EP2313729A1 - Kompakter lamellenwärmetauscher - Google Patents

Kompakter lamellenwärmetauscher

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Publication number
EP2313729A1
EP2313729A1 EP09772025A EP09772025A EP2313729A1 EP 2313729 A1 EP2313729 A1 EP 2313729A1 EP 09772025 A EP09772025 A EP 09772025A EP 09772025 A EP09772025 A EP 09772025A EP 2313729 A1 EP2313729 A1 EP 2313729A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
tubes
exchanger according
finned heat
slats
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Withdrawn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
EP09772025A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Niels Braunschweig
Sören PAULUSSEN
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.)
INVENSOR GmbH
Original Assignee
INVENSOR GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by INVENSOR GmbH filed Critical INVENSOR GmbH
Priority to EP09772025A priority Critical patent/EP2313729A1/de
Publication of EP2313729A1 publication Critical patent/EP2313729A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0477—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits being bent in a serpentine or zig-zag

Definitions

  • Sorption machines or sorption heat pumps or sorption refrigerators are described in various embodiments in the prior art and are generally used for heating and / or cooling of buildings, as well as the water and air temperature control in general. They are characterized by a particularly good primary energy efficiency, since they raise with the aid of a thermodynamic cycle, for example, ambient heat to a usable for a heating and hot water temperature level. A distinction is made between machines based on adsorption or absorption.
  • adsorption gaseous refrigerant
  • the desorption accordingly as dissolution of a solid.
  • the refrigerant which absorbs heat at a low temperature and low pressure and gives off heat at a higher temperature and pressure, is selected so that the adsorption or desorption is accompanied by an aggregate state change.
  • adsorbent materials are described in the prior art, which are finely porous and therefore have a very large inner surface.
  • Advantageous materials include activated carbon, zeolites, alumina or silica gel, aluminum phosphates, silica-aluminum phosphates, metal-silica-aluminum phosphates, mesostructure silicates, metal-organic frameworks and / or microporous material comprising microporous polymers.
  • the Adsorptionskarltemaschine consists of at least one ad / desorber unit, at least one evaporator, at least one condenser and / or a combined evaporator / condenser unit, which housed in a common container or in separate containers, which then o.a. for the
  • Refrigerant flow are interconnected.
  • the advantage of the sorption machines compared to conventional heat pump technology is that the process is carried out solely by the temperature of the sorbent.
  • the container can be hermetically sealed and gas-tight.
  • the adsorption chiller preferably operates in the vacuum range. Due to the very low density of the refrigerant in the vacuum range, this sometimes leads to very high flow velocities (For example, 25 m / s - 100 m / s, or g Banker) of the vapor refrigerant. Accordingly, the vapor flows within an adsorption machine must be carefully designed to avoid unnecessary pressure losses of the vapor flow.
  • tubular heat exchangers which consist of a plurality of parallel tubes through which the heat transfer fluid flows, wherein the tubes are surrounded by the refrigerant or adsorbent.
  • the tubes can be equipped with additional attached perpendicular to the tubes slats, that is, for example, the slats are pushed onto the tubes and the tubes then expanded.
  • finned heat exchangers are in
  • Substantially rectangular slats are used, which are in metallic contact with the core tubes, wherein the slats are designed substantially so that they have the same width and / or height of the heat exchanger.
  • Laminated heat exchangers are often used in adsorption machines as adsorber / desorber, as a condenser, as an evaporator and / or as an evaporator / condenser unit.
  • adsorber / desorber When used as adsorber / desorber, the adsorbent is between or on the lamellae.
  • the refrigerant When used as an evaporator, the refrigerant is usually evaporated between the slats, which is between the slats.
  • a disadvantage of the prior art is that the respective steam flow must flow in the use of a fin heat exchanger within the channels between the slats, resulting from the geometry of the heat exchanger. With larger or more intensive evaporation and sorption processes, pressure losses of the steam flow occur so regularly.
  • these heat exchangers arranged in this way must then be hydraulically piped together so that they correspond in function to a component according to this further production step.
  • the finned heat exchanger is designed as an evaporator in an adsorption machine, effective operating phases such as falling film evaporation are difficult to realize because the refrigerant must be introduced from above into the evaporator and pumped.
  • moving parts are built into the adsorption machine, which are prone to failure and possibly require regular maintenance.
  • the heat transfer results in a vertical orientation of the slats the suboptimal effect that the refrigerant to be evaporated is indeed between the slats, the full slat surface, however, does not work for the evaporation process, but essentially the simple water surface for the heat transfer is relevant.
  • the object of the invention was therefore to provide a fin heat exchanger, which does not have the disadvantages and shortcomings of the described in the prior art fin heat exchanger.
  • this task is characterized by the characteristics of the independent
  • a laminated heat exchanger comprising tube packages consisting of a plurality of tubes arranged in a plane and a fluid flowing in the tubes and lamellae, which are spaced apart from one another, are arranged in parallel and are penetrated by the tubes arranged in each case in one plane , wherein between the stacked pipe pacts Passage passages exist and the tube packages are arranged in several superposed planes alternately with the free passages, wherein the stacked raw packets are not thermally conductively connected via fins, can be provided and does not have the disadvantages of the prior art.
  • a core tube according to the invention is an elongated hollow body whose length is usually much larger than its cross-section and has a rigidity. It may also have a rectangular, oval or other cross-section.
  • the core tube is serpentine-shaped and runs as a coil through the heat exchanger in the superimposed planes.
  • the fluid which comprises, for example, water or another heat carrier, is passed through the tubes and the tubes are arranged such that the tube packages are in one plane.
  • the layer can be in a vertical, horizontal, or other position.
  • the tube packages are arranged in particular as a raw coil in a plane, that is, the tubes extend in a plane.
  • Slats are attached to the tubes in a plane, i. the tubes have a lamellar ribbing.
  • the person skilled in the art knows how a ribbed ribbing can be applied to pipes.
  • the tubes can be widened after applying the slats, or the slats are pressed onto the pipes by machine, so that a connection between the slats and the pipes is formed.
  • a lamellar ribbing referred to in the context of the invention an arrangement of fins on the tubes to increase the surface area of the tubes, or the heat exchange surface.
  • the lamellae are arranged at a distance from one another, which the person skilled in the art can determine empirically by means of routine tests.
  • a substantially parallel arrangement of the slats The person skilled in the art understands, under a substantially parallel arrangement of the lamellas, that the lamellae can be arranged parallel to one another, but also with a tolerance of 5 to 10 degrees to one another.
  • the tube packages are arranged one above the other in the lamella heat exchanger, free passages or clearances being created between the tube packs.
  • Free passage referred to in the context of the invention, a cavity in the heat exchanger, which has no functional components.
  • an alternating arrangement of the stacked tube packages with the free passages that is, between two stacked tube packages creates a free passage.
  • a distance, ie a free passage, between two tube packages of 0.5 cm is preferred.
  • the pipe pacts can be arranged one above the other at different angles.
  • a substantially parallel arrangement of the tube packages is advantageous.
  • a substantially parallel arrangement also includes an arrangement of the tube packages that deviates from idealized parallelism by 5-10 degrees.
  • the plate heat exchanger according to the invention By the plate heat exchanger according to the invention and the attachment of the fins on the tubes and the arrangement of the tube packages alternately with the free passages a simple and effective enlargement of the heat exchange surface is realized.
  • the refrigerant can flow through the fin heat exchanger without the steam flow suffers a pressure loss.
  • the fin heat exchanger consists of a component, whereas the heat exchangers disclosed in the prior art many times consist of several components.
  • an installation of the finned heat exchanger in a system and a maintenance of the finned heat exchanger is much easier, since the heat exchanger is easy to handle by a fitter and the fitter receives, due to the free passages, also access to the interior of the heat exchanger.
  • the tube packages have at least one frictionally attached end plate.
  • the end plate is non-positively connected to at least one arranged in a plane tube package.
  • non-positive connections include screws, presses, rivets, clamping rings, molded parts, bent pipe sections and / or screws.
  • the end plates are soldered or welded to the tube packages.
  • the end plates perpendicular to the tube pacts, are arranged on both opposite sides of the plate heat exchanger.
  • the end plates stabilize the pipe packs arranged in a plurality of superimposed planes and also permit easy attachment of the plate heat exchanger via the end plates to, for example, a surface and the supply and discharge of the fluid flowing through the tubes by means of line systems attached to the end plates.
  • the tube packages are from the
  • End plates fitted that is, the end plates limit the tube packages in the vertical and serve to stabilize the tube packages.
  • the embodiment thus allows a compact design of the fin heat exchanger.
  • the end plates consist of metal and / or ceramic materials.
  • the end plates are made of metal, whereby an optimum strength of the end plates and optimum stability of the attached to the Endblechchen tube packages is achieved.
  • preferred variants include steel, stainless steel, cast iron, copper, brass, nickel alloys, titanium alloys, aluminum alloys, combinations of plastic and metal (composite pipe), combinations of glass and metal (enamel) or ceramic. Ceramic materials, including building ceramic materials, have a high stability and long durability. In addition, weight can be saved by this advantage variant.
  • the end sheets may also be advantageous for the end sheets to have holes. In this case, holes that are suitable for receiving the core tube, are released. The holes in the Endblechen example, the steam can escape better from the heat exchanger.
  • the free passages have a height of more than 0.5 cm. Between the stacked tube packages arise free passages, in which, according to the invention, preferably no functional components are arranged. It is advantageous if the free passage has a height of more than 0.5 cm, that is, if the distance between the stacked tube packages is more than or equal to 0.5 cm. It may also be advantageous if between two arranged in a plane tube packages a distance of 0.5 - 20 cm. Particularly advantageous may be a distance of 0, 5 - 3 cm.
  • the free passage allows easy handling of the heat exchanger and good accessibility for the assembly of other components and simplifies the maintenance of the heat exchanger by a fitter.
  • the advantageously stacked tube packages have a Lamellenverrippung, that is, lamellae are spaced from the pipes.
  • the tube packages are arranged alternately with free passages and the slats do not protrude into the free passages hienein.
  • the heat conduction from the tubes to the lamellae is limited to the lamellar ribbing, so that no or only a germinger heat loss occurs.
  • the heat exchangers disclosed in the prior art have fins which connect a plurality of tube packages together. However, the heat conduction is not lossless due to the relatively long fins and effective heat exchange is not possible.
  • the preferred embodiment, short slats are installed, which guarantee a uniform heat distribution and thus improve the heat exchange.
  • the tube packages are arranged in several horizontal planes.
  • the tube packs are arranged one above the other alternately with free passages, wherein the tube packs are structured in a plurality of horizontal planes, that is, the planes are arranged substantially parallel or plane-parallel. It is known to the person skilled in the art that a substantially parallel arrangement, a parallel arrangement of the planes to each other with a tolerance of 5 - 10 degrees.
  • the horizontal arrangement of the tube packages allows a compact design of the fin heat exchanger and optimal flow and homogeneous distribution of the fluid flowing through the heat exchanger.
  • the incoming fluid for example a refrigerant
  • the tube bundles are wetted with the tube ribbing by a thin fluid film, whereby the heat exchange surface is increased and thus the efficiency of the heat exchanger is improved.
  • the tubes are made of metal, plastic and / or ceramic materials.
  • Preferred variants include steel, stainless steel, cast iron, copper, brass, nickel alloys, titanium alloys, aluminum alloys, plastic, combinations of plastic and metal (composite pipe), combinations of glass and metal (enamel) or ceramic.
  • Frictional connections include clamping rings, molded parts, bent pipe sections, screws or rivets. Bonded joints include gluing, welding or vulcanizing. Due to the good thermal conductivity copper or aluminum is advantageously used as the material for the pipes, whereby the use of stainless steel can be advantageous because it has high static and dynamic strength values and a high thermal conductivity.
  • Tubes made of plastic, comprising polyvinyl chloride are particularly light and flexible and can thus reduce the weight of the heat exchanger, without, however, leading to losses in the heat conduction.
  • the tubes and the lamellae are thermally conductively connected.
  • the tubes have a Lamellenverrippung, wherein the lamellae spaced from each other, are arranged in parallel on the tubes and are penetrated by the arranged in each case a plane tubes.
  • the connection between the tubes and the fins is a heat-conducting connection.
  • the slats made of metal, plastic and / or ceramic materials and have a rectangular shape.
  • the preferred materials provide optimum bonding and thus heat transfer between the tubes and the fins.
  • the materials guarantee a stability of the lamellae even under high load due to, for example, high temperatures or varying pressures.
  • a rectangular shape of the slats whereby other shapes such as round or oval may be possible. Due to the preferred shape of the lamella surface enlargement is achieved and the heat exchange surface is increased.
  • rectangular shapes are advantageous for the production of lamellar ribbing and are particularly inexpensive to produce.
  • a shell is arranged in the free passage.
  • the tube packages are arranged one above the other in the heat exchanger in several levels. Between two superposed levels creates a free passage, the
  • Pipe packages are arranged alternately with the free passages.
  • a shell may be introduced, which advantageously has the same base as the tube packages, but can also occupy only a portion of the base.
  • the base area of the tube packs refers to the area of the tube pacts, that is to say the area dependent on the side lengths.
  • These trays or swamps or trays may be secured to the fins and / or pipes via seals such as a rubber or adhesive seal.
  • the shells are advantageously made of metal or plastic. For example, from above into the heat exchanger entering liquid fluid enters the horizontally arranged under the tube bundles shells and is held and stored there, creating a water plane. The preferred embodiment thus enables stacking of water levels.
  • the lamellae of the tube packages partially protrude into the fluid in the shells. It may also be advantageous if the tubes protrude into the liquid fluid. Due to the direct contact of the fluid with the fins and / or the tubes, an effective heat exchange between the fluid and the fins or tubes takes place.
  • overflow devices are mounted in the trays.
  • the shells fill with, for example, a liquid fluid and the Overflow devices serve to adjust the level of liquid in the shell so as to prevent an uncontrolled overflow of the shell.
  • overflow conduits or tubes may be used that are vertically attached to the bottom of each tray and carry excess liquid fluid to a next underlying tray.
  • dents or holes inserted laterally in the cups can control the fluid level.
  • a liquid level is set in the shells, which guarantees optimum operation of the fin heat exchanger. Effective operations may be performed in the fin heat exchanger in which a liquid fluid is introduced from above into the fin heat exchanger and the fluid is collected in the trays, with overflow devices adjusting the liquid level.
  • the effectiveness of the heat exchangers can be improved by the preferred embodiment.
  • the fin heat exchanger has inlet and outlet lines for hydraulic interconnection and operation.
  • the heat transfer medium is fed via supply and discharge lines, including pipes, pipe sections, pipe fittings or valves in the heat exchanger.
  • the heat transfer medium from the heat exchanger is directed into a heat transfer circuit. Due to the advantageous arrangement of the inlet and outlet lines, an effective interconnection of the heat transfer circuit is possible, whereby a small heat loss.
  • the invention also relates to the use of a fin heat exchanger for sorption machines, in particular adsorption refrigeration machines.
  • Sorption machines or adsorption machines are described in the prior art and comprise either a condenser heat exchanger and an evaporator heat exchanger or an evaporator-condenser unit and at least one adsorber / desorber unit with heat exchanger and sorption material.
  • the attachment to a solid or adsorbent material is referred to as adsorption and the desorption accordingly as dissolution of a solid.
  • adsorbent materials can be used which are finely porous and have a very large internal surface, comprising activated carbon, zeolites, alumina or silica gel, aluminum phosphates, silica-aluminum phosphates, metal-silica-aluminum phosphates, mesostructure silicates, metal-organic frameworks and / or microporous Material comprising microporous polymers. It was surprising that the plate heat exchanger according to the invention for an adsorption machine does not have the deficiencies described in the prior art.
  • the finned heat exchanger can be used as an evaporator in a Adsorptionshimltemaschine, whereby, for example, an effective use of Rieselfilmverdampfung for Adsorptionshimltemaschinen without the additional pumps must be installed to circulate the refrigerant and from above to guide the heat exchanger is possible.
  • the refrigerant accumulates in the trays when inserted from the top in the fin heat exchanger. As the refrigerant boils, the refrigerant splashes on the vertical fins, creating a thin film on the vertical fins.
  • menisci form on the lamellas, which increase the surface area. Due to the increase in surface area, there is a rapid change in the state of matter, and the heat carrier flowing through the heat exchanger is cooled. In addition, the refrigerant and the resulting steam can optimally flow through the passed through with free passages heat exchanger. An effective heat exchanger improves the efficiency of the adsorption chiller.
  • the finned heat exchanger can be used as a condenser in a Adsorptionshimltemaschine.
  • the arrangement of the tube packages with the free passages and the fins promote a distribution of a flowing through the heat exchanger gaseous fluid.
  • the heat transfer can thus take place on a large heat exchange surface, wherein the heat transfer medium is heated by the condensation of the refrigerant.
  • the absorbed heat can be used, for example, for the evaporation in the adsorber or supplied to an external source as heat.
  • the cooling of the refrigerant is particularly supported by the large exchange surface, which results from the lamellar ribbing. Thus, an efficient heat exchange between the heat transfer medium and the refrigerant takes place.
  • a fin heat exchanger as a heat exchanger of an adsorber / desorber unit for sorption, in particular adsorption is preferred.
  • the structuring according to the invention of the fin heat exchanger is arranged with the superimposed Pipe packages, the free passages and the slats of advantage, since sorption material can be introduced between the slats and so optimal heat exchange with an enlarged contact or heat exchange surface can take place.
  • sorption material can be introduced between the slats and so optimal heat exchange with an enlarged contact or heat exchange surface can take place.
  • Through the free passages a pressure loss-free inflow and outflow of the vapor refrigerant is possible.
  • FIG. 4a side view of a fin heat exchanger described in the prior art
  • Figure 1a) and b) show a plan view and a side view of a fin heat exchanger, as described in the prior art.
  • Heat transfer medium is conducted via the supply and discharge lines 4 into and out of the tubes 2 of the heat exchanger.
  • the tubes 2 are serpentine-like arranged in planes.
  • vertically slats 1 are mounted, which are arranged parallel to each other.
  • the vertical end plates 3 are connected to the tubes.
  • the fins 1 connect the horizontally arranged tubes 2, i. the planes are thermally conductively connected to each other, so that a lamella 1 occupies the height of the heat exchanger and has the same area as the end plates 3.
  • the heat exchangers described in the prior art are built in a multi-layered manner, whereby, however, the component becomes heavy and voluminous and the vapor pressure in the heat exchanger is not constant. As a result, it is only conditionally suitable for use in light and compact adsorption chillers to be built.
  • the use of the heat exchanger in an adsorber / desorber unit is only partially possible. Thus, a steam entering the heat exchanger is distributed only poorly by the arrangement of the lamellae 1.
  • FIG. 2a) and b) represents a top view and side view of the segmented fin heat exchanger according to the invention.
  • Pipes 2 are arranged in tube packages 2.1, wherein the tubes 2 run serpentine in a horizontal plane. However, the tube packages 2.1 can also be arranged vertically or at any angle. Horizontal pipe packages 2.1 can be arranged one above the other which creates individual segments or layers.
  • the tubes 2 are formed from a core tube.
  • the core tube is an elongated hollow body whose length is generally much larger than its cross-section and has a rigidity. It may also have a rectangular, oval or other cross-section.
  • the tubes 2 may be made of materials comprising metal,
  • Plastic, and / or ceramic materials are manufactured. Particularly suitable metals with a high thermal conductivity, such as copper and aluminum.
  • slats 1 are attached on the tubes 2 in a plane. The person skilled in the art is aware that lamellae 1 can be pressed onto the tubes 2. Also, methods are possible in which the slats 1 are pushed onto the tubes 2 and the tubes 2 are then widened. The tubes 2 in one plane form a heat-conducting connection with the lamellae 1. A metallic connection is advantageous, since it conducts heat particularly well.
  • the slats 1 can also be made of metal, plastic and / or ceramic materials and can have a rectangular shape. There are also other forms of slats 1 or combination possible, such as round or oval slats 1.
  • the slats 1 are mounted substantially parallel to the tubes 2.
  • a substantially parallel arrangement may be an arrangement which deviates from an idealized parallel arrangement without the arrangement being designated as parallel by the average person skilled in the art. That is, within the meaning of the invention, an arrangement would be parallel, which deviates by 5 - 10 degrees from a parallel arrangement.
  • free passages 5 wherein the tube packages 2.1 and the free passages 5 are arranged alternately in the heat exchanger. In the free passages 5 no slats 1 protrude into, that is, the slats 1 do not connect each arranged in a plane pipe packages 2.1 with each other.
  • the heat exchange, or the heat exchange surface is supported by the inventive arrangement of the slats 1, wherein the shape and size of the slats 1, a constant and uniform distribution of heat is achieved on the slats 1. It is particularly advantageous that a refrigerant flowing through the heat exchanger can be well distributed in the heat exchanger, whereby the heat conduction and the heat exchange is improved. If the finned heat exchanger is used as a heat exchanger in an adsorber / desorber unit, a sorption material can be used in the
  • Heat exchangers are filled or possibly the tubes 2 and the fins 1 are coated with this. Especially by the free passages and the arrangement of the lamellae, the contact surface and thus the heat exchange surface between the sorbent material and the heat transfer medium is increased and that at the same time optimal accessibility for the refrigerant vapor.
  • the refrigerant may enter after entering the
  • Figure 3a) and b) show schematically a plan view and a side view of the segmented fin heat exchanger according to the invention with trays.
  • the structure of the finned heat exchanger is as in the figure 2a) and b) described.
  • 5 trays 6 are introduced into the free passages. This is particularly advantageous when the fin heat exchanger is used as an evaporator.
  • the shells 5 may also be advantageous when using the fin heat exchanger as a condenser or when the fin heat exchanger is integrated in an adsorber / desorber unit.
  • the person skilled in the art knows that the technical features of a heat exchanger used as an evaporator are also advantageous for the use of the heat exchanger as a condenser or as a heat exchanger in an adsorber / desorber unit.
  • the trays 5 or sumps or trays may be made of metal, plastic and / or ceramic materials and serve to hold and store refrigerant.
  • the tube packages 2.1 of the finned heat exchanger are in several levels arranged one above the other. Between two superimposed planes creates a free passage 5, wherein the tube packages are arranged 2.1 alternately with the free passages 5.
  • a shell 6 may be introduced, which advantageously has the same area as the tube packages 2.1, but can also occupy only part of the area or can be larger than the surface. Also, the shells 6 can be arranged so that they are not inserted in each free passage 5. This can be advantageous for small and compact fin heat exchangers.
  • the shells 6 can be fastened by way of seals, for example a rubber or adhesive seal, to the lamellae 1, the end plates 3 and / or the tubes 2.
  • the trays 6 may have overflow devices. The trays 6 fill with, for example, a liquid refrigerant and the overflow devices adjust the level of liquid in the tray 6 so as to prevent uncontrolled overflow of the tray 6.
  • Overflow devices may be used as spillways, which are vertically mounted to the bottom of each shell 6 and carry excess liquid fluid to a next underlying shell 6. Also dents or holes, which are inserted laterally in the shells 5, can control the liquid level.
  • the slats 1 of the tube packages 2.1 partially protrude into the fluid contained in the shells 5. It may also be advantageous if the tubes 2 and / or the lamellae 1 protrude into the liquid fluid. Due to the direct contact of the fluid with the
  • Slats 1 or the tubes 2 takes place an effective heat exchange between the fluid and the fins 1 or tubes 2.
  • the refrigerant accumulates in the shells 5. Due to the evaporation process begins a violent boiling on the surfaces of the tubes 2, with which the liquid refrigerant in contact.
  • refrigerant spatters are applied to exposed portions of the tubes 2 and the fins 1 in a thin film. The applied liquid film is vaporized on the surfaces of the tubes 2 and the fins 1 and thereby absorbs latent heat, whereby the flowing through the tubes 2 heat transfer medium is cooled.
  • the shells 5 may be designed such that they are beveled inwards at the edges, so that coolant splashes that arise on the surfaces of the tubes 2 and fins 1, do not get out of the shells 5.
  • baffles or baffles may be attached to the trays 5 to prevent spattering of the refrigerant.
  • the baffles can be arranged vertically on the underside of the shells 5, or also on the upper side of the shells 5.
  • Figure 4a) shows a side view of a fin heat exchanger described in the prior art. Slats 1 are mounted on the tubes 2, wherein the slats 1 connect the superposed tubes 2 vertically to each other, that is, there is a heat-conducting connection between the superposed tubes 2.
  • the slats 1 are spaced from each other and parallel to each other on the tubes. 2 arranged.
  • Steam 7 enters into the interstices of the fins 1 and flows along the surface of the fins 1.
  • the contact surface of the steam 7 is restricted with the tubes 2 by the limitation of the fins 1, whereby the heat exchange limited to the lying between the fins 1 area is.
  • the disadvantage here is further that the vapor flow of an introduced refrigerant is reduced by an occurring pressure loss.
  • Figure 4b shows a side view of a fin heat exchanger according to the invention with free passages.
  • tubes 2 are arranged one above the other in different planes, with free passages 5 being created between the tubes arranged one above the other.
  • the free passages 5 have a height greater than or equal to 0.5 cm, that is, if the distance between the superposed tubes 2 is greater than or equal to 0.5 cm.
  • Particularly advantageous may be a distance of 0.5 to 3 cm.
  • Slats 1 are mounted on the superposed tubes 2, wherein the slats 1 are advantageously arranged parallel to each other.
  • the slats 1 do not protrude into the free passages 5, that is, there is no heat-conducting connection via the slats 1 between the superposed tubes 2.
  • a flowing through the slats 1 steam 7 flows through the free passages 5, whereby a substantially constant vapor pressure and Consequently, steam flow can be maintained.
  • a substantially constant vapor pressure can preferably deviate from a mean value and is still referred to as constant.
  • the finned heat exchanger can be used as an evaporator, as a condenser and / or be integrated as a heat exchanger in an adsorber / desorber unit.
  • FIG. 5a shows a side view of a fin heat exchanger with a shell described in the prior art.
  • Slats 1 connect the tubes 2 arranged one above the other in a thermally conductive manner.
  • a shell 6 can be placed below the heat exchanger, that is, under the last in-plane tubes 2, whereby a liquid fluid 8 introduced into the heat exchanger is held by the shell 6 and stored.
  • the fluid contained in the shells 6 8 can be evaporated by supplying heat.
  • the fins 1 protrude into the shells 6 and the fluid 8 and supply heat to the fluid 8, whereby the fluid 8 changes its state of aggregation and passes into the vapor phase.
  • the arrangement of the fins 1 and tubes 2 disclosed in the prior art produces a pressure reduction of the vaporous fluid 8, whereby also the steam flow is reduced.
  • the contact area of the hot tubes 2 and the fluid 8 is small and the effectiveness of the evaporator is reduced.
  • the vapor flow of the vaporized fluid 8 may be lowered by the structure of the fins 1 and the arrangement of the tubes 2.
  • FIG. 5b shows a side view of a preferred fin heat exchanger according to the invention with shells inserted into the free passages. Slats 1 are attached to the superposed tubes 2, wherein between the superposed tubes 2 free passages 5 arise, in which the fins 1 preferably not protrude. So there is no heat-conducting connection over the
  • the preferred arrangement according to the invention of the tubes 2 and the fins 1, the use of the resulting free passages 5 is possible.
  • components can be introduced into the free passages 5.
  • a shell 6 can be inserted into the free passages 5.
  • the inserted shell 6 collects and stores a fluid 8 introduced into the fin heat exchanger, for example a refrigerant.
  • the number of shells 6 introduced can be varied and the shells 6 can be introduced into the free passages 5 alternately with the tubes 2 arranged one above the other.
  • the shells 6 made of metal, plastic or ceramic materials.
  • overflow devices can be introduced into the shells 6, which prevent overflow of the collected and stored fluid 8 and transfer from a certain level of fluid, the collected fluid 8 in the next underlying shell 6.
  • Overflow devices include holes, Pipes or dents.
  • the fins 1 are preferably in contact with the liquid collected in the trays 6. It may also be advantageous if the tubes 2 are in contact with the fluid 8 in the shells 6. Heat is transferred to the fluid 8 by the contact of the lamellae 1 and / or the tubes 2 with the fluid 8 collected in the shells 6, whereby the fluid 8 changes its state of aggregation and passes into the vapor phase.
  • a violent boiling may occur, wherein the fluid contained in the shells 6 8, for example, refrigerant, can spray on the slats 1 and possibly generates a liquid film there.
  • substantially the entire surface of the tubes 2 and fins 1 can be used as a heat exchange surface, whereby the effectiveness of the evaporator is improved.
  • the vaporized fluid 8 can flow through the preferred inventive arrangement of the fins 1, the tubes 2 and the free passages 5, the heat exchanger, wherein the arrangement of the free passages 5, a pressure loss is prevented and the steam flow is not affected. As a result, a particularly effective operation of the fin heat exchanger is possible.

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Abstract

Es wird ein Lamellenwärmetauscher vorgeschlagen, umfassend (a) Rohrpakete (2.1), bestehend aus mehreren in einer Ebene angeordneten Rohren (2) und einem in den Rohren (2) strömenden Fluid, und (b) Lamellen (1), die beabstandet zueinander, parallel angeordnet sind und von den in jeweils einer Ebene angeordneten Rohren (2) durchsetzt werden, wobei zwischen den übereinander angeordneten Rohrpakten (2.1) Freipassagen (5) bestehen, wobei die Rohrpakete (2.1) in mehreren übereinander liegenden Ebenen alternierend mit den Freipassagen (5) angeordnet sind und die horizontal angeordneten Rohrpakete (2.1) nicht über Lamellen (1) wärmeleitend verbunden sind.

Description

Kompakter Lamellenwärmetauscher
Sorptionsmaschinen oder Sorptionswärmepumpen oder Sorptionskältemaschinen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen in dem Stand der Technik beschrieben und dienen im Allgemeinen der Beheizung und/oder der Kühlung von Gebäuden, sowie der Wasser- und Lufttemperierung ganz allgemein. Sie zeichnen sich durch einen besonders guten primärenergetischen Wirkungsgrad aus, da sie mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses beispielsweise Umgebungswärme auf ein für ein Heiz- und Warmwasserzwecke nutzbares Temperaturniveau anheben. Hierbei unterscheidet man Maschinen die auf Adsorption oder Absorption basieren.
Die Anlagerung eines gasförmigen Kältemittels an einen Feststoff wird als Adsorption bezeichnet und die Desorption dementsprechend als Lösen von einem Feststoff. In einer Adsorptionskältemaschine wird das Kältemittel, das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt so gewählt, dass mit der Ad- bzw. Desorption eine Aggregatszustandsänderung einhergeht.
Als Adsorptionsmittel sind im Stand der Technik Stoffe beschrieben, die feinporös sind und demzufolge eine sehr große innere Oberfläche besitzen. Vorteilhafte Materialien umfassen Aktivkohle, Zeolithe, Aluminiumoxid oder Silikagel, Aluminiumphosphate, Silika- Aluminiumphosphate, Metall-Silika-Aluminiumphosphate, Mesostruktur Silikate, Metall-organische Gerüste und/oder mikroporöses Material, umfassend mikroporöse Polymere.
Die Adsorptionskältemaschine besteht mindestens aus einer Ad-/Desorber-Einheit, mindestens einem Verdampfer, mindestens einem Kondensator und/oder einer kombinierten Verdampfer/Kondensator-Einheit, die in einem gemeinsamen Behälter untergebracht oder in getrennten Behältern, welche dann mit Rohren o.a. für die
Kältemittelströmung miteinander verbunden sind. Der Vorteil der Sorptionmaschinen gegenüber konventioneller Wärmepumpentechnik liegt darin, dass der Ablauf allein durch die Temperierung des Sorptionsmittels erfolgt. Somit kann der Behälter hermetisch und gasdicht abgeschlossen sein. Bei Verwendung von beispielsweise Wasser als Kältemittel arbeitet die Adsorptionskältemaschine vorzugsweise im Unterdruckbereich. Dies führt durch die sehr geringe Dichte des Kältemittels im Unterdruckbereich teilweise zu sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten (beispielsweise 25 m/s - 100 m/s, oder gößer) des dampfförmigen Kältemittels . Dementsprechend sind die Dampfströmungen innerhalb einer Adsorptionsmaschine sorgfältig auszulegen, um unnötige Druckverluste der Dampfströmung zu vermeiden.
Im Stand der Technik sind Rohrwärmetauscher umschrieben, die aus mehreren parallelen Rohren bestehen, durch die das Wärmeträgerfluid strömt, wobei die Rohre von dem Kältemittel oder Adsorptionsmittel umgeben sind. Um die Kontaktfläche zu erhöhen und somit die Wärmeübertragung zu verbessern, können die Rohre zusätzliche mit senkrecht zu den Rohren angebrachten Lamellen bestückt werden, das heißt beispielsweise, die Lamellen werden auf die Rohre aufgeschoben und die Rohre anschließend aufgeweitet. Bei solchen Lamellenwärmetauschern werden im
Wesentlichen rechteckige Lamellen verwendet, die mit den Kernrohren in metallischem Kontakt stehen, wobei die Lamellen im Wesentlichen derart gestaltet sind, dass sie die gleiche Breite und/oder Höhe der Wärmetauscher aufweisen.
Lamellenwärmetauscher werden in Adsorptionsmaschinen häufig als Adsorber/Desorber, als Kondensator, als Verdampfer und/oder als Verdampfer/Kondensator-Einheit verwendet. Bei der Verwendung als Adsorber/Desorber befindet sich das Adsorptionsmittel zwischen bzw. auf den Lamellen. Bei der Verwendung als Verdampfer wird das Kältemittel in der Regel zwischen den Lamellen verdampft, welches zwischen den Lamellen steht.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die jeweilige Dampfströmung bei der Verwendung eines Lamellenwärmetauschers innerhalb der Kanäle zwischen den Lamellen strömen muss, die sich aus der Geometrie des Wärmetauschers ergibt. Bei größeren oder leistungsintensiveren Verdampfungs- und Sorptionsprozessen kommt es so regelmäßig zu Druckverlusten der Dampfströmung. In der Regel wird versucht die Wärmetauschergeometrie mit ausreichend großen Lamellenabständen zu versehen, was zu einer geringeren Flächenvergrößerung und damit schlechteren Wäremübertragung führt oder es werden mehrere einzelne Lamellenwärmetauscher in der Art über- oder nebeneinander angeordnet, dass zwischen den einzelnen Wärmetauschern frei Kanäle für eine nahezu druckverlustfreie Dampfströmung entstehen. Diese so angeordneten Wärmetauscher müssen selbstverständlich dann hydraulisch mit einander verrohrt werden, so dass diese nach diesem weiteren Fertigungsschritt von der Funktion her einem Bauteil entsprechen. Falls der Lamellenwärmetauscher als Verdampfer in einer Adsorptionsmaschine ausgeführt wird, sind effektive Betriebsphasen wie beispielsweise Rieselfilmverdampfung nur schwer realisierbar, da das Kältemittel von oben in den Verdampfer eingeführt werden muss und umgepumpt werden müsste. Durch die Integration einer Pumpe, werden bewegliche Teile in die Adsorptionsmaschine gebaut, die störanfällig sind und ggf. eine regelmäßige Wartung benötigen. Bezüglich der Wärmeübertragung ergibt sich bei einer vertikalen Ausrichtung der Lamellen der suboptimale Effekt, dass das zu verdampfende Kältemittel zwar zwischen den Lamellen steht, die volle Lamellenoberfläche allerdings nicht für den Verdampfungsprozess wirkt, sondern im Wesentlichen die einfache Wasseroberfläche für die Wärmeübertragung maßgeblich ist. Eine Vergrößerung des Wärmetauschers in Richtung der Vertikalen führt entsprechend zu keiner Verbesserung des Verdampfungsprozesses. Lediglich eine Vergrößerung des Footprints, das heißt die projezierte Grundfläche die ein Wärmetauscher einnimmt, kann zu einer Erhöhung der effektiven Wärmetauscherfläche führen. Dies erschwert den Aufbau einer eher hohen und schlanken Adsorptionsmaschine im Gegensatz zu einer flachen, aber breiten Maschine. Der Ansatz mehrer Verdampfer übereinander zu setzen - wie beispielsweise aus der DE 38 44 679 C2 bekannt - führt in der Regel zu einer komplexen Verschaltung und Aufbau von verschiedenen Verdampfer-Ebenen.
Auch weisen die im Stand der Technik beschriebenen Wärmetauscher einen komplexen Aufbau auf, der eine Wartung der Maschinen erschwert.
Aufgabe der Erfindung war es demgemäß einen Lamellenwärmetauscher bereitzustellen, der die Nachteile und Mängel der im Stand der Technik beschriebenen Lamellenwärmetauscher nicht aufweist.
Überraschenderweise wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Es war völlig überraschend, dass ein Lamellenwärmetauscher, der Rohrpakete, bestehend aus mehreren in einer Ebene angeordneten Rohren und einem in den Rohren strömenden Fluid und Lamellen, die beabstandet zueinander, parallel angeordnet sind und von den in jeweils einer Ebene angeordneten Rohren durchsetzt werden, umfasst, wobei zwischen den übereinander angeordneten Rohrpakten Freipassagen bestehen und die Rohrpakete in mehreren übereinander liegenden Ebenen alternierend mit den Freipassagen angeordnet sind, wobei die übereinander angeordneten Rohpakete nicht über Lamellen wärmeleitend verbunden sind, bereitgestellt werden kann und nicht die Nachteile des Stands der Technik aufweist.
Die Rohre bestehen im Sinne der Erfindung aus einem Kernrohr. Ein Kernrohr im Sinne der Erfindung ist ein länglicher Hohlkörper, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Querschnitt ist und eine Steifigkeit aufweist. Es kann auch einen rechteckigen, ovalen oder anderen Querschnitt aufweisen. Das Kernrohr ist serpentinartig geformt und verläuft als Rohrschlange durch den Wärmetauscher in den übereinander angeordneten Ebenen.
Das Fluid, welches beispielsweise Wasser oder einen sonstigen Wärmeträger umfasst, wird durch die Rohre geleitet und die Rohre sind derart angeordnet, dass sich die Rohrpakete in einer Ebene befinden. Die Ebene kann sich in einer vertikalen oder horizontal oder in einer sonstigen Position befinden. Hierbei sind die Rohrpakete insbesondere als eine Rohschlange in einer Ebene angeordnet, das heißt die Rohre verlaufen in einer Ebene. An den Rohren in einer Ebene sind Lamellen angebracht, d.h. die Rohre weisen eine Lamellenverrippung auf. Dem Fachmann sind Verfahren bekannt, wie eine Lamellenverrippung auf Rohre aufgebracht werden kann. Beispielsweise können die Rohre nach Aufbringen der Lamellen geweitet werden, oder die Lamellen werden auf die Rohre maschinell aufgepresst so dass eine Verbindung zwischen den Lamellen und den Rohren entsteht.
Eine Lamellenverrippung bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Anordnung von Lamellen auf den Rohren zur Oberflächenvergrößerung der Rohre, bzw. der Wärmeaustauschfläche. Die Lamellen sind in einem Abstand zueinander angeordnet, den der Fachmann mittels Routineversuchen empirisch ermitteln kann. Vorteilhaft ist eine im Wesentlichen parallele Anordnung der Lamellen. Der Fachmann versteht unter einer im Wesentlichen parallelen Anordung der Lamellen, dass die Lamellen parallel zueinander, aber auch mit einer Toleranz von 5 - 10 Grad zueinander angeordnet werden können. Die Rohrpakete werden in dem Lamellenwärmetauscher übereinander angeordnet, wobei zwischen den Rohrpaketen Freipassagen oder Freiräume entstehen. Freipassage bezeichnet im Sinne der Erfindung einen Hohlraum in dem Wärmetauscher, der keine funktionellen Bauteile aufweist. Vorteilhaft ist eine alternierende Anordnung der übereinander angeordneten Rohrpaketen mit den Freipassagen, das heißt zwischen zwei übereinander angeordneten Rohrpaketen entsteht eine Freipassage. Bevorzugt ist ein Abstand, d.h. eine Freipassage, zwischen zwei Rohrpaketen von 0,5 cm. Die Rohrpakte können in unterschiedlichen Winkeln zueinander übereinander angeordnet werden. Hierbei ist eine im Wesentlichen parallele Anordnung der Rohrpakete vorteilhaft. Jedoch weis der Fachmann, dass eine im Wesentlichen parallele Anordnung auch eine Anordnung der Rohrpakete umfasst, die von einer idealisierten Parallelität um 5 - 10 Grad abweicht.
Im Stand der Technik ist kein Lamellenwärmetauscher beschrieben, der Freipassagen gemäß der erfindungsgemäßen Lehre zwischen übereinander angeordneten Rohrpaketen aufweist. Im Gegenteil, die Entwicklung im Stand der Technik ging in die entgegengesetzte Richtung. Entweder sind kompakte schwere Wärmetauscher mit einer geringen effektiven Verdampfungsoberfläche und ungünstiger Geometrie für die Dampfströmung oder große und kostenaufwendige Wärmetauscher beschrieben. Erfindungsgemäß besteht zwischen den übereinander angeordneten Rohrpaketen keine wärmeleitende Verbindung über Lamellen, das heißt die Lamellen verbinden nicht zwei übereinander angeordnete Rohpakete. Es kann jedoch vorteilhaft sein, insbesondere eine Lamelle zwischen den Rohrpaketen anzuordnen und eine wärmeleitende Verbindung herzustellen. Durch den erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauscher und das Anbringen der Lamellen an den Rohren und der Anordnung der Rohrpakete alternierend mit den Freipassagen ist eine einfache und effektive Vergrößerung der Wärmeaustauschoberfläche realisiert. Das Kältemittel kann den Lamellenwärmetauscher durchströmen ohne das die Dampfströmung einen Druckverlust erleidet. Außerdem besteht der Lamellenwärmetauscher aus einem Bauteil, wohingegen die im Stand der Technik offenbarten Wärmetauscher vielmals aus mehreren Bauteilen bestehen. Somit ist ein Einbau der Lamellenwärmetauscher in eine Anlage und eine Wartung des Lamellenwärmetauschers wesentlich vereinfacht, da der Wärmetauscher von einem Monteur einfach zu handhaben ist und der Monteur, bedingt durch die Freipassagen, auch Zugang zu dem Inneren des Wärmetauschers erhält. Auch wird durch die Freipassagen eine gute Zugänglichkeit für die Montage weiterer Bauteile garantiert. Es ist bevorzugt, dass die Rohrpakete mindestens ein kraftschlüssig angebrachtes Endblech aufweisen. Das Endblech ist kraftschlüssig mit mindestens einem in einer Ebene angeordneten Rohrpaket verbunden. Hierbei umfasst kraftschlüssige Verbindungen Schrauben, Pressen, Nieten, Spannringe, Formteile, verbogene Rohrstücke und/oder Schrauben. Es kann auch vorteilhaft sein, dass die Endbleche mit den Rohrpaketen verlötet oder verschweißt werden. Durch die bevorzugte Ausführungsform wird das Rohrpaket stabilisiert und weiterhin das Austreten von in dem Wärmetauscher vorhandener Flüssigkeit effektiv verhindert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Endbleche, senkrecht zu den Rohrpakten, an beiden gegenüberliegenden Seiten des Lamellenwärmetauschers angeordnet. Die Endbleche stabilisieren die in mehreren übereinander liegenden Ebenen angeordneten Rohrpakete und erlauben außerdem eine einfache Befestigung des Lamellenwärmetauschers über die Endbleche an beispielsweise einer Oberfläche und die Zuleitung und Ableitung des durch die Rohre strömenden Fluids durch an den Endblechen angebrachten Leitungssystemen. Die Rohrpakete sind von den
Endblechen eingepasst, das heißt die Endbleche begrenzen die Rohrpakete in der Vertikalen und dienen der Stabilisierung der Rohrpakete. Die Ausführungsform erlaubt so eine kompakte Bauweise der Lamellenwärmetauscher.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Endbleche aus Metall und/oder keramischen Werkstoffen bestehen. Vorteilhafterweise sind die Endbleche aus Metall gefertigt, wodurch eine optimale Festigkeit der Endbleche sowie eine optimale Stabilität der an den Endblechen befestigten Rohrpaketen erreicht wird. Hierbei umfassen Vorzugsvarianten Stahl, rostfreier Stahl, Gusseisen, Kupfer, Messing, Nickel- Legierungen, Titan-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Kombinationen aus Kunststoff und Metall (Verbundrohr), Kombinationen aus Glas und Metall (Email) oder Keramik. Keramische Werkstoffe, umfassend baukeramische Werkstoffe, weisen eine hohe Stabilität und lange Haltbarkeit auf. Außerdem kann durch diese Vorteilsvariante Gewicht eingespart werden. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, dass die Endbleche Löchern aufweisen. Hierbei können Löcher, die für die Aufnahme des Kernrohrs geeignet sind, freigelassen werden. Durch die Löcher in den Endblechen kann beispielsweise der Dampf besser aus dem Wärmetauscher entweichen.
Es ist bevorzugt, dass die Freipassagen eine Höhe von mehr als 0,5 cm aufweisen. Zwischen den übereinander angeordneten Rohrpaketen entstehen Freipassagen, in die, im Sinne der Erfindung, vorzugsweise keine funktionellen Bauteile angeordnet sind. Es ist von Vorteil, wenn die Freipassage eine Höhe von mehr als 0.5 cm aufweist, das heißt, wenn der der Abstand zwischen den übereinander angeordneten Rohrpaketen mehr oder gleich 0,5 cm ist. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn zwischen zwei in einer Ebene angeordneten Rohrpaketen ein Abstand von 0,5 - 20 cm ist. Besonders vorteilhaft kann ein Abstand von 0, 5 - 3 cm sein. Durch die Freipassage kann das Kältemittel bzw. der Dampf optimal den Wärmetauscher durchströmen, wodurch alle Rohre und Lamellen als Wärmeaustauschfläche genutzt werden. Hierdurch wird die Effektivität des Wärmetauschers verbessert. Außerdem ermöglicht die Freipassage eine einfache Handhabung des Wärmetauschers sowie eine gute Zugänglichkeit für die Montage weiterer Bauteile und vereinfacht die Wartung des Wärmetauschers durch einen Monteur.
Bevorzugt ist, dass die Lamellen nicht in die Freipassagen hineinragen. Die vorteilhafterweise übereinander angeordneten Rohrpakete weisen eine Lamellenverrippung auf, das heißt Lamellen sind beabstandet an den Rohren angebracht. Die Rohrpakete sind alternierend mit Freipassagen angeordnet und die Lamellen ragen nicht in die Freipassagen hienein. Durch die bevorzugte Ausführungsform wird die Wärmeleitung von den Rohren auf die Lamellen auf die Lamellenverrippung begrenzt, so dass kein oder nur ein gerninger Wärmeverlust auftritt. Die im Stand der Technik offenbarten Wärmetauscher weisen Lamellen auf, die mehrere Rohrpakete miteinander verbinden. Hierbei ist jedoch die Wärmeleitung bedingt durch die verhältnismäßig langen Lamellen nicht verlustfrei und ein effektiver Wärmeaustausch ist nicht möglich. Durch die bevorzugte Ausführungsform werden kurze Lamellen verbaut, die eine gleichmäßige Wärmeverteilung garantieren und somit den Wärmeaustausch verbessern.
Es ist außerdem bevorzugt, dass die Rohrpakete in mehrere horizontale Ebenen angeordnet sind. Die Rohrpakete sind alternierend mit Freipassagen übereinander angeordnet, wobei die Rohrpakete in mehrere horizontale Ebenen strukturiert sind, das heißt die Ebenen sind im Wesentlichen parallel oder planparallel angeordnet. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine im Wesentlichen parallele Anordnung, eine parallel Anordnung der Ebenen zueinander mit einer Toleranz von 5 - 10 Grad umfasst. Besonders die horizontale Anordnung der Rohrpakete ermöglicht eine kompakte Bauweise der Lamellenwärmetauscher und eine optimale Durchströmung und homogene Verteilung des durch den Wärmetauscher strömenden Fluids. Durch die bevorzugte Anordnung der Ebenen wird das eintretende Fluid, beispielsweise ein Kältemittel, in dem Wärmetauscher verteilt und die Rohrpakete mit der Rohrverrippung von einem dünnen Fluidfilm benetzt, wobei die Wärmeaustauschfläche vergrößert wird und somit der Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessert wird.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Rohre aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen bestehen. Vorzugsvarianten umfassen Stahl, rostfreier Stahl, Gusseisen, Kupfer, Messing, Nickel-Legierungen, Titan-Legierungen, Aluminium- Legierungen, Kunststoff, Kombinationen aus Kunststoff und Metall (Verbundrohr), Kombinationen aus Glas und Metall (Email) oder Keramik. Mehrere Rohre können kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Kraftschlüssige Verbindungen umfassen Spannringe, Formteile, verbogene Rohrstücke, Schrauben oder Nieten. Stoffschlüssige Verbindungen umfassen Kleben, Schweißen oder Vulkanisieren. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit wird vorteilhafterweise Kupfer oder Aluminium als Material für die Rohre eingesetzt, wobei auch die Verwendung von Edelstahl vorteilhaft sein kann, da dieser hohe statische und dynamische Festigkeitswerte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Rohre aus Kunststoff, umfassend Polyvinylchlorid, sind besonders leicht und flexible und können somit das Gewicht des Wärmetauschers reduzieren, ohne jedoch zu Verlusten bei der Wärmeleitung zu führen. Keramische Werkstoffe, umfassend baukeramische
Werkstoffe, weisen eine hohe Stabilität und lange Haltbarkeit auf. Besonders vorteilhaft sind Kombinationen der aufgeführten Materialien, da somit unterschiedliche Stoffeigenschaften kombiniert werden können. Die bevorzugten Materialien genügen den hohen fertigungstechnischen Ansprüchen eines Wärmetauschers, da sie stabil gegenüber hohen Temperaturen oder variierenden Drücken sind.
Bevorzugt ist, dass die Rohre und die Lamellen wärmeleitend verbunden sind. Die Rohre weisen eine Lamellenverrippung auf, wobei die Lamellen beabstandet zueinander, parallel auf den Rohren angeordnet sind und von den in jeweils einer Ebene angeordneten Rohren durchsetzt werden. Hierbei ist bevorzugt, dass die Verbindung zwischen den Rohren und den Lamellen eine wärmeleitende Verbindung ist. Durch die bevorzugte Ausführungsform wird eine effektive Wärmeleitung zwischen den Rohren und den Lamellen hergestellt und die Oberfläche für einen Wärmeaustausch vergrößert ist, das heißt die Kontaktfläche für einen Wärmeaustausch ist vergrößert. Auch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers wird durch den effektiven Wärmeaustausch verbessert.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Lamellen aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen bestehen und eine rechteckige Form aufweisen. Durch die bevorzugten Materialien wird eine optimale Verbindung und somit Wärmeübertragung zwischen den Rohren und den Lamellen bewirkt. Die Materialien garantieren des Weiteren eine Stabilität der Lamellen auch unter hoher Belastung durch beispielsweise hohe Temperaturen oder variierende Drücke. Vorteilhaft ist eine rechteckige Form der Lamellen, wobei auch andere Formen wie rund oder oval möglich sein können. Durch die bevorzugte Form der Lamellen wird eine Oberflächenvergrößerung erreicht und die Wärmeaustauschfläche wird erhöht. Außerdem sind rechteckige Formen vorteilhaft für die Fertigung der Lamellenverrippung und sind besonders kostengünstig herstellbar.
Es ist bevorzugt, dass in der Freipassage eine Schale angeordnet ist. Die Rohrpakete sind in dem Wärmetauscher in mehreren Ebenen übereinander angeordnet. Zwischen zwei übereinander angeordneten Ebenen entsteht eine Freipassage, wobei die
Rohrpakete alternierend mit den Freipassagen angeordnet sind. In diese Freipassagen kann eine Schale eingeführt sein, die vorteilhafterweise die gleiche Grundfläche wie die Rohrpakete aufweist, aber auch nur einen Teil der Grundfläche einnehmen kann. Im Sinne der Erfindung bezeichnet die Grundfläche der Rohrpakete die Fläche der Rohrpakte, das heißt die von den Seitenlängen abhängigen Fläche. Diese Wannen oder Sümpfe oder Schalen können über Dichtungen, beispielsweise einer Gummioder Klebedichtung, an den Lamellen und/oder den Rohren befestigt sein. Die Schalen sind vorteilhafterweise aus Metall oder Kunststoff gefertigt. Beispielsweise von oben in den Wärmetauscher eintretendes flüssiges Fluid gelangt in die horizontal unter den Rohrpaketen angeordneten Schalen und wird dort gehalten und gespeichert, wobei eine Wasserebene entsteht. Die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht so eine Stapelung von Wasserebenen. Vorteilhafterweise ragen die Lamellen der Rohrpakete teilweise in das in den Schalen befindliche Fluid hinein. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Rohre in das flüssige Fluid hineinragen. Durch den direkten Kontakt des Fluids mit den Lamellen und/oder den Rohren erfolgt ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und den Lamellen oder Rohren.
Es ist außerdem bevorzugt, dass Überlaufvorrichtungen in den Schalen angebracht sind. Die Schalen füllen sich mit beispielsweise einem flüssigen Fluid und die Überlaufvorrichtungen dienen dazu, den Flüssigkeitsspiegel in der Schale einzustellen, um so ein unkontrolliertes Überlaufen der Schale zu verhindern. Hierbei können Überlaufleitungen oder -röhre verwendet werden, die vertikal am Boden jeder Schale angebracht sind und überschüssiges flüssiges Fluid in eine nächste unterliegende Schale befördern. Auch können Dellen oder Löcher, die seitlich in den Schalen eingeführt sind, den Flüssigkeitsspiegel kontrollieren. Durch die bevorzugte Ausführungsform wird ein Flüssigkeitsspiegel in den Schalen eingestellt, der eine optimale Betriebsweise des Lamellenwärmetauschers garantiert. Es können effektive Betriebsweisen in dem Lamellenwärmetauscher gefahren werden, bei denen ein flüssiges Fluid von oben in den Lamellenwärmetauscher eingebracht wird und das Fluid in den Schalen gesammelt wird, wobei Überlaufvorrichtungen den Flüssigkeitsspiegel einstellen. Somit kann die Effektivität der Wärmetauscher durch die bevorzugte Ausführungsform verbessert werden.
Bevorzugt ist, dass der Lamellenwärmetauscher Zu- und Ableitungen zum hydraulischen Verschalten und Betrieb aufweist. Der Wärmeträger wird über Zu- und Ableitungen, umfassend Rohrleitungen, Rohrabschnitte, Rohrformstücke oder Ventile in den Wärmetauscher geleitet. Außerdem wird der Wärmeträger aus dem Wärmetauscher in einen Wärmeträgerkreislauf geleitet. Durch die vorteilhafte Anordnung der Zu- und Ableitungen, ist eine effektive Verschaltung des Wärmeträgerkreislaufs möglich, wodurch ein geringer Wärmeverlust entsteht.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines Lamellenwärmetauscher für Sorptionsmaschinen, insbesondere Adsorptionskältemaschinen. Sorptionsmaschinen bzw. Adsorptionsmaschinen sind im Stand der Technik beschrieben und umfassen entweder einen Kondensator-Wärmetauscher und einen Verdampfer-Wärmetauscher oder eine Verdampfer-Kondensator-Einheit und mindestens eine Adsorber/Desorber- Einheit mit Wärmetauscher und Sorptionsmaterial. Die Anlagerung an einen Feststoff oder Adsorptionsmaterial wird als Adsorption bezeichnet und die Desorption dementsprechend als Lösen von einem Feststoff. Als Adsorptionsmittel können Materialien verwendet werden, die feinporös sind und eine sehr große innere Oberfläche besitzen, umfassend Aktivkohle, Zeolithe, Aluminiumoxid oder Silikagel, Aluminiumphosphate, Silika- Aluminiumphosphate, Metall-Silika-Aluminiumphosphate, Mesostruktur Silikate, Metall-organische Gerüste und/oder mikroporöses Material, umfassend mikroporöse Polymere. Es war überraschend, dass der erfindungsgemäße Lamellenwärmetauscher für eine Adsorptionsmaschine nicht die im Stand der Technik beschriebenen Mängel aufweist.
Bevorzugt ist auch die Verwendung eines Lamellenwärmetauscher als Verdampfer für Sorptionsmaschinen, insbesondere Adsorptionskältemaschinen Der Lamellenwärmetauscher kann als Verdampfer in einer Adsorptionskältemaschine genutzt werden, wodurch beispielsweise eine effektive Nutzung der Rieselfilmverdampfung für Adsorptionskältemaschinen ohne das zusätzliche Pumpen installiert werden müssen, um das Kältemittel umzupumpen und von oben in den Wärmetauscher zu führen, möglich ist. Das Kältemittel sammelt sich bei dem Einführen von oben in dem Lamellenwärmetauscher in den Schalen an. Beim Sieden des Kältemittels spritzt das Kältemittel an die vertikalen Lamellen und es entsteht ein dünner Film an den vertikalen Lamellen. Außerdem bilden sich Menisken an den Lamellen, die die Oberfläche vergrößern. Durch die Oberflächenvergrößerung erfolgt eine schnelle Aggregatzustandsänderung und der durch den Wärmetauscher fließende Wärmeträger wird gekühlt. Außerdem kann das Kältemittel und der entstehende Dampf optimal den mit Freipassagen durchsetzten Wärmetauscher durchströmen. Durch einen effektiven Wärmetauscher wird der Wirkungsgrad der Adsorptionskältemaschine verbessert.
Weiterhin kann der Lamellenwärmetauscher als Kondensator in einer Adsorptionskältemaschine benutzt werden. Die Anordnung der Rohrpakete mit den Freipassagen und den Lamellen, fördern eine Verteilung eines durch den Wärmetauscher strömenden gasförmigen Fluids. Die Wärmeübertragung kann somit an einer großen Wärmeaustauschfläche stattfinden, wobei der Wärmeträger durch die Kondensation des Kältemittels erwärmt wird. Die aufgenommene Wärme kann beispielsweise für die Verdampfung im Adsorber genutzt werden oder einer externen Quelle als Wärme zugeführt werden. Die Kühlung des Kältemittels wird besonders durch die große Austauschfläche, welche durch die Lamellenverrippung entsteht, unterstützt. Somit findet ein effizienter Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger und Kältemittel statt.
Weiterhin ist auch die Verwendung eines Lamellenwärmetauscher als Wärmetauscher einer Adsorber/Desorber-Einheit für Sorptionsmaschinen, insbesondere Adsorptionskältemaschinen bevorzugt. Hierbei ist die erfindungsgemäße Strukturierung des Lamellenwärmetauschers mit den übereinander angeordneten Rohrpaketen, den Freipassagen und den Lamellen von Vorteil, da Sorptionsmaterial zwischen die Lamellen eingebracht werden kann und so ein optimaler Wärmeaustausch mit einer vergrößerten Kontakt- oder Wärmeaustauschfläche, erfolgen kann. Durch die Freipassagen ist auch ein druckverlustfreies Zu- und Abströmen des dampfförmigen Kältemittels möglich.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Figuren beispielhaft näher beschrieben, ohne auf diese beschränkt zu sein; es zeigt
Figur 1a) Draufsicht eines Lamellenwärmetauscher
Figur 1b) Seitenansicht eines Lamellenwärmetauscher
Figur 2a) Draufsicht des erfindungsgemäßen segmentierten Lamellenwärmetauschers
Figur 2b) Seitenansicht des erfindungsgemäßen segmentierten Lamellenwärmetauschers
Figur 3a) Draufsicht des erfindungsgemäßen segmentierten Lamellenwärmetauschers mit Schalen
Figur 3b) Seitenansicht des erfindungsgemäßen segmentierten Lamellenwärmetauschers mit Schalen
Figur 4a) Seitenansicht eines im Stand der Technik beschriebenen Lamellenwärmetauscher
Figur 4b) Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers mit Freipassagen
Figur 5a) Seitenansicht eines im Stand der Technik beschriebenen Lamellenwärmetauschers mit einer Schale Figur 5b) Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Lamellenwärmetauschers mit in die Freipassagen eingeführten Schalen
Figur 1a) und b) zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines Lamellenwärmetauscher, wie er im Stand der Technik beschrieben ist. Der
Wärmeträger wird über die Zu- und Ableitungen 4 in die und aus den Rohren 2 des Wärmetauschers geleitet. Die Rohre 2 sind serpentinartig in Ebenen angeordnet. An den Rohren 2 sind vertikal Lamellen 1 angebracht, die zueinander parallel angeordnet sind. An den Enden des Wärmetauschers sind die vertikalen Endbleche 3 mit den Rohren verbunden. Die Lamellen 1 verbinden die horizontal angeordneten Rohre 2, d.h. die Ebenen sind wärmeleitend miteinander verbunden, so dass eine Lamelle 1 die Höhe des Wärmetauschers einnimmt und die gleiche Fläche wie die Endbleche 3 aufweist. Durch diese Anordnung der Rohre 2 und Lamellen 1 ist es beispielsweise nicht möglich, den Wärmetauscher von oben mit einem Kältemittel zu berieseln (Rieselfilmverdampfung), da das Kältemittel durch den Wärmetauscher durchtritt und nur partiell die Lamellen 1 oder Rohre 2 benetzt. Hierdurch ist eine aufwendige Konstruktion des Kältemittelkreislauf nötig, da dieses in einer Anlage umgepumpt werden muss um es erneut dem Wärmetauscher von oben zuzuführen. Jedoch ist die Verwendung einer Pumpe in einer Adsorptionsmaschine nicht vorteilhaft, da bewegliche Teile der Pumpe störanfällig bezüglich starker Druckunterschiede sind. Die Effektivität eines solchen Wärmetauscher ist gering. Um die Effektivität zu verbessern werden die im Stand der Technik beschriebenen Wärmetauscher mehrschichtig gebaut, wodurch jedoch das Bauteil schwer und voluminös wird und der Dampfdruck in dem Wärmetauscher nicht konstant ist. Hierdurch eignet er sich nur bedingt für den Einsatz in leichten und kompakt zu bauenden Adsorptionskältemaschinen. Auch die Verwendung des Wärmetauschers in einer Adsorber/Desorber-Einheit ist nur bedingt möglich. So verteilt sich ein in den Wärmetauscher eintretender Dampf durch die Anordnung der Lamellen 1 nur schlecht.
Figur 2a) und b) stellt eine Draufsicht und Seitenansicht des erfindungsgemäßen segmentierten Lamellenwärmetauschers dar. Rohre 2 werden in Rohrpaketen 2.1 angeordnet, wobei die Rohre 2 serpentinartig in einer horizontalen Ebene verlaufen. Die Rohrpakete 2.1 können jedoch auch vertikal oder in einem beliebigen Winkel angeordnet sein. Horizontale Rohrpakete 2.1 können übereinander angeordnet werden, wodurch einzelne Segmente oder Ebenen entstehen. Die Rohre 2 sind aus einem Kernrohr geformt. Bei dem Kernrohr handelt es sich um einen länglichen Hohlkörper, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Querschnitt ist und eine Steifigkeit aufweist. Es kann auch einen rechteckigen, ovalen oder anderen Querschnitt aufweisen. Die Rohre 2 können aus Materialien umfassend Metall,
Kunststoff, und/oder keramischen Werkstoffen gefertigt werden. Besonders geeignet sind Metalle mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer und Aluminium. An den Rohren 2 in einer Ebene sind Lamellen 1 angebracht. Dem Fachmann ist bekannt, dass Lamellen 1 auf die Rohre 2 gepresst werden können. Auch sind Verfahren möglich, bei denen die Lamellen 1 auf die Rohre 2 aufgeschoben werden und die Rohre 2 anschließend geweitet werden. Die Rohre 2 in einer Ebene bilden eine wärmeleitende Verbindung mit den Lamellen 1. Vorteilhaft ist eine metallische Verbindung, da diese besonders gut Wärme leitet. Die Lamellen 1 können ebenfalls aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen gefertigt sein und können eine rechteckige Form aufweisen. Es sind auch weitere Formen der Lamellen 1 oder auch Kombination möglich, wie runde oder ovale Lamellen 1. Die Lamellen 1 sind im Wesentlichen parallel an den Rohren 2 angebracht. Eine im Wesentlichen parallele Anordnung kann beispielsweise ein Anordnung sein, die von einer idealisierten parallelen Anordnung abweicht, ohne dass die Anordnung von dem durchschnittlichen Fachmann nicht mehr als parallel bezeichnet werden würde. Das heißt, im Sinne der Erfindung wäre auch eine Anordnung parallel, die um 5 - 10 Grad von einer parallelen Anordnung abweicht. Zwischen den horizontal angeordneten Rohrpaketen 2.1 entstehen durch die erfindungsgemäße Anordnung der Rohrpakete 2.1 und der Lamellen 1 , Freipassagen 5, wobei die Rohrpakete 2.1 und die Freipassagen 5 alternierend im Wärmetauscher angeordnet sind. In die Freipassagen 5 ragen keine Lamellen 1 hinein, das heißt die Lamellen 1 verbinden nicht die jeweils in einer Ebene angeordneten Rohrpakete 2.1 untereinander. Es besteht keine wärmeleitende Verbindung durch die Lamellen 1 unter den übereinander angeordneten Rohrpaketen 2.1. Im Stand der Technik ist nichts dergleichen beschrieben. An den Enden der Rohrpakete 2.1 , senkrecht zu den Rohrpakten, an beiden gegenüberliegenden Seiten des Lamellenwärmetauschers sind Endbleche 3 stoffschlüssig angeordnet. Alternativ können kraftschlüssige Verbindung, umfassend Schrauben oder Nieten verwendet werden, um die Rohrpakete 2.1 und die Endbleche 3 zu verbinden. Ein Wärmeträgerfluid kann über die Zu- und Ableitungen 4 in die und aus den Rohren 2 des Wärmetauschers geleitet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Rohre 2, bzw. der Rohrpakete 2.1 verteilt sich das Wärmeträgerfluid in dem Lamellenwärmetauscher. Zusätzlich wird der Wärmeaustausch, bzw. die Wärmeaustauschfläche durch die erfindungsgemäße Anordnung der Lamellen 1 unterstützt, wobei durch die Form und Größe der Lamellen 1 eine konstante und gleichmäßige Verteilung der Wärme auf den Lamellen 1 erreicht wird. Es ist besonders vorteilhaft, dass ein den Wärmetauscher durchströmendes Kältemittel sich gut in dem Wärmetauscher verteilen kann, wodurch die Wärmeleitung und der Wärmeaustausch verbessert wird. Wenn der Lamellenwärmetauscher als Wärmetauscher in einer Adsorber/Desorber-Einheit verwendet wird, kann ein Sorptionsmaterial in den
Wärmetauscher eingefüllt werden oder ggf. die Rohre 2 und die Lamellen 1 mit diesem beschichtet werden. Besonders durch die Freipassagen und die Anordnung der Lamellen wird die Kontaktfläche und somit die Wärmeaustauschfläche zwischen Sorptionsmaterial und Wärmeträger vergrößert und zwar bei gleichzeitiger optimaler Zugänglichkeit für den Kältemitteldampf. Das Kältemittel kann nach Eintritt in den
Adsorber den Wärmetauscher durchströmen und adsorbiert an dem Sorptionsmaterial, wobei Wärme an den Wärmeträger übertragen wird. Wenn das adsorbierte Kältemittel aus dem Adsorber bzw. dem Desorber ausgetrieben werden soll, wird ein heißer Wärmeträger durch den Wärmetauscher geleitet. Durch die vergrößerte Wärmeaustauschfläche wird die Desorption des adsorbierten Kältemittels gefördert und erheblich verbessert.
Figur 3a) und b) zeigen schematisch eine Draufsicht und eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen segmentierten Lamellenwärmetauschers mit Schalen. Der Aufbau des Lamellenwärmetauschers ist wie in der Figur 2a) und b) beschrieben. Jedoch sind in die Freipassagen 5 Schalen 6 eingeführt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Lamellenwärmetauscher als Verdampfer verwendet wird. Jedoch können die Schalen 5 auch bei der Verwendung des Lamellenwärmetauscher als Kondensator oder wenn der Lamellenwärmetauscher in einer Adsorber/Desorber-Einheit integriert ist, vorteilhaft sein. Der Fachmann weiß, dass die technischen Merkmale eines Wärmetauschers, der als Verdampfer eingesetzt wird, auch für die Verwendung des Wärmetauschers als Kondensator oder als Wärmetauscher in einer Adsorber/Desorber-Einheit vorteilhaft sind. Die Schalen 5 oder Sümpfe oder Wannen können aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen gefertigt sein und dienen dem Halten und Speichern von Kältemittel. Die Rohrpakete 2.1 des Lamellenwärmetauschers sind in mehrere Ebenen übereinander angeordnet. Zwischen zwei übereinander angeordneten Ebenen entsteht eine Freipassage 5, wobei die Rohrpakete 2.1 alternierend mit den Freipassagen 5 angeordnet sind. In die Freipassagen 5 kann eine Schale 6 eingeführt sein, die vorteilhafterweise die gleiche Fläche wie die Rohrpakete 2.1 aufweist, aber auch nur einen Teil der Fläche einnehmen kann oder auch größer als die Fläche sein kann. Auch können die Schalen 6 so angeordnet werden, dass diese nicht in jeder Freipassage 5 eingeführt sind. Dies kann vorteilhaft bei kleinen und kompakten Lamellenwärmetauschern sein. Die Schalen 6 können über Dichtungen, beispielsweise einer Gummi- oder Klebedichtung, an den Lamellen 1 , den Endblechen 3 und/oder den Rohren 2 befestigt sein. Des Weiteren können die Schalen 6 Überlaufvorrichtungen aufweisen. Die Schalen 6 füllen sich mit beispielsweise einem flüssigen Kältemittel und die Überlaufvorrichtungen stellen den Flüssigkeitsspiegel in der Schale 6 ein, um so ein unkontrolliertes Überlaufen der Schale 6 zu verhindern. Als Überlaufvorrichtung können Überlaufleitungen oder -röhre verwendet werden, die vertikal am Boden jeder Schale 6 angebracht sind und überschüssiges flüssiges Fluid in eine nächste unterliegende 6 Schale befördern. Auch Dellen oder Löcher, die seitlich in den Schalen 5 eingeführt sind, können den Flüssigkeitsspiegel kontrollieren. Vorteilhafterweise ragen die Lamellen 1 der Rohrpakete 2.1 teilweise in das in den Schalen 5 befindliche Fluid hinein. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Rohre 2 und/oder die Lamellen 1 in das flüssige Fluid hineinragen. Durch den direkten Kontakt des Fluids mit den
Lamellen 1 oder den Rohren 2 erfolgt ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und den Lamellen 1 oder Rohren 2. Außerdem sammelt sich das Kältemittel in den Schalen 5. Aufgrund des Verdampfungsvorgangs beginnt ein heftiges Sieden auf den Oberflächen der Rohre 2, mit welchen das flüssige Kältemittel in Berührung steht. Außerdem werden Kältemittelspritzer auf freiliegende Abschnitte der Rohre 2 und der Lamellen 1 in einem dünnen Film aufgebracht. Der aufgebrachte Flüssigkeitsfilm wird auf den Oberflächen der Rohre 2 und den Lamellen 1 verdampft und nimmt dabei latente Wärme auf, wodurch der durch die Rohre 2 strömende Wärmeträger gekühlt wird. Die Schalen 5 können derart gestaltet sein, dass sie an den Rändern nach innen abgeschrägt sind, damit Kältemittelspritzer, die an den Oberflächen der Rohre 2 und Lamellen 1 entstehen, nicht aus den Schalen 5 gelangen. Außerdem können Prallplatten oder Prallbleche an den Schalen 5 angebracht werden, um ein Verspritzen des Kältemittels zu verhindern. Hierbei können die Prallbleche vertikal an der Unterseite der Schalen 5 angeordnet sein, oder auch an der Oberseite der Schalen 5. Figur 4a) zeigt eine Seitenansicht eines im Stand der Technik beschriebenen Lamellenwärmetauscher. Lamellen 1 sind an den Rohren 2 angebracht, wobei die Lamellen 1 die übereinander angeordneten Rohre 2 vertikal miteinander verbinden, das heißt es besteht eine wärmeleitende Verbindung zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2. Die Lamellen 1 sind beabstandet von einander und parallel zueinander auf den Rohren 2 angeordnet. Dampf 7 tritt in die Zwischenräume der Lamellen 1 ein und strömt entlang der Oberfläche der Lamellen 1. Hierbei wird die Kontaktfläche des Dampfes 7 mit den Rohren 2 durch die Begrenzung der Lamellen 1 eingeschränkt, wodurch der Wärmeaustausch auf die zwischen den Lamellen 1 liegenden Fläche begrenzt ist. Nachteilig hierbei ist weiterhin, dass die Dampfströmung eines eingebrachten Kältemittels durch ein auftretenden Druckverlust verringert wird.
Figur 4b) zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers mit Freipassagen. Hierbei sind Rohre 2 in unterschiedlichen Ebenen übereinander angeordnet, wobei zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2 Freipassagen 5 entstehen. Es ist von Vorteil, wenn die Freipassagen 5 eine Höhe größer oder gleich 0,5 cm aufweisen, dass heißt wenn der Abstand zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2 größer oder gleich 0,5 cm ist. Es kann vorteilhaft sein wenn zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2 ein Abstand von 0,5 bis 20 cm besteht. Besonders vorteilhaft kann ein Abstand von 0,5 bis 3 cm sein. Lamellen 1 sind an den übereinander angeordneten Rohren 2 angebracht, wobei die Lamellen 1 vorteilhafterweise parallel zueinander angeordnet sind. Die Lamellen 1 ragen nicht in die Freipassagen 5 hinein, dass heißt es besteht keine wärmeleitende Verbindung über die Lamellen 1 zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2. Ein durch die Lamellen 1 strömender Dampf 7 strömt durch die Freipassagen 5, wodurch ein im Wesentlich konstanter Dampfdruck und folglich auch Dampfströmung aufrecht erhalten werden kann. Der Fachmann weiß, dass ein im Wesentlichen konstanter Dampfdruck bevorzugt von einem Mittelwert abweichen kann und trotzdem noch als konstant bezeichnet wird. Hierdurch ist einer höhere Effektivität des Wärmetauschers möglich. Der Lamellenwärmetauscher kann als Verdampfer, als Kondensator verwendet werden und/oder als Wärmetauscher in einer Adsorber/Desorber-Einheit integriert sein.
Figur 5a) zeigt eine Seitenansicht eines im Stand der Technik beschriebenen Lamellenwärmetauschers mit einer Schale. Lamellen 1 verbinden die übereinander angeordneten Rohre 2 wärmeleitend miteinander. Wenn der Wärmetauscher als Verdampfer fungiert, kann eine Schale 6 unterhalb des Wärmetauschers, das heißt unter den letzten in Ebenen angeordneten Rohren 2, platziert werden, wodurch ein in den Wärmetauscher eingeleitetes flüssiges Fluid 8 von der Schale 6 gehalten und gespeichert wird. Durch die Leitung eines heißen Wärmeträgers durch die Rohre 2 kann durch Wärmezufuhr das in den Schalen 6 befindliche Fluid 8 verdampft werden. Die Lamellen 1 ragen in die Schalen 6 und das Fluid 8 hinein und führen dem Fluid 8 Wärme zu, wodurch das Fluid 8 seinen Aggregatszustand ändert und in die Dampfphase übertritt. Verdampftes, aus den Schalen 6 entweichendes Fluid 8 strömt entlang der Lamellenoberfläche. Die im Stand der Technik offenbarte Anordnung der Lamellen 1 und Rohre 2, erzeugt eine Druckerniedrigung des dampfförmigen Fluids 8, wodurch auch die Dampfströmung reduziert wird. Durch die Verwendung von nur einer Schale 6, ist die Kontaktfläche der heißen Rohre 2 und dem Fluid 8 klein und die Effektivität des Verdampfers wird reduziert. Außerdem kann die Dampfströmung des verdampften Fluids 8 durch die Struktur der Lamellen 1 und der Anordnung der Rohre 2 erniedrigt sein.
Figur 5b) zeigt eine Seitenansicht eines bevorzugten erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers mit in die Freipassagen eingeführten Schalen. Lamellen 1 sind an die übereinander angeordneten Rohre 2 angebracht, wobei zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2 Freipassagen 5 entstehen, in die die Lamellen 1 bevorzugt nicht hineinragen. So besteht keine wärmeleitende Verbindung über die
Lamellen 1 zwischen den übereinander angeordneten Rohren 2. Durch die bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung der Rohre 2 und der Lamellen 1 ist die Nutzung der entstehenden Freipassagen 5 möglich. Es können beispielsweise Bauteile in die Freipassagen 5 eingeführt werden. Falls der Lamellenwärmetauscher als Verdampfer eingesetzt wird, kann in die Freipassagen 5 beispielsweise eine Schale 6 eingefügt werden. Die eingefügte Schale 6 sammelt und speichert ein in den Lamellenwärmetauscher eingeführtes Fluid 8, beispielsweise ein Kältemittel. Die Anzahl der eingebrachten Schalen 6 kann variiert werden und die Schalen 6 können alternierend mit den übereinander angeordneten Rohren 2 in die Freipassagen 5 eingeführt werden. Vorteilhafterweise bestehen die Schalen 6 aus Metall, Kunststoff oder keramischen Werkstoffen. Auch können Überlaufvorrichtungen in die Schalen 6 eingeführt werden, die ein Überlaufen des gesammelten und gespeicherten Fluids 8 verhindern und ab einem bestimmten Flüssigkeitslevel das gesammelte Fluid 8 in die nächste unterliegende Schale 6 überführen. Überlaufvorrichtungen umfassen Löcher, Rohre oder Dellen. Um das in den Schalen 6 gesammelte Fluid 8 zu verdampfen, stehen die Lamellen 1 vorzugsweise mit der in den Schalen 6 gesammelten Flüssigkeit in Kontakt. Hierbei kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Rohre 2 mit dem Fluid 8 in den Schalen 6 in Kontakt stehen. Durch den Kontakt von den Lamellen 1 und/oder den Rohren 2 mit dem in den Schalen 6 gesammelten Fluid 8 wird Wärme auf das Fluid 8 übertragen, wobei das Fluid 8 seinen Aggregatzustand ändert und in die Dampfphase übertritt. Hierbei kan ein heftiges Sieden auftreten, wobei das in den Schalen 6 befindliche Fluid 8, beispielsweise Kältemittel, an die Lamellen 1 spritzen kann und dort ggf. einen Flüssigkeitsfilm erzeugt. Hierdurch kann weitgehend die gesamte Oberfläche der Rohre 2 und Lamellen 1 als Wärmeaustauschfläche genutzt werden, wodurch die Effektivität des Verdampfers verbessert wird. Das verdampfte Fluid 8 kann durch die bevorzugte erfindungsgemäße Anordnung der Lamellen 1 , der Rohre 2 und den Freipassagen 5, den Wärmetauscher durchströmen, wobei durch die Anordnung der Freipassagen 5 ein Druckverlust verhindert wird und die Dampfströmung nicht beeinträchtigt wird. Hierdurch ist eine besonders effektive Betriebsweise des Lamellenwärmetauschers möglich.
Bezugszeichenliste
1 Lamellen
2 Rohre
2.1 Rohrpakete
3 Endbleche
4 Zu- und Ablei
5 Freipassagen
6 Schalen
7 Dampf
8 Fluid

Claims

Patentansprüche
1. Lamellenwärmetauscher umfassend:
a. Rohrpakete (2.1), bestehend aus mehreren in einer Ebene angeordneten Rohren (2) und einem in den Rohren (2) strömenden Fluid,
b. Lamellen (1), die beabstandet zueinander, parallel angeordnet sind und von den in jeweils einer Ebene angeordneten Rohren (2) durchsetzt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den übereinander angeordneten Rohrpakten (2.1)
Freipassagen (5) bestehen, wobei die Rohrpakete (2.1) in mehreren übereinander liegenden Ebenen alternierend mit den Freipassagen (5) angeordnet sind und die horizontal angeordneten Rohrpakete (2.1) nicht über Lamellen (1) wärmeleitend verbunden sind.
2. Lamellenwärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrpakete (2.1) mindestens ein stoffschlüssig angebrachtes Endblech (3) aufweisen.
3. Lamellenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbleche (3), senkrecht zu den Rohrpakten (2.1), an beiden gegenüberliegenden Seiten des Lamellenwärmetauschers angeordnet sind.
4. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endbleche (3) aus Metall und/oder keramischen Werkstoffen bestehen.
5. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Freipassagen (5) eine Höhe von mehr als 0,5 cm aufweisen.
6. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (1) nicht in die Freipassagen (5) hineinragen.
7. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrpakete (2.1) in mehreren horizontalen Ebenen angeordnet sind.
8. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (2) aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen bestehen.
9. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (2) und die Lamellen (1) wärmeleitend verbunden sind.
10. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Freipassage (5) eine Schale (6) angeordnet ist.
11. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
Überlaufvorrichtungen in den Schalen (6) angebracht sind.
12. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (1) aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen bestehen und eine rechteckige Form aufweisen.
13. Lamellenwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lamellenwärmetauscher Zu- und Ableitungen (4) zum hydraulischen Verschalten und Betrieb aufweist
14. Verwendung eines Lamellenwärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 13, für Sorptionsmaschinen, insbesondere Adsorptionskältemaschinen.
15. Verwendung eines Lamellenwärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 13, als Verdampfer für Sorptionsmaschinen, insbesondere Adsorptionskältemaschinen.
16. Verwendung eines Lamellenwärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 13, als Wärmetauscher einer Adsorber/Desorber-Einheit für Sorptionsmaschinen, insbesondere Adsorptionskältemaschinen.
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