-
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
mit Rohren und Rippen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
-
Bekannte Wärmeübertrager sind einerseits so
genannte mechanisch gefügte
Wärmeübertrager, d.
h. mit Rundrohren und Flachrippen, die von den Rundrohren durchsetzt
werden und mit diesen über Rippendurchzüge in wärmeleitender
und mechanischer Verbindung stehen. Andererseits sind gelötete Wärmeübertrager
bekannt, die aus einem Wärmeübertragernetz
mit Flachrohren und zwischen diesen angeordneten Wellrippen bestehen,
die mit den Flachrohren an ihren Wellenkämmen verlötet sind. Durch die Rundrohre
bzw. Flachrohre strömt
ein flüssiges
Medium (Kühlmittel),
und über
die Flachrippen bzw. Wellrippen strömt ein gasförmiges Medium (Luft), d. h.
es stehen stark unterschiedliche Wärmekapazitätsströme im Wärmeaustausch. Mann muss daher
auf der Luftseite zusätzliche
Maßnahmen
ergreifen, um dort die Wärmeübertragung
zu verbessern.
-
Nach der
US-A 3.250.325 sind die Wellrippen
etwa zickzackförmig
ausgebildet, d. h. sie bilden mit den Wandungen der Flachrohre etwa
dreieckförmige
Strömungskanäle, bei
denen also jeweils zwei Rippenflächen
zueinander geneigt angeordnet sind (V-Typ). Die eben ausgebildeten
Rippenflächen
sind mit so genannten Kiemen besetzt, d. h. mit Schlitzen, durch
welche die Luft von einem Strömungskanal
in den benachbarten umgelenkt wird. Diese Rippenkonfiguration dient
einerseits der Vergrößerung der
Wärmeübertra gungsfläche auf
der Luftseife und andererseits der Verbesserung des Wärmeübergangs
durch Erhöhung
der Turbulenz. Bei der Strömung
der Luft über
die Rippen bilden sich Grenzschichten aus, die durch die Kiemen
jeweils wieder neu aufgebrochen werden.
-
Eine abgewandelte Rippenform, die
so genannte Parallelrippe oder U-Typ, wurde durch die
US-A 5.271,478 bekannt, und
zwar ebenfalls für
einen gelöteten
Flachrohr-Wärmeübertrager.
Im Unterschied zu der oben beschriebenen Rippe sind die Rippenflächen hier
parallel zueinander angeordnet, d. h. die Rippenflächen und
die Rohrwandungen bilden etwa rechteckförmige Strömungskanäle für die Luft. Auch hier sind
die Rippenflächen
mit Kiemen besetzt, wobei der Kiemenwinkel eine weitere Möglichkeit
zur Beeinflussung der Grenzschichten und der Turbulenz bietet.
-
Ein Problem bei den bekannten vorgenannten
Rippenkonfigurationen besteht darin, dass die Kiemen nicht über die
volle Breite der Rippenflächen eingeschnitten
werden können,
weil die Rippenflächen
im wandnahen Bereich in einen Radius übergehen. Im Bereich dieses
Rippenbiegradius' sind also keine turbulenzerhöhenden Mittel vorhanden, was
in diesem Bereich zu einer relativ dicken Grenzschicht, d. h. laminaren
Strömung
mit schlechtem Wärmeübergang
führt.
Teilweise treten im unmittelbaren Rohrwandbereich die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten
der Luft auf, wodurch die Aufhetzung der Luft und damit die Wärmeabfuhr
in diesen Bereichen am schlechtesten ist. Auch bei mechanisch gefügten Wärmeübertragern
bestehen im wandnahen Bereich der Rundrohre zwischen den Flachrippen ähnliche Probleme.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
möglichen
Potenziale einer verbesserten Wärmeübertragung
für Wärmeübertrager
der eingangs genannten Art auszuschöpfen, d. h. den luftseitigen Wärmeübergang
zu verbessern, und zwar möglichst ohne
zusätzliche
Kosten.
-
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt
sich aus den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Erfindung geht
von der Erkenntnis aus, dass die Luftströmung bzw. der Wärmeübergang
in den Bereichen der Rohrrippenkontakt stelle noch verbessert werden kann – daher
sind erfindungsgemäß dort zusätzliche Störelemente
in unterschiedlicher geometrischer Ausgestaltung vorgesehen, die
im Wesentlichen als Wirbelerzeuger wirken und damit eine Verwirbelung der
Strömung
zur Folge haben. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme werden auch im rohrwandnahen
Bereich der Rippe die Grenzschichten aufgebrochen bzw. gestört. Es kommt
somit zu einer verbesserten Wärmeübertragung,
ohne dass die Rippenkonfiguration erheblich geändert werden müsste, d.
h. ohne nennenswerte Kostensteigerung. Die erfindungsgemäßen Störelemente
können
grundsätzlich
bei den oben erwähnten
Rippenformen, d. h. bei Flachrippen und Wellrippen, letztere mit
geneigten und parallelen Rippenflächen, vorgesehen werden, allerdings
ergibt sich ein Vorteil für
die Parallelrippe, weil sich dort im Strömungskanal eine symmetrische Strömung ergibt
und im „Wellental",
d. h. dem gebogenen Bereich der Rippe mehr Raum für die Anordnung
der Störelemente
vorhanden ist.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Für
die Parallelrippe ist es vorteilhaft, wenn der gebogene Rippenabschnitt
einen flachen mittleren Abschnitt aufweist. Hierdurch wird die Rippenbasis
etwas verbreitert und der notwendige Platz für die Anordnung der Störelemente
geschaffen.
-
Die Störelemente selbst können die
verschiedensten Ausführungsformen
aufweisen, wobei eine Ausprägung
aus dem Rippenblech in Form einer runden oder länglichen Noppe oder in Form
eines Kegelstumpfes oder einer Kegelspitze vorteilhafte Ausbildungen
sind, die sich relativ einfach bei der konventionellen Herstellung
der Rippe prägen
lassen.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sind
aus dem Rippenblech partiell ausgeschnittene bzw. ausgestanzte und
herausgebagene Flächenelemente,
z. B. in Form einer Rampe, die eine Abrisskante für die Luftströmung bildet
und somit eine Verwirbelung bewirkt. Ebenso können Lappen aus dem Rippenblech
herausgebogen und parallel oder schräg in die Luftströmung ge stellt
werden. Durch den Anstellwinkel der Lappen oder Fahnen ergibt sich
ebenfalls eine Verwirbelung. Dadurch, dass jeweils eine Vielzahl
von Störelementen
hintereinander und im Abstand angeordnet sind, wird die Grenzschichtströmung immer
wieder gestört
und somit der Verdickung der Grenzschicht entgegengewirkt.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung entfalten die Störelemente
ihre maximale Wirkung, wenn sie innerhalb vorgegebener Abmessungen
liegen, die sich ebenfalls aus den Unteransprüchen ergeben. Somit ergibt
sich die Obergrenze für
die Höhe
der Störelemente
dadurch, dass sie nicht in den Bereich der Kiemenströmung hineinragen
und auch den Druckverlust der Luftströmung nicht wesentlich erhöhen dürfen.
-
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung können ähnliche
Störelemente
in oder an der Rohrwand zwischen zwei Wellenbergen angeordnet werden,
z. B. durch Einprägung
der Rohrwand nach innen, d. h. zur Flüssigkeitsseite. Auch eine Ausprägung der
Rohrwand zur Luftseite hin ist möglich,
z. B. in Form von so genannten Winglets, d. h. V-förmig ausgebildeten
Ausprägungen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschreiben.
Es zeigen
-
1 eine
Wellrippe mit V-förmiger
Anordnung (V-Typ),
-
2 eine
Wellrippe in U-förmiger
Anordnung (U-Typ) mit ausgeprägtem
Störelement,
-
3 eine
Wellrippe (U-Typ) mit ausgeschnittenem Störelement,
-
4 einen
Längsschnitt
durch einen Rippenkanal mit spitzen Störelementen,
-
5 einen
Längsschnitt
durch einen Rippenkanal mit noppenförmigen Störelementen,
-
6 einen
Längsschnitt
durch einen Rippenkanal mit rampenförmigen Störelementen,
-
7 einen
Längsschnitt
durch einen Rippenkanal mit lappenförmigen Störelementen,
-
8 eine
Einzelheit X aus 6,
-
9 eine
Einzelheit Y aus 7 und
-
10 eine
Teilschnittdarstellung der noppenartigen Ausprägung gemäß 2.
-
1 zeigt
eine nur teilweise dargestellte Wellrippe 1 im Querschnitt,
angeordnet zwischen zwei Flachrohren 2, 3, die
nur teilweise als Rohrwand stücke
dargestellt sind. Die Wellrippe 1 sowie die Flachrohre 2, 3 sind
Teile eines nicht dargestellten Wärmeüberfragernetzes, welches Bestandteil
eines Wärmeübertragers
in bekannter Bauart ist. Solche Wärmeübertrager können beispielsweise Kühlmittelkühler für die Kühlung eines
Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges sein oder auch Kältemittelkondensatoren
als Teil einer Kraftfahrzeugklimaanlage. Beiden Wärmeübertragern
ist gemein, dass durch die Rohre ein flüssiges und/oder dampfförmiges Medium
fließt,
während
die Außenseite
der Rohre, deren Fläche
durch die Wellrippen vergrößert wird,
von Umgebungsluft beaufschlagt wird. Die Luft wird dabei durch Staudruck
oder durch ein Gebläse
gefördert.
-
Die Wellrippe 1 weist zwei
geneigt zueinander angeordnete, d. h. einen spitzen Winkel miteinander
bildende Rippenflächen 4, 5 auf,
die über
ein Bogenstück 6,
den so genannten Wellenkamm miteinander verbunden sind. Der Wellenkamm 6 ist
mit der Rohrwand 2 verlötet.
Die Rippenflächen 4, 5 weisen so
genannte Kiemen 7, 8 auf, die jeweils bis zum
Beginn des Bogenstückes 6 reichen,
d. h. bis auf einen Abstand a zur Rohrwandung 2, 3.
Die Rippenflächen 4, 5 bilden
mit der Rohrwand 3 einen etwa dreieckförmigen Strömungskanal 9. Der
mittlere Abstand der Rippenflächen 4, 5 wird
in einer Mittelebene m gemessen und ist mit t bezeichnet. Die Wellrippe 1 erstreckt
sich nach rechts und links in analoger Ausbildung und mit derselben
Teilung t. Aufgrund des etwa dreieckförmigen Strömungsquerschnittes für die Luft ergibt
sich eine ungleichmäßige Geschwindigkeit- und
Temperaturverteilung über
den Strömungskanal 9.
So stellt sich z. B. im unteren Bereich des größten Querschnitts die höchste Strömungsgeschwindigkeit ein.
Im oberen Bereich des engsten Querschnittes, d. h. im Bereich des
Bogenstückes 6 bilden
sich bei konventioneller Ausbildung der Wellrippe relativ dicke
Grenzschichten mit laminarer Strömung
aus. Um dieses zu vermeiden bzw. um eine solche Grenzschicht aufzubrechen
ist in diesem Bereich ein Störelement 10 angeordnet,
das als Lappen aus dem Rippenmaterial herausgeschnitten und umgebogen
ist. In Richtung senkrecht zur Zeichenebene, d. h. in Luftströmungsrichtung
sind mehrere solcher Störelemente 10 im
Bereich des Bogenstückes 6 angeordnet.
-
Auf der gegenüber liegenden Seite, d. h.
im Bereich der Rohrwand 3 ist gestrichelt eine Vertiefung 11 in
die Rohrwand 3 eingeformt, die als Störelement oder Wirbelerzeuger
für die
Luftströmung
in diesem wandnahen Bereich wirken soll. Ein solches Störelement,
das prinzipiell auch in die entgegengesetzte Richtung, d. h. in
den Strömungskanal 9 hinein ausgeformt
werden kann, ist als zusätzliche
Option zu dem rippenseitigen Störelement 10 gedacht.
Bei der gestrichelten Ausbildung der Einprägung 11 wirkt diese
gleichzeitig als Störelement
auf der Innenseite der Rohrwand für das dort strömende Kühlmittel
bzw. Kältemittel.
-
2 zeigt
eine andere Rippenform, nämlich
eine so genannte Parallelrippe 12 mit parallel zueinander
oder U-förmig
angeordneten Rippenflächen 13, 14,
welche über
ein Bogenstück 15 miteinander verbunden
sind. Die beiden Rippenflächen 14, 15 weisen
ebenfalls an sich bekannte Kiemen 16, 17 auf,
die eine Länge
1 aufweisen und sich somit nicht über den gesamten Kanalquerschnitt
erstrecken, sondern jeweils einen Abstand a von den Rohrwandungen 18.
19 aufweisen. Das Bogenstück 15 setzt sich
aus drei Abschnitten, nämlich
zwei äußeren etwa
kreisförmig
gebogenen Abschnitten 15a, 15b und einem mittleren
relativ flachen Abschnitt 15c zusammen. Die Rippenflächen 13, 14 in
Verbindung mit dem Bogenstück 15 und
der Rohrwand 19 bilden somit einen etwa rechteckförmigen Strömungskanal 20 mit
einem konstanten Rippenabstand bzw. einer Rippenteilung t. Im Bereich
des flachen Bogenstückes 15c ist
ein noppenförmiges
Störelement 21 angeordnet,
das aus dem Rippenmaterial in Richtung des Strömungskanals 20 ausgeprägt ist.
Die Kontur dieses noppenförmigen
Störelements 21 zeigt
eine Ansicht in Richtung A: die Ausprägung 21 weist eine etwa
ovale Kontur auf mit einer Längserstreckung
K und einer Breite B. Diese Störelemente 21 sind – wie auch
aus den folgenden Darstellungen hervorgeht – in Luftströmungsrichtung
fluchtend hintereinander angeordnet, so dass in diesen Be reichen
die Grenzschicht gestört
und eine Verwirbelung erzeugt wird. Damit wird in diesem wandnahen
Bereich (mit dem Abstand a), wo die Luftströmung nicht durch die Kiemen 16, 17 beeinflusst
wird, eine turbulente Strömung
erzeugt.
-
3 zeigt
eine Parallelrippe 22 der gleichen Konfiguration wie die
Parallelrippe 12 in 2 mit
dem Unterschied, dass statt der noppenartigen Ausprägung 21 hier
ein Blechstreifen in Form einer Fahne 23 als Störelement
vorgesehen ist. Diese Fahne 23 erstreckt sich mit einer
Höhe N,
die ungefähr dem
Abstand a entspricht, in den Luftströmungskanal, d. h. bis zum Beginn
der Kiemen.
-
4 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Rippen bzw. Luftströmungskanal
mit Blick auf eine Rippenfläche 30 mit
Kiemen 31. Die Rippe 30 ist mit ihrem oberen Wellenberg 30a mit
einer Rohrwand 32 eines nicht vollständig dargestellten Flachrohres
verlötet,
und ein unterer Wellenberg 30b ist mit einer Rohrwand 33 eines
benachbarten Flachrohres verlötet.
Auf dem Boden bzw. im Wellental 30b der Rippe 30 sind
Störelemente 34 angeordnet,
die etwa die Form einer Kegelspitze aufweisen und aus dem Material
der Rippe 30 herausgeprägt
sind. Die Luftströmung,
deren Richtung durch einen Pfeil L gekennzeichnet ist, wird somit
im unteren Bereich 30b der Rippe 30 durch die
hintereinander angeordneten, mit ihren Spitzen in den Luftstrom
ragenden Störelementen 34 gestört. Es bilden
sich hinter jedem Störelement 34 Wirbel
aus, die den Wärmeübergang
in diesem Bereich verbessern. Die Störelemente 34 wirken also
als Wirbelerzeuger.
-
Ein Teilschnitt in der Ebene IV-IV
zeigt das Profil der Kiemen 31, die – in Richtung der Anstellung – eine Kiementiefe
T aufweisen.
-
5 zeigt
die gleiche Darstellung wie in 4,
allerdings mit einer anderen Ausführungsform von Störelementen 35,
die rund oder oval ausgebildet und ebenfalls aus dem Rippenmaterial
herausgeprägt
sind.
-
6 zeigt
eine ähnliche
Darstellung wie 4 und 5, allerdings mit einer anderen
Ausführungsform
von Störelementen 36,
die rampenförmig ausge bildet
sind und als Einzelheit X in 8 dargestellt
sind. Die Störelemente 36 sind
als Rampe 37 ausgebildet, die aus einer Rippe 38 ausgeschnitten und
in den Luftstrom L hineingebogen sind. Die Rampe 37 ist
durch eine Höhe
H und eine Länge
K gekennzeichnet. Die Rippe 38 ist in diesem Bereich mit einer
Rohrwand 39 verlötet.
Die Rampe 37 weist eine Abrisskante 40 auf, an
welcher sich Luftwirbel ausbilden.
-
7 zeigt
eine weitere Ausführungsform von
Störelementen 41,
die lappenförmig
ausgebildet und als Einzelheit Y in 9 dargestellt
sind. Das Störelement 41 ist
als rechteckförmiger
Lappen 42 ausgebildet, der aus einem Rippenboden 43 ausgeschnitten
und in den Luftstrom L hineingebogen ist. Der Lappen 42,
der eine Höhe
N und eine Länge
K aufweist, steht bei diesem Ausführungsbeispiel mit seinen Flächen parallel
zum Luftstrom L und wirkt somit mit seiner Anströmkante 43 als "Grenzschichtbrecher".
Es ist jedoch auch möglich,
einen solchen Lappen schräg,
d. h. mit einem Anstellwinkel zur Luftströmung L zu stellen, womit sich
zusätzliche
Verwirbelungseffekte ergeben.
-
10 zeigt
eine vergrößerte Schnittdarstellung
der noppenförmigen
Ausprägung 21 in 2. Die Rippe 15 ist über Lötmenisken 45 mit
der Rohrwand 18 verlötet.
Der mittlere Bereich 15c weist eine noppenartige Ausprägung 21 auf,
die mit einer Höhe N
in den Luftströmungskanal
hineinragt. Die Herstellung dieser Ausprägung 21 ist beim Walzen
der Rippen ohne großen
Aufwand möglich,
indem entsprechende Prägenoppen
auf den Walzen vorgesehen werden.