DE3735915A1

DE3735915A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE3735915A1
Application number: DE19873735915
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Richter; Manfred Dr Ing Hage; Karl Dipl Ing Noll; Peter Dipl Ing Kropp; Manfred Dipl Ing Knab
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1987-10-23
Filing date: 1987-10-23
Publication date: 1989-05-03
Also published as: DE3735915C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere zur Kühlung von Kraftstoff, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Kraftstoffkühler finden vorwiegend Verwendung bei Einspritzmotoren, bei denen durch Kühlung eine nachteilige Blasenbildung im Kraftstoff vermieden werden soll. Die überschüssige Wärme wird im Kraftstoffkühler auf das gasförmige Kältemittel der Klimaanlage übertragen, wodurch das Kältemittel weiter überhitzt wird.

Eine Verwendung des Wärmeaustauschers nach dem DE-GM 84 32 762 als Kraftstoffkühler kommt insbesondere deshalb nicht in Frage, weil die dortige, relativ geringe Rippenteilung im Verhältnis zu der relativ hohen Rippenhöhe im wesentlichen nur für Verdampfung und Kondensation eines im Ringraum strömenden Kältemittels geeignet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmeaustauscher der genannten Art die Wärmeübertragungsfläche im Ringraum so zu gestalten, daß sie für Flüssigkeiten ohne Phasenwechsel, insbesondere zur Kraftstoffkühlung, optimal wirksam ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vier kennzeichnenden Merkmale a) bis d) des Anspruchs 1 gelöst. (Die Rippenquerschnittsfläche A _R wird dabei in Rohrlängsrichtung gemessen.)

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch die Kombination dieser Merkmale deutlich bessere Ergebnisse gegenüber dem Stand der Technik erzielt werden.

Die Rippenhöhe h _R liegt vorzugsweise im Bereich 0,8 mm<h _R <1,7 mm, insbesondere im Bereich 1,0 mm<h _R<1,5 mm. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung liegen die Werte für das Verhältnis t _R/h_R im Bereich 1,2 <t _R/h_R<5, insbesondere im Bereich 1,3<t _R/h _R<3,2. Es empfiehlt sich, die Werte für die Rippenquerschnittsfläche A _R als Funktion der Rippenhöhe h _R zwischen den Werten der Gleichungen

A _R = 0,5 mm · h _R und A _R = 0,7 mm² + 1 mm · h _R

zu wählen (vgl. das Diagramm in Fig. 4).

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung liegen die Werte für das Oberflächenverhältnis der berippten Außenoberfläche A₀/glatter Außenoberfläche A _0,glatt als Funktion der Rippenteilung t _R zwischen den Werten der Gleichungen

A ₀/A _0,glatt = 1,05 und A ₀/A _0,glatt = 1,49 + 0,214 · (t _R-3,97)² ,

vgl. Fig. 5 mit t _R in mm. Bei diesem Vergleich hat das Glattrohr einen Außendurchmesser, der dem Rippendurchmesser des Rippenrohres entspricht.

Für die Herstellung mittels des üblichen Rippenrohr-Walzverfahrens empfiehlt es sich, daß die Rippen zur Rippenspitze hin konisch zulaufen. Eine Rippenbreite B<0,3 mm an der Rippenspitze ist dabei bevorzugt.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Innenrohr eine schraubenlinienförmige Innenwelligkeit auf. Damit entfällt gleichzeitig das sonst auch erforderliche Einsetzen eines Turbulators in das Innenrohr. Zudem ist bei dieser Innenstruktur ein sicherer Transport des im Kältemittel- Dampf-Gemisch vorhandenen Ölfilms gewährleistet.

Die Innenwelligkeit läuft mit dem Steigungswinkel der äußeren Rippen um; dabei empfiehlt sich eine Unterbrechung in Schraubenlinienrichtung zur Verbesserung des Turbulenzeffektes. Eine Welltiefe w der Innenwelligkeit von etwa 0,03 bis 0,45 mm ist bevorzugt.

Einlaß- und Auslaßöffnungen für das zweite Wärmeübertragungsmedium (insbesondere Kraftstoff) sind vorzugsweise am Umfang des Mantelrohres angeordnet.

Beliebige Positionen der Anschlußstutzen werden in vorteilhafter Weise dadurch ermöglicht, daß mindestens ein Anschlußstutzen von der Einlaß- bzw. Auslaßöffnung entfernt angeordnet und mit dieser leitend verbunden ist.

Sofern es erforderlich ist, daß die Anschlußstutzen für die Einlaß- und Auslaßöffnung benachbart sind, empfiehlt es sich nach einer ersten erfindungsgemäßen Alternative, den der Auslaßöffnung zugeordneten Anschlußstutzen mit der Auslaßöffnung durch eine sich längs des Mantelrohres erstreckende Rohrleitung zu verbinden.

Nach einer zweiten Alternative ist vorzugsweise ein zweiter, endseitig verschlossener Ringraum zwischen dem Mantelrohr und einem konzentrischen Außenrohr vorgesehen, wobei die Auslaßöffnung durch am Umfang des Mantelrohres verteilte Löcher gebildet ist.

Sofern nach der zweiten Variante alle drei konzentrischen Rohre in etwa gleich lang ausgebildet sind, durchdringt der der Einlaßöffnung zugeordnete Anschlußstutzen den zweiten Ringraum und ist gegenüber diesem abgedichtet. Wenn das Außenrohr kürzer ausgebildet ist als das Innen- und das Mantelrohr, so ist der der Einlaßöffnung zugeordnete Anschlußstutzen vorteilhafterweise unmittelbar auf dem Mantelrohr angeordnet.

Zur leichteren Handhabung sind die Anschlußstutzen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers als Kraftstoffkühler, bei dem der im Ringraum strömende Kraftstoff eine kinematische Viskosität ν<1×· 10^-6 m²/s aufweist, ist bevorzugt. Bei Flüssigkeiten mit höheren Viskositätswerten, insbesondere bei Ölen, wird der erfindungsgemäße Effekt nur noch teilweise erzielt.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher (Kraftstoffkühler),

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein Innenrohr mit Erläuterung der Rohrabmessungen,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Teillängsschnitt durch ein Innenrohr,

Fig. 4 die Abhängigkeit der Rippenquerschnittsfläche A _R von der Rippenhöhe h _R,

Fig. 5 die Abhängigkeit des Verhältnisses A ₀/A _0,glatt von der Rippenteilung t _R,

Fig. 6-8 Längsschnitte durch weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen eines Kraftstoffkühlers und

Fig. 8 einen Querschnitt nach Linie A-A der Fig. 7.

Der Kraftstoffkühler in gestreckter Ausführung nach Fig. 1 besteht aus einem Innenrohr 1 und einem glatten Mantelrohr 2. Das Innenrohr 1 ist als Rippenrohr mit schraubenlinienförmig umlaufenden äußeren Rippen 1′ ausgebildet und weist zugleich eine schraubenlinienförmige Innenwelligkeit auf. Die äußeren Rippen 1′ und die Innenwelligkeit laufen mit demselben Steigungswinkel um (nicht näher dargestellt).

Der zwischen den Rohren 1, 2 gebildete Ringraum 3 ist endseitig verschlossen. Das Mantelrohr 2 weist jeweils eine Einlaßöffnung 4 mit zugeordnetem Anschlußstutzen 5 und eine Auslaßöffnung 6 mit zugeordnetem Anschlußstutzen 7 auf. Die Öffnungen 4 und 6 sind im Endbereich des Kühlers angeordnet.

Im Betrieb des Kühlers durchströmt der zu kühlende Kraftstoff, insbesondere Benzin, den Ringraum 3 von der Einlaßöffnung 4 bis zur Auslaßöffnung 6. Das Kühlmittel wird im Innenrohr 1 im Gleich- oder im Gegenstrom geführt. Das eine Innenwelligkeit aufweisende Rippenrohr sorgt - bei einfacher mechanischer Handhabung - sowohl kühlmittel- als auch kraftstoffseitig für gute Turbulenzbildung und damit gute Wärmeübertragung.

Die Herstellung der Rippenrohre 1 erfolgt in an sich bekannter Weise nach dem Rippenrohrwalzverfahren (vgl. beispielsweise US-PS 33 27 512). Wie Fig. 3 deutlich zeigt, laufen die Rippen 1′ konisch zur Rippenspitze zu, der Nutengrund zwischen den Rippen 1′ ist ausgerundet.

Anhand der Fig. 2, 3 sind die Rippenrohrabmessungen erläutert: Rippenteilung t _R (Abstand von Rippenmitte zur Rippenmitte), Rippenhöhe h _R, Rippenquerschnittfläche A _R (in Fig. 3 schraffiert), Rippenbreite B an der Rippenspitze, Radius R im Nutengrund, Rippendurchmesser d _R, Innendurchmesser des Rohres (im berippten Teil) d _i, Welltiefe w der Innenwelligkeit.

Aus Fig. 2 geht deutlich hervor, daß das Rippenrohr 1 ein glattes Ende 1′′ aufweist, dessen Durchmesser dem Rippendurchmesser d _R entspricht.

Die Abhängigkeit der Rippenquerschnittsfläche A _R von der Rippenhöhe h _R ist in Fig. 4 dargestellt, die Abhängigkeit des Verhältnisses A ₀/A _0,glatt von der Rippenteilung t _R in der Fig. 5.

Die Ausführungsformen des Kraftstoffkühlers nach den Fig. 6 bis 9 betreffen den Fall, daß die Anschlußstutzen 5, 7 dicht nebeneinander angeordnet werden sollen.

Um daher den Kraftstoff zurückzuleiten, ist nach Fig. 6 der Anschlußstutzen 7 mit der Auslaßöffnung 6 durch eine sich längs des Mantelrohres 2 erstreckende Rohrleitung 8 verbunden. Zur Zurückleitung des Kraftstoffes nach Fig. 7, 8 ist ein zusätzlicher, endseitig verschlossener Ringraum 9 zwischen dem Mantelrohr 2 und einem Außenrohr 10 vorgesehen. Die Auslaßöffnung 6 für den Kraftstoff im Mantelrohr 2 ist hierbei durch mehrere am Umfang des Mantelrohres 2 vorgesehene Löcher 6′ gebildet. Nach Fig. 7 durchdringt der der Einlaßöffnung 4 zugeordnete Anschlußstutzen 5 den zweiten Ringraum 9 und ist gegenüber diesem abgedichtet. Zur Vermeidung einer solchen Durchdringung ist nach Fig. 8 das Außenrohr 10 kürzer als das Innenrohr 1 und das Mantelrohr 2, so daß der Anschlußstutzen 5 unmittelbar auf das Mantelrohr 2 aufgelötet werden kann.

In den Fig. 1 und 6-8 sind Anschlußrohre für das Innenrohr 1 durch die Ziffer 11 angedeutet. Nach Fig. 1 und 6, 7 beispielsweise werden diese Anschlußrohre 11 auf das Innenrohr 1 aufgeschoben, während sie bei der Variante nach Fig. 8 in das Mantelrohr 2 eingesteckt und mit dem aufgeweiteten Ende des Innenrohres 1 verlötet werden können.

Die Fig. 9 zeigt insbesondere die versetzte Anordnung der Anschlußstutzen 5, 7.

Beispiel: Ein Kraftstoffkühler ähnlich Fig. 1 wurde aus Kupferrohren mit folgenden Abmessungen hergestellt:

Tabelle

Rippenrohr (mit 11 Rippen/Zoll; d. h. t _R = 2,20 mm)
(Erläuterung der Rippenrohrabmessungen durch Fig. 2/3)
Rippenteilung, t _R\|2,20 mm
Rippenhöhe, h _R	0,70 mm
Rippenquerschnittsfläche, A _R	0,56 mm²
Rippenbreite (an der Rippenspitze), B	0,37 mm
Radius R im Nutengrund	0,92 mm
Rippendurchmesser, d _R	12,00 mm
(lichter) Innendurchmesser (berippter Teil), d _i	9,00 mm
Welltiefe w der Innenwelligkeit	0,3-0,4 mm
Durchmesser der Einlaßöffnung	8,00 mm
Durchmesser der vier Auslaßöffnungen	8,00 mm

Damit

t _R/h_R = 3,14
A _R/h_R = 0,80 mm

Bei Verwendung des beschriebenen Benzinkühlers (ν _Benzin= 0,5 · 10^-6 m²/s) unter Verwendung von R 12 als Kältemittel wurden gute Ergebnisse erzielt.

Claims

1. Wärmeaustauscher, insbesondere zur Kühlung von Kraftstoff, bestehend aus einem Innenrohr (1), das als Rippenrohr mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden, integralen Rippen (1′) ausgebildet ist und das von einem ersten Wärmeübertragungsmedium durchströmt wird, und aus einem konzentrisch dazu angeordneten Mantelrohr (2), wobei der endseitig verschlossene Ringraum (3) zwischen Innenrohr (1) und Mantelrohr (2) von einem zweiten Wärmeübertragungsmedium durchströmt wird, dessen Einlaßöffnung (4) und Auslaßöffnung (6) an entgegengesetzten Enden des Wärmeaustauschers angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Teilung t _R der äußeren Rippen (1′) liegt in folgendem Bereich: 1,60<t _R<3,90 mm;
b) die Rippenhöhe h _R der äußeren Rippen (1′) liegt in folgendem Bereich: 0,2 mm<h _R<2,0 mm;
c) das Verhältnis Rippenteilung t _R/Rippenhöhe h _R liegt in folgendem Bereich: 1<t _R/h_R<15;
d) das Verhältnis Rippenquerschnittsfläche A _R/Rippenhöhe h _R beträgt: A _R/h_R<0,5 mm.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhöhe h _R im Bereich 0,8 mm<h _R<1,7 mm liegt.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhöhe h _R im Bereich 1,0 mm<h _R<1,5 mm liegt.

4. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis t _R/h_R im Bereich 1,2<t _R/h_R<5 liegt.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis t _R/h_R im Bereich 1,3<t _R/h_R<3,2 liegt.

6. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für die Rippenquerschnittsfläche A _R als Funktion der Rippenhöhe h _R zwischen den Werten der Gleichungen
A _R = 0,5 mm · h _R und A _R = 0,7 mm² + 1 mm · h _R
liegen (Fig. 4).

7. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte für das Oberflächenverhältnis der berippten Außenoberfläche A₀/glatte Außenoberfläche A _0,glatt als Funktion der Rippenteilung t _R zwischen den Werten der Gleichungen
A ₀/A _0,glatt = 1,05 und
A ₀/A _0,glatt = 1,49 + 0,214 · (t _R-3,97)²
liegen (Fig. 5 mit t _R in mm).

8. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (1′) zur Rippenspitze hin konisch zulaufen.

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Rippenspitze gemessene Rippenbreite B<0,3 mm beträgt.

10. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (1) eine schraubenlinienförmige Innenwelligkeit aufweist, die mit dem Steigungswinkel der äußeren Rippen (1′) umläuft.

11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwelligkeit in Schraubenlinienrichtung unterbrochen ist.

12. Wärmeaustauscher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welltiefe w der Innenwelligkeit 0,03 bis 0,45 mm beträgt.

13. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er gestreckt ausgeführt ist.

14. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßöffnung (4) und Auslaßöffnung (6) am Umfang des Mantelrohres (2) angeordnet sind.

15. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennnzeichnet, daß mindestens ein Anschlußstutzen (5, 7) von der Einlaßöffnung (4) bzw. Auslaßöffnung (6) entfernt angeordnet und mit dieser leitend verbunden ist.

16. Wärmeaustauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der der Auslaßöffnung (6) zugeordnete Anschlußstutzen (7) dem der Einlaßöffnung (4) zugeordneten Anschlußstutzen (5) benachbart ist, wobei der Anschlußstutzen (7) mit der Auslaßöffnung (6) durch eine sich längs des Mantelrohres (2) erstreckende Rohrleitung (8) verbunden ist (Fig. 6).

17. Wärmeaustauscher nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, endseitig verschlossener Ringraum (9) zwischen dem Mantelrohr (2) und einem konzentrischen Außenrohr (10) vorgesehen ist, wobei die Auslaßöffnung (6) durch am Umfang des Mantelrohres (2) verteilte Löcher (6′) gebildet ist, und daß der Anschlußstutzen (7) für den zweiten Ringraum (9) dem der Einlaßöffnung (4) zugeordneten Anschlußstutzen (5) benachbart ist (Fig. 7/8).

18. Wärmeaustauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der der Einlaßöffnung (4) zugeordnete Anschlußstutzen (5) den zweiten Ringraum (9) durchdringt und gegenüber diesem abgedichtet ist (Fig. 7).

19. Wärmeaustauscher nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (10) kürzer ist als das Innenrohr (1) und Mantelrohr (2) und daß der der Einlaßöffnung (4) zugeordnete Anschlußstutzen (5) unmittelbar auf dem Mantelrohr (2) angeordnet ist (Fig. 8).

20. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (5, 7) in Umfangsrichtung versetzt sind.

21. Verwendung eines Wärmeaustauschers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 als Kraftstoffkühler, bei dem der im Ringraum (3) strömende Kraftstoff eine kinematische Viskosität ν<1 · 10^-6 m²/s aufweist.