DE102004045923A1 - Flow channel for a heat exchanger comprises rows with structural elements on opposite-lying heat exchanger surfaces that overlap each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen von einem Medium in einer Strömungsrichtung durchströmbaren Strömungskanal eines Wärmeübertragers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Wärmeübertrager mit Strömungskanälen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 40.The The invention relates to one of a medium in a flow direction flow-through flow channel a heat exchanger according to the preamble of claim 1. In addition, the invention relates a heat exchanger with flow channels after the preamble of claim 40.
Strömungskanäle für Wärmeübertrager
werden von einem ersten Medium, z. B. einem Abgas oder einem flüssigen Kühlmittel
durchströmt
und grenzen dieses erste Medium gegenüber einem zweiten Medium, auf
welches die Wärme
des ersten Mediums übertragen
werden soll, ab. Derartige Strömungskanäle können Rohre
mit rundem Querschnitt, Rechteckrohre, Flachrohre oder auch Scheibenpaare
sein, bei welchen zwei Platten oder Scheiben randseitig verbunden
sind. Meistens sind die Medien, die miteinander in Wärmeaustausch
stehen, verschieden, z. B. strömt
in den Rohren ein heißes,
mit Rußpartikeln
beladenes Abgas, und auf der Außenseite
werden die Abgasrohre von einem flüssigen Kühlmittel umströmt, was
unterschiedliche Wärmeübertragungsverhältnisse
auf der Innen- und der Außenseite
der Rohre zur Folge hat. Man hat daher, insbesondere für Abgasrohre
vorgeschlagen, auf deren Innenseite V-förmig und diffusorartig angeordnete Tur bulenzerzeuger
anzuordnen, die für
eine Verwirbelung der Strömung
und eine Verbesserung des Wärmeüberganges
auf der Abgasseite sorgen sowie gleichzeitig eine Rußablagerung
verhindern. Derartige Lösungen
für Abgaswärmeübertrager
gehen aus folgenden Druckschriften der Anmelderin hervor: EP-A 677
715, DE-A 195 40 683, DE-A 196 54 367 und DE-A 196 54 368. Diese
bekannten Abgaswärmeübertrager
weisen Rechteckrohre aus Edelstahl auf, die aus zwei miteinander
verschweißten
Halbschalen zusammengesetzt sind, in welche die Turbulenzerzeuger,
so genannte winglets eingeformt bzw. eingeprägt und hintereinander angeordnet
sind. Die winglet-Paare
der beiden Halbschalen sind entweder in Längsrichtung der Rohre, d. h.
in Strömungsrichtung
gegeneinander versetzt (
In der DE-A 101 27 084 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Kühlmittel/Luftkühler mit Flachrohren und Wellrippen vorgeschlagen, bei welchen die flachen Seiten der Flachrohre eine aus Strukturelementen bestehende Struktur aufweisen. Die Strukturelemente sind länglich ausgebildet, V-förmig in Reihen quer zur Kühlmittelströmungsrichtung bzw. quer zur Längsachse der Rohre angeordnet und fungieren als Wirbelerzeuger, um den Wärmeübergang auf der Kühlmittelseite zu erhöhen. Die Wirbelerzeuger sind in beide sich gegenüber liegenden Rohrwände eingeprägt und ragen nach innen in die Kühlmittelströmung. Die Reihen von Wirbelerzeugern auf einer Flachrohrseite sind in Strömungsrichtung versetzt gegenüber den Reihen auf der anderen Flachrohrseite. Damit ist es auch möglich, die nach innen ragende Höhe der Wirbelerzeuger größer als die halbe lichte Weite des Flachrohrquerschnittes zu bemessen.In DE-A 101 27 084 of the applicant was a heat exchanger, in particular a Coolant / air cooler with Flat tubes and corrugated fins proposed in which the flat Side of the flat tubes a structure consisting of structural elements exhibit. The structural elements are elongated, V-shaped in Rows transverse to the coolant flow direction or transverse to the longitudinal axis The tubes are arranged and act as vortex generators to the heat transfer on the coolant side to increase. The vortex generators are embossed in both opposite tube walls and protrude inside the coolant flow. The Rows of vortex generators on a flat tube side are in the flow direction offset the rows on the other flat tube side. Thus it is also possible, the inwardly projecting height the vortex generator is larger than to measure half the clear width of the flat tube cross section.
Durch die EP-A 1 061 319 wurde ein Flachrohr für einen Kraftfahrzeugkühler bekannt, welches auf seinen flachen Seiten eine Struktur aufweist, die aus einzelnen länglichen, in Reihen angeordneten Strukturelementen besteht. Dabei sind in Strömungsrichtung Reihen mit unterschiedlich ausgerichteten Strukturelementen angeordnet, sodass die Strömung im Inneren des Flachrohres etwa zick-zack-förmig umgelenkt wird. Insbesondere sind jedoch die Reihen mit Strukturelementen auf einer Flachrohrseite in Strömungsrichtung versetzt gegenüber den Reihen der gegenüberliegenden Flachrohrseite angeordnet. Einer Reihe von Strukturelementen liegt also jeweils ein glatter Bereich der Flachrohrinnenwand gegenüber. Die Strömung innerhalb des Kühlmittelrohres wird somit abwechselnd von den Strukturelementen der einen und der anderen Flachrohrseite, nicht jedoch gleichzeitig beeinflusst. Damit soll unter anderem eine Verstopfung der Rohre vermieden werden. Hinsichtlich der Wärmeübertragungsfähigkeit ergeben sich hier noch Potenziale.By EP-A 1 061 319 has disclosed a flat tube for a motor vehicle radiator, which has on its flat sides a structure made of single oblong, consists of arranged in rows structural elements. Here are in flow direction Rows arranged with differently oriented structural elements, so that the flow in the Inside the flat tube is deflected approximately zig-zag-shaped. Especially however, are the rows of structural elements on a flat tube side in the flow direction offset the rows of opposite Flat tube side arranged. A set of structural elements lies So in each case a smooth area of the flat tube inner wall opposite. The flow inside the coolant tube thus alternately from the structural elements of one and the other Flat tube side, but not influenced at the same time. So that should Among other things, a blockage of the pipes are avoided. Regarding the heat transfer ability there are still potentials here.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strömungskanal sowie einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Wärmeübertragungsfähigkeit zu verbessern, insbesondere Turbulenz- und Wirbelbildung zu erhöhen, wobei der Druckverlust in einem noch vertretbaren Maß ansteigen soll.It Object of the present invention, a flow channel and a heat exchanger of the type mentioned above in terms of its heat transfer capacity to improve, in particular to increase turbulence and vortex formation, wherein the pressure loss should increase to an acceptable level.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich die insbesondere in Reihen angeordneten Strukturelemente auf der einen und der anderen Seite des Strömungskanals im wesentlichen gegenüber liegen, also in Strömungsrichtung gesehen, jeweils etwa auf gleicher Höhe angeordnet sind. Die sich gegenüberliegenden Strukturelemente beziehungsweise Reihen können auch in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt sein, allerdings nur soweit, dass noch eine Überlappung besteht. Damit greifen gleichzeitig von der einen und der anderen Wärmeübertragerfläche abragende, in den Strömungskanal hineinragende Strukturelemente in die Strömung ein und bewirken eine Verwirbelung der Strömung, die eine Verbesserung der Wärmeübertragung auf der Innenseite des Strömungskanals zur Folge hat. Darüber hinaus wird – beispielsweise im Falle einer Abgasströmung – unter Umständen eine Ruß ablagerung verhindert. Der Druckverlust hält sich dabei in vertretbaren Grenzen. Die Strömung innerhalb des Strömungskanals wird somit von beiden Seiten gleichzeitig gestört, d. h. beide Grenzschichten werden gleichzeitig abgelöst, was zu einer besonders starken Verwirbelung führt. Die sich gegenüberliegenden Strukturelemente beziehungsweise Reihen aus Strukturelementen können sich ebenfalls auf der Außenseite des Strömungskanals – im Falle eines Abgaskühlers auf der Kühlmittelseite – befinden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is solved by the features of patent claim 1. According to the invention, it is provided that the structural elements arranged in particular in rows lie substantially opposite one another and the other side of the flow channel, that is, in the direction of flow, are each arranged approximately at the same height. The opposing structural elements or rows can also be offset from each other in the flow direction, but only to the extent that there is still an overlap. At the same time, structural elements projecting from the one and the other heat exchanger surface and projecting into the flow channel enter the flow and cause a turbulence of the flow, which results in an improvement of the heat transfer on the inside of the flow channel. In addition - for example, in the Trap of an exhaust gas flow - may prevent soot deposition. The pressure loss keeps within reasonable limits. The flow within the flow channel is thus disturbed simultaneously on both sides, ie both boundary layers are detached at the same time, which leads to a particularly strong turbulence. The opposing structural elements or rows of structural elements can also be on the outside of the flow channel - in the case of an exhaust gas cooler on the coolant side - are. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Eine Reihe mit Strukturelementen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung von einem oder mehreren Strukturelementen gebildet, die in Strömungsrichtung P im wesentlichen nebeneinander angeordnet sind. Insbesondere kann eine Reihe also auch durch ein einzelnes Strukturelement gebildet sein, neben dem beispielsweise keine weiteren Strukturelemente angeordnet sind.A Row of structural elements is within the scope of the present invention formed by one or more structural elements, in the flow direction P are arranged substantially side by side. In particular, can a row also be formed by a single structural element, arranged next to the example, no further structural elements are.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen verschiedene Ausführungsformen der Strukturelemente vor, wobei diese geradlinig oder gekrümmt ausgebildet sein können, d. h. mit einem konstanten oder variablen Abströmwinkel zur Strömungsrichtung. Durch die Änderung des Abströmwinkels von einem relativ großen Anströmwinkel bis zum Abströmwinkel ergibt sich eine „sanfte" Umlenkung der Strömung und damit ein etwas reduzierter Druckverlust. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Strukturelemente innerhalb einer Reihe versetzt angeordnet sein, d. h. die Strukturelemente sind zwar in einer quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Reihe angeordnet, jedoch in Strömungsrichtung gestaffelt angeordnet. Auch dadurch ergibt sich der Vorteil eines geringeren Druckverlustes. Darüber hinaus können sich gegenüberliegende Reihen, also der einen oder anderen Flachrohrseite, in Strömungsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sein, wobei jedoch immer eine Überlappung zwischen beiden Reihen erhalten bleibt. Auch durch diese Versetzung in Strö mungsrichtung ergibt sich ein geringerer Druckverlust. Berühren sich die gegenüberliegenden Strukturen und werden diese durch Schweißen oder Löten verbunden, so kann die Festigkeit gesteigert werden. Nach einer weiteren Variante sind die Strukturelemente nicht in gleichmäßigen Abständen in einer Reihe angeordnet, vielmehr weisen diese Reihen Lücken auf, denen jeweils auf der gegenüberliegenden Seite Strukturelemente gegenüber liegen und diese Lücken somit – in der Draufsicht – „ausfüllen". Auch dadurch wird der Vorteil eines geringeren Druckverlustes erreicht.advantageous Embodiments of the invention provide various embodiments the structural elements, which formed rectilinear or curved could be, d. H. with a constant or variable outflow angle to the flow direction. By the change the outflow angle from a relatively large one angle of attack to the outflow angle results in a "gentle" deflection of the flow and thus a slightly reduced pressure loss. After a further advantageous Embodiment of the invention can the structural elements are arranged offset within a row, d. H. Although the structural elements are in a direction transverse to the flow direction extending row arranged, but staggered arranged in the flow direction. Also This results in the advantage of a lower pressure loss. About that can out opposite each other Rows, so one or the other flat tube side, in the flow direction be offset from each other, but always an overlap between the two rows. Also by this transfer in the flow direction results in a lower pressure loss. Touch the opposite Structures and these are connected by welding or soldering, so the Strength be increased. After another variant are the structural elements are not evenly spaced in a row, rather, these rows have gaps on, each one on the opposite Side structural elements opposite lie and these gaps thus - in the plan view - "fill in." This also becomes the advantage of a lower pressure loss is achieved.
Zwischen oder neben den Strukturelementen beziehungsweise zwischen oder innerhalb der „Strukturreihen" (Reihen mit Strukturelementen) können (in Strömungsrichtung P gesehen) auch Noppen und/oder Stege nach außen oder innen ausgeprägt werden, um eine „Abstützung" und damit eine Festigkeitssteigerung zu erreichen. Die Wirbel erzeugenden Strukturen können diese Funktion ebenfalls ganz oder teilweise übernehmen.Between or next to the structural elements or between or within the "structural series" (rows of structural elements) can (in the flow direction P) and nubs and / or webs are pronounced outward or inward, to a "support" and thus an increase in strength to reach. The vortex generating structures can do this Also take over function completely or partially.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die sich im wesentlichen gegenüberliegenden Wärmeübertragungsflächen und insbesondere die darauf angeordneten Strukturelemente gekrümmt. Insbesondere bei Rohren mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt werden die erfindungsgemäßen Vorteile erreicht.According to one advantageous embodiment the substantially opposing heat transfer surfaces and in particular, the structural elements arranged thereon are curved. Especially in pipes with a circular or oval cross section, the advantages of the invention reached.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die sich im wesentlichen gegenüberliegenden Wärmeübertragungsflächen wärmetechnische Primärflächen. Gemäß einer Variante sind die Wärmeübertragungsflächen dagegen wärmetechnische Sekundärflächen, die insbesondere durch vorzugsweise mit dem Strömungskanal verlötete, verschweißte oder verklemmte Rippen, Stege oder dergleichen gebildet sind.According to one advantageous embodiment the substantially opposite heat transfer surfaces heat technical Primary surfaces. According to one Variant are the heat transfer surfaces against it thermic Secondary surfaces, the in particular by preferably soldered to the flow channel, welded or jammed ribs, webs or the like are formed.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die Höhe h der Strukturelemente im Bereich von 2 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm bis 4 mm, vorzugsweise um 3,7 mm.According to one advantageous embodiment lies the height h of the structural elements in the range of 2 mm to 10 mm, in particular in the range of 3 mm to 4 mm, preferably by 3.7 mm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Strömungskanal rechtekkig und weist eine Breite b auf, die insbesondere im Bereich von 5 mm bis 120 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 mm bis 50 mm liegt.According to one advantageous embodiment the flow channel rechtkkig and has a width b, which in particular in the area from 5 mm to 120 mm, preferably in the range of 10 mm to 50 mm lies.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform liegt ein hydraulischer Durchmesser des Strömungskanals im Bereich von 3 mm bis 26 mm, insbesondere im Bereich von 3 mm bis 10 mm.According to one advantageous embodiment lies a hydraulic diameter of the flow channel in the range of 3 mm to 26 mm, in particular in the range of 3 mm to 10 mm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfaßt zumindest eine, insbesondere jede Strukturelementreihe jeweils mehrere Strukturelemente.According to one advantageous embodiment comprises at least one, in particular each structural element row in each case a plurality of structural elements.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 40. Dabei sind erfindungsgemäß die vorgenannten Strömungskanäle als Flach-, Rund-, Oval- oder Rechteckrohre eines Wärmeübertragers, vorteilhafterweise eines Abgaswärmeübertragers vorgesehen. Die erfindungsgemäße Anordnung der Strukturelemente, d. h. vorteilhafterweise ihre Einprägung in die Rohrinnenwände bringt eine Leistungssteigerung des Wärmeübertragers mit sich. Besonders vorteilhaft sind die in Reihen angeordneten Strukturelemente für Abgaswärmeübertrager, weil hierbei auch eine Rußablagerung im Inneren der Flachrohre vermieden wird. Die Abgasrohre werden auf ihrer Außenseite von einem Kühlmittel umströmt, welches dem Kühlmittelkreislauf der die Abgase ausstoßende Brennkraftmaschine entnommen wird. Es ist ebenfalls möglich, dass die Strukturen auch in Platten oder Scheiben eingeprägt werden, um aus ihnen Wärmetauscher herzustellen.The object of the invention is also achieved by the features of claim 40. According to the invention, the aforementioned flow channels are provided as flat, round, oval or rectangular tubes of a heat exchanger, advantageously a Abgaswärmeübertragers. The arrangement of the structural elements according to the invention, ie advantageously their impression in the pipe inner walls brings an increase in performance of the heat exchanger with it. Particularly advantageous are the arranged in rows structural elements for exhaust gas heat exchanger, because in this case a soot deposition is avoided in the interior of the flat tubes. The exhaust pipes are on their outside of egg flows around a coolant, which is taken from the coolant circuit of the exhaust gases ejecting the internal combustion engine. It is also possible that the structures are also stamped in plates or slices to produce heat exchangers from them.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigenembodiments The invention are illustrated in the drawings and are in Following closer described. Show it
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt die Breite b des Flachrohres 40 mm oder 20 mm, die Gesamthöhe des Flachrohres etwa 4,5 mm und die Höhe h der winglets etwa 1,3 mm. Bei einer lichten Kanalhöhe von 4,0 mm verbleibt in Folge der von beiden Seiten in den Kanalquerschnitt hineinragenden winglets mit je 1,3 mm Höhe eine lichte Querschnittshöhe von 1,4 mm für eine Kernströmung. Der Abstand s der Reihen beträgt ca. 20 mm.at In a preferred embodiment, the width is b of the flat tube 40 mm or 20 mm, the total height of the flat tube about 4.5 mm and the height h of the winglets about 1.3 mm. At a clear channel height of 4.0 mm remains in a row of the two sides in the channel cross-section projecting winglets, each 1.3 mm high, a clear cross-sectional height of 1.4 mm for a core flow. The distance s of the rows is about 20 mm.
Das
Flachrohr
Die
Die
Die
In
den
Wichtig
dabei ist, dass die Strukturelemente einer Reihe oben und/oder unten
nicht zwangsläufig gleiche
geometrische Form bzw. Abmessungen aufweisen, wie es beispielhaft
anhand von vier Strukturelementen in
In
Die
Elemente gemäß
Grundsätzlich können alle beschriebenen Strukturen beliebig miteinander kombiniert werden.In principle, everyone can described structures are combined with each other arbitrarily.
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