[0001] Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherelement für den Wärmetausch zwischen zwei
Medien, bestehend aus einer Wand, die mit im wesentlichen quer zu ihr orientierten
und im wesentlichen untereinander gleich beabstandeten Stabrippen versehen ist.
[0002] Derartige Wärmetauscherelemente sind bspw. nach der DE-A-34 14 395 bekannt. Der die
Wand bildende Träger ist dabei in Form einer Lochplatte ausgebildet, in deren Löcher
im wesentlichen schlank-zylindrische Wärmeleitkörper einsetzbar sind. In Betracht
gezogen ist dabei aber auch, die Wärmeleitkörper messerförmig auszubilden bei entsprechender
Anpassung der Lochquerschnitte in der Wand. Zweck einer derartigen Ausbildung ist
es, die Wärmeübergangsfläche einer Wärmetauscherwand zu vergrößern, was sonst, soweit
es sich bei den Wänden um Blech handelt, durch Blechprofilierung in Form von Rippen,
Noppen od. dgl. bis hin zur Aufrauhung der Blechoberflächen praktiziert wird, und,
soweit es sich bei den Wänden um gießtechnisch hergestellte handelt, ebenfalls durch
gleiche oder ähnliche Oberflächenprofilierungen. Eingebunden sind derartige Wärmetauscherelemente
dabei immer in entsprechend gestaltete Gehäuse zur Führung und Zu- und Ableitung der
am Wärmetausch beteiligten Medien. Da es sich, abgesehen von den vorerwähnten Oberflächenaufrauhungen,
die jedoch nur Grenzschichten der beteiligten Medien erfassen können, bei den anderen,
vorerwähnten Wärmetauscherelementen um sehr grobe Strukturen handelt, stehen diese
einer kompakten Bauweise von Wärmetauschern, d.h., einer möglichst geringen Raumbeanspruchung
entgegen, da derartige Grobstrukturen von Wärmeübertragungsflächenvergrößerungen entsprechend
große Abmessungen der mit den Übertragungsflächenvergrößerungen bestückten bzw. versehenen
Wänden verlangen und damit auch entsprechend groß dimensionierte Gehäuse.
[0003] Daß es sich beim Wärmetauscherelement gemäß DE-A-34 14 395, von dem hier ausgegangen
wird, nur um eine Grobstruktur handeln kann, ergibt sich daraus, daß für die Wärmeübertragungsfläche
vergrößernden, die Wand durchgreifenden Wärmeleitkörper sogar in Betracht gezogen
ist, diese hohl auszubilden und im inneren mit einer Scheidewand zu versehen, wobei
dahingestellt bleiben muß, daß dies den Wärmeübergang wesentlich verbessert, da die
Hohlräume strömungstechnisch Toträume darstellen. In Betracht gezogen ist diese Möglichkeit
offenbar vielmehr unter dem Gesichtspunkt einer Gewichtsreduzierung, die mit Rücksicht
auf das relativ hohe Gewicht derartiger Wärmetauscherelemente als von Interesse angesehen
wurde. Bezüglich der "groben" Strukturierung solcher Wärmetauscherelemente ist auch
noch auf die DE-A-37 34 009 zu verweisen, bei deren Gegenstand es sich um ein Wärmetauscherrohr
handelt, das mit dessen Wandungen durchgreifenden Metallstiften bestückt ist.
[0004] Der Erfindung liegt, ausgehend von einem Wärmetauscherelement der eingangs genannten
Art, die Aufgabe zugrunde, dieses dahingehend zu verbessern, daß, bezogen auf die
Flächengröße der Wärmetauscherwand, deren wirksame Übertragungsflächenvergrößerung
wesentlich erhöht ist, und damit Gewicht und Raumbeanspruchung eines damit ausgestatteten
Wärmetauschers reduziert sind.
[0005] Diese Aufgabe ist mit einem Wärmetauscherelement nach der Erfindung dadurch gelöst,
daß der Stabrippenbesatz der Wand bürstenartig ausgebildet und dabei das Produkt aus
Durchmesser und Abstand der auf mindestens einer Seite der Wand angeordneten Stabrippen
≤ 4 mm
2 und das Verhältnis von Durchmesser zur Höhe der Stabrippen ≤ 0,3 ist. Vorteilhafte
Weiterbildungen und besondere Ausführungsformen ergeben sich nach den Unteransprüchen
und werden im einzelnen im speziellen Beschreibungsteil näher erläutert.
[0006] Unter "Stabrippen" sind dabei, was sich ebenfalls aus der speziellen Beschreibung
ergeben wird, keineswegs grundsätzlich nur geometrisch genau zu definierende Gebilde
im Sinne der vorerwähnten DE-A-34 14 395 oder DE-A-37 34 009, d.h. zylindrische Zapfen
zu verstehen, sondern auch solche, die bspw. schlaufenförmig nach der einen und/oder
anderen Seite aus der Wandfläche herausragen.
[0007] Durch den erfindungsgemäß bürstenartigen Besatz mit den Maßgaben bzgl. Durchmesser,
Abstand und Höhe der Stabrippen kann im Grunde nicht mehr von einer Übertragungsflächenvergröße-rung
der Wärmetauscheerelemente die Rede sein, da der größere Teil der Wärmeübertragung
und des Wärmetransportes bzw. der Wärmeleitung von den Stabrippen geleistet wird,
ganz abgesehen vom Spezialfall, bei dem die Stabrippen ein besseres Wärmeleitvermögen
haben als das Material, aus dem die Wand selbst gebildet ist, was in Sonderfällen
von Interesse sein kann, wenn bspw. ein Wärmetransport in Wanderstreckungsrichtung
unterbunden bzw. minimiert werden soll.
[0008] Um eine Vorstellung zu vermitteln, welche Dimensionierungen und Zuordnungen der Stabrippen
nach den erfindungsgemäßen Maßgaben einen bürstenartigen Besatz repräsentieren, so
kommen bspw. Stabrippen mit einem Durchmesser von 2 mm mit Ab-ständen voneinander
von ebenfalls maximal 2 mm in Betracht, wobei sich dabei die Höhe bzw. Länge der Stabrippen
an der Bedingung zu orientieren hat, daß das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe ≤
0,3 beträgt. Bei einem Durchmesser von 2 mm kann also die Höhe der Stabrippen 60 mm
betragen, d.h., je dünner die Stabrippen werden, desto kürzer werden diese in ihrer
Höhe bzw. Länge bemessen. Letztlich ist dabei die tatsächliche Längen- bzw. Höhenbemessung
der Stabrippen aus dem Verhältnisbereich von Durchmesser zu Höhe ≤ 0,3 von der Steifigkeit
des verwendeten Materials abhängig.
[0009] Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement und dessen vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
[0010] Es zeigt schematisch
- Fig. 1
- in Draufsicht einen Abschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes;
- Fig. 2
- den Abschnitt des Wärmetauscherelementes gemäß Fig. 1 in Seitenansicht;
- Fig. 3
- perspektivisch eine besondere Ausführungsform eines Teiles des Wärmetauscherelementes;
- Fig. 4
- perspektivisch ein aus der Ausführungsform nach Fig. 3 gebildetes Wärmetauscherelement;
- Fig. 5
- einen Schnitt durch das Wärmetauscherelement gemäß Fig. 4;
- Fig. 6
- in Draufsicht eine andere Ausführungsform eines aus einem Band gemäß Fig. 3 gebildeten
Wärmetauscherelementes;
- Fig. 7-9
- weitere Ausführungsformen;
- Fig.10,11
- besondere Ausführungsformen der Stabrippen;
- Fig. 12
- in Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Wärmetauscherelementes;
- Fig.13,14
- im Schnitt besondere Ausführungsformen des Wärmetauscherelementes;
- Fig. 15
- im Schnitt und stark vergrößert das Wärmetauscherelement bei Wandausbildung aus Vliesmaterial;
- Fig. 16
- im Schnitt und stark vergrößert einen Teilabschnitt eines Wärmetauscherelementes mit
besonderer Ausführungsform der Stabrippen;
- Fig. 17
- im Schnitt eine beispielhafte Anordnung des Wärmetauscherelementes in einem Wärmetauschergehäuse
und
- Fig. 18
- einen Schnitt längs Linie I-I durch den Wärmetauscher gemäß Fig. 15.
[0011] Das Wärmetauscherelement (nachfolgend kurz mit WT-Element bezeichnet) besteht nach
wie vor aus einer Wand 1, die mit im wesentlichen quer zu ihr orientierten und im
wesentlichen untereinander gleich beabstandeten Stabrippen 2 versehen ist.
[0012] Für ein solches WT-Element ist nun, und dies gilt für alle Ausführungsbeispiele,
wesentlich, daß der Stabrippenbesatz der Wand 1 bürstenartig ausgebildet und das Produkt
aus Durchmesser d und Abstand s der auf mindestens einer Seite der Wand 1 angeordneten
Stabrippen ≤ 4 mm
2 und das Verhältnis von Durchmesser d zur Höhe h der Stabrippen ≤ 0,3 ist.
[0013] Hierzu wird auf die Fig. 1, 2 verwiesen, wobei Fig. 2 die bevorzugte Ausführungsform
darstellt, die einen Rippenbesatz auf beiden Seiten der Wand 1 vorsieht. Die bürstenartige
Besatzstruktur der WT-Elementes wird am besten aus Fig. 5 deutlich, obgleich es sich
dabei um eine besondere Ausführungsform handelt.
[0014] Im Vorgriff auf die nachfolgende Beschreibung sei auf die Fig. 17, 18 bezug genommen,
die die bspw. Anordnung des WT-Elementes in einem Wärmetauschergehäuse G verdeutlichen,
das mit Zu- und Abströmanschlüssen Z, A für die beiden am Wärmetausch beteiligten
Medien versehen ist.
[0015] Bevorzugt und vorteilhaft, da auf diese Weise besonders einfach und rationell herstellbar,
ist die Wand 1 in Form eines Gewebes oder Gewirkes oder einer Lage aus Vliesmaterial
gebildet, wobei die Stabrippen 2 Teile des Gewebes oder Gewirkes bilden. Sofern Vliesmaterial
für die Wand 1 in Betracht gezogen wird, müssen, was noch näher erläutert wird, die
Stabrippen in anderer Weise zugeordnet werden. Bei gleichzeitiger Ausbildung der Stabrippen
2 während des Web- oder Wirkvorganges muß das Ausgangsmaterial gut wärmeleitend sein,
es sei denn, es wird nachträglich für gute Wärmeleiteigenschaften gesorgt. So kommt
bspw. als Fadenmaterial solches auf Silizium/Kohlenstoffbasis in Betracht, oder es
erfolgt eine Behandlung (Tränkung) geeigneten Fasermaterials mit Material auf dieser
Basis. Abgesehen davon kann zumindest das die Stabrippen 2 bildende Fadenmaterial
aus gut wärmeleitendem, auf Web- oder Wirkmaschinen verarbeitbaren Draht gebildet
sein. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß heute Web- und Wirktechniken
und einschlägige Maschinen zur Verfügung stehen, die die Herstellung einer solchen
bürstenartigen Struktur ohne weiteres zulassen, wobei es auch möglich ist, die Stabrippen
2 in Form von Frottierschlaufen entstehen zu lassen.
[0016] Ebenfalls gestützt auf bekannte Web- und Wirktechniken und unter Verweis auf Fig.
8 ist es möglich, die Wand 1 in Form einer Doppelwand auszubilden, wobei zwischen
den Doppelwandteilen 1 die Stabrippen 2 angeordnet und mit diesen Teilen verwoben
oder verwirkt sind.
[0017] Da am Wärmetausch mindestens immer zwei Medien beteiligt sind, ist es für diese und
die WT-Wand wesentlich, inwieweit diese strikt getrennt gehalten werden müssen, was
in der Regel immer der Fall sein wird, wenn mindestens eines der Medien flüssig ist.
Bei Wärmetausch von gasförmig zu gasförmig kann es dabei durchaus genügen, wenn das
Gewebe oder Gewirke ausreichend dicht und fest geschlagen wird. Ist Dichtheit der
Wand 1 erforderlich, so steht nichts entgegen, das gesamte Gebilde, wie vorerwähnt,
mit einem Material ebenfalls auf Silizium/Kohlenstoffbasis zu tränken und damit gleichzeitig
dicht zu machen. Dies würde im übrigen auch praktiziert werden, wenn es sich beim
die Wand bildenden Material um Vliesmaterial handelte. Als Tränkungsmittel können
dabei geeignete Harze, Keramikkleber od. dgl. ebenfalls in Betracht gezogen werden.
[0018] Da in der Regel ein flächig gewebtes oder gewirktes Gebilde als Wand für das WT-Element
stützender Strukturen bedarf, wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der das die
Wand 1 bildende Gewebe, Gewirke oder Vlies in Form eines Bandes 3 ausgebildet ist,
das als Spirale 4 aufgerollt oder in Lagen 5 zusammengelegt oder schraubenlinienförmig
gewickelt die Wand 1 bildet. Hierzu wird auf die Fig. 3 bis 6 verwiesen, wobei die
Fig. 3 ein solches fortlaufend hergestelltes Band 3 zeigt, aus dem schmalseitig die
Stabrippen 2 herausragen. Aus einem solchen Band 3 wird dann einfach ein WT-Element
bspw. in der in Fig. 4, 5 dargestellten Form gewickelt oder gemäß Fig. 6 in Lagen
zusammengefaltet zu einem Flächenelement um-geformt. Außerdem lassen sich solche Bänder
3 auch gemäß Fig. 9 schraubenlinienförmig, ebenfalls mit ihren Flankenflächen F dicht
aneinanderliegend, um einen Kern K wickeln, wobei, sofern das Ganze mit einem Hüllrohr
HR umgeben ist, zwei koaxiale Durchströmkanäle DK entstehen, in die die Stabrippen
2 einragen. Ausgehend von zusammengefalteten Bändern gemäß Fig. 6 läßt sich auch ein
Wärmetauscherelement gemäß Fig. 7 herstellen, das bspw. vier Durchströmkanäle DK aufweist.
[0019] Die Bildung des WT-Elementes aus einem Gewebe oder Gewirke ist jedoch nicht zwingend,
d.h., man kann auch von einem leicht biegsamen Metallband als Trägerband 6 ausgehen,
an dem die Stabrippen 2 in geeigneter Weise seitlich appliziert sind (bspw. durch
Lötverbindung), wie dies in Fig. 12 verdeutlicht ist, die als einzelne Drahtstücke,
mäanderförmig verlaufend (Fig. 10) oder untereinander mittig verknüpft (Fig. 11) seitlich,
d.h. an den Bandflanken F am Trägerband 6 anliegen. Fig. 10 ist dabei auch eine beispielhafte
Darstellung für die vorerwähnte frottierschlaufenartige Gestaltung der Stabrippen
2. Um eine entsprechende Distanzierung der Stabrippen 2 untereinander in Querrichtung
(Pfeil Q in Fig. 12) zu erreichen, sind zwischen dem Trägerband 6 Bandlagen 5' aus
bspw. Vliesmaterial angeordnet.
[0020] Das bürstenartig ausgebildete WT-Element kann aber auch, wie in Fig. 13 dargestellt,
aus einem materialeinheitlichen, in sich massiven Grundkörper 7 aus wärmeleitendem
Material gebildet werden, d.h., bspw. aus Aluspritzguß. Feinststrukturen des bürstenartigen
Besatzes, wie sie mit Gewebe oder Gewirken darstellbar sind, sind hierbei jedoch nicht
möglich, d.h., die Dimensionierung der Stabrippen 2 bewegt sich in den Größtabmessungen
nach Maßgabe des Produktes aus d x s ≤ 4 mm
2.
[0021] Gleiches gilt auch für die Ausführungsform nach Fig. 14, bei der die Wand 1 und die
Stabrippen 2 einen materialeinheitlichen, in sich massiven Grundkörper 7' bilden,
wobei der Wandteil 1' zwischen den Stabrippen 2 mit Durchgangsöffnungen 8 versehen
und das Ganze mit einer wärmeleitenden, die Durchgangsöffnungen 8 ausfüllenden Beschichtung
9 überzogen ist. Der Grundkörper 7' besteht hierbei bspw. aus einem geeigneten Kunststoff
und die Beschichtung 9 aus einem gut wärmeleitenden Metall, das auch die Durchgangsöffnungen
8 zusetzt, um zum einen Dichtheit der Wand 1 zu erreichen und zum anderen einen unbehinderten
Wärmetransport durch die Wand.
[0022] Sofern für die Ausbildung der Wand 1 Vliesmaterial vorgesehen ist, wird diesbezüglich
auf Fig. 15 verwiesen. Hiernach sind bei Ausbildung der Wand 1 aus einem Vlies 1''
die Stabrippen 2 in Form von durch das Vlies 1'' geschlagenen Nadeln N oder mit ihren
Schenkeln S offenbleibenden, u-förmigen Krampen KR ausgebildet. Dargestellt ist dabei
das Wärmetauscherelement in beidesitig berippter Form, d.h., die Wand 1 ist aus zwei
gegeneinandergelegten Vliesen 1'' gebildet, zwischen denen eine Lage L aus wärmeleitendem
Material angeordnet ist, um die Wärmeleitung zwischen den Nadeln N bzw. Krampen K
12 von der einen zur anderen Seite nicht Zufallskontakten der Nadelköpfe bzw. der
Basisstege der Krampen KR zu überlassen.
[0023] Eine besondere Ausführungsform der Stabrippen 2 ist schließlich noch in Fig. 16 verdeutlicht,
die insbesondere dann vorgesehen wird, wenn gleichzeitig zum Wärmetausch ein Stoffaustausch
zwischen den beteiligten Medien bewirkt werden soll (bspw. Feuchtigkeitstransport
von der einen zur anderen Seite). Hierbei sind die Stabrippen 2 mit einer porösen,
einen Stofftransport zulassenden Beschichtung B versehen. Abgesehen davon, daß bei
durchlässig belassenem Wandmaterial ebenfalls per se schon ein Stofftransport bzw.
Stoffaustausch erfolgen kann, würden durch eine solche Beschichtung B der Stabrippen
2 selbst die ganzen Strömungsquerschnitte (siehe Fig. 17, 18) eines mit einem solchen
Wärmetauscherelement ausgerüsteten Wärmetauschers erfaßt. Eine solche Beschichtung
B kann bspw. einfach dadurch vorgesehen werden, daß man bei der Herstellung des Wärmetauschers
von mit geeignetem Material umwebten oder umwickelten Drähten ausgeht.
[0024] Da am einfachsten auch hinsichtlich der Herstellbarkeit Zu verwirklichen, wird, wie
an sich schon vorerwähnt, die Ausführungsform des Wärmetauscherelementes bevorzugt,
bei der gleichzeitig beim Aufwickeln oder Zusammenfalten eines Bandes mit geeignten
maschinellen Hilfsmitteln die Stabrippen 2 einzeln oder im Verbund gemäß der Fig.
10,11 zugeführt werden.
1. Wärmetauscherelement für den Wärmetausch zwischen zwei Medien, bestehend aus einer
Wand (1), die mit im wesentlichen quer zu ihr orientierten und im wesentlichen untereinander
gleich beabstandeten Stabrippen (2) versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stabrippenbesatz der Wand (1) bürstenartig ausgebildet und
das Produkt aus Durchmesser (d) und Abstand (s) der auf mindestens einer Seite der
Wand (1) angeordneten Stabrippen (2) ≤ 4 mm2 und das Verhältnis von Durchmesser (d) zur Höhe (h) der Stabrippen (2) ≤ 0,3 ist.
2. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) in Form eines Gewebes oder Gewirkes oder einer Lage aus Vliesmaterial
gebildet ist.
3. Wärmetauscherelement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stabrippen (2) Teile des Gewebes oder Gewirkes bilden.
4. Wärmetauscherelement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Ausbildung der Wand (1) aus einem Vlies (1'') die Stabrippen (2) in Form von
durch das Vlies (1'') geschlagenen Nadeln (N) oder mit ihren Schenkeln (S) offenbleibenden,
u-förmigen Krampen (KR) ausgebildet sind.
5. Wärmetauscherelement nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) aus zwei gegeneinandergelegten Vliesen (1'') gebildet und zwischen
diesen eine Lage (L) aus wärmeleitendem Material angeordnet ist.
6. Wärmetauscherelement nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens das die Stabrippen (2) bildende Fadenmaterial ein Material auf Silizium/Kohlestoffbasis
ist.
7. Warmetauscherelement nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens das die Stabrippen (2) bildende Fadenmaterial aus gut wärmeleitendem,
auf Web- oder Wirkmaschinen verarbeitbarem Draht gebildet ist.
8. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 3 und 7,
dadurch gekennzeichnet
daß die Stabrippen (2) in Form von Frottierschlaufen ausgebildet sind.
9. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stabrippen (2) mit einer pörösen, einen Stofftransport von einer Seite zur
anderen zulassenden Beschichtung (B) versehen sind.
10. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß das die Wand (1) bildende Gewebe, Gewirke oder Vlies in Form eines Bandes (3)
ausgebildet ist, das als Spirale (4) aufgerollt oder in Lagen (5) zusammengelegt oder
schraubenlinienförmig gewickelt die Wand (1) bildet.
11. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) in Form einer Doppelwand ausgebildet ist, wobei zwischen den Doppelwandteilen
(1') die Stabrippen (2) angeordnet und mit diesen Teilen verwoben oder verwirkt sind.
12. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß das die Wand (1) bildende Gewebe oder Gewirke oder Vlies mit einem temperaturbeständigen
Füllmaterial gasund/oder flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
13. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1 und/oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) aus mehreren aneinanderliegenden Bandlagen (5') gebildet ist, zwischen
denen die Stabrippen (2) eingebunden angeordnet sind.
14. Wärmetauscherelement nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stabrippen (2) als fortlaufender, mäandernder Fadenstrang (2') ausgebildet
sind.
15. Wärmetauscherelement nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stabrippen (2) an einem Trägerband (6) angeordnet sind und dieses zwischen
den Bandlagen (5') angeordnet ist.
16. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) und die Stabrippen (2) einen materialeinheitlichen, in sich massiven
Grundkörper (7) aus wärmeleitendem Material bilden.
17. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) und die Stabrippen (2) einen materialeinheitlichen, in sich massiven
Grundkörper (7') bilden, wobei der Wandteil (1') zwischen den Stabrippen (2) mit Durchgangsöffnungen
(8) versehen und das Ganze mit einer wärmeleitenden, die Durchgangsöffnungen (8) ausfüllenden
Beschichtung (9) überzogen ist.
18. Wärmetauscherelement nach einem der Ansprüche 1, 2, 6 bis 9 und 12,14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wand (1) aus mehreren, mit ihren Flankenflächen (F) aneinanderliegenden Lagen
(L) gebildet ist und zwischen den Lagen (L) die Stabrippen (2) angeordnet sind.