DE2928014C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Gattungs­ begriff des Anspruchs 1, Verfahren zum Herstellen sowie eine mit einem solchen Wärme­ tauscher ausgerüstete thermoelektrische Einrichtung.

Durch die U.S. Patentschrift 35 27 621 ist ein Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art bekannt, bei dem die Wärmeaustausch­ flächen, die sich zwischen den beiden Grundplatten erstrecken, gemäß einer ersten Ausführungsform als ebene Leitflächen aus­ gebildet sind. Derartige Leitflächen ermöglichen zwar einen einfachen Aufbau sowie eine einfache Montage des Wärmetauschers; nachteilig ist jedoch, daß sich zwischen den Leitflächen im allgemeinen eine laminare Strömung des durchströmenden Mediums ergibt, so daß die Wärmeübergangszahl relativ gering ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung wird darin gesehen, daß insbesondere bei horizontal liegenden Leitflächen die Ab­ führung von Kondenswasser sehr schlecht ist, das sich even­ tuell an diesen Flächen niederschlägt.

Nach einer weiteren Ausführungsform, die in der genannten U.S. Patentschrift kurz erwähnt ist, können die Leitflächen auch eine stangenartige Ausbildung haben, die es dem hin­ durchströmenden Medium ermöglichen würden, in verschiedener Richtung zu fließen. Selbst wenn unterstellt wird, daß auf diese Weise anstelle einer laminaren eine turbulente Strömung des hindurchfließenden Mediums und damit eine höhere Wärme­ übergangszahl erreicht und auch der Ablauf des Kondenswassers erleichtert wird, ist jedoch die Befestigung der vielen Einzelstäbe an den jeweiligen Grundplatten schwierig und damit teuer.

Dasselbe trifft sinngemäß auf den Stand der Technik nach der deutschen Offenlegungsschrift 26 50 563 zu; diese Druckschrift zeigt einen Wärmetauscher, bei dem die zwischen den Grund­ platten ausgebildeten Wärmeaustauschflächen durch Stabbündel dargestellt werden. Auch dort könnte eine turbulente Strömung des fließenden Mediums und damit eine erhöhte Wärmeübergangs­ zahl sowie ein gutes Abfließen des Kondenswassers in allen Lagen des Wärmetauschers unterstellt werden; es verbleibt jedoch die Schwierigkeit, daß das Anbringen der vielen Stäbe an den Grundplatten aufwendig und teuer ist. Mit Hilfe der Erfindung soll erreicht werden, daß die Nachteile beider bekannter Wärmetauscher vermieden, deren Vorteile aber bei­ behalten werden.

Der Erfindung liegt danach die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, welcher bei einfachem Aufbau und geringem Montage­ aufwand eine gute Wärmeübertragung ermöglicht und bei dem sich bildendes Kondenswasser im wesentlichen in allen räum­ lichen Lagen ohne weiteres ablaufen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patent­ anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Bei der beanspruchten Lösung bilden mithin weder durchgehende Bleche noch viele Einzelstäbe die Wärmeaustauschflächen, son­ dern jede Wärmeaustauschfläche besteht aus mehreren Zentral­ bändern, die sich zwischen quer zu ihnen, aber in derselben Ebene verlaufenden Seitenbändern erstrecken. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile der Auflösung der Wärmeaus­ tauschflächen in Einzelstäbe, also die turbulente Strömung der durchströmenden Medien mit den entsprechend hohen Wärme­ übergangszahlen und der vergleichsweise guten Abfließmöglich­ keit des Kondenswassers mit der Möglichkeit zu verbinden, die Wärmeaustauschflächen leicht und daher kostengünstig, even­ tuell sogar mit Hilfe von Montageautomaten, mit den Grund­ platten zu verbinden.

Weitere Vorteile des beanspruchten Wärmetauschers bestehen darin, daß die Wärmeaustauschflächen aus einem dicken Material hergestellt werden können, so daß man Zentralbänder mit großem Querschnitt und damit Wärmeaustauscher mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erhält. Diese Eigenschaften erlauben es, einerseits Stapel von Wärmeaustauschern erheblichen Druckkräften auszusetzen, ohne daß die Gefahr eines Einknickens der Zentralbänder besteht, und andererseits die Wärmeaustauschflächen mit Druckwasserstrahlen zu reinigen, ohne daß dadurch die Zentralbänder deformiert werden.

Weiterbildungen der Erfindung, Verfahren zum Herstellen und eine thermoelektrische Einrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet.

Die Anordnung des Wärmetauschers 5 in der thermoelektrischen Einrichtung gemäß dem Anspruch 3 unterstützt sehr wesentlich den guten Ablauf des sich bildenden Kondenswassers.

Die in den Ansprüchen 4 bis 7 gekennzeichneten Wärmeaustauscher stellen verschiedene Variationsmöglichkeiten der mit deren Hilfe in verschiedenen Strömungsmedien eine größtmögliche Turbulenz erzeugbar ist.

Bei den Wärmeaustauschern nach den Fig. 4 und 5 ist die Abführung des Kondenswassers durch einen Saugeffekt nach unten verbessert, der von einer örtlichen Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmediums herrührt.

Bei der Herstellung der Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 8 und 9 können gewalzte Metallbleche verwendet werden, was den Vorteil hat, daß diese Materialien bessere Wärmeleit-Eigenschaften besitzen als beispielsweise Gußmaterialien, wie sie als Materialien für Wärmeaustauschflächen ebenfalls bekannt sind (z. B. durch die DE-OS 26 50 593).

Bei dem Verfahren nach Anspruch 9 ist es von Vorteil, daß die Herstellung der Wärmeaustauschflächen ohne Entfernen von Material und somit praktisch ohne Abfall erfolgt.

Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun Ausführungs­ beispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise schematischen Schnitt durch einen Wärmetauscher nach einem Ausführungsbeisspiel der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Wärmeaustausch­ fläche des in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers;

Fig. 3 einen Teilschnitt längs III-III in Fig. 1;

Fig. 4-Fig. 6 der Darstellung in Fig. 3 entsprechende Teil­ schnitte in vergrößertem Maßstab, die drei verschie­ dene, bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dar­ stellen und

Fig. 7 eine schematische, perspektivische Darstellung, die die elektrische Schaltung einer mit den Wärmetauschern versehenen thermoelektrischen Einrichtung zeigt.

In Fig. 1 wurde im Schnitt ein Wärmetauscher für eine thermo­ elektrische Einrichtung gemäß einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung dargestellt. Diese thermoelektrische Einrichtung umfaßt Thermoelemente 1, die jeweils zwischen zwei Wärmeaustauschflächen, d. h. einer warmen Wand 2 und einer kalten Wand 3 angeordnet sind.

Dieser Wärmetauscher umfaßt zwei Grundplatten 4, die jeweils eine warme Wand 2 und eine kalte Wand 3 der Einrichtung bilden bzw. tragen. Die beiden Grundplatten 4 sind parallel zueinander angeordnet und durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschflächen 5 miteinander verbunden.

Jede Wärmeaustauschfläche 5 umfaßt gemäß den Darstellungen in den Fig. 1 bis 3 zwei kontinuierliche oder diskontinuier­ liche Seitenbänder 6, die zur Befestigung an den beiden Grundplatten 4 bestimmt sind, und einen zentralen Bereich 7, der von flachen, in einer Ebene angeordneten Zentralbändern 8 gebildet ist, welche die beiden Seitenbänder 6 miteinander verbinden. Man erkennt, daß das Problem der Verbindung der Zentral­ bänder 8 mit den Grundplatten nicht mehr ein Problem der Befestigung der einzelnen Bänder an den Grundplatten ist, da die Befestigung der Zentralbänder über die beiden Seitenbänder 6 erfolgt. Mit der Befestigung dieser beiden Seitenbänder 6 an der jeweiligen Grundplatte erreicht man also durch zwei Befestigungsschritte das Anbringen so vieler Zentralbänder 8 wie in einer Wärmeaustauschfläche 5 enthalten sind. Die Befestigung der beiden Seitenbänder 6 kann durch Einfalzen, und/oder Vernieten und/oder Hartlöten und/oder Schweißen erfolgen.

Es ist ferner möglich, die beiden Seitenbänder 6 geradlinig auszubilden, wodurch ihre Befestigung an den Grundplatten erleichtert wird. Zu diesem Zweck kann man in jeder Grund­ platte 4 Nuten 9 ausbilden, die zur Aufnahme der Seiten­ bänder 6 bestimmt sind.

Aufgrund der Tatsache, daß die Befestigung der Zentralbänder 8 die beiden Seitenbänder 6 erfolgt, kann man den Zentralbändern 8 unterschiedliche Formen geben. Der Querschnitt der Zentralbänder kann rechteckig oder quadratisch sein. Die Formen können so gewählt werden, daß der Wärmeaustausch begünstigt und/oder der Ab­ fluß von Kondenswasser erleichtert wird.

Gemäß der Darstellung in Fig. 4 weist jedes Zentralband - im Querschnitt betrachtet - einen ebenen Abschnitt 8a und einen gekrümmten Abschnitt 8b auf, der sich aus der Ebene heraus erstreckt, die durch die beiden Seitenbänder 6 definiert wird. Relativ zur Strömungsrichtung des Fluides, die durch den Pfeil F angegeben wird, befindet sich der ebene Ab­ schnitt 8a stromaufwärts des gekrümmten Abschnittes 8b.

Dank dieser Anordnung wird der Wärmeaustausch begünstigt, indem der Konvektionswärmeaustauschkoeffizient durch die Turbulenzen vergrößert wird, die durch die gekrümmten Abschnitte 8b der Zentralbänder 8 hervorgerufen werden.

Wenn der Wärmetauscher so angeordnet ist, daß seine beiden Grundplatten 4 vertikal stehen und die Wärmeaustauschflächen 5 horizontal liegen, sind die gekrümmten Abschnitte 8b vor­ zugsweise unterhalb der ebenen Abschnitte 8a angeordnet. Dadurch wird das Abführen von Kondenswasser erleichtert. Die gekrümmten Abschnitte 8b der Zentralbänder 8 bewirken nämlich eine lokale Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit des den Wärmetauscher durchfließenden Fluides und damit einen Unterdruck, der die Wassertropfen nach unten zieht.

Gemäß den beiden in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen weist jedes Zentralband 8 - im Querschnitt betrachtet - einen Mittelabschnitt 8c auf, der von zwei gekrümmten Ab­ schnitten 8b eingefaßt ist. Diese erstrecken sich nach der­ selben Seite aus der Ebene heraus, die durch die beiden Seitenbänder 6 definiert wird. Bezüglich der Strömungs­ richtung des Fluides, die durch den Pfeil F angezeigt wird, verhalten sich die so ausgebildeten Wärmeaustauschflächen 5 bei einer Strömungsrichtung in Richtung des Pfeiles F und bei einer Strömungsrichtung entgegen der Richtung des Pfeiles F gleich.

Wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Wärmeaustausch begünstigt, indem der Konvektionswärmeaus­ tauschkoeffizient durch die Turbulenzen vergrößert wird, die von den gekrümmten Abschnitten 8d der Zentralbänder 8 hervor­ gerufen werden.

Wenn der Wärmeaustauscher mit vertikal stehenden Grund­ platten 4 und horizontal liegenden Wärmeaustauschflächen 5 angeordnet ist, befinden sich die gekrümmten Abschnitte 8d vorzugsweise unterhalb des Mittelabschnittes 8c. Das Abführen von Kondenswasser wird damit durch die Schale erleichtert, die von zwei zueinander benachbarten Zentralbändern 8 gehörenden gekrümmten Abschnitten 8d gebildet wird.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind einander benachbarte Wärmeaustauschflächen so angeordnet, daß ihre Zentralbänder 8 jeweils miteinander fluchten. Bei dem in der Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dagegen sind einander benachbarte Wärmeaustauschflächen derart angeord­ net, daß ihre Zentralbänder 8 jeweils versetzt zueinander liegen. Die Anordnung gemäß diesem Ausführungsbeispiel erleichtert das Abführen von Kondenswasser in einem noch höheren Maße, da das Wasser, das sich in der von zwei benachbarten Zentralbändern gebildeten Schale angesammelt hat, durch den unter­ halb der Schale herrschenden Unterdruck abgezogen wird. Dieser Unterdruck wird durch die Vergrößerung der Strö­ mungsgeschwindigkeit in der Engstelle hervorgerufen, die durch den Mittelabschnitt 8c des unter der Schale liegen­ den Zentralbandes gebildet wird.

Bei der Herstellung der in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Ausführungsformen der Wärmeaustauschflächen 5 geht man vorzugsweise so vor, daß die Zentralbänder durch Stanzen und Biegen des zwischen zwei Stanzschnitten gelegenen Materials gebildet werden, ohne daß etwas von dem Material abgeschnit­ ten wird. Auf diese Weise kann man Wärmetauscher zu einem relativ niedrigen Herstellungspreis erhalten, der sowohl durch die hohe Herstellungsgeschwindigkeit der Wärmeäustausch­ flächen 5 als auch durch die ökonomische Verwertung des zur Herstellung der Wärmeaustauschflächen 5 verwerteten Materials beeinflußt wird, da ein Material, das eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, relativ teuer ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten thermoelektrischen Einrichtung können mehrere Thermoelemente 1 und sie verbindende Wärmetauscher in Form eines Stapels angeordnet werden. Werden gemäß Fig. 7 mehrere solcher Stapel nebeneinander angeordnet, so kann in einer derartigen thermoelektrischen Einrichtung die elektrische Schaltung eine besonders einfache Form einnehmen, da die aufeinanderfolgenden Wärmetauscher jedes Stapels von Wärmetauschern in Reihe miteinander geschaltet sind, wobei Seitenanschlüsse 12 die Verbindung zwischen zwei Stapeln herstellen.

Claims (10)

1. Wärmetauscher für thermoelektrische Einrichtungen mit jeweils zwischen einer warmen Wand und einer kalten Wand angeordneten Thermoelementen, umfassend zwei Grundplatten, welche jeweils eine warme Wand und eine kalte Wand bilden oder tragen, sowie eine Vielzahl von Wärmeaustauschflä­ chen, die sich zwischen den Grundplatten erstrecken, bei denen jede Wärmeaustauschfläche durch eine flächig an­ geordnete Schar von an den beiden Grundplatten befestig­ ten Bauteilen gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile jeder Wärmeaustauschfläche aus flächig angeordneten Zentralbändern (8) bestehen, welche zwei quer zu den Zentralbändern (8) ausgerichtete Seiten­ bänder (6) miteinander verbinden, die ihrerseits zur Befestigung an den beiden Grundplatten (4) bestimmt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenbänder (6) an den beiden Grund­ platten (4) durch eine Klemm- und/oder eine Quetschver­ bindung und/oder Hartlöten und/oder Schweißen befestigt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er in der thermoelektrischen Einrichtung derart ange­ ordnet ist, daß die beiden Grundplatten (4) vertikal und die Wärmeaustauschflächen (5) horizontal gerichtet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zentralband (8) - im Querschnitt betrachtet - einen ebenen Abschnitt (8a) und einen gekrümmten Ab­ schnitt (8b) umfaßt, der sich aus der durch die beiden Seitenbänder (6) definierten Ebene heraus erstreckt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zentralband (8) - im Querschnitt betrachtet - einen Mittelabschnitt (8c) und zwei diesen säumende, gekrümmte Randabschnitte (8d) aufweist, die sich nach der gleichen Seite aus der von den beiden Seitenbän­ dern (6) definierten Ebene heraus erstrecken.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Wärmeaustauschflächen (5) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß ihre Zentral­ bänder (8) jeweils miteinander fluchten.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Wärmeaustauschflächen (5) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß ihre Zentralbänder (8) jeweils versetzt zueinander ange­ ordnet sind.

8. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmeaustauschfläche (5) aus einer ebenen Platte hergestellt wird, in der ein mittlerer Bereich (7) unter Belassung der beiden Seitenbän­ der (6) einem Stanzvorgang unterzogen wird, bei dem die Zentralbänder (8) stehen bleiben.

9. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmeaustauschfläche (5) aus einer ebenen Platte hergestellt wird, in der ein mittlerer Bereich (7) unter Belassung der beiden Seitenbänder (6) einer Bearbeitung ausgesetzt wird, die darin besteht, daß die Zentral­ bänder (8) durch Ausstanzen und Ausbiegen des zwischen zwei Zentralbändern (8) liegenden Materials geformt werden, wobei dieses Material nicht oder nur zu einem geringen Teil entfernt wird.

10. Thermoelektrische Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vielzahl von Wärmetauschern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.