DE102024001779A1

DE102024001779A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102024001779A1
Application number: DE102024001779.8A
Authority: DE
Inventors: Robin Kahlfeld; Ruben Steinhoff; Johannes Budau; Paul Gembarski; René Stuke
Original assignee: Funke Waermeaustauscher Appbau GmbH; Leibniz Universitaet Hannover; FUNKE WARMEAUSTAUSCHER APPARATEBAU GmbH
Current assignee: Funke Waermeaustauscher Appbau GmbH; Leibniz Universitaet Hannover; FUNKE WARMEAUSTAUSCHER APPARATEBAU GmbH
Priority date: 2024-05-31
Filing date: 2024-05-31
Publication date: 2025-12-04

Abstract

2. Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen zwei strömungsfähigen Medien mit einem Wärmetauschergehäuse (14), in dem eine Vielzahl einzelner durchströmbarer Zellen (16) in Nebeneinanderanordnung und auf Abstand zueinander gehalten auf einer Zuströmseite von einem Medium (10) versorgt sind, das auf einer Abströmseite aus den Zellen (16) herausgeführt ist und mit einem weiteren Medium (12), das zumindest teilweise zwischen den Abständen der Zellen (16) hindurchgeführt ist, die jeweils aus einem Rohrkörper (26) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (16) allesamt geradlinig und parallel zueinander verlaufend in Gruppen (28) mit mindestens je einer Längsreihe (34) unterteilt sind, die (16) endseitig in jeweils mindestens einen zuordenbaren Längskanal (30, 32) ausmünden, der sich jeweils quer zur Durchströmungsrichtung der Zellen (16) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen zwei strömungsfähigen Medien, mit einem Wärmetauschergehäuse, in dem eine Vielzahl einzelner durchströmbarer Zellen in Nebeneinanderanordnung und auf Abstand zueinander gehalten auf einer Zuströmseite von einem Medium versorgt sind, das auf einer Abströmseite aus den Zellen herausgeführt ist und mit einem weiteren Medium, das zumindest teilweise zwischen den Abständen der Zellen hindurchgeführt ist, die jeweils aus einem Rohrkörper gebildet sind.
Durch EP 3 825 638 B1 ist ein Wärmetauscherkopf bekannt, umfassend: einen primären Fluidkanal, der sich zwischen einer Fluidöffnung und einem ersten verzweigten Bereich erstreckt;
eine Vielzahl von sekundären Fluidkanälen, die an dem ersten verzweigten Bereich mit dem primären Fluidkanal in Fluidverbindung steht, wobei sich die Vielzahl von sekundären Fluidkanälen von dem ersten verzweigten Bereich derart erstreckt, dass seitlich zwischen benachbarten Kanälen der Vielzahl von sekundären Fluidkanälen ein Überhangbereich gebildet ist, und
wobei sich jeder der Vielzahl von sekundären Fluidkanälen zwischen dem ersten verzweigten Bereich und einem zweiten verzweigten Bereich erstreckt;
eine Vielzahl von tertiären Fluidkanälen, die an den zweiten verzweigten Bereichen mit jedem der Vielzahl von sekundären Fluidkanälen in Fluidverbindung steht; wobei der Wärmetauscherkopf als einzelne monolithische Einheit additiv gefertigt ist und eine fraktale Geometrie aufweist, der ferner umfasst:

ein Primärhorn, das einstückig mit dem Überhangbereich ausgebildet ist und sich von diesem erstreckt;
mindestens ein Sekundärhorn, das einstückig mit einem der Vielzahl von tertiären Fluidkanälen ausgebildet ist und sich von diesem erstreckt; und eine Schutz- oder Stützträgerstruktur aufweist, die sich zwischen dem Primärhorn und dem mindestens einen Sekundärhorn erstreckt.

Der primäre Fluidkanal sowie die sekundären und tertiären Fluidkanäle sind röhrenförmig und zumindest teilweise kurvenförmig ausgebildet.
Durch EP 3 193 125 B1 ist ein Wärmetauscher bekannt, umfassend:

ein Wärmetauschergehäuse, das ein erstes Ende und ein entlang einer Strömungsachse dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweist;
eine Vielzahl von Strömungskanälen, die in dem Wärmetauschergehäuse definiert sind und sich axial in Bezug auf die Strömungsachse erstrecken,
wobei ein erster Satz von Strömungskanälen einen ersten Strömungskreislauf bildet, wobei ein zweiter Satz von Strömungskanälen einen zweiten Strömungskreislauf bildet, der in Fluidisolation von dem ersten Strömungskreislauf ist,
wobei jeder Strömungskanal von den anderen Strömungskanälen fluidisch isoliert ist, wobei
jeder Strömungskanal des ersten Strömungskreislaufes einen jeweiligen Einlass an dem ersten Ende des Wärmetauschergehäuses und einen jeweiligen Auslass an dem zweiten Ende des Wärmetauschergehäuses beinhaltet, wobei jeder Strömungskanal des zweiten Strömungskreislaufes einen jeweiligen Einlass an einem von dem ersten und zweiten Ende des Wärmetauschergehäuses und einen jeweiligen Auslass an dem anderen von dem ersten und zweiten Ende des Wärmetauschergehäuses beinhaltet, und wobei die Strömungskanäle alle ein kurvenförmiges Profil besitzen, so dass sich ein sinusförmiges Wellenmuster mit Wellen einer ersten Amplituden- und Wellenlängenkonfiguration, die sich in eine erste Richtung senkrecht zu der Strömungsachse erstrecken, und sich Wellen einer zweiten Amplituden- und Wellenlängenkonfiguration ergeben, die sich in eine zweite Richtung senkrecht zu der Strömungsachse erstreckt.

Durch EP 3 431 911 B1 ist ein Wärmetauscher bekannt, der eine axiale Richtung, eine radiale Richtung und eine Umfangsrichtung definiert, wobei der Wärmetauscher umfasst:

ein Gehäuse, das einen Strömungsdurchlass definiert;
eine Vielzahl von Wärmetauschereinheiten, die entlang der axialen Richtung innerhalb des Strömungsdurchlasses gestapelt sind, wobei jede der Vielzahl von Wärmetauschereinheiten Folgendes umfasst:
- einen ringförmigen äußeren Verteilerkanal in Fluidverbindung mit einer ersten benachbarten Wärmetauschereinheit;
- einen zentralen Verteilerkanal in Fluidverbindung mit einer zweiten benachbarten Wärmetauschereinheit; und
- eine Vielzahl von Wärmetauscherröhren, die in einer Gitterstruktur konfiguriert sind und sich zwischen dem ringförmigen äußeren Verteilerkanal und dem zentralen Verteilerkanal erstrecken.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die bekannten Lösungen weiter zu verbessern, insbesondere bei einem einfachen konstruktiven Aufbau und in kostengünstiger Weise gute Wärmetauscheresultate zu erzielen. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die Zellen allesamt geradlinig und parallel zueinander verlaufend in Gruppen mit mindestens je einer Längsreihe unterteilt sind, die endseitig in jeweils mindestens einen zuordenbaren Längskanal ausmünden, der sich jeweils quer zur Durchströmungsrichtung der Zellen erstreckt, ist ein konstruktiv einfacher, platzsparender Aufbau für den Wärmetauscher als Ganzes erreicht, der sich dergestalt in besonders kostengünstiger Weise mittels additiver Verfahren herstellen lässt. Insbesondere kann dergestalt auf einen konstruktiv aufwendigen Wellen- oder Gitterstrukturaufbau für die röhrenförmigen Zellen verzichtet werden. Des Weiteren ist eine Vielzahl von Kontaktstellen zwischen dem einen und dem weiteren Medium über den Zellenaufbau erreicht, so dass sich ein besonders guter Wärmeübergang ergibt. Aufgrund des geradlinigen Röhrenaufbaus der Zellen in Parallelanordnung ist darüber hinaus innerhalb des Wärmetauschers eine gute Strömungsleitung und Verteilung für das jeweilige fluide Medium entlang der Zellen erreicht, so dass sich eine homogene Strömungsverteilung und insoweit ein energetisch günstiger Betrieb für den Wärmetauscher erreichen lässt. Insbesondere werden gleich von Anfang an alle Zellen gleichmäßig mit fluidem Medium befüllt und von diesem wieder entleert, so dass unmittelbar der gewünschte Wärmetauschereffekt im Betrieb eintritt. Die Wärmetauscherkonstruktion ist kompakt aufbauend und druckfest im Betrieb.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, dass das eine Medium ein zu temperierendes Medium und das weitere Medium ein Temperiermedium ist und dass vorzugsweise je zwei Längsreihen von Zellen eine Gruppe bilden. Dergestalt werden besonders gute Wärmetauscherresultate erzielt, wobei grundsätzlich die Möglichkeit besteht, die Medien auch miteinander zu vertauschen, sprich dass das eine Medium dann das Temperiermedium und das weitere Medium das zu temperierende Medium ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, dass mehrere Gruppen in Nebeneinanderanordnung und zumindest teilweise von Trennwänden in Kompartimente unterteilt, der Längsführung des Temperiermediums innerhalb des Wärmetauschergehäuses dienen. Dergestalt ergibt sich ein verbessertes Durchströmungsverhalten innerhalb des Wärmetauschergehäuses und die Gruppen von Zellen lassen sich in einer Art Spalten- und Zeilenanordnung innerhalb des Wärmetauschergehäuses dicht gepackt und mithin platzsparend unterbringen, wobei die Kompartimentunterteilung die Fluidversorgung für die Zellen verbessert; ebenso der entsprechend konzipierte Fluidablauf.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, dass der jeweilige Längskanal an einer Kanalfläche, die den Rohrkörpern zugewandt ist, einzelne Durchtrittsöffnungen aufweist, in die jeweils ein zuordenbares Ende eines Rohrkörpers eintritt. Vorzugsweise ist dabei ferner vorgesehen, dass die Kanalfläche des Längskanales ausgehend von seiner Mitte zwei Reihen von Durchtrittsöffnungen aufweist, in die paarweise einander gegenüberliegend die Längsreihen von Rohrkörpern mit ihren jeweils zuordenbaren Enden einmünden. Dergestalt ist ein funktionssicherer, platzsparender Aufbau der Zellen innerhalb des Wärmetauschergehäuses erreicht mit einer zentralen Fluidversorgung nebst Abfuhr auf gegenüberliegenden Seiten eines jeden Rohrkörpers.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, dass mindestens an einer vorgebbaren Stirnseite des Wärmetauschergehäuses mit dem Zulauf und dem Ablauf für das zu temperierende Medium einzelne Querkanäle angeordnet sind, die als Sammelkanäle mindestens ein Paar von Längskanälen an einem ihrer freien Enden fluidführend miteinander verbinden. Dergestalt lässt sich in platzsparender Weise außerhalb des Wärmetauschergehäuses der Fluidtransfer zwischen einzelnen Gruppen benachbarter Zellen bei geringer Weglänge herstellen. Vorzugsweise ist dabei ferner vorgesehen, dass im Rahmen einer Kanalführung mit den einzelnen Kompartimenten Paare von kopf- und fußseitigen Längskanälen an die jeweils zwei benachbarte Gruppen als Paar von Rohrkörpern angeschlossen sind, derart über die Querkanäle zusammengeschaltet sind, dass ausgehend von einer zentralen Eintrittsstelle für das zu temperierende Medium sich die Durchströmungsrichtung zwischen jeweils benachbarten Paaren von Gruppen bis zum Erreichen der zentralen Austrittsstellung gegenläufig ändert. Dergestalt ergibt sich ein Kreuzstromprinzip im Rahmen des Wärmetauschers zwischen den verschiedenen Medien, was energetisch besonders günstig ist. Die Anzahl der eingesetzten Kompartimente orientiert sich dabei an der Größe des Wärmetauschers und kann insoweit variieren. Bei einer alternativen Ausgestaltung kann auch nur ein Rohrkörper respektive Zelle zwischen zwei benachbarten, übereinanderliegenden Längskanälen verlaufen oder drei und mehr Rohrkörper respektive Zellen, die in Hintereinanderanordnung in mehrfacher Anzahl wiederum die jeweilige Längsreihe ausbilden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist vorgesehen, dass im Rahmen der Kompartimentbildung zumindest ein Teil der Trennwände in Richtung des einen Endes einer jeden Gruppe einzelne Rohrkörper für eine Queranströmung mit dem Temperiermedium freilässt und dass mindestens eine Trennwand in Richtung der Querkanäle einen Abschluss mit der einen Stirnseite des Wärmetauschergehäuses bildet, so dass beidseitig sich an eine Trennwand anschließende Gruppen von Rohrkörpern, von der Querströmung mit dem Temperiermedium in diesem Bereich in Segmente unterteilt, voneinander getrennt sind. Dank der Trennwände in Richtung der Querkanäle ist eine U-förmige Führung zwischen Zu- und Ablauf für das Temperiermedium erreicht, so dass gleichermaßen alle Zellen innerhalb des Wärmetauschergehäuses von dem Temperiermedium von außen her anströmbar sind. Die jeweilige Trennwand kann beispielsweise bei einer Ausführung des Wärmetauschers mit mehr als 2/3 Kompartimenten auf der Kühlmediums-Seite (mehr als 2 Wege) durchaus auch auf der gegenüberliegenden Seite der Behälterwand angeschlossen sein, sprich gegenüberliegend von der Behälterwand mit den Querkanälen.
Für den additiven Aufbau des Wärmetauschers ist es von Vorteil, wenn die jeweiligen Rohrkörper mit den sich beidseitig anschließenden Längskanälen als Gleichbauteile konzipiert sind und als additives Verfahren kann ein im Stand der Technik übliches 3D-Druckverfahren eingesetzt werden, wobei sich vorzugsweise dergestalt der Wärmetauscher als Ganzes additiv herstellen lässt.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

1 in perspektivischer Draufsicht den Wärmetauscher als Ganzes;
2 den kopfseitig freigeschnittenen Wärmetauscher nach der 1;
3 einen halbseitig im Querschnitt durchgeschnittenen Wärmetauscher nach der 1;
4 den rechten Teil des halbseitig durchgeschnittenen Wärmetauschers nach der 3;
5 in perspektivischer Draufsicht den Zellenaufbau mit endseitig angeschlossenen Längskanälen für einen Wärmetauscherteil nach der 1;
6 eine Längsschnittdarstellung durch eine Gruppe mit zwei Längsreihen von Zellen nach der 5; und
7 eine perspektivische Ansicht auf eine geänderte Kanalführung für einen Wärmetauscher nach der 1.

Der Wärmetauscher nach der 1 dient zur Wärmeübertragung zwischen zwei strömungsfähigen Medien 10, 12, die zusammen mit ihrer jeweiligen Fluidströmungsrichtung mit Pfeilen wiedergegeben sind. Das eine Medium 10 ist dabei ein zu temperierendes Medium und das weitere Medium 12 ein sogenanntes Temperiermedium. Bei dem Temperiermedium kann es sich beispielsweise um ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln, das von einem separaten, nicht dargestellten Kühlkreislauf stammt und das zu temperierende Medium kann Wasserstoff sein, wie er zur Versorgung von Brennstoffzellen, beispielsweise in Fahrzeugen, in üblicher Weise Verwendung findet. Dahingehend zur Abgabe vorgesehener Wasserstoff kann einen Druck von beispielsweise 875 bar aufweisen und ist entsprechend vor dem Abgabe- oder Tankprozess an einer Tankstelle entsprechend vorzukühlen, wofür das Temperiermedium 12 aus dem genannten Kühlkreislauf verwendet ist. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch für andere Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Wärmeübergang zwischen zwei verschiedenen Medien vorzunehmen ist. Dergestalt ließe sich ein zu temperierendes Medium über das Temperiermedium auch erwärmen.
Der Wärmetauscher weist ein kastenförmiges Wärmetauschergehäuse 14 auf, in dem gemäß der Darstellung nach den 3 bis 6 eine Vielzahl einzelner durchströmbarer Zellen 16, in Nebeneinanderanordnung und auf Abstand 17 zueinander gehalten, auf einer Zuströmseite mittels eines Zuströmanschlusses 18 das Medium 10 zugeführt bekommen, das auf einer Abströmseite mit dem Abströmanschluss 20 aus den einzelnen Zellen 16 wieder herausgeführt ist. Das weitere Temperiermedium 12 wird gemäß den Darstellungen nach den 3 und 4 zwischen den freien Abständen 17 der Zellen 16 hindurchgeführt, was wiederum in Pfeildarstellung verdeutlicht ist. Das Temperiermedium 12 respektive das Wasser-Glykol-Gemisch wird in das Wärmetauschergehäuse 14 über einen Zulauf 22 zugeführt und über einen Ablauf 24 wieder abgeführt, was mit der zugehörigen Pfeildarstellung entsprechend symbolisiert dargestellt ist. Der Zuströmanschluss 18 sowie der Abströmanschluss 20 für das Medium 10 sind in Blickrichtung auf die 1 gesehen gemeinsam in einer horizontalen Ebene gegenüber der darunter liegenden gleichfalls horizontalen Ebene mit dem Zulauf 22 sowie dem Ablauf 24 für das Medium 12 angeordnet. Anschlüsse beider Medien können auf beliebigen Seiten des Apparates umgesetzt werden, solange sich die Anschlüsse des jeweils einen Mediums auf der gleichen oder der gegenüberliegenden Seite mit dem anderen Medium befinden. Demgemäß verlaufen die Zuström- und Abströmrichtungen entlang der Pfeile für die beiden Medien 10, 12 gegenläufig, was einen Anhalt dafür gibt, dass der Wärmetauscher als Kreuzstromwärmetauscher arbeitet. Andere Betriebsarten, wie ein Gegenstrombetrieb, sind gleichfalls möglich.
Gemäß der Darstellung nach den 3 folgende sind die einzelnen Zellen 16 aus jeweils einem Rohrkörper 26 gebildet, wie er im Längsschnitt näher in der 6 dargestellt ist. Alle Zellen 16 respektive alle Rohrkörper 26 sind geradlinig und parallel zueinander verlaufend in Gruppen 28 mit je zwei Längsreihen 34 von Zellen 16 gebildet, die endseitig in jeweils einen gemeinsamen oberen und unteren Längskanal 30 bzw. 32 ausmünden, der sich jeweils quer zur vertikalen Durchströmungsrichtung der Zellen 16 erstreckt. Der dahingehende Aufbau ergibt sich exemplarisch aus der 6, wobei anstelle der gezeigten Anordnung mit zwei Längsreihen 34 auch nur eine Längsreihe mit hintereinander angeordneten Zellen 26 verwendet sein kann (nicht dargestellt).
Wie sich weiter aus den 3 und 4 ergibt, sind mehrere Gruppen 28 in Nebeneinanderanordnung und zumindest teilweise von Trennwänden 36 in Kompartimente 38 unterteilt, die zur Unterstützung der Längsführung des Temperiermediums 12 innerhalb des Wärmetauschergehäuses 14 dienen. Insgesamt unterteilen die Trennwände 36 die Zellen 16 in acht Gruppen 28 respektive Kompartimente 38 mit je zwei parallel zueinander verlaufenden Längsreihen 34. Die Trennwände 36 sind des Weiteren in einen Hohlraum 40 eingebracht, der sich gemäß der Darstellung nach der 6 ergibt, wenn zwei benachbarte Längsreihen 34 auf ihren freien einander gegenüberliegenden Längsrändern über die jeweilige Einfassung 41 der Längskanäle 30, 32 miteinander einstückig verbunden sind. Bis auf die mittlere Trennwand 36 sind die anderen Trennwände 36 in den Hohlraum 40 derart eingebracht, dass in Blickrichtung auf die 3 und 4 gesehen nach vorne und hinten jeweils vier Querreihen 43 von Zellen 26 frei bleiben, wohingegen die mittlere Trennwand 34 im hinteren Bereich in einer vertikalen Ebene bündig mit den anderen Trennwänden 36 abschließend nach vorne bis zur vorderen Stirnwand respektive Stirnseite 42 des Wärmetauschergehäuses 14 geführt ist und dergestalt einstückig in das Wärmetauschergehäuse 14 übergeht. Die Anzahl der frei bleibenden Querreihen 43 von Zeilen 26 kann bei einem vom vorliegenden Beispiel abweichenden Wärmetauscher von der Zahl vier auch abweichen. Die Anzahl aller genannten Komponenten ist mithin abhängig von der Länge und Breite eines Grundrisses, welches der Wärmetauscher bodenseitig aufspannt. Dieser Grundriss ist nahezu beliebig vorgebbar.
Wie sich insbesondere aus der 6 weiter ergibt, weist der jeweilige Längskanal 30, 32 an einer Kanalfläche, die den Rohrkörpern 26 zugewandt ist, einzelne Durchtrittsöffnungen 44 auf, in die jeweils ein zuordenbares freies Ende eines Rohrkörpers 26 eintritt. Die Kanalfläche eines jeden Längskanales 30, 32 weist also ausgehend von seiner Mitte in Längsrichtung gesehen zwei Reihen von Durchtrittsöffnungen 44 auf, in die paarweise einander gegenüberliegend die Längsreihen 34 von Rohrkörpern 26 mit ihren jeweils zuordenbaren Enden einmünden. Des Weiteren sind an einer vorgebbaren, im vorliegenden Fall vorderen Stirnseite 42 des Wärmetauschergehäuses 14 mit dem Zulauf 22 und dem Ablauf 24 für das Temperiermedium 12 bodenseitig zwei einzelne Querkanäle 46 mit gleicher Wegstrecke vorhanden, die als Sammelkanäle jeweils zwei Paare von unteren Längskanälen 32 an einem ihrer freien stirnseitigen Enden fluidführend miteinander verbinden; im vorliegenden Fall die vorderen Enden. Dergestalt werden vier nebeneinanderliegende untere Längskanäle 32 über den zuordenbaren Sammel- oder Querkanal 46 fluidführend miteinander verbunden, so dass sich im Rahmen der Kanalführung mit den einzelnen Kompartimenten 38 Paare von kopf- und fußseitigen Längskanälen 30, 32 ergeben. An diese sind jeweils benachbarte Gruppen 28 als Paare von Rohrkörpern 26 derart angeschlossen, die über die beiden Querkanäle 46 bodenseitig zusammengeschaltet sind, dass ausgehend von der zentralen Eintrittsstelle in Form des Zuströmanschlusses 18 für das zu temperierende Medium 10 sich die Durchströmungsrichtung zwischen jeweils benachbarten Paaren von Gruppen 28 bis zum Erreichen der zentralen Austrittsstellung in Form des Abströmanschlusses 20 gegenläufig ändert. Die dahingehend paarweise Strömungsumkehr für den oberen Kopfbereich des Wärmetauschers ergibt sich insbesondere aus der kopfseitig freigeschnittenen Darstellung nach der 2 unter Einbezug eines weiteren oberen Querkanals 46, der an zentraler Stelle mittig angeordnet die Verbindung von vier benachbarten oberen Längskanälen 30 herstellt. Der einfacheren Darstellung wegen sind dabei die Durchtrittsöffnungen 44 in 2 weggelassen und alle Querkanäle 46, 48 sind an das Wärmetauschergehäuse 14 von außen her durch additive Fertigung angebracht.
Unter Einbezug der Darstellung nach der 2 ergibt sich dann in Blickrichtung, ausgehend von dem Zuströmanschluss 18 für das Medium 10, eine Durchströmung der oberen beiden, parallel zueinander verlaufenden Längskanäle 30 von rechts nach links oder von vorne nach hinten und dann gemäß der Pfeildarstellung durch die einzelnen Zellen 16 hindurch in vertikaler Richtung von oben nach unten. Der dahingehende Fluidstrom tritt dann in die beiden unteren, gegenüberliegenden Längskanäle 32 ein, die an ihrer vorderen freien Stirnseite in den Querkanal 46 ausmünden. Von dort erfolgt dann über die beiden nachfolgenden, unteren Längskanäle 32 die Durchströmung von unten nach oben und der Fluidstrom mündet dann wieder über die einzelnen Durchtrittsöffnungen 44 in das nachfolgende Paar von oberen Längskanälen 30 aus und zwar nunmehr in Gegenstromrichtung von links nach rechts respektive von hinten nach vorne. Über den weiteren zuoberst angeordneten Querkanal 48 im Kopfteil erfolgt dann das Überströmen in das nachfolgende Paar von oberen Längskanälen 30 und die Durchströmung erfolgt für den sich anschließenden zweiten Teil von Längskanälen 30, 32 ebenso wie für den ersten Teil. Nach Durchströmen des weiteren unteren Querkanals 46 mündet dann der Fluidstrom mit dem zu temperierenden Medium 10 über die abschließenden beiden oberen Längskanäle 30 von links nach rechts aus dem Abströmanschluss 20 des Wärmetauschergehäuses 14 aus, wobei zwischen Zuströmanschluss 18 und Abströmanschluss 20 der Wärmeaustausch mit dem Temperiermedium 12 innerhalb des Wärmetauschergehäuses 14 stattgefunden hat. Insoweit wird bedarfsweise das Temperiermedium 12 über Zulauf 22 und Ablauf 24 dem Inneren des Wärmetauschergehäuses 14 zu- bzw. abgeführt.
Dergestalt lässt im Rahmen der Kompartimentbildung zumindest ein Teil der Trennwände 36 in Richtung des jeweils einen Endes einer jeden Gruppe 28 einzelne Rohrkörper 26 für eine Queranströmung 50 (siehe 3 und 4) mit dem Temperiermedium 12 frei, wobei wie bereits dargelegt mindestens eine Trennwand 36, im vorliegenden Fall die mittlere Trennwand, in Richtung der unteren Querkanäle 46 sowie des oberen Querkanals 48 und dazwischen liegend einen Abschluss mit der einen vorderen Stirnwand respektive Stirnseite 42 des Wärmetauschergehäuses 14 bildet, so dass jedenfalls beidseitig sich unmittelbar an die jeweilige Trennwand 36 anschließende Gruppen 28 von Rohrkörpern 26, von der Querströmung 50 mit dem Temperiermedium 12 in diesem Bereich in Segmente I, II unterteilt, voneinander getrennt sind. Wie insbesondere die 5 zeigt, sind die jeweiligen Rohrkörper 26 mit den sich beidseitig anschließenden Längskanälen 30, 32 nach oben bzw. unten hin als Gleichbauteile konzipiert, so dass sich deren Aufbau mittels eines additiven Verfahrens ohne Weiteres durchführen lässt, unter gleichzeitiger Erstellung des Wärmetauschergehäuses 14 mit den jeweiligen Anschlüssen 18, 20, 22 und 24.
Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel bestehen also vier gegenläufige Fluidwege auf der Innenseite des Wärmetauschergehäuses 14, gebildet durch die jeweils einander benachbarten Paare von oberen und unteren Längskanälen 30 bzw. 32, die den einzelnen Segmenten I, II zurechenbar sind. Ferner gibt es drei Fluidwege auf der Außenseite des Wärmetauschergehäuses 14, an dessen freier Stirnseite 42 über die beiden unteren Querkanäle 46 und den obigen mittig angeordneten, weiteren Querkanal 48. Über die Kompartimentaufteilung ergeben sich insoweit acht Verteilergruppen 28 mit acht Reihen 34 von je zwei nebeneinanderliegenden und parallel zueinander verlaufenden Rohrkörpern 26. Insoweit ergeben sich gemäß der Darstellung nach der 3 insgesamt 16 in Längs- und Querreihen parallel zueinander verlaufende Zellen 16 mit hohlzylindrischen Rohrkörpern 26, die zwischen sich jeweils einen Fluiddurchlass für das Medium 12 in Form der Abstände 17 sowie der Hohlräume 40 miteinander begrenzen. Demgemäß wird das zu temperierende Medium 10 auf der Innenseite durch die jeweiligen Rohrkörper 26 in Hintereinanderanordnung geführt, wohingegen das Temperiermedium 12 auf der Außenseite der Zellen 16 die dahingehende Rohrbündelstruktur für einen Wärmetausch umströmt. Das dahingehende Zellenmodell mit den einzelnen Zellen 16 erlaubt einen Kreuzstrombetrieb für den Wärmetauscher als Ganzes. Die Realisierung anderer Betriebsarten für einen Wärmetauscher ist möglich.
Wie sich aus der 4 ergibt, wird der Fluidstrom mit dem Medium 12 auf der Außenseite der Zellen 16 geführt und durchströmt dabei anströmseitig ein Wärmetauschgebiet mit vier Gruppen 28 zu je zwei Längsreihen 34 mit Rohrkörpern 26. Aus dem entlang der Kompartimente 38 geführten Längs- oder Parallelstrom ergibt sich im rückwärtigen Bereich der von den Trennwänden 36 freigelassen ist die Querströmung 50, und anschließend erfolgt in umgekehrter Richtung wiederum abströmseitig die Durchströmung mit dem Medium 12 vom rückwärtigen Bereich in den vorderen Bereich mit dem Ablauf 24. Insoweit bildet der Zuströmbereich für das Medium 12 das eine Segment I und der Abströmbereich das sich in Folge anschließende zweite Segment II aus.
Die 7 zeigt in perspektivischer Draufsicht eine gegenüber den bisher vorgestellten Lösungen geänderte Kanalführung für das zu temperierende Medium 10 auf. Hierdurch ergibt sich eine höhere Druckfestigkeit. Der einfacheren Darstellung wegen wurden die sonstigen Teile des Wärmetauschers, wie sein Gehäuse 14, in der 7 weggelassen. Insoweit ist also nur der Innenraum zu sehen, in dem das zu temperierende Medium strömt. Die Kanalführung nach der 7 weist acht kopfseitige und acht fußseitige Längskanäle 30 bzw. 32 auf, die in ihrem rückwärtigen Bereich mittels kappenartiger Verschlussteile 52 mediendicht verschlossen sind. Demgegenüber befinden sich an der vorderen Stirnseite der Zuströmanschluss 18 sowie der Abströmanschluss 20 für das zu temperierende Medium 10, wie beispielsweise Wasserstoff. Die einander paarweise in einer vertikalen Ebene gegenüberliegenden oberen und unteren Längskanäle 30 bzw. 32 sind über die sich quer erstreckenden Rohrkörper 26 miteinander verbunden, die die einzelnen Zellen 16 für die Fluidführung, insbesondere Wasserstoffführung, zwischen den Längskanälen 30, 32 ausbilden. Insoweit bilden die Rohrkörper 26 respektive die Zellen 16 für ein Paar benachbart gegenüberliegender Längskanäle 30, 32 zwei parallel zueinander verlaufende Längsreihen 34 einer Gruppe 28 aus, die allesamt im Wesentlichen einen gleichen Abstand 17 zueinander einnehmen; auch in Bezug auf eine in der Fluidführung nachfolgende Kanalreihe mit weiteren Paaren von Längskanälen 28, 30, die in vertikal verlaufenden Ebenen angeordnet sind.
Der in Blickrichtung auf die 7 ganz links und zuoberst angeordnete Längskanal 30.1, der an den Zuströmanschluss 18 für das Medium 10 angeschlossen ist, gibt dieses an den in der vertikalen Ebene darunter liegenden Längskanal 32.1 weiter, der zur weiteren Fluidversorgung an den dritten, unteren Längskanal 32.3 über einen ersten unteren Querkanal 46.1 angeschlossen ist.
Der daneben liegende obere, kopfseitige Längskanal 30.2, der im untersuchten Betriebspunkt gleichfalls zu gleichen Teilen das Medium 10 über den Zuströmanschluss 18 erhält, gibt parallel und gleichzeitig das Medium 10 an den fußseitigen Längskanal 32.2 weiter und von dort aus erfolgt die Medienabgabe über den weiteren unteren, zweiten Querkanal 46.2, der dabei den ersten unteren Querkanal 46.1 an diese Stelle übergreift, an den unteren vierten Längskanal 32.4. Anschließend erfolgt der weitere Medientransport vom dritten und vierten unteren Längskanal 32.3 und 32.4 an die fluidführend zugehörigen oberen Längskanäle 30.3 bzw. 30.4.
Der dritte obere Längskanal 30.3 gibt dann in Folge das Fluid über den ersten oberen Querkanal 48.1 an den fünften kopfseitigen Längskanal 30.5 weiter und der vierte obere Längskanal 30.4 an den sechsten oberen Längskanal 30.6 mittels eines zweiten oberen Querkanals 48.2, der in diesem Übergabebereich den ersten oberen Querkanal 48.1 übergreift. Daran anschließend erfolgt im Betrieb des Wärmetauschers erneut eine Fluidabgabe an den weiteren unteren Längskanalbereich mit den weiteren unteren Längskanälen, wie bereits für die ersten Reihen prinzipiell vorgestellt, solange bis das temperierte Medium 10 den Wärmetauscher über den obigen Abströmanschluss 20 verlässt. Zwischen den gezeigten Rohrkörpern 26 respektive den Zellen 16 strömt in die hierdurch gebildeten Abstände 17 respektive Zwischenräume das Temperiermedium 12. Andere Kanalführungen sind hier möglich, so dass sich in einem sehr weitgezogenen Anwendungsbereich der Wärmetauscher für Temperieraufgaben einsetzen lässt.
Die vorgestellte Wärmetauscherlösung ist ausgesprochen eigenstabil und zeichnet sich durch eine enorme Druckfestigkeit auf der Wasserstoffseite aus (beispielhaft 1.050 bar), was sich hauptsächlich aus der additiven Fertigung, ohne weiteres Fügen, verbundener Rohrgeometrien in Kombination mit entsprechenden Wandstärken ergibt. Die Grundgeometrie besteht dabei aus Rohren respektive zylindrischen Rohrkörpern 26 mit einem Innendurchmesser von 1 bis 3 mm, bevorzugt 2 mm (sogenannte Mini-Channel-Wärmeübertragung). Neben der angesprochenen Wasserstoffanwendung kann der Wärmetauscher auch für andere Medien Verwendung finden, wie beispielsweise CNG, Hochdruckluft, CO2 etc.
Als additive Fertigungsverfahren kommen übliche 3D-Druckverfahren zum Einsatz, wie beispielsweise Laser-Druckverfahren. Bevorzugt wird dabei im Rahmen des additiven Herstellverfahrens ein übliches Metallpulver verwendet. Des Weiteren versteht es sich, dass im Hinblick auf den modularen Aufbau des Wärmetauschers, wie beschrieben, auch eine größere oder kleinere Zellenanzahl im Rahmen des additiven Aufbaus möglich ist. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3 825 638 B1 [0002]
EP 3 193 125 B1 [0004]
EP 3 431 911 B1 [0005]

Claims

Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen zwei strömungsfähigen Medien (10, 12), mit einem Wärmetauschergehäuse (14), in dem eine Vielzahl einzelner durchströmbarer Zellen (16) in Nebeneinanderanordnung und auf Abstand (17) zueinander gehalten auf einer Zuströmseite von einem Medium (10) versorgt sind, das auf einer Abströmseite aus den Zellen (16) herausgeführt ist und mit einem weiteren Medium (12), das zumindest teilweise zwischen den Abständen (17) der Zellen (16) hindurchgeführt ist, die jeweils aus einem Rohrkörper (26) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (16) allesamt geradlinig und parallel zueinander verlaufend in Gruppen (28) mit mindestens je einer Längsreihe (34) unterteilt sind, die (16) endseitig in jeweils mindestens einen zuordenbaren Längskanal (30, 32) ausmünden, der sich jeweils quer zur Durchströmungsrichtung der Zellen (16) erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Medium (10) ein zu temperierendes Medium und das weitere Medium Temperiermedium (12) ist und dass vorzugsweise je zwei Längsreihen (34) von Zellen (16) eine Gruppe (28) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen (28) in Nebeneinanderanordnung und zumindest teilweise von Trennwänden (36) in Kompartimente (38) unterteilt, der Längsführung des Temperiermediums (12) innerhalb des Wärmetauschergehäuses (14) dienen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Längskanal (30, 32) an einer Kanalfläche, die den Rohrkörpern (26) zugewandt ist, einzelne Durchtrittsöffnungen (44) aufweist, in die jeweils ein zuordenbares Ende eines Rohrkörpers (26) eintritt.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalfläche des Längskanales (30, 32) ausgehend von seiner Mitte zwei Reihen von Durchtrittsöffnungen (44) aufweist, in die paarweise einander gegenüberliegend die Längsreihen (34) von Rohrkörpern (26) mit ihren jeweils zuordenbaren Enden einmünden.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer vorgebbaren Stirnseite (42) des Wärmetauschergehäuses (14) mit dem Zulauf (22) und dem Ablauf (24) für Temperiermedium (12) einzelne Querkanäle (46, 48) angeordnet sind, die als Sammelkanäle mindestens ein Paar von Längskanälen (32) an einem ihrer freien Enden fluidführend miteinander verbinden.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen einer Kanalführung mit den einzelnen Kompartimenten (38) Paare von kopf- und fußseitigen Längskanälen (30, 32) an die jeweils zwei benachbarte Gruppen (28) als Paar von Rohrkörpern (26) angeschlossen sind, derart über die Querkanäle (46, 48) zusammengeschaltet sind, dass ausgehend von einer zentralen Eintrittsstelle (18) für das zu temperierende Medium (10) sich die Durchströmungsrichtung zwischen jeweils benachbarten Paaren von Gruppen (28) bis zum Erreichen der zentralen Austrittsstellung (20) gegenläufig ändert.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Kompartimentbildung zumindest ein Teil der Trennwände (36) in Richtung des einen Endes einer jeden Gruppe (28) einzelne Rohrkörper (26) für eine Queranströmung (50) mit dem Temperiermedium (12) freilässt und dass mindestens eine Trennwand (36) in Richtung der Querkanäle (46, 48) einen Abschluss mit der einen Stirnseite (42) des Wärmetauschergehäuses (14) bildet, so dass beidseitig sich an eine Trennwand (36) anschließende Gruppen (28) von Rohrkörpern (26), von der Querströmung (50) mit dem Temperiermedium (12) in diesem Bereich in Segmente (I, II) unterteilt, voneinander getrennt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Rohrkörper (26) mit den sich beidseitig anschließenden Längskanäle (30, 32) als Gleichbauteile konzipiert sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mittels eines additiven Verfahrens, wie im 3D-Druck, als Ganzes herstellbar ist.