DE102012224353A1

DE102012224353A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102012224353A1
Application number: DE102012224353.4A
Authority: DE
Inventors: Herbert Hofmann; Christoph Walter; Uwe Förster; Gottfried Dürr
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2014095594A1; EP2936030A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) mit einem ersten Strömungskanal für ein Kältemittel, wobei das Kältemittel insbesondere CO2 ist oder enthält, und mit einem zweiten Strömungskanal für ein flüssiges Kühlmittel, wobei zumindest ein Abschnitt des ersten Strömungskanals mit einem Abschnitt des zweiten Strömungskanals in thermischen Kontakt steht, wobei das Kältemittel und das Kühlmittel in ihren Strömungskanälen im Gleichstrom und/oder Gegenstrom zueinander strömbar sind, wobei der erste Strömungskanal derart ausgestaltet ist, dass er Innendrücke von 100 bar und mehr standhält, wobei der erste Strömungskanal aus einer Mehrzahl von ersten Strömungspfaden (8, 15, 23, 33) gebildet ist, die mit einer ersten Verteilerstrecke (6) in Fluidkommunikation stehen, wobei der zweite Strömungskanal aus einer Mehrzahl von zweiten Strömungspfaden (9, 16, 25, 35) gebildet ist, die mit einer zweiten Verteilerstrecke (7) in Fluidkommunikation stehen, wobei das Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des zweiten Strömungskanals und des hydraulischen Durchmessers des ersten Strömungskanals größer als 2:1 ist, vorzugsweise größer als 5:1 ist und bevorzugt zwischen 5:1 und 10:1 liegt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal für ein Kältemittel, wobei das Kältemittel insbesondere CO₂ ist oder enthält, und mit einem zweiten Strömungskanal für ein flüssiges Kühlmittel, wobei zumindest ein Abschnitt des ersten Strömungskanals mit einem Abschnitt des zweiten Strömungskanals in thermischen Kontakt steht, wobei das Kältemittel und das Kühlmittel in ihren Strömungskanälen im Gleichstrom und/oder Gegenstrom zueinander strömbar sind, wobei der erste Strömungskanal derart ausgestaltet ist, dass er Innendrücke von 100 bar und mehr standhält, wobei der erste Strömungskanal aus einer Mehrzahl von ersten Strömungspfaden gebildet ist, die mit einer ersten Verteilerstrecke in Fluidkommunikation stehen, wobei der zweite Strömungskanal aus einer Mehrzahl von zweiten Strömungspfaden gebildet ist, die mit einer zweiten Verteilerstrecke in Fluidkommunikation stehen.
Stand der Technik
In Kältemittelkreisläufen von Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge werden Kondensatoren eingesetzt, um ein Kältemittel auf die Kondensationstemperatur abzukühlen und anschließend das Kältemittel zu kondensieren. Als Kältemittel kommen bei Lösungen gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Fluide zum Einsatz. Hierfür werden sowohl flüssige als auch gasförmige Kältemittel eingesetzt. Teilweise findet im Fluidstrom des Kältemittels ein Phasenübergang zwischen einer flüssigen und einer gasförmigen Phase statt.
Auch sind Kondensatoren bekannt, bei denen das Kältemittel keinen Phasenübergang erfährt. Diese Kondensatoren weisen regelmäßig nur eine Abkühlstrecke auf, in welcher das Kältemittel mit einem Kühlmittel in thermischen Kontakt gebracht wird.
Zu den verwendeten Kältemitteln zählen unter anderem R-134a, R-1234yf oder CO₂ (R744). Während bei den Kältemittel R-134a und R-1234yf verhältnismäßig niedrige Drücke auf der Kältemittelseite herrschen, herrscht in Systemen, die CO₂ als Kältemittel verwenden ein relativ hoher Druck. Dieser kann deutlich größer als 100 bar werden.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, dass bei der Verwendung von CO₂ (R744) als Kältemittel hohe Drücke innerhalb des Kältemittelkreislaufes auftreten, die die bisher bekannten Wärmeübertrager über ihre Belastungsgrenzen hinaus belasten. Weiterhin sind einzelne Geometriemerkmale der bisher bekannten Lösungen, wie etwa die jeweiligen hydraulischen Durchmesser oder die Größenverhältnisse der durchströmten Querschnittsflächen zwischen Kältemittelseite und Kühlmittelseite, nicht auf eine Hochdruckbelastung, wie sie durch die Verwendung von CO₂ entsteht, ausgelegt.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager bereitzustellen, der hinsichtlich seines Aufbaus an die Hochdruckbelastungen, welche durch den Einsatz von CO₂ als Kältemittel entstehen, angepasst ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Strömungskanal für ein Kältemittel, wobei das Kältemittel insbesondere CO₂ ist oder enthält, und mit einem zweiten Strömungskanal für ein flüssiges Kühlmittel, wobei zumindest ein Abschnitt des ersten Strömungskanals mit einem Abschnitt des zweiten Strömungskanals in thermischen Kontakt steht, wobei das Kältemittel und das Kühlmittel in ihren Strömungskanälen im Gleichstrom und/oder Gegenstrom zueinander strömbar sind, wobei der erste Strömungskanal derart ausgestaltet ist, dass er Innendrücke von 100 bar und mehr standhält, wobei der erste Strömungskanal aus einer Mehrzahl von ersten Strömungspfaden gebildet ist, die mit einer ersten Verteilerstrecke in Fluidkommunikation stehen, wobei der zweite Strömungskanal aus einer Mehrzahl von zweiten Strömungspfaden gebildet ist, die mit einer zweiten Verteilerstrecke in Fluidkommunikation stehen, wobei das Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des zweiten Strömungskanals und des hydraulischen Durchmessers des ersten Strömungskanals größer als 2:1 ist.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis größer als 5:1 ist und weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Verhältnis im Bereich zwischen 5:1 und 10:1 liegt.
Dies ist besonders vorteilhaft, da auf der Kältemittelseite ein Fluidstrom eines mitunter gasförmigen Kältemittels abgekühlt wird, der in der Regel einen relativ schlechten Wärmeübergangskoeffizienten aufweist. Um diesen Fluidstrom dennoch effizient abkühlen zu können, ist es vorteilhaft große Wärmeübertragungsflächen und kleine hydraulische Durchmesser auf der Kältemittelseite zu realisieren. Auf der Kühlmittelseite ist der Wärmeübertragungskoeffizient dagegen regelmäßig hoch. Hier ist ein niedriger Druckabfall zu bevorzugen und dementsprechend größere hydraulische Durchmesser. Ein wie oben beschriebenes Verhältnis der hydraulischen Durchmesser zueinander ist dabei besonders vorteilhaft.
Es ist zu bevorzugen wenn, dass der hydraulische Durchmesser eines zweiten Strömungspfades in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt.
Der hydraulische Durchmesser des zweiten Strömungspfades im oben angegebenen Bereich führt zu einem besonders vorteilhaften Verhältnis von möglichen Wärmeübergang und Druckabfall innerhalb des zweiten Strömungspfades.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der hydraulische Durchmesser eines ersten Strömungspfades in einem Bereich zwischen 0 mm und 1,0 mm liegt, dabei vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1,0 mm liegt.
Ein wie oben beschriebener hydraulischer Durchmesser des ersten Strömungspfades ermöglicht es einen ausreichend hohen Wärmeübergang zu realisieren, während zugleich eine ausreichend hohe Druckbeständigkeit der ersten Strömungspfade erreicht wird. Diese hohe Druckbeständigkeit ist insbesondere bei der Verwendung von CO₂ als Kältemittel notwendig, da Innendrücke von mehr als 100 bar auftreten können.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Verteilerstrecke eine Strömungsquerschnittsfläche von 14 mm² bis 50 mm² aufweist oder eine Strömungsquerschnittsfläche von 14 mm² bis 40 mm² aufweist.
Aufgrund der geringen Massenströme in einem solchen Wärmeübertrager und der hohen Drücke des Kältemittels ist es besonders vorteilhaft, wenn nur relativ kleine Strömungsquerschnittsflächen für die Verteilerstrecke des Kältemittels vorgesehen sind. Eine Strömungsquerschnittsfläche im oben angegebenen Bereich ist besonders vorteilhaft bei einem Einsatz des Wärmeübertragers in einem Kraftfahrzeug. Insbesondere hinsichtlich der dort auftretenden Massenströme.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn die erste Verteilerstrecke eine Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die 5% bis 50% der Strömungsquerschnittsfläche der zweiten Verteilerstrecke beträgt, dabei vorzugsweise eine Strömungsquerschnittsfläche, die 10% bis 30% der Strömungsquerschnittsfläche der zweiten Verteilerstrecke beträgt.
Insbesondere aufgrund der unterschiedlichen Massenströme auf der Kühlmittelseite und der Kältemittelseite ist ein Verhältnis der Strömungsquerschnittsflächen zwischen der ersten Verteilerstrecke und der zweiten Verteilerstrecke wie oben beschrieben besonders vorteilhaft.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der zweite Strömungskanal in seinem Inneren zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche aufweist und/oder Turbulenzeinlagen aufweist.
Ein strukturierte Oberfläche oder Turbulenzeinlagen erhöhen insgesamt die Wärmeübertragungsfläche des zweiten Strömungskanal, was die Effizienz des Wärmeübertragers insgesamt erhöht.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal zumindest teilweise elliptische und/oder kreisrunde Innendurchmesser aufweist.
Ein elliptischer oder sogar kreisrunder Innendurchmesser ist insbesondere hinsichtlich der notwendigen Druckfestigkeit besonders vorteilhaft.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, dass der Wärmeübertrager in einer Stapelscheibenbauweise gebildet ist, wobei der Wärmeübertrager aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter Scheibenelemente besteht, zwischen welchen Kanäle ausgebildet sind, wobei eine erste Anzahl von Kanälen dem ersten Strömungskanal zugeordnet ist und eine zweite Anzahl von Kanälen dem zweiten Strömungskanal zugeordnet ist.
Ein Wärmeübertrager in Stapelscheibenbauweise zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus. Dies erleichtert die Platzierung des Wärmeübertragers innerhalb eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin ist ein in Stapelscheibenbauweise hergestellter Wärmeübertrager besonders günstig herzustellen, da eine große Anzahl von Gleichteilen verwendet werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung, kann es vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager ein Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrager ist, wobei der erste Strömungskanal durch eine Einzahl oder Mehrzahl von ersten Rohren gebildet ist, welche von einem Gehäuse umschlossen sind, wobei der zweite Strömungskanal zwischen dem Gehäuse und der Einzahl oder Mehrzahl von ersten Rohren ausgebildet ist.
Durch einen oben beschriebenen Aufbau lässt sich besonders einfach ein Wärmeübertrager realisieren, bei dem ein Medium in einem ersten Rohr strömt, wobei das Rohr von dem zweiten Medium umströmt wird. Der zweite Strömungskanal ist dabei durch ein Gehäuse gebildet, welches die Rohre des ersten Strömungskanals umschließt. In dieser Bauart kann ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel erzeugt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager als Rohr-Rohr-Wärmeübertrager ausgebildet ist, wobei der erste Strömungskanal durch eine Einzahl oder Mehrzahl von zweiten Rohren gebildet ist, und der zweite Strömungskanal von einer Einzahl oder Mehrzahl von dritten Rohren gebildet ist, wobei die zweiten Rohre und die dritten Rohre zumindest Abschnittsweise miteinander in thermischen Kontakt stehen.
Der Aufbau eines Rohr-Rohr-Wärmeübertragers ist besonders vorteilhaft, da der Aufbau sehr einfach gestaltet ist. Die Rohre der beiden Fluide können besonders leicht in einen thermischen Kontakt miteinander gebracht werden. Die Rohre für den Wärmeübertrager sind besonders einfach und kostengünstig herstellbar. Eine Skalierung des Wärmeübertragers ist auf einfache Weise möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schnittansicht durch einen Wärmeübertrager in Stapelscheibenbauweise, wobei im linken Bereich der Figur das Kältemittel in den Wärmeübertrager einströmt und im rechten Teil der Figur das Kühlmittel aus dem Wärmeübertrager ausströmt,
2 eine Schnittansicht eines Rohr-Rohr-Wärmeübertragers, wobei der erste Strömungskanal durch eine Mehrzahl von runden Strömungspfaden gebildet ist und der zweite Strömungskanal durch eine Mehrzahl von Flachrohren gebildet ist,
3 eine Schnittansicht durch einen Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrager, wobei der erste Strömungskanal durch eine Mehrzahl von kreisrunden Strömungspfaden gebildet ist und der zweite Strömungskanal durch einen Zwischenraum gebildet ist, der sich zwischen den ersten Strömungspfaden und einem die ersten Strömungspfade umgebenden Gehäuse gebildet ist,
4 eine Schnittansicht durch einen Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrager, wobei zusätzlich ein Zuleitungsstutzten und ein Ableitungsstutzen abgebildet sind, und
5 eine perspektivische Ansicht eines Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrages.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine Schnittansicht durch einen Wärmeübertrager 1. Der Wärmeübertrager 1 ist in einer Stapelscheibenbauweise aufgebaut. Dabei ist eine Vielzahl von Scheibenelementen 5 derart aufeinandergestapelt, dass sich zwischen den Scheibenelementen 5 Kanäle 8, 9 ergeben. Der Scheibenstapel ist jeweils nach oben hin sowie nach unten hin durch ein Abschlussscheibenelement 4 abgeschlossen. Die Scheibenelemente 5, welche den Stapel hauptsächlich bilden, sind weitestgehend identisch ausgeführt und unterscheiden sich lediglich durch die Ausrichtung zueinander.
Im linken Teil der 1 ist der Einströmbereich des Kältemittels dargestellt. Das Kältemittel strömt entlang des Pfeils 2 in den Wärmeübertrager 1 ein. Die Scheibenelemente 5 weisen Öffnungen auf, welche derart angeordnet sind, dass sich eine Verteilerstrecke 6 ergibt. Entlang der Verteilerstrecke 6 kann das Kältemittel durch die einzelnen Scheibenelemente 5 strömen und sich dort in die Kanäle 8 verteilen.
In den Kanälen mit dem Bezugszeichen 9 strömt das Kühlmittel. Über die Scheibenelemente 5 findet ein thermischer Austausch zwischen dem Kältemittel in den Kanälen 8 und dem Kühlmitteln in den Kanälen 9 statt.
Im rechten Teil der Figur ist der Bereich des Wärmeübertragers 1 dargestellt, in welchem das Kühlmittel aus dem Wärmeübertrager 1 ausströmt. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist mit dem Pfeil mit dem Bezugszeichen 3 dargestellt. Die Scheibenelemente 5 bilden im Ausströmbereich des Kühlmittels aus dem Wärmeübertrager 1 Öffnungen aus, die es ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die einzelnen Scheibenelemente 5 entlang der Verteilerstrecke 7 strömt. Die Verteilerstrecke 7 steht dabei in direkter Fluidkommunikation mit den Kanälen 9. Auch im rechten Teil der 1 sind Kanäle 8 angedeutet, welche das Kältemittel führen.
Es ist zu erkennen, dass der Strömungsquerschnitt der Verteilerstrecke 6 des Kältemittels und der Strömungsquerschnitt der Verteilerstrecke 7 des Kühlmittels deutlich voneinander abweichen. Der Strömungsquerschnitt der Verteilerstrecke 7 des Kühlmittels ist deutlich größer als der Strömungsquerschnitt der Verteilerstrecke 6.
Die Verteilerstrecke 6 des Kältemittels weist in einer zu bevorzugenden Ausführung eine Strömungsquerschnittsfläche von 14 bis 50 mm² auf. In einer idealen Ausgestaltung weist die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerstrecke 6 eine Strömungsquerschnittsfläche von 14 bis 40 mm² auf. Die verhältnismäßig kleine Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerstrecke 6 beruht insbesondere auf den hohen Drücken des Kältemittels und den geringen Massenströmen innerhalb der Wärmeübertrager, insbesondere bei einer Anwendung in Kraftfahrzeugen.
Die Verhältnisse der Strömungsquerschnittsfläche von den Verteilerstrecken 6 für das Kältemittel und der Verteilerstrecke 7 für das Kühlmittel sollten vorzugsweise derart gewählt werden, dass die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerstrecke 6 ungefähr 5 bis 50%, idealerweise 10 bis 30% der Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerstrecke 7 des Kühlmittels beträgt.
Auf diese Weise wird für das Kühlmittel ein besonders niedriger Druckabfall entlang des Wärmeübertragers 1 erreicht. Die kleinen Durchmesser der Verteilerstrecke 6 tragen insbesondere dazu bei, einen besseren Wärmeübergang von dem Kältemittel, welches durch den Wärmeübertrager 1 strömt, zum Kühlmittel sicherzustellen. Da es sich bei dem Kältemittel vorzugsweise um CO₂ handelt, liegt das Kältemittel im Wesentlichen in einer gasförmigen Phase vor.
Insbesondere für die Verwendung des gasförmigen Kältemittels CO₂ und eines flüssigen Kühlmittels haben sich Verhältnisse der hydraulischen Durchmesser der Kühlmittelseite zur Kältemittelseite von größer 2:1, vorteilhafter von größer 5:1, idealerweise in einem Bereich größer 5:1 und kleiner 10:1 herausgestellt.
In alternativen Ausführungsformen kann es auch vorgesehen sein, dass die einzelnen Kanäle 8, 9 zwischen den Scheibenelementen 5 unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Dies kann insbesondere durch eine Veränderung der Abstände der Scheibenelemente 5 zueinander realisiert werden. Über eine Veränderung der Durchmesser der Kanäle 8, 9 kann auch insgesamt der hydraulische Durchmesser auf der Kältemittelseite sowie auf der Kühlmittelseite verändert werden.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch einen sogenannten Rohr-Rohr-Wärmeübertrager 10. Innerhalb dieses Wärmeübertragers 10 ist eine Mehrzahl von Rohren 12, 13 abwechselnd aufeinandergeschichtet. Diese Rohre 12, 13 sind dabei innerhalb eines Gehäuses 11 angeordnet. Der Wärmeübertrag findet zwischen den Fluiden, welche in den Rohren 12, 13 strömen, statt.
Die Rohre 13 sind beispielsweise durch Flachrohre gebildet, welche innerhalb der Rohre 13 Trennwände 14 aufweisen, die die Rohre 13 in einzelnen Strömungspfade 16 unterteilen.
Die Rohre 12 weisen eine Vielzahl kreisrunder Strömungspfade 15 auf. Die Rohre 12 dienen insbesondere der Führung des Kältemittels innerhalb des Wärmeübertragers 10. Die Rohre 13 dienen der Führung des Kühlmittels. Wie auch bereits in 1 angedeutet, ist der hydraulische Durchmesser der Kältemittelseite wesentlich geringer als der hydraulische Durchmesser der Kühlmittelseite. Insbesondere die Strömungspfade 15, welche der Kältemittelseite zugeordnet sind, sind durch ihre kreisrunde Ausgestaltung für die Führung eines Fluides, welches unter hohem Druck steht, geeignet.
In einem Wärmeübertrager, welcher CO₂ als Kältemittel verwendet, können Betriebsdrücke auf der Kältemittelseite von 100 bar und mehr auftreten. Daher ist die Konfiguration der Strömungspfade 15 der Kältemittelseite mit kreisrundem bzw. elliptischem Durchmesser besonders empfehlenswert.
Der hydraulische Durchmesser der einzelnen Kühlmittelkanäle, welche durch die Strömungspfade 16 dargestellt sind, liegt idealerweise in einem Bereich von 2 bis 4 mm. Der hydraulische Durchmesser der Kanäle der Kältemittelseite, welche durch die Strömungspfade 15 dargestellt sind, sollte idealerweise in einem Bereich zwischen 0 und 1 mm liegen, idealerweise in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 1 mm.
Dadurch wird auch insgesamt wieder das Verhältnis der hydraulischen Durchmesser von der Kühlmittelseite zur Kältemittelseite, wie bereits in 1 beschrieben, erreicht.
Die 3 zeigt einen sogenannten Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrager 20. Hierbei sind innerhalb eines Gehäuses 21 eine Mehrzahl von Rohren 22 angeordnet, zwischen welchen Turbulenzeinlagen 24 angeordnet sind, die die Rohre 22 zueinander beabstanden.
Die Rohre 22 sind analog der bereits in 2 beschriebenen Ausführung derart gestaltet, dass sie eine Mehrzahl von Strömungspfaden 23 aufweisen. Die Rohre 22 und die Strömungspfade 23 sind dabei ebenfalls dem Kältemittel zugeordnet. Durch die von den Turbulenzeinlagen 24 geschaffenen Strömungspfade 25 zwischen den Rohren 22 strömt das Kühlmittel.
Die Strömungspfade 23 sind kreisrund ausgebildet, um den hohen Drücken des Kältemittels standhalten zu können. Die Turbulenzeinlagen 24 sind wie Wellrippen ausgebildet. Neben der in 3 gezeigte Darstellung sind auch diverse andere mögliche Ausgestaltungen der Turbulenzeinlagen 24 vorsehbar. Kernaufgabe der Turbulenzeinlagen ist die Vergrößerung der Wärmeübertragsfläche von den Strömungspfaden 25 zu den Rohren 22 sowie die Beanstandung der Rohre 22 voneinander.
Die 4 zeigt eine Schnittansicht durch einen weiteren Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrager 30. Der grundsätzliche Aufbau des zentralen Wärmeübertragerkerns entspricht dem der 3. Die Rohre 32 weisen eine Vielzahl von Strömungspfaden 33 auf, welche einen kreisrunden Querschnitt aufweisen. Zwischen den Rohren 32 sind Turbulenzeinlagen 34 angeordnet, welche Strömungspfade 35 ausbilden und die Rohre 32 zueinander beabstanden. Die Strömungspfade 33 sind im Verhältnis zu den Strömungspfaden 35, welche das Kühlmittel führen wesentlich kleiner.
Zusätzlich zu der Darstellung in 3 sind nun noch Anschlussstutzen 36 beziehungsweise 37 dargestellt, welche am Gehäuse 31 außen angeordnet sind. Über die Anschlussstutzen 36, 37 kann ein Fluid in den Wärmeübertrager 30 einströmen. in der 4 strömt vorzugsweise das Kühlmittel, welches sich entlang der Strömungspfade 35 zwischen den Rohren 32 verteilt, über die Anschlussstutzen 36, 37 ein beziehungsweise aus.
Die 5 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertragers 40. Der Wärmeübertrager 40 weist ein Gehäuse 41 auf, in welchem ähnlich den bereits vorangegangenen 3 und 4 Turbulenzeinlagen 46 angeordnet sind, welche Rohre zueinander beabstanden und zwischen den Rohren Strömungspfade für ein Kühlmittel ausbilden. Durch die Rohre zwischen den Turbulenzeinlagen 46 strömt ein Kältemittel, insbesondere CO₂. Über die Anschlussstutzen 42 und 43 wird das Kühlmittel zum Wärmeübertrager 40 zugeführt beziehungsweise abgeführt. Über die beiden Anschlussstutzen 44 beziehungsweise 45 wird das Kältemittel in den Wärmeübertrager 40 zu beziehungsweise abgeführt. Der innere Aufbau entspricht den Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertragern der 3 und 4.
Allen gezeigten Ausführungsformen der Wärmeübertrager der 1 bis 5 ist gemein, dass der hydraulische Durchmesser der Kühlmittelseite im Verhältnis zum hydraulischen Durchmesser der Kältemittelseite größer ist. Dabei ist der hydraulische Durchmesser der Kühlmittelseite insbesondere größer als ein Verhältnis 2:1, vorzugsweise größer als ein Verhältnis 5:1, im Idealfall sogar größer als ein Verhältnis 5:1 und kleiner als ein Verhältnis 10:1.
Durch den geringeren hydraulischen Durchmesser auf der Kältemittelseite kann eine effizientere Abkühlung des Gasstroms erreicht werden, indem ein besserer Wärmeübergang zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel erzeugt wird. Gleichzeitig ist der hydraulische Durchmesser der Kühlmittelseite größer zu wählen, um den Druckabfall auf der Kühlmittelseite möglichst gering zu halten. Das beschriebene Verhältnis hat sich insbesondere als ideal für Anwendungen in Kraftfahrzeugen erwiesen.
Weiterhin ist allen dargestellten Ausführungsformen gemein, dass die Kühlmittelkanäle, welche durch die verschiedenen Strömungspfade der Kühlmittelseite dargestellt sind, einen hydraulischen Durchmesser von ungefähr 2 bis 4 mm aufweisen sollen. Dadurch wird ein optimales Verhältnis von Druckabfall und Wärmeübertrag realisiert. Die Kanäle der Kältemittelseite, welche durch die entsprechenden Strömungspfade dargestellt sind, sollen einen hydraulischen Durchmesser kleiner 1 mm aufweisen. Idealerweise soll der hydraulische Durchmesser der Kältemittelseite zwischen 0,3 und 1 mm liegen.
Die Verteilerkanäle der einzelnen Wärmeübertrager, welche die jeweiligen Fluide auf die einzelnen Strömungskanäle verteilen, sollten derart gestaltet sein, dass der Strömungsquerschnitt insbesondere des Verteilerkanals der Kältemittelseite eine Fläche von ungefähr 14 bis 50 mm², vorzugsweise eine Fläche von 14 bis 40 mm² aufweist. Dies liegt insbesondere in den hohen Drücken begründet, welche das Kältemittel innerhalb der Wärmeübertrager aufweisen kann. Ausgehend von den Strömungsquerschnittsflächen der Verteilerkanäle der Kältemittelseite sollten die Strömungsquerschnittsflächen der Verteilerkanäle der Kühlmittelseite derart gestaltet sein, dass die Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerkanäle der Kältemittelseite ungefähr 5 bis 50% besser 10 bis 30% der Strömungsquerschnittsfläche der Verteilerkanäle der Kühlmittelseite beträgt.
Die Strömungsquerschnittsflächen der Kältemittelseite müssen insbesondere aufgrund des hohen Drucks des Kältemittels jeweils möglichst gering sein. Die Strömungskanäle auf der Kühlmittelseite können vorteilhafterweise eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Über diese strukturierte Oberfläche kann die Wärmeübertragungsfläche der Kühlmittelseite deutlich erhöht werden. Alternativ kann, wie es auch in einzelnen Wärmeübertragern beschrieben ist, eine oder mehrere Turbulenzeinlagen auf der Kühlmittelseite eingesetzt werden. Idealerweise sollte die Kältemittelseite keine angerauten Oberflächen aufweisen und auch keine Turbulenzeinlagen. Eine möglichst glatte Oberfläche ist auf der Kältemittelseite zu bevorzugen.
Die Kanäle für das Kältemittel sind idealerweise mit einem elliptischen oder sogar einem kreisrunden Innendurchmesser ausgestattet. Dies ist insbesondere hinsichtlich der nötigen Druckfestigkeit vorteilhaft.
Alle gezeigten Wärmeübertrager können idealerweise eine oder mehrere Umlenkungen in ihrem Inneren aufweisen, wodurch die Kältemittelseite und/oder die Kühlmittelseite in ihrer Hauptströmungsrichtung umgelenkt wird. Dabei ist es besonders zu bevorzugen, wenn das Kältemittel und das Kühlmittel zumindest teilweise im Gegenstrom zueinander strömen.
Idealerweise strömen das Kältemittel und das Kühlmittel über die gesamte Strömungsstrecke innerhalb des Wärmeübertragers im Gegenstrom. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest im letzten Abschnitt des Wärmeübertragers vor dem Kältemittelaustritt das Kältemittel mit dem Kühlmittel im Gegenstrom strömt.
Die in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen stellen lediglich beispielhafte Ausführungen dar und besitzen ihrerseits keinen beschränkenden Charakter für die Gestaltung der einzelnen Wärmeübertrager. Die einzelnen Strömungspfade sowie Kanäle können in abweichenden Ausführungen auch durch andere Formgebung oder andere Rohrgestaltungen gebildet werden. Ebenso ist die Gestaltung der Anschlussstutzen sowie der Gehäuse lediglich beispielhaft.

Claims

Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) mit einem ersten Strömungskanal für ein Kältemittel, wobei das Kältemittel insbesondere CO₂ ist oder enthält, und mit einem zweiten Strömungskanal für ein flüssiges Kühlmittel, wobei zumindest ein Abschnitt des ersten Strömungskanals mit einem Abschnitt des zweiten Strömungskanals in thermischen Kontakt steht, wobei das Kältemittel und das Kühlmittel in ihren Strömungskanälen im Gleichstrom und/oder Gegenstrom zueinander strömbar sind, wobei der erste Strömungskanal derart ausgestaltet ist, dass er Innendrücke von 100 bar und mehr standhält, wobei der erste Strömungskanal aus einer Mehrzahl von ersten Strömungspfaden (8, 15, 23, 33) gebildet ist, die mit einer ersten Verteilerstrecke (6) in Fluidkommunikation stehen, wobei der zweite Strömungskanal aus einer Mehrzahl von zweiten Strömungspfaden (9, 16, 25, 35) gebildet ist, die mit einer zweiten Verteilerstrecke (7) in Fluidkommunikation stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des zweiten Strömungskanals und des hydraulischen Durchmessers des ersten Strömungskanals größer als 2:1 ist.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des hydraulischen Durchmessers des zweiten Strömungskanals und des hydraulischen Durchmessers des ersten Strömungskanals größer als 5:1 ist oder zwischen 5:1 und 10:1 liegt.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser eines zweiten Strömungspfades (9, 16, 25, 35) in einem Bereich von 2 mm bis 4 mm liegt.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser eines ersten Strömungspfades (8, 15, 23, 33) in einem Bereich zwischen 0 mm und 1,0 mm liegt, dabei vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1,0 mm liegt.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerstrecke (6) eine Strömungsquerschnittsfläche von 14 mm² his 50 mm² aufweist oder eine Strömungsquerschnittsfläche von 14 mm² bis 40 mm² aufweist.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verteilerstrecke (6) eine Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die 5% bis 50% der Strömungsquerschnittsfläche der zweiten Verteilerstrecke (7) beträgt, dabei vorzugsweise eine Strömungsquerschnittsfläche, die 10% bis 30% der Strömungsquerschnittsfläche der zweiten Verteilerstrecke (7) beträgt.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungskanal in seinem Inneren zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche aufweist und/oder Turbulenzeinlagen (24, 34, 46) aufweist.
Wärmeübertrager (1, 10, 20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal zumindest teilweise elliptische und/oder kreisrunde Innendurchmesser aufweist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) in einer Stapelscheibenbauweise gebildet ist, wobei der Wärmeübertrager (1) aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter Scheibenelemente (4, 5) besteht, zwischen welchen Kanäle (8, 9) ausgebildet sind, wobei eine erste Anzahl von Kanälen (8) dem ersten Strömungskanal zugeordnet ist und eine zweite Anzahl von Kanälen (9) dem zweiten Strömungskanal zugeordnet ist.
Wärmeübertrager (20, 30, 40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20, 30, 40) ein Flachrohr-Turbulenzeinlagen-Wärmeübertrager ist, wobei der erste Strömungskanal durch eine Einzahl oder Mehrzahl von ersten Rohren (22, 32) gebildet ist, welche von einem Gehäuse (21, 31, 41) umschlossen sind, wobei der zweite Strömungskanal zwischen dem Gehäuse (21, 31, 41) und der Einzahl oder Mehrzahl von ersten Rohren (22, 32) ausgebildet ist.
Wärmeübertrager (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (10) als Rohr-Rohr-Wärmeübertrager ausgebildet ist, wobei der erste Strömungskanal durch eine Einzahl oder Mehrzahl von zweiten Rohren (12) gebildet ist, und der zweite Strömungskanal von einer Einzahl oder Mehrzahl von dritten Rohren (13) gebildet ist, wobei die zweiten Rohre (12) und die dritten Rohre (13) zumindest Abschnittsweise miteinander in thermischen Kontakt stehen.