Strukturoptimierter Wärmetauscher

Zielbranche

Haustechnik, Automobilbau, Verfahrenstechnik

Problemstellung

Ein Wärmetauscher überträgt thermische Energie von einem Medium an ein anderes. Die Medien können dabei flüssig oder gasförmig sein. Wärmetauscher werden u. a. in der Haustechnik eingesetzt, um z. B. Warmwasser durch Solaranlagen zu beheizen. Zukünftig werden sie auch vermehrt in Elektrofahrzeugen für die Innenraumerwärmung zum Einsatz kommen. Größe und Gewicht spielen dabei insbesondere im Automobilbau eine wichtige Rolle.

Herkömmliche Wärmetauscher bauen sich aus Blechen, Rohren oder Platten auf. Dies ist strömungstechnisch ungünstig, da das Medium im Wärmetauscher zwischen den Platten und Blechen oft umgelenkt wird. Dadurch ergibt sich ein relativ hoher Druckverlust. Wenn der Druckverlust steigt, werden größere, leistungsfähigere Pumpen benötigt, die mehr Druck erzeugen, um die entsprechende Menge des Mediums durch den Tauscher zu drücken.

Lösung

Ein Vorteil des strukturoptimierten Wärmetauschers ist u. a. ein niedrigerer Druckverlust durch den fließend gestalteten Kanalverlauf im Inneren des Wärmetauschers. Diese Bauweise ermöglicht es, kleinere Pumpen zu verwenden, die effektiver und letztendlich als kompaktes Gesamtsystem auch kostengünstiger sind. Für eine möglichst gute Energieübertragung wurde der Wärmetauscher generativ aus Aluminium durch Laserstrahlschmelzen – häufig auch als metallischer 3D-Druck bezeichnet – gefertigt. Geometrien, die durch bestimmte Fertigungstechniken wie z. B. dem Umformen von Blechen vorgegeben werden, spielen dadurch keine Rolle mehr.

Bei der Formgebung des Wärmetauschers wurden neben einer hohen Wärmeübertragung und geringem Druckverlust auch die Besonderheiten der generativen Fertigung berücksichtigt. Durch verrundete Übergänge, angepasste Winkel bei schrägen Flächen und gezielte Verstrebungen konnte man auf die für die generative Fertigung typischen Stützstrukturen verzichten. Die Nacharbeit des Bauteils kann somit auf ein Minimum reduziert werden.