DE3821358A1 - Waermetauscher mit laengs einer waermetauscherachse aufeinanderfolgend angeordneten flachen waermespeichern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Zur Erreichung hoher Energiedichten bei Nutztemperatur werden zunehmend sogenannte Latentwärmespeicher eingesetzt, die die Aggregatzustandsänderung verschiedener Stoffe bei Temperaturänderungen ausnutzen. Wesentlich für die Entladung bzw. Ladung der Wär­ mespeicher ist ein guter Wärmeaustausch zwischen den Wärmespeichermassen einerseits und dem strömenden Wärmeträgermedium andererseits. Diesbezüglich verhält sich die aus der DE-OS 30 00 177, F 28 F 3/00, bekannte Wärmetauscherkonstruktion günstig, bei der zwischen den flach ausgebildeten Wärmespeichern ebenfalls flach ausgebildete, sich an die Stirnflächen der Wärmespeicher anschmiegende Teilwärmetauscher Einsatz finden. Diese bestehen im Prinzip aus drei Blechen, die paarweise jeweils einen quer zur Achse der Anordnung verlaufenden Strömungsweg für das Wärmeträgermedium bilden; die bei­ den Strömungswege jedes dieser Wärmetauscherelemente sind mit individuellen Zu- und Abläufen für das Wärmeträgermedium versehen.

Bei dieser bekannten Wärmetauscherkonstruktion sind die beschriebenen Wärmetauscher­ elemente unterschiedlichen Strömungskreisläufen für gegebenenfalls unterschiedliche Wärmeträgermedien zugeordnet. Das bedeutet, daß jeder dieser Strömungskreisläufe nur längs einer Stirnfläche mit einem der Wärmespeicher in wärmeübertragender Verbindung steht.

Grundsätzlich wäre es möglich, durch äußere Verbindungen zwischen den einzelnen Strömungswegen der verschiedenen Wärmetauscherelemente diese gleichsam in Reihe zu schalten und damit eine Vervielfachung der Wärmeübergangsflächen zwischen dem Wärmeträgermedium einerseits und den Wärmespeichern andererseits zu schaffen, je­ doch wäre eine derartige Anordnung aufwendig und störanfällig.

Zum Stand der Technik gehört auch eine aus dem GM 78 33 776, F 28 D 9/00, bekannte reine Wärmetauscherkonstruktion, bei der in einem Gehäuse stapelartig doppelwandige, von einer wärmetauschenden Flüssigkeit durchströmte Plattenelemente angeordnet sind; das Gehäuse wird quer zu diesem Stapel von einem zweiten Wärmeträgermedium durch­ strömt. Abgesehen davon, daß dieser Wärmetauscher in Abweichung von der Erfindung keine Wärmespeicher enthält, durchsetzt auch hier das das Gehäuse durchströmende Wärmeträgermedium nur einmal wärmeaustauschend einen Ringraum zwischen einander benachbarten Wärmetauscherelementen, so daß der Wirkungsgrad begrenzt ist. Darauf hinzuweisen ist, daß bei dieser bekannten Konstruktion die Wärmetauscherelemente durch eine aus Tellerfedern bestehende Druckfederanordnung im Gehäuse zusammen­ gehalten werden.

Schließlich sei zur Abrundung des Stands der Technik noch auf den Lamellen-Wärmeaus­ tauscher nach der DE-OS 32 12 974, F 28 F 3/12, hingewiesen, der im Prinzip wiederum durch drei an ihren Rändern dicht miteinander verbundene profilierte Bleche gebildet ist, die paarweise Strömungskanäle einschließen und über Kanäle in einem durch ein zu­ sätzliches kompliziertes Teil gebildeten Nabenbereich mit einer Zuström- bzw. Abström­ öffnung in Verbindung stehen; im Bereich ihrer äußeren Ränder sind die beiden Strö­ mungskanäle miteinander verbunden, so daß sie in entgegengesetzten radialen Richtun­ gen durchströmt werden. Abgesehen davon, daß auch dieser Konstruktion ein Wärme­ speicher fehlt und es sich um einen selbständigen Plattenwärmetauscher handelt, ist diese Konstruktion infolge ihres komplizierten Aufbaus für den bevorzugten Einsatzfall des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, nämlich bei Heiz- bzw. Kühleinrichtungen für Kraftfahrzeuge, nicht verwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, also mit Wärmespeichern und Wärmetauscherelementen in stapelar­ tiger Anordnung, zu schaffen, der bei robuster und fertigungstechnisch einfacher Ausbil­ dung gleichsam durch Reihenschaltung der verschiedenen Wärmespeicher im Strömungs­ weg des Wärmeträgermediums für einen optimalen Wärmeaustausch zwischen den Wärme­ speichern und dem Wärmeträgermedium sorgt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteran­ sprüche.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Wärmetauscherelemen­ te in einfacher Weise gleichsam als profilierte Strömungsumlenkplatten ausgebildet sind, so daß sie bei einfacher Herstellung Strömungswege erzwingen, die einen großen Wär­ meübergangsweg des strömenden Wärmeträgermediums an den Oberflächen der Wärme­ speicher sicherstellen. Darüberhinaus bietet die Erfindung die Möglichkeit, je nach Be­ darf unterschiedliche Anzahlen von Wärmespeichern und damit auch Wärmetauscherele­ menten in einem Gehäuse anzuordnen, wodurch die Dynamik des Wärmetauschers beein­ flußt werden kann. Wird eine sehr schnelle Entladung mit kurzzeitig hohen Wärmeströ­ men verlangt, so wird die gespeicherte Wärmemenge vorwiegend im erhitzten Wärmeträ­ germedium vorgehalten. Die Anzahl der Wärmespeicher wird dann gerade so groß gehal­ ten, daß die Abkühlverluste des Wärmeträgermediums im Gehäuse während der vorgesehe­ nen Speicherzeit ausgeglichen werden. In diesem Fall wird als Speichermedium praktisch ausschließlich das Wärmeträgermedium im Gehäuse ausgenutzt. Hier geht es also primär um die Gewinnung eines großen Speicherraums für das Wärmeträgermedium im Gehäuse.

Soll andererseits in dem Wärmetauscher eine möglichst hohe Energiedichte gespeichert werden, so muß der gesamte vom Gehäuse umschlossene Speicherraum möglichst voll­ ständig von Wärmespeichern, also beispielsweise Latentspeichern, ausgefüllt werden. Der Anteil des Wärmeträgermediums im Gehäuse reduziert sich dann auf das verblei­ bende Durchströmungsvolumen. Hat beim Entladen des Speichers die ursprünglich im Gehäuse enthaltene geringe Menge des Wärmeträgermediums das Gehäuse verlassen, so strömt dem Gehäuse aus dem kalten Leitungssystem Wärmeträgermedium zu, das Wärme aus den Wärmespeichern entnimmt. Gegenüber dem zuerst beschriebenen Fall ist die bis zum Austritt aus dem Wärmetauscher eintretende Erwärmung des Wärmeträgermediums geringer, was auf das für den Wärmetausch erforderliche Temperaturgefälle zurückzu­ führen ist. In diesem Falle liefert der Wärmetauscher wegen der hohen Energiedichte insgesamt eine größere Wärmemenge, jedoch auf einem niedrigeren Temperaturniveau und bei niedrigerer Wärmestromdichte über einen längeren Zeitraum als im zuvor be­ schriebenen Falle.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den gesamten Wärmetauscher,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Wärmetauscherelement, Fig. 3 die in Fig. 2 bei III-III angedeutete Schnittansicht, Fig. 4 eine Draufsicht auf den Deckel,

die Fig. 5 und 6 die in Fig. 4 mit V-V und VI-VI bezeichneten Schnittan­ sichten,

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Wärmespeicher,

Fig. 8 den in Fig. 7 bei VIII-VIII angedeuteten Mittelschnitt,

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform des Wärmetauscher­ elements und

die Fig. 10 und 11 die in Fig. 9 bei X-X und XI-XI angedeuteten Schnitt­ ansichten.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so erkennt man das wärmeisolierend ausgebildete Ge­ häuse 1 mit dem Zulaufstutzen 2 und dem Ablaufstutzen 3 für ein flüssiges Wärmeträ­ germedium. An dieser Stelle sei eingefügt, daß sich die in Fig. 1 eingezeichneten Strö­ mungsrichtungspfeile auf den Fall der Entladung der noch zu beschreibenden Wärmespei­ cher beziehen, während es zum Laden derselben auch möglich ist, ein Wärmeträgermedi­ um in umgkehrter Richtung das Gehäuse 1 durchströmen zu lassen.

Im in Fig. 1 unteren Bereich des Gehäuses 1 erkennt man in diesem Ausführungsbei­ spiel vier flach ausgeführte Wärmespeicher, die, da sie identisch ausgebildet sind, alle das Bezugszeichen 4 tragen. Zwischen diesen stapelartig nebeneinander längs der Wär­ metauscherachse 5 angeordneten Wärmespeichern 4 befinden sich ebenfalls identisch ausgebildete Wärmetauscherelemente in Gestalt von Profilplatten 6. Der so gebildete Stapel wird abgedeckt durch den Deckel 7, der mit seinem domartigen zentralen Be­ reich 8 eine Stütze bzw. Halterung für die Druckfeder 34 bildet, die den aus den be­ schriebenen Teilen gebildeten Stapel unter Zulassung thermischer Ausdehnungseffekte zwischen ihrem in Fig. 1 unteren Ende und einer Auflage im Gehäuse 1 federnd zu­ sammenspannt.

In Fig. 1 sind auch die Strömungswege des flüssigen Wärmeträgermediums durch Pfei­ le angedeutet. Im einzelnen verlaufen die Strömungswege oder -kanäle zwischen den Wärmespeichern 4 so, daß in durch die Profilplatten 6 gebildete, senkrecht zu der Zei­ chenebene verlaufende Strömungskanäle vom Rand, das heißt vom Wandbereich des Ge­ häuses 1 her, Wärmeträgermedium in Richtung nach innen, das heißt in Richtung auf die Achse 5, strömt, wo die Profilplatten 6 eine zentrale Öffnung besitzen, durch die das Wärmeträgermedium dann im Sinne der horizontalen Pfeile in Fig. 1 durch in der Zei­ chenebene dieser Figur verlaufende weitere Kanäle oder Strömungswege wieder in Rich­ tung nach außen strömt. Während der nach innen auf die Achse 5 gerichteten Strömung erfolgt also ein guter Wärmeübergang aus dem jeweils unteren der Wärmespeicher 4, während das Wärmeträgermedium nach Durchsetzen der zentralen Öffnung in der jewei­ ligen Profilplatte 6 an der unteren Stirnfläche des jeweils oberen Wärmespeichers Wärme aufnehmend entlangströmt.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß verständlicherweise der erfinndungsgemäße Wärme­ tauscher auch zur Kühlung eines Wärmeträgermediums eingesetzt werden kann, das dann im Vorbeiströmen an den Wärmespeichern 4 an diese Wärmeenergie abgibt, das heißt ab­ gekühlt wird.

Bei dieser Beschreibung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 wurde auch vorausge­ setzt, daß die Wärmespeicherelemente 4 zuvor aufgeladen, das heißt durch Wärmeüber­ tragung aus einem heißen Wärmeträgermedium aufgeheizt, worden sind.

Wie ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich, erfolgt nicht nur in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Wärmespeicherelementen 4, sondern auch oberhalb des Deckels 7 eine im wesentlichen horizontale Strömung des durch Kontakt mit den Wärmespeicherelementen 4 aufgeheizten Wärmeträgermediums infolge der Tatsache, daß Abströmöffnungen 9 im Dom 8 horizontal weisend vorgesehen sind. Durch die Strömung wird demgemäß die tem­ peraturabhängige Schichtung des Wärmeträgermediums innerhalb des Gehäuses 1 nicht beeinträchtigt.

In den weiteren Figuren sind nun wichtige Einzelteile dieser Anordnung im einzelnen dargestellt.

Betrachtet man zunächst die Fig. 2 und 3, die eine erste Ausbildung der Profilplat­ ten 6 zeigen, so erkennt man durch radial verlaufende Sicken oder Ausprägungen gebil­ dete, in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander verlaufende Strömungskanäle 10 und 11 auf der in dieser Darstellung oberen Stirnseite bzw. 12 und 13 auf der in dieser Darstellung unteren Stirnseite der Profilplatte 6. Da die Profilplatten 6 mit ih­ ren Rändern dicht an die Innenwand des Gehäuses 1 anstoßen, hat die in Fig. 1 von unten kommende Strömung des Wärmeträgermediums nur die Möglichkeit, durch noch zu beschreibende Strömungskanäle am Rande der Wärmespeicherelemente 4 in Fig. 1 nach oben bis in den Bereich der unteren Strömungskanäle 12 und 13 der jeweiligen Profil­ platte 6 zu steigen und dann entlang diesen Kanälen radial nach innen auf die Öffnung 14 hin zu strömen. Von dort aus strömt das Wärmeträgermedium durch die Strömungs­ kanäle 10 und 11 wieder radial nach außen, von wo es dann wiederum durch zwischen den Speicherelementen 4 einerseits und der Wandfläche des Gehäuses 1 andererseits vorgesehene senkrechte Strömungswege weiter nach oben strömt.

In dem in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Profilplatten 6 ist durch eine Art doppelte Wölbung dafür gesorgt, daß auch oberhalb der Strömungskanäle 12 und 13 ein parallel dazu verlaufender Strömungskanal 15 vorhanden ist. Wie also bereits die­ se Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels zeigt, läßt die Erfindung für die Ge­ staltung der Profilplatten im einzelnen viel Freiraum. Die Platten müssen lediglich so ausgebildet sein, daß sie die Strömung des Wärmeträgermediums zwischen den einander jeweils benachbarten Wärmespeicherelementen mit möglichst geringem Strömungswider­ stand parallel zu den Oberflächen dieser Elemente über einen möglichst langen Kontakt­ weg ermöglichen bzw. erzwingen.

Entsprechendes gilt hinsichtlich der Ausbildung des Deckels 7, die im folgenden anhand der Fig. 4, 5 und 6 erläutert wird. Auch dieser Deckel reicht mit seinem Rand bis an die Innenfläche des Gehäuses 1 heran. Das Wärmeträgermedium wird daher gezwun­ gen, in bezüglich Fig. 1 unteren Strömungskanälen 20, 21, 22 und 23 in Richtung auf den domartigen zentralen Bereich 8 mit seinen horizontal gerichteten Ausströmöffnun­ gen 9 zu strömen.

Während also zwischen den Rändern der bisher im einzelnen beschriebenen Teile 6 und 7 einerseits und den Innenflächen des Gehäuses 1 andererseits keine eine Strömung zu­ fassende Spalte vorhanden sind, zeigt die Darstellung der Wärmespeicher 4 in den Fi­ guren 7 und 8, daß die Ränder derselben mit in diesem Ausführungsbeispiel vier Kerben oder Ausnehmungen 30 zur Bildung von Strömungskanälen parallel zur Achse 5 der ge­ samten Anordnung versehen sind. Hier und nur hier wird dem Wärmeträgermedium inner­ halb des beschriebenen Stapels also die Möglichkeit zum Strömen längs der Gehäusewand nach oben (bezogen auf Fig. 1) gegeben.

Im einzelnen bestehen die Wärmespeicher 4 aus zwei an ihren Rändern beispielsweise rollnahtgeschweißten, topfähnlichen vorgeformten Blechen 31 und 32, von denen eines ursprünglich eine Öffnung aufweist, die nach dem Einfüllen des Wärmespeichermaterials mittels eines Stopfens 33 verschlossen ist.

Die anhand der Fig. 2 bis 8 beschriebenen Teile werden also gleichsam lose in das Gehäuse 1 vor dem Verschließen desselben eingelegt und mittels der Druckfeder 34 fe­ dernd zusammengehalten.

Wie bereits angedeutet, ist ein Vorteil der Erfindung darin zu sehen, daß sie hinsicht­ lich der konstruktiven Gestaltung der einzelnen Bestandteile weitgehende Freiheit läßt. So zeigen die Fig. 9, 10 und 11 eine andere Ausführungsform der in Fig. 1 mit 6 bezeichneten Profilplatten. In den Fig. 9, 10 und 11 trägt die Profilplatte das Be­ zugszeichen 40. Die Strömungskanäle an ihren beiden Stirnseiten werden hier nicht durch stegähnliche, radial verlaufende Ausbiegungen gewonnen, sondern nach entgegen­ gesetzten Seiten weisende örtliche oder punktförmige Ausdrückungen 41. Auch in die­ ser Profilplatte 40 findet sich eine zentrale Öffnung 42 zum Übergang des Wärmeträ­ germediums von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite der Profilplatte 40 unter Umkehr der Strömungsrichtung.

Mit der Erfindung ist also ein Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs geschaffen, der bei einem hohen Wirkungsgrad eine Anpassung an die jeweils vorliegen­ den Anforderungen durch Änderung der Zahl der Wärmespeicher ermöglicht, und der darüberhinaus fertigungsfreundlich und auch für den Einsatz im rauhen Betrieb geeig­ net ist.

Claims (3)

1. Wärmetauscher mit längs einer Wärmetauscherachse aufeinanderfolgend angeordneten flachen Wärmespeichern sowie zwischen aufeinanderfolgenden Wärmespeichern in beidseitigem Wärmekontakt mit diesen angeordneten, quer zur Achse von einem Wär­ meträgermedium durchströmten flachen Wärmetauscherelementen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmespeicher (4) nebst den Wärmetauscherelementen (6) stapelar­ tig von einem gemeinsamen wärmeisolierend ausgebildeten Gehäuse (1) aufgenommen sind, das im Bereich seiner axialen Enden mit Zu- bzw. Ablauf (2, 3) für das Wärme­ trägermedium versehen ist, und daß die Wärmetauscherelemente durch jeweils eine Profilplatte (6) gebildet sind, die auf ihren beiden Stirnseiten sich in einem mittle­ ren nabenartigen Plattenbereich kreuzende, dort in Strömungsverbindung (14) ste­ hende rinnenartige Strömungskanäle (10, 11, 12, 13) für das Wärmeträgermedium bil­ det, wobei ferner zwischen den Rändern der Wärmespeicher (4) und dem Gehäuse (1), nicht aber zwischen diesem (1) und den Rändern der Profilplatten (6) achsparallele Strömungswege (30) für das Wärmeträgermedium vorgesehen sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Wärme­ speicher (4) und die Profilplatten (6) gebildete Stapel durch zumindest eine Druckfe­ der (34) im Gehäuse (1) zusammengehalten ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel abström­ seitig einen Deckel in Gestalt einer weiteren Profilplatte (7) mit einem domartigen, mit parallel zur Platte (7) gerichteten Ausstromöffnungen (9) versehenen, von einem Ende der Druckfeder (34) umschlungenen mittleren Bereich (8) trägt.