DE102006034238A1

DE102006034238A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102006034238A1
Application number: DE102006034238A
Authority: DE
Inventors: Fengjun Dr.-Ing. Yang; Dieter Dipl.-Ing. Merz; Peter Dipl.-Ing. Röser
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus Sammelkanälen (1a, 1b), aus Bodenplatten (2a, 2b), in denen Öffnungen (22) ausgebildet sind und aus Rohren (3), deren Enden jeweils mit einer Öffnung (22) korrespondieren, um Mündungen (4) in oder aus den Sammelkanälen (1) zu bilden. Um den inneren Druckverlust weiter zu reduzieren, wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens einige der Mündungen (4) asymmetrisch ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus Sammelkanälen, aus Bodenplatten, in denen Öffnungen ausgebildet sind und aus Rohren, deren Enden jeweils mit einer Öffnung korrespondieren, um Mündungen in den oder aus dem Sammelkanal zu bilden.
Der Wärmetauscher ist aus der DE 197 57 034 A1 bekannt. Es gibt dort verschiedene Varianten der Ausbildung der Mündungen. Die Mündungen wurden so ausgebildet, dass ein möglichst geringer Druckverlust des in den Flachrohren strömenden Mediums beim Eintritt/Austritt in/aus den/dem Sammelkanal erreicht wird.
Auf diesen vorteilhaften Stand der Technik baut die vorliegende Erfindung auf und stellt sich die Aufgabe, den Druckverlust des durch die Rohre strömenden Mediums noch weiter zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich bei dem oben angegebenen Wärmetauscher durch das Kennzeichen des Anspruchs 1.
Die Mündungen sind asymmetrisch ausgebildet. Dadurch wird dem einströmenden bzw. dem ausströmenden Medium ein noch geringerer Widerstand entgegengesetzt, wodurch der Druckverlust weiter abgesenkt werden kann, wie durch umfangreiche CFD-Simulationsrechnungen belegt wurde. Die Mündungen besitzen Mündungsradien bzw. Krümmungsradien. Der Mündungsradius an wenigstens einigen Mündungen ist an einer Seite der Öffnung bzw. der Mündung größer als an der anderen Seite der Mündung. Bei der Einlaufbodenplatte, also bei derjenigen in der das Medium in den Wärmetauscher eintritt, ist der Mündungsradius an der Anströmseite größer als an der Abströmseite. Die Asymmetrie der Mündungen kann aus fertigungstechnischen Gründen bei allen Öffnungen bzw. allen Mündungen gleich ausgebildet sein, ohne dadurch auszuschließen, dass beispielsweise näher an der Einströmöffnung in dem einen Sammelkanal liegende Öffnungen bzw. Mündungen andere Mündungsradien besitzen als weiter davon entfernt liegende Öffnungen. Gute Ergebnisse bezüglich der weiteren Reduzierung des Druckverlustes sind auch bereits dann zu erzielen, wenn wenigstens die Mehrzahl der Öffnungen an ihren Mündungen asymmetrisch ausgebildet ist. Beispielsweise können die in unmittelbarer Nähe der erwähnten Einströmöffnung liegenden Öffnungen an ihren Mündungen noch symmetrisch ausgebildet sein und die davon entfernten Öffnungen sind an ihren Mündungen vorschlagsgemäß asymmetrisch ausgebildet.
Die Asymmetrie der Mündungen, muss nicht, wie bereits ausgeführt wurde, an allen Mündungen einer Bodenplatte identisch sein. Darunter ist auch zu verstehen, dass z. B. bei etwa mittig an dem Sammelkanal angeordnetem Einlass oder Auslass die Asymmetrie innerhalb einer Bodenplatte von beiden Seiten der Bodenplatte zur Mitte der Bodenplatte „hinweisend", bzw. zur Mitte „geneigt", ausgebildet sein kann, weil das Medium aus der Mitte in entgegengesetzten Richtungen an – bzw. abströmt. Im Gegensatz zu der Ausbildung der Mündungen in der Einlaufbodenplatte ist bei der Auslaufbodenplatte vorgesehen, dass die in Richtung zur Ausströmöffnung in dem anderen Sammelkanal liegenden bzw. weisenden Mündungsradien größer sind als die Mündungsradien an der davon entgegengesetzten Richtung, um auch diese Mündungen asymmetrisch auszubilden.
Als Mündungsradien können Kreisbogenradien vorgesehen werden, aber auch, und zwar für viele Anwendungen bevorzugt, werden parabelartige bzw. vom Kreisbogen abweichende Krümmungsradien vorgesehen. Die Größe der beiden Mündungsradien an jeder Mündung kann deutlich voneinander abweichen. Es hat sich gezeigt, dass bei der Einlaufbodenplatte der an der Anströmseite liegende Radius wesentlich größer sein soll als der an der Abströmseite liegende Radius, der auch wiederum relativ klein sein kann, beispielsweise deutlich kleiner als die Krümmungsradien, die in der DE 197 57 034 A1 gezeigt worden sind. An der Auslaufbodenplatte kann entsprechend der zur Ausströmöffnung im Sammelkanal weisende Krümmungsradius wesentlich größer sein als der davon entfernt liegende Krümmungsradius, der ebenfalls relativ klein sein kann. Die erwähnten größeren Krümmungsradien können auch wesentlich größer sein als die in der DE 197 57 034 A1 gezeigten Krümmungsradien.
Aus fertigungstechnischen Gründen ist es von Vorteil, wenn der Sammelkanal und die Bodenplatte zwei getrennte Bauteile sind, die später verbunden werden können. Aus diesen Gründen ist es auch von Vorteil, wenn beide Bauteile aus Kunststoff hergestellt werden. Es liegt jedoch auf der Hand, dass diese Fragen im Kontext mit der vorgeschlagenen Idee von untergeordneter Bedeutung sind. So kann der Werkstoff sehr wohl auch Metall, beispielsweise Aluminium, sein und beide Bauteile könnten auch von vorne herein einteilig ausgebildet werden, sodass deren spätere Verbindung nicht erforderlich wird.
Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Abbildungen beschrieben. Aus dieser Beschreibung können weitere Merkmale und Vorteile hervorgehen, die sich später möglicherweise als besonders bedeutsam herausstellen können.
Die 1 zeigt Stand der Technik.
Die 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Bodenplatte gemäß der Erfindung.
Die 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer weiteren Bodenplatte.
Die 4 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Die 5 und 6 zeigen unterschiedliche Asymmetrien der Mündungen in der Einlaufbodenplatte.
Die 7 und 8 zeigen unterschiedliche Asymmetrien der Mündungen in der Auslaufbodenplatte
Die 9 zeigt CFD-Ergebnisse, die die weitere Senkung des Druckverlustes belegen.
Um die Vorteile der Erfindung zu belegen, wurde als Referenz ein Wärmetauscher herangezogen, wie er beispielsweise in der erwähnten DE 197 57 034 A1 gezeigt und beschrieben worden ist. Die Mündungen sind dort symmetrisch ausgebildet, d. h. bezüglich einer Mittelebene ME, die sich zwischen den Schmalseiten der Flachrohre erstreckt, besitzen die Mündungen zu beiden Seiten hin gleich große bzw. gleichmäßig geformte Mündungsradien, was in dieser Referenz in nachvollziehbarer Weise als besonders vorteilhaft gegenüber einem Stand der Technik beschrieben wurde, der zwar auch gleich große Mündungsradien aufweist, die allerdings ziemlich klein sind, weshalb ziemlich scharfkantige Übergänge ausgebildet sind, die einen entsprechend höheren Druckverlust zur Folge haben. Die 1 soll den Stand der Technik zeigen.
Die 9 zeigt CFD-Ergebnisse am Einlaufrohrboden und die 10 zeigt die Ergebnisse am Auslaufrohrboden, jeweils im Vergleich zur Referenz und jeweils für zwei vorschlagsgemäße Varianten, die sich bezüglich der Größe der Mündungsradien R1, R2 und durch die Formgebung der Mündungsradien unterscheiden. Wie daraus zu entnehmen ist, wird am Einlaufrohrboden der Druckverlust um 15,1 bzw. 19,1 % reduziert. Die Leistungsverluste durch Reibung im Medium werden um 14,5 bzw. um 17,5 % reduziert. Im Auslaufrohrboden liegen die durch die Erfindung erreichten Verbesserungen zum Teil noch wesentlich darüber, wie der in der 5 gezeigten Tabelle entnommen werden kann. Die Unterschiede zwischen den erwähnten zwei Varianten gehen aus dem Vergleich der 2 und 3 hervor und auch aus dem Vergleich der 5-8. Sie liegen in der Ausbildung der Asymmetrie der Mündungen 4. Wie die Figuren zeigen, ist der in den Bildern rechte Krümmungsradius R2 an den Mündungen 4 bei der Variante 1 etwas kleiner als bei der Variante 2. Der andere, linke Krümmungsradius R1 ist bei der Variante 2 etwas ausladender ausgebildet, wohingegen bei der Variante 1 ein sehr schwacher Knick oder doch zumindest ein Stück K mit einem deutlich kleineren Krümmungsradius in diesem Radius R1 erkennbar ist. Die in den 5-8 im Sammelkanal 1 eingezeichneten Pfeile zeigen die dort vorhandene Strömungsrichtung an. In der 5 wurde eine zwischen den Schmalseiten der Flachrohre 3 liegende Mittelebene ME eingezeichnet, auf die sich die Asymmetrie bezieht, bzw. die dieselbe auch verdeutlicht.
Die 4 zeigt nun einen Teil eines Wärmetauschers, und zwar einen Sammelkanal 1 mit einer Bodenplatte 2, mit angedeuteten Rohren 3, deren Enden 33 jeweils mit einer Öffnung 22 in der Bodenplatte 2 korrespondieren, um Mündungen 4 in den oder aus dem Sammelkanal 1 zu bilden. Die Rohre 3 sind, wie erwähnt, Flachrohre, wobei die Figuren praktisch den Blick auf eine der Schmalseiten der Flachrohre 3 zeigen. Zwischen den Flachrohren 3 wurden Rippen 20 angedeutet, durch die beispielsweise Kühlluft strömen soll. Ansichten, die die Breitseite der Flachrohre 3 abbilden sind hier nicht vorhanden, allerdings zum Verständnis für den Fachmann wohl auch nicht erforderlich. Am anderen nicht gezeigten Ende 33 der Flachrohre 3 befindet sich entweder ein anderer Einlass- oder Auslass-Sammelkanal 1 oder auch ein Umlenk-Sammelkanal. Umlenk-Sammelkanäle werden bei Wärmetauschern bekanntlich eingesetzt, wenn man das in den Flachrohren 3 strömende Medium zum gezeigten Sammelkanal 1 zurückführen und dort ausleiten möchte. In diesen nicht dargestellten Fallen befindet sich bekanntlich eine Trennwand im gezeigten Sammelkanal 1 und das Medium strömt dann in einer Gruppe von Flachrohren 3 zum Umlenk-Sammelkanal hin und in einer anderen Gruppe zum abgetrennten Teil des Sammelkanals 1 zurück. (U-förmige Durchströmung) Gemäß der in der 4 gezeigten Ausführung sind sämtliche Mündungen 4 asymmetrisch ausgebildet worden. Die Ein- oder Austrittsöffnung 10 in oder aus den Sammelkanal 1 hat zwar keine zentrale Position, aber sie liegt auch nicht an einem Ende des Sammelkanals 1. Man hat hier trotzdem vorgesehen, dass die von der Öffnung 10 links liegenden Mündungen 4 eine Asymmetrie aufweisen, die zur Öffnung 10 hinweist, bzw. in diese Richtung – also nach rechts – geneigt ist. Die von der Öffnung 10 rechts liegenden Mündungen 4 weisen dagegen eine Asymmetrie auf, die in die entgegengesetzte Richtung zeigt – also nach links. Damit werden optimale Strömungsverhältnisse mit sehr geringem Druckverlust geschaffen.
Bei einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel hat man die im Öffnungsbereich 10B (4) liegenden Mündungen 4 ohne Asymmetrie ausgebildet, also so wie in der 1 gezeigt, und die sich an diesen Bereich 10B links und rechts anschließenden Mündungen 4 hat man so ausgebildet, wie in der 4 gezeigt wird, also mit in entgegengesetzter Richtung geneigten Asymmetrien.
Bei einem anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispiel hat man sämtliche Mündungen 4 mit in eine einheitliche Richtung weisender Asymmetrie ausgebildet und auch damit bessere Ergebnisse erzielt als mit Ausgestaltungen, die dem Stand der Technik entsprechen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Bodenplatte 2 und der Sammelkanal 1 zwei Teile, die im Zuge der Herstellung des Wärmetauschers miteinander verbunden werden. Sie können z. B. aus Kunststoff bestehen und miteinander verklebt oder verschweißt werden.

Claims

Wärmetauscher, bestehend aus Sammelkanälen (1a, 1b), aus Bodenplatten (2a, 2b), in denen Öffnungen (22) ausgebildet sind und aus Rohren (3), deren Enden jeweils mit einer Öffnung (22) korrespondieren, um Mündungen (4) in den oder aus dem Sammelkanal (1) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Mündungen (4) asymmetrisch ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) Flachrohre mit zwei Schmalseiten und zwei Breitseiten sind und die Öffnungen (22) eine daran angepasste Form aufweisen, wobei die Enden der Flachrohre (3) in den Öffnungen (22) angeordnet sind oder auf einer Öffnungsumrandung aufgesteckt sind.
Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsradius (R1) in der Einlaufbodenplatte (2a) an der Anströmseite größer ist als der Mündungsradius (R2) an der Abströmseite.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mündungsradius (R1) in der Auslaufbodenplatte (2b) an den zur Ausströmrichtung liegenden Seiten der Öffnungen (22) bzw. der Mündungen (4) größer ist als der Mündungsradius (R2) an den Seiten, die entgegen der Ausströmrichtung angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Asymmetrie der Mündungen (4) auf eine Mittelebene bezieht, die entlang oder zwischen beiden Schmalseiten der Flachrohre (3) bzw. der Öffnungen (22) verläuft.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie an allen Mündungen (4) einer Bodenplatte identisch ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie der Mündungen (4) innerhalb einer Bodenplatte verschieden ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie wenigstens einiger Mündungen „geneigt" zur Asymmetrie wenigstens einiger anderer Mündungen (4) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Asymmetrie dadurch verschieden ist, dass die Krümmungsradien (R1, R2) an einigen Mündungen (4) einer Bodenplatte (2a, 2b) andere sind als an anderen Mündungen (4) derselben Bodenplatte.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (1) und die Bodenplatte (2) zwei getrennte Bauteile und vorzugsweise aus Kunststoff sind, die mittels Klebens, Schweißens oder anderweitig dicht verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (1) und die Bodenplatte (2) gemeinsam ein einziges Teil bilden.