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EP4235074B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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Info

Publication number
EP4235074B1
EP4235074B1 EP23153533.7A EP23153533A EP4235074B1 EP 4235074 B1 EP4235074 B1 EP 4235074B1 EP 23153533 A EP23153533 A EP 23153533A EP 4235074 B1 EP4235074 B1 EP 4235074B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
tubes
exchange medium
fuel cell
dehumidifier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP23153533.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4235074A1 (de
EP4235074C0 (de
Inventor
Marius Jessen
Tim Kullmann
Jannis KRANZ
Per Nicolai Clausen
Dennis Ruser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP4235074A1 publication Critical patent/EP4235074A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4235074C0 publication Critical patent/EP4235074C0/de
Publication of EP4235074B1 publication Critical patent/EP4235074B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1653—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having a square or rectangular shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0075—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with particular circuits for the same heat exchange medium, e.g. with the same heat exchange medium flowing through sections having different heat exchange capacities or for heating or cooling the same heat exchange medium at different temperatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F28D7/0083—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium
    • F28D7/0091—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium the supplementary medium flowing in series through the units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/1684—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation the conduits having a non-circular cross-section

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular a heat exchanger which can be used modularly for a dehumidifier.
  • Fuel cell devices are currently being increasingly used in non-nuclear submarines to increase their operational capability when submerged.
  • One important form of this is the recirculation fuel cell.
  • the gas flowing in the recirculation circuit must be dehumidified. To do this, the gas is cooled in a first heat exchanger, thereby condensing out the water. In a second heat exchanger, the gas is heated again so that it flows into the fuel cell at as close to the operating temperature as possible, which minimizes aging, particularly of the membrane.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger which can be used in particular in a dehumidifier of a recirculation circuit of a recirculation fuel cell on board a submarine.
  • the heat exchanger according to the invention has a rectangular basic shape.
  • the heat exchanger can be cuboid-shaped, in particular cube-shaped.
  • the basic shape refers to the inner area through which the flow passes. On the outside, formations necessary in particular for the assembly of further components can be arranged.
  • the inner area can have inlet and/or outlet areas attached to the rectangular basic shape.
  • the heat exchanger has a first side and a second side of the rectangular basic shape, with the first side and the second side being opposite each other. The first side and the second side are thus parallel to one another. Tubes are arranged between the first side and the second side.
  • Such a heat exchanger is also referred to as a tube bundle heat exchanger.
  • the tubes have an elliptical cross-section.
  • an ellipse the sum of the distances of an ellipse point, i.e. a point on the surface (here the tube) from two given points, the focal points, is the same for all points.
  • the ellipse is therefore a special form of the oval.
  • the elliptical shape optimizes the flow resistance for a gas flowing through the heat exchanger while at the same time ensuring effective heat exchange with the heat exchange medium flowing in the tubes.
  • the oval shape optimizes use in a cooling heat exchanger, where condensation occurs.
  • the elliptical shape allows the condensate to be drained downwards well, so that dehumidification in countercurrent is possible.
  • the advantage of the elliptical shape is that the symmetry means that the flow direction is independent. This means that such a heat exchanger can be used particularly efficiently in a modular structure.
  • all main axes of the elliptical tubes are arranged parallel.
  • all main axes are perpendicular to the first side and the second side.
  • a distributor head for introducing a heat exchange medium is arranged on the first side of the heat exchanger and a collector head for discharging the heat exchange medium is arranged on the second side of the heat exchanger.
  • the heat exchanger and the distributor head as well as the heat exchanger and the collector head can particularly preferably be connected to one another by means of screwing or welding.
  • This separate design is particularly practical for a modular structure. Furthermore, this enables installation or replacement, especially in confined environments, for example and in particular in a fuel cell device on board a submarine.
  • the modular structure means that essential modules can be used for several components.
  • different manufacturing techniques can also be used for the various modular components.
  • the distributor head and the collector head have a pyramidal basic shape.
  • the tip of the pyramidal shape can preferably be flattened (truncated pyramid). This enables the heat exchange medium to be distributed to all pipes and a trouble-free return.
  • a connection for supplying or removing the heat exchange medium can be arranged either on the top surface of the truncated pyramid or on one of the side surfaces.
  • the basic pyramid shape can also be rounded, especially at the outermost end, for example to facilitate attachment to the rectangular basic shape of the heat exchanger and also to optimize the flow inside.
  • the distributor head and the collector head are of identical construction. This enables the flow of liquid in both directions, and the The number of different components is reduced, thus simplifying both production and spare parts inventory.
  • the distributor head and the collector head each have at least a first and a second connection, the first connection and the second connection being suitable for connection to a heat exchange medium distribution system, the first connection and the second connection being arranged spatially differently.
  • the heat exchange medium distribution system is only connected to the first connection or the second connection and the other is closed. This makes it possible to meet different steric requirements with just one distributor head or collector head.
  • the first connection is arranged centrally and horizontally and the second connection is arranged temporally and at an angle.
  • first connection can be directed upwards and the second connection downwards, which is particularly useful in a tower-shaped arrangement, for example in a cascaded series connection to extend the heat exchanger, since the upper first connection of the lower heat exchanger can then be connected to the lower second connection of the upper heat exchanger.
  • the heat exchanger has a third side and a fourth side of the rectangular basic shape, the third side and the fourth side being opposite each other.
  • the third side and the fourth side are thus parallel to each other. Due to the rectangularity, the third side and the fourth side are each perpendicular to the first side and the second side.
  • the elliptical cross section of the tubes is arranged such that the main axes of the elliptical cross sections are arranged perpendicular to the third side and fourth side.
  • the tubes thus generate minimal flow resistance for a fluid flowing from the third to the fourth side.
  • the fluid is preferably introduced through the third side and flows out again from the fourth side.
  • the fluid can in particular be a gas laden with moisture.
  • the fluid can be a gas with gaseous water or can also carry water, for example in liquid droplet form.
  • a liquid phase can preferably condense out of the fluid in the heat exchanger or be separated in another way.
  • the gas passage in the third side and in the fourth side extends over at least 80%, preferably at least 90% of the area of the third side or the fourth side.
  • the gas passage thus takes place, apart from the necessary side wall and, for example, connecting elements, over as full an area as possible through the third side and the fourth side. This is particularly preferred if at least two heat exchangers are to be arranged one above the other, for example to form a dehumidifier or to create a longer heat exchanger in a modular design.
  • the third side is designed for direct connection to the fourth side of another heat exchanger according to the invention. This allows two or more heat exchangers to be placed one above the other in a simple manner,
  • the third side of the heat exchanger can be connected to the fourth side of another heat exchanger according to the invention.
  • the heat exchange medium preferably flows first through the first heat exchanger and then through the second heat exchanger, while the gas flows first through the second heat exchanger and then into the first heat exchanger.
  • the lower second heat exchanger is operated as a cooler and thus a dehumidifier, and the upper first heat exchanger is then operated as a heater, so that the combination of the two heat exchangers causes dehumidification with no or only a minimal change in temperature of the gas flowing from the inflowing to the outflowing.
  • the heat exchanger has a fifth side and a sixth side of the rectangular basic shape, wherein the fifth side and the sixth side are opposite each other.
  • the fifth side and the sixth side each have a closed surface.
  • the closed surface preferably consists of successive half ellipses, which have the same shape as the tubes. This results in two embodiments, if one starts from The half ellipses can point alternately inwards and outwards. This results in a wavy surface, which results in a relatively constant distance between the pipes and the pipes and the outer wall. Alternatively, all half ellipses are preferably curved outwards.
  • the heat exchanger is rotationally symmetrical about a first two-fold axis of rotation, with the first axis of rotation being perpendicular to the first side and the second side.
  • the heat exchanger is rotationally symmetrical about a second two-fold axis of rotation, with the second axis of rotation being perpendicular to the third side and the fourth side.
  • the tubes are arranged in rows. Adjacent rows are offset by half the distance between the centers of adjacent tubes in a row.
  • the tubes have an outwardly directed thickening of the wall thickness at at least one end.
  • the inner diameter and thus the flow resistance for the heat exchange medium preferably remains constant. This achieves improved power transmission.
  • the heat exchanger is manufactured by means of additive manufacturing.
  • the heat exchanger is manufactured from a metal powder by means of laser beam melting.
  • the invention relates to a dehumidifier with a first heat exchanger according to the invention and a second heat exchanger according to the invention.
  • the first heat exchanger is arranged under the second heat exchanger.
  • the third side of the second heat exchanger is connected to the fourth side of a first heat exchanger.
  • the first heat exchanger is connected for cooling and the second heat exchanger is connected for heating.
  • a water drain is arranged under the first heat exchanger in order to remove condensate which is separated from a gas stream in the dehumidifier.
  • the invention relates to a recirculation fuel cell module, wherein the recirculation fuel cell module has at least one fuel cell stack and at least one first dehumidifier according to the invention.
  • the fuel cell stack has at least one first inlet and one first outlet.
  • the first outlet is fluidically connected to the third side and the fourth side is fluidically connected to the first inlet.
  • the first dehumidifier is arranged on the cathode side.
  • the recirculation fuel cell module has a second dehumidifier, wherein the second dehumidifier is arranged on the anode side.
  • the invention relates to a fuel cell device with a dehumidifier according to the invention.
  • the dehumidifier is preferably arranged in the recirculation circuit of the fuel cell device.
  • the invention relates to a submarine with a fuel cell device according to the invention.
  • Fig. 1 the view of the first side 10 is shown.
  • the tubes 70 can be seen, which are arranged offset in rows and whose main axis 72 is arranged perpendicular to the third side 30 and the fourth side 40.
  • Fig. 2 shows the view of the third side 30, the pipes 70 run from the first side 10 to the second side 20.
  • FIG. 3 the view of the fifth side can be seen.
  • a distributor head 12 is arranged on the first side 10, for example welded.
  • the heat exchange medium entering through the heat exchange medium inlet 90 is distributed to the pipes 70 by the distributor head 12.
  • the heat exchange medium exiting from the pipes 70 on the second side is brought together in the collector head 22 and led to the heat exchange medium outlet 92.
  • the gas enters the heat exchanger at the bottom through the gas inlet on the third side and exits again through the gas outlet 82 on the fourth side 40.
  • FIG. 4 A dehumidifier consisting of two heat exchangers is shown, whereby the illustration of the illustration of the Fig. 3 with the view of the fifth side.
  • the heat exchange medium enters the lower heat exchanger via the heat exchange medium inlet 90 and cools and dehumidifies the gas flow.
  • the heat exchange medium leaves the lower heat exchanger and passes through the connecting line 100 into the upper heat exchanger. There, the heat is given off to the cooled and dehumidified gas, bringing it back to approximately the initial temperature.
  • the heat exchange medium leaves the upper heat exchanger through the heat exchange medium outlet 92.

Landscapes

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Wärmetauscher, welcher modular für einen Entfeuchter verwendbar ist.
  • In nicht nuklear-betriebenen Unterseebooten werden derzeit zunehmend Brennstoffzellenvorrichtungen eingesetzt, um die Einsatzfähigkeit im getauchten Zustand zu steigern. Eine wichtige Form ist hierbei die Rezirkulationsbrennstoffzelle. Hierbei muss das im Rezirkulationskreis strömende Gas jedoch entfeuchtet werden. Hierzu wird das Gas in einem ersten Wärmetauscher abgekühlt und so Wasser auskondensiert. In einem zweiten Wärmetauscher wird das Gas wieder erwärmt, damit es mit möglichst der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in diese einströmt, wodurch Alterung insbesondere der Membran minimiert wird.
  • Hieraus ergeben sich einige Anforderungen an die unter diesen Bedingungen eingesetzten Wärmetauscher. Neben einer kompakten Bauweise ist auch eine hohe Effizienz bei möglichst geringem Strömungswiderstand notwendig. Weiter ist ein gewisses Maß an Modularität vorteilhaft.
  • Aus der DE 10 2020 210 532 B3 ist ein Entfeuchter für einen Rezikulationskreislauf einer Brennstoffzellenvorrichtung bekannt.
  • Aus der DE 10 2020 210 310 A1 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt.
  • Aus der JP H10-30893 A ist ein Wärmetauscher gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt.
  • Aus der JP H11-23182 A ist ein Wärmetauscher bekannt.
  • Aus der US 2010/0285727 A1 ist ein Querstromwärmetauscher bekannt.
  • Aus der WO 2009/003817 A2 ist ein Wärmetauscher bekannt.
  • Aus der CH 611 819 A5 ist ein Wärmetauscher bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der insbesondere in einem Entfeuchter eines Rezirkulationskreislaufes einer Rezirkulationsbrennstoffzelle an Bord eines Unterseebootes einsetzbar ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch den Wärmetauscher mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist eine rechteckige Grundform auf. Beispielsweise kann der Wärmetauscher quaderförmig, insbesondere würfelförmig, sein. Die Grundform bezieht sich hierbei auf den durchströmten Innenbereich. An der Außenseite können insbesondere für die Montage weiterer Komponenten notwendige Ausbildungen angeordnet sein. Ebenso kann der Innenbereich an die rechteckige Grundform angesetzte Ein- und/oder Auslassbereiche aufweisen. Der Wärmetauscher weist eine erste Seite und eine zweite Seite der rechteckigen Grundform auf, wobei die erste Seite und die zweite Seite gegenüberliegend sind. Damit sind die erste Seite und die zweite Seite parallel zueinander. Zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite sind Rohre angeordnet. Ein solcher Wärmetauscher wird auch als Rohrbündelwärmetauscher bezeichnet.
  • Erfindungsgemäß weisen die Rohre einen elliptischen Querschnitt auf. Bei einer Ellipse ist die Summe der Abstände eines Ellipsenpunktes, also eines Punktes auf der Fläche (hier des Rohres) von zwei vorgegebenen Punkten, den Brennpunkten, für alle Punkte gleich ist. Die Ellipse stellt somit eine Sonderform des Ovals dar. Durch die elliptische Form wird der Strömungswiderstand für ein durch den Wärmetauscher strömendes Gas optimiert bei gleichzeitig effektivem Wärmeaustausch zu dem in den Rohren fließenden Wärmetauschmedium. Gleichzeitig optimiert die ovale Form die Verwendung in einem abkühlenden Wärmetauscher, wobei es zur Kondensation kommt. Das Kondensat wird durch die elliptische Form gut nach unten abgeleitet, sodass eine Entfeuchtung im Gegenstrom möglich ist.
  • Der Vorteil der ellipstischen Form ist, dass hierbei durch die Symmetrie eine Unabhängigkeit der Durchströmungsrichtung gegeben ist. Somit kann ein solcher Wärmetauscher besonders effizient in einem modularen Aufbau verwendet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind alle Hauptachsen der elliptischen Rohre parallel angeordnet. Bevorzugt stehen alle Hauptachsen senkrecht zur ersten Seite und zur zweiten Seite.
  • Gemäss der Erfindung ist an die erste Seite des Wärmetauschers ein Verteilerkopf zur Einleitung eines Wärmetauschmediums angeordnet und an die zweite Seite des Wärmetauschers ist ein Sammelkopf zur Abführung des Wärmetauschmediums angeordnet. Besonders bevorzugt sind der Wärmetauscher und der Verteilerkopf sowie der Wärmetauscher und der Sammelkopf mittels Verschraubung oder Verschweißung miteinander verbindbar. Diese getrennte Bauweise ist besonders praktisch für einen modularen Aufbau. Weiter ermöglichst dieses den Einbau oder Austausch gerade auch in beengten Umgebungen, beispielsweise und insbesondere bei einer Brennstoffzellenvorrichtung an Bord eines Unterseebootes. Gleichzeitig können durch den modularen Aufbau wesentliche Module für mehrere Komponenten verwendet werden. Zusätzlich können zur verschiedene modulare Bestandteile auch verschiedene Fertigungstechniken verwendet werden. Erfindungsgemäß weisen der Verteilerkopf und der Sammelkopf eine pyramidale Grundform auf. Hierbei kann bevorzugt die Spitze der pyramidalen Form abgeflacht sein (Pyramidenstumpf). Hierdurch wird eine Verteilung des Wärmetauschmediums auf alle Rohre und eine störungsfreie Rückführung ermöglicht. Ein Anschluss zur Zuführung oder Abführung des Wärmetauschmediums kann entweder auf der Deckfläche des Pyramidenstumpfes oder einer der Seitenflächen angeordnet sein. Insbesondere kann auch eine Abrundung der pyramidalen Grundform erfolgen, insbesondere am äußersten Ende, um beispielsweise um eine Befestigung auf der rechteckigen Grundform des Wärmetauschers zu erleichtern und auch um die Strömung im Inneren zu optimieren.
  • Erfindungsgemäß sind der Verteilerkopf und der Sammelkopf baugleich. Dieses ermöglicht zum einen den Flüssigkeitsfluss in beide Richtungen, zum anderen wird die Anzahl der verschiedenen Bauteile reduziert und so sowohl Herstellung als auch Ersatzteilbevorratung vereinfacht.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen der Verteilerkopf und der Sammelkopf jeweils wenigstens einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss zur Anbindung an ein Wärmetauschmediumverteilsystem geeignet sind, wobei der erste Anschluss und der zweite Anschluss räumlich unterschiedlich angeordnet sind. Im Regelbetrieb wird das Wärmetauschmediumverteilsystem nur mit dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss verbunden und der andere verschlossen. Hierdurch ist es möglich mit nur einem Verteilerkopf beziehungsweise Sammelkopf auf unterschiedliche sterische Anforderungen einzugehen. Beispielsweise ist der erste Anschluss mittig und waagerecht angeordnet und der zweite Anschluss zeitlich und abgewinkelt. Alternativ kann der erste Anschluss nach oben und der zweite Anschluss nach unten gerichtet sein, was insbesondere bei einer turmförmigen Anordnung, beispielsweise bei einer kaskadierten Hintereinanderschaltung zur Verlängerung des Wärmetauschers sinnvoll ist, da dann der obere erste Anschluss des unteren Wärmetauschers mit dem unteren zweiten Anschluss des oberen Wärmetauschers verbunden werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher eine dritte Seite und eine vierte Seite der rechteckigen Grundform auf, wobei die dritte Seite und die vierte Seite gegenüberliegend sind. Somit sind die dritte Seite und die vierte Seite parallel zueinander. Aufgrund der Rechtwinkligkeit stehen die dritte Seite und die vierte Seite jeweils senkrecht zur ersten Seite und zur zweiten Seite. Der elliptische Querschnitt der Rohre ist so angeordnet, dass die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte senkrecht zur dritten Seite und vierten Seite angeordnet sind. Damit erzeugen die Rohre einen minimalen Strömungswiderstand für ein von der dritten zur vierten Seite strömendes Fluid. Bevorzugt wird das Fluid durch die dritte Seite eingebracht und strömt aus der vierten Seite wieder aus. Das Fluid kann insbesondere ein mit Feuchtigkeit beladenen Gas sein. Das Fluid kann dabei ein Gas mit gasförmigen Wasser sein oder auch Wasser, beispielsweise in Tröpfchenform flüssig mit sich führen. Bevorzugt kann im Wärmetauscher aus dem Fluid eine flüssige Phase auskondensieren oder in anderer Weise abgeschieden werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Gasdurchtritt in der dritten Seite und in der vierten Seite auf wenigstens 80 %, bevorzugt wenigstens 90 % der Fläche der dritten Seite beziehungsweise der vierten Seite. Der Gasdurchtritt erfolgt somit, abgesehen von der notwendigen Seitenwand sowie beispielswiese Verbindungselementen, möglichst vollflächig durch die dritte Seite und die vierte Seite. Dieses ist besonders bevorzugt, wenn wenigstens zwei Wärmetauscher übereinander angeordnet werden sollen, beispielsweise um einen Entfeuchter zu bilden oder um in modularer Bauweise einen längeren Wärmetauscher zu schaffen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Seite zur direkten Verbindung mit der vierten Seite eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers ausgebildet. Hierdurch können Zwei oder mehr Wärmetauscher in einfacherweise übereinander gesetzt werden,
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Seite des Wärmetauschers mit der vierten Seite eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers verbindbar. Hierdurch kann eine Verlängerung des Wärmetauschers in einer modularen Bauweise erfolgen. In diesem Fall strömt das Wärmetauschmedium bevorzugt zunächst durch den ersten Wärmetauscher und anschließend durch den zweiten Wärmetauscher, während das Gas zunächst durch den zweiten Wärmetauscher und dann in den ersten Wärmetauscher strömt. Alternativ und bevorzugt wird der untere zweite Wärmetauscher als Kühler und damit Entfeuchter betrieben, der obere erste Wärmetauscher dann als Erwärmer sodass die Kombination der beiden Wärmetauscher eine Entfeuchtung ohne oder nur mit minimaler Temperaturänderung des vom einströmenden zum ausströmenden Gas bewirkt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmetauscher eine fünfte Seite und eine sechste Seite der rechteckigen Grundform auf, wobei die fünfte Seite und die sechste Seite gegenüberliegend sind. Die fünfte Seite und die sechste Seite weisen jeweils eine geschlossene Oberfläche auf. Die geschlossene Oberfläche besteht bevorzugt aus aufeinander folgenden halben Ellipsen, welche die gleiche Form aufweisen wie die Rohre. Hierbei ergeben sich zwei Ausführungsformen, wenn man von jeweils reihenförmig versetzen Rohren ausgeht. Die halben Ellipsen können jeweils alternierend nach Innen und nach Außen zeigen. Es ergibt sich eine wellförmige Oberfläche, welche einen vergleichsweise konstanten Abstand zwischen Rohren zueinander und Rohren und Außenwand ergibt. Alternativ sind alle halben Ellipsen bevorzugt nach Außen gewölbt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmetauscher um eine erste zweizählige Drehachse drehsymmetrisch, wobei die erste Drehachse senkrecht zur ersten Seite und zur zweiten Seite steht. Der Vorteil davon ist, dass bei einer Durchströmung von unten nach oben der Wärmetauscher beliebig aufgesetzt werden kann. Dieses bedeutet, dass die dritte Seite und die vierte Seite identisch sind, ebenso sind die fünfte Seite und die sechste Seite identisch. Dieses führt dazu, dass ein Einbau, Austausch oder Wartung, gerade in räumlich beengten Verhältnissen, beispielsweise in einer Brennstoffzellenvorrichtung an Bord eines Unterseebootes einfacher und weniger fehleranfällig ist. Der Wärmetauscher unterscheidet dann nur "Einlauf" und "Auslauf" für das Wärmetauschmedium, "Oben" und "unten" können jedoch beliebig beim Einbau vertauscht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmetauscher um eine zweite zweizählige Drehachse drehsymmetrisch, wobei die zweite Drehachse senkrecht zur dritten Seite und zur vierten Seite steht. Der Vorteil davon ist, dass der Wärmetauscher somit in beliebiger Richtung in den Kreislauf des Wärmetauschmediums eingebaut werden kann. Dieses bedeutet, dass die erste Seite und die zweite Seite identisch sind, ebenso sind die fünfte Seite und die sechste Seite identisch. Dieses führt dazu, dass ein Einbau, Austausch oder Wartung, gerade in räumlich beengten Verhältnissen, beispielsweise in einer Brennstoffzellenvorrichtung an Bord eines Unterseebootes einfacher und weniger fehleranfällig ist. In dieser Ausführungsform ist beim Einbau nur auf "oben" und "unten" zu achten.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre reihenförmig angeordnet. Jeweils benachbarte Reihen weisen einen Versatz des halben Abstands zwischen den Mittelpunkten benachbarter Rohre in einer Reihe auf.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Rohre an wenigstens einem Ende eine nach außen gerichtete Verdickung der Wandstärke auf. Hierbei bleibt der Innendurchmesser und damit der Strömungswiderstand für das Wärmetauschmedium bevorzugt konstant. Hierdurch wird eine verbesserte Kraftübertragung erzielt.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Wärmetauscher mittels additiver Fertigung hergestellt. Insbesondere ist der Wärmetauscher mittels Laserstrahlschmelzen aus einem Metallpulver hergestellt.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Entfeuchter mit einem ersten erfindungsgemäßen Wärmetauscher und einem zweiten erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist unter dem zweiten Wärmetauscher angeordnet. Die dritte Seite des zweiten Wärmetauschers ist mit der vierten Seite eines ersten Wärmetauschers verbunden. Der erste Wärmetauscher ist zu Abkühlen verschaltet und der zweite Wärmetauscher ist zum Heizen verschaltet. Unter dem ersten Wärmetauscher ist ein Wasserablass angeordnet, um Kondenswasser, welches im Entfeuchter aus einem Gasstrom abgeschieden wird, zu entfernen. Der Vorteil ist, das in einfacher modularer Bauweise ein Entfeuchter gebaut werden kann. Dieses ermöglicht zum einen eine kompakte Bauweise der einzelnen Komponenten und gleichzeitig eine sehr geringe Anzahl an unterschiedlichen Komponenten. Dieses führt dazu, dass ein solcher Entfeuchter gerade für die Verwendung in sehr kompakten und beengten Bereichen eignet, beispielsweise in einer Brennstoffzellenvorrichtung an Bord eines Unterseebootes.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rezirkulationsbrennstoffzellenmodul, wobei das Rezirkulationsbrennstoffzellenmodul wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und wenigstens einen erfindungsgemäßen ersten Entfeuchter aufweist. Der Brennstoffzellenstapel weist wenigstens einen ersten Eingang und einen ersten Ausgang auf. Der erste Ausgang ist strömungstechnisch mit der dritten Seite verbunden und die vierte Seite ist strömungstechnisch mit dem ersten Eingang verbunden. Besonders bevorzugt ist der erste Entfeuchter auf der Kathodenseite angeordnet. Optional weist das Rezirkulationsbrennstoffzellenmodul einen zweiten Entfeuchter auf, wobei der zweite Entfeuchter auf der Anodenseite angeordnet ist. Die Bauweise in Modulform ermöglicht den schnellen Ein- und Ausbau und damit den Austausch des Rezirkulationsbrennstoffzellenmoduls.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Entfeuchter. Bevorzugt ist der Entfeuchter im Rezirkulationskreis der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterseeboot mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • Fig. 1 Sicht auf erste Seite
    • Fig. 2 Sicht auf dritte Seite
    • Fig. 3 Sicht auf fünfte Seite
    • Fig. 4 Entfeuchter
  • In Fig. 1 ist die Sicht auf die erste Seite 10 gezeigt. Erkennbar sind die Rohre 70, welche reihenweise versetzt angeordnet sind und deren Hauptachse 72 senkrecht zur dritten Seite 30 und zur vierten Seite 40 angeordnet sind.
  • Fig. 2 zeigt die Sicht auf die dritte Seite 30, die Rohre 70 verlaufen von der ersten Seite 10 zu zweiten Seite 20.
  • In Fig. 3 ist die Sicht auf die fünfte Seite zu sehen. Auf der ersten Seite 10 ist ein Verteilerkopf 12 angeordnet, beispielsweise verschweißt. Das durch den Wärmetauschmediumeintritt 90 eintretende Wärmetauschmedium wird durch den Verteilerkopf 12 auf die Rohre 70 verteilt. Das an der zweiten Seite aus den Rohren 70 austretende Wärmetauschmedium wird im Sammelkopf 22 zusammengeführt und zum Wärmetauschmediumaustritt 92 geführt. Das Gas tritt unten durch den Gaseintritt an der dritten Seite in den Wärmetauscher ein und durch den Gasaustritt 82 an der vierten Seite 40 wieder aus.
  • In Fig. 4 ist ein Entfeuchter aus zwei Wämetauschern dargestellt, wobei die Darstellung der Darstellung der Fig. 3 mit der Sicht auf die fünfte Seite entspricht. Über den Wärmetauschmediumeintritt 90 tritt im unteren Wärmetauscher das Wärmetauschmedium ein und kühlt und entfeuchtet den Gasstrom. Das Wärmetauschmedium verlässt den unten Wärmetauscher und gelangt durch die Verbindungsleitung 100 in den oberen Wärmetauscher. Dort wird die Wärme an das abgekühlte und entfeuchtete Gas wieder abgegeben und dieses damit annähernd wieder auf die Ausgangstemperatur gebracht. Das Wärmetauschmedium verlässt den oberen Wärmetauscher durch den Wärmetauschmediumaustritt 92.
    • Bezugszeichen
    • 10
    erste Seite
    12
    Verteilerkopf
    20
    zweite Seite
    22
    Sammelkopf
    30
    dritte Seite
    40
    vierte Seite
    70
    Rohr
    72
    Hauptachse
    80
    Gaseintritt
    82
    Gasaustritt
    90
    Wärmetauschmediumeintritt
    92
    Wärmetauschmediumaustritt
    100
    Verbindungsleitung

Claims (9)

  1. Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher eine rechteckige Grundform aufweist, wobei der Wärmetauscher eine erste Seite (10) und eine zweite Seite (20) der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die erste Seite (10) und die zweite Seite (20) gegenüberliegend sind, wobei zwischen der ersten Seite (10) und der zweiten Seite (20) Rohre (70) angeordnet sind, wobei die Rohre (70) einen elliptischen Querschnitt aufweisen, wobei an die erste Seite (10) des Wärmetauschers ein Verteilerkopf zur Einleitung eines Wärmetauschmediums angeordnet ist, wobei an die zweite Seite (20) des Wärmetauschers ein Sammelkopf zur Abführung des Wärmetauschmediums angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerkopf und der Sammelkopf eine pyramidale Grundform aufweisen, und dass der Verteilerkopf und der Sammelkopf baugleich sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine dritte Seite (30) und eine vierte Seite (40) der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die dritte Seite (30) und die vierte Seite (40) gegenüberliegend sind, wobei der elliptische Querschnitt der Rohre (70) so angeordnet ist, dass die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte senkrecht zur dritten Seite (30) und vierten Seite (40) angeordnet sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Seite (30) des Wärmetauscher mit der vierten Seite (40) eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers verbindbar ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eine fünfte Seite und eine sechste Seite der rechteckigen Grundform aufweist, wobei die fünfte Seite und die sechste Seite gegenüberliegend sind, wobei die fünfte Seite und die sechste Seite eine geschlossene Oberfläche aufweisen, wobei die geschlossene Oberfläche aus aufeinander folgenden halben Ellipsen besteht, welche die gleiche Form aufweisen wie die Rohre (70).
  5. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (70) reihenförmig angeordnet sind, wobei jeweils benachbarte Reihen einen Versatz des halben Abstands zwischen den Mittelpunkten benachbarter Rohre (70) in einer Reihe aufweisen.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (70) an wenigstens einem Ende eine nach außen gerichtete Verdickung der Wandstärke aufweisen.
  7. Entfeuchter mit einem ersten Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem zweiten Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscher unter dem zweiten Wärmetauscher angeordnet ist, wobei der erste Wärmetauscher zu Abkühlen verschaltet ist, wobei der zweite Wärmetauscher zum Heizen verschaltet ist, wobei unter dem ersten Wärmetauscher ein Wasserablass angeordnet ist.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Entfeuchter nach Anspruch 7.
  9. Unterseeboot mit einer Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8.
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