DE102011004306A1 - Rib for a heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Rippe (1, 1', 1'') für einen Wärmeübertrager, umfassend ein in einer Längsrichtung L gewelltes, zwischen zwei Strukturen angeordnetes Rippenblech 2, und einer Mehrzahl von durch die Wellung gebildeter Rippenflanken 3, 3', 3'', wobei das Rippenblech 2 in einer Tiefenrichtung von einem insbesondere gasförmigen Fluid zur Übertragung von Wärme zwischen den Strukturen und dem gasförmigen Fluid durchströmbar ist, und wobei in dem Rippenblech 2 eine Mehrzahl von hintereinander auf den Rippenflanken 3, 3', 3'' angeordneter, auf einer Neutrallinie 4, 4' verlaufender und sich im Wesentlichen quer zu der Tiefenrichtung erstreckenden Kiemen 5, 5', 5'' mit einer Kiementiefe KT und einem Kiemenwinkel KW bezüglich der Tiefenrichtung vorgesehen sind. Die Rippenflanken 3, 3', 3'' weisen zumindest bereichsweise einen im Wesentlichen wellenförmigen Strukturverlauf auf, wodurch sich eine auf einer wellenförmigen Neutrallinie 4, 4' verlaufende Anordnung der Kiemen 5, 5', 5'' ergibt.A fin (1, 1 ', 1 ") for a heat exchanger, comprising a fin sheet 2 corrugated in a longitudinal direction L and arranged between two structures, and a plurality of rib flanks 3, 3', 3" formed by the corrugation Ribbed plate 2 in a depth direction of a particular gaseous fluid for the transmission of heat between the structures and the gaseous fluid can be flowed through, and wherein in the fin plate 2 a plurality of successively on the rib flanks 3, 3 ', 3' 'arranged, on a neutral line 4, 4 'extending and substantially transversely to the depth direction extending gills 5, 5', 5 '' are provided with a Kiementiefe KT and a gill angle KW with respect to the depth direction. The rib flanks 3, 3 ', 3 "have, at least in regions, an essentially wave-shaped structure course, resulting in an arrangement of the gills 5, 5', 5" running on a wave-shaped neutral line 4, 4 '.
Description
Die Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a rib for a heat exchanger according to the preamble of
In heutigen Wärmeübertragern, beispielsweise Kühlmittelkühlern oder Ladeluftkühlern, werden für den Wärmeübergang an die Luft oder an ein zu kühlendes Gas vielfach Rippen mit Kiemen eingesetzt, die durch einen Walzprozess als Wellrippen hergestellt werden. Diese Wellrippen werden mit Rohren oder Scheiben verlötet, um damit den Wärmeübergang sicherzustellen. Bekannt sind beispielsweise Wellrippen mit schräg gestellten Kiemen. Wellrippen mit schräg gestellten Kiemen werden verwendet, weil sie u. a. einen schnellen und kostengünstigen Herstellprozess erlauben. Ihre Form ist stark vom Herstellprozess geprägt und sie stellen bzgl. ihrer Funktion als wärmeübertragende Rippe einen Kompromiss dar, der für die eigentliche Aufgabe des verlustarmen Wärmeübergangs Schwachstellen enthält.In today's heat exchangers, such as coolant radiators or intercoolers, ribs with gills, which are produced by a rolling process as corrugated ribs, are often used for the heat transfer to the air or to a gas to be cooled. These corrugated fins are soldered with pipes or washers to ensure heat transfer. For example, corrugated ribs with inclined gills are known. Corrugated ribs with slanted gills are used because they may cause damage. a. allow a fast and cost-effective manufacturing process. Their shape is strongly influenced by the manufacturing process and they represent a compromise in terms of their function as a heat-transmitting rib, which contains weak points for the actual task of low-loss heat transfer.
Beispielsweise werden die Wellrippen in einem Walzprozess hergestellt, bei dem ein Formwalzenpaar in ein metallisches Band, z. B. Aluminium, eine Wellenstruktur einprägt, bei der jeder Auf- und Abschwung eine Rippe darstellt. Die Kiemen entstehen dadurch, dass die Walzen aus mehreren Scheiben bestehen bei der jede so geschliffen ist, dass beim Abwalzen zusätzlich zur Wellenstruktur auch Kiemen in das Band geschnitten werden. Dabei haben die Kiemen üblicherweise eine konstante Kiementiefe und einen konstantem Kiemenwinkel. Dies ermöglicht bei der Werkzeugerstellung die Verwendung vieler Gleichteile. Alternativ existieren Prozesse, bei denen die Kiemen in das flache Bandmaterial geschnitten werden und die Rippen erst anschließend gewellt werden. Der Kiemenwinkel beträgt üblicherweise zwischen 20° und 30°. Dies soll dazu dienen, das Verhältnis aus Druckverlust und Wärmeübergang an den lokalen Strömungszustand anzupassen.For example, the corrugated fins are produced in a rolling process in which a forming roll pair in a metallic strip, z. As aluminum, imprinting a wave structure in which each up and down swing represents a rib. The gills are formed by the fact that the rollers consist of several discs, each of which is ground so that, in addition to the wave structure, gills are cut into the band during the rolling process. The gills usually have a constant depth of kite and a constant gill angle. This allows the use of many common parts when making tools. Alternatively, there are processes in which the gills are cut into the flat strip material and the ribs are subsequently corrugated. The gill angle is usually between 20 ° and 30 °. This should serve to adapt the ratio of pressure loss and heat transfer to the local flow state.
Die
Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass konstante Kiemenwinkel und konstante Kiementiefen in der Praxis u. a. folgende Schwachstellen offenbaren:
- – Umlenk- und Stoßverluste, insbesondere bei der ersten Kieme, bei der Umlenkung in der Mitte und bei der letzten Kieme;
- – Verluste durch Ablösung: an den Umlenkungen treten in weiten Reynoldszahl-Bereichen auch Ablösungen auf die dazu führen, dass sich die nachfolgende Kieme im Ablösegebiet befindet und nicht richtig genutzt wird;
- – Bei einer Gleichverteilung von Kiementiefe und Kiemenwinkel kann es bei den üblichen Rippendichten dazu kommen, dass Kiemen in Strömungsrichtung nach nur einer Kiemenlänge fluchten und dadurch kein Grenzschichtneuanlauf entsteht.
- – Bei in Strömungsrichtung variierenden Kiemen entstehen ungleichmäßige Strömungsquerschnitte, die zu Druckverlusten und einer Ungleichverteilung der Massenstromdichte führen.
- - Deflection and shock losses, especially in the first gill, in the deflection in the middle and at the last gill;
- - Losses due to detachment: at the deflections occur in wide Reynolds number areas also detachments on the result that the subsequent gill is in the detachment area and is not used properly;
- - With an equal distribution of the depth of the kite and the angle of the gills, it can happen with the usual rib densities that gills are aligned in the direction of flow after only one gill length and thus no boundary layer revival occurs.
- - When varying in the direction of flow gills uneven flow cross-sections, which lead to pressure losses and an unequal distribution of the mass flow density.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rippe der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die beschriebenen Schwachstellen bzw. Verlustmechanismen signifikant verbessert bzw. reduziert werden können.The invention has for its object to provide a rib of the type mentioned, with the described vulnerabilities or loss mechanisms can be significantly improved or reduced.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rippe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a rib with the features of
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Rippenflanken zumindest bereichsweise einen im Wesentlichen wellenförmigen Strukturverlauf aufweisen, wodurch sich eine auf einer wellenförmigen Neutrallinie verlaufende Anordnung der Kiemen ergibt. Die einzelnen Kiemen sind unmittelbar aufeinander folgend auf der Neutrallinie angeordnet bzw. um diese geformt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Strömungsquerschnitte und eine optimale Nutzung der Kiemen. Die Wellenform ist bevorzugt so zu wählen, dass der vertikale Versatz der Kiemen durch die Wellenstruktur den Unterschied der vertikalen Anstellung der aufeinander folgenden Kiemen auf Grund unterschiedlicher Kiemenwinkel kompensiert. Somit weisen aufeinander folgende Kiemen bevorzugt zumindest geringfügig unterschiedliche Kiemenwinkel auf. Die Kiemen verlaufen dabei mit ihrem axialen Längsmittelpunkt auf der wellenförmigen Neutrallinie und sind bevorzugt geringfügig unterschiedlich um den Längsmittelpunkt gedreht. Je nach Anzahl der Kiemen bzw. je nach Länge der Rippenflanke können nachfolgend auch zumindest zwei Kiemen gleicher Ausrichtung vorgesehen sein. Die Rippenflanken sind zur Verbesserung der mechanischen Stabilität regelmäßig in einem Winkel zueinander angeordnet, können je nach Anforderungen aber auch parallel zueinander verlaufen.The object is achieved according to the invention in that the rib flanks have a substantially wave-shaped structure course at least in regions, resulting in an arrangement of the gills running on a wave-shaped neutral line. The individual gills are arranged directly following one another on the neutral line or shaped around it. This allows a uniform distribution of flow cross sections and optimal use of the gills. The waveform is preferably to be chosen so that the vertical offset of the gills by the wave structure compensates for the difference in the vertical adjustment of the successive gills due to different gill angles. Thus, successive gills preferably have at least slightly different gill angles. The gills run with their axial longitudinal center on the undulating neutral line and are preferably rotated slightly different around the longitudinal center. Depending on the number of gills or depending on the length of the rib flank, at least two gills of the same orientation can subsequently also be provided. The rib flanks are arranged regularly to improve the mechanical stability at an angle to each other, but can also run parallel to each other depending on requirements.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Neutrallinie einen kontinuierlichen Wellenverlauf mit zumindest einem Wellenabschnitt aufweist, dergestalt, dass der Wellenabschnitt parallel zur Hauptströmrichtung beginnend kontinuierlich ansteigend in einem Bogen zur maximalen Auslenkung verläuft und anschließend gemäß dem Anstieg wieder so abfällt, dass er parallel zur Hauptströmrichtung ausläuft. Sie ähnelt dabei im Wesentlichen einem Cosinus-Verlauf von 0° bis 360°. Die wellenförmige Neutrallinie unterscheidet sich hierbei deutlich von einer fertigungsbedingten Verformung der Neutrallinie, die entweder V-förmig oder in einem kreisartigen Bogen ohne signifikante Wendepunkte verläuft.An embodiment provides that the neutral line has a continuous wave profile with at least one shaft section, such that the shaft section runs parallel to the main flow direction starting continuously rising in an arc to the maximum deflection and then according to the increase again drops so that it runs parallel to the main flow direction. It is essentially similar to a cosine curve from 0 ° to 360 °. The wave-shaped neutral line here differs significantly from a production-induced deformation of the neutral line, which runs either V-shaped or in a circular arc without significant inflection points.
Vorzugsweise können pro Rippenflanke mehrere aufeinander folgende Wellenabschnitte vorgesehen sein. Die letztendliche Anzahl der Wellenabschnitte kann sich nach der Länge der Rippenflanke richten. Bei sehr tiefen Systemen kann es sinnvoll sein, die Wellenlänge so zu wählen, dass mehrere Wellenabschnitte in Strömungsrichtung entstehen. Damit kann die maximale Auslenkung der Strömung begrenzt und die Wärmeübertragermatrix an den Rohrenden besser genutzt werden.Preferably, several successive shaft sections can be provided per rib edge. The final number of shaft sections may depend on the length of the rib flank. For very deep systems, it may be useful to choose the wavelength so that several wave sections are formed in the flow direction. This limits the maximum deflection of the flow and makes better use of the heat transfer matrix at the pipe ends.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass pro Wellenabschnitt zumindest eine erste und eine zweite Kiemengruppe vorgesehen sind, wobei die Kiemenwinkel der Kiemengruppen verschiedene Orientierungen aufweisen können. Somit kann ein Fluid beispielsweise zunächst in der einen Richtung durch das Rippenblech geleitet werden und nachfolgend in der Gegenrichtung.A further embodiment provides that at least one first and one second gill group are provided per shaft section, wherein the gill angles of the gill groups may have different orientations. Thus, for example, a fluid may first be directed in one direction through the fin plate and subsequently in the opposite direction.
Vorteilhafterweise ergibt sich durch die benachbarten Kiemen zweier Rippenflanken eine nicht fluchtende Anordnung der einzelnen Kiemen zueinander.Advantageously, results from the adjacent gills of two rib edges a non-aligned arrangement of the individual gills to each other.
Beispielsweise kann der Kiemenwinkel zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 30° und 50°, betragen. Gegebenenfalls kann der Kiemenwinkel auch niedriger liegen, beispielsweise falls eine schwächere Auslegung nicht durch eine reduzierte Rippendichte ermöglicht wird. Dies kann beispielsweise dann Notwendig sein, wenn die Anforderung an die Innendruckfestigkeit eine Abstützung von Kühlerrohren durch eine hohe Rippendichte erfordert.For example, the gill angle between 20 ° and 60 °, preferably between 30 ° and 50 °, amount. Optionally, the gill angle may also be lower, for example, if a weaker design is not made possible by a reduced rib density. This may be necessary, for example, when the requirement for internal pressure resistance requires support of radiator tubes by a high fin density.
Die Rippendichte in 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.The rib density in the longitudinal direction is generally preferably between 70 Ri / dm and 120 Ri / dm. The unit Ri / dm is to be understood as the number of rib flanks given by the corrugation per decimeter.
Die Umlenkung je Rippe beträgt im Idealfall nicht mehr als 7°. Falls die Kiemenzahl sehr hoch ist, so dass je Rippe eine Umlenkung von weniger als 7° notwendig würde, um die gesamte Umlenkung bis zur Mitte des Kiemenfeldes zu erreichen, können mehrere Kiemen auch gleich ausgeführt werden, was die Komplexität des Werkzeuges reduziert. Idealerweise sind die Kiemen so angeordnet, dass der freie Strömungsquerschnitt zwischen den Kiemen 1/3 des Abstands zwischen den Rippen (reziproker Wert der Rippendichte) ausmacht. So wird eine gleichmäßige Aufteilung der Strömung auf die Kiemen erreicht. Dabei erreicht auch die Neutrallinie in der Mitte einen Versatz von ca. 1/3 des Rippenabstandes. Genauer gesagt, kann die wellenförmige Neutrallinie im höchsten Wellenbereich einen Versatz von vorzugsweise 1/3 zu den gerade verlaufenden Abschnitten benachbarter Rippenflanken aufweisen.The deflection per rib is ideally not more than 7 °. If the gill number is very high, so that each rib would require a deflection of less than 7 ° to reach the total deflection to the middle of the gill field, multiple gills can be made equal, reducing the complexity of the tool. Ideally, the gills are arranged so that the free flow area between the gills is 1/3 of the distance between the ribs (reciprocal ridge density value). This achieves a uniform distribution of the flow to the gills. The neutral line in the middle also reaches an offset of about 1/3 of the rib distance. More specifically, the undulating neutral line in the highest wave region may have an offset of preferably 1/3 to the straight portions of adjacent rib edges.
Die Aufgabe der Erfindung wird für einen Wärmeübertrager zudem gemäß Anspruch 9 durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Rippe gelöst.The object of the invention is also achieved for a heat exchanger according to
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.In an advantageous detailed design of the heat exchanger is designed as a heat exchanger of a motor vehicle, in particular as an electric radiator, liquid-operated radiator, evaporator or condenser of a vehicle air conditioning, intercooler or coolant radiator. In motor vehicles, there is a particularly high requirement for the optimization of the heat exchanger performance with a given space. The rib according to the invention is particularly suitable for use with a radiator, since it allows for a given air flow and given temperature difference a particularly small pressure drop. This reduces noise and makes it possible, for example, to make a heating fan particularly small. In the case of a heat exchanger in the form of an electrically operated radiator, the structures are, for example, electric heating elements, preferably PTC heating elements (PTC = Positive Temperature Coefficient). In a possible alternative embodiment of a radiator, the structures may also be flat tubes or round tubes in which, for example, heated coolant flows through an engine cooling circuit.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which embodiments of the invention are described with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in any desired combination.
Es zeigen:Show it:
Auf dem Rippenblech
Die Rippenflanken
Die Kiemen
Die Kiemen
Am Anfang der ersten Kiemengruppe
Die Kiemen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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