DE4401247C2

DE4401247C2 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE4401247C2
Application number: DE4401247A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Dr Heikrodt; Peter Prof Dr Hofbauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Viessmann Generations Group GmbH and Co KG
Priority date: 1994-01-18
Filing date: 1994-01-18
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2014-01-19
Also published as: JPH08508090A; DE4401247A1; US5675974A; WO1995019531A1; EP0688416A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Trennung der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien, mit einem Grundkörper, der auf seiner einen Oberfläche mit mindestens einer vom Eintritt zum Austritt verlaufenden Nut versehen ist.

Derartige Wärmeübertrager werden z. B. als Benzinkühler in Kraftfahrzeugen eingesetzt (siehe DE 34 43 085 A1). Dabei dient der mit einer vom Eintritt zum Austritt verlaufenen Nut versehene Grundkörper der Führung des Kühlmittels. Ähnliche Wärmeübertrager sind aus der britischen Zeitschrift Engineering (Sep. 12, 1958) bekannt geworden, bei denen zur Vergrößerung der Wärmetauscherflächen im Grundkörper Rippen bzw. Nuten vorgesehen sind.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen solchen Wärmeübertrager derart weiterzubilden, daß er in einer nach einem regenerativen Gaskreisprozess arbeitenden Wärme- und Kältemaschine eingesetzt werden kann, wobei der Grundkörper des Wärmeübertragers auf der Seite des flüssigen Wärmeträgermediums, vorzugsweise Wasser, mit einem Druck von 2 bar und auf seiner anderen Seite mit Prozeßgas, vorzugsweise Helium beaufschlagt wird, das unter einem Druck zwischen 50 und 200 bar steht. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Wärmeübertragers ergibt sich somit eine sehr hohe radiale Druckbelastung des Grundkörpers.

Darüberhinaus sind nach dem Stirling- oder Vuilleumier- Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS 136 195. Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der regenerativen Gaskreisprozesse keinen Eingang in die Praxis gefunden, hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisierung der theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten. Auch jüngere Veröffentlichungen, beispielsweise die EP 0 238 707 A2 befassen sich mehr mit theoretischen Überlegungen als mit praktischen Ausgestaltungen derartiger Wärme- und Kältemaschinen mit zwei in einem druckdichten Gehäuse linear beweglichen Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Regeneratoren und Wärmübertragern miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben vorgesehen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, indem zur Verwendung in einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine der Grundkörper im zylindrischen Gehäuse der Maschine angeordnet ist und auf seiner anderen Oberfläche mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das andere am Wärmeaustausch teilnehmende und durch das Prozeßgas gebildete Medium versehen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung weist die Vorteile auf, daß das Gehäuse der Maschine, das zugleich die Nuten unmittelbar oder mittelbar umschließt, den vom Prozeßgas ausgeübten Druck aufnimmt und gleichzeitig durch die Anpressung des Grundkörpers an die Abdeckung die erforderliche Abdichtung der Nut gewährleistet. Die auf der Innenseite des Grundkörpers ausgebildeten Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas besitzen eine große Oberfläche und ermöglichen bei hohem Druck und hoher Strömungsgeschwindigkeit einen Gaswechsel mit einer Frequenz zwischen 10 und 50 Hertz, wobei die erfindungsgemäße Ausgestaltung zugleich ein geringes Totvolumen hat, so daß sich im Hinblick auf den schnellen Gaswechsel ein guter Wirkungsgrad des Wärmeübertragers ergibt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Für die Ausbildung der vom wärmeabgebenden Medium durchströmten Kanäle und/oder Poren gibt es verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten. Bei der einen erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Grundkörper mit einer Vielzahl als Kanäle dienenden Vertiefungen für das wärmeabgebende Medium versehen. Derartige Vertiefungen vergrößern zugleich die an der Wärmeübertragung teilnehmende Oberfläche des Wärmeübertragers. Alternativ kann gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung der Grundkörper mit einer Schicht aus porösem Material versehen sein. Das wärmeabgebende Prozeßgas strömt durch die Poren dieser vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material hergestellten Schicht. Die Schicht kann hierbei entweder auf den Grundkörper aufgetragen oder als separates Bauteil hergestellt werden, das mit dem Grundkörper verbunden ist. Bei einer weiteren Ausgestaltung nach der Erfindung können die Kanäle für das wärmeabgebende Medium durch einen Körper aus glatten, verformten und/oder perforierten Blechen oder aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet sein, wobei dieser Körper auf dem Grundkörper kraft- oder stoffschlüssig angeordnet ist. Eine derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung schafft eine besonders große an der Wärmeübertragung teilnehmende Oberfläche und erzeugt darüber hinaus eine turbulente Strömung, die den Wärmeübergang verbessert.

Die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas der Wärme- und Kältemaschine können gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zu dem mit der Mantelfläche des jeweiligen Kolbens gebildeten Spalt offen sein, so daß sich eine besonders kompakte und wirtschaftlich herstellbare Konstruktion für den Wärmeüberträger ergibt. Sofern die Kolben der Wärme- und Kältemaschine einen größeren Durchmesser haben, besteht erfindungsgemäß auch die Möglichkeit, die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas durch eine Büchse gegenüber dem Kolbenspalt abzudichten, wobei die Büchse im Bereich des jeweiligen Arbeitsraumes der Maschine mit Ein- und Austrittsöffnungen zu versehen ist.

Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines in einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine eingesetzten Wärmeübertragers anhand eines Längsschnittes durch eine derartige Maschine,

Fig. 2 eine vergrößert dargestellte Stirnansicht der Hälfte des im warmen Teil der Maschine nach Fig. 1 angeordneten Wärmeübertragers,

Fig. 3 eine der Schnittlinie III-III in Fig. 2 entsprechende Darstellung des Wärmeübertragers,

Fig. 4 eine dem oberen Teil der Fig. 2 entsprechende Stirnansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch die obere Hälfte des Wärmeübertra gers nach Fig. 4 gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine der Fig. 4 entsprechende Stirnansicht eines dritten Aus führungsbeispiels,

Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel des Wärmeübertrages entsprechend der Darstellung nach den Fig. 4 bzw. 6 und

Fig. 8 eine weitere, den Fig. 4, 6 bzw. 7 entsprechende Darstellung einer fünften Ausführungsform.

In Fig. 1 ist anhand eines Längsschnittes durch eine nach einem regenerati ven Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine ein erstes Ausfüh rungsbeispiel des Wärmeübertragers dargestellt. Diese Maschine umfaßt ein als Kreiszylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäuse 1, das an seinem einen Ende mit einem Flansch 1a versehen ist, an den ein Motorgehäuse 2 mit einem entsprechenden Flansch 2a angeschraubt wird. Das Motorgehäuse 2 ist nur zum Teil dargestellt. Zwischen den Flanschen 1a und 2a ist ein druckfester Boden 3 angeordnet, der das eine Ende des Gehäuses 1 abschließt.

Am anderen Ende ist das druckdichte Gehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel 4 versehen, der beim Ausführungsbeispiel über Gewinde mit dem zylindrischen Gehäuse 1 verschraubt ist und in dem ein Wärmeerzeuger in Form eines Gas brenners 5 angeordnet ist. Dieser Gasbrenner umfaßt ein zylindrisches Zu fuhrrohr 5a für das Brenngas, das austrittsseitig mit einer Dosierhalbkugel 5b versehen ist. Konzentrisch zu dieser Dosierhalbkugel 5b ist eine als Reakti onsoberfläche wirkende Brennerfläche 5c aus einem Edelstahlgewebe ange ordnet, die die Gaszuströmkammer begrenzt und beim Betrieb des Gasbren ners glüht, so daß der Gasbrenner 5 einen Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgibt. Die entstehenden Rauchgase werden aus einem die halbkugelförmige Brennerfläche 5c umgebenden Brennraum 5d durch ein Ab gasrohr 5e abgezogen, das das Zufuhrrohr 5a des Gasbrenners 5 konzen trisch umgibt.

Die vom Gasbrenner 5 erzeugte Wärme wird durch Strahlung und Konvektion an eine Trennwand 6 abgegeben, die als rotationssymmetrisches Gewölbe, vorzugsweise als Kegelschnitt, beim Ausführungsbeispiel als Halbkugel ausge führt ist und sich in das Innere des Gehäuses 1 wölbt. Beim Ausführungsbei spiel verläuft die halbkugelförmige Wölbung mit gleichbleibendem Abstand zur halbkugelförmigen Brennerfläche 5c des Gasbrenners 5.

Die als Teil des druckdichten Gehäuses 1 ausgeführte Trennwand 6 ist an einem Tragring 6a befestigt, der über eine membranartige Verlängerung 6b mit dem Ende des zylindrischen Gehäuses 1 verbunden ist. Beim Ausfüh rungsbeispiel erfolgen beide Verbindungen durch Verschweißen. Durch Ver wendung von Isolierringen 7a und 7b, die jeweils auf einer Seite der membranartigen Verlängerung 6b einerseits zum Gehäusedeckel 4 und andererseits zum Gehäuse 1 angeordnet sind, wird die Wärmeableitung von der durch den Gasbrenner 5 beheizten Trennwand 6 an das Gehäuse 1 und dessen Gehäusedeckel 4 und damit an die Umgebung erheblich reduziert.

Die vom Gasbrenner 5 erzeugte und von der Trennwand aufgenommene Wärme wird von der Innenseite der Trennwand 6 an ein Arbeitsmedium, vor zugsweise Helium abgegeben, das sich in einem heißen Arbeitsvolumen V_h befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen wird einerseits durch die Trennwand 6 und andererseits durch den Kolbenboden 8a eines Kolbens 8 begrenzt, der li near beweglich im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Kolben 8 ist über eine Kolbenstange 8b mit einem im Motorgehäuse 2 angeordneten Motor bzw. einer Steuerung verbunden, die auf der Zeichnung nicht dargestellt sind.

Der Kolben 8 begrenzt gemeinsam mit einem weiteren Kolben 9 ein warmes Arbeitsmedium V_w. Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen V_k. Diese drei Volumina sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regenera toren R_h, R_k und Wärmeübertragern W_w, W_k verbunden. Der im heißen Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R_h speichert beim Ablauf des regenerativen Gaskreisprozesses einen Teil der an das heiße Arbeitsvolumen V_h abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator R_k übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolumens V_k aus.

Dem beim Ausführungsbeispiel innerhalb des kalten Kolbens 9 ortsfest auf dem Boden 3 angeordneten Wärmeübertrager W_k wird über eine im Boden 3 angeordnete Leitung 3a ein aus der Umgebung entnommenes Medium konti nuierlich zugeführt, das nach Entzug eines Teils seines Wärmeinhalts über eine Leitung 3b in die Umgebung zurückgeführt wird. Der Wärmeübertrager W_w wird durch Anschlußleitungen 10a, 10b mit einem Wärmeträgermedium beschickt, dessen Aufheizung bei der Verwendung der Maschine als Wärme maschine der Energieerzeugung dient. Zur Verbesserung des Wärmeübergan ges von der Trennwand 6 auf das im heißen Arbeitsvolumen V_h befindliche Arbeitsmedium dient ein im Randbereich der Trennwand 6 angeordnetes Leitblech 11, das im Randbereich der Trennwand 6 Strömungskanäle mit kleinem Strömungsquerschnitt bildet, so daß das das heiße Arbeitsvolumen V_h verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trennwand 6 geführt wird, bevor das Arbeitsmedium in den Regenerator R_h eintritt.

Der in den Fig. 2 und 3 vergrößert und als Einzelteil dargestellte Wärmeüber trager W_w besteht aus einem Grundkörper 12, der gemäß Fig. 3 auf seiner mantelseitigen Oberfläche 12a mit mindestens einer, vom Eintritt zum Austritt des Wärmeübertragers W_w verlaufenden Nut 12b versehen ist. Beim Ausfüh rungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 ist diese Nut 12a als eingängige Wendel mit beim Ausführungsbeispiel neun Windungen ausgeführt, deren Anfang und Ende mit den Anschlußleitungen 10a bzw. 10b für das flüssige Wärmeträgermedium versehen sind. Der in der oberen Hälfte der Fig. 3 auf grund der Schnittdarstellung nicht erkennbare wendelförmige Verlauf der Nut 12b ergibt sich deutlich aus der Ansicht des nicht geschnittenen unteren Tei les der Fig. 3. Um die wendelförmig verlaufende Nut 12b des Grundkörpers 12 als Strömungskanal für das wärmeaufnehmende Wärmeträgermedium aus zubilden, ist die mantelseitige Oberfläche des Grundkörpers 12 durch eine Abdeckung 13 abgedichtet, die in der unteren Hälfte der Fig. 2 und 3 zur Darstellung des wendelförmigen Verlaufs der Nut 12b weggelassen wurde. Um eine zuverlässige Abdichtung zwischen Grundkörper 12 und Abdeckung 13 zu erzielen, sind beim Ausführungsbeispiel in der Nähe der Stirnflächen des Grundkörpers 12 Ringnuten 12c für eine auf der Zeichnung nicht darge stellte Dichtung ausgebildet. Die Abdeckung 13 kann ein separates Bauteil, vorzugsweise aus wärmeisolierendem Material, aber auch das Gehäuse 1 der Maschine gemäß Fig. 1 sein.

Auf seiner anderen, beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 innenlie genden Oberfläche 12d ist der Grundkörper 12 mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das wärmeabgebende, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium versehen. Beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 3 ist zu diesem Zweck eine Vielzahl von Axialnuten 12e ausgebildet, die in diesem Fall zum Inneren des Wärmeübertragers hin offen sind, da die not wendige Begrenzung jeweils durch die in Fig. 1 eingezeichneten Kolben 8 bzw. 9 gebildet wird.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines Wär meübertragers unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 dadurch, daß die Axialnuten 12e durch eine Buchse 14 ver schlossen sind, die im Bereich des warmen Arbeitsvolumens V_w der Maschine nach Fig. 1 mit Ein- und Austrittsöffnungen 14a versehen ist.

Das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt, daß der Grundkörper 12 auf seiner innenliegenden Oberfläche 12d anstelle der Axialnuten 12e für das Prozeßgas auch mit einer Schicht 15 aus porösem Material versehen sein kann, durch dessen Poren das wärmeabgebende Prozeßgas strömt. Anstelle einer derartigen Schicht 15 aus porösem Material können die Kanäle für das Prozeßgas auch gemäß Fig. 7 durch einen Körper 16 aus verformten und perforierten Blechen oder gemäß Fig. 8 durch einen Körper 17 aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet werden. In beiden Fällen ist der Körper 16 bzw. 17 kraft- oder stoffschlüssig auf dem Grund körper 12 angeordnet, so daß sich ein guter Wärmeübergang zwischen dem jeweiligen Körper 16 bzw. 17 und dem Grundkörper 12 ergibt.

Bei allen dargestellten Ausführungsformen ergibt sich ein Wärmeübertrager mit geringem Bauvolumen, der kostengünstig hergestellt werden kann und einen hohen Wärmeübertragungswirkungsgrad ergibt. Ein derartiger Wärme übertrager ist nicht nur für die Verwendung in nach einem regenerativen. Gas kreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschinen geeignet, sondern auch für andere Wärmeübertragungsprozesse, beispielsweise in der chemischen In dustrie, einsetzbar.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

1

aFlansch

2

Motorgehäuse

2

aFlansch

3

Boden

3

aLeitung

3

bLeitung

4

Gehäusedeckel

5

Gasbrenner

5

aZufuhrrohr

5

bDosierhalbkugel

5

cBrennerfläche

5

dBrennraum

5

eAbgasrohr

6

Trennwand

6

aTragring

6

bVerlängerung

7

aIsolierring

7

bIsolierring

8

heißer Kolben

8

aKolbenboden

8

bKolbenstange

9

kalter Kolben

10

aAnschlußleitung

10

bAnschlußleitung

11

Leitblech

12

Grundkörper

12

aOberfläche

12

bNut

12

cRingnut

12

dOberfläche

12

eAxialnut

13

Abdeckung

14

Buchse

14

aEin- und Austrittsöffnung

15

Schicht

16

Körper (aus Blechen)

17

Körper (aus Drahtgeflecht)
V_h

heißes Arbeitsvolumen
V_w

warmes Arbeitsvolumen
V_k

kaltes Arbeitsvolumen
R_h

heißer Regenerator
R_k

kalter Regenerator
W_w

Wärmeübertrager
W_k

Wärmeübertrager

Claims

1. Wärmeüberträger mit Trennung der an der Wärmeübertragung teilneh menden Medien und einem Grundkörper, der auf seiner einen Oberfläche mit mindestens einer vom Eintritt zum Austritt verlaufenden Nut versehen ist, die durch eine Abdeckung als Strömungskanal für das eine am Wärmeaustausch teilnehmende, vorzugsweise flüssige Wärmeträger medium abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung in einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine der Grundkörper (12) im zylindri schen Gehäuse (1) der Maschine angeordnet und auf seiner anderen Oberfläche (12d) mit einer Vielzahl von Kanälen und/oder Poren für das andere am Wärmeaustausch teilnehmende, durch das Prozeßgas gebil dete Medium versehen ist.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) mit einer Vielzahl von Vertiefungen (12e) als Kanäle für das Prozeßgas versehen ist.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (12) mit einer Schicht (15) aus porösem Material versehen ist.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für das Prozeßgas durch einen Körper (16 bzw. 17) aus glatten, verformten und/oder perforierten Blechen oder aus einem Drahtgeflecht, Drahtgewebe oder Drahtgewirr gebildet sind, der auf dem Grundkörper (12) kraft- oder stoffschlüssig angeordnet ist.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) als Abdeckung der auf der einen Oberfläche (12a) des Grundkörpers (12) ausgebildeten Nut (12) dient.

6. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas zu dem mit der Mantelfläche des jeweiligen Kolbens (8, 9) gebildeten Spalt offen sind.

7. Wärmeübertrager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Kanäle und/oder Poren für das Prozeßgas durch eine Buchse (14) gegenüber dem Kolbenspalt abgedichtet sind, die im Bereich des jeweiligen Arbeitsraumes (V_w) mit Ein- und Austrittsöff nungen (14a) versehen ist.