DE69009112T2 - Wärmeaustauscherschlange mit mehreren Rohrdurchmessern. - Google Patents

Wärmeaustauscherschlange mit mehreren Rohrdurchmessern.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und insbesondere auf eine Wärmetaußcherausbildung angepaßt für Kraftfahrzeug- oder andere Luftkonditionierungsverdampfer oder-Kondensatoren.
  • Wo ein Wärmetauscher mit einem Arbeitsfluid betrieben wird, das sowohl in gasformiger und flüssiger Phase vorliegt, kann der Wärmeübertragungsvorgang durch exzessiven Arbeitsfluiddruckabfall in solchen Bereichen begrenzt werden, wo sich das Betriebsmittel in der Gasphase befindet. In einem Wärmetauscher, der als ein Kondensator arbeitet, tritt dieses Problem des Druckabfalls im Einlaßbereich auf; bei Wärmetauschern, die als Verdampfer arbeiten, ergibt sich dies im Auslaßbereich.
  • Bei einem als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher reduziert der Druckabfall, der im Einlaßbereich auftritt, die Sättigungstemperatur um einen Betrag, der proportional dem Druckabfall ist. Dies hat eine Reduzierung des Temperaturpotentials zur Folge, das den Wärmetausch vom eintretenden Betriebsmittel zum zweiten Betriebsmittel (bspw. Luft) bewirkt, das über die äußere Seite der ersten und zweiten Oberflächen strömt. Bei typischen Anwendungen sind diese Oberflächen Rohre und zugeordnete verrippungen, durch die das Arbeitsluid strömt. Angestellte Bemühungen, um den Druckabfall zu reduzieren, umfassen Mehrfacheinlaßanschlüsse und Zweigleitungen, was Zusatzkosten und Kornplexität verursacht und die Zuverlässigkeit durch Erhöhung der Anzahl von Variablen beim Herstellungsprozeß reduziert.
  • Beim als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher hat ein exzessiver Druckabfall auf der Auslaßseite des inneren Betriebsmittelweges eine ähnliche Konsequenz, d.h. Reduktion des verfügbaren Temperaturpotentials, um die Wärme vom Luftstrom aufzunehmen, der über die Außenseite der Wärmetauscherrohre und Rippen strömt.
  • Darüberhinaus erfordert die Benutzung von Wärrnetauschern bei Anwendungen im Fahrzeugbereich (einschließlich Trucks und anderer Motorfahrzeuge), wie Luftkonditionierungssysteme, daß solche Einheiten kompakt sein müssen, geringes Gewicht haben und hoch wirksam sind, um den gehobenen, restriktiven Vorgaben in der modernen Fahrzeugtechnologie zu genügen.
  • Auf diesem Gebiet offenbart die US-A-4 831 844 einen Kondensator für ein Kühlsystem, worin die Konstruktion zur Lösung des Problems des Druckabfalls sowohl kompliziert als auch sperrig ist.
  • Tatsächlich umfaßt der Strömungsweg vom Einlaß zum Auslaß einen ersten und einen zweiten Abschnitt, die miteinander verbunen sind, wobei das Kühlmittel Teilwege vom Einlaß zum Auslaß strömt, auf verschiedenen Wegen durchströmt und den verbleibenden Strömungspfad zum Auslaß in einem Weg strömt. Spezieller heißt das, daß jedes Rohr im ersten Abschnitt parallel und doppelt angelegt ist, während der zweite Abschnitt von geringerer Länge nur ein Rohr ist, wobei die Rohre des ersten und zweiten Abschnittes den gleichen Durchmesser haben.
  • Wie schon festgestellt, ist diese Konstruktion sehr kompliziert, teuer und unangemessen sperrig.
  • Eingedenk der Probleme und Nachteile des bekannten Standes der Technik ist es deshalb ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Wärrnetauscherausbildung zu schaffen, die den Druckabfall minimiert, verbunden mit einem Zweiphasenarbeitsfluid in der Gasphase.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Lösung für das vorerwähnte Druckabfallproblem vorzusehen, die sowohl bei Verdampfern als auch Kondensatoren nutzbar ist.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher vorzusehen, der die vorerwähnten Nachteile behebt und der kompakt in seiner Gestaltung ist, ein geringes Gewicht hat und der nicht zu unnötigen Schwierigkeiten bei der Herstellung führt.
  • Es ist noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauscherausbildung vorzusehen, die den Druckabfall in der Gasphase eines Zweiphasenarbeitsfluids minimiert, und die insbesondere geeignet ist für die Anwendung in Fahrzeug-, industriellen, Handels- oder Wohnbereichsanwendungen.
  • Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher zu schaffen, der in verschiedenen Anwendungen nutzbar ist und der eine größere Effizienz bzgl. herkömmlicher industriell, kommerziell, im Wohn- oder Fahrzeugbereich angewendeter Wärmetauscher hat.
  • Die obigen und anderen Zielsetzungen, die Fachkundigen offenbar werden, werden durch die vorliegende Erfindung mit einer Wärmetauscherausbildung erreicht, die ein Paar von Kopfteilen und eine Vielzahl von Wärmetauschrohren vorsieht, die sich zwischen den Kopfteilen erstrecken. Die Wärmetauschrohre sind so ausgestaltet, um Wärme zwischen den Rippen auf der Außenseite der Rohre und ein Arbeitsfluid in flüssiger oder gasförmiger Phase in den Rohren auszutauschen. Ein den Gasdruckabfall minimierendes Rohr erstreckt sich zwischen den Kopfteilen durch den Arbeitsteil des Wärmetauschers und hat eine Querschnittsfläche, die signifikant größer ist als die der anderen Wärmetauschrohre. Das den Gasdruckabfall minimierende Rohr ist so ausgebildet, um das Arbeitsfluid in einer Gasphase entweder am Einlaß, wenn die Wärmetauscherausbildung als Kondensator benutzt wird oder am Auslaß, wenn die Wärmetauscherausbildung als ein Verdampfer benutzt wird, zu leiten. Ein Teil verbindet das den Druckabfall minimierende Rohr an einem Ende mit mindestens einem der Wärmeübergangsrohre für entweder die Übertragung des gasförmigen Arbeitsfluids vom den Druckabfall minimierenden Rohr zu den Wärmeübertragungsrohren für die Kondensation zu einer Flüssigkeit, wenn die Ausbildung als Kondensator benutzt wird oder für die Übertragung des gasförmigen Arbeitsfluids von den Wärmeübertragungsrohren zu dem den Druckabfall minimierenden Rohr, wenn die Ausbildung als Verdampfer benutzt wird. Eine Mehrzahl von gebogenen Rohren verbindet die Wärmeübertragungs rohre miteinander, um das Arbeitsfluid durch die Ausbildung zu leiten.
  • Die Ausbildung benutzt vorzugsweise gerade Wärmetauschrohre zwischen den Kopfteilen, die kreisförmig sind und im wesentlichen den gleichen inneren Querschnitt haben, und enthält das den Drtickabfall minimierende Rohr innerhalb der Wärmetauscherrohranordnung und innerhalb der Rippen, die sich auf den Wärmetauschrohren befinden.
  • Fig. 1 ist eine Seitenansicht der vorliegenden, als Fahrzeugkondensator benutzten Erfindung ohne die Kühlrippen;
  • Fig. 2 ist eine Teilfrontansicht des Kondensators gemäß Fig. 1, die die Rippenanordnung auf den Kondensatorrohren zeigt.
  • Fig. 3 ist eine Seitenansicht des Kondensators gemäß Fig. 1, angeordnet auf der Vorderseite eines Fahrzeugmotorradiators;
  • Fig. 4 ist eine schematische Seitenansicht, die den Arbeitsfluidkreislauf durch den Kondensator gemäß Fig. 3 darstellt und
  • Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht, die den Kreislauf eines Arbeitsfluids durch einen Fahrzeugverdampfer zeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
  • Die Komponenten der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise aus leichtgewichtigem, wärmeleitfähigem Material, wie Aluminiums hergestellt, obgleich zu bemerken ist, daß die hohe thermische Wirksamkeit und andere Vortele der vorliegenden Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik primär auf seinen neuen Merkmalen und Ausgestaltungen beruhen. Andere Metalle und Legierungen können in Abhängigkeit von der Anwendung auch benutzt werden, bspw. Kupfer, Messing und Edelstahl. Die Komponenten werden in herkömmlicher Weise miteinander verbunden, bspw. durch Schweißen, Löten, Verschmelzen o. dgl. In den verschiedenen, nachfolgend beschriebenen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale der Erfindung.
  • In den Fig. 1 und 2 sind Vorderansichten der vorliegenden Erfindung in einer Ausführungsform zur Verwendung als Kondensator eines Fahrzeugluftkonditionierungsgerätes dargestellt. Wie in Fig. 1 gezeigt, in der Kühlrippen nicht dargestellt sind, umfaßt der Kondensator 10 eine Reihe von geraden, im Querschnitt kreisförmigen Wärmeübertragungsrohren 12, die sich horizontal und parallel zwischen zwei vertikalen Kopfteilen 14 und 16 erstrecken. Kopftragelemente 28 auf jeder Seite des Kondensators 10 nehmen die Enden der Kondensatorrohre 12 auf. Die Kopfteile 14 und 16 enthalten gebogene Kopfrohre 18, 20 und 21, die die verschiedenen Rohre 12 verbinden und die das Arbeitsfluid, bei dem es sich in diesem Fall um ein herkömmliches, zweiphasiges Kühlmittel handelt, von einem Rohr zum nächsten überleiten. Wie dargestellt (Fig. 1) sind die Kopfrohre 18 an den Kopfteilen 14 und 16 angeordnet und verbinden die Übertragungsrohre 12 für den Transport des Arbeitsfluids. Das Einlaßrohr 22 und das Auslaßrohr 24 stellen mit ihren freien Enden 22' und 24' eine Fluidverbindung zwischen dem Kondensator 10 und anderen Komponenten (nicht dargestellt) der Luftkonditioniereinheit eines Fahrzeuges dar.
  • Das gesamte Kühlmittel tritt in den Kondensator 10 durch das Einlaßende 22 ein und passiert die gesamte Länge des entsprechenden Kondensatoreinlaßrohres 22, wonach es in zwei separate Fluidkreise durch ein "M"-förmig ausgebildetes und gebogenes Rohrverbindungselement 20 aufgeteilt wird, das einen Einlaß 23 und zwei Auslässe 19 (Fig. 2) aufweist. U-förmig gebogene Rohre 18, von denen jedes einen Einlaß und einen Auslaß hat, leiten den Kühlmittelstrom in jedem Kreis von einem Rohr 12 zum nächsten, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Rohrreihen zwischen der Vorder- und Rückseite des Kondensators gestaffelt angeordnet. Außer oben und unten verbinden die Kopfrohre Frontrohre mit Frontrohren und rückseitige Rohre mit rückseitigen Rohren. Zwei separate Fluidkreise aus separaten Wärmeübertragungsrohren 12 sind durch ein "M"-förmig ausgebildetes und gebogenes Rohrelement 21, das zwei Einlässe und einen Auslaß hat, wiedervereinigt. Die vereinigte Strömung des Betriebsfluids wird durch das Auslaßrohr 24 und durch den Auslaßanschluß 24' zu anderen Teilen der Luftkonditionierungseinheit (nicht dargestellt) geleitet.
  • Wie im Detail in Fig. 2 dargestellt, sind eine Reihe von individuellen Rippeneinheiten 30 parallel zueinander angeordnet, wobei die Ebene jeder Rippe vertikal und senkrecht zur Ansichtsfläche des Kondensators 10 angeordnet sind und parallel zur durchströmenden Luftströmung. Die Rippen 30 erstrecken sich in Reihe und decken den gesamten Kernbereich des Kondensators zwischen den Köpfen 28 ab. Um die gewünschte Konvektionskühlung zu erzielen, sind die Rippen dicht auf den Rohren 12, 22 und 24 angeordnet oder in anderer Weise mit diesen verbunden, die einer Wärmeleitung zwischen den Rohren und den Rippen förderlich ist. Jede Rippe 30 erstreckt sich im wesentlichen komplett quer über die Tiefe des Kondensators 10, um den Kontakt mit der durchströmenden Luftströmung zu maximieren.
  • Eine Seitenansicht des Kondensators 10 gemäß der Fig. 1 und 2 ist in der Form dargestellt, wie es der Frontanordnung eines Automobilradiators 26 in typischer Konfiguration entspricht. Die Luftströmung ist mit Pfeilen in Fig. 3 verdeutlicht.
  • Bei der Kondensatorausführungsform gemäß der Fig. 1, 2 und 3 tritt das Betriebsfluid typisch gasförmig vom Verdampfer aus in den Kondensator 10 ein, nachdem die Wärme von den Passagieren oder anderen Teilen eines Fahrzeuges durch die Verdampfereinheit aufgenommen wurde. Um den Druckabfall des eintretenden gasförmigen Kühlmittels zu reduzieren und die Reduktion der Sättigungstemperatur zu minimieren, hat das Einlaßrohr 22 längs mit dem zugehörigen Rohrende 22' und dem Kopfrohreinlaß 23 einen inneren Querschnitt, der gleichförmig und signifikant größer bemessen ist als die Querschnittsfläche der einzelnen Wärmeübertragungsrohre 12 und des Auslaßrohres 24 in den Kreisen, die sie beschicken. Vorzugsweise ist der innere Querschnitt des ganzen, den Druckabfall minimierenden Rohres 22', 22 und 23 mindestens etwa 10% größer und bevorzugt mindestens etwa 15% größer als der innere Queschnitt der verbleibenden Rohre in der ganzen Ausbildung. Diese verbleibenden Rohre 12, 18, 19, 21 und 24 haben alle angenähert den gleichen inneren Durchmesser und Querschnitt. Wie dargestellt, wirkt das den Druckabfall minimierende Rohr 22 auch als Wärmeübertragungsrohr und erstreckt sich demgemäß zwischen den Kopfteilen 14, 16 innerhalb der Reihe der Wärmeübertragungsrohre 12 und Rippen 30.
  • Die Vorsehung eines größeren inneren Querschnitts in dem den Druckabfall minimierenden Rohr 22 reduziert den Druckabfall, der sich sonst erfahrungsgemäß in einer Wärmetauschereinheit einstellt, die ein Einlaßrohr mit der gleichen Größe wie die anderen Rohre 12, 18 und 24 benutzt, und zwar ohne Rohrverzweigungen oder andere Komplexitäten vorsehen zu müssen. In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auch das den Druckabfall minimierende Rohr 22 innerhalb der Gestaltung der Rohre 12 und Rippen 30. In einer typischen Anwendung, wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, haben die Wärmeübertragungsrohre 12 einschl. des Rohres 24 und des Endes 24' einen Durchmesser von 8,86 mm und eine Wandstärke von 0,63 mm. Das Einlaßrohr 22 einschließlich des Rohrendes 22' und des "M"-förmigen Einlasses 23 würden einen Durchmesser von 9,40 mm haben und eine Wandstärke von 0,81 mm und ist angenähert 90% größer bzgl. der inneren Querschnittsfläche
  • In Fig. 4 ist ein endansichtsartiges Kreisdiagramm des Strömungsweges des Betriebsfluids durch verschiedene Wärmeübertragungsrohre und Kopfrohre, beschrieben in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3, dargestelt. Wärmeübertragungsrohre 12, Einlaßrohr 22 und Ausläßrohr 24 sind im Querschnitt dargestellt. Die Plazierung der verbindenden Kopfrohre sind als Verbindungen der Rohre 12, 22 und 24 in ausgezogenen Linien dargestellt, um die Kopfrohre auf der nahen Seite des Kondensators 10 zu verdeutlichen und in gestrichelten Linien, um die Kopfrohre auf der fernen Seite des Kondensators 10 zu verdeutlichen. Diese Verbindungskopfrohre sind durch Hinzufügung des Buchstabens "a" zu denjenigen Rohren auf der nahen Seite (d.H. 18a) bezeichnet und der Buchstabe "b" ist den Kopfrohren auf der fernen Seite (d.h. 18b) des Kondensators 10 beigefügt.
  • In Fig. 5 ist eine Seitenschematik eines "Kreisdiagrammes" einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wie sie für einen Fahrzeugverdampfer benutzt wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Verdampferkonstruktion grundsätzlich die gleiche wie die des Kondensators mit der Ausnahme, daß die Ein- und Auslässe umgekehrt sind und die Konfiguration der Kopfrohre mehrere Reihen von vorn nach hinten umfaßt. Der Verdampfer 32 umfaßt eine Mehrzahl von parallelen, im Querschnitt kreisförmigen Wärmeübertragungsrohren 34, die sich in fünf gestaffelten Reihen (von vorn nach hinten) zwischen den Kopfstücken (nicht dargestellt) erstrecken. Das parallele Einlaßrohr 33 dient für die Einführung kondensierten, flüssigen Kühlmittels durch sein nahes Ende (wie aus Fig. 5 ersichtlich) und hat die gleiche Größe und Querschnittsfläche wie die anderen Wärmeübertragungsrohre 34. Das Einlaßrohr 33 ist am fernen Ende des Kondensators 32 (wie aus Fig. 5 ersichtlich) durch ein dreifußartiges Kopfrohr 36b mit zwei anderen Wärmeübertragungsrohren 34 verbunden. Das Betriebsfluid, das in zwei separate Kreise geteilt wird, passiert dann durch verschiedene Wärmeübertragungsrohre und gleich bemessene U-förmige Kopfverbindungsrohre 38a (dargestellt als voll ausgezogenes Kopfrohr 34) am nahen Ende des Verdampfers 32 oder durch U-förmige Verbindungsrohre 38b (dargestellt als gestrichelte Linien, die Wärmeübertragungsrohre 34 verbindend) am rückseitigen Ende des Verdampfers 32.
  • Nach Passage durch die verschiedenen Wärmeübertragungsrohre 34 und Kopfrohre 38 werden die beiden separaten Fluidkreise mit dem Kühlmittel wieder in eine partielle oder volle Gasphase vereinigt und verlassen den Verdampfer am nahen Ende des Auslaßrohres 39
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das parallele, kreisförmige Auslaßrohr 39 ein den Druckabfall minimierendes Rohr mit einheitlicher und signifikant größerer innerer Querschnittsfläche als der Rest der Wärmeübertragungsrohre 34. Ein dreifußartiges, dreibeiniges Verbindungskopfrohr 35b vereinigt das Betriebsfluid von zwei separaten Wärmeübertragungsrohren 34 am fernen Ende des Verdampfers 32 in einen einzigen Strom, der dann durch das den Druckabfall minimierende Rohr 39 strömt und den Verdampfer am nahen Ende verläßt. Bei der gezeigten zweikreisigen Ausführungsform hat das Verdampferauslaßrohr 39 angenähert einen 15% größeren Querschnitt als die restlichen Rohre 33 und 34. Wie bei der Kondensatorausführungsform gemäß der Fig. 1 bis 4 dient das Auslaßrohr 39 dazu, den Druckabfall des gasförmigen Kühlmittels zu reduzieren, das durch dieses Rohr strömt, und minimiert dabei die Reduktion des verfügbaren Temperaturpotentials, um die Wärme vom Luftstrom aufzunehmen, der außen den Wärmetauscher durchströmt.
  • Wie bei der Kondensatorausführungsform hat der Verdampfer 32 eine gestaffelte Rohranordnung von der Frontseite her gesehen (mit fünf Reihen anstelle von zwei Reihen) und hat eine Kühlrippenreihenanordnung auf den Rohren 33, 34 und 39. Durch den Einbezug des den Druckabfall minimierenden Rohres 39 in die Rippen und die Anordnung der Wärmeübertragungsrohre im Bereich des wirksamen Teils des Wärmetauschers ist eine beträchtliche Komplexität einer Verzweigungsanordnung eliminiert, was die Zuverlässigkeit der Ausbildung verbessert und die Kosten senkt.
  • Wenn mit einer Auslaßrohrgröße von 15,9 mm im Durchmesser und bzgl. der restlichen Rohre mit einer Größe von 12,7 mm Durchmesser benutzt, zeigte die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform des Verdampfers einen beträchtlich größeren Wärmeübergang im Vergleich zu einem ähnlichen Verdampfer, der ein Auslaßrohr aufweist, das den gleichen Durchmesser hat wie die restlichen Rohre. Bei einer typischen Fahrzeugverdampferausbildung betrug die Vergrößerung angenähert 756 kcal/h. Demgemäß kann die Erfindung entweder als Kondensator benutzt werden, bei dem ein Teil oder das ganze des Betriebsfluid zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, oder als Verdampfer, bei dem ein flüssiges Betriebsfluid ganz oder teilweise zu einem Gas verdampft wird. In jedem Fall ist das Primärrohr des Wärmetauschers, das die ganze oder teilweise Gasphase entweder in oder aus der Einheit führt, im Querschnitt signifikant größer als die Mehrzahl der Restrohre der Einheit.

Claims (4)

1. Eine Wärmetauscherausbildung, nutzbar als Kondensator oder als Verdampfer zur Anwendung in einem Luftkonditionierungssystem, bestehend aus:
einem Paar Kopfteilen (14, 16);
einer Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren (12), die sich zwischen den Kopfteilen (14, 16) erstrecken,
einer Mehrzahl von zu den Kopfteilen (14, 16) gehörenden Kopfrohren (18), die die Wärmeübertragungsrohre (12) für die Förderung des Betriebsfluids verbinden,
einer Mehrzahl von Konvektionskühllamellen (30), die in Reihe auf den Wärmeübertragungsrohren (12) nebeneinander angeordnet sind; diese Wärmeübertragungsrohre (12) und die Lamellen (30) sind bestimmt für die Wärmeübertragung zwischen der Umgebung der Rohre und Lamellen (12, 30) und einem gasförmigen oder flüssigen Fluid in den Rohren (12);
dadurch gekennzeichnet,
daß er auch ein den Druckabfall minderndes Rohr (22) enthält, das sich zwischen den Kopfteilen (14, 16) innerhalb der Reihe von Wärmeübertragungsrohren (12) und den Lamellen (30) erstreckt und mit dem Wärmetauscher verbunden ist, das den Druckabfall mindernde Rohr (22) hat einen Querschnitt, der größer ist als der Querschnitt jedes der Wärmetauscherrohre (12) und fördert das gasförmige Betriebsfluid zu und aus dem Wärmetauscher, und ein Rohrteil (23) verbindet das den Druckabfall mindernde Rohr (22) an einem Ende mindestens mit einem der Wärmeübertragungsrohre für entweder die Überleitung eines gasförmigen Betriebsfluids aus dem den Druckabfall mindernden Rohr (22) in die Wärmeübertragungsrohre (12) für die Kondensation in eine Flüssigkeit, wenn der Tauscher als Kondensator verwendet wird, oder die Überleitung eines gasförmigen Betriebsmittelfluids aus den Wärmeübertragungsrohren (12) in das den Druckabfall mindernde Rohr (22), wenn der Tauscher als Verdampfer verwendet wird.
2. Die Ausbildung nach Anspruch 1, worin das den Druckabfall mindernde Rohr (22) und der Rohrteil (23) den gleichen Querschnitt haben.
3. Die Ausbildung nach Anspruch 1, worin sich das den Druckabfall mindernde Rohr (22) parallel zur Reihe der Wärmetauscherrohre (12) erstreckt.
4. Die Ausbildung nach Anspruch 1, worin der Querschnitt des den Druckabfall mindernden Rohres (22) mindestens 10% größer ist als der innere Querschnitt der Wärmeübertragungsrohre (12).
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