DE3536325C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Innenteil und einem Fluidweg für ein Kühlmedium, der derart zick-zack-förmig ausgebildet ist, daß das Kühlmedium den Innenteil zumindest dreimal durchläuft.

Grundsätzlich kann man Wärmeaustauscher für die vorgenannte Verwendung nach verschiedenen Typen aufteilen, und zwar danach, wie oft das kalte Fluid durch den Innenteil des Wärmeaustauschers strömt. So spricht man beispielsweise von einem Zweistrom-System, einem Dreistrom-System usw.

Um den Hintergrund der vorliegenden Erfindung besser darstellen zu können, wird auf Fig. 9 der Zeichnung Bezug genommen. Der darin gezeigte Wärmeaustauscher bildet ein Zweistrom-System, in dem eine Vielzahl von Fluidwegen 30 parallel zu Luftwegen angeordnet sind, und zwar abwechselnd übereinander. Die Querschnittsflächen der Fluidwege 30 bleiben über ihre Länge gleich.

Die untere Hälfte der Fluidwege 30 sind mit ihren auf einer Seite befindlichen Enden mit einem Einlaßkopf 31 verbunden, während die andere Hälfte der Einlaßwege 30 Verbindung mit einem Auslaßkopf 32 haben. Die gegenüberliegenden Enden aller Fluidwege 30 sind über einen gemeinsamen Sammler 33 verbunden. Bei diesem Wärmeaustauscher fließt das kalte Fluid durch den Innenteil in U-Form, was durch t₁ in Fig. 9 (B) dargestellt ist. Das Fluid durchströmt also den Innenteil zweimal entlang eines U-förmigen Strömungsweges 40.

Der in Fig. 10 (A) dargestellte Wärmeaustauscher stellt ein Vielstromsystem mit acht Durchgängen dar. Ein solcher Wärmeaustauscher ist auch der US-PS 43 27 802 zu entnehmen. Beide Enden der Fluidwege 30 sind jeweils mit einem gemeinsamen Sammler 33 verbunden, so daß sich jeder Fluidweg in einer U-Form t₂ erstreckt, wie dies aus Fig. 10 (B) zu ersehen ist. Die kalte Flüssigkeit wird durch den Einlaßkopf 31 in den Wärmeaustauscher geleitet und durchströmt dann den U-förmigen Weg t₂. Sie verläßt den Wärmeaustauscher über den Auslaßkopf 32.

Der in Fig. 11 (A) dargestellte Wärmeaustauscher stellt ein Einstrom-System dar. Die Flüssigkeit tritt über einen Einlaßsammler 31 ein, wo sie in eine Vielzahl von Fluidwegen 30 aufgeteilt wird und verläßt ihn über einen Auslaßsammler 32. Das Fluid durchströmt also den Innenteil lediglich einmal. Ein- und Auslässe sind durch die Bezugsziffern 34 bzw. 35 gekennzeichnet.

Bei dem Wärmeaustauscher nach Fig. 11 (A) hat das Fluid die Neigung, in den Bereichen der Ein- und Auslässe 34, 35 schneller zu fließen als in den übrigen Bereichen. Die Wirksamkeit der Wärmeübertragung ist dadurch in den letzteren Bereichen reduziert. Das Fluid strömt diagonal entlang eines Weges t₃, wie er in Fig. 11 (B) dargestellt ist. Dieser Weg t₃ verbindet den Einlaß (34) mit dem Auslaß (35). In den Bereichen 36 und 37 ist die Wirksamkeit der Wärmeübertragung gegenüber der in den Bereichen 34, 35 herabgesetzt, und zwar auf Grund des geringen Volumenstroms.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Fluid ohne vollständige Ausnutzung seiner Kühlfähigkeit auf Grund des kurzen Verbindungsweges zwischen dem Einlaß 34 und dem Auslaß 35 herausfließt. Entsprechend ist die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers gering. Dagegen haben die Vielstrom-Systeme, beispielsweise Zwei- oder Dreistrom-Systeme, einen gleichmäßigen Wärmeaustausch über den Fluidweg, wodurch die Austauschrate verbessert ist.

Der Nachteil von Vielstrom-Systemen besteht darin, daß das Fluid im Bereich des Auslasses gedrosselt wird, weil es zunächst in atomisierter Form in den Fluidweg 40 über den Einlaßsammler 31 eintritt und weil es dann auf Grund von Wärmeabsorption langsam in gasförmigen Zustand übergeht, wobei der Anteil des gasförmigen Fluids zwischen 20% am Einlaßsammler, 50% im Mittelteil und 100% am Auslaßsammler 32 variiert. Durch die Vergasung des Fluids expandiert es im Laufe des Fluidweges, wodurch an den Innenseiten des Fluidweges Reibung entsteht. Dies verhindert eine glatte Durchströmung insbesondere im Bereich des Auslasses. Um den Reibungswiderstand und eine hohe Aufladung, bedingt durch den Druckabfall innerhalb des Wärmeaustauschers, möglichst weitgehend zu verringern, muß der Kompressor so viel Leistung bringen, daß das Fluid beim Transport zum Kondensator einen hierfür ausreichenden Druck aufweist. Ferner wird die Wärmeaustauschwirksamkeit auf Grund von "dry-out" in den Fluidwegen beeinträchtigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend dargelegten Probleme bei Wärmeaustauschern des Vielstrom- Systems zu lösen und einen verbesserten Wärmeaustauscher vorzusehen, der es ermöglicht, daß der Kompressor ohne Reduzierung der Wärmeaustauschwirksamkeit mit möglichst geringer Last laufen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Fluidweg eine zwischen Ein- und Auslaß zunehmend größer werdende Querschnittsfläche aufweist. Erfindungsgemäß soll dem durch den Wärmetauscher fließenden Fluidstrom auf seinem Weg zum Auslaß hin ein immer größer werdender Querschnitt zur Verfügung stehen. Durch diese Maßnahme werden die Nachteile der bekannten Wärmeaustauscher vermieden. Es hat sich gezeigt, daß ein an dem Wärmeaustauscher angeschlossener Kompressor mit erheblich geringerer Last gefahren werden kann.

Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Ausgestaltungen der Erfindung, auf die auch in der Zeichnungsbeschreibung unter Angabe der damit erzielten Vorteile ausführlich eingegangen sind.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 die Vorderansicht eines Wärmeaustauschers mit teilweisen Weglassungen;

Fig. 2 einen Vertikalquerschnitt durch den Innenteil des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Fluidweges im Wärmeaustauscher gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine analytische perspektivische Darstellung einer Platte und einem Paar gewellter Rippen, die zusammen ein Rohrelement bilden;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht einer inneren Rippeneinheit vom Mehrfacheintrittstyp, die in dem Rohrelement enthalten ist;

Fig. 6 eine Graphik, die eine Beziehung zwischen dem Rippenabstand sowie der erhaltenen Wärmeaustauschrate bei einem Wärmeaustauscher mit Innenrippen vom Mehrfacheintrittstyp und vom Einfacheintrittstyp;

Fig. 7 die perspektivische Ansicht der Verbindung eines Einlaßkopfes mit dem Innenteil des Wärmeaustauschers;

Fig. 8 einen Vertikalquerschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7 und

Fig. 9 bis 11 eine schematische Darstellung der verschiedenen Typen von vorbekannten Wärmeaustauschern.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, hat der Wärmeaustauscher einen Innenteil 1, der eine Vielzahl von ebenen Rohrelementen 2 und gewellten Rippen 3 aufweist, die - sich abwechselnd überlagernd - einen Stapel bilden. Der Stapel ist mit jeweils einer unteren und oberen Endplatte 4, 5 versehen.

Wie aus den Fig. 4 bis 8 zu ersehen ist, bestehen das unterste und das oberste Rohrelement 2 jeweils aus einer dünnen, tablettförmigen Platte 2 a aus Aluminium und einer im wesentlichen flach geformten Platte 2 b, während die anderen Rohrelemente 2 jeweils aus zwei tablettförmigen Platten 2 a zusammengesetzt sind. Im Kantenbereich sind diese Platten 2 a, 2 b miteinander verbunden.

Jedes Rohrelement 2 weist jeweils an seinen gegenüberliegenden Enden einen ausgebauchten Abschnitt 7 auf, die jeweils über ein Flachrohr 8 miteinander verbunden sind. Jedes Flachrohr 8 bildet einen zusammenhängenden Fluidweg 6. Die jeweils gegenüberliegenden Seitenkanten jeder Platte 2 a, 2 b sind zu Mulden 9 gebogen, um ein Abfließen des auf Grund von Taubildung anfallenden Wassers aus dem Wärmeaustauscher zu ermöglichen. Die Mulden 9 haben Seitenwände 10, die so weit nach außen gebogen sind, daß deren weggebogene Abschnitte 11 genauso hoch sind wie die Oberflächen der Flachrohre 8. Außerhalb der ausgebauchten Abschnitte 7 sind Verstärkungsrippen 12 (Fig. 4) angebracht. Jeweils zwei vertikal benachbarte Rohrelemente 2 stehen beidseitig über die ausgebauchten Abschnitte 7 miteinander in Verbindung.

Die gewellten Rippen 3 befinden sich innerhalb eines Luftweges 21 zwischen jeweils einem oberen und einem unteren Flachrohr 8, und zwar in der Weise, daß ihre Mittelabschnitte flächig mit den Flachrohren 8 verbunden sind, während ihre Seitenkanten an den weggebogenen Abschnitten 11 der Mulden 9 befestigt sind. Die gebogenen Rippen 3 bestehen normalerweise aus Aluminium. Bei einem vorgeschlagenen Verfahren werden zunächst jalousienartige Elemente geformt, die dann zu Rippen gefertigt werden.

Wie schon oben beschrieben, dienen die Mulden 9 zur Abführung von Tauwasser, um sicherzustellen, daß in den Fahrgastraum eines Automobils kein Tauwasser auf Grund von Lecks eintreten kann. Die weggebogenen Abschnitte 11 sind mit den gewellten Rippen 3 derart verbunden, daß die Seitenwände 10 zur Vermeidung schädlicher Verbiegungen oder Verkrümmungen verstärkt sind. Die Verstärkungsrippen 12 dienen dem Schutz der tablettförmigen Platten 2 a im Bereich der ausgebauchten Abschnitte 7 gegen mögliches Auftrennen der dortigen Verbindung unter dem Druck des durchströmenden Fluids.

Wie Fig. 3 zeigt, sind die Rohrelemente 2 von unten nach oben in vier Gruppen I, II, III und IV aufgeteilt. Die Gruppen I und II haben jeweils drei Rohrelemente 2, während die Gruppe III vier und die Gruppe IV fünf Rohrelement 2 aufweist. In jeder Gruppe stehen die vertikal benachbarten Rohrelemente 2 über die ausgebauchten Abschnitte 7 in Verbindung, welche hierfür Durchlässe 22 aufweisen. Die benachbarten Gruppen sind jeweils über einen ausgebauchten Abschnitt 7 miteinander verbunden, während deren jeweils anderes Ende durch eine Trennwand 7 a voneinander getrennt ist. Von Gruppe zu Gruppe sind abwechselnd ein Durchlaß 22 und eine Trennwand 7 a vorgesehen.

In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform werden die Fluidwege 23 durch die oben beschriebenen vier Gruppen I bis IV vorgegeben. Das Fluid strömt in den durch die Pfeile angegebenen Richtungen von einem Eintrittsrohr 13 zu einem Austrittsrohr 16. Wie zu sehen ist, strömt das Fluid in einer Gruppe immer in der gleichen Richtung. Durch den Innenteil 1 des Wärmeaustauschers strömt somit das Fluid in einem Zick-Zack-Weg. Es handelt sich also um ein Vierstrom-System. Dabei haben alle Rohrelemente 2 der Fluidwege 6 eine gleiche Querschnittsfläche. Die Anzahl der Rohrelemente 2 vergrößert sich jedoch von der Gruppe II bis zur Gruppe IV, und zwar von drei auf fünf. Mit anderen Worten vergrößert sich die Fluidmenge vom Einlaß zum Auslaß. Selbst wenn das Fluid gasförmig ist und auf dem Weg durch die Rohrelemente 2 volumenmäßig zunimmt, strömt das Fluid bei dieser Anordnung auf seinem Weg ohne Reibung, und zwar auf Grund des gleichmäßig zunehmenden Querschnittes durch die zunehmende Anzahl der Fluidwege 6. Auf Grund dieses glatten Durchlasses wird eine Drosselwirkung für das Fluid vermieden. Der Kompressor ist somit nicht hoch belastet, wodurch Energiekosten eingespart werden. Die drosselfreie Durchströmung des Fluids läßt auch in den Fluidwegen 6 keine sogenannten "Austrocknungsprobleme" (dry-out problems) entstehen, wodurch ein sehr effizienter Wärmeaustausch gesichert ist.

Es besteht die Möglichkeit, die vorbeschriebene Ausführungsform dadurch zu modifizieren, daß sich die Querschnittsflächen der Rohrelemente 2 anstatt deren Anzahl zwischen dem Ein- und Auslaß allmählich vergrößern, wobei deren Anzahl innerhalb der jeweiligen Gruppen gleich bleibt.

In der dargestellten Ausführungsform strömt das Fluid viermal durch die ausgebauchten Abschnitte 7, bis es aus dem Innenteil 1 des Wärmeaustauschers herausfließt, so daß es sich um ein Vierstrom-System handelt. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf ein solches Vierstrom-System beschränkt und läßt sich somit auch auf andere Mehrstromsysteme übertragen.

Wie in den Fig. 7 und 8 zu sehen ist, ist ein Einlaß 14 mit einer Ausnehmung 14 a quer zum Rohrelement 2 vorgesehen. Mit der Ausnehmung 14 a steht ein Stutzen 14 b mit einer Bohrung 14 c in Verbindung. Das Eintrittsrohr 13 ist mit dieser Bohrung 14 c verbunden. Der ausgebauchte Abschnitt 7 des unteren Rohrelements 2 weist einige Einlaßöffnungen 17 auf, die quer zum Rohrelement 2 in gleichen Abständen zueinander angeordnet sind. Der Einlaß 14 ist unten an dem ausgebauchten Abschnitt 7 des unteren Rohrelements 2 angelötet, so daß das obere Ende der Ausnehmung 14 a in der Weise aufwärts gerichtet ist, daß sie mit den Einlaßöffnungen 17 in Verbindung steht. Vorzugsweise wird ein kurzes Rohr 18 zur Verbindung des Eintrittsrohrs 13 mit der Bohrung 14 c verwendet. Normalerweise ist das Eintrittsrohr 13 an der Bohrung 14 c durch Löten oder Schweißen befestigt. Hierdurch wird das Fluid anfangs in die Ausnehmung 14 a geleitet und füllt sie. Dann strömt es in den ausgebauchten Abschnitt 7 des unteren Rohrelements 2, und zwar gleichmäßig über die Einlaßöffnungen 17. Die gleichmäßige Verteilung des Fluids trägt zu einem guten Wärmeaustausch bei.

Um den Einlaß 14 richtig an dem unteren Rohrelement 2 anbringen zu können, ist eine rechteckige Ausnehmung 4 a im Kantenbereich der Platte 4 vorgesehen, wie aus Fig. 7 zu ersehen ist. Der Auslaß 15 hat die gleiche Gestaltung wie der Einlaß 14 und ist an dem ausgebauchten Abschnitt 7 des obersten Rohrelements 2 befestigt. In gleicher Weise wie der Einlaß 14 ist auch das Austrittsrohr 16 angebracht. Auf Grund dieser Ausbildung wird das Fluid gleichmäßig über die Breite der Rohrelemente 2 innerhalb des Innenteils 1 verteilt.

Die Stutzen 14 b und 15 b sind so ausgebildet, daß sie die Herstellung der Verbindung der Eintritts- bzw. Austrittsrohre 13, 16 zu den Einlässen bzw. Auslässen 14, 15 in der Weise erleichtern, daß ausreichender Abstand zu dem Innenteil 1 des Wärmeaustauschers gegeben ist. Dieser Abstand schützt den Innenteil 1 gegen die beim Löten oder Schweißen auftretende Hitzebelastung.

Um die Wirksamkeit des Wärmeaustauschs zu verbessern, sind in den Flachrohren 8 in Durchströmrichtung verlaufende Innenrippen 19 vorgesehen, die beispielsweise als Mehrfacheintrittstypen ausgebildet sind. Auf Grund solcher Innenrippen 19 hat die Heißluft einen besseren Kontakt zu dem Fluid als sonst, wodurch die Wirkung des Wärmeaustausches verbessert wird.

Wie Fig. 5 zeigt, sind die Innenrippen 19 durch Formung einer Blechplatte in Zick-Zack-Form entstanden, so daß Vorsprünge 19 a und Ausnehmungen 19 b gebildet werden, die jeweils die gleiche Breite W₁ bzw. W₂ haben und sich abwechseln. Beide Seitenwandungen jedes Vorsprungs 19 a haben unebene Oberflächen mit konvexen Abschnitten 20, 20 a und konkaven Abschnitten 20 b, die sich jeweils in der Weise abwechseln, daß jedem konvexen Abschnitt 20 a in konkaver Abschnitt 20 b des benachbarten Vorsprungs 19 a gegenüberstehen. Um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten, ist es erforderlich, den Rippenabstand fp im Bereich zwischen 3 bis 6 mm zu halten. Ist der Abstand größer als 6 mm, so tritt nicht mehr die Wirkung einer Vergrößerung des Wärmeaustauschs ein. Sofern der Rippenabstand geringer als 3 mm ist, wird der Druckverlust im Fluidweg so groß, daß die Fluidtemperatur bis zur Umgebungstemperatur ansteigt, wodurch die Wärmeaustauschwirkung vermindert wird. In Fig. 5 bedeutet die Angabe S den Abstand zwischen der Oberfläche eines konvexen Abschnittes 20 a und dem Boden eines konkaven Abschnittes 20 b. Vorzugsweise sollte die Distanz S im Bereich zwischen 1/6 bis 2/6 des Rippenabstandes fp liegen.

Fig. 6 zeigt Vergleichsdaten für das Verhältnis zwischen der Wärmeaustauschrate und dem Rippenabstand fp. Die Daten wurden durch Überprüfen von gestapelten Plattenverdampfern für Automobil-Klimaanlagen erhalten. Einer der Verdampfer hatte Innenrippen des Mehrfacheintrittstyps, während der andere einfach durch Falten einer Platte in Zick-Zack-Form hergestellt war. Die Graphik P zeigt die charakteristische Kurve für den erstgenannten Typ, während die Graphik Q die des letztgenannten beschreibt. Eine Wärmeaustauschrate von 100% ist für den Wert α angenommen worden, der bei einem Rippenabstand fp von 4 mm erreicht wird. Auch alle anderen Werte sind wie der Referenzwert α ermittelt worden. Fig. 6 macht deutlich, daß der Mehrfacheintrittstyp grundsätzlich höhere Wärmeübertragungsraten garantiert als der Einfacheintrittstyp. Ist der Rippenabstand fp jedoch geringer als 3 mm, so ist die Wärmeübertragungsrate auf Grund des sich dann vergrößernden Druckverlustes wesentlich herabgesetzt. Entsprechendes tritt ein, wenn der Rippenabstand fp größer als 6 mm wird, was durch die geringere Wärmeübertragungsfläche bedingt ist. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß der Mehrfacheintrittstyp erstaunlich hohe Wärmeübertragungsraten verspricht, wenn der Rippenabstand zwischen 3 bis 6 mm liegt.

Die Innenrippen 19 eines solchen Mehrfacheintrittstyps sind in den Flachrohren 8 vorgesehen, wobei die Ausnehmungen 19 b in der Verbindungsrichtung zwischen beiden ausgebauchten Abschnitten 7 jedes Rohrelements 2 angeordnet sind. Um diese Ausbildung zu vereinfachen, sind die Flachrohre 8 wie folgt ausgebildet:

Fig. 4 zeigt, daß das Flachrohr 8 eine größere Breite hat als die ausgebauchten Abschnitte 7. Auf diese Weise hat jedes Rohrelement 2 Schulterabschnitte 2 c an allen vier Ecken, wobei die Innenrippeneinheit 19 durch Anlage an jedem Schulterabschnitt 2 c in jeder Ecke des Rohrelements 2 gehalten wird und darin gesichert ist.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Rohrelemente 2 und die gebogenen Rippen 3 horizontal angeordnet, so daß man allgemein von einem horizontal gestapelten Wärmeaustauscher sprechen kann. Die vorbeschriebene Anordnung kann aber auch entsprechend bei einem vertikal gestapelten Wärmeaustauscher vorgesehen werden.

Claims (6)

1. Wärmeaustauscher mit einem einen Einlaß und einen Auslaß aufweisenden Innenteil und einem Fluidweg für ein Kühlmedium, der derart Zick-Zack-förmig ausgebildet ist, daß das Kühlmedium den Innenteil zumindest dreimal durchläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidweg (6) eine zwischen Ein- und Auslaß (14, 15) zunehmend größer werdende Querschnittsfläche aufweist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidweg (6) aus übereinandergestapelten, ebenen Rohrelementen (2) besteht und daß gewellte Rippen (3) vorgesehen sind, wobei die Rohrelemente (2) und die Rippen (3) abwechselnd in gestapelter Form übereinandergelegt sind und die Rohrelemente (2) an ihren gegenüberliegenden Enden ausgebauchte Abschnitte (7) aufweisen, die jeweils über Flachrohre (8) miteinander in Verbindung stehen, und daß die Flachrohre (8) Innenrippen (19) aufweisen.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrippen (19) einen Rippenabstand (fp) zwischen 3 bis 6 mm haben.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrippen (19) in Querrichtung abwechselnd vor- und zurückspringende Abschnitte (20 a, 20 b) aufweisen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein vorspringender Abschnitt (20 a) bei einer Innenrippe (19) einem zurückspringenden Abschnitt (20 b) bei der jeweils benachbarten Innenrippe gegenübersteht.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der vorspringenden Abschnitte (20 a) gegenüber dem Boden der zurückspringenden Abschnitte (20 b) 1/6 bis 2/6 des Rippenabstandes (fp) beträgt.