EP2480853A2 - Fluidverteilungselement für einphasige oder mehrphasige fluide, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung - Google Patents

Fluidverteilungselement für einphasige oder mehrphasige fluide, verfahren zu dessen herstellung und dessen verwendung

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EP2480853A2
EP2480853A2 EP10745548A EP10745548A EP2480853A2 EP 2480853 A2 EP2480853 A2 EP 2480853A2 EP 10745548 A EP10745548 A EP 10745548A EP 10745548 A EP10745548 A EP 10745548A EP 2480853 A2 EP2480853 A2 EP 2480853A2
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EP
European Patent Office
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fluid
fluid distribution
distribution element
support structure
channel structure
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Withdrawn
Application number
EP10745548A
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English (en)
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Inventor
Thore Oltersdorf
Nils Paust
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0273—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple holes

Definitions

  • Fluid distribution element for single-phase or multi-phase fluids, process for its preparation
  • the present invention relates to a fluid distribution element for single-phase or multi-phase fluids and to a process for its production.
  • the fluid distribution elements according to the invention are used in heat exchangers or devices for mass transfer between fluids.
  • An important parameter for assessing the efficiency of a cross-flow evaporator is the optimal temperature distribution on the surface. This temperature distribution is a prerequisite for a low temperature difference between the working media involved. This difference is referred to as graveness. In order to achieve optimal heat transfer capacity of a heat exchanger, a uniform division of the refrigerant necessary.
  • Air-refrigerant evaporators are usually made of plugged heat exchangers and are a combination of copper tube registers and aluminum plate packs. Through the use of Venturi distributors in heat exchangers of this type, both the phase distribution and the fluid distribution can be optimally operated.
  • the Soldered heat exchangers can be produced cost-effectively and in easily automatable manufacturing processes by the exclusive use of aluminum as a material and the use of extruded MPE pipes in combination with diffusion soldering processes.
  • the fluid distribution element is intended to be usable both for single-phase and multi-phase fluids.
  • a fluid distribution element for single-phase or multiphase fluids having a curved surface at least in some areas is provided.
  • Support structure provided, wherein the support structure has at least one channel structure and / or fluid guide for fluid distribution.
  • the channel structure or fluid guide in this case has a plurality of channels or tubes which are connected via branches or associations.
  • the present invention thus presents a new concept for the distribution of single- or multi-phase fluids.
  • the basis of this new concept is the targeted application of branches instead of distribution pipes or distribution pipes, which carry out the simultaneous charging of a large number of fluid-carrying pipes or channels.
  • heat exchangers such as e.g. Cross-flow-operated air-refrigerant evaporator in refrigeration circuits is with the Fluidverteili- invention element an effective solution for the
  • the present invention is based on the use of centrifugal forces in support structures which have a curved surface at least in some areas, in which case the centrifugal forces act on the fluid to be transported in the curved regions, and have channel structures and / or fluid guides which have a fluid distribution and possibly even enable a phase separation.
  • a preferred embodiment provides that the
  • Channel structure and / or fluid guide for phase separation is perforated.
  • this fluid distributor as a hollow cylinder by forming or separating, this centrifugal channeling of an incoming two-phase Material flow through perforation to achieve a phase separation of the proportions of liquid and gaseous phase in the per se hollow cylindrical component.
  • a controlled phase and fluid distribution is possible, but also a phase separation of the gas phase possible.
  • the design of such an evaporator can be made more compact in this way, since the voluminous gas phase can be deposited in advance in the manifold. This allows the construction of more compact heat exchangers, improved heat transfer and also minimizes pressure loss.
  • the fluid distribution element according to the invention can also be used for multiphase material flows. Due to the acting centrifugal force, a two-phase material flow has a relatively small phase boundary, since bubble formation is minimal due to low heat transfer. By combining junctions and branches connected to a small cavity, any number of incoming streams can be divided into any number of effluents.
  • the support structure is at least partially wave, helical or cylindrical reshaped, whereby a Fluidver distribution and possibly even a Phasenseparati on is possible.
  • the channel structure preferably has branches and / or connections in Y-shape and / or awkward form.
  • branches in the Y-shape are abe also conceivable all other forms in which a channel is divided into two channels.
  • variable number of connected pipes leads to the fact that one can not make the uniform fluid distribution or charging of the connected pipes with simple Y-branches. This can be achieved in the fluid guide on the cylindrical surface only with the help of likewise cylindrically guided chambers, with multiple branches or multiple associations.
  • Another aspect of the invention relates to phase separation in fluid distribution elements shaped like a hollow cylinder. This can be done by perforating the helically guided fluid channels.
  • the number of pipes per deflection area in the manifold pipe connections can be further minimized. This is done by the perforation of the inwardly directed channel wall, which allows a phase separation of the gas phase in the hollow executed novel manifold. This is particularly interesting in the channel sections, in which the centrifugal force is maximum, since in this way leakage of the liquid phase can be largely avoided.
  • the Stoffström decreases in specific volume. The number of pipes to be charged can thus be minimized. A occurring maximum of heat transfer at a defined vapor content can be adjusted in a controlled manner and a reduction in heat transfer by approaching the overheated state can be minimized.
  • a method for producing the fluid distribution element described above, in which by means of forming or separating a channel structure and / or fluid guide in a cylindrical body and then the body with a second cylindrical body by means of a joining method on the structured surface of the first Body is connected to the support structure.
  • a hollow or massively executed cylindrical, inwardly or externally structured body can specify as a positive tool structures in forming processes, preferably by hydroforming (hydroforming) or electromagnetic forming, transform an imported or coated pipe section and thus transmit the structures of the tool on the pipe section.
  • hydroforming hydroforming
  • electromagnetic forming transform an imported or coated pipe section and thus transmit the structures of the tool on the pipe section.
  • the resulting in this way channel structure on the cylinder surface is directed outwards or inwards, initially open to the environment.
  • a second, matching, undeformed pipe section with this shaped cylinder body is equipped with a suitable joining method to form a new permanent pressure-resistant component.
  • the forming takes place the one piece of pipe together with the disposal of the undeformed pipe section to produce the pressure-tight channel structures for fluid distribution.
  • a method is also provided for producing the fluid distribution element described above, in which a channel structure and / or fluid guide is produced in a sheet metal by means of forming or separating, then the first and a second sheet are bent in a spiral shape and the sheets are bent by means of a Joining method at the structured surface of the first sheet to the support structure (2) are connected.
  • Forming or separating a channel structure and / or fluid guide is generated, then the body is connected to a second sheet by means of a joining method on the structured surface of the first sheet to the support structure and the support structure is bent into a spiral shape, preferably in the form of an Archimedean spiral ,
  • EP 1 525 428 B1 and provided with channel structures for fluid guidance sheet metal is brought by bending in a spiral shape.
  • a tubular piece is shaped by forming as possible by a cylindrical positive mold and then connected pressure-tight with another matching, externally adjoining piece of pipe, for example by diffusion soldering, that arise on the surface structures for fluid guidance, the fluid distribution by Y-branches, Allow multiple branches and mergers on the pipe surface.
  • This forming with positive shape should be better inward. In this way, outwardly directed uneven surfaces can be avoided and further processing, eg in compact heat exchangers, is thus simplified.
  • pipe or channel diameters whose
  • the fluid distribution element according to the invention or an arrangement of a plurality of fluid distribution elements, as described above, in a heat exchanger or in a device for mass transfer between fluids is used. It is preferred that the fluid distribution element in a heat exchanger with at least one exchanger element, which in turn a plurality of channel structures and / or Fluid guides is used, wherein the fluid distribution is improved on this exchanger element by constriction of the channel structure and / or fluid guide. For multiphase systems, there is also an improvement in the phase distribution.
  • Fig. 1 shows a variant of the invention
  • Fluid distribution element in three perspective side views.
  • Fig. 2 shows a further variant of the fluid distribution element according to the invention.
  • FIG 3 shows a representation of the basic form of the channel structure of a fluid distribution element according to the invention.
  • Fig. 5 shows a brazed heat exchanger with separated deflection in the manifold and the manifold.
  • a fluid distribution element 1 according to the invention is shown, the simple branches, i. a Y-branch or bifurcation 3, on a cylindrical surface 2.
  • a fluid distribution element according to the invention is shown, the more complex having transmission structure.
  • This more complex branching structure allows more degrees of freedom in the controlled fluid distribution of the mono- or multi-phase material stream.
  • FIG. 3 shows a channel structure of the fluid distribution element according to the invention. This was produced by means of sheet metal forming (roll bonding, hydroforming, EMU) for spiral bending. Here you can see only the channels themselves and not the actual sheet in which this channel structure 7 is embedded. It is thus shown the unbent shape of the sheet.
  • the sheet metal shown in Fig. 3 is shown in curved form 8. Not shown are inlets located at the origin on the spiral axis at the upper or lower end, and outlets in the form of a plurality of openings for MPE pipes in the outer edge region of the spirally bent sheet metal. Also, the channel structure described in Fig. 3 is not visible in Fig. 4.
  • FIG. 5 shows a brazed heat exchanger 9 with a distributor line 10 and a collecting line 12.
  • the distribution line 10 has separated deflection regions 11, 11 ', 11'', the manifold 12 separated deflection regions 13 and 13 ' on.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidverteilungselement für einphasige oder mehrphasige Fluide mit einer zumindest bereichsweise eine gekrümmte Oberfläche aufweisenden Trägerstruktur (2), die mindestens eine Verzweigungen und/oder Vereinigungen (3) aufweisende Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) zur Fluidverteilung aufweist sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Fluidverteilungselemente in Wärmetauschern oder Vorrichtungen zum Stoff austausch zwischen Fluiden.

Description

Fluidverteilungselement für einphasige oder mehrphasige Fluide, Verfahren zu dessen Herstellung und
dessen Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidverteilungselement für einphasige oder mehrphasige Fluide sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Verwendung finden die erfindungsgemäßen Fluidverteilungselemente in Wärmetauschern oder Vorrichtungen zum Stoffaustausch zwischen Fluiden.
Ein wichtiger Parameter für die Beurteilung der Effizienz eines Kreuzstrom-betriebenen Verdampfers ist die optimale Temperaturverteilung auf der Oberfläche. Diese Temperaturverteilung ist Voraussetzung für eine geringe Temperaturdifferenz zwischen den beteiligten Arbeitsmedien. Diese Differenz wird als Grädigkeit bezeichnet. Um eine optimale Grädigkeit eines Wärmeübertragers zu erreichen, ist eine gleichmäßige Ver- teilung des Kältemittels notwendig.
Neben der Grädigkeit spielt der Druckverlust eine große Rolle. Gleichmäßige und möglichst optimierte Druckverluste bedeuten eine geringe Änderung in der Verdampfungstemperatur und damit wiederum insgesamt eine hohe Temperaturhomogenität. Dies erreicht man in modernen, gelöteten Wärmeübertragern mit Hilfe von Verteiler- und Sammelrohren, an denen eine Vielzahl von Minikanalflachrohren (MPE-Rohren) angeschlossen ist. Diese Verfahrensweise ermöglicht gleichmäßige und insgesamt kurze Strömungsweglängen.
Dadurch entstehen aber große Probleme bei der Fluid- verteilung, da je nach Leistung des Verdampfers eine veränderliche Vielzahl dieser Flachrohre angeschlossen werden muss. Bedingt durch die Anwendung von Minikanalflachrohren, die für sich wiederum eine Vielzahl von MPE-Rohren parallel in einem Flachrohr vereinen, muss die Fluidverteilung nicht nur für eine Vielzahl von Flachrohren pro Verteilerrohr betrachtet, sondern auch bezogen auf die Vielzahl an Kanälen für jedes angeschlossene Flachrohr abgestimmt werden.
Luft-Kältemittel-Verdampfer bestehen üblicherweise aus gesteckten Wärmeübertragern und sind eine Kombination aus Kupfer-Rohrregistern und Aluminium- Lamellenpaketen. Durch den Einsatz von Venturi- Verteilern in Wärmeübertragern dieser Bauart kann dabei sowohl die Phasen- als auch die Fluidverteilung optimal betrieben werden.
Im ökonomischen Sinne, im Hinblick auf die eingesetzte Kältemittelfüllmenge, aber auch im Hinblick auf die Effizienz, kann mit gelöteten Wärmeübertragern ein technologischer Fortschritt erreicht werden. Die gelöteten Wärmeübertrager sind durch die ausschließliche Verwendung von Aluminium als Werkstoff und die Verwendung von stranggepressten MPE-Rohren in Kombination mit Diffusionslötverfahren kostengünstig und in leicht automatisierbaren Fertigungsverfahren herzustellen .
Aus der EP 1 525 428 Bl ist ein Verfahren zur Erstellung eines Hydrauliknetzwerkes zur Wärme- und/oder StoffÜbertragung bekannt, bei dem eine vorgegebene
Übertragungsfläche oder ein vorgegebenes Übertragungsvolumen mit einem mehrfach verzweigten Hydrauliknetzwerk versehen wird. Die US 2007/0039724 beschreibt einen Wärmeaustauscher, der ein perforiertes Führungsrohr direkt an einer Venturi-Düse zur Fluid- und Phasenverteilung im Verteilerrohr aufweist. Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluidverteilungselement bereitzustellen, mit dem eine Vergleichmäßigung der eintretenden
Stoffströme ermöglicht wird. Das Fluidverteilungselement soll dabei sowohl für einphasige als auch mehr- phasige Fluide einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird durch das Fluidverteilungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen der Ansprüche 7, 12 und 13gelöst. In Anspruch 18 wird eine erfindungsgemäße Verwendung angegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird ein Fluidverteilungselement für einphasige oder mehrphasige Fluide mit einer zumindest bereichsweise eine gekrümmte Oberfläche aufwei- senden Trägerstruktur bereitgestellt, wobei die Trägerstruktur mindestens eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung zur Fluidverteilung aufweist. Die Kanalstruktur bzw. Fluidführung weist dabei eine Vielzahl von Kanälen oder Röhren auf, die über Verzweigungen oder Vereinigungen verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein neues Konzept für die Verteilung von ein- oder mehrphasigen Fluiden vor. Grundlage dieses neuen Konzeptes ist die gezielte Anwendung von Verzweigungen anstelle von Verteilersträngen bzw. Verteilerrohren, die die zeitgleiche Beschickung einer Vielzahl von Fluid- führenden Rohren oder Kanälen durchführen. Insbesondere für Wärmeüberträger, wie z.B. Kreuzstrom- betriebene Luft-Kältemittel-Verdampfer in Kältekreisläufen wird mit dem erfindungsgemäßen Fluidvertei- lungselement eine wirksame Lösung für die
Vergleichmäßigung von ein- bzw. mehrphasig eintretenden Stoffströmen bereitgestellt. Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Anwendung von zentrifugalen Kräften in Trägerstrukturen, die zumindest bereichsweise eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, wobei in den gekrümmten Bereichen die Zentrifugalkräfte auf das zu transportierende Fluid wirken, sowie Kanalstrukturen und/oder FLuidführungen aufweisen, die eine Fluidverteilung und gegebenenfalls sogar eine Phasenseparation ermöglichen. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die
Kanalstruktur und/oder Fluidführung zur Phasenseparation perforiert ist.
Bei der Fertigung dieses Fluidverteilers als Hohlzy- linder durch Umformen oder Trennen kann diese zentrifugale Kanalisierung eines eintretenden zweiphasigen Stoffstroms durch Perforation eine Phasenseparation der Anteile an flüssiger und gasförmiger Phase in de an sich hohl ausgeführten zylindrischen Bauteil erreichen. Somit ist nicht nur eine kontrollierte Phasen- und Fluidverteilung möglich, sondern auch eine Phasenabtrennung der Gasphase möglich. Bei der Anwen dung dieses Verfahrens auf Wärmeübertrager oder Verdampfer im speziellen kann auf diese Weise die Bauform eines solchen Verdampfers kompakter gestaltet werden, da die voluminöse Gasphase vorweg im Verteiler abgeschieden werden kann. Dies ermöglicht die Konstruktion von kompakteren Wärmeübertragern, eine verbesserte Wärmeübertragung und ebenso eine Druck- verlustminimierung .
Das erfindungsgemäße Fluidverteilungselement kann auch für mehrphasige Stoffströme eingesetzt werden. Durch die wirkende Zentrifugalkraft besitzt ein zwei phasiger Stoffstrom eine relativ kleine Phasengrenzfläche, da aufgrund eines geringen Wärmetransports die Blasenbildung minimal ist. Durch die Kombination von Vereinigungen und Verzweigungen, die an einen kleinen Hohlraum angeschlossen sind, lässt sich eine beliebige Anzahl von eintretenden Stoffströmen auf eine beliebige Anzahl von austretenden Stoffströmen aufteilen .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerstruktur zumindest bereichsweise wellen-, spiral- oder zylinderförmig umgeformt, wodurch eine Fluidver teilung und gegebenenfalls sogar eine Phasenseparati on ermöglicht wird.
Vorzugsweise weist die Kanalstruktur Verzweigungen und/oder Vereinigungen in Y-Form und/oder ehrfach- Form auf. Neben Verzweigungen in der Y-Form sind abe auch alle anderen Formen denkbar, bei denen sich ein Kanal in zwei Kanäle aufteilt.
Bei gelöteten Wärmeübertragern ist es Stand der Technik, die Aufteilung der Sammelleitungen in separierte Bereiche vorzunehmen, um die Anzahl der zu beschickenden angeschlossenen Rohre zu minimieren und damit die Problematik der schlechten Fluid- und Phasenverteilung entgegenwirken zu können. Die Anzahl der angeschlossenen Rohre pro zentraler, linker und rechter Sammelleitung ist dabei gleich. Erhöht man die Anzahl der Rohre für jeden aufeinander folgenden Umlenkbereich, lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit vergleichmäßigen, da das bereitgestellte
durchströmbare Volumen auf diese Weise besser auf die veränderliche spezifische Dichte des verdampfenden Mediums abgestimmt werden kann.
Die veränderliche Anzahl der angeschlossenen Rohre führt allerdings dazu, dass man nicht mit einfachen Y-Verzweigungen die gleichmäßige Fluidverteilung bzw. Beschickung der angeschlossenen Rohre vornehmen kann. Dies lässt sich bei der Fluidführung auf der zylindrischen Oberfläche nur mit Hilfe von ebenfalls zylindrisch geführten Kammern, mit Mehrfachverzweigungen bzw. Mehrfachvereinigungen erreichen.
Nach der Aufzweigung auf die notwendige Anzahl an Kanälen für die Beschickung ist eine zylindrische Führung zur besseren Kontrolle der Phasenverteilung nicht mehr notwendig. Die Kanalführung kann nun auf kompaktere Weise durchgeführt werden, indem in axialer Richtung eine größere Steigung der Kanalstrukturen vorgesehen wird. Erst der Einströmbereich muss notwendigerweise zur Beschickung auf die Ausführung des Anschlusses der MPE-Rohre abgestimmt werden. Eine triviale Nebenbedingung für die Anwendung von separierten Sammelleitungen mit diesen mit Mehrfachverzweigungen bzw. -Vereinigungen ausgestatteten Kammern besteht in der bereits erwähnten konstanten Gesamtanzahl an angeschlossenen Rohren in beiden Sammelleitungen. Diese Nebenbedingung muss bei der
Fluidverteilung in Sammelleitungen mit berücksichtigt werden, führt sie doch zu dem weiter oben beschriebenen Umstand, dass das Verhältnis von eingeführten und abgehenden Rohren in einzelnen Verzweigungen nicht konstant bei 1:2 liegen kann, sondern Mehrfachverzweigungen notwendig macht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Phasenabtrennung in wie einen Hohlzylinder geformten Fluidverteilungselementen . Dies kann durch eine Perforation der helixartig geführten Fluidkanäle erfolgen .
Die Anzahl an Rohren pro Umlenkbereich in den Sammel- rohranschlüssen lässt sich weiter minimieren. Dies geschieht durch die Perforation der nach innen gerichteten Kanalwand, was eine Phasenseparation der Gasphase in die hohl ausgeführte neuartige Sammelleitung ermöglicht. Dies ist vor allem in den Kanalabschnitten interessant, in denen die Zentrifugalkraft maximal wird, da auf diese Weise ein Austreten der flüssigen Phase weitgehend vermieden werden kann. Der Stoffström nimmt an spezifischem Volumen ab. Die Anzahl der zu beschickenden, angeschlossenen Rohre kann somit minimiert werden. Ein auftretenden Maximum der Wärmeübertragung bei einem definierten Dampfanteil kann auf diese Weise kontrolliert eingestellt und eine Verminderung der Wärmeübertragung durch Annäherung an den überhitzten Zustand minimiert werden. Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Fluidverteilungsele- mentes bereitgestellt, bei dem mittels Umformen oder Trennen eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung in einem zylinderförmigen Körper erzeugt und anschließend der Körper mit einem zweiten zylinderförmigen Körper mittels eines Fügeverfahrens an der strukturierten Oberfläche des ersten Körpers zur Trägerstruktur verbunden wird.
Unter Umformen und Trennen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle der in DIN 8580 aufgeführten Fertigungstechniken zu verstehen.
Unter Fügeverfahren sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle der in DIN 8593 aufgeführten
Fügetchniken zu verstehen, insbesondere Löten,
Schweißen, Pressen, Kleben, Sintern und/oder Kombinationen hiervon.
Ein hohl oder massiv ausgeführter zylindrischer, nach innen oder außen strukturierter Körper kann als Positivwerkzeug Strukturen bei Umformprozessen vorgeben, die, bevorzugt durch Innenhochdruckumformen (IHU) oder Elektromagnetisches Umformen, ein eingeführtes oder übergezogenes Rohrstück umformen und somit die Strukturen des Werkzeugs auf das Rohrstück übertragen. Die auf diese Weise entstandene Kanalstruktur auf der Zylinderoberfläche ist nach außen oder nach innen gerichtet zunächst noch zur Umgebung hin offen. Nach diesem Fertigungsschritt wird ein zweites, passendes unverformtes Rohrstück mit diesem umgeformten Zylinderkörper durch ein geeignetes Fügeverfahren zu einem neuen unlösbaren druckfesten Bauteil verfügt.
In einem kombinierten Verfahren erfolgt die Umformung des einen Rohrstücks gemeinsam mit der Verfügung des unverformten Rohrstücks, um die druckdichten Kanalstrukturen zur Fluidverteilung zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Fluidverteilungsele- mentes bereitgestellt, bei dem in einem Blech mittels Umformen oder Trennen eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung erzeugt wird, anschließend das erste und ein zweites Blech in spiralförmiger Form gebogen werden und die Bleche mittels eines Fügeverfahrens an der strukturierten Oberfläche des ersten Blechs zur Trägerstruktur (2) verbunden werden. Um die beim Biegen auftretende Stauchung auf der zur
Biegeachse orientierten Oberfläche und Dehnung weg von der Biegeachse orientierten Oberfläche zu vermeiden, erfolgt der Verfahrensschritt der Verfügung der beiden Bleche erst nach dem Biegen. Weisen beide Ble- che Kanalstrukturen und/oder Fluidführungen auf, so ist bereits bei der Umformung der Bleche auf die spätere Stauchung/Dehnung des entsprechenden innen/außen liegenden Bleches darauf zu achten, dass die Kanalstrukturen und/oder Fluidführungen passend zueinander gefertigt werden. Ist nur auf einem Blech als Trägerstruktur eine Umformung zur Erzeugung von Kanalstrukturen und/oder Fluidführungen vorgesehen, so müssen Stauchungen/Dehnungen nur als Einflussgrößen auf die Länge der Bleche vor dem Biegen berücksichtigt wer- den. Der Biegevorgang muss dabei nicht zwangsläufig mit beiden Blechen gleichzeitig erfolgen. Ein dem Fügen der zwei Bleche vorgeschalteter Biegeprozess je Blech ist sogar wünschenswert, da die zum Fügen notwendigen vorbereitenden Prozessschritte z.B. Aufbrin- gen von Flussmittel für das Löten an den getrennten
Blechen und ohne darauffolgenden Fügeprozess einfa- eher durchzuführen ist.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Fluidverteilungsele- mentes bereitgestellt, bei dem in einem Blech mittels
Umformen oder Trennen eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung erzeugt wird, anschließend der Körper mit einem zweiten Blech mittels eines Fügeverfahrens an der strukturierten Oberfläche des ersten Blechs zur Trägerstruktur verbunden wird und die Trägerstruktur in eine spiralförmige Form, vorzugsweise in Form einer Archimedischen Spirale, gebogen wird.
Folgende weiteren Aspekte der vorliegenden Erfindung sind hervorzuheben:
• Ein nach bekannter Art (siehe beispielsweise
EP 1 525 428 Bl) strukturiertes und verfügtes mit Kanalstrukturen zur Fluidführung versehenes Blech wird durch Biegung in eine spiralförmige Form gebracht .
• Ein Rohrstück wird durch Umformen möglichst durch eine zylindrische Positivform derart geprägt und anschließend mit einem weiteren passenden, außen anliegenden Rohrstück, z.B. durch Diffusionslöten, derart druckdicht verbunden, dass auf der Oberfläche Strukturen für die Fluidführung entstehen, die eine Fluidverteilung durch Y-Verzweigungen, Mehr- fachverzweigungen und -Vereinigungen auf der Rohroberfläche erlauben. Diese Umformung mit positiver Form sollte besser nach innen gerichtet sein. Auf diese Weise können nach außen gerichtete unebene Oberflächen vermieden werden und eine Weiterverar- beitung, z.B. in kompakten Wärmeübertragern, wird damit vereinfacht. In Rohr- bzw. Kanaldurchmessern, deren
Querschnittsgröße oberhalb des Submillimeterbe- reichs für niedrig viskose Fluide (Kältemittel, wie FKW und Kohlenwasserstoffe) bleibt, kann davon ausgegangen werden, dass Volumenkräfte, wie die Gravitation und im Falle der spiral- oder zylinderförmigen Fluidverteiler die Zentrifugalkraft, gegenüber der Oberflächenspannung überwiegen. Die zentrifugale Volumenkraft bewirkt in den Kanalstrukturen eine beschleunigte Phasentrennung bei Anwendungen mit mehrphasigen Fluiden ähnlich einem Zyklon. Die Phasenverteilung wird vergleichmäßigt und somit eine Fluidverteilung an Verzweigungen vereinfacht, da je nach Phasenzusammensetzung und Strömungsregime keine Tropfen- bzw. Blasengleich- verteilung vorliegen muss.
• Bei der Anwendung dieses Verfahrens zum Ersatz von Sammelleitungen in gelöteten Wärmeübertragern ist das Problem der Phasenverteilung nun nicht mehr, bezogen auf die Gesamtheit der Flachrohre, die an die Sammelleitung angeschlossen sind, zu lösen, sondern nur noch für die Anzahl der Minikanäle pro Flachrohr, was eine wesentliche Vereinfachung der technisch zu lösenden Fluidverteilung mit gleichmäßiger Phasenzusammensetzung darstellt.
Verwendung findet das erfindungsgemäße Fluidvertei- lungselement oder eine Anordnung mehrerer Fluidver- teilungselemente, so wie es zuvor beschrieben wurde, in einem Wärmetauscher oder in einer Vorrichtung zum Stoffaustausch zwischen Fluiden. Dabei ist es bevor- zugt, dass das Fluidverteilungselement in einem Wär- metauscher mit mindestens einem Tauscherelement, das wiederum eine Vielzahl von Kanalstrukturen und/oder Fluidführungen aufweist, eingesetzt wird, wobei die Fluidverteilung auf dieses Tauscherelement durch Einschnürung der Kanalstruktur und/oder Fluidführung verbessert wird. Für mehrphasige Systeme erfolgt ebenso eine Verbesserung der Phasenverteilung.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten speziellen Ausführungsformen einschränken zu wollen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Variante des
Fluidverteilungselementes in drei perspektivischen Seitenansichten .
Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Variante des Fluidverteilungselementes.
Fig. 3 zeigt eine Darstellung der Grundform der Ka- nalstruktur eines erfindungsgemäßen Fluidverteilungselementes .
Fig. 4 zeigt ein spiralförmiges Fluidverteilungsele- ment .
Fig. 5 zeigt einen gelöteten Wärmeüberträger mit separierten Umlenkbereichen in der Verteiler- und der Sammelleitung .
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Fluidverteilungs- element 1 dargestellt, das einfache Verzweigungen, d.h. eine Y-Verzweigung bzw. Bifurkation 3, auf einer zylindrischen Oberfläche 2 aufweist.
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Fluidverteilungs element dargestellt, das eine komplexere Verzwei- gungsstruktur aufweist. Diese komplexere Verzweigungsstruktur ermöglicht mehr Freiheitsgrade bei der kontrollierten Fluidverteilung des ein- oder mehrphasigen StoffStromes . Durch die Kombination von Verei- nigungen 5 und Verzweigungen5 ' , die hier an einen kleinen Hohlraum 6 angeschlossen sind, lässt sich eine beliebige Anzahl von eintretenden Stoffströmen auf eine beliebige Anzahl von austretenden Stoffströmen aufteilen .
In Fig. 3 ist eine Kanalstruktur des erfindungsgemäßen Fluidverteilungselementes dargestellt. Dieses wurde mittels Blechumformung (Roll-Bonding, IHU, EMU) für die spiralförmige Biegung hergestellt. Zu sehen sind hier nur die Kanäle an sich und nicht das eigentliche Blech, in dem diese Kanalstruktur 7 eingebettet ist. Es ist somit die ungebogene Form des Bleches dargestellt. In Fig. 4 ist das in Fig. 3 dargestellte Blech in gebogener Form 8 dargestellt. Nicht dargestellt sind Einlässe, die sich im Ursprung auf der Spiralachse am oberen oder unteren Ende befinden, und Auslässe in Form einer Vielzahl von Öffnungen für MPE-Rohre im äußeren Randbereich des spiralförmig gebogenen Bleches. Auch die in Fig. 3 beschriebene Kanalstruktur ist in Fig. 4 nicht sichtbar.
In Fig. 5 ist ein gelöteter Wärmeüberträger 9 mit ei- ner Verteilerleitung 10 und einer Sammelleitung 12 dargestellt. Die Verteilerleitung 10 weist dabei separierte Umlenkbereiche 11, 11', 11'', die Sammelleitung 12 separierte Umlenkbereiche 13 und 13 'auf.

Claims

Patentansprüche
1. Fluidverteilungselement (1) für einphasige oder mehrphasige Fluide mit einer zumindest bereichsweise eine gekrümmte Oberfläche aufweisenden Trägerstruktur (2) , die mindestens eine Verzweigungen und/oder Vereinigungen (3) aufweisende Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) zur Fluidverteilung aufweist.
2. Fluidverteilungselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) zur Phasenseparation perforiert ist.
3. Fluidverteilungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) Verzweigungen und/oder Vereinigungen in Y-Form (3) und/oder Mehrfach- Form (5,5') aufweist.
4. Fluidverteilungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (2) wellen-, spiral- oder zylinderförmig ist. Fluidverteilungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (2) aus zwei gefügten zylindrischen Körpern besteht, wobei mindestens ein Körper eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) aufweist.
Fluidverteilungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (2) aus Blechen gebildet ist, wobei mindestens ein Blech die Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) bildende Ausprägungen aufweist und die beiden Bleche gefügt sind und die Trägerstruktur (2) spiralförmig gebogen ist..
Verfahren zur Herstellung eines Fluidvertei- lungselementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mittels Umformen oder Trennen eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) in einem zylinderf rmigen Körper erzeugt und anschließend der Körper mit einem zweiten zylinderförmigen Körper mittels eines Fügeverfahrens an der strukturierten Oberfläche des ersten Körpers zur Trägerstruktur (2) verbunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite zylindrische Körper eine Kanalstruktur und/oder Fluid- führung (4) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen der zylinderförmige Körper mit einer Strukturen aufweisenden zylindrischen Positivform geprägt wird und somit die Strukturen auf den Körper übertragen werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Positivform ein zylindrischer Körper ist, der auf der Außenseite strukturiert ist, und die Trägerstruktur (2) ein Hohlzylinder ist und für das Umformen die Trägerstruktur (2) die Positivform ummantelt.
11. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Positivform ein zylindrischer Körper ist, der auf der Innenseite strukturiert ist, und die Trägerstruktur (2) ein Zylinder ist und für das Umformen die Positivform die Trägerstruktur (2) ummantelt.
12. Verfahren zur Herstellung eines Fluidvertei- lungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in einem Blech mittels Umformen oder Trennen eine Kanalstruktur eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) erzeugt wird, anschließend das erste und ein zweites Blech in spiralförmiger Form gebogen werden und die Bleche mittels eines Fügeverfahrens an der strukturierten Oberfläche des ersten Blechs zur Trägerstruktur (2) verbunden werden.
13. Verfahren zur Herstellung eines Fluidvertei- lungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem in einem Blech mittels Umformen oder Trennen eine Kanalstruktur eine Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) erzeugt wird, anschließend der Körper mit einem zweiten Blech mittels eines Fügeverfahrens an der strukturierten Oberfläche des ersten Blechs zur Trägerstruktur (2) verbunden wird und die Trägerstruktur (2) in eine spiralförmige Form gebogen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass das Blech mit einer Strukturen aufweisenden Positivform geprägt wird und somit die Strukture auf das Blech übertra- gen werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass als Umformprozess Innenhochdruckformen oder elektromagnetisches Umformen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kanalstruktur mit Verzweigungen und Vereinigungen in Y-Form (3) und/oder Mehrfach-Form (5, 5') erzeugt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen mittels Löten, Schweißen, Pressen Kleben, Sintern und/oder Kombinationen hiervon erfolgt.
Verwendung eines Fluidverteilungselementes (1) oder einer Anordnung mehrerer Fluidverteilungs- elemente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 i einem Wärmetauscher oder in einer Vorrichtung zum Stoffaustausch zwischen Fluiden.
Verwendung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidvertei- lungselement (1) in einem Wärmetauscher mit min destens einem Tauscherelement, dass wiederum ei ne Vielzahl von Kanalstrukturen und/oder Fluid- führungen (4) aufweist, eingesetzt wird, wobei die Fluid- und Phasenverteilung auf dieses Tauscherelement durch die Ausführung der Kanalstruktur und/oder Fluidführung (4) in Form von Strömungsvorrichtungen wie Blenden oder Düsen durch aprupte oder kontinuierliche Veränderung der Querschnitte erreicht wird.
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