DE102011012577A1

DE102011012577A1 - Wärmeaustauschvorrichtung

Info

Publication number: DE102011012577A1
Application number: DE102011012577A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Fochler
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-02-26
Filing date: 2011-02-26
Publication date: 2012-08-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung mit mindestens einem ersten Innenraum (1) zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Wärmeträgermediums und mindestens einem zweiten Innenraum (2) zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Kältemittels, wobei der erste Innenraum (1) ein größeres Volumen aufweist als der zweite Innenraum (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung mit mindestens einem ersten Innenraum zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Wärmeträgermediums und mindestens einem zweiten Innenraum zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Kältemittels.
In Kraftfahrzeugen kommen große Batterien immer mehr zum Einsatz. Um Batterien schnell aufzuladen, ist die bei einem Ladevorgang entstehende Wärme über ein Wärmeträgermedium, bspw. Luft oder Wasser, abzuführen. Aufgrund seiner etwa 100-Fach höheren Wärmekapazität setzt sich Wasser in der Regel durch. Als Wärmeträger bezeichnet man ein Medium, welches Wärme von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur transportiert. Wärmeträger werden je nach Temperaturbereich und Anwendungszweck auch als Kälteträger bezeichnet.
Da das Wärmeträgermedium auf eine für Batteriekühlung notwendige Temperatur heruntergekühlt werden muss – vorzugsweise unterhalb der Umgebungstemperatur – ist noch eine Kälteanlage einzusetzen. Die Kälteanlage kann mit guter Effizienz (COP >> 1, Coefficient of Performance) dem Wärmeträgermedium die Wärme entziehen. Ein Kältemittel ist üblicherweise eine Flüssigkeit, die zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage als Arbeitsmedium eingesetzt wird und Wärmeenergie von einem Kühlgut zur Umgebung transportiert. Es nimmt bei einer niedrigen Temperatur und einem niedrigen Druck Wärme auf und gibt bei einer höheren Temperatur und einem höheren Druck Wärme ab. Ein Kältemittel in einem Kältezyklus kann dies entgegen einem Temperaturgradienten tun, so dass die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes. Wasser ist wegen seines Gefrierpunktes nur über 0°C als Kältemittel verwendbar und aufgrund seines niedrigen Innendrucks bzw. großen Volumens ausschließlich in Sonderfällen einzusetzen.
Die DE 103 60 236 A1 offenbart ein Doppelrohrsystem mit einem äußeren und einem inneren Rohr. Das äußere Rohr ist als ein Rücklaufrohr ausgebildet und an seinem unteren Ende verschlossen. An seinem oberen Ende wird ein Kondensator angeordnet. Das Doppelrohrsystem wird mit einem Kältemittel, vorzugsweise Wasser, gefüllt. Das Kältemittel nimmt über einen Wärmedämpfer Wärme auf und verdampft. Der Wärmedampf steigt in dem inneren Rohr nach oben zu dem Kondensator, und der Wärmedampfer gibt seine Wärme hier ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Klimatisierungssystem den Wärmeaustausch zwischen einem Wärmeträgermedium und einem Kältemittel zu optimieren, Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmeaustauschvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Druck eines Wärmeträgermittels zu reduzieren und damit den Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermittel verbessern zu können. Erfindungsgemäß wird eine Wärmeaustauschvorrichtung mit mindestens einem ersten Innenraum zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Wärmeträgermediums und mindestens einem zweiten Innenraum zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Kältemittels gestaltet, wobei der erste Innenraum oder die gesamten ersten Innenräume ein größeres Volumen aufweisen als der zweite Innenraum oder die gesamten zweiten Innenräume. Als Wärmeträgermedium bezeichnet man eine Flüssigkeit, wie z. B. Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch. Dadurch, dass ein größeres Volumen im ersten Innenraum für das Wärmeträgermedium vorgesehen ist, ist der Druck des Wärmeträgermediums kleiner als der Druck des Kältemittels im zweiten Innenraum. Der Druckverlust im Wärmeträgermedium wird ebenfalls reduziert, und dessen Wärmeaustausgrad wird eindeutig verbessert. Für eine Pumpe auf der Seite des Wärmeträgermediums wird weniger Antriebsleistung benötigt, und ein Kältemittelkompressor braucht auch weniger zu fördern, und die Leistungsaufnahme reduziert sich erheblich. Dieser Wärmetauschertyp benötigt weniger Kältemittel als ein herkömmlicher Wärmetauscher mit derselben Leistung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmeaustauschvorrichtung ein Plattenwärmetauscher bestehend aus mehreren Platten, der ausgezeichnete Wärmeübertrag bei kompakten Abmessungen gewährleisten kann. Die Platten können aus geschweißtem Edelstahl gefertigt werden. Unter den Platten sind mindestens eine erste Platte, die den ersten Innenraum in sich umfasst, und mindestens eine zweite Platte mit dem zweiten Innenraum zu unterscheiden, wobei die erste und die zweite Platte abwechselnd zueinander, also übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Platten, nämlich die erste und die zweite Platte, mit einer gleichen Dicke oder unterschiedlichen Dicken gestaltet werden. Dabei können die Wände der ersten und der zweiten Platte eine gleiche oder eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Sind alle Platten mit einer gleich dicken Wand hergestellt, dann haben sie jeweils unterschiedliche Plattendicken; wenn die Wände der Platten aber unterschiedlich dick sind, kann das Plattendicke aller Platten gleich sein, somit kann der erste Innenraum immer größer als der zweite Innenraum gestaltet werden. Durch Verwendung unterschiedlich dicker Platten oder durch Verwendung unterschiedlich dicker Wände bei gleichdicken Platten, kann das Volumen für das Wärmeträgermedium im ersten Innenraum größer gestaltet werden als das für das Kältemittel im zweiten Innenraum.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Wärmeaustauschvorrichtung als ein Rohrwärmetauscher gestaltet, wobei der erste und der zweite Innenraum jeweils koaxial im Rohrwärmetauscher so angeordnet sind, dass der erste Innenraum durch den Zwischenraum zwischen einem äußeren Rohr und dem zweiten Innenraums ausgebildet wird. Das äußere Rohr nimmt das innere Rohr dabei umgebend auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Plattenwärmetauschers,
2: eine schematische Darstellung eines Rohrwärmetauschers.
1 zeigt einen Plattenwärmetauscher, umfassend mehrere Platten 3, der einen ausgezeichneten Wärmeübertrag bei kompakten Abmessungen gewährleisten kann. Die Platten 3 werden z. B. aus geschweißtem Edelstahl gefertigt. Unter den Platten 3 gibt es eine erste Platte 3a umfassend mindestens einen ersten Innenraum 1 zur Aufnahme eines Wärmeträgermediums - hier bspw. Wasser – und eine zweite Platte 3b umfassend mindestens einen zweiten Innenraum 2 zur Aufnahme eines Kältemittels. Die erste und die zweite Platte werden abwechselnd zueinander, also übereinander oder nebeneinander angeordnet. Jede durch die Platten 3a oder 3b ausgebildete Schicht des Plattenwärmetauschers führt abwechselnd das Wärmeträgermedium und das Kältemittel.
Die Platten 3, die in 1 dargestellt sind, sind mit einer gleichen Wanddicke, jedoch in unterschiedlichen Plattendicken hergestellt, damit auch die darin umfassenden Innenräume mit unterschiedlichen Volumina ausgebildet sind. Alternativ, können die Platten 3 auch mit einer gleichen Plattendicke, aber unterschiedlich dicken Wänden aufgebaut werden, wobei die in den Platten 3 entstehenden Innenräume ebenfalls unterschiedliche Volumina aufweisen. Um den Druckverlust im Wärmeträgermedium zu reduzieren und dessen Wärmeaustauschgrad zu verbessern, wird der erste Innenraum oder die gesamten ersten Innenräume 1 mit einem größeren Volumen gestaltet als der zweite Innenraum oder die gesamten zweiten Innenräume 2. Der Druck des Wärmeträgermediums ist somit kleiner als der Druck des Kältemittels, so dass eine Pumpe auf der Seite des Wärmeträgermediums auch weniger Antriebsleistung benötigt. Ein Kältemittelkompressor braucht ebenfalls weniger zu fördern, und die Leistungsaufnahme des Wärmetauschers reduziert sich erheblich. Eine solche Bauform des Wärmetauschers ist insbesondere für geringe Kältemittelmengen bei hohem Wärmeübergang geeignet.
2 zeigt einen Rohrwärmetauscher, der ein Doppelrohrsystem mit einem äußeren und einem inneren Rohr bildt. Dabei werden ein äußeres Rohr und ein inneres Rohr koaxial im Rohrwärmetauscher so angeordnet, dass das äußere Rohr sich außerhalb des inneren Rohres befindet und diesen umgebend aufnimmt. Durch die innere Wand des äußeren Rohres, die äußere Wand des inneren Rohres und drei das äußere Rohr und das innere Rohr verbindliche Stege 5 werden drei erste Innenräume 1 gebildet. Wie in 2 dargestellt, gibt es in diesem Fall insgesamt drei erste Innenräume 1 außerhalb des zweiten Innenraums 2. Als ein Rohrwärmetauscher kann der Wärmetauscher kostengünstig hergestellt werden, und die Verlegung des Wärmetauschers ist flexibel ausführbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10360236 A1 [0004]

Claims

Wärmeaustauschvorrichtung mit mindestens einem ersten Innenraum (1) zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Wärmeträgermediums und mindestens einem zweiten Innenraum (2) zur Aufnahme und/oder zum Durchlass eines Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Innenraum oder die gesamten ersten Innenräume (1) ein größeres Volumen aufweisen als der zweite Innenraum oder die gesamten zweiten Innenräume (2).
Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschvorrichtung ein Plattenwärmetauscher bestehend aus mehreren Platten (3) ist, wobei mindestens eine erste Platte (3a) den ersten Innenraum (1) und mindestens eine zweite Platte (3b) den zweiten Innenraum (2) umfasst, und wobei die erste (3a) und die zweite Platte (3b) abwechselnd übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (3) bzw. die erste (3a) und die zweite Platte (3b) mit einer gleichen Dicke oder unterschiedlichen Dicken gestaltet sind.
Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (4) der Platten (3) bzw. der ersten und der zweiten Platte (3a, 3b) eine gleiche oder eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschvorrichtung ein Rohrwärmetauscher ist, wobei der erste und der zweite Innenraum (1, 2) jeweils koaxial im Rohrwärmetauscher derart angeordnet sind, dass der erste Innenraum (1) sich außerhalb des zweiten Innenraums (2) befindet und diesen (2) umgebend aufnimmt.