DE102020202835A1

DE102020202835A1 - Wärmeübertrager und Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers

Info

Publication number: DE102020202835A1
Application number: DE102020202835.4A
Authority: DE
Inventors: Joerg Martini; Christoph Pauls
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-09-09
Also published as: CN113357936B; US20210278149A1; US11561052B2; CN113357936A

Abstract

Ein Wärmeübertrager weist Strömungskanäle für Kühlmittel auf, die Turbulenzelemente aufweisen, die in Abhängigkeit der Strömungsrichtung einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen, wobei die Kühlmittelströmung in unterschiedlichen Richtungen (A, B, C) durch den Wärmeübertrager führbar ist.Im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben eines Wärmeübertragers wird dieser in unterschiedlichen Richtungen durchströmt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere zur Anwendung in einem Automobil zur Kühlung eines Kühlmittels, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers.
Stand der Technik
Insbesondere in Automobilen werden Wärmeübertrager im vorderen Bereich des Fahrzeugs eingesetzt, um mittels der hindurchströmenden Luft ein Kühlmittel zu kühlen. Mittels einer dazwischen geschalteten Wärmepumpe und einem separaten Kreislauf kann hierdurch für eine Kühlung des Fahrzeuginnenraums gesorgt werden. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann zusätzlich eine Kühlung der Batterie erfolgen. Hierbei kann der Fall eintreten, dass die Batterie in bestimmten Betriebszuständen zu erwärmen ist, so dass das Kühlmittel, bedingt durch den Entzug von Wärmeenergie in der dazwischengeschalteten Wärmepumpe, mit extrem niedrigen Temperaturen durch den Wärmeübertrager treten muss. In diesem Fall muss das Kühlmittel in dem Wärmeübertrager Wärmeenergie aufnehmen, was infolge der damit einhergehenden hohen Viskosität vergleichsweise ineffizient möglich ist. Dies gilt insbesondere angesichts von Turbulenzelementen, die in dem für das Kühlmittel vorgesehenen Strömungskanälen in dem Wärmeübertrager vorhanden sind, um die Turbulenzen zu erhöhen. Dies mag bei vergleichsweise hohen Temperaturen des Kühlmittels, die bis zu 135°C erreichen können, vorteilhaft sein, ist jedoch ungünstig für vergleichsweise niedrige Kühlmitteltemperaturen, die bis zu -30°C reichen können.
Darstellung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen über einen weiten Temperaturbereich effizient betreibbaren Wärmeübertrager und ein Verfahren zu dessen Betreiben zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den Wärmeübertrager gemäß dem Patentanspruch 1.
Demzufolge weist dieser Strömungskanäle für Kühlmittel mit Turbulenzelementen auf, die in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen. Erfindungsgemäß ist die Kühlmittelströmung in unterschiedlichen Richtungen durch den Wärmeübertrager führbar. Hierdurch kann im Wesentlichen durch die Veränderung der Strömungsrichtung die Erzeugung von Turbulenzen variiert werden und insbesondere an die zu einem bestimmten Zeitpunkt vorliegende Viskosität des Kühlmittels angepasst werden.
Mit anderen Worten werden, wie nachfolgend genauer beschrieben, Vorkehrungen getroffen, um das Kühlmittel bei einer vergleichsweise hohen Viskosität derart durch die Strömungskanäle des Wärmeübertragers zu führen, dass ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand vorliegt. Die damit einhergehende Verminderung von Turbulenzen führt darüber hinaus in vorteilhafter Weise dazu, dass der Druckverlust und der Energieverbrauch einer hierfür eingesetzten Pumpe gering gehalten wird. Im Gegensatz dazu wird das Kühlmittel im Fall einer vergleichsweise niedrigen Viskosität derart durch die Strömungskanäle geführt, dass umfangreich Turbulenzen erzeugt werden, und die Wärmeübertragung verbessert wird.
Hierbei werden, wie ebenfalls nachfolgend genauer ausgeführt, unter Turbulenzelementen jegliche Elemente oder Strukturen verstanden, die Turbulenzen in dem Kühlmittel erzeugen. Grundsätzlich ist es denkbar, in dem Wärmeübertrager bewegliche Elemente derart vorzusehen, dass die Ausrichtung der Turbulenzelemente bezüglich der Strömung verändert wird, so dass mit anderen Worten das Kühlmittel in unterschiedlichen Richtungen bezüglich der Turbulenzelemente durch den Wärmeübertrager führbar ist. Wie nachfolgend detailliert ausgeführt, wird jedoch bevorzugt, innerhalb des Wärmeübertragers bewegliche Elemente zu vermeiden, und die Änderung der Strömungsrichtung im Wesentlichen durch außerhalb des Wärmeübertragers vorgesehenen Maßnahmen zu verändern.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Turbulenzelemente können beispielsweise in einer Draufsicht tropfen- oder dreieckförmig sein. In einem Wärmeübertrager, der im Wesentlichen in Form gestapelter Platten mit dazwischenliegenden Kanälen für das Kühlmittel bzw. die kühlende Luft ausgebildet ist, können hier sogenannte „Chevron“-Platten verwendet werden.
Alternativ hierzu sind in bestimmten Anwendungsfällen wellenförmige Turbulenzelemente vorteilhaft, die insbesondere als Rippen oder Lamellen ausgebildet sein können. Die Wellen können hierbei sowohl vergleichsweise rund als auch vergleichsweise eckig gestaltet sein. Mit anderen Worten sind in einem Strömungskanal, der eine flächige Erstreckung und eine gewisse Höhe aufweisen kann, ein oder mehrere Blechstreifen, zu einer Wellenform gebogen, zwischen den die Höhe definierenden Platten und bevorzugt an einer oder beiden Seite mit diesen verbunden, bspw. verlötet, vorgesehen.
Besonders bewährt haben sich mehrere zueinander versetzte, wellenförmige Rippen. In diesem Fall sind mehrere, vergleichsweise schmale Blechstreifen vorgesehen, die zueinander derart versetzt sind, dass die Wellenberge beispielsweise um eine halbe Wellenlänge zueinander versetzt sind.
Für die Veränderung der Strömungsrichtung ist es vorteilhaft, zumindest zwei Ein- und/oder Auslässe vorzusehen, um durch geeignete Maßnahmen zwischen den Ein- und/oder Auslässen zu schalten, und dadurch unterschiedliche Strömungsrichtungen zu realisieren.
Insbesondere in diesem Zusammenhang wird ferner zumindest ein Ventil, an dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager bevorzugt. Hierdurch kann gemäß einer besonders bevorzugten Maßnahme stufenlos zwischen zwei Ein- und/oder Auslässen geschaltet werden, so dass die vorherrschende Strömungsrichtung ebenfalls stufenlos einstellbar ist. Alternativ oder ergänzend kann das Ventil derart vorgesehen sein, dass die Strömungsrichtung zwischen je einem vorhandenen Ein- und Auslass umgekehrt werden kann. In besonderen Anwendungsfällen kann diese Maßnahme bei zwei Ein- und/oder Auslässen vorgesehen werden.
Im Wesentlichen alternativ zu der vorangehend beschriebenen Gestaltung mit zumindest zwei Ein- und/oder Auslässen ist eine Ausführungsform denkbar, bei welcher der erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit einer Pumpe kombiniert wird, die in zwei Richtungen betreibbar ist. Hierdurch kann somit das Kühlmittel bei lediglich je einem vorhandenen Ein- und Auslass in zwei unterschiedlichen Richtungen durch den Wärmeübertrager geführt werden, indem der Ein- zum Auslass und Aus- zum Einlass wird.
Die Lösung der obengenannten Aufgabe erfolgt zum anderen durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers, bei dem das Kühlmittel in unterschiedlichen Richtungen durch den Wärmeübertrager geführt wird. Entsprechend den vorangehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des Wärmeübertragers kann in vorteilhafter Weise eine stufenlose Einstellung der Strömungsrichtung vorgesehen werden. Bevorzugt alternativ hierzu kann eine Pumpe in zwei Richtungen betrieben werden. Es sei erwähnt, dass sämtliche vorangehend und nachfolgend genannten Merkmale eines Wärmeübertragers bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anwendbar sind und umgekehrt.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 den grundsätzlichen Aufbau der Kälte- und Wärmekreisläufe in einem Automobil;
2 die typische Anordnung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einem Automobil;
3 den Wärmeübertrager schematisch in einer Draufsicht;
4 den Wärmeübertrager schematisch in einer Seitenansicht;
5 eine schematische perspektivische Darstellung des Wärmeübertragers mit einer ersten Durchströmungsrichtung;
6 eine schematische perspektivische Darstellung des Wärmeübertragers mit einer zweiten Durchströmungsrichtung;
7 eine Platte des Wärmeübertragers in einer Draufsicht;
8 ein Detail der in 7 gezeigten Platte;
9 eine Draufsicht der Platte gemäß 7 in einer weiteren Ausführungsform; und
10 eine alternative Platte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Wie in 1 gezeigt ist, wird in einem Automobil typischerweise mittels eines Klimatisierungssystems 10 der Innenraum 12 des Fahrzeugs gekühlt oder erwärmt. Im Fall eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs kann zusätzlich die Batterie gekühlt oder erwärmt werden. Zwischen dem Klimatisierungssystem 10 und einem Wärmeübertrager 14, der je nach Betriebszustand für die Aufnahme von oder Abgabe von Wärmeenergie an die Umgebung vorgesehen ist, ist eine Wärmepumpe 16 zwischengeschaltet, die durch geeignete Kreisläufe 18 bzw. 20 mit dem Wärmeübertrager 14 bzw. dem Klimatisierungssystem 10 verbunden ist.
In 2 ist die typische Position des Wärmeübertragers 14 in einem Automobil 22 gezeigt. Diese liegt typischerweise im vorderen Bereich des Fahrzeugs, so dass beispielsweise auch bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen bis hin zu Minusgraden, Wärme aufgenommen werden kann, wenn das Kühlmittel eine noch niedrigere Temperatur aufweist.
3 zeigt den Wärmeübertrager 14 schematisch in einer Draufsicht, aus der hervorgeht, dass es sich typischerweise um einen Querstromwärmetauscher handelt, in dem die Strömungsrichtung 24 der Luft im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 26 des Kühlmittels steht.
Wie in der ergänzenden Seitenansicht von 4 erkennbar, können die Strömungskanäle für Luft, die sich gemäß 4 senkrecht zur Zeichenebene erstrecken, zur Verbesserung der Wärmeübertragung wellenförmige Rippen 28 aufweisen. Wie ebenfalls in 4 erkennbar, sind die Strömungskanäle für Luft mit denjenigen 30 für Kühlmittel gestapelt und im Wesentlichen durch Platten begrenzt.
Wie nachfolgend genauer unter Bezugnahme auf 10 beschrieben verlaufen die Strömungskanäle für das Kühlmittel im Wesentlichen zwischen zwei Verteilern, in die das Kühlmittel zunächst ein- bzw. von diesem es nach dem Durchströmen der Strömungskanäle 30 ausströmt.
Wie in 5 erkennbar ist, kann der perspektivisch dargestellte, erfindungsgemäße und in diesem Fall kubische Wärmeübertrager 14 zwei Einlässe 32.1,32.2 und zwei Auslässe 34.1 und 34.2 aufweisen. Dementsprechend weist ein derartiger Wärmeübertrager 14 typischerweise an sämtlichen vier Seiten Verteiler auf.
Wie nunmehr in 5 dargestellt ist, erstreckt sich eine erste Strömungsrichtung von dem ersten Einlass 32.1 zum ersten Auslass 34.1. Hierfür wird das Kühlmittel, wie im oberen Bereich der 5 erkennbar, durch ein bspw. angelötetes Ventil 36 von der Zuleitung 38 durch eine geeignete Leitung zu dem Einlass 32.1 geführt, und das von dem Auslass 34.1 kommende Kühlmittel wird durch eine weitere geeignete Leitung zu der Ableitung 40 und durch diese abgeführt.
Dies gilt gleichermaßen bei der in 6 dargestellten Situation. Hier ist das Ventil 36 jedoch derart geschaltet, dass das Kühlmittel zu dem zweiten Einlass 32.2 geführt wird, und durch den zweiten Auslass 34.2 wieder abgeführt wird. Demnach stehen die beiden Strömungsrichtungen, wie genauer in 9 erkennbar, im Wesentlichen senkrecht zueinander. Ferner kann durch eine geeignete Schaltung des Ventils 36 zur stufenlosen Verteilung auf die beiden Einlässe 32 die jeweils einströmende Kühlmittelmenge reguliert werden, so dass sich in dem Wärmeübertrager beliebige Richtungen C zwischen den beiden in 9 eingezeichneten Strömungsrichtungen A, B zwischen dem ersten Ein- und Auslass einerseits und dem zweiten Ein- und Auslass andererseits einstellen lassen. Es sei ergänzend erwähnt, dass ein ähnlicher Effekt erreicht werden kann, wenn der Wärmeübertrager 14 in der Draufsicht nicht wie dargestellt rechteckig, insbesondere quadratisch, sondern im Wesentlichen dreieckig gestaltet ist und zwei Ein- oder zwei Auslässe aufweist. Auch in diesem Fall kann in der beschriebenen Weise eine Verteilung zwischen den beiden Ein- oder Auslässen erfolgen, und die Strömungsrichtung im Wesentlichen stufenlos eingestellt werden.
In 7 ist nur eine Strömungsrichtung dargestellt, die jedoch umkehrbar ist, und aus 8 ergibt sich in der Detaildarstellung die Gestaltung mit zueinander versetzten, wellenförmigen Rippen 38, die in dem gezeigten Fall vergleichsweise eckig gestaltet sind. Wenn der Wärmeübertrager gemäß den Pfeilen in 7, d.h. bezogen auf 8 von links unten nach rechts oben durchströmt wird, ergibt sich ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand. Im Gegensatz hierzu ergibt sich bei einer Durchströmung gemäß 8 von rechts unten nach links oben oder umgekehrt ein deutlich höherer Strömungswiderstand.
Der zuletzt genannte Fall entspricht dem in 9 gezeigten Fall einer Durchströmung von links nach rechts, d. h. von dem ersten Einlass 32.1 zum ersten Auslass 34.1 und in Richtung des Pfeils A. Senkrecht hierzu, im Wesentlichen in Richtung des Pfeils B und von dem zweiten Einlass 32.2 zu dem zweiten Auslass 34.2 ergibt sich ein deutlich geringerer Strömungswiderstand. Wie durch die Pfeile C angedeutet, können durch eine Verteilung des Kühlmittels auf die beiden Einlässe 32 in beliebiger Weise „schräge“ Strömungsrichtungen mit einem entsprechend eingestellten Strömungswiderstand infolge der vorhandenen Rippen 38 dargestellt werden.
In 10 ist schematisch eine alternative Platte 40 gezeigt, die in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 14 zum Einsatz kommen kann, und als „Chevron“-Platte bezeichnet wird. Diese weist im Wesentlichen in der Form von zahlreichen Ein- oder Ausbeulungen, sogenannten Dimples Turbulenzelemente auf, die aufgrund ihrer Tropfen- oder Dreieckform, wie in 10 erkennbar, je nach Strömungsrichtung einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen. Insbesondere ist dieser in dem gezeigten Fall bei Durchströmung von unten nach oben geringer, als bei umgekehrter Strömungsrichtung Die Strömungsrichtung kann in diesem Fall durch ein Ventil ähnlich zu dem in 5 und 6 gezeigten gewährleistet werden, wenn dieses Ventil derart schaltbar ist, dass es die Strömungsrichtung umkehrt. Alternativ kann dies durch eine geeignete Pumpe vorgenommen werden.
In 10 sind im Bereich des Ein- 32 und Auslasses 34 streifenförmige Randbereiche erkennbar, die keine Turbulenzelemente 42 aufweisen. Diese Randbereiche entsprechen den obengenannten Strömungsverteilern, so dass in der gewünschten Richtung mehrere Strömungskanäle zwischen Platten, wie in den 7, 9 und 10 gezeigt, durchströmt werden können.
Es sei ergänzend erwähnt, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager auch von einem Kältemittel durchströmt werden kann.

Claims

Wärmeübertrager (14) mit Strömungskanälen (30) für Kühlmittel, die Turbulenzelemente (38, 42) aufweisen, die in Abhängigkeit der Strömungsrichtung einen unterschiedlichen Strömungswiderstand aufweisen, wobei die Kühlmittelströmung in unterschiedlichen Richtungen (A, B, C) durch den Wärmeübertrager (14) führbar ist.
Wärmeübertrager (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzelemente (42) in einer Draufsicht tropfen- oder dreieckförmig sind.
Wärmeübertrager (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzelemente wellenförmige Rippen (38) sind.
Wärmeübertrager (14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere wellenförmige Rippen (38) zueinander versetzt vorgesehen sind.
Wärmeübertrager (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) zumindest zwei Ein- (32) und/oder Auslässe (34) aufweist.
Wärmeübertrager (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) zumindest ein Ventil (36) aufweist.
Wärmeübertrager (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (14) mit einer Pumpe kombiniert ist, die in zwei Richtungen betreibbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers (14), bei dem das Kühlmittel in unterschiedlichen Richtungen durch Strömungskanäle (30) führbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung stufenlos einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe in unterschiedlichen Richtungen betreibbar ist.