DE102016100192B4 - Device for heat transfer - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (1) zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, aufweisend ein abgeschlossenes Gehäuse (3) mit einer innerhalb eines vom Gehäuse (3) vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit (2), wobei die Wärmeübertragereinheit (2)- aus beabstandet zueinander angeordneten Rohren (10, 11, 15, 16) ausgebildet ist sowie- mindestens zwei zylindrische Spiralen (9, 14) jeweils mit einer Mittelachse und mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen Rohren (10, 11, 15, 16) aufweist, welche über Verbindungselemente (19) und Verbindungsleitungen (20) fluidtechnisch derart miteinander verbunden sind, dass das durch die Rohre (10, 11, 15, 16) strömende erste Fluid in einem Verbindungselement (19) in jeweils einen Teilmassenstrom durch ein erstes Rohr (10) und einen Teilmassenstrom durch ein zweites Rohr (11) der ersten zylindrischen Spirale (9) aufgeteilt wird und die Rohre (10, 11) der ersten zylindrischen Spirale (9) mit den Teilmassenströmen parallel beaufschlagt werden, wobei die Teilmassenströme nach dem Ausströmen aus den Rohren (10, 11) in einem Verbindungselement (19) zusammengeführt und durch eine Verbindungsleitung (20) zu den Rohren (15, 16) der zweiten zylindrischen Spirale (14) geleitet werden, welche vom ersten Fluid seriell durchströmt werden.Device (1) for heat transfer, in particular for heat transfer between a first fluid and a second fluid, comprising a closed housing (3) with a heat exchanger unit (2) arranged within a volume completely enclosed by the housing (3), the heat exchanger unit (2) - Is formed from tubes (10, 11, 15, 16) arranged at a distance from one another and - has at least two cylindrical spirals (9, 14) each with a central axis and at least two tubes (10, 11, 15, 16) bent in a cylindrical spiral shape, which are fluidically connected to one another via connecting elements (19) and connecting lines (20) in such a way that the first fluid flowing through the tubes (10, 11, 15, 16) in a connecting element (19) is in each case a partial mass flow through a first tube (10) and a partial mass flow is divided by a second tube (11) of the first cylindrical spiral (9) and the tubes (10, 11) of the first cylindrical Spiral (9) are acted upon by the partial mass flows in parallel, the partial mass flows after flowing out of the tubes (10, 11) merged in a connecting element (19) and through a connecting line (20) to the tubes (15, 16) of the second cylindrical Spiral (14) are passed through which the first fluid flows in series.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug. Die Wärme wird dabei zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, bevorzugt zwischen einem flüssigen Fluid und einem Kältemittel, übertragen. Als flüssiges Fluid können Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen, welches die Wärme von dem Kältemittel aufnimmt oder an das Kältemittel abgibt, dienen. Als Kältemittel wird bevorzugt Kohlendioxid, welches auch als R744 oder CO2 bezeichnet wird, verwendet. Die Vorrichtung weist ein abgeschlossenes Gehäuse mit einer innerhalb eines vom Gehäuse vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit auf. Die Wärmeübertragereinheit ist aus Rohren ausgebildet.The invention relates to a device for heat transfer, in particular for use in a motor vehicle. The heat is transferred between a first fluid and a second fluid, preferably between a liquid fluid and a refrigerant. Water or water-glycol mixtures, which absorb the heat from the refrigerant or give it off to the refrigerant, can serve as the liquid fluid. The preferred refrigerant is carbon dioxide, which is also referred to as R744 or CO2. The device has a closed housing with a heat exchanger unit arranged within a volume completely enclosed by the housing. The heat exchanger unit is formed from tubes.
Aus dem Stand der Technik sind Klimatisierungssysteme für Kraftfahrzeuge mit Kältemittelkreisläufen und darin integrierten Wärmeübertragern bekannt, wobei die Wärmeübertrager zum einen als Verdampfer und damit zum Abkühlen eines Fluids und zum anderen als Kondensatoren zum Erwärmen eines Fluids betrieben werden. Beim Durchströmen des Verdampfers verdampft das Kältemittel, während es beim Durchströmen des Kondensators verflüssigt wird. Die Wärmeübertragungen erfolgen jeweils unter einer Phasenänderung des Kältemittels.Air conditioning systems for motor vehicles with refrigerant circuits and heat exchangers integrated therein are known from the prior art, the heat exchangers being operated on the one hand as evaporators and thus for cooling a fluid and on the other hand as condensers for heating a fluid. When flowing through the evaporator, the refrigerant evaporates, while it is liquefied when flowing through the condenser. The heat transfers take place with a phase change of the refrigerant.
Im Kältemittelkreislauf zirkulieren herkömmliche Kältemittel, wie R134a und R1234yf, welche im Vergleich zu Kohlendioxid deutlich geringere Drücke aufweisen. Der Kältemittelkreisprozess mit R744 verläuft zudem überwiegend transkritisch. Dabei wird die Wärme, wie bei Prozessen mit R134a, beim Durchströmen des Verdampfers stets bei Drücken unterhalb des kritischen Drucks, das heißt unterkritisch, aufgenommen. Allerdings wird die Wärme bei Drücken oberhalb des kritischen Drucks, das heißt überkritisch, an die Umgebung abgegeben. Conventional refrigerants such as R134a and R1234yf, which have significantly lower pressures compared to carbon dioxide, circulate in the refrigerant circuit. The refrigerant cycle with R744 is also predominantly transcritical. As in processes with R134a, the heat is always absorbed when flowing through the evaporator at pressures below the critical pressure, i.e. subcritically. However, at pressures above the critical pressure, that is to say supercritically, the heat is given off to the environment.
Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit R744, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet.If the refrigerant is liquefied in subcritical operation, such as with the refrigerant R134a or under certain ambient conditions with R744, the heat exchanger is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. In the case of supercritical heat dissipation in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant steadily decreases. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler.
Gaskühler zur Wärmeübertragung zwischen R744 und der Umgebungsluft als wärmeaufnehmendes Fluid entsprechen in Bauart und Größe herkömmlichen Kondensatoren für R134a. Auch der Einbauort im Kraftfahrzeug, insbesondere im Frontbereich zwischen den Frontscheinwerfern, ist identisch. Da beim Durchströmen des Gaskühlers vom Kältemittel im Wesentlichen sensible Wärme an die Luft zu übertragen ist, ist eine homogene Anströmung mit Umgebungsluft mit möglichst geringer Temperatur zu gewährleisten, um einen ausreichend hohen Austauschgrad zu erreichen. Ein hoher Austauschgrad und damit ein effizienter Betrieb des Gaskühlers wird jedoch mit einer tendenziell zunehmenden Anzahl an im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Wärmeübertragern, insbesondere zum Übertragen der Wärme an die Umgebungsluft, sowie Fahrer-Assistenzsystemen immer schwerer umsetzbar.Gas coolers for heat transfer between R744 and the ambient air as heat-absorbing fluid correspond in design and size to conventional condensers for R134a. The installation location in the motor vehicle, in particular in the front area between the headlights, is also identical. Since essentially sensible heat has to be transferred to the air when the refrigerant flows through the gas cooler, a homogeneous flow of ambient air with the lowest possible temperature must be ensured in order to achieve a sufficiently high degree of exchange. However, a high degree of exchange and thus efficient operation of the gas cooler is becoming more and more difficult to implement with an increasing number of heat exchangers arranged in the front area of the motor vehicle, in particular for transferring the heat to the ambient air, as well as driver assistance systems.
Aus dem Stand der Technik bekannte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mit flüssigem Kühlmittel als wärmeaufnehmendes oder wärmeabgebendes Fluid, für die Kältemittel R134a und R1234yf sind als Plattenwärmeübertrager ausgebildet. Die aus dünnwandigem Aluminiumblech oder Stahlblech gefertigten Platten entsprechen dabei den Festigkeitsanforderungen der Kältemittel bei den jeweils vorgegebenen Drücken, von beispielsweise 4 bar Arbeitsdruck und 31 bar Berstdruck im Verdampfer sowie 16 bar Arbeitsdruck und 60 bar Berstdruck im Kondensator. Für R744 als Kältemittel liegen die Anforderungen an den Berstdruck mit 260 bar im Verdampfer und 340 bar im Kondensator/Gaskühler um ein vielfaches höher.Refrigerant-coolant heat exchangers known from the prior art, with liquid coolant as the heat-absorbing or heat-emitting fluid, for the refrigerants R134a and R1234yf are designed as plate heat exchangers. The plates made of thin-walled aluminum or sheet steel meet the strength requirements of the refrigerant at the specified pressures, for example 4 bar working pressure and 31 bar bursting pressure in the evaporator and 16 bar working pressure and 60 bar bursting pressure in the condenser. For R744 as a refrigerant, the burst pressure requirements of 260 bar in the evaporator and 340 bar in the condenser / gas cooler are many times higher.
Sowohl der Berstdruck als auch der Betriebsdruck liegen für das Kältemittel R744 bei gleichen Anforderungen an die Temperaturen somit bis zu einem Faktor
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Den im Stand der Technik bekannten Kältemittel-Wärmeübertragern ist zu eigen, dass zur Wärmeübertragung mit Luft ein großer Bauraum zur Verfügung stehen muss, welcher insbesondere im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs immer geringer wird. Zudem weisen herkömmliche Wärmeübertrager für R134a oder R1234yf im Vergleich zu R744 wesentlich geringere Anforderungen an den Auslegungsdruck der Komponenten im Kältemittelkreislauf auf.A characteristic of the refrigerant heat exchangers known in the prior art is that a large installation space must be available for heat transfer with air, which space is becoming increasingly smaller, in particular in the front area of a motor vehicle. In addition, conventional heat exchangers for R134a or R1234yf have significantly lower requirements for the design pressure of the components in the refrigerant circuit compared to R744.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Wärmeübertragers zur effizienten Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen einem Kältemittel und einem flüssigen Fluid als Kühlmittel. Mit dem Wärmeübertrager soll eine maximale Wärmeleistung bei minimaler Baugröße beziehungsweise bei minimalem Bauraumbedarf übertragbar sein. Der Wärmeübertrager soll für den Betrieb mit Kohlendioxid geeignet sein. Der Wärmeübertrager soll des Weiteren ein minimales Gewicht aufweisen sowie minimale Herstellungskosten und Materialkosten verursachen.The object of the invention is to provide a heat exchanger for efficient heat transfer between two fluids, in particular between a refrigerant and a liquid fluid as a coolant. With the heat exchanger, it should be possible to transfer a maximum heat output with a minimum size or with a minimum space requirement. The heat exchanger should be suitable for operation with carbon dioxide. The heat exchanger should also have a minimal weight and cause minimal manufacturing and material costs.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Vorrichtung wird nach Patentanspruch 10 verwendet.The object is achieved by a device with the features of
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, gelöst. Die Vorrichtung weist ein abgeschlossenes Gehäuse mit einer innerhalb eines vom Gehäuse vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit auf. Die Wärmeübertragereinheit ist aus beabstandet zueinander angeordneten Rohren ausgebildet.The object is achieved by a device according to the invention for heat transfer, in particular for heat transfer between a first fluid and a second fluid. The device has a closed housing with a heat exchanger unit arranged within a volume completely enclosed by the housing. The heat exchanger unit is formed from tubes arranged at a distance from one another.
Nach der Konzeption der Erfindung weist die Wärmeübertragereinheit mindestens zwei zylindrische Spiralen jeweils mit einer Mittelachse und mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen Rohren auf.
Unter einer zylindrischen Spirale ist dabei eine Helix oder eine Schraubenlinie zu verstehen, welche als Kurve mit einer konstanten Steigung um einen Mantel eines Kreiszylinders angeordnet ist. Das zylinderspiralförmig gebogene Rohr ist ein Rohr, bevorzugt mit kreisrundem Strömungsquerschnitt, welches die zylindrische Spirale beschreibt und in der Form der Schraubenlinie geformt ist. Das zylinderspiralförmig gebogene Rohr wird im Weiteren auch als Rohr-Zylinderspirale bezeichnet.
Die zylinderspiralförmig gebogenen Rohre sind über Verbindungselemente und Verbindungsleitungen fluidtechnisch derart miteinander verbunden, dass das durch die Rohre strömende erste Fluid in einem Verbindungselement in jeweils einen Teilmassenstrom durch ein erstes Rohr und einen Teilmassenstrom durch ein zweites Rohr der ersten zylindrischen Spirale aufgeteilt wird und die Rohre der ersten zylindrischen Spirale mit den Teilmassenströmen parallel beaufschlagt werden. Dabei werden die Teilmassenströme nach dem Ausströmen aus den Rohren in einem Verbindungselement zusammengeführt und durch eine Verbindungsleitung zu den Rohren der zweiten zylindrischen Spirale geleitet, welche vom ersten Fluid seriell durchströmt werden.According to the conception of the invention, the heat exchanger unit has at least two cylindrical spirals each with a central axis and at least two tubes bent in a cylindrical spiral shape.
A cylindrical spiral is to be understood as a helix or a helix which is arranged as a curve with a constant slope around a jacket of a circular cylinder. The tube bent in a cylindrical spiral shape is a tube, preferably with a circular flow cross section, which describes the cylindrical spiral and is shaped in the shape of the helical line. The pipe bent in a cylindrical spiral shape is also referred to below as a pipe cylinder spiral.
The tubes bent in a spiral shape are connected to one another via connecting elements and connecting lines in such a way that the first fluid flowing through the tubes is divided in a connecting element into a partial mass flow through a first tube and a partial mass flow through a second tube of the first cylindrical spiral and the tubes of the first cylindrical spiral with the partial mass flows are applied in parallel. After flowing out of the tubes, the partial mass flows are brought together in a connecting element and passed through a connecting line to the tubes of the second cylindrical spiral, through which the first fluid flows in series.
Die mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen und über Verbindungselemente und Verbindungsleitungen miteinander verbundenen Rohre sind derart beabstandet zueinander und innerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Volumens angeordnet, dass sowohl im Bereich der Rohre als auch im Bereich der Verbindungselemente und Verbindungsleitungen Wärme zwischen den Fluiden übertragbar ist.The at least two tubes bent in a cylindrical spiral shape and connected to one another via connecting elements and connecting lines are arranged at a distance from one another and within the volume enclosed by the housing that heat can be transferred between the fluids both in the area of the tubes and in the area of the connecting elements and connecting lines.
Bei der Anordnung von mehr als einer zylindrischen Spirale sind die Mittelachsen der zylindrischen Spiralen bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet.When more than one cylindrical spiral is arranged, the central axes of the cylindrical spirals are preferably aligned parallel to one another.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die zylindrische Spirale mindestens ein zylinderspiralförmig gebogenes inneres Rohr und ein zylinderspiralförmig gebogenes äußeres Rohr auf. Dabei ist das zylinderspiralförmig gebogene innere Rohr koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale innerhalb des vom zylinderspiralförmig gebogenen äußeren Rohr umschlossenen Volumens angeordnet. Die Mittelachsen der Rohre entsprechen somit der Mittelachse der zylindrischen Spirale. Die Rohr-Zylinderspiralen aus innerem Rohr und äußerem Rohr mit unterschiedlichen Durchmessern sind koaxial zusammengefügt.According to a further development of the invention, the cylindrical spiral has at least one inner tube bent in a cylindrical spiral shape and an outer tube bent in a cylindrical spiral shape. The inner tube, which is bent in the shape of a cylindrical spiral, is arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral within the volume enclosed by the outer tube, which is bent in the shape of a cylindrical spiral. The central axes of the tubes thus correspond to the central axis of the cylindrical spiral. The tube-cylinder spirals made of the inner tube and the outer tube with different diameters are joined together coaxially.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Volumens Leitvorrichtungen angeordnet, welche in Verbindung mit dem Gehäuse Strömungspfade für eines der Fluide ausbilden, um das Fluid zur Wärmeübertragung durch die Strömungspfade an Außenseiten der Rohre der Wärmeübertragereinheit entlang zu leiten.According to a preferred embodiment of the invention, guide devices are arranged within the volume enclosed by the housing, which in connection with the housing form flow paths for one of the fluids in order to guide the fluid for heat transfer through the flow paths along the outside of the tubes of the heat exchanger unit.
Zwischen dem zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohr und dem in radialer Richtung zur Mittelachse benachbart angeordneten zylinderspiralförmig gebogenen äußeren Rohr ist vorteilhaft ein Trennelement als Leitvorrichtung angeordnet, sodass das vom Gehäuse vollständig umschlossene Volumen in Strömungspfade unterteilt ist. Dabei ist das Trennelement koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale ausgerichtet. Das Trennelement ist bevorzugt hohlzylinderförmig, insbesondere mit einem kreisrunden Querschnitt, ausgebildet, sodass das innere Rohr innerhalb des vom Trennelement umschlossenen Volumens und das äußere Rohr zylinderspiralförmig um das Trennelement gebogen angeordnet sind.A separating element is advantageously arranged as a guide device between the inner tube bent in a cylindrical spiral shape and the outer tube bent in the radial direction adjacent to the central axis, so that the volume completely enclosed by the housing is divided into flow paths. The separating element is aligned coaxially to the central axis of the cylindrical spiral. The separating element is preferably designed in the shape of a hollow cylinder, in particular with a circular cross section, so that the inner tube is arranged within the volume enclosed by the separating element and the outer tube is bent in a cylindrical spiral shape around the separating element.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass innerhalb des vom zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohr umschlossenen Volumens ein Verdrängungselement als Leitvorrichtung ausgebildet ist. Das Verdrängungselement ist dabei koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale beziehungsweise des zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohres angeordnet. Das Verdrängungselement ist bevorzugt zylinderförmig, insbesondere mit einem kreisrunden Querschnitt, ausgebildet, sodass das innere Rohr zylinderspiralförmig um das Verdrängungselement gebogen angeordnet ist.A further advantageous embodiment of the invention consists in the fact that a displacement element is designed as a guide device within the volume enclosed by the inner tube, which is bent in a cylindrical spiral shape. The displacement element is arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral or the inner tube bent in the shape of a cylindrical spiral. The displacement element is preferably cylindrical, in particular with a circular cross section, so that the inner tube is arranged bent in a cylindrical spiral shape around the displacement element.
Die Strömungspfade werden folglich vom Gehäuse und dem Trennelement sowie vom Trennelement und dem Verdrängungselement und jeweils von der Außenseite eines Rohres begrenzt. Eintritt und Austritt der Strömungspfade sind in Richtung der Mittelachse zueinander beabstandet ausgebildet, sodass das Fluid im Wesentlichen parallel zur Mittelachse durch die Strömungspfade geleitet wird. Die bevorzugt mindestens zwei koaxial ausgerichteten Strömungspfade können vom Fluid seriell oder parallel durchströmt werden.The flow paths are consequently delimited by the housing and the separating element as well as by the separating element and the displacement element and in each case by the outside of a pipe. The inlet and outlet of the flow paths are designed to be spaced apart from one another in the direction of the central axis, so that the fluid is guided through the flow paths essentially parallel to the central axis. The fluid can flow through the preferably at least two coaxially aligned flow paths in series or in parallel.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre auf der Außenseite berippt ausgebildet. Die Rippen, welche aus sehr gut wärmeleitfähigem Material, insbesondere Aluminium, ausgebildet sind und die Wärmeübertragungsfläche auf der Außenseite der Rohre vergrößern sowie in thermischem Kontakt mit den Rohren stehen, sind zum Erzeugen turbulenter Strömung und/oder zur Abstimmung der koaxialen Strömungspfade sowie zum Erzeugen spaltfreier radialer Dimensionen bevorzugt gebogen. Das erste Fluid, speziell ein Kältemittel, strömt dabei im Inneren der Rohre, während ein zweites Fluid, speziell ein Kühlmittel, auf der berippten Außenseite der Rohre entlang geleitet wird. Die Rohre sind vorteilhaft ebenfalls aus einem Metall, insbesondere Aluminium, ausgebildet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the tubes are designed with ribs on the outside. The ribs, which are made of a material with excellent thermal conductivity, in particular aluminum, and increase the heat transfer surface on the outside of the tubes and are in thermal contact with the tubes, are used to generate turbulent flow and / or to coordinate the coaxial flow paths and to generate more gap-free radial dimensions preferably curved. The first fluid, specifically a refrigerant, flows inside the tubes, while a second fluid, specifically a coolant, is conducted along the ribbed outside of the tubes. The tubes are advantageously also made of a metal, in particular aluminum.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse aus einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement mindestens zweiteilig ausgebildet. Von Vorteil ist, dass sich die Gehäuseelemente an einer Trennebene kontaktierend angeordnet sind. Das Gehäuse dichtet die Wärmeübertragereinheit zur Umgebung hin hermetisch ab, wobei im Bereich der Trennebene zwischen den Gehäuseelementen vorteilhaft zusätzliche Dichtungen, insbesondere Flachdichtungen, ausgebildet sind. Die Gehäuseelemente sind im montierten Zustand der Vorrichtung fest miteinander verbunden, bevorzugt miteinander verschraubt. Nach alternativen Ausgestaltungen sind die Gehäuseelemente miteinander verklemmt oder verklebt oder verschweißt oder verkrimt. Unter dem Verkrimpen ist eine Art des Bördelns als Fügeverfahren zu verstehen, bei welchem zwei Komponenten durch plastische Verformung miteinander verbunden werden. Innerhalb des verkrimpten Bereichs, auch als Krimp bezeichnet, kann eine Dichtung, beispielsweise eine O-Ring-Dichtung, integriert eingearbeitet sein.According to a further development of the invention, the housing is formed in at least two parts from a first housing element and a second housing element. It is advantageous that the housing elements are arranged in a contacting manner on a parting plane. The housing hermetically seals the heat exchanger unit from the surroundings, additional seals, in particular flat seals, advantageously being formed in the area of the parting plane between the housing elements. In the assembled state of the device, the housing elements are firmly connected to one another, preferably screwed to one another. According to alternative embodiments, the housing elements are clamped or glued or welded or crimped to one another. Crimping is a type of flanging as a joining process in which two components are connected to one another by plastic deformation. A seal, for example an O-ring seal, can be incorporated in an integrated manner within the crimped area, also referred to as a crimp.
Das Gehäuse ist vorteilhaft aus einem Kunststoff oder aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminium und/oder einem Aluminiumguss, ausgebildet. Das Gehäuse weist bevorzugt Anschlussstutzen zum Leiten eines Fluids auf. Dabei ist das Fluid durch einen Einlass in das Gehäuse hineinleitbar und durch einen Auslass aus dem Gehäuse herausleitbar. Die Anschlussstutzen ragen vorteilhaft jeweils beiderseits an einer Wandung des Gehäuses heraus.The housing is advantageously made from a plastic or from a metal, in particular from an aluminum and / or a cast aluminum. The housing preferably has connecting pieces for conducting a fluid. The fluid can be guided into the housing through an inlet and can be guided out of the housing through an outlet. The connecting pieces advantageously protrude on both sides of a wall of the housing.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung als eine in reinem Gegenstrom oder in reinem Kreuzstrom oder in einer Kombination aus Kreuzstrom und Gegenstrom betreibbare Vorrichtung zur Wärmeübertragung ermöglicht die Verwendung in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere eines Klimatisierungssystems, speziell eines Kraftfahrzeugs, und kann zur Kühlung oder zur Erwärmung eines Fluids eines Kühlmittelkreislaufes beziehungsweise eines Heizkreislaufes dienen. Die Wärmeübertragereinheit kann dabei als Kondensator, Gaskühler oder Verdampfer eines Kältemittels, insbesondere Kohlendioxid, in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden, neben einem kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager beispielsweise auch als kältemittelbeaufschlagter Ladeluftkühler, Abgaskühler oder Ölkühler. Dabei sind auch andere Medien als Kältemittel und Kühlmittel, insbesondere Wasser oder Wasser-Glykolgemische, wie Öl oder Abgas, einsetzbar. Die Vorrichtung zur Wärmeübertagung ist bevorzugt als ein Kältemittel-Wärmeübertrager, insbesondere als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, speziell als ein Kohlendioxid-Wasser-Wärmeübertrager, verwendbar.The advantageous embodiment of the invention as a device for heat transfer that can be operated in pure counterflow or in pure crossflow or in a combination of crossflow and counterflow enables use in a refrigerant circuit, in particular an air conditioning system, especially a motor vehicle, and can be used for cooling or heating a fluid a coolant circuit or a heating circuit are used. The heat exchanger unit can be used as a condenser, gas cooler or evaporator of a refrigerant, in particular carbon dioxide, in various applications, in addition to a coolant-cooled heat exchanger, for example, as a refrigerant-charged charge air cooler, exhaust gas cooler or oil cooler. Media other than refrigerants and coolants, in particular water or water-glycol mixtures, such as oil or exhaust gas, can also be used. The device for heat transfer can preferably be used as a refrigerant heat exchanger, in particular as a refrigerant-coolant heat exchanger, specifically as a carbon dioxide-water heat exchanger.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein herkömmlicher luftgekühlter Gaskühler zu 70 % bis 90 % durch einen kühlmittelgekühlten, insbesondere wassergekühlten, Gaskühler ersetzt und aus dem Frontbereich eines Kraftfahrzeugs deplatziert werden, um einen größeren verfügbaren Bauraum im Frontbereich zu schaffen. Obwohl ein derartig gewonnener Bauraum zur Rückkühlung des Kühlmittels in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager benötigt wird, können alle im Frontbereich des Kraftfahrzeugs unterzubringenden Wärmeübertrager flexibler zueinander angeordnet werden. Alle Anforderungen für eine sensible Wärmeübertragung innerhalb des R744-Gaskühlers und damit für einen effizienten Betrieb des Klimatisierungssystems sind erfüllt. Ohne die Möglichkeit der Deplatzierung des Gaskühlers und der Rückkühlung über einen sekundären Kühlmittelkreislauf wäre aufgrund unzureichender Kühlung oder Wärmeabgabe ein effizienter Betrieb eines Klimatisierungssystems mit einem Kältemittelkreislauf mit Kohlendioxid als Kältemittel in bestimmten Kraftfahrzeugen nicht zu gewährleisten. In vielen Anwendungen ist in Kraftfahrzeugen neben der eigentlichen Motorkühlung bereits ein zweites Kühlmittelsystem, beispielsweise für die Ladeluftkühlung oder die Kühlung von elektrischen Komponenten bei Hybridfahrzeugen, vorhanden. Somit ist eine Integration des kühlmittelgekühlten Gaskühlers in bereits bestehende zweite Kühlmittelsysteme möglich. Der zusätzliche Aufwand zur Rückkühlung des Kühlmittels ist gering. Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als kühlmittelgekühlter Gaskühler eines Klimatisierungssystems eines Elektrofahrzeugs, welches neben dem Modus im Kälteanlagenbetrieb auch im Modus im Heizbetrieb beziehungsweise als Wärmepumpe betreibbar ist, wobei der Kältemittelkreislauf mittels Ventilen umschaltbar ist, wird die Vorrichtung je nach Bedarf als Verdampfer oder als Gaskühler betrieben. Wenn die Vorrichtung dabei im Kühlmittelkreislauf der Elektrokomponenten integriert ist und als Verdampfer betrieben wird, kann die Abwärme der Elektrokomponenten, zum Beispiel der Batterie und/oder des Elektromotors aufgewertet und zu Heizzwecken verwendet werden.With the device according to the invention, 70% to 90% of a conventional air-cooled gas cooler can be replaced by a coolant-cooled, in particular water-cooled, gas cooler and removed from the front area of a motor vehicle in order to create a larger available space in the front area. Although installation space gained in this way is required for recooling the coolant in a coolant-air heat exchanger, all heat exchangers to be accommodated in the front region of the motor vehicle can be arranged more flexibly with respect to one another. All requirements for sensible heat transfer within the R744 gas cooler and thus for efficient operation of the air conditioning system are met. Without the possibility of relocating the gas cooler and re-cooling via a secondary coolant circuit, an efficient operation of an air conditioning system with a refrigerant circuit with carbon dioxide as the refrigerant in certain motor vehicles would not be guaranteed due to insufficient cooling or heat dissipation. In many applications, in addition to the actual engine cooling, a second coolant system is already present in motor vehicles, for example for charge air cooling or the cooling of electrical components in hybrid vehicles. This enables the coolant-cooled gas cooler to be integrated into existing second coolant systems. The additional effort for recooling the coolant is low. When using the device according to the invention as a coolant-cooled gas cooler of an air conditioning system of an electric vehicle, which can be operated in addition to the mode in refrigeration system operation also in mode in heating operation or as a heat pump, with the refrigerant circuit being switchable by means of valves, the device is used as an evaporator or as a gas cooler as required operated. If the device is integrated in the coolant circuit of the electrical components and is operated as an evaporator, the waste heat from the electrical components, for example the battery and / or the electric motor, can be upgraded and used for heating purposes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weitere diverse Vorteile auf:
- - effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen einem Kältemittel und einem flüssigen Fluid als Kühlmittel,
- - Übertragen einer maximalen Wärmeleistung bei einer minimalen Baugröße beziehungsweise bei minimalem Bauraumbedarf, das heißt bei optimalem Verhältnis von übertragbarer Wärmeleistung zu umbauten Volumen,
- - hoch druckfester Wärmeübertrager aus einer Kombination von mehreren parallel und/oder seriell verschaltbaren Rohr-Zylinderspiralen beziehungsweise Spiralrohrwendeln,
- - modularer Aufbau der mehreren parallel und/oder seriell verschaltbaren Rohr-Zylinderspiralen, insbesondere Rippenrohr-Zylinderspiralen, dadurch Wärmeübertrager mit minimalem Gewicht in großem Bereich der Leistung realisierbar sowie modular an Fluidkombinationen adaptierbar,
- - für den Betrieb mit Kohlenstoffdioxid, insbesondere zur Anwendung im Kraftfahrzeug, geeignet, sowie
- - minimale Kosten bei der Herstellung und minimaler Materialaufwand.
- - efficient heat transfer between two fluids, in particular between a refrigerant and a liquid fluid as a coolant,
- - Transfer of a maximum heat output with a minimal size or with a minimal installation space requirement, i.e. with an optimal ratio of transferable heat output to built-up volume,
- - Highly pressure-resistant heat exchanger made from a combination of several parallel and / or serially connectable pipe-cylinder spirals or spiral pipe coils,
- - modular structure of the several parallel and / or serially interconnectable tube-cylinder spirals, in particular finned tube-cylinder spirals, thus heat exchangers with minimal weight in a large range of power can be implemented and modularly adaptable to fluid combinations,
- - Suitable for operation with carbon dioxide, in particular for use in motor vehicles, as well
- - minimal manufacturing costs and minimal material expenditure.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen
-
1 : eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit einem aus einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement ausgebildeten abgeschlossenen Gehäuse, -
2 bis4 : die Vorrichtung zur Wärmeübertragung in Schnittdarstellungen durch das Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete Wärmeübertragereinheit, -
5 : die Wärmeübertragereinheit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung, -
6a ,6b : die in dem zweiten Gehäuseelement eingebettete Wärmeübertragereinheit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung aus5 , -
6c : die in der zweiten Gehäuseelement eingebettete Wärmeübertragereinheit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung aus6a ,6b mit einer Schnittdarstellung durch die Wärmeübertragereinheit, -
7 : Explosionsdarstellung der Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit den Gehäuseelementen und der Wärmeübertragereinheit, -
8a : Explosionsdarstellungen der Wärmeübertragereinheit aus einer ersten und einer zweiten zylindrischen Spirale jeweils mit einem äußeren Rohr und einem inneren Rohr, -
8b : Explosionsdarstellungen der Wärmeübertragereinheit aus8a mit Verdrängungselementen und Trennelementen, -
9 : Rohr einer zylindrischen Spirale mit einem Anteil eines Glattrohres und einem Anteil mit Rippen sowie einer Schnittdarstellung durch den Anteil mit Rippen und -
10 : Schnittdarstellung durch eine Rohr-Zylinderspirale der Wärmeübertragereinheit.
-
1 : a device for heat transfer with a closed housing formed from a first housing element and a second housing element, -
2 until4th : the device for heat transfer in sectional views through the housing and a heat exchanger unit arranged in the housing, -
5 : the heat transfer unit of the heat transfer device, -
6a ,6b : the heat transfer unit of the device for heat transfer embedded in thesecond housing element 5 , -
6c : the heat transfer unit of the device for heat transfer embedded in the second housing element6a ,6b with a sectional view through the heat exchanger unit, -
7th : Exploded view of the device for heat transfer with the housing elements and the heat transfer unit, -
8a : Exploded views of the heat exchanger unit consisting of a first and a second cylindrical spiral, each with an outer tube and an inner tube, -
8b : Exploded views of the heat exchanger unit8a with displacement elements and separating elements, -
9 : Tube of a cylindrical spiral with a part of a smooth tube and a part with ribs as well as a sectional view through the part with ribs and -
10 : Sectional view through a pipe-cylinder spiral of the heat exchanger unit.
In
Das erste Gehäuseelement
Die Gehäuseelemente
Aus den
Das Gehäuse
Die Wärmeübertragereinheit
Zwischen dem äußeren Rohr
Im Inneren der von den zylindrischen Spiralen
Damit sind sowohl die erste zylindrische Spirale
Inside that of the
This makes both the first
Die Rohre
Alternativ können auch die äußeren Rohre
Die Wärmeübertragereinheit
Alternatively, the
The
Mit der Ausbildung des Gehäuses
Die Strömungspfade für das Kühlmittel mit den ausgebildeten Umlenkungen ergeben sich folglich aus den konstruktiven Kombinationen der im Gehäuse
Dabei sind speziell sowohl die Trennelemente
The flow paths for the coolant with the deflections formed consequently result from the structural combinations in the
Both the separating elements are special
Wie speziell aus
Das Verdrängungselement
Der nach dem Umströmen der ersten zylindrischen Spirale
The displacement element
The one after flowing around the first
In
Während des Betriebes der Vorrichtung
Der nach dem Durchströmen der Rohre
Damit ist die Kältemittelseite der Wärmeübertragereinheit
The one after flowing through the
This means that the refrigerant side is the
Die beispielhafte Verschaltung der Kältemittelseite der Vorrichtung
Die parallele Durchströmung der ersten zylindrischen Spirale
Die Übertragung von Wärme ohne latente Anteile erfolgt ohne eine Phasenänderung des Fluids. Vorgänge der Wärmeübertragung ohne latenten Anteil finden zum Beispiel in einem als Gaskühler überkritisch betriebenen Wärmeübertrager, insbesondere dem vorliegenden kühlmittelgekühlten beziehungsweise wassergekühlten Gaskühler für Kohlendioxid, statt.The exemplary interconnection of the refrigerant side of the
The parallel flow through the first
The transfer of heat without latent components takes place without a phase change in the fluid. Processes of heat transfer without a latent component take place, for example, in a heat exchanger operated supercritically as a gas cooler, in particular the present coolant-cooled or water-cooled gas cooler for carbon dioxide.
Die
Die Wärmeübertragereinheit
Aus
Zur Vervollständigung der Wärmeübertragereinheit
the end
To complete the
Der Bereich des als Rippenrohr ausgebildeten Anteils des Rohres
Aus
Der Innendurchmesser
Die bevorzugten äußeren Durchmesser der zylindrischen Spirale
Die Anzahl der Windungen je zylindrischer Spirale
The inside diameter
The preferred outer diameters of the
The number of turns per
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Vorrichtung zur WärmeübertragungDevice for heat transfer
- 22
- WärmeübertragereinheitHeat exchanger unit
- 33
- Gehäusecasing
- 3a3a
- erstes Gehäuseelement, obere Gehäusehälftefirst housing element, upper housing half
- 3b3b
- zweites Gehäuseelement, untere Gehäusehälftesecond housing element, lower housing half
- 44th
-
Trennebene Gehäuse 2Parting
plane housing 2 - 55
- Einlass Kühlmittel, AnschlussstutzenCoolant inlet, connecting piece
- 66th
- Auslass Kühlmittel, AnschlussstutzenCoolant outlet, connecting piece
- 77th
- Eintrittsstutzen KältemittelInlet nozzle refrigerant
- 88th
- Austrittsstutzen KältemittelRefrigerant outlet nozzle
- 99
- erste zylindrische Spiralefirst cylindrical spiral
- 1010
-
äußeres Rohr erste zylindrische Spirale 9outer tube first
cylindrical spiral 9 - 1111
-
inneres Rohr erste zylindrische Spirale 9inner tube first
cylindrical spiral 9 - 1212th
-
Trennelement erste zylindrische Spirale
9 Separating element firstcylindrical spiral 9 - 1313th
-
Verdrängungselement erste zylindrische Spirale 9Displacement element first
cylindrical spiral 9 - 1414th
- zweite zylindrische Spiralesecond cylindrical spiral
- 1515th
-
äußeres Rohr zweite zylindrische Spirale 14outer tube second
cylindrical spiral 14 - 1616
-
inneres Rohr zweite zylindrische Spirale 14inner tube second
cylindrical spiral 14 - 1717th
-
Trennelement zweite zylindrische Spirale 14Separating element second
cylindrical spiral 14 - 1818th
-
Verdrängungselement zweite zylindrische Spirale 14Displacement element, second
cylindrical spiral 14 - 1919th
- VerbindungselementConnecting element
- 2020th
- VerbindungsleitungConnecting line
- 2121
- Strömungsrichtung KühlmittelDirection of flow coolant
- 2222nd
- Strömungsrichtung KältemittelDirection of flow refrigerant
- 2323
- AusnehmungRecess
- 2424
- Durchgangsöffnung Through opening
- aa
- Abstanddistance
- dathere
-
Außendurchmesser Glattrohr 10, 11, 15, 16Outer diameter
10, 11, 15, 16smooth tube - darrepresent
-
Außendurchmesser Rippenrohr 10, 11, 15, 16Outside diameter of
10, 11, 15, 16finned tube - didi
-
Innendurchmesser Rippenrohr 10, 11, 15, 16Inner diameter of
10, 11, 15, 16finned tube - di,mindi, min
-
minimaler Innendurchmesser Rippenrohr 10, 11, 15, 16minimum inner diameter of
10, 11, 15, 16finned tube - DiTuesday
- Innendurchmesser Zylinderspirale äußeres Rohr 10,15Inner diameter cylindrical spiral outer tube 10.15
- rhrh
- RippenhöheRib height
- rsrs
- RippenstärkeRib thickness
- II.
- Länge ÜbergangLength transition
- ss
-
Wandstärke Rohr
10 ,11 ,15 ,16 Wall thickness pipe 10 ,11 ,15th ,16
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