DE69837672T2

DE69837672T2 - Vorkühl-, kühl- und vorheizwärmetauscher für lufttrockner

Info

Publication number: DE69837672T2
Application number: DE69837672T
Authority: DE
Inventors: Timothy J. Hamburg GALUS; David F. Depew FIJAS
Original assignee: American Precision Industries Inc
Current assignee: American Precision Industries Inc
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: US6085529A; US5845505A; EP1015825B1; ATE360788T1; EP1015825A1; WO1998054521A1; CA2292396A1; CA2292396C; AU7716398A; DE69837672D1; EP1015825A4

Description

Diese Erfindung betrifft die Technik der Wärmeübertragung, insbesondere einen neuen und verbesserten Wärmetauscher zur Verwendung in einem Trockner mit gekühlter Luft.
Ein Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung findet sich in Trocknern mit gekühlter Luft, bei denen feuchtwarme und typischerweise komprimierte Luft, z.B. aus dem Innern einer Fabrik, zunächst gekühlt und getrocknet und dann zu einem Ort ihrer Anwendung transportiert wird.
In jedem Druckluftsystem ist es von Wichtigkeit, den Wassergehalt der Druckluft so weit wie möglich zu senken, bevor die Druckluft zu den Orten ihrer Anwendung gebracht wird. Dies wird erreicht durch den Einsatz von luft- oder wassergekühlten Nachkühlern, Feuchtigkeitsabscheidern und Lufttrocknern. Letztere sind in vielen verschiedenen Typen erhältlich, und die Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung erfolgt anhand eines Trockners mit gekühlter Luft – ohne Zyklussteuerung und mit Direktexpansion –, bei dem der Kompressor kontinuierlich arbeitet. Diese Art von Lufttrockner verringert den Wassergehalt in Druckluft auf effiziente Weise, indem er die Druckluft mittels einer Kälteschaltung direkt physisch kühlt und so die Fähigkeit der Druckluft, Wasserdampf zu halten, reduziert. Der Wasserdampf in der gekühlten Druckluft kondensiert zu flüssigen Tröpfchen aus. Diese Kombination aus Luft und Wassertröpfchen strömt zu einem Feuchtigkeitsabscheider, der die Tröpfchen in mechanischer Weise aus dem Luftstrom entfernt. Die Hauptkomponenten bei dieser Art Trockner mit gekühlter Luft sind das Kühlsystem, der Feuchtigkeitsabscheider und zwei Druckluft-Wärmetauscher.
Bei dem ersten dieser Wärmetauscher handelt es sich um einen Vorkühler/Wiedererwärmer, der warme gesättigte Druckluft aus dem Luftkompressor-Nachkühler vorkühlt, indem er Wärme auf gekühlte Luft überträgt, die aus dem Feuchtigkeitsabscheider zurückströmt. Dieser Teil des Prozesses besitzt außerdem die Wirkung, dass die gekühlte Luft vor ihrer Verteilung an die Endverbraucher wieder erwärmt wird. Die Bedeutung dieses Wärmetauschers besteht darin, dass er einiges der Kühllast senkt, die andernfalls das Kühlsystem tragen müsste. Das Kühlsystem wird kleiner und erfordert weniger Energie, was einen wirtschaftlicheren Betrieb zur Folge hat. Aufgrund dieses Nutzens wird der Vorkühler/Wiedererwärmer-Wärmetauscher zuweilen als „Economizer" bezeichnet. Ein weiterer Vorteil, den dieser Wärmetauscher bietet, besteht darin, dass er die gekühlte Luft, die aus dem Feuchtigkeitsabscheider kommt, wiedererwärmt. Das Wiedererwärmen der gekühlten Luft senkt die Wahrscheinlichkeit, dass schlechte Umgebungsbedingungen eine Kondensation in der Luftleitung stromab des Trockners verursachen. Darüber hinaus senkt das Wiedererwärmen die Wahrscheinlichkeit von Pipeline-Kondensation oder „Schwitzen", die bzw. das auf gekühlten Oberflächen unter feuchten Bedingungen auftreten kann.
Beim zweiten Wärmetauscher handelt es sich um den Luftkühler. Dieser nimmt vorgekühlte Luft aus dem Economizer auf und kühlt sie auf die gewünschte Taupunkttemperatur herab, indem er Wärme zurück in das verdampfende Kältemittel auf der anderen Seite des Wärmetauschers wirft. Nach ihrer Abkühlung strömt die Luft zwecks Entfernung des kondensierten Wassers in einen Feuchtigkeitsabscheider, woraufhin sie zur Wiedererwärmung zum Economizer zurückkehrt.
Bei herkömmlichen Trocknern mit gekühlter Luft treten die vorgenannten Wärmetauscher in einer Vielzahl von Typen auf. Die typischsten davon sind der Mantel-und-Rohr-, der Rohr-in-Rohr- und der Plattentyp-Wärmetauscher. Mantel-und-Rohr-Wärmetauscher sind tendenziell schwer und unter Umständen kostspielig. Rohr-in-Rohr- Wärmetauscher beschränken sich auf Lufttrockner mit geringerer Kapazität. Den Wärmetauschern vom Mantel-und-Rohr-Typ und vom Rohr-in-Rohr-Typ ist der Nachteil gemein, dass sie nicht sehr kompakt sind und Rohrleitungen zur Verbindung des Economizers und des Kühlers untereinander erfordern. Dies erhöht das Gewicht, die Kosten, die Komplexität und den Druckabfall im System. Wärmetauscher vom Plattentyp, die durch Hartverlöten geformter Platten entstehen, können zwar kompakt ausfallen, aber es fehlt ihnen aufgrund der Geräteerfordernisse an Flexibilität. Das Verlegen von Rohrleitungen an einen Wärmetauscher aus hartverlöteten Platten gestaltet sich schwierig, weil die Verbindungsstellen so nahe zusammenliegen, dass sie sehr wenig Spielraum für das Anordnen besagter Stellen gestatten. Zur Herstellung von Wärmetauschern aus hartverlöteten Platten werden gewöhnlich mit Kupfer hartverlötete Edelstahl platten genutzt. Dies bietet den Wärmetauschern einerseits Korrosionswiderstand, macht sie jedoch andererseits schwer und teuerer.
Bei Versuchen nach Stand der Technik, eine Kombination aus Wärmetauschern für Lufttrockner zu bauen, wurden Entwürfe mit Gegenströmung angewandt. Zwar verfügen Wärmetauscher mit Gegenströmung über eine größere Effizienz, verlangen aber häufig eine Art Zwischenleitungssystem, wenn sie in Kombinationen für Trockner mit gekühlter Luft eingesetzt werden. Einerseits fällt das Ergebnis kompakter aus als bei Verwendung zweier separater Wärmetauscher, andererseits bestehen viele der anderen Nachteile nach wie vor. Bei Kombinations-Wärmetauschem aus mit Kupfer hartverlöteten Edelstahlplatten kann es sich um reine Entwürfe mit Gegenströmung und ohne Zwischenleitungssystem handeln. Allerdings sind diese Wärmetauscher noch mit vielen der für diesen Wärmetauschertyp typischen Nachteile behaftet.
US-Patent 5,275,233 (Ingersoll-Rand) offenbart ein Gerät zur Entfernung von Feuchtigkeit aus einem heißen komprimierten Gas, welches Gerät einen Rekuperatorabschnitt und einen Nachkühlerabschnitt umfasst. Durch das Gerät strömende Luft wird zunächst im Rekuperatorabschnitt abgekühlt, daraufhin im Nachkühlerabschnitt weiter abgekühlt und schließlich im Rekuperatorabschnitt wiedererwärmt. Luft, die aus dem Nachkühler zum Rekuperatorabschnitt strömt, wird durch einen Wasserabscheider geleitet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bietet einen Wärmetauscher zur Verwendung mit einem Kühlmittel in einem Lufttrocknersystem, wobei der Wärmetauscher Folgendes beinhaltet: einen Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern und einen Kühlerkern in einer angrenzenden Beziehung; einen ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen, die sich durch beide der Kerne erstrecken, um ankommende Luft fortlaufend in eine erste Richtung zu leiten, wobei der erste Satz von Wärmeübertragungskanälen Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen enthält; einen zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen, welche sich durch den Kühlerkern erstrecken und durch welche Kühlmittel in einer zur ersten Richtung im Wesentlichen senkrechten Richtung und in einem Wärmeaustauschverhältnis mit in den ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen ankommender Luft strömt; einen dritten Satz von Wärmeübertragungs kanälen, welche sich durch den Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern in einem Wärmeaustauschverhältnis mit dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen erstrecken und durch welche gekühlte Luft aus dem Kühlerkern in einem Wärmeaustauschverhältnis mit der ankommenden Luft und in einer zur ersten Richtung im Wesentlichen senkrechten Richtung strömt; und Strömungsleitmittel, um gekühlte Luft von dem Kühlerkern zum dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen zu fördern. Die Wärmeübertragungsstrukturen beinhalten Rippen, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Fluidströmung durch den ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen angeordnet sind und eine Verringerung der Geschwindigkeit der erhöhten Turbulenz des Fluidstroms durch dieselben bewirken. Bei dem Kühlmittel handelt es sich um ein Kältemittel, und die Anordnung der Rippen in der Strömung der ankommenden Luft in dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen in Kombination mit einer niedrigen Temperatur des durch den Kühlerkern strömenden Kältemittels bewirkt, dass sich Tröpfchen aus dem Luftstrom lösen, wobei sich die Tröpfchen zum Sammeln unter Gewichtskraft bewegen.
Vorzugsweise umfassen die Rippen gedrehte eingeschnittene bzw. lanzenartige Rippen.
Vorzugsweise umfasst der Kühlerkern einen Kondensatablauf, um Feuchtigkeit, welche von der ankommenden Luft infolge der Einwirkung der gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen getrennt wird, zu entfernen.
Vorzugsweise befinden sich die Rippen in einem versetzten Verhältnis zueinander und sind angepasst, um zu bewirken, dass die ankommende Luft in einem wellenförmigen Muster entlang dem ersten Satz der Wärmeübertragungskanäle strömt, um die Turbulenz der ankommenden Luft zu erhöhen und deren Geschwindigkeit zu verringern, während sie entlang dem ersten Satz der Wärmeübertragungskanäle in dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern strömt.
Vorzugsweise weist der zweite Satz von Wärmeübertragungskanälen Wärmeübertragungsstrukturen auf, und die Wärmeübertragungsstrukturen in dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen sind Rippen, die in einem versetzten Verhältnis zueinander und im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Strömung durch die Kanäle angeordnet sind.
Vorzugsweise weist der dritte Satz von Wärmeübertragungskanälen Wärmeübertragungsstrukturen auf, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem dritten Satz von Wärmeübertragungsstrukturen Rippen sind, die im Wesentlichen parallel zur Richtung des Stromes durch die Kanäle angeordnet sind. Stärker bevorzugt umfassen die Wärmeübertragungsstrukturen in dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen versetzt rechteckige Rippen.
Vorzugsweise besitzen die Rippen die Form von gedreht eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen.
Vorzugsweise umfasst der Wärmetauscher weiterhin Verteilermittel, um gekühlte Luft von dem Kühlerkern zu dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen zu leiten, wobei das Verteilermittel einen ersten Abschnitt aufweist, welcher mit dem Kühlerkern zusammenhängt, und einen zweiten Abschnitt, welcher sowohl mit dem Kühlerkern als auch mit dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern zusammenhängt. Stärker bevorzugt weist das Verteilermittel zum Fördern gekühlter Luft aus dem Kühlerkern zum dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen ein Ende auf, welches mit dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen zusammenhängt, das heißt isoliert von Luftfeuchtigkeit, welche von der ankommenden Luft getrennt wird.
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Abschnitt des Verteilermittels in im Wesentlichen rechten Winkel zueinander angeordnet.
Vorzugsweise steht der erste Abschnitt des Verteilermittels in kommunikativer fluider Verbindung mit dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen in dem Kühlerkern, und zwar im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des ersten Abschnitts des Verteilermittels, und der zweite Abschnitt des Verteilermittels weist einen Auslass in kommunikativer fluider Verbindung mit dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen in dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern auf.
Vorzugsweise sind der Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern und der Kühlerkern so ausgerichtet, dass sich der erste Abschnitt des Verteilermittels im Allgemeinen vertikal erstreckt und sich der zweite Abschnitt des Verteilermittels im Allgemeinen horizontal erstreckt.
Vorzugsweise beinhaltet der erste Abschnitt des Verteilermittels ein Mittel zum Entfernen von Feuchtigkeit aus der ankommenden Luft.
Vorzugsweise weisen die Wärmeübertragungsstrukturen in dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen Rippen auf, die in versetztem Verhältnis zueinander und im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Stroms durch die Kanäle angeordnet sind.
Vorzugsweise umfassen die Wärmeübertragungsstrukturen in dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen gedreht eingeschnittene bzw. lanzenartige Rippen.
Vorzugsweise umfassen die Wärmeübertragungsstrukturen in dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen versetzt rechteckige Rippen.
In einem weiteren Aspekt bietet die gegenständliche Erfindung ein Trocknersystem mit gekühlter Luft, das Folgendes beinhaltet:
Jeden beliebigen der vorgenannten Wärmetauscher; eine Kältemittelquelle; ein erstes Kühlmittel-Leitmittel, um das Kühlmittel von der Kältemittelquelle zu dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen in eine Richtung hin zu einem ersten Ende des Kühlerkerns zu leiten; und ein zweites Kühlmittel-Leitmittel, um das Kühlmittel von dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen zu der Kältemittelquelle zurückzuholen, und zwar in einer Richtung weg von einem zweiten Ende des Kühlerkerns, wobei die im Wesentlichen senkrechte Beziehung zwischen dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen und dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen dazu führt, dass die Luft, die durch den ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen durch den Kühlerkern strömt, ein derartiges Temperaturprofil aufweist, dass die maximale Temperatur bei dem zweiten Ende des Kühlerkerns ist. Die Luft, die durch den ersten Satz von Wärmekanälen nahe dem zweiten Ende des Kühlerkerns bei der maximalen Raumtemperatur strömt, wird verwendet, um das Kühlmittel zu überhitzen, welches zu der Kältemittelquelle zurückströmt, um sicherzustellen, dass nur gasförmiges Kühlmittel zu der Kältemittelquelle zurückströmt.
In einem weiteren Aspekt bietet die gegenständliche Erfindung ein Verfahren zum Vorkühlen, Kühlen und Wiedererwärmen von warmer, feucht komprimierter Luft in einem Lufttrocknersystem, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kerns und eines Kühlerkerns in angrenzender physischer Beziehung an einem Wärmetauscher; (b) Durchströmen warmer, feucht komprimierter Luft durch den Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern, um die ankommende Luft vorzukühlen; (c) Durchströmen der vorgekühlten, ankommenden Luft von dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern unmittelbar in und durch den Kühlerkern; (d) Durchströmen des Kühlmittels durch den Kühlerkern, um in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zu der Richtung der ankommenden Luft und in einer Wärmeaustauschverbindung mit der ankommenden Luft durchzuströmen, um die vorgekühlte Luft zu kühlen; (e) Befördern der gekühlten, vorgekühlten Luft, um durch den Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern durchzuströmen, und zwar in Wärmeaustauschverbindung mit der ankommenden Luft, wobei die gekühlte, vorgekühlte Luft, welche durch den Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern in einer Richtung durchströmt, welche im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der ankommenden Luft ist. Bei diesem Verfahren beinhaltet Schritt (c), dass bei der ankommenden Luft, welche durch den Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern und den Kühlerkern strömt, ein wellenförmiges Strömungsmuster erzeugt wird, indem die vorgekühlte Luft veranlasst wird, über Wärmeübertragungsstrukturen im Kühlerkern zu strömen, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen Rippen umfassen, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung der vorgekühlten Luft angeordnet sind, und Schritt (d) beinhaltet, dass ein Kältemittel als Kühlmittel bereitgestellt wird und das Kältemittel aus einer Kältemittelquelle zu einem ersten Ende des Kühlerkerns geleitet wird, um das Kältemittel durch den Kühlerkern strömen zu lassen, und dass das Kältemittel weg von einem zweiten Ende des Kühlerkerns zu der Kältemittelquelle zurückgeleitet wird. Die Anordnung der Rippen in dem Strom von vorgekühlter Luft in Kombination mit einer niedrigen Temperatur des Kältemittels, welches durch den Kühlerkern strömt, bewirkt, dass sich Tröpfchen aus dem Luftstrom lösen, wobei sich die Tröpfchen unter Gewichtskraft bewegen, was deren Sammlung dient.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren den Schritt, gekühlte trockene Luft aus dem Kühlerkern zu dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern zu leiten, und zwar auf eine Art und Weise, welche die Zuführung von getrennter Luftfeuchtigkeit zu dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern verhindert.
Vorzugsweise beinhaltet das Verfahren den Schritt, die von der ankommenden Luft getrennten Tröpfchen aus dem Kühlerkern zu entnehmen.
Vorzugsweise besitzt die durch den Kühlerkern strömende Luft ein derartiges Temperaturprofil, dass die maximale Temperatur bei dem zweiten Ende des Kühlerkerns ist, und das Verfahren beinhaltet weiterhin den Schritt, die Luft, welche den Kühlerkern nahe dem zweiten Ende des Kühlerkerns und bei der maximalen Temperatur durchströmt, zur Überhitzung des Kühlmittels einzusetzen, welches von dem zweiten Ende des Kühlerkerns zu der Kaltemittelquelle zurückströmt.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Leiten gekühlter vorgekühlter Luft aus dem Kühlerkern zu dem Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern das Leiten der Luft entlang einem ersten Weg in einer im Allgemeinen aufwärtsführenden Richtung und dann entlang einem zweiten Weg in einer im Allgemeinen horizontalen Richtung.
Als Ergebnis davon wird ankommende Luft im Kühlerkern gekühlt, und aus diesem stammende gekühlte Luft tauscht Wärme mit der im Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern ankommenden Luft, um die ankommende Luft vorzukühlen, in der die Bildung von Wassertröpfchen beginnt, und um die Temperatur der gekühlten Luft auf eine dem Endverwendungszweck entsprechende Temperatur zu erhöhen. Die vorgekühlte und feuchte ankommende Luft tauscht Wärme mit dem Kühlmittel im Kühlerkern aus, und zwar mit dem Resultat, dass die Luft auf eine niedrige Temperatur abgekühlt wird, was zur Folge hat, dass der darin enthaltene Wasserdampf zu Wassertröpfchen kondensiert, die im Luftstrom mitgerissen werden. Der erste Satz von Wärmeübertragungskanälen enthält Wärmeübertragungsstrukturen mit Rippen, die versetzt und im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung durch dieselben angeordnet sind. Dies erzeugt ein wellenförmiges bzw. allgemein sinusförmiges Strömungsmuster entlang den Kanälen, das vorteilhafterweise in einer Feuchtigkeitsabscheidung resultiert, die intern innerhalb des Kühlerkerns stattfindet. Darüber hinaus bewirkt das Strömungsmuster, dass sich der Strom mit verringerter Geschwindigkeit entlang den Kanälen bewegt. Die Kreuzströmung-Anordnung der Kanäle in den Kernen des Wärmetauschers ermöglicht der Luft vorteilhaft, den Vorkühler- und Wiedererwärmer-Kern zu verlassen, um direkt – ohne dazwischenliegende Leitungs- oder Rohranordnungen – in den Kühlerkern zu hineinzuströmen.
Somit geht der Vorkühler/Kühler/Wiedererwärmer-Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung die Nachteile der Herangehensweisen nach Stand der Technik an, indem die beiden Wärmetauscherkerne zu einer integralen Einheit zusammengefügt werden. Der Vorkühler/Kühler/Wiedererwärmer-Wärmetauscher bildet eine Kombination aus zwei mit Aluminiumstäben und Aluminiumblech hartverlöteten Wärmetauschern. Die durch jeden Wärmetauscherkern führenden Strömungswege lassen ihre Stapelung zu einem sehr kompakten Paket zu. Durch Verwenden der Kreuzströmungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Luftstrom den Vorkühler/Wiedererwärmer verlassen und direkt – ohne dazwischenliegende Leitungsanordnung zur Strömungslenkung – in den Kühler einströmen. Zwar reduziert die Kreuzströmung unter Umständen die Temperatureffizienz des Vorkühlers/Wiedererwärmers, aber die Gewinne in puncto Einfachheit, Gewichtsreduktion, Wärmeübertragungsrate und Senkung des Druckabfalls wiegen diesen Verlust auf, wie sogleich im Einzelnen erläutert.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet noch viele weitere Vorteile. Das Anlegen von Rohrleitungen an die Anschlüsse am Wärmetauscher bereitet aufgrund der an den Anschlussstellen verfügbaren Flexibilität überhaupt keine Schwierigkeiten. Der Vorkühler/Kühler/Wiedererwärmer ist ein Kern aus hartverlöteten Stäben, aus hartverlötetem Blech und mit angeschweißten Verteilerteilen. Dies erlaubt die logische Platzierung von Anschlüssen im Einklang mit den verschiedenen Strömungsanordnungen der unterschiedlichen Konstruktionen von Trocknern mit gekühlter Luft. Die Wärmeübertragungsmatrix innerhalb des Vorkühlers/Kühlers/Wiedererwärmers umfasst die Gestaltung mit verstärkter hoher Widerstandsfähigkeit und geringer Geschwindigkeit. Dies ist gleichbedeutend mit einer größeren Wärmeübertragung bei kleinerer Baugruppe. Unter niedriger Geschwindigkeit ist zu verstehen, dass sich die Möglichkeit eröffnet, die Feuchtigkeitsabscheidung integral in die Vorkühler/Kühler/Wiedererwärmer-Verteilerteile einzugliedern. Die Trockner mit gekühlter Luft, die über Vorkühler/Kühler/Wiedererwärmer und über integrale Feuchtigkeitsabscheidung verfügen, sind einfacher zu konstruieren und kostengünstiger. Schließlich birgt die Aluminiumkonstruktion die Aussicht auf ein geringeres Gewicht und einen geringeren Kostenanfall als bei anderen Typen von Lufttrockner-Wärmetauschern.
Die zuvor erwähnten und weitere Vorteile und charakterisierende Merkmale der vorliegenden Erfindung sind bei Lektüre der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den einbezogenen Zeichnungen klar ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine seitliche, teilweise diagrammatische Draufsicht auf einen Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, so wie er in Trocknersystemen mit gekühlter Luft erscheinen würde.
2 ist eine Perspektivdarstellung, bei welcher Teile entfernt wurden und welche die Kerne des Wärmetauschers aus 1 veranschaulicht;
3 ist eine vergrößerte fragmentarische Perspektivdarstellung, bei welcher Teile entfernt wurden und welche einen Abschnitt des Kühlerkerns im Wärmetauscher aus 2 zeigt;
4 und 5 sind vergrößerte fragmentarische Perspektivdarstellungen eines Abschnitts des Kühlerkerns im Wärmetauscher aus 2;
6 ist eine diagrammatische Darstellung, welche einen Aspekt der Funktionsweise des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
7 ist eine diagrammatische Darstellung, welche einen weiteren Aspekt der Funktionsweise des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung erläutert;
8 und 9 sind vergrößerte fragmentarische Perspektivdarstellungen eines Abschnitts des Vorkühler/Wiedererwärmer-Kerns im Wärmetauscher aus 2;
10 ist ein Schaubild, welches Temperaturprofile für den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern und den Kühlerkern im Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung enthält;
11 ist eine seitliche, teilweise diagrammatische Draufsicht auf einen Wärmetauscher gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Wärmetauscher 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie er in einem Trocknersystem mit gekühlter Luft zum Umgang mit Umgebungsluft aus entweder internen oder externen Orten erscheinen würde. Der Wärmetauscher 10 beinhaltet einen Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 und einen Kühlerkern 14, die jeweils sogleich im Einzelnen beschrieben werden. Feuchtwarme Luft, beispielsweise aus dem Ausgang eines Luftkompressor-Nachkühlers, strömt durch eine Einlassarmatur 16 und ein Verteilerteil 18 in den Kern 12 des Wärmetauschers 10. Typischerweise wird die Eingangsluft aus einem Kompressor 20 erhalten, der mit der Armatur 16 über eine mit 22 bezeichnete Leitung verbunden ist. Kühl- oder Kältemittel aus einer Quelle 24 wird dem Kühlerkern 14 via eine Einlassarmatur 26 und ein Verteilerteil 28 zugeleitet. Kältemittel wird aus dem Kern 14 über ein Verteilerteil 30 und eine Auslassarmatur 32 zur Quelle 24 zurückgeleitet. Die gekühlte Luft strömt aus dem Kern 14 in ein Verteilerteil 36, das in kommunikativer Verbindung mit einem Auslass 38 für gekühlte Luft steht. Der Auslass 38 ist via eine Leitung 40 mit einem Einlass 42 für gekühlte Luft und dem zugehörigen Verteilerteil 44 des Vorkühler/Wiedererwärmer-Kerns 12 verbunden. Die Luft verlässt den Kern 12 via ein Verteilerteil 46 und einen Auslass 48, der via eine Leitung 50 mit einem Nutzungspunkt für die bearbeitete Luft verbunden ist.
Der Weg, den die Luft durch den Wärmetauscher 10 nimmt, wird durch die Pfeile in 1 angezeigt. Abschnitt 52 des Weges führt durch eine gestapelte Anordnung von Wärmeübertragungskanälen in Kern 12, die in Wärmeaustauschbeziehung mit einem alternierenden Stapel von Wärmeübertragungskanälen stehen, durch welche die gekühlte Luft aus Kern 14 in sogleich erläuterter Weise strömt. Abschnitt 54 des Weges führt durch eine gestapelte Anordnung von Wärmeübertragungskanälen in Kühlerkern 14, die mit einer Serie gestapelter Wärmeübertragungskanäle alternieren, welche Kältemittel in Richtung der Pfeile 56 fördern. So verlaufen die Ströme von Luft und Kältemittel in Kühlerkern 14 Kreuzströmungsverhältnis, d.h. im Wesentlichen senkrecht, zueinander. Gekühlte Luft, welche Kern 14 verlässt, wird zu Kern 12 gefördert und strömt entlang Wegabschnitt 60. Die gekühlte Luft in Wegabschnitt 60 strömt entlang der gestapelten Anordnung von Wärmeübertragungskanälen in Kern 12, die in Wärmeaustauschbeziehung mit der alternierenden gestapelten Anordnung von Wärmeübertragungskanälen stehen, durch welche die feuchtwarme ankommende Luft entlang Wegabschnitt 52 strömt. Deshalb verlaufen die Ströme aus warmer, ankommender Luft und aus ge kühlter Luft in Kern 12 in Kreuzströmungsverhältnis, d.h. im Wesentlichen senkrecht, zueinander. Die gekühlte Luft in Wegabschnitt 60 verliert, während sie sich in Kern 12 aufhält, etwas Wärme an die feuchtwarme Luft, die in den Wärmetauscher 10 dringt. Dies sorgt für eine Vorkühlfunktion zur Verbesserung der Gesamteffizienz und resultiert gleichzeitig in einer Wiedererwärmung der Luft für deren endgültigen Verwendungszweck. Insbesondere wird die Luft auf eine Temperatur wiedererwärmt, die unter jener der warmen Luft im Einlass 16, 18 liegt, und zwar um einen Betrag, der vom Wasserdampfgehalt und der Temperatur der Luft im Einlass 16, 18 bestimmt wird.
2 stellt den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 und den Kühler-Kern 14 des Wärmetauschers 10 detaillierter dar. Die beiden Kerne sind an gegenüberliegenden Seiten durch beabstandete Seitenwände oder -platten 70 und 72 geschlossen, und die Trennung 74 zwischen den Plattensektionen 70a und 70b kennzeichnet die Verbindungsstelle zwischen den beiden Kernen. In denselben ist eine Mehrzahl beabstandeter Wärmeübertragungskanäle 78a-78e enthalten und erstreckt sich horizontal durch die beiden Kerne 12 und 14, wie aus 2 ersichtlich. Jeder Kanal enthält, wie sogleich im Einzelnen erläutert, eine Wärmeübertragungsstruktur, die eine Mehrzahl von Rippen umfasst, die zwischen einem Paar (in 2 nicht dargestellter) Trennbleche angeordnet sind. Die Kanäle 78a-78e sind an der Unterseite der in 2 gezeigten Figur durch entsprechende Stäbe 80a-80e geschlossen, die sich jeweils entlang der gesamten Länge jeder der Kernstrukturen 12 und 14 erstrecken. In ähnlicher Weise sind die Kanäle 78a-78e an der Oberseite der in 2 gezeigten Struktur durch entsprechende Stäbe 82a-82e geschlossen, von denen sich ebenfalls jeder entlang der gesamten Länge jeder der Kernstrukturen 12 und 14 erstreckt. Die Kanäle 78a-78e, die sich 2 zufolge an den linksseitigen Enden befinden, stehen in kommunikativer fluider Verbindung mit Binlassverteilerteil 18 und Einlassarmatur 16 (die in 2 nicht veranschaulicht sind). Die Kanäle 78a-78e erstrecken sich entlang der gesamten Ausdehnung des Kerns 12 und entlang der gesamten Ausdehnung des Kerns 14, und zwar horizontal, wie aus 2 hervorgeht, weshalb die rechtsseitigen Enden der Kanäle 78a-78e in kommunikativer fluider Verbindung mit dem Auslassverteilerteil 36 und dem Auslass 38 für gekühlte Luft stehen (die in 2 nicht gezeigt sind). Die Rippen der Wärmeübertragungsstruktur in jedem der Kanäle 78a-78e sind im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft angeordnet, die in 2 durch die Pfeile angezeigt wird, welche die Wegabschnitte 52 und 54 kennzeichnen. Die Rippen befinden sich, wie aus 2 hervorgeht, in einer vertikal versetzten bzw. verschobenen Anord nung, so dass der Luftstrom entlang jedem der Kanäle 78a-78e von links nach rechts, siehe 2, einem wellen- bzw. sinusförmigen Weg ähnelt, wie sogleich im Einzelnen dargestellt und beschrieben.
Der Kühlerkern 14 enthält eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Wärmeübertragungskanäle 86a-86d, die sich, wie 2 zeigt, vertikal und nur entlang Kern 14 erstrecken und ferner in einem alternierenden oder gestapelten Verhältnis zu den Kanälen 78a-78e stehen, wie 2 veranschaulicht. Jeder Kanal beinhaltet, wie sogleich detailliert erläutert, eine Wärmeübertragungsstruktur, die eine Mehrzahl von Rippen umfasst, die zwischen einem Paar Trennbleche angeordnet sind, welche, in Kern 14 aus 2, die Trennbleche der benachbarten Kanäle 78a-78e sind. So stehen die Kanäle 86a-86d einschließlich ihrer Wärmeübertragungsstrukturen in Wärmeaustauschbeziehung mit den benachbarten Kanälen 78a-78e und deren Wärmeübertragungsstrukturen. Die Kanäle 86a-86d sind am rechtsseitigen Ende der Struktur aus 2 durch entsprechende Stäbe 88a-88d geschlossen, von denen sich jeder entlang der gesamten Länge der rechten Seite des Kerns 14 erstreckt, wie aus 2 hervorgeht. In ähnlicher Weise sind die Kanäle 86a-86d am linksseitigen Ende von Kern 14 aus 2 durch entsprechende Stäbe 90a-90d geschlossen, die sich entlang der gesamten Länge der linken Seite des Kerns 14 erstrecken. Die Kanäle 86a-86d am unteren Ende aus 2 stehen in kommunikativer fluider Verbindung mit dem Einlassverteilerteil 28 und dem Kältemitteleinlass 26 (die in 2 nicht gezeigt werden). Die Kanäle 86a-86d erstrecken sich entlang der gesamten Ausdehnung des Kerns 14 zwischen Unter- und Oberseite, wie 2 zeigt, und verlaufen somit senkrecht oder kreuzweise in Bezug auf die Kanäle 78a-78e. Die Kanäle 86a-86d am oberen Ende aus 2 stehen in kommunikativer fluider Verbindung mit dem Auslassverteilerteil 30 und dem Kältemittelauslass 32 (die in 2 nicht dargestellt sind). Außerdem sind, wie bei den Wärmeübertragungsstrukturen der Kanäle 78a-78e, die Rippen der Wärmeübertagungsstrukturen in den Kanälen 86a-86d im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Kältemittels angeordnet, dessen Strömungsweg in 2 durch die Pfeile 56 angezeigt wird. Wie aus 2 hervorgeht, befinden sich die Rippen in einer horizontal versetzten bzw. verschobenen Anordnung, so dass der Strom des Kältemittels durch jeden der Kanäle 86a-86d von unten bis nach oben einen wellenförmigen bzw. sinusförmigen Weg beschreibt, wie in 2 veranschaulicht und sogleich in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Der Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 umfasst eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Wärmeübertragungskanäle 96a-96d, die sich vertikal entlang Kern 12 erstrecken, wie aus 2 ersichtlich, und die sich in einem alternierenden oder gestapelten Verhältnis zu den Kanälen 78a-78e befinden, wie 2 zeigt. Jeder Kanal, wie sogleich im Einzelnen dargelegt, enthält eine Wärmeübertragungsstruktur, die eine Mehrzahl von Rippen einschließt, die zwischen einem Paar Trennbleche angeordnet sind, welche in Kern 12 aus 2 die Trennbleche der Kanäle 78a-78e sind. So stehen die Kanäle 96a-96d einschließlich ihrer Wärmeübertragungsstrukturen in Wärmeaustauschbeziehung mit den benachbarten der Kanäle 78a-78e und deren Wärmeübertragungsstrukturen. Die Kanäle 96a-96d sind am rechtsseitigen Ende der Struktur aus 2 durch die entsprechenden Stäbe 98a-98d geschlossen, die sich jeweils entlang der gesamten Länge der rechten Seite von Kern 12 erstrecken. Überdies befinden sich die Stäbe 98a-98d von Kern 12 in einem Nachbarschafts- oder Kontaktverhältnis mit den Stäben 90a-90d von Kern 14. So werden zwei verschiedene Strömungsbereiche, nämlich für Kältemittel in Kern 14 und für gekühlte Luft in Kern 12, bestimmt und in der Struktur aus 2 voneinander isoliert. In ähnlicher Weise sind, wie aus 2 hervorgeht, die Kanäle 96a-96d am linksseitigen Ende von Kern 12 durch entsprechende Stäbe 100a-100d geschlossen, die sich jeweils entlang der gesamten Länge der linken Seite des Kerns 12 erstrecken. Die Kanäle 96a-96d am unteren Ende aus 2 stehen in kommunikativer fluider Verbindung mit dem Einlassverteilerteil 44 und dem Einlass 42 für gekühlte trockene Luft (die in 2 nicht dargestellt sind). Die Kanäle 96a-96d erstrecken sich entlang der gesamten Ausdehnung des Kerns 12 zwischen Unterseite und Oberseite, wie 2 veranschaulicht, und verlaufen somit in Bezug auf die Kanäle 78a-78e senkrecht oder kreuzweise. Die Kanäle 96a-96d am oberen Ende aus 2 stehen in kommunikativer fluider Verbindung mit dem Auslassverteilerteil 46 und dem Auslass 48 des Wiedererwärmers trockener Luft (die in 2 nicht gezeigt werden). Anders als die Strukturen der Kanäle 78a-78e und 86a-86d verlaufen die Rippen der Wärmeübertragungsstrukturen in jedem der Kanäle 96a-96d im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der gekühlten Luft, die durch den mittels Pfeil 60 in 2 repräsentierten Wegabschnitt angegeben wird. Der Strom gekühlter Luft von unten bis oben entlang Kern 12, siehe 2, der den längsten Weg für Fluid durch die Struktur aus 2 nimmt, verläuft entlang Wegabschnitt 60 in einer verhältnismäßig geraden Strecke vom einen Ende des Kerns 12 zum anderen.
In einer fragmentarischen Perspektivdarstellung veranschaulicht 3 die allgemein mit 110 bezeichnete Wärmeübertragungsstruktur des Kanals 78a, das zwischen den Kanälen 78a und 86a befindliche Trennblech 112 und die allgemein mit 114 bezeichnete Wärmeübertragungsstruktur von Kanal 86a. Im rechten Abschnitt aus 3 wurden Struktur 110 und Trennblech 112 entfernt, um dadurch Struktur 114 sichtbar zu machen. Selbstverständlich ist Wärmeübertragungsstruktur 110 identisch mit der Wärmeübertragungsstruktur jedes der Kanäle 78b, 78c, 78d und 78e. In ähnlicher Hinsicht versteht es sich von selbst, dass Wärmeübertragungsstruktur 114 identisch ist mit der Wärmeübertragungsstruktur jedes der Kanäle 86b, 86c und 86d. Zusätzlich ist das Verhältnis zwischen den Wärmeübertragungsstrukturen 110 und 114 und Trennblech 112 das gleiche wie jenes zwischen den Wärmeübertragungsstrukturen der Kanäle 78b, 78c 78d, 78e und 86b, 86c, 86d und den dazwischen liegenden Trennblechen.
Wärmeübertragungsstruktur 110, auf die zunächst Bezug genommen wird, umfasst eine Serie von Rippenstrukturen, die hintereinander in Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind, wobei die Strömungsrichtung horizontal verläuft, wie aus 2 und 3 ersichtlich; drei dieser Rippenstrukturen sind in 3 jeweils mit 118, 120 und 122 bezeichnet. Die Rippenstrukturen 118, 120 und 122 sind ihrerseits vertikal angeordnet, wie 2 und 3 zeigen. Jede Rippenstruktur, z.B. die mit 120 bezeichnete, enthält einen dünnen, blechartigen Endkörper 126, der sich entlang der gesamten Länge zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil des Kerns 14 erstreckt, wie aus 2 hervorgeht. Der Körper 126 ist in einer zur Strömungsrichtung des Fluids parallelen Ebene angeordnet und befindet sich an einem Ende der seitlichen Ausdehnung des Kanals 78a. Ein identischer (nicht dargestellter) Endkörper befindet sich am entgegengesetzten Ende der seitlichen Ausdehnung von Kanal 78a und ist gegenüber Körper 126 in Richtung der Fluidströmung, d.h. horizontal, geringfügig versetzt, wie aus 3 hervorgeht. Eine erste Serie voneinander beabstandeter Endflansche erstreckt sich in vom Körper 126 ausgehender Richtung; beispielsweise verlaufen die mit 130a, 130b, 130c 130d, etc. bezeichneten Flansche horizontal nach rechts, wie 3 zeigt. Die Flansche 130 sind vertikal voneinander beabstandet, wie aus 3 ersichtlich. Eine zweite Serie voneinander beabstandeter Endflansche erstreckt sich in zum Körper 126 entgegengesetzte Richtungen, z.B. die Flansche 132a, 132b, 132c, 132d, etc., die horizontal nach links verlaufen, wie 3 zeigt. Die Flansche 132 sind vertikal beabstandet, siehe 3. Die Flansche 130 der ersten Serie sind in Bezug auf die Flansche 132 der zweiten Serie verschoben bzw. versetzt. Die Flansche 130 und 132 sind dünn, blechartig, in der gleichen Ebene angeordnet und als Ganzes mit dem Endkörper 126 geformt.
Die Rippenstruktur 120 umfasst weiterhin eine erste Serie 134 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die seitlich von Kanal 78a und im Wesentlichen rechtwinklig zu entsprechenden Endflanschen 130 verlaufen. Vorzugsweise ist jede Kombination aus Endflansch und seitlichem Flansch als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die gesamte Rippenstruktur geschaffen wird. So sind, wie 3 zeigt, die seitlichen Rippen bzw. Flansche 134a, 134b, 134c, 134d, etc. voneinander beabstandet, und zwar vertikal in Kanal 78a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jeder seitliche Flansch bzw. jede seitliche Rippe 134 endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 78a, wo er bzw. sie auf den oben erwähnten versetzten Endkörper (der nicht dargestellt ist) am gegenüberliegenden Ende der seitlichen Ausdehnung des Kanals 78a trifft.
Die Rippenstruktur 120 umfasst weiterhin eine zweite Serie 136 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die seitlich von Kanal 78a und im Wesentlichen rechtwinklig zu Körper 126 verlaufen. Vorzugsweise ist jeder seitliche Flansch 136 der zweiten Serie als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die gesamte Wärmeübertragungsstruktur geschaffen wird. So sind, wie 3 zeigt, die seitlichen Rippen bzw. Flansche 136a, 136b, 136c, 136d, etc. voneinander beabstandet, und zwar vertikal in Kanal 78a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jeder seitliche Flansch bzw. jede seitliche Rippe endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 78a, wo er bzw. sie auf einen (nicht dargestellten) entsprechenden Endflansch trifft, der sich vom zuvor erwähnten (jedoch nicht veranschaulichten) versetzten Endkörper aus erstreckt; besagter Endflansch ähnelt jenem Endflansch 132, der von Endkörper 126 ausgeht.
Die Rippenstruktur 120 umfasst weiterhin eine dritte Serie 138 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die seitlich von Kanal 78a und im Wesentlichen rechtwinklig zu entsprechenden Endflanschen 132 verlaufen. Vorzugsweise ist die Kombination aus Endflansch und seitlichem Flansch als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die gesamte Wärmeübertragungsstruktur geschaffen wird. So sind, wie 3 zeigt, die seitlichen Rippen bzw. Flansche 138a, 138b, 138c, 138d, etc. voneinander beabstandet, und zwar vertikal in Kanal 78a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jeder seitliche Flansch bzw. jede seitliche Rippe endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 78a, wo er bzw. sie auf einen (nicht dargestellten) weiteren Endkörper trifft, der gegenüber dem zuvor erwähnten Endkörper in Strömungsrichtung des Fluids am entgegensetzten Ende der seitlichen Ausdehnung von Kanal 78a versetzt ist.
Die Rippenstruktur 120 umfasst weiterhin eine vierte Serie 140 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die seitlich von Kanal 78a und im Wesentlichen rechtwinklig zu Körper 126 verlaufen. Vorzugsweise ist jeder seitliche Flansch 140 der vierten Serie als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die ganze Wärmeübertagungsstruktur geschaffen wird. So sind die seitlichen Rippen bzw. Flansche 140a, 140b, 140c, 140d, etc. voneinander beabstandet, und zwar vertikal in Kanal 78a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jede seitliche Rippe bzw. jeder seitliche Flansch endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 78a, wo sie bzw. er auf einen (nicht dargestellten) Endflansch trifft, der vom (nicht gezeigten) anderen Endkörper ausgeht, der zuvor beschrieben wurde.
Die seitlichen Rippen bzw. Flansche 134 der ersten Serie sind in Bezug auf die Rippen bzw. Flansche 138 der dritten Serie verschoben bzw. versetzt, und die Rippen bzw. Flansche 136 der zweiten Serie sind in Bezug auf die Rippen bzw. Flansche 140 der vierten Serie verschoben bzw. versetzt, wobei das verschobene bzw. versetzte Verhältnis in vertikaler Richtung besteht, wie 2 und 3 veranschaulichen. Die erste 134 und die vierte 140 Serie befinden sich jeweils in vertikaler Anordnung, wie aus 2 und 3 ersichtlich, und die zweite 136 und die dritte 138 Serie befinden sich jeweils in vertikaler Anordnung. So trifft das Fluid, das durch die Rippenstruktur 120 in einer allgemein horizontalen Richtung von links nach rechts strömt, siehe 2 und 3, zunächst auf die Rippen bzw. Flansche 138, welche bewirken, dass der Fluidstrom geringfügig nach oben und nach unten und ferner um die flachen Rippen 138 herum abgelenkt wird, woraufhin das Fluid in den offenen Raum bzw. Bereich innerhalb der Endflansche 132 und der entsprechenden Endflansche am gegenüberliegenden seitlichen Ende von Kanal 78a weiterströmt, woraufhin der Fluidstrom auf die Rippen bzw. Flansche 140 und 136 trifft, welche bewirken, dass der Strom geringfügig nach oben und nach unten und ferner um die flachen Rippen 140 und 136 herum abgelenkt wird, woraufhin dass Fluid in den offenen Bereich bzw. Raum innerhalb der Endflansche 130 und der entsprechenden Endflansche am gegenüberliegenden seitlichen Ende von Kanal 78a weiterströmt, woraufhin der Fluidstrom auf die Rippen bzw. Flansche 134 trifft, welche bewirken, dass der Strom geringfügig nach oben und nach unten und ferner um die flachen Rippen 134 herum abgelenkt wird; danach bewegt sich der Strom im Allgemeinen horizontal von links nach rechts weiter, wie 2 und 3 zeigen. Als Ergebnis davon setzt sich das Muster bzw. die Form des Fluidstromweges wellenförmig bzw. allgemein sinusförmig in horizontaler Richtung von links nach rechts fort, wie in 2 und 3 veranschaulicht und sogleich detailliert erläutert.
Die Rippenstruktur 118 ist im Wesentlichen identisch mit Struktur 120 und umfasst einen Endkörper 146, eine Serie von Endflanschen 152 und 154 und eine Serie von seitlichen Rippen bzw. Flanschen 156 und 158 sowie 160 und 162. Struktur 118 ist nahe der benachbarten Struktur 120 in Richtung des Fluidstroms entlang Kanal 78a angeordnet. Die seitlichen Rippen bzw. Flansche 156 von Struktur 118 sind in vertikaler Richtung in Bezug auf die benachbarten seitlichen Rippen bzw. Flansche 138 von Struktur 120 so verschoben und versetzt, dass sie weiter zur wellen- bzw. sinusförmigen Bewegung des Fluids entlang Kanal 78a beitragen. Rippenstruktur 122 ist im Wesentlichen identisch mit Struktur 120 einschließlich des Endkörpers 166, der Endflansche 170 und 172 und ferner der seitlichen Rippen bzw. Flansche 176, 178, 180 und 182. Struktur 122 ist nahe der benachbarten Struktur 120 in Richtung des Fluidstroms entlang Kanal 78a angeordnet. Die seitlichen Rippen bzw. Flansche 178 von Struktur 122 sind in vertikaler Richtung in Bezug auf die seitlichen Rippen bzw. Flansche 134 von Struktur 120 so verschoben bzw. versetzt, dass sie weiter zur wellen- bzw. sinusförmigen Bewegung des Fluids entlang Kanal 78a beitragen.
3 veranschaulicht die drei Rippenstrukturen 118, 120 und 122 in ihren Einzelheiten, wobei es selbstverständlich ist, dass eine große Anzahl solcher Rippenstrukturen innerhalb beider Kerne 12 und 14 entlang der Länge jedes Kanals 78a in von links nach rechts verlaufender Richtung enthalten ist, siehe 2. Eine derartige Anordnung wiederholt sich in jedem der anderen Kanäle 78b, 78c, 78d und 78e. Die Rippenstrukturen sind vorzugsweise aus dünnem Aluminiumblech geformt und mit den Trennblechen hartverlötet, wie zuvor erläutert. Insbesondere sind die Endkörper und die Endflansche jeder der Rippenstrukturen mit dem benachbarten Trennblech hartverlötet.
Die Wärmeübertragungsstruktur 114 der Kanäle 86a-86d ist identisch mit Wärmeübertragungsstruktur 110; sie liegt in derselben Ebene wie Struktur 110 und ist in einem Winkel von 90° in Bezug auf Struktur 110 ausgerichtet. Da der Strom des Fluids, d.h. des Kälte mittels, durch die Kanäle 86a-86d in rechten Winkeln zum Strom des Fluids durch die Kanäle 78a-78e erfolgt, bewirkt die Wärmeübertragungsstruktur 114 ebenfalls ein wellenförmiges bzw. allgemein sinusförmiges Fluidstrommuster entlang den Kanälen 86a-86d, wie sogleich im Einzelnen beschrieben.
Die Wärmeübertragungsstruktur 114 umfasst eine Serie von Rippenstrukturen, die fortlaufend in Richtung des Fluidstroms angeordnet sind, und zwar vertikal, wie 2 und 3 zeigen; drei dieser Rippenstrukturen sind in 3 mit 188, 190 und 192 bezeichnet. Die Rippenstrukturen 188, 190 und 192 sind horizontal angeordnet, wie aus 2 und 3 ersichtlich. Jede Rippenstruktur, z.B. die mit 190 bezeichnete, beinhaltet einen dünnen, blechartigen Endkörper 196, der sich entlang der gesamten Breite von Kern 14 horizontal von einer Seite zur anderen erstreckt. Der Körper 196 ist in einer zur Strömungsrichtung des Fluids parallelen Ebene angeordnet und befindet sich an einem Ende der seitlichen Ausdehnung von Kanal 86a. Ein (nicht dargestellter) identischer Endkörper befindet sich am entgegengesetzten Ende der seitlichen Ausdehnung von Kanal 86a und ist gegenüber Körper 196 in Richtung des Fluidstroms geringfügig versetzt, und zwar vertikal, wie aus 3 hervorgeht. Eine erste Serie voneinander beabstandeter Endflansche erstreckt sich in einer vom Körper 196 ausgehenden Richtung; z.B. erstrecken sich die mit 200a, 200b, 200c, 200d, etc. bezeichneten Flansche vertikal nach oben, wie 3 zeigt. Die Flansche sind horizontal beabstandet, siehe 3. Eine zweite Serie voneinander beabstandeter Endflansche erstreckt sich vom Körper 196 aus in entgegengesetzte Richtungen; z.B. erstrecken sich die Flansche 202a, 202b, 202c, etc. vertikal nach unten, wie aus 3 ersichtlich. Die Flansche 202 sind horizontal beabstandet, wie 3 veranschaulicht. Die Flansche 200 der ersten Serie sind gegenüber den Flanschen 202 der zweiten Serie verschoben bzw. versetzt. Die Flansche 200 und 202 sind dünn, blechartig, in der gleichen Ebene angeordnet und als Ganzes mit jedem Körper 196 geformt.
Die Rippenstruktur 190 umfasst weiterhin eine erste Serie 204 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die sich seitlich von Kanal 86a und im Wesentlichen rechtwinklig zu den entsprechenden Endflanschen 200 erstrecken. Vorzugsweise ist jede Kombination aus Endflansch und seitlichem Flansch als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die ganze Rippenstruktur geschaffen wird. So sind, wie 3 zeigt, die seitlichen Rippen bzw. Flansche 204a, 204b, 204c, 204d, etc. voneinander beabstandet, und zwar horizontal in Kanal 86a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jeder seitliche Flansch bzw. jede seitliche Rippe endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 86a, wo er bzw. sie auf den oben erwähnten versetzten Endkörper (der nicht dargestellt ist) am gegenüberliegenden Ende der seitlichen Ausdehnung von Kanal 86a trifft.
Die Rippenstruktur 190 umfasst weiterhin eine zweite Serie 206 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die sich seitlich von Kanal 86a und im Wesentlichen rechtwinklig zu Körper 196 erstrecken. Vorzugsweise ist jeder seitliche Flansch 206 der zweiten Serie als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die gesamte Wärmeübertragungsstruktur geschaffen wird. So sind, wie 3 veranschaulicht, die seitlichen Rippen bzw. Flansche 206a, 206b, 206c, etc. voneinander beabstandet, und zwar horizontal in Kanal 86a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jeder seitliche Flansch bzw. jede seitliche Rippe endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 86a, wo er bzw. sie auf einen (nicht dargestellten) Endflansch trifft, der sich vom zuvor erwähnten versetzten Endkörper aus (der nicht gezeigt wird) erstreckt; besagter Endflansch ähnelt Endflansch 202, der sich von Endkörper 196 aus erstreckt.
Die Rippenstruktur 190 umfasst weiterhin eine dritte Serie 208 beabstandeter seitlicher Flansche bzw. Rippen, die sich seitlich von Kanal 86a und im Wesentlichen rechtwinklig zu den entsprechenden Endflanschen 202 erstrecken. Vorzugsweise ist jede Kombination aus Endflansch und seitlichem Flansch als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die ganze Wärmeübertragungsstruktur geschaffen wird. So sind, wie 3 zeigt, die seitlichen Rippen bzw. Flansche 208a, 208b, 208c, etc. voneinander beabstandet, und zwar horizontal in Kanal 86a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jeder seitliche Flansch bzw. jede seitliche Rippe endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 86a, wo er bzw. sie auf einen (nicht dargestellten) weiteren Endkörper trifft, der vom zuvor erwähnten Endkörper in Richtung des Fluidstroms am gegenüberliegenden Ende der seitlichen Ausdehnung von Kanal 86a versetzt ist.
Die Rippenstruktur 190 umfasst weiterhin eine vierte Serie 210 beabstandeter seitlicher Rippen bzw. Flansche, die sich seitlich von Kanal 86a und im Wesentlichen rechtwinklig zu Körper 196 erstrecken. Vorzugsweise ist jeder seitliche Flansch 210 der vierten Serie als Ganzes aus dem dünnen Metallblech geformt bzw. gebogen, aus dem die ganze Wärmeübertragungsstruktur geschaffen wird. So sind die seitlichen Rippen bzw. Flansche 210a, 210b, 210c, 210d, etc. voneinander beabstandet, und zwar horizontal in Kanal 86a, wie aus 2 und 3 hervorgeht. Jede seitliche Rippe bzw. jeder seitliche Flansch endet am gegenüberliegenden Ende von Kanal 86a, wo sie bzw. er auf einen (nicht dargestellten) Endflansch trifft, der sich vom (nicht gezeigten) anderen Endkörper aus erstreckt, der zuvor beschrieben wurde.
Die seitlichen Rippen bzw. Flansche 204 der ersten Serie sind in Bezug auf die Rippen bzw. Flansche 208 der dritten Serie verschoben bzw. versetzt, und die Rippen bzw. Flansche 206 der zweiten Serie sind in Bezug auf die Rippen bzw. Flansche 210 der vierten Serie verschoben bzw. versetzt, wobei das verschobene bzw. versetzte Verhältnis in horizontaler Richtung besteht, wie aus 2 und 3 ersichtlich. Die erste 204 und die vierte 210 Serie sind jeweils horizontal angeordnet, wie 2 und 3 zeigen, wohingegen die zweite 206 und die dritte 208 Serie jeweils vertikal angeordnet sind. So trifft das Fluid, d.h. das Kältemittel, das durch Rippenstruktur 190 in einer im Allgemeinen vertikalen Richtung von unten nach oben strömt, siehe 2 und 3, zunächst auf die Rippen bzw. Flansche 208, welche bewirken, dass der Fluidstrom geringfügig nach links und nach rechts und dann um die flachen Rippen 208 herum abgelenkt wird, woraufhin das Fluid in den offenen Raum bzw. Bereich innerhalb der Endflansche 202 und der entsprechenden Endflansche am gegenüberliegenden seitlichen Ende von Kanal 86a weiterströmt, woraufhin der Fluidstrom auf die Rippen 210 und 206 trifft, welche bewirken, dass der Strom geringfügig nach links und nach rechts und ferner um die flachen Rippen 210 und 216 herum abgelenkt wird, woraufhin das Fluid in den offenen Bereich bzw. Raum innerhalb der Endflansche 200 und der entsprechenden Endflansche am gegenüberliegenden seitlichen Ende von Kanal 86a weiterströmt, woraufhin das Fluid auf die Rippen bzw. Flansche 204 trifft, welche bewirken, dass der Strom geringfügig nach links und nach rechts und ferner um die flachen Rippen 204 herum abgelenkt wird, und dann bewegt sich der Strom im Allgemeinen vertikal nach oben fort, betrachtet in vertikaler Richtung von unten nach oben, wie in 2 und 3. Als Ergebnis davon verläuft das Muster bzw. die Form des Weges, den der Fluidstrom nimmt, wellenförmig bzw. im Allgemeinen sinusförmig und setzt sich in vertikaler Richtung von unten nach oben fort, wie in 2 und 3 veranschaulicht und sogleich in weiteren Einzelheiten erläutert.
Rippenstruktur 188 ist im Wesentlichen identisch mit Struktur 190 und umfasst einen Endkörper 216, eine Serie von Endflanschen 222 und 224 und ferner eine Serie von seitlichen Rippen bzw. Flanschen 226, 228, 230 und 232. Struktur 188 befindet sich nahe der benach barten Struktur 120 in Richtung des Fluidstroms entlang Kanal 86a. Die seitlichen Rippen bzw. Flansche 226 von Struktur 188 sind in Bezug auf die benachbarten seitlichen Rippen bzw. Flansche 208 von Struktur 190 in horizontaler Richtung so verschoben und versetzt, dass sie weiter zur wellen- bzw. sinusförmigen Bewegung des Fluids entlang Kanal 86a beitragen. Rippenstruktur 192 ist im Wesentlichen identisch mit Struktur 190 einschließlich des Endkörpers 236, den Endflanschen 240 und 242 und ferner den seitlichen Rippen bzw. Flanschen 246, 248, 250 und 252. Struktur 192 befindet sich nahe der benachbarten Struktur 190 in Richtung des Fluidstroms entlang Kanal 86a. Die seitlichen Rippen bzw. Flansche 248 von Struktur 192 sind in Bezug auf die seitlichen Rippen bzw. Flansche 204 von Struktur 190 in horizontaler Richtung so verlagert bzw. versetzt, dass sie weiter zur wellen- bzw. sinusförmigen Bewegung von Fluid entlang Kanal 86a beitragen.
3 veranschaulicht die drei Rippenstrukturen 188, 190 und 192 in ihren Einzelheiten, wobei es selbstverständlich ist, dass eine große Anzahl derartiger Rippenstrukturen innerhalb Kern 14 entlang der Länge von Kanal 86a in vertikaler Richtung enthalten ist, wie aus 2 ersichtlich. Eine solche Anordnung wiederholt sich in jedem der anderen Kanäle 86b, 86c und 86d. Die Rippenstrukturen sind vorzugsweise aus dünnem Aluminiumblech geformt und mit den Trennblechen hartverlötet, wie zuvor erläutert. Insbesondere sind die Endkörper und die Endflansche jeder der Rippenstrukturen mit dem benachbarten Trennblech hartverlötet.
Die Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 78a-78e und in den Kanälen 86a-86d, dargestellt in 3, kennzeichnen sich alle durch Rippen bzw. Flansche, die in den Kanälen im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind und als gedrehte eingeschnittene bzw. lanzenartige Rippenstrukturen bezeichnet werden. Diese Wärmeübertragungsstrukturen stellen eine Modifikation der herkömmlichen versetzt rechteckigen Rippenstrukturen dar, bei denen die Rippen parallel zum Fluidstrom in einem Kanal angeordnet sind, der diese Strukturen enthält. Bei den gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippenstrukturen im Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung handelt es sich um versetzt rechteckige Rippenstrukturen, bei denen die Rippen in Bezug auf den Fluidstrom um 90° angewinkelt oder gedreht sind.
Zum Zwecke der weiteren Erläuterung werden die Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 78a-78e und in den Kanälen 86a-86d des Kühlerkerns 14 auch in 4 und 5 dargestellt. Insbesondere veranschaulichen die in 4 allgemein mit 256 und 258 bezeichneten Wärmeübertragungsstrukturen die gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippenstrukturen, die in den Kanälen 78a-78e und 86a-86d des Kühlerkerns 14 enthalten sind. 5 ist ein Spiegelbild von 4, das zur Darstellung jener Rippen dient, die in 4 verdeckt sind.
Sowohl die Kanäle 78a-78e, die sich durch den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 und durch den Kühlerkern 14 erstrecken, als auch die Kanäle 86a-86d, die sich durch den Kühlerkern 14 in einem Kreuzströmungsverhältnis zu den Kanälen 78a-78e erstrecken, enthalten allesamt Wärmeübertragungsstrukturen, die sich durch Rippen bzw. Flansche kennzeichnen, die in den Kanälen im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids durch die Kanäle angeordnet sind. Die Rippen bzw. Flansche sind in einer ersten Richtung entlang den Kanälen in Richtung des Fluidstroms beabstandet, und sie sind außerdem in einer zweiten Richtung beabstandet, die im Wesentlichen normal oder senkrecht zur Richtung des Fluidstroms ist. Derartige Beabstandungen ermöglichen es, dass das Fluid die Kanäle durchströmt. Zusätzlich sind benachbarte Sätze von Rippen bzw. Flanschen entlang der zweiten Richtung versetzt bzw. verschoben. Als Ergebnis davon trifft Fluid, das sich jeden Kanal entlang bewegt, auf die Flansche bzw. Rippen und strömt gegen sie und um sie herum, woraus sich ein wellenförmiges bzw. allgemein sinusförmiges Strömungsmuster in Richtung des Fluidstroms entlang jedem Kanal ergibt.
Das Vorangehende ist diagrammatisch in 6 erläutert, in der die Rippen bzw. Flansche 260 die Flansche 134, 136, 138, 140, 156, 158, 160, 162, 176, 178, 180 und 182 in den Kanälen 78a-78e bzw. die Flansche 204, 206, 208, 210, 226, 228, 230, 232, 246, 248, 250 und 252 in den Kanälen 86a-86d repräsentieren. Die Strömungsrichtung des Fluids durch den jeweiligen Kanal wird durch Pfeil 262 angezeigt. Die Wege der Strömung um die Rippen bzw. Flansche 260 herum werden durch die Pfeile 264 angegeben. Fortschreitend von links nach rechts (6), was der Strömungsrichtung des Fluids durch den Kanal entspricht, ist das wellenförmige bzw. allgemein sinusförmige Muster des Fluidstroms um die Rippen bzw. die Flansche 260 herum zu erkennen.
Die zuvor erwähnte Anordnung der Rippen bzw. Flansche ruft in Zusammenspiel mit der niedrigen Temperatur in Kern 14 hervor, dass die feuchtwarme Luft, die in Kern 14 den Kanälen 78a-78e entlangströmt, Wasserdampf in der Luft freisetzt und dieser kondensiert. Insbesondere während die feuchtwarme Luft entlang den Kanälen 78a-78e durch den Kühlerkern 14 strömt, kondensiert der Wasserdampf in der gekühlten komprimierten Luft zu Wassertröpfchen, die im Luftstrom mitgerissen werden. Der auf den Rippen bzw. Flanschen auftreffende Strom bewirkt gemeinsam mit der zuvor beschriebenen Richtungsveränderung des Stroms um die Rippen bzw. Flansche herum, dass sich die Wassertröpfchen vom Luftstrom abscheiden. Dies ist in 7 veranschaulicht, welche Rippen bzw. Flansche 260' zeigt, die identisch mit jenen sind, welche in 5 mit 260 bezeichnet werden, und die sich in den Abschnitten der Kanäle 78a-78e innerhalb des Kühlerkerns 14 befinden. Die Strömungswege der Luft und der mitgerissenen Wassertröpfchen um die Rippen bzw. Flansche 260' herum sind in 7 mit 264' bezeichnet. Etwas Wasser sammelt sich in Form von Tröpfchen 265 auf der stromauf gelegenen Oberfläche der Rippen bzw. Flansche 260', und der Rest des Wassers löst sich aus dem Luftstrom in Form freier Tröpfchen 266. Beide Formen aus dem Luftstrom abgeschiedener Tröpfchen 265 und 266 fallen durch ihre Gewichtskraft zum Boden des Kerns 14, von wo das aufgesammelte Wasser mittels eines in 1 dargestellten Ablaufanschlusses 268 entfernt wird.
Ein weiterer Vorteil der Wärmeübertragungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung, die sich durch Rippen bzw. Flansche kennzeichnet, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Fluidstroms durch die Kanäle angeordnet sind, besteht also darin, dass sich die Abscheidung von Feuchtigkeit innerhalb des Vorkühlerkerns 12 und innerhalb des Kühlerkerns 14 abwickeln lässt. Dies wiederum vermeidet die Notwendigkeit, einen separaten, externen Feuchtigkeitsabscheider bereitzustellen. Andererseits kann in einigen Situationen, etwa bedingt durch bestimmte Betriebserfordernisse, durch das Erfordernis, die Länge des Sammlers 36 (Header) in Strömungsrichtung zu verkürzen, oder durch bestimmte Normvorschriften, ein separater externer Feuchtigkeitsabscheider vorgesehen werden. In diesem Fall ist er an einem geeigneten Punkt entlang der Leitung 40 angeordnet, beispielsweise an dem mit 280 bezeichneten Punkt in 1. Bei dem Feuchtigkeitsabscheider 280 kann es sich um einen beliebigen aus zahlreichen im Handel erhältlichen Feuchtigkeitsabscheidern handeln, welche Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt sind.
Anders als die Wärmeübertragungsstrukturen der Kanäle 78a-78e und 86a-86d umfassen die Wärmeübertragungsstrukturen in jedem der Kanäle 96a-96d Rippen, die im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung gekühlter Luft entlang Kern 12 angeordnet sind, wie zuvor dargelegt. Die Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 96a-96d sind herkömmliche versetzt rechteckige Rippenstrukturen, welche Fachleuten auf diesem Gebiet wohlbekannt sind, so dass eine detaillierte Beschreibung derselben für überflüssig gehalten wird. Da der von unten nach oben verlaufende Strom gekühlter Luft entlang Kern 12, wie in 2 dargestellt, den längsten Weg darstellt, den der Fluidstrom in der Wärmetauscherstruktur aus 2 nimmt, kommen versetzt rechteckige Rippenstrukturen in den Kanälen 96a-96d zum Einsatz, wobei deren Rippen im Wesentlichen parallel zum Fluidstrom angeordnet sind, um den Fluidstrom nicht einem übermäßigen Druckabfall auszusetzen.
8 und 9 veranschaulichen kurz die Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 96a-96d des Vorkühler/Wiedererwärmer-Kerns 12. Insbesondere stellen die in 8 allgemein mit 290 und 292 bezeichneten Wärmeübertragungsstrukturen die versetzt rechteckigen Rippenstrukturen dar, die in den Kanälen 96a-96d des Vorkühler/Wiedererwärmer-Kerns 12 enthalten sind. Bei 9 handelt es sich um ein Spiegelbild von 8, damit jene Rippen gezeigt werden, die in 8 verdeckt sind.
Der Wärmetauscher 10 der vorliegenden Erfindung arbeitet folgendermaßen: Feuchtwarme Luft aus Kompressor/Nachkühler 20 strömt durch Leitung 22 in Einlass 16 und dann in Verteilerteil 18, von welchem aus die feuchtwarme Luft in die Kanäle 78a-78e strömt. Dann strömt die feuchtwarme Luft entlang den Kanälen 78a-78e durch den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12. Mittels der Wärmeübertragungsstrukturen in den zuvor beschriebenen Kanälen 78a-78e und 96a-96d tauscht die feuchtwarme Luft, die den Kanälen 78a-78e entlangströmt, Wärme mit der gekühlten Luft aus, die entlang den Kanälen 96a-96d strömt. Auf diese Weise wird die feuchtwarme ankommende Luft vorgekühlt, während sie entlang den Kanälen 78a-78e in Kern 12 von links nach rechts strömt, wie 1 und 2 zeigen. Dies bewirkt, dass Wasserdampf beginnt, zu Wassertröpfchen zu kondensieren. Zusätzlich wandeln die gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen-Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 78a-78e den Strom aus feuchtwarmer Luft zu einem wellenförmigen bzw. allgemein sinusförmigen Strömungsmuster, das eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit herbeiführt.
Kältemittel, typischerweise Freon R-22, strömt aus der Quelle 24 zur Einlassarmatur 26 und dann zum Verteilerteil 28, aus dem es in die Kanäle 86a-86d im Kühlerkern 14 gelangt. Wie aus 1 und 2 ersichtlich, strömt das Kältemittel entlang den Kanälen 86a-86d vom unteren zum oberen Teil des Kerns 14, woraufhin es in das Verteilerteil 30 einströmt und durch den Auslass 32 zurück zur Quelle 24 strömt. Das Kältemittel zirkuliert von neuem durch diesen kontinuierlichen Kreislauf.
Die vorgekühlte, feuchte Luft verlässt den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 und setzt ihren Weg entlang den Kanälen 78a-78e durch den Kühlerkern 14 fort. Mittels der zuvor erläuterten Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 78a-78e und in den Kanälen 86a-86d tauscht die vorgekühlte feuchte Luft, die den Kanälen 78a-78e entlangströmt, Wärme mit Kältemittel, das entlang den Kanälen 86a-86d strömt. Die Ströme der vorgekühlten, feuchten Luft entlang den Kanälen 78a-78e und des Kältemittels entlang den Kanälen 86a-86d befinden sich in einem Kreuzströmungs- bzw. orthogonalen Verhältnis zueinander. So wird die vorgekühlte, feuchte Luft auf eine niedrige Temperatur abgekühlt, während sie entlang den Kanälen 78a-78e in Kern 12 und in Kern 14 von links nach rechts strömt, wie 1 und 2 zeigen. Dies hat zur Folge, dass Wasserdampf in der gekühlten komprimierten Luft in beiden Kernen 12 und 14 zu Wassertröpfchen kondensiert, die im Luftstrom mitgerissen werden. Die gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen-Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 78a-78e verringern die Geschwindigkeit der Luft weiter, während sie durch den Kühlerkern 14 strömt. Darüber hinaus führen die gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen-Wärmeübertragungsstrukturen in den Kanälen 78a-78e, wie in Zusammenhang mit 7 beschrieben, die Abscheidung von Wassertröpfchen aus dem Luftstrom entlang Kern 14 herbei; infolgedessen fällt das Wasser durch seine Gewichtskraft zum unteren Abschnitt des Kerns 14, um mittels des Ablaufanschlusses 268 entfernt zu werden, wie in 1 und 2 dargestellt.
Gekühlte, trockene Luft verlässt die Kanäle 78a-78e von Kern 14 und strömt in Verteilerteil 36 und durch den Auslass 38 für gekühlte Luft, woraufhin sie entlang Leitung 40 und dann durch Einlass 42 für gekühlte trockene Luft in Verteilerteil 44 strömt, von dem aus sie in die Kanäle 96a-96d von Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 strömt. Die gekühlte, trockene Luft strömt entlang den Kanälen 96a-96d vom unteren zum oberen Teil des Kerns 12, wie aus
1 und 2 ersichtlich. Mittels der Wärmeübertragungsstrukturen in den zuvor beschriebenen Kanälen 78a-78e und 96a-96d tauscht die feuchtwarme ankommende Luft, die sich den Kanälen 78a-78e in Kern 12 entlangbewegt, Wärme mit der gekühlten, trockenen Luft, die sich den Kanälen 96a-96d entlangbewegt. Die Ströme der feuchtwarmen ankommenden Luft entlang den Kanälen 78a-78e und der gekühlten, trockenen Luft entlang den Kanälen 86a-86d befinden sich in einem Kreuzströmungs- bzw. orthogonalem Verhältnis zueinander. Infolgedessen wird, wie zuvor dargelegt, die feuchtwarme ankommende Luft vorgekühlt, während sie entlang den Kanälen 78a-78e in Kern 12 von links nach rechts strömt, wie 1 und 2 zeigen. Diese Vorkühlfunktion senkt in vorteilhafter Weise die Kühllast etwas ab, die andernfalls der Kühlerkern 14 bewältigen müsste. Dies wiederum macht es möglich, dass die Größe des Kühlerkerns 14 geringer ausfällt und er weniger Energie aus dem Kühlsystem benötigt, was einem wirtschaftlicheren und effizienteren Betrieb dient. Überdies wird die Temperatur der gekühlten, trockenen Luft erhöht, während sie den Kanälen 96a-96d in Kern 12 von unten nach oben entlangströmt, wie in 1 und 2 dargestellt. Die Temperatur der Luft wird für deren Endverwendungszweck gesteigert. Das Wiedererwärmen der gekühlten Luft senkt außerdem die Wahrscheinlichkeit, dass Bedingungen mit niedriger Umgebungstemperatur eine Kondensation in der Luftabgabeleitung verursachen könnten, die vom Wärmetauscher 10 zum Ort des Endverbrauchs führt. Darüber hinaus verringert das Wiedererwärmen der gekühlten Luft die Wahrscheinlichkeit von Kondensation oder Schwitzen an der Luftausgabeleitung, die bzw. das auf gekühlten Oberflächen unter feuchten Bedingungen auftreten kann.
In Wärmetauscher 10 der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Kreuzströmungsanordnung in den Kernen 12 und 14, dass die vorgekühlte Luft in den Kanälen 78a-78e den Kern 12 verlässt und direkt, ohne irgendwelche Zwischenleitungen zur Strömungslenkung, in den Kühlerkern 14 hineinströmt. Das Vermeiden einer Zwischenverrohrung verschafft Vorteile hinsichtlich der Einfachheit der Konstruktion und der Gewichtsreduktion des Wärmetauschers 10. Die Strukturen der gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen in den Kanälen 78a-78e durch die Kerne 12 und 14 sorgen für die Feuchtigkeitsabscheidung innerhalb des Wärmetauschers und den daraus resultierenden Vorteil der Beseitigung eines externen Feuchtigkeitsabscheiders. Der wellenformähnliche bzw. sinusformähnliche Strom entlang den Kanälen, welche die gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippenstrukturen enthalten, erhöht die Turbulenz des Stroms entlang besagten Kanälen. Die erhöhte Turbulenz vergrößert ihrerseits die Wärmeleitfähigkeit. Aus dem Verhältnis: Q = UA (LMTD)mit Q als der Kapazität, U als der Leitfähigkeit, A als dem Bereich einer Wärmeübertragungsstruktur und LMTD als der treibenden Kraft der Temperatur für die Wärmeübertragung; daraus ist ersichtlich, dass die Steigerung von U infolge der erhöhten Turbulenz eine Verkürzung der Strecken der Wärmeübertragungskanäle mit einer daraus resultierenden Abnahme des Druckabfalls ermöglicht.
Als Anschauungsbeispiel für einen Wärmetauscher 10, der in einem Trocknersystem mit gekühlter Luft vom in 1 dargestellten Typ Einsatz findet und der mit einer Flussrate von 300 Kubikfuß pro Minute (8495.05 Litern pro Minute) arbeitet, belaufen sich die Dimensionen von Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 auf eine vertikale Höhe von 9,375 in. (23,81 cm) und auf eine horizontale Breite von 3,5 in. (8,89 cm), wie 2 zeigt, und ferner auf eine Tiefe von 6,813 in. (17,31 cm); die Dimensionen von Kühlerkern 14 belaufen sich auf eine vertikale Höhe von 9,375 in. (23,81 cm) und auf eine horizontale Breite von 2,2 in. (5,71 cm), wie aus 2 ersichtlich, und ferner auf eine Tiefe von 6,813 in. (17,31 cm). Die Temperatur der feuchten Luft, die in die Kanäle 78 von Kern 12 einströmt, beträgt 100 °F (37,78 °C), und 68,2 °F (20,1 °C) lautet die Durchschnittstemperatur der vorgekühlten Luft, welche Kern 12 verlässt. Der Druck der Luft, die in die Kanäle 78 von Kern 12 einströmt, beläuft sich auf 100 psig, und der Druckabfall in den Kanälen 78 in Kern 12 beträgt 0,56 psi.
Die Durchschnittstemperatur der vorgekühlten Luft, die in die Kanäle 78 von Kühlerkern 14 einströmt, beläuft sich auf 68,2 °F (20,1 °C), und die Durchschnittstemperatur der gekühlten Luft, welche Kern 14 verlässt, beträgt 38,8 °F (3,78 °C). Der Druck der Luft, die in die Kanäle 78 von Kern 14 einströmt, beläuft sich auf 99,4 psig, und der Druckabfall in den Kanälen 78 von Kern 14 beträgt 0,34 psi. Die Evaporationstemperatur des Kältemittels R-22 Freon in den Kanälen 86 von Kern 14 beläuft sich auf 34,0 °F (1,1 °C), und der Druck beträgt 60 psig. Die Temperatur des Kältemittels R-22, welches Kern 14 durch den Sammler 30 verlässt, wird um einige Grad erhöht, um zu gewährleisten, dass lediglich Gas zum Kältemittelkompressor von Quelle 24 zurückkehrt. Dabei handelt es sich um die Notwendigkeit des Überhitzens, deren Erläuterung sogleich im Einzelnen erfolgt.
Die Temperatur der gekühlten Luft, die in die Kanäle 96 von Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 einströmt, beläuft sich auf 38,8 °F (3,78 °C), und die Durchschnittstemperatur der Luft, welche Kern 12 verlässt, beträgt 85 °F (29,4 °C). Der Druck der Luft, die in die Kanäle 96 von Kern 12 einströmt, beläuft sich auf 98,1 psig, und der Druckabfall in den Kanälen 96 von Kern 12 beträgt 0,19 psi.
In den gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippenstrukturen in den Kanälen 78 von Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12 sind die Rippen 0,125 in. (0,3175 cm) hoch, und entlang jedem Kanal 78 befinden sich acht Rippen pro Inch. Die Rippen bestehen aus Aluminium mit einer Dicke von 0.006 in. (0,015 cm). Die Anzahl der Kanäle 78 im veranschaulichenden Wärmetauscher beläuft sich auf 23. Die gedrehte eingeschnittene bzw. lanzenartige Rippenstruktur in den Kanälen 86 von Kühlerkern 14 besteht aus Aluminium, und sie ist 0,125 in. (0,3175 cm) hoch und 0,006 in. (0,015 cm) dick. Pro Inch befinden sich acht Rippen in den Kanälen 86, von denen es insgesamt 22 gibt. In den versetzt rechteckigen Rippenstrukturen in den Kanälen 96 von Kern 12 sind die Rippen 0,125 in. (0,3175 cm) hoch, und pro Inch sind acht Rippen entlang jedem Kanal vorhanden. Die Rippen bestehen aus Aluminium mit einer Dicke von 0,006 in. (0,015 cm). Die Anzahl der Kanäle 96 im veranschaulichenden Wärmetauscher beläuft sich auf 22. Die Trennbleche, welche die zahlreichen Kanäle trennen, bestehen aus hartverlötetem Aluminium mit einer Dicke von 0,024 in. (0,061 cm).
Wie zuvor beschrieben, macht es die Notwendigkeit des Überhitzens erforderlich, dass die Temperatur des Kältemittels, das die Kanäle 86a-86d von Kern 14 verlässt, so erhöht wird, dass ausschließlich Gas und keine Flüssigkeit zum Kältemittelkompressor zurückgeleitet wird. Andernfalls könnte jedwede Flüssigkeit, die zum Kompressor zurückgeleitet wird, diesen beschädigen. Die Kreuzströmungsanordnung der Kanäle 86a-86d und der Kanäle 78a-78d gemäß der vorliegenden Erfindung tragen dazu bei, diese Notwendigkeit des Überhitzens zu erfüllen. Dies geht anhand der Betrachtung der Temperaturprofile der Kerne 12 und 14 hervor, die schematisch bei 300 und 302 in 10 dargestellt sind. Das linksseitige Ende von Profil 300 steht für feuchte Luft, welche in die Kanäle 78 von Kern 12 mit 100 °F (37,78 °C) einströmt. Das rechtsseitige Ende von Profil 300 repräsentiert den Temperaturbereich vorgekühlter Luft in den Kanälen 78a-78e, welche Kern 12 verlässt; dieser Temperaturbereich erstreckt sich von etwa 50 °F (10 °C) am unteren Teil von Kern 12 in der Nähe der gekühlten Luft, welche mit 38,8 °F (3,78 °C) in die Kanäle 96 einströmt, bis ungefähr 90 °F (32,2 °C) am oberen Teil von Kern 12. Die Durchschnittstemperatur von 68,2 °F (20,1 °C) der vorgekühlten Luft, welche Kern 12 verlässt, ist an Profil 300 angeben.
Das untere Ende von Profil 302 repräsentiert das Kältemittel R-22, das in die Kanäle 86a-86d von Kern 14 strömt; ferner sind der Dampf-plus-Flüssigkeit-Bereich und der Dampfbereich innerhalb Kern 14 dargestellt. Das rechtsseitige Ende von Profil 302 stellt den Temperaturbereich gekühlter Luft dar, welche die Kanäle 78a-78e von Kern 14 verlässt; dieser Temperaturbereich reicht von 35 °F (1,67 °C) am unteren Teil von Kern 14 in der Nähe des einströmenden Kältemittels bis 43 °F (6,1 °C) nahe dem oberen Teil von Kern 14. Die Durchschnittstemperatur von 38,8 °F (3,78 °C) der gekühlten Luft, welche Kern 14 verlässt, ist an Profit 302 angegeben.
Anhand der Betrachtung der oberen Bereiche der beiden Profile 300 und 302 ist es von Wichtigkeit festzuhalten, dass die 90 °F (32,2 °C) warme Luft, welche Kern 12 im oberen Bereich verlässt, in den oberen Bereich von Kern 14 einströmt, damit das Kältemittel, das den oberen Bereich von Kern 14 verlässt, überhitzt wird, bevor es zwecks Rückkehr zum Kältemittelkompressor in den Sammler 30 einströmt. Insbesondere tauscht die 90 °F (32,2 °C) warme Luft in den Kanälen 78a-78e, die das obere Ende von Kern 12 verlässt und in das obere Ende von Kern 14 strömt, siehe 2, Wärme mit dem 43 °F (6,1 °C) kalten Kältemittel in den Kanälen 86a-86d im oberen Ende von Kern 14. Dies ist ein Ergebnis des Kreuzströmungs- bzw. orthogonalen Verhältnisses zwischen den Kanälen 78 und 86. Der vorangehende Wärmetausch sorgt für eine Überhitzung, um die Temperatur des Kern 14 verlassenden Kältemittels auf 45 °F (7,2 °C) zu erhöhen, siehe Profit 302, und um damit zu gewährleisten, dass ausschließlich Gas zum Kältemittelkompressor zurückkehrt.
Demzufolge wird in der Kreuzströmungsanordnung der Kanäle 78 und 86 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Überhitzen von Kältemittel vielmehr bei einer Temperatur von 90 °F (32,2 °C) des oberen Abschnitts von Kern 12 und dessen Temperaturprofil vorgenommen als bei der Durchschnittstemperatur von 68,2 °F (20,1 °C) der vorgekühlten Luft, welche Kern 12 verlässt. Da das Überhitzen bei der höheren Temperatur von 90 °F (32,2 °C) in der Kreuzströmungsanordnung der vorliegenden Erfindung erfolgt, wird aufgrund der treibenden Kraft der höheren Temperatur weniger Oberflächenbereich für das Überhitzen benötigt. Dies steht im Gegensatz zu den Gegenströmungsanordnungen nach Stand der Technik, bei denen das Überhitzen des Kältemittels mit der verhältnismäßig niedrigen Durchschnittstemperatur der Luft durchgeführt werden muss, welche den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern verlässt, nämlich mit 68,2 °F (20,1 °C). Dementsprechend benötigen die Gegenströmungsanordnungen nach Stand der Technik eine im Verhältnis größere Oberfläche zur Durchführung des Überhitzens bedingt durch die im Verhältnis geringere treibende Kraft der Temperatur.
11 veranschaulicht einen Wärmetauscher 10' gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 11 werden Komponenten, die jenen der Ausführungsform aus 1-10 ähneln, mithilfe der gleichen Bezugsziffern kenntlich gemacht, die mit einem Hochstrich versehen sind. So beinhaltet der Wärmetauscher 10' einen Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12' und einen Kühlerkern 14' mit Strukturen, die jeweils identisch mit jenen der Kerne 12 und 14 sind. Der Wärmetauscher 10' ist in 11 so veranschaulicht, wie er in einem Trocknersystem mit gekühlter Luft zum Umgang mit Umgebungsluft aus entweder internen oder externen Orten erscheinen würde. Wie in der Ausführungsform aus 1 strömt feuchtwarme Luft aus der Ableitung eines Luftkompressor-Nachkühlers 20' durch eine Einlassarmatur 16' und ein Verteilerteil 18' in den Kern 12' des Wärmetauschers 10'. Kühl- oder Kältemittel aus einer Quelle 24' einschließlich eines Kompressors wird dem Kühlerkern 14' via eine Leitung 310, die Einlassarmatur 312 und das Verteilerteil 314 zugeleitet. Aus dem Kern 14' zurückgeleitet wird das Kältemittel über ein Verteilerteil 316, eine Auslassarmatur 318 und eine Leitung 320.
In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird gekühlte Luft, die den Kühlerkern 14' verlässt, zu einem Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12' geleitet, und zwar durch Verteilermittel, die in 11 allgemein mit Bezugsziffer 330 bezeichnet sind und sowohl einen ersten Abschnitt 332 aufweisen, der mit dem Kühlerkern 14' zusammenhängt, als auch einen zweiten Abschnitt 334, der nicht nur mit dem Kühlerkern 14', sondern auch mit dem Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12' zusammenhängt. In der dargestellten Anordnung sind die Abschnitte 332 und 334 im Wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet. Der erste Abschnitt 332 der Verteilermittel 330 steht in kommunikativer fluider Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Satz von (in 11 nicht dargestellten) Wärmeübertragungskanälen 78 des Kühlerkerns 14' entlang im Wesentlichen der gesamten vertikalen Länge des Kühlerkerns 14', wie aus 11 hervorgeht. Der zweite Abschnitt 334 der Verteilermittel 330 verfügt über einen Auslass, der in kommunikativer fluider Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Satz von (in 11 nicht veranschaulichten) Wärmeübertragungskanälen 96 des Vorkühler/Wiedererwärmer-Kerns 12' steht und sich am oberen Ende des Kerns 12' befindet, wie 11 zeigt. Der Wärmetauscher 10' ist so ausgerichtet, dass der Verteilerabschnitt 322 im Allgemeinen vertikal angeordnet ist und dass der Verteilerabschnitt 334 im Allgemeinen horizontal angeordnet ist und sich ferner über den Kernen 12' und 14' befindet.
In Verteilerabschnitt 332 ist ein Mittel zur Feuchtigkeitsabscheidung in Form eines Entneblermaschenkissens 340 vorgesehen, das sich vorzugsweise entlang der Verbindungsstelle zwischen den Kanälen von Kern 14' und dem Inneren von Verteilerabschnitt 332 erstreckt. Ein Kondensatablauf 342 am unteren Ende von Verteilerabschnitt 332, wie ihn 11 zeigt, dient der Entfernung abgeschiedener Feuchtigkeit.
Luft verlässt den Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12' über ein Verteilerteil 46' und einen Auslass 48', der durch eine (nicht dargestellte) Leitung mit einem Ort verbunden ist, an dem die verarbeitete Luft zur Anwendung kommt.
Der Weg, den die Luft durch den Wärmetauscher 10' nimmt, wird durch die Pfeile in 11 angezeigt. Abschnitt 350 des Weges befindet sich durch die gestapelte Anordnung der Wärmeübertragungskanäle in Kern 12' im Wärmeaustauschverhältnis mit dem alternierenden Stapel von Wärmeübertragungskanälen, welche die gekühlte Luft aus Kern 14' in einer Weise passiert, die jener der Ausführungsform aus den 1-10 ähnelt. Abschnitt 352 des Weges führt durch die gestapelte Anordnung von Wärmeübertragungskanälen in Kühlerkern 14', die in alternierender Beziehung zur Serie gestapelter Wärmeübertragungskanäle stehen, welche Kältemittel in Richtung der Pfeile 354 fördern, und zwar ebenfalls in einer Weise, die jener der Ausführungsform aus den 1-10 ähnelt. So stehen die Ströme der Luft und des Kältemittels in Kühlerkern 14' in einem Kreuzströmungsverhältnis, d.h. sie sind im Wesentlichen senkrecht zueinander, wie in der Ausführungsform aus 1-10. Gekühlte Luft, welche Kern 14' verlässt, wird durch Verteilermittel 330 zu Kern 12' gefördert und strömt Wegabschnitt 356 entlang. Die gekühlte Luft aus Verteilerabschnitt 334 strömt in Richtung der Pfeile 358 entlang der gestapelten Anordnung von Wärmeübertragungskanälen in Kern 12', die sich in Wärmeaustauschbeziehung mit der alternierenden gestapelten Anordnung der Wärme übertragungskanäle befinden, welche die feuchtwarme ankommende Luft entlang Wegabschnitt 350 passiert. Somit befinden sich die Ströme aus warmer, ankommender Luft und gekühlter Luft in Kern 12' in einem Kreuzströmungsverhältnis, d.h. sie sind im Wesentlichen senkrecht zueinander, wie in der Ausführungsform aus 1-10. Die gekühlte Luft in Wegabschnitt 358 verliert, während sie sich in Kern 12' aufhält, etwas Wärme an die feuchtwarme Luft, die in den Wärmetauscher 10' einströmt. Wie in der Ausführungsform aus 1-10 sorgt dies für eine Vorkühlfunktion zur Verbesserung der Gesamteffizienz. Außerdem resultiert dies gleichzeitig in einem Wiedererwärmen der Luft für deren Endverwendung. Insbesondere wird die Luft auf eine Temperatur wiedererwärmt, die niedriger ist als jene der warmen Luft in Einlass 16', 18', und zwar um einen Betrag, der durch den Wasserdampfgehalt und die Temperatur der Luft in Einlass 16', 18' bestimmt wird.
Beim Wärmetauscher 10' gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird aus der geringen Geschwindigkeit der Luft an der Ausgangsfläche aus dem Kühlerkern 14' Nutzen gezogen zur Eingliederung einer integralen Trennung. Bei normalen Betriebsbedingungen findet ein Großteil der Tröpfchenabscheidung in der Wärmeübertragungsmatrix der Kerne 12' und 14' statt. Das Maschenkissen 340 aus Edelstahldraht, das auf einer Ebene mit der Luftseite-Ausgangsfläche des Kühlerkerns 14' angebracht ist, entfernt alle verbleibenden Tröpfchen, die im Luftstrom schweben. Der Kondensatablauf 342, der am unteren Teil des Verteilerabschnitts 332 für gekühlte Luft angebracht ist, lasst die abgeschiedene Feuchtigkeit abfließen. Die trockene gekühlte Luft kehrt zum Wiedererwärmer durch das Wickel-Verteilerteil 330 mit der Form eines umgekehrten „L's" zurück, das jede Notwendigkeit für externe Rohrleitungen zwischen dem Kühler 14' und dem Wiedererwärmer 12' vollständig beseitigt. Der Vorkühler/Wiedererwärmer-Kern 12' wird in vertikaler Richtung so verlängert, siehe 11, dass der Eingang des Wiedererwärmers auf einer Ebene mit dem oberen Teil des Verteilerteils 316 für den Kältemittelauslass liegt; dies gewährleistet einen geradlinigen Rückweg in den oberen Anschluss 334 des Verteilerteils 330 zur Luftrückleitung und erleichtert die Herstellung.
Diese Strömungsanordnung kehrt die Strömungsrichtung der wiedererwärmten Luft, siehe Richtung der Pfeile 358 in 11, gegenüber der Strömungsrichtung in der Ausführungsform aus 1-10 um, siehe Richtung der Pfeile 60 in 1. Durch Einströmen in den Wiedererwärmer 12' vom oberen Teil aus, wie in 11 veranschaulicht, besteht ein geringe rer Temperaturunterschied zur Unterstützung der Kältemittelüberhitzung. Dagegen bewirkt der höhere Temperaturunterschied am anderen Ende der Einheit eine größere Wärmeübertragung an besagtem Ende und gleicht damit den Verlust aus. Versuche haben ergeben, dass sich diese Strömungsanordnung beim Erreichen der Ziele hinsichtlich der Trocknung als sehr effizient erweist und sie gleichzeitig für die notwendige Überhitzung des Kältemittels sorgt. Als Beispiel sei angeführt, dass es sich in einem veranschaulichenden Wärmetauscher 10' beim Entneblermaschenkissen um einen Entnebler handelt, der bei ACS Industries Separations Technology of Houston, Texas, unter der Bezeichnung Style 4BA erhältlich ist.
Anhand des oben Dargelegten ist es offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung die ihr zugedachte Aufgabe erfüllt. Zwar wurde zum Zwecke der Veranschaulichung eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Einzelnen beschrieben, aber diese stellt keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar.

Claims

Wärmetauscher (10), zur Verwendung mit einem Kühlmittel in einem Lufttrocknersystem, wobei der Wärmetauscher (10) folgendes umfasst: a) einen Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) und einen Kühlerkern (14) in einer angrenzenden Beziehung; b) einen ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54), welche sich durch beide der Kerne (12, 14) erstrecken, durch welche ankommende Luft in einer ersten Richtung nacheinander durchströmt, wobei der erste Satz von Wärmeübertragungskanälen in diesen Kanälen Wärmeübertragungsstrukturen (114) beinhaltet; c) einen zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen (56), welche sich durch den Kühlerkern (14) erstrecken, und durch welche Kühlmittel in einer Richtung (56) durchströmt, und zwar im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung und in einer Wärmeaustauschverbindung mit ankommender Luft in dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54); d) einen dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60), welche sich durch den Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) in Wärmeaustauschverbindung mit dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54) erstrecken, und durch welche gekühlte Luft von dem Kühlerkern (14) in Wärmeaustauschverbindung mit der ankommenden Luft und in einer Richtung, welche im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung ist, durchströmt; und e) Strömungsleitmittel (40), um gekühlte Luft von dem Kühlerkern (14) zu dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) zu befördern; wobei der Wärmetauscher (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Wärmeübertragungsstrukturen (114) Rippen beinhalten, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung von Fluidströmung durch den ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54) angeordnet sind, und eine Verringerung der Geschwindigkeit und der erhöhten Turbulenz der Fluidströmung hierdurch bewirken; wobei das Kühlmittel ein Kältemittel ist; und die Anordnung der Rippen in der Strömung der ankommenden Luft in dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54) in Kombination mit einer niedrigen Temperatur des Kältemittels, welches durch den Kühlerkern (14) strömt, bewirkt, dass sich Tröpfchen aus dem Luftstrom lösen, wobei sich die Tröpfchen zum Sammeln unter Schwerkraft bewegen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen gedrehte eingeschnittene bzw. lanzenartige Rippen umfassen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlerkern (14) einen Kondensatablauf (268) beinhaltet, um Feuchtigkeit, welche von der ankommenden Luft infolge der Einwirkung der gedrehten eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen getrennt wird, zu entfernen.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Rippen in einem versetzten Verhältnis zueinander befinden und angepasst sind, um zu bewirken, dass die ankommende Luft in einem wellenförmigen Muster entlang dem ersten Satz der Wärmeübertragungskanäle (52, 54) strömt, um die Turbulenz der ankommenden Luft zu erhöhen und die Geschwindigkeit der ankommenden Luft zu verringern, während sie entlang dem ersten Satz der Wärmeübertragungskanäle in dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) strömt, und um Feuchtigkeit von der ankommenden Luft zu trennen, während sie in dem Kühlerkern (14) entlang dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54) strömt.
Wärmetauscher nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der zweite Satz von Wärmeübertragungskanälen (56) Wärmeübertragungsstrukturen aufweist, und wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen Rippen in einem versetzten Verhältnis zueinander sind, und im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung durch diese Kanäle angeordnet sind.
Wärmetauscher nach irgendeinem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der dritte Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) Wärmeübertragungsstrukturen aufweist, und wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen Rippen sind, welche im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung durch diese Kanäle angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen versetzt rechteckige Rippen umfassen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rippen in der Form von gedreht eingeschnittenen bzw. lanzenartigen Rippen sind.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, welcher weiter Verteilermittel umfasst, um gekühlte Luft von dem Kühlerkern (14) zu dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) zu leiten, wobei das Verteilermittel einen ersten Abschnitt aufweist, welcher mit dem Kühlerkern (14) zusammen hängt, und einen zweiten Abschnitt, welcher sowohl mit dem Kühlerkern (14), als auch mit dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) zusammen hängt.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei das Verteilermittel zum Befördern der gekühlten Luft von dem Kühlerkern (14) zu dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) ein Ende aufweist, welches mit dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) zusammen hängt, das heißt isoliert von Luftfeuchtigkeit, welche von der ankommenden Luft getrennt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 oder 10, wobei der erste und der zweite Abschnitt des Verteilermittels in im Wesentlichen rechten Winkeln zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der erste Abschnitt des Verteilermittels in fluider Verbindung mit dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54) in dem Kühlerkern (14) steht, und zwar im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des ersten Abschnitts des Verteilermittels, und wobei der zweite Abschnitt des Verteilermittels einen Auslass in fluider Verbindung mit dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) in dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) aufweist.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) und der Kühlerkern (14) so ausgerichtet sind, dass sich der erste Abschnitt des Verteilermittels im Allgemeinen vertikal und der zweite Abschnitt des Verteilermittels sich im Allgemeinen horizontal erstrecken.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der erste Abschnitt des Verteilermittels Mittel (280) beinhaltet, um Luftfeuchtigkeit zu entfernen, welche von der ankommenden Luft getrennt wird.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen (56) Rippen in einer versetzten Beziehung zueinander aufweisen, und im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Kanäle angeordnet sind.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen (56) gedreht eingeschnittene bzw. lanzenartige Rippen umfassen.
Wärmetauscher nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen in dem dritten Satz von Wärmeübertragungskanälen (60) versetzt rechteckige Rippen umfassen.
Lufttrocknersystem, welches folgendes umfasst: den Wärmetauscher (10) aus irgendeinem vorangegangenen Anspruch; eine Kältemittelquelle (24) für das Kältemittel; erstes Kühlmittel-Leitmittel, um das Kühlmittel von der Kältemittelquelle (24) zu dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen (56) in eine Richtung hin zu einem ersten Ende des Kühlerkerns (14) zu leiten; und zweites Kühlmittel-Leitmittel, um das Kühlmittel von dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen (56) zu der Kältemittelquelle (24) zurückzuholen, und zwar in einer Richtung weg von einem zweiten Ende des Kühlerkerns (14), wobei die im Wesentlichen senkrechte Beziehung zwischen dem ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen (52, 54) und dem zweiten Satz von Wärmeübertragungskanälen (56) dazu führt, dass die Luft, die durch den ersten Satz von Wärmeübertragungskanälen durch den Kühlerkern (14) strömt, ein derartiges Temperaturprofil aufweist, dass die maximale Temperatur bei dem zweiten Ende des Kühlerkerns (14) ist; wobei die Luft, welche durch den ersten Satz von Wärmekanälen (52, 54) nahe dem zweiten Ende des Kühlerkerns (14) bei der maximalen Raumtemperatur durchströmt, verwendet wird, um das Kühlmittel zu überhitzen, welches zu der Kältemittelquelle (24) zurückströmt, um sicher zu stellen, dass nur gasförmiges Kühlmittel zu der Kältemittelquelle zurückströmt.
Verfahren zum Vorkühlen, Kühlen und Wiedererwärmen von warmer, feucht komprimierter Luft in einem Lufttrocknersystem, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) und eines Kühlerkerns (14) in angrenzender physischer Beziehung an einen Wärmetauscher (10); b) Durchströmen warmer, feucht komprimierter Luft durch den Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12), um die ankommende Luft vorzukühlen; c) Durchströmen der vorgekühlten, ankommenden Luft von dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) unmittelbar in und durch den Kühlerkern (14); d) Durchströmen des Kühlmittels durch den Kühlerkern (14), um in eine im Wesentlichen senkrechten Richtung zu der Richtung der ankommenden Luft und in einer Wärmeaustauschverbindung mit der ankommenden Luft durchzuströmen, um die vorgekühlte Luft zu kühlen; e) Befördern der gekühlten, vorgekühlten Luft, um durch den Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) durchzuströmen, und zwar in Wärmeaustauschverbindung mit der ankommenden Luft, wobei die gekühlte, vorgekühlte Luft, welche durch den Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) in einer Richtung durchströmt, welche im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der ankommenden Luft ist; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: Schritt (c) beinhaltet, dass bei der ankommenden Luft, welche durch den Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) und den Kühlerkern (14) strömt, ein wellenförmiges Strömungsmuster bewirkt wird, indem die vorgekühlte Luft über Wärmeübertragungsstrukturen (114) in dem Kühlerkern (14) durchströmt, wobei die Wärmeübertragungsstrukturen (114) Rippen beinhalten, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung der vorgekühlten Luft angeordnet sind; Schritt (d) beinhaltet das Bereitstellen eines Kältemittels als das Kühlmittel, und das Leiten des Kältemittels von einer Kältemittelquelle (24) hin zu einem ersten Ende des Kühlerkerns (14), um das Kältemittel durch den Kühlerkern (14) durchströmen zu lassen, und das Zurückströmen des Kältemittels weg von einem zweiten Ende des Kühlerkerns (14) zu der Kältemittelquelle (24); und die Anordnung der Rippen in dem Strom von vorgekühlter Luft in Kombination mit einer niedrigen Temperatur des Kältemittels, welches durch den Kühlerkern (14) durchströmt, bewirkt, dass sich Tröpfchen aus dem Luftstrom lösen, wobei sich die Tröpfchen zum Sammeln unter Schwerkraft bewegen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Verfahren den Schritt umfasst, gekühlte, trockene Luft von dem Kühlerkern (14) zu dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) zu leiten, und zwar auf eine Art und Weise, welche die Zuführung von getrennter Luftfeuchtigkeit zu dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) verhindert.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, welches weiter den Schritt umfasst, die Tröpfchen, welche von der ankommenden Luft getrennt werden, von dem Kühlerkern (14) zu entnehmen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Luft, welche durch den Kühlerkern (14) strömt ein derartiges Temperaturprofil aufweist, dass die maximale Temperatur bei dem zweiten Ende des Kühlerkerns ist, und wobei das Verfahren weiter folgende Schritte umfasst: Verwenden der Luft, welche den Kühlerkern (14) nahe dem zweiten Ende des Kühlerkerns (14) und bei der maximalen Temperatur durchströmt, und um das Kühlmittel zu überhitzen, welches von dem zweiten Ende des Kühlerkerns zu der Kältemittelquelle (24) zurückströmt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Schritt, die gekühlte, vorgekühlte Luft von dem Kühlerkern (14) zu dem Vorkühler- und Wiedererwärmungs-Kern (12) zu leiten, beinhaltet, die Luft entlang eines ersten Weges in einer im Allgemeinen aufwärtigen Richtung und dann entlang eines zweiten Weges in einer im Allgemeinen horizontalen Richtung zu leiten.