DE3906446A1 - Heat exchanger having a heat exchanger element - Google Patents
Heat exchanger having a heat exchanger elementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Wärme tauscherkörper, welcher einen von einem ersten Medium durch strömten ersten Kanal und einen von einem zweiten Medium durchströmten wärmeleitend mit dem ersten Kanal verbundenen zweiten Kanal aufweist.The invention relates to a heat exchanger with a heat exchanger body, which one of a first medium through flowed first channel and one from a second medium flowed through in a thermally conductive manner connected to the first channel has second channel.
Bekannte Wärmetauscher werden üblicherweise aus Metall oder Keramikmaterial ausgeführt, wobei zur Verbesserung des Wärme übergangs in den einzelnen Kanälen vorzugsweise Rippen vor gesehen sind. Mit den bekannten Rippenanordnungen ist es jedoch nicht immer möglich, auf möglichst kurzer Strecke einen möglichst hohen Wärmeübergang zwischen dem den jeweiligen Kanal durchströmenden Medium und dem Wärmetauscherkörper zu erreichen.Known heat exchangers are usually made of metal or Ceramic material executed, to improve the heat transition in the individual channels preferably ribs are seen. With the known rib arrangements, however, it is not always possible, one as short as possible heat transfer as high as possible between the respective Channel flowing through medium and the heat exchanger body to reach.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärme tauscher der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß ein möglichst guter und effektiver Wärmeübergang von dem je weiligen Medium auf den Wärmetauscherkörper erfolgt. The invention is therefore based on the object of heat to improve exchangers of the generic type in such a way that the best and most effective heat transfer possible medium takes place on the heat exchanger body.
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeträger der eingangs be schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Innenseite von mindestens einem Kanal mit einem wärmelei tenden, von dem jeweiligen Medium durchströmbaren Schaumkör per ausgekleidet ist.This task is at the beginning of a heat transfer medium Written type solved according to the invention in that a Inside of at least one channel with a warming egg tendency, through which the respective medium can flow is lined with.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch den wärmeleitenden Schaumkörper eine große Ober fläche zur Verfügung gestellt wird, welche dadurch, daß sie von dem Medium umströmt wird, einen sehr effektiven Wärmeübergang von dem Medium auf den Wärmetauscherkörper gewährleistet und somit insgesamt auch ein effektiver Wärme übertrag auf das den zweiten Kanal durchströmende Medium er folgt.The advantage of the solution according to the invention can be seen in that through the heat conductive foam body a large upper area is provided, which is characterized in that the medium flows around it, a very effective one Heat transfer from the medium to the heat exchanger body guaranteed and thus an overall effective heat transfer to the medium flowing through the second channel follows.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Schaumkörper ein den gesamten Kanal ausfüllender Schaumkörper ist, da dann das gesamte Medium den Schaumkern durchströmt und somit in sehr effektiver Weise ein Wärmeaustausch zwischen dem Medium und dem Schaumkern gewährleistet ist.It is particularly advantageous if the foam body a foam body filling the entire channel is there then the entire medium flows through the foam core and thus in a very effective way a heat exchange between the Medium and the foam core is guaranteed.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung soll nicht näher darauf einge gangen werden, aus welchem Material der Schaumkörper vorzugs weise ausgebildet sein sollte. So ist es im Rahmen einer ersten Alternative vorteilhaft, den Schaumkörper aus keramischem Material herzustellen, wobei dies insbesondere den Vorteil hat, daß derartige Wärmetauscher für hohe Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 1000 bis 2000°, hervorragend geeignet sind. In the embodiments described so far in the frame the solution according to the invention should not be discussed in more detail there be made from which material the foam body preferred should be trained wisely. So it is in the context of a first alternative advantageous, the foam body Manufacture ceramic material, this in particular has the advantage that such heat exchangers for high Temperatures, for example in the range from 1000 to 2000 °, are excellent.
Als Materialien für derartige Schaumkörper kommen dabei in Frage, das Keramikmaterial SiC oder SiC-ähnliche Materialien, welche sehr gut wärmeleitend sind und Temperaturen des Me diums bis 1200°C erlauben, das Material Si3N4 oder Si3N4- ähnliche Materialien, welche ebenfalls gute Wärmeleiter sind und eine Temperatur des Mediums bis zu 1650°C erlauben, das Material Al2O3 oder Al2O3-ähnliche Materialien, welche zwar keine sehr guten Wärmeleiteigenschaften besitzen, jedoch Temperaturen des Mediums bis zu 1800° möglich machen, das Material Zr2O oder Zr2O-ähnliche Materialien, welche zwar keine allzu gute Wärmeleitung aufweisen, jedoch Temperaturen des Mediums bis zu 2000° erlauben.Possible materials for such foam bodies are the ceramic material SiC or SiC-like materials, which are very good heat conductors and allow temperatures of the medium up to 1200 ° C., the material Si 3 N 4 or Si 3 N 4 -like materials, which are also good heat conductors and allow a temperature of the medium up to 1650 ° C, the material Al 2 O 3 or Al 2 O 3 -like materials, which do not have very good thermal conductivity properties, but make temperatures of the medium up to 1800 ° possible , the material Zr 2 O or Zr 2 O-like materials, which do not have too good heat conduction, but allow temperatures of the medium up to 2000 °.
Eine Alternative zu den keramischen Materialien sieht vor, daß der Schaumkörper aus metallischem Material ist. Derar tige metallische Schaumkörper haben aufgrund der den Metallen eigenen guten Wärmeleitung und der vorteilhaften mechanischen Eigenschaften, insbesondere deren Beständigkeit gegenüber Druck- oder Zugbelastungen, Vorteile gegenüber Schaumkörpern aus Keramik, insbesondere auch beim Einbau in metallische Wärmeträgerkörper.An alternative to the ceramic materials provides that the foam body is made of metallic material. Derar metallic foams due to the metals own good heat conduction and the advantageous mechanical Properties, especially their resistance to Compressive or tensile loads, advantages over foam bodies made of ceramic, especially when installed in metallic Heat transfer body.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel sieht dabei vor, daß der Schaumkörper aus Aluminium ist. Dieser ist zwar lediglich für Temperaturen der Medien von 200 bis 300°C geeignet, jedoch aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit und mechani schen Stabilität bei diesen Temperaturen hervorragend. An advantageous embodiment provides that the foam body is made of aluminum. This is only suitable for media temperatures from 200 to 300 ° C, however due to its good thermal conductivity and mechani stability at these temperatures.
Bei einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß der Schaumkörper aus Kohlenstoff ist, welcher sich hervorragend zum Einsatz bei hohen Temperaturen mit Inertgas eignet.Another alternative of the present invention is provided that the foam body is made of carbon, which are excellent for use at high temperatures Inert gas is suitable.
Bei den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde nicht im einzelnen darauf eingegangen, wie groß die Poren sein sol len. Vorteilhafterweise finden dabei Schaumkörper mit einer Porengröße zwischen ungefähr 5 bis ungefähr 75 PPI, das heißt Poren pro Inch Verwendung. Noch vorteilhafter sind Porengrößen zwischen ungefähr 10 und ungefähr 60 PPI.In the exemplary embodiments described so far, no discussed in detail how large the pores should be len. Foam bodies with a That is, pore size between about 5 to about 75 PPI Pores per inch use. Pore sizes are even more advantageous between about 10 and about 60 PPI.
Bei den bislang bekannten Ausführungsbeispielen wurde nicht näher spezifiziert, wie die Porengröße im gesamten Schaum körper verteilt sein soll. So ist es unter Variation der Poren größe möglich, einen Durchfluß des Mediums durch den Schaum körper in bestimmter Weise zu steuern. Vorteilhafterweise sieht dabei ein Ausführungsbeispiel vor, daß der Schaumkörper in radialer Richtung zu einer Kanalachse eine variable Poren größe aufweist, so daß der Durchfluß entweder im Bereich der Kanalachse oder im radial außenliegenden Bereich verstärkt werden kann. Besonders zweckmäßig hat es sich dabei erwiesen, wenn die Porengröße in radialer Richtung zunimmt, das heißt also der verstärkte Durchfluß des Mediums in radial außen liegenden Bereichen auftritt.In the previously known exemplary embodiments, no specified how the pore size in the entire foam body should be distributed. So it is with variation of the pores size possible, a flow of the medium through the foam to control the body in a certain way. Advantageously sees an embodiment before that the foam body in radial direction to a channel axis a variable pores Size has, so that the flow either in the range Channel axis or reinforced in the radially outer area can be. It has proven particularly useful when the pore size increases in the radial direction, that is thus the increased flow of the medium radially outwards lying areas occurs.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde bislang auch nicht spezifiziert, wie die Dicke der zwischen den Poren liegenden Stege des Schaumkörpers beschaffen sein soll. So hat es sich für die Wärmeübertragung innerhalb des Schaumkörpers als vor teilhaft erwiesen, wenn die zwischen den Poren liegenden Stege des Schaumkörpers eine Dicke von ungefähr 0,1 bis ungefähr 1 mm aufweisen. In the context of the present invention, too, has not so far specifies how the thickness of the between the pores Web of the foam body should be obtained. That's how it was for heat transfer within the foam body than before Partially proven if the webs lying between the pores the foam body has a thickness of about 0.1 to about 1 mm.
Die vorstehend genannten Werte sind dann günstig, wenn der Schaumkörper lediglich die Funktion haben soll, die Wärme zu dem Wärmetauscherkörper zu transportieren. Es ist aber auch denkbar, den Wärmetauscherkörper gleichzeitig als Wärme speicher auszubilden, wobei ein von einem Medium durchströmter Kanal ausreichend wäre und somit ein zusätzlicher zweiter Kanal nicht erforderlich wäre. In diesem Fall sind vorzugs weise Dicken der Stege im Bereich von ungefähr 1 bis unge fähr 3 mm vorteilhaft.The above values are favorable if the Foam body should only have the function of heat to transport to the heat exchanger body. But it is also conceivable, the heat exchanger body at the same time as heat To form memory, one of which is flowed through by a medium Channel would be sufficient and thus an additional second Channel would not be required. In this case they are preferred thicknesses of the webs in the range from approximately 1 to uneven about 3 mm advantageous.
Im Rahmen der bislang beschriebenen Ausführungsbeispiele wurde nichts darüber ausgesagt, wie der Schaumkörper in dem Wärmetauscherkörper angeordnet sein soll. Insbesondere um unterschiedliche Wärmeausdehnungen und unterschiedliche Fer tigungsgenauigkeiten auszugleichen, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Schaumkörper und dem Kanal eine wärme leitende Ausgleichsschicht vorgesehen ist. Diese Ausgleichs schicht ist vorzugsweise aus Keramikfilz, aus Keramikpapier oder einer Keramikmatte.Within the scope of the exemplary embodiments described so far nothing was said about how the foam body in the Heat exchanger body should be arranged. Especially around different thermal expansions and different fer balancing accuracy, it is advantageous to if there is heat between the foam body and the channel conductive compensation layer is provided. This compensation layer is preferably made of ceramic felt, ceramic paper or a ceramic mat.
Insbesondere bei einem Kanal aus Keramik und einem Schaumkörper aus Keramik ist es denkbar, daß der Schaumkörper mit einer Keramikmasse in dem Kanal fixiert ist.Especially with a channel made of ceramic and a foam body made of ceramic, it is conceivable that the foam body with a Ceramic mass is fixed in the channel.
Vorteilhaft ist es aber auch, insbesondere bei Schaumkörpern aus Metall, wenn der Schaumkörper mit einer gut wärmeleiten den, insbesondere metallgefüllten Klebemasse in dem Kanal fixiert ist.However, it is also advantageous, particularly in the case of foam bodies made of metal if the foam body with a good heat conduction the, in particular metal-filled adhesive in the channel is fixed.
Eine weitere Möglichkeit wäre, den Schaumkörper in den Kanal einzupressen. Another option would be to put the foam body in the channel press in.
Schließlich kann der Schaumkörper erfindungsgemäß auch in den Kanal eingelötet oder eingeschweißt sein.Finally, according to the invention, the foam body can also be in the channel soldered or welded.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann der Schaumkörper zusätz lich als Wärmespeicher ausgebildet sein.In all embodiments, the foam body can additionally Lich be designed as a heat accumulator.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar stellung einiger Ausführungsbeispiele. In der Zeichnung zei gen: Other features and advantages of the invention are the subject the following description and the graphic Dar position of some embodiments. Zei in the drawing gene:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel; Fig. 1 shows a longitudinal section through a first embodiment;
Fig. 2 eine Draufsicht auf das erste Ausfüh rungsbeispiel in Richtung des Pfeils A; Fig. 2 is a plan view of the first embodiment in the direction of arrow A ;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein zweites Aus führungsbeispiel; Fig. 3 for guiding a longitudinal section through a second off;
Fig. 4 einen Querschnitt längs Linie 4-4 in Fig. 3 und Fig. 4 shows a cross section along line 4-4 in Fig. 3 and
Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel. Fig. 5 shows a longitudinal section through a third embodiment.
Ein in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnetes erstes Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers umfaßt einen Mantelkörper 12, welcher in Form eines Rohres mit einem kreiszylindrischen Innen- und Außenquerschnitt ausgebildet ist. Eine Wand 14 des Mantelkörpers 12 ist mit parallel zu einer Längsachse 16 des Mantelkörpers 12 verlaufenden und die Wand 14 durchsetzenden Kanälen 18 versehen, welche, wie in Fig. 2 dargestellt, in ungefähr gleichen Winkelabständen die gesamte Wand 14 des Mantelkör pers 12 durchsetzen.A in Fig. 1, for example guide as a whole with 10 designated first out of a heat exchanger according to the invention comprises a shell body 12, a tube which is formed with a circular-cylindrical inner and outer cross-sectional shape. A wall 14 of the casing body 12 is provided with channels 18 which run parallel to a longitudinal axis 16 of the casing body 12 and pass through the wall 14 and which, as shown in FIG. 2, pass through the entire wall 14 of the casing body 12 at approximately equal angular intervals.
In dem Mantelkörper 12 ist ein einen Innenraum 20 des Man telkörpers 12 im wesentlichen ausfüllender Schaumkörper 22 vor gesehen, welcher von Stegen 24 gebildet ist, die einzelne Poren 26 umschließen, wobei die Stege 24 die Poren 26 nicht vollständig umgeben, sondern offene Poren bilden, so daß der gesamte Schaumkörper 22 von einem Medium parallel zur Längsachse 16 durchströmbar ist. In the jacket body 12 is an interior 20 of the man telkörper 12 essentially filling foam body 22 seen before, which is formed by webs 24 which enclose individual pores 26 , the webs 24 not completely surrounding the pores 26 , but forming open pores, so that the entire foam body 22 can flow through a medium parallel to the longitudinal axis 16 .
Ferner ist zwischen einer dem Mantelkörper 12 zugewandten Außenfläche 28 des Schaumkörpers 22 und einer Innenwand 30 des Mantelkörpers 12 ein Keramikfilz 32 angeordnet, welcher einerseits an der Innenwand 30 des Mantelkörpers 12 fixiert ist und andererseits mit der Außenfläche 28 des Schaumkör pers 22 verbunden ist. Der Keramikfilz 32 dient dabei als Ausgleichsschicht zwischen dem Schaumkörper 22 und dem Mantelkörper 12, um Fertigungstoleranzen und unterschied liche Wärmeausdehnungen derselben im Betrieb auszugleichen.Furthermore, a ceramic felt 32 is arranged between an outer surface 28 of the foam body 22 facing the jacket body 12 and an inner wall 30 of the jacket body 12 , which is fixed on the one hand to the inner wall 30 of the jacket body 12 and on the other hand is connected to the outer surface 28 of the foam body 22 . The ceramic felt 32 serves as a compensating layer between the foam body 22 and the jacket body 12 to compensate for manufacturing tolerances and differing thermal expansions thereof in operation.
Das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärme tauschers 10 kann beispielsweise als Wärmetauscher für einen Heißgas- oder Stirlingmotor Verwendung finden. In diesem Fall ist der Mantelkörper 12 aus einem Keramikrohr, beispielsweise aus SiC, hergestellt und die Kanäle 18 wer den von dem Arbeitsgas des Stirlingmotors durchströmt. Der Schaumkörper 22 ist ebenfalls aus einem Keramikmaterial, beispielsweise aus Si3N4, und wird parallel zur Längsachse 16 von Heißgas durchströmt, das die Poren 26 durchdringt und dabei seine Wärme an die Stege 24 des Schaumkörpers 22 ab gibt, die die Wärme dann zum Keramikfilz 32 leiten, der dann seinerseits die Wärme an den Mantelkörper 12 abgibt, welcher dann wiederum das seine Kanäle 18 durchströmende Arbeitsgas des Stirling-Motors erhitzt.The first embodiment of the heat exchanger 10 according to the invention can be used for example as a heat exchanger for a hot gas or Stirling engine. In this case, the jacket body 12 is made of a ceramic tube, for example SiC, and the channels 18 are flowed through by the working gas of the Stirling engine. The foam body 22 is also made of a ceramic material, for example made of Si 3 N 4 , and hot gas flows through it parallel to the longitudinal axis 16 , which penetrates the pores 26 and thereby gives off its heat to the webs 24 of the foam body 22 , which then heat the ceramic felt 32 guided, which then in turn transfers heat to the casing body 12, which in turn heats 18 flowing through the working gas of the Stirling engine its channels.
Ein zweites, als Ganzes mit 40 bezeichnetes Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, dargestellt in den Fig. 3 und 4, umfaßt einen zylindrischen Schaum körper 42, der ebenfalls aus Poren 46 umgebenden Stegen 44 aufgebaut ist, wobei die Poren 46 ebenfalls offen sind, so daß sie von einem gasförmigen Medium in Längsrichtung einer Achse 48 des zylindrischen Schaumkörpers 42 durch strömt werden können.A second, designated as a whole by 40 execution example of the heat exchanger according to the invention, shown in Figs. 3 and 4, comprises a cylindrical foam body 42 , which is also made up of pores 46 surrounding webs 44 , the pores 46 are also open, so that they can flow through a gaseous medium in the longitudinal direction of an axis 48 of the cylindrical foam body 42 .
Der Schaumkörper 42 ist als Ganzes in einer diesen auf seiner äußeren Mantelfläche 50 umschließenden Mantelkapsel 52 angeordnet, die außerdem noch den Schaumkörper im Be reich einer Stirnseite 54 mit einem stirnseitigen Deckel 56 übergreift und damit auch diese Stirnseite verschließt.The foam body 42 is arranged as a whole in a jacket capsule 52 enclosing this on its outer lateral surface 50 , which also overlaps the foam body in the loading area of an end face 54 with an end cover 56 and thus also closes this end face.
Radial innenliegend von der Mantelfläche 50 und in kon stantem Abstand von derselben verlaufen durch den Schaum körper 42 hindurch halbkreisförmig gebogene Rohre 58, welche so angeordnet sind, daß jeweils zwei dieser halb kreisförmigen Rohre 58 in einer senkrecht auf der Achse 18 stehenden Ebene 60 einander gegenüberliegend angeordnet sind und somit einen Kreisring bilden, welcher den Schaum körper 42 und den Außenbereich 64 unterteilt. Zu jedem dieser Rohre 58 führt ein die Metallkapsel 52 im wesent lichen in radialer Richtung durchdringendes Zuflußrohr 66 und diesem bezüglich der Achse 48 des Schaumkörpers 42 gegenüberliegend ein Abflußrohr 66, wobei die Zuflußrohre 66 und die Abflußrohre 68 der beiden in einer Ebene 60 lie genden Rohre ebenfalls in dieser Ebene aneinanderliegend angeordnet sind.Radially on the inside of the lateral surface 50 and at a constant distance therefrom extend through the foam body 42 through semicircular curved tubes 58 , which are arranged such that two of these semi-circular tubes 58 in a perpendicular to the axis 18 plane 60 opposite one another are arranged and thus form a circular ring which divides the foam body 42 and the outer region 64 . To each of these tubes 58 leads a metal capsule 52 in wesent union penetrating in the radial direction inflow pipe 66 and this with respect to the axis 48 of the foam body 42 opposite a drain pipe 66 , the inflow pipes 66 and the drain pipes 68 of the two in a plane 60 lying pipes are also arranged adjacent to each other in this plane.
Jedes der Rohre 58 ist außerdem noch von einer Ausgleichs schicht 70 umgeben, bei welcher es sich um eine elastische Masse oder um ein elastisches Material, das heißt auch wieder um Keramikfilz, handeln kann. Each of the tubes 58 is also surrounded by a compensation layer 70 , which can be an elastic mass or an elastic material, that is to say ceramic felt.
Die Rohre 58 sind mit den diese umgebenden Ausgleichsschich ten 70 in Richtung der Längsachse 48 ebenfalls aneinander liegend angeordnet, so daß vorzugsweise die Ausgleichsschich ten 70 ineinander übergehen und somit die Rohre 58 mit den Ausgleichsschichten 70 eine zylindermantelförmige Trennschicht zwischen dem Kernbereich 62 und dem Außenbereich 64 bilden.The tubes 58 are arranged with the surrounding compensation layers th 70 in the direction of the longitudinal axis 48 , so that preferably the compensation layers th 70 merge and thus the tubes 58 with the compensation layers 70 form a cylindrical jacket-shaped separating layer between the core region 62 and the outer region 64 form.
Das zweite Ausführungsbeispiel 40 des erfindungsgemäßen Wärme tauschers wird beispielsweise von heißem Gas so durchströmt, daß dieses entlang der Pfeile 72 zunächst den Kernbereich 62 des Schaumkörpers 42 durchströmt, dann aus der Stirnseite 54 des Schaumkörpers austritt und durch den Deckel 56 der Metall kapsel 52 in den Außenbereich 64 umgelenkt wird, in diesen von der Stirnseite 54 her eintritt und wieder in umgekehrter Richtung parallel zur Achse 48 zurückströmt. Die Wärme wird dann durch die Stege 44 von den heißen Gasen aufgenommen und über die Ausgleichsschicht 70 zu den Rohren 58 weitergeleitet, von wo sie durch ein diese durchströmendes Wärmetauschermedium abtransportiert wird.The second embodiment 40 of the heat exchanger according to the invention is flowed through, for example, by hot gas so that it first flows through the core region 62 of the foam body 42 along the arrows 72 , then emerges from the end face 54 of the foam body and through the lid 56 of the metal capsule 52 into the Outside area 64 is deflected, enters it from the end face 54 and flows back in the opposite direction parallel to the axis 48 . The heat is then absorbed by the hot gases through the webs 44 and passed on via the compensating layer 70 to the pipes 58 , from where it is transported away by a heat exchange medium flowing through them.
Das zweite Ausführungsbeispiel 40 des erfindungsgemäßen Wärme tauschers ist beispielsweise als Wärmetauscher für einen Stirling-Motor verwendbar, wobei dann das Heißgas, wie be schrieben, längs der Pfeile 72 den Schaumkörper 42 durchströmt und die Rohre 58 von dem Arbeitsgas des Sterling-Motors durch strömt sind.The second embodiment 40 of the heat exchanger according to the invention can be used, for example, as a heat exchanger for a Stirling engine, in which case the hot gas, as described, flows through the foam body 42 along the arrows 72 and the tubes 58 are flowed through by the working gas of the Sterling engine .
Der Wärmetauscher gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel 40 kann aber auch in gleicher Weise als Wärmetauscher für Solarstrahlung eingesetzt werden, wobei dann beispielsweise die Solarstrahlung den Schaumkörper 42 aufheizt, der dann gleichzeitig als Absorber für die Solarstrahlung dient und durch die durch den Schaumkörper 42 längs der Pfeile 72 hindurchgesaugte Luft eine Gleichverteilung der Wärme in den Schaumkörper 42 erfolgt, die über ein die Rohre 58 durchströmendes Arbeitsmedium abtransportiert werden kann.The heat exchanger according to the second exemplary embodiment 40 can, however, also be used in the same way as a heat exchanger for solar radiation, in which case, for example, the solar radiation heats up the foam body 42 , which then simultaneously serves as an absorber for the solar radiation and through which through the foam body 42 along the arrows 72 air sucked through there is a uniform distribution of the heat into the foam body 42 , which can be transported away via a working medium flowing through the pipes 58 .
Eine vorteilhafte Variante des zweiten Ausführungsbeispiels 40 kann noch hinsichtlich der Größe der Poren 46 optimiert werden, wobei sich über die Porengröße 46 der Strömungs widerstand des Schaumkörpers und somit die Strömung eines diesen durchsetzenden Gases steuern läßt. So wäre es bei spielsweise möglich, im Kernbereich in radialer Richtung die Größe der Poren 46 so zu variieren, daß ein größerer Teil des Gases den radial außenliegenden Teil des Kern bereichs 62 in der Nähe der Rohre 58 durchströmt, um die Wärmeleitungswege zu verkürzen.An advantageous variant of the second exemplary embodiment 40 can also be optimized with regard to the size of the pores 46 , the flow resistance of the foam body and thus the flow of a gas passing through it being able to be controlled via the pore size 46 . For example, it would be possible to vary the size of the pores 46 in the radial direction in the core area so that a larger part of the gas flows through the radially outer part of the core area 62 in the vicinity of the tubes 58 in order to shorten the heat conduction paths.
Im Falle der Verwendung des zweiten Ausführungsbeispiels 40 als Empfänger für Solarstrahlung kann die Porengröße im solarbestrahlten Teil des Schaumkörpers größer gewählt werden als im darauffolgenden, nicht solarbestrahlten Teil, in wel chem lediglich ein Wärmeaustausch erfolgen soll. Vorzugs weise wäre es auch möglich, einen Gradient der Größe der Poren 46 längs der Achse 48 zu erzeugen.If the second exemplary embodiment 40 is used as a receiver for solar radiation, the pore size in the solar-irradiated part of the foam body can be chosen to be larger than in the subsequent, non-solar-irradiated part, in which only heat exchange is to take place. Preferably, it would also be possible to generate a gradient in the size of the pores 46 along the axis 48 .
Ein drittes, insgesamt als 80 bezeichnetes Ausführungs beispiel in Fig. 5 zeigt einen Wärmetauscher für flüssige Medien, welcher einen rohrförmigen Mantelkörper 82 aus Metall aufweist, in den ein zylindrischer Schaumkörper 84 eingesetzt ist, dessen seine Poren 86 umschließenden Stege 88 aus Aluminium sind. Die Poren 86 sind in gleicher Weise wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen nicht voll ständig von den Stegen 88 umschlossen, so daß es sich bei dem Schaumkörper 84 ebenfalls um einen offenporigen Schaum körper handelt.A third, generally designated as 80 execution example in Fig. 5 shows a heat exchanger for fluid media, comprising a tubular sheath body 82 made of metal, is inserted in which a cylindrical foam body 84 whose its pores 86 enclosing webs 88 made of aluminum. The pores 86 are in the same way as in the preceding embodiments not fully enclosed by the webs 88 , so that it is also an open-cell foam body in the foam body 84 .
Der Schaumkörper 84 wird von flüssigem Medium längs seiner Achse 90 durchströmt, die koaxial zur Achse des zylindri schen Mantelkörpers 82 liegt. Dabei variiert die Größe der Poren 86 in radialer Richtung zur Achse 90, wobei die Größe der Poren 86 mit zunehmendem radialen Abstand von der Achse 90 ebenfalls zunimmt, so daß die größten Poren im mit dem Mantelkörper 82 in Berührung stehenden Teil des Schaumkörpers 84 vorkommen.The foam body 84 is traversed by liquid medium along its axis 90 , which is coaxial to the axis of the cylindrical body 82's . The size of the pores 86 varies in the radial direction to the axis 90 , the size of the pores 86 also increasing with increasing radial distance from the axis 90 , so that the largest pores occur in the part of the foam body 84 which is in contact with the jacket body 82 .
Da bei diesem dritten Ausführungsbeispiel 80 der Schaumkör per 84 seinerseits ebenfalls aus Metall ist, kann dann, wenn der Mantelkörper 82 aus beliebigem Material, vorzugs weise jedoch auch aus Metall, ist auf eine Ausgleichsschicht zwischen dem Schaumkörper 84 und dem Mantelkörper 82 ver zichtet werden, da der metallische Schaumkörper 84 beispiels weise durch einen Preßsitz in dem Mantelkörper 82 fixiert werden kann. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, den Schaumkörper mit einem Kleber am Mantelkörper 82 zu fixieren oder mit einer speziellen Wärmeleitpaste.Since in this third exemplary embodiment 80 the foam body 84 is itself made of metal, if the jacket body 82 is made of any material, but preferably also of metal, a compensating layer between the foam body 84 and the jacket body 82 can be omitted, since the metallic foam body 84, for example, can be fixed in the jacket body 82 by a press fit. Alternatively, it is also possible to fix the foam body to the jacket body 82 with an adhesive or with a special heat-conducting paste.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel 80 ist der Mantelkörper 82 auf seiner Außenseite 92 vollständig von einem Wärmeträgerme dium 94 durchströmt, welches beispielsweise Wärme an den Man telkörper 82 abgibt, der seinerseits dann die Wärme an die Stege 88 des Schaumkörpers 84 weitergibt. Wird nun dieser Schaumkörper längs der Achse 90 von einem aufzuwärmenden Medium, in diesem Fall einer Flüssigkeit, durchströmt, so nimmt dieses Medium von den Stegen 88 die Wärme auf.In the third embodiment 80 , the jacket body 82 is completely flowed through on its outside 92 by a heat transfer medium 94 which, for example, emits heat to the tel body 82 , which in turn then passes the heat on to the webs 88 of the foam body 84 . If a medium to be heated, in this case a liquid, flows through this foam body along the axis 90 , this medium absorbs the heat from the webs 88 .
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 kann aber auch als Wärme tauscher und Wärmespeicher ausgebildet sein. In diesem Fall weisen die Stege eine Dicke von 1 bis 2 mm auf und es ist nicht notwendig, den Mantelkörper 82 außen mit dem Wärme trägermedium 94 zu umströmen. Es ist vielmehr möglich, das Wärmeträgermedium 94 durch Isolationsmaterial, z.B. Keramik wolle oder Keramikfilz, zu ersetzen. Der Wärmetauscher wird durch Durchströmen des Schaumkörpers 84 längs der Achse 90 aufgeheizt und kann später durch erneutes Durchströmen des Schaumkörpers 84 längs der Achse 90 wieder abgekühlt werden.However, the exemplary embodiment of FIG. 5 may also be designed as a heat exchanger and heat accumulator. In this case, the webs have a thickness of 1 to 2 mm and it is not necessary to flow around the jacket body 82 with the heat transfer medium 94 outside. Rather, it is possible to replace the heat transfer medium 94 with insulation material, for example ceramic wool or ceramic felt. The heat exchanger is heated by flowing through the foam body 84 along the axis 90 and can later be cooled again by flowing through the foam body 84 again along the axis 90 .
Ganz allgemein können alle drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung mit den unterschiedlichsten Schaum körpern ausgestattet sein. So sind als Materialien für die Schaumkörper auch noch die Keramikmaterialien SiC, Al2O3, Zr2O und auch noch als alternatives Material Kohlenstoff denkbar. Die Dicken der Stege betragen vorzugsweise dann, wenn lediglich eine Wärmeübertragung stattfinden soll, ungefähr 0,1 bis 1 mm, wobei Porengrößen von ungefähr 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60 oder auch 75 Poren pro Inch vor teilhafte Werte darstellen, die je nach dem speziellen Anwendungsfall Verwendung finden.In general, all three embodiments of the solution according to the invention can be equipped with a wide variety of foam bodies. Ceramic materials such as SiC, Al 2 O 3 , Zr 2 O and carbon as an alternative material are also conceivable as materials for the foam body. The thicknesses of the webs are preferably approximately 0.1 to 1 mm if only heat transfer is to take place, pore sizes of approximately 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60 or even 75 pores per inch representing advantageous values that are used depending on the specific application.
Die beschriebenen Schaumkörper sind im Handel erhältlich, beispielsweise sind Aluminiumschaumkörper von der Firma Energy Research & Generation, Inc., Lowell and 57th Street, Oakland, California 94608 erhältlich, Keramikschaumkörper von der Firma Hi-Tech Ceramics, Inc., P.O. Box 1105, Alfred, New York 14802 und auch von den Firmen Drache, Keramikfilter, Werner von Siemensstraße 9, 6252 Diez, der Firma ESK, Postfach 1269, 5020 Frechen, der Firma Rath, Erasmusstraße 14, 4000 Düsseldorf 1, der Firma ESK, Herzog- Wilhelm-Straße 16, 8000 München 2 oder auch der Firma Foseco GmbH, 4280 Borken.The foam bodies described are commercially available, for example, aluminum foam bodies are from the company Energy Research & Generation, Inc., Lowell and 57th Street, Oakland, California 94608 available, ceramic foam body by Hi-Tech Ceramics, Inc., P.O. Box 1105, Alfred, New York 14802 and also from the Drache company, Ceramic filter, Werner von Siemensstrasse 9, 6252 Diez, the ESK, PO Box 1269, 5020 Frechen, Rath, Erasmusstraße 14, 4000 Düsseldorf 1, the company ESK, Herzog- Wilhelm-Strasse 16, 8000 Munich 2 or the company Foseco GmbH, 4280 Borken.
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