DE102016224338A1

DE102016224338A1 - Wärmeübertrager und Verfahren zu dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102016224338A1
Application number: DE102016224338.1A
Authority: DE
Inventors: Marcel Fink; Olaf Andersen; Marcus Rohne; Lena Schnabel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-07
Also published as: WO2018104375A1; EP3551957B1; EP3551957A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit zumindest einem Rohr (10), welches eine Rohrwandung (100) aufweist und mit einer Wärmeleitstruktur (2), welche mit der Rohrwandung verbunden ist, wobei die Wärmeleitstruktur (2) zumindest zwei Wärmeleitgitter (20) enthält, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zur Verwendung eines solchen Wärmeübertragers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest einem Rohr, welches eine Rohrwandung aufweist und mit einer Wärmeleitstruktur verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, bei welchem einer Flüssigkeit Wärme zugeführt wird. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Wärmeübertrag zwischen einem ersten Wärmeträgermedium und einem zweiten Wärmeträgermedium mittels eines Wärmeübertragers. Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art können vielfältig Verwendung finden, beispielsweise zur Entwärmung von Prozessanlagen oder Maschinen oder als Bauteil von Wärmepumpen und Klimageräten.
Aus der Praxis sind Lamellenwärmeübertrager bekannt. Diese enthalten ein Lamellenpaket, wobei einzelne Lamellen aus einem Blech aus einem Metall oder einer Legierung gefertigt sind. Das Lamellenpaket kann beispielsweise Aluminium oder Kupfer enthalten. Im Lamellenpaket sind Bohrungen angebracht, durch welche Rohrleitungen geführt sind. Ein erstes Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder ein Thermoöl, durchströmt die Rohrleitungen. Ein zweites Wärmeträgermedium, beispielsweise Umgebungsluft, durchströmt das Lamellenpaket. Dabei kann Wärme entweder vom ersten Wärmeträgermedium auf das zweite Wärmeträgermedium oder umgekehrt übertragen werden. Das Lamellenpaket ist dabei thermisch an die Rohrleitungen angebunden und führt dazu, dass die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert ist.
Diese bekannten Lamellenwärmeübertrager weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Lamellen fertigungsbedingt einen gewissen Mindestabstand zueinander aufweisen müssen und die damit zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche begrenzt ist. Dies begrenzt gleichzeitig die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers, d. h. die pro Zeiteinheit übertragbare Wärmemenge.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager mit verbesserter Leistungsfähigkeit bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 13 und ein Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Wärmeübertrager mit zumindest einem Rohr vorgeschlagen. Das Rohr ist von einer Rohrwandung begrenzt, welche einen Innenraum des Rohres von einem das Rohr umgebenden Außenraum trennt. Der Querschnitt des Rohres kann polygonal oder rund sein. Die Querschnittsfläche kann dieselbe Breite wie Höhe aufweisen, sodass der Rohrquerschnitt quadratisch oder kreisrund ist. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite des Rohres größer sein als dessen Höhe, sodass der Querschnitt rechteckig oder elliptisch ist. Ein Wärmetauscher, welcher eine Mehrzahl solcher Rohre aufweist, kann auch als Plattenwärmetauscher bezeichnet werden.
Die Rohrwandung kann ein Metall oder eine Legierung aufweisen oder daraus bestehen. Die Rohrwandung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Aluminium und/oder Kupfer und/oder Edelstahl enthalten oder daraus bestehen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Rohrwandung zumindest einseitig mit einer Wärmeleitstruktur zu versehen. Die Wärmeleitstruktur ist thermisch an die Rohrwandung angekoppelt, sodass die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche gegenüber der reinen Rohrwandung vergrößert ist.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass die Wärmeleitstruktur zumindest zwei Wärmeleitgitter enthält, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die Wärmeleitgitter können hierzu miteinander verlötet oder verschweißt oder gesintert werden. Die Wärmeleitgitter erlauben im Gegensatz zu Lamellen aufgrund der im Gitter vorhandenen Öffnungen eine effiziente Durchströmung mit einem Wärmeträgermedium. Weiterhin weisen die Wärmeleitgitter aufgrund ihrer Öffnungen innenliegende Oberflächen auf, welche zur Vergrößerung der gesamten, zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Oberfläche beitragen. Aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung benachbarter Wärmeleitgitter innerhalb der Wärmeleitstruktur wird der Abstand der Wärmeleitgitter gegenüber bekannten Lamellenpaketen reduziert. Hierdurch kann die Anzahl der Wärmeleitgitter vergrößert sein, wodurch die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche ansteigt. Gleichzeitig erhöht sich durch die stoffschlüssige Verbindung benachbarter Wärmeleitgitter die mechanische Stabilität, sodass die Wärmeleitgitter eine geringere Materialstärke aufweisen können als übliche Lamellen eines Lamellenwärmeübertragers. Da innerhalb der durch ein Wärmeleitgitter definierten Ebene gleichwohl eine durchgängige Materialstruktur vorhanden ist, kann die Wärme über die Wärmeleitgitter mit großer Effizienz von der Rohrwandung des zumindest einen Rohres des Wärmeübertragers abgeführt bzw. dem im Rohr strömenden Wärmeträgermedium zugeführt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Wärmeleitgitter ausgewählt sein aus einer perforierten Materiallage und/oder einem Streckmetallgitter und/oder einem Geflecht. Die perforierte Materiallage kann beispielsweise ein Blech bzw. eine Metallfolie aus einem Metall oder einer Legierung sein oder eine solche enthalten. Die Materiallage kann eben oder gekrümmt bzw. gewellt sein, um auf diese Weise Zwischenräume zwischen benachbarten Wärmeleitgittern der Wärmeleitstruktur zu realisieren. Ein Streckmetallgitter bzw. ein Geflecht kann in den beiden Raumrichtungen der durch das Flächengebilde des Streckmetallgitters definierten Ebene eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sodass die Wärmeleitfähigkeit orthogonal zur Rohrwandung größer sein kann als in einer Richtung parallel zur Rohrwandung. Hierdurch kann Wärme effizient der Rohrwandung zu- bzw. abgeführt werden. Im Falle eines Streckmetallgitters kann dies dadurch erfolgen, dass die im Gitter ausgebildeten Maschen nicht quadratisch sind, sondern eine größere Ausdehnung in einer Raumrichtung aufweisen als in einer dazu orthogonalen Raumrichtung. Im Falle eines Geflechtes bzw. eines Gewebes kann die Anzahl bzw. Flächendichte der im Geflecht bzw. Gewebe vorhandenen Fäden in einer Raumrichtung größer sein als in einer hierzu orthogonalen Raumrichtung.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die einzelnen Wärmeleitgitter eine Materialstärke von weniger als etwa 200 µm oder weniger als etwa 150 µm oder weniger als etwa 60 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die einzelnen Wärmeleitgitter eine Materialstärke von mehr als etwa 20 µm oder mehr als etwa 30 µm oder mehr als etwa 90 µm aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Wärmeleitgitter eine Materialstärke von etwa 50 µm aufweisen. Die genannten Materialstärken erlauben einerseits einen hinreichenden Wärmetransport innerhalb der durch das Wärmeleitgitter definierten Ebene und andererseits eine hinreichende Packungsdichte, um hohe Leistungsdichten des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zu erzielen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur so auf der Rohrwandung angeordnet sein, dass die Wärmeleitgitter mit dem Rohr bzw. der Längsachse des Rohres einen Winkel von etwa 50° bis etwa 130° oder von etwa 70° bis etwa 110° oder von etwa 80° bis etwa 100° oder etwa 90° einschließen. Dies erlaubt einerseits eine effiziente Durchströmung der Wärmeleitstruktur, beispielsweise in einem Querstromwärmetauscher. Andererseits ist die projizierte Fläche der Wärmeleitstruktur maximal, wenn diese etwa 90° zur Rohrwandung und zur Strömung des Wärmeträgermediums angeordnet ist. Hierdurch können Strömungsverluste minimiert und die Wärmeübertragungsleistung maximiert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur durch Sintern der Wärmeleitgitter hergestellt werden. Zum Sintern kann ein Stapel von Wärmeleitgittern in Schutzgasatmosphäre oder Vakuum auf eine vorgebbare Temperatur erwärmt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur und überhalb der halben Schmelztemperatur des für die Wärmeleitgitter verwendeten Materials gewählt sein. Hierdurch kommt es zum Verschweißen der Wärmeleitgitter bzw. zur Ausbildung von Sinterhälsen an einzelnen Berührungspunkten. Dies kann die mechanische Stabilität auch dünner Wärmeleitgitter soweit erhöhen, dass der Wärmeübertrager mechanisch robust ausgeführt werden kann. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das Sintern einer Mehrzahl von Wärmeleitgittern eine Wärmeleitstruktur entsteht, deren Porosität nur unwesentlich geringer ist als die offene Fläche einzelner Wärmeleitgitter. Somit kann die erfindungsgemäße Wärmeleitstruktur mit geringen Druckverlusten vom Wärmeträgermedium durchströmt werden und beim Einsatz als Verdampfer kann sich in der Wärmeleitstruktur eine großflächige Dreiphasengrenze zwischen der Wärmeübertragungsfläche, der zu verdampfenden Flüssigkeit und dem Dampf ausbilden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur eine Höhe von etwa 1 mm bis etwa 10 mm oder etwa 1 mm bis etwa 5 mm oder etwa 1 mm bis etwa 3 mm aufweisen. Wärmeleitstrukturen, welche ausgehend von der Oberfläche der Rohrwandung die angegebenen Höhenmaße aufweisen, eignen sich insbesondere zur Verdampfung einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitssumpf. Hierzu kann die Wärmeleitstruktur teilweise oder vollständig in den Flüssigkeitssumpf eintauchen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur eine Höhe von etwa 15 mm bis etwa 40 mm oder von etwa 20 mm bis etwa 30 mm aufweisen. Die Höhe erstreckt sich dabei von der Oberfläche der Rohrwand ausgehend lotrecht bis zum höchsten Punkt der Wärmeleitstruktur. Solche Wärmeleitstrukturen können von einem gasförmigen Wärmeträgermedium durchströmt und dabei als Wärmeübertrager zwischen zwei Wärmeträgermedien verwendet werden und aufgrund der großen zur Verfügung stehenden Fläche auch große Leistungen übertragen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur zwischen etwa 50 und etwa 2500 oder zwischen etwa 100 und etwa 1000 oder zwischen etwa 150 und etwa 500 oder zwischen etwa 200 und etwa 300 Wärmeleitgitter enthalten oder daraus bestehen. Die Wärmeleitgitter können nach Zuschnitt und optionaler Umformung, beispielsweise durch Strukturwalzen, übereinandergelegt und durch Sintern, Kleben oder Löten miteinander verbunden werden. Insbesondere Sintern erlaubt ein einfaches Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Wärmeleitstruktur. Nach dem Sintern weist die Wärmeleitstruktur eine vergleichsweise große mechanische Stabilität und gleichzeitig eine hohe Porosität auf, welche eine effiziente Durchströmung mit einem insbesondere gasförmigen Wärmeträgermedium erlaubt. Gleichzeitig kann die Wärmeleitstruktur in den einzelnen Ebenen der Wärmeleitgitter effizient Wärme leiten, wohingegen in Richtung des Normalenvektors der Wärmeleitgitter aufgrund der nur punktartigen Verbindung der einzelnen Wärmeleitgitter untereinander eine reduzierte Wärmeleitfähigkeit gegeben ist.
Die aus einer Vielzahl von Wärmeleitgittern zusammengesetzte Wärmeleitstruktur kann nachfolgend auf das gewünschte Maß zugeschnitten und form- oder stoffschlüssig an die Rohrwandung von zumindest einem Rohr eines Wärmeübertragers gefügt werden. Hierbei kann auch eine Mehrzahl von Wärmeleitstrukturen an einer Rohrwandung befestigt werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur eine Porosität von etwa 70 % bis etwa 90 % oder von etwa 80 % bis etwa 85 % aufweisen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auch beim Aufeinanderlegen einer Vielzahl von Wärmeleitgittern die offene Fläche, welche den Strömungswiderstand eines Wärmeträgermediums maßgeblich bestimmt, nur im geringen Umfang sinkt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Maschengröße der einzelnen Maschen eines Wärmeleitgitters zwischen etwa 1,5 mm und etwa 3,5 mm betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite einer Masche größer sein als deren Höhe. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite einer Masche zwischen etwa 2,2 mm bis etwa 3,5 mm betragen. In diesen Ausführungsformen der Erfindung kann die Höhe einer Masche zwischen etwa 1,5 mm und etwa 2,5 mm betragen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stegbreite des Wärmeleitgitters, d.h. die zwischen benachbarten Maschen verbleibende Materialdicke, zwischen etwa 180 µm und etwa 50 µm oder zwischen etwa 150 µm und etwa 80 µm betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stegbreite zwischen etwa 120 µm und etwa 90 µm betragen. Somit erlaubt die vergleichsweise große Maschengröße die effiziente Durchströmung mit einem Wärmeträgermedium oder im Falle eines Verdampfers die effiziente Abführung eines gasförmigen Mediums, wohingegen die verbleibende Stegbreite noch einen hinreichenden Wärmetransport innerhalb der Wärmeleitstruktur sicherstellt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitstruktur in Richtung des Normalenvektors der durch die Wärmeleitgitter definierten Ebene um mehr als einen Faktor 7 oder mehr als einen Faktor 8 oder mehr als einen Faktor 10 geringer sein als in einer zum Normalenvektor orthogonalen Richtung. Dieses Verhalten ergibt sich daraus, dass innerhalb der durch die einzelnen Wärmeleitgitter definierten Ebene aufgrund der zusammenhängenden Materiallage der Wärmeleitgitter eine vergleichsweise große Querschnittsfläche zum Wärmetransport zur Verfügung steht. Andererseits sind benachbarte Wärmeleitgitter nur punktförmig durch Sinterhälse, Lötstellen oder Klebeverbindungen miteinander verbunden, sodass die Wärmeleitung in Richtung des Normalenvektors reduziert ist.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeübertrager weiterhin ein Sorptionsmittel enthalten, welches auf und/oder in der Wärmeleitstruktur angeordnet ist. Das Sorptionsmittel kann beispielsweise durch Plasmabeschichten, Tauchbeschichtung oder Sprühbeschichtung aufgebracht werden. Dies erlaubt es, den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager als Sorber in einem thermischen Kompressor einer Sorptionswärmepumpe einzusetzen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wärmeübertrager auch als Kondensator und/oder Verdampfer einer Wärmepumpe Verwendung finden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur plissiert sein.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Wärmeleitstruktur stoffschlüssig mit dem Rohr verbunden sein, beispielsweise durch Löten. Hierzu kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Lotpaste verwendet werden, welche auf die Fügestelle aufgetragen und nachfolgend erwärmt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft dies ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, bei welchem die Wärmeleitstruktur eines Wärmeübertragers zumindest teilweise in einen Sumpf eintaucht und über zumindest ein Rohr des Wärmeübertragers ein Wärmeträgermedium mit erhöhter Temperatur zugeführt wird.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren wird über die Wärmeleitstruktur des Wärmeübertragers von einer Wärmeenergiequelle Wärme auf eine Flüssigkeit übertragen, wodurch die Flüssigkeit verdampft wird. Die Flüssigkeit kann in einigen Ausführungsformen über einen Sumpf zugeführt werden. Hierzu kann der Wärmeübertrager vollständig oder teilweise in den Sumpf eintauchen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Flüssigkeit dem Wärmeübertrager auch durch Berieselung zugeführt werden. Schließlich kann die zu verdampfende Flüssigkeit auch vorher auf dem Wärmeübertrager kondensieren und dort zwischengespeichert werden.
Im Falle des Eintauchens in einen Sumpf kann ein Blasensieden in der Flüssigkeit erzeugt werden. Als Blasensieden wird die Entstehung von Gasphasen durch Erwärmung innerhalb der Flüssigkeit bezeichnet.
Bei Verdampfungsprozessen, insbesondere beim Blasensieden, treten hohe Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb der Wärmeleitstruktur auf, welche durch die Dynamik der Blasenbildung, das Blasenwachstum sowie des Blasenabreißens bedingt sind. Für das Zustandekommen der Blasenbildung an einer Teilfläche der Wärmeleitstruktur sind dabei Blasenkeimstellen und eine gegenüber der Sättigungstemperatur des zu verdampfenden Fluides erhöhte Wandtemperaturen notwendig. Es ist bekannt, dass vor allem an Ecken und Kanten einer Heizfläche Keimstellen für die Bildung von Blasen entstehen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist somit aufgrund der innerhalb der Wärmeleitgitter durchgehenden Materialstruktur eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Aufgrund der Maschen innerhalb der Wärmeleitgitter, welche jeweils durch Stege mit Kanten begrenzt sind, weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager aber auch viele Keimstellen zur Blasenbildung und damit eine gegenüber an sich bekannten Lamellenwärmeübertragern verbesserte Verdampfungsleistung beim Blasensieden auf. Auch die bei der Wärmebehandlung der Wärmeleitstruktur entstehenden Kontaktbereiche zwischen einzelnen Wärmeleitgittern bilden zusätzliche Keimstellen für die Bildung von Blasen. Durch die erfindungsgemäß verwendeten Wärmeleitgitter mit geringer Materialstärke lassen sich viele Wärmeleitgitter auf begrenztem Raum zusammenfügen. Die innerhalb dieser Wärmeleitgitter ausgebildeten kleinen Maschen führen zu vielen Kanten und Ecken und damit zu einer großen Anzahl von Keimstellen für die Blasenbildung. Die Verdampfungsleistung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kann somit gegenüber bekannten Wärmeübertragern deutlich erhöht sein.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Wärmeübertrag zwischen einem ersten Wärmeträgermedium auf ein zweites Wärmeträgermedium mittels eines Wärmeübertragers. Dabei strömt ein Wärmeträgermedium im Inneren eines Rohres und ist durch die Rohrwandung vom Außenraum getrennt, in welchem das andere Wärmeträgermedium strömt. Die zum Wärmeübergang zur Verfügung stehende Fläche kann durch Wärmeleitstrukturen vergrößert werden, welche einseitig oder beidseitig auf der Rohrwandung angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann insbesondere die Außenseite der Rohrwandung mit Wärmeleitstrukturen versehen sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit sein, beispielsweise ein Heizwasser, ein Kühlwasser oder ein Thermoöl. Das zweite Wärmeträgermedium kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung gasförmig sein, beispielsweise Umgebungsluft oder ein Abgasstrom. In diesem Fall strömt das gasförmige zweite Wärmeträgermedium durch die erfindungsgemäße Wärmeleitstruktur. Da die Porosität, d. h. das Volumen der sich aus den Maschen ergebenden Poren im Verhältnis zum Gesamtvolumen der Wärmeleitstruktur vergleichsweise groß ist, kann auch die aus einer Vielzahl von Wärmeleitgittern bestehende Wärmeleitstruktur von einem gasförmigen Medium durchströmt werden, so dass ein effizienter Wärmeaustausch stattfinden kann.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:

1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendeten Wärmeleitgitters.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wärmeleitstruktur in der Ansicht.
3 zeigt eine Wärmeleitstruktur im Querschnitt.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Wärmeübertrager in einer ersten Ausführungsform.
5 zeigt einen Querschnitt durch einen Wärmeübertrager in einer zweiten Ausführungsform.
6 zeigt einen Querschnitt durch einen Wärmeübertrager in einer zu 5 orthogonalen Richtung.
7 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers als Verdampfer.

1 zeigt eine Ausführungsform eines Wärmeleitgitters gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Wärmeleitgitter gemäß 1 besteht aus einem Streckmetall, welches durch Einbringen von Schlitzen in eine Metallfolie bzw. ein -blech und nachfolgendes Auseinanderziehen erhältlich ist. Hierdurch bilden sich Maschen 25, welche durch Stege 23 voneinander getrennt sind. Die Metallfolie bzw. das -blech kann Kupfer oder Aluminium enthalten oder daraus bestehen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Maschen 25 eine größere Breite a und eine geringere Höhe b aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Breite a zwischen etwa 2,5 und etwa 3 mm betragen, wohingegen die Höhe b zwischen etwa 1,5 mm und etwa 2,5 mm beträgt.
Die Stege 23 können in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 90 µm und etwa 100 µm breit sein.
Die Materialstärke des Streckmetallgitters kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 40 µm und etwa 60 µm betragen.
Aufgrund der Herstellungsweise des Wärmeleitgitters 20 als Streckmetallgitter ergibt sich innerhalb der durch das Streckmetallgitter 20 definierten Ebene eine durchgehende metallische Struktur, sodass Wärme innerhalb der durch das Streckmetall definierten Ebene effizient geleitet werden kann. Sofern die Maschen 25 des Wärmeleitgitters 20 von einem beispielsweise gasförmigen Wärmeträgermedium durchströmt werden, kann diese Wärme auch mit guter Effizienz an das Wärmeträgermedium abgegeben bzw. aus dem Wärmeträgermedium aufgenommen werden.
In gleicher Weise wie vorstehend für ein Streckmeltall erläutert, kann ein Wärmeleitgitter 20 auch durch Perforieren einer Metallfolie oder durch Flechten von Drähten hergestellt werden.
2 zeigt eine Wärmeleitstruktur 2, welche aus einer Vielzahl von Wärmeleitgittern 20 zusammengesetzt ist. Hierzu werden etwa 50 bis etwa 400 der in 1 gezeigten Wärmeleitgitter zugeschnitten und übereinandergelegt.
Das Fügen der Wärmeleitgitter kann beispielsweise durch Löten erfolgen. Hierzu kann eine Lötpaste, welche Lot und Flussmittel enthält, punktförmig oder flächig auf die Wärmeleitgitter 20 aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann zumindest ein Wärmeleitgitter vor dem Löten oxidiert und die Kontaktstellen angeschliffen werden. Das kann vermeiden, dass die Wärmeleitstruktur beim Löten durch Kapillarwirkung das Lot aufsaugt.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die einzelnen Wärmeleitgitter 20 gesintert werden, indem ein Stapel aus einer Mehrzahl von Wärmeleitgittern 20 in Schutzgasatmosphäre wärmebehandelt wird. Die Schutzgasatmosphäre kann beispielsweise ein Edelgas, Stickstoff oder Wasserstoff enthalten. Hierdurch werden die einzelnen Wärmeleitgitter 20 zur Wärmeleitstruktur 2 verbunden.
Die Wärmeleitstruktur 2 weist eine wesentlich höhere mechanische Stabilität auf als ein einzelnes Wärmeleitgitter 20. Gleichzeitig steigt der zur Wärmeleitung zur Verfügung stehende Querschnitt innerhalb der durch die Wärmeleitgitter definierten Ebene linear mit der Anzahl der Wärmeleitgitter an. In Richtung des Normalenvektors der Wärmeleitgitter ist die Wärmeleitfähigkeit hingegen reduziert.
Das in 2 gezeigte Halbzeug der Wärmeleitstruktur kann nachfolgend zugeschnitten und auf die Rohrwandung von zumindest einem Rohr eines Wärmeübertragers aufgebracht werden, wie anhand der 4 bis 6 noch erläutert werden wird.
3 zeigt den Querschnitt durch eine Wärmeleitstruktur gemäß 2. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus elf Wärmeleitgittern 20, welche übereinander angeordnet sind. Erkennbar sind einzelne Stege 23, wohingegen die Maschen 25 im Querschnitt nicht sichtbar sind.
Wie aus 3 erkennbar ist, berühren sich die einzelnen Stege 23 nur in einzelnen Punkten. Durch die Wärmebehandlung kommt es an diesen Stellen zur Ausbildung von Sinterhälsen 24. Die Sinterhälse 24 bewirken die Erhöhung der mechanischen Stabilität der Wärmeleitstruktur 2 gegenüber der mechanischen Belastbarkeit eines einzelnen Wärmeleitgitters 20. Durch die Sinterhälse 24 kann auch eine Wärmeleitung zwischen einzelnen Wärmeleitgittern 20 und damit entlang des Normalenvektors der Wärmeleitstruktur 2 erfolgen. Aufgrund des geringeren Querschnittes ist diese Wärmeleitung jedoch um etwa eine Größenordnung geringer als entlang der einzelnen Ebenen der Wärmeleitgitter 20.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen Wärmeübertrager 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wärmeübertrager 1 enthält zumindest ein Rohr 10, welches eine Rohrwandung 100 aufweist. Die Rohrwandung 100 trennt einen Innenraum 105 von einem das Rohr 10 umgebenden Außenraum. Der Querschnitt des Rohres 10 kann polygonal oder rund sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Rohr 10 einen rechteckigen Querschnitt haben.
Bei Betrieb des Wärmeübertragers 1 zirkuliert im Innenraum 105 des Rohres 10 ein erstes Wärmeträgermedium 6. Das Wärmeträgermedium 6 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung Kühl- oder Heizwasser oder ein Thermoöl sein. Das Wärmeträgermedium 6 kann in anderen Ausführungsformen das Arbeitsmedium einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine sein, beispielsweise Ammoniak, Wasser oder ein Kohlenwasserstoff. In diesem Fall kann das erste Wärmeträgermedium 6 im Rohr 10 kondensieren oder verdampfen.
Die Wärme wird dem Innenraum 105 des Rohres 10 über die Rohrwandung 100 zu- oder abgeführt. Zur Vergrößerung der für den Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Fläche steht die Wärmeleitstruktur 2 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung. Die Wärmeleitstruktur 2 weist eine Vielzahl von Wärmeleitgittern 20 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 4 lediglich ein einzelnes Wärmeleitgitter 20 dargestellt. Das Wärmeleitgitter 20 weist längliche Maschen 25 auf, wie anhand von 1 beschrieben.
Die Wärmeleitstruktur 2 ist mit einer Vielzahl von Fügestellen 110 stoffschlüssig mit der Rohrwandung 100 gefügt. Dies kann beispielsweise durch Löten, Sintern, Schweißen oder Kleben erfolgen. Aufgrund der durchgehenden Materialstruktur des Wärmeleitgitters 20 kann Wärme durch den Querschnitt der Stege 23 geleitet werden. Die Wärmeleitstruktur 2 ist so orientiert, dass die kleinere Breite der Maschen 25 in etwa parallel zum Rohr 10 verläuft.
Die Maschen 25 können von einem zweiten Wärmeträgermedium 5 durchströmt werden. In der Zeichnung gemäß 4 strömt das zweite Wärmeträgermedium 5 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus und damit in etwa orthogonal zur Strömungsrichtung des ersten Wärmeträgermediums 6. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strömungsrichtung der beiden Wärmeträgermedien selbstverständlich auch gleich- oder gegensinnig verlaufen. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung eines Kreuzstromwärmeübertragers als Lösungsprinzip. Aufgrund des vergleichsweise großen Flächenanteils der Maschen 25 an der Gesamtfläche der Wärmeleitgitter 20 von ca. 80 % bis ca. 90 % setzt die Wärmeleitstruktur 2 der Strömung des zweiten Wärmeträgermediums 5 nur einen geringen Widerstand entgegen, sodass das Wärmeträgermedium mit geringem Druckabfall durch die Wärmeleitstruktur 2 strömen kann. Das zweite Wärmeträgermedium 5 kann gasfürmig sein und beispielsweise Umgebungsluft enthalten oder daraus bestehen.
Die Höhe der Wärmeleitstruktur 2 zwischen der Fügestelle 110 und dem oberen Ende kann zwischen etwa 150 mm bis etwa 400 mm oder zwischen etwa 200 mm bis etwa 300 mm aufweisen.
5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Wie aus 5 ersichtlich ist, ist die Wärmeleitstruktur 2 so orientiert, dass die größere Breite der Maschen 25 in etwa parallel zum Rohr 10 verläuft. Hierdurch können die Fügestellen 110 eine größere Fläche aufweisen als bei der anhand von 4 erläuterten ersten Ausführungsform. Dies kann die Anbindung der Wärmeleitstruktur 2 an die Wandung 100 der Rohre 10 verbessern.
6 zeigt die Wärmetauscher gemäß 4 und 5 in einer zu diesen Figuren orthogonalen Schnittrichtung. Dementsprechend strömt das erste Wärmeträgermedium 6 in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene hinaus. Die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgermediums 5 verläuft innerhalb der Zeichenebene.
Auch in 6 sind gleiche Bestandteile der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränken kann. 6 zeigt, dass sich die einzelnen Wärmeleitgitter 20 der Wärmeleitstruktur 2 im Wesentlichen senkrecht auf der Rohrwandung 100 befinden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die einzelnen Wärmeleitgitter 20 in 6 beabstandet dargestellt. Es versteht sich jedoch, dass sich die Wärmeleitgitter 20 zumindest teilweise berühren und teilweise durch Sinterhälse verbunden sind, wie anhand von 3 erläutert wurde.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind auch lediglich sechs Wärmeleitgitter 20 in 6 dargestellt. Tatsächlich kann eine Wärmeleitstruktur 2 zwischen etwa 50 und etwa 400 Wärmeleitgittern 20 enthalten. Auf einem Rohr 10 können zudem mehrere Wärmeleitstrukturen 2 angeordnet sein, sodass ein Wärmetauscher 1 gemäß der vorliegenden Erfindung viele tausend Wärmeleitgitter 20 enthalten kann.
Wie 6 nochmals illustriert, strömt das zweite Wärmeträgermedium 5 in etwa entlang des Normalenvektors der Wärmeleitstruktur 2. Anders als bei bekannten Lamellenwärmetauschern strömt das Wärmeträgermedium 5 somit nicht an den einzelnen Flächenelementen entlang, sondern durch diese hindurch. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Strömungsrichtung jedoch auch in der Ebene der Wärmeübertragungsgitter verlaufen. Durch den hohen Anteil an Maschen 25 an der Gesamtfläche kann dies gleichwohl mit hinreichend geringem Druckverlust erfolgen. Gleichzeitig ist die zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche erhöht, so dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eine bessere Leistungsfähigkeit aufweist.
7 zeigt die Anwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers als Verdampfer. Hierzu taucht ein Wärmeübertrager 1 vollständig oder teilweise in einen Sumpf 7 ein, welcher mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit 70 gefüllt ist. Durch Wärmezufuhr wird die Flüssigkeit 70 verdampft und verlässt den Sumpf als Dampf 75. Der Verdampfer kann Bestandteil einer Sorptionswärmepumpe sein.
Auch in 7 sind gleiche Bestandteile der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Das im Rohr 10 zirkulierende Wärmeträgermedium führt die zur Verdampfung notwendige Wärme zu. Hierzu kann das Wärmeträgermedium von einer nicht dargestellten Wärmequelle erwärmt werden oder aber im Fall einer Kälteanlage die abzuführende Wärme transportieren.
Die Verdampfungswärme wird anschließend durch die Rohrwandung der Wärmeleitstruktur 2 zugeführt. Die Höhe der Wärmeleitstruktur 2 zwischen der Fügestelle am Rohr 10 und dem oberen Ende kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 10 mm und etwa 100 mm oder zwischen etwa 10 mm und etwa 50 mm oder etwa zwischen 10 mm und etwa 30 mm betragen.
Beim Blasensieden der Flüssigkeit 70 treten hohe Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb der Wärmeleitstruktur 2 auf, welche durch die Dynamik der Blasenbildung, das Blasenwachstum sowie das Blasenabreißen bedingt sind. Für das Zustandekommen der Blasenbildung an einer Teilfläche der Wärmeleitstruktur sind dabei Blasenkeimstellen und eine gegenüber der Sättigungstemperatur des zu verdampfenden Fluides erhöhte Wandtemperaturen notwendig. Da vor allem an Ecken und Kanten einer Heizfläche Keimstellen für die Bildung von Blasen entstehen, weist die erfindungsgemäße Wärmeleitstruktur 2 eine verbesserte Verdampfungsleistung auf, da an den Kanten der Stege 23 eine Vielzahl von Keimstellen vorhanden sind. Entstehender Dampf kann die Wärmeleitstruktur 2 anschließend durch die Maschen 25 verlassen. Auch die bei der Wärmebehandlung der Wärmeleitstruktur entstehenden Sinterhälse 24 zwischen einzelnen Wärmeleitgittern bilden zusätzliche Keimstellen für die Bildung von Blasen. Die Verdampfungsleistung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kann somit gegenüber bekannten Wärmeübertragern deutlich erhöht
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Aus-führungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Aus-führungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Wärmeübertrager (1) mit zumindest einem Rohr (10), welches eine Rohrwandung (100) aufweist und mit einer Wärmeleitstruktur (2), welche mit der Rohrwandung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) zumindest zwei Wärmeleitgitter (20) enthält, welche stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitgitter (20) ausgewählt sind aus einer perforierten Materiallage und/oder einem Streckmetallgitter und/oder einem Geflecht.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wärmeleitgitter (20) eine Materialstärke von weniger als etwa 200 µm oder weniger als etwa 150 µm oder weniger als etwa 60 µm aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) so auf der Rohrwandung (100) angeordnet ist, dass die Wärmeleitgitter (20) mit der Längsachse des Rohres (10) einen Winkel (α) von etwa 50° bis etwa 130° oder von etwa 70° bis etwa 110° oder von etwa 80° bis etwa 100° oder etwa 90° einschließen.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) durch Sintern der Wärmeleitgitter (20) hergestellt ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) eine Höhe von etwa 1 mm bis etwa 10 mm oder etwa 1 mm bis etwa 5 mm oder etwa 1 mm bis etwa 3 mm oder etwa 15 mm bis etwa 40 mm oder etwa 20 mm bis etwa 30 mm aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) zwischen etwa 50 und etwa 2500 oder zwischen etwa 100 und etwa 1000 oder zwischen etwa 150 und etwa 500 oder zwischen etwa 200 und etwa 300 Wärmeleitgitter (20) enthält oder daraus besteht.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) eine Porosität von etwa 70% bis etwa 90% oder von etwa 80% bis etwa 85% aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschengröße (a, b) des Wärmeleitgitters (20) zwischen etwa 1,5 mm und etwa 3,5 mm beträgt und/oder dass die Breite eine Steges (23) des Wärmeleitgitters (20) zwischen etwa 180 µm und etwa 50 µm beträgt.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitstruktur (2) in Richtung des Normalenvektors der durch die Wärmeleitgitter (20) definierten Ebene um mehr als einen Faktor 7 oder mehr als einen Faktor 8 oder mehr als einen Faktor 10 geringer ist als ein einer zum Normalenvektor ortogonalen Richtung.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiterhin enthaltend ein Sorptionsmittel (3), welches auf und/oder in der Wärmeleitstruktur (2) angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitstruktur (2) plissiert ist und/oder dass die Wärmeleitstruktur (2) stoffschlüssig mit dem Rohr (10) verbunden ist.
Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitstruktur (2) eines Wärmeübertragers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zumindest teilweise in einen Sumpf eintaucht und zumindest ein Rohr (10) des Wärmeübertrager (1) von einem ersten Wärmeträgermedium (6) durchströmt wird.
Verfahren zum Wärmeübertrag zwischen einem ersten Wärmeträgermedium (6) auf ein zweites Wärmeträgermedium (5) mittels eines Wärmeübertragers (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitstruktur (2) eines Wärmeübertragers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vom zweiten Wärmeträgermedium (5) durchströmt wird und zumindest ein Rohr (10) des Wärmeübertragers (1) vom ersten Wärmeträgermedium (6) durchströmt wird.