DE102004041046B4 - Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher - Google Patents

Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher Download PDF

Info

Publication number
DE102004041046B4
DE102004041046B4 DE200410041046 DE102004041046A DE102004041046B4 DE 102004041046 B4 DE102004041046 B4 DE 102004041046B4 DE 200410041046 DE200410041046 DE 200410041046 DE 102004041046 A DE102004041046 A DE 102004041046A DE 102004041046 B4 DE102004041046 B4 DE 102004041046B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat
disk
convection
storage
movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE200410041046
Other languages
English (en)
Other versions
DE102004041046A1 (de
Inventor
Frank Ehlers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE200410041046 priority Critical patent/DE102004041046B4/de
Publication of DE102004041046A1 publication Critical patent/DE102004041046A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102004041046B4 publication Critical patent/DE102004041046B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D19/00Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium
    • F28D19/04Regenerative heat-exchange apparatus in which the intermediate heat-transfer medium or body is moved successively into contact with each heat-exchange medium using rigid bodies, e.g. mounted on a movable carrier

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Insulation (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)

Abstract

Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher, mit einer Speicherplatte, die in einem Zylinder zwischen zwei Anschlagflächen bewegbar ist, wobei sich die Anschlagflächen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, und die Anschlagflächen zum Zwecke der Oberflächenvergrößerung kugelförmig, spitz zulaufend und/oder profiliert ausgebildet sind, wobei die Speicherplatte aus gut Wärme leitendem Material wie Kupfer oder Aluminium beweglich so angeordnet ist, dass sie durch einen steuer- bzw. regelbaren Antrieb zeitweise an den in Bewegungsrichtung liegenden Anschlagflächen unter Druck anliegt und dort durch die Anpresskraft in axialer Richtung zwischen den Anschlagflächen des Zylinders und der Speicherplatte einen hohen Wärmestrom erzeugt, wobei die Wärmeübertragung auf und von der Speicherplatte beim Anliegen vorwiegend auf Wärmeleitung und während der Bewegung hauptsächlich auf Konvektion basiert, und die Speicherplatte beim Anliegen isolierend gegen Strahlung und Konvektion in den Bewegungsraum wirkt.

Description

  • 1. Einleitung
  • Bei meiner Erfindung, einem diskontinuierlich arbeitenden Wärmetauscher – im folgenden "PACO-Tauscher" genannt – handelt es sich um eine Apparatur, die geeignet ist, Wärme in steuer- und regelbaren diskreten Mengen bzw. Leistungen zu übertragen. Entgegen anderer, bekannter Wärmetauscher erfolgt die Wärmeübertragung durch eine hohe Wärmestromdichte unter axialem Druck und einer großen Konvektion durch konstruktive Variation der Wärmeübertragungsflächen.
  • 2. Stand der Technik
  • 2.1 Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher
  • Am häufigsten werden Wärmetauscher eingesetzt, die zwei Medien – die sich auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden – über eine feste Wandung miteinander in "Kontakt" bringen. Der Wärmeaustausch erfolgt dabei ausschließlich durch Wärmeleitung und da keine beweglichen Teile erforderlich sind, sind diese Wärmetauscher sehr kostengünstig.
  • 2.2 Wärmetauscher mit einem beweglichen Wärmetauscher (Regenerator)
  • Wie in der Patentschrift DE 195 81 654 T1 dargelegt, werden Wärmetauscher eingesetzt, die über einen beweglich angeordneten Regenerator (Wärmetauscher) verfügen, der durch vorbeiströmende warme bzw. heiße Gase aufgeheizt und abgekühlt werden. Diese Bauform arbeitet ausschließlich durch Wärmeübertragung durch Konvektion und findet zum Beispiel in Heißgas- bzw. Stirlingmotoren Verwendung.
  • 2.3 Wärmetauscher mit rotierendem bzw. oszillierendem Wärmeträger (Festkörper)
  • Gemäß der Patentschrift US 4,880,049 A sind Wärmetauscher bekannt, die einen Festkörper auf der einen (warmen) Seite aufheizen und diesen erwärmten Wärmeträger dann durch eine Rotationsbewegung (oder oszillierende Bewegung) in Richtung der kalten Seite bewegen. Solche Wärmetauscher arbeiten allein durch Wärmeübertragung durch Wärmeleitung.
  • 3. Aufbau
  • 3.1 Prinzipieller Aufbau eines PACO-Tauschers
  • Ein räumlicher Abstand zwischen einer heißen und einer kalten Wand ist mit einem beweglich angeordnetem Speichermaterial ausgestattet.
  • 3.2 Der PACO-Tauscher anhand eines Beispiels
  • 3.2.1 Beschreibung einer einfachen Bauweise
  • Als Gehäuse kann ein Stahlzylinder Verwendung finden. Das Speichermedium kann eine Metallplatte z.B. aus Aluminium sein. Im Inneren des Gehäuses kann ein Vakuum oder ein beliebiges Gas/Gasgemisch als Arbeitsmedium vorhanden sein. Für den Antrieb sei ein Elektromagnet mit Arbeitsrichtung nach links sowie eine Druckfeder eingesetzt. Die Magnet bzw. Druckfederkräfte wirken hier über einen Eisenkern und die Kolbenstange auf das Speichermedium. Der Speicher kann Zwecks Be- bzw. Entlüftung eine kleinere Größe als das Gehäuse aufweisen oder mit Durchgangsbohrungen, Nuten etc. versehen sein.
  • 3.2.2 Die Funktion des oben beschriebenen einfachen Modells
  • Die Funktion sei am Beispiel eines Stoffes höherer Temperatur an der linken Wandung und eines zu erwärmenden Stoffes auf der rechten Seite erläutert:
    Im Ruhezustand, also bei ausgeschaltetem Magneten, wird die Kolbenstange von der Druckfeder nach rechts gedrückt. Die Speicherscheibe im Inneren des Zylinders liegt an der rechten (kalten) Wandung an. Die Wärmeübertragung von der linken (heißen) zur kalten rechten Seite ist fast minimal. Die Wärmeübertragung erfolgt in dieser Position nur durch Strahlung, in geringem Umfang über Wärmeleitung im Gehäuse und geringe Konvektion des Arbeitsmediums. (Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung im Gehäuse ließe sich durch ein thermisch isolierendes Gehäuse reduzieren und die Wärmeübertragung durch Konvektion könnte durch die Herstellung eines Vakuums im Gehäuse vermindert werden.)
  • Wird am Elektromagneten Spannung angelegt, zieht dieser die Kolbenstange nach links, wodurch die Speicherplatte an die linke Wandung gedrückt wird. Dort nimmt sie Wärme durch Wärmeleitung auf und kühlt so die heiße Wandung. Die Aufnahmemenge der Wärme hängt von den Faktoren Zeit, Temperaturunterschied, Anpressdruck und Aufnahmevermögen des Speichers ab. Der Speicher nimmt eine Temperatur an, die im Extremfall der der heißen Seite entspricht. Die Wärmeübertragung zur kalten Seite ist in dieser Stellung ebenfalls fast minimal. Schaltet man den Elektromagneten wieder ab, wird die von der Speicherplatte aufgenommene Wärme durch die Druckfeder zur rechten (kalten) Seite transportiert. Während dieser Bewegung erreicht die Wärmeübertragung auf das im Zylinder enthaltene Medium durch verstärkte Konvektion, die durch die Bewegung hervorgerufen wird, ihr Maximum. Ist der Speicher an der rechten Wandung angekommen, kann er exakt die von der heißen Seite aufgenommene Wärmemenge an den kälteren Stoff abgeben, sofern ausreichend Zeit und/oder Anpressdruck zur Verfügung steht. Im Extremfall wird der Speicher restlos "entladen" und nimmt die Temperatur der kalten Seite an. Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen.
  • 4. Vor- u. Nachteile gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern
  • Herkömmliche Wärmetauscher arbeiten mit Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung. Als Bauformen werden z.B. Rohr-, Bündel- oder Plattentauscher verwendet. Allen herkömmlichen Wärmetauschern ist gemein, dass ihre Leistung ausschließlich durch eine Veränderung der Temperaturen und/oder durch eine Variation der Volumenströme gesteuert werden kann. Im Allgemeinen ist gerade die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in diesen Tauschern durch unveränderliche Übertragungsflächen festgelegt.
  • Diese Tauscher können die Übertragungsmenge bzw. -leistung nicht selbst beeinflussen.
  • Herkömmliche Wärmetauscher sind demzufolge passive Bauteile, deren Konstruktion als starr anzusehen ist.
  • Der PACO-Tauscher arbeitet hingegen aktiv. Durch Variation der Taktzahlen, Anpressdrücke und Druckberührzeiten kann eine genau definierbare Wärmeübertragungsmenge bzw. Wärmeübertragungsleistung erreicht werden, die zwischen einem Minimum nahe Null und einem von der Bauweise und Größe abhängigen Maximum steuer- und regelbar ist.
  • Aktive PACO-Tauscher benötigen einen Antrieb und geben Wärme an das den Speicher umgebende Medium ab, wobei sich dieser Effekt auch nutzen lässt. Die Geräuschentwicklung und Materialbeanspruchung beim Aufschlagen des Speichers auf die Wandungen kann durch konstruktive Maßnahmen (z.B. Endlagendämpfung mit Federn) reduziert werden.
  • Im Gegensatz zu konventionellen Wärmetauschern bietet der PACO-Tauscher eine vollständige Systemtrennung. Selbst bei Leckagen einer Wandung kommen die heißen bzw. kalten Stoffe nicht unmittelbar miteinander in Berührung.
  • 5. Anwendung
  • Der PACO-Tauscher eignet sich überall dort wo,
    • a) eine sichere Systemtrennung – mit oder ohne Kontrollmöglichkeit – notwendig ist, wie z.B. in der chemischen Industrie und beim Umgang mit Gefahrstoffen
    • b) eine Beeinflussung der Stoffströme bzw. deren Temperatur nicht erfolgen kann bzw. erwünscht wird, wie z.B. in der Verfahrenstechnik
    • c) die Wärmeübertragung genau definierbar sein muss, wie z.B. im Mess- und Analysewesen
    • d) die Wärmeübertragung auf nahezu Null reduziert werden können soll, wie es z.B. bei Sicherheitsabschaltungen der Fall sein kann.
  • 6. Varianten
  • Der im obigen Beispiel dargestellte PACO-Tauscher kann in der Ausführung erheblich variiert werden:
    Als Speichermedien können verschiedenste Materialien eingesetzt werden, die als Platten, Blöcke oder in beliebigen geometrischen Formen ausgeführt werden können. Darüber hinaus sind poröse bzw. schwammartige Materialien ebenso möglich.
  • Für den Antrieb können neben Elektromagneten auch Kurbeltriebe, Pneumatikzylinder, hydraulische Anlagen etc. verwendet werden.
  • Die Verwendung eines zylindrischen Gehäuses bietet sich an, um definierte Anschlagflächen und eine gute Führung des Speichermediums zu gewährleisten. Andere Geometrische Grundformen sind möglich.
  • Das Gehäuse kann zum Zwecke der Übertragungsminimierung geteilt und mit einer thermischen Isolierung versehen ausgeführt werden.
  • Bei Verwendung eines Arbeitsmediums anstelle eines Vakuums können die in dem den Speicher umgebenden Medium ablaufenden Prozesse ausgenutzt werden. Auf eine Kolbenstange kann bei Verwendung eines magnetischen Speicher- bzw. Trägermaterials verzichtet werden. (Dann fungiert der Speicher als Eisenkern und kann direkt vom Magneten angetrieben werden.)
  • Anstelle einer Druckfeder als Rückholfeder können bei entsprechender Anordnung ebenso Zugfedern verwendet werden. Werden andere Antriebe (Kurbeltriebe etc.) eingesetzt, kann eine Rückholfeder ganz entfallen (vgl. 1).
  • Für die Anschlagsgeräuschreduzierung können Endlagendämpfer in Form von Luftpolstern, Federn etc. verwendet werden. Ferner können steuer- bzw. regelbare Magneten eingesetzt werden, die den Speicher langsam auf die Wandung setzen. Eine Steuerung bzw. Regelung der übertragenen Wärmemenge kann durch voneinander unabhängige, einstellbare Parameter erreicht werden:
    • a) den Druck des Speichers auf die Wandung
    • b) die Dauer des Kontaktes zwischen Speicher und Wandung
    • c) die Häufigkeit des Kontaktes (Frequenz)

Claims (2)

  1. Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher, mit einer Speicherplatte, die in einem Zylinder zwischen zwei Anschlagflächen bewegbar ist, wobei sich die Anschlagflächen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, und die Anschlagflächen zum Zwecke der Oberflächenvergrößerung kugelförmig, spitz zulaufend und/oder profiliert ausgebildet sind, wobei die Speicherplatte aus gut Wärme leitendem Material wie Kupfer oder Aluminium beweglich so angeordnet ist, dass sie durch einen steuer- bzw. regelbaren Antrieb zeitweise an den in Bewegungsrichtung liegenden Anschlagflächen unter Druck anliegt und dort durch die Anpresskraft in axialer Richtung zwischen den Anschlagflächen des Zylinders und der Speicherplatte einen hohen Wärmestrom erzeugt, wobei die Wärmeübertragung auf und von der Speicherplatte beim Anliegen vorwiegend auf Wärmeleitung und während der Bewegung hauptsächlich auf Konvektion basiert, und die Speicherplatte beim Anliegen isolierend gegen Strahlung und Konvektion in den Bewegungsraum wirkt.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Speicherplatte aus federndem Material wie Stahlwolle oder aus mehreren dünnlagigen Speicherschichten zur Vergrößerung der Wärmeübertragung durch Konvektion aufgebaut ist, die mit geeigneten Umlüftungsbohrungen oder Schlitzen versehen sind.
DE200410041046 2004-08-25 2004-08-25 Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher Expired - Fee Related DE102004041046B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410041046 DE102004041046B4 (de) 2004-08-25 2004-08-25 Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200410041046 DE102004041046B4 (de) 2004-08-25 2004-08-25 Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004041046A1 DE102004041046A1 (de) 2006-03-02
DE102004041046B4 true DE102004041046B4 (de) 2007-08-16

Family

ID=35745510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200410041046 Expired - Fee Related DE102004041046B4 (de) 2004-08-25 2004-08-25 Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004041046B4 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4880049A (en) * 1988-05-26 1989-11-14 University Of Florida Heat transfer system without mass transfer
DE19581654T1 (de) * 1994-05-27 1997-05-28 Caterpillar Inc Regenerierter Motor mit verbessertem Heizhub
DE69907197T2 (de) * 1998-07-16 2004-02-05 Hrs Spiratube S.L. Verbesserter wärmetauscher

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4880049A (en) * 1988-05-26 1989-11-14 University Of Florida Heat transfer system without mass transfer
DE19581654T1 (de) * 1994-05-27 1997-05-28 Caterpillar Inc Regenerierter Motor mit verbessertem Heizhub
DE69907197T2 (de) * 1998-07-16 2004-02-05 Hrs Spiratube S.L. Verbesserter wärmetauscher

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004041046A1 (de) 2006-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69921965T2 (de) Kältegerät mit magnetisch wirkendem hubkolbenregenerator
DE60307030T2 (de) Kryogenventil mit pneumatischer Betätigungsvorrichtung
DE102012110619A1 (de) Magnetkühlvorrichtung
DE102016100596A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb kreisprozessbasierter Systeme
DE2361890A1 (de) Heissgaskolbenmotor
DE102010011500A1 (de) Regenerative Kühlvorrichtung
DE3313506C2 (de) Tieftemperatur-Kältemaschine
DE102008013134A1 (de) Wärmetauschvorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschelements für eine Wärmetauschvorrichtung
DE102013004145B4 (de) Wärmepumpe, Kältemaschine oder Klimaanlage mit einem Antrieb aus Formgedächtnismaterial
DE102013001179A1 (de) Anordnung mit zumindest einem Ventil
DE10154663A1 (de) Inkubations- und Lagervorrichtung, insbesondere für Proben aus organischem Material
DE4242642C2 (de) Wärmepumpverfahren sowie Wärmepumpe, insbesondere zur Erzeugung kryogener Temperaturen
DE102004041046B4 (de) Diskontinuierlich arbeitender Wärmetauscher
DE102015217899A1 (de) Hydraulikzylindereinheit
EP2744985A2 (de) Hochdruck-gas-antriebseinheit
DE102014225411A1 (de) Sorptionsmodul
DE102018206141A1 (de) Behältnis zur Ausbildung eines Wärmezwischenspeichers
EP3011235B1 (de) Wärme- und kältebereitstellungsvorrichtung sowie verfahren zum betreiben derselben
AT524673B1 (de) Vorrichtung zur Übertragung von Wärme eines gasförmigen Arbeitsmediums
EP0678716B1 (de) Vorrichtung zum Wärmetransport durch eine Isolierwand nach dem Prinzip des Stirlingprozesses
DE102014006362B4 (de) Wärmekraftmaschine
AT525551B1 (de) Wärmekraftmaschine
DE10355442A1 (de) Luftversorgungsanlage und Verfahren zur Kühlung einer oder mehrerer Baugruppen der Luftversorgungsanlage
DE1501063A1 (de) Kaeltemaschine
DE19628545A1 (de) Hochleistungs-Kühler für ein luftgekühltes Stromrichtergerät

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8122 Nonbinding interest in granting licenses declared
8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130301