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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Vorrichtungen, welche den Fluidfluss von einer
gemeinsamen Quelle zu mehreren Flusspfaden verteilen, und insbesondere Anwendungen
auf Vorrichtungen, die bei Wärmetauschern verwendet werden,
um einen Fluidfluss gleichmäßig auf mehrere parallele
Wärmetauschflusspfade oder -einheiten zum Hindurchtreten
durch diese in Wärmetauschbeziehung mit einem oder mehreren
anderen Fluiden zu verteilen.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Es
gibt zahlreiche Fluidkomponenten, welche eine gewünschte
Verteilung, im Allgemeinen eine gleichmäßige,
eines Fluidflusses auf mehrere Flusspfade von einer gemeinsamen
Fluidflussquelle erfordern. Ein Beispiel für derartige
Fluidflusskomponenten sind Wärmetauscher und insbesondere
Wärmetauscher, die als Verdunster oder Verdampfer dienen.
Da die Wärme, welche durch das flüssige Fluid aufgenommen
wird, welches verdunstet oder verdampft wird, zumeist latente Wärme
ist, wird der Großteil der Länge derartiger verdampfender
Wärmetauscher typischerweise durch ein Zwei-Phasen-Fluid
belegt. Anders als bei manchen Wärmetauschern, beispielsweise
bei Kondensatoren, ist die Flussverteilung in den Verdampfern nicht
selbstkorrigierend, und unterschiedliche Flussbedingungen können
denselben Druckabfall erzeugen (d. h. hoher Massenfluss mit geringer
Qualitätsänderung oder geringer Massenfluss mit Überhitzung)
und können daher in parallelen Flusspfaden koexistieren.
Dies kann zu Wärmeflüssen führen, die
von Flusspfad zu Flusspfad (d. h. von Rohr zu Rohr) erheblich verschieden sind
und sich negativ auf Leistung und Stabilität im Verdampfer
auswirken können.
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Ein
sehr spezifisches Beispiel für Verdampfer sind jene, welche
im Brennstoffverarbeitungssystem für Proton-Exchange-Membrane(PEM)-Brennstoffzellen
verwendet werden, wobei ein gasförmiges Gemisch aus Wasserdampf
und Kohlenwasserstoff bei hoher Temperatur chemisch reformiert wird,
um einen wasserstoffreichen Flussstrom zu erzeugen, der gemeinhin
als Reformat bezeichnet wird. Um diesen Hochtemperaturstrom aus
Wasserdampf und Kohlenwasserstoff zu erzeugen, wird typischerweise entweder
Dampf aus flüssigem Wasser zur Befeuchtung eines gasförmigen
Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, beispielsweise Methan, erzeugt oder
ein Gemisch aus Wasser und flüssigem Kohlenwasserstoff verdampft.
In vielen Fällen ist die Wärmequelle zur Verdampfung
ein heißes Gas, beispielsweise das Reformat oder das verbrannte
Anodenrestgas, welches bereits im Brennstoffzellensystem vorliegt
und erhebliche verfügbare Wärme für die
erforderliche Verdampfung des flüssigen Wassers und/oder
flüssigen Kohlenwasserstoffes aufweist. Um den verdampfenden
Wärmetauscher so kompakt wie möglich zu machen,
ist es bekannt, das zu verdampfende Fluid in mehreren parallelen
Flusspfaden oder Durchgängen zu führen, um den
Oberflächeninhalt zu maximieren, welchem das Fluid innerhalb
eines bestimmten Volumens ausgesetzt ist. Die mehreren parallelen
Flusspfade erfordern, dass das Flüssigphasenfluid, welches
in den Wärmetauscher eintritt, gleichmäßig
auf die parallelen Flusspfade verteilt wird. Wenngleich es Verdampfer
gibt, die sich zur Verwendung bei derartigen Systemen eignen, ist stets
Raum für Verbesserungen vorhanden. Beispielsweise eignen
sich manche derartige Verdampfer nicht dazu, problemlos oder einfach
aus einer Vielfalt von Materialien, beispielsweise aus Aluminium,
gefertigt zu werden.
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Eine
derartige Lösung wurde von Reinke et al. in der US-Patentanmeldung
mit der Seriennr. 10/145,531, einge reicht am 14. Mai 2002 und veröffentlicht
als
US-2003-0215679
A1 , vorgeschlagen, welche einen Wärmetauscher
vom Schichtplattentyp aus hartgelötetem Edelstahl zeigt.
Gemäß diesem Vorschlag wird ein Einlassabschnitt
durch Überlappen eines Paares von geschlitzten Platten
vorgesehen, wobei jede Platte sehr schmale Schlitze aufweist, welche
für einen relativ hohen Druckabfall für jeden
der parallelen Flusspfade im Rest des Wärmetauschers sorgen,
was zu einer guten Verteilung des Fluidflusses auf die parallelen
Flusspfade führt. Da allerdings größere
Mengen an Hartlötlegierung dazu neigen würden,
die engen Kanäle oder Schlitze in den Platten zu verstopfen,
eignet sich diese Konstruktion nicht ohne weiteres für
manche Materialien, beispielsweise für Aluminium, die verglichen
mit Edelstahl eine größere Menge an Hartlötlegierung voraussetzen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Eine
Fluidflussverteilungsvorrichtung wird zur Verwendung in einem Wärmetauscher
mit mehreren parallelen Flusspfaden oder Wärmetauscheinheiten,
die einen Fluidfluss von einem Fluideinlass empfangen, bereitgestellt.
Die Vorrichtung weist mehrere einen gewundenen Flusspfad aufweisende Einheiten
auf, um den Fluidfluss von dem Einlass zu den Wärmetauscheinheiten
hinzulenken. Die Einheiten liegen in einer gemeinsamen Ebene. Jede
einen gewundenen Flusspfad aufweisende Einheit weist ein Paar von
Flusskammerplatten, eine Öffnungsplatte, die zwischen den
Flusskammerplatten eingelegt ist, und einen gewundenen Flusspfad
auf. Jeder gewundene Flusspfad weist eine Aufeinanderfolge von Öffnungen
auf, die sich durch die Öffnungsplatte erstrecken, wobei
ein erstes Muster aus ersten Flusskammern in einer der Flusskammerplatten
ausgebildet ist und ein zweites Muster aus zweiten Flusskammern
in der anderen der Flusskammerplatten ausgebildet und in Bezug auf
das erste Muster versetzt ist.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Muster
mit aufeinanderfolgenden Paaren von Öffnungen ausgerichtet
und das zweite Muster in Bezug auf das erste Muster und die Paare
von Öffnungen versetzt. Jedes Paar der Öffnungen
ist mit einer der ersten Flusskammern und mit einem Paar der zweiten
Flusskammern ausgerichtet, um den Fluidfluss zu der einen der ersten
Kammern von einer aus dem Paar der zweiten Kammern über
eine der Öffnungen des Paares von Öffnungen und
von der einen der ersten Kammern zu der anderen aus dem Paar der
zweiten Kammern über die andere Öffnung des Paares
von Öffnungen hinzulenken, derart, dass sich der Fluidfluss
den gewundenen Flusspfad entlang bewegt und nacheinander durch die
Aufeinanderfolge von Öffnungen tritt, während
er zwischen den ersten und den zweiten Flusskammern hin- und herwechselt.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung sind das erste und das zweite
Muster aus Flusskammern in Bezug aufeinander und in Bezug auf die
Aufeinanderfolge von Öffnungen ausgerichtet, derart, dass
sich der gewundene Flusspfad von einer ersten der Flusskammern zu
einer letzten der Flusskammern erstreckt, wobei er zwischen den
ersten und den zweiten Flusskammern hin- und herwechselt und jedes
Mal, wenn der gewundene Flusspfad in eine der ersten und der zweiten
Flusskammern eintritt oder daraus austritt, durch eine der Öffnungen
tritt.
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Bei
einer Ausführungsform sind die ersten und zweiten Flusskammern
von jeder der einen gewundenen Flusspfad aufweisenden Einheiten
zu beiden Seiten der entsprechenden Flusskammerplatte hin offen
und sind auf einer Seite von jeder der Flusskammerplatten durch
die Öffnungsplatte und auf den entgegengesetzten Seiten
der Flusskammerplatten durch entsprechende Endplatten umschlossen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist eine der Endplatten
eine Einlassöffnung auf, die mit dem Fluideinlass verbunden
und mit einer ersten der ersten und der zweiten Flusskammern ausgerichtet
ist, um den Fluidfluss von dem Fluideinlass zu dem gewundenen Flusspfad
hinzulenken; und eine der Endplatten weist eine Auslassöffnung
auf, die mit einer letzten der ersten und zweiten Flusskammern ausgerichtet und
mit mindestens einer der Wärmetauscheinheiten verbunden
ist, um den Fluidfluss von dem gewundenen Flusspfad zu der mindestens
einen der Wärmetauscheinheiten hinzulenken. Bei wiederum
einer anderen Ausführungsform sind die Einlass- und die Auslassöffnungen
nicht in derselben Endplatte angeordnet. Bei einer Ausführungsform
weist die Fluidflussverteilungsvorrichtung ferner ein Paar von Flussverteilerplatten
auf, und die mehreren einen gewundenen Flusspfad aufweisenden Einheiten
sind zwischen den Flussverteilerplatten eingelegt, wobei eine der
Flussverteilerplatten einen Flusspfadkanal aufweist, der mit dem
Fluideinlass und jeder der Einlassöffnungen in jeder der
einen gewundenen Flusspfad aufweisenden Einheiten ausgerichtet ist,
um den Fluidfluss von dem Fluideinlass zu jeder der Einlassöffnungen
hinzulenken, und die andere der Flussverteilerplatten mehrere getrennte
Flusspfadkanäle aufweist, wobei jeder der getrennten Flusspfadkanäle
mit einer der Auslassöffnungen und der zugeordneten mindestens
einen der Tauscheinheiten ausgerichtet ist, um den Fluidfluss von
der einen der Auslassöffnungen zu der zugeordneten mindestens einen
der Wärmetauscheinheiten hinzulenken. Bei einer weiteren
Ausführungsform weist die Fluidflussverteilungsvorrichtung
ferner eine Einlassplatte, die über der einen der Flussverteilerplatten
liegt und darin eine Einlassmündung aufweist, die mit dem
Fluideinlass und dem Flusspfadkanal ausgerichtet ist, und eine Sammlerplatte,
die über der anderen der Flussverteilerplatten liegt und
mehrere Öffnungen aufweist, auf, wobei jede Öffnung
eine der Wärmetauscheinheiten aufnimmt und mit einem der
getrennten Flusskanäle ausgerichtet ist.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung ist die Aufeinanderfolge
von Öffnungen von allen einen gewundenen Flusspfad aufweisenden
Einheiten in einer einzigen Öffnungsplatte angeordnet,
die ersten Muster aller der mehreren einen gewundenen Flusspfad
aufweisenden Einheiten sind in einer einzigen Flusskammerplatte
angeordnet; und die zweiten Muster aller der mehreren einen gewundenen
Flusspfad aufweisenden Einheiten sind in einer einzigen Flusskammerplatte
angeordnet.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung wird eine Fluidflussverteilungsvorrichtung
zur Verwendung in einem Wärmetauscher mit mehreren Wärmetauscheinheiten,
die einen Fluidfluss von einem Fluideinlass empfangen, bereitgestellt.
Die Vorrichtung weist ein Paar von Endplatten, ein Paar von Flusskammerplatten,
die zwischen den Endplatten eingelegt sind, eine Öffnungsplatte,
die zwischen den Flusskammerplatten eingelegt ist, und mehrere gewundene
Flusspfade, die durch die Öffnungsplatte und die Flusskammerplatten,
welche zwischen den Endplatten eingelegt sind, definiert sind, auf.
Jeder der gewundenen Flusspfade weist eine Aufeinanderfolge von Öffnungen,
die sich durch die Öffnungsplatte erstrecken, ein erstes
Muster aus ersten Flusskammern, das in einer der Flusskammerplatten
ausgebildet ist, und ein zweites Muster aus zweiten Flusskammern,
das in der anderen der Flusskammerplatten ausgebildet ist, auf.
Das erste und das zweite Muster aus Flusskammern sind in Bezug aufeinander
und in Bezug auf die Aufeinanderfolge von Öffnungen ausgerichtet,
derart, dass sich der gewundene Flusspfad von einer ersten der Flusskammern zu
einer letzten der Flusskammern erstreckt, wobei er zwischen den
ersten und den zweiten Flusskammern hin- und herwechselt und jedes
Mal, wenn der gewundene Flusspfad in eine der ersten und der zweiten
Flusskammern eintritt oder daraus austritt, durch eine der Öffnungen
hindurchtritt.
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Bei
einer Ausführungsform sind die ersten und die zweiten Flusskammern
von jeder der einen gewundenen Flusspfad aufweisenden Einheiten
zu beiden Seiten ihrer entsprechenden Flusskammerplatte hin offen
und sind auf einer Seite von jeder der Flusskammerplatten durch
die Öffnungsplatte und auf der entgegengesetzten Seite
von jeder der Flusskammerplatten durch die Endplatten umschlossen. Bei
einer weiteren Ausführungsform weist eine der Endplatten
mehrere Einlassöffnungen auf, deren Anzahl jener der mehreren
gewundenen Flusspfade entspricht, wobei jede der Einlassöffnungen
mit einem Fluideinlass verbunden und mit einer ersten der ersten
und der zweiten Flusskammern von einem der gewundenen Flusspfade
ausgerichtet ist, um den Fluidfluss von dem Fluideinlass zu dem
gewundenen Flusspfad hinzulenken, und eine der Endplatten weist
mehrere Auslassöffnungen auf, deren Anzahl jener der mehreren
gewundenen Flusspfade entspricht, wobei jede der Auslassöffnungen
mit einer letzten der ersten und der zweiten Flusskammern von einem
der gewundenen Flusspfade ausgerichtet und mit mindestens einer
der Wärmetauscheinheiten verbunden ist, um den Fluidfluss
von dem gewundenen Flusspfad zu der mindestens einen der Wärmetauscheinheiten
hinzulenken. Bei wiederum einer anderen Ausführungsform
sind die Einlass- und die Auslassöffnungen nicht in derselben
Endplatte angeordnet. Bei einer Ausführungsform weist die
Fluidflussverteilungsvorrichtung ferner ein Paar von Flussverteilerplatten
auf, die Endplatten sind zwischen den Flussverteilerplatten eingelegt,
eine der Flussverteilerplatten weist einen Flusspfadkanal auf, der
mit dem Fluideinlass und jeder der Einlassöffnungen ausgerichtet
ist, um den Fluidfluss von dem Fluideinlass zu jeder der Einlassöffnungen
hinzulenken, und die andere der Flussverteilerplatten weist mehrere
getrennte Flusspfadkanäle auf, wobei jeder der getrennten
Flusspfadkanäle mit einer der Auslassöffnungen
und der entsprechenden mindestens einen der Tauscheinheiten ausgerichtet
ist, um den Fluidfluss von der Auslassöffnung zu der entsprechenden mindestens
einen der Wärmetauscheinheiten hinzulenken. Bei einer weiteren
Ausführungsform weist die Fluidflussverteilungsvorrichtung
ferner eine Einlassplatte auf, die über der einen der Flussverteilerplatten liegt
und darin eine Einlassmündung aufweist, die mit dem Fluideinlass
und dem Flusspfadkanal ausgerichtet ist, und eine Sammlerplatte,
die über der anderen der Flussverteilerplatten liegt und
mehrere Öffnungen aufweist, wobei jede Öffnung
eine der Wärmetauscheinheiten aufnimmt und mit einem der
getrennten Flusskanäle ausgerichtet ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung weisen die ersten und die
zweiten Flusskammern allesamt dieselbe Gestalt und Größe
auf. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die ersten
und die zweiten Flusskammern hexagonal geformt.
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Bei
einer Ausführungsform weisen die erste und die zweite Flusskammerplatte
eine identische Bauform auf.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist die Aufeinanderfolge
von Öffnungen in einem schlangenartigen Muster angeordnet.
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Andere
Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden durch die Lektüre
der gesamten Beschreibung, einschließlich der beiliegenden Zeichnungen,
Ansprüche und der beiliegenden Zusammenfassung, offenkundig.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, welche eine die vorliegende Erfindung
ausführende Fluidflussverteilungsvorrichtung darstellt;
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2 ist
eine in Einzelteile auseinandergezogene Ansicht der Fluidverteilungsvorrichtung
aus 1;
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3 ist
eine in Einzelteile auseinandergezogene Ansicht, welche Abschnitte
mehrerer ausgewählter Komponenten aus 2 darstellt;
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4 ist
eine etwas schematische Ansicht gemäß Linie 4-4
aus 3; und
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5 ist
ein Schaubild, welches die Kennlinien des Druckabfalls in Abhängigkeit
von dem Massenfluss für die Vorrichtung aus 1 darstellt.
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Ausführliche Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Mit
Bezugnahme auf 1 ist darin eine Fluidflussverteilungsvorrichtung 10 dargestellt,
in Verbindung mit einem Wärmetauscher 12 mit mehreren parallelen
Wärmetauschflusspfaden oder -einheiten 14, die
in Form von extrudierten, abgeflachten Mehrmündungsrohren
(mit nur Teillängen gestrichelt dargestellt) dargestellt
sind. Ferner weist der Wärmetauscher 12 einen
Fluideinlass 16 (gestrichelt dargestellt) auf, der einen
Fluidfluss 18 empfängt, welcher unter idealen
Bedingungen gleichmäßig auf die mehreren Wärmetauscheinheiten 14 verteilt
werden sollte. Der verteilte Fluidfluss 18 tritt durch
die inneren Mündungen der Rohre 14 für
die Übertragung von Wärme auf einen anderen Fluidfluss,
der mit dem Äußeren der Rohre 14 in Wärmetauschbeziehung
steht, für gewöhnlich über eine geeignete
Art von Lamelle (nicht dargestellt), beispielsweise gewundene Lamellen,
die sich zwischen benachbarten Rohren erstrecken, oder Plattenlamellen,
die sich über die Gesamtheit der Rohre 14 erstrecken,
hindurch. Ein Sammelstück (nicht dargestellt) für
den Fluidfluss 18 wird normalerweise am entgegengesetzten
Ende der Wärme tauscheinheiten 14 vorgesehen, um
den verteilten Fluidfluss 18 von den Wärmetauscheinheiten 14 einzusammeln.
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Es
sollte zu erkennen sein, dass, wenngleich die Fluidflussverteilungsvorrichtung 10 in
diesem Dokument in Zusammenhang mit Wärmetauschflusspfaden
oder -einheiten 14 dargestellt ist, die in Form von extrudierten
Mehrmündungsrohren dargestellt sind, die erfindungsgemäße
Fluidflussverteilungsvorrichtung mit jedweder anderen geeigneten
Form von Wärmetauscher oder Wärmetauschflusspfad
oder -einheit verwendet werden kann, von denen viele bekannt sind,
beispielsweise geschweißte Rohre, Konstruktionen vom Lamellen-
oder Schichtplattentyp und/oder Konstruktionen vom Stabplattentyp.
Ferner kann, wenngleich die in 1 dargestellte
Bauform in Verbindung mit fünf Wärmetauscheinheiten 14 dargestellt
ist, die erfindungsgemäße Fluidflussverteilungsvorrichtung 10 bei
Wärmetauschern mit zwei oder mehr Wärmetauschpfaden
oder -einheiten verwendet werden, welche erfordern, dass der Fluidfluss
zwischen diesen verteilt wird. Demzufolge wird keine Beschränkung
auf einen konkreten Typ von Wärmetauschflusspfad oder -einheit
oder auf eine bestimmte Anzahl von derartigen Flusspfaden oder Einheiten
beabsichtigt, sofern dies nicht in den Ansprüchen ausdrücklich
festgehalten ist.
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Die
Fluidflussverteilungsvorrichtung 10 aus 1 ist
in Form einer Konstruktion aus geschichteten, hartgelöteten
Platten dargestellt, welche in 2 als in
Einzelteile auseinandergezogene Ansicht dargestellt ist. Die Flussverteilungsvorrichtung 10 weist
ein Paar von Endplatten 20, 22, ein Paar von Flusskammerplatten 24, 26,
die zwischen den Endplatten 20, 22 eingelegt sind,
und eine Öffnungsplatte 28, die zwischen den Flusskammerplatten 24, 26 eingelegt
ist, auf. Gemeinsam bilden die Platten 20, 22, 24, 26 und 28 eine
Komponente 30 mit mehreren gewundenen Flusspfaden, die
eine Sandwich-Konstruktion vom Plattentyp aufweist und mehrere gewundene
Flusspfade definiert, die in 2 durch
gestrichelte Pfeillinien 31 sehr schematisch dargestellt sind,
wobei jeder Flusspfad 31 einem der Rohre 14 entspricht
und sich von einer Einlassöffnung 32 in der Endplatte 20 zu
einer Auslassöffnung 33 in der Endplatte 22 erstreckt.
Jeder der gewundenen Flusspfade 31 weist eine Aufeinanderfolge 34 von Öffnungen 36,
die sich durch die Öffnungsplatte 28 erstrecken, ein
erstes Muster 38 aus Flusskammern 40, das in der
Flusskammerplatte 24 ausgebildet ist, und ein zweites Muster 42 aus
zweiten Flusskammern 44, das in der anderen Flusskammerplatte 26 ausgebildet
ist, auf. Wie unten ausführlicher erläutert wird, sind
für jeden der gewundenen Flusspfade 31 das erste
und das zweite Muster 38 bzw. 42 aus ersten und
zweiten Flusskammern 40 bzw. 44 in Bezug aufeinander
und auf die Aufeinanderfolgen 34 von Öffnungen 36 ausgerichtet,
so dass der gewundene Flusspfad 31 abwechselnd zwischen
den ersten und zweiten Flusskammern 40, 44 und
nacheinander durch die Öffnungen 36 hindurchtritt,
wobei er jedes Mal, wenn der gewundene Flusspfad 31 in
eine der ersten und der zweiten Flusskammern 40 bzw. 44 eintritt
oder daraus austritt, durch eine der Öffnungen 36 hindurchtritt.
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Die
dargestellte Ausführungsform der Flussverteilungsvorrichtung 10 in 2 weist
ferner ein Paar von Flussverteilerplatten 46 und 48,
wobei die Komponente 30 mit gewundenen Flusspfaden dazwischen
eingelegt ist, eine Einlassplatte 50, welche über
der Flussverteilerplatte 36 liegt und eine sich dort hindurch
erstreckende Einlassmündung 60 des Fluideinlasses 16 aufweist,
und eine Sammlerplatte 62, welche über der anderen
Verteilerplatte 48 liegt und mehrere Öffnungen 64 in
Form von Schlitzen aufweist, wobei jede Öffnung 64 eine
der Wärmetauscheinheiten 14 aufnimmt, auf. Die
Flussverteilerplatte 46 weist einen Flusspfadkanal 66 in
Form eines mehrbeinigen Schlitzes auf, der sich durch die Platte 46 erstreckt.
Der Kanal 66 weist einen Beinabschnitt 68, der
sich von einem Verteilerabschnitt 70 wegerstreckt, derart,
dass er sich mit der Einlassmündung 60 ausrichten
lässt, um den Fluidfluss von der Eingangsmündung 60 zu
dem Verteilerabschnitt 70 hinzulenken, und mehrere zusätzliche
Beinabschnitte 72, wobei sich jeder Abschnitt 72 von
dem Verteilerabschnitt 70 in Ausrichtung mit einer der
Einlassöffnungen 32 in der Endplatte 20 erstreckt,
um einen verteilten Teil des Fluidflusses 18 dort hinzulenken, auf.
Die Verteilerplatte 48 weist mehrere getrennte Flusspfadkanäle 74 in
Form sich durch diese hindurch erstreckender mit Bein versehener
Schlitze auf, wobei jeder der Kanäle 74 einen
Beinabschnitt 76 aufweist, der mit einer der Auslassöffnungen 33 ausgerichtet
ist und sich von einem länglichen Abschnitt 78 wegerstreckt,
der mit einer der Öffnungen 64 ausgerichtet ist,
um einen verteilten Teil des Fluidflusses 18 von der Auslassöffnung 33 zu
der Öffnung 64 zu überführen.
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Mit
Bezugnahme auf 3 sind darin die Komponenten,
welche einen der gewundenen Flusspfade 32 (wieder sehr
schematisch durch die gestrichelte Pfeillinie in 3 dargestellt)
bilden, vergrößert und von dem anderen gewundenen
Flusspfad 32 abgetrennt dargestellt. Diesbezüglich
sollte festgehalten werden, dass die Abschnitte der Platten 20, 22, 24, 26, 28,
die in 3 dargestellt sind, als einzelne einen gewundenen
Flusspfad aufweisende Einheiten 80 bildend betrachtet werden
können, wobei jeder der in 3 dargestellten
Abschnitte Teil einer derartigen gemeinsamen Platte ist, wie sie
in 2 dargestellt ist, oder alternativ dazu als einzelne Komponenten
ausgebildet sind, wie sie 3 darstellt
sind, welche mit anderen einzelnen einen gewundenen Flusspfad aufweisenden
Einheiten 80, die aus ähnlichen einzelnen Komponenten
hergestellt sind, in einer gemeinsamen Ebene liegen, um zusätzliche
ge wundene Flusspfade 32 zu definieren. Wie in 3 zu
sehen ist, weist jede der Flusskammern 40, 44 eine
identische hexagonale Gestalt auf, die durch gleichmäßig
dünne Rippen 82, 84 definiert ist, welche
sich jeweils zwischen den Flusskammern 40, 44 erstrecken,
um das entsprechende erste bzw. zweite Muster 38 bzw. 42 zu
definieren. Diesbezüglich sollte festgehalten werden, dass
bei der dargestellten Ausführungsform die Muster 38 und 42 identisch
sind, jedoch in Bezug aufeinander um 180° um eine Achse 86 geklappt
sind, um die Muster 38 und 42 im zusammengebauten
Zustand in Bezug aufeinander zu versetzen. Die Aufeinanderfolge 34 von Öffnungen 36 ist
in einer schlangenartigen Form oder einem schlangenartigen Muster
vorgesehen, um, was am besten aus 4 zu ersehen
ist, die gewünschte Ausrichtung mit jeder der Flusskammern 40, 44 in den
jeweiligen Mustern 38, 42 zu ermöglichen.
Insbesondere sind aufeinanderfolgende Paare (in 4 in jedem
Paar als Öffnung 36A und 36B bezeichnet) der Öffnungen 36 mit
jeder der ersten Flusskammern 40 und mit einem Paar der
zweiten Flusskammern 44 ausgerichtet.
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Der
gewundene Flusspfad 31 ist am besten in Zusammenhang mit 4 verständlich,
welche den gewundenen Flusspfad 31 in Form von durchgezogenen
Pfeilen und gestrichelten Pfeilen darstellt, wobei die durchgezogenen
Pfeile den Fluss durch die Flusskammern 44 des zweiten
Musters 42 darstellen und die gestrichelten Pfeile den
Fluss durch die Flusskammern 40 des ersten Musters 38 (in 4 für
Zwecke der Veranschaulichung durchgezogen dargestellt) darstellen.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform
erstreckt sich der gewundene Flusspfad von einer ersten 44A der
Flusskammern 44 zu einer letzten 40A der Flusskammern 40,
wobei er zwischen den ersten und den zweiten Flusskammern 40, 44 hin-
und herwechselt, während er nacheinander durch die Öffnungen 36 hindurchtritt.
Insbesondere tritt der gewundene Flusspfad 31 über
die Einlassöffnung 32 (für Zwecke der
Veranschaulichung gestrichelt dargestellt) in die erste Flusskammer 40A ein,
fließt durch die Flusskammer 44A zu einer ersten
der Öffnungen 36A, tritt durch die Öffnung 36A hindurch
in eine der Flusskammern 40, fließt durch die
eine der Flusskammern 40 zu einer anderen der Öffnungen 36B (die
andere Öffnung des Paares von Öffnungen, welches
der einen der Flusskammern 40 zugeordnet ist), tritt durch
die Öffnung 36B in eine andere der Flusskammern 44 und
so weiter und so weiter, wobei der gewundene Flusspfad 31 jedes
Mal, wenn er in eine der Flusskammern 40, 44 eintritt
oder daraus austritt, durch eine der Öffnungen 36 hindurchtritt,
bis der gewundene Flusspfad in die letzte Flusskammer 40A eintritt
und über die Auslassöffnung 33 aus der
einen gewundenen Flusspfad aufweisenden Einheit 80 austritt.
Um dies mit anderen Worten darzulegen, sehen die Flusskammern 40, 44 einen
Flusspfad zwischen jeder der Öffnungen 36 der
Aufeinanderfolge 34 vor, so dass das Fluid nacheinander
durch die Öffnungen 36 des gewundenen Flusspfades 31 fließt.
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Der
Flüssigkeitsdruckabfall in jedem der gewundenen Flusspfade 31 wird
durch einen Geschwindigkeitsdruckhöhenverlust und einen
Kontraktions- und Expansionsdruckhöhenverlust an jeder der Öffnungen 36 erzielt,
im Gegensatz zu einem Reibungsverlust durch Fließen durch
einen relativ langen Flusskanal mit geringer Fläche wie
bei einigen zuvor vorgeschlagenen Bauformen, beispielsweise der
Anmeldung an Reinke et al., die im Abschnitt über den Stand
der Technik besprochen wurde. Der Druckabfall über jeden
der gewundenen Flusspfade 31 kann durch Variieren der Größe
und Anzahl von Öffnungen 36 in der Aufeinanderfolge 34 eingestellt
werden.
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Wenngleich
jedwedes geeignete Material und Verbindungsverfahren verwendet werden
kann, ist vorzugsweise jede der Platten 20, 22, 24, 26, 28, 46, 48, 50, 62 aus
Aluminium hergestellt und aneinander geschichtet oder hartverlötet.
Es wird auch vorgezogen, dass die Öffnungsplatte 28 eine
nicht verkleidete Platte ist und dass jede der Flusskammerplatten 24, 26 auf
beiden Seiten mit Hartlötlegierung verkleidet ist. Jede
der Endplatten 20, 22 ist vorzugsweise auf der
Seite, die der entsprechenden Flusskammerplatte 24, 26 zugewandt
ist, nicht verkleidet, kann jedoch wahlweise auf der entgegengesetzten Seite
mit Hartlötlegierung verkleidet sein, um eine Hartlötverbindung
mit der entsprechenden Verteilerplatte 46, 48 auszubilden.
Alternativ dazu kann jede der Endplatten 20, 22 auf
beiden Seiten unverkleidet sein, wobei jede der Verteilerplatten 46, 48 auf
beiden ihrer Seiten mit Hartlötlegierung verkleidet sind, um
Hartlötverbindungen mit den entsprechenden Endplatten 20, 22 und
der entsprechenden Einlassplatte 50 oder Sammelplatte 62 auszubilden.
Es sollte zu erkennen sein, dass, da das erste und das zweite Muster 38, 42 aus
Fließkammern 40, 44 einen großen
Prozentsatz von offener Fläche mit gleichmäßig dünnen
Rippen 82, 84, welche der Öffnungsplatte 28 zugewandt
sind, vorsehen, die Probleme des Verstopfens jedes der gewundenen
Fließpfade 31 mit Hartlot minimiert werden. Dies
gilt insbesondere, da die Bauart die Menge an Hartlötlegierung
reduziert, welche nahe jeder der Öffnungen 36 in
der Öffnungsplatte 28 angeordnet ist. Um dies
mit anderen Worten auszudrücken, wurde, da der Flächeninhalt
jeder der Flusskammerplatten 24, 26 durch das
erste und das zweite Muster 38, 42 aus Flusskammern 40, 44 erheblich
reduziert wurde und die Hartlötlegierung, die verwendet
wurde, um die Platten 24, 26 mit der Öffnungsplatte 28 zu
verbinden, nur an den Flächen der Flusskammerplatten 24, 26 anzutreffen
ist, die Menge an vorhandener Hartlötlegierung zum Verstopfen jedes
der gewundenen Flusspfade 31 und insbesondere der Öffnungslöcher 36 erheblich
reduziert. Diesbezüglich wurden kontrollierte Hartlötatmosphärenversuche
an den in 4 dargestellten Mustern durchgeführt,
um fünf Prüflinge mit fünf verschiedenen Durchmessern
für die Öffnungslöcher 36 von 0,031
Inch bis 0,052 Inch zu erzeugen. In allen Fällen war das
Hartlöten erfolgreich, und die Öffnungslöcher 36 blieben
offen.
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5 zeigt
die Ergebnisse von Prüfungen des Massenflusses in Abhängigkeit
von dem Druckabfall mittels flüssigem Wasser, welche hinsichtlich jedes
der oben genannten Prüflinge durchgeführt wurden,
wobei die Prüfergebnisse im Vergleich mit der anhand Berechnungen
prognostizierten Leistung (prognostizierte Leistung durch durchgezogene
Linien dargestellt, Testergebnisse durch gestrichelte Linien dargestellt)
dargestellt sind. Der prognostizierte Druckabfall in (PSI) in Abhängigkeit
von der Massenflussrate in (Gramm/sek) wurde als aus zwei Geschwindigkeitsdruckhöhenverlusten
für jede der Öffnungen 36 bestehend berechnet,
wobei der erste ein voller Geschwindigkeitsdruckhöhenverlust
für den Fluss in der Ebene der Platten 24, 26, 28 und
der zweite Geschwindigkeitsdruckhöhenverlust der volle Druckhöhenverlust
für den Fluss durch jede der Öffnungen 36 ist.
Die Flussfläche für den ersten Druckhöhenverlust
wurde näherungsweise als die Oberfläche eines
Zylinders mit einem Durchmesser, der gleich dem Durchmesser der Öffnungen 36 ist,
und einer Höhe, die gleich der Dicke von einer der Flusskammerplatten 24, 26 ist,
berechnet. Der erste Druckhöhenverlust wurde dann als m2/(2ρA1 2) berechnet, wobei m die Massenflussrate, ρ die
Dichte von Wasser und A1 die berechnete
Flussfläche ist. Der zweite Druckhöhenverlust
wurde als m2/(2ρA2 2) berechnet, wobei A2 die
Fläche eines Kreises mit einem Durchmesser gleich dem Durchmesser
der Öffnung 36 ist. Der gesamte prognostizierte
Druckabfall wurde als die Summe dieser beiden Druckhöhenverluste
multipliziert mit der Anzahl von Öffnungen 36 in der
Aufeinanderfolge 34 und dann mit einem Verlustkoeffizienten
von 20 korrigiert berechnet. Jeder der Prüflinge wurde
durch zwangsweise Hindurchführen von Wasser mit verschiedenen
Einlassdrücken durch den Prüfling, wobei die Auslassöffnung 33 unter
Atmosphärendruck steht, geprüft. Das durch den
Prüfling hindurchgeführte Wasser wurde eine feste
Zeitdauer lang gesammelt und gewogen, um die Massenflussrate bei
diesem Druck zu ermitteln. Wie in 5 zu sehen
ist, liegt eine gute Korrelation zwischen den Prüfergebnissen
und den prognostizierten Werten vor, wenn ein Verlustkoeffizient
von Zwei auf die prognostizierten Werte angewandt wurde. Wie in 5 ebenfalls
zu sehen ist, funktioniert die Bauform gut über einen Bereich
von Flussgeschwindigkeiten, einschließlich niedriger Flussgeschwindigkeiten.
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Mit
Bezugnahme auf 2 sind bei einer besonders bevorzugten
Konstruktion die Platten 24, 26 miteinander identisch
und werden einfach 180° um ihre Längsachse in
Bezug aufeinander gedreht, ehe sie an die Öffnungsplatte 28 hartgelötet
werden. Dies führt dazu, dass dieselbe Fläche
der identischen Flusskammerplatten 24, 26 an die
entsprechende Fläche der Öffnungsplatte 28 hartgelötet
wird. Gleicherweise weisen die Endplatten 20, 22 eine
identische Bauform auf und sind um 180° um ihre Längsachsen
in Bezug aufeinander gedreht, so dass dieselbe Fläche jeder
Platte 20, 22 an die entsprechende Fläche
der entsprechenden Flusskammerplatte 24, 26 hartgelötet
wird. Um diese Ausrichtung beim Zusammenbau zu erreichen, wird eine
obere Ecke von jeder der Platten 20, 22, 24, 26 abgefast
und dann mit ähnlichen Fasen an jedem der entgegengesetzten
oberen Ecken der Öffnungsplatte 28 ausgerichtet. Ähnliche
Fasen sind an den Platten 46, 48, 50, 62 vorgesehen,
so dass man im zusammengebauten Zustand ausgerichtete Fasen 90 und 92 für jede
Hälfte der Fluidflussverteilungsvorrichtung erhält,
wodurch der geeignete Zusammenbau der Vorrichtung 10 sichergestellt
wird.
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Es
sollte zu erkennen sein, dass, während hexagonal geformte
Flusskammern 40, 44 dargestellt sind, andere Formen,
beispielsweise Kreise, Rechtecke, Quadrate, Ovale, Dreiecke, Trapeze, Achtecke
usw., zum Ausbilden des ersten und des zweiten Musters 38, 42 verwendet
werden können. Gleicherweise kann es, wenngleich vorgezogen
wird, dass die Muster 38, 42 mit identisch geformten
Flusskammern 40, 44 identisch sind, bei manchen
Anwendungen erstrebenswert sein, dass die Muster 38, 42 verschieden
sind, während dieselbe Form von Flusskammern 40, 44 verwendet
wird oder während unterschiedlich geformte Flusskammern 40, 44 verwendet werden.
Darüber hinaus sollte zu erkennen sein, dass es, während
die Einlass- und die Auslassöffnungen 31, 33 in 3 und 4 als
in einer der Endplatten 20, 22 oder der anderen
angeordnet dargestellt sind, bei manchen Anwendungen erstrebenswert
sein kann, dass die Einlass- und die Auslassöffnungen 31, 33 in
derselben Endplatte 20, 22 angeordnet sind, was
zur Folge hätte, dass die erste und die letzte Flusskammer
des gewundenen Flusspfades 31 in demselben Flusskammernmuster 38 oder 42 angeordnet
sein würde, in Gegensatz dazu, dass die erste Flusskammer 40 oder 44 in
einem der Muster 38, 42 angeordnet ist und die
letzte Flusskammer 40 oder 44 in dem anderen Flussmuster 38, 42 angeordnet
ist.
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Es
wurde erkannt, dass durch Vorsehen eines relativ hohen Druckabfalls
im Einlassbereich von jedem von mehreren parallelen Wärmetauschflusspfaden
oder -einheiten eine gute Verteilung eines Fluidflusses auf die
parallelen Wärmetauschflusspfade oder -einheiten erzielt
werden kann. Es sollte zu erkennen sein, dass erfindungsgemäße
Fluidflussverteilungsvorrichtungen diesen Vorteil in einer Konstruktion
versehen können, welcher die Verstopfungsanfälligkeit
verglichen mit anderen vorgeschlagenen Bauformen zu reduzieren vermag.
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Zusammenfassung
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Eine
Fluidflussverteilungsvorrichtung (10) wird zur Verwendung
in einem Wärmetauscher (12) mit mehreren Wärmetauscheinheiten
(14), die einen Fluidfluss (18) von einem Fluideinlass
(16) empfangen, bereitgestellt. Die Vorrichtung weist mehrere
gewundene Flusspfade (31) auf, um verteilte Teile des Fluidflusses
(18) von dem Einlass (16) zu den Wärmetauscheinheiten
(14) hinzulenken. Jeder gewundene Flusspfad (31)
ist durch ein Paar von Flusskammerplatten (24, 26)
und eine Öffnungsplatte (28), die zwischen den
Flusskammerplatten (24, 26) eingelegt ist, definiert.
Jeder gewundene Flusspfad (31) weist eine Aufeinanderfolge
(34) von Öffnungen (36), die sich durch
die Öffnungsplatte (28) erstrecken, ein erstes
Muster (38) aus ersten Flusskammern (40), das
in einer der Flusskammerplatten (24, 26) ausgebildet
und mit aufeinanderfolgenden Paaren der Öffnungen (36)
ausgerichtet ist, und ein zweites Muster (42) aus zweiten
Flusskammern (44), das in der anderen der Flusskammerplatten
(24, 26) ausgebildet und in Bezug auf das erste
Muster (38) und die Paare von Öffnungen (36)
versetzt ist, auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2003-0215679
A1 [0004]