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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung einer Rohr-Rippen-Anordnung
eines Wärmetauschers, insbesondere eines Wärmetauschers
in einem Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugs, ferner eine Rohr-Rippen-Anordnung
sowie einen eine derartige Rohr-Rippen-Anordnung enthaltenden Wärmetauscher.
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Es
ist ein allgemeines Bestreben, einen Wärmetauscher, insbesondere
einen Wärmetauscher einer Fahrzeugklimaanlage, derart zu
gestalten, dass er weniger Gewicht aufweist, kostengünstig
herstellbar und dabei leistungsstark ist. Aus dem Stand der Technik
sind daher Vorschläge bekannt, Gewicht und Herstellungskosten
durch eine Optimierung des Materialeinsatzes zu reduzieren. Die
Vorschläge konzentrieren sich im Wesentlichen darauf, eine
günstige Anordnung und Ausbildung der das Kältemittel
führenden Strömungskanal- bzw. Rohrquerschnitte
vorzusehen.
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Eine
neue Herausforderung stellt der aus Gründen des Umweltschutzes
zukünftig bevorzugte Einsatz von Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel (Kältemittel
R744) für Fahrzeugklimaanlagen dar. Gegenüber
den bislang vorrangig eingesetzten Kältemitteln wie dem
Kältemittel R134a, handelt es sich bei CO2 um
ein in der Natur vorkommendes Gas, dessen Freisetzung keinen Beitrag
zum Treibhauseffekt leistet. Es ist somit umweltverträglicher.
Aufgrund spezifischer thermodynamischer Eigenschaften erfolgt der
Einsatz von CO2 als Kältemittel
jedoch bei wesentlich höheren Betriebsdrücken.
Diese betragen in der Regel zwischen 100 und 150 bar. Der Wärmetauscher
muss daher für entsprechend hohe Betriebsdrücke
ausgelegt sein.
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Zur
Realisierung eines Wärmetauschers mit hoher Berstdruckfestigkeit
wird beispielsweise in der
DE 10 2004 024 825 A1 ein Wärmetauschrohr
mit im Querschnitt perfekt kreisförmigen Fluidpfaden vorgeschlagen.
Dabei gilt es ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Distanz
der einzelnen Fluidpfade untereinander und der Stärke der
geringsten Materialüberdeckung eines Fluidpfades einzuhalten.
Ein solches Wärmetauschrohr soll insbesondere für
den Einsatz in einem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite
eines CO
2-Kältekreises geeignet
sein. Der Nachteil eines solchen Wärmetauschrohres besteht
jedoch darin, dass die Rohrquerschnittsfläche eine im Verhältnis
zur Materialfläche geringe freie Strömungsfläche
aufweist. Der hohe Materialeinsatz bewirkt zudem, dass das Rohr
teuer und schwer ist.
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Aus
der
DE 10 2005
016 540 A1 ist weiterhin ein Mehrkanalflachrohr für
einen Wärmeübertrager mit einer Rohrquerschnittshöhe
von nicht mehr als 1,4 mm bekannt. Das Mehrkanalflachrohr weist
hierzu höhenreduzierte Strömungskanalquerschnitte
auf. Unter einem höhenreduzierten Strömungskanalquerschnitt
werden gemäß Offenbarung solche Querschnitte verstanden,
bei denen die in Rohrquerrichtung des Mehrkanalflachrohres gesehene
Breite des Strömungskanals eine größere
Abmessung aufweist als die in Rohrquerschnittshöhe des
Mehrkanalflachrohres gesehene Höhe des Strö mungskanals.
Zwar lassen sich auf diese Weise die Bauteilabmessungen sowie der
Materialeinsatz verringern, jedoch nur insoweit, als eine im Hinblick auf
CO
2 als Kältemittel erforderliche
Berstdruckfestigkeit des Rohres nicht unterschritten wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher
bzw. Bestandteile eines Wärmetauschers bereit zu stellen,
die hinsichtlich Materialeinsatz und zur Verfügung stehendem
freien luftseitigen Strömungsquerschnitt optimiert sind
und dabei den eingangs genannten Anforderungen gerecht werden, sowie
ein Verfahren zur Auslegung eines solchen Wärmetauschers
bzw. seiner Bestandteile an die Hand zu geben.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
nach Anspruch 1, einer Rohr-Rippen-Anordnung mit den Merkmalen nach
Anspruch 7 und einem Wärmetauscher mit den Merkmalen nach
Anspruch 12.
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Das
Verfahren sieht erfindungsgemäß vor, dass die
Optimierung der Geometrie einer Rohr-Rippen-Anordnung eines Wärmetauschers
im Hinblick auf einen geringen Materialeinsatz (M) und/oder ein
geringes kältemittelseitiges Volumen (V) und/oder einen
hohen freien luftseitigen Strömungsquerschnitt (Q) unter Berücksichtigung
möglichst weniger Parameter erfolgt. Im Unterschied zu
den bekannten Verfahren werden demnach bei der Auslegung des Wärmetauschers
bzw. seiner Bestandteile nicht nur die Abmessungen des Rohres, sondern
auch die der Rippen berücksichtigt. Dem liegt der Gedanke
zugrunde, dass Rohr und Rippen eine die Eigenschaften des Wärmetauschers
beeinflussende komplexe Baueinheit bilden. Die neutrale Faser ist
eine Linie im Bereich der Rippe, deren Länge sich unter
Verformung der Rippe nicht ändert. Beispielsweise kann
dies in manchen Ausführungsbeispielen die Mittellinie der
Rippe sein.
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Vorzugsweise
erfolgt die Optimierung der Geometrie der Rohr-Rippen-Anordnung
im Hinblick auf einen geringen Materialeinsatz unter Berücksichtigung
zusätzlicher Parameter, unter anderen zumindest einzelner
der folgenden Parameter: des Materialquerschnitts (C) des Rohres,
der Systemtiefe (B) und der Rohrbreite (A), der Länge der
neutralen Faser (G).
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Weiterhin
bevorzugt wird der Materialeinsatz (M) nach der Formel
bevorzugt im Bereich 0,85 <= M <= 1,15
weiter
bevorzugt im Bereich 0,9 <=
M <= 1,1
weiter
bevorzugt im Bereich 0,95 <=
M <= 1,05
bestimmt,
wobei (F) die Materialstärke des Rippenbandes, (D) die
Rippendichte, und (E) die Rippenhöhe bezeichnet. Die Festlegung
der als Parameter genannten Abmessungen erfolgt demnach in der Weise,
dass der Materialeinsatz (M) einen Wert nahe oder gleich 1 beträgt.
Die konkrete Form der Rippen, beispielsweise, ob diese Kiemen, Sicken
oder dergleichen aufweisen, ob sie eine andere Tiefe als die Rohrtiefe
aufweist, oder die konkrete Form der Strömungskanäle
im Rohr spielt dabei keine Rolle. Die Formel ist daher unabhängig
von derartigen Ausgestaltungsmerkmalen anwendbar.
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Eine
nach diesem Verfahren ausgelegte Rohr-Rippen-Anordnung weist einen
optimierten Materialeinsatz (M) im Hinblick auf die geforderte Berstdruckfestigkeit
auf. Durch einen geringeren Materialeinsatz werden Materialkosten
eingespart.
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Die
Optimierung der Geometrie der Rohr-Rippen-Anordnung im Hinblick
auf einen hohen freien luftseitigen Strömungsquerschnitt
(Q) erfolgt bevorzugt unter Berücksichtigung der Materialstärke
des Rippenbandes (F), der Rippendichte (D) und der Rippenhöhe
(E) als zusätzliche Parameter.
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Weiterhin
bevorzugt wird der freie luftseitige Strömungsquerschnitt
(Q) nach der Formel
bevorzugt im Bereich 0,85 <= Q <= 1,15
weiter
bevorzugt im Bereich 0,9 <=
Q <= 1,1
weiter
bevorzugt im Bereich 0,95 <=
Q <= 1,05
bestimmt,
wobei (A) die Rohrbreite bezeichnet. Die Festlegung der als Parameter
genannten Abmessungen erfolgt wiederum in der Weise, dass der freie
luftseitige Strömungsquerschnitt (Q) einen Wert nahe oder
gleich 1 beträgt. Die konkrete Form der Rippen, beispielsweise,
ob diese Kiemen, Sicken oder dergleichen aufweisen, oder ob sie
eine andere Tiefe als die Rohrtiefe aufweist spielt dabei keine
Rolle. Auch diese Formel ist daher unabhängig von derartigen
Ausgestaltungsmerkmalen anwendbar. Eine nach diesem Verfahren ausgelegte
Rohr-Rippen-Anordnung weist einen optimierten freien luftseitigen
Strömungsquerschnitt (Q) im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit
des Wärmetauschers auf.
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Darüber
hinaus wird das kältemittelseitige Volumen (V) der Rohr-Rippen-Anordnung
bevorzugt nach der Formel
bevorzugt im Bereich 0,85 <= V <= 1,15
weiter
bevorzugt im Bereich 0,9 <=
V <= 1,1
weiter
bevorzugt im Bereich 0,95 <=
V <= 1,05
bestimmt.
Die Festlegung der als Parameter genannten Abmessungen erfolgt wiederum
in der Weise, dass das kältemittelseitige Volumen (V) einen
Wert nahe oder gleich 1 beträgt. Auf die konkrete Form
der Strömungskanäle kommt es dabei nicht an. Bei
Anwendung der Formel wird ein kleineres Volumen (V) erreicht, so dass
weniger Kältemittel eingesetzt werden muss, wodurch die
Kältemittelkosten sinken.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Optimierung
der Geometrie einer Rohr-Rippen-Anordnung eines Wärmetauschers
alle drei Formeln kumulativ eingesetzt. Es ist aber auch denkbar,
dass bei der Auslegung der Rohr-Rippen-Anordnung lediglich eine
oder zwei Formeln Anwendung finden, beispielsweise, wenn ausschließlich
die Materialeinsparung (M) und/oder der optimale freie luftseitige
Strömungsquerschnitt (Q) im Vordergrund stehen. Werden
die für die Parameter einzusetzenden Werte unter Berücksichtigung
aller drei Formeln gewählt, kann eine optimierte Auslegung
der Rohr-Rippen-Anordnung hinsichtlich einer vorteilhaften Verringerung
des Netzgewichtes, des kältemittelseitigen Volumens und
des luftseitigen Druckabfalls erzielt werden.
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Die
zur Lösung der Aufgabe ebenfalls vorgeschlagene Rohr-Rippen-Anordnung
weist erfindungsgemäß eine Geometrie auf, die
nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren ausgelegt ist.
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Bevorzugt
beträgt der Materialeinsatz (M)
bevorzugt im Bereich 0,85 <= M <= 1,15
weiter
bevorzugt im Bereich 0,9 <=
M <= 1,1
weiter
bevorzugt im Bereich 0,95 <=
M <= 1,05
und/oder
der
freie luftseitige Strömungsquerschnitt (Q)
bevorzugt im Bereich 0,85 <= Q <= 1,15
weiter
bevorzugt im Bereich 0,9 <=
Q <= 1,1
weiter
bevorzugt im Bereich 0,95 <=
Q <= 1,05
und/oder
das
kältemittelseitige Volumen (V)
bevorzugt im Bereich 0,85 <= V <= 1,15
weiter
bevorzugt im Bereich 0,9 <=
V <= 1,1
weiter
bevorzugt im Bereich 0,95 <=
V <= 1,05
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Weiterhin
bevorzugt ist das Rohr der Rohr-Rippen-Anordnung ein Mehrkanalflachrohr.
Das heißt, dass das Rohr eine geringere Breite (A) als
eine Tiefe (B) aufweist. Ferner sind in dem Rohr mehrere nebeneinander liegende
Strömungskanäle ausgebildet. Die Herstellung eines
solchen Rohres erfolgt vorzugsweise durch Extrusion.
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Vorzugsweise
bestehen das Rohr und die Rippen im Wesentlichen aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung. Dies ist insbesondere im Hinblick auf
die angestrebte Gewichtsreduzierung von Vorteil. Zur Verbindung
werden das Rohr und die Rippen einfach miteinander verlötet.
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Ferner
ist die Rohr-Rippen-Anordnung bevorzugt derart ausgelegt, dass CO2 als Kältemittel (Kältemittel
R744) einsetzbar ist. Die Rohr-Rippen-Anordnung ist demnach geeignet,
Drücke von mehr als 208 bar aufzunehmen.
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Vorgeschlagen
wird ferner ein Wärmetauscher, insbesondere ein Wärmetauscher
in einem Kältemittelkreislauf eines Fahrzeugs, der erfindungsgemäß eine
Rohr-Rippen-Anordnung der vorstehend genannten Art aufweist. Bevorzugt
sind mehrere Rohr-Rippen-Anordnungen übereinander gestapelt
und werden seitlich von Sammelrohren eingefasst, in die die Strömungskanäle
der Rohre münden. In den Sammelrohren angeordnete Trennwände
bzw. Absperrungen bewirken eine Umlenkung der Kältemittelströmung,
so dass das Kältemittel den Wärmetauscher serpentinenförmig
durchfließt. Es bilden sich mehrere Kältemittelströmungswege aus.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers beträgt die Anzahl der Kältemittelströmungswege
kleiner oder gleich 4, vorzugsweise kleiner oder gleich 2. Damit
verringert sich auch die Anzahl der Trennwände bzw. Absperrungen
in den Sammelrohren zur Umlenkung der Kältemittelströmung.
Nicht nur die Herstellung der Sammelrohre wird vereinfacht, da weniger
fertigungstechnische Eingriffe erforderlich sind, sondern es kann
zudem Material und Gewicht eingespart werden. Darüber hinaus
verringert sich die Gefahr von Undichtigkeiten.
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Weiterhin
bevorzugt ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher
als Gaskühler bzw. Kondensator in einem Kältemittelkreislauf
eines Fahrzeugs einsetzbar. Die Anordnung eines Gaskühlers
erfolgt auf der Hochdruckseite eines Käl temittelkreislaufes
einer Klimaanlage, das heißt, dem Gaskühler wird
verdichtetes und somit einen hohen Druck aufweisendes Kältemittel
zugeführt. Bei optimiertem Materialeinsatz im Hinblick
auf eine Reduzierung des Gewichts und der Herstellungskosten weist
der erfindungsgemäße Wärmetauscher zugleich
eine hohe Berstdruckfestigkeit auf. Für die Verwendung
als Gaskühler ist dieser Wärmetauscher demnach
besonders geeignet. Auch im Hinblick auf den Einsatz von CO2 als Kältemittel (Kältemittel
R744) erweist sich die hohe Berstdruckfestigkeit des Wärmetauschers
von Vorteil. Die vorliegende Erfindung setzt jedoch weder die Verwendung
als Gaskühler, noch den Einsatz von CO2 als
Kältemittel voraus.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Rohr-Rippen-Anordnung;
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2 eine
weitere Seitenansicht der Rohr-Rippen-Anordnung aus 1,
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3 eine
Draufsicht auf die Rohr-Rippen-Anordnung aus 1,
-
4 eine
isometrische Darstellung der Rohr-Rippen-Anordnung aus 1,
-
5 eine
vereinfachte isometrische Darstellung eines Wärmetauschers,
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6 eine
vergrößerte und vereinfachte Seitenansicht der
Rohr-Rippen-Anordnung aus 1, in der die
Länge der neutralen Faser G der Rippe dargestellt ist.
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7 eine
Anordnung von drei Rohren und Rippen in perspektivischer Ansicht,
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8 eine
Anordnung von drei Rohren und Rippen in Seitenansicht, und
-
9 eine
Anordnung von drei Rohren und Rippen im Schnitt.
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In
den 1 bis 4 und 7 bis 9 ist
beispielhaft eine Rohr-Rippen-Anordnung mit mehreren im Querschnitt
kreisförmigen Strömungskanälen 4 dargestellt.
Durch die parallele Anordnung der Strömungskanäle 4 besitzt
das Rohr 2 eine flache Ausbildung, das heißt die
Rohrbreite A ist kleiner als die Systemtiefe B (siehe 2).
Der Materialquerschnitt C des Rohres 2 ergibt sich aus
dem Produkt Rohrbreite A × Systemtiefe B abzüglich
der Querschnittsfläche der Strömungskanäle 4 und
abzüglich der Querschnittsflächen, die aufgrund
der gerundeten Endabschnitte des Rohres 2 wegfallen.
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In 1 und 3 ist
jeweils die Ansicht bzw. Draufsicht eines Abschnittes einer Rohr-Rippen-Anordnung
mit einer Rippe 1 dargestellt. Die Länge des Abschnittes
entspricht dabei dem Abstand der Rippe 1 zur nächsten
Rippe (nicht dargestellt) und somit der Rippendichte D. Ferner sind
der 1 die Rippenhöhe E und die Materialstärke
F der Rippe 1 zu entnehmen.
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1 und 4 zeigen,
dass in dem vorliegenden Beispiel die Rippe 1 gebogene
Endabschnitte aufweist. Die gestreckte Länge der Rippe 1 entspricht
somit nicht der Rippenhöhe E. Um dem Rechnung zu tragen wird
bei Anwendung der Formeln zur Bestimmung des Materialeinsatzes M
und des freien luftseitigen Strömungsquerschnittes Q die
Länge der neutralen Faser G (siehe 6) der Rippe 1 berücksichtigt.
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Setzt
man beispielsweise folgende Werte für die nachfolgenden
Parameter ein:
| A | Rohrbreite | 1
mm |
| B | Systemtiefe
(z. B. mittlere Tiefe der Rohr-Rippen-Anordnung) | 16
mm |
| C | Materialquerschnitt
des Rohres | 13
mm2 |
| D | Rippendichte | 1,54
mm |
| E | Rippenhöhe | 8
mm |
| F | Materialstärke
der Rippe | 0,08
mm |
| G | Länge
der neutralen Faser der Rippe | 9
mm |
beträgt der Materialeinsatz M und der
freie luftseitige Strömungsquerschnitt Q unter Verwendung
der vorstehend genannten Formeln jeweils 1.
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Auch
das auf Basis dieser Werte errechnete kältemittelseitige
Volumen V beträgt 1.
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5 zeigt
einen Wärmetauscher mit einer erfindungsgemäßen
Rohr-Rippen-Anordnung, wobei die dunklen Linien die Rohre 2 und
die hellen Streifen die Rippen 1 bezeichnen. Seitlich wird
der Wärmetauscher von Sammelrohren 5 eingefasst,
deren Strömungsquerschnitte mit den Strömungskanälen 4 der
Rohre 2 verbunden sind. Durch Anordnung von Trennwänden
(nicht dargestellt) innerhalb der Sammelrohre 5 werden
Kältemittelströmungswege 3 definiert,
die jeweils in entgegengesetzter Richtung verlaufen, so dass das
Kältemittel den Wärmetauscher serpentinenförmig
durchströmt. In 5 sind vier Kältemittelströmungswege 3 durch Pfeile
angedeutet. Wie bereits erläutert, sollte diese Anzahl
bevorzugt nicht überschritten werden.
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6 zeigt
eine vergrößerte und vereinfachte Seitenansicht
der Rohr-Rippen-Anordnung aus 1, in der
die Länge der neutralen Faser G der Rippe 1 dargestellt
ist, die der gestreckten bzw. abgewickelten Länge der Rippe 1 entspricht.
Die neutrale Faser ist diejenige Faser, die im verformten Zustand
dieselbe Länge aufweist wie im unverformten d. h. gestreckten
bzw. abgewickelten Zustand. Beispielsweise kann dies in manchen
Ausführungsbeispielen die Mittellinie der Rippe sein.
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7, 8 und 9 zeigen
beispielhaft eine Anordnung von drei Rohren und Rippen in perspektivischer
Ansicht (7), in einer Seitenansicht (8)
und im Schnitt (9). Die gezeigten Rohre und
Rippen bauen sich ausschließlich aus dem in den 1 bis 4 dargestellten ”Grundelement” einer
Rohr-Rippen-Anordnung auf.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die in den Figuren dargestellte konkrete
Ausgestaltung einer Rohr-Rippen-Anordnung sowie eines aus mehreren
Rohr-Rippen-Anordnungen zusammengesetzten Wärmetauschers
nur beispielhaft ist. Dies gilt insbesondere für die konkrete
Ausgestaltung der Rippe 1 sowie der Querschnittsform der
Strömungskanäle 4. Die Systemtiefe B
ist als Mittelwert von Rohrtiefe und Rippentiefe falls diese abweichende
Werte aufweisen oder als Rohrtiefe oder als Rippentiefe anzusehen.
Ebenfalls handelt es sich bei den angegebenen Werten nur um Beispielswerte.
Erfindungsgemäß ist gerade nicht die Form der Rippen
oder des Strömungskanalquerschnittes für die Bemessung
entscheidend. Insoweit lässt sich das Verfahren auf eine
Vielzahl von unterschiedlich gestalteten Rohr-Rippen-Anordnungen
bzw. Wärmetauschern anwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004024825
A1 [0004]
- - DE 102005016540 A1 [0005]
mit 0,85 <= Q <= 1,15 oder mit 0,9 <= Q <= 1,1 oder mit 0,95 <= Q <= 1,05 und/oder – für das kältemittelseitige Volumen (V):
mit 0,85 <= V <= 1,15 oder mit 0,9 <= V <= 1,1 oder mit 0,95 <= V <= 1,05