-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine thermodynamische Kreisprozessanlage, insbesondere eine Kompressionswärmepumpe oder eine Kompressionskältemaschine, mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung.
-
Die zur Wärmeübertragung vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens einen ein- oder mehrteilig ausgeführten Körper, der zur Aufnahme eines als Wärmeträger dienenden Arbeitsmediums einen Hohlraum ausbildet. Der Hohlraum weist eine Verdampfungszone und eine Kondensationszone für das Arbeitsmedium auf, um durch Änderung des Aggregatzustands des Arbeitsmediums Wärme von einem als Wärmequelle dienenden ersten Stoffstrom auf einen als Wärmesenke dienenden zweiten Stoffstrom zu übertragen.
-
Die vorgeschlagene Vorrichtung verwirklicht somit das Prinzip eines Wärmerohrs, auch Heatpipe genannt. Bevorzugt handelt es sich bei der vorgeschlagenen Vorrichtung um ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe.
-
Stand der Technik
-
Wärmerohre oder Heatpipes sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Sie besitzen den Vorteil, dass sie in der Lage sind, große Wärmemengen bei vergleichsweise kleiner Querschnittsfläche zu transportieren. Der Transport erfolgt über ein selbständig zirkulierendes Arbeitsmedium, so dass keine weiteren Hilfsmittel, wie beispielsweise eine Pumpe, erforderlich sind.
-
Ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe gemäß dem Stand der Technik geht beispielhaft aus der
EP 0 415 231 A2 hervor. Es umfasst ein rohrförmiges Gehäuse, in welchem ein wärmetransportierendes Medium aufgenommen ist. In einem Verdampfungsbereich des Wärmerohrs verdampft das Medium, wobei es Wärme aufnimmt, und in einem Kondensationsbereich des Wärmerohrs kondensiert es, wobei es die zuvor aufgenommene Wärme wieder abgibt. Dabei bilden sich ein Dampfstrom und ein Kondensatstrom aus, die das Gehäuse in entgegengesetzten Richtungen längs durchströmen. Um die Übertragungsleistung des Wärmerohrs zu verbessern, wird in der
EP 0 415 231 A2 vorgeschlagen, innerhalb des Gehäuses einen Dampfkanal und einen Kondensatkanal auszubilden, der eine Entkopplung der beiden einander entgegengesetzten Fluidströme bewirkt.
-
Aus der Offenlegungsschrift
DE 30 03 160 A1 ist ein Wärmetauscher mit einer Heatpipe zur Erwärmung eines unter hohem Druck stehenden Gasstroms mittels Sonnenwärme bekannt. Der Wärmetauscher besitzt einen den Gasstrom aufnehmenden Raum, der von zwei isolierten Wänden begrenzt wird, durch den ein rohrförmiges Gehäuse der Heatpipe hindurchgeführt ist. Ein Endabschnitt der Heatpipe kommt somit außerhalb des Wärmetauschers zu liegen und bildet eine Verdampfungszone aus. Ein sich hieran anschließender und innerhalb des Wärmetauschers liegender Abschnitt bildet eine Kondensationszone aus, die von dem zu erwärmenden Gas umströmt wird. Das zu erwärmende Gas ist demnach nur durch die Wandung des Gehäuses der Heatpipe von dem wärmetransportierenden Arbeitsmedium der Heatpipe getrennt, so dass der Wärmeübergang weitgehend ungehindert erfolgt. Problematisch ist jedoch, dass im Bereich der Heatpipe-Durchführung ein zu Wärmeverlusten führender und daher unerwünschter Wärmeübergang von der Wandung des Gehäuses auf die Wand des Wärmetauschers erfolgt.
-
Ein Wärmetauscher mit einem Wärmerohr geht ferner aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 80 07 649 U1 hervor. Der Wärmetauscher umfasst ein Wärmetauscherrohr, das von einem zu erwärmenden Medium durchströmt wird und endseitig unter Ausbildung eines Ringkanals ein Rohrstück zur dichtungsfreien Verbindung mit dem Wärmerohr aufnimmt. Das Wärmerohr ist derart in das Rohrstück eingesetzt, dass das Rohrstück eng an einer Bodenfläche und an einer Mantelfläche des Wärmerohrs anliegt. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs kann auf die Bodenfläche und die Mantelfläche des Wärmerohrs ein wärmeleitendes Weichlot aufgebracht werden, das spaltfüllend ist.
-
Aus der
DE 30 47 632 A1 sind ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optimierten Wärmeübertragung unter Verwendung mindestens eines Wärmerohrs bekannt.
-
Der
DE 31 18 030 A1 ist zudem eine elektrische Wärmerohr-Heizvorrichtung zu entnehmen.
-
Aus dem Stand der Technik ist darüber hinaus eine Vielzahl weiterer Einsatzmöglichkeiten eines Wärmerohrs bzw. einer Heatpipe bekannt. Eine Herausforderung stellt dabei häufig die konstruktive Ausgestaltung der Anbindung des Wärmerohrs bzw. der Heatpipe an eine Wärmequelle bzw. an eine Wärmesenke dar. Denn einerseits gilt es zur Optimierung der Wärmeübertragung eine möglichst großflächige Wärmeübertragungsfläche zu schaffen, andererseits müssen die hierzu aneinander vorbei geführten Stoffströme sicher voneinander getrennt werden.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung anzugeben, die eine einfache Anbindung an eine Wärmequelle und/oder an eine Wärmesenke ermöglicht und zugleich einen effektiven Wärmeübergang gewährleistet. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung geschaffen werden, die leicht in ein bereits bestehendes Rohr- oder Leitungssystem zu integrieren ist, um die Effizienz einer thermodynamischen Kreisprozessanlage, beispielsweise in Form einer Kompressionswärmepumpe oder einer Kompressionskältemaschine, zu steigern.
-
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird eine thermodynamische Kreisprozessanlage, insbesondere eine Kompressionswärmepumpe oder eine Kompressionskältemaschine, mit einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung zur Wärmeübertragung angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Wärmeübertragung, wobei es sich insbesondere um ein Wärmerohr bzw. eine Heatpipe handeln kann, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der ein- oder mehrteilig ausgeführte Körper der Vorrichtung im Bereich der Verdampfungszone und/oder im Bereich der Kondensationszone mindestens eine Öffnung zur Aufnahme eines Rohr- oder Leitungsabschnitts aufweist, über welchen der als Wärmequelle dienende erste Stoffstrom oder der als Wärmesenke dienende zweite Stoffstrom führbar ist.
-
„Öffnung“ bedeutet in diesem Fall, dass der im Körper ausgebildete Hohlraum nicht allseitig umschlossen ist. Der Hohlraum wird erst durch Einsetzen des Rohr- oder Leitungsabschnitts in die mindestens eine Öffnung geschlossen. Dabei taucht der Rohr- oder Leitungsabschnitt ganz oder teilweise in den Hohlraum des Körpers ein, so dass ein Teilumfangsbereich oder der gesamte Umfang des Rohr- oder Leitungsabschnitts unmittelbar von dem im Hohlraum aufgenommenen Arbeitsmedium beaufschlagt ist. Das Arbeitsmedium und der durch den Rohr- bzw. Leitungsabschnitt geführte Stoffstrom werden demzufolge nur durch die Wandung des Rohr- bzw. Leitungsabschnitts getrennt, so dass ein hoher Wärmeübergang gewährleistet ist. Denn über die Wandung des im Körper aufgenommenen Rohr- oder Leitungsabschnitts wird die Wärme unmittelbar von dem als Wärmequelle dienenden Stoffstrom auf das Arbeitsmedium bzw. von dem Arbeitsmedium auf den als Wärmesenke dienenden Stoffstrom übertragen, je nachdem, ob der Rohr- oder Leitungsabschnitt im Bereich der Verdampfungszone oder im Bereich der Kondensationszone im Körper aufgenommen ist. Die Wärmeübertragung erfolgt demnach über lediglich zwei Grenzflächen hinweg, die durch die Wandung des im Körper aufgenommenen Rohr- oder Leitungsabschnitts gebildet werden.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich demnach von den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, insbesondere Wärmerohren, dadurch, dass der das Arbeitsmedium aufnehmende Körper nicht in ein als Wärmequelle oder Wärmesenke dienendes fluidgefülltes Volumen eintaucht, sondern selbst dieses Volumen zumindest abschnittsweise in sich aufnimmt. Die Wärmeübertragung im Bereich der Verdampfungszone und/oder im Bereich der Kondensationszone erfolgt demnach über „innenliegende“ Flächen, die von dem im Körper aufgenommenen Rohr- oder Leitungsabschnitt gebildet werden. Der Begriff „innenliegend“ bezieht sich dabei auf den Körper der Vorrichtung. Da der Körper der Vorrichtung im Bereich der Verdampfungszone und/oder im Bereich der Kondensationszone selbst keine Wärme übertragen muss, kann das Material des Körpers weitgehend frei gewählt werden, wodurch sich eine große Gestaltungsfreiheit ergibt.
-
Der die „innenliegenden“ Wärmeübertragungsflächen ausbildende Rohr- oder Leitungsabschnitt kann Bestandteil eines bereits vorhandenen Rohr- oder Leitungssystems sein, in das es die erfindungsgemäße Vorrichtung zu integrieren gilt. Alternativ kann der die „innenliegenden“ Wärmeübertragungsflächen ausbildende Rohr- oder Leitungsabschnitt Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein.
-
Als Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der die „innenliegenden“ Wärmeübertragungsflächen ausbildende Rohr- oder Leitungsabschnitt als separates Bauteil ausgebildet sein, das es noch in den Körper einzusetzen und mit diesem fluiddicht zu verbinden gilt. Alternativ kann der die „innenliegenden“ Wärmeübertragungsflächen ausbildende Rohr- oder Leitungsabschnitt bereits im Körper aufgenommen und mit diesem fluiddicht verbunden sein.
-
Die Aufnahme des Rohr- oder Leitungsabschnitts im Körper der Vorrichtung erfolgt bevorzugt in der Weise, dass das zugehörige Rohr bzw. die zugehörige Leitung den Körper durchdringt, um einen Stoffstrom durch das Rohr bzw. durch die Leitung zu ermöglichen. Das heißt, dass der im Körper aufgenommene Rohr- oder Leitungsabschnitt bevorzugt über eine erste Öffnung in den Körper eintritt und über eine zweite Öffnung wieder aus dem Körper austritt. Die Lage der beiden Öffnungen zueinander hängt dabei von der jeweiligen Ausgestaltung des Rohr- oder Leitungsabschnitts ab. Denn der Rohr- oder Leitungsabschnitt kann gerade, gebogen oder abgewinkelt ausgeführt sein. Entsprechend ist der Winkelabstand der beiden Öffnungen zueinander zu wählen.
-
Ein- und Austritt des Rohr- oder Leitungsabschnitts können aber auch über eine einzige Öffnung realisiert werden, wenn beispielsweise der im Körper aufgenommene Rohr- oder Leitungsabschnitt als 180°-Bogen ausgeführt ist und/oder die Öffnung an einer Stirnseite des Körpers ausgebildet ist.
-
Ferner kann der Rohr- oder Leitungsabschnitt über einen Teilumfang oder seinen gesamten Umfang in der mindestens einen Öffnung des Körpers aufgenommen sein. Ist Letzteres der Fall, ist die Wärmeübertragungsfläche maximal, da der in der Öffnung des Körpers aufgenommene Rohr- oder Leitungsabschnitt über seinen gesamten Umfang bzw. allseitig von dem im Hohlraum aufgenommenen Arbeitsmedium umströmt wird.
-
Bevorzugt ist die mindestens eine Öffnung im Körper der Vorrichtung passgenau auf den aufzunehmenden Rohr- oder Leitungsdurchmesser abgestimmt. Sofern der Rohr- oder Leitungsdurchmesser bei der Herstellung des Körpers nicht bekannt ist, können gängige Rohr- oder Leitungsdurchmesser berücksichtigt werden. Zur Integration in ein bestehendes Rohr- oder Leitungssystem können dann Körper mit entsprechenden Öffnungen vorgehalten werden.
-
Des Weiteren bevorzugt ist die mindestens eine Öffnung zur Aufnahme eines Rohr- oder Leitungsabschnitts derart angeordnet, dass die Strömungsrichtung des durch den Rohr- oder Leitungsabschnitt geführten Stoffstroms im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des im Hohlraum aufgenommenen Arbeitsmediums ist. Das heißt, dass bevorzugt der als Wärmequelle oder als Wärmesenke dienende Stoffstrom und das im Hohlraum zirkulierende Arbeitsmedium im Kreuzstrom aneinander vorbeigeführt werden. Die Längsachse des den Stoffstrom aufnehmenden Rohr- oder Leitungsabschnitts ist dementsprechend bevorzugt quer zur Längsachse des Körpers der Vorrichtung ausgerichtet.
-
Ist die mindestens eine Öffnung zur Aufnahme eines Rohr- oder Leitungsabschnitts an einer Stirnseite des Körpers oder - bei mehrteiliger Ausführung des Körpers - an einer Stirnseite eines Teils des Körpers ausgebildet, kann der Körper bzw. das Teil derart an den Außenumfang des Rohr- oder Leitungsabschnitts angesetzt werden, dass das stirnseitige Ende den Rohr- oder Leitungsabschnitt über einen Teilumfangsbereich umgreift. Zur Maximierung der Wärmeübertragungsfläche kann an den Außenumfang des Rohr- oder Leitungsabschnitts ein zweites Teil derart angesetzt werden, dass erstes und zweites Teil den Außenumfang des Rohr- oder Leitungsabschnitts vollständig umschließen. Anschließend werden die beiden Teile gefügt.
-
Des Weiteren bevorzugt wird vorgeschlagen, dass der Körper im Bereich der Verdampfungszone und/oder im Bereich der Kondensationszone mindestens zwei Öffnungen besitzt, die sich am Hohlraum gegenüber liegen. Die sich gegenüber liegenden Öffnungen erlauben ein Rohr oder eine Leitung derart aufzunehmen, dass das Rohr bzw. die Leitung vollumfänglich vom Körper umschlossen wird. Vorzugsweise liegen sich die beiden Öffnungen diametral gegenüber, so dass die Länge des im Körper der Vorrichtung aufgenommenen Rohr- oder Leitungsabschnitts maximal ist.
-
Wie bereits zuvor erwähnt kann der im Körper der Vorrichtung aufgenommene Rohr- oder Leitungsabschnitt zur Führung des als Wärmequelle oder Wärmesenke dienenden ersten bzw. zweiten Stoffstroms sowohl Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, als auch Bestandteil eines bestehenden Rohr- oder Leitungssystems sein, in das es die erfindungsgemäße Vorrichtung zu integrieren gilt.
-
Um die Anbindung an ein vorhandenes Rohr bzw. an eine vorhandene Leitung zu erleichtern, ist vorteilhafterweise der Körper mehrteilig ausgeführt und mehrere Teile des Körpers sind im Bereich mindestens einer Öffnung fluiddicht verbunden bzw. verbindbar. Die mehrteilige Ausführung des Körpers vereinfacht die Integration der Vorrichtung in ein bestehendes Rohr- oder Leitungssystem, da dieses nicht geöffnet werden muss, um einen Rohr- oder Leitungsabschnitt in eine Öffnung des Körpers der Vorrichtung einzusetzen. Stattdessen werden die mehreren Teile - wie vorstehend bereits beschrieben - an den Außenumfang des jeweiligen Rohrs bzw. der jeweiligen Leitung angelegt und gefügt. Anschließend wird der nunmehr geschlossene Hohlraum des Körpers mit dem als Wärmeträger dienenden Arbeitsmedium befüllt.
-
Die Fügestelle zweier Teile eines mehrteilig ausgeführten Körpers kann auch außerhalb des Bereichs der mindestens einen Öffnung liegen. Diese Ausführungsform ermöglicht in einfacher Weise eine Anpassung der Länge des Körpers an die jeweiligen baulichen Gegebenheiten. Denn es können unterschiedlich lange Teile bzw. Zwischenteile eingesetzt werden. Ferner können Teile aus verschiedenen Werkstoffen kombiniert werden.
-
Es versteht sich von selbst, dass das als Wärmeträger dienende Arbeitsmedium immer erst dann eingefüllt werden kann, wenn die mindestens eine im Körper ausgebildete Öffnung durch einen hierin eingesetzten Rohr- oder Leitungsabschnitt fluiddicht geschlossen ist und - bei mehrteiliger Ausführung des Körpers - die mehreren Teile des Körpers fluiddicht miteinander verbunden sind.
-
Sofern der Rohr- oder Leitungsabschnitt ein Bestandteil der Vorrichtung ist, ist dieser bevorzugt bereits ab Werk in die mindestens eine Öffnung des Körpers eingesetzt und mit diesem fluiddicht verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Körper bereits ab Werk mit dem Arbeitsmedium befüllt und auf Dichtigkeit geprüft werden kann. Die Integration in ein bestehendes Rohr- oder Leitungssystem erfolgt dann bevorzugt in der Weise, dass ein entsprechender Rohr- oder Leitungsabschnitt des Systems gegen den Rohr- oder Leitungsabschnitt der Vorrichtung ausgetauscht wird.
-
Zur Verbesserung der Wärmeübertragung wird ferner vorgeschlagen, dass der im Körper aufgenommene Rohr- oder Leitungsabschnitt aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gefertigt ist. Alternativ oder ergänzend kann der im Körper aufgenommene Rohr- oder Leitungsabschnitt eine profilierte Außenkontur und/oder eine strukturierte Oberfläche besitzen. Durch diese Maßnahmen - jeweils einzeln oder in Kombination - wird die Wärmeübertragungsfläche vergrößert. Eine Strukturierung der Oberfläche kann beispielsweise durch Sandstrahlen erreicht werden.
-
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der ein- oder mehrteilig ausgeführte Körper zumindest abschnittsweise aus einem biegeelastischen Material gefertigt ist. Denn dann kann die Vorrichtung in einfacher Weise an die jeweilige Einbausituation bzw. an die dort herrschenden Bauraumverhältnisse angepasst werden. Beispielsweise kann der Körper um ein „Hindernis“ herum geführt werden. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der ein- oder mehrteilig ausgeführte Körper zumindest abschnittsweise eine gekrümmte, gebogene oder abgewinkelte Form besitzt. Diese Ausführungsform erlaubt ebenfalls eine Anpassung des Körpers an die jeweilige Einbausituation. Beispielsweise kann der Körper bereits ab Werk passgenau gefertigt oder vor Ort aus entsprechend geformten Teilen zusammengesetzt werden.
-
Bevorzugt ist der Körper der Vorrichtung zumindest abschnittsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Aus der Vielzahl der Kunststoffe kann beispielsweise ein solcher gewählt werden, der gegenüber hohen Temperaturen und/oder aggressiven Stoffen besonders beständig ist. Kunststoffe weisen gegenüber metallischen Werkstoffen zudem eine vergleichsweise niedrige Wärmeleitfähigkeit auf, so dass über den Kunststoff bereits eine gewisse Wärmeisolierung des Körpers gewährleistet ist. Alternativ oder ergänzend kann der Körper zumindest abschnittsweise von einer Wärmeisolierung umgeben sein.
-
Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass der Hohlraum des Körpers zumindest teilweise mit einem kapillaraktiven und/oder porösen Material befüllt ist. Die Kapillaraktivität bezieht sich dabei auf das Arbeitsmedium, das im Hohlraum des Körpers aufgenommen ist. Welcher Art das kapillaraktive und/oder poröse Material ist, hängt demnach insbesondere von der Wahl des Arbeitsmediums ab.
-
Als besonders vorteilhaft erweist sich die Anordnung eines kapillaraktiven und/oder porösen Materials zumindest im Bereich der Verdampfungszone der Vorrichtung. Denn im Bereich der Verdampfungszone ist der als Wärmequelle dienende Rohr- oder Leitungsabschnitt aufgenommen, an den es das als Kondensat vorliegende Arbeitsmedium heranzuführen gilt, damit es sicher verdampft.
-
Ist der Körper der Vorrichtung derart orientiert, dass der Bereich der Verdampfungszone nicht zugleich den am tiefsten liegenden Bereich umfasst, erfolgt vorzugsweise die Anordnung des kapillaraktiven und/oder porösen Materials in der Weise, dass sich dieses von dem am tiefsten liegenden Bereich zumindest bis an den als Wärmequelle dienenden Rohr- oder Leitungsabschnitt erstreckt. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass das als Kondensat vorliegende Arbeitsmedium sicher an den als Wärmequelle dienenden Rohr- oder Leitungsabschnitt herangeführt wird und dort verdampft. Das kapillaraktive und/oder poröse Material wirkt damit der Gefahr entgegen, dass sich Kondensat in einem Bodenbereich der Vorrichtung ansammelt und dem Kreislauf entzogen wird.
-
Als kapillaraktives und/oder poröses Material eignet sich insbesondere eine Schüttung aus porösem Steinmaterial, wie beispielsweise Lavagestein. Ferner können Gewebe, Gewirke oder Geflechte aus Metalldraht eingesetzt werden. Darüber hinaus können alle Materialien verwendet werden, die sonst üblicherweise in Wärmerohren als kapillaraktives und/oder poröses Material eingesetzt werden.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere gleichartige Körper in Strömungsrichtung des ersten und/oder des zweiten Stoffstroms hintereinander angeordnet. Dadurch kann die Effizienz der Vorrichtung nochmals gesteigert werden. Der maximal erreichbare Temperaturausgleich beträgt:
- ΔT * n / (n + 1), wobei „n“ die Anzahl der Körper angibt.
-
Daraus ergibt sich ein maximaler Temperaturübertrag von 50% bei einem Körper, von 66% bei zwei Körpern, von 75% bei drei Körpern, ... und ca. 90% bei 9 Körpern. Über die Anzahl der Körper kann demnach der Wärmeübertrag definiert werden.
-
Die mehreren Körper sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. In dieser Anordnung ist die Vorrichtung besonders kompaktbauend.
-
Darüber hinaus wird eine thermodynamische Kreisprozessanlage, insbesondere eine Kompressionswärmepumpe oder eine Kompressionskältemaschine, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung vorgeschlagen, wobei ein in der thermodynamischen Kreisprozessanlage als Arbeitsmedium eingesetzter Stoffstrom durch mindestens einen im Körper der Vorrichtung aufgenommenen Rohr- oder Leitungsabschnitt geführt ist. Der Rohr- oder Leitungsabschnitt kann dabei Bestandteil der Vorrichtung oder Bestandteil eines Rohr- oder Leitungssystems der Anlage sein, in welche die Vorrichtung integriert ist.
-
In Kombination mit einer solchen Anlage weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass sie sehr einfach in das Rohr- oder Leitungssystem der Anlage integrierbar ist. Denn es muss kein Rohr bzw. keine Leitung geöffnet werden, um die Vorrichtung mit dem Rohr- oder Leitungssystem der Anlage zu verbinden. Die Vorrichtung eignet sich daher insbesondere zur Nachrüstung bestehender thermodynamischer Kreisprozessanlagen, beispielsweise um diese effizienter zu machen. Dabei ist keine Änderung der Bauform der Anlage erforderlich, da der zu integrierende Körper der Vorrichtung an die jeweils vorhandene Einbausituation anpassbar ist. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Körper mehrteilig ausgeführt und/oder zumindest abschnittsweise biegeelastisch ausgeführt ist.
-
Sofern die erfindungsgemäße Vorrichtung „von außen“ an ein Rohr- oder Leitungssystem einer bestehenden Anlage angebaut wird, hat diese Maßnahme keinen Einfluss auf den Strömungswiderstand innerhalb des Rohr- oder Leitungssystems. Denn an dem Rohr- oder Leitungssystem werden keine Änderungen vorgenommen.
-
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart in die thermodynamische Kreisprozessanlage integriert, dass sie einen Niederdruckbereich mit einem Hochdruckbereich der Anlage verbindet. In dieser Anordnung besitzt sie die Funktion eines internen Wärmetauschers, der die Effizienz des Systems steigert. Darüber hinaus vermag die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Temperaturausgleich zu bewirken, wenn die Anlage nicht in Betrieb ist bzw. stillsteht. Der Temperaturausgleich führt zu einer deutlichen Verminderung von Temperatur- und/oder Druckspitzen im Rohr- oder Leitungssystem der Anlage, so dass diese geringeren Belastungen ausgesetzt ist. Damit steigt die Lebensdauer der Anlage. Des Weiteren erhöht sich die Betriebssicherheit der Anlage.
-
Die vorgeschlagene thermodynamische Kreisprozessanlage umfasst ferner bevorzugt einen Kompressor, einen Kondensator, eine Drosseleinrichtung und einen Verdampfer, die über ein Rohr- oder Leitungssystem verbunden sind. Im Kompressor wird das Arbeitsmedium der Anlage verdichtet und anschließend dem Kondensator zugeführt, wo das Arbeitsmedium kondensiert und Wärme freigibt. Zur Entspannung wird das Arbeitsmedium einer Drosseleinrichtung, beispielsweise in Form eines Expansionsventils, zugeführt. Das entspannte Arbeitsmedium gelangt dann zum Verdampfer, wo es in einen gasförmigen Zustand überführt wird und Wärme aufnimmt. Das gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend dem Kompressor zugeführt und dort wieder verdichtet, womit der thermodynamische Kreisprozess von vorn beginnt.
-
Des Weiteren bevorzugt ist die Vorrichtung innerhalb der Anlage derart angeordnet, dass der Körper der Vorrichtung im Bereich der Verdampfungszone von einem Rohr- oder Leitungsabschnitt durchsetzt ist, der stromaufwärts des Kompressors angeordnet ist, und im Bereich der Kondensationszone von einem Rohr- oder Leitungsabschnitt durchsetzt ist, der stromaufwärts der Drosseleinrichtung angeordnet ist. Die Angabe „stromaufwärts“ bezieht sich dabei auf die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums der Anlage. Handelt es sich beispielsweise bei der Anlage um eine Kompressionswärmepumpe, kann über diese Anordnung der Vorrichtung zur Wärmeübertragung ein zusätzlicher „innerer“ Wärmeaustausch bewirkt werden, der zu einer Effizienzsteigerung der Anlage führt.
-
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung angegeben. Bei diesem Verfahren wird zunächst der ein- oder mehrteilig ausgeführte Körper, der zur Aufnahme eines als Wärmeträger dienenden Arbeitsmediums einen Hohlraum ausbildet, mit mindestens einem Rohr- oder Leitungsabschnitt fluiddicht verbunden. Sofern weitere Öffnungen zur Aufnahme eines Rohr- oder Leitungsabschnitts vorgesehen sind, werden diese auf gleiche Weise geschlossen. Erst anschließend wird der Hohlraum mit dem als Wärmeträger dienenden Arbeitsmedium befüllt.
-
Sofern der Körper mehrteilig ausgeführt ist, werden bei der Herstellung der fluiddichten Verbindung des Körpers mit dem Rohr- oder Leitungsabschnitt bevorzugt mehrere Teile des Körpers an den Rohr- oder Leitungsabschnitt angesetzt und gefügt. Dabei werden die Teile des Körpers sowohl miteinander, als auch mit dem Rohr- oder Leitungsabschnitt fluiddicht verbunden.
-
Eine fluiddichte Verbindung des Körpers mit einem Rohr- oder Leitungsabschnitt und/oder der mehreren Teile des Körpers untereinander kann insbesondere durch eine Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindung bewirkt werden. Ferner können zusätzliche Dichtelemente, wie beispielsweise O-Ringe, eingesetzt werden. In diesem Fall kann die Verbindung zwischen dem Körper und dem Rohr- oder Leitungsabschnitt auch durch eine Press- oder Klemmverbindung erreicht werden. Ferner kann eine fluiddichte Verbindung durch Umformen, beispielsweise durch eine Bördelung und/oder eine Quetschung bewirkt werden.
-
Die Art des Arbeitsmediums der Vorrichtung zur Wärmeübertragung ist auf den jeweiligen Anwendungsfall abzustimmen. Grundsätzlich sind alle Arbeitsmedien einsetzbar, die auch bei Wärmerohren bzw. Heatpipes zum Einsatz gelangen. Ferner kann der Füllgrad bzw. der Druck im Körper der Vorrichtung den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel,
- 6 einen schematischen Längsschnitt durch die Verdampfungszone der Vorrichtung der 5, um 90° gedreht,
- 7 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem sechsten bevorzugten Ausführungsbeispiel, beschränkt auf die Darstellung der Verdampfungszone,
- 8 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem siebten bevorzugten Ausführungsbeispiel und
- 9 eine schematische Darstellung einer thermodynamischen Kreisprozessanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wärmeübertragung.
-
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung zu entnehmen, die einen langgestreckten Körper 2 aufweist, in dem ein Hohlraum 3 zur Aufnahme eines als Wärmeträger dienenden Arbeitsmediums ausgebildet ist. Der Körper 2 wird oben und unten jeweils von einem Rohrabschnitt 7 durchsetzt, der in Öffnungen 6 des Körpers 2 aufgenommen ist. Der obere Rohrabschnitt 7 kommt dabei im Bereich einer Kondensationszone 5 zu liegen, während der untere Rohrabschnitt 7 im Bereich einer Verdampfungszone 4 zu liegen kommt. Grundsätzlich können die beiden Zonen 4, 5 auch umgekehrt angeordnet werden.
-
Der im Bereich der Verdampfungszone 4 den Körper 2 durchsetzende Rohrabschnitt 7 dient der Führung eines ersten Stoffstroms, während der im Bereich der Kondensationszone 5 den Körper 2 durchsetzende Rohrabschnitt 7 der Führung eines zweiten Stoffstroms dient, der sich vom ersten Stoffstrom zumindest hinsichtlich der Temperatur unterscheidet. Denn Aufgabe der Vorrichtung 1 ist es, Wärme vom ersten Stoffstrom auf den zweiten Stoffstrom zu übertragen. Der erste Stoffstrom dient demnach als Wärmequelle und der zweite Stoffstrom als Wärmesenke. Der Wärmetransport erfolgt über das im Hohlraum 3 des Körpers 2 aufgenommene Arbeitsmedium, das im Hohlraum 3 selbständig zirkuliert. Dabei wechselt das Arbeitsmedium seinen Aggregatzustand, wobei - gleich der Funktionsweise eines Wärmerohrs - Wärme aufgenommen bzw. abgegeben wird.
-
Im Bereich der Verdampfungszone 4 ist im Hohlraum 3 ein poröses Material 9 in Form einer Schüttung aus Lavagestein aufgenommen. Das poröse Material bewirkt, dass sich unten am Boden des Hohlraums 3 sammelndes Kondensat über die Kapillarwirkung der Materialporen an den unteren Rohrabschnitt 7 herangeführt wird, um dort sicher zu verdampfen.
-
Eine Abwandlung der Vorrichtung 1 der 1 ist in der 2 dargestellt. Hier besitzt der Körper 2 eine etwas andere Form. Ferner sind die Rohrabschnitte 7 auf jeweils zwei Rohrquerschnitte 7 verteilt, so dass die „innenliegende“ Wärmeübertragungsfläche über die Rohrabschnitte 7 vergrößert wird. Im Übrigen gleicht die Ausführungsform der der 1.
-
Den 3 und 4 sind weitere Ausführungsformen zu entnehmen, die sich lediglich dadurch voneinander unterscheiden, dass der zur Ausbildung einer „innenliegenden“ Wärmeübertragungsfläche vorgesehene Rohrabschnitt 7 einmal unten, das heißt im Bereich der Verdampfungszone 4 (3), und einmal oben, das heißt im Bereich der Kondensationszone 5 (4), angeordnet ist. Das jeweils andere Ende des Körpers 2 taucht in einen weiteren Rohrabschnitt 7 ein, so dass hier „außenliegende“ Wärmeübertragungsflächen über die Mantel- und Bodenfläche des eintauchenden Endes des Körpers 2 ausgebildet werden. Das heißt, dass bei einer Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung die Enden des Körpers 2 nicht zwingend gleich ausgebildet sein müssen.
-
Ferner ist in den 3 und 4 eine Wärmeisolierung 8 angedeutet, die den Körper 2 zumindest abschnittsweise umgibt. Dadurch wird verhindert, dass Wärme über die Wandung des Körpers 2 nach außen abgegeben wird. Auf diese Weise können Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert werden.
-
Der 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zu entnehmen. Hier ist der Rohr- bzw. Leitungsabschnitt 7 von einem Drahtgeflecht als kapillaraktivem Material 9 umgeben. Dieses ist derart geformt, dass es einen Steg ausbildet, der bis zum Boden des Körpers 2 geführt ist (siehe auch 6). Der Steg besitzt eine Dochtwirkung, durch welche sichergestellt ist, dass im Bodenbereich des Körpers 2 angesammeltes Kondensat an den Rohr- oder Leitungsabschnitt 7 herangeführt wird. Die Umwicklung des Rohr- oder Leitungsabschnitts 7 mit dem Material 9 bewirkt, dass das Kondensat über den gesamten Außenumfang des Rohr- oder Leitungsabschnitts 7 gleichmäßig verteilt wird, so dass eine optimale Verdampfung bewirkt wird. Denn die Außenumfangsfläche des Rohr- oder Leitungsabschnitts 7 stellt die „innere“ Wärmeübertragungsfläche dar.
-
Der 7 ist ein Beispiel für eine mehrteilige Ausführung des Körpers 2 der Vorrichtung 1 zu entnehmen. Ein erstes Teil, das mit dem Rohr- oder Leitungsabschnitt 7 verbunden ist, weist an der unteren Stirnseite eine Öffnung 6 auf, in welcher der Rohr- oder Leitungsabschnitt 7 aufgenommen ist. Die Verbindung wird über eine Pressverbindung erreicht, wobei im Bereich des Presssitzes ein Dichtelement 19 angeordnet ist. Das Dichtelement 19 gewährleistet eine fluiddichte Verbindung. An seiner anderen Stirnseite weist das Teil des Körpers 2 eine Öffnung auf, die endseitig eine Bördelung 20 zur Verbindung mit einem weiteren Teil des Körpers 2 besitzt. Im weiteren Teil ist hierzu eine umlaufende Sicke 21 ausgebildet. Zur fluiddichten Verbindung können die beiden Teile zusätzlich verpresst werden.
-
Bei der Ausführungsform der 7 besteht die Möglichkeit die mehreren Teile des Körpers 2 aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen. Beispielsweise können das untere Teil aus einem formsteifen Material und das obere Teil aus einem flexiblen Material gefertigt sein. Dadurch erhöht sich die Anpassungsfähigkeit der Vorrichtung 1 an die jeweilige Einbausituation. Sofern im oberen Teil des Körpers 2 ebenfalls ein kapillaraktives und/oder poröses Material 9 angeordnet ist, ist dieses ebenfalls flexibel zu wählen. Die Anordnung eines kapillaraktiven und/oder porösen Materials 9 in diesem Bereich ist jedoch nur dann notwendig, wenn das Kondensat nicht von allein, nämlich mittels Schwerkraft, von der Kondensationszone 5 zur Verdampfungszone 4 gelangt.
-
In der 8 ist eine Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung dargestellt, die mehrere Körper 2 in paralleler Anordnung umfasst und jeweils oben und unten von einem Rohrabschnitt 7 durchsetzt werden. Der erste Stoffstrom im unteren Rohrabschnitt 7 passiert demnach mehrere Verdampfungszonen 4 hintereinander, so dass ihm mehr Wärme entzogen wird. Entsprechend wird in den hintereinander geschalteten mehreren Kondensationszonen 5 mehr Wärme an den durch den oberen Rohrabschnitt 7 geführten zweiten Stoffstrom abgegeben. Durch die mehreren hintereinander geschalteten Körper 2 kann demnach die Effizienz des Systems gesteigert werden.
-
Ein Anwendungsbereich einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung ist der 9 zu entnehmen. Die 9 zeigt eine thermodynamische Kreisprozessanlage. Die Vorrichtung 1 besitzt hierin die Funktion eines internen Wärmetauschers, um die Effizienz der thermodynamischen Kreisprozessanlage zu steigern.
-
Die in der 9 dargestellte thermodynamische Kreisprozessanlage umfasst neben der Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung einen Kompressor 12, einen Kondensator 13, eine Drosseleinrichtung 14 sowie einen Verdampfer 15, die über ein kreisbildendes Rohr- oder Leitungssystem 18 verbunden sind. Ferner ist ein Elektromotor 17 für den Antrieb des Kompressors 12 vorgesehen. Durch das Rohrsystem 18 zirkuliert ein Arbeitsmedium, das im Bereich des Verdampfers 15 unter Aufnahme von Wärme verdampft und im Bereich des Kondensators 13 unter Abgabe von Wärme wieder verflüssigt wird. Die Strömungsrichtung 16 des Arbeitsmediums ist in der 9 durch die Pfeile angegeben.
-
Ein erster Endabschnitt des Körpers 2 der Vorrichtung 1, in dem die Verdampfungszone 4 ausgebildet ist, wird von einem Rohrabschnitt 7 durchdrungen, der stromaufwärts der Drosseleinrichtung 14 angeordnet ist. Ein zweiter Endabschnitt des Körpers 2, in dem die Kondensationszone 5 ausgebildet ist, wird von einem Rohrabschnitt 7 durchdrungen, der stromaufwärts des Kompressors 12 angeordnet ist. Das heißt, dass die Vorrichtung 1 einen Hochdruckbereich 11 mit einem Niederdruckbereich 10 der Anlage verbindet.
-
Die Vorrichtung 1 ist besonders einfach in eine Anlage entsprechend der 9 zu integrieren, wenn der Körper 2 der Vorrichtung 1 mehrteilig ausgeführt ist. Denn dann können die mehreren Teile derart um die entsprechenden Rohrabschnitte 7 des Rohrsystems 18 gelegt und anschließend gefügt werden, dass das Rohrsystem 18 nicht geöffnet werden muss (siehe Ausführungsbeispiel der 7). Auf diese Weise können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bereits bestehende Anlagen leicht nachgerüstet werden, um eine Effizienzsteigerung zu bewirken.
-
Indem zumindest ein Rohrabschnitt 7 durch den Körper 2 der Vorrichtung 1 hindurch geführt ist, wird der vollständig von dem als Wärmeträger dienenden Arbeitsmedium der Vorrichtung 1 umströmt, so dass maximal große, innerhalb des Körpers 2 liegende Wärmeübertragungsflächen ausgebildet werden. Der Körper 2 kann demgegenüber aus einem beliebigen Material gefertigt sein, da er keine Wärmeübertragungsflächen ausbildet.
-
Wird der Körper 2 zumindest abschnittsweise aus einem biegeelastischen Material gefertigt, kann er beliebig im Raum ausgerichtet und/oder um Hindernisse herum geführt werden (siehe 9). Ferner kann die Länge des Körpers 2 an den Abstand zwischen den zu verbindenden Rohrabschnitten 7 angepasst werden. Die Vorrichtung 1 ist somit vielseitig einsetzbar und insbesondere für Anwendungen geeignet, die beengte oder schwer zugängliche Bauraumverhältnisse aufweisen.
-
Da das Arbeitsmedium erst nachträglich eingefüllt wird, d. h. nach der fluiddichten Verbindung des Körpers 2 mit einem Rohrabschnitt 7, kann die Art des Arbeitsmediums sowie der Füllgrad bzw. der Druck entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung zur Wärmeübertragung
- 2
- Körper
- 3
- Hohlraum
- 4
- Verdampfungszone
- 5
- Kondensationszone
- 6
- Öffnung
- 7
- Rohr- oder Leitungsabschnitt
- 8
- Wärmeisolierung
- 9
- kapillaraktives und/oder poröses Material
- 10
- Niederdruckbereich
- 11
- Hochdruckbereich
- 12
- Kompressor
- 13
- Kondensator
- 14
- Drosseleinrichtung
- 15
- Verdampfer
- 16
- Strömungsrichtung
- 17
- Elektromotor
- 18
- Rohr- oder Leitungssystem
- 19
- Dichtelement
- 20
- Bördelung
- 21
- Sicke
