EP3559579A1 - Wärmeübertrager, klimamaschine und verfahren zur kondensation und verdampfung - Google Patents

Wärmeübertrager, klimamaschine und verfahren zur kondensation und verdampfung

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EP3559579A1
EP3559579A1 EP17826473.5A EP17826473A EP3559579A1 EP 3559579 A1 EP3559579 A1 EP 3559579A1 EP 17826473 A EP17826473 A EP 17826473A EP 3559579 A1 EP3559579 A1 EP 3559579A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
condensate
partial
heat
partial surfaces
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17826473.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander WARLO
Lena Schnabel
Rahel VOLMER
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3559579A1 publication Critical patent/EP3559579A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D5/02—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, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits
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    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
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    • F24F5/0035—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater cooling apparatus specially adapted for use in air-conditioning using evaporation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/182—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing especially adapted for evaporator or condenser surfaces
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    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • 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
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D2020/0004—Particular heat storage apparatus
    • F28D2020/0013—Particular heat storage apparatus the heat storage material being enclosed in elements attached to or integral with heat exchange conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04—Coatings; Surface treatments hydrophobic

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with at least one heat transfer surface. Furthermore, the concerns
  • a climate machine with such a heat exchanger and a method for condensation and evaporation of a working medium in which the working fluid is condensed on at least one heat transfer surface of a plantedomasonic heat pump and is subsequently evaporated again by supplying heat.
  • Devices and methods of the type mentioned can be used as a component of an adsorption heat pump or an absorption refrigeration machine.
  • Sorption heat pumps or refrigeration machines are known in practice.
  • the present description uses for both devices in summary the term air conditioning machine.
  • the effect of these air conditioning machines is based on the fact that the heat of condensation and heat of sorption, which in the
  • Working medium is free, is provided as useful heat or used for the evaporation of a liquid working medium heat is used for cooling.
  • Condenser or evaporator are set up.
  • the evaporation and condensation may be cycled on a single heat exchanger.
  • the invention is therefore based on the object to provide a heat exchanger, which has a greater condensation and / or evaporation ⁇ performance and can nevertheless store working medium.
  • a heat exchanger which has at least one heat transfer surface.
  • the heat exchanger may in some embodiments of the
  • Invention have at least one tube which has a pipe wall.
  • the pipe wall separates an interior of the pipe from an outer space surrounding the pipe.
  • the pipe wall may consist of a metal or an alloy or a plastic material or such ent ⁇ hold.
  • a plastic may be provided with a filler, which increases the thermal conductivity or reduces the heat ⁇ resistance.
  • the tube wall and / or the filler may consist of a metal or an alloy or a plastic material or such ent ⁇ hold.
  • a plastic may be provided with a filler, which increases the thermal conductivity or reduces the heat ⁇ resistance.
  • a heating or cooling water For example, a heating or cooling water, a thermal oil or a gas.
  • the pipe wall thermal energy can be withdrawn or supplied.
  • the heat transfer surface of the heat exchanger may be at least a partial surface of the pipe wall.
  • the performance of the heat exchanger can be increased by the fact that the upper ⁇ surface of the pipe wall is increased by measures known per se.
  • the pipe wall may be thermally connected to fins or heat conducting plates, so that the surface of the fins for heat transfer is additionally available and the heat transfer surface ⁇ of the heat exchanger is increased in the same space.
  • the at least one tube of the heat exchanger may be polygonal or round.
  • the heat exchanger can contain a multiplicity of tubes, which are flowed through in the same direction or in opposite directions by the heat transfer medium.
  • the heat transfer area of the heat ⁇ wearer so formed has first partial surfaces, which with a
  • the storage structure may contain pores, which are set up and intended for the capillary storage of a condensate.
  • the heat transfer surface has second partial surfaces which have no storage structure. According to the invention, it has been recognized that the performance of a heat exchanger
  • first partial surfaces are available which are connected to the second partial surfaces in such a way that the condensate formed in the second partial surfaces is supplied to the first partial surfaces and thus to the storage structures arranged there.
  • the freed in this way from the condensate second partial surfaces can then condense again with good efficiency gaseous working fluid, whereupon this condensate is again supplied to the storage structures in the first partial surfaces of the heat transfer surface.
  • the memory structure may be the
  • Invention be adapted to liquid working medium by capillary forces on the second faces
  • the working medium is selected so that this at the desired temperature level and the desired
  • the working medium may include or consist of water and / or ammonia and / or an alcohol and / or a hydrocarbon.
  • the memory structure can be applied to the heat transfer surface of the heat exchanger by soldering, gluing or printing. In some embodiments, the
  • the memory structure can also be fixed or formed by doctoring or painting on the heat transfer surface.
  • the memory structure can through
  • Cavities form between individual fibers or wires or in the pores of an open-pored foam, which allow capillary storage of condensate within the storage structure.
  • the size of individual pores within the storage structure can be uniform. In other embodiments of the invention, pores of different sizes may be present
  • the second partial surfaces may be provided with a hydrophobic coating.
  • a hydrophobic coating may be selected in some embodiments of the invention
  • a hydrophobic surface may be replaced by mechanical
  • Material removal such as roughening, laser structuring, sandblasting, etc. or chemical processes such as
  • etching, galvanic, etc. are obtained.
  • the hydrophobic coating of the second faces of the heat transfer surface avoids or reduces one Film condensation, so that the condensation of the
  • Heat exchanger can be increased.
  • the goal is the generation of drops, which in turn are favorable for the flow and re-exposure of the surface.
  • the second subarea may be provided with at least one condensate guide structure.
  • a condensate guide structure may be provided with
  • a gutter can have a constant width and / or depth along its longitudinal extent or else in the depth and / or width
  • a condensate guide structure may be used for condensate formed on the second partial area during the condensation of the storage structure of the first partial area
  • the first and second sub-areas may be arranged relative to each other such that condensate upon operation of the heat exchanger
  • At least one first partial area having a storage structure can be arranged below a second partial area.
  • Figure 1 is a schematic representation of a sorption climatic machine.
  • FIG. 2 shows a heat exchanger according to the invention in a first embodiment.
  • FIG. 3 shows a heat exchanger according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 4 shows a first embodiment of a condensate guide structure.
  • Figure 5 shows a second embodiment of a condensate ⁇ management structure.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a hydrophobic one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a climate machine which can be used both as a sorption heat pump and as a sorption refrigeration machine.
  • the air conditioning machine includes a heat exchanger 1.
  • This contains a pipe or a pipe system in which a heat transfer medium is circulated. As a result, heat can be removed or supplied to the heat exchanger.
  • the at least one tube of the heat exchanger 1 has a tube wall 120, which separates an inner space 105 of the tube from an outer space surrounding the tube.
  • the pipe Wall 120 or a part of the pipe wall is used as heat transfer surface 100.
  • the heat conducting ⁇ additionally or alternatively, not shown, or other structures may be before ⁇ hands which 100 further increase the heat transfer area.
  • the heat transfer surface 100 is divided into first partial surfaces 101, which are provided with storage structures 2. Furthermore, the heat transfer surface 100 is second
  • Partial surfaces 102 which have no memory structures 2.
  • the storage structure 2 contains pores, which allow a capillary storage of a condensate. In addition, more pores with a larger diameter can be present, which allow an effective connection to the heat exchanger surrounding the gas space.
  • the heat input into the heat exchanger 1 leads to the evaporation of the condensate, which is discharged as a gaseous working ⁇ medium 50 in the surrounding the heat exchanger 1 outer space 110.
  • Compressor 30 supplied.
  • a thermal compressor 30 is shown.
  • gaseous working medium 50 is adsorbed. In this case, a heat flow Q A is released. Subsequently, the gaseous Working medium 50 desorbed at a higher pressure level again, for which purpose a drive power is necessary, which is supplied in the form of a heat flow Q P.
  • the liberated from the thermal compressor 30 gaseous working medium 50 passes back to the heat exchanger 1 and is condensed at the second partial surfaces 102. The condensed, liquid working medium is then supplied to the storage structures 2 and stored there until the next evaporation.
  • the released during the condensation heat Q H can be used as heating heat, if the illustrated
  • Air conditioning machine is used as a heat pump.
  • the heat of condensation Q H can also be released unused as waste heat.
  • FIG 2 shows a first embodiment of the heat exchanger according to Inventive ⁇ which is usable for example, in the embodiment shown in Figure 1 Air machine.
  • Like reference numerals designate like components of the invention, so the following description is limited to the essential differences.
  • the heat exchanger shown in cross section in FIG. 2 shows by way of example three tubes 10a, 10b and 10c.
  • the tubes 10 have a greater width and compared to a small height, so that the cross section is approximately rectangular.
  • the tubes 10 according to FIG. 2 can therefore be referred to as flat tubes.
  • the representation of the tubes 10 chosen in FIG. 2 can only be seen by way of example.
  • the tubes 10 may also have a different polygonal or round or elliptical cross section.
  • the number of tubes 10 is not set to exactly three. Rather, in some embodiments of the invention, the number of tubes 10 may also be larger or smaller and, for example
  • Each tube 10 has a first partial surface 101 and a second partial surface 102.
  • the first part surfaces on the top of the horizontally disposed tube 10 are arranged and the second partial surfaces 102 on the opposite bottom of the tube 10th
  • memory structures 2 are arranged on the first partial area 101.
  • Memory structures 2 may, for example, contain or consist of a multiplicity of wires arranged in parallel, a knitted fabric, a woven fabric, a fleece or a foam. The memory structures 2 thereby form cavities or pores in which a liquid working medium or condensate 5 can be stored.
  • Partial surfaces 102 may be provided with a hydrophobic coating, as will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • the second partial surfaces 102 are arranged in this embodiment with respect to an associated first partial surface 101 of the underlying tube 10. This ensures that condensate dripping from a second partial surface 102 of the storage structure 2 of a
  • the working medium condensing on the second partial surface 102 of the tube 10b is supplied to the storage structure 2 of the tube 10c arranged therebelow. For a larger number of tubes, this is continued cyclically until reaching the last tube 10th
  • the in the memory structures. 2 When supplying a warm heat transfer medium in the tubes 10 a, 10 b and 10 c, the in the memory structures. 2 stored working fluid gaseous expelled and is available for the next cycle, as described above with reference to FIG 1.
  • the second embodiment shows a round tube 10 with a tube wall 120.
  • the tube wall 120 is used as heat transfer surface 100.
  • the round tube 10 is arranged substantially vertically.
  • first partial surfaces 101 and second partial surfaces 102 are formed alternately.
  • condensed working medium can flow, following gravity, into the first partial surfaces 101 arranged thereunder.
  • the first partial surfaces 101 are provided with memory structures 2
  • wires in the illustrated embodiment or consist thereof.
  • the wires may be fixed to the tube wall 120 by soldering or gluing, so that pores or cavities 21 are formed between adjacent wires, in which the condensate is held in place by capillary forces, similar to one
  • Evaporation rate can be evaporated directly from the memory structures 2 of the first partial surfaces 101 out.
  • the element shown in FIG. 3 can also have a greater length in other embodiments of the invention
  • FIG 3 tubes 10 may be arranged side by side and one behind the other in a heat exchanger, so that the
  • FIG. 4 shows a heat transfer surface 100 in section.
  • the heat transfer surface 100 shown in FIG. 4 again has a first partial surface 101 and a
  • Subarea 101 is provided with memory structures 2 as described above.
  • the condensate guide structure 103 is an integral part of the pipe wall or the heat transfer surface 100.
  • the condensate guide structure 103 may be a protruding beyond the second part surface 102 rib or a single pin or pin.
  • the condensate guide ⁇ structure 103 causes condensed working fluid runs along the flanks of the structure 103 and at the
  • the condensate can be specifically directed to a storage structure 2, so that losses of working fluid due to uncontrolled dripping of the second partial surface 102 are avoided.
  • FIG. 5 shows condensate guide structures 103a and 103b in a second embodiment of the invention.
  • the heat exchange surface 100 is inclined, wherein the second partial surface 102 is arranged above the first partial surface 101.
  • grooves are incorporated, which have in the case of the condensate ⁇ guide structure 103 a substantially parallel side walls.
  • the groove is at a greater distance from the first partial surface 101 widened funnel-shaped with the storage structure 2.
  • a groove 103a or 103b may also have a different depth and thus effectively collect and channel the condensate.
  • Figure 6 shows a heat exchange surface 100 with a first surface portion 101, on which is arranged a storage ⁇ structure. 2 On the second partial surface 102, which is provided for the condensation of the working medium, there is a hydrophobic coating 104.
  • the hydrophobic coating 104 may include or consist of a polymer.
  • the polymer may be selected from polytetrafluoroethylene and / or a plasma polymer which may be deposited from a hydrocarbon by a CVD process.
  • a hydrophobic coating 104 may include or consist of a polymer.
  • the polymer may be selected from polytetrafluoroethylene and / or a plasma polymer which may be deposited from a hydrocarbon by a CVD process.
  • the hydrophobic coating 104 causes no on the second partial surface 102

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit zumindest einer Wärmeübertragungsfläche (100), wobei die Wärmeübertragungsfläche (100) erste Teilflächen (101) aufweist, welche mit einer Speicherstruktur (2) versehen sind und zweite Teilflächen (102) aufweist, welche keine Speicherstruktur (2) aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Klimamaschine mit einem solchen Wärmeübertrager und ein Verfahren zur Kondensation und Verdampfung eines Arbeitsmediums

Description

Wärmeübertrager, Klimamaschine und Verfahren zur Kondensation und Verdampfung
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest einer Wärmeübertragungsfläche. Weiterhin betrifft die
Erfindung eine Klimamaschine mit einem solchen Wärmeübertrager sowie ein Verfahren zur Kondensation und Verdampfung eines Arbeitsmediums, bei welchem das Arbeitsmedium an zumindest einer Wärmeübertragungsfläche eines Wärmeüber¬ tragers kondensiert und nachfolgend durch Wärmezufuhr wieder verdampft wird. Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art können als Bauteil einer Adsorptionswärmepumpe oder einer Absorptionskältemaschine Verwendung finden.
Aus der Praxis sind Sorptionswärmepumpen bzw. -kälte- maschinen bekannt. Die vorliegende Beschreibung verwendet für beide Geräte zusammenfassend den Begriff Klimamaschine. Die Wirkung dieser Klimamaschinen beruht darauf, dass die Kondensationswärme und Sorptionswärme, welche bei der
Kondensation und Ad- oder Absorption eines gasförmigen
Arbeitsmediums frei wird, als Nutzwärme bereitgestellt wird oder aber die zur Verdampfung eines flüssigen Arbeitsmediums aufzubringende Wärme zur Kühlung eingesetzt wird.
Kondensation und Verdampfung können dabei kontinuierlich an dedizierten Wärmeübertragern ablaufen, welche als
Kondensator bzw. Verdampfer eingerichtet sind. In anderen Ausführungsformen kann die Verdampfung und Kondensation zyklisch an einem einzelnen Wärmeübertrager ablaufen.
Dabei besteht die Notwendigkeit, das flüssige Arbeitsmedium bis zur erneuten Verdampfung zu speichern. Dies kann bei bekannten Klimamaschinen in Speicherstrukturen erfolgen, welche auf der Oberfläche des Wärmeübertragers angeordnet sind und welche flüssiges Arbeitsmedium festhalten können, beispielsweise durch Kapillarkräfte.
Diese bekannten Wärmeübertrager weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Speicherstrukturen auf der Oberfläche der Wärmeübertrager vergleichsweise große Wärmekapazitäten und Wärmewiderstände darstellen, sodass die Kondensations- und Verdampfungsleistung solcher Wärmeübertrager vergleichsweise gering ist.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager bereitzustellen, welcher eine größere Kondensations- und/oder Verdampfungs¬ leistung aufweist und gleichwohl Arbeitsmedium speichern kann .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Klimamaschine nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Wärmeübertrager vorgeschlagen, welcher zumindest eine Wärmeübertragungsfläche aufweist. Der Wärmeübertrager kann in einigen Ausführungsformen der
Erfindung zumindest ein Rohr aufweisen, welches eine Rohrwandung besitzt. Die Rohrwandung trennt einen Innenraum des Rohres von einem das Rohr umgebenden Außenraum. Die Rohrwandung kann aus einem Metall oder einer Legierung oder einem Kunststoffmaterial bestehen oder ein solches ent¬ halten. Ein Kunststoff kann mit einem Füllstoff versehen sein, welcher die Wärmeleitfähigkeit erhöht bzw. den Wärme¬ widerstand herabsetzt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Rohrwandung und/oder der Füllstoff
Aluminium, Edelstahl oder Kupfer enthalten oder daraus bestehen . Im Inneren des Rohres strömt ein Wärmeträgermedium,
beispielsweise ein Heiz- oder Kühlwasser, ein Thermoöl oder ein Gas. Hierdurch kann der Rohrwandung thermische Energie entzogen oder zugeführt werden.
Die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers kann zumindest eine Teilfläche der Rohrwandung sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers dadurch erhöht werden, dass die Ober¬ fläche der Rohrwandung durch an sich bekannte Maßnahmen vergrößert wird. Beispielsweise kann die Rohrwandung an Lamellen oder Wärmeleitbleche thermisch angebunden sein, sodass auch die Fläche der Lamellen zur Wärmeübertragung zusätzlich zur Verfügung steht und die Wärmeübertragungs¬ fläche des Wärmeübertragers bei gleichem Bauraum vergrößert ist .
Das zumindest eine Rohr des Wärmeübertragers kann polygonal oder rund sein. Insbesondere kann der Wärmeübertrager
Flachrohre enthalten, deren Breite wesentlich größer ist als die Höhe. Der Wärmeübertrager kann eine Vielzahl von Rohren enthalten, welche gleich- oder gegensinnig vom Wärmeträger- medium durchströmt werden.
Die so gebildete Wärmeübertragungsfläche des Wärmeüber¬ tragers weist erste Teilflächen auf, welche mit einer
Speicherstruktur versehen sind. Die Speicherstruktur kann Poren enthalten, welche zur kapillaren Speicherung eines Kondensats eingerichtet und bestimmt sind. Daneben weist die Wärmeübertragungsfläche zweite Teilflächen auf, welche keine Speicherstruktur aufweisen. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers
gesteigert werden kann, wenn zweite Teilflächen zur
Verfügung stehen, an welchen ein gasförmiges Arbeitsmedium mit geringem thermischen Widerstand effizient kondensiert werden kann. Da sich jedoch auf diese Weise nur dünne
Flüssigkeitsfilme auf den Wärmeübertragungsflächen speichern lassen, stehen zusätzlich erste Teilflächen zur Verfügung, welche mit den zweiten Teilflächen so in Verbindung stehen, dass das in den zweiten Teilflächen gebildete Kondensat den ersten Teilflächen und damit den dort angeordneten Speicherstrukturen zugeführt wird. Die auf diese Weise vom Kondensat befreiten zweiten Teilflächen können sodann wieder mit guter Effizienz gasförmiges Arbeitsmedium kondensieren, worauf auch dieses Kondensat wieder den Speicherstrukturen in den ersten Teilflächen der Wärmeübertragungsfläche zugeführt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann
Kondensat fortlaufend von den zweiten Teilflächen abgeführt und den Speicherstrukturen der ersten Teilflächen zugeführt werden .
Beim nachfolgenden Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums wird dem Wärmeübertrager durch das Wärmeträgermedium Wärme zugeführt. Dies führt einerseits zur Verdampfung des auf der zweiten Teilfläche verbliebenen Kondensatfilms. Darüber hinaus wird auch die auf der ersten Teilfläche befindliche Speicherstruktur erwärmt, sodass Arbeitsmedium unmittelbar aus der Speicherstruktur verdampfen kann. Schließlich kann die Speicherstruktur in einigen Ausführungsformen der
Erfindung dazu eingerichtet sein, flüssiges Arbeitsmedium durch Kapillarkräfte auf die zweiten Teilflächen zu
transportieren, sodass das Arbeitsmedium fortlaufend auch von den zweiten Teilflächen verdampft werden kann.
Das Arbeitsmedium ist so ausgewählt, dass dieses auf dem gewünschten Temperaturniveau und beim gewünschten
Arbeitsdruck einen gasförmig-flüssig-Phasenübergang
vollzieht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Arbeitsmedium Wasser und/oder Ammoniak und/oder einen Alkohol und/oder einen Kohlenwasserstoff enthalten oder daraus bestehen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Speicherstruktur Fasern und/oder Gestrick und/oder Vlies und/oder Gewebe und/oder Schaum enthalten oder daraus bestehen. Die Speicherstruktur kann durch Löten, Kleben oder Drucken auf die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen der
Erfindung kann die Speicherstruktur auch durch Aufrakeln oder Aufstreichen auf der Wärmeübertragungsfläche befestigt bzw. gebildet werden. Die Speicherstruktur kann durch
Sintern aus dem Rohrmaterial selbst, z.B. durch Fräsen, Ätzen (aus dem Vollmaterial) oder durch Angießen von
Schwämmen oder Schäumen an ein Rohr erhalten werden.
Zwischen einzelnen Fasern bzw. Drähten oder in den Poren eines offenporigen Schaumes bilden sich Hohlräume aus, welche eine kapillare Speicherung von Kondensat innerhalb der Speicherstruktur ermöglichen. Die Größe einzelner Poren innerhalb der Speicherstruktur kann dabei einheitlich sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können Poren unterschiedlicher Größe vorhanden sein, welche
unterschiedliche Aufgaben innerhalb der Speicherstruktur wahrnehmen. Beispielsweise können größere Poren dazu
vorgesehen sein, eine effektive 3-Phasen-Grenze zwischen dem Festkörper der Speicherstruktur, dem flüssigen Kondensat und dem gasförmigen Arbeitsmedium zu ermöglichen, wohingegen kleinere Poren zur kapillaren Speicherung und/oder zum kapillaren Transport des Kondensats vorhanden sein können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die zweiten Teilflächen mit einer hydrophoben Beschichtung versehen sein. Eine hydrophobe Beschichtung kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt sein aus
Polytetrafluorethylen oder einem kohlenwasserstoffhaltigen Plasmapolymer. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine hydrophobe Oberfläche durch mechanischen
Materialabtrag, beispielsweise Aufrauen, Laserstrukturieren, Sandstrahlen, etc. oder chemische Prozesse wie
beispielsweise Ätzen, galvanisch, etc. erhalten werden. Die hydrophobe Beschichtung der zweiten Teilflächen der Wärmeübertragungsfläche vermeidet oder vermindert eine Filmkondensation, sodass die Kondensationsleistung des
Wärmeübertragers erhöht sein kann. Ziel ist die Erzeugung von Tropfen, die wiederum günstig für das Abfließen und erneute Freilegen der Oberfläche sind.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Teilfläche mit zumindest einer Kondensatführungsstruktur versehen sein. Eine Kondensatführungsstruktur kann
ausgewählt sein aus zumindest einer Rippe, einem Stift, einem Zapfen oder einer Rinne. Eine Rinne kann entlang ihrer Längserstreckung eine konstante Breite und/oder Tiefe aufweisen oder aber in der Tiefe und/oder Breite
schrittweise oder kontinuierlich veränderlich sein. Eine Kondensatführungsstruktur kann dazu verwendet werden, dass an der zweiten Teilfläche bei der Kondensation gebildete Kondensat der Speicherstruktur der ersten Teilfläche
zuzuführen. Hierdurch kann vermieden werden, dass das
Kondensat unkontrolliert von der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers abläuft und dadurch dem Arbeitskreislauf der Klimamaschine verloren geht.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die erste und zweite Teilfläche relativ zueinander so angeordnet sein, dass bei Betrieb des Wärmeübertragers Kondensat
schwerkraftgetrieben von der zweiten Teilfläche abläuft und der ersten Teilfläche zuführbar ist. Hierdurch wird eine zuverlässige Speicherung des kondensierten Arbeitsmediums in der Speicherstruktur sichergestellt, ohne dass es zu
unkontrollierten Flüssigkeitsverlusten kommt und ohne dass weitere aktive Fördereinrichtungen benötigt werden, um das Kondensat in den Speicherstrukturen bis zur erneuten
Verdampfung zu speichern.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest eine eine Speicherstruktur aufweisende erste Teilfläche unterhalb einer zweiten Teilfläche angeordnet sein.
Hierdurch trifft von der zweiten Teilfläche abtropfendes Kondensat zwangsläufig auf die Speicherstruktur auf, sodass das Kondensat zuverlässig gespeichert wird.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sorptions- Klimamaschine .
Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer ersten Ausführungsform.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer zweiten Ausführungsform.
Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer Kondensatführungsstruktur .
Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Kondensat¬ führungsstruktur .
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform einer hydrophoben
BeSchichtung .
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Klima¬ maschine, welche sowohl als Sorptionswärmepumpe als auch als Sorptionskältemaschine verwendbar ist.
Die Klimamaschine enthält einen Wärmeübertrager 1. Dieser enthält ein Rohr oder ein Rohrsystem, in welchem ein Wärmeträgermedium zirkulierbar ist. Hierdurch kann dem Wärmeübertrager Wärme entnommen oder zugeführt werden.
Das zumindest eine Rohr des Wärmeübertragers 1 weist eine Rohrwandung 120 auf, welche einen Innenraum 105 des Rohres von einem das Rohr umgebenden Außenraum trennt. Die Rohr- wandung 120 oder ein Teil der Rohrwandung wird als Wärmeübertragungsfläche 100 verwendet. In anderen Ausführungs¬ formen der Erfindung können zusätzlich oder alternativ nicht dargestellte Wärmeleitbleche oder andere Strukturen vor¬ handen sein, welche die Wärmeübertragungsfläche 100 weiter vergrößern .
Die Wärmeübertragungsfläche 100 ist in erste Teilflächen 101 aufgeteilt, welche mit Speicherstrukturen 2 versehen sind. Weiterhin weist die Wärmeübertragungsfläche 100 zweite
Teilflächen 102 auf, welche keine Speicherstrukturen 2 aufweisen. Die Speicherstruktur 2 enthält Poren, welche eine kapillare Speicherung eines Kondensats ermöglichen. Daneben können weitere Poren mit größerem Durchmesser vorhanden sein, welche eine effektive Anbindung an den den Wärmeübertrager umgebenden Gasraum ermöglichen.
Bei einem Betrieb als Kältemaschine zirkuliert im Innenraum 105 des Rohres 10 des Wärmeübertragers 1 ein vergleichsweise warmes Wärmeträgermedium, welches den zweiten Teilflächen 101 und damit dem in den Speicherstrukturen 2 vorhandenen Kondensat einen Wärmestrom Qk zuführt. Hierdurch kühlt sich das Wärmeträgermedium ab, sodass beispielsweise bei der Verwendung als Kühlschrank oder Klimaanlage Wärme abgeführt werden kann.
Die Wärmezufuhr in den Wärmeübertrager 1 führt zur Verdampfung des Kondensats, welches als gasförmiges Arbeits¬ medium 50 in den den Wärmeübertrager 1 umgebenden Außenraum 110 abgegeben wird.
Nachfolgend wird das gasförmige Arbeitsmedium 50 einem
Kompressor 30 zugeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein thermischer Kompressor 30 dargestellt.
Dieser arbeitet mit einem Adsorber, an welchem das
gasförmige Arbeitsmedium 50 adsorbiert wird. Dabei wird ein Wärmestrom QA frei. Nachfolgend wird das gasförmige Arbeitsmedium 50 auf höherem Druckniveau wieder desorbiert, wozu eine Antriebsleistung notwendig ist, welche in Form eines Wärmestromes QP zugeführt wird. Das vom thermischen Kompressor 30 freigesetzte gasförmige Arbeitsmedium 50 gelangt wieder zum Wärmeübertrager 1 und wird an dessen zweiten Teilflächen 102 kondensiert. Das kondensierte, flüssige Arbeitsmedium wird sodann den Speicherstrukturen 2 zugeführt und dort bis zur nächsten Verdampfung gespeichert. Die bei der Kondensation freiwerdende Wärme QH kann als Heizwärme verwendet werden, wenn die dargestellte
Klimamaschine als Wärmepumpe eingesetzt wird. Im Fall einer Kältemaschine kann die Kondensationswärme QH auch als Abwärme ungenutzt abgegeben werden.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungs¬ gemäßen Wärmeübertragers, welcher beispielsweise in der in Figur 1 gezeigten Klimamaschine verwendbar ist. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bestandteile der Erfindung, sodass die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt ist.
Der in Figur 2 im Querschnitt dargestellte Wärmeübertrager zeigt beispielhaft drei Rohre 10a, 10b und 10c. Die Rohre 10 weisen eine größere Breite und eine im Vergleich dazu geringe Höhe auf, sodass der Querschnitt in etwa rechteckig ist. Die Rohre 10 gemäß Figur 2 können daher als Flachrohre bezeichnet werden. Die in Figur 2 gewählte Darstellung der Rohre 10 ist lediglich beispielhaft zu sehen. Die Rohre 10 können auch einen anderen polygonalen oder runden oder auch elliptischen Querschnitt aufweisen. Die Anzahl der Rohre 10 ist nicht auf exakt drei festgelegt. Vielmehr kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Anzahl der Rohre 10 auch größer oder geringer sein und beispielsweise
zwischen 2 und etwa 30 betragen.
Jedes Rohr 10 weist eine erste Teilfläche 101 und eine zweite Teilfläche 102 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Teilflächen auf der Oberseite des horizontal angeordneten Rohres 10 angeordnet und die zweiten Teilflächen 102 auf der gegenüberliegenden Unterseite des Rohres 10.
Wie aus Figur 2 weiter ersichtlich, sind auf der ersten Teilfläche 101 Speicherstrukturen 2 angeordnet. Die
Speicherstrukturen 2 können beispielsweise eine Vielzahl parallel angeordneter Drähte, ein Gestrick, ein Gewebe, ein Vlies oder einen Schaum enthalten oder daraus bestehen. Die Speicherstrukturen 2 bilden dadurch Hohlräume bzw. Poren aus, in welchen ein flüssiges Arbeitsmedium bzw. Kondensat 5 gespeichert werden kann.
Demgegenüber weisen die zweiten Teilflächen 102 kein
Speichermedium 2 auf. Optional können die zweiten
Teilflächen 102 mit einer hydrophoben Beschichtung versehen sein, wie nachfolgend anhand von Figur 6 näher erläutert wird .
Die zweiten Teilflächen 102 sind in dieser Ausführungsform gegenüber einer zugeordneten ersten Teilfläche 101 des darunterliegenden Rohres 10 angeordnet. Hierdurch ist sichergestellt, dass von einer zweiten Teilfläche 102 abtropfendes Kondensat der Speicherstruktur 2 eines
darunterliegenden Rohres zugeführt wird. So wird beispiels¬ weise das an der zweiten Teilfläche 102 des Rohres 10a kondensierende Arbeitsmedium als Kondensat 5 der
Speicherstruktur 2 des darunterliegenden Rohres 10b
zugeführt. Das an der zweiten Teilfläche 102 des Rohres 10b kondensierende Arbeitsmedium wird der Speicherstruktur 2 des darunter angeordneten Rohres 10c zugeführt. Für eine größere Anzahl von Rohren wird dies zyklisch fortgesetzt, bis zum Erreichen des letzten Rohres 10.
Bei der Zufuhr eines warmen Wärmeträgermediums in die Rohre 10a, 10b und 10c wird das in den Speicherstrukturen 2 gespeicherte Arbeitsmedium gasförmig ausgetrieben und steht für den nächsten Arbeitszyklus zur Verfügung, wie vorstehend anhand der Figur 1 beschrieben.
Anhand der Figur 3 wird eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erläutert. Die zweite Aus¬ führungsform zeigt ein Rundrohr 10 mit einer Rohrwandung 120. Die Rohrwandung 120 wird als Wärmeübertragungsfläche 100 verwendet. Das Rundrohr 10 ist im Wesentlichen vertikal angeordnet. Auf der Wärmeübertragungsfläche 100 sind erste Teilflächen 101 und zweite Teilflächen 102 abwechselnd ausgebildet. Somit kann in den zweiten Teilflächen 102 kondensiertes Arbeitsmedium der Schwerkraft folgend in die darunter angeordneten ersten Teilflächen 101 fließen. Die ersten Teilflächen 101 sind mit Speicherstrukturen 2
versehen, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Drähten enthalten bzw. daraus bestehen. Die Drähte können durch Löten oder Kleben an der Rohrwandung 120 befestigt sein, sodass sich zwischen benachbarten Drähten Poren bzw. Hohlräume 21 ausbilden, in welchen das Kondensat durch Kapillarkräfte festgehalten wird, ähnlich einem
Pinsel .
Da sich die Drähte im Wesentlichen radial von der Rohrwandung 120 weg erstrecken, nimmt deren Abstand in größerer Entfernung von der Wärmeübertragungsfläche 100 zu. Hierdurch kann eine effiziente Ankopplung der Speicherstrukturen 2 an den umgebenden Gasraum erfolgen, sodass gespeichertes
Arbeitsmedium auch mit gutem Wirkungsgrad bzw. hoher
Verdampfungsrate direkt aus den Speicherstrukturen 2 der ersten Teilflächen 101 heraus verdampft werden kann.
Das in Figur 3 dargestellte Element kann in anderen Aus¬ führungsformen der Erfindung auch eine größere Länge
aufweisen, sodass sich eine größere Anzahl von ersten und zweiten Teilflächen entlang der Längserstreckung des Rohres 10 befinden. Darüber hinaus kann eine Vielzahl der in Figur 3 dargestellten Rohre 10 nebeneinander und hintereinander in einem Wärmeübertrager angeordnet sein, sodass die zur
Kondensation und Speicherung des Arbeitsmediums zur
Verfügung stehende Fläche mit der Anzahl der Rohre 10 steigt .
Figur 4 zeigt eine Wärmeübertragungsfläche 100 im Schnitt. Die in Figur 4 dargestellte Wärmeübertragungsfläche 100 weist wiederum eine erste Teilfläche 101 und eine
gegenüberliegende zweite Teilfläche 102 auf. Die erste
Teilfläche 101 ist mit Speicherstrukturen 2 versehen, wie vorstehend beschrieben.
Die zur Kondensation des Arbeitsmediums dienende zweite Teilfläche 102 kann mit zumindest einer Kondensatführungs¬ struktur 103 versehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kondensatführungsstruktur 103 integraler Bestandteil der Rohrwandung bzw. der Wärmeübertragungsfläche 100. Die Kondensatführungsstruktur 103 kann eine über die zweite Teilfläche 102 hinausstehende Rippe oder auch ein einzelner Zapfen bzw. Stift sein. Die Kondensatführungs¬ struktur 103 bewirkt, dass kondensiertes Arbeitsmedium an den Flanken der Struktur 103 entlangläuft und an deren
Spitze abtropft. Hierdurch kann das Kondensat gezielt zu einer Speicherstruktur 2 gelenkt werden, sodass Verluste an Arbeitsmedium aufgrund unkontrolliertem Abtropfens von der zweiten Teilfläche 102 vermieden werden.
Figur 5 zeigt Kondensatführungsstrukturen 103a und 103b in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Wärmeaustauschfläche 100 geneigt, wobei die zweite Teilfläche 102 oberhalb der ersten Teilfläche 101 angeordnet ist. In der zweiten Teilfläche 102 sind Nuten eingearbeitet, welche im Fall der Kondensat¬ führungsstruktur 103a im Wesentlichen parallele Seitenwände aufweisen. Im Fall der Kondensatführungsstruktur 103b ist die Nut in größerem Abstand von der ersten Teilfläche 101 mit der Speicherstruktur 2 trichterförmig verbreitert.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Nut 103a oder 103b auch eine unterschiedliche Tiefe aufweisen und so das Kondensat effektiv sammeln und kanalisieren.
Auch die Nuten 103 gemäß Figur 5 bewirken, dass das
Kondensat auf der zweiten Teilfläche 102 nicht
unkontrolliert abläuft und dadurch den Speicherstrukturen 2 nur unvollständig zugeführt wird. Vielmehr wird das
Kondensat in den als Ablaufkanal wirkenden Nuten gesammelt und geführt und so effektiv in den Speicherstrukturen 2 eingelagert .
Figur 6 zeigt wiederum eine Wärmeaustauschfläche 100 mit einer ersten Teilfläche 101, auf welcher eine Speicher¬ struktur 2 angeordnet ist. Auf der zweiten Teilfläche 102, welche zur Kondensation des Arbeitsmediums vorgesehen ist, befindet sich eine hydrophobe Beschichtung 104.
Die hydrophobe Beschichtung 104 kann beispielsweise ein Polymer enthalten oder daraus bestehen. Das Polymer kann ausgewählt sein aus Polytetrafluorethylen und/oder aus einem Plasmapolymer, welches aus einem Kohlenwasserstoff mittels eines CVD-Verfahrens abgeschieden werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine hydrophobe
Oberfläche durch mechanischen Materialabtrag, beispielsweise Aufrauen, Laserstrukturieren, Sandstrahlen, etc. oder chemische Prozesse wie beispielsweise Ätzen, galvanisch, etc. erhalten werden. Die hydrophobe Beschichtung 104 bewirkt, dass auf der zweiten Teilfläche 102 keine
Filmkondensation stattfindet, sondern das Arbeitsmedium in Form einzelner Tropfen kondensiert. Dies hat die Wirkung, dass das Arbeitsmedium leichter von der Teilfläche 102 abtropft bzw. abläuft und und beim Ablaufen weiteres
Kondensat abwaschen kann. Hierdurch wird der Wärmeübergangswiderstand verringert, sodass die Kondensations¬ und/oder Verdampfungsleistung erhöht sein kann. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be¬ schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Aus-führungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Wärmeübertrager (1) mit zumindest einer Wärmeübertragungsfläche (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsfläche (100) erste Teilflächen (101) aufweist, welche mit einer Speicherstruktur (2) versehen sind und zweite Teilflächen (102) aufweist, welche keine Speicherstruktur (2) aufweist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherstruktur (2) Poren (21) zur kapillaren Speicherung eines Kondensats (5) enthält.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherstruktur (2) Fasern und/oder Gestrick und/oder Vlies und/oder Gewebe und/oder Schaum enthält oder daraus besteht.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teilflächen (102) mit einer hydrophoben Beschichtung (104) versehen sind oder eine hydrophobe Oberfläche durch mechanischen Material¬ abtrag oder chemische Prozesse erzeugt ist.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilfläche (102) mit zumindest einer Kondensatführungsstruktur (103) versehen ist .
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Teilflächen (101, 102) so angeordnet sind, dass bei Betrieb des Wärmeüber¬ tragers (1) Kondensat (5) schwerkraftgetrieben von der zweiten Teilfläche (102) abläuft und der ersten
Teilfläche (101) zuführbar ist.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
weiterhin enthaltend zumindest ein Rohr (10) mit einer Rohrwandung (120), welche einen Innenraum (105) von einem das Rohr umgebenden Außenraum (110) trennt, wobei die Rohrwandung (120) zumindest teilweise die Wärmeüber¬ tragungsfläche (100) bildet.
8. Klimamaschine mit einem Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Verfahren zur Kondensation und Verdampfung eines Arbeitsmediums, bei welchem das Arbeitsmedium an zumindest einer Wärmeübertragungsfläche (100) eines Wärmeübertragers (1) kondensiert und nachfolgend durch Wärmezufuhr wieder verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeübertragungsfläche (100) erste Teilflächen (101) aufweist, welche mit einer Speicherstruktur (2) versehen sind und zweite Teilflächen (102) aufweist, welche keine Speicherstruktur (2) aufweisen, wobei das Arbeitsmedium an den zweiten Teilflächen (102) kondensiert und das Kondensat (5) den ersten Teilflächen (101) zugeführt wird .
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dass erste und zweite Teilflächen (101, 102) so ange¬ ordnet sind, dass das Kondensat (5) schwerkraftgetrieben von der zweiten Teilfläche (102) abläuft und der ersten Teilfläche (101) zugeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teilflächen (102) mit einer hydrophoben Beschichtung (104) versehen sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherstruktur (2) Poren (21) zur kapillaren Speicherung des Kondensats (5) enthält.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teilfläche (102) mit zumindest einer Kondensatführungsstruktur (103) versehen ist, welche das Kondensat (5) der Speicherstruktur (2) zuführt .
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