DE10014099A1 - Kühlmittelrohre für Wärmetauscher - Google Patents
Kühlmittelrohre für WärmetauscherInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Kühlmittelrohr für einen Wärmetauscher, mit einem im wesentlichen flachen Rohr 10 mit im wesentlichen ebenen oberen und unteren Wänden 12/14; mehreren Verstärkungswänden 16 zwischen den oberen und unteren Wänden 12/14, die sich im wesentlichen parallel entlang der Längsachse A-A des Rohrs erstrecken und voneinander mit einem vorbestimmten Abstand beabstandet sind; und mehreren Verbindungslöchern 18, die entlang jeder Verstärkungswand 16 verteilt sind, wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte entlang jeder Verstärkungswand 16 definiert sind, die zwischen benachbarten Verbindungslöchern 18 angeordnet sind und eine stromaufwärtige Kante und eine stromabwärtige Kante 24 besitzen, wobei die Verbindungslöcher 18 und die diskreten Wandabschnitte 20 Längen L¶1¶ und L¶2¶ besitzen, gemessen entlang der Längsachse A-A, wobei die Verbindungslöcher 18 entlang jeder Verstärkungswand 16 durch einen Abstand P beabstandet sind. Jedes Verbindungsloch 18 in jeder Verstärkungswand ist zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Kanten 22/24 eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts 20 jeder benachbarten Verstärkungswand angeordnet, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert [P - 2L¶2¶]/P > 0 und bevorzugt 0,4 Wr 0,6 resultiert.
Description
Die Erfindung betrifft Kühlmittelrohre für Wärmetauscher.
Bekannte typische Konstruktionen der meisten Wärmetauscher-Kühlmittelrohre sind in
Fig. 1-2 dargestellt. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, umfaßt diese Konstruktion
ein flaches Metallrohr 10 mit ebenen oberen und unteren Wänden 12/14 mit mehren
Verstärkungswänden 16, die zwischen den oberen und unteren Wänden
angeschlossen sind. Diese Verstärkungswände 16 erstrecken sich parallel zueinander
entlang des Rohrs 10, wodurch mehrere parallel Flußkanäle 17 gebildet werden, die
jeweils durch die oberen und unteren Wände 12/14 und zwei Verstärkungswände 16
begrenzt sind. Diese Rohrkonstruktion kann durch Einsatz verschiedener Verfahren
hergestellt werden, wie sie bspw. im US-Patent Nr. 5,638,897 von Hirano et al.,
5,784,776 von Saito et al., und 5,799,727 von Liu beschrieben sind (auf alle diese wird
voll inhaltlich bezug genommen).
Derartige Kühlmittelrohre können im wstl. in zwei Kategorien eingeteilt werden: dis
kreter Fluß und nicht diskreter Fluß. Kühlmittelrohre für diskreten Fluß haben parallele
Flußkanäle 17, die nicht entlang der Länge des Rohrs verbunden sind, wie in Fig. 3a
dargestellt, trennen die Verstärkungswände 16 der Rohre für diskreten Fluß jeden
Flußkanal 17 von seinem benachbarten Flußkanälen vollständig. Rohre für nicht
diskreten Fluß haben andererseits mehrere Durchbrüche oder Öffnungen 18 in den
Verstärkungswänden 16, wie in Fig. 3b dargestellt; diese Öffnungen 18 ermöglichen
zwischen benachbarten Flußkanälen 17 Flüssigkeitsverbindungen. Rohre für nicht
diskreten Fluß sind schwieriger herzustellen, haben aber den Vorteil aufgrund des
Querflusses von Kühlmittelflüssigkeit zwischen Flußkanälen durch die Öffnungen 18
einen besseren Wärmeübergang zu bieten.
Obwohl es bekannt ist, derartige Öffnungen 18 vorzusehen, um Flüssigkeits-Quer
flüsse zu erleichtern, wurde bisher keine Lehre für die Auslegung der Größe und des
Abstands dieser Öffnungen gegeben, um das Wärmeübergangspotetial von nicht
diskreten Rohren für nicht diskreten Kühlmittelfluß zu optimieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu ver
meiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Kühlmittelrohr mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich
aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung vermeidet nun die Nachteile des Standes der Technik, indem ein
Kühlmittelrohr für nicht diskreten Fluß für Wärmetauscher geschaffen wird, wobei der
Querfluß zwischen benachbarten Flußkanälen optimierte Wärmeübergangs-
Charaktaristika schafft. Das Kühlmittelrohr umfaßt: ein im wstl. flaches Rohr mit im
wstl. ebenen oberen und unteren Wänden; mehrere Verstärkungswände, die zwischen
den oberen und unteren Wänden angeschlossen sind, wobei sich die Ver
stärkungswände längs und im wesentlichen parallel zu Längsachse des Rohrs er
strecken und voneinander um eine vorher bestimmten Abstand getrennt sind; und
mehrere Verbindungslöcher, die entlang jeder Verstärkungswand verteilt sind, wodurch
mehrere diskrete Wandabschnitte entlang jeder Verstärkungswand definiert werden,
wobei jeder diskreter Wandabschnitt zwischen benachbarten Verbindungslöchern liegt
und eine stromaufwärtige Kante und eine stromabwärtige Kante besitzt, wobei die
Verbindungslöcher und die diskreten Wandabschnitte entsprechende Längen L1 und L2,
gemessen entlang der Längsachse haben und die Verbindungslöcher entlang jeder
Verstärkungswand um einen Abstand P getrennt angeordnet sind. Jedes
Verbindungsloch in jeder Verstärkungswand ist zwischen den stromabwärtigen und
stromaufwärtigen Kanten eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts jeder
benachbarten Verstärkungswand angeordnet, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis
Wr, definiert als [P - 2L1]/P, größer als 0 und bevorzugt 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6 ist.
Es ist ein Ziel und ein Vorteil, daß die Erfindung einen optimierten Bereich für die
relative Größe und Beabstandung von Verbindungslöchern und diskreten Wandab
schnitten von Rohren für nicht diskreten Fluß schafft, so daß der Gesamt-Wärme
transferkoeffizient derartiger Rohre optimiert ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Erfindung leicht in die üblichen Herstel
lungsverfahren bekannter Kühlmittelrohre integriert werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße optimierte Auslegung
ebenso mit einstückigen oder zweistückigen Kühlmittelrohr-Konstruktionen verwendet
werden kann.
Diese und weitere Vorteile, Merkmale und Ziele der Erfindung ergeben sich aus den
Zeichnungen, sowie de nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen. Dabei
zeigt
Fig. 1 eine Frontansicht eines Wärmetauschers mit Kühlmittelrohren gemäß dem Stand
der Technik.
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Kühlmittelrohres entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3A-B perspektivische Ansichten von Verstärkungswänden für nicht diskreten
Fluß gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4A-C (insgesamt als Fig. 4 bezeichnet) Schnittansichten der Erfindung entlang
der Linie 4-4 in Fig. 2
Fig. 5-6 perspektivische Ansichten und Draufsichten von ausgewählten Verstär
kungswänden in einem erfindungsgemäßen Kühlmittelrohr;
Fig. 7A-D (insgesamt als Fig. 7 bezeichnet) Seitenansichten von Verstärkungs
wandsegmenten mit verschiedenen Wandüberlappungs-Verhältnissen gemäß der
Erfindung;
Fig. 8A-D (insgesamt als Fig. 8 bezeichnet) Draufsichten auf Schnitte von Wand
segmenten der Fig. 7A-D;
Fig. 9-10 Auftragungen des Wandüberlappungsverhältnisses Wr gegen die diskrete
Wandlänge L2 und des Wärmetransferkoeffizienten h gegen Wr für ein erfindungs
gemäßes repräsentatives Kühlmittelrohr.
In Fig. 4-6 der Zeichnung ist ein Kühlmittelrohr für einen Wärmetauscher gemäß der
Erfindung gezeigt. Die Erfindung umfaßt: ein im wstl. flaches (typischerweise Metall-)
Rohr 10 mit im wstl. ebenen oberen und unteren Wänden 12/14; mehrere
Verstärkungswände 16, die zwischen den oberen und unteren Wänden 12/14 an
geschlossen sind, wobei sich die Verstärkungswände entlang und im wstl. parallel zur
Längsachse A-A des Rohres erstrecken und voneinander mit einem vorherbestimmten
Abstand beabstandet sind; sowie mehrere Verbindungslöchern 18, die entlang der
Länge jeder Verstärkungswand 16 verteilt sind, wodurch mehrere diskrete
Wandabschnitte 20 entlang jeder Verstärkungswand 16 definiert werden, wobei jeder
der diskreten Wandabschnitte 20 zwischen benachbarten Verbindungslöcher 18
angeordnet ist und eine stromaufwärtige Kante 22 und eine stromabwärtige Kante 24
besitzt, wobei die Verbindungslöcher 18 und die diskreten Wandabschnitte 20
entsprechende Längen L1 und L2 haben, gemessen entlang der Längsachse A-A, und
die Verbindungslöcher 18 entlang jeder Verstärkungswand 16 mit einem Abstand von
P getrennt angeordnet sind. Jedes Verbindungsloch 18 in jeder Verstärkungswand ist
zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kanten 22/24 seitlich
benachbarter diskreter Wandabschnitte 20 jeder Verstärkungswand angeordnet, so
daß das Überlappungsverhältnis Wr, definiert als [P - 2L1]/P, größer als 0 ist.
Wie bereits erläutert, gibt es - obwohl es bekannt ist, Verbindungslöcher 18 in den
Verstärkungswänden 16 von Kühlmittelrohren vorzusehen, um einen nicht diskreten
Fluß (nämlich Querfluß) zwischen benachbarten Flußkanälen 17 zu schaffen, bisher
keine Lehre, die relative Größe und Beabstandung der Löcher 18 hinsichtlich der
diskreten Wandabschnitte 20 zu optimieren, um den Wärmetransferkoeffizienten h
(gemessen in kW/m2K) des Rohrs zu optimieren. Die Erfindung füllt dieses Vakuum,
indem ein Auslegungsschema zur Erzielung einer derartigen Optimierung angegeben
wird.
Erfindungsgemäß müssen zwei Kriterien erfüllt werden, um eine derartige Wärme
übergangsoptimierung zu erzielen:
- 1. das Wandüberlappungsverhältnis Wr soll größer als 0, bevorzugt größer als 0 und ≦ 0,9 und
- 2. jedes Verbindungsloch 18 sollte so angeordnet sein, daß es im wstl. zentriert zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kanten 22/24 der diskreten Wandabschnitte 20 auf benachbarten Verstärkungswänden 16 liegt - das heißt, daß seitlich benachbarte Verbindungslöcher 18 einander nicht überlappen sollten (in diesem Zusammenhang soll "seitlich benachbart" von "längs benachbart" unterschieden werden; wie in Fig. 5 gezeigt, liegen die Löcher 18 2 und 18 3 in der gleichen Verstärkungswand 16 und sind zu aneinander entlang der Längsrichtung A-A benachbart, während das Loch 18 1 seitlich sowohl zu 182 und 183 benachbart ist, insofern, als Loch 18 1 innerhalb einer Verstärkungswand liegt, die seitlich zu der Wand, in der die Löcher 18 2 und 18 3 liegen, benachbart ist.) Beide vorstehenden Kriterien sollten erfüllt werden, um die Rohrwärme Transfercharakteristika zu optimieren.
Falls die Länge L1 der Verbindungslochöffnung 18 als eine Einheitslänge genommen
wird, werden die nachfolgenden Wandüberlappungsverhältnisse Wr für verschiedene
Längen L2 des diskreten Wandabschnitts 18 vorgeschlagen, wie in Fig. 7-8 gezeigt
und in Fig. 9 aufgetragen:
Wie durch die obige Tabelle und in Fig. 9 gezeigt, bewegt sich das Wandüberlap
pungsverhältnis Wr asymptotisch von einem Minimalwert von -1 (für diskrete Wand
länge L2 = 0 - dies bedeutet, daß die Verstärkungswand 16 überhaupt nicht existiert)
bis zu einem Maximalwert von +1 (für den Fall einer infiniten diskreten Wandlänge L2 -
nämlich im wesentlichen ohne jegliche Verbindungslöcher 18). Zwischen diesen
Extremata durchläuft das Verhältnis Wr Null dort, (Wr = 0) wo die Verbindungs
lochlänge L1 und die diskrete Wandlänge L2 gleich sind (L1 = L2).
Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung einiger dieser Wr-Verhältnisse gegen den
Wärmetransfer h, den diese schaffen. Diese Daten wurden unter Verwendung eines
ansonsten üblichen Aluminiumkühlrohrs und Flüssigkeit generiert, wobei die Lochab
stände manipuliert wurden, um die Wr-Verhältnisse zu liefern. Bemerkenswerterweise
wurde der beste Wärmeübergang erzielt, wenn das Wr-Verhältnis zwischen 0,4 und
0,6 lag; demzufolge empfehlen die Anmelder, ein Wandüberlappungsverhältnis von Wr=0,5
für den optimalen Wärmeübergang vorzusehen.
Verschiedenartigste Modifikationen der Erfindung können dem Fachmann an den sich
die Erfindung wendet, offensichtlich sein. Beispielsweise können, obwohl die
Zeichnungen lediglich rechtwinklige Verbindungsöffnungen 18 zeigen offensichtlich die
Löcher 18 verschiedene alternative Formen annehmen, eingeschlossen (aber nicht
beschränkt) auf kreisförmige, halbkreisförmige, ovale, trapezoide, hexagonale, usf.
Während das Kühlmittelrohr bevorzugt aus Aluminium hergestellt ist, können auch
andere Materialien (beispielsweise Kupfer, Kunststoff etc.) alternativ eingesetzt
werden. Ferner kann es erwünscht sein, obwohl die Zeichnungen alle Verbin
dungslöcher 18 mit gleicher Größe und Form zeigen, in einigen Anwendungen mehr
als eine Lochgröße und/oder Form pro Rohr vorzusehen. Ferner können die Ver
bindungslöcher 18 so vorgesehen werden, daß sie im wstl. zwischen den oberen und
unteren Wänden 12/14 (Fig. 4a) zentriert sind, oder so, daß sie an die obere Wand 12
(Fig. 4b) stoßen oder im wstl. benachbart zu dieser oder der unteren Wand (Fig. 4c)
liegen, oder irgendeine Kombination davon. Zusätzlich, obwohl die Erfindung im wstl.
als "Kühlmittelrohr für Wärmetauscher" bezeichnet wird, ist dem Fachmann ersichtlich
sein, daß die Struktur der Erfindung auch für andere Zwecke eingesetzt werden kann,
z. B. für die Kondensation von Dampf oder anderen Gasen. Andere Modifikationen, die
hier nicht explizit erwähnt sind, sind ebenfalls möglich und fallen unter den
Schutzbereich der Erfindung. Die nachfolgenden Ansprüche definieren,
eingeschlossen aller Äquivalente, den Schutzumfang der Erfindung.
10
flaches Rohr
12
obere Wand
14
untere Wand
16
Verstärkungswand
17
Flußkanal
18
Verbindungsloch
20
diskreter Wandabschnitt
22
stromaufwärtige Kante des diskreten Wandabschnitts
24
stromabwärtige Kante des diskreten Wandabschnitts
A-A Längsachse des Rohrs
L1
A-A Längsachse des Rohrs
L1
Länge des Verbindungslochs
L2
L2
Länge des diskreten Wandabschnitts
P Abstand zwischen benachbarten Löchern = L1
P Abstand zwischen benachbarten Löchern = L1
+ L2
Wr Wandüberlappungsverhältnis = [P - 2L1
]/P
Claims (21)
1. Kühlmittelrohr für Wärmetauscher, mit:
- a) einem im wesentlichen flachem Rohr (10) mit im wesentlichen flachen oberen (12) und unteren Wänden (14);
- b) mehreren Verstärkungswänden (16), die zwischen den oberen (12) und unteren (14) Wänden angeschlossen sind, die sich entlang und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohrs (10) erstrecken und voneinander um einen vorherbestimmten Abstand beabstandet sind;
- c) mehreren Verbindungslöchern (18), entlang der Länge jeder Verstärkungswand (16), wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte (20) entlang jeder Verstärkungswand (16) definiert werden, wobei jeder diskrete Wandabschnitte (20) zwischen benachbarten Verbindungslöchern (18) angeordnet ist und eine stromaufwärtige (22) und eine stromabwärtige (24) Kante besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) und die diskreten Wandabschnitte (20) Längen L1 und L2 entlang der Längsachse besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) voneinander entlang jeder Verstärkungswand (16) mit einem Abstand P beabstandet sind;
- d) wobei jedes Verbindungsloch (18) in jeder Verbindungswand, (16) zwischen der stromaufwärtigen (22) und stromabwärtigen Kante (24) eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts (20) jeder benachbarten Verstärkungswand (16) angeordnet ist, so daß das Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als [P - 2L1]/P größer als 0 ist.
2. Kühlmittelrohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) im allgemeinen zentriert zwischen den stromaufwärtigen (22) und stromabwärtigen
Kanten (24) der seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitte (20) jeder benachbarten
Verbindungswand (16) angeordnet ist.
3. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) aus
Aluminium hergestellt ist.
4. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0 < Wr ≦ 0,9
5. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6.
6. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wr etwa 0,5 ist.
7. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) im wesentlichen zentriert zwischen den oberen (12) und unteren (14) Wänden
angeordnet ist.
8. Kühlmittelrohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) allgemein an der oberen Wand (12) endet.
9. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) allgemein an der unteren Wand (14) endet.
10. Kühlmittelrohr für Wärmetauscher, mit
- a) einem im wesentlichen flachem Rohr (10) mit im wesentlichen flachen oberen (12) und unteren (14) Wänden;
- b) mehreren Verstärkungswänden (16), die zwischen den oberen (12) und unteren Wänden (14) angeschlossen sind, sich entlang und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohrs (10) erstrecken und voneinander um einen vorherbestimmten Abstand beabstandet sind; und
- c) mehreren entlang der Länge jeder Verstärkungswand (16) verteilten Verbindungslöcher (18), wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte (20) entlang jeder Verstärkungswand (16) definiert werden, wobei jeder Wandabschnitt (20) zwischen benachbarten Verbindungslöchern (18) liegt und eine stromaufwärtige (22) und stromabwärtige (24) Kante besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) und die diskreten Wandabschnitte (20) entsprechende Längen L1 und L2 besitzen, gemessen entlang der Längsachse, und die Verbindungslöcher (18) von einander entlang jeder Verstärkungswand (16) durch einen Abstand P beabstandet sind;
- d) wobei jedes Verbindungsloch (18) an jeder Verbindungswand (16) im wesentlichen zentriert zwischen der stromaufwärtigen (22) und stromabwärtigen (24) Kante eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts (20) jeder benachbarten Verstärkungswand (16) angeordnet ist, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als (P - 2L1)/P, erzeugt wird, so daß 0 < Wr ≦ 0,9.
11. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6.
12. Ein Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wr etwa 0,5 ist.
13. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsrohr
(16) im allgemeinen zentriert zwischen den oberen (12) und unteren (14) Wänden
angeordnet ist.
14. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) generell an der oberen (12) Wand endet.
15. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) im wesentlichen an der unteren Wand (14) endet.
16. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) allgemein an der unteren Wand (14) endet.
17. Kühlmittelrohr für Wärmetauscher, mit:
- a) einem allgemein flachem Rohr (10) mit allgemein flachen oberen (12) und unteren Wänden (14);
- b) mehrere Verstärkungswände (16), die zwischen den oberen (12) und unteren Wänden (14) angeschlossen sind, die sich entlang und allgemein parallel zur Längsachse des Rohrs (10) erstrecken und voneinander um einen vorher bestimmten Abstand beabstandet sind; und
- c) mehreren Verbindungslöchern (18), entlang der Länge jeder Verstärkungswand (16) sind, wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte (20) entlang jeder Verstärkungswand (16) definiert werden, wobei jeder der diskreten Wandabschnitte (20) zwischen benachbarten Verbindungslöchern (18) angeordnet ist und eine stromaufwärtige (22) und eine stromabwärtige Kante (24) besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) und diskreten Wandabschnitte entsprechende Längen L1 und L2 entlang der Längsachse, haben und die Verbindungslöcher (18) voneinander entlang jeder Verstärkungswand (20) mit einem Abstand P beabstandet sind;
- d) wobei jedes Verbindungsloch (18) in jeder Verstärkungswand (16) allgemein mittig zwischen den stromaufwärtigen (22) und den stromabwärtigen Kanten (24) eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts (20) jeder Verstärkungswand (16) angeordnet ist, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als (P - 2L1)/P, von 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6 gebildet wird.
18. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Wr etwa 0,5 ist.
19. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) generell zentriert zwischen den oberen (12) und unteren Wänden (14) angeordnet
ist.
20. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
(18) allgemein an der oberen Wand (12) endet.
21. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch
allgemein an der unteren Wand (14) endet.
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