-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeübertragerelement und Wärmeübertrager in zwangsdurchströmter Ausführung.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Derartige Wärmeübertragerelemente, die auch als Wärmetauscherelemente bezeichnet werden können, und Wärmeübertrager/Wärmetauscher werden im Betrieb von einem oder mehreren Wärmetauscherfluiden zwangsdurchströmt, was bedeutet, dass das Wärmertauscherfluid unter Druckbeaufschlagung über einen Fluidzulauf in ein Durchflussvolumen einströmt, dieses durchströmt und über einen Fluidablauf abgeführt wird. Beim Durchströmen des Durchflussvolumens gibt das Wärmetauscherfluid Wärmeenergie ab oder nimmt Wärmeenergie auf. Wärmeübertrager oder -tauscher sind in verschiedenen Ausführungsformen als solche bekannt, beispielsweise als Wärmeplattentauscher.
-
Die Effizienz des Wärmeübertrags bei den Wärmerübertragern hängt davon ab, in welchem Umfang beim Durchströmen des Durchflussvolumens Wärmeenergie von dem Wärmertauscherfluid abgegeben oder von diesem aufgenommen werden kann. Es besteht deshalb Bedarf für Wärmeübertragerelemente und Wärmerübertrager, bei denen die Wärmeübertragung mit hoher Effizienz stattfindet.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeübertragerelement sowie einen Wärmeübertrager mit hoher Wärmeübertragungs- oder Wärmetauscheffizienz anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmeübertragerelement nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie einen Wärmeübertrager nach dem unabhängigen Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
-
Nach einem Aspekt der Erfindung ist ein Wärmeübertragerelement mit den folgenden Merkmalen geschaffen: einem Durchflussvolumen, welches konfiguriert ist, von einem Wärmetauscherfluid zwangsdurchströmt zu werden, einem Fluidzulauf, der mit dem Durchflussvolumen in Fluidverbindung steht, derart, dass über den Fluidzulauf das Wärmetauscherfluid in dem Durchflussvolumen eingebracht werden kann, und einem Fluidablauf, der mit dem Durchflussvolumen in Fluidverbindung steht, derart, dass über den Fluidablauf das Durchflussvolumen zwangsweise durchströmende Wärmetauscherfluid aus dem Durchflussvolumen ablaufen kann, wobei das Durchflussvolumen in einem Durchflusskörper gebildet ist, der mit einer offenporigen Schaumstruktur gebildet ist.
-
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Wärmeübertrager geschaffen, der mit mehreren Wärmeübertragerelementen gebildet ist.
-
Die Erfindung umfasst den Gedanken, das Durchflussvolumen, welches in dem Wärmeübertragerelement bzw. dem Wärmeübertrager im Betrieb von einem oder mehreren Wärmetauscherfluiden zwangsdurchströmt wird, mittels einer offenporigen Schaumstruktur in dem Durchflusskörper auszubilden. Das Wärmetauscherfluid strömt hierbei mit einem Druck p1 und einer Temperatur t1 in das Durchflussvolumen in der offenporigen Schaumstruktur ein und verlässt diese mit der Temperatur t2 und dem Druck p2. Die Temperatur t2 kann größer oder kleiner als die Temperatur t1 sein, je nachdem, ob das Wärmetauscherfluid beim Durchströmen des Durchflussvolumens Wärmeenergie aufnimmt oder abgibt. Dieses hängt vom Temperaturunterschied zwischen dem Wärmertauscherfluid und der Umgebung des Wärmeübertragerelementes oder des Wärmerübertragers ab. Mittels der offenporigen Schaumstruktur ist eine große Wärmeübertrager- oder Wärmetauscherfläche zwischen dem durchströmenden Wärmetauscherfluid und der Schaumstruktur gegeben, so dass ein optimierter innerer Wärmeübergangskoeffizient realisiert wird.
-
Der von dem Wärmetauscherfluid zwangsdurchströmte Durchflusskörper kann vollständig oder teilweise aus der offenporigen Schaumstruktur bestehen. Das zwangsdurchströmte Durchflussvolumen ist zumindest teilweise mittels der offenporigen Schaumstruktur hergestellt.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die offenporige Schaumstruktur aus einer offenporigen Metallschaumstruktur gebildet ist.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Durchflusskörper eine Mantelschicht aufweist, die die offenporige Schaumstruktur wenigstens teilweise ummantelt. Die Mantelschicht ist als Zusatzschicht auf die Außenfläche der offenporigen Schaumstruktur aufgebracht. Dieses kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Mantelschicht aufgeklebt oder mittels eines Fügeverfahrens aufgebracht wird. Die Mantelschicht kann aus demselben Material wie die Schaumstruktur oder aus einem anderen Material bestehen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schaumstruktur selbst bereits eine geschlossene äußere Oberfläche bildet, mit der das in der offenporigen Schaumstruktur gebildete Durchflussvolumen gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist. Im Fall der Ausbildung der Mantelschicht kann vorgesehen sein, dass der Fluidzulauf und/oder der Fluidablauf durch die Mantelschicht hindurch gebildet sind. Vorzugsweise ist die Mantelschicht formschlüssig auf die äußere Oberfläche der Schaumstruktur aufgebracht.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Durchflusskörper eine Bauform aus der folgenden Gruppe von Bauformen aufweist: Platte und Zylinder wie Stab oder Rohr. Bei der zylindrischen Ausführung des Wärmeübertrager- oder Wärmetauscherelementes kann ein runder, ein ovaler oder ein eckiger Querschnitt vorgesehen sein, zum Beispiel ein dreieckiger Querschnitt. Mit Hilfe plattenförmiger Wärmeübertrager- oder Wärmetauscherelemente kann ein Wärmeplattentauscher hergestellt werden, bei dem mehrere Plattenwärmeübertrager gestapelt sind, derart, dass mehrere Durchflussvolumina gebildet sind, die gegeneinander abgeschlossen und von einem jeweiligen Wärmetauscherfluid im Betrieb durchflossen werden.
-
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass das Durchflussvolumen einen Durchgangsraum, gegenüber dem das Durchflussvolumen abgeschlossen ist, wenigstens teilweise umgebend gebildet ist. Bei dieser Ausführungsform umgibt das mit der offenporigen Schaumstruktur gebildete Durchflussvolumen einen Durchgangsraum zumindest teilweise, beispielsweise einen Durchgangskanal, der von einem Fluid durchströmt werden kann, so dass ein Wärmeübertrag zwischen dem Wärmetauscherfluid in der offenporigen Schaumstruktur und dem Fluid in dem Durchgangsraum ausbildbar ist. In dem Durchgangsraum, der beispielsweise als ein Durchgangskanal ausbildbar ist, können in einer Ausgestaltung Turbulenzen fördernde Elemente angeordnet sein, derart, dass in dem den Durchgangsraum durchströmenden Fluid Turbulenzen induziert werden, um den Wärmeübertrag zu optimieren. Der Durchgangsraum kann zum Beispiel auch mit Oberflächenvertiefungen gebildet sein, die auf der äußeren Oberfläche der offenporigen Schaumstruktur und/oder in der die offenporige Schaumstruktur wenigstens teilweise einschließenden Mantelschicht gebildet sind.
-
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Fluidzulauf und/oder der Fluidablauf an einen zugeordneten Sammler- und Verteilerkanal in dem Durchflusskörper koppeln. Ein oder mehrere Sammler- oder Verteilerkanäle können in einer Ausgestaltung randseitig in dem Durchflusskörper gebildet sein. Der Sammler- und Verteilerkanal stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Fluidzulauf und/oder dem Fluidablauf einerseits und dem Durchflussvolumen mit der offenporigen Schaumstruktur andererseits her. Er kann sich ganz oder teilweise in oder außerhalb der offenporigen Schaumstruktur erstrecken, wobei er mit dem hierin gebildeten Durchflussvolumen in Verbindung steht.
-
Im Zusammenhang mit dem Wärmeübertrager, der mit mehreren Wärmeübertragerelementen gebildet ist, können insbesondere die folgenden Ausführungsformen vorgesehen sein.
-
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen einer Wärmeübergangsfläche an einem der mehreren Wärmeübertragerelemente und einer Wärmeübergangsfläche an einem anderen der mehreren Wärmeübertragerelemente eine Wärmeübergangsverbindung gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung findet ein Wärmeübergang zwischen den Wärmerübertrager bzw. Wärmertauscherelementen statt.
-
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Wärmeübergangsfläche an dem einen der mehreren Wärmeübertragerelemente und die Wärmeübergangsfläche an dem anderen der mehreren Wärmeübertragerelemente in Berührungskontakt stehend gebildet sind.
-
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die mehreren Wärmeübertragerelemente in einer gestapelten Anordnung angeordnet sind. Beispielsweise ist mit der gestapelten Anordnung eine Plattenwärmeübertrager gebildet, in dem mehrere Wärmeübertragerplatten gestapelt sind, von denen zumindest eine Wärmeübertragerplatte dem oben beschriebenen Wärmeübertragerelement entsprechend ausgeführt ist. Die gestapelte Anordnung kann neben Wärmeübertragerelementen mit einer offenporigen Schaumstruktur auch Wärmeübertragerelemente umfassen, die auf einer anderen Wärmeübertragerbauweise beruhen, bei denen ein Durchflussvolumen frei von solchen Schaumstrukturen gebildet ist. Hierdurch ist eine Kombination von verschiedenen Wärmeübertragertechnologien ermöglicht. Sowohl in der gestapelten Anordnung von Wärmeübertragerelementen als auch in anderen Anordnungen mehrerer Wärmeübertragerelemente sind Fügeverfahren wie Kleben, Löten und/oder Schweißen für das Zusammenfügen der mehreren Wärmeübertragerelemente nutzbar. Alternativ oder ergänzend können formschlüssige Verfahren genutzt werden, um die mehreren Wärmeübertragerelemente miteinander zu verbinden, beispielsweise die Nutzung eines äußeren Rahmens oder von Verbindungsbändern, die die Wärmeübertragerelemente umgreifen.
-
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass in den mehreren Wärmeübertragerelementen jeweils eine bevorzugte Strömungsrichtung für das das Durchflussvolumen zwangsdurchströmende Wärmetauscherfluid gebildet ist und die bevorzugten Strömungsrichtungen gleichläufige, gegenläufige und/oder kreuzende Strömungsrichtungen umfassen. Die einander gleichläufigen, gegenläufigen und/oder kreuzenden Strömungsrichtungen können abwechselnd in der Anordnung von Wärmeübertragerelementen ausgebildet sein. So kann zum Beispiel eine gestapelte Anordnung von Plattenwärmeübertragerelementen vorgesehen sein, in welcher die bevorzugten Strömungsrichtungen benachbarter Wärmeübertragerelemente jeweils quer zueinander verlaufen.
-
Die vorangehend beschriebenen Wärmeübertragerelemente und Wärmeübertrager können in verschiedenen Vorrichtungen eingesetzt werden, um einen jeweils gewünschten Wärmeübertrag zu bewirken. Zu derartigen Vorrichtungen gehören beispielsweise Temperiervorrichtungen, Gefriertrockner, Wärmerückgewinnungsvorrichtung, Verdampfer, Verflüssiger, Rekuperator (Wärmeübertrager) oder Wärmerohr („heat pipe“).
-
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragerelementes mit einem Durchflusskörper, in welchem ein Durchflussvolumen mittels einer offenporigen Schaumstruktur gebildet ist,
-
2 eine schematische Darstellung eines Plattenwärmeübertragers in Stapelbauweise, bei dem mehrere plattenförmig ausgebildete Wärmeübertragerelemente aufeinandergestapelt sind, wobei gegenläufige Strömungsrichtungen in den gestapelten Wärmeübertragerelementen gebildet sind,
-
3 eine schematische Darstellung eines Plattenwärmeübertragers in Stapelbauweise, bei dem mehrere plattenförmig ausgebildete Wärmeübertragerelemente aufeinandergestapelt sind, wobei sich querende Strömungsrichtungen gebildet sind,
-
4 eine schematische Darstellung von stabförmigen Wärmeübertragerelementen mit unterschiedlichen Querschnittsgestaltungen,
-
5 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers, in welchem mehrere stabförmige Wärmeübertragerelemente miteinander kombiniert sind, derart, dass gegenläufige Strömungsrichtungen ausgebildet sind,
-
6 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit mehreren stabförmigen Wärmeübertragerelementen, die in Längsrichtung parallel verlaufend und beabstandet angeordnet sind,
-
7 eine schematische Darstellung eines Plattenwärmeübertragers mit gestapelten Wärmeübertragerplatten, zwischen denen ein Durchflusskanal gebildet ist, der frei von einer durchströmten Schaumstruktur ist, und
-
8 eine schematische Darstellung einer Wärmeübertragerplatte, bei der randseitig Sammelkanäle gebildet sind, über die ein Fluidzulauf und ein Fluidablauf für die Zwangsdurchströmung mit einer offenporigen Schaumstruktur verbunden sind.
-
1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines Wärmeübertragerelementes 1, bei dem in einem Durchflusskörper 2 ein Durchflussvolumen 3 gebildet ist, wobei der Durchflusskörper 2 mit einer offenporigen Schaumstruktur 4 hergestellt ist.
-
Die offenporige Schaumstruktur 4 ist mittels eines offenporigen Metallschaums hergestellt. Im Betrieb des Wärmeübertragerelementes 1 wird das Durchflussvolumen 3 von einem Wärmertauscherfluid durchströmt, welches mit einem Druck p1 und einer Temperatur t1 zugeführt wird. Beim Durchfließen des Durchflussvolumens 3, welches mittels der offenporigen Schaumstruktur 4 hergestellt ist, findet ein Wärmeübertrag zwischen den Wärmetauscherfluid und der Umgebung des Wärmeübertragerelementes 1 statt, derart, dass das Wärmetauscherfluid Wärmeenergie an die Umgebung abgibt oder Wärmeenergie aus der Umgebung aufnimmt. Schließlich tritt das Wärmetauscherfluid aus dem Durchflussvolumen 3 mit einem Druck p2 und einer Temperatur t2 (im Falle Verdampfung/Kondensation ist t2 = t1 möglich) aus. Der Durchfluss wird als Zwangsdurchfluss ausgeführt, was bedeutet, dass das Wärmetauscherfluid zwangsweise durch das Durchflussvolumen 3 geführt wird.
-
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Durchflusskörper 2 mit der offenporigen Schaumstruktur 4 von einer Mantelschicht 5 umgeben. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die offenporigen Schaumstruktur 4 selbst eine nach außen geschlossene Oberfläche aufweist.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Plattenwärmerübertragers 20, bei dem mehrere Wärmeübertragerelemente 21 übereinander gestapelt sind. Die gestapelten Wärmeübertragerelemente 21 sind der in 1 gezeigten Bauweise entsprechend ausgeführt, derart, dass in einer offenporigen Schaumstruktur 4 ein Durchflussvolumen 3 gebildet ist, welches im Betrieb von einem Wärmetauscherfluid zwangsdurchströmt wird. Die Durchflussvolumina in den mehreren übereinander gestapelten Wärmeübertragerelementen 21 sind gegeneinander abgeschlossen. Die Darstellung in 2 zeigt, dass in den mehreren Wärmeübertragerelementen 21 bevorzugte Strömungsrichtungen 22 gegenläufig gebildet sind. Der Wärmeübertrag zwischen den mehreren Wärmeübertragerelementen 21 findet im Wesentlichen quer zu der flächigen Ausbreitung der mehreren Wärmeübertragerelemente 21 und den bevorzugten Strömungsrichtungen in horizontaler Richtung statt. Die Verbindung zwischen den mehreren Wärmeübertragerelementen 21, die als Platten ausgeführt sind, zum Stapelaufbau kann mittels Fügeverfahren hergestellt sein, zum Beispiel mittels Kleben, Löten und/oder Schweißen. Ergänzend oder alternativ können formschlüssige Verbindungen mittels äußerer Umhüllung genutzt werden, zum Beispiel in Form eines äußeren Rahmens und/oder äußerer Bänder, die den Zusammenhalt der mehreren Wärmeübertragerelemente 21 sicherstellen.
-
3 zeigt einen weiteren Plattenwärmeübertrager, bei dem im Unterschied zu der Ausführungsform in 2 abwechselnd quer zueinander verlaufende, bevorzugte Strömungsrichtungen in den mehreren Wärmeübertragerelementen 21 gebildet sind.
-
4 zeigt eine schematische Darstellung mehrerer Wärmeübertragerelemente 40, 41, 42, die sich hinsichtlich ihrer Querschnittsform des jeweiligen stabförmigen Wärmeübertragerelementes unterscheiden. Im Kern verfügen die Wärmeübertragerelemente 40, 41, 42 jeweils über eine offenporige Schaumstruktur 4, mit der ein jeweiliges Durchflussvolumen 3 gebildet ist. Eine jeweilige Mantelschicht 5, die eine Art Hülle bildet für die offenporige Schaumstruktur 4, umgibt das Durchflussvolumen 3.
-
Die 5 und 6 zeigen Wärmeübertrager, in denen die stabförmigen Wärmeübertragerelemente 40, 41, 42 aus 4 genutzt werden, entweder in einer gestapelten Anordnung (5), in welcher benachbarte Wärmeübertragerelemente in Kontakt sind, oder in einer parallelen, beabstandeten Anordnung (vgl. 6).
-
7 zeigt einen Plattenwärmeübertrager 70 in einer sogenannten Hybridausführung, bei der zwischen Wärmeübertragerlementen 71, die jeweils ein Durchflussvolumen 3 mit offenporiger Schaumstruktur 4 aufweisen, ein weiterer Durchflusskanal 72 gebildet ist, der nicht über eine solche Schaumstruktur verfügt. Der weitere Durchflusskanal 72 ist entweder ein freier Kanal oder ein Kanal, der mit Einbauten versehen ist, zum Beispiel Umlenkelementen oder Turbulatoren, um die Strömung eines hierin fließenden Fluides zu beeinflussen.
-
8 zeigt eine schematische Darstellung eines Plattenwärmeübertragers 80, bei dem das mit Hilfe der offenporigen Schaumstruktur 3 gebildete Durchflussvolumen 4 seitlich jeweils mit einem Sammelkanal 81, 82 in Verbindung steht, über welchen der Fluidzulauf 83 und der Fluidablauf 84 mit der offenporigen Schaumstruktur 3 in Verbindung stehen, so dass im Betrieb die Zwangsdurchströmung mittels des Wärmetauscherfluids unter Einbeziehung der Sammelkanäle 81, 82 stattfindet.
-
Gemäß 8 kann der Plattenwärmeübertrager 80 zum Beispiel dazu genutzt werden, hierauf ein Temperiergut anzuordnen, für das dann der Wärmeübertrag stattfindet, zum Beispiel zum Kühlen, Erhitzen oder zum Gefriertrocknen. Der in 8 dargestellte Wärmeübertrager kann so zum Beispiel eine Gefriertrocknerplatte bilden oder einen Temperiertisch.
-
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
