DE102011007784A1

DE102011007784A1 - Kondensator

Info

Publication number: DE102011007784A1
Application number: DE102011007784A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Förster Uwe; Dr. Hofmann Herbert; Christoph Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25
Also published as: EP2699864B1; WO2012143451A1; US20140054016A1; EP2699864A1; CN203772062U; US10107566B2

Abstract

Kondensator (1, 1'), insbesondere kühlmittelgekühlter Kondensator (1, 1'), bestehend aus zumindest einem Rohr-/Rippenblock (2) mit mehreren Flachrohren (3, 3'), wobei jedes Flachrohr (3, 3') eine Mehrzahl von in Rohrquerrichtung nebeneinanderliegend verlaufende, einen kältemittelseitigen hydraulischen Durchmesser (Dh Kältemittel) definierende, Strömungskanäle (10, 11, 12, 13, 14, 15, 21) aufweist, und wobei im Bereich der Flachrohre (3, 3') zumindest jeweils ein, einen kühlmittelseitigen hydraulischen Durchmesser (Dh Kühlmittel) definierendes, Zwischenelement (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der beiden hydraulischen Durchmesser (Dh Kühlmittel) zu (Dh Kältemittel) größer (>) 1,3 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kondensator, insbesondere einen kühlmittelgekühlten Kondensator, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Kondensator dient bei Wärmekraftmaschinen und in Kälteanlagen zur Verflüssigung des Abdampfes bzw. des dampfförmigen Kältemittels. Dies ermöglicht in den genannten Anlagen einen geschlossenen Kreisprozess. In einem Kondensator einer Klimaanlage wird die bei der Kühlung eines Innenraumes aufgenommene Wärmeenergie wieder an die Umgebung abgeführt. Während im klassischen luftgekühlten Kondensator die Wärme an die Luft abgeführt wird, trägt man bei kühlmittelgekühlten Kondensatoren die Wärme in einen zwischengeschalteten Wasserkreislauf ein. Gattungsgemäße Kondensatoren sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise offenbart die WO 2004 04 2293 A1 einen Kondensator innerhalb eines Luftklimatisierungskreislaufs. Die WO 2001 088 454 A1 offenbart ferner eine Kraftfahrzeug-Kondensatoranordnung und ein Wärmetauschersystem. Ferner sind aus dem Stand der Technik diverse Ausführungen eines indirekten Kondensators für Kraftfahrzeug-Anwendungen auf Basis einer Stapelscheibenanordnung bekannt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen weisen jedoch zumeist mehrere Nachteile auf. So weisen bei der Stapelscheibenanordnung in der Regel beide Strömungswege den gleichen hydraulischen Durchmesser auf. Dadurch wird jedoch entweder der Querschnitt der Kühlwasserseite zu klein ausgelegt, was hohe wasserseitige Druckabfälle zur Folge hat oder die hydraulischen Durchmesser für die Kältemittelseite sind zu hoch für eine optimale Auslegung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kondensator der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem es ermöglicht wird, dass zur Verfügung stehende Kühlwasser für eine optimale Wärmeübertragung von Kältemittel zum Kühlmittel zu nutzen, ohne dabei zu hohe Druckabfälle zu erzeugen. Ferner soll der bei der Kondensation vorliegende Temperaturverlauf vorteilhafter ausgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kondensator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Verhältnis der beiden hydraulischen Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) zu (D_{h Kältemittel}) größer (>) 1,3 beträgt. Durch das angegebene Verhältnis der beiden hydraulischen Durchmesser zueinander bzw. durch bestimmte vorteilhafte Geometrieparameter kann der Wärmeübergang erhöht und zugleich der kühlmittelseitige Druckabfall reduziert werden. Der hydraulische Durchmesser D_h ist eine theoretische Größe, um Berechnungen an Rohren oder Kanälen mit nicht kreisförmigem Querschnitt durchzuführen. Mit dem Term d_h = 4A / U = 4r_hy kann wie bei einem runden Rohr gerechnet werden.
Er ist der Quotient aus dem vierfachen Strömungsquerschnitt A und dem vom Fluid benetzten Umfang U (ggf. innen und außen) eines Messquerschnitts.
Der Anmelder hat herausgefunden, dass das Verhältnis der beiden hydraulischen Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) zu (D_{h Kältemittel}) größer 1,3 betragen soll. Eine weiter vorteilhafte Wirkung erzielt ein Kondensator wenn das Verhältnis zwischen 1, 3 und 4, und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5 beträgt. Dies hat sich in entsprechend durchgeführten Versuchen des Anmelders gezeigt.
Beispielsweise kann der hydraulische Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) zwischen 1,5 mm und 3 mm betragen. Der hydraulische Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) definiert sich beispielsweise über ein Zwischenelement welches in der Art einer Turbulenzeinlage ausgebildet sein kann. Das Zwischenelement weist dabei einen hydraulischen Durchmesser zwischen 1,5 mm und 3 mm auf. Das Flachrohr und das Zwischenelement sind wärmeleitend miteinander verbunden, beispielsweise verlötet. Es findet somit eine Kombination zwischen Flachrohr und Zwischenlage statt, durch die das Kühlmittel im Gegen- oder Gleichstrom am Flachrohr vorbeigeführt wird. Dies ist ein Vorteil gegenüber bekannten Lösungen in Plattenbauweise welche gleiche hydraulische Durchmesser aufweisen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung hat sich gezeigt, dass durch eine Erhöhung des Querschnittes auf der Kühlmittelseite und einer Verringerung des Querschnittes auf der Kältemittelseite Wärmeübergang und Druckabfall optimiert werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform zur Erlangung des angegeben kältemittelseitigen Strömungsquerschnittes ist beispielsweise ein Flachrohr mit einer Mehrzahl von Strömungskanälen. Beispielsweise kann der hydraulische Durchmesser (Dh Kältemittel) zwischen 0,2 mm und 1,8 mm, bevorzugt zwischen 0,4 mm und 1,3 mm, betragen. Bevorzugt weist der Strömungsquerschnitt der kältemittelseitigen Strömungskanäle eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform auf, wobei die Breite b eines jeden Strömungskanals vorzugsweise zumindest geringfügig kleiner als seine Höhe h ist. Für die Kältemittelströmung werden bevorzugt extrudierte Flachrohre eingesetzt. Diese bestehen beispielsweise aus einem Rohrmantel und weisen zur Erhöhung der Festigkeit und zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche Innenstege auf. Ein bevorzugtes Rohr weist eine größere Höhe als Breite auf, da in diesem Fall durch Kapillareffekte ein zusätzlicher Leistungsvorteil erzielt werden kann. Der Strömungsquerschnitt eines jeden Rohres wird dabei durch den hydraulischen Durchmesser charakterisiert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass sowohl die kühlmittel- als auch die kältemittelseitigen Strömungspfade im Strömungsverlauf betrachtet eine Mehrzahl von Umlenkungen aufweisen können. Insbesondere durch die kältemittelseitigen Umlenkungen ist es dabei möglich eine Verschaltung aufzubauen sowie die Dichteänderung des Kältemittels bei der Kondensation zu kompensieren und die treibenden Temperaturdifferenzen zu optimieren.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der kältemittelseitige Strömungspfad degressiv verschaltet ist, dergestalt, dass der Strömungsquerschnitt des letzten kältemittelseitigen Strömungspfades zumindest geringfügig kleiner ist als der kältemittelseitige Strömungspfad des ersten Strömungspfades. Der Begriff degressiv bedeutet hierbei die Beziehung zwischen zwei Größen z. B. wenn die hydraulischen Durchmesser und Stromführungen von Kühlmittel und Kältemittel an die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten angepasst sind bzw. wenn beim Steigen der einen Größe jeweils auch die andere steigt. Im Kondensator selbst wird das Kältemittel erst bis auf seine Kondensationstemperatur abgekühlt. Anschließend erfolgt die Kondensation des Kältemittels vor einer weiteren Unterkühlung des Kältemittels auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur. Bei diesem Prozess nimmt das spezifische Volumen des Kältemittels erheblich (d. h. auf 1/10–1/20 des Ausgangsvolumens) ab. Um dieser Volumenabnahme Rechnung zu tragen, wird die Kältemittelströmung in mehreren hintereinander angeordneten Strömungspfaden durch das Bauteil geführt, die eine von Pfad zu Pfad abnehmende Strömungsquerschnittsfläche aufweisen (→ degressive Verschaltung). Das wird dadurch erreicht, dass die Anzahl an Rohren, die in einem Pfad parallel geschaltet werden, von Pfad zu Pfad abnimmt.
Wie bereits beschrieben, wird das Kältemittel erst enthitzt, dann im Bauteil kondensiert (wobei hier über einen weiten Bereich die Temperatur konstant bleibt) und anschließend unterkühlt. Daher stellen sich in der Praxis folgende Anforderungen an die Führung der Kühlmittelströmung:

– das Kühlmittel sollte im Bereich der Unterkühlung in den Kondensator eingeleitet werden und dann im Gegenstrom geführt werden;
– im Bereich der Kondensation ist durch die konstante Temperatur auf der Kältemittelseite egal, ob die Strömung im Gegen- oder Gleichstrom geführt wird;
– das Kältemittel sollte im Bereich der Überhitzung im Gegenstrom aus dem Apparat geführt werden.

Dadurch wird das treibende Temperaturgefälle im Wärmeübertrager/Kondensator optimiert und somit eine hohe Leistung erzielt. Wie schon beschriebe, weist die Kältemittelseite hierbei eine degressive Verschaltung auf, während die Kühlmittelseite nahezu keine Veränderung im spezifischen Volumen aufweist, so dass hier bei optimaler Verschaltung im Wesentlichen gleichmäßige Strömungsquerschnitte vorgesehen sind.
Beispielsweise kann es sich bei dem eingesetzten Kältemittel bevorzugt um R-1234yf und bei dem eingesetzten Kühlmittel bevorzugt um Wasser-Glysanthin (je nach Verdünnungsgrad mit Wasser ist Glysanthin bis unter –40 Grad Celsius frostsicher. Zudem schützt es vor Korrosion) handeln. R-1234yf ist mit einem GWP-Faktor von lediglich 4 um das 357-fache klimafreundlicher als bekannte gängige Kältemittel und unterschreitet den Grenzwert von 150 GWP um 97 Prozent. Im Vergleich zu CO2 als Kühlmittel arbeitet es vor allem bei höheren Temperaturen effizienter.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass sich zumindest im ersten und im letzten Strömungsweg, bevorzugt jedoch in allen Strömungswegen, die kühlmittelseitigen Strömungspfade und die kältemittelseitigen Strömungspfade im Gegenstrom befinden können.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht ferner die Optimierung der Bautiefe einer Rohr-/Rippeneinheit vor. So kann beispielsweise die Tiefe t jeweils einer Rohr-/Rippeneinheit bzw. eines jeden Flachrohres bzw. einer jeden Zwischenlage zwischen 10 mm und 100 mm, bevorzugt zwischen 16 mm und 35 mm, betragen.
Die hier aufgezeigte Lösung ist vorteilhafterweise kostengünstig herstellbar und weist eine kompakte Ausgestaltung auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung die perspektivische Ansicht auf einen aus mehreren Flachrohren gebildeten ersten erfindungsgemäßen Kondensator;
2 in schematischer Darstellung die perspektivische Ansicht auf einen aus mehreren Flachrohren gebildeten zweiten erfindungsgemäßen Kondensator;
3 in schematischer Darstellung die Ansicht auf die Stirnseite eines erfindungsgemäßen Flachrohres;
4 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flachrohres zur Bildung eines Rohr-/Rippenblocks.
1 zeigt in schematischer Darstellung die perspektivische Ansicht auf einen ersten erfindungsgemäßen Kondensator 1. Der Kondensator 1 ist als kühlmittelgekühlter Kondensator 1 ausgebildet und besteht u. a. aus einem Rohr-/Rippenblock 2 der wiederum aus mehreren Flachrohren 3 mit Zwischenlagen 4 gebildet wird. Sowohl die Flachrohre 3 als auch die mit den Flachrohren durch einen Lötvorgang verbundenen Zwischenlagen 4 sind in der hier gezeigten Darstellung nur schematisch dargestellt. Die Flachrohre 3 bzw. die Zwischenlagen 4 verlaufen längs des Strömungsweges SW.
Der Rohr-/Rippenblock 2 weist bei der hier gezeigten Ausführungsform einen aus vier Rohreinheiten 5, 6, 7, 8 gebildeten Aufbau auf. Jede Rohreinheit 5, 6, 7, 8 besteht aus einer Mehrzahl von Flachrohren 3 bzw. Zwischenlagen 4. Die Anzahl der Flachrohre 3 und Zwischenlagen 4 sowie die hydraulischen Durchmesser und Stromführungen von Kühlmittel und Kältemittel sind an die jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten angepasst. So nehmen beispielsweise die Anzahl der Flachrohre 3 bzw. der Zwischenlagen 4 ausgehend von der Rohreinheit 5 bis Rohreinheit 8 beständig ab.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform befinden sich die Strömungswege SW des Kältemittels (gestrichelte Linie) sowie des Kühlmittels (durchgezogene Linie) in den Rohreinheiten 5 und 8 unter Anwendung mehrerer Umlenkungen im Gegenstrom. Die in den Rohreinheiten 5 und 8 benachbart verlaufenden Strömungswege SW weisen somit im Wesentlichen gegenläufig verlaufende Strömungsrichtungen (Strömungspfade) auf. In dieser Ausführungsform sind zwei wasserseitige Strömungswege dargestellt, wobei die beiden Kältemittelströmungwege 5, 6 mit einem ersten und die Kältmittelströmungswege 7, 8 mit einem zweiten wasserseitigen Strömungsweg verbunden sind.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Kondensators 1'. Der Kondensator 1' entspricht in seinem Aufbau im Wesentlichen dem Kondensator 1 gemäß 1.
Auch der Kondensator 1' weist vier Rohreinheiten 5', 6', 7', 8' auf, wobei sich die Strömungswege SW' des Kältemittels (gestrichelte Linie) sowie des Kühlmittels (durchgezogene Linie) im Gegensatz zum dem in 1 gezeigten Kondensator 1 in allen vier Rohreinheiten 5', 6', 7', 8' im Gegenstrom befinden. Die in den Rohreinheiten 5', 6', 7', 8' benachbart verlaufenden Strömungswege SW' weisen somit im Wesentlichen gegenläufig verlaufende Strömungsrichtungen auf.
3 zeigt in schematischer Darstellung die Ansicht auf die Stirnseite eines Flachrohres 3. Das Flachrohr 3 weist sechs in Rohrlängsrichtung verlaufende Strömungskanäle 10, 11, 12, 13, 14, 15 gleichen Strömungsquerschnitts bzw. gleichen hydraulischen Durchmessers (D_{h Kältemittel}) auf. Die kältemittelseitigen Strömungskanäle 10, 11, 12, 13, 14, 15 weisen eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform auf, wobei die Breite b eines jeden Strömungskanals vorzugsweise zumindest geringfügig kleiner als seine Höhe h ist.
Zwischen den Strömungskanälen 10, 11, 12, 13, 14, 15 bilden sich Stege 16, 17, 18, 19, 20 aus. Die Stege 16, 17, 18, 19, 20 weisen dabei eine zur Gewährleistung der Stabilität des Flachrohres 3 ausreichende Mindeststärke auf. Die zu wählende Mindeststärke kann sich beispielsweise durch die Gesamttiefe t des Flachrohres 3 bzw. durch den gewählten hydraulischen Durchmesser (D_{h Kältemittel}) der Strömungskanäle 10, 11, 12, 13, 14, 15 ergeben.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Flachrohres 3'. Das Flachrohr 3' weist im Wesentlichen mehrere gleich ausgebildete Strömungskanäle 21 sowie vier die Zwischenlage 22, 23, 24 definierende Stege 25, 26, 27, 28 auf. Das Flachrohr 3' besteht somit aus einer Kombination Flachrohr/Zwischenlage. Beispielsweise kann eine einstückige Fertigung bzw. Ausgestaltung vorgesehen sein. Es wäre jedoch auch denkbar die Stege 25, 26, 27, 28 zur Bildung der Zwischenlagen (Zwischenelemente) 22, 23, 24 als separate Bauteile auszuführen, welche in einem weiteren Arbeitsgang, beispielsweise durch einen Lötvorgang, mit dem Flachrohr 3' verbunden werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2004042293 A1 [0003]
WO 2001088454 A1 [0003]

Claims

Kondensator (1, 1'), insbesondere kühlmittelgekühlter Kondensator (1, 1'), bestehend aus zumindest einem Rohr-/Rippenblock (2) mit mehreren Flachrohren (3, 3'), wobei jedes Flachrohr (3, 3') eine Mehrzahl von in Rohrquerrichtung nebeneinanderliegend verlaufende, einen kältemittelseitigen hydraulischen Durchmesser (D_{h Kältemittel}) definierende, Strömungskanäle (10, 11, 12, 13, 14, 15, 21) aufweist, und wobei im Bereich der Flachrohre (3, 3') zumindest jeweils ein, einen kühlmittelseitigen hydraulischen Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) definierendes, Zwischenelement (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der beiden hydraulischen Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) zu (D_{h Kältemittel}) größer (>) 1,3 beträgt.
Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der beiden hydraulischen Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) zu (D_{h Kältemittel}) zwischen 1,3 und 4, bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5, beträgt.
Kondensator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser (D_{h Kühlmittel}) zwischen 1,5 mm und 3 mm beträgt.
Kondensator nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser (D_{h Kältemittel}) zwischen 0,2 mm und 1,8 mm, bevorzugt zwischen 0,4 mm und 1,3 mm, beträgt.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (4) in der Art einer Turbulenzeinlage ausgebildet ist.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (3, 3') eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten gleichgerichteten und gleich ausgebildeten Strömungskanälen (10, 11, 12, 13, 14, 15, 21) aufweisen, wobei die Breite b eines jeden Strömungskanals (10, 11, 12, 13, 14, 15, 21) zumindest geringfügig kleiner als seine Höhe h ist.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die kühlmittel- als auch die kältemittelseitigen Strömungspfade im Strömungsverlauf betrachtet eine Mehrzahl von Umlenkungen aufweisen.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kältemittelseitige Strömungspfad degressiv verschaltet ist, dergestalt, dass der Strömungsquerschnitt des letzten kältemittelseitigen Strömungspfades zumindest geringfügig kleiner ist als der kältemittelseitige Strömungspfad des ersten Strömungspfades.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein kältemittelseitiger Strömungspfad und ein kühlmittelseitiger Strömungspfad im Gegenstrom befinden.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest im ersten und im letzten Strömungsweg (SW, SW'), bevorzugt jedoch in allen Strömungswegen (SW, SW'), die kühlmittelseitigen Strömungspfade und die kältemittelseitigen Strömungspfade im Gegenstrom befinden.
Kondensator nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t jeweils einer Rohr-/Rippeneinheit (2) bzw. eines Flachrohres (3, 3') zwischen 10 mm und 100 mm, bevorzugt zwischen 16 mm und 35 mm, beträgt.