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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher,
insbesondere einen mit Luft gekühlten
Wärmeaustauscher.
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Stand der Technik
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Ein
Wärmeaustauscher
oder auch Wärmeübertrager
ist ein Apparat, der Wärme
bzw. thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Je nach
Wärmeübertragung
unterscheidet man zwischen der direkten Wärmeübertragung, die auf dem Vorgang
der kombinierten Wärme-
und Stoffübertragung
bei trennbaren Stoffströmen
beruht, der indirekten Wärmeübertragung,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Stoffströme räumlich durch
eine wärmedurchlässige Wand
getrennt werden, und der halbdirekten Wärmeübertragung, die die Eigenschaften
eines Wärmespeichers
nutzt, und bei der beide Stoffe zeitversetzt mit dem Wärmespeicher
in Kontakt gebracht werden.
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Ferner
lassen sich die Funktionsweisen eines Wärmeaustauschers nach der Art
der Strömungsführung der
beteiligten Medien unterscheiden.
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Beim
Gegenstromprinzip werden die Stoffe so geführt, dass sie entgegenkommend
aneinander vorbei strömen.
Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht,
das heißt,
dass das ursprünglich
kalte Medium die Temperatur des ursprünglich heißen Mediums erreicht und umgekehrt. Da
in der Regel die Wärmekapazitätsströme auf beiden
Seiten des Wärmeübertragers
nicht gleich sind, wird dies in der Praxis jedoch höchstens
näherungsweise
möglich.
Im Gleichstrom werden die Stoffe derart geführt, dass sie nebeneinander
in gleicher Richtung strömen.
Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen
im Endergebnis immer zwischen den Ausgangstemperaturen. Die dritte
Variante, der Kreuzstrom, führt
die Stoffströme so,
dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen
Gegen- und Gleichstrom. Es sind aber auch beliebige Kombinationen
dieser drei prinzipiellen Strömungsführungen möglich. Eine
beliebte Kombination ist das Kreuzgegenstrom-Prinzip. Dabei werden
die Stoffe insgesamt entgegenkommend aneinander vorbei geführt, wobei sie
sich auf ihrem Weg immer wieder kreuzen. Idealerweise werden die
Temperaturen der Stoffströme wie
beim Gegenstrom getauscht.
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Eine
gute Effizienz für
einen Wärmeaustauscher
ist immer dann gegeben, wenn das Material, das die Medien trennt,
eine gute Wärmeleitung
und eine große
Oberfläche
aufweist. Ferner sollte der Wärmeübergang
zwischen der Oberfläche
und den strömenden
Medien möglichst
gut sein. Dies ist regelmäßig bei
einer turbulenten Strömung
gegeben, welche häufig
bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten,
bzw. bei einer hohen Reynoldszahl auftritt.
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Allerdings
erhöht
sich mit steigender Strömungsgeschwindigkeit
im Wärmeübertrager
auch der Strömungswiderstand
und die Effizienz reduziert sich nachteilig wieder. Ein erhöhter Strömungswiderstand
bedeutet auch einen erhöhten
Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmeaustauscher zu führen. Zur
Förderung
eines Kühlmediums,
z. B. Luft werden üblicherweise
Strömungsmaschinen
eingesetzt.
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Insbesondere
bei einer Wärmeübertragung, bei
denen ein Medium eine Flüssigkeit,
das andere Medium ein Gas, z. B. Luft ist, unterscheidet sich die Wärmekapazität je Volumen
der Medien sehr stark. Daher muss in solchen Fällen volumenmäßig weit mehr
Gas als Flüssigkeit
durch den Wärmeaustauscher
strömen.
Zudem ist es häufig
notwendig, die Fläche
für den
Wärmeübergang
an das Gas zu erhöhen.
Dies erfolgt beispielsweise durch Rippen, Lamellen oder gefaltete
Bleche, z. B. bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen
an der Rückseite
eines Kühlschrankes
oder einer Klimaanlage und dem Kühler
des Autos.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsmaschinen, die zur Förderung
von Kühlluft
durch Kühlluftkanäle eines
Wärmeübertragers eingesetzt
werden, werden in der Regel von außen an den Wärmeübertrager
angeschlossen. Hierbei ergeben sich die beiden Möglichkeiten, die Strömungsmaschine
saugend oder drückend
anzuordnen. Die Bauformen der Strömungsmaschinen zur Kühlluftförderung
sind üblicherweise
so genannte Axial- oder Diagonallüfter. Diese Lüfter fördern bei
einer vergleichsweise geringen Baugröße einen verhältnismäßig großen Luftmengenstrom
bei jedoch gerin gem Druckaufbau. Die Geometrie der Kühlkanäle des Wärmeaustauschers
muss diesbezüglich
ausgelegt werden.
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Das
Anflanschen der Strömungsmaschine an
einen Wärmeaustauscher
kann jedoch im Betrieb zu einer hohen Geräuschentwicklung führen. Je
nach Anordnung der Strömungsmaschine
am Wärmeübertrager
ist mit lauten Ausblas- bzw. Ansauggeräuschen zu rechnen. Als Gegenmaßnahme können zwar
Schalldämpfer
auf der Saug- oder Druckseite angeordnet werden, dies ist jedoch
im Allgemeinen mit einem zusätzlichen
Kosten- und Leistungsaufwand verbunden und benötigt zusätzlichen Bauraum.
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Gegebenenfalls
muss für
den Anschluss der Strömungsmaschine
an den Wärmeübertrager
eine komplizierte, und/oder strömungstechnisch
ungünstige
Anschlussgeometrie vorgesehen werden, die ebenfalls zusätzliche
Kosten verursacht und Bauraum benötigt.
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Aufgabe und Lösung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher mit einer Strömungsmaschine
für ein
fluides Medium zur Verfügung
zu stellen, welcher die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet,
und insbesondere kompakt aufgebaut ist und schallreduziert arbeitet.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch einen Wärmeaustauscher
mit der Gesamtheit an Merkmalen gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweils rückbezogenen Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Der
Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Idee, eine Strömungsmaschine
derart in einen Wärmeaustauscher
zu integrieren, dass die Nachteile bezüglich der Geräuschentwicklung
weitgehend vermieden werden können,
und dennoch eine strömungstechnisch
sinnvolle, kompakte, Platz sparende Ausführungsform erreicht wird.
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Dazu
sieht die Erfindung vor, den Wärmeübertrager
(Wärmeaustauscher)
in wenigstens zwei Segmente zu unterteilen, zwischen denen wenigstens
eine Strömungsmaschine
angeordnet ist. Bei dem Wärmeübertrager
handelt es sich insbesondere um einen Rekuperator, bei dem die Wärme aufnehmenden
bzw. abgebenden Medien räumlich
durch eine wärmedurchlässige Wand
getrennt sind. Die wenigstens zwei Segmente des Wärmeübertragers,
insbesondere die Kühlkanäle des Wärmeaustauschers wirken
dabei vor und hinter der Strömungsmaschine vorteilhaft
wie saug- und druckseitige Schalldämpfer.
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Bei
der Wirkungsweise von Schalldämpfern lassen
sich zwei Arten unterscheiden. Der Reflexionsschalldämpfer enthält mehrere,
insbesondere vier Kammern, um das Prinzip der Schallreflexion zu nutzen.
Beim mehrfachen Durchlaufen der Innenräume kommt es zu einer Mittelung
der Schalldruckamplitude, was eine Reduzierung der Schalldruckspitzen zur
Folge hat. Reflexionen werden in einem Schalldämpfer durch Prallwände, Querschnittserweiterungen
und -verengungen erzeugt. In Abhängigkeit
von der Konstruktionsweise kann sich jedoch bei einem solchen Gas
durchströmten
Schalldämpfer
der Gasgegendruck erhöhen.
Durch die Reflexion werden im Schalldämpfer hauptsächlich die
tiefen Frequenzen gedämpft.
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Demgegenüber enthält ein Absorptionsschalldämpfer in
seinem Inneren ein poröses
Material, im Regelfall Steinwolle oder Glaswolle. Das Material absorbiert
die Schallenergie teilweise und wandelt sie dabei in Wärme um.
Der Effekt der Schallabsorption wird durch die Mehrfachreflexion
verstärkt. Es
ist eine Reduzierung um 50 dB(A) möglich, was einer Verringerung
des Schalldrucks um den Faktor 300 entspricht. Durch Absorption
werden im Schalldämpfer
hauptsächlich
die oberen Frequenzen gedämpft.
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Im
Regelfall können
beide Verfahren kombiniert werden, wie es bei Autoabgasen der Fall
ist. Hier liegen üblicherweise
zwei getrennte Schalldämpfer
(Mittel- und Endschalldämpfer)
oder ein kombinierter Schalldämpfer
vor. Der Vorteil liegt in der Abdeckung eines möglichst breiten Frequenzspektrums.
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Ein
mit Rippen, Lamellen oder gefalteten Blechen ausgestalteter Wärmeaustauscher,
bzw. dessen Kühl-,
bzw. Heizkanäle
weisen ebenfalls viele kammerartige Räume auf, in denen der von der
Strömungsmaschine
erzeugte Schall vorteilhaft mehrfach reflektiert, und damit regelmäßig auch
reduziert wird. Dies trifft nicht nur für die Saug- und Druckgeräusche des
strömenden
Mediums, sondern auch auf das eigentliche Motorengeräusch der
Strömungsmaschine zu.
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Unter
geeigneten Strömungsmaschinen
im Sinne dieser Erfindung sind sowohl Maschinen für die Weiterleitung
von gasförmigen,
als auch von flüssigen
Medien, d. h. allgemein von Fluiden zu verstehen. Typische Vertreter
wären beispielsweise
axial oder radial betriebene Lüfter
oder auch Pumpen. Die vorteilhafte Wirkung der Schallreduzierung
tritt, wenn auch unterschiedlich stark ausgeprägt, sowohl bei gasförmigen,
als auch bei flüssigen
Medien auf.
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Die
Integration der Strömungsmaschine
innerhalb des Wärmeaustauschers
weist ferner den Vorteil auf, dass bewegliche Teile der Strömungsmaschine,
wie beispielsweise rotierende Lüfterflügel innerhalb
des Wärmeaustauschersystems
besser geschützt
sind und zudem eine Verletzungsgefahr durch sich schnell bewegende
Teile deutlich reduziert werden kann.
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Die
wenigstens eine Strömungsmaschine
ist dabei derart in den Wärmeübertrager
eingebunden, dass die Kanäle
der Strömungsmaschine
Bestandteil der Kühl-
bzw. Heizkanäle
des Wärmeaustauschers sind.
Die Strömungsmaschine
muss dazu gegenüber den
Räumen,
durch die das zu kühlende,
bzw. das aufzuheizende Medium geführt wird, entsprechend abgedichtet
sein.
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In
einer speziellen Ausgestaltung werden die wenigstens zwei Segmente
des Wärmeaustauschers über eine
Umlenkung derart miteinander verbunden, dass dasselbe zu kühlende,
bzw. aufzuheizende Medium an beiden Seiten der Strömungsmaschine
vorbeigeführt
wird. Dazu wird an einer Seite eine Umlenkvorrichtung angeordnet,
die der Strom des zu kühlenden,
bzw. aufzuheizenden Mediums um die Strömungsmaschine herumleitet.
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Als
Einsatzgebiet für
die erfinderischen Wärmeaustauscher
sind insbesondere mobile Anwendungen zu nennen, bei denen es neben
einer kompakten Bauweise, auch auf eine möglichst geringe Schallemission
ankommt. Eine typische Anwendung waren beispielsweise Brennstoffzellen,
bzw. Brennstoffzellenstapel, insbesondere Direkt-Methanol-Brennstoffzellenstapel, die
als Alternativen zu Akkumulatoren in mobilen Anwendungen, zum Beispiel in
Laptops, eingesetzt werden.
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Das
Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher umfasst folgende
Schritte. Ein zu kühlendes,
bzw. aufzuheizendes Medium wird an einem ersten Segment eines Wärmetauschers
vorbeigeleitet, durch dessen Kühl-, bzw.
Heizkanäle
ein Kühl-,
bzw. Heizmittel geleitet wird. Das zu kühlende, bzw. aufzuheizende
Medium wird anschließend
direkt durch eine benachbart zum ersten Segment angeordnete, Strömungsmaschine geführt, um
direkt weiter an einem, benachbart zur Strömungsmaschine angeordneten,
zweiten Segment des Wärmetauschers
vorbeigeleitet zu werden, durch dessen Kühl- bzw. Heizkanäle ebenfalls
ein Kühl-
bzw. Heizmittel geleitet wird. Das erste und das zweite Segment
des Wärmeaustauschers
können dabei
vom selben Kühl- bzw. Heizmedium
durchflossen werden (mit Umleitung) oder aber von verschiedenen.
Entsprechend können
die Fließrichtungen des
Kühl- bzw.
Heizmediums in den Segmenten sowohl gleichgerichtet, als auch unterschiedlich
gerichtet sein, in jedem Fall aber nahezu senkrecht zur Fließrichtung
des zu kühlenden,
bzw. aufzuheizenden Mediums.
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Aus
Sicht des Kühl-
bzw. Heizmediums ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühl-
bzw. Heizmedium in einem Wärmeaustauscher an
wenigsten zwei Seiten einer Strömungsmaschine vorbeigeleitet
wird, durch die das zu kühlende
bzw. aufzuheizende Medium geleitet wird.
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Für den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher
sind dabei alle gängigen
Ausführungsformen denkbar,
insbesondere:
- – gas/gas Wärmeübertrager,
- – flüssig/flüssig Wärmeübertrager,
- – flüssig (zu
kühlendes
Medium)/gas (Kühlmedium),
- – gas
(zu kühlendes
Medium)/flüssig
(Kühlmedium),
- – kondensierende
Atmosphäre
mit und ohne Inertgasanteil (zu kühlendes Medium)/flüssig (Kühlmedium),
entspricht einem flüssiggekühlten Kondensator,
- – kondensierende
Atmosphäre
mit und ohne Inertgasanteil (zu kühlendes Medium)/gas (Kühlmedium),
entspricht einem gasgekühlter
Kondensator.
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Die
Erfindung verbindet in vorteilhafter Weise eine kompakte Bauweise
eines Wärmetauschers mit
einer schalldämpfenden
Funktion einer für
den Wärmetauscher
benötigten
Strömungsmaschine.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne
dass die Erfindung dadurch darauf beschränkt wird.
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Die 1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
der Erfindung mit einem zweiteiligen Wärmetauscher mit einem Segment 2a und
einem Segment 2b in Form eines Kreuzstromwärmeübertragers.
Der Wärmetauscher
dient hierbei zum Abkühlen
des Mediums A mit Hilfe des Kühlmediums
B, beispielsweise Luft. Die Trennwände zwischen dem zu kühlenden
Medium A und dem Kühlmedium
B sind nicht eingezeichnet. Zwischen den beiden Segmenten des Wärmetauschers
ist die Strömungsmaschine 1 angeordnet.
Diese Anordnung bewirkt neben der Geräuschreduzierung auch eine kompakte,
Platz sparende Bauweise dieses Gesamtsystems.
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In
einer speziellen Ausgestaltung, wie in 2 zu sehen,
ist an einer Seite des Systems ein Umlenkkasten (3) für das zu
kühlende
Medium A angeordnet, so dass das zu kühlende Medium um die Strömungsmaschine
herumgeführt
wird und wenigstens zweimal an den Kühlkanälen (saug- und druckseitig)
vorbeigeführt
wird. Bezüglich
der Strömungsführung handelt
es sich hierbei um einen Kreuzgleichstromwärmeübertrager. Die Strömungsführung des
Kühlmediums
B bleibt gegenüber
der Ausführung
in 1 unverändert.
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Eine
weitere spezielle Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
gemäß 3 zeigt
die Integration von zwei Strömungsmaschinen 1a, 1b zwischen
drei Segmenten eines Wärmeaustauschers 2a, 2b, 2c.
In dieser Ausführung verlaufen
die drei Strömungen
des zu kühlenden
Mediums A in derselben Richtung. Dies ist aber erfindungsgemäß nicht
darauf eingeschränkt.
Das Kühlmedium
B durchläuft
nacheinander beide Strömungsmaschinen 1a, 1b.
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Die 4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der, ähnlich wie
in 3 dargestellt, das Kühlmedium B nacheinander zwei
Strömungsmaschinen 1a, 1b durchläuft. In
dieser Version wird aber das abzukühlende Medium durch zweifache
Umleitung an beiden Strömungsmaschinen
vorbeigeführt.
Denkbar ist eine Strömungsführung des zu
kühlenden
Mediums als Kreuzgleichstrom (nicht dargestellt) oder auch als Kreuzgegenstrom.
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Einem
Fachmann kann es überlassen
werden, für
ein vorgegebenes Kühlproblem
(Medium, Volumenstrom, Temperaturdifferenz, etc.) eine geeignete
Strömungsführung und
die Anzahl an dazu benötigten
Strömungsmaschinen
zu ermitteln und entsprechend vorzusehen, ohne selbst erfinderisch tätig zu werden.