DE69219421T2

DE69219421T2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE69219421T2
Application number: DE69219421T
Authority: DE
Inventors: Leon A Guntly; Gregory G Hughes; James C Rogers; Zalman P Saperstein
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2012-08-01
Also published as: EP0529819B1; KR100248615B1; MX9204863A; US5242015A; KR930004736A; EP0529819A3; TW197493B; ATE152508T1; JP3453154B2; CA2076207A1; JPH05196377A; AU648963B2; BR9203132A; EP0529819A2; AU2096992A; CA2076207C; ES2100294T3; DE69219421D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und, genauer gesagt, auf Verdampfer zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten Kältemittel, das durch Verdampfung, Kompression, Kondensation und Expansion in einem konventionellen Kühlkreislauf einem Dampfkompressionsprozeß unterzogen wird, und einem zweiten Kältemittel, das eine von dem ersten Kältemittel gekühlten Flüssigkeit ist.
Im Laufe der Jahre wurde eine Reihe von Gegenstrom- oder Querstrom-Wärmetauschern für verschiedene Wärmeübertragungsprozesse eingesetzt. Eine Art von Gegenstrom- Wärmetauschern arbeitet mit im allgemeinen konzentrischen Röhren oder Rohren, in denen ein Wärmetauscherfluid in einer vorgegebenen Richtung fließt, während ein anderes Wärmetauscherfluid einen Raum zwischen dem Innenrohr und der Innenwand des Außenrohrs in der Gegenrichtung durchströmt. In einigen Fällen hat man diese Wärmetauscher aus einem starren Rohr mit einem oder mehreren Durchgängen gefertigt, wobei die Durchgänge durch konventionelle Rohrverschraubungen miteinander verbunden waren.
In anderen Fällen wurden die Enden flexibler Schläuche in einem durchgehenden Bereich mit Rohrverbindern versehen. In einem solchen Wärmetauscher werden die inneren Kupferrohre und die äußeren Stahlrohre durch ein durchgehendes Element ohne Verbindungsstellen gebildet, während die Anschlußstücke an den Enden angebracht sind.
Während diese Konstruktionen ihren Zweck gut erfüllen, ist ihre Montage sehr arbeitsaufwendig und die Herstellung konzentrischer Rohre in der Form eines zusammenhängenden Ganzen erfordert komplizierte Anlagen und ist daher sehr kostenintensiv.
GB-A-778541 beschreibt einen Wärmetauscher, in dem ein erstes Fluid durch eine axiale Einlaßöffnung eintritt, ein erstes Paar geschlitzter, miteinander verschlungener Distanzscheiben durchfließt und danach zwei am Umfang befindlichen Auslaßöffnungen zugeführt wird. Das Sekundärfluid tritt durch zwei am Umfang befindliche Einlaßöffnungen ein und durchfließt zu einem axialen Auslaß ein weiteres Paar geschlitzter Distanzscheiben, die mit dem ersten Paar geschlitzter Distanzscheiben verschlungen sind.
FR-A-2489495 bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren für Wärmetauscher, bestehend aus gebogenen Röhren, die durch wärmeabstrahlende Bänder verbunden sind. Die längeren Seiten der gebogenen Röhren verlaufen parallel. Die Röhren können stranggepreßt sein und werden in einer Hydraulikpresse gebogen.
Die vorliegende Erfindung soll eines oder mehrere Probleme losen, welche beim Stand der Technik auftreten.
Es ist die Hauptaufgabe der Erfindung, einen neuen und verbesserten Gegenstrom- oder Querstrom-Wärmetauscher mit hoher Wärmeabgabeleistung zu schaffen, der verhältsmäßig preisgünstig herzustellen ist.
Es ist auch eine Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher zu schaffen, der sich insbesondere als billig herstellbarer Verdampfer verwenden läßt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der Wärmetauscher aus einem langgestreckten Extrusionskörper mit einander gegenüberliegenden Enden und mindestens zwei nebeneinander angeordneten inneren, hydraulisch getrennten Kanälen, die sich von einem Ende des Extrusionskörpers zu dessen anderen Ende erstrecken. Erste und zweite, eine Öffnung bildende Anschlußstücke sind an den gegenüberliegenden Enden des Extrusionskörpers angebracht und stehen mit einem der Kanäle in Fluidverbindung; dritte und vierte, eine Öffnung bildende Anschlußstücke sind an den gegenüberliegenden Enden des Extrusionskörpers angebracht, welche fluiddurchlässig mit einem anderen Kanal in Verbindung stehen. Der Extrusionskörper ist umhüllt oder in sich selbst gefaltet.
Aufgrund dieser Konstruktion läßt sich der Wärmetauscher aus leicht herstellbaren Elementen produzieren, hauptsächlich aus leicht zu formenden Strangpreßprofilen.
Bei einer Ausführungsform besteht der Extrusionskörper aus zwei separaten benachbarten Strangpreßprofilen, wobei eines der Strangpreßprofile den einen und das andere den anderen Kanal enthält.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht der Extrusionskörper aus einem einzigen Strangpreßprofil in dem beide Kanäle vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß hat der Extrusionskörper einen mehr oder weniger ovalen oder rechteckähnlichen Querschnitt, bildet eine Haupt- und eine Nebenachse und die Kanäle besitzen Hauptachsen, die sich im allgemeinen parallel zur Hauptachse des Querschnitts des Extrusionskörpers erstrecken. Verstärkungsstege sind in Querrichtung innerhalb der Kanäle angebracht.
Die Erfindung sieht auch vor, daß die Extrusionsmittel aus einem einzigen Extrusionskörper mit mindestens drei Kanälen sind. Alternativ vorzusehende Kanäle stehen in Fluidverbindung mit entsprechenden Kanälen in den ersten und zweiten sowie dritten und vierten Anschlußstücken.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der einen um sich selbst gewickelten Extrusionskörper mit abgeflachtem Querschnitt, umlaufende benachbarte Windungen, die eine gewickelte Struktur mit offener Mitte begrenzen, einen Außenumfang und einander gegenüberliegende Seiten aufweist. Ein Fluidkanal befindet sich innerhalb des Extrusionskörpers und ein fluiddichtes Gehäuse enthält den Extrusionskörper. Ein Paar Primärfluidzuläufe reicht in das Gehäuse hinein und steht in Fluidverbindung mit entsprechenden Enden des Fluidkanals. Ein Sekundärfluidzulauf zum Gehäuse ist mit einem Sekundärfluidauslauf aus dem Gehäuse verbunden. Innerhalb des Gehäuses befinden sich Fördermittel, die ein Sekundärfluid veranlassen, vom Zulauf durch die Räume zwischen den benachbarten Windungen des Extrusionskörpers in den Auslauf zu fließen. Zulauf und Auslauf befinden sich an gegenüberliegenden Enden der gewickelten Struktur und die Fördermittel enthalten ein Ablenkelement in der offenen Mitte der gewickelten Struktur.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor, in denen:
Figur 1 ein Schnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers etwa entlang der Linien 1-1 in Figur 2 darstellt;
Figur 2 ein Schnitt des Wärmetauschers etwa entlang der Linien 2-2 der Figur 1 ist;
Figur 3 ein Schnitt ähnlich dem der Figur 2, jedoch einer ersten modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist;
Figur 4 ein Schnitt eines stranggepreßten Rohrs ist, das in der Ausführungsform der Figur 3 verwendet wird;
Figur 5 ein vergrößerter Teilschnitt einer Konstruktion eines Anschlußstücks ist, das in der Ausführungsform nach Figuren 3 und 4 verwendet wird,
Figur 6 eine perspektivische Teilansicht der Konstruktion des Anschlußstücks ist;
Figur 7 eine Draufsicht einer anderen modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist;
Figur 8 ein Teilschnitt etwa entlang der Linie 10-10 in Figur 7 ist.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt und enthält zwei Grundkomponenten. Die erste ist ein im allgemeinen mit der Zahl 10 bezeichnetes flüssigkeitsdichtes oder gekapseltes Gehause in Form eines Zylinders wie gezeigt. Die zweite Grundkomponente ist ein allgemein mit der Zahl 12 bezeichneter Kern innerhalb des Gehäuses 10.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich, besitzt der Kern 12 einen langgestreckten Extrusionskörper 14 aus einem geeigneten Material, typischerweise aus Aluminium. Der Extrusionskörper 14 ist so gewickelt, daß zwischen den benachbarten Windungen 16, 18, 20 und 24 schmale Räume 26 verbleiben. Alle geeigneten Abstandshaltmittel können verwendet werden.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist der Extrusionskörper 14 von flacher Konstruktion und besitzt einen Innenkanal 30, bestehend aus einer Vielzahl von Durchgängen 32, welche voneinander durch Stege 34 getrennt sind. Der Kanal 30 erstreckt sich von einem Ende 36 des Extrusionskörpers bis zu dessen gegenüberliegendem Ende 38 und öffnet sich fluiddurchgangig in rohrförmige Anschlußstücke 40 und 42. Wie aus Figur 1 ersichtlich, reichen die Anschlußstücke 40 und 42 in den Außenbereich des Gehäuses 10.
Im Normalfall sind die Stege 34 so aufgebaut, daß die Durchgänge 32 voneinander getrennt und hydraulisch zueinander parallel verlaufen, um den Kanal 30 zu bilden. Anders gesagt besteht der Kanal 30 aus einer Vielzahl paralleler Durchgänge 32. Dies ist allerdings nicht absolut erforderlich, obwohl es im allgemeinen, abhängig von der Art der Anwendung des Wärmetauschers, wünschenswert ist, Stege 34 zu verwenden. Die Stege 34 dienen als Verstärkungsmittel, die ihrerseits das Wärmeträgerfluid innerhalb des Kanals 30 daran hindern, den Extrusionskörper aufzublähen, was zu dessen Reißen oder Bruch und zu einer Vergrößerung der für die Wärmeübertragung verfügbaren Wärmemenge führen kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kern 12 durch spiralförmige Windungen des Extrusionskörpers 14 begrenzt, wie aus Figur 2 ersichtlich. Der Kern weist eine offene Mitte 44, einen Außenumfang 46 und einander gegenüberliegende Seiten 48 und 50 auf (Figur 1).
Das Gehäuse 10 besitzt eine zylindrische Wand 52 sowie einander gegenüberliegende Stirnwände 54 und 55, die in dieser Ausführungsform den Seiten 48 und 50 des Kerns 12 in einem Abstand gegenüberliegen.
Ein Absperrorgan oder zentrales Ablenkelement 56 in der offenen Mitte 44 des Kerns 12 ist in einem Abstand zu den Gehäusewänden 54 und 55 angebracht.
Eine axial zu der zylindrischen Wand 52 zentrisch angeordnete Stirnwand 54 besitzt einen Einlaß 60, während die andere Stirnwand 55 einen Auslaß 62 aufweist. Wie durch die nicht numerierten Pfeile in Figur 1 gekennzeichnet, tritt das Wärmetauscherfluid durch den Einlaß 60 in das Gehäuse ein und fließt von dort aufgrund des Ablenkelements 56 radial nach außen, um schließlich die Zwischenräume 26 zwischen den angrenzenden Windungen des Extrusionskörpers 14 zur gegenüberliegenden Seite des Kerns 12 zu durchfließen und zur Mitte und zum Ausgang des Auslasses 62 zu gelangen. Wenn der Wärmetauscher als Verdampfer eingesetzt ist, wird dieser Strömungsweg typischerweise von dem Sekundärfluid genutzt.
Das Primärkältemittel wird an einem der Anschlußstücke 40 oder 42 zugeführt und auf der anderen Seite dieser Anschlußstücke wieder abgeführt.
Es ist ohne weiteres zu erkennen, daß die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführungform einen hochwirksamen, kostengünstig herstellbaren Querstrom-Wärmetauscher darstellt.
Es ist ferner festzustellen, daß durch die Verwendung des Extrusionskörpers 14 als Element zur Aufnahme des Primärkältemittels ein hoher Wirkungsgrad zu erzielen ist. Wie bekannt, werden viele der heute hergestellten Luft-Fluid- Verdampfer in Klimaanlagen für Automobile hauptsächlich aus strangepreßtem Aluminium hergestellt. Die Technik zur Optimierung der Durchgänge 32, die durch den Kanal 50 und die Stege 34 zur Erzielung eines hochwirksamen Wärmeaustauschs auf der Primärseite gebildet werden, ist also in der Wärmetauscherindustrie wohlbekannt.
In einige Fällen wird man auf die Verwendung eines Gehäuses wie dem Gehäuse 10 ganz verzichten wollen. Eine Ausführungsform, in der genau dies erfolgt, ist in Figuren 3 - 6 (einschließlich) dargestellt und aus diesen Figuren ist ersichtlich, daß hierbei der Extrusionskörper 100 in ähnlicher Weise wie vorbeschrieben um sich selbst gewickelt ist. Der langgestreckte Extrusionskörper 100 enthält ein erstes Paar Anschlußstücke 102 und 104, welche fluiddurchgängig an einen Fluidströmungskanal für Wärmetauscherfluid innnerhalb des Extrusionskörpers 100 sowie an einem zweiten Paar Anschlußstücke 106 und 108, die in Fluidverbindung Verbindung mit einem zweiten Fluidströmungskanal innerhalb des Extrusionskörpers 100 stehen, angeschlossen sind.
Figur 4 ist ein Querschnitt des Extrusionskörpers 100. Der langgestreckte Extrusionskörper 100 besitzt, wie dargestellt, einen etwa ovalförmigen Querschnitt. Eine rechteckige, nicht quadratische Form wäre jedoch in gleichem Maße einsetzbar. Der in Figur 4 gezeigte Querschnitt besitzt daher eine durch die Linie 110 bezeichnete Hauptachse und eine als Linie 112 dargestellte Nebenachse.
Beim dargestelten Ausführungsbeispiel sind im Extrusionskörper 100 drei Kanäle vorhanden, jeweils mit Hauptachsen parallel zur Hauptachse 110. Ein erster dieser Kanäle ist ein im allgemeinen mit der Zahl 114 bezeichneter Zentralkanal, der aus einer Vielzahl von Durchgängen 116 besteht, ähnlich der Durchgänge 32. Die Durchgänge 116 sind durch Verstärkungsstege 118 getrennt.
Der Zentralkanal 114 wird von zwei Seitenkanälen flankiert, die allgemein jeweils durch die Zahlen 120 und 122 gekennzeichnet sind.
Wie der Kanal 114, besteht auch der Kanal 120 aus einer Vielzahl von Durchgängen 124, die durch Stege 126 verstärkt sind, während der Kanal 122 aus einer Anzahl von Durchgängen 128 und Trennstegen 130 besteht. Im Normalfall sind die Durchgänge 116, 124 und 128 getrennt und verlaufen hydraulisch parallel. Dies ist jedoch nicht erforderlich, solange die Verstärkungsfunktion der Stege 126 aufrechterhalten wird, und die wärmetauschende Oberfläche der Stege vorhanden ist.
An seinen Enden kann der Extrusionskörper 100 Kanäle 120 und 122 besitzen, die in Figur 5 weggelassen sind, um einen Vorsprung 140 des Kanals 114 beizubehalten. Das Anschlußstück 106 kann rohrförmig ausgebildet sein und wird mit den offenen Enden der Kanäle 120 und 122 fest verbunden. Es kann auch mit einer Öffnung 144 versehen sein, durch welche der Vorsprung 140 gesteckt werden kann, um das Anschlußstück 102 in dem letzteren aufzunehmen.
Die Anschlußstücke 104 und 108 können mit den Anschlußstücken 102 und 106 identisch ausgebildet sein.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann man das Primärkühlmittel zum Beispiel durch das Anschlußstück 106 einführen, damit es die Kanäle 120 und 122 durchfließt und den Wärmetauscher am Anschlußstück 108 verläßt. Um einen Gegenstrom zu erzeugen, wird das Sekundärkühlmittel durch das Anschlußstück 104 zugeführt, damit es in entgegengesetzter Richtung durch den Kern fließt und diesen durch das Anschlußstück 102 verläßt.
Durch Anwendung eines Extrusionskörpers und wohlbekannter Techniken kann man wiederum die Anordnung der Durchgänge 124 und 128 und der Stege 126 und 130 auf der Dampf- und der Primärkühlseite des in Figuren 3-6 dargestellten Wärmetauschers leicht so konstruieren, daß ein maximaler Wärmeaustausch gewährleistet ist.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Figuren 7 und 8 dargestellt. In dieser Ausführungsform der Erfindung besteht die Möglichkeit, auf das Gehäuse 10 zu verzichten und einen Extrusionskörper zu verwenden, der weniger komplex ist als in der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform. Diese Ausführungsform zeigt auch, daß man die Kerne der vorerwähnten Ausführungsformen nicht unbedingt spiralförmig ausbilden muß, sondern daß viele andere Konfigurationen möglich sind.
In jedem Fall enthält die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform zwei langgestreckte Extrusionskörper 150 und 152, die anstoßend umeinandergewickelt sind. An einem Ende besitzt der Extrusionskörper 152 einen ersten Einlaß 154 und an seinem anderen Ende einen Auslaß 156. Der Extrusionskörper 150 besitzt an seinen entgegengesetzten Enden die Ein- und Auslässe 158 und 160.
Wie aus Figur 8 ersichtlich, besitzt jeder Extrusionskörper einen Durchströmkanal. Der Extrusionskörper 150 enthält einen Durchströmkanal, der im allgemeinen mit der Zahl 162 bezeichnet ist, während der Extrusionskörper 152 einen internen Durchströmkanal besitzt, im allgemeinen mit der Zahl 164 bezeichnet. Der Durchströmkanal 162 besteht aus einer Vielzahl hydraulisch getrennter Innendurchgänge 166, die durch Verstärkungsstege 168 getrennt sind, während ähnliche Durchgänge 170 und Verstärkungsstege 172 den Kanal 164 bilden. Auch hier ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Durchgänge 166 und 170 voneinander getrennt sind, solange die vorher beschriebenen Bedingungen eingehalten werden.
Normalerweise wird eines der Wärmetauschfluids, sagen wir das Primärkühlmittel, durch den Kanal 162 fließen, während das andere Wärmetauschfluid, das Sekundärkühlmittel, den Kanal 164 durchfließt. Um einen guten Wärmeaustausch zu gewährleisten, ist es, wie vorher erwähnt, erforderlich, daß die Extrusionskörper 150 und 152 wie in Figur 8 gezeigt aneinanderstoßen. Vorzugsweise ist ein metallurgisches Bindemittel wie Hart- oder Weichlötzinn, das als Schicht 174 gezeigt ist, an den Verbindungssstellen vorhanden, um den Wärmeaustausch zwischen den benachbarten Extrusionskörpern zu maximieren.
Wie gesagt, ermöglicht die Erfindung die Nutzung einer hochentwickelten Technik, um die Primärkühlmittelseite des Wärmeaustauschkoeffizienten mit preisgünstigen Mitteln, wie Aluminiumextrusionskörpern, zu maximieren.
Wie aus dem Vorhergesagten hervorgeht, erfüllt der erfindungsgemäße Wärmetauscher die vorher prazisierten Aufgaben.

Claims

1. Wärmetauscher mit einem langgestreckten Extrusionskörper (14) flachen Querschnitts, der um sich selbst gewickelt ist und dessen benachbarte Windungen (16) in einem Abstand voneinander angeordnet sind und so eine gewickelte Struktur (12) bilden, die eine offene Mitte (44), einen Außenumfang (46) und gegenüberliegende Seiten (48, 50) besitzt, mit einem Innenkanal (30) innerhalb des Extrusionskörpers (14), mit einem fluiddichten Gehäuse (10), das den Extrusionskörper (14) aufnimmt, wobei das Gehäuse (10) eine gekrümmte Wand (52) besitzt, die den Außenumfang (46) umgibt und mit Endwänden (54, 55) verbunden ist, die den gegenüberliegenden Seiten (48, 50) der gewickelten Struktur (12) benachbart jedoch in einem Abstand von diesen vorgesehen sind, mit einem Paar erster Fluid-Einlass- und -Auslassöffnungen (40, 42), die in das Gehäuse (10) eingeführt sind und von denen jede in Fluidverbindung mit jeweiligen Enden (36, 38) des Innenkanals (30) ist, mit einem zweiten Fluideinlass (60) in das Gehäuse (10), der mittig in einer der Endwände (54, 55) und im Wesentlichen in Ausrichtung mit der offenen Mitte (44) angeordnet ist, mit einem zweiten Fluidauslass (62) aus dem Gehäuse (10), der eine Öffnung in der anderen Endwand besitzt und im Wesentlichen mittig in dieser und in Ausrichtung mit der offenen Mitte ist, und mit einem ein Ablenkelement (56) aufweisenden Mittel, das die offene Mitte (44) im Wesentlichen verschließt, damit das zweite Fluid, das vom Einlass (60) zum Auslass (62) strömt, durch die Räume (26) zwischen den benachbarten Windungen (16) gelangt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem der Innenkanal (30) eine Vielzahl von Durchgängen (32) aufweist.

3. Wärmetauscher mit einem langgestreckten Extrusionskörper (100), der einander gegenüberliegende Enden und zumindest zwei Seite an Seite angeordnete innere, hydraulisch getrennte Kanäle (114, 120) aufweist, die sich vom einen zum anderen Ende des Extrusionskörpers (100) erstrecken und in wärmeübertragender Beziehung miteinander sind, mit einer ersten und einer zweiten Mündung, die Anschlussstücke (106, 108) an gegenüberliegenden Enden des Extrusionskörpers (100) bilden und in Fluidverbindung mit einem (120) der Kanäle (114, 120) sind, und mit einer dritten und einer vierten Mündung, die Anschlussstücke (102, 104) an gegenüberliegenden Enden des Extrusionskörpers (100) bilden und in Fluidverbindung mit dem anderen (114) der Kanäle (114, 120) sind, wobei der Extrusionskörper (100) um sich selbst gewickelt oder gefaltet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei dem der Extrusionskörper (100) mindestens drei solcher Kanäle (114, 120, 122) in einer Seite-an-Seite-Anordnung und in wärmeübertragender Beziehung zueinander aufweist, wobei zwei (120, 122) der Kanäle (114, 120, 122) in Fluidverbindung mit dem entsprechenden ersten bzw. zweiten Anschlussstück (106, 108) und ein dritter (114) der Kanäle (114, 120, 122) zwischen den beiden Kanälen (120, 122) angeordnet ist und in Fluidverbindung mit dem dritten und dem vierten Anschlussstück (102, 104) ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, bei dem der Extrusionskörper (100) an einander abgewandten Enden die beiden Kanäle (120, 122) aufweist, die gegenüber einem Vorsprung (140) zurückgenommen sind, der den dritten Kanal (114) enthält.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, bei dem das erste und das zweite Anschlussstück (106, 108) rohrförmig und um offene Enden der beiden Kanäle (120, 122) befestigt und mit einer Öffnung (144) versehen sind, durch die der Vorsprung (140) ragt, und bei dem das dritte und das vierte Anschlussstück (102, 104) an den Vorsprüngen (140) aufgenommen sind.