DE102005021554A1 - Wärmetauscher für ein Kältegerät - Google Patents
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Abstract
Ein Wärmetauscher umfasst eine zu einer Wendel geformte Leitung (1) für ein erstes Wärmeträgerfluid und ein die Wendel umgebendes, an zwei Stirnseiten (6, 7) offenes Gehäuse (2). Eine sich in Längsrichtung der Wendel erstreckende Wand (5) des Gehäuses (2) ist mit Durchbrüchen (12) versehen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem offenen, rohrähnlichen Gehäuse und einer darin angeordneten Leitung, die zum Führen eines ersten Wärmeträgerfluids dient, und die eine abgewickelte Länge aufweist, die länger als die Länge des Gehäuses ist, das an seinen beiden Strinseiten offen ist, um von einem zweiten Wärmeträgerfluid durchströmbar zu sein, sowie ein Kältegerät, in dem ein solcher Wärmetauscher Verwendung findet. Ein solcher Wärmetauscher und ein solches Kältegerät sind aus
US 5592829 bekannt. - Bei diesem bekannten Wärmetauscher ist Leitung als Wendel ausgebildet. Das Gehäuse um die Wendel zwingt den Strom des zweiten Wärmeträgerfluids, an der Wendel auf ihrer gesamten Länge entlang zu streichen, um so eine hohe Wärmeaustauschleistung bei mäßigem Durchsatz des zweiten Wärmeträgerfluids zu erreichen.
- Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass infolge des im wesentlichen zur Längsachse der Wendel parallelen Strömungsverlaufs durch den Wärmetauscher ein erheblicher Anteil des zweiten Wärmeträgerfluids den Wärmetauscher durchläuft, ohne überhaupt in engere Nachbarschaft zu der Leitung zu gelangen, während andere Teile der Strömung sukzessive an vielen Windungen der Wendel entlang streichen und sich dabei stark erwärmen.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Effizienz eines Wärmetauschers der eingangs angegebenen Art zu verbessern.
- Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Mantelfläche des Gehäuses wenigstens im Bereich einer ersten Stirnseite abschnittsweise mit Durchbrüchen versehen ist.
- Diese Durchbrüche erlauben je nach in dem Gehäuse vorliegenden Druckverhältnissen einen Zu- oder Abfluss von zweitem Wärmeträgerfluid. Dessen Strömungsfeld im Innern des Gehäuses ist daher nicht rein in Längsrichtung orientiert, sondern es weist auch radiale Komponenten auf, so dass auch von den offenen Stirnseiten des Gehäuses entfernte Leitungsanteile, wie z.B. die Windungen einer Wendel oder Längsabschnitte einer mäanderartig geformten oder in wenigstens einer Schleife angeordneten Leitung, mit zweitem Wärmeträgerfluid angeströmt werden können, das noch nicht an einem anderen Abschnitt der Wendel oder des Mäanders vorgewärmt (oder, je nach Richtung des Wärmeflusses in dem Wärmetauscher, vorgekühlt) ist.
- Eine günstige, allseitige Beaufschlagung der Leitung innerhalb des Gehäuses mit noch nicht durch andere Leistungsabschnitte vorgewärmter Luft ergibt sich, wenn vorteilhafter Weise die Durchbrüche über den Umfang der Mantelfläche gleichmäßig verteilt mit gleichem oder auch unterschiedlichem Öffnungsquerschnitt angeordnet sind.
- Vorzugsweise nimmt der Anteil der Durchbrüche an der Oberfläche der Wand mit zunehmendem Abstand von einer ersten Stirnseite des Gehäuses ab.
- Besonders günstig sind die Anströmverhältnisse und damit die Wärmeübertragung von der Leitung auf ein zweites Wärmeträgerfluid, wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform der Öffnungsquerschnitt der Durchbrüche mit zunehmendem Abstand von der ersten Stirnseite abnimmt.
- Eine der zweiten Stirnseite benachbarte Hälfte des Gehäuses kann von Durchbrüchen frei sein.
- Zum Antreiben des Stroms des zweiten Wärmeträgerfluids durch das Gehäuse ist der Wärmetauscher vorzugsweise mit einem Gebläse versehen.
- Dieses Gebläse ist vorzugsweise an der zweiten Stirnseite des Gehäuses angeordnet.
- Bezogen auf die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgerfluids ist diese zweite Stirnseite vorzugsweise eine stromabwärtige Seite, d.h. das Gebläse saugt das zweite Wärmeträgerfluid durch das Gehäuse, und der komplette Strom des zweiten Kältemittels passiert die Öffnung an der zweiten Stirnseite, so dass er von dort abgeleitet und einer weiteren Nutzung zugeführt werden kann.
- Alternativ kann das Gebläse auch mittig in dem Gehäuse angeordnet sein; in diesem Fall kann ein von beiden Stirnseiten des Gehäuses zum Gebläse hin abnehmender Anteil der Durchbrüche an der Oberfläche der Wand vorgesehen werden, so dass durch die stromaufwärts vom Gebläse liegenden Durchbrüche zweites Wärmeträgerfluid in das Gehäuse eintreten und dieses durch die stromabwärts vom Gebläse liegenden Durchbrüche wieder verlassen kann.
- Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kältegerät, das einen Wärmetauscher in der oben angegebenen Art als Verflüssiger aufweist. Das zweite Wärmeträgerfluid ist in diesem Fall im allgemeinen Luft, während das erste Wärmeträgerfluid ein Kältemittel des Kältegeräts ist.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
- Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers; -
2 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher aus1 , der die Strömungsverhältnisse im Innern des Wärmetauschers verdeutlicht; -
3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausgestaltung des Wärmetauschers; und -
4 einen schematischen horizontalen Schnitt durch den Sockelbereich eines Kältegeräts, in welchem ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eingebaut ist. - Der in
1 gezeigte Wärmetauscher umfasst eine zu einer schraubenlinienförmigen Wendel gebogene Rohrleitung1 für ein erstes Wärmeträgerfluid, vorzugsweise ein Kältemittel. Ein Gehäuse2 erstreckt sich koaxial zur Längsachse A der Rohrleitung1 . Das Gehäuse2 ist hier im wesentlichen aufgebaut aus zwei steifen Rahmenelementen3 ,4 , welche entgegengesetzte Stirnseiten des Gehäuses2 bilden, und einem sich um die äußeren Ränder der zwei Rahmenelemente3 ,4 erstreckenden, vier Seitenwände des Gehäuses bildenden Blech5 . Das dem Betrachteter zugewandte Rahmenelement3 hat eine großflächige innere Öffnung6 ; in eine entsprechende Öffnung7 des anderen Rahmenelements4 greifen radiale Streben8 ein, die einen Elektromotor9 koaxial zu der gewendelten Rohrleitung1 tragen. Der Elektromotor9 treibt ein aus dem Gehäuse2 vorstehendes Ventilatorrad10 an und bewirkt so einen Luftstrom durch das Gehäuse2 von der Seite des Rahmenelements3 zu der des Rahmenelements4 . - In das Blech
5 sind drei Gruppen11a ,11b ,11c von Durchbrüchen12 gestanzt. Die Abstände zwischen benachbarten Gruppen von Durchbrüchen nehmen mit zunehmender Entfernung von der Öffnung6 zu, so dass der Anteil der Durchbrüche12 an der Oberfläche des Blechs5 mit zunehmender Entfernung von der Öffnung6 abnimmt. Auf der zur Öffnung7 benachbarten Hälfte des Blechs5 sind keine Durchbrüche12 vorhanden. -
2 veranschaulicht die Strömungsverhältnisse im Inneren des erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand eines axialen Schnitts. Ein Großteil der von dem Ventilatorrad10 durch den Wärmetauscher geförderten Luft tritt in diesen durch die Öffnung6 ein. Wenn dies die einzige Lufteintrittsöffnung wäre, so würde sich ein im wesentlichen zur Längsachse paralleler Luftstrom ergeben, bei dem ein Teil der Luft an der Rohrleitung1 entlang fließt, während ein Großteil des Luftstroms durch das freie Innere der Wendel verläuft und dabei so gut wie keine Wärme von der Rohrleitung1 aufnimmt. Hinzu kommt, dass die in einem solchen Fall in Strömungsrichtung hintereinander liegenden Windungen der Rohrleitung1 den Luftstrom stark bremsen, so dass eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, die einen wesentlichen Teil des Luftdurchsatzes des Wärmetauschers ausmacht, im leeren Innern der Wendel erreicht wird. Die Durchbrüche12 hingegen erlauben einen Zustrom von Luft aus seitlicher Richtung, der im Inneren des Gehäuses2 schräg zur Längsachse verläuft, so dass auch Wicklungen der Rohrleitung1 , die weit von der Eintrittsöffnung6 entfernt sind, noch von kühler Frischluft erreicht werden. - Der Betrieb des Ventilators führt zu einem Druckradienten im Innern des Gehäuses
2 , d.h. der Druckunterschied zwischen Gehäuseinnerem und Umgebung nimmt auf der Längsachse des Gehäuses zu, je näher man dem Gebläse kommt. Je höher der Druckunterschied zwischen innen und außen ist, umso stärker ist auch der Luftdurchsatz pro Flächeneinheit eines jeden Durchbruchs12 . Um sicher zu stellen, dass die Windungen möglichst gleichmäßig mit kühler Frischluft versorgt werden, muss daher, wie oben bereits angegeben, der Anteil der Durchbrüche12 an der Oberfläche des Blechs5 mit zunehmender Entfernung von der Öffnung6 kleiner werden. Anstatt wie in1 und2 gezeigt den Abstand zwischen den Gruppen11a ,11b ,11c mit zunehmender Entfernung von der Öffnung6 zu vergrößern, ließe sich dies natürlich auch erreichen, indem die Fläche der einzelnen Durchbrüche12 umso kleiner gemacht wird, je weiter diese von der Öffnung6 entfernt sind. - Eine abgewandelte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in
3 in einem zu2 analogen Schnitt gezeigt. Bei dieser Ausgestaltung ist das durch den Elektromotor9 und das Ventilatorrad10 gebildete Gebläse mittig in dem Wärmetauscher, im Inneren der von der Rohrleitung1 gebildeten Wendel, angeordnet. Benachbart zur stromaufwärtigen Öffnung6 des Gehäuses2 sind auch hier zwei Gruppen von Durchbrüchen12 gebildet, und spiegelbildlich hierzu befinden sich weitere Durchbrüche13 in einem zur stromabwärtigen Öffnung7 benachbarten Bereich des Blechs5 . Diese Durchbrüche13 verleihen der Luftströmung stromabwärts vom Gebläse eine radial nach außen gerichtete Geschwindigkeitskomponente, so dass auch hier vermieden wird, dass eine Windung der Rohrleitung1 im Windschatten einer benachbarten Windung liegt und nur unzureichend mit Kühlluft versorgt wird. - Um einen Rückstrom von Luft in Inneren des Gehäuses
2 von der stromabwärtigen zur stromaufwärtigen Seite des Gebläses in dem außerhalb der Wendel liegenden Querschnittsbereich zu verhindern, ist hier eine Trennwand14 vorgesehen, die sich von dem die Außenwand des Gehäuses2 bildenden Blech5 in Höhe des Ventilatorrades10 bis in unmittelbare Nähe der Wendel erstreckt. -
4 zeigt als ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers einen horizontalen Schnitt durch einen Kühl- oder Gefrierschrank mit einem Korpus20 und einer Tür21 . In einem bodennahen Bereich des Korpus20 , an der von der Tür21 abgewandten Seite, ist eine Maschinenraumnische22 ausgespart, in der nebeneinander als Verflüssiger23 für ein Kältemittel der in1 bzw.2 gezeigte Wärmetauscher und ein Verdichter24 untergebracht sind. Die Rohrleitung1 des Verflüssigers23 ist an einen Hochdruckauslass des Verdichters24 angeschlossen. Ein Kältemittel und durch das Gebläse angetriebene Frischluft durchlaufen den Verflüssiger23 in entgegengesetzte Richtungen. Im Verflüssiger23 erwärmte Frischluft strömt den Verdichter24 an und kühlt diesen; außerdem fördert sie die Verdunstung von aus dem Innenraum25 des Kältegeräts abgeleiteten Kondenswasser in einer auf dem Verdichter24 montierten Verdunstungsschale26 . Luftein- und -austrittsöffnungen27 bzw.28 sind hier in seitlichen Wänden der Maschinenraumnische22 gebildet; alternativ könnten sie in deren Boden vorgesehen sein, um Frischluft durch einen unterhalb des Korpus20 liegenden hohlen Gerätesockel zu- und abzuführen, oder die Rückseite der Maschinenraumnische22 könnte stellenweise offen gelassen sein, um Luftaustausch zu ermöglichen.
Claims (13)
- Wärmetauscher (
23 ) der ein an seinen beiden Stirnseiten offenes, rohrähnliches Gehäuse (2 ) umfasst, innerhalb dem eine Leitung (1 ) angeordnet ist, die zum Führen eines ersten Wärmeträgerfluids dient und die eine abgewickelte Länge aufweist, die länger als die Länge des Gehäuses (2 ) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Gehäuses (2 ) wenigstens im Bereich einer ersten Stirnseite abschnittsweise mit Durchbrüchen (12 ,13 ) versehen ist. - Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (
12 ,13 ) gleichmäßig über den Umfang der Mantelfläche des Gehäuses verteilt angeordnet sind. - Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Durchbrüche (
12 ) an der Mantelfläche (5 ) mit zunehmendem Abstand von der ersten Stirnseite (6 ) des Gehäuses (2 ) abnimmt. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt der Durchbrüche (
12 ) mit zunehmendem Abstand von der ersten Stirnseite abnimmt. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zweiten Stirnseite (
7 ) benachbarte Hälfte des Gehäuses (2 ) von Durchbrüchen (12 ) frei ist. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (
1 ) wendelartig geformt ist und die Wendellänge zumindest annähernd der Länge des Gehäuses (2 ) entspricht. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (
1 ) mäanderähnlich geformt ist und die Länge des Mäanders in etwa der Länge des Gehäuses (2 ) entspricht. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse (
9 ,10 ) zum Antreiben eines Stroms eines zweiten Wärmeträgerfluids durch das Gehäuse (2 ) vorgesehen ist. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 8 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (
9 ,10 ) an der zweiten Stirnseite (7 ) des Gehäuses (2 ) angeordnet ist. - Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Stirnseite (
7 ) eine stromabwärtige Seite bezogen auf die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgerfluids ist. - Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (
9 ,10 ) mittig in dem Gehäuse (2 ) angeordnet ist. - Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Durchbrüche (
12 ,13 ) an der Oberfläche der Wand von beiden Stirnseiten (6 ,7 ) des Gehäuses zum Gebläse (9 ,10 ) hin abnimmt. - Kältegerät, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Wärmetauscher (
23 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Verflüssiger aufweist.
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