EP2304373A1 - Heat exchanger - Google Patents

Heat exchanger

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Publication number
EP2304373A1
EP2304373A1 EP09761303A EP09761303A EP2304373A1 EP 2304373 A1 EP2304373 A1 EP 2304373A1 EP 09761303 A EP09761303 A EP 09761303A EP 09761303 A EP09761303 A EP 09761303A EP 2304373 A1 EP2304373 A1 EP 2304373A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
medium
turbomachine
cooling
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09761303A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Janssen
Nicola Kimiaie
Martin Müller
Detlef Hagen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2304373A1 publication Critical patent/EP2304373A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F28F27/02—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus for controlling the distribution of heat-exchange media between different channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/08—Fluid driving means, e.g. pumps, fans
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/28—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing noise

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular an air-cooled heat exchanger.
  • a heat exchanger or heat exchanger is an apparatus that transfers heat or thermal energy from one material stream to another.
  • the direct heat transfer which is based on the process of combined heat and mass transfer in separable material flows
  • the indirect heat transfer which is characterized in that the material flows are spatially separated by a heat-permeable wall
  • the semi-direct heat transfer which uses the properties of a heat accumulator, and in which both substances are brought into contact with the heat accumulator with a time lag.
  • the modes of operation of a heat exchanger can be differentiated according to the type of flow guidance of the media involved.
  • the substances are guided so that they flow past each other in an accommodating manner.
  • the temperatures of the streams are exchanged, that is, the originally cold medium reaches the temperature of the originally hot medium and vice versa. Since, in general, the heat capacity flows are not the same on both sides of the heat exchanger, but in practice this is at most approximately possible.
  • cocurrent the materials are guided so that they flow side by side in the same direction. Ideally, both material temperatures are adjusted and, as a final result, always lie between the initial temperatures.
  • the third variant, the cross-flow guides the streams in such a way that their directions intersect. This material handling is the result between negative and direct current. However, any combinations of these three basic flow guides are also possible. A popular combination is the cross-countercurrent principle.
  • the fabrics are taken past each other in an accommodating way, crossing each other on their way.
  • the temperatures of the streams are exchanged as in countercurrent.
  • Good efficiency for a heat exchanger is always present when the material separating the media has good heat conduction and a large surface area.
  • the heat transfer between the surface and the flowing media should be as good as possible. This is regularly given in a turbulent flow, which often occurs at high flow velocities, or at a high Reynolds number.
  • the other medium is a gas
  • the heat capacity per volume of the media is very different. Therefore, in such cases far more gas than liquid must flow through the heat exchanger in volume.
  • the cooling coils on the back of a refrigerator or air conditioning and the radiator of the car are very different.
  • turbomachines known from the state of the art which are used to convey cooling air through cooling air passages of a heat exchanger, are generally connected from the outside to the heat exchanger. This results in the two ways to arrange the turbomachine sucking or pushing.
  • the designs of turbomachines for cooling air conveying are usually so-called axial or diagonal fans. These fans promote a relatively large amount of air flow at a relatively small size but with low pressure build-up.
  • the geometry of the cooling channels of the heat exchanger must be designed in this regard.
  • the invention has for its object to provide a heat exchanger with a flow machine for a fluid medium available, which overcomes the aforementioned disadvantages of the prior art, and in particular has a compact design and operates sound reduced.
  • the basic idea of the invention is based on the idea of integrating a turbomachine into a heat exchanger in such a way that the disadvantages with respect to noise generation can be largely avoided, and yet a flow-technically expedient, compact, space-saving embodiment is achieved.
  • the invention provides for subdividing the heat exchanger (heat exchanger) into at least two segments, between which at least one turbomachine is arranged.
  • the heat exchanger is in particular a recuperator in which the heat-absorbing or emitting media are spatially separated by a heat-permeable wall.
  • the at least two segments of the heat exchanger, in particular the Cooling channels of the heat exchanger act before and behind the turbomachine advantageous as suction and pressure side muffler.
  • the reflection muffler contains several, in particular four, chambers in order to use the principle of sound reflection. When passing through the interiors several times, the sound pressure amplitude is averaged, which results in a reduction of the sound pressure peaks. Reflections are generated in a muffler by baffles, cross-sectional widenings and constrictions. Depending on the design, however, can be increased in such a gas flow-through muffler of the gas back pressure. Due to the reflection, the low frequencies are mainly damped in the silencer.
  • an absorption silencer contains in its interior a porous material, usually rock wool or glass wool.
  • the material partially absorbs the sound energy and converts it into heat.
  • the effect of sound absorption is enhanced by the multiple reflection.
  • a reduction of 50 dB (A) is possible, which corresponds to a reduction of the sound pressure by a factor of 300.
  • Absorption in the muffler mainly attenuates the upper frequencies.
  • both methods can be combined, as is the case with car exhaust gases.
  • Here are usually two separate silencer (middle and rear silencer) or a combined silencer before.
  • the advantage lies in the coverage of the widest possible frequency spectrum.
  • a designed with ribs, fins or folded sheets heat exchanger, and its cooling or heating channels also have many chamber-like spaces in which the sound generated by the turbomachine is advantageously reflected multiple times, and thus regularly reduced. This applies not only to the suction and pressure noises of the flowing medium, but also to the actual engine noise of the turbomachine.
  • Suitable turbomachines in the context of this invention are both machines for the forwarding of gaseous, as well as liquid media, ie generally to be understood by fluids. Typical representatives would be, for example, axial or radial fans or pumps. The advantageous effect of the sound reduction occurs, although to varying degrees pronounced, both in gaseous, as well as liquid media.
  • the integration of the turbomachine within the heat exchanger also has the advantage that moving parts of the turbomachine, such as rotating fan blades are better protected within the heat exchanger system and also a risk of injury from fast moving parts can be significantly reduced.
  • the at least one turbomachine is integrated in such a way in the heat exchanger, that the channels of the turbomachine are part of the cooling or heating channels of the heat exchanger.
  • the turbomachine must be sealed relative to the spaces through which the medium to be cooled, or the medium to be heated is guided.
  • the at least two segments of the heat exchanger are connected to one another via a deflection in such a way that the same medium to be cooled or heated is conducted past on both sides of the turbomachine.
  • a deflecting device is arranged on one side, which guides the flow of the medium to be cooled or heated around the turbomachine.
  • a typical application would be, for example, fuel cells or fuel cell stacks, in particular direct methanol fuel cell stacks, which are used as alternatives to accumulators in mobile applications, for example in laptops.
  • the method for operating the heat exchangers comprises the following steps.
  • a medium to be cooled or heated is applied to a first segment of a Passed by the heat exchanger, is passed through the cooling or heating channels a cooling or heating medium.
  • the medium to be cooled, or to be heated is then led directly through a turbomachine arranged adjacent to the first segment in order to be guided further past a second segment of the heat exchanger arranged adjacent to the turbomachine, through the cooling or heating channels thereof as well Coolant or heating medium is passed.
  • the first and the second segment of the heat exchanger can be flowed through by the same cooling or heating medium (with diversion) or of different. Accordingly, the flow directions of the cooling or heating medium in the segments can be both rectified, as well as differently directed, but in any case almost perpendicular to the flow direction of the medium to be cooled or to be heated.
  • the method is characterized in that the cooling or heating medium is passed in a heat exchanger at least two sides of a turbomachine, through which the medium to be cooled or heated is passed.
  • the invention advantageously combines a compact construction of a heat exchanger with a sound-damping function of a turbomachine required for the heat exchanger.
  • FIG. 1 shows schematically an embodiment of the invention with a two-part heat exchanger with a segment 2a and a segment 2b in the form of a cross-flow heat exchanger.
  • the heat exchanger serves to cool the medium A with the aid of the cooling medium B, for example air.
  • the partitions between the medium to be cooled A and the cooling medium B are not shown.
  • the turbomachine 1 is arranged between the two segments of the heat exchanger. This arrangement causes not only the noise reduction but also a compact, space-saving design of this overall system.
  • a deflection box (3) for the medium to be cooled A is arranged on one side of the system, so that the medium to be cooled is guided around the turbomachine and at least twice at the cooling channels (suction - and pressure side) is passed.
  • this is a cross-DC heat exchanger.
  • the flow guidance of the cooling medium B remains unchanged from the embodiment in FIG.
  • FIG. 3 A further specific embodiment of the heat exchanger according to the invention according to FIG. 3 shows the integration of two turbomachines Ia, Ib between three segments of a heat exchanger 2a, 2b, 2c.
  • the three flows of the medium to be cooled A run in the same direction.
  • the cooling medium B passes successively through both flow machines 1 a, 1 b.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the invention, in which, as shown in FIG. 3, the cooling medium B successively passes through two flow machines Ia, Ib.
  • the medium to be cooled is passed by two bypasses on both turbomachines.
  • flow guidance of the medium to be cooled as a cross-DC current (not shown) or as a cross countercurrent. It can be left to a person skilled in the art, for a given cooling problem (medium, volume flow, temperature difference, etc.), to determine a suitable flow guidance and the number of turbomachines required for this purpose and to provide it accordingly without being inventive in themselves.

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Abstract

The invention relates to a heat exchanger which has ducts for conducting a first medium (B) for cooling or heating a second medium (A) and which also has a dynamic-type compressor (1) arranged on the heat exchanger for conveying the first medium (B) through the ducts of the heat exchanger, wherein the heat exchanger comprises at least two parts between which the dynamic-type compressor is arranged. As a result of the integration of the dynamic-type compressor between the individual parts (segments) of the heat exchanger, it is firstly possible to retain a compact design and the heat exchanger secondly functions as a silencer for the dynamic-type compressor which is required for conducting the cooling or heating medium through the heat exchanger. The method according to the invention for cooling or heating a second medium (A) by means of a first medium (B) is characterized in that, in a heat exchanger, the second medium (A) is conducted at at least two sides past a dynamic-type compressor through which the first medium (B) is conducted.

Description

B e s c h r e i b u n g Wärmeaustauscher B e c e r i a s heat exchanger
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere einen mit Luft gekühlten Wärmeaustauscher.The invention relates to a heat exchanger, in particular an air-cooled heat exchanger.
Stand der TechnikState of the art
Ein Wärmeaustauscher oder auch Wärmeübertrager ist ein Apparat, der Wärme bzw. thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Je nach Wärmeübertragung unterscheidet man zwischen der direkten Wärmeübertragung, die auf dem Vorgang der kombinierten Wärme- und Stoffübertragung bei trennbaren Stoffströmen beruht, der indirekten Wärmeübertragung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt werden, und der halbdirekten Wärmeübertragung, die die Eigenschaften eines Wärmespeichers nutzt, und bei der beide Stoffe zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht werden.A heat exchanger or heat exchanger is an apparatus that transfers heat or thermal energy from one material stream to another. Depending on the heat transfer, a distinction is made between the direct heat transfer, which is based on the process of combined heat and mass transfer in separable material flows, the indirect heat transfer, which is characterized in that the material flows are spatially separated by a heat-permeable wall, and the semi-direct heat transfer, which uses the properties of a heat accumulator, and in which both substances are brought into contact with the heat accumulator with a time lag.
Ferner lassen sich die Funktionsweisen eines Wärmeaustauschers nach der Art der Strömungsführung der beteiligten Medien unterscheiden.Furthermore, the modes of operation of a heat exchanger can be differentiated according to the type of flow guidance of the media involved.
Beim Gegenstromprinzip werden die Stoffe so geführt, dass sie entgegenkommend aneinander vorbei strömen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht, das heißt, dass das ursprünglich kalte Medium die Temperatur des ursprünglich heißen Mediums erreicht und umgekehrt. Da in der Regel die Wärmekapazitätsströme auf beiden Seiten des Wärmeübertragers nicht gleich sind, wird dies in der Praxis jedoch höchstens näherungsweise möglich. Im Gleichstrom werden die Stoffe derart geführt, dass sie nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen im Endergebnis immer zwischen den Ausgangstemperaturen. Die dritte Variante, der Kreuzstrom, führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom. Es sind aber auch beliebige Kombinationen dieser drei prinzipiellen Strömungsführungen möglich. Eine beliebte Kombination ist das Kreuzgegenstrom-Prinzip. Dabei werden die Stoffe insgesamt entgegenkommend aneinander vorbei geführt, wobei sie sich auf ihrem Weg immer wieder kreuzen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme wie beim Gegenstrom getauscht. Eine gute Effizienz für einen Wärmeaustauscher ist immer dann gegeben, wenn das Material, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitung und eine große Oberfläche aufweist. Ferner sollte der Wärmeübergang zwischen der Oberfläche und den strömenden Medien möglichst gut sein. Dies ist regelmäßig bei einer turbulenten Strömung gegeben, welche häufig bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, bzw. bei einer hohen Reynoldszahl auftritt.In the countercurrent principle, the substances are guided so that they flow past each other in an accommodating manner. Ideally, the temperatures of the streams are exchanged, that is, the originally cold medium reaches the temperature of the originally hot medium and vice versa. Since, in general, the heat capacity flows are not the same on both sides of the heat exchanger, but in practice this is at most approximately possible. In cocurrent, the materials are guided so that they flow side by side in the same direction. Ideally, both material temperatures are adjusted and, as a final result, always lie between the initial temperatures. The third variant, the cross-flow, guides the streams in such a way that their directions intersect. This material handling is the result between negative and direct current. However, any combinations of these three basic flow guides are also possible. A popular combination is the cross-countercurrent principle. In the process, the fabrics are taken past each other in an accommodating way, crossing each other on their way. Ideally, the temperatures of the streams are exchanged as in countercurrent. Good efficiency for a heat exchanger is always present when the material separating the media has good heat conduction and a large surface area. Furthermore, the heat transfer between the surface and the flowing media should be as good as possible. This is regularly given in a turbulent flow, which often occurs at high flow velocities, or at a high Reynolds number.
Allerdings erhöht sich mit steigender Strömungsgeschwindigkeit im Wärmeübertrager auch der Strömungswiderstand und die Effizienz reduziert sich nachteilig wieder. Ein erhöhter Strömungswiderstand bedeutet auch einen erhöhten Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmeaustauscher zu führen. Zur Förderung eines Kühlmediums, z. B. Luft werden üblicherweise Strömungsmaschinen eingesetzt.However, with increasing flow velocity in the heat exchanger, the flow resistance also increases and the efficiency is reduced disadvantageously again. An increased flow resistance also means an increased energy expenditure to guide the media through the heat exchanger. To promote a cooling medium, for. As air flow machines are usually used.
Insbesondere bei einer Wärmeübertragung, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas, z. B. Luft ist, unterscheidet sich die Wärmekapazität je Volumen der Medien sehr stark. Daher muss in solchen Fällen volumenmäßig weit mehr Gas als Flüssigkeit durch den Wärmeaustauscher strömen. Zudem ist es häufig notwendig, die Fläche für den Wärmeübergang an das Gas zu erhöhen. Dies erfolgt beispielsweise durch Rippen, Lamellen oder gefaltete Bleche, z. B. bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage und dem Kühler des Autos.In particular, in a heat transfer in which one medium is a liquid, the other medium is a gas, for. As is air, the heat capacity per volume of the media is very different. Therefore, in such cases far more gas than liquid must flow through the heat exchanger in volume. In addition, it is often necessary to increase the area for the heat transfer to the gas. This is done for example by ribs, slats or folded sheets, z. As in high-temperature radiators, the cooling coils on the back of a refrigerator or air conditioning and the radiator of the car.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsmaschinen, die zur Förderung von Kühlluft durch Kühlluftkanäle eines Wärmeübertragers eingesetzt werden, werden in der Regel von außen an den Wärmeübertrager angeschlossen. Hierbei ergeben sich die beiden Möglichkeiten, die Strömungsmaschine saugend oder drückend anzuordnen. Die Bauformen der Strömungsmaschinen zur Kühlluftförderung sind üblicherweise so genannte Axial- oder Diagonallüfter. Diese Lüfter fördern bei einer vergleichsweise geringen Baugröße einen verhältnismäßig großen Luftmengenstrom bei jedoch geringem Druckaufbau. Die Geometrie der Kühlkanäle des Wärmeaustauschers muss diesbezüglich ausgelegt werden.The turbomachines known from the state of the art, which are used to convey cooling air through cooling air passages of a heat exchanger, are generally connected from the outside to the heat exchanger. This results in the two ways to arrange the turbomachine sucking or pushing. The designs of turbomachines for cooling air conveying are usually so-called axial or diagonal fans. These fans promote a relatively large amount of air flow at a relatively small size but with low pressure build-up. The geometry of the cooling channels of the heat exchanger must be designed in this regard.
Das Anflanschen der Strömungsmaschine an einen Wärmeaustauscher kann jedoch im Betrieb zu einer hohen Geräuschentwicklung führen. Je nach Anordnung der Strömungsmaschine am Wärmeübertrager ist mit lauten Ausblas- bzw. Ansauggeräuschen zu rechnen. Als Gegenmaßnahme können zwar Schalldämpfer auf der Saug- oder Druckseite angeordnet werden, dies ist jedoch im Allgemeinen mit einem zusätzlichen Kosten- und Leistungsaufwand verbunden und benötigt zusätzlichen Bauraum.Flanging the flow machine to a heat exchanger, however, can lead to a high level of noise during operation. Depending on the arrangement of the turbomachine on the heat exchanger is to be expected with loud exhaust or Ansauggeräuschen. When Although countermeasures can be arranged on the suction or pressure side, this is generally associated with additional cost and effort and requires additional space.
Gegebenenfalls muss für den Anschluss der Strömungsmaschine an den Wärmeübertrager eine komplizierte, und/oder strömungstechnisch ungünstige Anschlussgeometrie vorgesehen werden, die ebenfalls zusätzliche Kosten verursacht und Bauraum benötigt.If necessary, a complicated, and / or flow-technically unfavorable connection geometry must be provided for the connection of the turbomachine to the heat exchanger, which also causes additional costs and space required.
Aufgabe und LösungTask and solution
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher mit einer Strömungsmaschine für ein fluides Medium zur Verfügung zu stellen, welcher die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet, und insbesondere kompakt aufgebaut ist und schallreduziert arbeitet.The invention has for its object to provide a heat exchanger with a flow machine for a fluid medium available, which overcomes the aforementioned disadvantages of the prior art, and in particular has a compact design and operates sound reduced.
Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch einen Wärmeaustauscher mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.The objects of the invention are achieved by a heat exchanger with the entirety of features according to the main claim. Advantageous embodiments of the device will become apparent from the respective dependent claims.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Idee, eine Strömungsmaschine derart in einen Wärmeaustauscher zu integrieren, dass die Nachteile bezüglich der Geräuschentwicklung weitgehend vermieden werden können, und dennoch eine strömungstechnisch sinnvolle, kompakte, Platz sparende Ausführungsform erreicht wird.The basic idea of the invention is based on the idea of integrating a turbomachine into a heat exchanger in such a way that the disadvantages with respect to noise generation can be largely avoided, and yet a flow-technically expedient, compact, space-saving embodiment is achieved.
Dazu sieht die Erfindung vor, den Wärmeübertrager (Wärmeaustauscher) in wenigstens zwei Segmente zu unterteilen, zwischen denen wenigstens eine Strömungsmaschine angeordnet ist. Bei dem Wärmeübertrager handelt es sich insbesondere um einen Rekuperator, bei dem die Wärme aufnehmenden bzw. abgebenden Medien räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Die wenigstens zwei Segmente des Wärmeübertragers, insbesondere die Kühlkanäle des Wärmeaustauschers wirken dabei vor und hinter der Strömungsmaschine vorteilhaft wie saug- und druckseitige Schalldämpfer.For this purpose, the invention provides for subdividing the heat exchanger (heat exchanger) into at least two segments, between which at least one turbomachine is arranged. The heat exchanger is in particular a recuperator in which the heat-absorbing or emitting media are spatially separated by a heat-permeable wall. The at least two segments of the heat exchanger, in particular the Cooling channels of the heat exchanger act before and behind the turbomachine advantageous as suction and pressure side muffler.
Bei der Wirkungsweise von Schalldämpfern lassen sich zwei Arten unterscheiden. Der Reflexionsschalldämpfer enthält mehrere, insbesondere vier Kammern, um das Prinzip der Schallreflexion zu nutzen. Beim mehrfachen Durchlaufen der Innenräume kommt es zu einer Mittelung der Schalldruckamplitude, was eine Reduzierung der Schalldruckspitzen zur Folge hat. Reflexionen werden in einem Schalldämpfer durch Prallwände, Querschnittserweiterungen und -Verengungen erzeugt. In Abhängigkeit von der Konstruktionsweise kann sich jedoch bei einem solchen Gas durchströmten Schalldämpfer der Gasgegendruck erhöhen. Durch die Reflexion werden im Schalldämpfer hauptsächlich die tiefen Frequenzen gedämpft.When it comes to the effectiveness of silencers, two types can be distinguished. The reflection muffler contains several, in particular four, chambers in order to use the principle of sound reflection. When passing through the interiors several times, the sound pressure amplitude is averaged, which results in a reduction of the sound pressure peaks. Reflections are generated in a muffler by baffles, cross-sectional widenings and constrictions. Depending on the design, however, can be increased in such a gas flow-through muffler of the gas back pressure. Due to the reflection, the low frequencies are mainly damped in the silencer.
Demgegenüber enthält ein Absorptionsschalldämpfer in seinem Inneren ein poröses Material, im Regelfall Steinwolle oder Glaswolle. Das Material absorbiert die Schallenergie teilweise und wandelt sie dabei in Wärme um. Der Effekt der Schallabsorption wird durch die Mehrfachreflexion verstärkt. Es ist eine Reduzierung um 50 dB(A) möglich, was einer Verringerung des Schalldrucks um den Faktor 300 entspricht. Durch Absorption werden im Schalldämpfer hauptsächlich die oberen Frequenzen gedämpft.In contrast, an absorption silencer contains in its interior a porous material, usually rock wool or glass wool. The material partially absorbs the sound energy and converts it into heat. The effect of sound absorption is enhanced by the multiple reflection. A reduction of 50 dB (A) is possible, which corresponds to a reduction of the sound pressure by a factor of 300. Absorption in the muffler mainly attenuates the upper frequencies.
Im Regelfall können beide Verfahren kombiniert werden, wie es bei Autoabgasen der Fall ist. Hier liegen üblicherweise zwei getrennte Schalldämpfer (Mittel- und Endschalldämpfer) oder ein kombinierter Schalldämpfer vor. Der Vorteil liegt in der Abdeckung eines möglichst breiten Frequenzspektrums.As a rule, both methods can be combined, as is the case with car exhaust gases. Here are usually two separate silencer (middle and rear silencer) or a combined silencer before. The advantage lies in the coverage of the widest possible frequency spectrum.
Ein mit Rippen, Lamellen oder gefalteten Blechen ausgestalteter Wärmeaustauscher, bzw. dessen Kühl-, bzw. Heizkanäle weisen ebenfalls viele kammerartige Räume auf, in denen der von der Strömungsmaschine erzeugte Schall vorteilhaft mehrfach reflektiert, und damit regelmäßig auch reduziert wird. Dies trifft nicht nur für die Saug- und Druckgeräusche des strömenden Mediums, sondern auch auf das eigentliche Motorengeräusch der Strömungsmaschine zu. Unter geeigneten Strömungsmaschinen im Sinne dieser Erfindung sind sowohl Maschinen für die Weiterleitung von gasförmigen, als auch von flüssigen Medien, d. h. allgemein von Fluiden zu verstehen. Typische Vertreter wären beispielsweise axial oder radial betriebene Lüfter oder auch Pumpen. Die vorteilhafte Wirkung der Schallreduzierung tritt, wenn auch unterschiedlich stark ausgeprägt, sowohl bei gasförmigen, als auch bei flüssigen Medien auf.A designed with ribs, fins or folded sheets heat exchanger, and its cooling or heating channels also have many chamber-like spaces in which the sound generated by the turbomachine is advantageously reflected multiple times, and thus regularly reduced. This applies not only to the suction and pressure noises of the flowing medium, but also to the actual engine noise of the turbomachine. Suitable turbomachines in the context of this invention are both machines for the forwarding of gaseous, as well as liquid media, ie generally to be understood by fluids. Typical representatives would be, for example, axial or radial fans or pumps. The advantageous effect of the sound reduction occurs, although to varying degrees pronounced, both in gaseous, as well as liquid media.
Die Integration der Strömungsmaschine innerhalb des Wärmeaustauschers weist ferner den Vorteil auf, dass bewegliche Teile der Strömungsmaschine, wie beispielsweise rotierende Lüfterflügel innerhalb des Wärmeaustauschersystems besser geschützt sind und zudem eine Verletzungsgefahr durch sich schnell bewegende Teile deutlich reduziert werden kann.The integration of the turbomachine within the heat exchanger also has the advantage that moving parts of the turbomachine, such as rotating fan blades are better protected within the heat exchanger system and also a risk of injury from fast moving parts can be significantly reduced.
Die wenigstens eine Strömungsmaschine ist dabei derart in den Wärmeübertrager eingebunden, dass die Kanäle der Strömungsmaschine Bestandteil der Kühl- bzw. Heizkanäle des Wärmeaustauschers sind. Die Strömungsmaschine muss dazu gegenüber den Räumen, durch die das zu kühlende, bzw. das aufzuheizende Medium geführt wird, entsprechend abgedichtet sein.The at least one turbomachine is integrated in such a way in the heat exchanger, that the channels of the turbomachine are part of the cooling or heating channels of the heat exchanger. The turbomachine must be sealed relative to the spaces through which the medium to be cooled, or the medium to be heated is guided.
In einer speziellen Ausgestaltung werden die wenigstens zwei Segmente des Wärmeaustauschers über eine Umlenkung derart miteinander verbunden, dass dasselbe zu kühlende, bzw. aufzuheizende Medium an beiden Seiten der Strömungsmaschine vorbeigeführt wird. Dazu wird an einer Seite eine Umlenkvorrichtung angeordnet, die der Strom des zu kühlenden, bzw. aufzuheizenden Mediums um die Strömungsmaschine herumleitet.In a special embodiment, the at least two segments of the heat exchanger are connected to one another via a deflection in such a way that the same medium to be cooled or heated is conducted past on both sides of the turbomachine. For this purpose, a deflecting device is arranged on one side, which guides the flow of the medium to be cooled or heated around the turbomachine.
Als Einsatzgebiet für die erfinderischen Wärmeaustauscher sind insbesondere mobile Anwendungen zu nennen, bei denen es neben einer kompakten Bauweise, auch auf eine möglichst geringe Schallemission ankommt. Eine typische Anwendung wären beispielsweise Brennstoffzellen, bzw. Brennstoffzellenstapel, insbesondere Direkt-Methanol-Brennstoffzellen- stapel, die als Alternativen zu Akkumulatoren in mobilen Anwendungen, zum Beispiel in Laptops, eingesetzt werden.As a field of application for the inventive heat exchangers, in particular mobile applications are to be mentioned in which, in addition to a compact design, the lowest possible acoustic emission is required. A typical application would be, for example, fuel cells or fuel cell stacks, in particular direct methanol fuel cell stacks, which are used as alternatives to accumulators in mobile applications, for example in laptops.
Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher umfasst folgende Schritte. Ein zu kühlendes, bzw. aufzuheizendes Medium wird an einem ersten Segment eines Wärmetauschers vorbeigeleitet, durch dessen Kühl-, bzw. Heizkanäle ein Kühl-, bzw. Heiz- mittel geleitet wird. Das zu kühlende, bzw. aufzuheizende Medium wird anschließend direkt durch eine benachbart zum ersten Segment angeordnete, Strömungsmaschine gefuhrt, um direkt weiter an einem, benachbart zur Strömungsmaschine angeordneten, zweiten Segment des Wärmetauschers vorbeigeleitet zu werden, durch dessen Kühl- bzw. Heizkanäle ebenfalls ein Kühl- bzw. Heizmittel geleitet wird. Das erste und das zweite Segment des Wärmeaustauschers können dabei vom selben Kühl- bzw. Heizmedium durchflössen werden (mit Umleitung) oder aber von verschiedenen. Entsprechend können die Fließrichtungen des Kühl- bzw. Heizmediums in den Segmenten sowohl gleichgerichtet, als auch unterschiedlich gerichtet sein, in jedem Fall aber nahezu senkrecht zur Fließrichtung des zu kühlenden, bzw. aufzuheizenden Mediums.The method for operating the heat exchangers according to the invention comprises the following steps. A medium to be cooled or heated is applied to a first segment of a Passed by the heat exchanger, is passed through the cooling or heating channels a cooling or heating medium. The medium to be cooled, or to be heated, is then led directly through a turbomachine arranged adjacent to the first segment in order to be guided further past a second segment of the heat exchanger arranged adjacent to the turbomachine, through the cooling or heating channels thereof as well Coolant or heating medium is passed. The first and the second segment of the heat exchanger can be flowed through by the same cooling or heating medium (with diversion) or of different. Accordingly, the flow directions of the cooling or heating medium in the segments can be both rectified, as well as differently directed, but in any case almost perpendicular to the flow direction of the medium to be cooled or to be heated.
Aus Sicht des Kühl- bzw. Heizmediums ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- bzw. Heizmedium in einem Wärmeaustauscher an wenigsten zwei Seiten einer Strömungsmaschine vorbeigeleitet wird, durch die das zu kühlende bzw. aufzuheizende Medium geleitet wird.From the perspective of the cooling or heating medium, the method is characterized in that the cooling or heating medium is passed in a heat exchanger at least two sides of a turbomachine, through which the medium to be cooled or heated is passed.
Für den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher sind dabei alle gängigen Ausführungsformen denkbar, insbesondere:For the heat exchanger according to the invention, all common embodiments are conceivable, in particular:
- gas / gas Wärmeübertrager,- gas / gas heat exchanger,
- flüssig / flüssig Wärmeübertrager,- liquid / liquid heat exchanger,
- flüssig (zu kühlendes Medium) / gas (Kühlmedium),- liquid (medium to be cooled) / gas (cooling medium),
- gas (zu kühlendes Medium) / flüssig (Kühlmedium),- gas (medium to be cooled) / liquid (cooling medium),
- kondensierende Atmosphäre mit und ohne Inertgasanteil (zu kühlendes Medium) / flüssig (Kühlmedium), entspricht einem flüssiggekühlten Kondensator,- Condensing atmosphere with and without inert gas (to be cooled medium) / liquid (cooling medium), corresponds to a liquid-cooled condenser,
- kondensierende Atmosphäre mit und ohne Inertgasanteil (zu kühlendes Medium) / gas (Kühlmedium), entspricht einem gasgekühlter Kondensator.- Condensing atmosphere with and without inert gas (to be cooled medium) / gas (cooling medium), corresponds to a gas-cooled condenser.
Die Erfindung verbindet in vorteilhafter Weise eine kompakte Bauweise eines Wärmetauschers mit einer schalldämpfenden Funktion einer für den Wärmetauscher benötigten Strömungsmaschine . Spezieller BeschreibungsteilThe invention advantageously combines a compact construction of a heat exchanger with a sound-damping function of a turbomachine required for the heat exchanger. Special description part
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger Ausfuhrungsbeispiele näher erläutert, ohne dass die Erfindung dadurch darauf beschränkt wird.The invention will be explained in more detail with reference to some exemplary embodiments, without the invention being limited thereto.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit einem zweiteiligen Wärmetauscher mit einem Segment 2a und einem Segment 2b in Form eines Kreuzstromwärmeübertragers. Der Wärmetauscher dient hierbei zum Abkühlen des Mediums A mit Hilfe des Kühlmediums B, beispielsweise Luft. Die Trennwände zwischen dem zu kühlenden Medium A und dem Kühlmedium B sind nicht eingezeichnet. Zwischen den beiden Segmenten des Wärmetauschers ist die Strömungsmaschine 1 angeordnet. Diese Anordnung bewirkt neben der Geräuschreduzierung auch eine kompakte, Platz sparende Bauweise dieses Gesamtsystems.1 shows schematically an embodiment of the invention with a two-part heat exchanger with a segment 2a and a segment 2b in the form of a cross-flow heat exchanger. The heat exchanger serves to cool the medium A with the aid of the cooling medium B, for example air. The partitions between the medium to be cooled A and the cooling medium B are not shown. Between the two segments of the heat exchanger, the turbomachine 1 is arranged. This arrangement causes not only the noise reduction but also a compact, space-saving design of this overall system.
In einer speziellen Ausgestaltung, wie in Figur 2 zu sehen, ist an einer Seite des Systems ein Umlenkkasten (3) für das zu kühlende Medium A angeordnet, so dass das zu kühlende Medium um die Strömungsmaschine herumgeführt wird und wenigstens zweimal an den Kühlkanälen (saug- und druckseitig) vorbeigeführt wird. Bezüglich der Strömungsführung handelt es sich hierbei um einen Kreuzgleichstromwärmeübertrager. Die Strömungsführung des Kühlmediums B bleibt gegenüber der Ausführung in Figur 1 unverändert.In a special embodiment, as seen in Figure 2, a deflection box (3) for the medium to be cooled A is arranged on one side of the system, so that the medium to be cooled is guided around the turbomachine and at least twice at the cooling channels (suction - and pressure side) is passed. With regard to the flow guidance, this is a cross-DC heat exchanger. The flow guidance of the cooling medium B remains unchanged from the embodiment in FIG.
Eine weitere spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers gemäß Figur 3 zeigt die Integration von zwei Strömungsmaschinen Ia, Ib zwischen drei Segmenten eines Wärmeaustauschers 2a, 2b, 2c. In dieser Ausführung verlaufen die drei Strömungen des zu kühlenden Mediums A in derselben Richtung. Dies ist aber erfindungsgemäß nicht darauf eingeschränkt. Das Kühlmedium B durchläuft nacheinander beide Strömungsmaschinen 1 a, Ib.A further specific embodiment of the heat exchanger according to the invention according to FIG. 3 shows the integration of two turbomachines Ia, Ib between three segments of a heat exchanger 2a, 2b, 2c. In this embodiment, the three flows of the medium to be cooled A run in the same direction. However, this is not limited to this according to the invention. The cooling medium B passes successively through both flow machines 1 a, 1 b.
Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der, ähnlich wie in Figur 3 dargestellt, das Kühlmedium B nacheinander zwei Strömungsmaschinen Ia, Ib durchläuft. In dieser Version wird aber das abzukühlende Medium durch zweifache Umleitung an beiden Strömungsmaschinen vorbeigeführt. Denkbar ist eine Strömungsführung des zu kühlenden Mediums als Kreuzgleichstrom (nicht dargestellt) oder auch als Kreuzgegenstrom. Einem Fachmann kann es überlassen werden, für ein vorgegebenes Kühlproblem (Medium, Volumenstrom, Temperaturdifferenz, etc.) eine geeignete Strömungsführung und die Anzahl an dazu benötigten Strömungsmaschinen zu ermitteln und entsprechend vorzusehen, ohne selbst erfinderisch tätig zu werden. FIG. 4 shows a further embodiment of the invention, in which, as shown in FIG. 3, the cooling medium B successively passes through two flow machines Ia, Ib. In this version, however, the medium to be cooled is passed by two bypasses on both turbomachines. It is conceivable flow guidance of the medium to be cooled as a cross-DC current (not shown) or as a cross countercurrent. It can be left to a person skilled in the art, for a given cooling problem (medium, volume flow, temperature difference, etc.), to determine a suitable flow guidance and the number of turbomachines required for this purpose and to provide it accordingly without being inventive in themselves.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Wärmeaustauscher1. heat exchanger
- mit Kanälen zur Durchleitung eines ersten Mediums (B) zur Kühlung bzw. Aufheizung eines zweiten Mediums (A) und- With channels for the passage of a first medium (B) for cooling or heating a second medium (A) and
- mit einer an den Wärmeaustauscher angeordneten Strömungsmaschine (1) zur Förderung des ersten Mediums (B) durch die Kanäle des Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher wenigstens zwei Teile umfasst, zwischen denen die Strömungsmaschine angeordnet ist.- With a heat exchanger arranged on the flow machine (1) for conveying the first medium (B) through the channels of the heat exchanger, characterized in that the heat exchanger comprises at least two parts, between which the turbomachine is arranged.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, mit einer Pumpe als Strömungsmaschine.2. Heat exchanger according to claim 1, with a pump as a turbomachine.
3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 2, mit Rippen, Lamellen oder gefalteten Blechen.3. Heat exchanger according to one of claims 1 to 2, with ribs, fins or folded sheets.
4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Strömungsmaschine zur Förderung eines gasförmigen ersten Mediums.4. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, with a turbomachine for conveying a gaseous first medium.
5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Wärmeaustauscher in wenigstens drei Teilen vorliegt, zwischen denen jeweils eine Strömungsmaschine angeordnet ist.5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 4, wherein the heat exchanger is present in at least three parts, between each of which a turbomachine is arranged.
6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Teile des Wärmeaustauschers die Strömungsmaschine oder die Strömungsmaschinen ganz umgeben.6. Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, wherein the parts of the heat exchanger completely surround the turbomachine or turbomachinery.
7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem wenigstens eine Strömungsmaschine ein Lüfter ist.7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, wherein at least one turbomachine is a fan.
8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei dem der Wärmeaustauscher Lamellen aufweist.8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, wherein the heat exchanger has fins.
9. Verfahren zum Kühlen bzw. Aufheizen eines zweiten Mediums (A) durch ein erstes Medium (B) , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (A) in einem Wärmeaustauscher an wenigsten zwei Seiten einer Strömungsmaschine vorbeigeleitet wird, durch die das erste Medium (B) geleitet wird. 9. A method for cooling or heating a second medium (A) by a first medium (B), characterized in that the second medium (A) is passed in a heat exchanger at least two sides of a turbomachine, through which the first medium ( B) is passed.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Strömungsmaschine eine Pumpe ist.10. The method of claim 9, wherein the turbomachine is a pump.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei dem der Wärmeaustausch über Rippen oder Lamellen erfolgt.11. The method according to any one of claims 9 to 10, wherein the heat exchange via ribs or fins takes place.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem ein gasförmiges erstes Medium (B) eingesetzt wird.12. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein a gaseous first medium (B) is used.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem ein flüssiges erstes Medium (B) eingesetzt wird.13. The method according to any one of claims 9 to 11, wherein a liquid first medium (B) is used.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem ein flüssiges zweites Medium (A) eingesetzt wird.14. The method according to any one of claims 9 to 13, wherein a liquid second medium (A) is used.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem ein gasförmiges zweites Medium (A) eingesetzt wird.15. The method according to any one of claims 9 to 13, wherein a gaseous second medium (A) is used.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem das zweite Medium (A) zunächst an einer ersten Seite der Strömungsmaschine vorbeigeleitet wird, und anschließend durch Umlenkung an der zweiten Seite der Strömungsmaschine vorbeigeleitet wird.16. The method according to any one of claims 9 to 15, wherein the second medium (A) is first passed past a first side of the turbomachine, and is then guided past by deflection on the second side of the turbomachine.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem das zweite Medium (A) durch das erste Medium (B) aufgeheizt wird.17. The method according to any one of claims 9 to 16, wherein the second medium (A) by the first medium (B) is heated.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem das zweite Medium (A) durch das erste Medium (B) abgekühlt wird. 18. The method according to any one of claims 9 to 16, wherein the second medium (A) is cooled by the first medium (B).
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