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Die
Erfindung betrifft einen Lamellenwärmeübertrager
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein
Lamellenwärmeübertrager der eingangs genannten
Art ist nach der
DE
296 13 458 U1 bekannt. Dieser Lamellenwärmeübertrager
besteht aus mindestens einem ein Wärmeträgermedium
führenden, metallischen Rohrelement, mehreren das Rohrelement
umschließenden Distanzelementen und jeweils einem zwischen
zwei Distanzelementen angeordneten, das Rohrelement umschließenden, metallischen
Lamellenelement. Dabei ist jedes Distanzelement durch Aufweitung
des Rohrelements an diesem fixiert. Ferner sind die Lamellenelemente
und die Distanzelemente vor Aufweitung des Rohrelements in Axialrichtung
des Rohrelements gesehen zueinander verpresst angeordnet.
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Zur
Vermeidung von Korrosionsproblemen sind bei dieser bekannten Lösung
die Distanzelemente aus Kunststoff gebildet. Insbesondere mit Verweis
auf 3 und 4 dieser
Gebrauchsmusterschrift ist vorgesehen, dass der das Distanzelement
bildende Kunststoff während des Aufweitens des Rohres zwischen
den Krägen und den Lamellen verdrängt (plastisch
verformt) wird und so die Freiräume zwischen den gekrümmten
Bereichen der Krägen und dem Rohr füllt.
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Die
Lamellenelemente gemäß der
DE 296 13 458 U1 weisen,
wie bereits erwähnt, am Übergangsbereich zum Rohrelement
so genannte "Krägen" auf, da die Aufweitung des Rohrelements
eine gewisse Stabilität der regelmäßig
sehr dünn ausgebildeten Lamellenelemente erfordert, da
diese ansonsten beim Aufweiten leicht beschädigt werden
könnten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lamellenwärmeübertrager
der eingangs genannten Art aus wärmetechnischer Sicht zu
verbessern.
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Diese
Aufgabe ist mit einem Lamellenwärmeübertrager
der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 aufgeführten Merkmale gelöst.
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Nach
der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Distanzelemente eine
Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 2
W/mK aufweisen.
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Mit
anderen Worten ausgedrückt, sind erfindungsgemäß Distanzelement
mit im Vergleich zu "normalem" Kunststoff (Anmerkung: gemeint sind
im Prinzip ungefüllte oder gering gefüllte Standard-
oder Technische Thermoplaste, also zum Beispiel: Polypropylen, Polyethylen,
Polyoxymethylen, Polyamid etc.) deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften
vorgesehen. Der nach der
DE
296 13 458 U1 vorgesehene Kunststoff dürfte absehbar
lediglich eine Wärmeleitfähigkeit λ von
etwa 0,5 W/mK aufweisen, was bezüglich des angestrebten
Korrosionsschutzes unproblematisch, bezüglich der Wärmeübertragungseigenschaften
aber – wie sich erfindungsgemäß gezeigt
hat – ungünstig ist.
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Bevorzugt
werden natürlich Distanzelemente mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von
mehr als 8 W/mK (zum Beispiel Edelstähle aber auch sogenannte
gefüllte Kunststoffe), noch bevorzugter mit mehr als 100 W/mK
(zum Beispiel Aluminium-Legierungen) und insbesondere mit mehr als
350 W/mK (zum Beispiel Kupfer) verwendet.
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Diese
sich damit eindeutig von der Lösung nach der
DE 296 13 458 U1 unterscheidende
Maßgabe hat weitreichende Konsequenzen, wenn man berücksichtigt,
dass aufgrund der guten Wärmeübertragung vom Rohrelement über
das Distanzelement auf das Lamellenelement auf Kragen an den Lamellenelementen
verzichtet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen
Lösung wird die Fixierung der Lamellenelemente am Rohr
weder durch eine Lötverbindung noch durch eine Verspannung
mit dem Rohrelement, sondern vielmehr dadurch bewirkt, dass die
Distanzelemente beim Aufweiten des Rohres mit diesem verspannt werden.
Da ferner das Paket aus Distanz- und Lamellenelementen vor der Aufweitung
des Roh res in Axialrichtung verspannt wurde, sind die Lamellenelemente
nach dem Aufweiten gegebenenfalls auch ohne Kontakt zum Rohrelement durch
den Kraftschluss "Rohrelement-Distanzelement" und "Distanzelement-Lamellenelement"
sicher am Rohrelement fixiert. Die Wärmeübertragung
erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung
im Unterschied zur Lösung nach der
DE 296 13 458 U1 insbesondere
wie folgt (der Einfachheit halber nur eine Richtung betrachtet,
umgekehrt gilt im Prinzip das Gleiche): Vom Wärmeträgermedium
ans Rohr, vom Rohr an die Distanzelemente und von den Distanzelementen
an die Lamellenelemente. Sollte das Lamellenelement Kontakt zum
Rohrelement haben, kann die Wärmeübertragung natürlich
auch direkt vom Rohrelement ans Lamellenelement erfolgen; dieser
bei der
DE 296 13
458 U1 zwingend vorgesehene Wärmefluss ist nach
der erfindungsgemäßen Lösung aber nicht
der quantitativ entscheidende Weg.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Lamellenwärmeübertragers und seiner Herstellung
ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Der
Vollständigkeit halber wird noch auf die
DE 10 2006 037 489 A1 hingewiesen,
die sich aber schon dadurch vom erfindungsgemäßen
Lamellenwärmeübertrager unterscheidet, dass bei
dieser das Rohrelement nicht aufgeweitet wird.
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Der
erfindungsgemäße Lamellenwärmeübertrager
einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der
abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand
der zeichnerischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
näher erläutert.
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Es
zeigt jeweils im Schnitt
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1 den
erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertrager
vor der Axialverpressung der Distanzelemente und vor der Aufweitung
des Rohrelements; und
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2 den
Lamellenwärmeübertrager nach der Axialverpressung
der Distanzelemente und nach der Aufweitung des Rohrelements.
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In
den 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertragers
dargestellt. Diese umfasst mindestens ein ein Wärmeträgermedium
führendes Rohrelement 1, mehrere das Rohrelement 1 umschließende
Distanzelemente 3 und jeweils ein zwischen zwei Distanzelementen 3 angeordnetes,
das Rohrelement 1 umschließendes, kragenfrei ausgebildetes
Lamellenelement 2, wobei jedes Distanzelement 3 durch
Aufweitung des Rohrelements 1 an diesem fixiert ist und
wobei die Lamellenelemente 2 und die Distanzelemente 3 vor
Aufweitung des Rohrelements 1 in Axialrichtung des Rohrelements 1 gesehen
zueinander verpresst angeordnet sind.
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Wie
auch beim vorerwähnten Stand der Technik sind das vorzugsweise
einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Rohrelement 1 und
die Lamellenelemente 2 metallisch ausgebildet. Andere Materialien
mit guten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, wie
"gefüllter" Kunststoff (Kunststoff mit Graphiteinschlüssen),
Graphit, Keramiken oder dergleichen kommen aber je nach Einsatzzweck
auch in Betracht.
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Als
Wärmeträgermedium kommt letztlich jedes Fluid
in Betracht, das zur Wärmeübertragung geeignet
ist. Beispielsweise kann Wasser als Wärmeträgermedium
verwendet werden. Dieses würde beispielsweise dann eingesetzt
werden, wenn der erfindungsgemäße Lamellenwärmetauscher
als Teil einer Sorptionsvorrichtung verwendet würde (siehe
hierzu zum Beispiel die
DE
103 10 748 B3 ). Für diesen speziellen Einsatzzweck
ist im übrigen vorgesehen, dass die Lamellenelemente
2 mit
einem Sorptionsmittel, vorzugsweise Zeolith, versehen sind, d. h.
der Wärmetauscher den Sorberträger bildet.
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Wesentlich
für den erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertrager
ist nun, dass die Distanzelemente 3 eine Wärmeleitfähigkeit λ von
mindestens 2 W/mK aufweisen. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften
kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Distanzelemente 3 eine Wärmeleitfähigkeit
von mehr als 8 W/mK, vorzugsweise mehr als 100 W/mK, besonders bevorzugt mehr
als 350 W/mK aufweisen.
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In
diesem Zusammenhang ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Distanzelemente 3 aus Metall, insbesondere aus
Edelstahl (zum Beispiel Güteklasse 1.4XXX), Aluminium (zum
Beispiel auch eine Aluminiumlegierung mit Magnesium), Kupfer, Messing,
oder aus Keramik (zum Beispiel Silicium-Silicium-Karbid) oder aus
graphithaltigem Kunststoff (zum Beispiel PVDF+C mit mehr als 50%
Graphit) gebildet sind.
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Um
bei guter Wärmeübertragungsleistung gleichzeitig
eine ausreichende Festigkeit des Wärmetauschers zu gewährleisten,
sind die Distanzelemente 3 bei allen Ausführungsformen
aus einem Material mit einer Streckgrenze von mehr als 85 N/mm2 (bei 25°C Umgebungstempertur),
vorzugsweise mehr als 120 N/mm2, besonders
bevorzugt mehr als 200 N/mm2, gebildet.
Ein Material mit dieser Festigkeit, die deutlich über der
Festigkeit von "normalem" Kunststoff liegt, hat sich für
den vorbeschriebenen Aufweitungsprozess der Distanzelemente 3 als
besonders geeignet erwiesen.
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In 1 ist
der Zustand vor Aufweitung des Rohres und auch vor Verpressung in
Axialrichtung dargestellt. Zur Herstellung des Lamellenwärmeübertragers
werden, wie aus 1 ersichtlich, auf ein Rohrelement 1 mehrere
dieses umschließende Distanzelemente 3 aufgeschoben,
wobei zwischen zwei Distanzelementen 3 jeweils ein das
Rohrelement 1 umschließendes Lamellenelement 2 angeordnet
ist und wobei in einem ersten Schritt die Lamellenelemente 2 und
die Distanzelemente 3 in Axialrichtung des Rohrelements 1 gesehen
verpresst werden und in einem zweiten Schritt das Rohrelement 1 aufgeweitet
wird. Dieser "End"-Zustand ist in 2 dargestellt.
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Bezüglich
der Distanzelemente 3 ist bei der bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, dass jedes eine Rohrdurchgangsöffnung aufweist,
deren Durchmesser vor Aufweitung des Rohrelements 1 größer
als der Außendurchmesser des Rohrelements 1 ist
und deren Durchmesser nach Aufweitung des Rohrelements 1 und
nach Verformung des Distanzelements 3 genau dem Außendurchmesser
des Rohrelements 1 entspricht. Diese Maßgabe gewährleistet einen
möglichst passgenauen Sitz des Distanzelements 3 auf
dem Rohrelement 1.
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Eine
fertigungstechnisch leicht herzustellende und beim Zusammenbau leicht
handhabbare Ausführungsform des Distanzelements 3 besteht
darin, dieses als zylindrischen Ring auszubilden. In 1 und 2 ist
dieser Ring jeweils im Schnitt dargestellt; seine vollständige
Gestalt als Ringkörper ist damit ohne Weiteres vorstellbar.
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Zur
weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung ist
vorgesehen, dass jedes Distanzelement 3 an der Rohrdurchgangsöffnung
eine Rohrkontaktfläche und zum benachbarten Lamellenelement 2 eine Lamellenkontaktfläche
aufweist. Erfindungsgemäß sind somit nicht lediglich
Kontaktlinien (wie beim Stand der Technik), sondern eben Kontaktflächen vorgesehen,
wobei durch die Axialverpressung und die Rohraufweitung stets ein
vollflächiges Anliegen der Bauteile aneinander gewährleistet
ist.
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Gemäß der
in den 1 und 2 dargestellten, bevorzugten
Ausführungsform ist bezüglich obiger Maßgabe
präzisiert vorgesehen, dass die Rohrkontaktfläche
des Distanzelements 3 als Zylindermantelfläche
und die Lamellenkontaktfläche des Distanzelements 3 als
konzentrische Kreisfläche ausgebildet ist.
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Um
einen möglichst gleichmäßigen Wärmeübergang
vom Wärmeträgermedium zu den Lamellenelementen
(oder umgekehrt) zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass
das Verhältnis zwischen der Rohrkontaktfläche
und der Lamellenkontaktfläche in Abhängigkeit
von wärmetechnischen Werkstoffkennwerten (zum Beispiel
Wärmedurchgangswiderstand) des Rohrelements 1,
des Distanzelements 3 und des Lamellenelements 2 abgestimmt
bzw. festgelegt ist.
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Bestünde
der gesamte Lamellenwärmeübertrager beispielsweise
aus dem gleichen Werkstoff, so könnte vorgesehen sein,
dass die Lamellenkontaktfläche zu den Distanzelementen
größenmäßig etwa der halben
Rohrkontaktfläche zu den Distanzelementen entspricht. Diese
Maßgabe hat zur Folge, dass der übertragene Wärmestrom
gewissermaßen nicht an "flächenmäßigen
Engstellen" behindert wird, wobei die Vorgabe "halbe Rohrkontaktfläche"
berücksichtigt, dass außer an den Rändern
des Lamellenwärmeübertragers jedes Distanzelement
mit zwei Lamellenelemente im Wärmekontakt steht, d. h.
der Wärmestrom vom Rohrelement auf das Distanzelement und
dann vom Distanzelement an zwei Lamellenelemente weitergegeben wird.
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Bezüglich
der Lamellen ist ferner vorgesehen, dass jedes dieser Elemente 2 eine
Rohrdurchgangsöffnung aufweist, deren Durchmesser mindestens
gleichgroß wie der Außendurchmesser des aufgeweiteten
Rohrelements 1 ist. Wie ohne Weiteres verständlich,
gewährleistet diese Maßgabe, dass die Lamellenelemente 2 während
der Aufweitung des Rohrelements 1 nicht verformt werden.
Da ferner der Hauptanteil des Wärmestroms erfindungsgemäß über
die Distanzelemente 3 fließt, kann auch ohne großen
wärmetechnischen Nachteil und im Gegensatz zum bekannten
Stand der Technik, ein Spalt zwischen dem Rohrelement 1 und
den Lamellenelemente 2 verbleiben.
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Alternativ
kann schließlich aber auch bei entsprechend formstabilen
Lamellenelementen und einem vergleichsweise weichen Rohrelement
vorgesehen sein, dass jedes Lamellenelemente 2 eine Rohrdurchgangsöffnung
aufweist, deren Durchmesser gleichgroß wie der Außendurchmesser
des nicht aufgeweiteten Rohrelements 1 ist. Diese Maßgabe
berücksichtigt nämlich die Option, dass das Rohrelement 1 bei
Aufweiten aufgrund der nicht nachgebenden Lamellenelemente 2 eine
Verformung erfährt, die gewissermaßen eine Art
Rippenprägung im Rohrelement 1 hervorruft, welche
ihrerseits vorteilhaft zu einer Verwirbelung des Wärmeträgermediums
und damit letztlich zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung
führt.
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- 1
- Rohrelement
- 2
- Lamellenelement
- 3
- Distanzelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 29613458
U1 [0002, 0004, 0008, 0010, 0010, 0010]
- - DE 102006037489 A1 [0012]
- - DE 10310748 B3 [0019]