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Patent Searching and Data


Title:
HEAT EXCHANGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/049390
Kind Code:
A1
Abstract:
A radiator comprises water pockets (3), which are associated with a heat exchanger (1) having carbon nanotubes.

Inventors:
SCHMITT RAINER (DE)
Application Number:
PCT/DE2007/001830
Publication Date:
May 02, 2008
Filing Date:
October 15, 2007
Export Citation:
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Assignee:
SCHMITT RAINER (DE)
International Classes:
F28F21/02
Domestic Patent References:
WO2004027336A12004-04-01
Foreign References:
US20030116503A12003-06-26
US20050238810A12005-10-27
US20050092467A12005-05-05
US20050136248A12005-06-23
US20050126766A12005-06-16
Attorney, Agent or Firm:
BECKER, Bernd (Saarlandstrasse 66, Bingen, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Wärmeübertrager, gekennzeichnet: durch Kohlenstoff- Nanoröhrchen .

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zumindest einseitig eine Oberflächenbe- schichtung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweist, aus einer Legierung oder Materialmischung mit Kohlenstoff- Nanoröhrchen besteht oder mit Rippen (6) aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehen ist.

3. Heizkörper mit Wassertaschen (3), denen ein Wärmeü ¬ bertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2 zugeordnet ist.

4. Heizkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einer Wassertasche (3) ein Kohlen ¬ stoff-Nanoröhrchen umfassender Steg (7) angeordnet ist .

5. Heizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) mit Wärmeübertragerflächen, insbesondere auf der Innen- bzw. Rückseite, des Heizkörpers in Verbindung steht.

6. Heizkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) einen verrippten Quer- schnitt aufweist.

7. Heizkörper nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) in der Wassertasche

(3) durch Kleben befestigt ist.

Heizkörper nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (7) ins Freie ragt.

Description:

Wärmeübertrager

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager.

Die DE 10 2004 044 352 Al offenbart einen Heizleiter für eine Heizeinrichtung eines Elektrowärmegerätes, vorzugsweise eines Elektrokochfeldes, der durch Str-omfluss Wärme erzeugt. Das Material des Heizleiters weist Kohlenstoff- Nanoröhrchen auf.

Im Weiteren zeigt die DE 20 2004 017 339 Ul eine Wärmeleitpaste, die zu 10 bis 80 Gew.-% aus einem Füllstoff auf Basis von Graphitpulver und zu 20 bis 90 Gew.-% aus einem Matrixmaterial auf Basis von öl, Fett oder Wachs besteht, wobei dem Füllstoff Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugesetzt sein können. Die Wärmeleitpaste wird zur Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen einem elektronischen Bauteil, wie z.B. einem Computerchip, oder einem elektrischen Bauteil, wie z.B. einem Leistungshalbleiter, und einem Kühlsystem verwendet.

Heizkörper werden in der Regel aus Stahl hergestellt, der eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 50 W/ (mK) aufweist, und

Wandheizungen werden oftmals aus Kupferrohren mit einer Wärmeleitfähigkeit von ca. 380 W/ (mK) gefertigt. Heizkörper werden in der Regel von einem warmen Fluid, insbesondere von Wasser, durchströmt, wobei die Wärmeübertragungsflächen im Bereich von Wassertaschen des Heizkörpers in direktem Kontakt mit dem warmen Fluid und der zu erwärmenden Luft stehen. Als problematisch erweist sich die relativ geringe Wärmeleitfähigkeit von Stahl oder Kupfer, insbesondere im Zusammenhang mit Heizungssystemen, wie beispielsweise einer Wärmepumpe, die mit einer relativ niedrigen Vorlauftempera- tur betrieben werden, da zur angenehmen Beheizung eines Wohnraumes die Heizfläche relativ groß dimensioniert sein muss. Bei einem konventionellen Heizkörper befinden sich in der Regel Lamellen auf der Außenseite der mit dem Warmwasser durchströmten Wassertaschen, um die Wärmeübertragung durch Konvektion zu steigern, deren Anordnung allerdings aufgrund einer relativ geringen Wärmeübertragungsfläche sowie einer geringen Kontaktfläche zu der Außenseite der Wassertaschen nur eine verhältnismäßig niedrige Leistungsstei ¬ gerung zur Folge hat .

Darüber hinaus sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) bekannt, die bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 6000 W/ (mK) besitzen und gegenüber Stahl bei einer wesentlich geringeren Dichte eine wesentlich höhere Zugfestigkeit aufweisen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine gute Effizienz aufweist .

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Kohlenstoff- Nanoröhrchen .

Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen verbessern aufgrund ihrer gu ¬ ten Wärmeleitfähigkeit die Effizienz gegenüber konventionellen Wärmeübertragern, wobei es keine Rolle spielt, ob die Wärmeübertrager zum Heizen oder Kühlen eingesetzt und mit welchen Medien sie betrieben werden. Daraus resultiert, dass bei einer gegebenen Wärmemenge, die zu übertragen ist, die Wärmeübertragerfläche relativ klein dimensioniert wer ¬ den kann und aufgrund der mechanischen Festigkeitswerte so ¬ wie der Dichte der Kohlenstoff-Nanoröhrchen ggfIs. auch dünnwandige Leichtbauteile zur Verfügung gestellt werden können. Selbstverständlich ist es denkbar, den gesamten Wärmeübertrager im Wesentlichen aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen unter Verwendung eines geeigneten Bindemittels zu fertigen.

Bei einem Wärmeübertrager in Sinne der Erfindung handelt es sich um eine Vorrichtung, über die ein Medium an ein anderes Medium Wärme überträgt, ohne dass die Medien in direkten Kontakt miteinander kommen. Wärmeübertrager sind sowohl Heizkörper als auch Rohre, beispielsweise für eine Fußbodenheizung, und Wandheizregister oder auch in einem haushaltsüblichen elektrisch beheizten Wasserkocher vorhanden. Aber auch ein Estrich, Putz bzw. Fußbodenbelag mit zugeordneter Fußboden- oder Wandheizung stellt einen Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung dar.

In Ausgestaltung weist der Wärmeübertrager zumindest einseitig eine Oberflächenbeschichtung aus Kohlenstoff-

Nanoröhrchen auf, besteht aus einer Legierung oder Materi- almischung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder ist mit Rippen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehen. Bereits mit der O- berflächenbeschichtung eines beispielsweise metallischen Wärmeübertragers geht eine effiziente Wärmeübertragung von der warmen Seite des Wärmeübertragers zu der kalten Seite einher. Vorzugsweise sind Metalle mit Kohlenstoff- Nanoröhrchen legiert oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden unterschiedlichsten Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen, Estrich oder Putz beigemischt, wobei die prozentualen Maximalanteile für den Fachmann leicht zu ermitteln sind, da er sich beispielsweise an der Zusammensetzung bekannter Materialien, die insbesondere mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, orientieren kann. Bevorzugt ist es möglich, die Oberflächen des Wärmeübertragers mit Rippen aus Kohlen ¬ stoff-Nanoröhrchen zu versehen, um eine relativ große wärmeleitende Fläche bereitzustellen.

Zur Erhöhung der Effizienz eines mit Warmwasser betriebenen Heizkörpers, ist den Wassertaschen ein zuvor erläuterter Wärmeübertrager zugeordnet. Mit der Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Legierung oder Beschichtung der Wärmeübertragerflächen, insbesondere im Bereich der Wassertaschen, geht aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Steigerung der Wärmeübertragung einher. Hierbei können für die Herstellung der Heizkörper im Wesentlichen vorhandene Maschinen verwendet werden und Design-Merkmale der unterschiedlichen Heizkörper sowie deren Befestigungseinrichtungen können unverändert übernommen werden.

Bevorzugt ist zumindest in einer Wassertasche ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassender Steg angeordnet. Der Steg kann zur Wärmeleitung in entsprechende Aussparungen bzw. Schlitze in der Wassertasche eingegossen werden und wird unmittelbar von dem warmen Wasser umströmt.

Zweckmäßigerweise steht der Steg mit Wärmeübertragerflächen, insbesondere auf der Innen- bzw. Rückseite, des Heizkörpers in Verbindung. Ein Heizkörper aus Stahl wird zur Ausbildung von Wassertaschen aus gestanzten und umgeformten Halbschalen zusammengeschweißt. Der aus Kohlenstoff- Nanoröhrchen bestehende oder damit legierte bzw. oberflächenbeschichtete Steg kann auf der wasserführenden Seite der Wassertasche des Heizkörpers, also dessen Wärmeübertragerfläche, angeordnet werden, wonach eine schnell leitende zusätzliche Wärmeübertragerfläche zur Verfügung steht. Um die Wärmeübertragerfläche weitergehend zu vergrößern, weist vorteilhafterweise der Steg einen verrippten Querschnitt auf. Der Steg kann demnach tannenbaumartig gestaltet sein.

Zur Realisierung einer leicht zu bewerkstelligenden und dennoch abgedichteten Befestigung des Steges in der Wassertasche, ist vorzugsweise der Steg in der Wassertasche durch Kleben befestigt. Für eine Wärmeübertragung am die Umgebungsluft ragt der Steg ins Freie. Selbstverständlich können neben den Stegen weitere Wärmeleitrippen aus Stahl vorgesehen sein.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kom-

binationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig.l eine schematische Teilschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizkörpers und

Fig.2 eine weitere schematische Teilschnittdarstellung des Heizkörpers nach Fig. 1.

Bei dem Heizkörper handelt es sich um einen Flachheizkörper aus Stahl mit zwei als Wärmeübertrager 1 dienenden Wandungen 2, die derart umgeformt sind, dass nach ihrem Verschweißen vertikale Wassertaschen 3 gebildet sind, die mit einem Vorlauf 4 und einem Rücklauf 5 strömungstechnisch verbunden sind. Auf der Außenseite der einen Wandung 2 sind Rippen 6 befestigt. Um eine effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten, sind in die Wassertaschen 3 Stege 7 eingeklebt, die zur Vergrößerung ihrer Oberfläche einen verripp- ten Querschnitt aufweisen. Die Stege 7 sind entweder mit einem Material beschichtet, das Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält oder bestehen aus einer Legierung mit Kohlenstoff- Nanoröhrchen und weisen damit eine gute Wärmeleitfähigkeit auf .

Um die Wärmeleitfähigkeit des Heizkörpers weiter zu verbessern, sind zusätzlich oder alternativ die als Wärmeübertrager 1 dienenden Wandungen 2 entweder aus einer Kohlenstoff- Nanoröhrchen enthaltenden Legierung gefertigt oder mit Koh-

lenstoff-Nanoröhrchen oberflächenbeschichtet .

Die Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweisenden Bauteile, wie die Wandungen 2 oder die Stege 7 , stehen unmittelbar mit dem warmen Wasser in den Wassertaschen 3 in Verbindung und leiten aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähigkeit dessen Wärme schnell ab. Demnach erwärmt sich die an dem Heizkörper ent ¬ lang strömende Luft sehr schnell durch Konvektion. Auch die im Bereich der Stege 7 auf der Außenseite der entsprechenden Wandung 2 vorhandenen Rippen 6, die ebenfalls Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufweisen können, erwärmen sich durch die herrschenden Temperaturunterschiede verhältnismäßig schnell. Insgesamt kann der Heizkörper die in einem Raum benötigte Wärme aufgrund der Kohlenstoff-Nanoröhrchen relativ schnell an die Umgebung abgeben, weshalb die Warmwasserheizungsanlage mit einer vergleichsweise geringen Vorlauftemperatur betrieben werden kann.