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WO2011003444A1 - Wärmetauschsystem, sowie ein verfahren zum betreiben eines wärmetauschsystems - Google Patents

Wärmetauschsystem, sowie ein verfahren zum betreiben eines wärmetauschsystems Download PDF

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WO2011003444A1
WO2011003444A1 PCT/EP2009/058632 EP2009058632W WO2011003444A1 WO 2011003444 A1 WO2011003444 A1 WO 2011003444A1 EP 2009058632 W EP2009058632 W EP 2009058632W WO 2011003444 A1 WO2011003444 A1 WO 2011003444A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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heat exchanger
heat
heat exchange
transport
exchange system
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/058632
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger König
Franz Summerer.
Original Assignee
A-Heat Allied Heat Exchange Technology Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by A-Heat Allied Heat Exchange Technology Ag filed Critical A-Heat Allied Heat Exchange Technology Ag
Priority to PCT/EP2009/058632 priority Critical patent/WO2011003444A1/de
Priority to CN2009801603516A priority patent/CN102472602A/zh
Priority to CA2767378A priority patent/CA2767378A1/en
Priority to JP2012518760A priority patent/JP2012532306A/ja
Priority to RU2012104027/06A priority patent/RU2012104027A/ru
Priority to EP09780284A priority patent/EP2452148A1/de
Priority to MX2012000210A priority patent/MX2012000210A/es
Priority to AU2009349362A priority patent/AU2009349362A1/en
Priority to US13/382,635 priority patent/US20120199310A1/en
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    • F28D1/05383—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits
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    • F28F1/325—Fins with openings
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    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • Heat exchange system and a method for operating a
  • the invention relates to a heat exchange system and a method for operating and determining a degree of soiling of a
  • Heat exchangers are used in refrigerators, e.g. in ordinary
  • Heat exchangers " which may also be referred to as” tube heat exchangers ", and on the other hand to” Minnichannel ",
  • the laminated tube heat exchangers serve, like all types of heat exchangers, to transfer heat between two media, eg, but not only, to transfer from a cooling medium to air or vice versa, as is known, for example, from a classic household refrigerator in which over the
  • Refrigerator is given off heat to the ambient air.
  • the ambient medium outside of the heat exchanger eg water, oil or often simply the ambient air, for example, absorbs the heat or is transferred from the heat to the heat exchanger is either cooled or heated accordingly.
  • the second medium may be, for example, a liquid refrigerant or heat transfer medium or an evaporating or condensing heat medium.
  • heat means is to be understood as meaning any fluid which can be advantageously used in a heat exchanger.
  • heating means thus encompasses both the conventional refrigerants known in the art and any other suitable heating means or refrigerants .
  • the heat exchanger is a simple radiator, for example a radiator in an internal combustion engine, then the heating means may be in the Special, of course, simply be water or oil, which circulates as a coolant through the heat exchanger.
  • the surrounding medium e.g. the air
  • the second medium e.g. the coolant that circulates in the heat exchanger system. This is due to very different heat transfer surfaces for the two media
  • FIG. 2 shows a heat exchange system according to the invention with a laminated tubular heat exchanger known per se.
  • the hillsau seh system is formed by a variety of such elements.
  • the slat distance is for
  • thermodynamically it should be as small as possible, but not so small that the air-side pressure drop is too large.
  • An economic optimum is about 2 mm, which is a typical value for condenser and recooler.
  • the efficiency is essentially determined by the fact that the heat that is transferred between the fin surface and the air, must be transmitted through heat conduction through the fins to the pipe. This heat transfer is all the more effective, the higher the conductivity or the thickness of the lamella, but also the smaller the distance between the tubes. This is called the lamella efficiency.
  • a lamellar material is therefore nowadays predominantly aluminum used, which has a high thermal conductivity (about 220 W / mK) to economic conditions.
  • the pipe pitch should be as small as possible, but this leads to the problem that you need many pipes.
  • Many pipes mean high costs because the pipes (usually made of copper) are considerably more expensive than the thin aluminum fins. This material could be reduced by reducing the tube diameter and wall thickness, i.
  • Microchannel heat exchangers have been developed that are manufactured using a completely different process, almost laminating the ideal image
  • Tubular heat exchanger correspond: many small tubes with small distances.
  • FIG. 1 Embodiment of FIG. 1 used and shown schematically.
  • a heat exchanger depending on the required heat output, already with a single extruded profile as the central
  • Such profiles can e.g. be made easily and in a variety of forms from a variety of materials in suitable extrusion. But also other manufacturing processes for the production of
  • Mini-channel heat exchangers are known, such as e.g. the assembly of suitably shaped profile sheets or other suitable methods.
  • Minnichannel heat exchanger flows, and the air, for example, heat should be issued, similar to the laminated tubular heat exchange also often used fins.
  • louvers are usually roof-shaped
  • Heat exchange can be further increased.
  • This measure has long been known, the specific geometric design of the Louver depending on the application can be very different. In the simplest case, a Louver simply a slot, so an elongated narrow recess or opening in the lamella.
  • Microchannel heat exchangers create a heat exchanger with a very high fin efficiency and a very small filling volume
  • Minichannel heat exchangers were previously limited in size to be eligible. Many small modules would have to be connected consuming.
  • the use of aluminum in the extruded profiles is relatively high, so that hardly a cost advantage was expected from the use of materials.
  • a problem with all previously known heat exchange systems is the pollution of the system components of the system tau seh, in particular the heat exchanger itself, that is, especially the fins of the heat exchanger, which in principle not in the operating condition
  • Air-applied heat exchangers such as e.g. Condensers or recoolers often work in contaminated environments. Contamination of the air may be natural (pollen, insects, dust, leaves, etc.) or industrial (grinding dust, tire wear, flour dust, cardboard dust, etc.). Many impurities remain on the airborne
  • Heat exchangers hang and add to it over time.
  • the heat exchangers where, for example, the cooling air is guided past with the aid of appropriate fan can be polluted by such and other contaminants of all kinds that are contained in the cooling air with time more and more, which may for example lead to the heat transfer coefficient of the surface of the heat exchanger is lowered, so that the heat transfer performance is significantly reduced. This can lead to increased operating costs or in extreme cases, the heat exchange system can no longer provide the required heat exchange performance, which can lead to serious damage in the worst case.
  • Louvers particularly susceptible to contamination are the above-mentioned Louvers. Especially these provide a good grip for all types of contamination.
  • the dirt accumulates on the edges of the Louvers in the slats and thus lead to a deterioration of the heat transfer of the lamella and thus to loss of performance of the heat exchanger, resulting in an increase in consumption of Energy, right down to one
  • the heat exchanger To counteract contamination, the heat exchanger must be either regularly cleaned consuming or provided with an appropriate filter. However, the filters must be cleaned regularly. It is in the known systems, the cleaning of the heat exchanger alone for design reasons, for example because of
  • Heat exchanger in the installed state is not readily accessible directly, cumbersome so consuming and expensive.
  • heat exchange systems require opening a housing, e.g. the heat exchanger itself or other essential
  • Pollution of the heat exchange system must be known, and although preferably not only qualitatively but also quantitatively must be known and especially the change in pollution as a function of time must be detectable.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved
  • a heat exchange system which overcomes the problems known from the prior art and in particular allows to continuously monitor the degree of contamination of the heat exchange system, in particular the fins of the heat exchanger.
  • a heat exchange system is proposed in which certain relevant Bethebsgrössen can be adapted to the changing pollution of the heat exchange system, so that a heat transfer performance of the heat exchanger or the entire heat exchange system can be optimized over a longer period of operation, and also over long periods of operation a predefinable
  • Heat transfer performance is guaranteed even with increasing pollution.
  • a predeterminable degree of contamination is detected automatically, so that the optimal time for necessary cleaning work is automatically recognizable without much effort.
  • the invention thus relates to a heat exchange system comprising a
  • Transport fluid and a flowing through the flow channel in the operating state heating means is the Transportfluidum on a
  • Inlet surface can be brought into flowing contact with the heat exchanger, and via an outflow from the heat exchanger again wegwoodbar.
  • a pollution sensor in the form of a pressure sensor and / or a speed sensor, with which a
  • Transport characteristic which is characteristic of the flow of the transport fluid from the inflow over the outflow surface determinable.
  • Pollution sensor is already detected before the pressure drop across the heat exchanger increases significantly. It is in fact an essential realization of the invention that the power take-off of the heat exchanger is already used massively even at a degree of contamination in which the increasing contamination of the heat exchanger does not lead to an increase in the pressure loss across the heat exchanger. But in the
  • the present invention it is possible for the first time, from the characteristic transport characteristic of the heat exchanger, for example, from the pressure drop across the heat exchanger or from a
  • Flow rate of the transport fluid e.g. the one by the
  • Contamination of réelletau seh system are compensated, for example, by a performance of a fan, which conveys the air for heat exchange through the heat exchanger, in its performance as a function of Pollution degree is adjusted. Or by a flow or an operating pressure of a heating medium is suitably readjusted by the heat exchanger or another operating variable is adjusted accordingly. It is possible in a particularly important for practice embodiment of the present invention, to determine the degree of contamination of the heat exchange system continuously, if necessary not only qualitatively, but also quantitatively, in particular, the
  • Heat exchange system to be monitored continuously.
  • Heat transfer performance of the heat exchanger or the entire heat exchange system even over a longer period of operation, even with increasing pollution is constantly optimized, which also over long periods of operation regardless of the pollution of the
  • Heat exchanger ensures a predetermined heat transfer performance.
  • a predefinable degree of contamination can be automatically detected by the invention, so that the optimum time for necessary cleaning and maintenance is automatically recognizable without much effort.
  • the invention is based on the knowledge that a
  • the transport parameter can, for example, a
  • the transport characteristic may also be a pressure of the transport fluid, for example a pressure of the air before it enters the heat exchanger via the inflow surface, or a pressure during or after the outflow over the outflow surface of the heat exchanger.
  • the transport parameter is a pressure difference or a pressure drop across the heat exchanger.
  • a look-up table or a mathematical function can be generated, which reflects the degree of soiling of the heat exchange system depending on the pressure loss and / or an absolute pressure value and / or a characteristic flow velocity of the transport fluid, possibly further parameters such For example, the speed of a fan, a temperature or other parameters or operating and
  • the invention can be used in heat exchangers that a blade to increase the effective
  • Heat transfer surface wherein the blade is preferably equipped with the initially provided Louvern.
  • the contamination of the Louvers initially leads to a reduced pressure loss, as will be explained later with reference to FIG. 5.
  • the pressure loss as a function of the amount of pollution initially falls to a minimum, and then increase again as pollution progresses. That means, the
  • Pressure loss across the heat exchanger initially decreases with increasing pollution, completely different than expected.
  • Embodiment a very simple contamination sensor for measuring the pressure loss installed on a novel heat exchange system that detects a drop in pressure loss across the heat exchanger and thus can measure the degree of pollution, preferably time-dependent.
  • Variable speed fans according to EC technology can, among other things, also use the current consumption of the motor as a signal.
  • a lamella can be provided in a particularly important embodiment for increasing the rate of heat exchange on a flow segment, wherein a flow-through opening, in particular in the form of a Louver, is preferably provided on the lamella.
  • Heat exchange system a microchannel heat exchanger and / or at least one heat exchanger is a tubular heat exchanger.
  • a transport device is known per se in a manner known per se.
  • a fan may be provided for transporting the transport fluid from the inflow surface to the outflow surface, wherein in practice the transport fluid is very often the ambient air.
  • the transport characteristic variable can be a pressure of the transport fluid, in particular a pressure loss between the transport fluid
  • Be inflow and the outflow of the heat exchanger, and / or the transport characteristic may have a flow velocity of the
  • a drive unit for controlling and / or regulating and / or for the purpose of data acquisition of an operating or state parameter of the heat exchange system, is particularly advantageous
  • the inventive heat exchange system may be a radiator, in particular a radiator for a vehicle, in particular for a land vehicle, for an aircraft or for a watercraft, or a radiator, a condenser or an evaporator for a mobile or stationary heating system, cooling system or air conditioning, especially one
  • Cooler device for a machine, a data processing system or for a building.
  • the invention further relates to a method for operating a described heat exchange system according to the present invention, wherein a transport characteristic variable is measured, and from the transport characteristic a degree of contamination of the heat exchanger is determined.
  • a pressure drop across the heat exchanger is ascertained from the transport characteristic variable, with it being possible in particular to determine a decrease in heat transfer performance of the heat exchanger from the pressure loss.
  • a power of the transport device in particular a rotational speed of the fan depending on the degree of contamination of the
  • Time for a maintenance routine can be determined automatically, for example, depending on the degree of contamination.
  • operating and / or status data are monitored by a control center and / or the heat exchange system is controlled and / or regulated in this manner.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an inventive
  • Fig. 2 shows a second embodiment according to FIG. 1 with laminated
  • Fig. 3 shows an embodiment with differential pressure measurement for
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of an inventive heat exchange system with a Microchannel heat exchanger shown, which is provided throughout the following by the reference numeral 1.
  • the heat exchange system 1 according to the invention of FIG. 1 comprises a heat exchanger 2, which in the present example is a known per se
  • Microchannel heat exchanger 2 with a flow channel 210 arranged in a flow segment 21.
  • a transport fluid 3 which in the present case is the ambient air
  • a heat medium 4 flowing through the flow channel 210 in the operating state which is, for example, a refrigerant 4, such as CO 2
  • the Transportfluidum 3 via an inflow surface 201 with the heat exchanger 2 in flowable contact and via an outflow surface 202 of
  • a contamination sensor 5 is provided for determining a contamination of the heat exchanger 2, which is arranged in the flow direction of the air 3 in front of the disk set of lamellae 6 in the present example.
  • the contamination sensor 6 is either a pressure sensor 6 or a speed sensor 6 or another suitable pollution sensor 6, with which a transport characteristic TK, which is characteristic of the flow of the transport fluid 3 from the inflow surface 201 via the outflow surface 202, can be determined.
  • the plate pack with the plurality of fins 6 with fin surface 62 serves to increase a heat exchange rate between the
  • any existing louvers are not explicitly shown. It can thus with a special Embodiment according to FIG. 1 Louver be provided on the blade 6 and not in another embodiment, because no Louver needed for a corresponding other application.
  • a fan 7 (not shown in FIG. 1 for reasons of clarity) for transporting the air 3 through the pack of lamellae 6 is provided so that, for example, a flow rate LG according to FIG. 4 can be set, for example as a function of a thickness the pollution of the heat exchanger 2, with the help of
  • FIG. 1 which relates to an inventive
  • Embodiment with a micro-channel heat exchanger 2 the plurality of flow channels 210, which are here micro-channels 210.
  • Fig. 2 differs from the embodiment of Fig. 1 essentially only in that instead of a micro-channel heat exchanger 2, a classic laminated tube heat exchanger 2 is used, wherein clearly the Louver 61 can be seen in the slats 6, in the example of Fig. 2 yet are not polluted.
  • Another difference to the example of Fig. 1 is that the pollution sensor 5 is housed within the disk set of lamellae 6.
  • Embodiment also other pollution sensors 5 alternatively arranged at suitable locations or in addition several
  • Pollution sensors 5 may be provided simultaneously.
  • Fig. 3 is another, very significant in practice embodiment with differential pressure measurement for determining a pressure drop .DELTA.P across the heat exchanger 2 is shown schematically.
  • the fan 7 conveys in a conventional manner ambient air 3 with the characteristic
  • Heat exchanger 2 and leads the air 3 via the discharge surface 202 by a cover A from the heat exchange system 1 back to the environment.
  • To determine the pressure loss .DELTA.P in the passage of the air 3 through the heat exchanger 2 are respectively in accordance with the left before
  • measured pressure difference of the pressure loss .DELTA.P via the heat exchanger 2 can be determined.
  • characteristic transport characteristic TK for a heat exchange system 1 with a microchannel heat exchanger 2 with lamellae 6 and Louvern 61
  • the curve V 0 belongs to a heat exchange system 1, which has been freshly cleaned, that is not dirty yet. After a certain period of operation was in the same heat exchanger system 1, the curve Vi of
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a characteristic diagram which explains the relationship between the degree of contamination V and the resulting change in the pressure loss ⁇ P and the associated decrease in the heat transfer capacity PW of the heat exchanger 2.
  • Heat exchanger 2 shown, which increases according to the illustration from left to right, wherein on the left axis of ordinate .DELTA.P the pressure loss .DELTA.P is plotted on the heat exchanger 2, while on the right
  • Heat transfer power PW is read.
  • the solid line ⁇ P corresponds to the curve of the pressure loss .DELTA.P as a function of the degree of contamination V, while the dotted line the drop in the heat transfer power PW as a function of
  • Heat transfer power PW are at a pollution level V identical zero, that is normalized for the non-polluted heat exchanger 2 each to 100%.
  • Transport fluid 3 e.g. the more the Louvers 61 are clogged with dirt, the more the air 3 flowing through the heat exchanger 2 is reduced.
  • the air 3 can thereby pass through the heat exchanger 2 easier and / or faster.
  • this results in a reduction of the pressure loss ⁇ P and, on the other hand, reduces the effective contact time or the effective contact area between transport medium 3 and heat exchanger 2, which results in the observed massive reduction of the heat transfer power PW.
  • the maintenance of cleaning intervals can be optimally ensured, and on the other hand, an optimally designed operation of the inventive heat exchanger system can be guaranteed.
  • the quasi-automatically incurred electronic signals are also available for other purposes and can for example also be used advantageously for various service purposes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschsystem (1) umfassend einen Wärmetauscher (2) mit einem in einem Strömungssegment (21) angeordneten Strömungskanal (210). Zum Austausch von Wärme zwischen einem Transportfluidum (3) und einem den Strömungskanal (210) im Betriebszustand durchströmenden Wärmemittel (4) ist das Transportfluidum (3) über eine Einströmfläche (201) mit dem Wärmetauscher (2) in strömenden Kontakt bringbar, und über eine Ausströmfläche (202) vom Wärmetauscher (2) wieder wegführbar. Erfindungsgemäss ist zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrads (V) des Wärmetauschers (2) ein Verschmutzungssensor (5) in Form eines Drucksensors (5) und / oder eines Geschwindigkeitssensors (5) vorgesehen, mit welchem eine Transportkenngrösse (TK), die für die Strömung des Transportfluidums (3) von der Einströmfläche (201) über die Ausströmfläche (202) charakteristisch ist, bestimmbar. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschsystems (1).

Description

Wärmetauschsystenn, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines
Wärmetauschsystems Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschsystenn sowie ein Verfahren zum Betreiben und Ermitteln eines Verschmutzungsgrades eines
Wärmetauschsystems gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 11.
Die Verwendung von Wärmetauschsystemen ist in einer kaum zu
überblickenden Zahl von Anwendungen aus dem Stand der Technik bekannt. Wärmetauscher werden in Kühlanlagen, wie z.B. in gewöhnlichen
Haushaltskühlschränken verwendet, in Klimaanlagen für Gebäude oder in Fahrzeugen aller Art, vor allem in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen, als Wasser- oder Ölkühler in Verbrennungsmotoren, als Kondensatoren oder Verdampfer in Kühlmittelkreisen, wie zum Beispiel in Wärmepumpen und in weiteren unzähligen verschiedenen Anwendungen, die dem Fachmann alle wohlbekannt sind. Es gibt dabei verschiedene Möglichkeiten die Wärmetauscher aus ganz unterschiedlichen Anwendungen sinnvoll zu klassifizieren. Ein Versuch besteht darin, eine Unterscheidung nach dem Aufbau bzw. der Herstellung der verschiedenen Typen von Wärmetauschern vorzunehmen. So kann einerseits eine Einteilung nach sogenannten„Lamellierten
Wärmetauschern", die auch als„Röhrenwärmetauscher" bezeichnet werden können, und andererseits nach„Minnichannel-",
„Microchannelwärmetauscher" oder„Mikrokanalwärmetauschern"
vorgenommen werden. Die seit sehr langer Zeit wohlbekannten lamellierten Röhrenwärmetauscher dienen, wie alle Typen von Wärmetauschern, zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien, z.B., aber nicht nur, zur Übertragung von einem Kühlmedium auf Luft oder umgekehrt, wie es zum Beispiel von einem klassischen Haushaltskühlschrank bekannt ist, bei dem über den
Wärmetauscher zur Erzeugung einer Kühlleistung im Inneren des
Kühlschranks Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Das Umgebungsmedium ausserhalb des Wärmetauschers, also z.B. Wasser, Öl oder häufig einfach die Umgebungsluft, die zum Beispiel die Wärme aufnimmt oder von dem Wärme auf den Wärmetauscher übertragen wird, wird dabei entweder entsprechend abgekühlt oder erwärmt. Das zweite Medium kann z.B. ein flüssiger Kälte- bzw. Wärmeträger sein oder ein verdampfendes bzw. kondensierendes Wärmemittel. Dabei ist im Rahmen dieser Anmeldung unter dem Begriff„Wärmemittel" jedes Fluid zu verstehen, das vorteilhaft in einem Wärmetauscher verwendet werden kann. Der Begriff„Wärmemittel" umfasst somit sowohl die in der Technik bekannten klassischen Kältemittel als auch jedes andere geeignete Wärmemittel bzw. Kühlmittel. Wenn in einer bestimmten Anwendung der Wärmetauscher z.B. ein einfacher Kühler ist, zum Beispiel ein Kühler in einer Brennkraftmaschine, so kann das Wärmemittel im Speziellen natürlich auch einfach Wasser oder Öl sein, das als Kühlmittel durch den Wärmetauscher zirkuliert.
In jedem Fall hat das Umgebungsmedium, also z.B. die Luft, einen wesentlich niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als das zweite Medium, also z.B. das Kühlmittel, das im Wärmetauschersystem zirkuliert. Dies wird durch stark unterschiedliche Wärmeübertragungsflächen für die beiden Medien
ausgeglichen: Das Medium mit dem hohen Wärmeübergangskoeffizienten, also das Wärmemittel, strömt im Rohr, welches auf der Außenseite durch dünne Bleche (Rippen, Lamellen) eine stark vergrößerte Oberfläche aufweist, an der der Wärmeübergang z.B. mit der Luft stattfindet.
Die Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemässes Wärmetauschsystem mit einem an sich bekannten lamellierten Röhrenwärmeaustauschers. In der Praxis wird das Wärmetau seh System dabei durch eine Vielzahl solcher Elemente gebildet. Das Verhältnis von Außenoberfläche zur Innenoberfläche hängt dabei von der Lamellengeometrie (= Rohrdurchmesser, Rohranordnung und Rohrabstand), sowie vom Lamellenabstand ab. Der Lamellenabstand wird für
unterschiedliche Anwendungen unterschiedlich gewählt. Rein
thermodynamisch sollte er jedoch möglichst klein sein, jedoch nicht so klein, dass der Luftseitige Druckverlust zu groß ist. Ein wirtschaftliches Optimum liegt bei etwa 2 mm, was ein für Verflüssiger und Rückkühler typischer Wert ist.
Die Herstellung dieser sogenannten lamellierten Röhrenwärmeaustauscher erfolgt nach einem seit langem bekannten standardisierten Prozess: Die Lamellen werden mit einer Presse und einem speziellen Werkzeug gestanzt und in Pakete zueinander gelegt. Anschließend werden die Rohre
eingeschoben und entweder mechanisch oder hydraulisch aufgeweitet, so dass ein sehr guter Kontakt und somit ein guter Wärmeübergang zwischen Rohr und Lamelle entsteht. Die einzelnen Rohre werden dann durch Bögen und Sammel- und Verteilrohr miteinander verbunden, oft miteinander verlötet.
Der Wirkungsgrad ist dabei wesentlich durch die Tatsache bestimmt, dass die Wärme, die zwischen der Lamellenoberfläche und der Luft übertragen wird, über Wärmeleitung durch die Lamellen zum Rohr übertragen werden muss. Diese Wärmeübertragung ist umso effektiver, je höher die Leitfähigkeit bzw. die Dicke der Lamelle ist, aber auch je kleiner der Abstand zwischen den Rohren ist. Man spricht hier vom Lamellenwirkungsgrad. Als Lamellenmaterial kommt deshalb heutzutage überwiegend Aluminium zum Einsatz, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 220 W/mK) zu wirtschaftlichen Bedingungen aufweist. Der Rohrabstand sollte möglichst klein sein, was jedoch zu dem Problem führt, dass man viele Rohre benötigt. Viele Rohre bedeuten hohe Kosten, denn die Rohre (in der Regel aus Kupfer) sind erheblich teurer als die dünnen Aluminiumlamellen. Diese Material kosten könnte man dadurch verringern, dass man den Rohrdurchmesser und die Wandstärke reduziert, d.h. man baut einen Wärmetauscher mit vielen kleinen Rohren anstatt mit wenigen großen Rohren. Thermodynamisch wäre diese Lösung optimal: Sehr viele Rohre in engem Abstand mit kleinen Durchmessern. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist jedoch auch die Arbeitszeit zum Aufweiten und Verlöten der Rohre. Dieser würde bei einer solchen Geometrie extrem ansteigen.
Daher sind bereits vor einigen Jahren eine neue Klasse von Wärmetauschern, sogenannte Minichannel- oder Mircochannelwärmetauscher oder auch
Mikrokanalwärmetauscher entwickelt worden, die nach einem völlig anderen Verfahren hergestellt werden und fast dem Idealbild eines lamellierten
Röhrenwärmeaustauschers entsprechen: viele kleine Rohre mit kleinen Abständen.
Anstatt kleiner Rohre werden jedoch beim Minichannelwärmetauscher
Aluminiumstrangpressprofile verwendet, die sehr viele kleine Kanäle mit einem Durchmesser von z.B. etwa 1 mnn haben. Ein solches, ebenfalls an sich bekanntes Strangpressprofil, ist z.B. bei dem erfindungsgemässen
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 verwendet und schematisch dargestellt. In der Praxis kann dabei ein Wärmetauscher, je nach geforderter Wärmeleistung, bereits mit einem einzigen Strangpressprofil als zentrales
Wärmeaustauschelement auskommen. Um höhere
Wärmeübertragungsleistungen zu erzielen, können selbstverständlich in einem einzigen Wärmetauschsystem auch mehrere Strangpressprofile gleichzeitig vorgesehen werden, die in geeigneten Kombinationen zum Beispiel über zu und Ableitungen miteinander verbunden, z.B. miteinander verlötet werden.
Solche Profile können z.B. in geeigneten Extrudierverfahren einfach und in vielfältigen Formen aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Aber auch andere Herstellungsverfahren zur Herstellung von
Minichannelwärmetauschern sind bekannt, wie z.B. das Zusammensetzen geeignet geformter Profilbleche oder andere geeignete Verfahren.
Diese Profile kann man nicht, und braucht man auch nicht aufzuweiten und sie werden auch nicht in gestanzte Lamellenpakete eingeschoben.
Stattdessen werden zum Beispiel zwischen zwei eng aneinander liegenden Profilen (gängige Abstände beispielweise < 1 cm) Blech streifen, insbesondere Aluminiumblechstreifen gelegt, so dass durch abwechselndes
aneinanderlegen von Blechstreifen und Profil ein Wärmetauscherpaket entsteht. Diese Paket wir dann in einem Lötofen komplett verlötet.
Das heisst, auch bei Verwendung der Minichannelwärmetauscher werden zur Erhöhung der Oberfläche und zur Verbesserung des Wärmeübergangs, zum Beispiel zwischen dem Wärmemittel, das im Inneren des
Minnichannelwärmetauschers strömt, und der Luft, an die z.B. Wärme abgegeben werden soll, analog zu den lamellierten Röhrenwärmetauschen ebenfalls häufig Lamellen verwendet.
Dabei ist es bei beiden Wärmetauschertypen bekannt, die Lamellen mit Schlitzen, sogenannten„Louvern" zu versehen. Wie dem Fachmann wohl bekannt ist, handelt es sich bei den Louvern meist um dachförmige
Ausstellungen in den Lamellenflächen, durch die einerseits z.B. Luft
durchströmen kann, an denen sich anderseits aber auch Verwirbelungen der Luft ausbilden können, so dass eine effektive Kontaktzeit bzw. eine effektive Kontaktfläche zwischen der Luft, mit der Wärme ausgetauscht werden soll, und den Lamellen zusätzlich erhöht wird, so dass die Effizienz des
Wärmeaustausches weiter gesteigert werden kann. Auch diese Massnahme ist seit langem bekannt, wobei die konkrete geometrische Ausgestaltung der Louver je nach Anwendung sehr unterschiedlich sein kann. Im einfachsten Fall ist ein Louver einfach ein Schlitz, also eine längliche schmale Aussparung bzw. Öffnung in der Lamelle.
Durch die engen Abstände und die kleinen Kanaldurchmesser bei den
Mikrokanalwärmetauschern entsteht ein Wärmetauscher mit einem sehr hohen Lamellenwirkungsgrad und einem sehr geringen Füllvolumen
(Kanalinnenseite). Die weiteren Vorteile dieser Technik sind die Vermeidung von Materialpaarungen (Korrosion), das geringe Gewicht (kein Kupfer), die hohe Druckstabilität (ca. 100 bar) sowie die kompakte Bauform (typische Tiefe eines Wärmeaustauschers z.B. 20mm).
Im mobilen Einsatz haben sich Minichannelwärmetauscher im Laufe der 1990er Jahre etabliert. Das geringe Gewicht, die geringe Blocktiefe sowie die begrenzten Abmessungen, die hier benötigt werden, sind die idealen
Voraussetzungen dafür. Autokühler sowie Verflüssiger und Verdampfer für Autoklimaanlagen werden heute fast ausschließlich mit
Minichannelwärmetauschern realisiert. Im stationären Bereich werden zum einen meist größere Wärmeaustauscher benötigt, zum anderen stehen hier weniger das Gewicht und die Kompaktheit im Vordergrund als vielmehr das optimale Preisleistungsverhältnis.
Minichannelwärmetauscher waren bisher in den Abmessungen zu begrenzt, um dafür in Frage zu kommen. Es hätten viele kleine Module aufwendig verbunden werden müssen. Hinzu kommt, dass der Aluminiumeinsatz bei den Strangpressprofilen relativ hoch ist, so dass auch vom Materialeinsatz kaum ein Kostenvorteil zu erwarten war.
Vor allem der gegenüber Aluminium stark angestiegene Kupferpreis führt jedoch jetzt dazu, dass diese Technologie auch für den stationären Einsatz zunehmend interessant wird.
Ein Problem bei allen bisher bekannten Wärmetauschsystemen ist dabei die Verschmutzung der Systemkomponenten des Wärmetau seh Systems, insbesondere der Wärmetauscher selbst, das heisst, vor allem der Lamellen der Wärmetauscher, was im Betriebszustand grundsätzlich nicht zu
vermeiden.
Luftbeaufschlagte Wärmeaustauscher, wie z.B. Verflüssiger oder Rückkühler, arbeiten häufig in verunreinigten Umgebungen. Die Verunreinigung der Luft kann natürlicher Art sein (Pollen, Insekten, Staub, Blätter usw.) oder industrieller Art (Schleifstaub, Reifenabrieb, Mehlstaub, Kartonagenstaub usw.). Viele Verunreinigungen bleiben an dem luftbeaufschlagten
Wärmeaustauscher hängen und setzen diesen mit der Zeit zu.
Die Wärmetauscher, an denen zum Beispiel die Kühlluft unter zu Hilfenahme entsprechender Lüfter vorbeigeführt wird, können durch derartige und andere Verschmutzungen aller Art, die in der Kühlluft enthalten sind, mit der Zeit mehr und mehr verschmutzt werden, was zum Beispiel dazu führen kann, dass der Wärmeübergangskoeffizient der Oberfläche des Wärmetauschers herabgesetzt wird, so dass die Wärmeübertragungsleistung erheblich reduziert wird. Das kann zu erhöhten Betriebskosten führen oder in extremen Fällen kann das Wärmeaustauschsystem überhaupt nicht mehr die geforderte Wärmeaustauschleistung erbringen, was im schlimmsten Fällen zu schweren Schäden führen kann.
Besonders anfällig für Verschmutzungen sind dabei die oben erwähnten Louvers. Gerade diese bieten einen guten Halt für Verschmutzungen aller Art. Die Verschmutzungen lagern sich an den Kanten der Louvers in den Lamellen an und führen so zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs der Lamelle und damit zu Leistungseinbussen des Wärmetauschers, was in Folge zu einer Erhöhung des Verbrauchs von Energie, bis hin zu einem
Funktionsstillstand führen kann.
Die Folge der Verschmutzungen ist somit sehr häufig, dass sich der luftseitige Widerstand erhöht und dadurch der Luftvolumenstrom reduziert wird und auch der Wärmeübergang vermindert wird. Was zur Folge haben kann, dass eine zu kühlende angeschlossene Maschine, wie eine Datenverarbeitungsanlage oder eine Brennkraftmaschine oder eine andere Maschine sich überhitzt und dadurch Schaden nimmt. Aber auch Schäden an Waren, wie zum Beispiel an Lebensmitteln, die in einem Kühlhaus gelagert werden, können zum Beispiel bei mangelnder Kühlung verderben.
Dabei tritt diese Problematik sowohl bei lamellierten Röhrenwärmetauschern als auch bei den mit Lamellen versehen Mikokanalwärmetauschern auf.
Um derartigen gravierenden Schäden vorzubeugen und solchen
Verschmutzungen entgegenzuwirken, muss der Wärmeaustauscher entweder regelmäßig aufwendig gereinigt oder mit einem entsprechenden Filter versehen werden. Auch die Filter müssen jedoch regelmäßig gereinigt werden. Dabei ist bei den bekannten Systemen die Reinigung des Wärmetauschers allein schon aus konstruktiven Gründen, zum Beispiel weil der
Wärmetauscher im Einbauzustand nicht ohne weiteres direkt zugänglich ist, umständlich damit aufwendig und teuer. Bei vielen bekannten
Wärmetauschsystemen ist es beispielsweise notwendig ein Gehäuse zu öffnen, um z.B. den Wärmetauscher selbst oder andere wesentlichen
Komponenten im inneren des Gehäuses des Wärmeaustauschsystems zu reinigen oder auch nur um zu kontrollieren, ob eine Reinigung notwendig ist oder vielleicht noch aufgeschoben werden kann. Dabei ist das Öffnen der Gehäuse nicht nur aufwendig und umständlich. Auch müssen in diesem Fall die entsprechenden angeschlossenen Wärmemaschinen wie bereits erwähnt ausser Betrieb gesetzt werden, da sonst eine Öffnung des Gehäuses des Wärmeaustauschsystems allein schon aus Sicherheitsgründen nicht gestattet ist oder aus technischen Gründen im Betriebszustand gar nicht möglich ist. Ein weiterer Punkt ist, dass eine mit der Zeit zunehmende Verschmutzung durch geeignete Steuerung und / oder Regelung des Wärmetauschsystems in gewissen Grenzen ausgeglichen werden kann, z.B. indem eine Leistung eines Lüfters, der die Luft zum Wärmeaustausch durch den Wärmetauscher befördert, in seiner Leistung in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad angepasst wird. Oder indem ein Durchfluss oder ein Betriebsdruck eines Wärmemittels durch den Wärmetauscher geeignet nachreguliert wird oder eine andere Betriebsgrösse entsprechend angepasst wird.
All diese Massnahmen setzen allerdings voraus, dass der Grad der
Verschmutzung des Wärmetauschsystems bekannt sein muss, und zwar bevorzugt nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ bekannt sein muss und speziell auch die Veränderung der Verschmutzung in Abhängigkeit von der Zeit erfassbar sein muss. Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes
Wärmetauschsystem bereit zu stellen, das die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme überwindet und das es insbesondere gestattet, den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschsystems, im Speziellen der Lamellen des Wärmetauschers kontinuierlich zu überwachen. Insbesondere soll ein Wärmetauschsystem vorgeschlagen werden, bei welchem in vorgegeben Grenzen bestimmte relevante Bethebsgrössen an die sich verändernde Verschmutzung des Wärmetauschsystems angepasst werden können, so dass eine Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers bzw. des gesamten Wärmetauschsystems auch über eine längere Betriebsdauer optimierbar ist, und auch über lange Betriebszeiten eine vorgebbare
Wärmeübertragungsleistung auch bei zunehmender Verschmutzung gewährleistet ist. Darüber hinaus soll durch die Erfindung sicher gestellt werden, dass ein vorgebbarer Verschmutzungsgrad automatisch erkannt wird, so dass der optimale Zeitpunkt für notwendige Reinigungsarbeiten ohne grossen Aufwand automatisch erkennbar ist.
Die diese Aufgaben lösenden Gegenstände der Erfindung sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 11 gekennzeichnet.
Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf besonders vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft somit ein Wärmetauschsystem umfassend einen
Wärmetauscher mit einem in einem Strömungssegment angeordneten
Strömungskanal. Zum Austausch von Wärme zwischen einem
Transportfluidum und einem den Strömungskanal im Betriebszustand durchströmenden Wärmemittel ist das Transportfluidum über eine
Einströmfläche mit dem Wärmetauscher in strömenden Kontakt bringbar, und über eine Ausströmfläche vom Wärmetauscher wieder wegführbar.
Erfindungsgemäss ist zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrades des Wärmetauschers ein Verschmutzungssensor in Form eines Drucksensors und / oder eines Geschwindigkeitssensors vorgesehen, mit welchem eine
Transportkenngrösse, die für die Strömung des Transportfluidums von der Einströmfläche über die Ausströmfläche charakteristisch ist, bestimmbar. Durch den erfindungsgemässen Verschmutzungssensor, der die
charakteristische Transportkenngrösse überwacht, ist es erstmals möglich, eine mit der Zeit zunehmende Verschmutzung des Wärmetauschsystems automatisch und kontinuierlich zu überwachen, wobei eine Leistungsabnahme des Wärmetauschers mittels des erfindungsgemässen
Verschmutzungssensors bereits erkannt wird, bevor der Druckverlust über den Wärmetauscher signifikant ansteigt. Es ist nämlich eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung, der die Leistungsabnahme des Wärmetauschers bereits bei einem Verschmutzungsgrad massiv einsetzt, bei welchem die zunehmende Verschmutzung des Wärmetauschers noch nicht zu einem Anstieg des Druckverlusts über dem Wärmetauscher führt. Sondern im
Gegenteil, in einem eher frühen Stadium der Verschmutzung zu einem Abfall des Druckverlusts über dem Wärmetauscher führt.
Das heisst, durch die vorliegende Erfindung ist es erstmals möglich, aus der charakteristischen Transportkenngrösse des Wärmetauschers, zum Beispiel aus dem Druckabfall über den Wärmetauscher oder aus einer
Strömungsgeschwindigkeit des Transportfluidums, z.B. der durch den
Wärmetauscher strömenden Luft, zuverlässige Rückschlüsse auf die Leistung bzw. die Veränderung der Leistung zu Wärmetauschers zu ziehen.
Dadurch kann zum Beispiel durch geeignete Steuerung und / oder Regelung des Wärmetauschsystems in gewissen Grenzen eine zunehmende
Verschmutzung des Wärmetau seh Systems ausgeglichen werden, z.B. indem eine Leistung eines Lüfters, der die Luft zum Wärmeaustausch durch den Wärmetauscher befördert, in seiner Leistung in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad angepasst wird. Oder aber indem ein Durchfluss oder ein Betriebsdruck eines Wärmemittels durch den Wärmetauscher geeignet nachreguliert wird oder eine andere Betriebsgrösse entsprechend angepasst wird. Dabei ist es in einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, den Grad der Verschmutzung des Wärmetauschsystems kontinuierlich zu ermitteln, und zwar wenn notwendig nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ, wobei speziell auch die
Veränderung der Verschmutzung in Abhängigkeit von der Zeit erfassbar ist. D.h., der Verschmutzungsgrad des Wärmetauschsystems, im Speziellen der Lamellen des Wärmetauschers kann bei dem erfindungsgemässen
Wärmetauschsystem kontinuierlich überwacht werden.
Dies gestattet es, in vorgegeben Grenzen bestimmte relevante
Betriebsgrössen an die sich verändernde Verschmutzung des
Wärmetauschsystems systematisch anzupassen, so dass eine
Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers bzw. des gesamten Wärmetauschsystems auch über eine längere Betriebsdauer, selbst bei zunehmender Verschmutzung ständig optimierbar ist, wodurch auch über lange Betriebszeiten unabhängig von der Verschmutzung des
Wärmetauschers eine vorgebbare Wärmeübertragungsleistung gewährleistet bleibt. Ein vorgebbarer Verschmutzungsgrad kann durch die Erfindung automatisch erkannt werden, so dass der optimale Zeitpunkt für notwendige Reinigungs- und Wartungsarbeiten ohne grossen Aufwand automatisch erkennbar ist. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zu Grunde, dass eine
charakteristische Transportkenngrösse des Transportfluidums in eindeutiger und reproduzierbarer Weise vom Verschmutzungsgrad des Wärmetauschsystenns, insbesondere vom Verschmutzungsgrad des
Wärmetauschers abhängt.
Die Transportkenngrösse kann dabei zum Beispiel eine
Strömungsgeschwindigkeit des Transportfluidums durch den Wärmetauscher sein, also beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit der Luft durch den Wärmetauscher. Die Transportkenngrösse kann aber auch ein Druck des Transportfluidums sein, zum Beispiel ein Druck der Luft bevor sie über die Einströmfläche in den Wärmetauscher eintritt, oder ein Druck beim oder nach dem Ausströmen über die Ausströmfläche des Wärmetauschers. Besonders bevorzugt ist die Transportkenngrösse eine Druckdifferenz oder ein Druckverlust über den Wärmetauscher. Wie später noch anhand der Fig. 4 und Fig. 5 ausführlich erläutert werden wird, hat sich nämlich in Versuchen herausgestellt, dass eine zunehmende Verschmutzung des Wärmetauschers den Druckverlust des strömenden Transportfluidums in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad in charakteristischer weise beeinflusst.
Durch entsprechende Eichmessungen kann dann zum Beispiel eine Look-up Tabelle oder eine mathematische Funktion generiert werden, die in abhängig vom Druckverlust und / oder eines absoluten Druckwertes und / oder einer charakteristischen Strömungsgeschwindigkeit des Transportfluidums den Verschmutzungsgrad des Wärmetauschsystems widerspiegelt, wobei eventuell noch weitere Parameter wie zum Beispiel die Drehzahl eines Lüfters, eine Temperatur oder andere Parameter oder Betriebs- und
Zustandsgrössen des Wärmetauschsystems zu berücksichtigen sind. Welche Parameter im Einzelnen für die Bestimmung des Verschmutzungsgrades eventuell zu berücksichtigen sind, weiss der Fachmann und hängt
selbstverständlich von der konkreten Ausführung eines entsprechenden Wärmetauschsystems ab. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei Wärmetauschern eingesetzt werden, die eine Lamelle zur Vergrösserung der effektiven
Wärmeübertragungsfläche umfassen, wobei die Lamelle bevorzugt mit den eingangs versehen Louvern ausgestattet ist. Die Verschmutzung der Louvers führt nämlich völlig überraschenderweise zunächst zu einem verminderten Druckverlust, wie später noch anhand der Fig. 5 erläutert werden wird. Hierbei fällt der Druckverlust als Funktion der Menge der Verschmutzung zunächst bis zu einem Minimum ab, um dann bei fortschreitender Verschmutzung wieder anzusteigen. Das heisst, der
Druckverlust über dem Wärmetauscher nimmt mit steigender Verschmutzung zunächst ab, völlig anders als erwartet.
Es ist eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung, dass die zunehmende Verschmutzung der Louvers, insbesondere der Kanten aber auch der
Öffnungsschlitze der Louvers, die Verwirbelung vor allem an den Kanten der Louvers reduziert bzw. minimiert oder bei entsprechender Verschmutzung sogar ganz verhindert wird, so dass weniger Turbulenzen entstehen und damit der Gesamtdruckverlust durch den durch die Lamelle gebildeten
Strömungskanal verkleinert wird. Das heisst, die damit einhergehende
Leistungsabnahme des Wärmetauschers resultiert aus der Verminderung der Verwirbelungen an den Louvers, weil die damit die effektive Kontaktzeit bzw. die effektive Kontaktfläche des Transportfluidums mit dem Wärmeaustauscher reduziert wird.
Unter Nutzung dieser Erkenntnis kann wird in einem speziellen
Ausführungsbeispiel ein sehr einfacher Verschmutzungssensor zur Messung des Druckverlustes an einem erfindungsgemässen Wärmetauschsystem installiert, der einen Abfall des Druckverlustes über den Wärmetauscher detektiert und damit den Grad der Verschmutzung, bevorzugt zeitabhängig messen kann. Im Speziellen sollte hierbei sicher gestellt werden, dass die Luftmengen, zu denen der jeweilige Druckverlust über den Wärmetauscher gemessen wird, jeweils im sauberen und verschmutzten Zustand im
Wesentlichen gleich sind. Die Drehzahlen des Lüfters und weitere
Umgebungsbedingungen sollten also bevorzugt zwischen sauberem und verschmutztem Zustand weitgehend gleich sein. Zum Beispiel bei
drehzahlgeregelten Ventilatoren nach EC Technologie kann hierzu unter anderem auch die Stromaufnahme des Motors als Signal verwendet werden.
Wie bereits mehrfach erwähnt, kann in einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel zur Erhöhung einer Wärmeaustauschrate an einem Strömungssegment eine Lamelle vorgesehen sein, wobei an der Lamelle bevorzugt eine Durchströmöffnung, insbesondere in Form eines Louvers vorgesehen ist.
Dabei ist mindestens ein Wärmetauscher eines erfindungsgemässen
Wärmetauschsystems ein Mikrokanalwärmetauscher und / oder mindestens ein Wärmetauscher ist ein Röhrenwärmetauscher.
Meist wird in der Praxis bei einem Wärmetauschsystem der vorliegenden Erfindung in an sich bekannter Weise eine Transporteinrichtung,
insbesondere ein Lüfter zum Transport des Transportfluidums von der Einströmfläche zur Ausströmfläche vorgesehen sein, wobei in der Praxis das Transportfluidum sehr häufig die Umgebungsluft ist.
Wie ebenfalls bereits erwähnt, kann die Transportkenngrösse ein Druck des Transportfluidums, insbesondere ein Druckverlust zwischen der
Einströmfläche und der Ausströmfläche des Wärmetauschers sein, und / oder die Transportkenngrösse kann eine Strömungsgeschwindigkeit des
Transportfluidums und / oder auch eine andere charakteristische
Strömungseigenschaft des Transportfluidums sein. Besonders vorteilhaft ist zur Steuerung und / oder Regelung und / oder zum Zweck einer Datenerfassung eines Betriebs- oder Zustandsparameters des Wärmetauschsystems, eine Ansteuereinheit, insbesondere eine
Ansteuereinheit mit einer Datenverarbeitungsanlage mit einem Sensor des Wärmetauschers und / oder mit der Transporteinrichtung und / oder mit dem Verschmutzungssensors und / oder mit einer Wärmemaschine
signalverbunden.
Dabei kann in der Praxis das erfindungsgemässe Wärmetauschsystem ein Kühler, insbesondere ein Kühler für ein Fahrzeug, im Speziellen für ein Landfahrzeug, für ein Luftfahrzeug oder für ein Wasserfahrzeug sein, oder ein Kühler, ein Kondensator oder ein Verdampfer für eine mobile oder stationäre Heizungsanlage, Kühlanlage oder Klimaanlage, insbesondere eine
Kühlervorrichtung für eine Maschine, eine Datenverarbeitungsanlage oder für ein Gebäude sein. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines beschriebenen Wärmetauschsystems gemäss der vorliegenden Erfindung, wobei eine Transportkenngrösse gemessen wird, und aus der Transportkenngrösse ein Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers ermittelt wird.
In einem für die Praxis besonders wichtigen Ausführungsbeispiel wird dabei aus der Transportkenngrösse ein Druckabfall über den Wärmetauscher ermittelt wobei insbesondere ein Rückgang einer Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers aus dem Druckverlust ermittelt werden kann.
Dabei kann eine Leistung der Transporteinrichtung, insbesondere eine Drehzahl des Lüfters in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad des
Wärmetauschers gesteuert und / oder geregelt werden und / oder ein
Zeitpunkt für eine Wartungsroutine kann beispielsweise in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad automatisch ermittelt werden. Vorteilhaft werden bei einem erfindungsgemässen Wärmetauschsystem in einem Online-Verfahren, insbesondere über ein Intranet und / oder über das Internet, Betriebs- und / oder Zustandsdaten von einer Steuerzentrale überwacht und / oder das Wärmetauschsystem wird in dieser Art gesteuert und / oder geregelt.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen
Wärmetauschsystems mit Mikrokanalwärmetauscher;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 mit lamelliertem
Rohrwärmetauscher;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit Differenzdruckmessung zur
Bestimmung eines Druckverlustes; Fig. 4 Druckverlust bei verschiedenen Verschmutzungsgraden in
Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Transportfluidums;
Fig. 5 Druckverlust- und Leistungskurve in Abhängigkeit vom
Verschmutzungsgrad.
In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmetauschsystems mit einem Mikrokanalwärmetauscher dargestellt, das im Folgenden gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist.
Das erfindungsgemässe Wärmetauschsystem 1 der Fig. 1 umfasst einen Wärmetauscher 2, der im vorliegenden Beispiel ein an sich bekannter
Mikrokanalwärmetauscher 2 ist, mit einem in einem Strömungssegment 21 angeordneten Strömungskanal 210. Zum Austausch von Wärme zwischen einem Transportfluidum 3, das im vorliegenden Fall die Umgebungsluft ist, und einem den Strömungskanal 210 im Betriebszustand durchströmenden Wärmemittel 4, das zum Beispiel ein Kältemittel 4 ist, wie etwa CO2, ist das Transportfluidum 3 über eine Einströmfläche 201 mit dem Wärmetauscher 2 in strömenden Kontakt bringbar und über eine Ausströmfläche 202 vom
Wärmetauscher 2 wieder wegführbar.
Gemäss der vorliegenden Erfindung ist zur Bestimmung einer Verschmutzung des Wärmetauschers 2 ein Verschmutzungssensor 5 vorgesehen, der im vorliegenden Beispiel in Strömungsrichtung der Luft 3 vor dem Lamellenpaket aus Lamellen 6 angeordnet ist. Der Verschmutzungssensor 6 ist entweder ein Drucksensor 6 oder ein Geschwindigkeitssensor 6 oder eine Durchflusssensor 6 oder ein anderer geeigneter Verschmutzungssensor 6, mit welchem eine Transportkenngrösse TK, die für die Strömung des Transportfluidums 3 von der Einströmfläche 201 über die Ausströmfläche 202 charakteristisch ist, bestimmbar ist.
Das Lamellenpaket mit der Mehrzahl von Lamellen 6 mit Lamellenoberfläche 62 dient zur Erhöhung einer Wärmeaustauschrate zwischen dem
Strömungssegment 21 und dem Transportfluidum 3, das im vorliegenden Beispiel Umgebungsluft 3 ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind eventuell vorhandene Louver nicht explizit dargestellt. Es können somit bei einem speziellen Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 Louver an der Lamelle 6 vorgesehen sein und bei einem anderen Ausführungsbeispiel nicht, weil für eine entsprechende andere Anwendung keine Louver benötigt werden.
In der Praxis wir ein in Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellter Lüfter 7 zum Transport der Luft 3 durch das Paket aus Lamellen 6 vorgesehen sein, so dass zum Beispiel eine Strömungsgeschwindigkeit LG gemäss Fig. 4 einstellbar ist, beispielsweise in Abhängigkeit einer Stärke der Verschmutzung des Wärmetauschers 2, die mit Hilfe des
Verschmutzungssensors 5 detektiert worden ist. Das Transportfluidum Luft 3 wird dabei vom Lüfter 7 in Richtung der Pfeile 3 durch das Paket aus
Lamellen 6 geblasen.
Deutlich zu sehen sind in Fig. 1 , das sich auf ein erfindungsgemässes
Ausführungsbeispiel mit einem Mikrokanalwärmetauscher 2 bezieht, die Vielzahl von Strömungskanälen 210, die hier Mikrokanäle 210 sind. Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 im Wesentlichen nur dadurch, dass anstatt eines Mikrokanalwärmetauschers 2 ein klassischer lamellierter Rohrwärmetauscher 2 verwendet wird, wobei deutlich die Louver 61 in den Lamellen 6 zu sehen sind, die im Beispiel der Fig. 2 noch nicht verschmutzt sind. Ein weiterer Unterschied zum Beispiel der Fig. 1 besteht daran, dass der Verschmutzungssensor 5 innerhalb des Lamellenpakets aus Lamellen 6 untergebracht ist.
Es versteht sich von selbst, dass bei jedem erfindungsgemässen
Ausführungsbeispiel auch weitere Verschmutzungssensoren 5 an geeigneten Orten alternativ angeordnet oder zusätzlich mehrere
Verschmutzungssensoren 5 gleichzeitig vorgesehen sein können.
Für ganz spezielle Anordnungen ist es sogar möglich, dass in ein und demselben Wärmetauschsystem gleichzeitig ein Mikrokanalwärmetauscher 2 und ein klassischer lamellierter Rohrwärmetauscher gleichzeitig vorgesehen werden.
In Fig. 3 ist ein weiteres, für die Praxis sehr bedeutendes Ausführungsbeispiel mit Differenzdruckmessung zur Bestimmung eines Druckverlustes ΔP über den Wärmetauscher 2 schematisch dargestellt. Der Lüfter 7 befördert in an sich bekannter Weise Umgebungsluft 3 mit der charakteristischen
Transportkenngrösse TK über die Einströmfläche 201 durch den
Wärmetauscher 2 und führt die Luft 3 über die Ausströmfläche 202 durch eine Abdeckung A aus dem Wärmetauschsystem 1 wieder der Umgebung zu. Zur Bestimmung des Druckverlustes ΔP beim Durchtritt der Luft 3 durch den Wärmetauscher 2 sind jeweils darstellungsgemäss links vor der
Einströmfläche 201 und darstellungsgemäss rechts hinter der Ausströmfläche 202 ein Verschmutzungssensor 5 vorgesehen, so dass aus einer
gemessenen Druckdifferenz der Druckverlust ΔP über den Wärmetauscher 2 bestimmbar sind.
Es versteht sich, dass es für die Erfindung in erster Linie nicht massgebend ist, mit welchen Mitteln der der Druckverlust ΔP bestimmt wird. Es kann also ebenso auch ein anderer an sich bekannter Differenzdruckmesser vorteilhaft verwendet werden. In Fig. 4 ist schliesslich noch ein typisches Kennlinienfeld der
charakteristischen Transportkenngrösse TK für ein Wärmetauschsystem 1 mit einem Mikrokanalwärmetauscher 2 mit Lamellen 6 und Louvern 61
schematisch dargestellt.
Beim Beispiel der Fig. 4 ist als Transportkenngrösse TK der Druckverlust ΔP bei verschiedenen Verschmutzungsgraden V, (V0, V1,.... bis Vmax) in
Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit LG des Transportfluidums 3 aufgetragen. Der Fachmann versteht ohne Probleme, dass man
entsprechende Kennlinienfelder auch für andere Transportkenngrössen TK, zum Beispiel für die Durchflussmenge usw. erstellen kann und
selbstverständlich auch für andere Typen von Wärmetauschern, z.B. für einen lamellierten Rohrwärmetauscher.
Die Kurve V0 gehört zu einem Wärmetauschsystem 1 , das frisch gereinigt wurde, also noch nicht verschmutzt ist. Nach einer bestimmten Betriebsdauer wurde beim selben Wärmetauschersystem 1 die Kurve Vi des
Kennlinienfeldes aufgenommen. Der Wärmetauscher 2 ist jetzt bereits deutlich stärker verschmutzt, was sich an dem entsprechenden kleineren Druckverlust ΔP erkennen lässt. Die Kurve Vi verläuft viel flacher als die Kurve V0, die zu dem un verschmutzten Wärmetauscher 2 gehört. Nach weiterem Betrieb wird der Wärmetauscher 2 immer mehr verschmutzt, bis er schliesslich über V2, V3 usw. bei der Kurve Vmax die maximal zulässige Verschmutzung aufweist und wieder gereinigt werden muss.
Fig. 5 zeigt schliesslich in schematischer Darstellung ein charakteristisches Diagramm, dass den Zusammenhang zwischen dem Verschmutzungsgrad V und der daraus resultierenden Veränderung des Druckverlusts ΔP erläutert, sowie den damit einhergehenden Rückgang der Wärmeübertragungsleistung PW des Wärmetauschers 2.
Auf der horizontalen Abszisse ist der Verschmutzungsgrad V des
Wärmetauschers 2 dargestellt, der darstellungsgemäss von links nach rechts zunimmt, wobei auf der linken Ordinatenachse ΔP der Druckverlusts ΔP über den Wärmetauscher 2 aufgetragen ist, während auf der rechten
Ordinatenachse PW gleichzeitig die aus dem zunehmenden
Verschmutzungsgrad V resultierende Abnahme der
Wärmeübertragungsleistung PW abzulesen ist.
Die durchgezogene Linie ΔP entspricht dabei dem Verlauf des Druckverlusts ΔP in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad V, während die punktierte Linie den Abfall der Wärmeübertragungsleistung PW in Abhängigkeit vom
Verschmutzungsgrad V zeigt. Der Druckverlust ΔP und die
Wärmeübertragungsleistung PW sind dabei bei einem Verschmutzungsgrad V identisch null, das heisst für den nicht verschmutzten Wärmeaustauscher 2 jeweils auf 100% normiert.
Bei noch geringer Verschmutzung V bleibt der Druckabfall ΔP über den Wärmetauscher 2 zunächst fast konstant bis zu einem kritischen
Verschmutzungsgrad VK, ab dem der Druckverlust ΔP mit weiter
zunehmendem Verschmutzungsgrad V schlagartig und signifikant abnimmt, bis der Wert des Druckverlusts ΔP bei einem Verschmutzungsgrad Vm einen minimalen Wert erreicht. Gleichzeitig fällt die Wärmeübertragungsleistung PW rapide ab. Vor und in dem Verschmutzungsintervall zwischen VK und Vm setzen sich zunächst im wesentlichen nur die Louvers 61 mit
Schmutzpartikeln zu, was dazu führt dass, die Turbulenzen des
Transportfluidums 3, also z.B. der durch den Wärmetauscher 2 strömenden Luft 3 umso mehr reduziert werden, je stärker die Louvers 61 mit Schmutz verstopft werden. Die Luft 3 kann dadurch leichter und / oder schneller durch den Wärmetauscher 2 hindurch treten. Das hat einerseits eine Reduzierung des Druckverlusts ΔP zur Folge und führt andererseits dazu, dass die effektive Kontaktzeit bzw. die effektive Kontaktfläche zwischen Transportmedium 3 und Wärmetauscher 2 reduziert, was die beobachtete massive Reduktion der Wärmeübertragungsleistung PW zur Folge hat.
Bei noch stärkerer Verschmutzung steigt der Druckverlust ΔP wieder an. Der Grund dafür ist, dass jetzt zunehmend auch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Lamellen, in die die Louvers 61 eingearbeitet sind, durch Schmutz verstopft werden, so dass pro Zeiteinheit bei gleicher Lüfterleistung immer weniger Luft 3 durch den Wärmetauscher 2 transportiert werden kann. Wesentlich ist dabei, dass in der Nähe des Minimums des Druckverlusts ΔP die Wärmeübertragungsleistung PW bereits auf ein nicht mehr tolerierbares Mass abgesunken ist, im vorliegenden speziellen Beispiel bereits auf 50% der maximal möglichen Wärmeübertragungsleistung PW abgefallen ist. Es ist somit eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung, dass eine Reinigung des Wärmetauschers nicht erst bei einem ansteigenden Druckverlust ΔP vorzunehmen ist, sonder bereits viel früher, nämlich in einer Phase, wenn der Druckverlust ΔP signifikant abfällt.
Somit kann mit der vorliegenden Erfindung einerseits die Einhaltung von Reinigungsintervallen optimal sichergestellt werden, und andererseits ein optimal ausgelegter Betrieb des erfindungsgemässen Wärmetauschersystems garantiert werden. Weiterhin stehen die quasi automatisch anfallenden elektronischen Signale auch für andere Zwecke zur Verfügung und können beispielsweise auch vorteilhaft für verschiedene Servicezwecke verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Wärmeta u seh System umfassend einen Wärmetauscher (2) mit einem in einem Strömungssegment (21 ) angeordneten Strömungskanal (210), wobei zum Austausch von Wärme zwischen einem Transportfluidum (3) und einem den Strömungskanal (210) im Betriebszustand
durchströmenden Wärmemittel (4), das Transportfluidum (3) über eine Einströmfläche (201 ) mit dem Wärmetauscher (2) in strömenden Kontakt bringbar ist, und über eine Ausströmfläche (202) vom Wärmetauscher (2) wieder wegführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung eines Verschmutzungsgrads (V) des Wärmetauschers (2) ein
Verschmutzungssensor (5) in Form eines Drucksensors (5) und / oder eines Geschwindigkeitssensors (5) vorgesehen ist, mit welchem eine Transportkenngrösse (TK), die für die Strömung des Transportfluidums (3) von der Einströmfläche (201 ) über die Ausströmfläche (202)
charakteristisch ist, bestimmbar ist.
2. Wärmetau seh System nach Anspruch 1 , wobei zur Erhöhung einer
Wärmeaustauschrate an einem Strömungssegment (21 ) eine Lamelle (6) vorgesehen ist.
3. Wärmetau seh System nach Anspruch 2, wobei an der Lamelle (6) eine Durchströmöffnung (61 ), insbesondere in Form eines Louvers (61 ) vorgesehen ist.
4. Wärmetau seh System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Wärmetauscher (2) ein Mikrokanalwärmetauscher (2) ist.
5. Wärmetau seh System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Wärmetauscher (2) ein Röhrenwärmetauscher (2) ist.
6. Wärmeta u seh System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Transporteinrichtung (7), insbesondere ein Lüfter (7) zum Transport des Transportfluidums (3) von der Einströmfläche (201 ) zur
Ausströmfläche (202) vorgesehen ist.
7. Wärmetau seh System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Transportkenngrösse (TK) ein Druck des Transportfluidums (3) ist, insbesondere ein Druckverlust (ΔP) zwischen der Einströmfläche (201 ) und der Ausströmfläche (202) des Wärmetauschers (2) ist.
8. Wärmetau seh System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Transportkenngrösse (TK) eine Strömungsgeschwindigkeit des
Transportfluidums (3) ist.
9. Wärmetau seh System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Steuerung und / oder Regelung und / oder zum Zweck einer
Datenerfassung eines Betriebs- oder Zustandsparameters des
Wärmetauschsystems, eine Ansteuereinheit, insbesondere eine
Ansteuereinheit mit einer Datenverarbeitungsanlage mit einem Sensor des Wärmetauschers (2) und / oder mit der Transporteinrichtung (7) und / oder mit dem Verschmutzungssensors (5) und / oder mit einer
Wärmemaschine signalverbunden ist.
10. Wärmetauschsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmetau seh System ein Kühler ist, insbesondere ein Kühler für ein Fahrzeug, im Speziellen für ein Landfahrzeug, für ein Luftfahrzeug oder für ein Wasserfahrzeug, oder ein Kühler, ein Kondensator oder ein Verdampfer für eine mobile oder stationäre Heizungsanlage, Kühlanlage oder Klimaanlage ist, insbesondere eine Kühlervorrichtung für eine
Maschine, eine Datenverarbeitungsanlage oder für ein Gebäude ist.
1 1 . Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschsystems (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Transportkenngrösse (TK) gemessen wird, und aus der Transportkenngrösse (TK) ein
Verschmutzungsgrad (V) eines Wärmetauschers (2) ermittelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei aus der Transportkenngrösse (TK) ein Druckabfall (ΔP) ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein Rückgang einer
Wärmeübertragungsleistung (PW) des Wärmetauschers (2) aus dem Druckverlust (ΔP) ermittelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei eine Leistung der Transporteinrichtung (7), insbesondere eine Drehzahl des Lüfters (7) in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad des Wärmetauschers (2) gesteuert und / oder geregelt wird und / oder wobei ein Zeitpunkt für eine Wartungsroutine in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad automatisch ermittelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei vom
Wärmetauschsystem (1 ) in einem Online-Verfahren, insbesondere über ein Intranet und / oder über das Internet, Betriebs- und / oder
Zustandsdaten von einer Steuerzentrale überwacht und / oder das Wärmetauschsystem (1 ) gesteuert und / oder geregelt wird.
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