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Die
Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmeübertrager
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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US 2005/0045314 A1 beschreibt
Rippen für einen Wärmeübertrager, bei
denen ein gewelltes, zwischen Flachrohren angeordnetes Rippenblech
zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit Kiemen
versehen ist.
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Aus
der Praxis des Wärmeübertragerbaus ist es zudem
bekannt, Weltrippen mit Kiemen zu versehen, die eine Kiementiefe
von 0,9 mm bei einem Kiemenwinkel von 27° aufweisen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Rippe für einen Wärmeübertrager
anzugeben, die eine gute Wärmeübertragung bei
geringem Druckabfall ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird für eine eingangs genannte Rippe erfindungsgemäß mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Untersuchungen
haben das überraschende Ergebnis ergeben, dass bei geeigneter
Wahl des Kiemenwinkels sowohl unterhalb als auch oberhalb der herkömmlichen
Kiementiefe Bereiche für die Kiementiefe existieren, die
einen besonders großen Wärmeübergang
bei geringem Druckabfall ermöglichen. Diese günstige
Eigenschaft der erfindungsgemäßen Rippe ermöglicht
es zum Beispiel, im Fall eines Heizkörpers für
einen Fahrzeuginnenraum eine geringere Gebläseleistung
bei gleichem Luftdurchsatz und gleicher Luftenwärmung vorzusehen.
Zudem wird bei dieser beispielhaften Anwendung die Geräuschentwicklung
durch Gebläse und Luftströmung reduziert. Weitere
Vorteile der Erfindung bestehen allgemein darin, dass eine Verbesserung
ohne nennenswerte Mehrkosten bei nahezu unverändertem Herstellungsverfahren erzielt
werden kann. Der Kiemenwinkel einer erfindungsgemäßen
Rippe beträgt dabei zwischen 14° und 30°.
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Bei
einer bevorzugten Detailgestaltung der Erfindung beträgt
der Kiemenwinkel zwischen 14° und 26°. Dieser
optimierte Bereich des Kiemenwinkels kann mit sämtlichen
Kiementiefen und besonders bevorzugt mit kleinen Kiementiefen zwischen
0,3 mm und 0,6 mm, kombiniert werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt
die Kiementiefe zur weiteren Optimierung der Eigenschaften zwischen
0,4 mm und 0,6 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,45 mm und 0,55
mm.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform beträgt die
Kiementiefe zur weiteren Optimierung zwischen 1,2 mm und 1,6 mm.
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Eine
Rippendichte in der Längsrichtung beträgt allgemein
bevorzugt zwischen 70 Ri/dm und 120 Ri/dm. Unter der Einheit Ri/dm
ist dabei die Anzahl der durch die Wellung gegebenen Rippenflanken
je Dezimeter zu verstehen.
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Die
Rippenflanken sind zur Verbesserung der mechanischen Stabilität
regelmäßig in einem Winkel zueinander angeordnet,
können je nach Anforderungen aber auch parallel zueinander
verlaufen.
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Zur
einfachen Herstellung bei zugleich guter Wirkung der Kiemen ist
es vorgesehen, dass eine Länge der Kiemen KL wenigstens
0,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2,0 mm, kleiner ist als
eine Rippenhöhe RH.
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Besonders
vorteilhaft werden erfindungsgemäße Dimensionierungen
der Kiemen bei relativ dünnen Rippenblechen eingesetzt,
wobei in bevorzugter Ausgestaltung eine Materialstärke
des Rippenblechs etwa zwischen 0,06 mm und 0,1 mm beträgt.
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Die
erfindungsgemäße Dimensionierung der Kiemen ist
besonders geeignet, wenn die mehreren Kiemen unmittelbar aufeinander
folgen. Dies bedeutet, dass zwischen aufeinander folgender Rippen
kein ebener Steg des verbleibt, so dass zwei Kiemen mittels eines
einzelnen Einschitts in das Blech voneinander getrennt sind.
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Bei
einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform sind eine
erste Kiemengruppe und eine zweite Kiemengruppe vorgesehen, wobei
die Kiemenwinkel KW der Kiemengruppen verschiedene Orientierungen
aufweisen. Somit wird das gasförmige Fluid zunächst
in der einen Richtung durch das Rippenblech geleitet und nachfolgend
in der Gegenrichtung.
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Eine
Rippenhöhe RH beträgt bevorzugt zwischen 3 mm
und 12 mm. In besonders bevorzugter Detailgestaltung liegt die Rippenhöhe
zwischen 4 mm und 8 mm.
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Zur
Verwendung in üblichen Bauformen von Wärmeübertragern
ist es vorgesehen, dass eine Tiefe der Rippe in der Tiefenrichtung
zwischen 15 mm und 80 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 45 mm, beträgt.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt
eine Rippendichte in der Längsrichtung nicht mehr als etwa
80 Ri/dm, wobei in bevorzugter Detailgestaltung der Kiemenwinkel
wenigstens 26° beträgt. Bei einer alternativen
Ausführungsform beträgt eine Rippendichte in der
Längsrichtung wenigstens etwa 80 Ri/dm beträgt,
wobei insbesondere der Kiemenwinkel nicht mehr als etwa 26° beträgt.
Insgesamt lässt sich hierdurch eine weitere Optimierung
der Leistungsfähigkeit unter Berücksichtigung
der Rippendichte erzielen, welche je nach Anwendung vorgegeben sein
kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für einen Wärmeübertrager
zudem gemäß Anspruch 13 durch das Vorsehen einer
erfindungsgemäßen Rippe gelöst.
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In
vorteilhafter Detailgestaltung ist der Wärmeübertrager
als Wärmeübertrager eines Kraftfahrzeugs ausgebildet,
insbesondere als elektrischer Heizkörper, flüssigkeitsbetriebener
Heizkörper, Verdampfer oder Kondensator einer Fahrzeug-Klimaanlage,
Ladeluftkühler oder Kühlmittelkühler.
Bei Kraftfahrzeugen besteht eine besonders hohe Anforderung an die
Optimierung der Wärmeübertragerleistung bei gegebenem
Bauraum. Die erfindungsgemäße Rippe ist dabei
insbesondere zur Verwendung mit einem Heizkörper geeignet,
da sie bei gegebenem Luftstrom und gegebener Temperaturdifferenz
einen besonders kleinen Druckabfall ermöglicht. Dies reduziert
Geräusche und erlaubt es zum Beispiel, ein Heizungsgebläse
besonders klein auszulegen. Bei einem Wärmeübertrager
in Form eines elektrisch betriebenen Heizkörpers sind die
Strukturen zum Beispiel als elektrische Heizstäbe, bevorzugt
PTC-Heizelemente (PTC = Positive Temperature Coefficient). In möglicher
alternativer Ausführung eines Heizkörpers können
die Strukturen auch Flachrohre oder Rundrohre sein, in denen zum
Beispiel erhitztes Kühlmittel eines Motor-Kühlkreislaufs
strömt.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
eine ausschnittsweise Draufsicht auf einen Wärmeübertrager
mit erfindungsgemäßen Rippen.
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2 zeigt
eine Ausschnittsvergrößerung der Rippe aus 1.
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3 zeigt
einen Querschnitt durch die Rippe aus 1.
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4 zeigt
eine schematische Ausschnittsdarstellung der Rippe aus 1 zur
Definition von Bemaßungen.
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5 zeigt
eine Temperaturdifferenz als Funktion eines luftseitigen Druckabfalls
unter Variation von Rippendichte und Kiemenwinkel für eine
Kiementiefe von 1,5 mm.
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6 zeigt
eine Temperaturdifferenz als Funktion eines luftseitigen Druckabfalls
unter Variation von Rippendichte und Kiemenwinkel für eine
Kiementiefe von 0,5 mm.
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7 zeigt
ein Diagramm des Quotienten aus Leistung und luftseitigem Druckabfall
als Funktion des Kiemenwinkels für mehrere erfindungsgemäße
Kiementiefen sowie für einen Stand der Technik.
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Der
in 1 dargestellte Wärmeübertrager
ist ein Heizkörper für ein Kraftfahrzeug. In bekannter
Bauweise sind zwischen Strukturen in Form von parallel verlaufenden
Flachrohren 1, die von einem erhitzten Kühlmittel
eines Motor-Kühlkreislaufs durchströmt werden,
jeweils Rippen 2 vorgesehen, so dass insgesamt ein von
einem gasförmigen Fluid wie Luft durchströmbares
Wärmeübertragernetz ausgebildet ist. Die Strömungsrichtung
der Luft verläuft in Richtung einer Tiefe des Wärmeübertragers
senkrecht zur Zeich nungsebene in 1. Die Flachrohre 1 münden
jeweils in einem Boden 3 eines Sammlers.
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Eine
Höhenrichtung im Sinne der Erfindung verläuft
in der Zeichnungsebene von 1 von links
nach rechts, also senkrecht zur Richtung der Flachrohre und zur
Tiefenrichtung. Eine Längsrichtung im Sinne der Erfindung
verläuft in der Zeichnungsebene von 1 von oben
nach unten, also parallel zu den Flachrohren 1.
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Die
Rippen 2 sind in ihrem Bauprinzip auf bekannte Weise als
Kiemen-Wellrippen aus einem in der Längsrichtung gewellten
Rippenblech ausgebildet, wobei die einzelnen durch die Wellung gebildeten
Rippenflanken jeweils eine Mehrzahl von Kiemen 4 aufweisen.
Die Kiemen 4 sind als aufgestellte Durchbrechung des Rippenblechs
ausgeformt und in der Tiefenrichtung hintereinander angeordnet.
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Gemäß der
Darstellungen nach 2 bis 4 sind die
Kiemen als Serie von in Tiefenrichtung unmittelbar aufeinander folgenden,
also mittels nur je eines Einschnitts des Rippenblechs voneinander
getrennten und gewinkelten Stegen ausgeformt. Der Aufstellwinkel
relativ zu der Tiefenrichtung ist als Kiemenwinkel KW definiert.
Die gesamte Länge einer Kieme, gemessen in einer Ebene
mit der Tiefenrichtung, ist als Kiementiefe KT definiert.
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Die
Kiemen haben gemäß 2 zudem
eine Kiemenlänge KL, die etwas kleiner als eine Rippenhöhe RH
ist, damit die Umbiegung des Rippenblechs ermöglicht ist.
Die Rippenhöhe RH entspricht vorliegend auch dem freien
Abstand benachbarter Flachrohre 1. Für bevorzugte
Rippenhöhen zwischen 3 mm und 12 mm beträgt die
Kiemenlänge KL in optimierter Form zwischen 0,5 mm und
2 mm weniger als die Rippenhöhe RH.
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Die
Anzahl der Rippenflanken je Längeneinheit in der Längsrichtng
wird als Rippendichte RD (Einheit: Ri/dm) definiert. Bevorzugt beträgt
die Rippendichte RD zwischen 70 und 120 Ri/dm.
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Die
gesamt Länge der Rippen in der Tiefenrichtung bzw. Strömungsrichtung
der Luft wird als Rippentiefe RT definiert und beträgt
je nach Anforderungen typisch zwischen 15 mm und 80 mm.
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Die
Schnittansicht 3 zeigt, dass die Kiemen 4 in
der Tiefenrichtung als zwei aufeinander folgende Kiemenfelder 5, 6 von
jeweils identischen Kiemen vorgesehen sind, wobei der Kiemenwinkel
der beiden Felder 5, 6 gleich groß, aber
in der Richtung invertiert ist. Somit wird die Luft erst in die
eine Richtung und nachfolgend in umgekehrter Richtung durch das
Rippenblech geleitet.
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Am
Anfang des ersten Kiemenfelds 5 und am Ende des zweiten
Kiemenfelds 6 ist jeweils eine Randkieme 5a, 6a vorgesehen,
die nur die halbe Höhe einer normalen Kieme 4 über
der Blechebene aufweist. Zwischen den Kiemenfeldern 5, 6 ist
jeweils eine Dachkieme 7 vorgesehen, die für eine Überleitung
zwischen den unterschiedlich gerichteten Kiemenfeldern 5, 6 sorgt.
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Sämtliche
der Kiemen 4, 5a, 6a, 7 haben
in sämtlichen vorliegenden Ausführungsbeispielen
jeweils die gleiche Höhe über der Blechebene.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung wurden Berechnungen und Versuche
vorgenommen, um die Dimensionierung der mehreren gleichen, hintereinander
angeordneten Kiemen 4 zu optimieren, wobei sich überraschende
Effekte gezeigt haben.
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Es
war bekannt, Weltrippen der vorstehend beschriebenen Form herzustellen,
die folgende Maßzahlen aufweisen: (Stand
der Technik:)
| KT
= 0,9 mm | KW
= 27° | RH
= 4,5 mm | RT
= 26 mm |
| D =
0,08 mm | | | |
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Es
hat sich gezeigt, dass für kleinere Kiemenwinkel im Bereich
von 14° bis 26° sowohl für kleinere Kiementiefen
als im Stand der Technik als auch für größere
Kiementiefen erhebliche Verbesserungen des Verhältnisses
von Heizleistung zu luftseitigem Druckabfall zu finden sind.
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5 zeigt
die Ergebnisse von Versuchen zu unterschiedlichen Rippendichten
unter Variation des Kiemenwinkels für eine konstante Kiementiefe
von 1,5 mm, also eine deutlich größere Kiementiefe
als nach dem Stand der Technik. Es wurde jeweils ein Luftmassenstrom
MS = 3 kg/min eingestellt. Messgröße ist die erzielte
Temperaturdifferenz der Luft als Funktion des Druckabfalls. Die
X-förmige Markierung zeigt den Arbeitspunkt nach dem vorstehenden
Stand der Technik.
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6 zeigt
die zu 5 analogen Ergebnisse für eine Kiementiefe
KT = 0,5 mm, also eine deutliche kleinere Kiementiefe als nach dem
Stand er Technik. Der eingestellte Luftmassenstrom beträgt
wiederum 3 kg/min.
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Ergebnisse
der durchgeführten Simulationen und Versuche sind in 7 zusammengefasst.
Aufgetragen sind der Quotient aus Temperaturdifferenz (entsprechend
Wärmeleistung) und Druckabfall ΔT/Δp über dem
Kiemenwinkel für vier verschiedene Kiementiefen: 0,5 mm,
0,9 mm (Stand der Technik für Kiemenwinkel von 27°),
1,2 mm und 1,5 mm. Der aus dem Stand der Technik bekannte Arbeitspunkt
ist wiederum als X-förmige Markeirung eingezeichnet. Bei
den Ergebnissen nach 7 sind ein Luftmassenstrom von
6 kg/min und eine Rippenhöhe von 4,5 mm vorgegeben.
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Es
wird angemerkt, dass die bei den Versuchen und Simulationen eingestellten
Luftmassenströme (5 und 6:
3 kg/min, 7: 6 kg/min) keinen relevanten
Einfluss auf die Ergebnisse haben. Dies gilt nach vorliegenden Erkenntnissen
wenigstens für einen Bereich des Luftmassenstroms von 2
kg/min bis 6 kg/min und vermutlich auch darüber hinaus.
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Die
Ergebnisse nach 7 zeigen, dass sowohl für
kleinere Kiementiefen von 0,5 mm als auch für größere
Kiementiefen von 1,2 mm oder 1,5 mm bessere Werte für ΔT/Δp
erreicht werden, wenn sich der Kiemenwinkel in einem im vergleich
zum Stand der Technik kleineren Bereich von 14° bis 26° bewegt.
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Weiterhin
lässt sich 7 entnehmen, dass insbesondere
für die Variante der größeren Kiementiefe auch
für größere Kiemenwinkel, zum Beispiel
bis zu 30°, erheblich verbesserte Werte für ΔT/Δp
im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden.
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Für
diese überraschenden Ergebnisse kann ohne Anspruch auf
Richtigkeit die Erklärung gemutmaßt werden, dass
im Fall der kleinen Kiementiefe von 0,5 mm der Anteil der durch
die Kiemen strömenden bzw. die Seite des Rippenblechs wechselnden
Luft sehr gering ist. Die Kiemen bewirken vorrangig eine Erhöhung der
Rauhigkeit, so dass es zum Aufreißen oder Ablösen
einer laminaren Grenzschicht der Luftströmung kommt. Zugleich
ist durch die große Anzahl von Störungen und „Neuanläufen” der
Strömung der luftseitige Druckabfall gering, da durch die
Kiemen wenig Luft strömt und die Luft somit kaum umgelenkt
wird. Die Luftverteilung über der Rippe wird dadurch sehr
homogen. Um einen mit dem Stand der Technik vergleichbaren luftseitigen
Wärmeübergang zu erzielen, kann bei der Variante
der kleinen Kiementiefen (0,3 mm bis 0,6 mm) die Rippendichte geringfügig
erhöht werden, etwa um 10 Ri/dm.
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Für
die großen Kiementiefen (1,1 mm bis 1,8 mm) wird als Erklärung
des überraschenden Effekts gemutmaßt, dass durch
die große Kientiefe schon bei kleinen Kiemenwinkeln (z.
B. 22°) genügend Luft durch die Kiemen strömt.
Aufgrund des kleinen Kiemenwinkels werden die Ablösungen
hinter jeder Kieme geringer als bei großen Kiemenwinkeln
(27°, Stand der Technik). Die Luftverteilung senkrecht
zur Strömungsrichtung ist hierdurch homogener bzw. es kommt
zu gleichmäßigeren Luftgeschwindigkeiten.
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Die
vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen
einer Rippe sind für verschiedene Bauformen von Wärmeübertragern,
insbesondere von Kraftfahrzeugen, einsetzbar, wie etwa Kühlmittelkühler, Klimaanlagen-Verdampfer,
Klimaanlagen-Kondensatoren, Ladeluftkühler oder ähnliches.
Besonders bevorzugt bietet sich ein Einsatz in Heizkörpern
eines Kraftfahrzeugs an, da hier durch den geringen Druckabfall
bei gegebener Leistung und durch die insgesamt homogenere Durchströmung
des Netzes die erforderliche Leistung eines Lüftergebläses
verringert werden kann. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform
der Erfindung ist der Wärmeübertrager als elektrischer
Heizkörper ausgebildet, wobei die Strukturen 1 keine
Flachrohre, sondern PTC-Elemente sind, die durch elektrischen Strom
erhitzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0045314
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