DE102016118556A1

DE102016118556A1 - Wärmetauscherintegration

Info

Publication number: DE102016118556A1
Application number: DE102016118556.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Renner; Brunhilde Gootz
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherbaugruppe (20) für einen Ventilator (10) sowie einen Ventilator mit einer Wärmetauscherbaugruppe (20), die aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Ventilatorkühlturm (21) gebildet wird, der über einen Kühlkörper (22) mit einer Vielzahl von strömungswirksam miteinander verbundenen Fluidkanälen (23) für ein flüssiges Medium verfügt, wobei der Ventilatorkühlturm (21) eine Vielzahl von mit Luftleitlamellen (24) durchsetzte in Radialrichtung verlaufende Luftdurchgänge zum Durchströmen der Luft des Ventilators (10) aufweist

Description

Die Erfindung betrifft eine in einem Ventilator oder Gebläse integrierte Kühlkörperbaugruppe sowie einen Ventilator, insbesondere ein Radialgebläse mit integrierter Wärmetauscherfunktion.
Bisher werden im Stand der Technik zur Nutzung von Wärme Wäremtauscher als getrennte Komponente verwendet und mit einem Luft- oder Flüssigkeitsstrom mit einem warmen oder kalten Fluid beaufschlagt, je nachdem ob man Wärme Rückgewinnen will oder umgekehrt.
Dies erfordert jeweils eine individuelle räumliche und technische Adaption der verwendeten Komponenten.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Hauptkomponenten eines Lamellen-Rohr-Wärmetauschers Rohre und Lamellen sind. Typischerweise wird ein solcher Wärmetauscher so aufgebaut, dass an den Rohren gleichartige, zueinander parallele Lamellen befestigt sind, um die Wärmeübertragungsflächen zu vergrößern. Durch die Rohre strömt ein erstes Medium (meist Wasser) und kontaktiert ihre inneren Wände, während ein zweites Medium (meist Gas) ihre äußeren Wände und die Lamellenoberfläche kontaktiert. Die Lamellen haben Kontakt mit den äußeren Rohrwänden und dem zweiten Medium. Sie haben die Aufgabe, sobald eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien entsteht, die Wärme über die Rohrwände und Lamellenflächen von einem zum anderen Medium zu übertragen. Zum Anströmen der Lamellen mit dem zweiten Medium, wird regelmäßig ein externer Ventilator und ein Strömungskanal benötigt, um den vom Ventilator erzeugte Luftstrom in Richtung des Wärmetauschers zu lenken.
Aus der DE 10350358 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung mit einem Lüfter, einem Luftkanal und einem Wärmetauscher bekannt, wobei der Lüfter von einem Computer oder einem elektrischen Gerät erwärmte Abluft über den Luftkanal dem Wärmetauscher zuführt, wobei der Wärmetauscher einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss aufweist, durch die der Wärmetauscher über ein Medium durchströmbar ist, welches sich durch die zugeführte erwärmte Abluft erwärmt.
Nachteilig bei solchen im Stand der Technik bekannten Lösungen ist der Umstand, dass der Anwender jeweils eine individuelle Anpassung der Komponenten vornehmen muss, welche zumal abhängig von den örtlichen Gegebenheiten ist. Neben der Adaption an den vorhandenen Bauraum und die örtlichen Gegebenheiten, müssen auch aufwendige technische Abstimmungen vorgenommen werden. Nachteilig ist dabei eine platzraubende Bauweise des Wärmetauschers, der Luftströmkanäle und der benötigten Luftfördervorrichtungen sowie die damit verbundenen hohen Planungs-, Material- und Montagekosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine kompakte, kostengünstige und universell verwendbare Lösung bereit zu stellen, mit der eine Wärmetauscherfunktion realisiert werden kann.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ventilator oder ein Gebläse, mit integrierter Wärmetauscherfunktion auszubilden, indem eine in einen Ventilator integrierbare Wärmetauscherbaugruppe aus einem Kühlkörper sowie in dem Kühlkörper integrierte Wärmetauscherkanäle und einem Tragringelement des Ventilators als Baugruppeneinheit ausgebildet wird.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft daher eine um einen Radialventilator herum anbringbare Wärmetauscherbaugruppe, wobei die Wärmetauscherbaugruppe aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Ventilatorkühlturm gebildet wird, der über einen Kühlkörper mit einer Vielzahl von strömungswirksam miteinander verbundenen Fluidkanälen für ein durchströmendes Kühlmedium verfügt, wobei der Ventilatorkühlturm eine Vielzahl von mit Luftleitlamellen durchsetzte, in Radialrichtung offene Luftdurchgänge zum Durchströmen der Luft des Radialventilators aufweist.
Bevorzugt wird hierzu ein Kühlturm aus einem Kühlkörper in dem integrierte Wärmetauscherkanäle vorgesehen sind, die auf einem Flansch montiert werden, realisiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ferner das Tragringelement mit einer zentralen Luftdurchtrittsöffnung für den Ventilator vorgesehen ist, auf dem der zylindrische Ventilatorkühlturm mit seiner unteren Stirnseite aufsitzt bzw. montiert ist. Auf diese Weise kann der Radialventilator zusammen mit dem Kühlturm und dem Tragringelement sowie ggf. einem Abdeckflansch als komplette Baugruppeneinheit in eine Applikation integriert werden. Hierdurch wird eine besonders kompakte Bauform erzielt, die zumal universell einsetzbar ist und kostengünstig in der Herstellung und der Montage.
Die Luft wird über die strömungstechnisch angepasste zentrale Luftdurchtrittsöffnung in den Ventilator eingesaugt und über den seitlichen radial Ausblas des Radialrades entlang der Luftleitlamellen des Ventilatorkühlturms abgegeben. Dabei werden die von einem Kühlmedium durchflossenen Fluidkanäle des Ventilatorkühlturms von der Luft umströmt.
Die Wärmetauscherfunktion kann dabei ansaugend oder ausblasend oder auch beidseitig genutzt werden, je nach Anwendung d. h. je nachdem ob kalte oder warme Luft ein jeweils warmes oder kaltes Medium umströmt, oder auch umgekehrt.
Die durchströmende Luft des Ventilators wird durch das Medium in ihrer Temperatureigenschaft bewusst verändert, d. h. entweder heruntergekühlt oder erwärmt. Das bedeutet, dass ein durch die Fluidkanäle durchfliesendes Medium seine Temperatureigenschaften ändert und demnach auch die durchströmende Luft.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Vielzahl von Luftleitlamellen ringförmig, weiter vorzugsweise konzentrisch in einem gleichen Nachbarabstand zueinander um die Luftdurchtrittsöffnung angeordnet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zylinderförmige Ventilatorkühlturm aus einem (vorzugsweise einzigen) Kühlringelement gebildet ist und die Fluidkanäle mäanderförmig umlaufend mit Axialabschnitten in und entgegen der Axialrichtung Z des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms benachbart zu dessen Innenseite verlaufen. So kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass zumindest sich in Axialrichtung Z erstreckende Axialabschnitte der Fluidkanäle im Inneren der Luftleitlamellen verlaufen.
Weiter kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass die Axialabschnitte der Fluidkanäle jeweils durch eine Leitlamelle in zwei parallel verlaufende strömmungswirksam verbundene Fluidkanalabschnitte aufgeteilt werden, wobei der eine Fluidkanalabschnitt eine erste Fließrichtung für das Kühlmedium und der zweite Fluidkanalabschnitt eine der ersten Fließrichtung entgegengesetzte Fließrichtung definiert. Somit kann das Fluid in dem einen Abschnitt z. B. nach unten fließen, dann in den anderen Abschnitt fließen, um dort nach Oben zu fließen und dann durch den nächsten Fluidkanal zu fließen usw. bis des Fluid an einem Fluidkanalausgang wieder austritt.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der zylinderförmige Ventilatorkühlturm aus mehreren übereinander gestapelten Kühlringelementen gebildet ist und Fluidkanäle ringförmig umlaufend entlang, zwischen oder innerhalb der Kühlringelemente verlaufen.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn eine obere Abdeckplatte auf der oberen, der unteren Stirnseite gegenüber liegenden Stirnseite des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms montiert ist, welche zumindest Abschnittsweise eine Wandung für einen oder mehrere der Fluidkanäle bildet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Ventilator, vorzugsweise einen Radialventilator ausgestattet mit einer der wie zuvor beschriebenen Wärmetauscherbaugruppen, wobei der Ventilator innerhalb des zylindrischen Aufnahmeraumes des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms angeordnet ist.
In einer besonders bevorzugten Gestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kühlmediumzugang und ein Kühlmediumabgang mit den Fluidkanälen des Ventilatorkühlturms strömungswirksam verbunden sind.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn der axiale Ansaugbereich des Radialventilators unmittelbar oberhalb der Luftdurchtrittsöffnung des Tragringelements (insbesondere strömungsoptimiert) angeordnet ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Radialventilators mit einem Teil einer Wärmetauscherbaugruppe;
2 eine Explosionsdarstellung eines Radialventilators und einer Wärmetauscherbaugruppe,
3 eine Schnittansicht durch das Ausführungsbeispiel gemäß 2 in einem zusammengebauten Zustand;
4 eine teilgeschnittene Ansicht durch eine Wärmetauscherbaugruppe gemäß der Ausführung nach 1;
5 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Wärmetauscherbaugruppe für einen Radialventilator;
6 eine Explosionsdarstellung einer weiteren alternativen Wärmetauscherbaugruppe,
7 eine teilgeschnittene Ansicht durch die Wärmetauscherbaugruppe gemäß der Ausführung nach 6 im zusammengebauten Zustand;
8 eine seitliche Ansicht der Wärmetauscherbaugruppe gemäß der Ausführung nach 7;
9 eine Explosionsdarstellung einer weiteren alternativen Wärmetauscherbaugruppe,
10 eine teilgeschnittene Ansicht durch die Wärmetauscherbaugruppe gemäß der Ausführung nach 9 im zusammengebauten Zustand und
11 eine seitliche Ansicht der Wärmetauscherbaugruppe gemäß der Ausführung nach 10.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 10 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
In der 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Radialventilators 10 mit einer integrierten Wärmetauscherbaugruppe 20 gezeigt.
Drei beispielhafte Ausführungsformen für eine Wärmetauscherbaugruppe 20 finden sich in den 2 bis 10.
Gezeigt ist in 1 ein Radialventilator 1 oberhalb eines Tragringelements 30 einer Wärmetauscherbaugruppe 20. Das Tragringelement 30 ist mit einer zentralen Luftdurchtrittsöffnung 31 für den Radialventilator 10 ausgestattet. Oberhalb des Radialventilators 10 befindet sich eine Abdeckplatte 40, die mit dem Tragringelement 30 über zwei Bügel 42 verbunden ist.
In der 2 ist eine Explosionsdarstellung eines Radialventilators 10 und einer Wärmetauscherbaugruppe 20 gezeigt sowie einer Abdeckplatte 40 oberhalb des Ventilators 10. Die Wärmetauscherbaugruppe 20 besteht aus dem zylindrischen Ventilatorkühlturm 21, der Abdeckung 40 und dem Tragringelement 30, welches mit seiner unteren Stirnseite 21u auf dem Tragringelement 30 um den Radialventilator 10 herum montiert.
Der zylinderförmigen Ventilatorkühlturm 21 besteht, wie in den 3 und 4 ersichtlich, aus einem Kühlkörper 22, der eine Vielzahl von mit Luftleitlamellen 24 durchsetzte in Radialrichtung verlaufende Luftdurchgänge 25 zum Durchströmen der Luft des Ventilators 10 aufweist. Die Luftleitlamellen 25 verlaufen in Axialrichtung Z zwischen einem unteren Ringelement 26a und einem oberen Ringelement 26b. Die Vielzahl von Luftleitlamellen 24 sind ringförmig um die Luftdurchtrittsöffnung 31 des Tragringelements 30 angeordnet. In den Luftleitlamellen 25 sind Fluidkanälen 23 für ein flüssiges Medium vorgesehen. Die Fluidkanälen 23 verlaufen entlang der Axialrichtung Z im Wesentlichen über die gesamte Höhe der Luftleitlamellen 25. Insofern verlaufen die Axialabschnitte 23a der Fluidkanäle 23 im Inneren der Luftleitlamellen 24 verlaufen und sind an ihrem oberen Kanalende 230 über einen oben umlaufenden Ringkanal 27 strömungswirksam miteinander verbundenen.
Die Axialabschnitte 23a der Fluidkanäle 23 sind jeweils durch eine Leitlamelle 23b in zwei parallel verlaufende Fluidkanalabschnitte 23.1, 23.2 aufgeteilt, wobei der eine Fluidkanalabschnitt 23.1 eine erste Fließrichtung für das Kühlmedium und der zweite Fluidkanalabschnitt 23.1 eine der ersten Fließrichtung entgegengesetzte Fließrichtung definiert, so dass ein Fluid mäanderförmig von einem zum nächsten d. h. benachbarten Fluidkanal 23 fließen kann, indem dein Fluid in dem einen Fluidkanalabschnitt 23.1 des betreffenden Fluidkanals 23 in und in dem anderen Fluidkanalabschnitt 23.2 des betreffenden Fluidkanals 23 entgegen der Axialrichtung Z des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms 21 fließt um dann am oberen Fluidkanalende in dem Ringkanal 27 zum benachbarten Fluidkanal zu fließen usw..
Auf diese Weise kann das Fluid von einem nicht dargestellten Fluideintritt nacheinander durch die Fluidkanäle 23 fließen, um dann an einem ebenfalls nicht dargestellten Fluidaustritt wieder auszutreten.
Da die Fluidkanäle 23 benachbart zu der Innenseite 21i des Kühlkörpers 21 in den Luftleitlamellen untergebracht sind, wird das Fluid mittelbar durch die Wärmübertragung zwischen dem Fluid und der den Kühlkörper durchströmenden Luft (je nach Richtung des Temperaturgefälles) entweder erwärmet oder gekühlt.
In der 5 ist die perspektivische nicht zusammengebaute Ansicht der Wärmetauscherbaugruppe 20 für einen Radialventilator gezeigt, bei dem die Leitlamellen 23b im nicht eingesteckten Zustand gezeigt sind.
In den 6, 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform einer Wärmetauscherbaugruppe 20 gezeigt. Die Wärmetauscherbaugruppe 20 ist in dieser Variante derart ausgebildet, dass der zylinderförmige Ventilatorkühlturm 21 aus mehreren übereinander gestapelten Kühlringelementen 26 gebildet ist und die Fluidkanäle 23 jeweils ringförmig umlaufend innerhalb der Kühlringelementen 26 integriert verlaufen. Hierbei können die Fluidkanäle 23 der einzelnen Kühlringelemente 26 strömungswirksam miteinander so verbunden sein, dass ein Fluid durch mehrere der ringförmigen Fluidkanäle 23 nacheinander fließt. Alternativ kann auch jeder Fluidkanal 23 getrennt mit einem Fluidstrom beaufschlagt werden.
Eine obere Abdeckplatte 40, die auf der oberen, der unteren Stirnseite 21u gegenüber liegenden Stirnseite 21o des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms 21 montiert ist, bildet zumindest Abschnittsweise eine Wandung für den oberen Fluidkanal 23 aus. In ähnlicher Weise verschließt eine Abdeckplatte den Ringkanal 27 in dem zuvor genannten Ausführungsbeispiel.
Nicht näher dargestellt ist ferner ein Kühlmediumzugang und ein Kühlmediumabgang, die mit den Fluidkanälen 23 strömungswirksam verbunden sind, um ein Fluid zu- und abzuführen.
In den 9, 10 und 11 ist eine weitere Ausführungsform einer Wärmetauscherbaugruppe 20 gezeigt. Der zylinderförmige Ventilatorkühlturm 21 ist hier aus einer Vielzahl von mäanderförmig miteinander verbundenen Luftleitlamellen 24 gebildet, die an ihrer Unterseite mit einem unteren Ringelement 26a und an der Oberseite und mit einem oberen Ringelement 26b verschlossen sind.
Innerhalb der Luftleitlamellen 24 verlaufen in Axialrichtung Z die Fluidkanäle 23, wobei je ein Fluidkanal 23 innerhalb einer Luftleitlamelle 24 untergebracht ist. Jeweils benachbarte Fluidkanäle 23 sind strömungswirksam an ihrem einen Ende über ein Ringkanalsegment 27a mit dem einen unmittelbar benachbarten Fluidkanal 23 und an dem anderen Ende mit dem weiteren benachbarten Fluidkanal 23 über ein anderes Ringkanalsegment 27a verbunden. Die oberen je zwei Fluidkanäle 23 verbindenden Ringkanalsegmente 27a sind in den die beiden benachbarten Luftleitlamellen 24, welche diese Fluidkanäle 23 aufweisen, jeweils verbindenden Brücken 28 untergebracht. Alternativ oder zusätzlich können diese Ringkanalsegmente auch in dem oberen Ringelement 26b angeordnet sein und strömungswirksam mit den offenen Fluidkanälen 23 verbunden sein, wie dies in der 9 beispielsweise für das untere Ringelement 26a gezeigt ist.
Die 11 zeigt eine seitliche Ansicht dieser Wärmetauscherbaugruppe 20.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10350358 A1 [0005]

Claims

Eine um einen Ventilator (10) herum anbringbare Wärmetauscherbaugruppe (20), wobei die Wärmetauscherbaugruppe (20) aus einem im Wesentlichen zylinderförmigen Ventilatorkühlturm (21) gebildet wird, der über einen Kühlkörper (22) mit einer Vielzahl von strömungswirksam miteinander verbundenen Fluidkanälen (23) für ein flüssiges Medium verfügt, wobei der Ventilatorkühlturm (21) eine Vielzahl von mit Luftleitlamellen (24) durchsetzte in Radialrichtung verlaufende Luftdurchgänge zum Durchströmen der Luft des Ventilators (10) aufweist.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Tragringelement (30) mit einer zentralen Luftdurchtrittsöffnung (31) für einen Ventilator (10) vorgesehen ist, auf dem der zylindrische Ventilatorkühlturm (21) mit seiner unteren Stirnseite (21u) montiert ist.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Luftleitlamellen (24) ringförmig um die Luftdurchtrittsöffnung (31) angeordnet sind.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Ventilatorkühlturm (21) aus einem Kühlringelement (26) gebildet ist und die Fluidkanäle (23) mäanderförmig umlaufend mit Axialabschnitten (23a) in und entgegen der Axialrichtung (Z) des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms (21) benachbart zu dessen Innenseite (21i) entlang verlaufen.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest sich in Axialrichtung (Z) erstreckende Axialabschnitte (23a) der Fluidkanäle (23) im Inneren der Luftleitlamellen (24) verlaufen.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialabschnitte (23a) der Fluidkanäle jeweils durch eine Leitlamelle (23b) in zwei parallel verlaufende Fluidkanalabschnitte (23.1, 23.2) aufgeteilt werden, wobei der eine Fluidkanalabschnitt (23.1) eine erste Fließrichtung für das Kühlmedium und der zweite Fluidkanalabschnitt (23.1) eine der ersten Fließrichtung entgegengesetzte Fließrichtung definiert.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Ventilatorkühlturm (21) aus mehreren übereinander gestapelten Kühlringelementen (26) gebildet ist und die Fluidkanäle (23) ringförmig umlaufend entlang oder innerhalb der Kühlringelemente (26) verlaufen.
Wärmetauscherbaugruppe (20) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Abdeckplatte (40) auf der oberen, der unteren Stirnseite (21u) gegenüber liegenden Stirnseite (21o) des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms (21) montiert ist, welche zumindest Abschnittsweise eine Wandung für einen oder mehrere der Fluidkanäle (23) bildet.
Ventilator (1) vorzugsweise ein Radialventilator (1) ausgestattet mit einer Wärmetauscherbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Ventilator innerhalb des zylindrischen Aufnahmeraumes des zylinderförmigen Ventilatorkühlturms (21) angeordnet ist.
Ventilator (1) nach Anspruch 9, wobei ein Kühlmediumzugang und ein Kühlmediumabgang mit den Fluidkanälen (23) strömungswirksam verbunden sind.
Radialventilator (1) ausgestattet mit einer Wärmetauscherbaugruppe (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der axiale Ansaugbereich des Radialventilators (1) unmittelbar oberhalb der Luftdurchtrittsöffnung (31) des Tragringelements (30) der Wärmetauscherbaugruppe (20) angeordnet ist.