DE102015103177A1 - High-pressure refrigerant heat exchanger with multi-channel flat tubes - Google Patents
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- F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
- F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
Abstract
Die Erfindung betrifft einen Hochdruckkältemittelwärmeübertrager (1) mit Mehrkanalflachrohren (2), welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere von Hochdruckkältemittel durchströmbare Mehrkanalflachrohre (2) in Wasser-, Kühlmittel-Strömungsrichtung (11) hintereinander und quer zur Wasser-, Kühlmittel-Strömungsrichtung (11) in einem Gehäuse (3) angeordnet sind, wobei die Mehrkanalflachrohre (2) entlang ihrer Länge nicht eben ausgebildet sind und dass keine Lamellen oder Rippen vorgesehen sind.The invention relates to a high-pressure refrigerant heat exchanger (1) with multi-channel flat tubes (2), which is characterized in that a plurality of multi-channel flat tubes (2) through which high-pressure refrigerant flows in the direction of water flow, coolant flow direction (11) one behind the other and transversely to the water, coolant flow direction (11 ) are arranged in a housing (3), wherein the multi-channel flat tubes (2) along its length are not flat and that no fins or ribs are provided.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hochdruckkältemittelwärmeübertrager mit Mehrkanalflachrohren zur Wärmeübertragung zwischen einem Hochdruckkältemittelkreislauf und einem Flüssigkeitskreislauf. Unter einem Flüssigkeitskreislauf wird in erster Linie ein Wasser-Kühlmittelkreislauf verstanden, wobei das Wasser beziehungsweise das Kühlmittel sowohl Kälteträger als auch Wärmeträger sein kann.The invention relates to a high-pressure refrigerant heat exchanger with multi-channel flat tubes for heat transfer between a high pressure refrigerant circuit and a liquid circuit. Under a liquid circuit is primarily a water-coolant circuit understood, the water or the coolant may be both brine and heat transfer.
Gattungsgemäße Wärmeübertrager dienen beispielsweise in Hochdruckkältemittelkreisläufen in Kraftfahrzeugklimaanlagen als Gaskühler oder Kondensatoren oder als Verdampfer für das Hochdruckkältemittel. Als Wärme- oder Kälteträger dient eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, ein Wasser-Glykol-Gemisch oder ähnliche Flüssigkeitsgemische. Generic heat exchangers are used for example in high-pressure refrigerant circuits in motor vehicle air conditioning systems as gas cooler or condensers or as an evaporator for the high-pressure refrigerant. As a heat or cold carrier is a liquid, such as water, a water-glycol mixture or similar liquid mixtures.
Als Hochdruckkältemittel wird neben anderen möglichen Kältemitteln in erster Linie Kohlendioxid als Kältemittel eingesetzt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kältemittelkreislauf auf einem im Vergleich zu anderen Kältemitteln relativ hohen Druckniveau arbeitet.As high-pressure refrigerant, in addition to other possible refrigerants, primarily carbon dioxide is used as the refrigerant, which is characterized in that the refrigerant circuit operates on a relatively high pressure level compared to other refrigerants.
Typische Wasser-Kühlmittelwärmeübertrager nach dem Stand der Technik werden überwiegend als Plattenwärmeübertrager für den Einsatz als Verdampfer oder Kondensatoren ausgeführt. Der Arbeitsdruck und der Berstdruck bei Luft-Kältemittel-Verdampfern oder Luft-Kältemittel-Kondensatoren ist vergleichbar mit Flüssigkeits-Kältemittel-Wärmeübertragern. Ein typischer Arbeits- und Berstdruck für einen Verdampfer in Kraftfahrzeugklimaanlagen liegt bei 3 bis 4 beziehungsweise 31 bar.Typical water-coolant heat exchangers according to the prior art are predominantly designed as plate heat exchangers for use as evaporators or condensers. The working pressure and bursting pressure of air-refrigerant evaporators or air-refrigerant condensers is similar to liquid-refrigerant heat exchangers. A typical working and bursting pressure for an evaporator in motor vehicle air conditioners is 3 to 4 or 31 bar.
Kondensatoren besitzen einen Arbeitsdruck von 6 bis 30 bar und einen Berstdruck von 60 bar. Für das Hochdruckkältemittel Kohlendioxid, R744, liegt das Berstdruckerfordernis bei 260 bar für Verdampfer und bei 340 bar für den Gaskühler. Ein Plattenwärmeübertrager mit einem Berstdruck von mehr als 260 bar würde nach dem aktuellen Design zu einer enormen Erhöhung von Gewicht und Kosten führen. Um mit dem herkömmlichen Design einen Berstdruck von 260 bar zu erreichen muss die Wandstärke der Platten beispielsweise um mehr als 300 % erhöht werden. Dieser hohe Materialeinsatz führt neben zu hohem Gewicht und zu hohen Kosten außerdem zu Schwierigkeiten beim Lötprozess.Capacitors have a working pressure of 6 to 30 bar and a bursting pressure of 60 bar. For the high pressure refrigerant carbon dioxide, R744, the burst pressure requirement is 260 bar for the evaporator and 340 bar for the gas cooler. A plate heat exchanger with a bursting pressure of more than 260 bar would, according to the current design, lead to an enormous increase in weight and costs. To achieve a bursting pressure of 260 bar with the conventional design, for example, the wall thickness of the panels must be increased by more than 300%. In addition to high weight and high costs, this high material usage also leads to difficulties in the soldering process.
Hochdruckkältemittelwärmeübertrager sind im Stand der Technik bekannt. Aus der
Der Berstdruck in herkömmlichen Kältemittelsystemen beträgt circa 31 bar auf der Niederdruckseite. Nachteilig an den bekannten Ausgestaltungen von Hochdruckkältemittelwärmeübertragern nach dem Stand der Technik ist, dass diese entweder durch sehr hohen Materialeinsatz die extremen Anforderungen an den Arbeits- und Berstdruck mittels dicker Wandstärken erfüllen oder aber das die Wärmeüberträger mit Mehrkanalflachrohren und Lamellen zur Wärmeübertragung an Luft als Kälte- oder Wärmeträger ausgelegt sind und nicht als Flüssigkeitswärmeübertrager eingesetzt werden können. The burst pressure in conventional refrigerant systems is approximately 31 bar on the low pressure side. A disadvantage of the known embodiments of Hochdruckkältemittelwärmeübertragern according to the prior art is that they meet either by very high use of materials, the extreme demands on the working and bursting pressure by thick wall thicknesses or that the heat exchanger with multi-channel flat tubes and fins for heat transfer to air as cold or heat transfer medium are designed and can not be used as a liquid heat exchanger.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Hochdruckkältemittelwärmeübertrager mit Mehrkanalflachrohren auszubilden, welcher mit geringen Aufwendungen hinsichtlich der Material- und Herstellungskosten gefertigt werden kann. Weiterhin soll der Hochdruckkältemittelwärmeübertrager für die Wärmeübertragung auf und von Flüssigkeiten, insbesondere für Wasser oder Wasser-Glykol-Gemische geeignet sein. The object of the invention is now to form a high-pressure refrigerant heat exchanger with multi-channel flat tubes, which can be manufactured with low costs in terms of material and manufacturing costs. Furthermore, the high-pressure refrigerant heat exchanger should be suitable for heat transfer to and from liquids, in particular for water or water-glycol mixtures.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by an article having the features according to
Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Hochdruckkältemittelwärmeübertrager gelöst, welcher mehrere von Hochdruckkältemittel durchströmbare Mehrkanalflachrohre aufweist, die in Wasser-, Kühlmittel-Strömungsrichtung hintereinander und quer zur Wasser-, Kühlmittel-Strömungsrichtung in einem Gehäuse angeordnet sind. Die Mehrkanalflachrohre sind dabei entlang ihrer Länge nicht eben ausgebildet und weisen aber im Unterschied zum Stand der Technik keine Lamellen oder Rippen auf.In particular, the object of the invention is achieved by a high-pressure refrigerant heat exchanger which has a plurality of high-pressure refrigerant flow through Mehrkanalflachrohre, which are arranged in water, coolant flow direction behind the other and transverse to the water, coolant flow direction in a housing. The multi-channel flat tubes are not flat along their length and, unlike the prior art, have no fins or ribs.
Eine vorteilhafte Verbesserung besteht weiterhin darin, dass zusätzlich Rippen vorgesehen sind, die aus Metall oder auch aus Kunststoff hergestellt sind.An advantageous improvement further consists in that ribs are additionally provided, which are made of metal or plastic.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Mehrkanalflachrohre auf ihrer die Höhe des Mehrkanalflachrohres bildenden Schmalseite anströmbar im Hochdruckkältemittelwärmeübertrager angeordnet. Die Wasser-, Kühlmittel-Strömung strömt somit quer zum Mehrkanalflachrohr entlang der Breite des Mehrkanalflachrohres.According to a preferred embodiment of the invention, the multichannel flat tubes are arranged on the narrow side forming the height of the multichannel flat tube in the high-pressure refrigerant heat exchanger. The water, coolant flow thus flows transversely to the multi-channel flat tube along the width of the multi-channel flat tube.
Bevorzugt sind die Mehrkanalflachrohre entlang ihrer Länge mit Biegungen zu Wellen, Mäandern, Trapezen oder Faltungen umgeformt, wodurch die wärmeübertragende Außenfläche der Mehrkanalflachrohre entsprechend erhöht wird bezogen auf eine entlang ihrer Länge eben ausgeführten Ausgestaltung der Mehrkanalflachrohre.Preferably, the multi-channel flat tubes along their length with bends to waves, Mäandern, trapezes or folds formed, whereby the heat-transmitting outer surface of the Mehrkanalflachrohre is increased accordingly with respect to a plane along its length designed embodiment of Mehrkanalflachrohre.
Ein Hochdruckkältemittelwärmeübertrager wird vorteilhaft dadurch hergestellt, dass ein breites Wärmeübertrager-Strangpressprofil verwendet wird, aus dem die betreffenden Abschnitte durch Stanzen entsprechend den Anforderungen ausgeformt werden.A high-pressure refrigerant heat exchanger is advantageously produced by using a wide heat exchanger extruded profile, from which the relevant sections are formed by punching according to the requirements.
Vorteilhaft sind die Mehrkanalflachrohre entlang ihrer Länge mit Biegewinkeln zwischen 0° und 90° verformt. Advantageously, the Mehrkanalflachrohre along their length with bending angles between 0 ° and 90 ° deformed.
Dabei werden bevorzugt Biegeradien zwischen 5 mm und 15 mm ausgeführt.In this case, bending radii between 5 mm and 15 mm are preferably carried out.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Mehrkanalflachrohre eine Biege-Höhe zwischen 1 mm und 10 mm aufweisen. An advantageous embodiment of the invention is that the multi-channel flat tubes have a bending height between 1 mm and 10 mm.
Bevorzugt weisen die Mehrkanalflachrohre eine Biege-Höhe zwischen 1 und 4 mm auf. The multi-channel flat tubes preferably have a bending height of between 1 and 4 mm.
Besonders bevorzugt sind die Biegungen, Wellungen oder Faltungen in Wasser-, Kühlmittel-Strömungsrichtung hintereinander angeordneter Mehrkanalflachrohre versetzt zueinander angeordnet, sodass die Fluidströmung des Wassers beziehungsweise Kühlmittels in einem Strömungsschaden auf mehrere Schmalseiten der Mehrkanalflachrohre trifft und damit eine Turbulenz der Strömung erreicht werden kann.Particularly preferably, the bends, corrugations or convolutions in water, coolant flow direction of successively arranged Mehrkanalflachrohre offset from each other, so that the fluid flow of the water or coolant in a flow damage strikes several narrow sides of Mehrkanalflachrohre and thus turbulence of the flow can be achieved.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die Trennwände in mehreren Ebenen des Hochdruckkältemittelwärmeübertragers vorgesehen sind, welche einen Strömungspfad des Wasser-, Kühlmittels durch den Hochdruckkältemittelwärmeübertrager vorgeben, beziehungsweise erzeugen.An advantageous development of the invention consists in that the dividing walls are provided in several levels of the high-pressure refrigerant heat exchanger, which predetermine or generate a flow path of the water and coolant through the high-pressure refrigerant heat exchanger.
Vorteilhaft werden horizontale Trennwände im Hochdruckkältemittelübertrager angeordnet, wobei sich daraus ein Strömungspfad für einen vertikalen Kreuzgegenströmer ergibt. Advantageously, horizontal partitions are arranged in the high pressure refrigerant exchanger, resulting in a flow path for a vertical cross countercurrent.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden vertikale Trennwände im Hochdruckkältemittelwärmeübertrager vorgesehen, wodurch sich ein Strömungspfad für einen horizontalen Kreuzgegenströmer bildet. According to a further embodiment of the invention, vertical partitions are provided in the high pressure refrigerant heat exchanger, thereby forming a flow path for a horizontal cross countercurrent.
Vorteilhaft wird das Gehäuse des Hochdruckkältemittelwärmeübertragers aus Aluminium oder Kunststoff ausgeführt. Besonders hervorzuheben ist die Eignung der Verwendung eines Hochdruckkältemittelwärmeübertragers als Gaskühler/Kondensator oder als Kühler in Kohlendioxidkältemittelkreisläufen und insbesondere zum Einsatz dieser Komponente für Kraftfahrzeugklimaanlagen.Advantageously, the housing of the high pressure refrigerant heat exchanger is made of aluminum or plastic. Of particular note is the suitability of using a high-pressure refrigerant heat exchanger as a gas cooler / condenser or as a cooler in carbon dioxide refrigerant circuits and in particular for use of this component for motor vehicle air conditioners.
Gemäß der Konzeption der Erfindung werden die Anforderungen des hohen Berstdruckes für R744 Kohlendioxidkreisläufe in Hochdruckkältemittelanlagen dadurch erfüllt, dass extrudierte Mikrokanalrohre, auch als Mehrkanalflachrohre bezeichnet, von bekannten R744-Verdampfern oder Gaskühlern eingesetzt werden. Die Wärme- oder Kälteträgerseite für Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch, ist ohne Rippen oder Lamellen gestaltet, wodurch positiv der Strömungswiderstand verringert aber negativ die Wärmeübertragungsleistung gleichfalls verringert werden. Das Mehrkanalflachrohr wird gebogen und umgeformt und wirkt durch die entstandene Form gleichzeitig als Wärmeübertragerrohr und Strömungseinbau, letzterer wird auch als Turbulator bezeichnet. Ganz besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Design in Hochdruckältemittelkreisläufen als Gaskühler nach dem Kreuzgegenströmerprinzip einsetzbar.According to the concept of the invention, the high burst pressure requirements for R744 carbon dioxide cycles in high pressure refrigerant installations are met by using extruded microchannel tubes, also referred to as multi-channel flat tubes, from known R744 evaporators or gas coolers. The heat or brine side for liquid, especially water or water-glycol mixture is designed without ribs or fins, which positively reduces the flow resistance but negatively reduces the heat transfer performance also. The multi-channel flat tube is bent and reshaped and acts through the resulting shape at the same time as heat exchanger tube and flow installation, the latter is also referred to as a turbulator. The design according to the invention can be used very particularly advantageously in high-pressure refrigerant circuits as gas coolers according to the cross-countercurrent principle.
Der gesamte Wärmeübertrager ist von einem Gehäuse aus Aluminium oder aus Kunststoff umgeben. Ausgestaltungen des Hochdruckkältemittelwärmeübertragers mit Trennwänden gestatten die Ausbildung von mehreren Strömungspfaden innerhalb eines Wärmeübertragers. Besonders vorteilhaft ist, wenn das Wasser beziehungsweise die Flüssigkeit als Wärme- oder Kälteträger im Kreuzgegenstrom fließt. Rippen oder Lamellen sowie Turbolatoren sind dabei nicht erforderlich, weil das Mehrkanalflachrohr durch seine Formgebungen mittels Biegen für eine turbulente Strömung sorgt. The entire heat exchanger is surrounded by a housing made of aluminum or plastic. Embodiments of the high-pressure refrigerant heat exchanger with partitions allow the formation of a plurality of flow paths within a heat exchanger. It is particularly advantageous if the water or the liquid flows as a heat or cold carrier in the cross counterflow. Ribs or lamellae and turbulators are not required because the multi-channel flat tube provides by its shapes by bending a turbulent flow.
Das Wärmeübertragerdesign ist leicht, was zu niedrigen Material- und Handlingkosten bei der Herstellung und zu Energieeinsparungen beim laufenden Betrieb im Kraftfahrzeug führt. Weiterhin vorteilhaft ist die Variabilität durch das Vorsehen von Trennwänden hinsichtlich der Strömungsführungen im Wärmeübertrager und auch der Wahl des Gehäuses, welches bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall ausgeführt ist. Die Dimensionierung des Gehäuses kann an den Druck des Flüssigkeitskreislaufes, also auf relativ niedrigem Niveau, angepasst sein, da das Hochdruckkältemittel nur innerhalb des Mehrkanalflachrohres zirkuliert.The heat exchanger design is lightweight, resulting in low material and handling costs in manufacturing and energy savings during ongoing operation in the motor vehicle. Also advantageous is the variability by the provision of partitions with respect to the flow guides in the heat exchanger and also the choice of the housing, which is preferably made of plastic or metal. The dimensioning of the housing can be adapted to the pressure of the fluid circuit, ie at a relatively low level, since the high-pressure refrigerant circulates only within the multi-channel flat tube.
Besondere Vorteile bestehen weiterhin darin, dass der Hochdruckkältemittelwärmeübertrager auch für die superkritische Wärmeübertragung mit einem Temperaturgleit als Gaskühler oder Verdampfer einsetzbar ist, was inbesondere für den Einsatz in R744 Kohlendioxidkältemittelkreisläufen vorteilhaft ist.Particular advantages continue to be that the high-pressure refrigerant heat exchanger can also be used for supercritical heat transfer with a temperature slide as a gas cooler or evaporator, which is advantageous in particular for use in R744 carbon dioxide refrigerant circuits.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
In
In
In
Der Wasser-, Kühlmittel-Eingang
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Hochdruckkältemittelwärmeübertrager High-pressure refrigerant heat exchangers
- 22
- Mehrkanalflachrohr Multichannel flat tube
- 33
- Gehäuse casing
- 44
- Kältemitteleingang Refrigerant input
- 55
- Kältemittelausgang Refrigerant output
- 66
- Wasser-, Kühlmittel-Eingang Water, coolant inlet
- 77
- Wasser-, Kühlmittel-Ausgang Water, coolant outlet
- 88th
- Trennwand partition wall
- 99
- Wasser-, Kühlmittel-Umlenkbereich Water, coolant deflection area
- 1010
- Kältemittelsammlerrohr Refrigerant collector pipe
- 1111
- Wasser-, Kühlmittel-Strömungsrichtung Water, coolant flow direction
- 1212
- Wellen entlang der Länge des Mehrkanalflachrohres Waves along the length of the multi-channel flat tube
- 1313
- Falten entlang der Länge des Mehrkanalflachrohres Fold along the length of the multi-channel flat tube
- 1414
- Trapez entlang der Länge des Mehrkanalflachrohres Trapezoid along the length of the multi-channel flat tube
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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