WÄRMEÜBERTRAGUNGSVORRICHTUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend eine erste Strömungsführung (1) für ein erstes Fluid und eine mit der ersten in wärmeübertragendem Kontakt stehende, zweite Strömungsführung (2) für ein zweites Fluid, wobei die erste Strömungsführung (1) eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, das erste Fluid vertikal leitenden Leitungsstücken (1.1) aufweist, wobei die zweite Strömungsführung (2) einen die Leitungsstücke (1.1) umgehenden, das zweite Fluid vertikal leitenden Raum (2.1) aufweist, wobei eine erste Verteileinrichtung (3.1) zur Zuführung des ersten Fluids zu den Leitungsstücken (1.1) und eine zweite Verteileinrichtung (3.2) zur Abführung des ersten Fluids von den Leitungsstücken (1.1) vorgesehen ist, wobei an den beiden Verteileinrichtungen (3.1, 3.2) jeweils eine Vielzahl von mit dem Raum (2.1) verbundenen Durchströmöffnungen (3.3) für das zweite Fluid vorgesehen sind, wobei die Verteileinrichtungen (3.1, 3.2) scheibenförmig ausgebildet sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leitungsstücke (1.1) einen rechteckigen Strömungsinnenquerschnitt aufweisen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Eine Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist allgemein bekannt (siehe zum Beispiel https://www.zpm-systeme.de/wp-content/uploads/2017/04/betriebsanleitung_waerme-tauscher_manual_heat_exchangers.pdf - dort Seite 13). Eine solche Wärmeübertragungsvorrichtung besteht aus einer ersten Strömungsführung für ein erstes Fluid und einer mit der ersten in wärmeübertragendem Kontakt stehenden, zweiten Strömungsführung für ein zweites Fluid, wobei die erste Strömungsführung eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, das erste Fluid vertikal leitenden Leitungsstücken aufweist, wobei die zweite Strömungsführung einen die Leitungsstücke umgehenden, das zweite Fluid vertikal leitenden Raum aufweist, wobei eine erste Verteileinrichtung zur Zuführung des ersten Fluids zu den Leitungsstücken und eine zweite Verteileinrichtung zur Abführung des ersten Fluids von den Leitungsstücken vorgesehen ist. Unter dem Begriff "Fluid" ist dabei hier und auch im Folgenden ein wahlweise gasförmiges oder flüssiges Medium zu verstehen. Bei der vorgenannten Lösung handelt es sich bei beiden Fluiden um eine Flüssigkeit.

[0003] Eine Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus dem Dokument US 4 235 281 A bekannt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern.

[0005] Insbesondere soll eine sowohl wärmetechnisch besonders effizient arbeitende als auch leicht herstellbare Wärmeübertragungsvorrichtung geschaffen werden.

[0006] Diese Aufgabe ist mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

[0007] Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Leitungsstücke einen rechteckigen Strömungsinnenquerschnitt aufweisen.

[0008] Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung somit, was weiter unten noch genauer erläutert wird, dadurch aus, dass der Querschnitt, durch den beide Fluide strömen, optimal ausgenutzt wird.

[0009] Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

[0010] Der Vollständigkeit halber wird noch auf das Dokument DE 835 612 B hingewiesen.

[0011] Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0012] Es zeigt perspektivisch

Figur 1

teilweise schematisch die Wärmeübertragungsvorrichtung mit Durchströmöffnungen für das zweite Fluid;

Figur 2

eine zweiteilig ausgebildete Verteileinrichtung für die Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß Figur 1;

Figur 3

ein vertikales Leitungsstück für das erste Fluid gemäß Figur 1 mit Wärmeübertragungsrippen und Querrippen; und

Figur 4

als Explosionsdarstellung das Leitungsstück gemäß Figur 3 senkrecht oberhalb der Verteileinrichtung kurz vor dem Einstecken.

[0013] Die in den Figuren dargestellte Wärmeübertragungsvorrichtung besteht zunächst in bekannter Weise aus einer ersten Strömungsführung 1 für ein erstes Fluid und einer mit der ersten in wärmeübertragendem Kontakt stehenden, zweiten Strömungsführung 2 für ein zweites Fluid, wobei die erste Strömungsführung 1 eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, das erste Fluid vertikal leitenden Leitungsstücken 1.1 aufweist, wobei die zweite Strömungsführung 2 einen die Leitungsstücke 1.1 umgehenden, das zweite Fluid vertikal leitenden Raum 2.1 aufweist, wobei eine erste Verteileinrichtung 3.1 zur Zuführung des ersten Fluids zu den Leitungsstücken 1.1 und eine zweite Verteileinrichtung 3.2 zur Abführung des ersten Fluids von den Leitungsstücken 1.1 vorgesehen ist, wobei an den beiden Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 jeweils eine Vielzahl von mit dem Raum 2.1 verbundenen Durchströmöffnungen 3.3 für das zweite Fluid vorgesehen sind.

[0014] Wesentlich für die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung ist nun, dass die Leitungsstücke 1.1 einen rechteckigen Strömungsinnenquerschnitt aufweisen. Dabei sind innerhalb des rechteckigen Strömungsinnenquerschnitts der Leitungsstücke 1.1 vorzugsweise Querrippen 1.1.2 angeordnet, siehe Figur 3.

[0015] Des Weiteren ist bevorzugt, dass die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 (hier und im folgenden: beide, grundsätzlich gilt, wie beansprucht: "mindestens eine") in Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids gesehen um ein Vielfaches, mindestens Faktor 4, kürzer als in Erstreckungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids ausgebildet sind. Zudem ist bevorzugt, dass die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 eine Vielzahl von Verteilkanälen 3.4 für das erste Fluid aufweisen. Dabei sind die Durchströmöffungen 3.3 und die Verteilkanäle 3.4 vorzugsweise abwechselnd zueinander angeordnet. Ebenso ist bevorzugt, dass wahlweise die Durchströmöffnungen 3.3 und/oder die Verteilkanäle 3.4 entlang des Umfangs von gedachten, konzentrisch zueinander angeordneten Rechtecken, insbesondere Quadraten, angeordnet sind.

[0016] Weiterhin ist bevorzugt, dass die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 zweiteilig ausgebildet sind. Dabei sind die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 vorzugsweise aus einem die Verteilkanäle 3.4 mindestens dreiseitig begrenzenden Grundkörper 3.5 und einem die Verteilkanäle 3.4 einseitig begrenzenden Deckelelement 3.6 gebildet, siehe Figur 2. Ferner ist vorgesehen, dass die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 scheibenförmig (siehe: https:// de.wikipedia.org/w/index.php?title=Scheibe&oldid=212958815), insbesondere kreisscheibenförmig, ausgebildet sind. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 jeweils auf ihren einander zugewandten Seiten Stege zur Begrenzung einer Einstecköffnung für die Leitungsstücke 1.1 aufweisen. Zudem ist bevorzugt, dass jede Durchströmöffnung 3.3 mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Wandungsabschnitte 3.3.1, 3.3.2 aufweist, siehe Figur 4. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass jeweils längere Seiten der rechteckigen Strömungsinnenquerschnitte parallel zu den (vorgenannten) Wandungsabschnitten 3.3.1, 3.3.2 einer Durchströmöffnung 3.3 verlaufend ausgebildet sind.

[0017] Zusätzlich ist bevorzugt, dass die Leitungsstücke 1.1 zur Montage in die beiden Verteileinrichtungen 3.1, 3.2, vorzugsweise deren Grundkörper 3.5, einsteckbar ausgebildet sind. Zudem ist bevorzugt, dass die Leitungsstücke 1.1 als Strangpressprofile hergestellt ausgebildet sind. Ebenso ist bevorzugt, dass die Leitungsstücke 1.1 an einer der zweiten Strömungsführung 2 zugewandten Seite vorzugsweise vertikal erstreckte Wärmeübertragungsrippen 1.1.1 aufweisen, wobei ferner der Außenquerschnitt der Leitungsstücke 1.1 vorzugsweise und grundsätzlich, also ohne die Wärmeübertragungsrippen 1.1.1 betrachtet - wie auch die Strömungsinnenquerschnitte - rechteckig ausgebildet ist.

[0018] Weiterhin ist bevorzugt, dass die erste Verteileinrichtung 3.1 bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Wärmeübertragungsvorrichtung wahlweise bei Benutzung als Verdampfer im Heizbetrieb unterhalb oder bei Benutzung als Kondensator im Kühlbetrieb oberhalb der zweiten Verteileinrichtung 3.2 angeordnet ist. Zudem ist bevorzugt, dass das erste Fluid in einer ersten Hauptströmungsrichtung durch die Leitungsstücke 1.1 und das zweite Fluid in einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Hauptströmungsrichtung durch den leitenden Raum 2.1 strömend ausgebildet ist. Dabei ist bevorzugt, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung einen ersten Zufuhr- und einen ersten Abfuhranschluss für das erste Fluid aufweist, durch welche das erste Fluid senkrecht zur ersten Hauptströmrichtung der ersten Verteileinrichtung 3.1 zugeführt bzw. von der zweiten Verteileinrichtung 3.2 abgeführt wird. Zudem ist bevorzugt, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung einen zweiten Zufuhr- und einen zweiten Abfuhranschluss für das zweite Fluid aufweist, durch welche das zweite Fluid parallel zur zweiten Hauptströmrichtung der zweiten Strömungsführung 2 zugeführt bzw. von dieser abgeführt wird.

[0019] Zusätzlich ist bevorzugt, dass das erste Fluid wahlweise vollständig flüssig oder gemischt flüssig und gasförmig ist. Dabei ist bevorzugt, dass das erste Fluid ein Kältemittel für einen thermodynamischen Kreisprozess ist. Des Weiteren ist bevorzugt, dass das zweite Fluid gasförmig, vorzugsweise Luft, ist.

[0020] Weiterhin ist bevorzugt, dass die Leitungsstücke 1.1 beidendig jeweils an eine Verteileinrichtung 3.1, 3.2 im Wärmeofen angelötet ausgebildet sind. Der Zusammenbau der Wärmeübertragungsvorrichtung kann hierdurch auf einfache Weise und ohne großen Personaleinsatz erfolgen. Ebenso ist bevorzugt, dass wahlweise die Leitungsstücke 1.1 und/oder die Verteileinrichtungen 3.1, 3.2 aus Aluminium hergestellt ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der Wärmeübertragungsvorrichtung und reduziert ihr Gewicht. Zudem ist bevorzugt, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung wahlweise als Teil eines Kondensators oder als Teil eines Verdampfers ausgebildet ist.

[0021] Zudem ist bevorzugt, dass an einem bei bestimmungsgemäßer Benutzung unteren Ende der zweiten Strömungsführung 2 ein Ablauf 4 für Kondensat oder dergleichen vorgesehen ist. Zuletzt ist bevorzugt, dass der ersten Verteileinrichtung 3.1 eine Abscheideeinrichtung 5 für gasförmige Anteile des ersten Fluids vorgeschaltet ist, siehe Figur 1.

[0022] Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsvorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform funktioniert wie folgt:
Die Wärmeübertragungsvorrichtung wird zunächst, wie etwa in Figur 1 dargestellt, in vertikaler Richtung ausgerichtet. Dann wird das erste Fluid durch den ersten Zufuhranschluss in die erste Verteileinrichtung 3.1 eingeleitet. Es wird dort nun um 90° umgelenkt und in den Leitungsstücken 1.1 nach oben geführt. Schließlich tritt das erste Fluid in die zweite Verteileinrichtung 3.2 ein, wird wieder um 90° umgelenkt und schließlich durch den ersten Abfuhranschuss aus der Wärmeübertragungsvorrichtung herausgeleitet. Gleichzeitig zu diesem Vorgang wird das zweite Fluid durch den zweiten Zufuhranschluss von oben in die zweite Strömungsführung 2 eingeleitet. Diese geradlinige Führung - ohne Umleitungen - des zweiten Fluids bewirkt, dass in diesem weniger Turbulenzen auftreten und somit auch ein geringerer damit einhergehender Druckverlust und eine geringere Geräuschbildung vorliegen. Es fließt dann von oben nach unten durch den Raum 2.1 und verlässt die Wärmeübertragungsvorrichtung danach wieder durch den an deren Unterseite angeordneten zweiten Abfuhranschluss.

[0023] Das erste und das zweite Fluid strömen somit über eine gewisse Strecke antiparallel bzw. entgegengesetzt durch die Wärmeübertragungsvorrichtung. Während das zweite Fluid von oben nach unten durch den Raum 2.1 strömt, kommt es in Kontakt mit den Wärmeübertragungsrippen 1.1.1 der Leitungsstücke 1.1. Dies bewirkt, dass Wärme von dem zweiten Fluid über ebendiese Wärmeübertragungsrippen 1.1.1 auf das erste Fluid in den Leistungsstücken 1.1 übertragen wird (oder umgekehrt).

[0024] Durch die (Anti-) Parallelführung der beiden Fluide entsteht eine geringe Grädigkeit zwischen ihren jeweiligen Temperaturen, was zu einer hohen Effizienz der Wärmeübertragungsvorrichtung führt. Zudem ist durch den vertikalen Aufbau der Wärmeübertragungsvorrichtung eine Ungleichverteilung des ersten Fluidstroms auf die einzelnen Leitungsstücke 1.1 aufgrund von Schwerkrafteinflüssen ausgeschlossen und es wird der Abtransport etwaigen Kondensats in der Wärmeübertragungsvorrichtung erleichtert, was beides wiederum die Effizienz der Vorrichtung erhöht.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

erste Strömungsführung

1.1

Leitungsstück

1.1.1

Wärmeübertragungsrippe

1.1.2

Querrippe

2

zweite Strömungsführung

2.1

Raum

3.1

erste Verteileinrichtung

3.2

zweite Verteileinrichtung

3.3

Durchströmöffnung

3.3.1

Wandungsabschnitt

3.3.2

Wandungsabschnitt

3.4

Verteilkanal

3.5

Grundkörper

3.6

Deckelelement

4

Ablauf

5

Abscheideeinrichtung

Ansprüche

1. Wärmeübertragungsvorrichtung, umfassend eine erste Strömungsführung (1) für ein erstes Fluid und eine mit der ersten in wärmeübertragendem Kontakt stehende, zweite Strömungsführung (2) für ein zweites Fluid, wobei die erste Strömungsführung (1) eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten, das erste Fluid vertikal leitenden Leitungsstücken (1.1) aufweist, wobei die zweite Strömungsführung (2) einen die Leitungsstücke (1.1) umgehenden, das zweite Fluid vertikal leitenden Raum (2.1) aufweist, wobei eine erste Verteileinrichtung (3.1) zur Zuführung des ersten Fluids zu den Leitungsstücken (1.1) und eine zweite Verteileinrichtung (3.2) zur Abführung des ersten Fluids von den Leitungsstücken (1.1) vorgesehen ist, wobei an den beiden Verteileinrichtungen (3.1, 3.2) jeweils eine Vielzahl von mit dem Raum (2.1) verbundenen Durchströmöffnungen (3.3) für das zweite Fluid vorgesehen sind, wobei die Verteileinrichtungen (3.1, 3.2) scheibenförmig ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitungsstücke (1.1) einen rechteckigen Strömungsinnenquerschnitt aufweisen.

2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verteileinrichtung (3.1, 3.2) in Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids gesehen um ein Vielfaches kürzer als in Erstreckungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des zweiten Fluids ausgebildet ist.

3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verteileinrichtung (3.1, 3.2) eine Vielzahl von Verteilkanälen (3.4) für das erste Fluid aufweist.

4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchströmöffungen (3.3) und die Verteilkanäle (3.4) abwechselnd zueinander angeordnet sind.

5. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass wahlweise die Durchströmöffnungen (3.3) und/oder die Verteilkanäle (3.4) entlang des Umfangs von gedachten, konzentrisch zueinander angeordneten Rechtecken, insbesondere Quadraten, angeordnet sind.

6. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verteileinrichtung (3.1, 3.2) zweiteilig ausgebildet ist.

7. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verteileinrichtung (3.1, 3.2) aus einem die Verteilkanäle (3.4) mindestens dreiseitig begrenzenden Grundkörper (3.5) und einem die Verteilkanäle (3.4) einseitig begrenzenden Deckelelement (3.6) gebildet ist.

8. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass jede Durchströmöffnung (3.3) mindestens zwei parallel zueinander verlaufende Wandungsabschnitte (3.3.1, 3.3.2) aufweist.

9. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitungsstücke (1.1) zur Montage in die beiden Verteileinrichtungen (3.1, 3.2) einsteckbar ausgebildet sind.

10. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitungsstücke (1.1) als Strangpressprofile hergestellt ausgebildet sind.

11. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitungsstücke (1.1) an ihrer der zweiten Strömungsführung (2) zugewandten Seite Wärmeübertragungsrippen (1.1.1) aufweisen.

12. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass innerhalb des rechteckigen Strömungsinnenquerschnitts der Leitungsstücke (1.1) Querrippen (1.1.2) angeordnet sind.

13. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Verteileinrichtung (3.1) bei bestimmungsgemäßer Benutzung der Wärmeübertragungsvorrichtung wahlweise unterhalb oder oberhalb der zweiten Verteileinrichtung (3.2) angeordnet ist.

14. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Fluid in einer ersten Hauptströmungsrichtung durch die Leitungsstücke (1.1) und das zweite Fluid in einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Hauptströmungsrichtung durch den leitenden Raum (2.1) strömend ausgebildet ist.

Zeichnung