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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zum Übertragen
von Wärme
von einem Fluid auf ein anderes Fluid mit mindestens einem Fluiddurchlass
für ein
erstes Fluid parallel zu und im Abstand von einem anderen Durchlass
sowie einer äußeren Wandung
in einem wärmeüberfragenden
Kontakt mit einem Fluidkörper
aus Metallschaum für
ein zweites Fluid.
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Die
europäische
Offenlegungsschrift 0 744 586 beschreibt ein Element für einen
Wärmetauscher,
beispielsweise eine Platte oder ein Rohr mit großer wärmeübertragender Oberfläche aus
Kupferschaum für
Wärmetauscher
zur Verbesserung des Wärmeübergangs.
Ein solches Element entsteht bei einem Verfahren zum Zersetzen von
Dampf, bei dem ein Pulver aus Kupferoxid auf einem Plastikschaum
niedergeschlagen wird, der zuvor mit einem Haftmittel versehen wurde.
Ein auf diese Weise vorbereiteter Schaum wird dann auf eine in gleicher
Weise zuvor mit Kupferoxidpulver überzogene Platte oder ein Rohr
gebracht, um auf diese Weise durch Sintern einen Verbundkörper herzustellen.
Nach der Pyrolyse des Plastikschaums wird das Kupferoxid zu Kupfer
reduziert.
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Ein
Wärmetauscher
dieser Art findet seine Verwendung beispielsweise bei wärmeakustischen
Maschinen. Bei derartigen Wärmetauschern
leitet ein erster Wärmekreislauf
einen Strom aus einem ersten Fluid, beispielsweise ein Gas oder
eine Flüssigkeit,
durch im Allgemeinen eine Mehrzahl von Fluidpassagen. Ein zweiter Wärmekreislauf
leitet mit einen Strom eines zweiten Fluids, im Allgemeinen ein
Gas (Luft, Argon) durch den porösen
Strömungskörper, der
die Strömungsdurchlässe auf
einer bestimmten Fläche
umgibt. Die Fließrichtung
des zweiten Fluids durch den Strömungskörper verläuft im Allgemeinen
virtuell senkrecht zur Strömungsrichtung
des ersten Fluids in den Fluidpassagen. Der poröse Strömungskörper befindet sich in einem
wärmetauschenden
Kontakt mit der Außenwandung
der Strömungspassagen.
Die Wärme
wird beispielsweise von dem ersten Fluid an die Innenseite der Strömungspassagen übertragen
und von dort durch Wärmeleitung
in dem Wandungswerkstoff zur Außenseite.
An der äußeren Wandungsseite
findet der Wärmeübergang
in den porösen
Strömungskörper durch
Strahlung und Wärmeleitung
statt. Die Wärmeleitung
vollzieht sich in dem porösen
Strömungskörper. Wenn
es sich dabei um einen Strömungskörper nur
aus Metallschaum handelt, ist die Wärmeleitung begrenzt, weswegen
in dem Metallschaum teilweise feste Lamellen aus einem Werkstoff
mit guter Wärmeleitfähigkeit
angeordnet sind, um den Wärmeübergang
zu erhöhen.
Der Wärmeübergang
von dem Strömungskörper auf
das zweite Fluid geschieht in gleicher Weise durch Strahlung und
Wärmeleitung.
Die Wirksamkeit des Wärmeübergangs
hängt insgesamt
unter anderem von diesen Übergangsbedingungen,
d. h. dem Wärmeübergang
von dem Strömungskörper auf
das zweite Fluid und umgekehrt ab – ganz allgemein dem Wärmeübergang
auf der Gasseite – und
stellt im Besonderen möglicherweise
eine Behinderung des Wärmeübergangs
dar.
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Es
wurde nun festgestellt, dass, obgleich die Verwendung eines Metallschaums
gegebenenfalls in Verbindung mit Lamellen oder Rippen eine Vergrößerung der
Wärmeübergangsfläche mit
sich bringt und möglicherweise
die Wärmeleitung
erhöht,
der Strömungswiderstand
verhältnismäßig hoch
ist, und die Gesamtleistung als Verhältnis von Wärmeübergang und Strömungswiderstand
geringer ist als bei einem herkömmlichen Wärmetauscher
nur mit Lamellen oder Rippen. In vielen Fällen geht eine Verbesserung
des Wärmeübergangs bei
der Verwendung eines Metallschaums Hand in Hand mit einer unverhältnismäßigen Erhöhung des
Strömungswiderstands.
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Die
US-Patentschrift 4 245 469 beschreibt einen Wärmeaustauscher mit einer porösen Metallmatrix
in einem Strömungsdurchlass,
durch den ein wärmeübertragendes
Medium strömt.
In der Patentschrift heißt
es, dass die Metallmatrix in einer Zone quer zur Strömungsrichtung
eine größere Dichte
besitzt, so dass sich in dieser Zone ein höherer interner Wärmeübergangskoeffizient
ergibt, in der die Umgebungstemperatur erheblich höher als
am Ende der Passage ist. Um das Volumen des Wärmeübergangsmediums zu verringern,
was sich mit einem Durchlass konstanten Durchmessers erreichen lässt, vergrößert sich
der Durchmesser der Einordnung in dieser Zone. Eine Beschaffenheit
dieser Art zielt darauf ab, den internen Wärmeübergang zu verbessern.
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Des
weiteren beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift 39 06 446 einen
Wärmetauscher,
bei dem ein Schaum, beispielsweise aus Aluminium, in einem Strömungskanal
angeordnet ist. Der Schaum kann ein unterschiedliches Porenvolumen,
d. h. eine unterschiedliche Zahl von Poren besitzen.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, die bekannten Verfahren, d. h. die oben
erwähnte
Beziehung zwischen dem Wärmeübergang
und dem Strömungswiderstand
des Wärmetauschers,
zu verbessern. Demgemäß besitzt
bei einem Wärmetauscher
der oben erwähnten
Art der Metallschaum erfindungsgemäß eine konstante Zahl von Poren
(PPI) und einen Volumendichtegradienten. Die Verwendung eines Metallschaums
mit einem Volumendichtegradienten bietet die Möglichkeit, die Volumendichte
des Schaums, mit anderen Worten die Menge des Metalls der örtlichen
Wärmeflussdichte
und dem Strömungswiderstand
unter Beibehaltung der Porenzahl (PPI) anzupassen. In einem derartigen
Metallschaum ist die Wärmeflussdichte
in der Nachbarschaft der Strömungspassagen
am höchsten,
weswegen der Metallschaum dort mehr Metall enthält als in der Außenzone
des Strömungskörpers, wo
die Wärmeflussdichte
viel geringer ist. Das ist als Folge der sich ändernden Volumendichte des
Metalls im Metallschaum möglich.
Diese Beschaffenheit des Metallschaums zielt bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
darauf ab, den Wärmeübergang
vom Metallschaum auf die Wandung des Strömungsdurchlasses zu verbessern.
Ein Volumengradient des Metalls im Metallschaum unter Beibehaltung
der Porosität
(PPI) ist wirksamer als eine Änderung
der Volumenzahl, während
die Dicke des die Poren trennenden metallischen Netzwerks gleich
bleibt.
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Ein
Metallschaum mit einem derartigen Gradienten der Volumendichte lässt sich
beispielsweise durch Galvanisieren eines Kunststoffschaums in einem
Elektrolyten herstellen, wie das weiter unten beschrieben ist.
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Festzuhalten
ist, dass die französische
Offenlegungsschrift 2 766 967 einen Kühlkörper unter anderem für elektronische
Komponenten mit einem Metallschaum beschreibt, bei dem das niedergeschlagene
Metall über
die Dicke des Schaums einen Dickengradienten aufweist.
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Da
sich beim Herstellen eines derartigen Schaums die Dichte des Schaums
in einer Richtung ändert, besitzt
der Strömungskörper vorzugsweise
mindestens zwei Metallschaumschichten, bei denen die Schichtoberflächen mit
gleicher Volumendichte einander zugekehrt sind. Dies erlaubt verschiedene
vorteilhafte Ausführungen
des Strömungskörpers.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
erhöht
sich die Volumendichte des Metallschaums von der Einströmseite des
Strömungskörpers für das Sekundärfluid in
Richtung eines Strömungsdurchlasses
(Strömungsrichtung),
so dass sich dort mehr Metall befindet, wo die Wärmeflussdichte größer ist.
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Die
Form der Strömungsdurchlässe ist
unkritisch; Rundrohre, flache Hohlplatten und dergleichen sind geeignet.
Um jedoch den Strömungswiderstand
zu begrenzen, ist die Form des Strömungsdurchlasses vorzugsweise
dem Strömungsprofil
des Sekundärfluids
angepasst. Der Strömungsdurchlass
besitzt vorteilhafter Weise einen elliptischen Querschnitt, dessen
Hauptachse in die Strömungsrichtung
des Sekundärfluids
weist. Ein derartiger Strömungsdurchlass
verbindet eine große
Wärmeaustauschfläche mit
einem verhältnis mäßig geringen
Strömungswiderstand.
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Des
weiteren besitzt der Strömungskörper vorteilhafter
Weise zwei Metallschaumschichten vorzugsweise mit derselben Porenzahl
je linearem Zentimeter (PPI), bei denen die Seiten mit der höchsten Metallvolumendichte
einander zugekehrt sind. An diesen Seiten sind Ausnehmungen für die Strömungsdurchlässe angeordnet.
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Eine
andere bevorzugte Ausführung
der Erfindung, die sich insbesondere durch eine einfache bausteinartige
Struktur auszeichnet, verwendet Rohrkörper mit rechteckigem Querschnitt
als Strömungspassagen,
die durch Sektionen des Strömungskörpers voneinander
getrennt sind, deren Dichte des Strömungskörpers in der Nähe der Außenwandung
der Durchlässe
am Höchsten
ist. Ein Modul dieser bevorzugten Ausführung des Wärmetauschers kann beispielsweise
einen derartigen Strömungsdurchlass
besitzen, der im Querschnitt rechteckig ist und bei dem zwei einander
gegenüberliegende
Wandungen mit einer Metallschaumschicht versehen sind, von denen
die Schicht mit der höchsten
Volumendichte an die erwähnte
Wandung angrenzt.
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Wenn
es darum geht, einen Wärmetauscher
zu schaffen, der mehr einem Wärmetauscher
mit einem Strömungskörper ähnelt, dessen
Metallschaumteile durch Lamellen voneinander getrennt sind, lassen
sich mehrere Metallschaumschichten verwenden, bei denen die Gradienten
der Volumendichte parallel zur Strömungsrichtung des ersten Fluids
verlaufen, und zwar vorzugsweise abwechselnd.. Unter dem Gesichtspunkt allgemeiner
Leistung ist diese Ausführung
jedoch weniger bevorzugt als die vorerwähnten anderen.
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Kommt
ein Metallschaum als Material für
den porösen
Strömungskörper zur
Verwendung, dann ist der Wärmeübergang
zwischen dem Metallschaum einerseits und dem zweiten Fluid andererseits
hoch und nicht länger
der begrenzende Faktor auf Kosten der sehr großen Wärmeaustauschoberfläche bei
gegebenem Volumen.
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Die
Wärmeleitung
in dem Strömungskörper aus
Metallschaum ist jedoch gering infolge der Porosität, die sich
zudem negativ auf den Wärmeübergang
zwischen dem Strömungskörper und
der Außenwandung
der Strömungsdurchlässe auswirkt.
Eine graduelle Erhöhung
des Metallanteils im Schaum führt
zu einer Verbesserung in der Gesamtwirkung dieser beiden kontradiktorischen
Faktoren.
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Vorzugsweise
kommt ein Schaum aus einem Metall mit hohem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten wie Kupfer
zur Verwendung. Die Strömungskörper können jedoch
vorteilhafter Weise auch aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit
und hoher Wärmeübertragung
wie Kupfer hergestellt sein. Andere geeignete Metalle sind u. a.
Indium, Silber, Nickel und rostfreier Stahl. Als Ausgangsmaterial
zum Herstellen des Metallschaums dient vorteil hafter Weise ein Kunststoffschaum
wie Polyurethan, Polyester oder Polyäther mit einem offenen Netzwerk
untereinander verbundener Poren und einem konstanten PPI-Wert. Der
Porendurchmesser beträgt vorteilhafter
Weise 400 bis 1500 μm,
besser noch 800 bis 1200 μm.
Der Volumengradient kann von unter 5% bis über 95% in Fließrichtung
des Schaums gehen. Die Dicke des metallischen Niederschlags auf
dem Kunststoffschaum hat vorteilhafter Weise einen Gradienten von
5 bis 10 μm,
vorzugsweise am Eingang des Strömungskörpers bis
30 bis 70 μm,
vorzugsweise in der Nähe
der Strömungsdurchlässe, beispielsweise
8 μm bzw.
42 μm. Metallschäume dieses
Typs lassen sich mühelos
durch elektrolytisches Formen von beispielsweise Kupfer auf einem
Substrat aus Polymerschaum in einem Elektrolyten gegebenenfalls
mit einer anschließenden
Pyrolyse des Polymeres herstellen. Falls gewünscht kann zunächst unter
Anwendung anderer Techniken eine dünne Leiterschicht, beispielsweise
eine Kupferschicht, auf den Schaum aufgebracht werden, beispielsweise
mit Hilfe des PVD- oder CVD-Verfahren oder dergleichen, wonach der
aufgebrachte Film im Elektrolyten wächst.
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Verschiedene
Schweiß-
(Induktions-, Diffusionsschweißen)
und Löttechniken
eignen sich zum Aufbringen des Metallschaums auf die Strömungskanäle. Außerordentlich
geeignet für
Kupferschaum sind dabei zinnhaltige Lötlegierungen.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
besitzt vorzugsweise Modularcharakter, der es erlaubt, aus mehreren
Modulen eine größere Einheit
herzustellen.
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Die
Erfindung bezieht sich des weiteren auf eine Wärmepumpe, beispielsweise einen
thermoakustischen Umwandler zum Erzeugen von Umwandlungsenergie
gemäß Anspruch
11, bei dem erfindungsgemäße Wärmetauscher
zur Verwendung kommen. Der Motor zum Komprimieren und Verdrängen des
gasförmigen Fluids
besteht beispielsweise aus einem geschlossenen akustischen Resonanzkreis.
Der dabei zur Verwendung kommende Regenerator besitzt vorzugsweise
einen Schichtkörper
mit Schaumschichten eines Metalls mit geringer Leitfähigkeit.
Beispiele derartiger thermoakustischer Umwandler dieser Art sind
unter anderem thermoakustische Wärmemaschinen
und -motoren.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen des
Näheren
erläutert.
In der Zeichnung zeigen;
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1 die
perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Wärmetauschers,
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2 die
perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers
nach der Erfindung,
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3 die
perspektivische Ansicht eines weiteren Wärmetauschers nach der Erfindung,
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4 die
perspektivische Ansicht eines Moduls für einen Wärmeaustauscher nach Anspruch
3,
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5 die
perspektivische Ansicht eines weiteren Wärmetauschers nach der Erfindung
und
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6 veranschaulicht
schematisch einen thermoakustischen Energie-Umwandler mit einem
erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
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Bei
dem in 1 dargestellten herkömmlichen Wärmetauscher 10 sind
mehrere rohrförmige
Strömungsdurchlässe 12 beispielsweise
aus Kupfer parallel zueinander angeordnet. Die Fließrichtung
des ersten Fluids durch die Strömungsdurchlässe 12 veranschaulicht
ein Einzelpfeil in Richtung von oben nach unten. Die Einlassenden 14 der
Strömungsdurchlässe sind üblicher
Weise mit Hilfe eines Verteilerkopfs (nicht dargestellt) untereinander
verbunden. In ähnlicher
Weise sind die Auslassenden 16 untereinander verbunden.
Ein poröser Strömungskörper 20 für ein zweites
Fluid besteht aus mehreren im Abstand voneinander und parallel zueinander
angeordneten Metallstreifen 22 jeweils mit dazwischen angeordneter
Metallschaumschicht 24. Die Metallstreifen 22 und
die Schaumschichten 24 besitzen Ausnehmungen für die Strömungsdurchlässe 12 und
sind mit den Außenwandungen
der Strömungsdurchlässe 12 verlötet. Der
Strömungskörper 20 ist
in einer Kammer oder einem Gehäuse
(nicht dargestellt) mit einer Einströmöffnung und einer Austrittsöffnung angeordnet
und gegebenenfalls einem Verteiler für das Zweitfluid versehen.
Die Seiten des Wärmetauschergehäuses 10 können mit
Kupplungsmitteln versehen sein, um so eine Mehrzahl von Wärmetauschern
miteinander zu verbinden.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
mit im Vergleich zu der Darstellung in 1 gleichen
Komponenten und Bezugsziffern.
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Der
Wärmetauscher 10 besteht
aus mehreren im Abstand voneinander parallel zueinander angeordneten
Strömungsdurchlässen 12 mit
elliptischem Querschnitt für
ein erstes Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit. Der Strömungskörper 20 besitzt
zwei Schichten 30, 32 aus Metallschaum jeweils
mit einem Gradienten der Volumendichte parallel zur Strömungsrichtung
des Zweitfluids, beispielsweise eines Gases. Zur Vereinfachung der
Darstellung ist die Oberfläche
mit der höchsten
Volumendichte durch eine breite schwarze Linie dargestellt. Im Teil 30 erhöht sich
die Volumendichte bzw. die Menge des Metalls in Strömungsrichtung
des Zweitfluids, während
im Teil 32 die Volumendichte in der eingezeichneten Strömungsrichtung
abnimmt. Demgemäß befindet
sich das meiste Metall in unmittelbarer Nachbarschaft der Strömungsdurchlässe 12,
wo sich die höchste
Wärme flussdichte
ergibt. Hingegen ist die äußere Oberfläche des
Strömungskörpers 20,
d. h. die Einströmseite
und die Ausströmseite
verhältnismäßig offen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 3 sind die im Querschnitt rechtwinkligen Strömungsdurchlässe 12 zwischen
Abschnitten 40 des Strömungskörpers 20 angeordnet.
Jeder Abschnitt 40 besteht aus zwei Metallschaumschichten 42,
deren Oberflächen
mit der höchsten
Volumendichte an den äußeren Schichtwänden 44 zweier
benachbarter Strömungsdurchlässe liegen,
während
die Oberflächen
mit der geringsten Volumendichte aneinander liegen. Bei der Darstellung
in 3 ist die Trennfläche zwischen den beiden Schaumschichten 42 eines
Abschnitts 40 strichpunktiert dargestellt. 4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Modul
eines Wärmetauschers
nach 3.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
ist in 5 dargestellt. Dabei dienen sechs abwechselnd
gestapelte Metallschaumlagen 50 einen Strömungskörper 20,
dessen Gradient sich in der Strömungsrichtung
des durch die Strömungskanäle 12 hindurch
strömenden
ersten Fluids wiederholt abwechselnd erhöht und verringert
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6 gibt
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe
wieder, bei der ein thermo-akustischer Energiewandler 60 mit
erfindungsgemäßen Wärmetauschern
zur Verwendung kommt.
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Der
Wärmetauscher 60 besitzt
einen mit Gas gefüllten
akustischen oder akustisch-mechanischen Resonanzkreis 62 mit
einem Regenerator 64, beispielsweise aus Nickelschaum,
zwischen zwei erfindungsgemäßen Wärmetauschern 10.
Dient die Vorrichtung 60 als Wärmepumpe, wird dem Gas mechanische
Energie beispielsweise über
ein Diaphragma zugeführt,
das unter dem Einfluss eines elektrischen Linearmotors oszilliert. Andere
Möglichkeiten
sind beispielsweise eine Gebläse-
oder Freikolbenstruktur. Das oszillierende Gas fungiert als zweites
Fluid; es entzieht dem ersten Fluid in einem Wärmetauscher 10 Wärme und
pumpt diese Wärme über einen
Generator zu einem Wärmetauscher 10,
in dem diese an ein drittes Fluid übertragen wird. Auf diese Weise
ist es möglich,
Wärme von
einem Niedrigtemperatur-Fluidstrom auf ein Hochtemperatur-Fluid
zu übertragen.
Die hierfür
erforderliche periodische Druckänderung
und Gasförderung
findet in dem geschlossenen Resonanzkreis 62 unter dem
Einfluss einer starken akustischen Welle statt. Hierbei ist festzuhalten,
dass die Druckamplitude um ein vielfaches größer ist als in einem freien
Raum üblich,
nämlich
in der Größenordnung
von 10% des Hauptdruckes im System.
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Dient
der Wandler als Motor, wird einem Wärmetauscher Wärme hoher
Temperatur zugeführt
und über einen
weiteren Wärmetauscher
bei niedriger Temperatur, beispielsweise Umwelttemperatur, abgeführt und
dabei die Oszillation aufrechterhalten. Wird mehr Wärme als
zur Aufrechterhaltung der Oszillation zugeführt, kann ein Teil der akustischen
Energie als verwendbare Leistung aus dem Resonator abgezogen werden.
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Die
Leistungsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
wird im folgenden des Näheren
anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
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Verschiedene
Wärmetauscher
wurden dabei untersucht. Die porösen
Strömungskörper eines
ersten Wärmetauschers
A wurden aus Kupferschaumstreifen mit 65 Poren/inch und einer Länge von
90 mm sowie einer Breite von 12 mm hergestellt. Dann wurden die Öffnungen
der Gasdurchlässe
ausgestanzt. Diese bestanden aus neun kleinen Kupferrohren mit einem
Außendurchmesser
von 6 mm und einem Innendurchmesser von 4 mm in jeweils gleichen
Abständen.
Der wirksame Durchlass des zweiten Fluids betrug 90 × 70 mm. Mehrfachverteiler
am Einlass- und am Auslassende der Kupferrohre wurden an eine Wasserleitung
bzw. einen Wasserablauf angeschlossen.
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Bei
einem zweiten Wärmetauscher
B wurde ein Strömungskörper aus
demselben Kupferschaum verwendet, jedoch mit eingefügten Messinglamellen
einer Dicke von 0,25 mm. Die Schaumteile und die Messinglamellen
wurden in einem Ofen miteinander verlötet. Um ein Verschließen des
Metallschaums unter dem Einfluss der Ofenhitze zu vermeiden, können die
Streifen aus Kupferschaum und die Messinglamellen auch einzeln mit
den kleinen Kupferröhrchen
verlötet
werden.
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Ein
dritter Wärmetauscher
C besaß nur
neununddreißig
Messinglamellen.
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Bei
einem vierten Wärmetauscher
D nach der Erfindung gemäß 2 mit
denselben Abmessungen und derselben Zahl von Röhrchen als Wärmetauscher
A-C besaß der
Strömungskörper zwei
Schichten aus Kupferschaum, die bei Raumtemperatur auf einem PU-Schaum mit einem
Porendurchmesser von 800 μm
in einem Kupferbad der Zusammensetzung CuSO4 =
250 g/l, H2SO4 =
70 g/l und Cl–=
15 mg/l bei einem pH-Wert von 0–1
und einer Stromdichte von 5 A/dm2 hergestellt
wurden. Nach der Pyrolyse besaß die
auf diese Weise hergestellte Kupferschaumschicht auf der einen Seite
eine Metalldicke von 8 μm,
während
die Dicke der Metallschicht auf der anderen Seite 42 μm betrug.
In die Schaumschichten wurden Ausnehmungen mit dem halben Durchmesser
der Kupferröhrchen
eingebracht und anschließend
die Röhrchen
darin eingefügt.
Die Verbindung geschah durch Zinn-Löten.
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Die
Wärmetauscher
wurden zur Durchführung
von Versuchen verwendet, bei denen eine bestimmte Menge heißen Wassers
mit einer Temperatur von etwa 90°C
unter Verwendung eines Strömungsmessers über ein
Thermostatbad durch die Röhrchen
zirkulierte.
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Mit
Hilfe einer Zentrifugalpumpe wurde Umgebungsluft durch den in einer
Passage angeordneten Wärmetauscher
gesaugt. Das angesaugte Luftvolumen wurde unter Verwendung eines
Strömungsmessers zwischen
dem Wärmetauscher
und der Zentrifugalpumpe gemessen. Des weiteren wurde der Druckabfall über den
Strömungskörper und
die Einlasstemperatur P1 sowie die Auslasstemperatur
T2 des ersten Fluidstroms aus Wasser sowie
die Auslasstemperatur T3 des zweiten Fluidstroms
aus Luft gemessen. Die durch den Luftstrom absorbierte Wärmemenge
Q wurde auf der Grundlage der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers
FW (l/min) und die Temperaturdifferenz zwischen
dem einlaufenden und abgehenden Wasser (T1 – T2) nach der folgenden Formel bestimmt: Q = WW·(T1 – T2)·FW/60 [W],worin WW die
Wärmekapazität des Wassers
(4.180 J·Kg·K–1)
ist. Die Versuche wurden bei verschiedenen Luftgeschwindigkeiten
durchgeführt.
Die Reynolds-Zahl wurde unter Zugrundelegung der gemessenen Gasgeschwindigkeit
am Wärmetauscher
und der hydraulische Durchmesser DH = 0.0033
für alle
Wärmetauscher
A bis D gemessen. Der Viskositätswert
entspricht der Gastemperatur der angesaugten Frischluft, die ebenfalls gemessen
wurde. Die Nusselt-Zahl der Gasseite lässt sich durch Weglassen des
Wärmeübergangs
an der Flüssigseite
unter der Annahme einer turbulenten Rohrströmung nach der Gleichung: Nu(Re)
= Q·DW/λ·ΔT1, wobei AW die gesamte
Wärmeaustauschfläche und ΔT1 die Temperaturdifferenz zwischen dem Gas
und dem Wärmetauscher
ist.
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Dabei
ist es üblich,
den Wärmeübergang
wie folgt jH = Nu·Re–1·Pr–1/3 aufgrund
der Reynolds-Zahl zu berechnen, wobei Pr die Prandtl-Zahl für Luft von
0,7 ist.
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Der
so genannte Reibungskoeffizient lässt sich in gleicher Weise
nach der Gleichung f = A0·Δp/AW (1/2 p·v2)aus
dem gemessenen Druckabfall und der gemessenen Geschwindigkeit des
jeweiligen Wärmetauschers
bekannter Abmessungen bestimmen sowie als Funktion der Reynolds-Zahl darstellen.
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Die
nachfolgende Tabelle gibt die Daten des Wärmeübergangs (jH), den Reibungskoeffizienten
(f) und das Verhältnis
jH/f bei Re = 300 für
die verschiedenen Wärmetauscher
A bis D wieder.
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Die
Daten der vorstehenden Tabelle zeigen, dass – wie erwartet – der Wärmetauscher
A (nur Schaum) einen höheren
Wärmeübergang
als der Wärmetauscher
C (nur Lamellen) ergibt. Jedoch erhöhte sich der Strömungswiderstand
unverhältnismäßig. Darüber hinaus
zeigt sich, dass der Strömungswiderstand
des Wärmetauschers
B sehr hoch ist, obgleich dieser Wärmetauscher (Schaum und Lamellen)
einen höheren
Wärmeübergang
bewirkt als der erfindungsgemäße Wärmetauscher
D. Der besitzt insgesamt die beste Leistungsfähigkeit, ausgedrückt als
jH/f. Daran wird deutlich, dass es unter Verwendung eines Schaums
mit einer geeigneten Verteilung des Metalls und einer Änderung
der Metallmenge möglich
ist, einen vorteilhaften Ausgleich zwischen Wärmeübergang/Wärmeleitung einerseits und Strömungswiderstand
andererseits zu erreichen.
