-
Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit
einem Wärmetauscherelement,
das eine wärmeabgebende
und eine wärmeaufnehmende
Seite aufweist, wobei an der wärmeabgebenden
und/oder wärmeaufnehmenden
Seite des Wärmetauscherelements
ein Strömungskanal
mittels einer Kanalabdeckung gebildet ist, wobei in dem Strömungskanal
ein Luftstrom in Strömungskanallängsrichtung
förderbar ist.
-
Aus
der
DE 196 09 845
C1 ist ein Schaltschrank bekannt, der mit drei vertikalen
Seitenwänden
und einer frontseitigen Tür
sowie einem Boden und einem Dach einen Gehäuseinnenraum umschließt. Darin
sind elektrische Einbauten gehalten, die beim Betriebseinsatz Verlustwärme in den
Gehäuseinnenraum
abgeben. Zur Vermeidung einer Überhitzung
muss diese Wärme
an die Umgebung abgeführt
werden. Die Wärme
wird von den als Wärmetauscherelementen
ausgebildeten vertikalen Seitenwänden
aufgenommen.
-
An
der Gehäuseaußenseite
sind im Abstand zu den Seitenwänden
Kanalabdeckungen gehalten. Zwischen den Kanalabdeckungen und den
Seitenwänden
ist ein Strömungskanal
gebildet, durch den ein Luftstrom geführt wird, dieser wird über den
natürlichen
Kamineffekt in den Seitenwänden
erzeugt oder durch einen Lüfter
erzwungen. Der Luftstrom nimmt die Wärme von der Außenseite
der Seitenwand auf und führt
sie an die Umgebung ab. Es ist üblich,
die Luft am Rand der Wärmetauscherfläche einzuführen und
zwar so, dass die Öffnungen
möglichst
groß sind,
um die Strömungsverluste
zu reduzieren, wie dies beispielsweise in der
DE 296 05 555 U1 gezeigt ist.
Weiterhin sind Gehäuse
bekannt, bei denen keine zusätzlichen
Seitenwände
vorhanden sind, die die Luft führen.
Hier wird die Wärme über natürliche Konvektion
direkt an die Umgebungsluft abgegeben.
-
Die
Wärmeabgabe
in dem Innenraum erfolgt auf ähnliche
Weise. Es sind weiterhin sowohl Gehäuse bekannt, die eine innere
Wandaufdopplung haben und einen Volumenstrom in diesen führen, der
die Wärme
an die Wand abgibt, als auch Gehäuse
ohne Doppelwand, wobei die Luft im Innenraum lediglich zirkuliert
wird und ein Volumenstrom infolge von Konvektion an den Wänden vorbeiströmt und die
Wärme an
diese abgibt. Bei Gehäusen
mit einer innen liegenden Wandaufdopplung ist erwähnenswert,
dass diese mit dem Lüfter
einen geschlossenen Kanal bilden insbesondere zwischen Lüfter und
Wärmetauscherfläche wobei
der Lüfter
in der Regel auf der Druckseite angeordnet ist. Der Volumenstrom
also vom Lüfter über geeignete
Kanäle
zu der Wärmetauscherflächen geführt wird.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher bzw. ein Gehäuse zu schaffen,
mit dem der Wirkungsgrad zur Verbesserung der Kühlleistung gesteigert ist.
-
Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Patentanspruchs 1 dadurch gelöst,
dass in den Strömungskanal
eine oder mehrere Düsen
münden, über die
ein Teilluftstrom förderbar
ist, und dass die Strömungsrichtung des
Teilluftstroms nach der Düse
im Winkel zur Strömungsrichtung
des Luftstroms im Strömungskanal verläuft und/oder,
dass der Teilluftstrom eine höhere Strömungsgeschwindigkeit
aufweist als der Luftstrom.
-
Der
aus der Düse
austretende Teilluftstrom trifft mit hoher Geschwindigkeit auf den
im Strömungskanal
geführten
Luftstrom. Dadurch entsteht eine lokale Strömungsverwirbelung im Strömungskanal.
Diese sorgt dafür,
dass die Luft im Strömungskanal
gleichmäßig erwärmt wird,
so dass im Grenzbereich zwischen der wärmeaufnehmenden/wärmeabgebenden
Seite des Wärmetauschers
stets ein hoher Temperaturgradient entsteht. Damit lässt sich
eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads erreichen.
-
Zusätzlich oder
alternativ kann zur Erzielung der gleichen Wirkung auch vorgesehen
sein, dass der Teilluftstrom im Winkel zum Luftstrom zugeführt wird.
Um eine ausreichende Strömungsdurchmischung
zu erhalten, empfiehlt sich ein Wärmetauscher, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Winkel zwischen dem Teilluftstrom und der Strömungsrichtung
im Strömungskanal
im Bereich zwischen 5° und
90° liegt.
-
Gemäß einer
bevorzugten Erfindungsausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass
Kanalabdeckung mit mehreren im Raster zueinander gleichmäßig beabstandeten
oder in ungleichmäßiger Verteilung
angeordneten Düsen
versehen ist.
-
Um
bei flächigen
Wärmetauscherelementen eine
gleichmäßige Luftdurchmischung
im Strömungskanal
zu erhalten, ist dabei die Kanalabdeckung mit mehreren im Raster
zueinander gleichmäßig beabstandeten
Düsen versehen.
-
Bei
ungleichmäßiger Anordnung
der Düsen kann
gezielt die Wärmeaufnahme
gesteuert werden, um beispielsweise Wärmenester oder größere Wärmequellen
effektiv zu kühlen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Erfindungsausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass
das Wärmetauscherelement
Teil einer Gehäusewand
eines Gehäuses,
insbesondere eines Schaltschrankes ist. Bei einem solchen Gehäuse können die
Gehäusewände somit
auf einfache Weise großflächig zum
Wärmeabtausch
genutzt werden.
-
Eine
denkbare Erfindungsalternative ist dergestalt, dass der Strömungskanal
in Strömungsrichtung
vor der/den Düse(n)
geschlossen ist. Der Luftstrom entsteht dabei durch die Summe der
Teilluftströme.
-
Denkbar
ist es jedoch auch, dass der Strömungskanal
in Strömungsrichtung
vor den Düsen eine
oder mehrere Luftzuführungen
aufweist. Zu dem durch Luftzuführung
zugeführten
Luftstrom addieren sich die Teilluftströme hinzu.
-
Erfindungsgemäß kann es
auch vorgesehen sein, dass sowohl auf der wärmeabgebenden als auch auf
der wärmeaufnehmenden
Seite des Wärmetauscherelementes
Kanalabdeckungen Strömungskanäle bilden,
die mit Düsen
ausgestattet sind. Dann wird in den Strömungskanal aktiv zusätzlich gekühlte oder
erwärmte
Luft eingegeben. Wenn vorgesehen ist, dass sowohl auf der wärmeabgebenden
als auch auf der wärmeaufnehmenden
Seite des Wärmetauscherelementes
Kanalabdeckungen Strömungskanäle bilden,
die mit Düsen
ausgestattet sind, dann ist auf beiden Seiten des Wärmetauscherelementes
ein Wärmeübertrag
mit hohem Wirkungsgrad möglich.
-
Eine
einfache Fertigung der Kanalabdeckung wird dann erreicht, wenn vorgesehen
ist, dass die Düsen
von Einziehungen gebildet sind, die in Strömungsrichtung des Teilluftstroms
aus der Kanalabdeckung ausgeprägt
sind. Die Düsen
sind dann direkt aus der Kanalabdeckung, die beispielsweise aus
einem Blech bestehen kann, ausgeformt. Wenn vorgesehen ist, dass
der Abstand der Düsenmündung zu
der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite kleiner als 3 mm ist, dann wird der Teilluftstrom so auf die
Oberfläche
des Wärmetauscherelements
aufgeblasen, dass er den Luftstrom von dieser Oberfläche ablöst. Damit
wird für
eine besonders effektive und gleichmäßige Luftdurchmischung gesorgt.
Alternativ oder zusätzlich
kann dieser Effekt auch dadurch bewirkt werden, dass das Wärmetauscherelement
im Bereich der Düsenmündung mit
einem Strömungselement
ausgestattet ist. Für
eine gute Luftdurchmischung und zur Steigerung des Wirkungsgrades
ist auch bei einem Wärmetauscher
gesorgt, der dergestalt ist, dass die mehreren Düsen der Kanalabdeckung Teilluftströme mit unterschiedlichen
Orientierungen der Strömungsrichtung
bilden.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
erörtert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
Schaltschrank mit einer Klimatisierungsanordnung in Seitenansicht
und im Schnitt als Prinzipdarstellung;
-
2 einen
weiteren Schaltschrank mit einer Klimatisierungseinrichtung in Seitenansicht
und im Schnitt als Prinzipdarstellung;
-
3 einen
weiteren Schaltschrank mit einer Klimatisierungseinrichtung, bei
dem eine Luftführung
im Schaltschrank-Innenraum verwendet ist;
-
4 eine
Gehäusewand
mit beidseitig angeordnete Strömungskanälen;
-
5 eine
der 4 entnommene Detail-Darstellung;
-
6 bis 12 verschiedene
Ausführungen
für Düsengeometrien
und -anordnungen.
-
Die 1 zeigt
ein Gehäuse 10,
nämlich
einen Schaltschrank, der in üblicher
Bauweise ein aus Rahmenprofilen zusammengesetztes Rahmengestell
aufweist. Das Rahmengestell ist mit vier vertikalen Gehäusewänden 12 verkleidet,
wobei wenigstens eine als Schranktür ausgebildet ist. Die Gehäusewände 12 bestehen
aus Blech und bilden ein Wärmetauscherelement 12.1. Über das
Blechmaterial kann Wärme
zwischen dem Gehäuseinnenraum
und der Umgebung abgetauscht werden. Der Schaltschrank weist auch
einen Boden und ein Dach 13 auf. Damit ist der Gehäuseinnenraum 11 gegenüber der
Umgebung luftdicht abgeschlossen.
-
Im
Deckenbereich ist mittels eines Trennblechs 14 ein Zuführkanal 18 zwischen
dem Dach 13 und dem Trennblech 14 abgeteilt. In
den Zuführkanal 18 ist
ein Lüfter 15,
vorliegend ein Radiallüfter
zur Erzeugung hoher statischer Drücke angeordnet.
-
Der
Lüfter 15 saugt
aus dem Gehäuseinnenraum 11 Luft
durch eine düsenförmige Luftzuführung 15.1 des
Trennbleches 14 an und gibt diese in den Zuführkanal 18 ab,
wie dies die Luftströmung
symbolisierenden Pfeildarstellungen zeigen. Das Trennblech 14 weist
im Randbereich Düsen 14.1 auf.
Diese können
schlitzförmig
ausgestaltet parallel zur zugeordneten Gehäusewand 12 verlaufen.
Die Düsen 14.1 können aber
auch mehrere Einzelöffnungen
mit kleinem Querschnitt sein, die entlang der Gehäusewand 12 in
einer Reihe verlaufen. Die Düsen 14.1 sind
im Abstand senkrecht zu der Gehäusewand 12 kleiner
als 60 mm positioniert.
-
Die
einzelnen Düsen 14.1 haben
beispielsweise einen Öffnungsquerschnitt
von 20 bis 50 mm2. Die Düsen 14.1 erzeugen
jeweils einen Luftstrom, der parallel zur Gehäusewand 12 verläuft. Die
Strömungsgeschwindigkeit
am Düsenaustritt
sollte dabei im Bereich von 1 bis 20 m/s liegen. Wie die Zeichnung
erkennen lässt,
ist auf der der Gehäusewand 12 abgewandten
Seite des Luftstromes keine Abdeckung, so dass ein offener Strömungskanal
gebildet wird.
-
Der
Luftstrom reißt
die zwischen Gehäusewand 12 und
Luftstrom stehende Luft mit und gibt ihr eine Strömungsgeschwindigkeit
auf. Auf diese Weise entsteht in diesem Bereich ein kleinerer Druck
als der Druck im Gehäuseinnenraum 11.
Diese Druckdifferenz bewirkt, dass der Luftstrom an die Gehäusewand 12 „gedrückt" wird. Damit kann
der Luftstrom die an der Gehäusewand 12 anstehende
Wärme gut und über einen
großen
Bereich abführen,
wobei ersichtlich ein nur geringer technischer Aufwand erforderlich
ist.
-
Die
Gehäusewände 12 können zur
Verbesserung der Kühlleistung
auch außenseitig
gekühlt sein.
-
Hierzu
ist parallel beabstandet zu der Gehäusewand 12 zur Bildung
eines Strömungskanals 25 eine
Kanalabdeckung 20 gehalten. Die Kanalabdeckung 20 ist
matrixartig mit einer Vielzahl von Öffnungen durchdrungen, die
Düsen 21 bilden.
-
Der
Durchtrittsquerschnitt aller Düsen 21 ist kleiner
als der Querschnitt des Strömungskanals 25. Seitenteile 22,
die senkrecht zur Gehäusewand 12 verlaufen,
verschließen
den Strömungskanal 25 randseitig.
Der Strömungskanal 25 geht
in einen Sammelkanal 26 über, in dem die Luftströmungen mehrerer
Strömungskanäle 25,
die verschiedenen Gehäusewänden 12 zugeordnet
sind, zusammengeführt
werden. Unter Verwendung des Dachs 14 wird der Sammelkanal 26 von
einer Dachabdeckung 23 begrenzt. Auf der Dachabdeckung 23 ist
ein Lüfter 19 befestigt,
der wieder von einem Radiallüfter
gebildet ist. Der Lüfter 19 ist
in einem Abführkanal 27 zwischen
der Dachabdeckung 23 und einer dazu parallel im Abstand
gehaltenen Kanalabdeckung 24 untergebracht.
-
Der
Lüfter 19 saugt
Umgebungsluft durch die Düsen 21 aus
der Umgebung U in den Strömungskanal 25.
Diese Teilluftströme
sind senkrecht auf die Außenseite
der Gehäusewand 12 gerichtet
und können
daher dort die Wärme
effektiv abführen.
Im Strömungskanal 25 bildet
sich ein Luftstrom (dicke Pfeildarstellung) der in Längsrichtung
des Strömungskanals 25 verläuft. Diesem
werden die Teilluftströme aus
den Düsen 21 überlagert.
-
Damit
entstehen lokale Verwirbelungen, die für eine gleichmäßige Temperaturdurchmischung
im Luftstrom sorgen und so zur Steigerung des Wirkungsgrades beitragen.
Die erwärmte
Luft wird über den
Sammelkanal 26, den Lüfter 19 und
den Abführkanal 27 wieder
an die Umgebung U abgegeben.
-
Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Diese Darstellung stellt eine Erweiterung des Klimatisierungskonzepts
gemäß 1 dar.
Unterhalb des Gehäuses 10 ist
ein Zuführkanal 18,
beispielsweise in Form eines Doppelbodens gebildet. In diesem Zuführkanal 18 wird
klimatisierte, beispielsweise gekühlte Luft geleitet und dem Strömungskanal 25 zugeleitet.
-
Gleichzeitig
ist der Strömungskanal 25 auch mittels
Luftzuführungen 28.1 zur
Umgebung hin geöffnet.
Damit kann auch Umgebungsluft in den Strömungskanal 25 eingefördert werden.
-
Auch
im Innenbereich des Schaltschrankes kann das Wirkprinzip gemäß 1 bzw. 2 verwirklicht
sein, wie 3 veranschaulicht. Wie diese 3 weiter
zeigt, wird Luft aus dem Gehäuseinnenraum
in den Strömungskanal
zur Erzeugung des Luftstroms durch die Luftzuführung gefördert. Diesem werden die Teilluftströme aus den
Düsen 21 überlagert.
Zwischen dem Dach 13 und einer Trennwand 14 ist
ein Kanal gebildet, über
den Luft einer oder mehreren Düsen 14.1 zuführbar ist.
Die Düsen 14.1 können in
ihrer Anordnung und Ausführung
den Düsen 14.1 gemäß 1 entsprechen,
weswegen auf die diesbezüglichen
obigen Ausführungen
verwiesen werden kann. Mit den Düsen 14.1 wird
dem Luftstrom wieder ein Geschwindigkeitsprofil aufgegeben, das für eine Anhaftung
des Luftstroms an dem Wärmetauscherelement 12.1 sorgt,
so dass eine gute Wärmeabfuhr
möglich
ist. Die Teilluftströme
unterstützen durch
ihre Verwirbelungswirkung die Effektivität zusätzlich.
-
In
der 4 ist eine Gehäusewand 12 eines Gehäuses gezeigt,
die analog zu der Gehäusewand 12 gemäß 1 ausgebildet
ist. Sowohl auf der wärmeaufnehmenden
als auch auf der wärmeabgebenden
Seite des Wärmetauscherelementes 12.1 ist eine
Kanalabdeckung 20 gemäß 1 zur
Bildung je eines Strömungskanals 25 angeordnet.
-
Die 5 zeigt
die Ausgestaltung einer Düse 21 im
Detail. Wie diese Zeichnung erkennen lässt, wird die Düse 21 von
einem kreisendem Durchbruch gebildet, dessen Rand zur Bildung der
Düsenkontur
in Richtung auf das Wärmetauscherelement 12.1 hin
eingezogen ist. In der 5 sind die Strömungsprofile
im Strömungskanal 25 veranschaulicht. Dementsprechend
wird Umgebungsluft durch die Düse 21 mit
hoher Geschwindigkeit zugeführt.
Damit wird das Strömungsprofil
im Strömungskanal 25 lokal beeinflusst.
-
Die
Strömung
wird im wandnahen Bereich des Wärmetauscherelementes
stark beschleunigt, so dass auch ein Strömungsanteil entgegengesetzt
zu der Hauptrichtung des Luftstroms entsteht. Hierdurch entstehen
lokale Verwirbelungen.
-
In
den 6 bis 12 sind verschiedene Düsengeometrien
und -anordnungen gezeigt. Aus der 6 geht eine
Düse 21 hervor,
die dicht bis an die Oberfläche
des Wärmetauscherelementes 12.1 herangeführt ist,
um dort eine hohe Luftbeschleunigung im oberflächennahen Bereich zu erzeugen.
-
Die 7 zeigt
eine Düse 21 die
dem Teilluftstrom eine Strömungsrichtung
aufgibt, die im Winkel a zu der Luftströmung im Strömungskanal 25 steht.
Besonders geeignet sind Winkel im Bereich zwischen a = 20°–70°. Dabei wird
noch ein ausreichend hoher Geschwindigkeitsanteil in Richtung auf das
Wärmetauscherelement 12.1 zur
Bildung effektiver Verwirbelungen erzeugt.
-
Die 8 zeigt
eine Kanalabdeckung 20 in Draufsicht und die 9 diese
Kanalabdeckung im Detail in Seitenansicht und im Schnitt. Die Kanalabdeckung 20 ist
matrixartig mit einer Vielzahl von Düsen 21 versehen, deren
Düsenachsen
gegenüber der
Luftströmung
im Strömungskanal 25 geneigt sind.
Dabei weisen die benachbarten Düsen 21 jeweils
unterschiedliche Orientierungen auf. Damit entsteht eine besonders
gute Luftverwirbelung.
-
In
der 8 ist eine Düse 21 gezeigt,
der ein Strömungsleitelement 12.2 im
Strömungskanal 25 gegenüberliegt.
Das Strömungsleitelement 12.2 wird von
einer V-förmigen Einprägung gebildet,
die in die Rückseite
des Wärmetauscherelementes 12.1 eingetieft
ist.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 11 wird das Strömungsleitelement 12.2 von
einem separaten Bauteil gebildet.
-
Die 12 veranschaulicht
ein Wärmetauscherelement 12.1,
bei dem beidseitig Strömungskanäle 25 angeordnet
sind. Das Wärmetauscherelement 12.1 bilden
Strömungsleitelemente 12.2,
die beidseitig in den Strömungskanal
vorstehen.