-
Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher
werden üblicherweise
bei der Klimatisierung und den Kühlsystemen
verwendet, um Wärme
zwischen einem Kühlmittel
und Luft auszutauschen, wenn die beiden Fluide durch den Wärmetauscher
strömen.
Generell gilt: Je höher
die Luftströmungsrate
durch den Wärmetauscher
ist, desto besser ist die Wärmeübertragsleistung
des Wärmetauschers.
Der typische Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher,
der bei einem Klimatisierungs- oder Kühlsystem verwendet wird, ist
von dem Typ mit Rippen und Rohr. In einem Rippen- und Rohr-Wärmetauscher
strömt
das Kühlmittel
durch einen geschlossenen Strömungsweg
in einer Anordnung von Rohren in dem Wärmetauscher. Luft strömt über das Äußere der
Rohre. Es gibt eine Mehrzahl von Rippen, die von der äußeren Oberfläche der Rohre
weg ragen, um die Oberfläche
zu erhöhen
und somit die Wärmeübertragsleistung
des Rohrs zu erhöhen.
Bei ansonsten gleichen Variablen muss eine bestimmte minimale Luftströmung durch
einen Wärmetauscher
mit einer vorgegebenen Kühlmittel-Luftwärmeübertragsfläche für das System
vorhanden sein, damit der Tauscher sich als in der Lage zeigt, mit
seiner vorgegebenen Kapazität
zu arbeiten.
-
Konstrukteure
von Klimatisierungssystemen bemühen
sich konstant darum, ihre Produkte zu verbessern. Ein übliches
Konstruktionsziel ist es, die maximal mögliche Kühl- oder Heizleistung innerhalb der
kleinstmöglichen
Einhüllenden
oder innerhalb des kleinsten zur Verfügung stehenden Raums zu liefern.
Fast unausweichlich führen
Konstruktionsänderungen,
die ein Merkmal eines Systems verbessern, zu Problemen bei einem
anderen. Beispielsweise kann es sein, dass ein Konstrukteur eines
Wärmetauschers
es als wünschenswert
empfindet, das Gesamtvolumen und die Stirnfläche eines Wärmetauschers zu verringern
und dabei die Wärmetauscherfläche beizubehalten,
die erforderlich ist, um die gewünschte
Kapazität
zu erzielen, indem er die Rohre des Wärmetauschers in mehreren Reihen
anordnet. Mit der Zunahme der Rohrreihen nimmt auch der Widerstand
gegen die Luftströmung
durch den Wärmetauscher
zu. Somit macht die Erhöhung
der Anzahl von Rohrreihen, durch welche die Luft in einem Wärmetauscher
strömen
muss, die Aufgabe des Konstrukteurs des Luftbewegungsteils des System schwieriger,
da dieser Konstrukteur eine Bläseranordnung
bereitstellen muss, die die erforderliche Luftströmungsrate
durch den Wärmetauscher
liefert. Ein Luftströmungswiderstand
kann auch durch Änderungen
in dem Fluidweg verursacht werden, den die Luftströmung nehmen
muss.
-
Um
den Druckverlust durch einen mehrrohrreihigen Wärmetauscher zu überwinden,
muss der Bläser,
der die Luft durch den Wärmetauscher
bewegt, einen relativ hohen Differenzdruck der durch ihn strömenden Luft
erzeugen. Reine Axialströmungsbläser sind
generell nicht in der Lage, den erwünschten Differenzialdruck ohne
ernsthafte Einbußen
der Leistung zu erzeugen. Beispielsweise gibt es, wenn ein Axialströmungsbläser mit
einer relativ schmalen Nabe und langen Schaufeln bei einer derartigen
Anwendung verwendet wird, große
Verluste am Umfang des Überstreichungsbereiches
des Bläserlaufrads.
Diese Verluste kann man vermeiden, indem man einen Axialströmungsbläser mit
einer relativ langen Nabe und kurzen Schaufeln verwendet, aber dann
ist die Verteilung der Luftströmung über den
Wärmetauscher
nicht optimal, und die thermische Systemleistung leidet. Manche
der mit dem Erzeugen von hohen Differenzdrücken einhergehenden Verluste
bei einem Axialströmungsbläser können verringert
werden, indem man das Spiel zwischen den Spitzen des Bläserlaufrads
und der den Kranz definierenden umgebenden Oberfläche sehr
schmal macht. Das Erzielen des erforderlichen schmalen Spalts bei
einem typischen Herstellungs- und Montagearbeitsablauf kann schwierig
und aufwändig
sein, und der Konstrukteur muss Schritte unternehmen, um sicherzustellen,
dass das Spiel über
die gesamte Lebensdauer des Systems mit wenig oder ohne Erwartung
beibehalten werden kann.
-
Ein
Mischströmungsbläser kombiniert
in einem einzigen Bläser
die Strömungseigenschaften von
sowohl Axialströmungsbläsern als
auch Zentrifugalströmungsbläsern. Bei
einem solchen Bläser
vermittelt ein Teil einer vorgegebenen Bläserschaufel der durch das Laufrad
strömenden
Luft eine axiale Bewegung, während
ein anderer Teil der Schaufel eine zentrifugale Bewegung vermittelt.
Ein solcher Bläser
ist in der Lage, relativ hohe Differenzdrücke zu er zeugen, wenn er mit
einem relativ hohen strömungsabwärtigen Strömungswiderstand
arbeitet, und hat deshalb relativ hohe Luftströmungsraten, verglichen beispielsweise
mit lediglich einem Axialströmungsbläser, der
in einer ähnlichen
Umgebung arbeitet. Mischströmungsbläser des
Stands der Technik haben typischerweise Laufradnabenformen, welche
den Übergang
in der in den Bläser
gelangenden und durch diesen strömenden
Luft von einer Axialrichtung in eine Radialrichtung fördern. Diese
Nabenformen nehmen generell durchmessermäßig in einer Richtung von strömungsaufwärts nach
strömungsabwärts zu.
Derartige Naben zeigen jedoch Herstellungsprobleme besonders dann,
wenn ein Bläserlaufrad
in einem Formgebungsverfahren aus Kunststoff hergestellt werden
soll. Die Leistung eines Mischströmungsbläsers ist weniger empfindlich
auf ein Spiel zwischen der Laufradschaufelspitze und dem Kranz als
ein Axialströmungsbläser.
-
Benötigt wird
ein Bläser
gemeinsam mit einem Wärmetauscher
mit einem relativ hohen Luftströmungswiderstand,
wo der Bläser
effizient die benötigte
Luftströmung
durch den Wärmetauscher
erzeugen kann. Die Konfiguration des Bläserlaufrads sollte derart sein,
dass das Laufrad durch einen Formgebungsschritt hergestellt werden
kann.
-
Es
ist ein Ziel der Erfindung, einen höheren statischen Druck zu liefern.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Bläser zu liefern, der für einen
Betrieb in einem beschränkten
Raum geeignet ist.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die beste Verwendung von dem
verfügbaren
beschränkten
Raum zu machen, wie bei bestehenden Axialbläseranwendungen.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen modifizierten Axialbläser bereitzustellen,
der zur Verwendung in Kombination mit einem hohen strömungsabwärtigen Widerstand
geeignet ist. Diese Ziele werden durch die vorliegende Erfindung
in ihren beschriebenen Ausführungsformen
bewirkt.
-
US-A-4
460 312 beschreibt eine Anordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs
von Anspruch 1.
-
Gemäß der Erfindung
wird eine Anordnung gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
-
Die
Erfindung ist generell auf Klimatisierungs- und Kühlsysteme
anwendbar. Insbesondere betrifft die Erfindung die Konfiguration
und die Anordnung eines mit einem Kranz versehenen Luftförderbläsers und
eines Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers, der eine erhöhte Luftströmung durch
den Wärmetauscher
und somit einen verbesserten Wärmeübertrag fördert. Die
Erfindung ist auch anwendbar für
die Verwendung in Maschinen-Kühlsystemen
und ähnlichen Anwendungen.
Eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist eine Bläser- und -Wärmetauscher-Anordnung auf,
bei der der Wärmetauscher
einen relativ hohen Luftströmungswiderstand
erzeugt. Der Bläser
ist von dem Mischströmungstyp,
der sowohl Axialluftströmung
als auch Radialluftströmung durch
diesen erzeugt. Die Anordnung weist eine Laufrad und einen stationären Kranz
auf, der die Luftströmung
durch das Bläserlaufrad
führt und
in Richtung zur strömungsaufwärtigen Fläche des
Wärmetauschers
dreht, wo der Wärmetauscher
strömungsabwärts positioniert
ist. Bei einer anderen Ausführungsform
ist der Wärmetauscher
strömungsauwärts von
dem Bläser
angeordnet, und es gibt eine Strömungsblockage
strömungsabwärts des
Bläsers,
beispielsweise einen Triebwerkblock oder eine Wand, wobei der Bläser Luft
durch den Wärmetauscher saugt
und zumindest eine zum Teil radiale Abgabe erzeugt, um Strömungsenergieverluste
zu verringern, die durch das Aufprallen auf das strömungsabwärtige Strömungshindernis
bewirkt werden. Um eine substanzielle Einsparung bei der Konstruktion zu
erzielen, ist die traditionelle Axialbläseröffnung oder der Kranz verkürzt, und
die Schaufeln des Laufrads sind radial in den Teil strömungsabwärts von
der Bläseröffnung oder
dem Kranz verlängert.
Man sollte erkennen, dass, wenn der strömungsabwärtige Widerstand gering ist,
die Strömungsrichtung
hauptsächlich
axial ist und dass dieser Zustand ungeeignet ist, um die Vorteile
der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Wenn jedoch der strömungsabwärtige Widerstand
hoch ist oder im Wesentlichen blockiert ist, so dass die Strömung gezwungen
ist, radial auszuweichen, hat die Strömung in der Nähe der Spitzen
der Schaufeln größere radiale
Kom ponenten, wobei die Schaufeln so wie die Schaufeln eines Zentrifugalverdichters
arbeiten und einen höheren
statischen Druck erzeugen, um mehr Strömung durch den strömungsabwärtigen Widerstand
zu bekommen und/oder um die Strömung
radial zu richten. Außerdem
gibt es wegen der Radialkomponente verringerte Strömungsenergieverluste,
die durch das Aufprallen im Fall eines strömungsabwärtigen Hindernisses verursacht
werden. Der scheinbare Massivitätsfaktor (blade
apparent solidity) des Laufrads ist kleiner als Eins, und anders
als bei vielen Mischströmungsbläsern des
Stands der Technik ist die Laufradnabe generell von zylinderförmiger Gestalt,
wobei beide Merkmale die einstückige
Herstellung des Laufrads unter Verwendung eines Formgebungsverfahrens
erleichtern.
-
1 ist
eine zum Teil weggeschnittene bildliche Darstellung eines Teils
einer Kompakt-Klimatisiereinheit (PTAC – packaged terminal air conditioner),
die den Bläser
der vorliegenden Erfindung verwendet;
-
2 ist
eine Draufsicht auf die Struktur von 1;
-
3 ist
eine zum Teil geschnittene Ansicht der Bläser- und -Wärmetauscher-Anordnung der vorliegenden
Erfindung;
-
4 ist
eine der mit der 3 korrespondierende Ansicht,
welche eine Vorrichtung des Stands der Technik zeigt;
-
5 ist
eine mit 3 korrespondierende Ansicht
und zeigt eine Transport-Kühlanwendung; und
-
6 ist
eine Darstellung zur Unterstützung der
Definition des Begriffs "scheinbarer
Massivitätsfaktor".
-
Grundlegend
wird ein konventioneller Axialbläser
modifiziert durch das Verringern des Axialmaßes der Bläseröffnung oder des Kranzes und
durch Erhöhen
der Radialerstreckung der Schaufeln des Bläserlaufrads, die in dem Bereich
strömungsabwärts von
der Bläseröffnung oder
dem Kranz verlängert
sind.
-
In
den 1 bis 3 bezeichnet das Bezugszeichen 10 generell
eine Bläser- und -Wärmetauscher-Anordnung,
wie man sie beispielsweise in einer Kompakt-Klimatisiereinheit oder
PTAC-Einheit (packaged terminal air conditioner unit) findet. Die Anordnung 10 weist
einen Wärmetauscher 12,
einen stationären
Kranz oder Öffnungsring 14 der
Kondensatoröffnungsanordnung
und einen Bläser 16 auf. Der
Kranz oder Öffnungsring 14 ist
durch vorzugsweise integrale Abstützelemente 13 abgestützt. Der Wärmetauscher 12 hat
eine strömungsaufwärtige Fläche 12-1.
Der Bläser 16 weist
ein Laufrad 16-1, eine Nabe 16-2 und eine Mehrzahl
von Schaufeln 16-3 mit einem integralen Umschlingungsring 16-4 auf
und wird von einem Motor 18 um die Achse A–A angetrieben.
Vorzugsweise sind Laufrad 16-1, Nabe 16-2, Schaufeln 16-3 und
Umschlingungsring 16-4 aus Druckgusskunststoff und bilden
ein einteiliges Stück.
Wie in 3 am besten gezeigt, hat die Spitze 16-3a einer
jeden Schaufel 16-3 eine variierende radiale Erstreckung
und kann einen nach hinten gekrümmten
Austrittswinkel haben. Insbesondere sind die strömungsaufwärtigen oder Vorderkanten-Bereiche
der Schaufel 16-3 radial beabstandet von und innerhalb
einer Öffnung 14-1 in
dem Öffnungsring
oder dem stationären
Kranz 14 und definieren den Einlasskrümmungsradius des Laufrads 16-1.
Die Schaufeln 16-3 haben
ein vorstehendes Spitzenende oder einen Paddelstreifen 16-3a,
die axial von dem Öffnungsring
oder dem stationären
Kranz 14 beabstandet sind, die eine radiale Erstreckung
haben, die mindestens nominell gleich der der Öffnung 14-1 ist und die
den Auslasskrümmungsradius
des Laufrads 16-1 definieren. Das erhöhte radiale Ausmaß der Paddelstreifen 16-3a kann
in der Größenordnung
von 0,2 Inch sein, wobei der äußere Durchmesser
des Umschlingungsrings 16-4 das normale maximale äußere Radialmaß der Paddelstreifen 16-3a definiert.
Sowohl die verringerte axiale Erstreckung des Öffnungsrings 14 als
auch das Vorsehen der Paddelstreifen 16-3a sind erforderlich,
damit der Bläser 16 eine
Einsparung beim Ersetzen bei einer konventionellen Konstruktion
des Stands der Technik sein kann und dabei die Vorteile der vorliegenden
Erfindung erzielt.
-
Die
vorliegende Erfindung erkennt man am besten mit Bezugnahme auf 4,
welche eine Ansicht einer Vorrichtung des Stands der Technik korrespondie rend
mit 3 ist, und bei der korrespondierende Strukturelemente
mit um 100 erhöhten
Bezugszeichen bezeichnet sind. Beim Vergleichen der 3 und 4 erkennt
man leicht, dass der Öffnungsring
oder Kranz 14 ein geringeres axiales Maß als der Kranz 114 hat
und dass die Schaufeln 16-3 wegen des Vorhandenseins des
Paddelstreifens 16-3a eine größere radiale Erstreckung mit
ihrer größten radialen
Erstreckung strömungsabwärts des Kranzes
haben, während
die Schaufeln 16-3 ihre größte axiale Erstreckung radial
innerhalb der Öffnung 114-1 des
Kranzes 114 haben. Die Kombination dieser zwei Merkmale ändert die
Axialströmung
des Bläsers 116 zu
der Mischströmung
von Blässer 16, wobei
die Druckerhöhung
die Summe ist von der Strömungsprofilwirkung,
die man bei Axialbläsern vorfindet
plus der Zentrifugalwirkung, die sich aus der Radiusänderung
ergibt.
-
Es
wird auf 1 und 2 Bezug
genommen. Wie man durch die die Strömung anzeigenden Pfeile erkennt,
gibt es zwei Einlässe
oder Strömungswege,
die den Bläser 16 versorgen.
In der gezeigten PTAC-Einheit gelangt die Strömung von der linken Seite über den
Verdichter (nicht gezeigt) und kühlt diesen,
während
die Strömung
von der rechten Seite Umgebungsluft repräsentiert. Ein Wärmetauscher 12 befindet
sich strömungsabwärts des
Bläsers 16 und stellt
einen Strömungswiderstand
dar. Jedoch bewirkt der erhöhte
statische Druck infolge der Zentrifugalwirkung eine größere Strömung durch
den Wärmetauscher 12 als
es der Bläser 116 tun
würde,
wenn die Anwesenheit der Paddelstreifen 16-3a und das Verkürzen des
Axialmaßes
des Öffnungsrings 114 die
einzigen Unterschiede wären.
Angenommen, der Bläser 116 wäre konstruktionsmäßig adäquat, so
repräsentiert
die Verwendung des Bläsers 16 eine
zusätzliche
Kapazität,
die eine Zunahme beim Wärmetauscher 12 aufnehmen
könnte
und somit eine Zunahme der Systemkapazität zulassen könnte oder die
Verwendung eines kleineren Bläsers
erlauben würde.
-
Bei
der Bläser-
und -Wärmetauscher-Anordnung 10 in 1 bis 3 ist
der Wärmetauscher 12 ein
Strömungswiderstand,
aber es gibt eine Strömung
durch den Wärmetauscher 12,
erleichtert durch den erhöhten
statischen Druck. Beispielsweise bei Transport-Kühlsystemen ist die Kühleinheit
vollständig
außerhalb
des Trailers angeordnet, um so den Frachtraum zu maximieren, und
die Kühleinheit ist
so kompakt wie möglich
ausgeführt,
um deren Positionierung zwischen der Zugfahrzeugkabine und dem Trailer
zu erlauben und dabei das erforderliche Verschwenken des Zugfahrzeugs
zum Ausführen von
Kurven zuzulassen. Folglich kann die Konstruktion einen Bläser haben,
der Luft durch einen Wärmetauscher
saugt und gegen eine Wand abgibt, bevor sie in die Luftverteilungsstruktur
strömt.
Alternativ kann der Bläser
Luft durch den Radiator saugen und die Luft abgeben, so dass der
Motorblock relativ zur Axialströmung
ein Strömungshindernis
bildet. Die vorliegende Erfindung verringert die Menge an auf eine
Wand oder Ähnliches
aufprallende Luft, da die Zentrifugalkomponente eine Radialabgabe
ist. 5 zeigt die Anpassung der vorliegenden Erfindung
auf eine Transportkühlung,
und sie entspricht generell dem Modifizieren der 3 durch
das Positionieren des Wärmetauschers
oder Radiators 12 strömungsaufwärts von
dem Bläser 16 und
mit einer massiven Wand oder einem Motorblock 212, der
strömungsabwärts des
Bläsers 16 positioniert
ist. Weil es eine Axialkomponente des Bläserausstoßes gibt, trifft etwas von
der Luft auf den Motorblock oder die Wand 112, aber der
radial abgegebene Zentrifugalanteil wird ohne ein Auftreffen auf
den Motorblock oder die Wand 212 abgegeben.
-
Damit
das Laufrad 16-1 einstückig
durch ein Formgebungsverfahren hergestellt werden kann, ist es erforderlich,
dass die Nabe 16-2 generell zylinderförmig ist. Die Lehre des Stands
der Technik war, dass ein Mischströmungsbläser eine Laufradnabe mit einer
Form, beispielsweise konisch, hat, die den Übergang von Axialströmung zu
Radialströmung
fördert.
Eine Nabe 16-2, obwohl sie zylinderförmig ist, kann den gleichen
Effekt bewirken. In Betrieb gibt es eine Lage von separierter Luft
entlang der zylinderförmigen
Oberfläche
der Nabe. Die Dicke der separierten Strömungslage nimmt von strömungsauwärts nach
strömungsabwärts entlang
der Oberfläche
zu. Die sich verdickende Lage an der Nabe bewirkt ein Drehen der
einströmenden
Strömung
sehr ähnlich wie
eine Mischströmungslaufradnabe
des Stands der Technik. Die Lage aus abgelöster Strömung beeinflusst nicht signifikant
die Strömungsleistung
des Bläsers.
Das Herstellen des Laufrads 16-1 einstückig durch ein Formgebungsverfahren
erfordert auch, dass das Laufrad einen scheinbaren Massivitätsfaktor
von weniger als eins hat. 6 zeigt
zwei benachbarte Laufradschaufeln 16-3. Die Schaufeln sind mit
einem Anstellwinkel α gesetzt.
Der Schaufelabstand s ist der Ab stand zwischen zwei ähnlichen
Punkten an benachbarten Schaufeln. Schaufeln 16-3 haben
eine Profilsehnenlänge
c. Der Schaufelmassivitätsfaktor
(σ) ist
die Profilsehnenlänge
geteilt durch den Schaufelabstand, oder σ = c/s. Die scheinbare Profilsehnenlänge ist
c', wobei c' = c × sinα. Der scheinbare
Schaufelmassivitätsfaktor
(σ') ist die scheinbare
Profilsehnenlänge
geteilt durch den Schaufelabstand, oder σ' = c'/s.
Wenn der scheinbare Schaufelmassivitätsfaktor in einem Laufrad kleiner als
eins ist, gibt es keine Überlappung
der Schaufeln, was es möglich
macht, ein derartiges Laufrad einstückig zu formen.
-
Zum
Erzielen der optimalen Leistung muss der Bläser der vorliegenden Erfindung
gegen einen relativ hohen Ausströmrückdruck
arbeiten. Um das bei einer Strömung
durch eine Konfiguration zu erzielen, ist es erforderlich, dass
der Kanalteil des Kranzes im Wesentlichen sämtliche Bläserabgabeluft gegen die strömungsaufwärtige Fläche des
Wärmetauschers
lenkt und dass der Wärmetauscher
relativ nahe an dem strömungsabwärtigen Ende
des Bläserlaufrads
ist, d.h. der Abstand zwischen Laufrad und strömungsaufwärtiger Fläche in der Größenordnung von
zweimal dem maximalen Krümmungsradius
des Laufrads oder weniger ist. Um das bei einer Durchsauganordnung
mit einer blockierten oder ungelenkten Abgabeströmungskonfiguration zu erzielen,
sollte die Strömungsverteilungsstruktur
des Strömungswegs
derart sein, dass mindestens ein Teil der Strömung von dem Laufrad radial
nach außen
gelenkt wird.