DE102017119119A1 - heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, aufweisend – einen Wärmeaustauscherblock (1), – einen ersten Sammelkasten (3), der an einer ersten Stirnseite des Wärmeaustauscherblockes (1) angeordnet ist, – einen zweiten Sammelkasten (4), der an einer der ersten Stirnseite des Wärmeaustauscherblockes (1) gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Wärmeaustauscherblockes (1) angeordnet ist, – wobei der Wärmeaustauscherblock (1) mehrere parallel zueinander angeordnete, den ersten Sammelkasten (3) mit dem zweiten Sammelkasten (4) verbindende Prozesskanäle (2, 6) zur Durchströmung eines Prozessmediums sowie mehrere Kühlmediumkanäle (5) zur Durchströmung eines Kühlmediums aufweist, – wobei die Kühlmediumkanäle (5) zwischen den Prozesskanälen (2, 6) angeordnet sind, wobei – einander benachbarte Prozesskanäle (2, 6) mit unterschiedlichen Materialmassen und/oder unterschiedlich großen wärmeübertragenden Flächen und/oder unterschiedlich großen konstruktiven Strömungswiderständen und/oder Kühlmediumkanäle (5) mit unterschiedlichen Materialmassen und/oder unterschiedlich großen wärmeübertragenden Flächen ausgebildet sind, so dass sich im Betrieb bei einer zyklischen Temperaturveränderung des Prozessmediums ein gleicher oder nahezu gleicher Materialtemperaturgradient zwischen einander benachbarten Prozesskanälen (2, 6) und Seitenteilen (7) im Wärmeaustauscherblock (1) einstellt.The invention relates to a heat exchanger, comprising - a heat exchanger block (1), - a first collecting box (3) arranged on a first end face of the heat exchanger block (1), - a second collecting box (4) located on one of the first end faces of the Heat exchanger block (1) opposite the second end face of the heat exchanger block (1) is arranged, - wherein the heat exchanger block (1) a plurality of mutually parallel, the first collection box (3) with the second collection box (4) connecting process channels (2, 6) for the flow through a Process medium and a plurality of cooling medium channels (5) for the flow of a cooling medium, - wherein the cooling medium channels (5) between the process channels (2, 6) are arranged, - adjacent process channels (2, 6) with different material masses and / or heat transfer of different sizes Surfaces and / or different sized structural st mung resistors and / or cooling medium channels (5) are formed with different masses of material and / or heat transfer surfaces of different sizes, so that in operation at a cyclic temperature change of the process medium, an equal or nearly equal material temperature gradient between adjacent process channels (2, 6) and side parts ( 7) in the heat exchanger block (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The present invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
Gattungsgemäße Wärmeaustauscher, die für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt werden, beispielsweise bei Ladeluftkühlern, Wasserkühlern und Ölkühlern von Kraftfahrzeugen und Baumaschinen, sind aufgrund zyklischer Änderungen der Temperatur und Durchflussmenge von durch den Wärmeaustauscher geführten Prozessmedien erheblichen zyklischen thermischen Belastungen ausgesetzt. Generic heat exchangers used for high temperature applications, such as in intercoolers, water coolers and oil coolers of automobiles and construction machinery, are subject to significant cyclic thermal stresses due to cyclic changes in temperature and flow rate of process media passed through the heat exchanger.
Die zyklische Änderung von Temperatur und Durchflussmenge des Prozessmediums führt entsprechend zu einer zyklischen Änderung der Temperatur der einzelnen Bauteile des Wärmeaustauschers, insbesondere der Bauteile eines aus Prozesskanälen, Kühlmediumkanälen, Endblechen, Seitenteilen und dergleichen bestehenden Wärmeaustauscherblocks und der an diesen angrenzenden Sammelkästen, und damit einhergehend zu einer zyklisch erfolgenden Materialdehnung oder -stauchung der verschiedenen Wärmeaustauscherbauteile. The cyclic change of temperature and flow rate of the process medium accordingly leads to a cyclic change in the temperature of the individual components of the heat exchanger, in particular the components of a consisting of process channels, cooling medium channels, end plates, side panels and the like heat exchanger block and the adjacent thereto headers, and concomitantly a cyclic material expansion or compression of the various heat exchanger components.
Diese Bauteile sind durch Löten oder anderweitig zu einem starren Block fest miteinander verbunden, so dass in und zwischen den einzelnen Bauteilen hohe thermische Spannungen auftreten, was sich negativ auf die Lebensdauer des Kühlers auswirkt. These components are firmly connected together by soldering or otherwise to a rigid block, so that in and between the individual components high thermal stresses occur, which has a negative effect on the life of the cooler.
Zur Erhöhung der Lebensdauer eines solchen Wärmeaustauschers ist es wichtig, die auftretenden thermischen Spannungen aufgrund der zuvor beschriebenen zyklischen Wärmeausdehnungen in erster Linie in Blocklängs- und Blockbreitenrichtungen zu reduzieren. To increase the life of such a heat exchanger, it is important to reduce the thermal stresses occurring due to the cyclic thermal expansions described above primarily in block longitudinal and block width directions.
Eine Verringerung der thermischen Spannungen kann durch den Einsatz flexibler Bauteile im Wärmeaustauscherblock erreicht werden. Solche Wärmeaustauscher sind beispielsweise aus der
Bei diesen Wärmeaustauschern wird eine Reduktion der durch zyklische Wärmeausdehnungen hervorgerufenen Spannungen in Blockbreitenrichtung um etwa 50% gegenüber Wärmeaustauschern mit nicht flexiblen Blockprofilen erreicht. In these heat exchangers, a reduction in cyclic thermal expansion stresses in the block width direction by about 50% is achieved over heat exchangers with non-flexible block profiles.
Allerdings hat sich gezeigt, dass sich trotz des flexibel gestalteten Blockprofils die in Blocklängsrichtung auftretenden maximalen Spannungen nur wenig reduzieren. However, it has been shown that, despite the flexibly designed block profile, the maximum stresses occurring in the longitudinal direction of the block are only slightly reduced.
Zur Reduzierung der maximalen Spannungen in randseitigen Prozesskanälen eines Wärmeaustauscherblocks, insbesondere in Blocklängsrichtung, ist es aus der
Es ist auch bekannt, zur Versteifung der Randprozesskanäle in Blocklängsrichtung diese aus dickeren Trennblechen zu fertigen als die weiter im Inneren des Wärmeaustauscherblocks eingesetzten Trennbleche. Allerdings ändert sich dadurch nicht die maximale Materialtemperaturdifferenz zwischen den Randprozesskanälen und den diesen benachbarten weiter innen im Wärmeaustauscherblock angeordneten Prozesskanälen. Folglich ist eine weitere Spannungsreduzierung durch diese Maßnahme nicht erreichbar. It is also known, for stiffening the edge process channels in the longitudinal direction of the block, to produce these from thicker dividing plates than the dividing plates further inserted in the interior of the heat exchanger block. However, this does not change the maximum material temperature difference between the edge process channels and the process channels arranged adjacent to these further inside the heat exchanger block. Consequently, a further reduction in voltage can not be achieved by this measure.
Die maximale Materialtemperaturdifferenz zwischen zwei aneinander grenzenden Prozesskanälen kann bei den hier betrachteten Wärmeaustauschern im laufenden Betrieb in kritischen Blockbereichen bis zu 20 K oder sogar bis 40 K erreichen. The maximum material temperature difference between two adjoining process channels can reach up to 20 K or even up to 40 K during operation in critical block areas in the case of the heat exchangers considered here.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher mit erhöhter Lebensdauer und geringerer Gefahr von Rissen bereitzustellen. Object of the present invention is to provide a heat exchanger with increased life and lower risk of cracks.
Diese Aufgabe wird durch die Wärmeaustauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by the heat exchangers having the features of claim 1.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher weist einen Wärmeaustauscherblock auf, einen ersten Sammelkasten, der an einer ersten Stirnseite des Wärmeaustauscherblockes angeordnet ist, sowie einen zweiten Sammelkasten, der an einer der ersten Stirnseite des Wärmeaustauscherblockes gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Wärmeaustauscherblockes angeordnet ist. A heat exchanger according to the invention comprises a heat exchanger block, a first header disposed on a first end face of the heat exchanger block, and a second header disposed on a second end face of the heat exchanger block opposite the first end face of the heat exchanger block.
Der Wärmeaustauscherblock weist mehrere parallel zueinander angeordnete, den ersten Sammelkasten mit dem zweiten Sammelkasten verbindende Prozesskanäle zur Durchströmung eines Prozessmediums sowie mehrere Kühlmediumkanäle zur Durchströmung eines Kühlmediums auf, wobei die Kühlmediumkanäle zwischen den Prozesskanälen angeordnet sind, wobei einander benachbarte Prozesskanäle mit unterschiedlichen Materialmassen und/oder unterschiedlich großen wärmeübertragenden Flächen und/oder unterschiedlich großen konstruktiven Strömungswiderständen und/oder Kühlmediumkanäle mit unterschiedlichen Materialmassen und/oder unterschiedlich großen wärmeübertragenden Flächen ausgebildet sind, so dass sich im Betrieb bei einer zyklischen Temperaturveränderung des Prozessmediums ein gleicher oder nahezu gleicher Materialtemperaturgradient zwischen einander benachbarten Prozesskanälen und Seitenteilen im Wärmeaustauscherblock einstellt. The heat exchanger block has a plurality of parallel to each other, the first collection box with the second collection box connecting process channels for flow of a process medium and a plurality of cooling medium channels for flow through a cooling medium, wherein the cooling medium channels are arranged between the process channels, wherein adjacent process channels with different material masses and / or different huge heat-transferring surfaces and / or different sized structural flow resistances and / or cooling medium channels are formed with different masses of material and / or heat transfer surfaces of different sizes, so that in operation at a cyclic temperature change of the process medium an equal or nearly equal material temperature gradient between adjacent process channels and side parts in Heat exchanger block sets.
Durch die Kombinationen unterschiedlicher Materialmassen, wärmeübertragender Flächen und/oder konstruktiver Strömungswiderstände sind die Prozesskanäle, Kühlmediumkanäle und Seitenteile so ausgebildet, dass eine gleiche oder nahezu gleiche zyklische Änderung der Materialtemperaturen von einander benachbarten Prozesskanälen erreicht wird, wodurch die maximale Temperaturdifferenz zwischen den Prozesskanälen, insbesondere in den kritischen Blockbereichen, um mindestens das Zwei- bis Dreifache gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Bauweise von Wärmeaustauschern verringert wird. Due to the combinations of different material masses, heat-transferring surfaces and / or constructive flow resistances, the process channels, cooling medium channels and side parts are designed so that an identical or almost identical cyclic change in the material temperatures of adjacent process channels is achieved, whereby the maximum temperature difference between the process channels, in particular the critical block areas, by at least two to three times compared to the known from the prior art construction of heat exchangers is reduced.
In Blocklängsrichtung ist dadurch eine Reduktion der thermisch bedingten Spannungen im Wärmeaustauscherblock um das bis zu 2fache ermöglicht. In the longitudinal direction of the block, this allows a reduction of the thermally induced stresses in the heat exchanger block by up to 2 times.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die Prozesskanäle mit höherer Wärmeübertragungsrate als die an diese angrenzenden Prozesskanäle mit einer bis dreifach größeren Materialmasse und/oder mit einer bis 3-fach kleineren wärmeübertragenden Fläche und/oder mit einem bis 5-fach größeren konstruktiven Strömungswiderstand als die angrenzenden Prozesskanäle ausgebildet. According to a preferred embodiment, the process channels with a higher heat transfer rate than the adjoining process channels with up to three times greater material mass and / or with a smaller
Derart unterschiedliche Materialmassen werden beispielsweise durch den Einsatz ähnlicher Passagenbauteile wie Trennbleche, Turbulatoren oder Längsprofile mit unterschiedlichen konstruktiven Abmessungen sowie optional zusätzlichen Komponenten wie z.B. Zwischenprofilen oder dem Einsatz von Rohren mit unterschiedlichen Rohrabmessungen, beispielsweise unterschiedlichen Rohrdicken oder Rohrhöhen in einem Prozesskanal relativ zu zwei angrenzenden Prozesskanälen erreicht. Such different material masses, for example, by the use of similar passage components such as dividers, turbulators or longitudinal profiles with different structural dimensions and optionally additional components such. Intermediate profiles or the use of pipes with different pipe dimensions, for example, different pipe thicknesses or pipe heights achieved in a process channel relative to two adjacent process channels.
Dadurch ist eine Verringerung der maximalen Differenz zwischen den Materialtemperaturen einander benachbarter Prozesskanäle bei einer thermisch zyklischen Belastung um das bis 2,5-fache ermöglicht. This makes it possible to reduce the maximum difference between the material temperatures of adjacent process channels by up to 2.5 times with a thermal cyclic load.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Prozesskanäle, die an einen Prozesskanal mit einer höheren Wärmeübertragungsrate als die diesen benachbarten Prozesskanäle angrenzen, mit einer bis 3-fach kleineren wärmeübertragenden Fläche als die benachbarten, angrenzenden Prozesskanäle im Wärmeaustauscherblock ausgebildet. According to a further preferred embodiment variant, the process channels, which adjoin a process channel having a higher heat transfer rate than those adjacent to the process channels, are formed with a
Eine solche bis 3-fach geringere wärmeübertragenden Fläche kann beispielweise durch entsprechende unterschiedliche konstruktive Abmessungen, insbesondere Nockenteilungen der Turbulatoren oder unterschiedliche Rippenteilungen erreicht werden. Such a heat-transferring surface, which is up to 3 times smaller, can be achieved, for example, by correspondingly different structural dimensions, in particular cam pitches of the turbulators or different fin pitches.
Dadurch erfolgen in einander benachbarten Prozesskanälen unterschiedlich große Wärmeübergänge vom Prozessmedium zu den Kühlmediumkanälen, was zur Folge hat, dass sich die maximale Differenz zwischen den zyklischen Materialtemperaturen der einander angrenzenden Prozesskanäle bei einer thermischen zyklischen Belastung verringert. As a result, differently sized heat transfers from the process medium to the cooling medium channels take place in adjacent process channels, with the result that the maximum difference between the cyclic material temperatures of the adjoining process channels is reduced during a thermal cyclic load.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Kühlmediumkanäle, die zum einen Prozesskanal mit einer höheren Wärmeübertragung angrenzend sind, mit einer bis ca. bis 3-fach kleineren wärmeübertragenden Fläche ausgebildet. According to a further preferred embodiment, the cooling medium channels, which are adjacent to a process channel with a higher heat transfer, formed with up to about 3 times smaller heat-transmitting surface.
Die Reduzierung der wärmeübertragenden Fläche in den o.g. Kühlmediumkanälen wird beispielweise durch eine bis 3-fache Verringerung der Höhe der Kühlmediumkanäle und/oder den Einsatz von Lamellen oder Leitblechen in den Kühlmediumkanälen mit einer bis ca. 5-fach größeren Lamellennocken- oder Leitblechteilung erreicht. The reduction of the heat transfer surface in the o.g. Cooling medium channels is achieved, for example, by a reduction of the height of the cooling medium channels to 3 times and / or the use of lamellae or baffles in the cooling medium channels with a lamellar cam plate or baffle plate divider up to approximately 5 times larger.
Dadurch verringert sich die Differenz zwischen den Wärmeübertragungen in zwei einander angrenzenden Prozesskanälen, was zur Folge hat, dass sich die maximale Differenz zwischen den zyklischen Materialtemperaturen der einander angrenzenden Prozesskanäle um das bis 2-fache verringert. This reduces the difference between the heat transfers in two adjacent process channels, with the result that the maximum difference between the cyclic material temperatures of the adjacent process channels decreases by a factor of 2.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die die Prozesskanäle, die eine höhere Wärmeübertragung ermöglichen als die angrenzenden Prozesskanäle, mit bis 5-fach höheren konstruktiven Strömungswiderständen für Prozessmedium im Vergleich zu diesen o.g. angrenzenden Prozesskanälen ausgebildet. According to yet another preferred embodiment, the process channels, which allow a higher heat transfer than the adjacent process channels, with up to five times higher constructive flow resistance for process medium compared to these og. formed adjacent process channels.
Dies wird beispielweise durch den Einsatz der unterschiedlichen Turbulatoren, Längsprofile oder zusätzlichen Komponente wie z.B. Zwischenprofile sowie Rohre mit einem kleineren Strömungsquerschnitt für die Strömung des Prozessmediums erreicht. This is achieved, for example, by the use of different turbulators, longitudinal profiles or additional components such as e.g. Intermediate profiles and pipes with a smaller flow cross-section for the flow of the process medium achieved.
Dadurch vergrößert sich ein Verhältnis zwischen den Durchflussmengen des Prozessmediums in den angrenzenden Prozesskanälen. Folglich verringert sich die maximale Differenz zwischen den zyklischen Materialtemperaturen in den angrenzenden Prozesskanälen um das bis 3-fache, was zu einer wesentlichen Verringerung der thermischen Spannungen führt. This increases a ratio between the flow rates of the process medium in the adjacent process channels. As a result, the maximum difference between the cyclic material temperatures in the adjacent process channels decreases by up to 3-fold, resulting in a significant reduction in thermal stresses.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind die Endbleche/Seitenteile mit einer bis 5-fach kleinerer Materialmasse als die Materialmasse der Randprozesskanäle ausgebildet. Dadurch verringert sich der negative Einfluss des Endblechs/Seitenteils auf die zyklische Änderung der Materialtemperatur der Randprozesskanäle, was zur Folge hat, dass sich die maximale Materialtemperaturdifferenz zwischen den Randprozesskanälen und angrenzenden Prozesskanälen im Wärmeaustauscherblock verringert. According to yet another preferred embodiment, the end plates / side parts are formed with a material mass of up to 5 times smaller than the material mass of the edge process channels. This reduces the negative impact of the end panel / side panel on the cyclic change in the material temperature of the edge process channels, resulting in the maximum material temperature difference between the edge process channels and adjacent process channels in the heat exchanger block being reduced.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position des Wärmeaustauschers, der Prozesskanäle, Kühlmediumkanäle, Seitenteile und dergleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt, durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern. In the following description of the figures, terms such as top, bottom, left, right, front, back, etc. refer exclusively to the exemplary representation and position of the heat exchanger, the process channels, cooling medium channels, side parts and the like chosen in the respective figures. These terms are not intended to be limiting, that is to say, by different working positions or the mirror-symmetrical design or the like, these references may change.
In
Der Wärmeaustauscherblock
Die Kühlmediumkanäle
Wie in
Entsprechend ist an einer Kopfseite des Austrittskastens
Der Einlassstutzen
Der Einlassstutzen
Wie in den
Bei der in
Bei der in
Wie in
In den
Für sämtliche in den
So ist nach einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers die Materialmasse von Prozesskanälen
Alternativ oder zusätzlich ist die wärmeübertragende Fläche der Prozesskanäle
Alternativ oder zusätzlich sind jeweilige Kühlmediumkanäle
So sind insbesondere die Kühlmediumkanäle
Des Weiteren sind bevorzugt die Seitenteile
In jedem Fall wird durch die Ausbildung der Prozesskanäle und Kühlmediumkanäle mit unterschiedlichen Materialmassen oder unterschiedlich großen wärmeübertragenden Flächen erreicht, dass der sich bei der Durchströmung der Prozesskanäle mit dem Prozessmedium und der Durchströmung der Kühlmediumkanäle mit einem Kühlmedium der Materialtemperaturgradient zwischen einander benachbarten Prozesskanälen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Wärmeaustauscherblock heat exchanger coil
- 2 2
- Prozesskanäle process channels
- 3 3
- Eintrittskasten entry box
- 44
- Austrittskasten outlet box
- 5 5
- Kühlmediumkanäle Coolant channels
- 6 6
- Randprozesskanäle Edge process channels
- 7 7
- Endbleche/Seitenteile End plates / side panels
- 8 8th
- Eintrittsstutzen inlet connection
- 9 9
- Austrittsstutzen outlet connection
- 10 10
- Trennbleche partitions
- 11 11
- Längsprofile longitudinal profiles
- 12 12
- Turbulatoren turbulators
- 13 13
- Rohre Tube
- 14 14
- Rippen ribs
- 15 15
- Lamelle lamella
- 16 16
- Leitbleche baffles
- L L
- Länge des Wärmeaustauscherblocks Length of the heat exchanger block
- B B
- Breite des Wärmeaustauscherblocks Width of the heat exchanger block
- T T
- Tiefe des Wärmeaustauscherblocks Depth of the heat exchanger block
- X X
- Durchströmungsrichtung des zu kühlenden Prozessmediums Direction of flow of the process medium to be cooled
- Y Y
- Durchströmungsrichtung des Kühlmediums Flow direction of the cooling medium
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 20208748 U1 [0006] DE 20208748 U1 [0006]
- DE 202011052186 U1 [0006] DE 202011052186 U1 [0006]
- EP 0748995 B1 [0009] EP 0748995 B1 [0009]
Claims (5)
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- 2017-08-17 US US15/679,504 patent/US20180058765A1/en not_active Abandoned
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |