DE102012000549A1

DE102012000549A1 - Wärmetauscherrohr und Verfahren zum Verwenden desselben

Info

Publication number: DE102012000549A1
Application number: DE102012000549A
Authority: DE
Inventors: Aroon K. Viswanathan; A. Hunzinger Thomas; Rifaquat A. Cheema
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20120180991A1; US9243851B2; CN102589337A; CN102589337B; BR102012000881A2

Abstract

Ein Wärmetauscherrohr (1) umfasst Vorsprünge (2), die sich in das innere Volumen erstrecken, um einen Fluidstrom zum Verbessern der Wärmeübertragung zu verwirbeln. Die Vorsprünge (2) sind angeordnet, um strukturierte und nicht-strukturierte Bereiche zu schaffen, um die erhöhte Wärmeübertragung zusammen mit dem verringerten Druckabfall zu schaffen. Ein Verfahren zum Übertragen der Wärme durch Einleiten eines Fluids in ein Rohr (1), Verwirbeln des Fluids in einem ersten strukturierten Rohrbereich, Entwickeln einer thermischen Grenzschicht in einem nicht-strukturierten zweiten Bereich, und Verwirbeln des Fluids in einem zweiten strukturierten Rohrbereich wird ebenfalls vorgesehen.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung Nr. 61/432,282, eingereicht am 13. Januar 2011, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum Offenbarungsgehalt vorliegender Anmeldung gemacht wird.
Rohrförmige Anordnungen (oder „Rohre”) können verwendet werden, um eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid durch einen Wärmetauscher hindurchzuleiten, während die thermische Energie (Wärme) zu oder von einem anderen Fluid, das über die äußere Fläche der Rohre geleitet wird, übertragen wird, wodurch eine Übertragung der Wärme ausgeführt wird, während eine physikalische Trennung der beiden Fluide beibehalten wird. Zum Beispiel finden diese Anordnungen einen besonderen Nutzwert bei der industriellen Dampferzeugung oder Fluid-Wärmeaustauschprozess, Fahrzeug-Wärmetauscherkomponenten, und Raumerwärmung und -kühlung sowie anderen Wärmeübertragungsanwendungen. Die Geometrie der Rohre selbst variiert Von Anwendung zu Anwendung, und umfasst zylindrische, ovale, rechtwinklige sowie andere Formen, die für eine in Betracht kommende Verwendung wünschenswert sein können.
In vielen Fällen ist es wünschenswert, die Rate der Wärmeübertragung zwischen dem Fluid, das durch die Rohre und die inneren Wandflächen der Rohre fließt bzw. strömt, zu erhöhen, wodurch sich die gesamte erforderliche Größenordnung der Wärmeübertragungsausrüstung bzw. -anlage reduziert. Diese Erhöhung kann durch Einbeziehen von Merkmalen bzw. Eigenschaften durchgeführt werden, um das Fluid zu verwirbeln, wenn es durch die Rohre strömt, wobei die Formgebung bzw. Bildung einer Fluidgrenzschicht auf den inneren Wandflächen eliminiert oder reduziert wird. Es ist bekannt, dass eine Fluidgrenzschicht die effiziente Übertragung von Wärme zwischen dem Großteil des Fluids und der Wand infolge der Notwendigkeit zur Übertragung der Wärmeenergie über die Durchleitung durch die sich relativ langsam bewegenden Schichten des Fluids in der Nachbarschaft der Wände blockiert.
Obwohl viele Verfahren des Verwirbelns der Strömung bzw. Fließens beim Stand der Technik bekannt sind, umfasst ein Verfahren, das üblicherweise bei bestimmten Anwendungen (zum Beispiel bei Kfz-Radiatoren) verwendet wird, das Vorsehen vieler Vorsprünge, die sich von der Rohrwand in das Fluidvolumen erstrecken. Diese Vorsprünge unterbrechen die Formgebung einer Fluidgrenzschicht und fördern die Turbulenz beim Fluidstrom, um die Rate der Wärmeübertragung zu verbessern. Die Vorsprünge dieser Art werden oft auch als „Noppen” bzw. „Dellen” bezeichnet, und daher werden diese Rohre als mit „Noppen bzw. Dellen versehene” bzw. „strukturierte” Rohre bezeichnet.
Als üblicher unerwünschter Nebeneffekt führt die Turbulenz, die durch diese Vorsprünge erzeugt wird, auch dazu, dass sich eine Erhöhung der Pumpleistung ergibt, die erforderlich ist, um das Fluid durch die Rohre zu bewegen. Dies erfordert einen Kompromiss zwischen den Vorteilen der erhöhten Wärmeübertragungsleistung auf der einen Seite, und den Nachteilen des erhöhten Druckabfalls auf der anderen Seite. Versuche durch Gestalter bzw. Designer für Wärmetauscher, um diesen Kompromiss zu optimieren, haben zu einer kontinuierlichen Entwicklung von neuen strukturierten Geometrien und Mustern geführt. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmetauscherrohr sowie ein Verfahren zur Wärmeübertragung zu schaffen, die eine Verbesserung der Wärmeübertragung ermöglichen. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 15. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein Rohr vor, um ein Fluid durch einen Wärmetauscher hindurchzuleiten. Das Rohr umfasst zwei einander gegenüber angeordnete breite und im Wesentlichen flache bzw. ebene Seiten bzw. Seitenflächen, die sich in einer Längsrichtung von einem ersten Ende des Rohrs zu einem zweiten Ende des Rohrs erstrecken, um zumindest teilweise ein Fluidvolumen zwischen ihnen zu definieren. Das Rohr umfasst eine erste Mehrzahl von Vorsprüngen, die zwischen den ersten und zweiten Enden angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen von einer der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten aus erstrecken. Die Vorsprünge sind entlang der Längsrichtung fluchtend angeordnet und weisen einen ersten sich von Mitte-zu-Mitte erstreckenden Abstand in der Längsrichtung zwischen benachbarten Vorsprüngen der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen auf. Das Rohr umfasst ferner eine zweite Mehrzahl von Vorsprüngen, die zwischen der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen und dem zweiten Ende angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen von der einen breiten und im Wesentlichen ebenen Seite aus erstrecken. Die zweite Mehrzahl von Vorsprüngen ist mit der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen entlang der Längsrichtung fluchtend angeordnet und weisen einen zweiten sich von Mitte-zu-Mitte erstreckenden Abstand in der Längsrichtung zwischen benachbarten Vorsprüngen der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen auf. Der sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand in der Längsrichtung zwischen einem Vorsprung der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen, der am weitesten weg von dem ersten Ende angeordnet ist, und einem Vorsprung der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen, der dem ersten Ende am nächsten angeordnet ist, ist zumindest 2,5 mal so groß wie der erste sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand, und der eine Vorsprung der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen und der eine Vorsprung der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen sind durch einen Bereich der einen breiten und im Wesentlichen ebenen Seite, die im Wesentlichen frei von Vorsprüngen ist, von einander getrennt.
In einigen Ausführungsformen ist der sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand in der Längsrichtung zwischen dem Vorsprung der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen, der am weitesten weg von dem ersten Ende angeordnet ist, und dem Vorsprung der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen, der dem ersten Ende am nächsten angeordnet ist, zumindest 2,5 mal so groß wie der zweite sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das Rohr ferner eine dritte Mehrzahl von Vorsprüngen, die zwischen den ersten und zweiten Enden angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen von der anderen Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten aus erstrecken. Die dritte Mehrzahl von Vorsprüngen ist mit der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen entlang der Längsrichtung fluchtend angeordnet und weist einen dritten sich von Mitte-zu-Mitte erstreckenden Abstand in der Längsrichtung zwischen benachbarten Vorsprüngen der dritten Mehrzahl von Vorsprüngen auf. Zumindest ein Vorsprung der dritten Mehrzahl von Vorsprüngen ist werter weg vom ersten Ende als irgendein Vorsprung der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen und näher zum ersten Ende als irgendein Vorsprung der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen angeordnet.
Gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist das Rohr zwei einander gegenüber angeordnete breite und im Wesentlichen ebenen Seiten auf, die sich in einer Längsrichtung von einem ersten Ende des Rohrs zu einem zweiten Ende des Rohrs erstrecken, um zumindest teilweise ein Fluidvolumen zwischen ihnen zu definieren. Das Rohr umfasst eine erste Mehrzahl von Vorsprüngen, die auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen erstrecken. Eine erste Ebene, die normal zu den breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten ist, geht durch den Schwerpunkt von jedem Vorsprung der ersten Mehrzahl von Vorsprüngen hindurch, und weist einen Winkel bezüglich der Längsrichtung zwischen 15° und 75° auf. Das Rohr umfasst ferner eine zweite Mehrzahl von Vorsprüngen, die auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten angeordnet sind, um eine zweite Ebene parallel zur ersten Ebene zu definieren. Die zweite Ebene geht durch die Schwerpunkte von jedem Vorsprung der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen hindurch. Das Rohr umfasst ferner eine dritte Mehrzahl von Vorsprüngen, die auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten angeordnet sind, um eine dritte Ebene, parallel zur ersten Ebene, zu definieren, wobei die dritte Ebene durch die Schwerpunkte von jedem Vorsprung der dritten Mehrzahl von Vorsprüngen hindurchgeht. Das Rohr ist im Wesentlichen frei von zusätzlichen Vorsprüngen auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten zwischen der ersten und zweiten Ebene und zwischen der zweiten und dritten Ebene, und der Abstand zwischen der zweiten Ebene und der dritten Ebene ist zumindest zweimal so groß wie der Abstand zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene.
In einigen Ausführungsformen liegt der Winkel zwischen der ersten Ebene und der Längsrichtung zwischen 30° und 60°. In einigen Ausführungsformen ist der Abstand zwischen der zweiten Ebene und der dritten Ebene zumindest 2,5 mal so groß wie der Abstand zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sehen ein Verfahren zum Übertragen von Wärme zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid mit folgenden Verfahrensschritten vor: Einleiten des ersten Fluids in ein Rohr; Verwirbeln des ersten Fluids in einem ersten strukturierten Bereich des Rohrs; Entwickeln einer thermischen Grenzschicht des ersten Fluids in einem nicht-strukturierten zweiten Bereich des Rohrs, der, in Flussrichtung des ersten Fluids gesehen, stromabwärts des ersten Bereichs angeordnet ist; Verwirbeln des ersten Fluids in einem strukturierten dritten Bereich des Rohrs, der, in Flussrichtung des ersten Fluids gesehen, stromabwärts des zweiten Bereichs angeordnet ist; und Leiten des zweiten Fluids über die Außenseite des Rohrs, um die Wärme zwischen dem zweiten Fluid und dem ersten Fluid in die ersten, zweiten und dritten Bereiche des Rohrs zu übertragen.
In einigen Ausführungsformen ist das erste Fluid ein Motorkühlmittel und das zweite Fluid Luft. In einigen dieser Ausführungsformen ist das Rohr eins von mehreren Rohren eines Radiators. Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung. Darin zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Rohrs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 eine Teilansicht entlang der Linien II-II von 1.
3 ein Diagramm, das die Formgebung einer Grenzschicht auf einem flachen bzw. ebenen Wandbereich darstellt.
4 ist ein Schaubild, das die relativen Größenordnungen des Wärmeübertragungskoeffizienten und der Grenzschichtdicke für die Grenzschicht von 3 darstellt.
5A bis 5C sind Draufsichten, die drei mögliche Variationen eines Rohres gemäß der Ausführungsform von 1 darstellen.
6 ist eine perspektivische Ansicht eines Rohres gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
7 ist eine Draufsicht eines Rohrs gemäß der Ausführungsform von 6.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers für die Anwendung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Bereichs eines Rohrs und der Rippen für die Anwendung im Wärmetauscher von 8.
Bevor irgendeine der Ausführungsformen der Erfindung detailliert erläutert wird, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung bei ihrer Anwendung nicht auf die Details der Konstruktion und die Anordnung der Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargestellten oder in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht sind, begrenzt ist. Die Erfindung ist für andere Ausführungsformen geeignet und wird auf unterschiedliche Arten genutzt und ausgeführt. Es ist ebenfalls selbstverständlich, dass die hier verwendete Formulierung und Terminologie dem Zweck der Beschreibung dient und nicht einschränkend zu betrachten ist. Die Verwendung von „umfassen”, „aufweisen” oder „haben” und Abänderungen davon bedeutet hier, dass sie alle nachstehend verzeichneten Begriffe und Äquivalente davon sowie zusätzliche Begriffe einschließen. Sofern nicht anders angegeben, werden die Ausdrücke „angeordnet”, „verbunden”, „gelagert” und „gekoppelt” und Abänderungen davon allgemein verwendet und schließen sowohl direkte als auch indirekte Anordnungen, Verbindungen, Lagerungen und Kopplungen ein. Ferner sind „verbunden” und „gekoppelt” nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
Ein Wärmetauscherrohr 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in 1 und 2 veranschaulicht. Das Wärmetauscherrohr 1 umfasst einander gegenüber angeordnete breite und im Wesentlichen ebene Seiten 3 und 4, die durch kürzere oder schmalere Seiten 5 verbunden sind, um ein Fluidvolumen 12 innerhalb des Rohrs 1 zu definieren. Die kürzeren Seiten 5 können bogenförmig sein, wie dargestellt, oder alternativ auch eine andere Form, wie z. B. geradlinig, aufweisen. Das Rohr 1 erstreckt sich in eine Längsrichtung (parallel zu den kürzeren Seiten 5), die durch den Doppelpfeil 8 angezeigt wird, zwischen einem ersten Ende 6 des Rohrs 1 und einem zweiten Ende 7 des Rohrs 1.
Das Rohr 1 umfasst ferner viele Vorsprünge 2, die auf den breiten und im Wesentlichen ebenen Flächen 3, 4 angeordnet sind, und sich in das Flüssigkeitsvolumen 12 erstrecken. Die Vorsprünge 2 dienen zum Verwirbeln eines Fluidflusses, der sich durch das Fluidvolumen 12 bewegt, wodurch die Rate der Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und den Rohrwänden erhöht wird, wie es bezüglich 3 und 4 erläutert wird.
3 stellt die Formgebung einer Flüssigkeits- bzw. Fluidgrenzschicht 23 auf der Oberfläche einer Wand 24 dar, wenn eine Flüssigkeit bzw. Fluid 20 über die Wand 24 in die x-Richtung fließt. Die Wand 24 kann in diesem Fall einen Bereich einer breiten und im Wesentlichen ebenen Wand eines Wärmetauscherrohrs mit der Richtung „x”, die der Längsrichtung des Rohrs entspricht, darstellen. Die Bewegung des Fluids direkt an der Wand 24 wird durch Reibungseffekte blockiert und die Geschwindigkeit des Fluids 20 wird infolge der Fluidviskosität stufenweise mit dem Abstand, der zur Wand normal bzw. senkrecht ist (die y-Richtung in 3), bis zu dem Abstand, wo die Viskositätseffekte vollständig abgeführt bzw. abgeleitet werden, erhöht, wobei an diesem Punkt das Fluid mit freier Fließgeschwindigkeit strömt bzw. fließt. Die Grenzschichtdicke, die durch die Linie 23 dargestellt wird, wird typischerweise als der Abstand von der Wand definiert, bei der die Fliessgeschwindigkeit in die Längsrichtung „x” äquivalent der Größenordnung von 99% der freien Fliessgeschwindigkeit ist. Die Geschwindigkeits-Größenordnungsverteilung durch die Grenzschicht an der Stelle x₁ wird in 3 als u_x (y) bezeichnet.
Gemäß 3 beginnt die Grenzschicht bei einem gewissen Abstand von der Führungskante der Wand 24 von der laminaren Strömung zur turbulenten Strömung zu wechseln bzw. überzugehen. Im Fluid beginnen sich Schwankungen zu entwickeln, wie durch die verschnörkelten Pfeile in der Grenzschicht angezeigt. Schließlich gehen diese Schwankungen zur vollständigen turbulenten Strömung über, wie durch die Pfeile dargestellt, die ein drehendes Fliessmuster darstellen. Sobald die Grenzschicht turbulent wird, wird sichtbar, dass drei getrennte Schichten gebildet werden: eine laminare Teil- bzw. Unterschicht, die immer zur Wand 24 benachbart ist, wobei der Transport durch Diffusionseffekte dominiert bzw. beherrscht wird; einen turbulenten Bereich, der von der Wand 24 am entferntesten angeordnet ist, wobei der Transport durch die turbulente Vermischung beherrscht wird; und eine Pufferschicht zwischen den beiden, wobei im Wesentlichen die turbulente Vermischung und Diffusion gleichzeitig auftreten.
Gemäß 4 (angepasst vom Lehrbuch „Fundamentals of heat transfer by Frank P. Incorpera und David P. DeWitt, herausgegeben von John Wiley & Sons of New York, 1981) wird die Veränderung der Grenzschichtdicke „δ” und der konvektive Grenzschichtkoeffizient „h” entlang der x-Richtung dargestellt. Wie ersichtlich, geht eine Reduktion mit dem konvektiven Grenzschichtkoeffizienten mit der Erhöhung der Grenzschichtdicke im laminaren Bereich einher. Sobald jedoch die Grenzschicht beginnt, vom laminaren zum turbulenten Bereich zu wechseln, nimmt der konvektive Grenzschichtkoeffizient zu, auch wenn die Grenzschichtdicke ebenfalls kontinuierlich zunimmt. Dieser Effekt ergibt sich aus der erhöhten Rate des Energietransports im Fluid, die durch die Fluidschwankungen hervorgerufen wird. Sobald der Fluss vollständig turbulent ist, erreicht der konvektive Grenzschichtkoeffizient seinen maximalen Wert. Im turbulenten Bereich, der Flussrichtung stromabwärts folgend, nimmt die Grenzschichtdicke kontinuierlich zu, aber der konvektive Grenzschichtkoeffizient verringert sich infolge des Zuwachses der laminaren Teilschicht. An einer ausreichend weit entfernten stromabwärts liegenden Stelle wird schließlich die laminare Teilschicht bei der Dicke zu dem Punkt zunehmen, wo sie auch zur Turbulenz wechselt, und der gesamte Zyklus wiederholt sich.
Durch die Erkenntnis, dass die Rate der Wärmeübertragung im Betriebszustand mit dem größten erreichbaren Grenzschichtkoeffizienten maximiert wird, fügen Designer bzw. Konstrukteure von Wärmetauscherausrüstungen, die ebene Rohre verwenden, üblicherweise Vorsprünge den Rohren hinzu, um den Fluss bzw. die Strömung in die Turbulenz bzw. den Turbulenzbereich wesentlich eher überzuleiten bzw. zu überführen (oder „auszulösen”), als wenn die Turbulenz auftreten würde, wenn die Rohrwand gleichmäßig bzw. eben wäre. Diese Rohre werden üblicherweise beim Stand der Technik als strukturierte Rohre, d. h. z. B. mit Noppen oder Dellen versehen, bezeichnet. Um den Wiederaufbau einer relativ dicken laminaren Teilschicht und die sich daraus ergebende Verringerung beim konvektiven Grenzschichtkoeffizienten zu verhindern, werden viele Vorsprünge typischerweise in einem gleichmäßigen Muster angeordnet, um den turbulenten Fließzustand aufrechtzuerhalten. Ein unerwünschter Nebeneffekt ist, dass die Reduzierung im Fließbereich, die durch die Vorsprünge hervorgerufen wird, und die Energiedissapationseffekte der turbulenten Wirbel bzw. Strudel auch zu einer wesentlichen Zunahme beim Druckabfall im Vergleich zum Fluss in einem ebenen und nicht-strukturierten Rohr, führt.
Bei der Erfindung wurde erkannt, dass es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein könnte, ein Wärmetauscherrohr vorzusehen, das nicht dazu neigt, den Grenzschichtkoeffizientenhöchstwert aufrecht zu erhalten, wie oben beschrieben. Im Gegensatz zu einem Rohr mit gleichmäßig beabstandeten Vorsprüngen umfasst das beispielhafte Rohr 1 der 1 und 2 viele Mehrzahlen von Vorsprüngen 2, wobei jede Mehrzahl zwei Vorsprünge aufweist, die miteinander entlang der Längsrichtung 8 fluchtend angeordnet sind und einen Abstand zwischen ihnen aufweisen, der kleiner als der Abstand zwischen den benachbarten Mehrzahlen entlang der Längsrichtung 8 ist. Die beiden Vorsprünge sind miteinander fluchtend angeordnet, so dass eine Ebene, die üblicherweise normal zur breiten und ebenen Seite 3 ist, durch einen Schwerpunkt von jedem der beiden Vorsprünge hindurchgeht. In der dargestellten Ausführungsform ist die Ebene, die durch den Schwerpunkt von jedem der beiden Vorsprünge hindurchgeht, auch parallel zu den schmalen und kurzen Seiten 5 des Rohrs 1.
Eine Draufsicht des beispielhaften Rohrs 1 von 1 und 2 ist in 5A dargestellt. Die Vorsprünge 2, die auf der Wand 3 des Rohrs 1 angeordnet sind, werden durch schraffierte Kreise dargestellt, während die Vorsprünge 2, die auf der gegenüberliegenden Wand 4 des Rohrs 1 angeordnet sind, durch nichtschraffierte Kreise dargestellt werden.
Wie in 5A dargestellt, umfasst das Rohr 1 eine Mehrzahl 2a von Vorsprüngen 2, die auf der breiten und im Wesentlichen ebenen Wand 3 zwischen dem ersten Rohrende 6 und dem zweiten Rohrende 7 angeordnet sind. Die Vorsprünge 2 innerhalb der Mehrzahl 2a sind miteinander entlang der Längsrichtung 8 des Rohrs 1 fluchtend angeordnet, und weisen einen Abstand d_2a in der Längsrichtung 8 zwischen benachbarten Vorsprüngen der Mehrzahl 2a auf. Die beiden Vorsprünge sind miteinander fluchtend angeordnet, so dass eine Ebene, die üblicherweise normal zu den breiten und ebenen Seiten 3 und 4 ist, durch einen Schwerpunkt von jedem der beiden Vorsprünge hindurchgeht. In der dargestellten Ausführungsform ist die Ebene, die durch den Schwerpunkt von jedem der beiden Vorsprünge hindurchgeht, auch parallel zu den schmalen und kurzen Seiten 5 des Rohrs 1.
Gemäß 5A umfasst das Rohr 1 zusätzlich eine zweite Mehrzahl 2b von Vorsprüngen 2, die auf der Wand 3 zwischen der ersten Mehrzahl 2a und dem Ende 7 angeordnet sind. Die Mehrzahl 2b ist mit der Mehrzahl 2a entlang der Längsrichtung 8 fluchtend angeordnet, und die benachbarten Vorsprünge der Mehrzahl von Vorsprüngen 2b weisen einen Abstand d_2b in der Längsrichtung 8 auf. Die Anzahl von Vorsprüngen in einer zweiten Mehrheit 2b kann dieselbe Anzahl von Vorsprüngen 2 in einer ersten Mehrzahl 2a sein (wie es in der beispielhaften Ausführungsform von 5A ist), oder kann alternativ größer als oder kleiner als die Mehrzahl von Vorsprüngen 2 in einer ersten Anzahl 2a sein. Die Vorsprünge 2b sind miteinander fluchtend angeordnet, so dass eine Ebene, die üblicherweise normal zur breiten und ebenen Seite 3 ist, durch einen Schwerpunkt von jedem der Vorsprünge 2b hindurchgeht. Außerdem sind die Vorsprünge 2b mit den Vorsprüngen 2a fluchtend miteinander angeordnet, so dass die Ebene, die durch den Schwerpunkt von jedem der Vorsprünge 2b hindurchgeht, mit der Ebene, die durch den Schwerpunkt von jedem der Vorsprünge 2a hindurchgeht, planparallel ist.
Der Abstand d_2b kann gleich dem Abstand d_2a sein (wie es in der beispielhaften Ausführungsform von 5A ist), oder kann alternativ größer als oder kleiner als der Abstand d_2a sein. Die erste Mehrzahl 2a und die zweite Mehrzahl 2b von Vorsprüngen 2 sind voneinander beabstandet, so dass der Abstand d_2a-2b größer als der Abstand d_2a ist. Der Abstand d_2a-2b ist der Abstand zwischen dem Vorsprung 2 bei der Mehrzahl 2a, der am weitesten von dem Ende 6 entfernt ist, und dem Vorsprung 2 bei der Mehrzahl 2b, der dem Ende 6 am nächsten angeordnet ist.
Wie ferner aus 5A ersichtlich, umfasst das beispielhafte Rohr 1 eine dritte Mehrzahl 2c von Vorsprüngen, die entlang der Wand 4 angeordnet und entlang der Längsrichtung 8 mit den ersten und zweiten Mehrzahlen 2a und 2b fluchtend angeordnet sind. Die Vorsprünge 2 innerhalb der dritten Mehrzahl 2c weisen einen Abstand d_2c zwischen benachbarten Vorsprüngen der Mehrzahl 2c auf. Die dritte Mehrzahl 2c wird entlang der Längsrichtung 8 relativ zur zweiten Mehrzahl 2b verschoben, so dass zumindest einer von der dritten Mehrzahl 2c zwischen zwei benachbarten der zweiten Mehrzahl 2b entlang der Längsrichtung 8 angeordnet ist. Die Anzahl von Vorsprüngen 2 innerhalb der dritten Mehrzahl 2c kann unabhängig von der Anzahl von Vorsprüngen 2 entweder bei der ersten Mehrzahl 2a oder der zweiten Mehrzahl 2b variieren.
Wenn ein Rohr 1 in einem Wärmetauscher verwendet wird, kann ein Fluss des Fluids in das Fluidvolumen 12 an dem ersten Rohrende 6 eingeleitet werden, um durch das Rohr 1 in der Längsrichtung 8 zu fließen, und kann vom Fluidvolumen 12 an dem zweiten Rohrende 7 entfernt bzw. abgeleitet werden. Wenn ein Bereich des Flusses auf eine der Mehrzahlen von Vorsprüngen 2 trifft (z. B. die Mehrzahl 2a), können diese Vorsprünge bewirken, dass die Grenzschicht zur Turbulenz wechselt, wodurch ein großer konvektiver Grenzschichtkoeffizient erreicht wird.
Abhängig von den Eigenschaften des Fluids und des spezifischen Rohrs 1 und der Geometrie des Vorsprungs 2 können viele aufeinanderfolgende Vorsprünge 2 in relativ naher Nachbarschaft erforderlich werden, damit die Grenzschicht vollständig in ein turbulentes Strömungsregime wechselt. In der beispielhaften Ausführungsform von 5A besteht die erste Mehrzahl 2a von Vorsprüngen 2 aus zwei Mehrzahlen von Vorsprüngen 2, aber es sollte selbstverständlich sein, dass andere Ausführungsformen zusätzliche Vorsprünge 2 in einer ersten Mehrzahl 2a umfassen können. Zum Beispiel ist das Rohr 1', das in 5B dargestellt ist, dem Rohr 1 von 5A ähnlich, weist aber drei Vorsprünge 2 in jeder Mehrzahl von Vorsprüngen auf. Die Anzahl von Vorsprüngen 2 innerhalb der Mehrzahl 2a und der Abstand d_2a zwischen diesen Vorsprüngen 2 kann vorteilhaft ausgewählt werden, um den gewünschten Effekt für einen vollständigen Wechsel bzw. Übergang in die turbulente Strömung durchzuführen, um somit dem maximalen Grenzschichtkoeffizienten zu entsprechen, wie in 4 dargestellt.
Wenn die Vorsprünge 2 mit einem ähnlichen Abstand abwärts der Länge des Rohrs 1 fortgesetzt werden sollen, dann würde sich die laminare Teilschicht, die in 4 dargestellt ist, nicht entwickeln können, und der Grenzschichtkoeffizient könnte beim maximalen Level bzw. Niveau aufrechterhalten werden. Dieser Prozess könnte wünschenswert sein, um die Rate der Wärmeübertragung zu maximieren, hätte aber auch den unerwünschten Nebeneffekt, dass der Druckabfall, der durch das Fluid beim Hindurchgehen durch das Rohr 1 erwiesen wird, zunimmt. Wie zuvor dargestellt, ist der Druckabfall sehr oft ein kritischer Faktor beim Design eines Wärmetauschers, der diese strukturierten Rohre anwendet, weil die Pumpenleistung, die zum Vorantreiben des Fluids durch die Rohre erforderlich ist, mit dem Druckabfall erhöht wird, und die Pumpenleistung oft eine begrenzte Bereitstellung aufweist. Um den Druckabfall zu reduzieren, müssen zusätzliche Rohre parallel hinzugefügt werden, aber dieses wird dann dazu führen, den Grenzschichtkoeffizienten zu verringern sowie eine zusätzliche Größenordnung und weitere Kosten anzufügen.
Die Erfindung hat herausgefunden, dass ein vorteilhafter Kompromiss zwischen Wärmeübertragung und Pumpenleistung dadurch erreicht werden kann, dass der Bereich d_2a-2b der Wand 3 sofort in stromabwärtiger Flussrichtung der ersten Mehrzahl 2a von Vorsprüngen 2 aufgewiesen wird, die frei von zusätzlichen Vorsprüngen ist. Eine Strömung des Fluids, die durch dieses Rohr 1 hindurchgeht, wird in den Turbulenzbereich durch Vorbeiströmen über die erste Mehrzahl 2a von Vorsprüngen 2 übergeleitet, aber der laminaren Teilschicht wird dann ermöglicht, sich über den Bereich d_2a-2b zu entwickeln. Der Grenzschichtkoeffizient wird über diesen nicht-strukturierten Bereich etwas verringert, aber der Druckabfall, der in Verbindung mit dem Fluss des Fluids steht, wird ebenfalls abnehmen. Wenn der Fluss des Fluids die zweite Mehrzahl 2b von Vorsprüngen erreicht, wird der Fluss bzw. die Strömung wieder in den Turbulenzbereich übergeleitet, um vorübergehend den gewünschten großen Wärmeübertragungskoeffizienten wieder herzustellen. Zusätzliche Mehrzahlen von Vorsprüngen 2, die durch nicht-strukturierte Bereiche getrennt sind, können fortgeführt werden, wenn sie abwärts der Länge des Rohres 1 erforderlich sind.
Die Erfindung hat ergeben, dass mit geeigneter Auswahl des Abstandes zwischen den Mehrzahlen von Vorsprüngen 2 die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers, der dieses Rohr 1 verwendet, nur etwas verringert wird, aber der Druckabfall wesentlich verringert wird. Zum Beispiel hat die Erfindung herausgefunden, dass bei Kfz-Radiatoren ein nicht-strukturierter Abstand d_2a-2b, der sich in einem Bereich befindet, bei dem der Abstand d_2a zwischen den Vorsprüngen zwei- bis sechsmal so groß ist, einen besonders vorteilhaften Kompromiss zwischen der Wärmeübertragungsleistung und dem Druckabfall vorsehen kann. In einigen besonders vorteilhaften Ausführungsformen ist der nicht-strukturierte Abstand d_2a-2b zumindest 2,5 mal so groß wie der Abstand d_2a.
Wie aus den verschiedenen Ausführungsformen von 5A bis 5C ersichtlich, können viele Mehrzahlen von Vorsprüngen 2 entlang der Querrichtung 41 des Rohrs 1, 1', 1'' angeordnet werden. Die Vorsprünge 2 können angeordnet werden, so dass der Fluss in den Turbulenzbereich an ungefähr den gleichen Stellen in der Längsrichtung 8 über die gesamte Querrichtung 21 des Rohrs 1, 1' übergeleitet wird, wie in 5A und 5B dargestellt. Alternativ können die Mehrzahlen von Vorsprüngen abgestuft bzw. verschoben werden, wie beim Rohr 1' von 5C dargestellt.
6 und 7 stellen eine alternative Ausführungsform eines Rohrs 101 mit einem weiteren abgestuften Muster bzw. Staffelungsmuster für die Vorsprünge 2 dar. Wie zuvor bezüglich 5A bis 5C werden in 7 die Vorsprünge 2, die auf der Wand 3 des Rohrs 101 angeordnet sind, durch schraffierte Kreise dargestellt, während die Vorsprünge 2, die auf der gegenüberliegenden Wand 4 des Rohrs 101 angeordnet sind, durch nicht schraffierte Kreise dargestellt werden. Im beispielhaften Rohr 101 sind die Vorsprünge 2 in Gruppierungen angeordnet, die sich entlang der Querrichtung 21 mit aufeinanderfolgenden Vorsprüngen 2 innerhalb jeder Gruppierung erstrecken, die fortschreitend weiter entlang des Rohrs 101 in der Längsrichtung 8 angeordnet sind.
Gemäß 6 und 7 sind die Vorsprünge 2 angeordnet, so dass eine erste Mehrzahl von Vorsprüngen 2, die auf der Wand 3 angeordnet sind (die Mehrzahl beträgt vier Vorsprünge in der beispielhaften Ausführungsform), in einer Ebene 9 liegt, die durch die Schwerpunkte dieser Vorsprünge hindurchgeht, während die Ebene 9 senkrecht zu den breiten ebenen Wänden 3 und 4 ist, aber nicht senkrecht sowohl zur Längsrichtung 8 als auch zur Querrichtung 21. Eine zweite Mehrzahl von Vorsprüngen 2, die ebenfalls auf der Wand angeordnet sind, liegt in einer Ebene 10 (d. h., die Ebene 10 geht durch die Schwerpunkte der zweiten Mehrzahl von Vorsprüngen 2 hindurch), die parallel zu und von der Ebene 9 beabstandet ist. Die Wand 3 ist frei von Vorsprüngen zwischen den Ebenen 9 und 10.
Eine dritte Mehrzahl von Vorsprüngen 2 liegt ebenso in einer dritten Ebene 11, die parallel zu und beabstandet von den Ebenen 9 und 10 ist. Der Bereich der Wand 3 zwischen der Ebene 10 und Ebene 11 ist wiederum frei von Vorsprüngen. Der Abstand d_10,11 zwischen den Ebenen 10 und 11 ist im Wesentlichen größer als der Abstand d_9,10 zwischen den Ebenen 9 und 10.
Wenn ein Fluss des Fluids durch das Rohr 101 hindurchgeht, kann der relativ nahe Abstand d_9,10 zwischen den Vorsprüngen in den ersten und zweiten Mehrzahlen von Vorsprüngen 2 den Fluss in einen turbulenten Bereich einleiten, wodurch sich ein vorzugsweise großer Wärmeübertragungskoeffizient ergibt. Wenn der Fluss als nächstes auf den nicht-strukturierten Bereich zwischen den Ebenen 9 und 10 trifft, wird einer laminaren Teilschicht ermöglicht, sich zu entwickeln, um den zuvor erwähnten Kompromiss zwischen dem Fluid-Druckabfall und der Wärmeübertragungsleistung zu bewirken. Die Erfindung hat herausgefunden, dass der Abstand d_10,11, der ungefähr 2,5 bis ungefähr 6 mal so groß ist wie der Abstand d_9,10, einen besonders geeigneten Ausgleich zwischen den konkurrierenden Interessen der maximalen Wärmeübertragung und des minimalen Druckabfalls vorsehen kann. In anderen Ausführungsformen ist der Abstand d_10,11 zweimal so groß wie der Abstand d_9,10.
Werden Ebenen 9, 10, 11 ausgewiesen, die sich an einem nicht senkrechten Winkel zur Längsrichtung 8 (der Winkel, der als „α” in 7 bezeichnet wird) ausrichten, hat die Erfindung herausgefunden, dass bestimmte zusätzliche Vorteile erreicht werden können, insbesondere bei Anwendungen, wo die Wärme zwischen einem ersten Fluid, das durch das Rohr 101 in der Längsrichtung 8 hindurchgeht, und einem zweiten Fluid, das über die äußeren Oberflächen des Rohrs in der Querrichtung 21 (d. h. eine Querstrom-Ausrichtung) fließt, übertragen wird. Beim inneren Wärmeübertragungskoeffizient wird erwartet, dass er zwischen den Ebenen 10 und 11 infolge der Formgebung der laminaren Teilschicht etwas, aber stetig abnimmt. Folglich wird der lokale Wärmeübertragungskoeffizient im nicht-strukturierten Bereich in den Ebenen 10, 11 an seinem maximalen Wert, der sofort stromabwärts von einem Vorsprung 2 der Mehrzahl von Vorsprüngen, die die Ebene 10 definieren, liegt, erwartet, und bei seinem minimalen Wert, der sofort stromaufwärts von einem Vorsprung 2 der Mehrzahl von Vorsprüngen, die die Ebene 11 definieren, liegt, erwartet. Durch die Ausrichtung der Ebenen an einem nicht senkrechten Winkel α werden diese lokalen Maxima und Minima bezüglich der Querrichtung 21 verschoben. Folglich wird ein Fluid, das über die äußeren Oberflächen des Rohres 101 fließt, bei einer Querstrom-Wärmeübertragungsrelation mit einem Fluid, das durch das Rohr 101 hindurchgeht, eine gleichmäßigere Rate der Wärmeübertragung ergeben. Die Erfindung hat herausgefunden, dass ein Winkel α im Bereich zwischen 15° und 75° vorteilhafte Ergebnisse bei einigen Anwendungen liefern kann, und dass ein Winkel α im Bereich zwischen 30° und 60° besonders vorteilhaft sein kann.
Wie in 7 ersichtlich, können die Vorsprünge 2 so angeordnet werden, dass diese Vorsprünge 2, die auf der Wand 4 angeordnet sind, ein Spiegelbild derjenigen Vorsprünge 2 bilden, die auf der Wand 3 angeordnet sind. Mit anderen Worten, die Vorsprünge 2 auf der Wand 4 sind so angeordnet, um in vielen parallelen Ebenen zu liegen, die sich an einem Winkel von 2α zu den Ebenen ausrichten, in denen die Vorsprünge 2 auf der Wand 3 liegen. In einigen anderen Ausführungsformen können jedoch die Ebenen, in denen die Vorsprünge 2 auf der Wand 4 angeordnet sind, an anderen Winkeln ausgerichtet werden. Zum Beispiel können die Ebenen, in denen die Vorsprünge 2 auf der Wand 4 liegen, parallel zu den Ebenen, in denen die Vorsprünge auf der Wand 3 liegen, ausgerichtet werden.
In der beispielhaften Ausführungsform von 7 sind die Vorsprünge 2 auch so angeordnet, dass die strukturierten und nicht-strukturierten Bereiche der Rohrwand 3 und der Rohrwand 4 sich an übereinstimmenden Orten bzw. Stellen entlang der Längsrichtung 8 befinden. Jedoch sollte erkannt werden, dass diese strukturierten und nicht-strukturierten Bereiche auch oder alternativ entlang der Längsrichtung 8 in einigen Ausführungsformen verschoben sein können.
Wie bezüglich der 5A bis 5C erörtert, kann es wünschenswert sein, zusätzliche Vorsprünge 2 in den strukturierten Bereichen zu schaffen, um das Fluid in den Turbulenzbereich überzuleiten bzw. zu überführen. In einigen alternativen Ausführungsformen können diese zusätzlichen Vorsprünge angeordnet werden, um in zusätzlichen Ebenen parallel zu den Ebenen 9 und 10 zu liegen.
Die Vorsprünge 2 der oben beschriebenen Ausführungsformen können durch Ausbilden des Rohrwandmaterials aus einem oder mehreren Materialstreifen bzw. Bandblechen hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen können Walzenpaare mit Eigenschaften ausgerüstet werden, um das Rohrwandmaterial zu deformieren, um Vorsprünge 2 zu erzeugen, nach denen das Rohrwandmaterial gebildet werden kann, um das Rohr zu erzeugen. Die Eigenschaften bzw. Merkmale können auf den Walzen in Gruppierungen angeordnet werden, so dass die strukturierten Bereiche des Rohrs über bestimmte Drehzahlen der Walzen, und die nicht-strukturierten Bereiche des Rohrs über bestimmte andere Drehzahlen der Walzen erzeugt werden.
Die spezielle Geometrie der Vorsprünge 2 kann viele verschiedene Formen aufweisen, so wie es durch die spezifischen Wärmeübertragungsanwendungen erforderlich werden kann, bei denen das Rohr zur Anwendung vorgesehen ist. Zum Beispiel können die Vorsprünge 2 Anschluss- bzw. Basisflächen aufweisen, die ringförmige, ovale, dreieckige, quadratische, rechtwinklige, Chevron- bzw. Zickzackleisten oder andere Formen, so wie es gewünscht wird, umfassen. Zusätzlich können die Profile der Vorsprünge 2 gleichmäßig oder stark sein, abhängig vom Verwirbelungsausmaß, das für die vorgegebene Anwendung wünschenswert ist.
8 stellt einen Wärmeaustauscher 13 dar, der den speziellen Vorteil bei der Anwendung von irgendeinem der oben erwähnten Rohre (1, 1', 1'', 101) herleiten kann, wie zuvor beschrieben. Der Wärmeaustauscher 13 umfasst einen Wärmetauscherkern 14, der verschachtelte bzw. überlappende Rohre 1 und voluminöse Luftrippen 15 aufweist. Die Anordnung der Rohre 1 und Luftrippen 15 kann deutlicher in 9 erkannt werden. Der Wärmetauscher 13 umfasst ferner Sammler- bzw. Endkammern 16, die an jedem Ende des Wärmetauscherkerns 14 angeordnet sind, um die Enden des Rohrs 1 aufzunehmen. Die Fluidtanks bzw. Sammelkästen 17 sind mit den Endkammern 16 verbunden, um ein oder mehrere Fluidsammlervolumen an jedem Ende des Wärmetauscherkerns 14 mit den inneren Leitungen des Rohrs 1, die flüssigkeitsmäßig mit diesen Volumen verbunden sind, zu definieren.
Ein Fluss des Fluids 20 fließt in einen der Tanks 17 durch eine Einlassöffnung 18, fließt durch die inneren Kanäle des Rohrs 1 zu dem anderen der Tanks 17, und wird aus dem Wärmetauscher 13 durch eine Auslassöffnung 19, die auf einem der Tanks 17 angeordnet ist, entfernt bzw. ausgelassen. In einigen Ausführungsformen können alle von den Rohren 1 angeordnet werden, um flüssigkeitsmäßig parallel miteinander zu sein, wobei in anderen Ausführungsformen die Rohre 1 in zwei oder mehr Gruppen von Rohren 1 gruppiert werden, wobei die Rohre in jeder Gruppe flüssigkeitsmäßig parallel miteinander angeordnet und die Gruppen selbst flüssigkeitsmäßig in Reihe miteinander angeordnet sind. Folglich kann der Fluss des Fluids 20 mehrmals durch den Wärmetauscherkern 14 zwischen dem Einfließen in die Öffnung 18 und dem Ausfließen aus der Öffnung 19 hindurchgehen, und die Öffnungen 18 und 19 können auf gegenüberliegenden Tanks 17 (wie dargestellt) oder auf demselben Tank 17 angeordnet werden. Ein zweiter Fluss des Fluids 22 geht durch den Wärmeaustauscherkern 14 in Querrichtung 21 hindurch, und fließt über die Rohre 1 und Rippen 15 durch Wärmeübertragungsverbindung bzw. -relation mit dem Fluid 20.
Dieser Wärmeaustauscher 13 kann in verschiedenen Anwendungen gefunden werden, die Radiatoren, Ladeluftuftkühler, Kondensatoren, Dampfapparate, Olkühler und dergleichen einschließen, aber nicht beschränken. In vielen Fallen, aber nicht immer, ist der Fluss bzw. Strom 22 ein Luftstrom, der verwendet wird, um das Fluid 20 zu erwärmen oder zu kühlen. Der Wärmetauscher 13 kann eine besonders vorteilhafte Anwendung als Radiator zum Ausstoßen von Wärme vom Kühlwasser einer Verbrennungsmaschine finden.
Obwohl die vorliegende Erfindung gemäß den oben beschriebenen bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Abänderungen und Varianten der oben beschriebenen Ausführungsformen erscheinen den Durchschnittsfachleuten im Licht der oben genannten Lehre. Sie werden durch die folgenden Ansprüche definiert. Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung der Erfindung wird hiermit ergänzend auf deren zeichnerische Darstellung in 1 bis 9 Bezug genommen.
Zusammenfassend kann Folgendes festgehalten werden:
Ein Wärmetauscherrohr 1 umfasst Vorsprünge 2, die sich in das innere Volumen erstrecken, um einen Fluidstrom zum Verbessern der Wärmeübertragung zu verwirbeln. Die Vorsprünge 2 sind angeordnet, um strukturierte und nicht strukturierte Bereiche zu schaffen, um die erhöhte Wärmeübertragung zusammen mit dem verringerten Druckabfall vorzusehen. Ein Verfahren zum Übertragen der Wärme durch Einleiten eines Fluids in ein Rohr 1, Verwirbeln des Fluids in einem ersten strukturierten Rohrbereich, Entwickeln einer thermischen Grenzschicht in einem nicht-strukturierten zweiten Bereich, und Verwirbeln des Fluids in einem zweiten strukturierten Rohrbereich wird ebenfalls vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'', 101: Rohr bzw. Wärmetauscherrohr
2: Vorsprünge
2a, 2b, 2c: Erste, zweite, dritte Mehrzahl
3, 4: Breite, flache bzw. ebene Seiten bzw. Seitenflächen
5: Kürzere Seiten bzw. Seitenflächen
6: Erstes Ende
7: Zweites Ende
8: Doppelpfeil bzw. Längsrichtung
9, 10, 11: Ebene
12: Fluid- bzw. Flüssigkeitsvolumen
13: Wärmetauscher
14: Wärmetauscherkern
15: Luftrippen
16: Sammler bzw. Endkammer
17: Fluidtank bzw. Sammelkasten
18: Einlassöffnung
19: Auslassöffnung
20: Fluid bzw. Flüssigkeit
21: Querrichtung
22: Strömung bzw. Fluss
23: Fluidgrenzschicht bzw. Flüssigkeitsgrenzschicht
24: Wand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Fundamentals of heat transfer by Frank P. Incorpera und David P. DeWitt, herausgegeben von John Wiley & Sons of New York, 1981 [0027]

Claims

Rohr (1) zum Hindurchleiten eines Fluids (20) durch einen Wärmetauscher (13): – mit zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4), die sich in einer Längsrichtung (8) des Rohrs (1) von einem ersten Ende (6) des Rohrs (1) zu einem zweiten Ende (7) des Rohrs (1) erstrecken, um zumindest teilweise ein Fluidvolumen (12) zwischen ihnen zu definieren; – mit einer ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2), die zwischen den ersten und zweiten Enden (6, 7) angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen (12) von einer der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) aus erstrecken, wobei die erste Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) entlang der Längsrichtung (8) fluchtend angeordnet ist und einen ersten sich von Mitte-zu-Mitte erstreckenden Abstand in der Längsrichtung (8) zwischen benachbarten Vorsprüngen (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) aufweist; und – mit einer zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2), die zwischen der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) und dem zweiten Ende (7) angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen (12) von der einen breiten und im Wesentlichen ebenen Seite (3, 4) aus erstrecken, wobei die zweite Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) mit der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) entlang der Längsrichtung (8) fluchtend angeordnet sind und einen zweiten sich von Mitte-zu-Mitte erstreckenden Abstand in der Längsrichtung (8) zwischen benachbarten Vorsprüngen (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) aufweist, – wobei ein sich von Mitte-zu-Mitte erstreckender Abstand in der Längsrichtung (8) zwischen einem Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2), der am weitesten weg von dem ersten Ende (6) angeordnet ist, und einen Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2), der dem ersten Ende (6) am nächsten angeordnet ist, zumindest 2,5 mal so groß wie der erste sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand ist, und wobei der eine Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) und der eine Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) durch einen Bereich der einen breiten und im Wesentlichen ebenen Seite (3, 4), die frei von Vorsprüngen (2) ist, voneinander getrennt sind.
Rohr (1) gemäß Anspruch 1, wobei der sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand in der Längsrichtung (8) zwischen dem Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2), der am weitesten weg von dem ersten Ende (6) angeordnet ist, und dem Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2), der dem ersten Ende (6) am nächsten angeordnet ist, zumindest 2,5 mal so groß wie der zweite sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand ist.
Rohr (1) gemäß Anspruch 1, das ferner eine dritte Mehrzahl (2c) von Varsprüngen (2) aufweist, die zwischen den ersten und zweiten Enden (6, 7) angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen (12) von der anderen Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) aus erstrecken, wobei die dritte Mehrzahl (2c) von Varsprüngen (2) mit der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) entlang der Längsrichtung (8) fluchtend angeordnet ist und einen dritten sich von Mitte-zu-Mitte erstreckenden Abstand in der Längsrichtung (8) zwischen benachbarten Vorsprüngen (2) der dritten Mehrzahl (2c) von Vorsprüngen (2) aufweist, wobei zumindest ein Vorsprung (2) der dritten Mehrzahl (2c) von Vorsprüngen (2) weiter weg von dem ersten Ende (6) als irgendein Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) und näher zum ersten Ende (6) als irgendein Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) angeordnet ist.
Rohr (1) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) fluchtend angeordnet ist, so dass sich eine erste Ebene (9) durch einen Schwerpunkt von jedem Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) erstreckt, und wobei die zweite Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) fluchtend angeordnet ist, so dass sich eine zweite Ebene (10) durch einen Schwerpunkt von jedem Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) erstreckt.
Rohr (1) gemäß Anspruch 4, wobei die erste Ebene (9) und die zweite Ebene (10) normal zu einer breiten und im Wesentlichen ebenen Seite (3, 4) angeordnet sind.
Rohr (1) gemäß Anspruch 5, wobei die erste Ebene (9) und die zweite Ebene (10) planparallel sind.
Rohr (1) gemäß Anspruch 1, wobei die zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) durch zwei einander gegenüber angeordneten schmalen Seiten verbunden sind, und wobei die Längsrichtung (8) parallel zu den beiden einander gegenüber angeordneten schmalen Seiten ist.
Rohr (1) gemäß Anspruch 1, wobei der sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand in der Längsrichtung (8) zwischen dem Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2), der am weitesten weg von dem ersten Ende (6) angeordnet ist, und dem Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2), der dem ersten Ende (6) am nächsten angeordnet ist, weniger als sechsmal so groß wie der erste sich von Mitte-zu-Mitte erstreckende Abstand ist.
Rohr (1) zum Hindurchleiten eines Fluids (20) durch einen Wärmetauscher (13): – mit zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4), die sich in einer Längsrichtung (8) des Rohrs (1) von einem ersten Ende (6) des Rohrs (1) zu einem zweiten Ende (7) des Rohrs (1) erstrecken, um zumindest teilweise ein Fluidvolumen (12) zwischen ihnen zu definieren; – mit einer ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2), die auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) angeordnet sind und sich in das Fluidvolumen (12) erstrecken, und in einer ersten Ebene (9) liegen, die senkrecht zu den zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) ist, die durch einen Schwerpunkt von jedem Vorsprung (2) der ersten Mehrzahl (2a) von Vorsprüngen (2) hindurchgehen, wobei die erste Ebene (9) einen Winkel bezüglich der Längsrichtung (8) zwischen 15° und 75° aufweist; – mit einer zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2), die auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) angeordnet sind und in einer zweiten Ebene (10) liegen, die parallel zur ersten Ebene (9) ist, wobei die zweite Ebene (10) durch einen Schwerpunkt von jedem Vorsprung (2) der zweiten Mehrzahl (2b) von Vorsprüngen (2) hindurchgeht; und – mit einer dritten Mehrzahl (2c) von Vorsprüngen (2), die auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) angeordnet sind, und in einer dritten Ebene (11) liegen, die parallel zur ersten Ebene (9) ist, wobei die dritte Ebene (11) durch einen Schwerpunkt von jedem Vorsprung (2) der dritten Mehrzahl (2c) von Vorsprüngen (2) hindurchgeht; – wobei das Rohr (1) frei von zusätzlichen Vorsprüngen (2) auf zumindest einer Seite der zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) zwischen den ersten und zweiten Ebenen (9, 10) und zwischen den zweiten und dritten Ebenen (10, 11) ist, und der Abstand zwischen der zweiten Ebene (10) und der dritten Ebene (11) zumindest zweimal so groß ist wie der Abstand zwischen der ersten Ebene (9) und der zweiten Ebene (10).
Rohr (1) gemäß Anspruch 9, wobei der Winkel zwischen der ersten Ebene (9) und der Längsrichtung (8) zwischen 30° und 60° liegt.
Rohr (1) gemäß Anspruch 9, wobei der Abstand zwischen der zweiten Ebene (10) und der dritten Ebene (11) zumindest 2,5 mal so groß wie der Abstand zwischen der ersten Ebene (9) und der zweiten Ebene (10) ist.
Rohr (1) gemäß Anspruch 11, wobei der Abstand zwischen der zweiten Ebene (10) und der dritten Ebene (11) weniger als sechsmal so groß ist wie der Abstand zwischen der ersten Ebene (9) und der zweiten Ebene (10).
Rohr (1) gemäß Anspruch 9, wobei die zwei einander gegenüber angeordneten breiten und im Wesentlichen ebenen Seiten (3, 4) durch zwei einander gegenüber angeordneten schmalen Seiten verbunden sind, und wobei die Längsrichtung (8) parallel zu den beiden einander gegenüber angeordneten schmalen Seiten ist.
Rohr (1) gemäß Anspruch 9, wobei der Abstand zwischen der zweiten Ebene (10) und der dritten Ebene (11) weniger als sechsmal so groß ist wie der Abstand zwischen der ersten Ebene (9) und der zweiten Ebene (10).
Verfahren zum Übertragen von Wärme zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid mit folgenden Verfahrensschritten: – Einleiten des ersten Fluids in ein Rohr (1); – Verwirbeln des ersten Fluids in einem ersten strukturierten Bereich des Rohrs (1); – Entwickeln einer thermischen Grenzschicht des ersten Fluids in einem nicht-strukturierten zweiten Bereich des Rohrs (1), der, in Flussrichtung des ersten Fluids gesehen, stromabwärts des ersten strukturierten Bereichs angeordnet ist; – Verwirbeln des ersten Fluids in einem strukturierten dritten Bereich des Rohrs (1), der, in Flussrichtung des ersten Fluids gesehen, stromabwärts des zweiten nicht-strukturierten Bereichs angeordnet ist; und – Leiten des zweiten Fluids über die Außenseite des Rohrs (1), um die Wärme zwischen dem zweiten Fluid und dem ersten Fluid in die strukturierten ersten und dritten Bereiche des Rohrs (1) und den nicht-strukturierten dritten Bereich des Rohrs (1) zu übertragen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das erste Fluid ein Motorkühlmittel und das zweite Fluid Luft ist.