DE102004033459A1

DE102004033459A1 - Wärmetauscherrippe

Info

Publication number: DE102004033459A1
Application number: DE102004033459A
Authority: DE
Inventors: Chao A. Plymouth Zhang
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2024-07-03
Also published as: US6907919B2; FR2857439A1; US20050006063A1; DE102004033459B4

Abstract

Eine Wärmetauscherrippe enthält eine Vielzahl von Wirbelerzeugerlamellen, die im Abstand zueinander angeordnet sind, so dass sich zwischen benachbarten Lamellen ein Spalt ergibt, durch den ein Fluid, wie z. B. Luft, strömt. Jede Wirbelerzeugerlamelle ist an einer Außenkante der Lamelle mit einer oder mehreren Miniwirbelerzeugern ausgestattet. Die Miniwirbelerzeuger lösen Wirbel aus, die über die Wirbelerzeugerlamellen strömen.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmetauscher. Speziell bezieht sie sich auf Wärmetauscherrippen.

Hintergrundinformation

Wärmetauscher werden in vielen Industriebereichen verwendet. Zum Beispiel werden Wärmetauscher mit lamellierten Rippen gewöhnlich in der Fahrzeugindustrie, insbesondere in vielen Luft-Flüssigkeits-, Luft-Kältemittel- und Luft-Luft-Wärmetauschern, verwendet. Zur Gewährleistung des geforderten Wärmeübertragungsvermögens bei diesen Anwendungen sind die Wärmetauscher normalerweise sperrig und deshalb für eine kompakte Unterbringung wenig geeignet. Außerdem ist aufgrund ihrer großzügigen Dimensionierung ihre Herstellung kostenintensiv.

Obwohl diese sperrigen Wärmetauscher entsprechend ihrer vorgesehenen Aufgaben in ausreichendem Maße funktionieren, sind die Zulieferfirmen heutzutage angehalten, aus Gründen der Kostensenkung und der kompakten Unterbringung die Wärmetauscher zu minimieren. Unglücklicherweise sind die kleineren Wärmetauscher weniger leistungsfähig als ihre sperrigen Gegenstücke und erfüllen deshalb die Wärmeübertragungsanforderungen nicht.

Es ist zu erkennen, dass ein Bedarf an einem verbesserten Wärmetauscher mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen besteht, der in einer kompakten Einheit bereitgestellt werden kann.

Kurze Zusammenfassung

Zur Überwindung der zuvor aufgeführten und weiteren Nachteile stellt die Erfindung eine Wärmetauscherrippe bereit, die eine oder mehrere Wirbelerzeugerlamellen enthält. Die Rippe bietet bei Verwendung der Wirbelerzeugerlamellen eine höhere Wärmeübertragungsleistungsfähigkeit, so dass die Leistung dieser leistungsfähigen Rippen der Leistung der keine Wirbelerzeugerlamellen enthaltenden herkömmlichen Rippen vergleichbar ist oder diese übertrifft.

Im Allgemeinen ist jede Wirbelerzeugerlamelle an einer Außenkante der Lamelle mit Miniwirbelerzeugern ausgestattet. Diese Lamellen sind zur Vorderseite der Rippe hin angeordnet, so dass die Miniwirbelerzeuger Wirbel auslösen, die die Temperaturgrenzschichten quer über die Lamellen wirkungsvoll dünner machen, wodurch die Wärmeübertragungsleistungsfähigkeit des Wärmetauschers erhöht wird.

Die Wärmetauscherrippe kann eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Lamellen enthalten, so dass sich zwischen benachbarten Lamellen ein Spalt ergibt, durch den ein Fluid, wie z. B. Luft, strömt. Die Miniwirbelerzeuger können Nasen sein, die aus den entsprechenden Außenkanten der Wirbelerzeugerlamellen herausragen. Die Rippe kann außerdem eine Vielzahl von Nichtwirbelerzeugerlamellen enthalten.

In Abhängigkeit der Anwendung der Rippe kann das Verhältnis von Wirbelerzeugerlamellen zu Nichtwirbelerzeugerlamellen zwischen etwa 20 % und 50 % liegen. Die Nase kann mit einem Winkel relativ zu einem ebenen Abschnitt der Wirbelerzeugerlamelle geneigt sein. Der Neigungswinkel kann zum Beispiel zwischen etwa 30° und 45° betragen. Jede Nase kann eine dreieckige Form haben, die ein Paar entgegengesetzt zueinander drehender Wirbel erzeugt, wenn das Fluid auf die Spitze der Nase auftrifft.

Die voranstehende Darlegung dient nur als Einführung. In diesem Abschnitt sollte nichts als Beschränkung der nachfolgenden, den Geltungsbereich der Erfindung definierenden Patentansprüche aufgefasst werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten und einen Teil der Spezifikation bildenden zugehörigen Zeichnungen stellen verschiedene Aspekte der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erklärung der Prinzipien der Erfindung. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, weil die Darstellung des Prinzips der Erfindung betont wird. Des Weiteren kennzeichnen gleiche Bezugsnummern entsprechende Teile in verschiedenen Ansichten. In den Zeichnungen sind:
1 die Darstellung der Fluiddynamik der Fluidströmung über einen Miniwirbelerzeuger;
2 eine Schnittdarstellung einer Lamellenrippe mit Miniwirbelerzeugerlamellen entsprechend der Erfindung;
3A eine die erfindungsgemäßen Wirbelerzeugerlamellen kennzeichnende Darstellung einer Lamellenrippe aus Richtung 3A in 4;
3B eine Darstellung eines Abschnitts einer Wirbelerzeugerlamelle mit Miniwirbelerzeugern entsprechend der Erfindung;
4 die Darstellung eines Wärmetauschers mit einem Paar Lamellenrippen entsprechend der Erfindung; und
5 ein Säulendiagramm der Testergebnisse der Wärmeübertragungsverbesserungen der Lamellenrippe mit Miniwirbelerzeugern im Vergleich zu einer herkömmlichen Lamellenrippe ohne Miniwirbelerzeuger.
Ausführliche Beschreibung
Als Überblick über die in der Erfindung angewendeten Wirbelerzeugerprinzipien stellt 1 einen Miniwirbelerzeuger 10 dar, der an einer flachen Platte 12 befestigt und in einem Winkel α zur Ebene der Platte 12 positioniert ist. Der Miniwirbelerzeuger 10 ist zum Beispiel eine dreieckige Nase mit einer Länge c und einer Basis mit einer Breite b. Wenn Luft in Richtung des Pfeils 14 über den Miniwirbelerzeuger 10 strömt, löst die Spitze 20 des Miniwirbelerzeugers 10 ein Paar entgegengesetzt zueinander rotierende Wirbel 16 und 18 aus, die von der Hinterkante des Miniwirbelerzeugers 10 (oder der Vorderkante 22 der Platte 12) quer über die Platte strömen.
Von der Spitze 20 in Strömungsrichtung gesehen (d. h. in Richtung des Pfeils 14) rotiert der Wirbel 16 im Uhrzeigersinn, wenn er sich quer über die Platte 12 bewegt, während sich der Wirbel 18 entgegen dem Uhrzeilersinn dreht. Die Drehung der Wirbel 16, 18 verbessert das Vermischen des Fluids, wie z. B. Luft, wenn diese quer über die Platte 12 strömt. Folglich befördert die Wirbelvermischung, wenn das Fluid wärmer als die Platte 12 ist, das wärmere Fluid zur Platte 12. Da außerdem die Wärme aus dem Fluid auf die Platte übertragen wird, fördert die Wirbelvermischung das kühlere Fluid von der Platte weg. Eine solche Vermischung steigert das Wärmeübertragungsvermögen der Platte 12 über das Vermögen hinaus, das ohne Wirbelvermischung vorliegen würde.
Ohne Miniwirbelerzeuger 10 ist die Grenzschicht über der Platte 12 normalerweise laminar, wobei die Dicke der Grenzschicht von der Vorderkante 22 der Platte 12 zu ihrer Hinterkante zunimmt. Bei Verwendung des Miniwirbelerzeugers 10 machen die Wirbel 16, 18 die Grenzschicht wirksam dünner, so dass sie der Wärmeübertragung einen geringeren Widerstand entgegensetzt als eine dickere Grenzschicht, wodurch sich das Wärmeübertragungsvermögen der Platte 12 erhöht.
In 2 ist eine Wärmetauscherrippe 30 dargestellt, die erfindungsgemäße Miniwirbelerzeuger für die Erhöhung des Wärmeübertragungsvermögens verwendet. Die Rippe 30 enthält einen Satz Eintrittslamellen 32, einen Satz Wirbelerzeugerlamellen 34, einen vorderen Satz normale Lamellen 36, einen Satz Umlenklamellen 50, einen hinteren Satz normale Lamellen 40 und einen Satz Austrittslamellen 42. Jede Wirbelerzeugerlamelle 34 ist mit einem Satz Miniwirbelerzeuger 10 ausgestattet, wie z. B. solche, die mit Bezug zu 1 beschrieben worden sind, die aus einem ebenen Abschnitt der Lamelle herausragen. Wie dargestellt, sind die Miniwirbelerzeuger 10 zu einem ebenen Abschnitt der Lamelle abwärts abgewinkelt. Alternativ können die Miniwirbelerzeuger aufwärts abgewinkelt sein.
Bei dieser bildlich dargestellten Ausgestaltung existieren eine Spalte Eintrittslamellen 32, zwei Spalten Wirbelerzeugerlamellen 34, zwei Spalten vordere normale Lamellen 36, eine Spalte Umlenklamellen 50, vier Spalten hintere normale Lamellen 40 und eine Spalte Austrittslamellen 42. Jede Spalte hat sechs der entsprechenden Lamellen, so dass in diesem Beispiel 12 Wirbelerzeugerlamellen 34 (d. h. zwei Spalten Lamellen, jede Spalte mit sechs Lamellen) vorhanden sind. In Abhängigkeit einer bestimmten Anwendung können jedoch in jeder Spalte 200 oder mehr Lamellen vorhanden sein. Außerdem kann es drei bis sechs oder mehr Spalten der Wirbelerzeugerlamellen 34 geben. Der Anteil der Spalten der Wirbelerzeugerlamellen 34 zu den Spalten der vorderen normalen Lamellen 36 liegt normalerweise zwischen etwa 20 % und 50 %.
Die Eintrittslamellen 32 haben einen waagerechten Abschnitt 44 und einen geneigten Abschnitt 46. Der Neigungswinkel des geneigten Abschnitts 46 stimmt mit dem Neigungswinkel der Wirbelerzeugerlamellen 34 und des vorderen Satzes normaler Lamellen 36 eines Vorderteils 48 der Umlenklamellen 50 überein, wie durch den Winkel β dargestellt, der in diesem Beispiel etwa 45° beträgt. Die Umlenklamellen 50 sind außerdem mit einem entgegengesetzt geneigten Abschnitt 52 ausgestattet, dessen Neigungswinkel mit dem des hinteren Satzes normaler Lamellen 40 und eines geneigten Abschnitts 54 der Austrittslamellen 42 übereinstimmt, wobei die Austrittslamellen 42 außerdem einen waagerechten Abschnitt 56 haben.
Die Lamellenteilung d₁ zwischen den Miniwirbelerzeugerlamellen 34 beträgt etwa 0,8 mm bis 1,5 mm und die Rippenteilung d₂ etwa 0,8 mm bis 1,8 mm. Obwohl die Lamellenteilung d₁ und die Rippenteilung d₂ bei den einzelnen Lamellen als gleich dargestellt sind, kann eine Teilung oder können beide Teilungen in Abhängigkeit der Anwendungserfordernisse der Rippe 30 unterschiedliche Größen haben.
Bei Verwendung der Rippe 30 tritt Luft in die Rippe 30 ein, wie durch Pfeil 58 dargestellt. Die Eintrittslamellen 32 lenken die Luft aufwärts über die Wirbelerzeugerlamellen 34, wie durch den aufwärts geneigten Pfeil gekennzeichnet. Die Miniwirbelerzeuger 10 der Wirbelerzeugerlamellen 34 lösen in der Luftströmung Wirbel aus, wodurch die Temperaturgrenzschicht, wie voranstehend beschrieben, dünner gemacht und damit das Wärmeübertragungsvermögen der Wärmetauscherrippe 30 erhöht wird. Die Luft strömt an dem vorderen Satz normaler Lamellen 36 vorbei und wird durch die Umlenklamellen 50 abwärts am hinteren Satz normaler Lamellen 40 vorbei gelenkt, wie durch den abwärts geneigten Pfeil gekennzeichnet, und tritt durch die Austrittslamellen 42 in Richtung des Pfeils 60 nach außen.
In 4 ist ein Beispiel einer allgemein mit der Bezugsnummer 70 gekennzeichneten Wärmetauscherrippe dargestellt. In 3A ist ein Teil der Rippe 70 mit den Wirbelerzeugerlamellen 34, den vorderen normalen Lamellen 36 und den hinteren normalen Lamellen 40 dargestellt. In dieser Ausgestaltung haben die Lamellen eine Länge L von etwa 6 mm bis 10 mm und eine Breite w von etwa 0,8 mm bis 1,5 mm. Es ist zu beachten, dass in Abhängigkeit der Anwendung der Rippe 70 Länge und Breite der Lamellen kleiner oder größer als die zuvor genannten Abmessungen sein können.
Unter Bezugnahme speziell auf 3B enthält jede Wirbelerzeugerlamelle 34 einen Satz Miniwirbelerzeuger 10 an der Außenkante der Lamelle. Jede Lamelle 34 kann mit nur einem Miniwirbelerzeuger 10 oder mit acht bis neun oder mehr Miniwirbelerzeugern ausgestattet sein. In einigen Ausgestaltungen sind die Miniwirbelerzeuger 10 im Abstand von etwa 1 mm zueinander angeordnet, und jeder Miniwirbelerzeuger 10 hat eine Länge c kleiner als etwa 1 mm und eine Basisbreite b kleiner als etwa 1 mm. In einer bestimmten Ausgestaltung betragen die Länge c und die Basisbreite b jeweils etwa 0,4 mm. Die Miniwirbelerzeuger 10 können einen wie im Beispiel in 1 dargestellten Neigungswinkel α im Bereich von etwa 30° bis 45° aufweisen. Wiederum können in Abhängigkeit der Anwendung der Rippe 70 diese Abmessungen kleiner oder größer als die eben genannten sein.
5 stellt die durch eine erfindungsgemäße Rippe mit Wirbelerzeugerlamellen bereitgestellte verbesserte Leistungsfähigkeit dar. Die Rippe mit Wirbelerzeugerlamellen, die mit Miniwirbelerzeugern 10 ausgestattet sind, hat ein Wärmeübertragungsvermögen von etwa 100 % bis 110 %, wie durch die Säule 90 gezeigt, während eine nicht mit solchen Wirbelerzeugerlamellen ausgestattete Rippe ein Basisleistungsvermögen von 100 % hat, wie durch die Säule 80 gezeigt.
Die voranstehende ausführliche Beschreibung soll lediglich als Darstellung des Prinzips und nicht als Beschränkung zu betrachten sein, und es sind die nachfolgenden Patentansprüche einschließlich aller Äquivalente, die den Sinn und Geltungsbereich der Erfindung definieren.

Claims

Wärmetauscherrippe für ein Fahrzeug, umfassend: – eine Vielzahl von im Abstand zueinander angeordneten Lamellen, wobei die Lücke zwischen benachbarten Lamellen einen Spalt bildet, wobei mindestens eine der Vielzahl der Lamellen eine Wirbelerzeugerlamelle ist, die mit mindestens einem Miniwirbelerzeuger ausgestattet ist; – den Miniwirbelerzeuger, der eine aus einer Außenkante der Wirbelerzeugerlamelle herausragende Nase ist, wobei der Miniwirbelerzeuger ein Paar entgegengesetzt zueinander rotierender Wirbel in einem Fluid erzeugt, wenn das Fluid auf den Miniwirbelerzeuger auftrifft.
Wärmetauscherrippe nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Wirbelerzeugerlamellen zu Nichtwirbelerzeugerlamellen zwischen etwa 20 % und 50 % liegt.
Wärmetauscherrippe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Miniwirbelerzeugerlamelle dem einströmenden Fluid zugewandt zur Vorderseite der Rippe hin angeordnet ist.
Wärmetauscherrippe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nase mit einem Winkel relativ zu einem ebenen Abschnitt der Wirbelerzeugerlamelle geneigt ist.
Wärmetauscherrippe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Nase eine dreieckige Form mit einer Basis und einer Länge hat.