Elemente· 1 etwa um die Halbe Länge L der wärmeleitenden Elemente .1 in Strömungsrichtung versetzt sind. Damit wird erreicht, dass keine durchgehenden laminaren -Ström imgs.fäden ohne Wandberührung -auftreten, sondern sich die Miktötuirbulenzschtehten bei jedem wärmeleitenden. Element 1 neu ausbilden können und dass darüber hinaus die Einschnürung der Strömung durch die Körper der wärmeleitenden Element 1 in.Richtung.der..-Flnidströmung relativ, konstant .bleibt

Die besten Wänneubergangswcrfe Werften dadurch erreicht, dass die Strömung an der Oberfläche «ter wärmeleitenden Elemente möglichst hohe Gesehwindigkeitsgradicoten erreicht, sodass sich erwünschte Mikroturbuienzen ausbilden. Jene Stromungssehichten. die steh nicht m unmittelbarer Nähe zur Oberfläche befinden, sollten zur Vermeidung unnötiger Verluste dagegen möglichst laminar bleiben. Die Formgebung der wärmeleitenden Elemente 1, -deren Abmessungen und. deren Anordnung spielen daher eine Rolle für die .Leistungskennzahlen der Vorrichtung.

Insgesamt können bei gesamthaft optimaler Auslegung und Gestaltung der Wännetauschereinrichtung große Wännertiengen zwischen Fluiden oder- zwischen einem Raid, und einem Festkörper mit geringen Tempemtnrspmkungen sowie auf vergleichsweise kleinem Bauraum ausgctausclät werden.

Ein besonderer Vorteil dieses Konzeptes besteht darin, dass die wärmeleitenden Elemente 1 so angeordnet werden können, dass gleichzeitig zur Wärmeübertragung b/.w. zum Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden, auch eine maximale Vertut*.hung und Homogenisierung, der Fluidströme realisiert werden kann. Dies lässt sich, sehr -gut dadurch erreichen, dass die Längsachse 'der wärmeleitenden Elemente 1 aus. der Strömung&riehtaag der Fküdstrome heruusgcürdtf ist, ähnlich wie die St häufeln in einem Lehapparat Dabei lenken die wärmeleitenden Elemente auf der einen F!uidkammerhälfte beispielsweise zur linken Seite und die der anderen Mälftc auf die rechte Sette, sodass sieh eine Zirknlaüonsströmung aoshildet. Nach bereits kurzen Wegstrecken lässt sich auf diese Weise eine völlige Durchmischung des Fluides erzielen.

Dies wird durch Anordnungen erreicht, wie in Fig. 8 beispielhaft eine Variante üargesieih ist. Für dtc wärmeleitenden Elemente 1 werden bevorzugt vorteilhaft Werkstoffe verwenden die eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit auiweisen und für die chemischen und physikalischen Anforderungen möglichst gut geeignet sind. Darüber hinaus wird man bevorzugt jene Materialien verwenden, die kostengünstig in der Beschaffung sind und die vorteilhafte Eigenschaften für den Herstcllpro/ess bieten. Gut geeignet sind beispielsweise metallische Materialien wie Kupferlegk-rangeri, Messing, Zink. Magnesium. Silizium. Aluminium, SBIF? (CnKidSB. oder keramische Werkstoffe wie z.B. Bervlliumoxld (C8s0), Mii/uunfilirienes Siliziumkarbid (SiSiC) oder Aluminiumnitrld ί AIN),

Im Gegensatz zur den hochwärraeleitenden Elementen kann, wie bereits angeführt, die FUi'ukrenmvand dagegen uns schlecht wärmeleitenden oder sogar wärnteisolicivnden Materialien bestehen. Bezüglich der Herstellung von Gegcmstförnwärmetauschcni nach dem vargeschlagenen Konzept stehen mehrere Technologien zur Verfügung. Gut äusgereifte Verfahren stellen beispielsweise Feingysstechnologien dar. Eine andere Möglichkeit besteht, darin, in die. Plnidtrennwand Aufnahmeöfimmgett für die wärmeleitenden Elemente HerauszesdmeMen bzvv. zu stanzen, in die die Stifte durch eine Press- oder Lotverbindung eingesetzt werden. Fine reiadv neue Fertigungstechnik, die neue Möglichkeiten eröffnet und die. sich, in einem stürmischen Entwicklungstempo befindet, ist die des „Selektive LasersimervT fSLST Damit können sehr feine dreidimensionale Strukturen mit großen Gestalt ungsireiheiten und hohen Formgenaulgkeiten aus den verschiedensten Materialien erzeugt werden ,

Insgesamt kann mit dem erfmdungsgemäß vorgeschlagenen Wärmetauscher-Konzept, speziell für gasförmige Fluide, eine sehr hohe Wärme! auscherleistung auf kleinstem Bauruum erzieh und zusätzlich fiir viele Anwendungen wichtige Eigenschaften, wie die vollständige DurehmKchung der Fluidströme oder die Unterteilbarkeit in separate und zerlegbare Wärntetauscher-Segmente innerhalb der Apßenummüniduug, integriert werden.

Claims (9)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung für den Wärmeaustausch von mindestens zwei Fluidströmen, umfassend wenigstens zwei Elnidkammem (3a, 3 b), die durch eine Ruidkammertrennwand (2) voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet. dass die Fluidkammerfrennwand (2) von wenigstens einem wärmeleitenden Element (1) durchsetzt ist, weiches sosvohl in die erste .Flutdkamsner (3a,> als auch in die zweite Ruidkamrncr «3b) ragt.
2. 2. Vorrichtung «ach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine wärmeleitende Element ü) bis etwa zur Hälfte der angrenzenden Fluidkammer (3a) feineinragt, wobei auf der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Ruidkammer üa) wieder eine Pitudkararoertrennw&nd (2; vorgesehen ist., weiche wiederum zumindest ein wärmeleitendes Element 11 > aufweist, welches ebenfalls bis etwa zur Hälfte der Fluidkammer reicht.
3. 3. Vorrichtung: nach Anspruch l oder Anspruch 2, dadurch gekennzcidmet, dass das wenigstens eine wärmeleitende Element 11) ms Querschnitt entlang der Strömongsrh.htmψ des Fhnds ein strönnrngsgünstiges Profil, beispielsweise eine Liosentbrm, ein TragOäohon profil oder ein Leitschaui'elprofll autweist
4. 4. Vomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ausdehnung (L) des wärmeleitenden Elements in Süftmungsriehlung zur Ausdehnung rB) senkrecht zur Sirömungsrichtung einen Wed L/B /.wischen 12,3 und 1,6 aufweist.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, dass die wärrn.eleitendon Elemente (1) derart ungeordnet sind, dass sic innerhalb der Fluidkammer (3a, ob) das Volumen zu zwischen 20 und 50··% aitsfüllen.
6. 6. Vomchtung nach, einem tier Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitenden Element (1 j eine WamtelcitF&bigfcest von gröber als 100 W/nf'K aufweist,
7. 7. Vorrichtung nach einem der .Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die BuidkammesZwischenwand (2) und/oder Außenwände (9) der Ruidkammer (3a, 3b) due ' Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 5 W/uf K auÄvcki(en),
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein E>isianzhalieelemeni (12) votgeseheu ist, welches bevorzugt die Ruidkammerzwisehenwand (2) durchdringt.
9. 9. Vomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei, vorzugsweise zumindest vier Fluidkarnmcm (3a, 3b- vorgesehen sind, die abwechselnd in Gegenrichtung dorchsirörnbar sind.. iö. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, dass in eine Fluidkammer/wischenwand (2) zumindest ein. wärmeleitendes Element s 1} ein gebracht wird, vorzugsweise durch selektives Lasers'mtcm.