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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung Nr. 61/649,046, eingereicht am 18. Mai 2012, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmetauscher und Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen Fluiden bzw. Flüssigkeiten, und insbesondere auf Wärmetauscher und Wärmeübertragung in Kältemittelsystemen.
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Dampfdrucksysteme werden häufig zur Kälteerzeugung und/oder Klimatisierung und/oder Heizung und anderen Anwendungen verwendet. In einem typischen Dampfdrucksystem zirkuliert ein Kältemittel, manchmal auch als Arbeitsfluid bezeichnet, durch einen ständigen thermodynamischen Kreislauf, um Wärme auf eine oder von einer Temperatur und/oder gesteuerten bzw. kontrollierten Luftfeuchtigkeitsumgebung und von oder zu einer nicht kontrollierten Umgebung zu übertragen. Während diese Dampfdrucksysteme sich bei ihrer Anwendung bzw. Ausführung verändern können, umfassen sie zumeist zumindest einen in Betrieb befindlichen Wärmetauscher als Verdampfer und zumindest einen anderen in Betrieb befindlichen Wärmetauscher als Kondensator.
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In Systemen der zuvor genannten Art fließt ein Kältemittel typischerweise bei einem thermodynamischen Zustand (d. h. einem Druck- und Enthalpiezustand) in einen Verdampfer ein, in dem es eine unterkühlte Flüssigkeit bzw. Fluid oder eine teilweise verdampfte Zweiphasenflüssigkeit von relativ geringer Dampfqualität bzw. Dampfbeschaffenheit darstellt. Thermische Energie bzw. Wärme wird in das Kältemittel geleitet, wenn es durch den Verdampfer befördert wird, so dass das Kältemittel den Verdampfer entweder als teilweise verdampfte Zweiphasenflüssigkeit von relativ hoher Dampfqualität oder als überhitzten Dampf verlässt.
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An einem anderen Punkt im System fließt das Kältemittel als überhitzter Dampf, typischerweise bei einem höheren Druck als der Betriebsdruck des Verdampfers, in einen Kondensator ein. Die Wärme wird vom Kältemittel abgewiesen bzw. abgegeben, wenn es durch den Kondensator befördert wird, so dass das Kältemittel den Kondensator in einem zumindest teilweise kondensierten Zustand verlässt. Das Kältemittel verlässt den Kondensator zumeist als eine vollständig kondensierte unterkühlte Flüssigkeit.
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Einige Dampfdrucksysteme sind Umkehrwärmepumpensysteme, die zum Betrieb entweder in einem Klimatisierungsmodus (zum Beispiel, wenn die Temperatur der nicht kontrollierten Umgebung größer als die Temperatur der kontrollierten Umgebung ist) oder in einem Heizbetrieb bzw. Heizmodus (zum Beispiel, wenn die Temperatur der nicht kontrollierten Umgebung kleiner als die erwünschte Temperatur der kontrollierten Umgebung ist) geeignet sind. Ein derartiges System kann Wärmetauscher benötigen, die zum Betrieb als Verdampfer in einem Modus und als Kondensator in einem anderen Modus geeignet sind.
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In einigen oben beschriebenen Systemen können konkurrierende Anforderungen eines Kondensationswärmetauschers und eines Dampfwärmetauschers zu Schwierigkeiten führen, wenn ein Wärmetauscher in beiden Modi effizient funktionieren muss.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeiten zu schaffen, die die Überwindung der Nachteile des Stands der Technik ermöglichen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 11. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen zum Inhalt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmetauscher vorgesehen, um Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Luftstrom zu übertragen. Der Wärmetauscher umfasst einen Kältemittelströmungsweg, der sich zwischen zwei Kältemittelöffnungen erstreckt. Drei Bereiche des Wärmetauschers sind entlang des Kältemittelströmungswegs angeordnet. Ein Luftströmungsweg erstreckt sich sequentiell durch einen ersten Bereich, der zu einer der Kältemittelöffnungen benachbart ist, und einem zweiten Bereich, der zur anderen Kältemittelöffnung benachbart ist, während der dritte Bereich umgangen wird. Ein weiterer Luftströmungsweg, der mit dem ersten Luftströmungsweg parallel ist, erstreckt sich nur durch den dritten Bereich.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Kältemittelströmungsweg zumindest zwei Wege durch den dritten Bereich. In einigen dieser Ausführungsformen fließt bzw. strömt das Kältemittel durch diese Wege in einem Gleichlauf-Querstrom-Strömungsverhältnis mit der Luft.
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In einigen Ausführungsformen umfassen die beiden Luftströmungswege erweiterte Oberflächenstrukturen, um die Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem Kältemittel zu fördern, und in einigen dieser Ausführungsformen ist die Abstandsdichte der erweiterten Oberflächenstrukturen im Wesentlichen geringer im ersten Bereich als im dritten Bereich. In einigen dieser Ausführungsformen fehlen dem ersten Bereich im Wesentlichen die erweiterten Oberflächenstrukturen.
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In einigen Ausführungsformen wird der Kältemittelströmungsweg durch abgeflachte Rohre in einem oder mehreren Bereichen gebildet. In einigen dieser Ausführungsformen sind zumindest einige der abgeflachten Rohre zwischen dem ersten Bereich und zumindest einem Weg des dritten Bereichs durchgehend. In einigen dieser Ausführungsformen sind zumindest einige der abgeflachten Rohre zwischen dem zweiten Bereich und zumindest einem Weg des dritten Bereichs durchgehend.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Entfernen bzw. Entziehen von Wärme von einem Kältemittel das Trennen eines Luftstroms in erste und zweite Bereiche. Eine erste Wärmemenge wird vom Kältemittel zum ersten Luftbereich, und eine zweite Wärmemenge zum ersten Luftbereich nach der ersten Wärmemenge übertragen. Nachdem die ersten und zweiten Wärmemengen vom Kältemittel entzogen wurden, wird eine dritte Wärmemenge vom Kältemittel zum zweiten Luftbereich übertragen. Die erwärmten ersten und zweiten Luftbereiche werden dann wieder zusammengefasst bzw. neu kombiniert.
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In einigen Ausführungsformen wird das Kältemittel durch das Entziehen der ersten und zweiten Wärmemengen enthitzt und kondensiert. In einigen dieser Ausführungsformen wird das Kältemittel durch das Entfernen der dritten Wärmemenge unterkühlt.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:
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1a und 1b schematische Darstellungen eines Kältemittelsystems, das jeweils in einem Klimatisierungsmodus und einem Heizmodus betrieben wird.
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2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm, das einen typischen Dampfdruckkreislauf für das System von 1a und 1b darstellt.
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3a und 3b Darstellungen der Strömungswege durch einen Wärmetauscher gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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4 eine teilweise perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 eine teilweise perspektivische Ansicht einer Rohr- und Rippenkombination zur Anwendung in der Ausführungsform von 3.
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6 eine Draufsicht des Wärmetauschers von 4.
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7 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bevor irgendeine der Ausführungsformen der Erfindung detailliert erläutert wird, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung bei ihrer Anwendung nicht auf die Details der Konstruktion und die Anordnung der Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargestellt oder in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht sind, begrenzt ist. Die Erfindung ist für andere Ausführungsformen geeignet und wird auf unterschiedliche Arten genutzt und ausgeführt. Es ist ebenfalls selbstverständlich, dass die hier verwendete Formulierung und Terminologie dem Zweck der Beschreibung dient und nicht einschränkend zu betrachten ist. Die Verwendung von ”umfassend”, ”aufweisen” oder ”haben” und Abänderungen davon bedeutet hier, dass sie alle nachstehend verzeichneten Begriffe und Äquivalente davon sowie zusätzliche Begriffe einschließen. Sofern nicht anders angegeben, werden die Ausdrücke ”angeordnet”, ”verbunden”, ”gelagert” und ”gekoppelt” und Änderungen davon allgemein verwendet und schließen sowohl direkte als auch indirekte Anordnungen, Verbindungen, Lagerungen und Kopplungen ein. Ferner sind ”verbunden” und ”gekoppelt” nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
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Ein Umkehrwärmepumpensystem 30, das zum Betrieb in entweder einem Klimatisierungsmodus oder einem Heizmodus geeignet ist, wird schematisch in 1a und 1b dargestellt, und umfasst einen Kompressor 17, eine Expansionsvorrichtung 18, erste und zweite Wärmetauscher 1 und 19 und ein Vierwegeventil 20. Ein Kältemittelkreislauf 21 verbindet die verschiedenen Komponenten, um einen geschlossenen Kältemittelkreislauf durch das System zu definieren.
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Während des Betriebs des Systems 30 in einem Klimatisierungsmodus, wie in 1a dargestellt, ist der Kompressor 17 in Betrieb, um einen Kältemittelfluss durch den Kreislauf 21 durch Verdichten bzw. Komprimieren eines überhitzten Dampf-Kältemittels von einem Niederdruckzustand am Punkt 22 im System zu einem Hochdruckzustand am Punkt 23 im System zu leiten. Das komprimierte Dampf-Kältemittel wird mittels des Vierwegeventils 20 zum Wärmetauscher 19 geleitet, der in Betrieb Wärme vom Kältemittel abgibt. Der Wärmetauscher 19 kann vorzugsweise in einer Umgebung, die nicht gesteuert bzw. kontrolliert werden muss, angeordnet werden. Der Wärmetauscher 19 kann zum Beispiel außerhalb an einem Gebäude angeordnet werden, so dass die abgewiesene Wärme zur Umgebung abgegeben wird. Alternativ kann der Wärmetauscher 19 die Wärme vom Kältemittel an eine andere Flüssigkeit, wie zum Beispiel flüssiges Kältemittel, abgeben, um die abgegebene Wärme zu einem anderen Ort zu befördern bzw. zu leiten.
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Bezüglich 1a kühlt und kondensiert der Wärmetauscher 19 das Kältemittel vorzugsweise vom überhitzten Dampfzustand zu einem unterkühlten Flüssigkeitszustand. Die Expansionsvorrichtung 18 expandiert das Kältemittel von einem unterkühlten flüssigen Hochdruck-Zustand am Punkt 26 im System zu einem Niederdruck-Zweiphasen-(Dampf-Flüssigkeits-)Zustand am Punkt 27 im System. Das Niederdruck-Zweiphasenkältemittel wird in den Wärmetauscher 1 eingeleitet, wo Wärme zum Kältemittel übertragen wird, um vollständig zu verdampfen und vorzugsweise das Kältemittel zu überhitzen. Das Kältemittel, das den Wärmetauscher 1 verlässt, wird dann mittels des Vierwegeventils 20 zum Einlass des Kompressors 17 zurückgeleitet.
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Die Wärme, die in das Kältemittel im Wärmetauscher 1 übertragen wird, wird vorzugsweise von einem durch den Wärmetauscher 1 geleiteten Zuluftstrom bzw. Luftzufuhrstrom übertragen. Die Zuluft kann dadurch gekühlt und/oder entfeuchtet werden und kann einem Raum zugeführt werden, um zum Klimakomfort in diesem Raum beizutragen.
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Das System 30 kann auch in einem Heizmodus betrieben werden, wie in 1b dargestellt, wenn Zustände bzw. Bedingungen vorschreiben, dass die Zuluft erwärmt werden soll. Das Vierwegeventil 20 ist so eingestellt, dass das komprimierte Kältemittel am Punkt 23 durch das Vierwegeventil 20 zum Wärmetauscher 1 geleitet wird. Die Wärme wird dem überhitzten komprimierten Kältemittel im Wärmetauscher 1 entzogen, so dass das Kältemittel den Wärmetauscher 1 in einem unterkühlten flüssigen Zustand verlässt. Wie weiter detailliert erörtert wird, wird das Kältemittel im Heizmodus durch einen Kältemittelströmungsweg 10 des Wärmetauschers 1 in entgegengesetzter Strömungsrichtung durch diesen Strömungsweg hindurchgeleitet, wenn ein Betrieb im Klimatisierungsmodus vorliegt.
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Bezüglich 1b wird das Kältemittel durch die Expansionsvorrichtung 18 wieder vom flüssigen unterkühlten Hochdruck-Zustand am Punkt 26 zu einem Niederdruck-Zweiphasen-(Dampf-Flüssigkeits-)Zustand am Punkt 27 expandiert. Das Kältemittel wird dann durch den Wärmetauscher 19 geleitet, wo es Wärme aufnimmt, um das Kältemittel vollständig zu verdampfen und vorzugsweise zu überhitzen. Das Kältemittel, das den Wärmetauscher 19 verlässt, wird dann mittels des Vierwegeventils 20 zum Einlass des Kompressors 17 zurückgeleitet.
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Der thermodynamische Kreislauf des Kältemittels, das durch das System 30 entweder im Klimatisierungsmodus oder Heizmodus hindurchgeleitet, wird im Druck-Enthalpie-Diagramm von 2 dargestellt. Wie zuvor erörtert, wird das Kältemittel von einem relativ überhitzten Niederdruck-Dampfzustand am Punkt 22 zu einem relativ überhitzten Hochdruck-Dampfzustand am Punkt 23 komprimiert, gekühlt und zu einem relativ unterkühlten flüssigen Hochdruck-Zustand am Punkt 26 kondensiert, zu einem relativen Niederdruck-Zweiphasen-(Dampf-Flüssigkeits-)Zustand am Punkt 27 expandiert und zurück zum thermodynamischen Zustand von Punkt 22 verdampft und etwas überhitzt.
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Die Rate bzw. das Verhältnis, bei dem Wärme in das Kältemittel entweder im Wärmetauscher 1 (im Klimatisierungsmodus) oder Wärmetauscher 19 (im Heizmodus) übertragen wird, kann als Kältemittel-Massendurchsatz, das mit der Enthalpie-Änderung vom Punkt 27 zum Punkt 22 multipliziert wird, quantifiziert werden. Ebenso kann die Rate, bei der Wärme vom Kältemittel entweder im Wärmetauscher 19 (im Klimatisierungsmodus) oder Wärmetauscher 1 (im Heizmodus) übertragen wird, als Kältemittel-Massendurchsatz, der durch die Enthalpie-Änderung vom Punkt 23 zum Punkt 26 multipliziert wird, quantifiziert werden. Die vom Kältemittel abgegebene Wärme umfasst einen merklichen Dampfanteil (entsprechend der Enthalpie-Änderung vom Punkt 23 zum Punkt 24), einen latenten Anteil (entsprechend der Enthalpie-Änderung vom Punkt 24 zum Punkt 25) und einen merklichen Flüssigkeitsanteil (entsprechend der Enthalpie-Änderung vom Punkt 25 zum Punkt 26).
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Um die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers 1 zu verbessern, kann es für den Kältemittelströmungsweg 10 vorteilhaft sein, mehrere sequentielle Wege durch den Luftstrom, der durch den Wärmetauscher 1 hindurchgeleitet wird, aufzuweisen. 3a und 3b stellen eine derartige Anordnung von Strömungswegen für einen Wärmetauscher 1 gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung mit den Kältemittel- und Luftströmen dar, die ausgerichtet sind, um sich in einer gesamtheitlichen Gegenströmungsrichtung in 3a und einer gesamtheitlichen Gleichlauf-Strömungsrichtung in 3b zu befinden.
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In den Ausführungsformen von 3a und 3b umfasst der Wärmetauscher 1 erste und zweite Kältemittel-Anschlüsse bzw. -Öffnungen 9a und 9b mit dem Kältemittelströmungsweg 10, der sich zwischen diesen Öffnungen erstreckt. Der Kältemittelströmungsweg 10 umfasst einen Durchflussweg 15, der mit der Öffnung 9a, und einen Durchflussweg 16, der mit der Öffnung 9b verbunden ist. Ein Luftstrom 11 wird im Kreuzstrom bzw. Querstrom (auch Crossflow genannt) über jeden der Durchflusswege 15, 16 sequentiell geleitet. In 3a fungiert die Kältemittelöffnung 9b als Einlassöffnung und die Kältemittelöffnung 9a als Auslassöffnung, so dass das Kältemittel zuerst entlang des Durchflussweges 16 und zweitens entlang des Durchflussweges 15 fließt. Dies wird üblicherweise als Gegenstrombetrieb bezeichnet, da die Durchflusswege durch die Kältemittelströmung in einer Abfolge durchflossen werden, die derjenigen entgegengesetzt ist, in der sie vom Luftstrom überstrichen werden. Im Gegensatz dazu fungiert die Kältemittelöffnung 9a in 3b als Einlassöffnung und die Kältemittelöffnung 9b als Auslassöffnung, so dass das Kältemittel zuerst entlang des Durchflussweges 15 und zweitens entlang des Durchflussweges 16 strömt. Dies wird üblicherweise als Gleichlauf-Strombetrieb bezeichnet, da die Durchflusswege durch die Kältemittelströmung in derselben Abfolge durchflossen werden, wie sie vom Luftstrom überstrichen werden.
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Wie zuvor angegeben, wird das Kältemittelsystem 30 von 1a und 1b ein Kältemittel aufweisen, das entlang des Kältemittelströmungswegs 10 in eine Richtung strömt, wenn der Klimatisierungsmodusbetrieb vorliegt, und in die entgegengesetzte Richtung strömt, wenn ein Heizmodusbetrieb vorliegt. Folglich wird sich beim Wärmetauscher 1 gemäß der Ausführungsform von 3a und 3b eine Gegenstrom-Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem Kältemittel in dem einen Modus und die Gleichlaufstrom-Wärmeübertragung zwischen der Luft und dem Kältemittel im anderen Modus ergeben.
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Im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen haben ergeben, dass der Betrieb mit der Gegenstrom-Wärmeübertragung im Klimatisierungsmodus wesentliche Vorteile bei der Minimierung der Größe bzw. Dimension des Wärmetauschers 1 für ein vorgegebenes Wärmeleistungsausmaß schafft. Folglich wird dann der Wärmetauscher 1 mit dem Gleichlauf-Strom betrieben, wenn sich das System 30 im Heizmodus befindet. Dies führt zum überhitzten Dampf-Hochtemperatur-Kältemittel (Punkt 23 im Druck-Enthalpie-Diagramm), das in den Kältemittelströmungsweg an der Öffnung 9a einfließt, und zum unterkühlten Flüssigkeits-Niedertemperatur-Kältemittel (Punkt 26 im Druck-Enthalpie-Diagramm), das in den Kältemittelströmungsweg an der Öffnung 9b einfließt. Infolge der erhöhten Temperatur des Kältemittels, wenn es vom Punkt 23 zum Punkt 24 enthitzt wird, kann der Bereich des Luftstroms, der im Wärmeübertragungszustand mit dem Bereich des Kältemittelströmungsweges zu Beginn des Durchflusswegs 15 steht, auf eine Temperatur erwärmt werden, die zu hoch ist, um das Kältemittel am Ende des Durchflusswegs 16 effektiv zu kühlen bzw. zu unterkühlen. Ein nicht ausreichendes Unterkühlen kann unter anderem zu erhöhtem Kältemittelmassendurchsatz und verringerter Systemeffizienz führen.
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Um die unerwünschten Effekte beim unzureichenden Unterkühlen im Heizmodus zu vermeiden, wird der Wärmetauscher 1 mit einem ersten Bereich 12, einem zweiten Bereich 13 und einem dritten Bereich 14 entlang des Kältemittelströmungswegs 10 versehen. Der erste Bereich 12 ist zwischen der Kältemittelöffnung 9a und dem zweiten Bereich 13 angeordnet, während der dritte Bereich 14 zwischen der Kältemittelöffnung 9b und dem zweiten Bereich 16 angeordnet ist. Ein Bereich 118 des Luftstroms wird durch den Bereich 13 geleitet und umgeht die Bereiche 12 und 14, während ein anderer Bereich 11b des Luftstroms den Bereich 13 umgeht und zuerst durch den Bereich 12 und zweitens durch den Bereich 14 geleitet wird. Die Wärmeübertragungsrate zwischen dem Bereich 11b des Luftstroms und dem Kältemittel im Durchflussweg 15 wird im Bereich 12 im Wesentlichen unterdrückt bzw. verhindert, so dass die Temperatur der Luft 11b auf eine ausreichend geringe Temperatur aufrechterhalten wird, um ein erwünschtes Unterkühlen des Kältemittels im Bereich 14 zu ermöglichen.
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Gemäß 4 bis 6 wird eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Wärmetauschers 1 beschrieben. Wie in 4 am Besten ersichtlich, kann der Wärmetauscher 1 erste und zweite rohrförmige Sammler bzw. Sammelrohre 2a, 2b umfassen. Obwohl in den Figuren nicht dargestellt, kann jeder der Sammelrohre 2 eine der Kältemittelöffnungen 9 umfassen. Die Sammelrohre 2 sind an einem gemeinsamen Ende des Wärmetauschers 1 angeordnet, während ein Rücklaufsammelrohr 5 am gegenüberliegenden Ende angeordnet ist. Die Sammelrohre 2 sind mit Schlitzen 6, die in regelmäßigem Abstand entlang ihrer Länge angeordnet sind, versehen, und flache Rohre 3 sind innerhalb der Schlitze 6 aufgenommen und erstrecken sich von den Sammelrohren 2 bis zum Rücklaufsammelrohr 5. Der Klarheit wegen sind nur zwei flache Rohre 3 in 4 dargestellt, aber es ist selbstverständlich, dass Rohre 3 an jedem der Schlitze 6 vorgesehen werden. Gewundene bzw. gewellte Rippenstrukturen 4 sind an den breiten Seiten der flachen Rohre 3 angeordnet und damit verbunden, um eine Mehrzahl von Fließkanälen 28 vorzusehen, durch die Luft bei Querstromausrichtung zu den flachen Rohren 3 übergehen bzw. geleitet werden kann. Nochmals der Klarheit wegen, nur eine einzelne Schicht der gewellten Rippenstrukturen 4 ist in 4 dargestellt, aber es sollte selbstverständlich sein, dass die gewellten Rippenstrukturen zwischen jedem Satz von benachbarten flachen Rohren 3 wiederholt bzw. abermals angeordnet werden können.
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Das Rücklaufsammelrohr 5 kann so konstruiert werden, wie in der anhängigen US-Patentanmeldung 13/076,607 dargestellt, deren Erfinder dieselben sind wie diejenigen vorliegender Anmeldung, wobei der gesamte Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht wird. Alternativ kann das Rücklaufsammelrohr in anderer Weise konstruiert werden, zum Beispiel mit einem zusätzlichen Paar von Sammelrohren mit einer Flüssigkeitsverbindung dazwischen. In einigen Ausführungsformen können die flachen Rohre 3 lange flache Rohre mit einer zentral angeordneten Biegung sein, die zwei gerade Längen trennt, wobei jede gerade Länge mit einem der beiden Sammelrohre 2 verbunden ist.
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Wie aus 5 ersichtlich, können die flachen Rohre 3 mit inneren Stegen 7 versehen werden, um eine Mehrzahl von Mikrokanälen 8 innerhalb jedes der flachen Rohre 3 zu schaffen. In einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 1 Rundrohre anstatt flacher Rohre und/oder flache bzw. ebene Rippen anstatt der gewellten Rippen 4 umfassen.
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Die Wärmeübertragung zwischen einem Luftstrom, der über die flachen Rohre 3 geleitet wird, und einem Kältemittelstrom, der durch die Innenkanäle der flachen Rohre 3 hindurchgeleitet wird, wird in einem Bereich 12, der unmittelbar zum Sammelrohr 2a benachbart ist, durch die Eliminierung der gewellten Rippenstrukturen 4 verhindert. Die Mehrzahl der Fließkanäle 28, die durch die gewellten Rippenanordnungen 4 entlang der verbleibenden Länge der flachen Rohre 3, die mit dem Sammelrohr 2a verbunden sind, erzeugt werden, dienen zum Aufrechterhalten einer Trennung zwischen diesem Bereich des Luftstroms 11, der durch den Bereich 13 hindurchgeleitet wird, und diesem Bereich des Luftstroms 11, der durch den Bereich 12 hindurchgeleitet wird. Der Bereich des Luftstroms, der durch den Bereich 12 hindurchgeleitet wird, wird bei einer relativ unveränderten Temperatur aufrechterhalten.
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Eine erste Wärmemenge wird vom Kältemittel entnommen bzw. entzogen, wenn es durch den Bereich 13 entlang des ersten Durchflussweges 16 zum Rücklaufsammelrohr 5 fließt. Eine zweite Wärmemenge wird dem Kältemittel entzogen, wenn es vom Rücklaufsammelrohr 5 durch den Bereich 13 entlang des zweiten Durchflussweges 16 fließt. Das Kältemittel wird durch den Bereich 14 zum Sammelrohr 2b bei einem Wärmeübertragungsverhältnis bzw. -zustand mit dem Bereich des Luftstroms hindurchgeleitet, der durch den Bereich 12 hindurchgeleitet wird.
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Infolge der Übertragung der ersten Wärmemenge zum Luftbereich im Bereich 13 kann dieser Luftbereich auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der er das Kältemittel kondensieren, aber nicht effektiv unterkühlen kann. Folglich entspricht die Summe der ersten und zweiten Wärmemengen einer Enthalpie-Änderung des Kältemittels vom Punkt 23 im Druck-Enthalpie-Diagramm zum Punkt 25, so dass das Kältemittel den Bereich 13 als gesättigte Flüssigkeit verlässt. Weil die durch den Bereich 14 hindurchgeleitete Luft bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur aufrechterhalten wird, ist es kühl genug, um die verbleibende Wärmemenge zu entziehen, die notwendig ist, um die Enthalpie des Kältemittels von der vom Punkt 25 auf die vom Punkt 26 zu reduzieren, so dass das Kältemittel als unterkühlte Flüssigkeit dem Sammelrohr 2b geliefert bzw. übergeben wird.
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In einigen alternativen Ausführungsformen des Wärmetauschers 1 kann eine Rippenanordnung mit einer im Wesentlichen verringerten Rippendichte im Bereich 12 anstatt im nicht gerippten Bereich vorgesehen werden. In einigen alternativen Ausführungsformen kann sich eine einzelne gewellte Rippenanordnung über beide Reihen der flachen Rohre 3 im Bereich 13 erstrecken. In einigen Ausführungsformen kann die gewellte Rippenanordnung 4 im ersten Durchflussweg 15 eine unterschiedliche Rippendichte als die gewellte Rippenanordnung 4 im zweiten Durchflussweg 16 aufweisen.
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Eine alternative Wärmetauscherausführung 1' ist in 7 dargestellt. In der Ausführungsform 1' wird das rohrförmige Sammelrohr 2a verlegt, um eine Trennung zwischen dem Bereich 12 und dem Bereich 13 des Wärmetauschers zu bilden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung erfindungsgemäß in den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Abänderungen und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Sie werden durch die folgenden Ansprüche definiert.
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Die Ausführungsformen, die oben beschrieben und in den Figuren dargestellt sind, sind nur beispielhaft dargestellt und stellen keine Beschränkung der Konzepte und Grundsätze der vorliegenden Erfindung dar. Als solches ist es für einen Durchschnittsfachmann nachvollziehbar, dass verschiedene Änderungen möglich sind.
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Zusammenfassend kann Folgendes festgehalten werden:
Ein Wärmetauscher (1, 19) wird zur effizienten Wärmeübertragung zwischen Luft und einem Kältemittelstrom in einem Umkehrwärmepumpensystem (30) mit Luftanschluß vorgesehen. Wenn das System (30) im Wärmepumpenmodus betrieben wird, wird ein Luftstrom (11) durch den Wärmetauscher (1, 19) geleitet und durch das Kältemittel erwärmt. Ein Bereich des Luftstroms (11) wird daran gehindert, um durch das Kältemittel in einem ersten Bereich des Wärmetauschers (1, 19) erwärmt zu werden, und wird zum Kühlen des Kältemittels in einem anderen Bereich des Wärmetauschers (1, 19) gekühlt, nachdem die die verbleibende Luft durch das Kältemittel erwärmt wurde. Derselbe Wärmetauscher (1, 19) kann verwendet werden, um einen Luftstrom (11) unter Verwendung eines expandierten Kältemittels zu kühlen, wenn das System (30) in einem Klimatisierungs-(Kühl)-Modus betrieben wird.
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Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit ergänzend auf die zeichnerische Darstellung in 1 bis 7 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 19
- Erster und zweiter Wärmetauscher
- 2
- Sammler bzw. Sammelrohr
- 2a, 2b
- Erste und zweite rohrförmige Sammler bzw. Sammelrohre
- 3
- Flache Rohre
- 4
- Gewellte Rippenanordnung
- 5
- Rücklaufsammelrohr
- 6
- Schlitze
- 7
- innere Stege
- 8
- Mikrokanal
- 9a
- Erster Anschluss bzw. Öffnung
- 9b
- Zweiter Anschluss bzw. Öffnung
- 10
- Kältemittelströmungsweg
- 11
- Luftstrom bzw. Luftströmung
- 11a
- Bereich
- 11b
- Bereich (des Luftstroms)
- 12
- Erster Bereich bzw. Abschnitt
- 13
- Zweiter Bereich bzw. Abschnitt
- 14
- Dritter Bereich bzw. Abschnitt
- 15, 16
- Durchflusswege
- 17
- Kompressor
- 18
- Expansionsvorrichtung
- 20
- Vierwegeventil
- 21
- Kältemittelkreislauf
- 22, 23, 24, 25, 26, 27
- Punkte
- 28
- Fließkanal
- 30
- Umkehrwärmepumpensystem
