WO2007014560A2 - Mehrflutiger wärmeübertrager - Google Patents

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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2270/00—Thermal insulation; Thermal decoupling
    • F28F2270/02—Thermal insulation; Thermal decoupling by using blind conduits

Definitions

  • the invention generally relates to a multi-flow heat exchanger according to the preamble of claim 1, comprising at least two countercurrent flows through a fluid, each comprising a group of a plurality of mutually parallel channels with lamellas sandwiched between the channels.
  • the invention relates to a gas cooler designed as a heat exchanger for use in motor vehicle air conditioners which are operated with CO 2 as refrigerant fluid.
  • An air conditioning cycle with CO 2 refrigerant fluid is predominantly transcritical.
  • the gas cooler is a large temperature difference of the CO 2 refrigerant fluid, in particular in the area of the fluid collector and the fluid distributor of the gas cooler, recorded.
  • generic gas coolers which in addition to the refrigerant fluid channels also placed therebetween and having the channels soldered lamellae, it may happen at a certain combinations of boundary conditions that the lamellae conduct a considerable heat flow from the warmer to the colder channel. This heat flow is a loss of heat because it reheats the already cooled refrigerant flow again. Thus, undesirable heat remains in the refrigerant fluid instead of being released to the ambient air.
  • slats results in both lamellae an approximately same temperature; the temperature minimum - in the case of the condenser, gas cooler and radiator, for example - lies in the middle of the lamella and the heat flows to the middle of the lamella, at the same time being given by convection to the air flow.
  • the temperature minimum - in the case of the condenser, gas cooler and radiator for example - lies in the middle of the lamella and the heat flows to the middle of the lamella, at the same time being given by convection to the air flow.
  • z As evaporators, results for the Temperature in the slat center, although an opposite situation, respectively maximum temperature, but the principles remain the same.
  • a heat exchanger is previously known, wherein between a channel on the inlet side, which is formed in a part of the heat exchanger tubes, and a channel on the output side, which is formed in the other part of the heat exchanger tubes, at least one heat transfer prevention device for preventing the movement of the heat between a first fluid flowing in the channel on the inlet side and a first fluid flowing in the channel on the outlet side.
  • the heat transfer preventing means is formed by a narrowed portion of a small cross-sectional area between the channel on the entrance side and the channel on the discharge side of the heat exchanger tubes.
  • the heat transfer prevention device may be formed as a slit in the slats, which is optionally provided with a thermal insulation.
  • a heat exchanger for a motor vehicle comprising a unit of two manifolds and a sandwiched between them slat tube block for a first circuit for guiding a heat transfer medium and with heat transfer means for at least one further circuit for guiding a further heat transfer medium having.
  • a subdivision into at least two mutually independent heat transfer areas is made in the unit consisting of collecting tube and lamella tube block, the heat transfer means for the at least one further cycle being integrated in at least one heat transfer area.
  • Characteristic of this invention is that in the two headers at the same height in each case at least one partition wall arrangement is formed by two end walls with an intermediate space and by the two End walls limited space is provided with an outwardly leading control bore.
  • a disadvantage of the aforementioned inventions is the not inconsiderable manufacturing effort to avoid the unwanted heat transfer between the channels having a different fluid temperature.
  • the object of the invention now is to propose a multi-flow heat exchanger, in particular gas cooler, in which a structurally simple manner leading to undesirable heat losses heat transfer between the channels having a different fluid temperature with sandwiched between lamellae is prevented or largely reduced.
  • a multi-flow heat exchanger in particular gas cooler, which has at least two floods through which a fluid can flow in opposite directions, each of which is formed by a group of a plurality of mutually parallel channels with lamellae sandwiched between the channels.
  • a deflection pocket provided for reversing the flow direction of the fluid is placed, and at a second opposite end face of the heat exchanger, a fluid distributor for a first flow and a fluid collector for a second flow are arranged.
  • the adjacent channels of the adjacent floods having a different fluid temperature are thermally decoupled from one another.
  • Blocks trained heat exchanger can be used to reduce heat loss.
  • the heat exchanger can be manufactured in one or more rows. In a multi-row design at least two, each formed of channels with interposed lamellae rows are provided, which are connected in parallel planes together to form a common lamella-channel block using tubes.
  • radiators or evaporators can be provided.
  • the environmentally neutral CO 2 is used as the refrigerant fluid.
  • the thermal decoupling avoids or at least reduces undesired heat transfer, which contributes to reducing the efficiency of the heat exchanger, between the adjacent channels of the adjoining flows, which have a different fluid temperature, and with respect to the environment. This effect is greater, the higher the temperature drop of the fluid in the flow direction through the channels of the heat exchanger.
  • the focus of the thermal decoupling lies in the area of the fluid collector and the fluid distributor, since naturally the largest temperature difference between the fluid entering the channels at a high temperature and emerging from the channels at a lower temperature is recorded at these locations.
  • the thermal decoupling can be realized constructively by various measures. 6 001399
  • a thermal insulator is provided between the adjacent channels of the adjacent floods having a different fluid temperature instead of the lamella.
  • a thermal insulator suitable for this purpose is a poor thermal conductivity material with a high thermal resistance, such as a non-metal.
  • the thermal insulator preferably fills the entire gap between the adjacent channels having a different fluid temperature.
  • a second preferred embodiment of the invention is for thermal decoupling of the space between the different channels having a different fluid temperature adjacent channels formed floats lamellar.
  • This space or distance of these fluid-carrying channels to each other may have an amount which is advantageously greater than the amount of the remaining distances of the channels of a flood.
  • the lamella placed therebetween has at least partially a slot in the longitudinal extent. Through this slot arise two separated by an air gap and opposite lamella halves, each connected to the adjacent channels, usually brazed, are.
  • the forming air gap may have a variable width depending on the transmitted heat output of the heat exchanger or in dependence of the temperature gradient of the fluid.
  • a fourth preferred embodiment of the invention has for thermal decoupling of a different fluid temperature having adjacent channels of the adjacent floods the interposed fin placed in the longitudinal direction one opposite the other slats deviating height and / or different material thickness.
  • a thermal insulator protective layer is provided for thermal decoupling of the adjacent channels of the adjacent floods having different fluid temperature, which is applied either on only one or both of these channels.
  • the height of the lamella placed between the adjacent channels corresponds to the height of the remaining louvers of the heat exchanger.
  • the thermal insulator protective layer is first applied to a channel or on both channels and subsequently introduced the lamella between the channels and fixed there to complete the heat exchanger. In the event that only one channel is formed with the insulator protective layer according to the invention, the lamella is used only for heat dissipation of the opposite channel.
  • the blind channel may be an initially provided fluid-carrying channel of a flood, which is sealed tightly to the end face, that is to say in the area of the fluid collector or fluid distributor and / or the deflection pocket.
  • the closing of the channel can be done by a baffle - respectively separate for the distributor and the collector the heat transfer - done so that no fluid can flow in this channel.
  • at least one baffle or blank plate placed at the fluid distributor or fluid collector may be provided instead of this channel.
  • Fig. 4 multi-flow heat exchanger with blade with modified
  • FIG. 7 shows a diagram of the surface temperature of the lamella placed between the two adjacent channels
  • FIG. 8 shows a diagram of the heat flow through the lamella placed between the two adjacent channels
  • FIG. 9 shows the total heat output of a heat exchanger with and without thermal Decoupling of the two adjacent channels in diagram form.
  • Figures 1 to 6 show the multi-flow heat exchanger 1 according to the invention in cross section with the representation of the various structural solutions for thermal decoupling of a different Fiuidtemperatur having adjacent channels 4.1 of the adjacent floods 2, 3.
  • the formed as a gas cooler heat exchanger 1 consists essentially of two by a CO 2 refrigerant fluid 13 countercurrent flows 2, 3, each of a group of a plurality of mutually parallel channels 4 with sandwiched between the channels 4 lamellae 5 are formed.
  • a Umlenktasche 6 provided for the flow direction reversal of the refrigerant fluid 13 is placed.
  • a fluid distributor 7 for the first flood 2 and a fluid collector 8 for the second flood 3 are arranged.
  • Both flowed through by one and the same CO 2 refrigerant fluid 13 floods 2, 3 thus extend between the two end faces 1.1, 1.2 of the heat exchanger 1, wherein the heat transfer as the second fluid involved air perpendicular to the flow direction of the CO 2 -Kälteschfluids 13 through the fins 5 of the heat exchanger 1 flows.
  • the totality of all channels 4 with the slats 5 placed therebetween forms a channel-slat block.
  • the lamellae 5 are static in the region of their lamella arches by hard soldering and heat-conducting connected with the channels 4 framing them on both sides.
  • the heat exchanger 1 is designed only as a single-row channel-slat block.
  • the idea of the invention is not precluded if the heat exchanger 1 is designed to be connected in multiple rows to the associated piping.
  • the core idea of the invention is that the adjacent channels 4.1, which have a different fluid temperature, of the adjacent floods 2, 3 are thermally decoupled from one another.
  • the thermal decoupling of the two adjacent channels 4.1 of the adjoining flows 2, 3 of the heat exchanger 1 takes place by means of a thermal insulator 9.
  • the existing of a poor thermal conductivity material with a high thermal resistance thermal insulator 9 is placed in place of the original lamella 5 between the two adjacent channels 4.1.
  • a heat-resistant plastic is used as the thermal insulator 9.
  • the channel spacing, or the width of the thermal insulator 9, may differ from the height of the remaining slats 5, in particular reduced in size.
  • the thermal insulator 9 consists of "stagnant" air, so that the space between the different channels having a different fluid temperature 4.1 of the adjacent floods 2, 3 is formed free of lamella.
  • FIG. 2 illustrates a multi-flow heat exchanger 1 with a slat 5.1 placed and slotted between the adjacent channels 4.1 of the adjoining flows 2, 3.
  • the slotted lamella 5.1 can be produced by a suitable, subsequently introduced saw cut.
  • the partially interrupted slot 10 extends parallel to the channels 4 of the heat exchanger 1. It has been found that the slot 10 need not necessarily be formed over the entire length of the lamella, but especially where caused by the high temperature difference Heat losses largest, respectively in the area of the fluid collector 8 and the fluid distributor 7 of the heat exchanger 1, are.
  • two slats are formed which are separated from one another by an air gap and which are opposite one another, wherein the slit 10 prevents a conductive heat transfer between the two adjacent channels 4.1.
  • a multi-flow heat exchanger 1 is shown with a between the a different fluid temperature having adjacent channels 4.1 of the adjacent floods 2, 3 formed blind channel 12.
  • a blind channel 12 for this purpose one of the two channels 4.1 each end face, that is in the region of the fluid collector 8 and Fluidverteilers 7 and / or the Diverter pocket 6, tightly closed for the refrigerant fluid 13. This closure is indicated by a cross.
  • a baffle or dummy plate 15 is used for this purpose on the front side, so that this blind channel 12 is no longer involved in the actual heat transfer.
  • FIG. 4 A slat 5.1 with a large overall height placed between the adjacent channels 4.1 of the adjacent floods 2, 3 is shown in FIG.
  • This slat 5.1 has over the other slats 5 an increased height.
  • the dimensioning of the slat height takes place taking into account the difference of the air-side pressure drop through the slat 5.1.
  • this changed in height slat 5.1 also changed a z. B. have lower material thickness.
  • the aim of these two measures according to FIG. 4 is always the reduction of réelleleitpose.
  • FIG. 5 shows a multi-flow heat exchanger 1 with a lamella 5.1 with thermal insulator protective layer 11 placed between the adjacent channels 4.1 of the adjoining flutes 2, 3.
  • the insulator protective layer 11 is applied to one of the two adjacent channels 4.1 and points in the direction of the lamella 5.1 , In this case, the height of the lamella 5.1 placed between the adjacent channels 4.1 corresponds to the height of the remaining lamellae 5 of the heat exchanger 1.
  • the thermal insulator protective layer 11 is first applied to the channel 4.1 and subsequently to the lamination 5.1 between the two channels 4.1 to complete the heat exchanger 1 introduced and fixed there.
  • the lamella 5.1 is only used to dissipate the heat used opposite channel 4.1.
  • FIG. 6 shows a detailed representation of the fluid distributor 7 of the heat exchanger 1 according to the invention on the basis of FIG. 3.
  • the blind channel 12 educated.
  • two baffle plates or dummy plates 15 are provided for this purpose, which are placed in the fluid distributor 7.
  • the two baffle plates or dummy plates 15 engage in a form-fitting manner in complementary slots 16, which are placed on the one hand parallel to one another and on the other hand extend orthogonally to the longitudinal axis of the fluid distributor 7.
  • a receptacle 14 attached to the fluid distributor 7 is provided for each of these baffle plates or dummy plates 15. In the simplest case, only one baffle plate or dummy plate 15 can be provided.
  • Fig. 7 the surface temperature of the lamella 5. 1 is shown as a function of their length on the example of several different lengths of channels 4 in diagram form. If the lamella 5.1 is in contact with two channels 4.1 of different surface temperature-in the case of lamellae 5.1 brazed on the outside of the adjacent channels 4.1-temperature profiles, as shown in FIG. 6, can result.
  • the temperature at the slat side brazed to one channel 4.1 decreases along the flow path of the refrigerant fluid 13, while at the opposite slat side (brazed to the second channel 4.1) the channel temperature increases. This is due to the opposition of the refrigerant fluid 13 in the channels 4 of the first and second floods 2, 3 with simultaneous decrease in the temperature of the refrigerant fluid 13.
  • Figure 9 shows the overall performance of a standard 2-channel / 12 mm gas cooler (45 MP 12 x 1, 2 mm 2 and 46 12 x 6.5 mm 2 ) without any protection against heat losses between channels 4.1 (FIG. Lines with filled mark) and the same heat exchanger 1 after removal of the slats 5.1, respectively with thermal decoupling, between the channels 4.1 (lines without filled mark) in diagram form.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrflutigen Wärmeübertrager (1), insbesondere Gaskühler, der zumindest zwei von einem Fluid (13) gegenläufig durchströmbare Fluten (2, 3) aufweist, die jeweils eine Gruppe von mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen (4) mit sandwichartig zwischen den Kanälen (4) platzierten Lamellen (5) umfassen. An einer ersten Stirnseite (1.1) des Wärmeübertragers (1) ist eine zur Strömungsrichtungsumkehr des Fluids (13) vorgesehene Umlenktasche (6) platziert und an einer zweiten gegenüberliegenden Stirnseite (1.2) des Wärmeübertragers (1) sind ein Fluidverteiler (7) für eine erste Flut (2) sowie ein Fluidsammler (8) für eine zweite Flut (3) angeordnet. Erfindungsgemäß sind die eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) voneinander thermisch entkoppelt.

Description

Mehrflutiger Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen einen mehrflutigen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , der zumindest zwei von einem Fluid gegenläufig durchströmbare Fluten aufweist, die jeweils eine Gruppe von mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen mit sandwichartig zwischen den Kanälen platzierten Lamellen umfassen. Im Speziellen betrifft die Erfindung einen als Gaskühler ausgebildeten Wärmeübertrager zur Verwendung in Kraftfahrzeugklimaanlagen, der mit CO2 als Kältemittelfluid betrieben werden.
Ein Klimaanlagenzyklus mit CO2-Kältemittelfluid ist vorwiegend transkritisch. Im Gaskühler ist eine große Temperaturdifferenz des Cθ2-Kältemittelfluids, insbesondere im Bereich ,des Fluidsammlers und des Fluidverteilers des Gaskühlers, zu verzeichnen. Bei gattungsgemäßen Gaskühlern, die zusätzlich zu den Kältemittelfluid führenden Kanälen auch dazwischen platzierte und mit den Kanälen verlötete Lamellen aufweisen, kann es bei einer bestimmten Kombinationen von Grenzbedingungen vorkommen, dass die Lamellen einen beachtlichen Wärmestrom vom wärmeren zum kälteren Kanal leiten. Dieser Wärmestrom ist ein Wärmeverlust, da er den bereits gekühlten Kältemittelstrom wieder aufheizt. Es verbleibt also unerwünscht Wärme im Kältemittelfluid, anstatt an die Umgebungsluft abgegeben zu werden.
Bei den zwischen den Kältemittelkanälen hartverlöteten Lamellen ergibt sich an beiden Lamellenbögen eine annähernd gleiche Temperatur; liegt das Temperaturminimum - beispielsweise im Fall von Kondensator, Gaskühler und Radiator - in der Mitte der Lamelle und strömt die Wärme zur Lamellenmitte, wobei sie gleichzeitig durch Konvektion an den Luftstrom abgegeben wird. Bei den durch Luft erhitzten Wärmetauschern, z. B. Verdampfern, ergibt sich für die Temperatur in der Lamellenmitte zwar eine entgegengesetzte Situation, respektive Temperaturmaximum, jedoch bleiben die Prinzipien dieselben.
Aus der DE 103 46 032 A1 ist ein Wärmetauscher vorbekannt, bei dem zwischen einem Kanal auf der Eintrittsseite, der in einem Teil der Wärmetauscherohre gebildet ist, und einem Kanal auf der Ausgabeseite, der in dem anderen Teil der Wärmetauscherohre gebildet ist, wenigstens eine Wärmeübertragungsverhinderungseinrichtung zum Verhindern der Bewegung der Wärme zwischen einem in dem Kanal auf der Eintrittsseite strömenden ersten Fluid und einem in dem Kanal auf der Ausgabeseite strömenden ersten Fluid vorgesehen. Die Wärmeübertragungsverhinderungseinrichtung wird hierbei durch einen verengten Abschnitt einer kleinen Querschnittsfläche zwischen dem Kanal auf der Eintrittsseite und dem Kanal auf der Ausgabeseite der Wärmetauscherrohre gebildet. Des Weiteren kann die Wärme- übertragungsverhinderungseinrichtung als Schlitz in den Lamellen ausgebildet sein, der gegebenenfalls mit einer Wärmeisolierung versehen ist.
In der DE 195 36 116 B4 ist ein Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug beschrieben, der eine Einheit aus zwei Sammelrohren und einen zwischen diesen eingebundenen Lamellen-Rohrblock für einen ersten Kreislauf zur Führung eines Wärmeübertragermediums sowie mit Wärmeübertragermitteln für wenigstens einen weiteren Kreislauf zur Führung eines weiteren Wärmeübertragermediums aufweist. In die Einheit aus Sammelrohr und Lamellen-Rohrblock ist eine Unterteilung in wenigstens zwei voneinander unabhängige Wärmeübertragungsbereiche vorgenommen, wobei in zumindest einem Wärmeübertragungsbereich die Wärmeübertragermittel für den wenigstens einen weiteren Kreislauf integriert sind. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass in den beiden Sammelrohren auf gleicher Höhe jeweils zumindest eine Trennwandanordnung durch zwei Abschlusswände mit einem dazwischenliegenden Raum gebildet ist und der durch die beiden Abschlusswände begrenzte Zwischenraum mit einer nach außen führenden Kontrollbohrung versehen ist.
Nachteilig bei den vorgenannten Erfindungen ist der nicht unerhebliche Fertigungsaufwand zur Vermeidung des unerwünschten Wärmeübergangs zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden Kanälen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen mehrflutigen Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler, vorzuschlagen, bei dem in konstruktiv einfacher Weise eine zu unerwünschten Wärmeverlusten führende Wärmeübertragung zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden Kanälen mit sandwichartig dazwischen platzierten Lamellen verhindert oder weitestgehend verringert wird.
Diese Aufgabe wird durch einen mehrflutigen Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler, gelöst, der zumindest zwei von einem Fluid gegenläufig durchströmbare Fluten aufweist, die jeweils von einer Gruppe von mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen mit sandwichartig zwischen den Kanälen platzierten Lamellen gebildet sind. An einer ersten Stirnseite des Wärmeübertragers ist eine zur Strömungsrichtungsumkehr des Fluids vorgesehene Umlenktasche platziert, und an einer zweiten gegenüberliegenden Stirnseite des Wärmeübertragers sind ein Fluidverteiler für eine erste Flut sowie ein Fluidsammler für eine zweite Flut angeordnet. Erfindungsgemäß sind die eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle der aneinander grenzenden Fluten voneinander thermisch entkoppelt.
Den weiteren Ausführungen wird vorangestellt, dass die erfindungsgemäße thermische Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle der aneinander grenzenden Fluten, unabhängig von der Konstruktion und Verwendung eines als Lamellen-Kanal- Blocks ausgebildeten Wärmeübertragers zur Verringerung der Wärmeverluste genutzt werden kann. Der Wärmeübertrager kann ein- oder mehrreihig gefertigt sein. Bei einer mehrreihigen Ausführung sind zumindest zwei, jeweils aus Kanälen mit dazwischen platzieren Lamellen gebildeten Reihen vorgesehen, die in parallel zueinander angeordneten Ebenen gemeinsam zu einem gemeinsamen Lamellen-Kanal-Block unter Verwendung von Rohren verschaltet sind.
Als Wärmeübertrager können neben einem Gaskühler auch Kondensatoren, Radiatoren oder Verdampfer vorgesehen werden. Für die Anwendung als Gaskühler wird als Kältemittelfluid das umweltneutrale CO2 eingesetzt.
Auch wenn in der nachfolgenden Beschreibung ausschließlich die Bezeichnung Lamelle gewählt wurde, so ist ebenso darunter eine Rippe zu verstehen.
Durch die thermische Entkopplung wird eine unerwünschte und zur Verringerung der Effizienz des Wärmeübertragers beitragende Wärmeübertragung zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen der aneinander grenzenden Fluten sowie gegenüber der Umgebung vermieden oder zumindest verringert. Dieser Effekt ist dabei umso größer, je höher der Temperaturabfall des Fluids in Strömungsrichtung durch die Kanäle des Wärmeübertragers ist. Der Schwerpunkt der thermischen Entkopplung liegt hierbei im Bereich des Fluidsammlers und des Fluidverteilers, da an diesen Stellen naturgemäß die größte Temperaturdifferenz zwischen dem in die Kanäle mit einer hohen Temperatur eintretenden und aus den Kanälen mit einer geringeren Temperatur austretenden Fluid zu verzeichnen ist.
Die thermische Entkopplung lässt sich konstruktiv durch verschiedene Maßnahmen realisieren. 6 001399
Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen der aneinander grenzenden Fluten anstelle der Lamelle ein thermischer Isolator vorgesehen. Als thermischer Isolator eignet sich hierzu ein schlecht wärmeleitendes Material mit einem hohen Wärmeleitwiderstand, beispielsweise ein Nichtmetall. Der thermische Isolator füllt vorzugsweise den gesamten Zwischenraum zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen aus.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur thermischen Entkopplung der Bauraum zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen der aneinander grenzenden Fluten lamellenfrei ausgebildet. Dieser Bauraum bzw. Abstand dieser fluidführenden Kanäle zueinander kann einen Betrag aufweisen, der vorteilhafterweise größer als der Betrag der übrigen Abstände der Kanäle einer Flut ist.
Bei einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle der aneinander grenzenden Fluten die dazwischen platzierte Lamelle in Längserstreckung zumindest partiell einen Schlitz auf. Durch diesen Schlitz entstehen zwei durch einen Luftspalt voneinander getrennte und sich gegenüberliegende Lamellenhälften, die jeweils mit den benachbarten Kanälen verbunden, üblicherweise hartverlötet, sind. Der sich ausbildende Luftspalt kann in Abhängigkeit der zu übertragenen Wärmeleistung des Wärmeübertragers oder in Abhängigkeit des Temperaturgefälles des Fluids eine variable Breite aufweisen.
Bei einer vierten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle der aneinander grenzenden Fluten die dazwischen platzierten Lamelle in Längserstreckung eine gegenüber den übrigen Lamellen abweichende Bauhöhe und/oder abweichende Materialdicke auf. Durch eine Vergrößerung der Lamellenhöhe wird zum einen der Wärmeübertragungsweg zwischen den unterschiedlich temperierten Kanälen vergrößert und zum änderen verringert sich der Wärmeübergangskoeffizient, da die Strömungsgeschwindigkeit der senkrecht zur Lamelle strömenden Luft abgesenkt wird. Die Bemessung der Materialdicke dieser Lamelle erfolgt unter Berücksichtigung der Differenz des luftseitigen Druckabfalls durch die Lamelle.
Bei einer fünften bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle der aneinander grenzenden Fluten eine thermische Isolatorschutzschicht vorgesehen, die entweder auf nur einem oder auf beiden dieser Kanäle aufgebracht ist. Hierbei entspricht die Höhe der zwischen den benachbarten Kanälen platzierten Lamelle der Höhe der übrigen Lamellen des Wärmeübertragers. In der Praxis wird zunächst die thermische Isolatorschutzschicht auf einen Kanal oder auf beiden Kanäle aufgebracht und zur Komplettierung des Wärmeübertragers nachfolgend die Lamelle zwischen den Kanälen eingeführt und dort fixiert. Für den Fall, dass nur ein Kanal mit der erfindungsgemäßen Isolatorschutzschicht ausgebildet ist, wird die Lamelle nur zur Wärmeableitung des gegenüberliegenden Kanals verwendet.
Bei einer sechsten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle der aneinander grenzenden Fluten einer dieser Kanäle als Blindkanal ausgebildet oder ein zusätzlicher Blindkanal zwischen den beiden fluidführenden Kanälen in den Wärmeübertrager eingebracht. Der Blindkanal kann im einfachsten Fall ein ursprünglich vorgesehener fluidführender Kanal einer Flut sein, der stirnseitig, das heißt im Bereich des Fluidsammlers bzw. Fluidverteilers und/oder der Umlenktasche, für das Fluid dicht verschlossen wird. Das Verschließen des Kanals kann durch eine Prall- bzw. Blindplatte - jeweils getrennt für den Verteiler und den Sammler des Wärmeübertrages - erfolgen, so dass in diesem Kanal kein Fluid strömen kann. Außerdem kann anstelle dieses Kanals auch mindestens eine am Fluidverteiler bzw. Fluidsammler platzierte Prall- bzw. Blindplatte vorgesehen sein. Eine weitere Möglichkeit, einen Kanal für das Fluid funktionslos zu schalten, besteht darin, diesen Kanal zwar aus statischen Gründen an beiden Stirnseiten am Verteiler bzw. Sammler und der Umlenktasche zu fixieren, aber an diesen Stellen nicht mit dem Verteiler, Sammler oder der Umlenktasche hydraulisch zu koppeln. In der Praxis wird in diesem Fall dieser Kanal nicht mit dem Sammler bzw. Verteiler verlötet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
Fig. 1 : mehrflutiger Wärmeübertrager mit thermischen Isolator,
Fig. 2: mehrflutiger Wärmeübertrager mit geschlitzter Lamelle,
Fig. 3: mehrflutiger Wärmeübertrager mit Blindkanal,
Fig. 4: mehrflutiger Wärmeübertrager mit Lamelle mit veränderter
Bauhöhe,
Fig. 5: mehrflutiger Wärmeübertrager mit thermischer Isolatorschutzschicht,
Fig. 6: Detaildarstellung des Fluidverteilers 7 mit Prall- bzw. Blindplatten,
Fig. 7: Darstellung der Oberflächentemperatur der zwischen den beiden benachbarten Kanälen platzierten Lamelle in Diagrammform, Fig. 8: Darstellung des Wärmestroms durch die zwischen den beiden benachbarten Kanälen platzierten Lamelle in Diagrammform, Fig. 9: Darstellung der Gesamtwärmeleistung eines Wärmeübertragers mit und ohne thermische Entkopplung der beiden benachbarten Kanäle in Diagrammform. Die Figuren 1 bis 6 zeigen den erfindungsgemäßen mehrflutigen Wärmeübertrager 1 im Querschnitt mit der Darstellung der verschiedenen konstruktiven Lösungen zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fiuidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3. Der als Gaskühler ausgebildete Wärmeübertrager 1 besteht im Wesentlichen aus zwei von einem CO2-Kältemittelfluid 13 gegenläufig durchströmbaren Fluten 2, 3, die jeweils von einer Gruppe von mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen 4 mit sandwichartig zwischen den Kanälen 4 platzierten Lamellen 5 gebildet sind. An einer ersten Stirnseite 1.1 des Wärmeübertragers 1 ist eine zur Strömungsrichtungsumkehr des Kältemittelfluids 13 vorgesehene Umlenktasche 6 platziert. An einer zweiten gegenüberliegenden Stirnseite 1.2 des Wärmeübertragers 1 sind ein Fluidverteiler 7 für die erste Flut 2 sowie ein Fluidsammler 8 für die zweite Flut 3 angeordnet. Beide, von ein und demselben CO2-Kältemittelfluid 13 durchströmten Fluten 2, 3 erstrecken sich folglich zwischen den beiden Stirnseiten 1.1 , 1.2 des Wärmeübertragers 1 , wobei die an der Wärmeübertragung als zweites Fluid beteiligte Luft senkrecht zur Strömungsrichtung des Cθ2-Kältemittelfluids 13 durch die Lamellen 5 des Wärmeübertragers 1 strömt. Die Gesamtheit aller Kanäle 4 mit den dazwischen platzierten Lamellen 5 bildet einen Kanal-Lamellen-Block. Die Lamellen 5 sind im Bereich ihrer Lamellenbögen durch Hartlöten statisch fest und wärmeleitend mit den sie beidseitig einrahmenden Kanälen 4 verbunden. Im dargestellten Beispiel ist der Wärmeübertrager 1 nur als einreihiger Kanal-Lamellen-Block ausgebildet. Jedoch steht dem Erfindungsgedanken nicht entgegen, wenn der Wärmeübertrager 1 mehrreihig mit den zugehörigen Verrohrungen verschaltet ausgebildet ist. Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass die eine unterschiedliche Fiuidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 voneinander thermisch entkoppelt sind.
In der Fig. 1 erfolgt die thermische Entkopplung der beiden benachbarten Kanäle 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 des Wärmeübertragers 1 mittels eines thermischen Isolators 9. Der aus einem schlecht wärmeleitenden Material mit einem hohen Wärmeleitwiderstand bestehende thermische Isolator 9 ist anstelle der ursprünglichen Lamelle 5 zwischen den beiden benachbarten Kanäle 4.1 platziert. Bevorzugt wird als thermischer Isolator 9 ein wärmebeständiger Kunststoff eingesetzt. Der Kanalabstand, respektive die Breite des thermischen Isolators 9, kann von der Höhe der übrigen Lamellen 5 abweichen, insbesondere verkleinert sein. Im einfachsten Fall besteht der thermische Isolator 9 aus „stehender" Luft, so dass der Bauraum zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 lamellenfrei ausgebildet ist.
Die Fig. 2 illustriert einen mehrflutigen Wärmeübertrager 1 mit einer zwischen den benachbarten Kanälen 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 platzierten und geschlitzten Lamelle 5.1. Die geschlitzte Lamelle 5.1 ist durch einen geeigneten, nachträglich eingebrachten Sägeschnitt herstellbar. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich der teilweise unterbrochene Schlitz 10 parallel zu den Kanälen 4 des Wärmeübertragers 1. Es hat sich herausgestellt, dass der Schlitz 10 nicht zwingend über die gesamte Lamellenlänge ausgebildet sein muss, sondern vor allem dort, wo die durch die hohe Temperaturdifferenz bedingten Wärmeverluste am größten, respektive im Bereich des Fluidsammlers 8 und des Fluidverteilers 7 des Wärmeübertragers 1 , sind. Durch den eingebrachten Schlitz 10 entstehen zwei durch einen Luftspalt voneinander getrennte und sich gegenüberliegende Lamellenhälften, wobei der Schlitz 10 eine konduktive Wärmeübertragung zwischen den beiden benachbarten Kanälen 4.1 verhindert.
In Fig. 3 ist ein mehrflutiger Wärmeübertrager 1 mit einem zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 ausgebildeten Blindkanal 12 gezeigt. Als Blindkanal 12 wird hierzu einer der beiden Kanäle 4.1 jeweils stirnseitig, das heißt im Bereich des Fluidsammlers 8 bzw. Fluidverteilers 7 und/oder der Umlenktasche 6, für das Kältemittelfluid 13 dicht verschlossen. Dieser Verschluss ist jeweils mit einem Kreuz angedeutet. In der Praxis wird dazu stirnseitig jeweils eine Prall- bzw. Blindplatte 15 verwendet, so dass dieser Blindkanal 12 nicht mehr an der eigentlichen Wärmeübertragung beteiligt ist.
Eine zwischen den benachbarten Kanälen 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 platzierte Lamelle 5.1 mit großer Bauhöhe ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Lamelle 5.1 weist gegenüber den übrigen Lamellen 5 eine vergrößerte Bauhöhe auf. Dadurch wird einerseits der Wärmeübertragungsweg zwischen den unterschiedlich temperierten benachbarten Kanälen 4.1 vergrößert und andererseits die zur Wärmeübertragung des Kältemittelfluids 13 auf die Luft benötigte Wärmeübertragungsfläche vergrößert. Die Bemessung der Lamellenhöhe erfolgt unter Berücksichtigung der Differenz des luftseitigen Druckabfalls durch die Lamelle 5.1. Zusätzlich kann diese in der Bauhöhe veränderte Lamelle 5.1 auch eine veränderte z. B. geringere Materialdicke aufweisen. Ziel dieser beiden Maßnahmen gemäß Fig. 4 ist dabei stets die Verringerung der Wärmeleitverluste.
Die Fig. 5 zeigt einen mehrflutigen Wärmeübertrager 1 mit einer zwischen den benachbarten Kanälen 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 platzierten Lamelle 5.1 mit thermischer Isolatorschutzschicht 11. Die Isolatorschutzschicht 11 ist auf einem der beiden benachbarten Kanäle 4.1 aufgebracht und weist in Richtung der Lamelle 5.1. Hierbei entspricht die Höhe der zwischen den benachbarten Kanälen 4.1 platzierten Lamelle 5.1 der Höhe der übrigen Lamellen 5 des Wärmeübertragers 1. Üblicherweise wird zunächst die thermische Isolatorschutzschicht 11 auf den Kanal 4.1 aufgebracht und zur Komplettierung des Wärmeübertragers 1 nachfolgend die Lamelle 5.1 zwischen den beiden Kanälen 4.1 eingeführt und dort fixiert. Für diesen Fall, dass nur ein Kanal 4.1 mit der erfindungsgemäßen Isolatorschutzschicht 11 ausgebildet ist, wird die Lamelle 5.1 nur zur Wärmeableitung des gegenüberliegenden Kanals 4.1 verwendet.
Die Fig. 6 zeigt eine Detaildarstellung des Fluidverteilers 7 des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in Anlehnung an Fig. 3. Zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 gemäß Fig. 3 ist einer dieser Kanäle als Blindkanal 12 ausgebildet. Zur Ausbildung des Blindkanals 12 sind hierzu zwei Prall- bzw. Blindplatten 15 vorgesehen, die im Fluidverteiler 7 platziert sind. Die beiden Prall- bzw. Blindplatten 15 greifen formschlüssig in komplementäre Schlitze 16 ein, die einerseits parallel zueinander platziert sind und sich andererseits orthogonal zur Längsachse des Fluidverteilers 7 erstrecken. Zusätzlich ist für jede dieser Prall- bzw. Blindplatten 15 eine am Fluidverteiler 7 befestigte Aufnahme 14 vorgesehen. Im einfachsten Fall kann auch nur eine Prall- bzw. Blindplatte 15 vorgesehen sein.
In Fig. 7 ist die Oberflächentemperatur der Lamelle 5. 1 in Abhängigkeit ihrer Baulänge am Beispiel von mehreren unterschiedlich langen Kanälen 4 in Diagrammform gezeigt. Wenn sich die Lamelle 5.1 mit zwei Kanälen 4.1 unterschiedlicher Oberflächentemperatur in Kontakt befindet - im Fall von an der Außenseite der benachbarten Kanäle 4.1 hartverlöteten Lamellen 5.1 -, können sich Temperaturprofile, wie in Fig. 6 dargestellt, ergeben. Die Temperatur an der mit dem einen Kanal 4.1 hartverlöteten Lamellenseite verringert sich entlang der Strömungsstrecke des Kältemittelfluids 13, während an der entgegengesetzten Lamellenseite (hartverlötet mit dem zweiten Kanal 4.1) die Kanaltemperatur steigt. Dies ergibt sich durch die Gegenläufigkeit des Kältemittelfluids 13 in den Kanälen 4 der ersten und zweiten Flut 2, 3 bei gleichzeitiger Abnahme der Temperatur des Kältemittelfluids 13.
Der für diese Fälle berechnete Wärmestrom durch die Lamelle 5.1 ist in Fig. 8 in Diagrammform dargestellt. Es ist offensichtlich, dass Wärme (außer der durch Konvektion an die Umgebungsluft abgegebenen Wärme) von einem Kanal 4.1 (Lamellenlänge = 0) zum anderen (Lamellenlänge = 1) auch durch die Lamelle 5.1 strömt. Das ist im Grunde der Wärmeverlust, da der Wärmeübertragungsweg abgekürzt wird. Als eine Konsequenz verbleibt eine beträchtliche Wärmemenge im Kältemittelfluid 13, anstatt an die Luft abgegeben zu werden. Der Wärmeverlust ist umso höher, je höher die Temperaturdifferenz zwischen den entgegengesetzten Lamellenenden ist. Der Gesamtwärmeverlust für den Gaskühler der untersuchten Größe und unter den Grenzbedingungen (Gaskühlertiefe = 12,3 mm; Anzahl der Kältemittelrohre = 45; Anzahl der Lamellenreihen = 46; Lamellenhöhe = 6,5 mm; Lamellenschritt = 1 ,13 mm (534 Lamellen pro Rohr); TRef,ein = 130 0C; Referenzmassenstrom = 100 - 200 kg/h; TLuft,ein = 44,8 0C; Luftmassenstrom = 25 - 70 kg/min) ist für geringe Kältemittelmassenstromraten zu bis zu 450 W berechnet worden.
Ein analoges Ergebnis hat sich bei einem praktischen Versuch ergeben. Die Fig. 9 zeigt die Gesamtleistung eines standardmäßigen 2-Kanal/12 mm- Gaskühlers (45 MP-Rohre 12 x 1 ,2 mm2 und 46 Lamellenreihen 12 x 6,5 mm2) ohne jeden Schutz vor Wärmeverlusten zwischen den Kanälen 4.1 (Linien mit ausgefüllter Markierung) und desselben Wärmetauscher 1 nach Entfernung der Lamellen 5.1 , respektive mit thermischer Entkopplung, zwischen den Kanälen 4.1 (Linien ohne ausgefüllte Markierung) in Diagrammform. Die Gesamtwärmeleistung des getesteten Gaskühlers wurde für den Satz von Grenzbedingungen „Niedrigleistung" im Durchschnitt um 5,45 % verbessert. Bei höheren Kältemittelstromraten und höheren Einlasstemperaturen des Kältemittelfluids 13 und der Luft ist die Verbesserung der Gesamtleistung aufgrund des Schutzes vor Wärmeverlusten zwischen den Kältemittelkanälen 4.1 wesentlich kleiner. Jedenfalls bewirkte das Entfernen der gesamten Lamelle 5.1 zwischen den beiden, eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen 4.1 der aneinander grenzenden Fluten 2, 3 unter allen Grenzbedingungen keinerlei Leistungsverschlechterung. LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Wärmeübertrager
1.1 erste Stirnseite
1.2 zweite Stirnseite
2 erste Flut
3 zweite Flut
4 Kanal
4.1 benachbarte Kanäle
5 Lamelle
5.1 Lamelle
6 Umlenktasche
7 Fluidverteiler
8 Fluidsammler
9 thermischer Isolator
10 Schlitz
11 thermische Isolatorschutzschicht
12 Blindkanal
13 Fluid, Kältemittelfluid
14 Aufnahme
15 Prall- bzw. Blindplatte
16 Schlitz

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1), insbesondere Gaskühler, zumindest aufweisend zwei von einem Fluid (13) gegenläufig durchströmbare Fluten (2, 3), die jeweils eine Gruppe von mehreren parallel zueinander verlaufenden Kanälen (4) mit sandwichartig zwischen den Kanälen (4) platzierten Lamellen (5) umfassen, wobei an einer ersten Stirnseite (1.1) des Wärmeübertragers (1) eine zur Strömungsrichtungsumkehr des Fluids (13) vorgesehene Umlenktasche (6) platziert ist und an einer zweiten gegenüberliegenden Stirnseite (1.2) des Wärmeübertragers (1) ein Fluidverteiler (7) für eine erste Flut (2) sowie ein Fluidsammler (8) für eine zweite Flut (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) voneinander thermisch entkoppelt sind.
2. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) anstelle der Lamelle (5) ein thermischer Isolator (9) vorgesehen ist.
3. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) die dazwischen platzierten Lamelle (5) in Querstreckung zumindest partiell einen Schlitz (10) aufweist.
4. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) die dazwischen platzierte Lamelle (5.1) in Querstreckung eine gegenüber den übrigen Lamellen (5) abweichende Bauhöhe und/oder abweichende Materialdicke aufweist.
5. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) zumindest einer dieser Kanäle (4.1) eine thermische Isolatorschutzschicht (11) aufweist.
6. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung der eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanäle (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) einer dieser Kanäle (4.1) als Blindkanal (12) oder unter Verwendung zumindest einer Prall- bzw. Blindplatte (15) für das Kältemittelfluid funktionslos ausgebildet ist.
7. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung der Bauraum zwischen den eine unterschiedliche Fluidtemperatur aufweisenden benachbarten Kanälen (4.1) der aneinander grenzenden Fluten (2, 3) lamellenfrei ausgebildet ist.
8. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertrager (1) ein Kondensator, ein Gaskühler, ein Radiator oder ein Verdampfer vorgesehen ist.
9. Mehrflutiger Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid (13) ein CO2-Kältemittel vorgesehen ist.
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