DE102015112833A1 - Heat exchanger and vehicle air conditioning - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung hat einen Wärmetauscher zum Gegenstand mit einer Anordnung von parallel geführten flachen Rohren (1a, 1b), die dazu bestimmt sind, dass in ihnen das Kühlmittel geführt wird und verdampft. Zwischen den Rohren sind Lamellen (2) angebracht, die in Richtung senkrecht zum Verlauf der Rohre Luft-Führungsschlitze bilden und so die Strömungsrichtung von zu kühlender Luft definieren. Die Rohre bilden mindestens zwei Baugruppen (11), die in Strömungsrichtung (3) der Luft hintereinander angeordnet sind. Die Baugruppen (11, 12) unterscheiden sich in der freien inneren Querschnittsfläche (W1, W2) der Rohre (1a, 1b) für das Kühlmittel.The invention relates to a heat exchanger with an arrangement of parallel flat tubes (1a, 1b), which are intended that in them the coolant is guided and evaporated. Between the tubes slats (2) are mounted, which form in the direction perpendicular to the course of the tubes air guide slots and thus define the flow direction of the air to be cooled. The tubes form at least two assemblies (11), which are arranged one behind the other in the flow direction (3) of the air. The assemblies (11, 12) differ in the free inner cross-sectional area (W1, W2) of the tubes (1a, 1b) for the coolant.
Description
Die Erfindung hat einen Wärmetauscher für Fahrzeugklimaanlagen zum Gegenstand, mit dem insbesondere Luft mittels eines verdampfenden Kühlmittels abgekühlt wird, wobei zur Erhöhung der Effektivität in der Konzeption des Wärmetauschers berücksichtigt wird, dass die beim Verdampfen sich verringernde Dichte des Kühlmittels zu einer verringerten weiteren Wärmeaufnahmefähigkeit führt. Dies wird erreicht, indem die Flachrohre Baugruppen mit unterschiedlicher Querschnittsfläche der einzelnen Rohre für den Kühlmittelstrom bilden. Dabei wird in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Wärmetauscher“ synonym mit „Verdampfer“, „Verdunster“ oder „Evaporator“ verwendet. The invention relates to a heat exchanger for vehicle air conditioning with the particular air is cooled by means of a vaporizing coolant, which is taken into account in increasing the effectiveness in the design of the heat exchanger, that the vaporizing decreasing density of the coolant leads to a reduced further heat absorption capacity. This is achieved by the flat tubes form assemblies with different cross-sectional area of the individual tubes for the coolant flow. In the present application, the term "heat exchanger" is used synonymously with "evaporator", "evaporator" or "evaporator".
Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeugklimaanlage. Klimaanlagen, insbesondere für Fahrzeuge, werden gewöhnlich mit Wärmetauschern ausgerüstet, in denen ein durch Druckminderung abgekühltes und verflüssigtes Kühlmittel in dünnen Rohleitungen verdampft, wodurch es der Luft, die an den Rohrleitungen mit dem Kühlmittel vorbeistreicht, Wärme entzieht und so eine Temperaturabsenkung der Luft bewirkt. Furthermore, the invention relates to a vehicle air conditioning system. Air conditioning systems, especially for vehicles, are usually equipped with heat exchangers in which a cooled by pressure reduction and liquefied refrigerant evaporates in thin pipelines, whereby the air that flows past the pipes with the coolant, heat and thus causes a decrease in temperature of the air.
Hierfür gibt es im Stand der Technik eine Reihe von Wärmetauschern mit unterschiedlichen Bauformen. Insbesondere finden runde und auch flache Rohre Verwendung, sowie serpentinartig geformte Rohre oder parallel zwischen Sammlern angeordnete Rohre. Typische Bezeichnungen im Stand der Technik hierfür sind „plate and fin“, „parallel flow“, „serpentine type“ und „tube and fin“. For this purpose, there are in the prior art, a number of heat exchangers with different designs. In particular, round and flat tubes are used, as well as serpentine-shaped tubes or tubes arranged in parallel between collectors. Typical designations in the art for this are "plate and fin", "parallel flow", "serpentine type" and "tube and fin".
Wärmetauscher für Klimaanlagen in Fahrzeugen müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Insbesondere müssen sie kurzfristig bis zu 9 kW Wärmeleistung übertragen können, sie müssen möglichst klein sein, damit sie unter dem Armaturenbrett des Fahrzeugs angeordnet werden können, der Kühlmittelfluss kann bis zu 10 kg/min betragen, und für den Luftweg soll es einen möglichst geringen Druckabfall geben. Außerdem ist ein Spritzwasserschutz erforderlich, weil Spritzwasser, das insbesondere als Kondensatwasser am Verdampfer entsteht, an den Heizer übertragen werden kann, dort verdunstet und später auf der (relativ) kalten Windschutzscheibe kondensiert, so dass diese beschlägt. Das Kondenswasser aus der zu kühlenden Luft muss also sicher abgeführt werden und darf nicht, auch nicht temporär, über die Klimaanlage in den Fahrgastraum gelangen. Heat exchangers for air conditioning systems in vehicles must meet a number of requirements. In particular, they must be able to transmit up to 9 kW heat output in the short term, they must be as small as possible so that they can be arranged under the dashboard of the vehicle, the coolant flow can be up to 10 kg / min, and for the airway it should be as low a pressure drop give. In addition, a splash protection is required because splashing, which arises in particular as condensate water on the evaporator can be transferred to the heater, evaporates there and later condenses on the (relatively) cold windshield so that it fogs. The condensate from the air to be cooled must therefore be safely removed and must not, even temporarily, enter the passenger compartment via the air conditioning system.
Diese Anforderungen in ihrer Gesamtheit sind als sehr hoch einzustufen und führten in den letzen Jahren und Jahrzehnten zu einer Reihe von Optimierungen. Dabei ging man immer mehr zu Wärmetauschern mit parallel geführten flachen Rohren über, die letztlich am besten an die Anforderungen für Fahrzeuge angepasst sind. These requirements in their entirety are considered to be very high and have led to a number of optimizations in recent years and decades. In the process, more and more heat exchangers with parallel flat tubes were used, which are ultimately best adapted to the requirements of vehicles.
Die
Ähnlich ist es beim Wärmetauscher gemäß der
Einen Wärmetauscher, der Luft im Gegenstromverfahren in insgesamt sechs Fluten kühlt, zeigt die
Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus und stellt sich die Aufgabe, einen zusätzlichen, zur Optimierung des Wärmetauschers beeinflussbaren Parameter zur Verfügung zu stellen, der dafür genutzt werden kann, den Kühlmittelstrom im Auslassbereich zu verlangsamen, um so die erreichbare Temperaturdifferenz und damit die Effektivität des Wärmetauschers bei gleichbleibenden äußeren Abmessungen zu erhöhen. The invention is based on this prior art and has the task of providing an additional parameter which can be influenced for optimizing the heat exchanger, which parameter can be used to slow down the coolant flow in the outlet region, in order to obtain the achievable temperature difference and thus the To increase the effectiveness of the heat exchanger at constant external dimensions.
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung mit einem Wärmetauscher folgenden Merkmalen gelöst:
Der Wärmetauscher weist einen Kühlmittelein- und einen Kühlmittelauslass und parallel geführte flache Rohre auf, die dazu bestimmt sind, dass in ihnen das Kühlmittel geführt wird und verdampft. Zwischen den Rohren sind Lamellen angebracht, die in Richtung senkrecht zum Verlauf der Rohre Luft-Führungsschlitze bilden und so die Strömungsrichtung der durchströmenden Luft definieren. Dabei bilden die Rohre mindestens zwei nacheinander von Kühlmittel durchströmte Baugruppen, die in Strömungsrichtung der Luft hintereinander angeordnet sind, und diese Baugruppen unterscheiden sich in der Größe der inneren Querschnittsfläche der jeweiligen Rohre der Baugruppen. Die Rohre, die an den Kühlmitteleinlass angrenzen, haben eine größere Querschnittsfläche als die an den Kühlmittelauslass angrenzenden Rohre. This object is achieved in a first aspect of the invention with a heat exchanger having the following features:
The heat exchanger has a Kühlmittelein- and a coolant outlet and parallel guided flat tubes, which are intended that in them the coolant is guided and evaporated. Slats are mounted between the tubes, which form air guide slots in the direction perpendicular to the course of the tubes and thus define the flow direction of the air flowing through. In this case, the tubes form at least two subassemblies through which coolant flows successively, which are arranged one behind the other in the flow direction of the air, and these subassemblies differ in the size of the internal cross-sectional area of the respective tubes of the subassemblies. The tubes adjacent the coolant inlet have a larger cross-sectional area than the tubes adjacent the coolant outlet.
Damit wird für die Optimierung ganz unterschiedlich konzipierter Wärmetauscher ein zusätzlicher Parameter bereitgestellt, nämlich die Variation der inneren freien Querschnittsfläche der Rohre. Zudem ist die weitere Erkenntnis einbezogen, dass eine Abstufung in zwei oder wenige unterschiedliche Rohrtypen für praktische Zwecke ausreicht. Durch die unterschiedlichen Rohre kann ferner die Vergrößerung des Rohrquerschnittes mit zunehmender Strömungsstrecke viel genauer an die geringere Dichte des Kühlmittels angepasst werden als bei der stufenweisen Erhöhung der Anzahl der identischen Rohre im Stand der Technik. Thus, an additional parameter is provided for optimizing heat exchangers of entirely different design, namely the variation of the inner free cross-sectional area of the tubes. In addition, the further realization is included that a grading in two or a few different tube types is sufficient for practical purposes. Due to the different tubes, the enlargement of the tube cross-section can also be adapted much more closely to the lower density of the coolant with increasing flow path than with the stepwise increase in the number of identical tubes in the prior art.
Ausführungsarten der Erfindung nutzen diesen Optimierungsparameter, um besser als im Stand der Technik zu berücksichtigen, dass im Verlauf des Durchströmens der Kühlflüssigkeit durch den Wärmetauscher die beim Verdampfen sich verringernde Dichte des Kühlmittels zu einer verringerten weiteren Wärmeaufnahmefähigkeit führt. Embodiments of the invention utilize this optimization parameter to better account for the prior art that as the coolant passes through the heat exchanger, the density of the coolant decreasing upon evaporation results in reduced further heat absorption capability.
In einer ersten Ausführungsart der Erfindung weist der Wärmetauscher einen unteren und einen oberen Sammler auf, die jeweils aus einem Bodenteil und einem Deckel bestehen. An einem der Sammler ist der Kühlmitteleinlass des Wärmetauschers angebracht und an demselben Sammler oder an dem anderen Sammler der Kühlmittelauslass. Die Enden der flachen Rohre sind in Öffnungen in diesen Sammlern gelötet. Jeder der beiden Sammler bildet entweder nur einen Bereich oder mehrere voneinander durch Trennwände abgetrennte Bereiche, derart, dass die Rohre mindestens zwei nacheinander vom Kühlmittel durchströmte Fluten bilden, wobei sich zumindest einige der Fluten im Querschnitt der Rohre unterscheiden und ggf. auch in der Anzahl der Rohre, die vom Kühlmittel durchströmt werden. Dabei ist bei der Flut am Kühlmittelauslass des Wärmetauschers die Summe der Einzelquerschnitte der Rohre größer als bei der Flut, die vom Kühlmitteleinlass ausgeht. In a first embodiment of the invention, the heat exchanger has a lower and an upper collector, each consisting of a bottom part and a lid. The coolant inlet of the heat exchanger is attached to one of the collectors, and the coolant outlet is attached to the same collector or to the other collector. The ends of the flat tubes are soldered into openings in these collectors. Each of the two collectors either forms only one area or several areas separated from one another by partitions, such that the pipes form at least two floods flowed through in succession by the coolant, wherein at least some of the floods differ in the cross section of the pipes and possibly also in the number of Pipes through which the coolant flows. In this case, the sum of the individual cross sections of the pipes is greater in the case of the flood at the coolant outlet of the heat exchanger than in the case of the flood, which starts from the coolant inlet.
Durch die Verwendung von Flach-Rohren mit größerem Querschnitt für das durchfließende Kühlmittel zumindest in der letzten Flut vor dem Auslass kann erreicht werden, dass sich in diesem Bereich der Druckabfall des Kühlmittels verringert, was, bei vorgegebenem Auslassdruck, einen niedrigerer Eintrittsdruck und eine tiefere Eintrittstemperatur und damit eine größere Temperaturdifferenz zur eintretenden Luft ermöglicht. Während des Durchlaufs durch den Wärmetauscher verringert das Kühlmittel durch Verdampfen kontinuierlich seine Dichte, und es benötigt daher ein größeres Volumen, um dieselbe Wärmemenge aufzunehmen („progressive circuiting“). Dieses größere Volumen stellen aber in dieser Ausführungsart, im Unterschied zum Stand der Technik, Rohre größeren Querschnitts zur Verfügung, ohne dass, wie beim Stand der Technik, durch Erhöhung der Zahl der parallel genutzten Rohre gleichzeitig mehr Lamellenfläche bereitgestellt wird und dafür ein größeres Wärmetauschervolumen erforderlich wird. By using flat pipes with a larger cross section for the coolant flowing through, at least in the last flood upstream of the outlet, it is possible to reduce the pressure drop of the coolant in this region, which, for a given outlet pressure, has a lower inlet pressure and a lower inlet temperature and thus allows a greater temperature difference to the incoming air. During the passage through the heat exchanger, the refrigerant continuously reduces its density by evaporation and therefore requires a larger volume to accommodate the same amount of heat ("progressive circuiting"). In this embodiment, however, this larger volume, unlike the prior art, pipes of larger cross-section available without, as in the prior art, by increasing the number of parallel tubes simultaneously more slat surface is provided and for a larger heat exchanger volume required becomes.
Insgesamt führt diese Optimierung nicht nur zu einer besseren Kühlung der durchströmenden Luft, sondern, wegen des verringerten Druckabfalls, auch zu einem niedrigeren Taupunkt und damit zu einem besseren Trocknen der Luft. Overall, this optimization not only leads to better cooling of the air flowing through, but also due to the reduced pressure drop, to a lower dew point and thus to a better drying of the air.
Optimierungsrechnungen haben ergeben, dass bei dieser Ausführungsart der Erfindung die Querschnittsfläche der Rohre der zweiten Baugruppe das 1,1-Fache bis 2,5-Fache und insbesondere das 1,2-Fache bis 1,6-Fache der Querschnittsfläche der Rohre der ersten Baugruppe betragen soll. Optimization calculations have shown that in this embodiment of the invention, the cross-sectional area of the tubes of the second assembly is 1.1 times to 2.5 times, and more preferably 1.2 times to 1.6 times, the cross-sectional area of the tubes of the first assembly should be.
Vorteilhaft ergänzend und unterstützend können in einer weiteren Ausführungsart der Erfindung die Anzahl der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Rohre der Baugruppen und damit die Fläche der dem Durchfluss zugeordneten Lamellen unterschiedlich sein. Dadurch kann die wirksame Lamellenfläche unabhängig vom Strömungsquerschnitt des Kühlmittels optimiert werden. Advantageously complementary and supportive in a further embodiment of the invention, the number of successively arranged in the flow direction of the tubes of the modules and thus the surface of the flow associated slats be different. As a result, the effective fin surface can be optimized independently of the flow cross-section of the coolant.
Das gesamte Verlöten der Bestandteile des Wärmetauschers erfolgt bevorzugt kostengünstig in einem einzigen Arbeitsgang. The entire soldering of the components of the heat exchanger is preferably carried out inexpensively in a single operation.
In einer weiteren, besonders einfachen Ausführungsart der Erfindung besteht der Wärmetauscher aus genau zwei Fluten, wobei die erste Flut Rohre mit kleinerem Querschnitt und die zweiten Flut Rohre mit größerem Querschnitt aufweist, und wobei die Rohre jeder Flut jeweils von einer Baugruppe gebildet werden, mit Rohren, die untereinander einen einheitlichen Querschnitt aufweisen. Bereits in dieser einfachen Bauart kann die sich durch Wärmezufuhr verringernde Dichte des Kühlmittels vorteilhaft in guter Näherung berücksichtigt werden. In a further, particularly simple embodiment of the invention, the heat exchanger consists of exactly two floods, the first flood having tubes of smaller cross section and the second trough having tubes of larger cross section, and wherein the tubes of each tide are each formed by an assembly with tubes which have a uniform cross-section with each other. Already in this simple design can be characterized by heat decreasing density of the coolant advantageously be taken into account in a good approximation.
In einer weiteren Ausführungsart kann der Kühlmittelfluss weiter optimiert werden, indem die Rohre mehr als zwei nacheinander vom Kühlmittel durchströmte Fluten bilden. Dabei bilden die Strömungsquerschnitte der Fluten, errechnet als das Produkt aus der Anzahl der Rohre, die zu der Flut beitragen, und der Querschnittsfläche eines der identischen Rohre dieser Flut, eine in Strömungsrichtung des Kühlmittels monoton ansteigende Folge. In a further embodiment, the coolant flow can be further optimized by the tubes form more than two successively flowed through by the coolant floods. In this case, the flow cross sections of the floods, calculated as the product of the number of tubes which contribute to the flood, and the cross-sectional area of one of the identical tubes of this flood, form a monotonically increasing sequence in the flow direction of the coolant.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft das Herstellen einer Mehrzahl von Wärmetauschern unterschiedlicher Nennleistung. Dies kann dadurch optimiert werden, dass eine Baugruppe von Rohren in einen Wärmeaustauscher höherer Leistung als Baugruppe mit geringerer Querschnittsfläche verbaut wird, und die gleiche Baugruppe in einem Wärmetauscher geringerer Leistung als Baugruppe mit größerer Querschnittsfläche. Another aspect of the invention relates to producing a plurality of heat exchangers of different rated power. This can be optimized by installing one assembly of tubes in a higher heat exchanger as a lower cross-sectional area assembly, and the same assembly in a lower heat exchanger as a larger cross-sectional area assembly.
Andere Aspekte betreffen die Verwendung eines Wärmetauschers nach der Erfindung. Der Wärmetauscher kann so optimiert werden, dass der Wärmeaustausch zwischen Luft- und Kühlmittelstrom im Gleichstrom erfolgt, und dafür wird beim Einbau die zum Kühlmitteleintritt zugewandte Seite des Wärmetauschers dem Lufteintritt zugewandt. Erfolgt die Optimierung hingegen für Gegenstrom, so wird beim Einbau die dem Kühlmitteleintritt zugewandte Seite des Wärmetauschers dem Luftaustritt zugewandt. Other aspects relate to the use of a heat exchanger according to the invention. The heat exchanger can be optimized so that the heat exchange between the air and coolant flow takes place in cocurrent, and therefore the side facing the coolant inlet side of the heat exchanger is facing the air inlet during installation. On the other hand, if the optimization is for countercurrent, the side of the heat exchanger facing the coolant inlet faces the air outlet during installation.
Die erhöhte Effektivität des Wärmetauschers nach der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik trägt insbesondere zur Erfüllung der besonders hohen Anforderungen einer Verwendung bei Klimaanlagen in Fahrzeugen bei. The increased effectiveness of the heat exchanger according to the invention in comparison with the prior art contributes in particular to the fulfillment of the particularly high requirements of use in air conditioning systems in vehicles.
In der Zeichnung zeigt: In the drawing shows:
In
Zwischen benachbarten Rohren sind Lamellen
Oben und unten am Wärmetauscher sind Sammler
Im einfachsten Fall ist der obere Sammler
Der Unterschied im Querschnitt ist nur gering. Das bevorzugte Verhältnis der Querschnittsflächen W2/W1 der Rohre der Baugruppen
Zu erkennen ist auch, dass die Breite der Rohre
Im Fall von
Erste Flut: 8·12·W1 = 96·W1
Zweite Flut: 11·12·W1 = 132·W1
Dritte Flut: 15·12·W1 = 180·W1 und
Vierte Flut: 34·9·W2 = 306·W2 = 459·W1
wobei für die letzte Umrechnung angenommen wurde, dass das Verhältnis der Querschnittsflächen der Rohre
First tide: 8 · 12 · W 1 = 96 · W 1
Second tide: 11 · 12 · W 1 = 132 · W 1
Third flood: 15 · 12 · W 1 = 180 · W 1 and
Fourth flood: 34 x 9 x W 2 = 306 x W 2 = 459 x W 1
where for the last conversion it was assumed that the ratio of the cross-sectional areas of the
Die Erfindung ermöglicht somit die Umsetzung der Erkenntnis, dass beim Durchlauf durch einen Verdampfer der Gasanteil im Kühlmittel zunimmt und sich bei konstantem Druck seine Dichte verringert. Die Aufnahmefähigkeit des Kühlmittels für Wärme ist aber proportional zur Dichte, so dass es für eine gleichmäßige und effektive Wärmeübertragung eines zunehmenden Volumens und daher eines zunehmenden Querschnitts des Kühlmittelstroms bedarf. Im Stand der Technik wird dieser durch zusätzliche Kanäle ermöglicht, die jedoch die Abmessungen des Wärmetauschers um den Platzbedarf eben dieser zusätzlichen Kanäle erhöhen. Nach der Erfindung kann dieser zusätzliche Platz zumindest zum Teil eingespart, indem durch den erhöhten Rohrquerschnitt nur zusätzliches Rohrvolumen bereit gestellt wird, nicht aber zusätzliche Rohrlängen und Lamellen verbaut werden. Wärmetauscher gleicher Leistung können dadurch kleiner bauen, bzw. sie arbeiten bei gleicher Größe effektiver. Außerdem führt es dazu, dass durch erhöhte Wärmeübertragung am Kühlmittelauslass, zumal bei geringer Überhitzung, eine Kühlung im Gleichstrom effektiver sein kann als im Gegenstrom. The invention thus makes it possible to realize that, when passing through an evaporator, the proportion of gas in the coolant increases and its density decreases at constant pressure. However, the capacity of the coolant for heat is proportional to the density, so that it requires a uniform and effective heat transfer of an increasing volume and therefore an increasing cross-section of the coolant flow. In the prior art this is made possible by additional channels, however, increase the dimensions of the heat exchanger to the space requirements of just these additional channels. According to the invention, this additional space can be saved at least in part by providing only additional tube volume through the increased tube cross-section, but not additional tube lengths and lamellae are installed. Heat exchangers of the same power can thereby build smaller, or they work more effectively at the same size. It also causes increased heat transfer at the Coolant outlet, especially at low superheat, cooling in the DC can be more effective than in countercurrent.
Die
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