DE69904923T2

DE69904923T2 - Elektrohydrodynamischer wärmetauscher

Info

Publication number: DE69904923T2
Application number: DE69904923T
Authority: DE
Inventors: F. Anderson; Macgregor Dewar
Original assignee: AlliedSignal Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: ES2189405T3; EP1066492A1; US6659172B1; WO1999051927A1; EP1066492B1; DE69904923D1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher, genauer gesagt auf einen Wärmetauscher, der elektrisch-hydrodynamisch verstärkt ist.
Bei einem konventionellen Wärmetauscher wird die Wärme von einem "warmen" Medium auf ein Kühlmittel übertragen und von diesem abgeleitet. Der konventionelle Wärmetauscher besteht aus Metall, das die Übertragung von Wärme vom warmen Medium auf das Kühlmittel erleichtert. In der US 5,183,106 wird ein Plattenwärmetauscher offenbart, der an den Rechtsnachfolger dieser Erfindung übertragen wurde.
Wärmetauscher können auch aus Verbundwerkstoffen gefertigt werden. Wir verweisen hier auf die US 5,628,363, in der ein Plattenwärmetauscher mit Kühlrippen beschrieben wird, welcher aus Kohleverbundwerkstoff gefertigt ist. Diese Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff erleichtern ebenfalls die Übertragung von Wärme vom warmen Medium auf das Kühlmittel. Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff haben jedoch eine geringere thermische Spannung und einen besseren Korrosionswiderstand als Wärmetauscher, die aus Metall gefertigt sind. Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff können auch leichter in komplexer Bauweise gefertigt werden als Wärmetauscher aus Metall. Wir verweisen hier auf die US 5,628,363, die ebenfalls an den Rechtsnachfolger abgetreten wurde.
Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung bei Wärmetauschern wird im Allgemeinen durch die thermische Leitfähigkeit ihrer Bauwerkstoffe, z. B. Metall, Verbundwerkstoff, begrenzt. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ist ebenfalls durch den konvektiven Koeffizienten der Medien begrenzt, die durch den Wärmetauscher fließen.
Durch eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung wäre es möglich, Größe und Gewicht des Wärmetauschers zu verringern. Kleinere, leichtere und wirksamere Wärmetauscher wären in der Lage, mehr Wärme abzuleiten als größere, schwerere und weniger wirksame Wärmetauscher. In der Luft- und Raumfahrtindustrie ist es beispielsweise äußerst wünschenswert, bei den an Bord von Flugzeugen eingesetzten Wärmetauschern den Wirkungsgrad zu erhöhen und das Gewicht zu verringern. Durch ein niedrigeres Gewicht wird weniger Brennstoff verbraucht, und ein geringerer Brennstoffverbrauch führt wiederum zu geringeren Betriebskosten des Flugzeugs.
In der JP-A-2,298,797 wird ein Wärmetauscher mit elektrisch-hydrodynamischer Verstärkung offenbart.
Diese Erfindung kann als Wärmetauscher betrachtet werden, bestehend aus:
mehreren Platten, die im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet und übereinander angeordnet sind, wobei die Platten thermisch und elektrisch leitfähig sind; und
mehreren Abstandshaltern, die zwischen den Platten angeordnet sind, wobei die Abstandshalter elektrisch nicht leitfähige Abstandshalter sind und die Platten zusammenwirken, um Wärme abgebende und Wärme aufnehmende Durchgänge zu definieren; dadurch gekennzeichnet, dass:
die Platten aus Kohleverbundwerkstoff einschließlich Kohlefasern bestehen und der Wärmetauscher weiterhin mehrere quer zu den Fasern angeordnete Elektroden umfasst, die an den Platten angebracht sind. Um diese Wärmetauscher kann sich an den Platten ein elektrisches Feld ausbilden. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes wird der Wärmetauscher elektrisch-hydrodynamisch verstärkt.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des Gegenstrom-Wärmetauschers nach dieser Erfindung;
Fig. 2 eine Schema Zeichnung des Wärmetauschers, an den eine Spannung angelegt wird;
Fig. 3 eine Darstellung der Kohlenstoff-Kohlenstoff- Platte für einen Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff nach dieser Erfindung; und
Fig. 4 ein Verfahren für den Betrieb eines Wärmetauschers nach dieser Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher 10 einschließlich eines Stapels von flachen parallel angeordneten Platten 12 und 14, die thermisch leitfähig sind. Die Platten 12 und 14 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und voneinander beabstandet. Der Wärmetauscher 10 umfasst weiterhin mehrere Abstandshalter 16, die zwischen den Platten 12 und 14 angeordnet sind. Zusätzlich zur Trennung der Platten 12 und 14 wirken die Abstandshalter 16 mit den Platten 12 und 14 zusammen, um Wärme abgebende Durchgänge 18 und Wärme aufnehmende Durchgänge 20 zu definieren. Die Durchgänge 18 und 20 können in Reihen und Spalten angeordnet werden. In Fig. 1 werden die Durchgänge 18 und 20 in einer Gegenstrom-Konfiguration dargestellt, die entweder einen Gegen- oder einen Parallelstrom bewirkt. Die Durchgänge 18 und 20 sind ausreichend groß, um die gewünschte Gesamtwärmeübertragung von einem durch die Wärme abgebenden Durchgänge 18 fließenden warmen Medium zu einem Kühlmittel zu erreichen, welches durch die Wärme aufnehmenden Durchgänge 20 fließt.
Die Platten 12 und 14 bestehen aus einem Werkstoff, der sowohl elektrisch als auch thermisch leitfähig ist. Die Platten 12 und 14 können aus einem Metall wie Aluminium, Kupfer oder rostfreiem Stahl bestehen. Als Alternativlösungen können die Platten 12 und 14 aus Kohleverbundwerkstoff oder Kohlenstoff-Kohlenstoff bestehen. Kohleverbundwerkstoff-Platten enthalten Kohlenstofffasern in einer Harzmatrix. Bei der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Variante wird das Harz durch Kohlenstoff ersetzt, der mittels eines Verfahrens wie chemische Dampfbeschichtung abgeschieden wird. Die Fertigung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Platten wird in der US-Schrift mit der laufenden Nummer 08/601,754 mit Anmeldung vom 12. April 1996 offenbart, die dem Rechtsnachfolger dieser Erfindung abgetreten wurde und auf die hier verwiesen wird.
Die Abstandshalter 16, die mit den Platten 12 und 14 verbunden werden können, bestehen aus einem Werkstoff, der elektrisch nicht leitfähig ist. Durch die Nichtleitfähigkeit der Abstandshalter 16 ist es möglich, an den Wärmetauscher 10 eine Hochspannung (aber mit sehr niedrigem Strom) anzulegen. Die Spannung erzeugt am Wärmetauscher 10 ein regelbares elektrisches Feld. Das elektrische Feld beeinflusst die durch die Durchgänge 18 und 20 fließenden Medien und bewirkt eine stärkere Wärmeübertragung vom warmen Medium zum Kühlmittel. Aus dem elektrischen Feld entsteht ein verstärkter elektrisch-hydrodynamischer Wärmetauscher 10.
Die Spannung kann durch die elektrischen Leiter 19 und 21 derart an die Platten 12 und 14 angelegt werden, dass die gegenüberliegenden Platten 12 und 14 Anoden- Katoden-Paare bilden (siehe Fig. 2). Das heißt für jedes Paar gegenüberliegender Platten, dass sich beim Anlegen einer Spannung eine der gegenüberliegenden Platten 12 positiv auflädt, und beim Anlegen einer Spannung die andere der gegenüberliegenden Platten 14 negativ auflädt. Die Abstandshalter 16 bewirken zwischen den Platten 12 und 14 die elektrische Isolierung.
Die Spannung kann an den Kanten der Platten 12 und 14 angelegt werden. Um die Spannung leichter anlegen zu können, können die Platten 12, die die positive Ladung sammeln, Kühlrippen 22 haben, welche sich auf einer Seite des Wärmetauschers 10 erstrecken, und die Platten 14, die die negative Ladung sammeln, Kühlrippen 24 haben, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 10 erstrecken.
Das warme Medium, das durch die Wärme abgebenden Durchgänge 18 zirkuliert, und das Kühlmittel, das durch die Wärme aufnehmenden Durchgänge 20 zirkuliert, sind ebenfalls elektrisch nicht leitfähig. Das Kühlmittel kann zum Beispiel ein zweiphasiges Kältemittel sein.
Die Stärke des elektrischen Feldes ist teilweise abhängig von den dielektrischen Eigenschaften des warmen Mediums und des Kühlmittels und teilweise abhängig vom Abstand zwischen den Platten 12 und 14. Mit zunehmender Spannung verstärkt sich die elektrisch-hydrodynamische Wirkung. Die Spannung kann jedoch nicht so hoch sein, um einen dielektrischen Durchschlag zu verursachen.
Es ist ein Wärme abgebender Eintrittsverteiler (nicht dargestellt) vorhanden, um das warme Medium zu den Wärme abgebenden Durchgängen 18 zu verteilen, und es ist ein Wärme abgebender Austrittsverteiler (nicht dargestellt) vorhanden, um das Medium zu sammeln, welches die Wärme abgebenden Durchgänge 18 verlässt. Es ist ein Wärme aufnehmender Eintrittsverteiler (nicht dargestellt) vorhanden, um das Kühlmittel zu den Wärme aufnehmenden Durchgängen 20 zu verteilen, und ein Wärme aufnehmender Austrittsverteiler (nicht dargestellt) vorhanden, um das Medium zu sammeln, welches die Wärme aufnehmenden Durchgänge 20 verlässt. In der US-Schrift mit der laufenden Nr. 08/980,122, angemeldet am 26. November 1997, die an den Rechtsnachfolger dieser Erfindung abgetreten wurde und auf die hier verwiesen wird, wird eine Verteileranordnung offenbart.
Fig. 3 zeigt eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Platte 12' und Abstandshalter 16' für einen Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff. Die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Platte 12' könnte anisotrop oder isotrop sein, und zwar in Abhängigkeit davon, wie deren Kohlenstofffasern orientiert sind. Die Platte 12' ist entlang der Faserrichtung leitfähig. Isotrope Materialien sind entlang allen drei orthogonalen Achsen (x, y und z) leitfähig, während anisotrope Materialien entlang der drei Achsen eine unterschiedliche Leitfähigkeit haben können. Wenn die Platte 12' Kohlenstofffasern hat, die in einer einzigen Richtung orientiert sind, wirken Wärmestrom und elektrische Leitfähigkeit in der Platte 12' in einer Richtung.
Bei einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Platte 12', deren Fasern in einer einzigen Richtung orientiert sind, ist an der Kühlrippe 22' eine Elektrode 26' angebracht, die die Fasern in Querrichtung schneidet. Die Elektrode 26' empfängt die Spannung und verteilt die Spannung zu den Fasern in der Platte 12'. Zum Beispiel könnte sich bei Kohlenstofffasern, die entlang der Z-Achse orientiert sind, die Elektrode 26' entlang der Y-Achse erstrecken. Die Elektrode 26' könnte ein niedrigeres Profil haben als die Abstandshalter 16'.
Die Abstandshalter 16' könnten aus einem Material mit hohem elektrischen Widerstand oder einem Isoliermaterial wie Glasfaser oder einem keramischen Material gefertigt werden. Als Alternative könnten die Abstandshalter 16' aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kohlenstoff gefertigt werden. Die Abstandshalter 16' aus nicht leitfähigem Kohlenstoff könnten mit der Kohlen stoff-Kohlenstoff-Platte 12' aus einem Stück gebildet werden.
Fig. 4 zeigt die Funktionsweise des Wärmetauschers. Ein Kühlmittel zirkuliert durch die Wärme aufnehmenden Durchgänge 20 (Block 100), und ein warmes Medium zirkuliert durch die Wärme abgebenden Durchgänge 18 (Block 102). Beim Anlegen einer Spannung an die Platten 12 und 14 (Block 104) bewirkt das an den Platten 12 und 14 entstehende elektrische Feld einen höheren Wirkungsgrad des Wärmetauschers 10. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers 10 und demzufolge die Wärmeübertragung können durch Variieren der Spannung gesteuert werden (Block 106).
Somit wird ein Wärmetauscher offenbart, der elektrischhydrodynamisch verstärkt werden kann. Die elektrischhydrodynamische Verstärkung kann den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung des Wärmetauschers verbessern. Das Ergebnis kann ein kleinerer und leichterer Wärmetauscher sein.
Der Wärmetauscher kann aus Verbundwerkstoffen gefertigt werden. Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff bieten gegenüber Wärmetauschern aus Metall bestimmte Vorteile. Wärmetauscher aus Verbundwerkstoff haben einen höheren Korrosionswiderstand, eine niedrigere thermische Spannung und demzufolge eine längere Betriebslebensdauer.
Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung des elektrischhydrodynamisch verstärkten Wärmetauschers kann durch Variieren der an die Platten angelegten Spannung gesteuert werden. Somit wäre die Anbringung von Strombegrenzungsventilen und anderen mechanischen Durchflussreglern nicht erforderlich.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen spezifischen Ausführungsarten beschränkt. Der Wärme tauscher kann beispielsweise eine zylindrische, kreisförmige oder konische Anordnung haben. Die Platten können aus Metall, Kohlenstoff-Kohlenstoff oder einem anderen Werkstoff gefertigt sein, der über eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit verfügt. Die Anzahl der Platten, Abstandshalter und Durchgänge sind entsprechend der geforderten Wärmeübertragungs- oder - tauschleistung in Übereinstimmung mit der beabsichtigten Anwendung zu wählen und zu bemessen. Oberflächenverbesserungen der Platten können vorgenommen werden, um die Wirbelbewegung des warmen Mediums und/oder des Kühlmittels weiter zu verstärken. Die Oberflächenverbesserungen können die Form von Perforierungen, künstlicher Rauheit oder Klappen annehmen.
Somit ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen spezifischen Ausführungsarten beschränkt. Stattdessen ist die Erfindung gemäß den folgenden Ansprüchen auszulegen.

Claims

1. Wärmetauscher (10), der Folgendes umfasst:

mehrere Platten (12, 14), die im Wesentlichen parallel zueinander beabstandet und übereinander angeordnet sind, wobei die Platten thermisch und elektrisch leitfähig sind; und

mehrere Abstandshalter (16), die zwischen den Platten angeordnet sind, wobei die Abstandshalter elektrisch nicht leitfähige Abstandshalter sind und die Platten zusammenwirken, um Wärme abgebende und Wärme aufnehmende Durchgänge (18, 20) zu definieren; dadurch gekennzeichnet, dass:

die Platten aus Kohleverbundwerkstoff einschließlich Kohlefasern bestehen und der Wärmetauscher weiterhin mehrere quer zu den Fasern angeordnete Elektroden (26) umfasst, die an den Platten angebracht sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Abstandshalter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Keramikmaterial hergestellt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die ungeradzahligen Platten (12) mit Kühlrippen (22) versehen sind, die sich von einer Seite des Wärmetauschers erstrecken, und die geradzahligen Platten (14) mit Kühlrippen (14) versehen sind, die sich von einer anderen Seite des Wärmetauschers erstrecken.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, der weiterhin ein Mittel zum Anlegen einer regelbaren Spannung an die Platten umfasst.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, bei dem die gegenüber liegenden Platten nach dem Anlegen der Spannung Anoden-Katoden-Paare bilden.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, der weiterhin elektrisch nicht leitfähige Fluide für die Wärme abgebenden und Wärme aufnehmenden Durchgänge umfasst.