EP1217319A1 - Wärmeübertrager, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einem Wasser/Glykol-Gemisch - Google Patents

Wärmeübertrager, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einem Wasser/Glykol-Gemisch Download PDF

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EP1217319A1
EP1217319A1 EP00128034A EP00128034A EP1217319A1 EP 1217319 A1 EP1217319 A1 EP 1217319A1 EP 00128034 A EP00128034 A EP 00128034A EP 00128034 A EP00128034 A EP 00128034A EP 1217319 A1 EP1217319 A1 EP 1217319A1
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heat exchanger
refrigerant
coolant
flat tube
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Lorenz-Börnert Marion
Fröhling Jörn
Hoffmann Hanskarl
Heyl Peter Dr.
Kubitz Bernd
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/12—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing overpressure

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for Heat transfer between a refrigerant and a water / glycol mixture.
  • Heat exchangers are devices or components in which an indirect Heat transfer takes place. Here, heat is generated by a fluid stream higher temperature to another fluid stream lower Transfer temperature. The two material flows flow through the Heat exchangers without mixing are spatially separated from one another Cut.
  • the evaporator and the condenser / gas cooler but often also an internal heat exchanger.
  • the Refrigerant circuit is a material cycle, whereby heat is lost in the evaporator Evaporation of the refrigerant is absorbed and heat in the condenser is released by the refrigerant.
  • heat exchangers according to the Preamble of the present invention used.
  • Carbon dioxide as a refrigerant has been increasingly studied and the manufacture of such systems is being considered.
  • Carbon dioxide (R744) is referred to as a high-pressure refrigerant because the critical temperature of the carbon dioxide in the area of the ambient temperature (31 ° C) and the associated pressure is significantly higher than that of the refrigerants currently used (R134a, R290, R212).
  • the maximum high pressure that occurs in systems with carbon dioxide as refrigerant is in a range from 100 to 170 bar, depending on the application of the system.
  • Carbon dioxide is increasingly used as a refrigerant in vehicle air conditioning mobile refrigeration systems, heat pumps or combinations of these, used. In such a case there is heat between a water / glycol mixture and transfer carbon dioxide or other refrigerant.
  • a heat exchanger for this application increase several ways. Both from a security perspective, Susceptibility to failure and destructibility as well from the point of view of Minimum space requirements exist that are in the state of the art known heat exchangers can not be achieved.
  • the object is achieved in that in one cylindrical heat exchanger at least one spiral package is arranged, wherein the spiral package is flowed through by a refrigerant and the Heat exchanger with the spiral package from a heat / coolant is flowed through, with heat between the refrigerant and the heat / cooling medium in cross flow or in cross countercurrent or crosscurrent is transferred and that the heat exchanger can be connected for the refrigerant supply, the refrigerant discharge, the heat / coolant supply as well as heat / coolant removal.
  • the spiral package is constructively so designed to meet the safety requirements through compliance small flow cross sections in the refrigerant channels and small Filling volume in the spiral package.
  • the spiral packs advantageously consist of flat tube with refrigerant channels, the flat tube being wound along its length.
  • the position of the winding axis of the Spiral package and cylinder axis of the heat exchanger are identical.
  • the flat tube is advantageous with ribs for spacing between adjacent windings and for channel formation for the heat / cooling medium in the wound state and to enlarge the surface educated.
  • the advantages of the heat exchanger according to the invention are that a heat exchanger is provided in a confined space, the one has a large heat-transferring surface and, thanks to its Design the safety requirements for use in one Circuit with refrigerant fulfilled.
  • FIG. 1 An advantageous embodiment of the heat exchanger according to the invention is shown in longitudinal section in FIG. 1.
  • the cylindrical jacket of the heat exchanger 1 is designed as a circular cylinder in the form of a tube, which is tapered at its ends to connecting piece 7.
  • At least one, in the present case, three spiral packs 2 are arranged in the interior of the heat exchanger 1, and the heat / coolant flows around them in sequence.
  • the heat exchanger 1 also has connection options for the coolant supply 3 and the coolant discharge 4, the heat / coolant supply 5 and the heat / coolant discharge 6.
  • the spiral packs 2 are flowed through by a refrigerant and by one Heat / coolant flows around, with heat between the High pressure refrigerant and the heat / coolant in cross flow or in Cross-counter or cross-direct current is transmitted.
  • the spiral packs 2 are made from a flat tube 9 with the width (B) from five to one hundred and twenty millimeters (5 to 120 mm) and the height (H) from one to ten millimeters (1 to 10 mm).
  • the spiral packs 2 are advantageously made of wound Flat tube 9 formed, which along its length (L) in double or simple position is wrapped.
  • the winding axis 13 of the spiral package 2 lies 1 advantageously in the same position as the cylinder axis 13 of the Heat exchanger 1.
  • the flat tube 9 has ribs 11 for spacing between adjacent windings within the Spiral package 2 and for channel formation for the heat / coolant in the wound state and to enlarge the surface.
  • the heat exchanger 1 also has a safety device 8 against Overpressure, for example in the form of a rupture disc or Safety valve on and is in a suitable place with a Venting device equipped.
  • a safety device 8 against Overpressure for example in the form of a rupture disc or Safety valve on and is in a suitable place with a Venting device equipped.
  • spiral packs 2 are in the Figures 2a and 2b shown in cross section. Can be seen in each case Double spirals, which can be produced in a particularly simple manner, however, heat exchangers 1 with spiral packs 2 are made of simple spirals, 2c, also formed according to the invention.
  • Fig. 2a shows the cross section of a heat exchanger 1 with a double flow Refrigerant flow in spiral package 2.
  • the double spiral then becomes multi-flow Refrigerant flows through from inside to outside and occurs at the Refrigerant discharge 4 from the spiral pack 2 and leaves the Heat exchanger 1.
  • 2b is the cross section of a heat exchanger 1 with a single-flow Refrigerant flow shown in spiral package 2.
  • the double spiral first through the refrigerant supply 3 from the outside to the inside of the refrigerant flows through and flows after reaching the winding and cylinder axis 13 Refrigerant from the inside to the refrigerant discharge 4, through which the Spiral package 2 and then the heat exchanger 1 is left.
  • FIG. 2c shows the advantageous embodiment of the spiral package 2 as a single spiral single-flow refrigerant flow from inside to outside or from outside to outside Inside.
  • 3a shows a perspective view of the flat tube with cross and longitudinal section. Arrows flow through the Refrigerant through the refrigerant channels 10 and the flow of water / glycol - Mixture indicated between the ribs 11.
  • the refrigerant channels 10 are in cross section represented as a circle. Likewise possible, but because of Pressure resistance is less advantageous, the formation of the refrigerant channels 10 in an oval or angular cross-sectional geometry.
  • the ribs 11 of the flat tube 9 are also shown in FIG. 3a and the Penetration of the flat tube 9 of refrigerant channels 10 along the length L of the flat tube is through the longitudinal section in the refrigerant flow direction to see.
  • the flat tubes 9 are advantageous with a large width B and height H. Relationship trained.
  • FIG. 4a The formation of the flat tube 9 with ribs 11 on the top is shown in FIG. 4a.
  • the ribs 11 are shown as rectangular elevations on the flat tube 9. This shape is cheap in terms of production technology and easily leads to Winding the flat tube 9 along its length L to form channels for the Flow of the heat / coolant, but wide rib shapes are also can be used advantageously. Both are round, oval or triangular shapes possible configurations for ribs 11 of the flat tube 9.
  • the flat tube 9 according to FIG. 4a is preferably to be used with simple ones Spiral windings of the flat tube 9, each having an upper side in contact comes with the bottom of the flat tube 9 and which is between the ribs 11 forming rooms form the channels for the heat / coolant.
  • Flat tube 9 for double spiral windings according to the invention, the formation of Flat tube 9 according to FIG. 4b advantageous because in the manufacture of the Spiral package 2, the flat tube 9 in the region of the winding axis 13 by 180 ° is bent and thus the top and bottom of the flat tube 9 on top of each other lie.
  • the flat tube 9 is to be realized on both the top and bottom Ribs 11 provided.
  • FIG. 4c shows an embodiment in which the flat tube 9 has been provided with ribs 11 on the upper side along an area A and with ribs 11 along an area B on the underside.
  • This design is advantageous for the production of a double spiral, provided that the winding axis 13 is placed in the area where the ribs 11 change from the top to the bottom.
  • the ribs themselves have a height of 0.01 to 10 mm. Taking the area from 4 to 10 mm is used for large flow cross sections. A preferred formation of the ribs 11 for smaller flow cross sections, for example for heat exchangers for use in refrigeration systems or heat pumps in Motor vehicles exist at a height of 0.1 to 2 mm. For Special applications with thin flat tube 9 and a corresponding number Windings with ribs 11 of 0.01 to 0.1 mm are used.
  • the ribs run 11 according to FIG. 5a at an angle of 90 ° to the refrigerant channels 10, whereby the Heat transfer between the heat / coolant and the High pressure refrigerant is carried out in cross flow.
  • the flat tube 9 is in the Shown top view.
  • the heat / cold medium 5 flows through itself between the ribs 11 forming channels and the refrigerant 3 flows in Flat tube 9 through the refrigerant channels 10.
  • the Refrigerant supply 3 after the refrigerant discharge 4 in the flow direction of the Heat / cold carrier offset so there is a coupled cross-countercurrent.
  • Other circuit variants, such as cross direct current or mixed forms can also be realized with the heat exchanger 1 according to the invention.
  • the ribs 11 run in one Angle ⁇ according to FIG. 5b of greater than 0 ° and less than 90 ° or greater than 90 ° and less than 180 ° to the refrigerant channels 10, whereby the Heat transfer between the heat / coolant and the High-pressure refrigerant takes place directly in cross-countercurrent or cocurrent.
  • Angle ⁇ for a particularly efficient heat transfer choose between 30 ° and 50 °.
  • the arrangement of several spiral packs 2 in the heat exchanger 1 is depending on the application, designed so that the high-pressure refrigerant Flows through spiral packets 2 in a series connection or in parallel connection.
  • refrigerants in the sense of the preamble of the invention are in particular Carbon dioxide (R744), tetrafluoroethane (R134a) and propane (R290).

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Abstract

Wärmeübertrager, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einem Wasser/Glykol-Gemisch. Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), der mit einem geringen Bauvolumen bei hohen übertragenen Wärmeströmen arbeitet und die sicherheitstechnischen Erfordernisse erfüllt sind. Der Warmeübertrager (1) ist derart ausgebildet, dass in einem zylindrischen Mantel mindestens ein Spiralpaket (2) angeordnet wird, wobei das Spiralpaket (2) von einem Kältemittel durchströmt wird und der Wärmeübertrager (1) mit dem Spiralpaket (2) von einem Wärme-/Kälteträger durchströmt wird, wobei Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wärme-/Kälteträger im Kreuzstrom oder im Kreuzgegen- bzw. Kreuzgleichstrom übertragen wird und dass der Wärmeübertrager (1) dazu Anschlussmöglichkeiten für die Kältemittelzufuhr (3), die Kältemittelabfuhr (4), die Wärme-/Kälteträgerzufuhr (5) sowie Wärme-/Kälteträgerabfuhr (6) aufweist. Die Vorteile sind, dass der Wärmeübertrager (1) ein geringes Bauvolumen und eine große wärmeübertragende Oberfläche besitzt und der die sicherheitstechnischen Erfordernisse für den Einsatz in einem Kreislauf mit Kältemittel erfüllt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einem Wasser/Glykol-Gemisch.
Wärmeübertrager sind Apparate bzw. Komponenten, in denen eine indirekte Wärmeübertragung stattfindet. Dabei wird Wärme von einem fluiden Stoffstrom höherer Temperatur auf einen anderen fluiden Stoffstrom niedrigerer Temperatur übertragen. Die beiden Stoffströme durchströmen dabei den Wärmeübertrager, ohne sich zu vermischen, sind also räumlich voneinander getrennt.
In einer klassischen Kälteanlage oder Wärmepumpe sind zumindest zwei Wärmeübertrager vorhanden. Der Verdampfer und der Kondensator / Gaskühler, häufig aber auch noch ein innerer Wärmeübertrager. Der Kältemittelkreislauf ist ein Stoffkreislauf, wobei im Verdampfer Wärme unter Verdampfung des Kältemittels aufgenommen wird und im Kondensator Wärme vom Kältemittel abgegeben wird.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Wärmeübertragern für verschiedenste Einsatzgebiete bekannt.
Ganz besondere Anforderungen werden an Wärmeübertrager gestellt, welche bei hohen Fluiddrücken der Stoffströme arbeiten.
Für einen solchen Anwendungsfall werden Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Erfindung eingesetzt.
In der jüngeren Vergangenheit wird Kohlendioxid als Kältemittel verstärkt untersucht und die Herstellung solcher Systeme in Erwägung gezogen. Bei Kohlendioxid (R744) spricht man von einem Hochdruckkältemittel, da die kritische Temperatur des Kohlendioxids im Bereich der Umgebungstemperatur (31°C) und der dazugehörige Druck deutlich über dem der heute üblichen Kältemittel (R134a, R290, R212) liegt.
Der maximal auftretende Hochdruck liegt in Anlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel in einem Bereich von 100 bis 170 bar, je nach Anwendungsfall des Systems.
Für die Anwendung des Kältemittels Kohlendioxid im Kälteanlagen - Wärmepumpen - Prozess sind bereits Wärmeübertrager bekannt, welche mit sehr kleinen Strömungsquerschnitten und Füllmengen in den Wärmeübertragern arbeiten.
Zunehmend wird Kohlendioxid als Kältemittel für die Fahrzeugklimatisierung in mobilen Kälteanlagen, Wärmepumpen oder Kombinationen von diesen, eingesetzt. In einem solchen Fall wird Wärme zwischen einem Wasser/Glykol-Gemisch und Kohlendioxid oder einem anderen Kältemittel übertragen. Damit steigen die Anforderungen an einen Wärmeübertrager für diese Anwendung in mehrerlei Hinsicht. Sowohl unter dem Gesichtspunkt der Sicherheit, Störanfälligkeit und Zerstörbarkeit als auch unter dem Gesichtspunkt des minimalen Platzbedarfes bestehen Vorgaben, die von im Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern nicht erreicht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertrager, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einem Wasser/Glykol-Gemisch derart auszubilden, dass dieser mit einem geringen Bauvolumen bei hohen übertragenen Wärmeströmen arbeitet und gleichzeitig die sicherheitstechnischen Erfordernisse auch für den Einsatz eines Hochdruckkältemittels erfüllt sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem zylindrischen Wärmeübertrager mindestens ein Spiralpaket angeordnet wird, wobei das Spiralpaket von einem Kältemittel durchströmt wird und der Wärmeübertrager mit dem Spiralpaket von einem Wärme-/ Kälteträger durchströmt wird, wobei Wärme zwischen dem Kältemittel und dem Wärme-/ Kälteträger im Kreuzstrom oder im Kreuzgegen- bzw. Kreuzgleichstrom übertragen wird und dass der Wärmeübertrager dazu Anschlussmöglichkeiten für die Kältemittelzufuhr, die Kältemittelabfuhr, die Wärme-/ Kälteträgerzufuhr sowie Wärme-/ Kälteträgerabfuhr aufweist.
Nach der Konzeption der Erfindung wird das Spiralpaket konstruktiv so ausgelegt, dass die sicherheitstechnischen Erfordernisse durch die Einhaltung geringer Strömungsquerschnitte in den Kältemittelkanälen und kleinem Füllvolumen im Spiralpaket erfüllt werden.
Vorteilhaft bestehen die Spiralpakete aus Flachrohr mit Kältemittelkanälen, wobei das Flachrohr entlang seiner Länge gewickelt ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lage von Wickelachse des Spiralpakets und Zylinderachse des Wärmeübertragers identisch.
Weiterhin wird das Flachrohr vorteilhaft mit Rippen zur Abstandhaltung zwischen benachbarten Wicklungen und zur Kanalbildung für den Wärme-/ Kälteträger im gewickelten Zustand sowie zur Vergrößerung der Oberfläche ausgebildet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers bestehen darin, dass auf engstem Raum ein Wärmeübertrager zur Verfügung gestellt wird, der eine große wärmeübertragende Oberfläche besitzt und der zudem durch seine Gestaltung die sicherheitstechnischen Erfordernisse für den Einsatz in einem Kreislauf mit Kältemittel erfüllt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1:
Längsschnitt eines Wärmeübertragers
Fig. 2a:
Querschnitt eines Wärmeübertragers mit einem zweiflutigen Kältemittelstrom im Spiralpaket
Fig. 2b:
Querschnitt eines Wärmeübertragers mit einem einflutigen Kältemittelstrom im Spiralpaket
Fig. 2c:
Querschnitt eines Wärmeübertragers mit einer Einfachspirale
Fig. 3a:
perspektivische Ansicht des Flachrohrs mit Quer- und Längsschnitt
Fig. 3b:
Querschnitt des Flachrohrs
Fig. 4a:
Längsschnitt des Flachrohrs mit Rippen auf der Oberseite
Fig. 4b:
Längsschnitt des Flachrohrs mit Rippen auf der Ober - und Unterseite
Fig. 4c:
Längsschnitt des Flachrohrs mit Rippen entweder auf der Ober - oder der Unterseite jeweils auf einem bestimmten Abschnitt
Fig. 5a:
Draufsicht auf ein Flachrohr mit Rippen quer zur Kältemittelströmungsrichtung
Fig. 5b:
Draufsicht auf ein Flachrohr mit Rippen schräg zur Kältemittelströmungsrichtung
Eine vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt.
Der zylindrische Mantel des Wärmeübertragers 1 ist als Kreiszylinder in Form eines Rohres ausgeführt, welches an seinen Enden zu Anschlussstutzen 7 verjüngt ist. Im Inneren des Wärmeübertragers 1 ist mindestens ein, im vorliegenden Fall sind drei Spiralpakete 2 angeordnet, welche der Reihe nach vom Wärme- / Kälteträger umströmt werden. Der Wärmeübertrager 1 weist weiterhin Anschlussmöglichkeiten für die Kältemittelzufuhr 3 und die Kältemittelabfuhr 4, die Wärme-/ Kälteträgerzufuhr 5 sowie die Wärme-/ Kälteträgerabfuhr 6 auf.
Die Spiralpakete 2 werden von einem Kältemittel durchströmt und von einem Wärme-/ Kälteträger umströmt, wobei Wärme zwischen dem Hochdruckkältemittel und dem Wärme-/ Kälteträger im Kreuzstrom oder im Kreuzgegen- bzw Kreuzgleichstrom übertragen wird.
Die Spiralpakete 2 werden aus einem Flachrohr 9 mit der Breite (B) von fünf bis einhundertzwanzig Millimetern (5 bis 120 mm) und der Höhe (H) von ein bis zehn Millimetern (1 bis 10 mm) gebildet. Das Flachrohr 9, welches mindestens einen Kältemittelkanal 10 aufweist, wird durch diese Kältemittelkanäle von Kältemittel durchströmt. Vorteilhaft werden die Spiralpakete 2 aus gewickeltem Flachrohr 9 gebildet, welches entlang seiner Länge (L) in doppelter oder einfacher Lage gewickelt ist. Die Wickelachse 13 des Spiralpaketes 2 liegt gemäß Fig. 1 vorteilhaft in gleicher Lage wie die Zylinderachse 13 des Wärmeübertragers 1.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das Flachrohr 9 Rippen 11 zur Abstandhaltung zwischen benachbarten Wicklungen innerhalb des Spiralpaketes 2 und zur Kanalbildung für den Wärme-/ Kälteträger im gewickelten Zustand sowie zur Vergrößerung der Oberfläche auf.
Der Wärmeübertrager 1 weist außerdem eine Sicherheitseinrichtung 8 gegen Überdruck beispielsweise in Form einer Berstscheibe oder eines Sicherheitsventils auf und ist an geeigneter Stelle mit einer Entlüftungseinrichtung ausgestattet.
Die vorteilhafte und erfindungsgemäße Ausbildung der Spiralpakete 2 ist in den Figuren 2a und 2b im Querschnitt dargestellt. Zu sehen sind jeweils Doppelspiralen, welche sich auf besonders einfache Art herstellen lassen, jedoch sind Wärmeübertrager 1 mit Spiralpaketen 2 aus einfachen Spiralen, gemäß Fig. 2c, ebenso erfindungsgemäß ausgebildet.
Fig. 2a zeigt den Querschnitt eines Wärmeübertragers 1 mit einem zweiflutigen Kältemittelstrom im Spiralpaket 2. Die Doppelspirale wird dann mehrflutig spiralförmig von innen nach außen von Kältemittel durchströmt und tritt an der Kältemittelabfuhr 4 aus dem Spiralpaket 2 aus und verlässt den Wärmeübertrager 1.
In Fig. 2b ist der Querschnitt eines Wärmeübertragers 1 mit einem einflutigen Kältemittelstrom im Spiralpaket 2 dargestellt. Dabei wird die Doppelspirale zunächst durch die Kältemittelzufuhr 3 von außen nach innen vom Kältemittel durchströmt und nach Erreichen der Wickel- und Zylinderachse 13 strömt das Kältemittel von innen nach außen zur Kältemittelabfuhr 4, durch welche das Spiralpaket 2 und hernach der Wärmeübertrager 1 verlassen wird.
Fig. 2c zeigt die vorteilhafte Ausführung des Spiralpakets 2 als Einzelspirale mit einflutigem Kältemittelstrom von innen nach außen oder auch von außen nach innen.
Die Spiralpakete werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus Flachrohr 9 gebildet. Fig. 3a zeigt eine perspektivische Ansicht des Flachrohrs mit Quer- und Längsschnitt. Durch Pfeile ist der Fluss des Kältemittels durch die Kältemittelkanäle 10 und der Fluss des Wasser / Glykol - Gemischs zwischen den Rippen 11 angedeutet.
Dabei sind im Querschnitt auch gemäß Fig. 3b die Kältemittelkanäle 10 in ihrem Schnittbild als Kreis dargestellt. Gleichfalls möglich, aber wegen der Druckbeständigkeit weniger vorteilhaft, ist die Ausbildung der Kältemittelkanäle 10 in einer ovalen oder eckigen Querschnittsgeometrie.
Auch sind in Fig. 3a die Rippen 11 des Flachrohres 9 dargestellt und die Durchdringung des Flachrohres 9 von Kältemittelkanälen 10 entlang der Länge L des Flachrohres ist durch den Längsschnitt in Kältemittelströmungsrichtung zu sehen.
Die Flachrohre 9 sind vorteilhaft mit einem großen Breite B und Höhe H Verhältnis ausgebildet.
Nicht dargestellt aber vorteilhaft ist, wenn das Flachrohr 9 an den Enden seiner Breite B abgeflacht ist, was bei der Anströmung und Abströmung von Wärme/Kälteträger an und vom Spiralpaket 2 strömungstechnisch vorteilhaft ist und großvolumige Staugebiete entlang der Höhe H des Flachrohres hierdurch vermieden werden.
Die Ausbildung des Flachrohrs 9 mit Rippen 11 auf der Oberseite zeigt Fig. 4a. Die Rippen 11 sind dargestellt als rechteckige Erhebungen auf dem Flachrohr 9. Diese Form ist fertigungstechnisch günstig und führt ohne weiteres bei der Wicklung des Flachrohres 9 entlang seiner Länge L zur Kanalbildung für die Strömung des Wärme-/ Kälteträgers, jedoch sind weite Rippenformen ebenso vorteilhaft einsetzbar. Sowohl runde, ovale oder dreieckige Formen sind mögliche Ausgestaltungen für Rippen 11 des Flachrohres 9.
Das Flachrohr 9 gemäß Fig. 4a ist bevorzugt zu verwenden bei einfachen Spiralwicklungen des Flachrohres 9, wobei jeweils eine Oberseite in Kontakt mit der Unterseite des Flachrohres 9 kommt und die sich zwischen den Rippen 11 bildenden Räume die Kanäle für den Wärme-/ Kälteträger bilden.
Für erfindungsgemäße Doppelspiralwicklungen ist die Ausbildung des Flachrohres 9 gemäß Fig. 4b vorteilhaft, weil bei der Herstellung des Spiralpaketes 2 das Flachrohr 9 im Bereich der Wickelachse 13 um 180° gebogen wird und somit Ober- und Unterseite des Flachrohres 9 aufeinander liegen. Um dabei die Kanalbildung für die Wärme-/ Kälteträgerdurchströmung zu realisieren wird das Flachrohr 9 sowohl auf der Ober - und Unterseite mit Rippen 11 versehen.
In Fig. 4c ist eine Ausführungsform dargestellt bei welcher das Flachrohr 9 entlang eines Bereiches A mit Rippen 11 auf der Oberseite und entlang eines Bereiches B auf der Unterseite mit Rippen 11 versehen wurde.
Diese Ausbildung ist für die Herstellung einer Doppelspirale vorteilhaft, sofern die Wickelachse 13 in den Bereich des Überganges des Wechsels der Rippen 11 von der Ober- auf die Unterseite gelegt wird.
Die Rippen selbst besitzen eine Höhe von 0,01 bis 10 mm. Wobei der Bereich von 4 bis 10 mm bei großen Strömungsquerschnitten eingesetzt wird. Eine bevorzugte Ausbildung der Rippen 11 für kleinere Strömungsquerschnitte, etwa für Wärmeübertrager zum Einsatz in Kälteanlagen oder Wärmepumpen in Kraftfahrzeugen besteht bei einer Höhe von 0,1 bis 2 mm. Für Spezialanwendungsfälle mit dünnem Flachrohr 9 und entsprechend vielen Wicklungen werden Rippen 11 von 0,01 bis 0,1 mm eingesetzt.
Nach einem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung verlaufen die Rippen 11 gemäß Fig. 5a im Winkel von 90° zu den Kältemittelkanälen 10, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Wärme-/ Kälteträger und dem Hochdruckkältemittel im Kreuzstrom erfolgt. Dabei ist das Flachrohr 9 in der Draufsicht dargestellt. Der Wärme-/ Kälteträger 5 strömt durch die sich zwischen den Rippen 11 bildenden Kanäle und das Kältemittel 3 strömt im Flachrohr 9 durch die Kältemittelkanäle 10. Liegt gemäß Fig. 1 die Kältemittelzufuhr 3 nach der Kältemittelabfuhr 4 in Strömungsrichtung des Wärme-/ Kälteträgers versetzt, so liegt ein gekoppelter Kreuzgegenstrom vor. Weitere Schaltungsvarianten, wie der Kreuzgleichstrom oder Mischformen sind ebenso mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 realisierbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die Rippen 11 in einem Winkel α gemäß Fig. 5b von größer als 0° und kleiner als 90° bzw. größer als 90° und kleiner als 180° zu den Kältemittelkanälen 10, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Wärme-/ Kälteträger und dem Hochdruckkältemittel unmittelbar im Kreuz-Gegen- oder Gleichstrom erfolgt. Bei dieser Ausführungsform wird ein besonders guter Wärmeübergang erreicht, wobei der Winkel α für einen besonders effizienten Wärmeübergang zwischen 30° und 50° zu wählen ist.
Die Anordnung von mehreren Spiralpaketen 2 im Wärmeübertrager 1 wird, abhängig vom Einsatzfall, derart ausgeführt, dass das Hochdruckkältemittel die Spiralpakete 2 in einer Reihenschaltung oder in Parallelschaltung durchströmt.
Als Kältemittel im Sinne des Oberbegriffs der Erfindung sind insbesondere Kohlendioxid (R744), Tetrafluorethan (R134a) und Propan (R290) anzusehen.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1
Wärmeübertrager
2
Spiralpaket
3
Kältemittelzufuhr
4
Kältemittelabfuhr
5
Wärme- / Kälteträgerzufuhr
6
Wärme- / Kälteträgerabfuhr
7
Anschlussstutzen
8
Sicherheitseinrichtung
9
Flachrohr
10
Kältemittelkanal
11
Rippe
12
Entlüftungsvorrichtung
13
Wickelachse / Zylinderachse
B
Flachrohrbreite
H
Flachrohrhöhe
L
Flachrohrlänge

Claims (10)

  1. Wärmeübertrager, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem Hochdruckkältemittel und einem Wärme-/ Kälteträger, vorzugsweise einem Wasser/Glykol-Gemisch, dadurch gekennzeichnet, dass im zylindrischen Wärmeübertrager (1) mindestens ein Spiralpaket (2) angeordnet ist, wobei das Spiralpaket (2) von einem Hochdruckkältemittel durchströmt und von einem Wärme-/ Kälteträger umströmt wird und dass dabei Wärme zwischen dem Hochdruckkältemittel und dem Wärme-/ Kälteträger im Kreuzstrom oder im Kreuzgegen- bzw Kreuzgleichstrom im Wärmeübertrager (1) übertragen wird und dass der Wärmeübertrager (1) dazu Anschlussmöglichkeiten für die Kältemittelzufuhr (3), die Kältemittelabfuhr (4), die Wärme-/ Kälteträgerzufuhr (5) sowie Wärme-/ Kälteträgerabfuhr (6) aufweist.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiralpaket (2) aus einem Flachrohr (9) mit der Breite (B) zwischen [Werte angeben] und der Höhe (H) zwischen [Werte angeben] gebildet wird und dass das Flachrohr (9) mindestens einen Kältemittelkanal (10) mit einem Durchmesser von [Werte angeben] aufweist, in welchem Hochdruckkältemittel strömen kann.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) als Kreiszylinder ausgebildet ist und dass das Spiralpaket (2) aus gewickeltem Flachrohr (9) gebildet ist, welches entlang seiner Länge (L) gewickelt ist und dass die Wickelachse (13) des Spiralpaketes (2) gleich der Zylinderachse (13) des Wärmeübertragers (1) ist.
  4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachrohr (9) Rippen (11) nur an seiner Oberseite oder an Ober- und Unterseite zur Vergrößerung der Oberfläche, zur Abstandhaltung zwischen benachbarten Wicklungen und zur Kanalbildung für den Wärme-/ Kälteträger im gewickelten Zustand aufweist.
  5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11) des Flachrohres (9) eine Höhe von 0,1 mm bis 10 mm besitzen.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11) im Winkel von 90° zu den Kältemittelkanälen (10) verlaufen, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Wärme-/ Kälteträger und dem Hochdruckkältemittel im Kreuzstrom erfolgt.
  7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11) in einem Winkel α von größer als 0° und kleiner als 90° zu den Kältemittelkanälen (10) verlaufen, wodurch die Wärmeübertragung zwischen dem Wärme-/ Kälteträger und dem Hochdruckkältemittel im Kreuzgegen- oder Kreuzgleichstrom erfolgt.
  8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spiralpakete (2) im Wärmeübertrager (1) vom Hochdruckkältemittel in Reihe oder parallel durchströmt werden.
  9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Sicherheitseinrichtung (8) und / oder eine Entlüftungseinrichtung (12) vorgesehen ist.
  10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Hochdruckkältemittel R744, R134a oder R290 einsetzbar ist.
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