WO2009077225A1 - Modulares wärmeaustauschsystem - Google Patents

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WO2009077225A1
WO2009077225A1 PCT/EP2008/063991 EP2008063991W WO2009077225A1 WO 2009077225 A1 WO2009077225 A1 WO 2009077225A1 EP 2008063991 W EP2008063991 W EP 2008063991W WO 2009077225 A1 WO2009077225 A1 WO 2009077225A1
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WO
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heat exchange
heat
exchange system
heat exchanger
exchange module
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PCT/EP2008/063991
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Franz Summerer
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A-Heat Allied Heat Exchange Technology Ag
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Priority to BRPI0821238-4A priority patent/BRPI0821238A2/pt
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Definitions

  • the invention relates to a modular heat exchange system with a heat exchange module according to the preamble of independent claim 1.
  • Heat exchangers are used in refrigerators, e.g. used in ordinary household refrigerators, in air conditioners for buildings or in vehicles of all kinds, especially in automobiles, aircraft and ships, as water or oil coolers in internal combustion engines, as condensers or evaporators in coolant circuits and in a myriad of different applications, all of which are well known to those skilled in the art are.
  • the laminated heat exchangers serve, like all types of heat exchangers, to transfer heat between two media, for example, but not only, to transfer from a cooling medium to air or vice versa, as is known, for example, from a classic household refrigerator in which heat is released to the ambient air via the heat exchanger for generating a cooling capacity in the interior of the refrigerator.
  • the ambient medium outside the heat exchanger e.g. Water, oil or often simply the ambient air, which absorbs heat or transfers heat to the heat exchanger, for example, is either cooled or heated accordingly.
  • the second medium may e.g. be a liquid refrigerant or heat transfer or a vaporizing or condensing refrigerant.
  • the surrounding medium e.g. the air
  • the coolant that circulates in the heat exchanger system. This is compensated by greatly different heat transfer surfaces for the two media:
  • the medium with the high heat transfer coefficient flows in the tube, which on the outside by thin sheets (ribs, fins) has a greatly enlarged surface at which the heat transfer, for. takes place with the air.
  • Fig. 3 shows a simple example of an element of such a known laminated heat exchanger. In practice, the
  • Heat exchanger thereby formed by a plurality of such elements according to FIG.
  • the lamellar spacing is chosen differently for different applications. However, purely thermodynamically, it should be as small as possible, but not so small that the air-side pressure loss is too large. An economic optimum is about 2mm, which is a typical value for condenser and recooler.
  • the efficiency is essentially determined by the fact that the heat that is transferred between the fin surface and the air, must be transmitted through heat conduction through the fins to the pipe. This heat transfer is more effective, the higher the conductivity or the thickness of the lamella, but also the smaller the distance between the
  • Pipes is. This is called the lamella efficiency. As a lamellar material is therefore nowadays predominantly aluminum used, which has a high thermal conductivity (about 220 W / mK) to economic conditions. The pipe pitch should be as small as possible, but this leads to the problem that you need many pipes. Many pipes mean high costs because the pipes (usually made of copper) are considerably more expensive than the thin aluminum fins. This material could be reduced by reducing the pipe diameter and the wall thickness, ie you build a heat exchanger with many small pipes instead of few big pipes. Thermodynamically, this solution would be optimal: very many tubes in close proximity with small diameters. However, a significant cost factor is also the working time for expanding and soldering the pipes. This would increase extremely with such a geometry.
  • minichannel or microchannel heat exchangers have been developed, which are manufactured by a completely different process and almost correspond to the ideal of a laminated heat exchanger: many small tubes with small spacings.
  • Such profiles can e.g. be made easily and in a variety of forms from a variety of materials in suitable extrusion.
  • other methods of making minichannel heat exchangers are known, such as e.g. the assembly of suitably shaped profile sheets or other suitable methods.
  • mini-channel heat exchangers In mobile use, mini-channel heat exchangers have established themselves during the 1990s. The low weight, the small block depth and the limited dimensions that are required here are the ideal conditions for this. Car coolers and condensers and evaporators for car air conditioning systems are today almost exclusively realized with mini-channel heat exchangers.
  • hybrid coolers or hybrid dry coolers are also known, as disclosed, for example, in WO90 / 15299 or EP 428647 B1 are, in which the gaseous or liquid medium of the primary cooling circuit to be cooled flows through a lamella heat exchanger, and deliver the dissipated heat through the cooling fins partly as sensitive and partly as latent heat to the air flow.
  • One or more fans promote the flow of air through the heat exchanger and advantageously have variable speed.
  • the dissipation of the latent heat is carried out by a liquid medium, preferably water, which is adapted to its specific values such as conductivity, hardness, content of carbonates and each is applied as a drop-forming liquid film on the air side heat transfer surface.
  • a liquid medium preferably water
  • the excess water drips back into a collection tray.
  • sprayed heat exchanger concepts are known where water is sprayed on the finned heat exchanger and completely evaporated and the evaporation energy is used to improve the heat transfer as well as in the wetting for energy optimization.
  • a disadvantage is the restriction of the choice of material of the wetted or sprayed heat exchanger tube in connection with the lamella, where it must not come in conjunction with an electrolyte to corrosion.
  • Hybrid heat transfer is thus understood to mean the considerable improvement in the heat transfer of fin heat exchangers with pipes by targeted wetting or spraying of water.
  • it is especially necessary to regulate the air velocity in the disk pack in such a way that the water titration on the disk surface does not occur. This is advantageously achieved by a speed control of the fans or by other suitable measures.
  • the disadvantage here is that the sprayed or wetting water acts together with dissolved ions as the electrolyte, which can lead to numerous corrosion problems in the usually used material pairings copper pipe, and aluminum fins of the heat exchanger.
  • Spray water is subject to high demands in terms of pH, water hardness, chlorine content, conductivity, etc., in order to prevent that on the one hand deposits on thickening on the lamella by evaporation, and on the other hand form too high levels of chemically reactive substances, which in turn can lead to corrosion together with the deposits.
  • Another way of obtaining greater heat transfer performance is, in principle, by combining several individual heat exchange components, e.g. through the interconnection of AI-MCHX modules, attempts to achieve greater exchange rates.
  • Heat transfer performance can be adjusted. That goes for one
  • the known heat transfer systems are usually self-contained devices whose heat transfer performance can be regulated at best within certain narrow limits by, for example, the
  • Flow rate of a refrigerant is regulated by the heat exchanger, or the amount of the cooling medium, eg of cooling air through the regulation the suction power of a fan is varied. It is also possible, for example, to reduce the amount of cooling air in that the heat exchanger has adjustable Heilabschottklappen, thereby the flow rate of cooling air, which is supplied to the heat exchanger, is adjustable.
  • Heat exchangers are added. Additional heat exchangers can not be simply mounted in or on the existing housing constructions and can be connected into the existing cooling circuits.
  • Heat exchange modules already for purely geometric reasons can not be made sufficiently compact.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved heat exchange system which overcomes the problems known from the prior art and with which, in particular, high cooling capacities in a minimal space, ie higher power densities in heat transfer, can be achieved by a compact design.
  • the heat transfer performance is very flexible in a technically simple and economically efficient manner easily changeable, that is both in very wide limits both can be increased, as well as reducible.
  • the invention thus relates to a modular heat exchange system with a heat exchange module comprising at least a first heat exchange module with a heat exchanger.
  • an outer boundary of the heat exchange module is formed by an inflow and an outflow surface such that for exchanging heat between a Transportfluidum and a heat exchanger flowing through the heat exchanger in the operating state, the Transportfluidum supplied via the inflow to the heat exchange module, can be brought into flowing contact with the heat exchanger and can be discharged again via the outflow surface from the heat exchange module.
  • Essential to the invention is thus that in a modular heat exchange system of the present invention, a first boundary surface of a first heat exchange module with respect to a second boundary surface of the first heat exchange module is inclined at a predetermined inclination angle.
  • the invention thus provides a modular heat exchange system which, depending on the design, can be extended substantially periodically or not periodically in one, two or three spatial dimensions by stringing together preferably identical heat exchange modules , or even reducible, by simply removing one or more heat exchange modules from an existing system.
  • the appropriate choice of the angle of inclination, or the concrete choice of the mutually inclined surfaces determines decisively whether a periodic expansion in one, two or three dimensions is possible, or determines the maximum number of heat exchange modules, which are modular according to the invention Have the heat exchange system assembled.
  • the shape of the heat exchange module the external shape of a triangular prism selected with an angle of 60 °, so a maximum of six heat exchange modules of this kind can be combined into a highly compact heat exchange system of hexagonal structure, which have a very high power density in terms of heat transfer.
  • a hexagonal heat exchange system consisting of six heat exchange modules, heat exchange performance due to new requirements can be reduced, so that the necessary number of heat exchange modules can be easily removed from the hexagonal heat exchange system.
  • the heat exchange modules are formed, for example, in the form of a parallelepiped having an inclination angle of 45 °, two such heat exchange modules can each be provided in a particularly compact manner, e.g. be assembled over the inclined surfaces and also, if necessary, be expanded by stringing together.
  • the heat transfer performance and / or heat transfer performance of a modular heat transfer system of the present invention can be easily and efficiently adjusted by regularly repeating preferably identical heat exchange modules or by removing identical heat exchange modules.
  • the first boundary surface of the first heat exchange module is inclined with respect to the second boundary surface of the first heat exchange module at the predeterminable angle of inclination, that the modular
  • Heat exchange system can be expanded by a second heat exchange module, in particular in a compact design, wherein the second heat exchange module is preferably identical to the first heat exchange module.
  • Compact design means that two heat exchange modules can be combined as possible to save space, so that between two combined heat exchange modules as little, preferably practically no free space remains
  • the heat exchanger itself has a load-bearing Function in the formation of the heat exchange module.
  • This can for example be realized in that the heat exchanger itself forms a housing wall of the heat exchanger module, or that the housing of the heat exchanger module does not have a boundary wall at all boundary surfaces of the housing, so that the heat exchanger itself performs a connecting and stabilizing integral function as a housing component.
  • the heat exchange system is formed of a plurality of heat exchange modules, as in these, for example, by removing a
  • Heat exchange module particularly easy heat transfer performance is reduced.
  • the angle of inclination between the first boundary surface and the second boundary surface of the heat exchange module is between 0 ° and 180 °, more particularly between 20 ° and 70 °, preferably between 40 ° and 50 °, and most preferably the angle of inclination is 45 ° and / or the angle of inclination is between 90 ° and 180 °, in particular at 120 °.
  • the angle of inclination between the first boundary surface and the second boundary surface of the heat exchange module is 3607n, where n is an integer, and the heat exchange cluster is preferably a number of n identical heat exchange modules is formed, for example, to form a hexagonal heat exchange cluster, the angle of inclination between the first boundary surface and the second boundary surface of the heat exchange module is 60 °, the hexagonal heat exchange cluster to achieve a maximum heat exchange performance and / or a maximum power density of Heat exchange is preferably formed from six identical heat exchange modules.
  • a boundary surface of the heat exchange system can be missing on the housing, wherein the missing housing wall is formed in the installed state of the heat exchange system by a wall of an installation object, in particular by a wall of a building is formed.
  • a cooling device may be provided for cooling the heat exchanger, in particular a fan for generating a gas flow, and / or the heat exchange system as known per se and described in detail as a hybrid system, and it can be a sprinkler for sprinkling the heat exchanger with a cooling fluid, in particular with cooling water formed.
  • a droplet separator for separating the cooling fluid is also particularly advantageous.
  • the heat exchanger itself as known from the prior art, by a plurality of microchannels as a microchannel heat exchanger and / or the heat exchanger may also be formed as a laminated heat exchanger with cooling fins.
  • the heat exchange system is formed as a combination heat exchange system of the laminated heat exchanger and the microchannel heat exchanger, if specific requirements favor such a design.
  • a foreclosure in particular a Luftabschottung for regulating a flow rate of the transport fluid may be provided, which can be controlled either manually or via a drive unit in response to a predetermined operating parameters and / or regulated.
  • a compensating means known per se can be provided to compensate for thermo-mechanical stresses.
  • the components of the modular heat exchange system of the present invention such as the heat exchangers and / or a supply and / or discharge for the heating means and / or any other component of a heat exchange system according to the invention with any other component of the heat exchange system by a
  • Universal connection element may be connected so that, for example, a heat exchange module can be added or removed particularly easily.
  • the manifolds and headers for the heaters or even blues and other modules and components of the heat exchanger system are connected to a universal connector.
  • These universal connecting elements are particularly well suited for both vertical and horizontal installation of the heat exchange systems or the heat exchange modules.
  • a cleaning system may further be provided, comprising in particular a dust trap and / or a scraper and / or a dishwasher, in particular a cleaning opening and / or a cleaning flap, so that the heat exchange system, or its components such as the heat exchange module or other components simple and can be cleaned efficiently.
  • the heat exchanger can be provided, for example, on the cleaning flap and / or the heat exchanger itself can be designed as a cleaning flap.
  • a drive unit for control and / or regulation of the heat exchange system in the operating state, is usually, but not necessarily, a drive unit, in particular a drive unit with a data processing system for controlling the cooling device and / or the cleaning system and / or shipsabschottung and / or an operating or Condition parameter of the heating means and / or another operating parameter of the heat exchange system may be provided, as it is known per se from the prior art in existing heat exchange systems to those skilled in the art.
  • the heat exchange system or the heat exchange module and / or the heat exchanger and / or a boundary surface of the heat exchange module, in particular the entire heat exchange system is particularly advantageously made of a metal and / or a metal alloy, in particular a single metal or a single metal alloy, and in particular made of stainless steel, in particular made of aluminum or an aluminum alloy, wherein a sacrificial metal is preferably provided as corrosion protection, and / or wherein the heat exchange system is at least partially provided with a protective layer, in particular with a corrosion protection layer.
  • a metal alloy in particular a single metal or a single metal alloy
  • stainless steel in particular made of aluminum or an aluminum alloy
  • a sacrificial metal is preferably provided as corrosion protection
  • the heat exchange system is at least partially provided with a protective layer, in particular with a corrosion protection layer.
  • the distribution and header pipes are preferred for high pressures, for example, for operation with CO 2 , made of high-strength materials such as stainless steel.
  • a heat exchange system is a radiator, in particular a radiator for a vehicle, in particular for a land vehicle, for an aircraft or for a watercraft, or a radiator, a condenser or an evaporator for a mobile or stationary heating system, cooling system or air conditioning in particular a cooler device for a machine, a data processing system or for a building or for another device which is to be operated with a heat exchange system.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a heat exchange system according to the invention
  • FIG. 2 shows a heat exchanger according to FIG. 1 with microchannels
  • FIG. 3 shows an element of a laminated heat exchanger
  • Fig. 4 shows a second embodiment according to FIG. 1 with
  • Fig. 5a shows a third embodiment according to FIG. 1 with
  • Fig. 6a another embodiment of an inventive
  • FIG. 6b a universal connecting element of FIG. 6 in detail
  • Fig. 7 shows a heat exchange system with two
  • Fig. 8a shows a first known heat exchange system for vertical installation operation
  • FIG. 10 shows a heat exchange system according to the invention for operation in horizontal installation
  • FIG. 12 shows a first embodiment of a heat exchange cluster in hexagonal form
  • FIG. 13 shows a second embodiment according to FIG. 12;
  • FIG. 14 shows another embodiment of a heat flow dam cluster.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first simple exemplary embodiment of a heat exchange system according to the invention, which in the following is provided overall with the reference numeral 1.
  • the inventive heat exchange system 1 of Fig. 1 comprises as an essential element, a heat exchange module 2, 21 with a
  • Heat exchanger 2 for exchanging heat between a heating means 7, e.g. a cooling liquid 7 or an evaporating agent 7 and a transporting fluid 6, e.g. Air 6.
  • the heat exchanger 3 is in the present case, a per se known microchannel heat exchanger 3 with a plurality of microchannels 10.
  • the heat exchanger 3 is with its microchannels 10 via a not shown in Fig. 1 connection system, which is known in the art in principle, for Exchange of heating means 7 connected to a chiller, also not shown.
  • the chiller is connected to the connection system, comprising an inlet channel with an inlet segment of the inlet
  • An outer boundary of the heat exchange module 2 is formed by an inflow 4 and an outflow 5 such that in the operating state for exchanging heat between the Transportfluidum 6, whose flow direction is shown symbolically by the arrows 6, and the heat exchanger 3 by flowing heat means 7, the
  • Transport fluid 6 can be supplied via the inflow surface 4 to the heat exchange module 2, can be brought into flowing contact with the heat exchanger 3 and can be discharged again via the outflow surface 5 from the heat exchange module 2.
  • a cooling device 9 in the present case a ventilator 9, with which an amount of air 6 which is conveyed through the heat exchange module 2, 21 per unit time, is controllable.
  • the first boundary surface 81 which is formed in the present case by the heat exchanger 3 itself, the heat exchange module 2, 21 with respect to a second boundary surface 82, 83 of the first heat exchange module 2, 21 at a predetermined inclination angle ⁇ , in the present specific example about 35 °, inclined. It is understood that in another embodiment, the inclination angle ⁇ may also have a different value, e.g. a value greater than or less than 35 °, for example, but not limited to, 25 ° or 45 °.
  • the second boundary surface 82, 83 is formed by a wall 800 of an installation object, which in the present case is a cold store (not shown).
  • a heat exchanger 3 according to FIG. 1 with micro channels 10 is shown schematically in section.
  • small tubes as used in the classic laminated heat exchangers 3 as shown in FIG. 3, are, as already mentioned, used in Minichannelebenleyern 3 eg aluminum extruded profiles, which have a lot of small channels 10 with a diameter of eg about 1 mm.
  • the heat exchanger 6 of FIG. 2 can be made, for example, in a suitable extrusion process, simply and in a variety of forms from a variety of materials.
  • the heat exchanger 3 according to FIG. 2 can be produced in another embodiment variant not explicitly illustrated in FIG. 2, also by other production methods, such as, for example, by the assembly of suitably shaped profile sheets or other suitable methods.
  • Fig. 3 shows, in contrast to FIG. 2, an element of a known laminated heat exchanger 3 with cooling fins 300, as it could also be used instead of a micro-channel heat exchanger 3 in an embodiment of the present invention.
  • the heating means 7 flows through the tubular element of the laminated heat exchanger 3, which exchanges heat in the operating state mainly via the cooling fins 300 with the air 6 flowing past it.
  • the heat exchanger 3 is usually formed from a plurality of elements according to FIG.
  • a combination heat exchanger 3 is used as a heat exchanger 3. That is, a heat exchange system 1 of the present invention may include a laminated heat exchanger 3 with cooling fins 300 for specific applications, besides a heat exchanger 3 having a plurality of microchannels 10, simultaneously.
  • the heat exchange system 1 can also be designed as a so-called hybrid system 1, the functional principle of which is likewise known per se to a person skilled in the art, and therefore not explicitly based on a separate system Drawing must be presented.
  • a sprinkling device is preferably provided for sprinkling the heat exchanger 3 with an external cooling fluid, in particular with cooling water or cooling oil.
  • a droplet separator eg in the form of a tank for separating and collecting the external cooling fluid in the tank, can additionally be provided
  • the Luftabschottung 11 is preferably in the form of a blind or a Venetian blind comprising individual blind elements 111 and Storenimplantation 111 configured so that the degree of coverage of the heat exchanger 3 is variably, preferably electronically controlled and / or controlled variable, in which the
  • FIG. 5a and 5b show a third exemplary embodiment according to FIG. 1 with a cleaning flap 121, FIG. 5a showing the heat exchange system 1 shortly before a cleaning process in which the interior, in particular the surface of the heat exchanger 3, is to be freed from dirt, FIG. which inevitably accumulates during operation of the heat exchange system.
  • Fig. 5b shows the heat exchange system 1 during the cleaning process.
  • the cleaning flap 121 is configured as an access flap 121, which is designed to be rotatable about the axis of rotation 122 according to the arrow P, so that by pivoting the cleaning flap 121 about the axis of rotation 122, which may be configured, for example, as a universal connecting element 13, access to the interior of the heat exchange system 1 is provided, which allows easy service, repair and cleaning work inside without the heat exchange system 1 must be dismantled.
  • FIG. 5 b shows a situation in which the heat exchanger 3 is currently being cleaned with a cleaning liquid 123, for example with water 123.
  • the cleaning flap 121 has been pivoted on the basis of the situation of Fig. 5a so around the axis of rotation 122 that it acts according to FIG. 5b as a sump 121, which reliably collects the dirty cleaning fluid 123 during the cleaning process, so that the dirty cleaning fluid safely and possibly automatically can be removed and disposed of, so that, for example, adverse effects on the environment are avoidable.
  • FIG. 6a another embodiment of an inventive heat exchange system is shown schematically, in which the cleaning flap 121 is attached to a universal connector 13 according to FIG. 6b.
  • the universal connection element 13 is suitable, inter alia, for simple and reliable connection of distribution and collecting pipes, which are not explicitly shown in FIGS. 6a and 6b and serve for supplying or discharging the heating means 7 to and from the heat exchanger 3 ,
  • the universal connection element 13 is designed so that it is particularly simple, for example via a screw connection or by soldering with the corresponding parts of the heat exchange system 1 is connectable.
  • the universal connection element 13 is preferably designed in detail such that it can simultaneously create as many different connections as possible in one and the same embodiment, so that as few differently formed universal connection elements must be used simultaneously in one and the same modular heat exchange system 1.
  • the universal connector 13 is configured to simultaneously perform all connection functions between all parts of the modular heat exchange system, such that only one type of universal connection element needs to be used in the same heat exchange system 1, which is the design, extension or design Reduction of a novel modular heat exchange system 1 enormously simplified and thus guarantees maximum flexibility of the system.
  • Fig. 7 shows a modular heat exchange system 1 according to the present invention comprising two identical heat exchange modules 2, 21, 22.
  • the two modules are of identical design, wherein the inclination angle ⁇ has a value of 45 °.
  • any desired number of identical heat exchange modules 2, 21, 22 can be added in both directions of the double arrow DP. That is, to change the heat exchange performance of the modular heat exchange system 1 requires only a single type of réelleonnodulen 2, 21, 22 ready to be provided to provide a system 1 with virtually any predeterminable heat exchange performance, or to expand this or to reduce in an existing system by reducing the number of heat exchange modules 2, 21, 22 whose heat exchange performance.
  • the individual heat exchange modules 2, 21, 22 are integrated into the heat exchange system 1 by using the universal connection elements 13, as already discussed with reference to FIGS. 6 a and 6b.
  • a heat exchange system 1 according to the invention is also very flexible with respect to the installation or installation direction of the heat exchange system 1.
  • Fig. 8a and Fig. 8b are very schematically two known from the prior art heat exchange systems 1 'shown.
  • a major disadvantage of the known heat exchange systems 1 'according to FIG. 8a or FIG. 8b is that they are in relation to the direction of gravity S either only in the vertical installation direction, as shown in Fig. 8a, or only in the horizontal direction of installation Fig. 8b are usable.
  • vertical means that the outflow direction of the air 6 'from the heat exchange system 1' is substantially perpendicular with respect to the direction of gravity S
  • a horizontal installation direction means that the one from the heat exchange system outflowing air 6 'flows substantially parallel or antiparallel to the direction of gravity.
  • inventive modular heat exchange system 1 is much more flexible, as demonstrated impressively with reference to FIGS. 9 and 10.
  • a heat exchange system 1 comprising two heat exchange modules 2, 21, 22 in vertical installation manner
  • the individual heat exchange modules 2, 21, 22 of the heat exchange systems according to FIG. 9 and FIG. 10 are completely identical. That is, only one type of heat exchange modules 2, 21, 22 need be provided to produce both horizontal and vertical heat exchange systems 1. In particular, it is even possible that one and the same heat exchange system 1 simultaneously comprises vertically and horizontally oriented heat exchange modules 2, 21, 22.
  • FIG. 11 shows by way of example a further heat exchange system 1 comprising four heat exchange modules 2, 21, 22, each with two fans 9, whereby the heat exchange capacity of the individual heat exchange modules 2, 21, 22 is substantially increased.
  • the person skilled in the art will readily understand that the embodiment according to FIG. 11 can also be advantageously used both in the vertical and in the horizontal installation direction.
  • a first embodiment of a heat exchange cluster 1 in hexagonal form is further exemplified.
  • the modular Heat exchange system 1 in the form of the heat exchange cluster 1 according to FIG. 12 comprises six identical heat exchange modules 2, 21, 22, which all have an angle of inclination of 60 °.
  • the six heat exchange modules 2, 21, 22 are combined into a hexagonal cluster, with the outwardly directed end face of each heat exchange module 2, 21, 22 being designed as heat exchangers 3, or the heat exchangers 3 in these are integrated to the outside surfaces.
  • This special design as a heat exchange cluster 1 can always be used particularly advantageous if highest
  • Heat transfer services are required in the smallest space.
  • FIG. 13 shows a second exemplary embodiment according to FIG. 12.
  • the embodiment of Fig. 13 differs from that in Fig. 12 essentially in that the placement of the fan 9 and the placement of the heat exchanger 3 is just reversed. That is, the fans 9 are arranged in the example of FIG. 13 in the outwardly facing surfaces, while the heat exchanger 3 in the vertical surfaces in which the angle of inclination ⁇ is located and perpendicular to the surface normal in the direction R, or the heat exchanger 3 form these surfaces.
  • FIG. 14 shows another embodiment of a heat exchange cluster 1 according to FIG. 12 in a view from the direction R according to FIG. 12.
  • the embodiment according to FIG. 14 differs from that of FIG. 12 in that not six identical heat exchange modules 2, 21, 22 were used with an inclination angle ⁇ of 60 °, but only five identical heat exchange modules 2, 21, 22 with an inclination angle ⁇ of 72 ° were used.
  • any heat exchange cluster 1 with a number of n identical heat exchange modules 2, 21, 22 can be constructed, each heat exchange module 2, 21, 22 then having an inclination angle ⁇ of 3607n.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein modulares Wärmeaustauschsystem (1) mit einem Wärmeaustauschmodul (2, 21, 22), das mindestens ein erstes Wärmeaustauschmodul (21) mit einem Wärmetauscher (3) umfasst. Dabei ist eine äussere Begrenzung des Wärmeaustauschmoduls (2) durch eine Einströmfläche (4) und eine Ausströmfläche (5) derart gebildet, dass zum Austausch von Wärme zwischen einem Transportfluidum (6) und einem den Wärmetauscher (3) im Betriebszustand durchströmenden Wärmemittel (7), das Transportfluidum (6) über die Einströmfläche (4) dem Wärmeaustauschmodul (2) zuführbar, mit dem Wärmetauscher (3) in strömenden Kontakt bringbar und über die Ausströmfläche (5) aus dem Wärmeaustauschmodul (2) wieder abführbar ist. Erfindungsgemäss ist eine erste Begrenzungsfläche (81) des ersten Wärmeaustauschmoduls (2, 21) in Bezug auf eine zweite Begrenzungsfläche (82) des ersten Wärmeaustauschmoduls (2, 21) unter einem vorgebbaren Neigungswinkel (a) geneigt.

Description

Modulares Wärmeaustauschsystenn
Die Erfindung betrifft ein modulares Wärmeaustauschsystenn mit einem Wärmeaustauschmodul gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Die Verwendung von Wärmetauschersystemen ist in einer kaum zu überblickenden Zahl von Anwendungen aus dem Stand der Technik bekannt. Wärmetauscher werden in Kühlanlagen, wie z.B. in gewöhnlichen Haushaltskühlschränken verwendet, in Klimaanlagen für Gebäude oder in Fahrzeugen aller Art, vor allem in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen, als Wasser- oder Ölkühler in Verbrennungsmotoren, als Kondensatoren oder Verdampfer in Kühlmittelkreisen und in weiteren unzähligen verschiedenen Anwendungen, die dem Fachmann alle wohlbekannt sind.
Es gibt dabei verschiedene Möglichkeiten die Wärmetauscher aus ganz unterschiedlichen Anwendungen sinnvoll zu klassifizieren. Ein Versuch besteht darin, eine Unterscheidung nach dem Aufbau bzw. der Herstellung der verschiedenen Typen von Wärmetauschern vorzunehmen. So kann eine Einteilung nach sogenannten „Lamellierten Wärmetauschern" einerseits, und „Minnichannel-" oder „Microchannelwärmetauscher" andererseits vorgenommen werden.
Die seit sehr langer Zeit wohlbekannten lamellierten Wärmetauscher dienen, wie alle Typen von Wärmetauschern, zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien, z.B., aber nicht nur, zur Übertragung von einem Kühlmedium auf Luft oder umgekehrt, wie es zum Beispiel von einem klassischen Haushaltskühlschrank bekannt ist, bei dem über den Wärmetauscher zur Erzeugung einer Kühlleistung im Inneren des Kühlschranks Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Das Umgebungsmedium ausserhalb des Wärmetauschers, also z.B. Wasser, Öl oder häufig einfach die Umgebungsluft, die zum Beispiel die Wärme aufnimmt oder von dem Wärme auf den Wärmetauscher übertragen wird, wird dabei entweder entsprechend abgekühlt oder erwärmt. Das zweite Medium kann z.B. ein flüssiger Kälte- bzw. Wärmeträger sein oder ein verdampfendes bzw. kondensierendes Kältemittel. In jedem Fall hat das Umgebungsmedium, also z.B. die Luft, einen wesentlich niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als das zweite Medium, also z.B. das Kühlmittel, das im Wärmetauschersystem zirkuliert. Dies wird durch stark unterschiedliche Wärmeübertragungsflächen für die beiden Medien ausgeglichen: Das Medium mit dem hohen Wärmeübergangskoeffizienten strömt im Rohr, welches auf der Außenseite durch dünne Bleche (Rippen, Lamellen) eine stark vergrößerte Oberfläche aufweist, an der der Wärmeübergang z.B. mit der Luft stattfindet.
Fig. 3 zeigt ein einfaches Beispiel eines Elementes eines solchen an sich bekannten lamellierten Wärmeaustauschers. In der Praxis wird der
Wärmetauscher dabei durch eine Vielzahl solcher Elemente gemäss Fig. 3 gebildet. Das Verhältnis von Außenoberfläche zur Innenoberfläche hängt dabei von der Lamellengeomethe (= Rohrdurchmesser, Rohranordnung und Rohrabstand), sowie vom Lamellenabstand ab. Der Lamellenabstand wird für unterschiedliche Anwendungen unterschiedlich gewählt. Rein thermodynamisch sollte er jedoch möglichst klein sein, jedoch nicht so klein, dass der Luftseitige Druckverlust zu groß ist. Ein wirtschaftliches Optimum liegt bei etwa 2mm, was ein für Verflüssiger und Rückkühler typischer Wert ist.
Die Herstellung dieser sogenannten lamellierten Wärmeaustauscher erfolgt nach einem seit langem bekannten standardisierten Prozess: Die Lamellen werden mit einer Presse und einem speziellen Werkzeug gestanzt und in
Pakete zueinander gelegt. Anschließend werden die Rohre eingeschoben und entweder mechanisch oder hydraulisch aufgeweitet so dass ein sehr guter Kontakt und somit ein guter Wärmeübergang zwischen Rohr und Lamelle entsteht. Die einzelnen Rohre werden dann durch Bögen und Sammel- und Verteilrohr miteinander verbunden, oftt miteinander verlötet.
Der Wirkungsgrad ist dabei wesentlich durch die Tatsache bestimmt, dass die Wärme, die zwischen der Lamellenoberfläche und der Luft übertragen wird, über Wärmeleitung durch die Lamellen zum Rohr übertragen werden muss. Diese Wärmeübertragung ist umso effektiver, je höher die Leitfähigkeit bzw. die Dicke der Lamelle ist, aber auch je kleiner der Abstand zwischen den
Rohren ist. Man spricht hier vom Lamellenwirkungsgrad. Als Lamellenmaterial kommt deshalb heutzutage überwiegend Aluminium zum Einsatz, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 220 W/mK) zu wirtschaftlichen Bedingungen aufweist. Der Rohrabstand sollte möglichst klein sein, was jedoch zu dem Problem führt, dass man viele Rohre benötigt. Viele Rohre bedeuten hohe Kosten, denn die Rohre (in der Regel aus Kupfer) sind erheblich teurer als die dünnen Aluminiumlamellen. Diese Material kosten könnte man dadurch verringern, dass man den Rohrdurchmesser und die Wandstärke reduziert, d.h. man baut einen Wärmetauscher mit vielen kleinen Rohren anstatt mit wenigen großen Rohren. Thermodynamisch wäre diese Lösung optimal: Sehr viele Rohre in engem Abstand mit kleinen Durchmessern. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist jedoch auch die Arbeitszeit zum Aufweiten und Verlöten der Rohre. Dieser würde bei einer solchen Geometrie extrem ansteigen.
Daher sind bereits vor einigen Jahren eine neue Klasse von Wärmetauschern, sogenannte Minichannel- oder auch Mircochannelwärmeaustauscher entwickelt worden, die nach einem völlig anderen Verfahren hergestellt werden und fast dem Idealbild eines lamellierten Wärmeaustauschers entsprechen: viele kleine Rohre mit kleinen Abständen.
Anstatt kleiner Rohre werden jedoch beim Minichannelwärmeaustauscher
Aluminiumstrangpressprofile verwendet, die sehr viele kleine Kanäle mit einem Durchmesser von z.B. etwa 1 mm haben. Ein solches, ebenfalls an sich bekanntes Strangpressprofil, ist z.B. in Fig. 2 schematisch dargestellt. In der Praxis kann dabei ein Wärmetauscher, je nach geforderter Wärmeleistung, bereits mit einem einzigen Strangpressprofil als zentrales Wärmeaustauschelement auskommen. Um höhere Wärmeübertragungsleistungen zu erzielen können selbstverständlich in einem einzigen Wärmetauscher auch mehrere Strangpressprofile gleichzeitig vorgesehen werden, die in geeigneten Kombinationen zum Beispiel über zu und Ableitungen miteinander verbunden, z.B. miteinander verlötet werden.
Solche Profile können z.B. in geeigneten Extrudierverfahren einfach und in vielfältigen Formen aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Aber auch andere Herstellungsverfahren zur Herstellung von Minichannelwärmeaustauschern sind bekannt, wie z.B. das Zusammensetzen geeignet geformter Profilbleche oder andere geeignete Verfahren.
Diese Profile kann man nicht, und braucht man ach nicht aufzuweiten und sie werden auch nicht in gestanzte Lamellenpakete eingeschoben. Stattdessen werden zum Beispiel zwischen zwei eng aneinander liegenden Profilen (gängige Abstände beispielweise < 1 cm) Blechstreifen, insbesondere Aluminiumblechstreifen gelegt, so dass durch abwechselndes aneinanderlegen von Blechstreifen und Profil ein Wärmetauscherpaket entsteht. Diese Paket wir dann in einem Lötofen komplett verlötet.
Durch die engen Abstände und die kleinen Kanaldurchmesser entsteht ein Wärmetauscher mit einem sehr hohen Lamellenwirkungsgrad und einem sehr geringen Füllvolumen (Kanalinnenseite). Die weiteren Vorteile dieser Technik sind die Vermeidung von Materialpaarungen (Korrosion), das geringe Gewicht (kein Kupfer), die hohe Druckstabilität (ca. 100 bar) sowie die kompakte Bauform (typische Tiefe eines Wärmeaustauschers z.B. 20mm).
Im mobilen Einsatz haben sich Minichannelwärmeaustauscher im Laufe der 90er Jahre etabliert. Das geringe Gewicht, die geringe Blocktiefe sowie die begrenzten Abmessungen, die hier benötigt werden, sind die idealen Voraussetzungen dafür. Autokühler sowie Verflüssiger und Verdampfer für Autoklimaanlagen werden heute fast ausschließlich mit Minichannelwärmeaustauschern realisiert.
Im stationären Bereich werden zum einen meist größere Wärmeaustauscher benötigt, zum anderen stehen hier weniger das Gewicht und die Kompaktheit im Vordergrund als vielmehr das optimale Preisleistungsverhältnis. Minichannelwärmeaustauscher waren bisher in den Abmessungen zu begrenzt, um dafür in Frage zu kommen. Es hätten viele kleine Module aufwendig verbunden werden müssen. Hinzu kommt, dass der Aluminiumeinsatz bei den Strangpressprofilen relativ hoch ist, so dass auch vom Materialeinsatz kaum ein Kostenvorteil zu erwarten war.
Aufgrund der hohen Stückzahlen im Automobilsektor haben sich die Herstellprozesse für Minichannelwärmeaustauscher standardisiert und verbessert, so dass man diese Technologie heute als ausgereift bezeichnen kann. Auch die Lötofengröße ist mittlerweile gestiegen, so dass bereits Wärmetauscher in 6er Größe von etwa 1 x 2 m gefertigt werden können. Die anfänglichen Schwierigkeiten mit dem Anschlusssystem sind behoben. Es gibt mittlerweile mehrere patentierte Verfahren, wie die Versteif- und Sammelrohre eingelötet werden können.
Vor allem der gegenüber Aluminium stark angestiegene Kupferpreis führt jedoch jetzt dazu, dass diese Technologie auch für den stationären Einsatz sehr interessant wird.
Neben den einfachen Systemen, bei welchen dem Wärmetauscher zum Austausch von Wärme im wesentlichen nur ein Umgebungsmedium, wie z.B. Luft zur Verfügung steht, sind auch sogenannte hybride Kühler bzw. hybride Trockenkühler bekannt , wie z.B. in der WO90/15299 oder der EP 428647 B1 offenbart sind, bei denen das zu kühlende gasförmige oder flüssige Medium des primären Kühlkreislaufes einen Lamellenwärmeaustauscher durchströmt, und das die abzuführende Wärme über die Kühllamellen teils als sensible und teils als latente Wärme an den Luftstrom abgeben. Ein oder mehrere Ventilatoren fördern den Luftstrom durch den Wärmeaustauscher hindurch und haben vorteilhaft variable Drehzahl. Das Abführen der latenten Wärme erfolgt durch ein flüssiges Medium, vorzugsweise Wasser, welches von seinen spezifischen Werten wie Leitfähigkeit, Härte, Gehalt an Karbonaten angepasst ist und jeweils als tropfenbildender Flüssigkeitsfilm auf die luftseitige Wärmeübertragungsfläche aufgegeben wird. Unmittelbar unter den Wärmeaustauscherelementen tropft das überschüssige Wasser in eine Sammelschale zurück. Auch sind besprühte Wärmetauscherkonzepte bekannt, wo Wasser auf die Lamellenwärmeaustauscher gesprüht wird und vollständig verdampft und dabei die Verdunstungsenergie zur Verbesserung der Wärmeübertragung ebenso wie bei der Benetzung zur energetischen Optimierung eingesetzt wird. Hier kann auch ohne Wasserüberschuss gefahren werden, allerdings muss eine Ablagerungsbildung verhindert werden, wofür z.B. VE-Wasser eingesetzt wird. Es versteht sich, dass in speziellen Fällen ausser Wasser auch andere kühlende Fluide, wie z.B. Öl in Frage kommen.
Die Betriebsweise der Benetzung oder Besprühung der Lamellen des Wärmeaustauschers führt zu erheblichen Energie- und Wassereinsparungen im Vergleich zu üblichen Verfahren, wie zum Beispiel bei offenen Kühltürmen.
Nachteilig ist allerdings die Einschränkung der Werkstoffwahl des benetzten oder besprühten Wärmetauscherrohres in Verbindung mit der Lamelle, wo es in Verbindung mit einem Elektrolyt nicht zu Korrosion kommen darf.
Unter hybrider Wärmeübertragung wird somit die erhebliche Verbesserung der Wärmeübertragung von Lamellen-Wärmeübertragern mit Rohren durch gezielte Benetzung oder Besprühung von Wasser verstanden. Hierbei ist es vor allem erforderlich, die Luftgeschwindigkeit im Lamellenpaket so zu regeln, dass es nicht zum Wassermitriß auf der Lamellenoberfläche kommt. Dieses wird vorteilhaft durch eine Drehzahlregelung der Ventilatoren oder durch andere geeignete Maßnahmen erreicht.
Nachteilig ist dabei, dass das versprühte oder benetzende Wasser zusammen mit gelösten Ionen als Elektrolyt wirkt, was bei den üblicherweise eingesetzten Werkstoffpaarungen Kupferrohr, und Aluminiumlamellen des Wärmetauschers zu zahlreichen Korrosionsproblemen führen kann.
Als ein geeigneter Oberflächenschutz für Wärmetauscher ist es dabei bekannt, z. B. die sogenannte kataphoretische Tauchlackierung zu verwenden. Weiterhin werden sowohl die Werkstoffpaarungen wie Kupferrohr und -lamelle, als auch Aluminiumrohr und -lamelle sowie Edelstahlrohr und -lamelle eingesetzt, um die Problematik der Kontaktkorrosion zu beherrschen. Auch ist es bekannt, die Wärmetauscher komplett zu verzinken. An die Qualität des Umlauf- oder
Besprühungswassers werden dabei hohe Anforderungen im Bezug auf die pH- Werte, Wasserhärte, Chlorgehalt, Leitfähigkeit usw. gestellt, um zu verhindern, dass sich einerseits Ablagerungen bei Eindickung auf der Lamelle durch Verdunstung, als auch andererseits zu hohe Gehalte an chemisch reaktiven Stoffen bilden, welche ihrerseits zusammen mit den Ablagerungen zu Korrosion führen können.
Um höhere Wärmeübertragungsleistungen zu erzielen, als sie z.B. bei kleinen Wärmetauschern aus der Automobil- oder Haushaltstechnik bekannt sind, wurde bei grosseren Wärmeübertragungssystemen bisher versucht, auf die zuvor beschriebene Hybridtechnik zurückzugreifen.
Eine andere Möglichkeit zu grosseren Wärmeübertragungsleistungen zu gelangen besteht prinzipiell darin, dass man durch Zusammenschaltung mehrerer einzelner Wärmeaustauschkomponenten, z.B. durch die Verschaltung von AI-MCHX-Modulen, grossere Austauschleistungen zu erzielen versucht.
Ein Problem bei allen bisher bekannten Wärmeaustauschsystemen ist jedoch, dass ein bestehendes Wärmeaustauschsystem entweder überhaupt nicht oder nur unter sehr grossen Schwierigkeiten, das heisst letztlich nur mit grossem Aufwand und erheblichen Kosten in seiner
Wärmeübertragungsleistung angepasst werden kann. Das gilt sowohl für eine
Erhöhung, als auch für eine Herabsetzung der Wärmeübertragungsleistung eines bestehenden Systems.
Diese bekannten Schwierigkeiten sind auf verschiedene Gründe zurückzuführen.
Die bekannten Wärmeübertragungssysteme sind in der Regel in sich geschlossene Geräte, deren Wärmeübertragungsleistung bestenfalls in gewissen engen Grenzen regulierbar ist, indem zum Beispiel die
Durchflussmenge eines Kältemittels durch den Wärmetauscher reguliert wird, oder die Menge des Kühlmediums, z.B. von Kühlluft durch die Regulierung der Saugleistung eines Lüfters variiert wird. Auch ist es möglich die Menge an Kühlluft zum Beispiel dadurch zu reduzieren, dass der Wärmetauscher über einstellbare Luftabschottklappen verfügt, so dass dadurch die Durchflussrate an Kühlluft, die dem Wärmetauscher zugeführt wird, einstellbar ist.
Durch all diese bekannten Massnahmen kann jedoch die Leistung eines Wärmeaustauschsystems nur zwischen null und einer maximalen Wärmeaustauschrate variiert werden. Eine Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung über einen systembedingten maximalen Wert hinaus ist dadurch nicht möglich.
Auch ist es in der Regel nicht möglich, bzw. insbesondere aus wirtschaftlichen und / oder technischen Gründen nicht möglich oder nicht sinnvoll, die Wärmeübertragungsleistung eines bestehenden Wärmeaustauschsystems beliebig klein zu machen, bzw. bis auf null zu reduzieren. Das heisst, die bekannten Wärmeübertragungssysteme müssen immer mit einer gewissen minimalen Wärmeübertragungsleistung betrieben werden, was den Betrieb häufig unnötig ineffizient macht, sich aber nicht vermeiden lässt.
Soll also zum Beispiel die Wärmeübertragungsleistung eines bestehenden Wärmeaustauschsystems effizient erniedrigt werden, zum Beispiel weil die Grosse eines zugehörigen Kühlhauses merklich reduziert wurde, bleibt bisher meist keine andere Möglichkeit, als das bestehende
Wärmeübertragungssystem gegen ein anderes mit entsprechend geringerer Leistung auszutauschen.
Soll umgekehrt die Wärmeübertragungsleistung eines bestehenden Wärmeaustauschsystems signifikant erhöht werden, weil zum Beispiel ein zugehöriges Kühlhaus massiv vergrössert werden muss, bleibt in der Regel auch für diesen Fall in der Praxis oft keine andere wirtschaftliche Alternative, als das bestehende Wärmeübertragungssystem durch ein System mit höherer Wärmeübertragungsleistung zu ersetzen. Die Wärmeübertragungsleistung bestehender Systeme kann also nicht auf einfache Weise, das heisst vor allem unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten effizient erhöht werden. Rein konstruktiv kann einem bekannten Wärmeübertragungssystem mit gegebener Wärmeübertragungsleistung zum Beispiel nicht einfach ein zusätzlicher
Wärmetauscher hinzugefügt werden. Zusätzliche Wärmetauscher können rein geometrisch nicht in oder an die bestehenden Gehäusekonstruktionen einfach angebaut werden und in die bestehenden Kühlkreisläufe mit angeschlossen werden.
Selbst dort wo das unter Schwierigkeiten unter rein geometrischen
Gesichtspunkten im Prinzip realisierbar wäre, ist eine solche Erweiterung technisch of so aufwendig, dass sich eine solche Änderung nicht lohnt.
Eine Möglichkeit die Wärmeübertragungsleistung eines bestehenden Systems zu erhöhen besteht natürlich grundsätzlich darin, ein zweites zusätzliches System zu installieren. Aber auch hier treten in der Praxis neue Probleme auf, die oft eine solche Lösung nicht zulassen.
In die bestehende Steuerungs- und Regelungselektronik lässt sich nämlich nicht ohne weiteres ein zusätzliches Wärmeaustauschsystem integrieren. Erstens sind entsprechende Steuerungssysteme technisch einfach nicht dafür ausgelegt, ein weiteres Wärmeaustauschsystem anzusteuern, so dass eine zusätzliche Ansteuerungselektronik installiert werden muss. Wenn dann beide Wärmeaustauschsysteme jedoch zum Beispiel zur Kühlung von ein und demselben vergrösserten Kühlhaus gleichzeitig betrieben werden müssen, ist die Koordination der beiden unabhängigen Ansteuerungssysteme zumindest sehr schwierig. In vielen Fällen, vor allem wenn zum Beispiel häufige und / oder grosse Wechsel in der zu erbringenden Kühlleistung notwendig sind, wird eine verlässliche Koordination der Ansteuersysteme unmöglich. In vielen Fällen ist aber zum Beispiel allein schon aus Platzgründen die Installation eines zusätzlichen Wärmeübertragungssystems nicht möglich.
Das kann zum Beispiel daran liegen, das es bei den gegebenen Raumverhältnissen vor Ort nicht möglich ist eine zusätzliche Ansteuerungselektronik und / oder zusätzliche Kühlkreisläufe mit den notwendeigen Kältemaschinen und den weiteren an sich bekannten Komponenten zu installieren. Aber auch die zusätzliche Installation der bekannten sperrigen Wärmeaustauschmodule, die als zentrale Elemente die Wärmetauscher zum Beispiel in Form von lamellierten und / oder in Form von Mikrokanalwärmetauschern enthalten, ist häufig allein aus Platzgründen nicht möglich oder nicht wünschenswert oder einfach technisch und wirtschaftlich zu aufwendig.
Das heisst letztlich, man erreicht nicht die notwendige Leistungsdichte bei einem erweiterten Wärmeaustauschsystem, weil die Erweiterung eines bestehenden Wärmeaustauschsystems durch zusätzliche
Wärmeaustauschmodule schon aus rein geometrischen Gründen nicht genügend kompakt erfolgen kann.
Darüber hinaus ist die Frage der mangelnden Leistungsdichte der bekannten Wärmeaustauschsysteme in vielen Bereichen ein generell noch nicht gelöstes Problem. Gerade dort, wo auf kleinstem Raum eine grosse Menge von Wärme in möglichst kurzer Zeit übertragen werden muss, zum Beispiel bei grossen elektronischen Anlagen, wie bei sehr leistungsfähigen Datenverarbeitungsanlagen, oder anderen dem Fachmann an sich bekannten Anlagen, sind die Leistungsdichten bekannter Wärmeaustauschsysteme oft nicht ausreichend. Die einzige Lösung ist dann häufig, die
Wärmeaustauschmodule mit den Wärmetauschern an einem weit entfernten Ort zu installieren, wo genügend Platz für die zu wenig kompakten Wärmeaustauschnnodule ist, mit allen bekannten technischen und wirtschaftlichen Nachteilen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Wärmeaustauschsystem bereit zu stellen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwindet und mit dem insbesondere durch eine kompakte Bauweise einerseits hohe Kühlleistungen auf minimalem Raum, also höhere Leistungsdichten bei der Wärmeübertragung erreichbar sind. Andererseits soll gleichzeitig ein Wärmeaustauschsystem bereit gestellt werden, dessen Wärmeübertragungsleistung sehr flexibel auf technisch einfache und wirtschaftlich effiziente Weise leicht veränderbar, dass heisst in sehr weiten Grenzen sowohl erhöhbar, als auch reduzierbar ist.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gekennzeichnet.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein modulares Wärmeaustauschsystem mit einem Wärmeaustauschmodul, das mindestens ein erstes Wärmeaustauschmodul mit einem Wärmetauscher umfasst. Dabei ist eine äussere Begrenzung des Wärmeaustauschmoduls durch eine Einströmfläche und eine Ausströmfläche derart gebildet, dass zum Austausch von Wärme zwischen einem Transportfluidum und einem den Wärmetauscher im Betriebszustand durchströmenden Wärmemittel, das Transportfluidum über die Einströmfläche dem Wärmeaustauschmodul zuführbar, mit dem Wärmetauscher in strömenden Kontakt bringbar und über die Ausströmfläche aus dem Wärmeaustauschmodul wieder abführbar ist. Erfindungsgemäss ist eine erste Begrenzungsfläche des ersten Wärmeaustauschmoduls in Bezug auf eine zweite Begrenzungsfläche des ersten Wärmeaustauschmoduls unter einem vorgebbaren Neigungswinkel geneigt.
Wesentlich für die Erfindung ist somit, dass bei einem modularen Wärmeaustauschsystem der vorliegenden Erfindung eine erste Begrenzungsfläche eines ersten Wärmeaustauschmoduls in Bezug auf eine zweite Begrenzungsfläche des ersten Wärmeaustauschmoduls unter einem vorgebbaren Neigungswinkel geneigt ist.
Durch geeignete Wahl des Neigungswinkels, der besonders bevorzugt ungleich 90° ist, stellt die Erfindung somit ein modular aufgebautes Wärmeaustauschsystem zur Verfügung, das sich je nach Ausführung in ein, zwei oder drei Raumdimensionen durch Aneinanderreihung bevorzugt identischer Wärmeaustauschmodule im wesentlichen periodisch oder nicht periodisch erweiterbar ist, oder aber auch verkleinerbar ist, in dem ein oder mehrere Wärmeaustauchmodule aus einem bestehenden System einfach entfernt werden.
Die geeignete Wahl des Neigungswinkels, bzw. die konkrete der Wahl der gegeneinander geneigten Flächen bestimmt dabei entscheidend mit, ob eine periodische Erweiterung in ein, zwei oder drei Dimensionen möglich ist, bzw. bestimmt die maximale Anzahl der Wärmeaustauschmodule, die sich zu einem erfindungsgemässen modularen Wärmeaustauschsystem zusammensetzen lassen.
Wird z.B. für die Bauform des Wärmeaustauschmoduls die äussere Form eines Dreiecksprismas mit einem Neigungswinkel von 60° gewählt, so lassen sich maximal sechs Wärmeaustauschmodule dieser Art zu einem höchst kompakten Wärmeaustauschsystem von hexagonaler Struktur kombinieren, die eine sehr hohe Leistungsdichte in Bezug auf die Wärmeübertragung aufweisen. SoII bei einem solchen, aus sechs Wärmeaustauschmodulen bestehenden hexagonalen Wärmeaustauschsystem die Wärmeaustauschleistung aufgrund neuer Anforderungen gesenkt werden, so kann einfach die notwendige Anzahl an Wärmeaustauschmodulen aus dem hexagonalen Wärmeaustauschsystem entfernt werden.
Werden in einem andren Fall die Wärmeaustauschmodule zum Beispiel in Form eines Parallelepipeds mit einem Neigungswinkel von 45° ausgebildet, so können jeweils zwei solcher Wärmeaustauschmodule in besonders kompakter Weise z.B. über die geneigten Flächen zusammengesetzt werden und auch, falls notwendig, durch Aneinanderreihung beliebig erweitert werden.
Somit kann die Wärmeübertragungsleistung und / oder die Leistungsdichte der Wärmeübertragung durch ein modulares Wärmeübertragungssystem der vorliegenden Erfindung durch die regelmässige Wiederholung bevorzugt identischer Wärmeaustauschmodule, bzw. durch die Entfernung identischer Wärmeaustauschmodule auf einfache und effiziente Weise angepasst werden.
Somit ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel die erste Begrenzungsfläche des ersten Wärmeaustauschmoduls derart in Bezug auf die zweite Begrenzungsfläche des ersten Wärmeaustauschmoduls unter dem vorgebbaren Neigungswinkel geneigt, dass das modulare
Wärmeaustauschsystem durch ein zweites Wärmeaustauschmodul, insbesondere in kompakter Bauform erweiterbar ist, wobei das zweite Wärmeaustauschmodul bevorzugt identisch zum ersten Wärmeaustauschmodul ist. Kompakte Bauform bedeutet dabei, dass zwei Wärmeaustauschmodule möglichst platzsparend miteinander kombinierbar sind, so dass zwischen zwei kombinierten Wärmeaustauschmodulen möglichst wenig, bevorzugt praktisch gar kein freier Raum mehr bleibt
In einer besonders einfachen, besonders kompakten und damit kostengünstigen Bauform hat der Wärmetauscher selbst eine tragende Funktion bei der Bildung des Wärmeaustauschmoduls. Das kann zum Beispiel dadurch realisiert sein, dass der Wärmetauscher selbst eine Gehäusewand des Wärmetauschermoduls bildet, oder dass das Gehäuse des Wärmetauschermoduls nicht an allen Begrenzungsflächen des Gehäuses eine Begrenzungswand aufweist, so dass der Wärmetauscher selbst eine verbindende und stabilisierende integrale Funktion als Gehäusebauteil erfüllt.
Wie erwähnt, kommt eine besonders wichtige Bedeutung denjenigen erfindungsgemässen Ausführungsbeispielen zu, bei denen das Wärmeaustauschsystem aus einer Mehrzahl von Wärmeaustauschmodulen gebildet ist, da bei diesen zum Beispiel durch Entfernung eines
Wärmeaustauschmoduls besonders einfach die Wärmeübertragungsleistung reduzierbar ist.
Vorteilhaft liegt der Neigungswinkel zwischen der ersten Begrenzungsfläche und der zweiten Begrenzungsfläche des Wärmeaustauschmoduls zwischen 0° und 180°, im speziellen zwischen 20° und 70°, bevorzugt zwischen 40° und 50° liegt, und besonders bevorzugt beträgt der Neigungswinkel 45° und / oder der Neigungswinkel liegt zwischen 90° und 180°, insbesondere bei 120°.
bei einem speziellen erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel hat zur Bildung eines Wärmeaustauschsystems in Form eines Wärmeaustausch- Clusters der Neigungswinkel zwischen der ersten Begrenzungsfläche und der zweiten Begrenzungsfläche des Wärmeaustauschmoduls einen Wert von 3607n, wobei n eine ganze Zahl ist, und der Wärmeaustausch-Cluster ist bevorzugt aus einer Anzahl von n identischen Wärmeaustauschmodulen gebildet ist, wobei beispielsweise zur Bildung eines hexagonalen Wärmeaustausch-Clusters der Neigungswinkel zwischen der ersten Begrenzungsfläche und der zweiten Begrenzungsfläche des Wärmeaustauschmoduls 60° beträgt, wobei der hexagonale Wärmeaustausch-Cluster zur Erreichung einer maximalen Wärmeaustauschleistung und / oder einer Maximale Leistungsdichte des Wärmeaustauschs bevorzugt aus sechs identischen Wärmeaustauschmodulen gebildet ist. In einem weiteren einfachen Ausführungsbeispiel kann eine Begrenzungsfläche des Wärmeaustauschsystems an dessen Gehäuse fehlen, wobei die fehlende Gehäusewand im Einbauzustand des Wärmeaustauschsystems durch eine Wand eines Installationsobjekts gebildet ist, insbesondere durch eine Wand eines Gebäudes gebildet ist.
Zur weiteren Steigerung der Leistungsdichte der Wärmeübertragung zwischen dem Wärmemittel und dem Transportfluidum und / oder zur Erhöhung einer Wärmeübertragungsrate zwischen dem Wärmemittel und dem Transportfluidum kann eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Wärmetauschers, insbesondere ein Lüfter zur Erzeugung eines Gasstroms vorgesehen sein, und / oder das Wärmeaustauschsystem kann wie an sich bekannt und eingangs ausführlich beschrieben als Hybridsystem ausgebildet sein, und es kann eine Berieselungseinrichtung zur Berieselung des Wärmetauschers mit einem Kühlfluid, insbesondere mit Kühlwasser ausgebildet sein. Besonders Vorteilhaft ist dabei auch ein Tropfenabscheider zur Abscheidung des Kühlfluids vorgesehen.
Dabei kann der Wärmetauscher selbst, wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt, durch eine Vielzahl von Mikrokanälen als Mikrokanalwärmetauscher und / oder der Wärmetauscher kann auch als lamellierter Wärmetauscher mit Kühllamellen ausgebildet sein. Im Speziellen ist das Wärmeaustauschsystem als ein Kombinationswärmetauschsystem aus dem lamellierten Wärmetauscher und dem Mikrokanalwärmetauscher gebildet, sofern konkrete Anforderungen eine solche Bauform bevorzugen.
Zur Verbesserung der Möglichkeiten die Wärmeübertragungsleistung eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschsystems zu Regulieren, kann beispielweise eine Abschottung, insbesondere eine Luftabschottung zur Regulierung einer Durchflussrate des Transportfluidums vorgesehen sein, die entweder manuell oder über eine Ansteuereinheit in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Betriebsparameter gesteuert und / oder geregelt sein kann.
Sehr vorteilhaft kann auch ein an sich bekanntes Kompensationsmittel zum Ausgleich von thermomechanischen Spannungen vorgesehen sein. Die Komponenten des modularen Wärmeaustauschsystems der vorliegenden Erfindung, also zum Beispiel die Wärmetauscher und / oder eine Zuführung und / oder eine Abführung für das Wärmemittel und / oder jedes andere Bauteil eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschsystems kann mit jeder anderen Komponente des Wärmeaustauschsystems durch ein
Universalverbindungselement verbunden sein, so dass zum Beispiel ein Wärmeaustauschmodul besonders einfach hinzugefügt oder entfernt werden kann. Im Speziellen sind besonders bevorzugt die Verteil- und Sammelrohre für das Wärmemittel oder auch Bleichteile und andere Module und Komponenten des Wärmeaustauschsystems mit einem Universalverbindungselement verbunden. Dabei sind diese Unversalverbindungselemente sowohl für den vertikalen als auch für den horizontalen Einbau der Wärmeaustauschsysteme bzw. der Wärmeaustauschmodule besonders gut geeignet.
Ausserdem kann weiter ein Reinigungssystem vorgesehen sein, umfassend im Speziellen ein Staubfanggitter und / oder einen Abstreifer und / oder einen Abwascher, insbesondere eine Reinigungsöffnung und / oder eine Reinigungsklappe, so dass das Wärmeaustauschsystem, bzw. seine Komponenten wie beispielweise das Wärmeaustauschmodul oder andere Bauteile einfach und effizient gereinigt werden können. Neben anderen möglichen Ausführungsformen kann dabei der Wärmetauscher beispielsweise an der Reinigungsklappe vorgesehen sein und / oder der Wärmetauscher selbst kann als Reinigungsklappe ausgeführt werden.
Zur Steuerung und / oder Regelung des Wärmeaustauschsystems im Betriebszustand, wird in der Regel, jedoch nicht zwingend, eine Ansteuereinheit, insbesondere eine Ansteuereinheit mit einer Datenverarbeitungsanlage zur Ansteuerung der Kühleinrichtung und / oder des Reinigungssystems und / oder der Luftabschottung und / oder eines Betriebs- oder Zustandsparameters des Wärmemittels und / oder eines anderen Betriebsparameters des Wärmeaustauschsystems vorgesehen sein, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bei bestehenden Wärmeaustauschsystemen dem Fachmann bekannt ist. Das Wärmeaustauschsystem bzw. das Wärmeaustauschmodul und / oder der Wärmetauscher und / oder eine Begrenzungsfläche des Wärmeaustauschmoduls, im Speziellen das gesamte Wärmeaustauschsystem ist besonders vorteilhaft aus einem Metall und / oder einer Metalllegierung gefertigt, insbesondere aus einem einzigen Metall oder einer einzigen Metalllegierung, und kann insbesondere aus Edelstahl, im Speziellen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein, wobei bevorzugt als Korrosionsschutz ein Opfermetall vorgesehen wird, und / oder wobei das Wärmeaustauschsystem zumindest teilweise mit einer Schutzschicht, insbesondere mit einer Korrosionsschutzschicht versehen ist. Vor allem die Verteil- und Sammelrohre sind bevorzugt für hohe Drücke, zum Beispiel zum Betrieb mit CO2, aus hochfesten Materialien wie beispielsweise aus Edelstahl gefertigt.
Im Speziellen ist ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschsystem ein Kühler, insbesondere ein Kühler für ein Fahrzeug, im Speziellen für ein Landfahrzeug, für ein Luftfahrzeug oder für ein Wasserfahrzeug, oder ein Kühler, ein Kondensator oder ein Verdampfer für eine mobile oder stationäre Heizungsanlage, Kühlanlage oder Klimaanlage ist, insbesondere eine Kühlervorrichtung für eine Maschine, eine Datenverarbeitungsanlage oder für ein Gebäude oder für eine andere Vorrichtung, die mit einem Wärmeaustauschsystem zu betreiben ist.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschsystems;
Fig. 2 einen Wärmetauscher gemäss Fig. 1 mit Mikrokanälen;
Fig. 3 ein Element eines lamellierten Wärmetauschers; Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit
Luftabschottung;
Fig. 5a ein drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit
Reinigungsklappe;
Fig. 5b das Ausführungsbeispiel der Fig. 5a während eines
Reinigungsvorgangs;
Fig. 6a ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Wärmeaustauschsystems mit Universalverbindungselement;
Fig. 6b ein Universalverbindungselement der Fig. 6 im Detail;
Fig. 7 eine Wärmeaustauschsystem mit zwei
Wärmeaustauschmodulen;
Fig. 8a ein erstes bekanntes Wärmeaustauschsystem zum Betrieb bei vertikalem Einbau;
Fig. 8b ein zweites bekanntes Wärmeaustauschsystem zum Betrieb in horizontalem Einbau;
Fig. 9 eine erfindungsgemässes Wärmeaustauschsystem zum Betrieb in vertikalem Einbau;
Fig. 10 eine erfindungsgemässes Wärmeaustauschsystem zum Betrieb in horizontalem Einbau;
Fig. 11 ein weiteres Wärmeaustauschsystem aus vier
Wärmeaustauschmodulen; Fig. 12 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustausch-Clusters in hexagonaler Form;
Fig. 13 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 12;
Fig. 14 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Wä rmeau stau seh - Clusters.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein erstes einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschsystems, das im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist.
Das erfindungsgemässe Wärmeaustauschsystem 1 der Fig. 1 umfasst als wesentliches Element ein Wärmeaustauschmodul 2, 21 mit einem
Wärmetauscher 2 zum Austausch von Wärme zwischen einem Wärmemittel 7, z.B. einer Kühlflüssigkeit 7 oder einem Verdampfermittel 7 und einem Transportfluidum 6, z.B. Luft 6. Der Wärmetauscher 3 ist im vorliegenden Fall ein an sich bekannter Mikrokanalwärmetauscher 3 mit einer Vielzahl von Mikrokanälen 10. Der Wärmetauscher 3 ist mit seinen Mikrokanälen 10 über ein in Fig. 1 nicht dargestelltes Anschlusssystem, das dem Fachmann im Prinzip bekannt ist, zum Austausch von Wärmemittel 7 an eine ebenfalls nicht dargestellte Kältemaschine angeschlossen.
In an sich bekannter Weise ist die Kältemaschine an das Anschlusssystem, umfassend einen Einlasskanal mit einem Einlasssegment des
Wärmetauschers 3 und einen Auslasskanal mit einem Auslasssegment des Wärmetauschers 3, derart strömungsverbunden, dass das Wärmemittel 7 zum Austausch von Wärme mit der Luft 6 vom Einlasskanal über das Einlasssegment, durch die Vielzahl von Mikrokanälen 10 des Wärmetauschers 3, und schliesslich über das Auslasssegment dem Auslasskanal zuführbar ist. Eine äussere Begrenzung des Wärmeaustauschmoduls 2 ist dabei durch eine Einströmfläche 4 und eine Ausströmfläche 5 derart gebildet, dass im Betriebszustand zum Austausch von Wärme zwischen dem Transportfluidum 6, dessen Strömungsrichtung durch die Pfeile 6 symbolisch dargestellt ist, und dem den Wärmetauscher 3 durchströmenden Wärmemittel 7, das
Transportfluidum 6 über die Einströmfläche 4 dem Wärmeaustauschmodul 2 zuführbar, mit dem Wärmetauscher 3 in strömenden Kontakt bringbar und über die Ausströmfläche 5 aus dem Wärmeaustauschmodul 2 wieder abführbar ist.
Damit die Wärme zwischen der Luft 6 und dem Wärmemittel 7 besser ausgetauscht werden kann, ist zusätzlich eine Kühleinrichtung 9, im vorliegenden Fall ein Lüfter 9 vorgesehen, mit dem eine Menge an Luft 6, die pro Zeiteinheit durch das Wärmeaustauschmodul 2, 21 befördert wird, kontrollierbar ist.
Dabei ist die erste Begrenzungsfläche 81 , die im vorliegenden Fall durch den Wärmetauscher 3 selbst gebildet wird, des Wärmeaustauschmoduls 2, 21 in Bezug auf eine zweite Begrenzungsfläche 82, 83 des ersten Wärmeaustauschmoduls 2, 21 unter einem vorgebbaren Neigungswinkel α, der im vorliegenden speziellen Beispiel ca. 35° beträgt, geneigt. Es versteht sich, dass in einem anderen Ausführungsbeispiel der Neigungswinkel α auch einen anderen Wert haben kann, z.B. einen Wert grösser oder kleiner als 35°, z.B., aber nicht nur, 25° oder 45°. Bei dem einfachen Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 ist dabei die zweite Begrenzungsfläche 82, 83 durch eine Wand 800 eines Installationsobjekts gebildet, das im vorliegenden Fall ein nicht näher dargestelltes Kühlhaus ist.
In Fig. 2 ist schematisch ein Wärmetauscher 3 gemäss Fig. 1 mit Mikrokanälen 10 im Schnitt dargestellt. Anstatt kleiner Rohre, wie sie bei den klassischen lamellierten Wärmetauschern 3 gemäss Fig. 3 verwendet werden, werden, wie bereits erwähnt, bei Minichannelwärmetauschern 3 z.B. Aluminiumstrangpressprofile verwendet, die sehr viele kleine Kanäle 10 mit einem Durchmesser von z.B. etwa 1 mm haben. Der Wärmetauscher 6 der Fig. 2 kann z.B. in einem geeigneten Extrudierverfahren einfach und in vielfältigen Formen aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Dabei kann der Wärmetauscher 3 gemäss Fig. 2 in einer anderen, in Fig. 2 nicht explizit dargestellten Ausführungsvariante, auch durch andere Herstellungsverfahren, wie z.B. durch das Zusammensetzen geeignet geformter Profilbleche oder andere geeignete Verfahren hergestellt sein.
Die Fig. 3 zeigt im Gegensatz zur Fig. 2 ein Element eines an sich bekannten lamellierten Wärmetauschers 3 mit Kühllamellen 300, wie er anstelle eines Mikrokanalwärmetauschers 3 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ebenfalls zum Einsatz kommen könnte. Das Wärmemittel 7 durchströmt das röhrenförmige Element des lamellierten Wärmetauschers 3, das im Betriebszustand hauptsächlich über die Kühllamellen 300 Wärme mit der daran vorbeiströmenden Luft 6 austauscht. Es versteht sich, dass in der Praxis der Wärmetauscher 3 in der Regel aus einer Vielzahl von Elementen gemäss Fig. 3 gebildet ist. In einem ganz speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das aus Platzgründen nicht explizit anhand einer Zeichnung dargestellt ist, wird als Wärmetauscher 3 ein Kombinationswärmetauscher 3 verwendet. Das heisst, ein Wärmeaustauschsystem 1 der vorliegenden Erfindung kann für ganz spezielle Anwendungen neben einem Wärmetauscher 3 mit einer Vielzahl von Mikrokanälen 10 gleichzeitig einen lamellierten Wärmeaustauscher 3 mit Kühllamellen 300 umfassen.
Um eventuell noch grossere Wärmeübertragungsleistungen zu bewältigen, kann dabei das Wärmeaustauschsystem 1 auch als ein sogenanntes Hybridsystem 1 ausgebildet sein, dessen Funktionsprinzip dem Fachmann an sich ebenfalls bekannt ist, und daher nicht explizit anhand einer separaten Zeichnung dargestellt werden muss. In dem Fall ist bevorzugt eine Berieselungseinrichtung zur Berieselung des Wärmetauschers 3 mit einem externen Kühlfluid, insbesondere mit Kühlwasser oder Kühlöl vorgesehen. Im Speziellem kann dabei zusätzlich ein Tropfenabscheider, z.B. in Form einer Wanne zur Abscheidung und Sammlung des externen Kühlfluids im
Betriebszustand vorgesehen sein, so dass das externe Kühlfluid in einem externen Kühlsystem, das der Kühlung des externen Kühlfluids dient, rezierkulierbar ist und zur erneuten Kühlung des Wärmetauschers 3 diesem über die Berieselungseinrichtung wieder zuführbar ist.
In Fig. 4 ist ein zweites einfaches Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit einer Luftabschottung 11 schematisch dargestellt. Die Luftabschottung 11 ist bevorzugt in Form einer Jalousie oder einer Raffstore, umfassend einzelne Jalousieelemente 111 bzw. Storenelemente 111 ausgestaltet, so dass der Grad der Abdeckung des Wärmeaustauschers 3 variabel, bevorzugt elektronisch gesteuert und / oder geregelt veränderbar ist, in dem die
Luftabschottung in bekannter Weise zum Beispiel ganz oder teilweise durch Zusammenraffen der einzelnen Jalousieelemente 111 bzw. Storenelemente 111 von der Oberfläche des Wärmetauschers 3 entfernt wird, oder indem ein Winkel zwischen den einzelnen Storenelementen 111 und der Oberfläche des Wärmetauschers 3 geändert wird, so dass die effektive Durchtrittsfläche für die Luft 6 variierbar ist. Dadurch ist auf einfache Weise, ohne die Strömungsdynamik im Kühlsystem zu verändern, eine Regulierung der Wärmeaustauschleistung des Wärmetauschers 3 möglich.
Die Fig. 5a und Fig. 5b zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit Reinigungsklappe 121 , wobei Fig. 5a das Wärmeaustauschsystem 1 kurz vor einem Reinigungsvorgang zeigt, bei welchem das Innere, insbesondere die Oberfläche des Wärmetauschers 3 von Schmutz befreit werden soll, der sich im Betrieb des Wärmeaustauschsystems unweigerlich ansammelt. Fig. 5b zeigt das Wärmeaustauschsystem 1 während des Reinigungsvorgangs. Die Reinigungsklappe 121 ist als Zugangsklappe 121 ausgestaltete, die um die Drehachse 122 gemäss dem Pfeil P drehbar ausgestaltet ist, so dass durch ein Schwenken der Reinigungsklappe 121 um die Drehachse 122, die zum Beispiel auch als Universalverbindungselement 13 ausgestaltet sein kann, ein Zugang zum Inneren des Wärmeaustauschsystems 1 geschaffen wird, der Service, Reparatur- und Reinigungsarbeiten im Inneren einfach ermöglicht, ohne das das Wärmeaustauschsystem 1 demontiert werden muss.
Die Fig. 5b zeigt eine Situation in der gerade der Wärmetauscher 3 mit einer Reinigungsflüssigkeit 123, zum Beispiel mit Wasser 123 gereinigt wird. Die Reinigungsklappe 121 wurde ausgehend von der Situation der Fig. 5a derart um die Drehachse 122 geschwenkt, dass sie gemäss Fig. 5b als Auffangwanne 121 fungiert, die die verschmutzte Reinigungsflüssigkeit 123 während des Reinigungsvorgangs zuverlässig aufsammelt, so dass die verschmutze Reinigungsflüssigkeit sicher und gegebenenfalls automatisch abgeführt und entsorget werden kann, so dass zum Beispiel Beeinträchtigungen der Umwelt vermeidbar sind.
In Fig. 6a ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschsystems schematisch dargestellt, bei welchem die Reinigungsklappe 121 mit einem Universalverbindungselement 13 gemäss Fig. 6b befestigt ist. Das Universalverbindungselement 13 ist unter anderem geeignet zur einfachen und zuverlässigen Verbindung von an sich bekannten, in den Fig. 6a und 6b nicht explizit dargestellten Verteil- und Sammelrohren, die zur Zu- bzw. zum Abführen des Wärmemittels 7 zum bzw. vom Wärmeaustauscher 3 dienen.
Bevorzugt ist das Universalverbindungselement 13 so gestaltet, dass es besonders einfach zum Beispiel über eine Verschraubung oder durch verlöten mit den entsprechenden Teilen des Wärmeaustauschsystems 1 verbindbar ist.
Es kann zur Verbindung von Leitungen, die Wärmemittel 7 führen dienen, oder sogar selbst als Leitung zur Beförderung von Wärmemittel 7 geeignet sein. Es kann weiter zur Verbindung von Blechteilen, wie zum Beispiel der Reinigungsklappe 12 oder anderen Teilen geeignet sein. Bevorzugt ist bei einem gegebenen modularen Wärmeaustauschsystem 1 das Universalverbindungselement 13 im Detail derart ausgestaltet, dass es in ein und derselben Ausführungsform gleichzeitig möglichst viele verschiedene Verbindungen schaffen kann, so dass möglichst wenig verschieden ausgebildete Universalverbindungselemente in ein und demselben modularen Wärmeaustauschsystem 1 gleichzeitig eingesetzt werden müssen.
Im Idealfall ist das Universalverbindungselement 13 so ausgestaltet, dass es alle Verbindungsfunktionen zwischen allen Teilen des modularen Wärmeaustauschsystems gleichzeitig wahrnehmen kann, so dass in ein und demselben Wärmeaustauschsystem 1 nur ein einziger Typ von Unversalverbindungselement verwendet werden muss, was den Aufbau, die Erweiterung bzw. die Verkleinerung eines erfindungsgemässen modularen Wärmeaustauschsystems 1 enorm vereinfacht und damit höchste Flexibilität des Systems garantiert.
Fig. 7 zeigt ein modulares Wärmeaustauschsystem 1 gemäss der vorliegenden Erfindung, das zwei identische Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 umfasst. Die beiden Module sind von identischer Bauform, wobei der Neigungswinkel α einen Wert von 45° hat. Der Fachmann versteht sofort, dass im Prinzip in beide Richtungen des Doppelpfeils DP beliebig viele identische Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 angefügt werden können. Das heisst, zur Veränderung der Wärmeaustauschleistung des modularen Wärmeaustauschsystems 1 braucht lediglich ein einziger Typ von Wärmeaustauschnnodulen 2, 21 , 22 bereit gestellt zu werden, um eine Anlage 1 mit praktisch beliebig vorgebbarer Wärmeaustauschleistung bereitzustellen, bzw. um diese zu Erweitern oder um bei einer bestehenden Anlage durch Reduzierung der Zahl der Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 dessen Wärmeaustauschleistung zu verringen. Besonders bevorzugt sind die einzelnen Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 in das Wärmeaustauschsystem 1 durch Verwendung der Universalverbindungselemente 13 integriert, wie sie anhand der Fig. 6a und Fig. 6b bereits diskutiert wurden.
Neben der enormen Flexibilität die ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschsystem 1 in Bezug auf die Zahl und die Möglichkeiten der Anordnung der Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 aufweist, ist ein erfindungsgemässes Wärmeaustauschsystem 1 auch sehr flexibel in Bezug auf die Aufbau- bzw. Einbaurichtung des Wärmeaustauschsystems 1.
In Fig. 8a und Fig. 8b sind sehr schematisch zwei aus dem Stand der Technik bekannte Wärmeaustauschsysteme 1 ' dargestellt.
Zur besseren Unterscheidung des Stands der Technik von der vorliegenden Erfindung sind diejenigen Merkmale, die sich auf Beispiele aus dem Stand der Technik beziehen mit einem Hochkomma versehen, während die Bezugszeichen zu erfindungsgemässen Merkmalen kein Hochkomma tragen.
Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Wärmeaustauschsysteme 1 ' gemäss Fig. 8a bzw. Fig. 8b besteht nämlich darin, dass sie in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft S entweder nur in vertikaler Einbaurichtung, wie in Fig. 8a dargestellt, oder nur in horizontaler Einbaurichtung gemäss Fig. 8b verwendbar sind. Dabei bedeutet vertikal, dass die Ausströmrichtung der Luft 6' aus dem Wärmeaustauschsystem 1 ' im wesentlichen senkrecht in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft S erfolgt, während eine horizontale Einbaurichtung bedeutete, dass die aus dem Wärmeaustauschsystem ausströmende Luft 6' im wesentlichen parallel bzw. antiparallel zur Richtung der Schwerkraft ausströmt.
Somit kann das Wärmeaustauschsystem 1 ' der Fig. 8a, das für einen vertikalen Einbau konstruiert wurde, nicht gegen das Wärmeaustauschsystem der Fig. 8b ausgetauscht werden, das nur für den horizontalen Einbau konzipiert ist.
Auch hier ist das erfindungsgemässe modulare Wärmeaustauschsystem 1 viel flexibler, wie anhand der Fig. 9 und 10 eindrucksvoll demonstriert wird.
In Fig. 9 ist ein Wärmeaustauschsystem 1 umfassend zwei Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 in vertikaler Einbauweise, in Fig. 10 ein Wärmeaustauschsystem 1 in horizontaler Einbauweise in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft S dargestellt. Dabei sind die einzelnen Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 der Wärmeaustauschsysteme gemäss Fig. 9 und Fig. 10 völlig identisch. Das heisst, es braucht nur noch ein einziger Typ von Wärmeaustauschmodulen 2, 21 , 22 bereitgestellt zu werden, um sowohl horizontale, als auch vertikal aufstellbare Wärmeaustauschsystem 1 herzustellen. Im Speziellen ist es sogar möglich, dass ein und dasselbe Wärmeaustauschsystem 1 gleichzeitig vertikal und horizontal orientierte Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 umfasst.
In Fig. 11 ist exemplarisch ein weiteres Wärmeaustauschsystem 1 aus vier Wärmeaustauschmodulen 2, 21 , 22 mit je zwei Lüftern 9 dargestellt, wodurch die Wärmeaustauschleistung der einzelnen Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 wesentlich gesteigert wird. Der Fachmann versteht ohne weiteres, dass auch das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 11 sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Einbaurichtung vorteilhaft eingesetzt werden kann.
In Fig. 12 ist weiter ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustausch- Clusters 1 in hexagonaler Form beispielhaft dargestellt. Das modulare Wärmeaustauschsystenn 1 in Form des Wärmeaustausch-Clusters 1 gemäss Fig. 12 umfasst sechs identische Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22, die alle einen Neigungswinkel von 60° aufweisen. Durch die Wahl dieser speziellen Geometrie ist es möglich die sechs Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 zu einem hexagonalen Cluster zusammenzusetzen, wobei jeweils die nach aussen gerichteten Stirnfläche jedes Wärmeaustauschmoduls 2, 21 , 22 als Wärmetauscher 3 ausgebildet sind, bzw. die Wärmetauscher 3 in diese nach aussen gerichteten Flächen integriert sind. Im Betriebszustand wir dann das Transportfluidum 6, also zum Beispiel die Luft 6 über die nach aussen gerichteten Flächen umfassend die Wärmetauscher 3 von den Lüftern 9 angesaugt, die in den zu den nach aussengerichteten Flächen senkrecht gerichteten Begrenzungsflächen der Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 vorgesehen sind.
Diese spezielle Bauweise als Wärmeaustausch-Cluster 1 kann immer dann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, wenn höchste
Wärmeübertragungsleistungen auf kleinstem Raum gefordert sind.
In Fig. 13 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 12 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 13 unterscheidet sich von demjenigen in Fig. 12 im wesentlichen dadurch, dass die Platzierung der Lüfter 9 und die Platzierung der Wärmetauscher 3 gerade vertauscht ist. Das heisst, die Lüfter 9 sind bei dem Beispiel der Fig. 13 in den nach aussen gerichteten Flächen angeordnet, während die Wärmetauscher 3 in den dazu senkrechten Flächen in denen der Neigungswinkel α liegt und senkrecht zu den Flächennormalen in Richtung R angeordnet sind, bzw. bilden die Wärmetauscher 3 diese Flächen.
In Fig. 14 ist schliesslich ein anderes Ausführungsbeispiel eines Wärmeaustausch-Clusters 1 gemäss Fig. 12 in einer Ansicht aus Richtung R gemäss Fig. 12 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 14 unterscheidet sich dabei von dem der Fig. 12 dadurch, dass nicht sechs identische Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 mit einem Neigungswinkel α von jeweils 60° verwendet wurden, sondern lediglich fünf identische Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 mit einem Neigungswinkel α von jeweils 72° verwendet wurden. Je nach Anforderung sind somit im Prinzip beliebige Wärmeaustausch-Cluster 1 mit einer Anzahl von n identischen Wärmeaustauschmodule 2, 21 , 22 konstruierbar, wobei jedes Wärmeaustauschmodul 2, 21 , 22 dann einen Neigungswinkel α von 3607n aufweist.
Es versteht sich, dass die im Rahmen dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich exemplarisch zu verstehend sind. Das heisst, die Erfindung ist nicht allein auf die beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere sind alle geeigneten Kombinationen der vorgestellten speziellen Ausführungsformen durch die Erfindung ebenfalls abgedeckt.

Claims

Patentansprüche
1. Modulares Wärmeaustauschsystem mit einem Wärmeaustauschmodul (2, 21 , 22) umfassend mindestens ein erstes Wärmeaustauschmodul (21 ) mit einem Wärmetauscher (3), wobei eine äussere Begrenzung des Wärmeaustauschmoduls (2) durch eine Einströmfläche (4) und eine
Ausströmfläche (5) derart gebildet ist, dass zum Austausch von Wärme zwischen einem Transportfluidum (6) und einem den Wärmetauscher (3) im Betriebszustand durchströmenden Wärmemittel (7), das Transportfluidum (6) über die Einströmfläche (4) dem Wärmeaustauschmodul (2) zuführbar, mit dem Wärmetauscher (3) in strömenden Kontakt bringbar und über die Ausströmfläche (5) aus dem Wärmeaustauschmodul (2) wieder abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Begrenzungsfläche (81 ) des ersten Wärmeaustauschmoduls (2, 21 ) in Bezug auf eine zweite Begrenzungsfläche (82) des ersten Wärmeaustauschmoduls (2, 21 ) unter einem vorgebbaren Neigungswinkel (α) geneigt ist.
2. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 1 , wobei die erste Begrenzungsfläche (81 ) des ersten Wärmeaustauschmoduls (2, 21 ) derart in Bezug auf die zweite Begrenzungsfläche (82) des ersten Wärmeaustauschmoduls (2, 21 ) unter dem vorgebbaren Neigungswinkel
(α) geneigt ist, dass das modulare Wärmeaustauschsystem durch ein zweites Wärmeaustauschmodul (22), insbesondere in kompakter Bauform erweiterbar ist, wobei das zweite Wärmeaustauschmodul (22) bevorzugt identisch zum ersten Wärmeaustauschmodul (21 ) ist.
3. Wärmeaustauschsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher (3) eine tragende Funktion bei der Bildung des Wärmeaustauschmoduls (2, 21 , 22) hat.
4. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeaustauschsystem aus einer Mehrzahl von Wärmeaustauschmodulen (2, 21 , 22) gebildet ist.
5. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Neigungswinkel (α) zwischen der ersten Begrenzungsfläche (81 ) und der zweiten Begrenzungsfläche (82) des Wärmeaustauschmoduls (2, 21 , 22) zwischen 0° und 180°, im speziellen zwischen 20° und 70°, bevorzugt zwischen 40° und 50° liegt, und besonders bevorzugt 45° beträgt und / oder der Neigungswinkel (α) zwischen 90° und 180°, insbesondere bei 120° liegt.
6. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehende Ansprüche, wobei zur Bildung eines Wärmeaustausch-Clusters (1 ) der Neigungswinkel (α) zwischen der ersten Begrenzungsfläche (81 ) und der zweiten Begrenzungsfläche (82) des Wärmeaustauschmoduls (2, 21 , 22) einen Wert von 3607n hat und der Wärmeaustausch-Cluster (1 ) bevorzugt aus einer Anzahl von n identischen Wärmeaustauschmodulen (2, 21 , 22) gebildet ist, wobei bevorzugt zur Bildung eines hexagonalen Wärmeaustausch-Clusters (1 ) der Neigungswinkel (α) zwischen der ersten Begrenzungsfläche (81 ) und der zweiten Begrenzungsfläche (2) des Wärmeaustauschmoduls (2, 21 , 22) 60° beträgt und der hexagonale Wärmeaustausch-Cluster (1 ) bevorzugt aus sechs identischen Wärmeaustauschmodulen (2, 21 , 22) gebildet ist.
7. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Begrenzungsfläche (83) des Wärmeaustauschsystems durch eine Wand (800) eines Installationsobjekts gebildet ist, insbesondere durch eine Wand (800) eines Gebäudes gebildet ist.
8. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Erhöhung einer Wärmeübertragungsrate zwischen dem
Wärmemittel (7) und dem Transportfluidum (6) eine Kühleinrichtung (9) zur Kühlung des Wärmetauschers (3), insbesondere ein Lüfter (9) zur Erzeugung eines Gasstroms (61 ) vorgesehen ist, und / oder wobei das Wärmeaustauschsystem als Hybridsystem (1 ) ausgebildet ist, und eine Berieselungseinrichtung zur Berieselung des Wärmetauschers (3) mit einem Kühlfluid, insbesondere mit Kühlwasser, und / oder ein Tropfenabscheider zur Abscheidung des Kühlfluids vorgesehen ist.
9. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (3) durch eine Vielzahl von Mikrokanälen (10) als Mikrokanalwärmetauscher (3) ausgebildet ist und / oder wobei der Wärmetauscher (3) als lamellierter Wärmetauscher (3) mit Kühllamellen ausgebildet ist und / oder das Wärmeaustauschsystem als ein
Kombinationswärmetauschsystem (1 ) aus dem lamellierten Wärmetauscher (3) und dem Mikrokanalwärmetauscher (3) gebildet ist.
10. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Abschottung, insbesondere eine Luftabschottung (11 ) zur Regulierung einer Durchflussrate des Transportfluidums (6) vorgesehen ist.
11. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Kompensationsmittel zum Ausgleich von thermomechanischen Spannungen und / oder wobei ein Universalverbindungselement (13) zur Anbindung einer Komponente des Wärmeaustauschsystems vorgesehen ist.
12. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Reinigungssystem (12, 121 , 122) vorgesehen ist, umfassend im speziellen ein Staubfanggitter (121 ) und / oder einen Abstreifer (121 ) und / oder einen Abwascher (121 ), insbesondere eine Reinigungsöffnung (121 ) und / oder eine Reinigungsklappe (121 ) und / oder wobei der Wärmetauscher (3) an der Reinigungsklappe (121 ) vorgesehen ist und / oder der Wärmetauscher (3) als Reinigungsklappe (121 ) ausgeführt ist.
13. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Steuerung und / oder Regelung des Wärmeaustauschsystems im Betriebszustand, eine Ansteuereinheit, insbesondere eine Ansteuereinheit mit einer Datenverarbeitungsanlage zur Ansteuerung der Kühleinrichtung (9) und / oder des Reinigungssystems und / oder der Luftabschottung (11 ) und / oder eines Betriebs- oder Zustandsparameters des Wärmemittels (7) und / oder eines anderen Betriebsparameters des
Wärmeaustauschsystems vorgesehen ist.
14. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeaustauschmodul (2, 21 , 22) und / oder der Wärmetauscher (3) und / oder, eine Begrenzungsfläche des Wärmeaustauschmoduls (2, 21 , 22), im Speziellen das gesamte Wärmeaustauschsystem (2, 21 , 22), aus einem Metall und / oder einer
Metalllegierung gefertigt ist, insbesondere aus einem einzigen Metall oder einer einzigen Metalllegierung, insbesondere aus Edelstahl, im Speziellen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt ist, wobei bevorzugt als Korrosionsschutz ein Opfermetall vorgesehen ist, und / oder wobei das Wärmeaustauschsystem (2, 21 , 22) zumindest teilweise mit einer Schutzschicht, insbesondere mit einer Korrosionsschutzschicht versehen ist.
15. Wärmeaustauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeaustauschsystem ein Kühler ist, insbesondere ein Kühler für ein Fahrzeug, im Speziellen für ein Landfahrzeug, für ein
Luftfahrzeug oder für ein Wasserfahrzeug, oder ein Kühler, ein Kondensator oder ein Verdampfer für eine mobile oder stationäre Heizungsanlage, Kühlanlage oder Klimaanlage ist, insbesondere eine Kühlervorrichtung für eine Maschine, eine Datenverarbeitungsanlage oder für ein Gebäude ist.
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