DE102005058153A1 - Heat exchanger for use in e.g. motor vehicle cooling system, has flat pipes with channels and recesses in longitudinal direction, where channels are perfused by fluid and recesses are formed between channels - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Mehrkanalflachrohren, der für eine Vielzahl von Medien und Medienkombination und insbesondere für den Einsatz in Hochdruckkältemittelkreisläufen geeignet ist.The The invention relates to a heat exchanger with multichannel flat tubes, suitable for a variety of media and media combination and in particular for the Use in high-pressure refrigerant circuits suitable is.
Wärmeübertrager mit Mehrkanalflachrohren werden beispielsweise in Kraftfahrzeugkälteanlagen und Wärmepumpen eingesetzt. Insbesondere dann, wenn als Kältemittel Hochdruckkältemittel wie Kohlendioxid (R744) Anwendung findet. Mehrkanalflachrohre weisen Kanäle mit sehr kleinen Durchmessern auf, wodurch trotz hoher Prozessdrücke vertretbare Materialstärken eingesetzt werden können und hohe Wärmeübertragerflächen bei geringer Kältemittelfüllmenge entstehen.Heat exchanger with multi-channel flat tubes, for example, in automotive refrigeration systems and Heat pumps used. In particular, when as a refrigerant high pressure refrigerant how carbon dioxide (R744) is used. Show multi-channel flat tubes channels with very small diameters, which uses acceptable material thicknesses despite high process pressures can be and high heat transfer surfaces low refrigerant charge arise.
Einsatzfälle derartiger Wärmeübertrager bestehen darin, z. B. Wärme in einem Kältemittelkreislauf zwischen einem Nieder- und einem Hochdruckmassestrom als innerer Wärmeübertrager zu übertragen. Häufig werden innere Wärmeübertrager in einem Akkumulator des Kältemittelkreislaufes integriert. Innere Wärmeübertrager werden zur Verbesserung der Effizienz/Leistung von Kältemittelkreisläufen eingesetzt und werden auch als Unterkühlungsgegenströmer bezeichnet. Durch die Kühlung des Hochdruckstromes wird die spezifische Kälteleistung des Kältemittelkreislaufes vergrößert. Gleichzeitig wird auf der Niederdruckseite durch die Überhitzung im inneren Wärmeübertrager die Eintrittstemperatur des Kältemittels vor dem Verdichter erhöht. Daraus resultiert, dass die Dichte des Kältemitteldampfes vor dem Verdichter sich verringert und eine höhere spezifische Verdichtungsarbeit auf Grund des Verlaufes der Isentropen benötigt wird. Aus dem Verhältnis der spezifischen Kälteleistung sowie der benötigen spezifischen Verdichtungsarbeit wird die Leistungszahl berechnet, die Aufschluss über den Nutzen des inneren Wärmeübertragers gibt.Applications of such Heat exchanger consist in z. B. heat in a refrigerant circuit between a low and a high pressure mass flow as internal Heat exchanger transferred to. Often become internal heat exchangers in an accumulator of the refrigerant circuit integrated. Internal heat exchanger are used to improve the efficiency / performance of refrigerant circuits and are also referred to as subcooling countercurrents. By the cooling the high-pressure current becomes the specific refrigerating capacity of the refrigerant circuit increased. At the same time on the low pressure side due to overheating in the internal heat exchanger the inlet temperature of the refrigerant increased before the compressor. As a result, the density of the refrigerant vapor before the compressor decreases and a higher one specific condensing work due to the course of isentropes needed becomes. Out of proportion the specific cooling capacity as well as the need specific compaction work, the coefficient of performance is calculated the information about the benefit of the internal heat exchanger gives.
Der Akkumulator kombiniert mit einem inneren Wärmeübertrager die Funktionen des Kältemittelakkumulators und des inneren Wärmeübertragers in einem Bauteil. Der Einsatz erfolgt vorzugsweise in mobilen R744-Klimaanlagen, da die kombinierte Ausgestaltung auf Grund der kompakten Bauweise und aus Kostengründen Vorteile gegenüber dem Einsatz von getrennten Komponenten aufweisen kann.Of the Accumulator combined with an internal heat exchanger, the functions of refrigerant accumulator and the internal heat exchanger in a component. The use is preferably in mobile R744 air conditioning systems, since the combined design due to the compact design and for cost reasons Advantages over may have the use of separate components.
Die Funktion des inneren Wärmeübertragers besteht thermodynamisch darin, systeminterne Energie (Wärme) von der Hochdruckseite auf die Saugseite zu übertragen. Dies ist bei Kohlendioxid als Kältemittel notwendig, da auf Grund der thermodynamischen Eigenschaften von R744 nur durch diese systeminterne Wärmeübertragung genügend Kälteleistung bei hohen thermischen Lasten, wie hohe Außentemperaturen und Luftfeuchtigkeit, zur Verfügung gestellt werden kann.The Function of the internal heat exchanger exists thermodynamic in it, intrinsic energy (heat) from the high pressure side to transfer to the suction side. This is for carbon dioxide as a refrigerant necessary because of the thermodynamic properties of R744 only by this system internal heat transfer enough cooling capacity at high thermal loads, such as high outside temperatures and humidity, to disposal can be made.
Nach
der
Prinzipiell gilt, dass im Kältekreislauf die Nieder- und Hochdruckseite mit dem gleichen Massestrom beaufschlagt werden. Aus thermodynamischen Gründen ist die Niederdruckseite – im Vergleich zur Hochdruckseite – erheblich kritischer im Hinblick auf Druckverlust und Wärmeübertragung. Aus den Transportgrößen und der Dichte des CO2 resultiert auf der Niederdruckseite die Notwendigkeit einer größeren Wärmeübertragungsfläche sowie eines größeren Strömungsquerschnitts.In principle, the low and high pressure sides are subjected to the same mass flow in the refrigeration cycle. For thermodynamic reasons, the low pressure side - compared to the high pressure side - much more critical in terms of pressure loss and heat transfer. From the transport sizes and the density of the CO 2 results on the low pressure side, the need for a larger heat transfer area and a larger flow cross-section.
In
der
Der generelle Nachteil dieses Designs ist das relativ hohe Volumen, welches für die Unterbringung der Rohrspiralen benötigt wird.Of the general disadvantage of this design is the relatively high volume, which for the accommodation of the pipe spirals is needed.
Die
Konzeption in der
Der Nachteil dieses Designs ist der erhebliche konstruktive Aufwand für die sichere Funktion der Spirale und deren Volumen.Of the Disadvantage of this design is the considerable design effort for the safe function of the spiral and its volume.
Ein
weiteres Design wird in der
Ein
weiteres Design von inneren Wärmeübertragern
stellen die Plattenwärmeübertrager
dar, z. B nach der
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der eine kompaktere Bauweise im Vergleich zu Wärmeübertragern mit gewickelten Wärmeübertragerrohren zulässt. Das Design sollte dabei fertigungstechnisch einfach und kostengünstig ausgebildet sein und eine hohe Wärmeübertragungsfläche und geringere Strömungsdruckverluste für den Niederdruckstrom aufweisen.task The invention is a heat exchanger to disposal to provide a more compact design compared to heat exchangers with wound heat exchanger tubes allows. The design was designed to be simple to manufacture and inexpensive be and have a high heat transfer area and lower flow pressure losses for the Have low pressure stream.
Die Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager gelöst, der ein von einem ersten Fluid durchströmtes Gehäuse mit einem Eingang und einen Ausgang und mehreren ein Flachrohrpaket bildenden Mehrkanalflachrohren aufweist. Die Mehrkanalflachrohre weisen Kanäle auf, die von einem zweiten Fluid durchströmt werden. Die Mehrkanalflachrohre weisen weiterhin Ausnehmungen in Längsrichtung auf, wobei die Ausnehmungen im Mehrkanalflachrohr zwischen den Kanälen des Mehrkanalflachrohres angeordnet und von dem ersten Fluid durchströmbar ausgebildet sind. Weiterhin sind Abstandshalter zwischen den Mehrkanalflachrohren derart vorgesehen, dass Sektionen im Wärmeübertrager gebildet werden und dass das erste Fluid vom Eingang zum Ausgang sektionsweise das Flachrohrpaket durchströmt.The Task is by a heat exchanger solved, a through-flow of a first fluid housing with an input and a Output and several a flat tube package forming multi-channel flat tubes having. The multi-channel flat tubes have channels that from a second Fluid flows through become. The multi-channel flat tubes also have recesses in longitudinal direction on, wherein the recesses in the multi - channel flat tube between the channels of Multichannel flat tube arranged and formed by the first fluid can be flowed through are. Furthermore, spacers between the multi-channel flat tubes provided such that sections are formed in the heat exchanger and that the first fluid from the input to the output in sections, the flat tube package flows through.
Bevorzugt sind die Ausnehmungen in den Mehrkanalflachrohren als Schlitze ausgebildet. Die Schlitze können entweder direkt bei der Fertigung der Mehrkanalflachrohre vorgesehen werden oder auch in einem nachträglichen Bearbeitungsschritt, beispielsweise durch Stanzen oder Fräsen, in die Mehrkanalflachrohre zwischen den Kanälen eingebracht werden. Der Erfindungsgedanke wird gleichfalls realisiert, wenn die Ausnehmungen aus einer Vielzahl von runden Bohrungen ausgeführt ist.Prefers the recesses in the multi-channel flat tubes are formed as slots. The slots can either directly provided in the production of multi-channel flat tubes be or even in an afterthought Processing step, for example by punching or milling, in the multi-channel flat tubes are inserted between the channels. Of the The idea of the invention is also realized when the recesses is made of a variety of round holes.
Die Ausnehmungen und die Kanäle in den Mehrkanalflachrohren sind in Querrichtungen alternierend angeordnet.The Recesses and the channels in the multi-channel flat tubes are alternating in transverse directions arranged.
Ebenso vorteilhaft kann es sein, mehrere Kanäle zu Gruppen zusammenzufassen und zwischen diesen Gruppen Ausnehmungen vorzusehen, so dass zwischen benachbarten Gruppen der vom zweiten Fluid durchströmten Kanäle die vom ersten Fluid durchströmten Ausnehmungen angeordnet sind.As well It may be advantageous to combine several channels into groups and to provide for recesses between these groups, so that between adjacent groups of channels through which the second fluid flows from the first fluid flowed through Recesses are arranged.
Die bandartig gestalteten Mehrkanalflachrohre weisen nach einer Ausgestaltung der Erfindung ebene Oberflächen auf, und alternativ dazu weisen die Mehrkanalflachrohre nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wellenartige Oberflächen auf.The strip-like multi-channel flat tubes have according to an embodiment the invention flat surfaces on, and alternatively, the multi-channel flat tubes after a further advantageous embodiment of the invention on wave-like surfaces.
Die Mehrkanalflachrohre sind derart zu einem Flachrohrpaket verbunden, dass die Ausnehmungen benachbarter Mehrkanalflachrohre in der Projektion der Durchströmungsrichtung des ersten Fluids hintereinander angeordnet sind. Alternativ dazu sind die Mehrkanalflachrohre derart zu einem Flachrohrpaket miteinander verbunden, dass die Kanäle und Ausnehmungen benachbarter Mehrkanalflachrohre in der Projektion der Durchströmungsrichtung des ersten Fluids hintereinander angeordnet sind.The Multi-channel flat tubes are connected in such a way to a flat tube package, that the recesses of adjacent Mehrkanalflachrohre in the projection the flow direction of the first fluid are arranged one behind the other. Alternatively are the multi-channel flat tubes to each other to a flat tube package connected to the channels and recesses of adjacent multi-channel flat tubes in the projection the flow direction of the first fluid are arranged one behind the other.
Nach der ersten Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Strömungsdruckverlust minimiert, wohingegen nach der zweiten Ausgestaltung der Erfindung zwar ein erhöhter Strömungsdruckverlust auftritt, jedoch dieses mit einer effizienteren Wärmeübertragung einhergeht, so dass beide Ausgestaltungsvarianten – je nach Anwendungsfall – zum Einsatz gelangen können.To The first embodiment of the invention is the flow pressure loss minimized, whereas according to the second embodiment of the invention though an elevated one Flow pressure loss occurs, but this with a more efficient heat transfer goes hand in hand, so that both design variants - depending on Use case - for Use can get.
Die Mehrkanalflachrohre sind in der Querrichtung mehrteilig ausgebildet, so dass Flachrohrpakete durch Biegen der Teile in Längsrichtung ausbildbar sind. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Mehrkanalflachrohre in der Querrichtung dreiteilig ausgebildet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die äußeren Teile des Mehrkanalflachrohrs versetzt zueinander eine ebene Seite und eine wellige Seite aufweisen, wohingegen das mittlere Teil zwei wellige Seiten aufweist. Das Flachrohrpaket ist dann derart aus diesem Mehrkanalflachrohr ausbildbar, dass das Flachrohrpaket nach außen die ebenen äußeren Flächen aufweist und dass nach innen die welligen strömungsmechanisch optimierten Flächen angeordnet sind.The Multi-channel flat tubes are designed in several parts in the transverse direction, allowing flat tube packages by bending the parts longitudinally can be formed. According to a preferred embodiment of the invention the multi-channel flat tubes are formed in three parts in the transverse direction. An advantageous embodiment of the invention is that the outer parts of the multi-channel flat tube offset from each other a flat side and have a wavy side, whereas the middle part two has wavy sides. The flat tube package is then off this multichannel flat tube can be formed, that the flat tube package after Outside having the flat outer surfaces and that inward the wavy optimized flow mechanics surfaces are arranged.
Nach der Konzeption der Erfindung ist mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager eine Kombination aus einem Platten- und Rohrbündelwärmeübertrager realisiert worden, der in besonders vorteilhafter Weise für Kältemittelkreisläufe mit hohen Drücken einsetzbar ist. Ganz besonders vorteilhaft anwendbar ist diese Art Wärmeübertrager für Kältemittelkreisläufe mit Kohlendioxid als Kältemittel, da die Hochdruckseite in den Kanälen des Mehrkanalflachrohres und die Niederdruckseite durch die Ausnehmungen führbar ist.According to the concept of the invention, a combination of a plate and tube bundle heat exchanger has been realized with the heat exchanger according to the invention, which in a particularly advantageous manner for refrigerant circuits with high Press is used. This type of heat exchanger for refrigerant circuits with carbon dioxide as the refrigerant is very particularly advantageously applicable, since the high-pressure side in the channels of the multi-channel flat tube and the low-pressure side can be guided through the recesses.
Das Konzept des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist jedoch nicht auf Hochdruckkältemittel beschränkt, sondern kann prinzipiell auch für andere Einsatzgebiete von Wärmeübertragern vorteilhaft Anwendung finden.The Concept of the heat exchanger according to the invention is not on high pressure refrigerant limited, but can in principle also for others Fields of application of heat exchangers find advantageous application.
Weitere Einsatzgebiete ergeben sich durch die Verwendung verschiedenster Fluide, die durch eine Wärmeübertragung miteinander thermisch in Kontakt gebracht werden sollen, und auch in vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.Further Areas of application result from the use of a wide variety of Fluids by a heat transfer thermally to be brought into contact with each other, and also in diverse Applications.
In besonders bevorzugter Weise lässt sich ein Wärmeübertrager nach dem erfindungsgemäßen Konzept als innerer Wärmeübertrager in einem Akkumulator für den Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage ausbilden.In particularly preferred manner a heat exchanger according to the concept of the invention as an internal heat exchanger in an accumulator for the refrigerant circuit form an automotive air conditioning system.
Die Vorteile der Erfindung sind vielgestaltig. Besonders hervorzuheben ist die kompakte Bauweise und die hohe Effizienz des Wärmeübertragers. Das daraus resultierende geringere erforderliche Volumen des Wärmeübertragers führt in vielen Anwendungen zu einer kompakteren Ausgestaltungsmöglichkeit für die einzelnen Komponenten. Nach einem bevorzugten Einsatzgebiet der Erfindung ist mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager als innerer Wärmeübertrager in einem kombinierten Akkumulator/innerer Wärmeübertrager in Hochdruckkältemittelanlagen eine volumen- und funktionsoptimierte Komponente realisierbar.The Advantages of the invention are multifarious. Of particular note is the compact design and the high efficiency of the heat exchanger. The result resulting lower required volume of the heat exchanger leads in many applications to a more compact design option for the individual components. According to a preferred application of the Invention is with the heat exchanger according to the invention as an internal heat exchanger in a combined accumulator / internal heat exchanger in high-pressure refrigerant systems a volume- and function-optimized component can be realized.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference on the associated Drawings. Show it:
In
Die
Mehrkanalflachrohre
Eine derartige erfindungsgemäße Wärmeübertragerkonstruktion ist bevorzugt für den Einsatz von Hochdruckkältemitteln, wie Kohlendioxid, in entsprechenden Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen einsetzbar. Das erste Fluid ist in diesem Einsatzfall das Kältemittel bei Niederdruck und das zweite Fluid ist das Kältemittel bei Hochdruck.A Such heat exchanger construction according to the invention is preferred for the use of high-pressure refrigerants, like carbon dioxide, in appropriate refrigeration systems or heat pumps used. The first fluid is the refrigerant in this application at low pressure and the second fluid is the refrigerant at high pressure.
Durch
die erfindungsgemäße Konzeption des
Wärmeübertragers
Für den Strom
des ersten Fluids werden die Ausnehmungen
Das
Material des Gehäuses
Die
Abstandshalter
In
In
den Mehrkanalflachrohren
Zwischen
den Kanälen
Das
dargestellte Flachrohrpaket
Die
Ausnehmungen
In
den
In
In
In
Die
Ausbildung von wellenartigen Oberflächen
In
In
In
Das
Zweiphasengemisch, welches den Kältemitteldampf
und abzuscheidendes flüssiges
Kältemittel
beinhaltet, gelangt durch den Eingang
Eine
alternative Ausgestaltung der Kombination von Kältemittelsammler/innerer Wärmeübertrager
entsteht dadurch, dass der Wärmeübertrager
- 11
- WärmeübertragerHeat exchanger
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- MehrkanalflachrohrMultichannel flat tube
- 44
- Eingang erstes Fluidentrance first fluid
- 55
- Ausgang erstes Fluidoutput first fluid
- 66
- VerbinderInterconnects
- 77
- Abstandshalterspacer
- 88th
- Ausnehmungrecess
- 99
- Kanalchannel
- 1010
- FlachrohrpaketFlat tube package
- 1111
- Sektionsection
- 1212
- Eingang zweites Fluidentrance second fluid
- 1313
- Ausgang zweites Fluidoutput second fluid
- 1414
- ebene Oberfläche eines Mehrkanalflachrohreslevel surface a multi-channel flat tube
- 1515
- wellenartige Oberfläche eines Mehrkanalflachrohreswavelike surface a multi-channel flat tube
- 1616
- Teil eines Mehrkanalflachrohrespart a multi-channel flat tube
- 1717
- Stegweb
- 1818
- Kältemittelsammler mit integriertem inneren WärmeübertragerRefrigerant collector with integrated internal heat exchanger
- 1919
- Eingang Zweiphasengemischentrance Two-phase mixture
- 2020
- flüssiges abgeschiedenes Kältemittelliquid deposited refrigerant
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