DE19635456A1 - Wärmeübertrager mit verdunstungsaktiver Struktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager mit ei­ ner verdunstungsaktiven Wärmeübertragerstruktur. Durch Ver­ wendung einer derartigen Struktur kann zusätzlich der Verdun­ stungseffekt zu Kühlzwecken herangezogen werden.

Zur Abkühlung von Wasser bis nahe an die Kühlgrenztemperatur ist beispielsweise die Verwendung von Rieselfilmen bekannt, bei denen Wasser über große Flächen schwerkraftbedingt nach unten strömt, während trockene Luft im Gegenstrom zur Riesel­ richtung geführt wird. An der Phasengrenzfläche verdunstet ein geringer Teil des Wassers und entzieht dem verbleibenden Wasser Wärme. Des weiteren sind zur Rückkühlung des Kühlwas­ sers von Kraftwerken Naßkühltürme gebräuchlich, bei denen Wasser in einen aufwärtsgerichteten Luftstrom hinein verreg­ net wird. In der Klimatechnik, beispielsweise für die Fahr­ zeugklimatisierung, sind verdunstungsaktive Wärmeübertrager­ strukturen im Einsatz, bei denen Wasser an feuchten Vliesen entlang oder durch beflockte Schäume hindurch geführt wird, wobei Luft im Kreuz- oder Gegenstrom strömt. Durch eine Teil­ verdunstung des Wassers werden sowohl das nicht verdunstete Wasser als auch die Luft abgekühlt. Derartige Wärmeübertra­ gerstrukturen sind in den Patentschriften DE 8 87 101 und US 4.342.203 offenbart.

Bei diesen herkömmlichen Wärmeübertragersystemen mit Verdun­ stungsfunktion ist die relative Strömungsgeschwindigkeit an der Phasengrenzfläche begrenzt, da bei deren Überschreitung Wassertropfen an den feuchten Flächen abgelöst und vom Luft­ strom mitgerissen werden bzw. der Rieselfilm durch die entge­ genströmende Luft aufgestaut wird. Dadurch ist auch der Wär­ me- und Stoffübergangskoeffizient zwischen Luftstrom und Was­ serströmung begrenzt.

In der vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung Nr. 195 12 048.5-16 ist eine Fahrzeugklimatisierungseinrich­ tung mit einer verdunstenden Fahrzeugaußenhautstruktur be­ schrieben, die durch ein mittels Strangextrusion gefertigtes Aluminiumprofil gebildet ist, das außenseitig hydrophil ober­ flächenbehandelt sein kann. Dabei bildet das Profil ein Ver­ dunstungsfluid-Kanalsystem aus nebeneinanderliegenden Strö­ mungskanälen mit zugehörigen Kapillarspalten, die sämtlich auf einer Seite des Profils angeordnet sind, welche als Ver­ dunstungsfläche fungiert. Auf seiner gegenüberliegenden, ge­ schlossen gestalteten Seite weist das Profil eine wärmeüber­ tragende Rippenstruktur auf.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Wärmeübertragers der eingangs genannten Art zu­ grunde, der bei gegebener Leistung vergleichsweise kompakt und einfach herstellbar ist und hohe relative Strömungsge­ schwindigkeiten zwischen der zu verdunstenden Flüssigkeit und der zugehörigen Gasströmung ermöglicht.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Wärmeübertragers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser Wärmeübertrager beinhaltet eine verdunstungsaktive Wärmeübertragerstruktur aus wenigstens einer wellblechförmi­ gen, verdunstungsaktiven Wärmeübertragerplatte, deren Bögen sich unter Bildung von Kapillarspalten berühren und als Strö­ mungskanäle für eine durch die Kapillarspalte hindurch parti­ ell zu verdunstende Flüssigkeit dienen. Dies realisiert eine mit Kapillarspalten versehene Kanalplatte, aus der die in den Bögen geführte Flüssigkeit partiell und nach beiden Seiten verdunsten kann, wodurch der Plattenoberfläche Wärme entzogen wird. Die aneinander anliegenden Bögen bilden im Inneren der Platte ein Kanalsystem mit großer, wärmeübertragender Fläche, durch die das in ihr strömende Fluid abgekühlt wird. Ein sol­ chermaßen aufgebauter Wärmeübertrager läßt sich bei gegebe­ ner, geforderter Leistung relativ kompakt bauen und einfach herstellen.

Diese Gestaltung der Wärmeübertragerplatte macht es möglich, daß nur ein kleiner, zur Verdunstung benötigter Anteil der innen hindurchgeleiteten Flüssigkeit, meist Wasser, in sehr dünner Schicht mit dem äußeren Gasstrom, meist einem Luft­ strom, in Wärme- und Stoffaustausch tritt, so daß vergleichs­ weise hohe relative Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Gasstrom und der zu verdunstenden Flüssigkeit gewählt werden können, ohne daß die zu verdunstende Flüssigkeit in Form von Tröpfchen mitgerissen wird. Der Großteil der zu verdunstenden Flüssigkeit wird in den Bögen, die geschützte Kanäle inner­ halb der Platte bilden, geführt, wobei in diesen Bögen auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten zulässig sind. Konstrukti­ onsbedingt nimmt die Weite der Kapillarspalte nach außen keilförmig ab, wodurch sich bei vorgegebenem Innendruck ein stabiles Gleichgewicht zwischen dem aus den Kapillarspalten austretenden und/oder dem außen anschließenden, verdunstungs­ aktiven Oberflächenbereich verdunstenden Flüssigkeitsanteil und der durch die Kapillarspalte nachgelieferten Menge an zu verdunstender Flüssigkeit einstellen kann. Die hohen zulässi­ gen Strömungsgeschwindigkeiten für den Gasstrom und für die zu verdunstende Flüssigkeit erlauben hohe Leistungsdichten bei minimalem Tropfenaustrag.

Ein nach Anspruch 2 weitergebildeter Wärmeübertrager erfor­ dert nur geringen Herstellungsaufwand, indem die jeweilige Wärmeübertragerplatte durch wellenförmiges Walzen eines Blechteils und anschließendes Stauchen desselben in Walzrich­ tung gefertigt wird.

Ein nach Anspruch 3 weitergebildeter Wärmeübertrager besitzt im verdunstungsaktiven Oberflächenbereich eine poröse und/oder hydrophile Oberfläche, wodurch die aus den Kapillar­ spalten austretende Flüssigkeit auf die gesamte äußere Plat­ tenfläche verteilt werden kann.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Wärmeübertrager besteht die jeweilige Wärmeübertragerplatte aus einem hoch wärmeleitfähigem Material, so daß durch den Verdunstungsef­ fekt die Platte selbst und die innen hindurchgeführte Flüs­ sigkeit sehr effektiv gekühlt werden können.

Bei einem nach Anspruch 5 weitergebildeten Wärmeübertrager sind die Bögen Ω-förmig gerundet gestaltet und verlaufen da­ her zwischen benachbarten Kapillarspalten mit ihrem verdun­ stungsaktiven Oberflächenabschnitt nach außen vorgewölbt.

Bei einer alternativen Weiterbildung der Erfindung nach An­ spruch 6 sind die Bögen ∇-artig gestaltet, so daß sie mit ihrem zwischen je zwei benachbarten Kapillarspalten liegen­ den, verdunstungsaktiven Oberflächenabschnitt im wesentlichen eben verlaufen.

Ein nach Anspruch 7 weitergebildeter Wärmeübertrager besitzt seitlich angeordnete, als Verteiler- bzw. Sammelkanal dienen­ de Anschlußkanäle zur Zu- bzw. Abführung der Flüssigkeit in die bzw. aus den Bögen der Wärmeübertragerplatte.

Ein nach Anspruch 8 weitergebildeter Wärmeübertrager beinhal­ tet mehrere gleichartige, verdunstungsaktive Wärmeübertrager­ platten, die stapelförmig mit Abstand nebeneinander angeord­ net sind. In den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Wärme­ übertragungsplatten kann der Gasstrom hindurchgeführt werden.

Dies erlaubt die Realisierung von Wärmeübertragern mit bei gegebener Leistung geringem Grundflächenbedarf.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Wärmeübertragers mit verdun­ stungsaktiver Wärmeübertragungsplatte,

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III von Fig. 1,

Fig. 4 eine Detailansicht des Bereichs IV von Fig. 3 und

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend Fig. 4, jedoch für eine mo­ difiziert gestaltete Wärmeübertragerplatte.

Der in den Fig. 1 bis 4 in unterschiedlichen Ansichten ge­ zeigte Wärmeübertrager beinhaltet eine verdunstungsaktive Wärmeübertragerstruktur in Form einer verdunstungsaktiven, wellblechförmigen Wärmeübertragerplatte (1), die aus einem Blechteil, das vorzugsweise aus Aluminium besteht, durch wel­ lenförmiges Walzen und anschließende Stauchung desselben in Walzrichtung gefertigt ist. Durch die Kanalplatte (1) kann in deren Ω-förmig gerundeten Bögen der Wellenstruktur eine par­ tiell zu verdunstende Flüssigkeit, insbesondere Wasser, hin­ durchgeführt werden. Dazu sind an entlang der beiden sich ge­ genüberliegenden Kanalplattenseiten, an denen die Bögen stirnseitig offen enden, Anschlußkanäle (2, 3) vorgesehen, in welche die Bögen der wellblechförmigen Wärmeübertragerplatte (1) endseitig einmünden, wie in Verbindung mit den Schnittan­ sichten der Fig. 2 und 3 genauer zu erkennen. Die beiden An­ schlußkanäle sind durch Anschlußrohre (2, 3) gebildet, von denen das eine als Verteilerrohr und das andere als Sammel­ rohr dient. Die Anschlußrohre (2, 3) sind fluiddicht mit der Wärmeübertragerplatte (1) verbunden, z. B. durch Kleben oder Löten. Jedes Anschlußrohr (2, 3) besitzt einen zugehörigen Anschlußstutzen (4, 5), von denen der eine als Einlaß und der andere als Auslaß fungiert. Auf diese Weise kann die betref­ fende Flüssigkeit über den einen Anschlußstutzen als Einlaß und das zugehörige Anschlußrohr als Verteilerrohr parallel in die Bögen der Wärmeübertragerplatte (1) eingespeist und über das andere Anschlußrohr als Sammelkanal und den zugehörigen Auslaß wieder abgezogen werden.

Im Gebrauch des Wärmeübertragers wird beidseitig außen ent­ lang der Wärmeübertragerplatte (1) ein Gasstrom geleitet, in welchen ein meist geringer Teil der durch die Platte (1) hin­ durchgeleiteten Flüssigkeit verdunsten kann. Beispielsweise kann der Wärmeübertrager für eine vom Fahrmotor unabhängige Klimatisierung des Fahrerhauses eines Nutzfahrzeuges einge­ setzt werden. Als Gasstrom wird dann ein in einem Adsorber getrockneter Luftstrom verwendet, während durch den Wärme­ übertrager Wasser hindurchgeleitet und durch partielle Ver­ dunstung bis an die Kühlgrenztemperatur für Kühlzwecke in se­ kundären Wärmeübertragern abgekühlt wird, d. h. der erfin­ dungsgemäße Wärmeübertrager wird dann als Rückkühler einge­ setzt.

Die Nutzung des Verdunstungseffektes wird durch die Wellen­ förmige Struktur der Wärmeübertragerplatte (1), wie sie in den Schnittansichten der Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, auf besonders einfache Weise ermöglicht. Wie daraus ersichtlich, berühren sich durch die Stauchung des wellenförmig gewalzten Blechteils die bezüglich der Plattenmittelebene (7) gleich­ seitig benachbarten, Ω-förmigen Bögen (6), wobei die dadurch gebildeten Berührlinien auf jeder Plattenseite eine Reihe von feinen parallelen Kapillarspalten (8a, 8b) bilden, durch die hindurch die Flüssigkeit zu beiden Seiten der Wärmeübertra­ gerplatte (1) nach außen in den vorbeiströmenden Gasstrom verdunstet werden kann.

Vorzugsweise ist die Wärmeübertragerplatte (1) außenseitig mit einer porösen und/oder hydrophilen Schicht versehen, bei­ spielsweise mittels Anodisieren des Blechteils, so daß die aus den Kapillarspalten (8a, 8b) austretende Flüssigkeit auf die gesamte äußere Oberfläche der Kanalplatte (1) verteilt wird, die in diesem Beispiel aus den sich zwischen den Kapil­ larspalten (8a, 8b) nach außen vorwölbenden Bogenabschnitten (9) besteht. Die Bögen (6) der Wärmeübertragerplatte (1) bil­ den ein Kanalsystem, das aufgrund der Verwendung eines Blech­ teils, d. h. eines Materials hoher Wärmeleitfähigkeit für die Wärmeübertragerplatte (1), eine große wärmeübertragende Flä­ che aufweist, mit der die in ihr strömende Flüssigkeit abge­ kühlt wird, indem der verdunstungsaktiven Plattenoberfläche durch die partielle Flüssigkeitsverdunstung Wärme entzogen wird.

Der Wärmeübertrager mit der beschriebenen Auslegung der ver­ dunstungsaktiven Wärmeübertragerplatte (1) hat die vorteil­ hafte Eigenschaft, daß nur ein kleiner, zur Verdunstung benö­ tigter Flüssigkeitsanteil in sehr dünner Schicht mit dem Gasstrom in Wärme- und Stoffaustausch tritt, so daß wesent­ lich höhere relative Strömungsgeschwindigkeiten zwischen der in den Bögen (6) geführten Flüssigkeit und dem außen an der Platte (1) vorbeigeführten Gasstrom zugelassen werden können, ohne daß es zum Mitreißen von Flüssigkeitströpfchen kommt. Dabei sind in den Bögen (6), welche die Flüssigkeit geschützt führen, hohe Strömungsgeschwindigkeiten zulässig. Durch das Aneinanderliegen der Ω-förmigen Bögen (6) verengen sich die Kapillarspalte (8a, 8b) nach außen keilförmig, so daß sich bei vorgegebenem Innendruck ein stabiles Gleichgewicht zwi­ schen der aus den Kapillarspalten (8a, 8b) austretenden bzw. im zwischenliegenden, verdunstungsaktiven, äußeren Bogenober­ flächenbereich (9) verdunstenden und der durch die Kapillar­ spalte (8a, 8b) nachgelieferten Flüssigkeitsmenge einstellen kann.

Während in den Fig. 1 bis 4 ein Wärmeübertrager mit nur einer verdunstungsaktiven Wärmeübertragerplatte (1) gezeigt ist, können erfindungsgemäße Wärmeübertrager auch mit mehreren Wärmeübertragerplatten (1) realisiert werden, die stapelför­ mig mit Abstand nebeneinander angeordnet sind, so daß durch die dadurch gebildeten Zwischenräume der zugehörige Gasstrom hindurchgeleitet werden kann. Die Zuführung und Abführung der betreffenden Flüssigkeit erfolgt dann durch eine geeignete Anschlußkanalstruktur mit je einem Verteiler- und Sammelkanal gemeinsam für alle Wärmeübertragerplatten oder getrennt für jede der Platten. In letzterem Fall können zum einen die Ver­ teilerkanäle einerseits und die Sammelkanäle andererseits un­ tereinander zur parallelen Flüssigkeitszufuhr in Verbindung stehen. Zum anderen kann alternativ je ein Sammelkanal einer Platte mit dem Verteilerkanal einer anderen Platte verbunden werden, um die Platten strömungstechnisch in Reihe zu schal­ ten. In allen Fällen lassen sich bei gegebenem, gefordertem Leistungsbedarf sehr kompakte Wärmeübertrager mit Verdun­ stungsfunktion realisieren. Mit den hohen zulässigen Strö­ mungsgeschwindigkeiten sowohl auf der Gas- als auch auf der Flüssigkeitsseite sind hohe Leistungsdichten bei minimalem Tropfenaustrag erzielbar.

Alle oben genannten Eigenschaften und Vorteile gelten auch für eine weitere Variante, bei der eine modifizierte Wärme­ übertragerplatte (10) verwendet wird, wie sie in Fig. 5 in einer zur Fig. 4 analogen Ausschnittsansicht gezeigt ist. Bei diesem Wärmeübertrager ist die Wärmeübertragerplatte (10) mit V-förmigen Bögen (11) gebildet, was durch einen entsprechend modifizierten Walz- und Stauchungsvorgang des zugrundeliegen­ den Blechteils erreicht wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegen die durch berührendes Aneinanderliegen der auf der je­ weiligen Plattenseite benachbarten Bögen (11) beidseits ge­ bildeten Kapillarspalte (12a, 12b) fast auf Höhe der außen­ seitigen Abschlußebenen der Platte (10). Die außenliegenden, verdunstungsaktiven Bogenabschnitte (13) verlaufen im wesent­ lichen eben zwischen je zwei benachbarten Kapillar­ spalten (12a, 12b). Auf diese Weise besitzt die Wärmeübertragerplatte (10) vergleichsweise plane, verdunstungsaktive Außenflächen, was je nach Anwendungsfall herstellungstechnisch und/oder funktionell von Vorteil sein kann.

Es versteht sich, daß Wärmeübertrager der erfindungsgemäßen Art neben den bereits erwähnten Verwendungsmöglichkeiten bei der Fahrzeugklimatisierung überall dort einsetzbar sind, wo mit geringem Aufwand eine Flüssigkeit unter Ausnutzung des Verdunstungseffektes gekühlt werden soll.

Claims (9)

1. Wärmeübertrager mit

• - einer verdunstungsaktiven Wärmeübertragerstruktur,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die verdunstungsaktive Wärmeübertragerstruktur eine oder mehrere wellblechförmige, verdunstungsaktive Wärmeübertrager­ platten (1) beinhaltet, deren Bögen (6) sich unter Bildung von Kapillarspalten (8a, 8b) berühren und als Strömungskanäle für eine durch die Kapillarspalte hindurch partiell zu ver­ dunstende Flüssigkeit dienen.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß die jeweilige Wärmeübertragerplatte (1) durch Stauchung eines wellenförmig gewalzten Blechteils in Walz­ richtung gebildet ist.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmeübertragerplatte (1) wenigstens im verdunstungsaktiven Oberflächenbereich (9) eine poröse und/oder hydrophile Oberfläche aufweist.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragerplatte (1) aus einem hoch wärmeleitfähigen Material besteht.

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Bögen (6) Ω-förmig gerundet so gestaltet sind, daß sie im verdunstungsaktiven Bereich zwischen je zwei benachbarten Kapillarspalten (8a, 8b) nach außen vorgewölbt verlaufen.

6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Bögen (11) ∇-artig so ge­ staltet sind, daß sie zwischen je zwei benachbarten Kapillar­ spalten (12a, 12b) außenseitig im wesentlichen eben verlau­ fen.

7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter gekennzeichnet durch seitlich angeordnete, als Verteiler- bzw. Sammelkanal dienende Anschlußkanäle (2, 3), in welche die Bögen (6) der Wärmeübertragerplatte (1) einmünden.

8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter gekennzeichnet durch mehrere gleichartige, verdunstungsaktive Wärmeübertragerplatten, die stapelförmig in einer Reihe beab­ standet nebeneinander angeordnet sind.