DE102022201290A1 - Wärmetauscher - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher eine rechteckige Grundform aufweist, wobei der Wärmetauscher eine erste Seite 10 und eine zweite Seite 20 der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die erste Seite 10 und die zweite Seite 20 gegenüberliegend sind, wobei zwischen der ersten Seite 10 und der zweiten Seite 20 Rohre 70 angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre 70 einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher, welcher modular für einen Entfeuchter verwendbar ist.
- In nicht nuklear-betriebenen Unterseebooten werden derzeit zunehmend Brennstoffzellenvorrichtungen eingesetzt, um die Einsatzfähigkeit im getauchten Zustand zu steigern. Eine wichtige Form ist hierbei die Rezirkulationsbrennstoffzelle. Hierbei muss das im Rezirkulationskreis strömende Gas jedoch entfeuchtet werden. Hierzu wird das Gas in einem ersten Wärmetauscher abgekühlt und so Wasser auskondensiert. In einem zweiten Wärmetauscher wird das Gas wieder erwärmt, damit es mit möglichst der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in diese einströmt, wodurch Alterung insbesondere der Membran minimiert wird.
- Hieraus ergeben sich einige Anforderungen an die unter diesen Bedingungen eingesetzten Wärmetauscher. Neben einer kompakten Bauweise ist auch eine hohe Effizienz bei möglichst geringem Strömungswiderstand notwendig. Weiter ist ein gewisses Maß an Modularität vorteilhaft, um
- Aus der
DE 10 2020 210 532 B3 ist ein Entfeuchter für einen Rezirkulationskreislauf einer Brennstoffzellenvorrichtung bekannt. - Aus der
DE 10 2020 210 310 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt. - Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der insbesondere in einem Entfeuchter eines Rezirkulationskreislaufes einer Rezirkulationsbrennstoffzelle an Bord eines Unterseebootes einsetzbar ist.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch den Wärmetauscher mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
- Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist eine rechteckige Grundform auf. Beispielsweise kann der Wärmetauscher würfelförmig sein. Die Grundform bezieht sich hierbei auf den durchströmten Innenbereich. An der Außenseite können insbesondere für die Montage weiterer Komponenten notwendige Ausbildungen angeordnet sein. Der Wärmetauscher weist eine erste Seite und eine zweite Seite der rechteckigen Grundform auf, wobei die erste Seite und die zweite Seite gegenüberliegend sind. Zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite sind Rohre angeordnet. Ein solcher Wärmetauscher wird auch als Rohrbündelwärmetauscher bezeichnet. Erfindungsgemäß weisen die Rohre einen elliptischen Querschnitt auf. Durch die elliptische Form wird der Strömungswiderstand für ein durch den Wärmetauscher strömendes Gas optimiert bei gleichzeitig effektivem Wärmeaustausch zu dem in den Rohren fließenden Wärmetauschmedium. Gleichzeitig optimiert die ovale Form die Verwendung in einem abkühlenden Wärmetauscher, wobei es zur Kondensation kommt. Das Kondensat wird durch die elliptische Form gut nach unten abgeleitet, sodass eine Entfeuchtung im Gegenstrom möglich ist.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann an die erste Seite des Wärmetauschers ein Verteilerkopf zur Einleitung eines Wärmetauschmediums angeordnet werden und an die zweite Seite des Wärmetauschers kann ein Sammelkopf zur Abführung des Wärmetauschmediums angeordnet werden. Besonders bevorzugt sind der Wärmetauscher und der Verteilerkopf sowie der Wärmetauscher und der Sammelkopf mittels Verschraubung oder Verschweißung miteinander verbindbar. Beispielsweise und bevorzugt weisen der Verteilerkopf und der Sammelkopf eine pyramidale Grundform auf. Hierbei kann bevorzugt die Spitze der pyramidalen Form abgeflacht sein (Pyramidenstumpf). Hierdurch wird eine Verteilung des Wärmetauschmediums auf alle Rohre und eine störungsfreie Rückführung ermöglicht. Ein Anschluss zur Zuführung oder Abführung des Wärmetauschmediums kann entweder auf der Deckfläche des Pyramidenstumpfes oder einer der Seitenflächen angeordnet sein.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der der Verteilerkopf und der Sammelkopf baugleich. Dieses ermöglicht zum einen den Flüssigkeitsfluss in beide Richtungen, zum anderen wird die Anzahl der verschiedenen Bauteile reduziert und so sowohl Herstellung als auch Ersatzteilbevorratung vereinfacht.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen der Verteilerkopf und der Sammelkopf jeweils wenigstens einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss zur Anbindung an ein Wärmetauschmediumverteilsystem geeignet sind, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Im Regelbetrieb wird das Wärmetauschmediumverteilsystem nur mit dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss verbunden und der andere verschlossen. Hierdurch ist es möglich mit nur einem Verteilerkopf beziehungsweise Sammelkopf auf unterschiedliche sterische Anforderungen einzugehen. Beispielsweise ist der erste Anschluss mittig und waagerecht angeordnet und der zweite Anschluss zeitlich und abgewinkelt.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher eine dritte Seite und eine vierte Seite der rechteckigen Grundform auf, wobei die dritte Seite und die vierte Seite gegenüberliegend sind. Der elliptische Querschnitt der Rohre ist so angeordnet, dass die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte senkrecht zur dritten Seite und vierten Seite angeordnet sind. Damit erzeugen die Rohre einen minimalen Strömungswiderstand für ein von der dritten zur vierten Seite strömendes Gas. Bevorzugt wird das Gas durch die dritte Seite eingebracht und strömt aus der vierten Seite wieder aus.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Seite des Wärmetauschers mit der vierten Seite eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers verbindbar. Hierdurch kann eine Verlängerung des Wärmetauschers in einer modularen Bauweise erfolgen. In diesem Fall strömt das Wärmetauschmedium bevorzugt zunächst durch den ersten Wärmetauscher und anschließend durch den zweiten Wärmetauscher, während das Gas zunächst durch den zweiten Wärmetauscher und dann in den ersten Wärmetauscher strömt. Alternativ und bevorzugt wird der untere zweite Wärmetauscher als Kühler und damit Entfeuchter betrieben, der obere erste Wärmetauscher dann als Erwärmer sodass die Kombination der beiden Wärmetauscher eine Entfeuchtung ohne oder nur mit minimaler Temperaturänderung des vom einströmenden zum ausströmenden Gas bewirkt.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher eine fünfte Seite und eine sechste Seite der rechteckigen Grundform auf, wobei die fünfte Seite und die sechste Seite gegenüberliegend sind. Die fünfte Seite und die sechste Seite weisen jeweils eine geschlossene Oberfläche auf. Die geschlossene Oberfläche besteht bevorzugt aus aufeinander folgenden halben Ellipsen, welche die gleiche Form aufweisen wie die Rohre. Hierbei ergeben sich zwei Ausführungsformen, wenn man von jeweils reihenförmig versetzen Rohren ausgeht. Die halben Ellipsen können jeweils alternierend nach Innen und nach Außen zeigen. Es ergibt sich eine wellförmige Oberfläche, welche einen vergleichsweise konstanten Abstand zwischen Rohren zueinander und Rohren und Außenwand ergibt. Alternativ sind alle halben Ellipsen bevorzugt nach Außen gewölbt.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre reihenförmig angeordnet. Jeweils benachbarte Reihen weisen einen Versatz des halben Abstands zwischen den Mittelpunkten benachbarter Rohre in einer Reihe auf.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Rohre an wenigstens einem Ende eine nach außen gerichtete Verdickung der Wandstärke auf. Hierbei bleibt der Innendurchmesser und damit der Strömungswiderstand für das Wärmetauschmedium bevorzugt konstant. Hierdurch wird eine verbesserte Kraftübertragung erzielt.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmetauscher mittels additiver Fertigung hergestellt. Insbesondere ist der Wärmetauscher mittels Laserstrahlschmelzen aus einem Metallpulver hergestellt.
- In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Entfeuchter mit einem ersten erfindungsgemäßen Wärmetauscher und einem zweiten erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist unter dem zweiten Wärmetauscher angeordnet. Die dritte Seite des zweiten Wärmetauschers ist mit der vierten Seite eines ersten Wärmetauschers verbunden. Der erste Wärmetauscher ist zu Abkühlen verschaltet und der zweite Wärmetauscher ist zum Heizen verschaltet. Unter dem ersten Wärmetauscher ist ein Wasserablass angeordnet, um Kondenswasser, welches im Entfeuchter aus einem Gasstrom abgeschieden wird, zu entfernen.
- In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Entfeuchter. Bevorzugt ist der Entfeuchter im Rezirkulationskreis der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet.
- In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterseeboot mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
- Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
-
1 Sicht auf erste Seite -
2 Sicht auf dritte Seite -
3 Sicht auf fünfte Seite -
4 Entfeuchter - In
1 ist die Sicht auf die erste Seite 10 gezeigt. Erkennbar sind die Rohre 70, welche reihenweise versetzt angeordnet sind und deren Hauptachse 72 senkrecht zur dritten Seite 30 und zur vierten Seite 40 angeordnet sind. -
2 zeigt die Sicht aus die dritte Seite 30, die Rohre 70 verlaufen von der ersten Seite 10 zu zweiten Seite 20. - In
3 ist die Sicht auf die fünfte Seite zu sehen. Auf der ersten Seite 10 ist ein Verteilerkopf 12 angeordnet, beispielsweise verschweißt. Das durch den Wärmetauschmediumeintritt 90 eintretende Wärmetauschmedium wird durch den Verteilerkopf 12 auf die Rohre 70 verteilt. Das an der zweiten Seite aus den Rohren 70 austretende Wärmetauschmedium wird im Sammelkopf 22 zusammengeführt und zum Wärmetauschmediumaustritt 92 geführt. Das Gas tritt unten durch den Gaseintritt an der dritten Seite in den Wärmetauscher ein und durch den Gasaustritt 82 an der vierten Seite 40 wieder aus. - In
4 ist ein Entfeuchter aus zwei Wärmetauschern dargestellt, wobei die Darstellung der Darstellung der3 mit der Sicht auf die fünfte Seite entspricht. Über den Wärmetauschmediumeintritt 90 tritt im unteren Wärmetauscher das Wärmetauschmedium ein und kühlt und entfeuchtet den Gasstrom. Das Wärmetauschmedium verlässt den unten Wärmetauscher und gelangt durch die Verbindungsleitung 100 in den oberen Wärmetauscher. Dort wird die Wärme an das abgekühlte und entfeuchtete Gas wieder abgegeben und dieses damit annähernd wieder auf die Ausgangstemperatur gebracht. Das Wärmetauschmedium verlässt den oberen Wärmetauscher durch den Wärmetauschmediumaustritt 92. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- erste Seite
- 12
- Verteilerkopf
- 20
- zweite Seite
- 22
- Sammelkopf
- 30
- dritte Seite
- 40
- vierte Seite
- 70
- Rohr
- 72
- Hauptachse
- 80
- Gaseintritt
- 82
- Gasaustritt
- 90
- Wärmetauschmediumeintritt
- 92
- Wärmetauschmediumaustritt
- 100
- Verbindungsleitung
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102020210532 B3 [0004]
- DE 102020210310 [0005]
Claims (10)
- Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher eine rechteckige Grundform aufweist, wobei der Wärmetauscher eine erste Seite (10) und eine zweite Seite (20) der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die erste Seite (10) und die zweite Seite (20) gegenüberliegend sind, wobei zwischen der ersten Seite (10) und der zweiten Seite (20) Rohre (70) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (70) einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
- Wärmetauscher nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an die erste Seite (10) des Wärmetauschers ein Verteilerkopf zur Einleitung eines Wärmetauschmediums angeordnet werden kann, wobei an die zweite Seite (20) des Wärmetauschers ein Sammelkopf zur Abführung des Wärmetauschmediums angeordnet werden kann. - Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine dritte Seite (30) und eine vierte Seite (40) der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die dritte Seite (30) und die vierte Seite (40) gegenüberliegend sind, wobei der elliptische Querschnitt der Rohre (70) so angeordnet ist, dass die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte senkrecht zur dritten Seite (30) und vierten Seite (40) angeordnet sind.
- Wärmetauscher nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Seite (30) des Wärmetauschers mit der vierten Seite (40) eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers verbindbar ist. - Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine fünfte Seite und eine sechste Seite der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die fünfte Seite und die sechste Seite gegenüberliegend sind, wobei die fünfte Seite und die sechste Seite eine geschlossene Oberfläche aufweisen, wobei die geschlossene Oberfläche aus aufeinander folgenden halben Ellipsen besteht, welche die gleiche Form aufweisen wie die Rohre (70).
- Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (70) reihenförmig angeordnet sind, wobei jeweils benachbarte Reihen einen Versatz des halben Abstands zwischen den Mittelpunkten benachbarter Rohre (70) in einer Reihe aufweisen.
- Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (70) an wenigstens einem Ende eine nach außen gerichtete Verdickung der Wandstärke aufweisen.
- Entfeuchter mit einem ersten Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem zweiten Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscher unter dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist, wobei der erste Wärmetauscher zu Abkühlen verschaltet ist, wobei der zweite Wärmetauscher zum Heizen verschaltet ist, wobei unter dem ersten Wärmetauscher ein Wasserablass angeordnet ist.
- Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Entfeuchter nach
Anspruch 8 . - Unterseeboot mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 9 .
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