-
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere zylindrische Wärmeübertrager, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge.
-
Zylindrische Wärmeübertrager sind beispielsweise aus der
DE 102 23 788 C1 bekannt. Der zylindrische Wärmeübertrager ist entlang seiner Längsachse in einem Außenbereich in Längsrichtung von Rohren durchzogen, die ein erstes Fluid führen. In einem Innenbereich des Wärmeübertragers wird ein zweites Fluid geleitet. In dem Außenbereich findet in einem die Rohre umgebenden Hohlraum ein Rückfluss des zweiten Fluids statt. Dabei wird in dem umgebenden Hohlraum jeweils durch Fluidführungswände senkrecht zu den Rohren das zweite Fluid geleitet, wobei eine Wärmeübertragung nach dem Gegenstromprinzip im Wechsel mit dem Kreuzstromprinzip stattfindet.
-
Reine Gleichstromsysteme zeichnen sich im Allgemeinen durch relativ schlechte Wärmeübergänge aus. Bei reinen Gegenstromanordnungen entstehen Schichtungen, die den Wärmeübergang verschlechtern.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Wärmeübertrager anzugeben, der eine effiziente Wärmeübertragung von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid erlaubt.
-
Diese Aufgabe wird von einem Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Ein Wärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerkörper, vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen ersten Fluidkanal, der von einem ersten Fluid durchströmt wird und einen zweiten Fluidkanal, der von einem zweiten Fluid durchströmt wird. Eines von dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid ist wärmer als das Andere von dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid, wobei nach einem Eintritt in einen Wärmeübertragungsbereich des Wärmeübertragers eine Wärmeübertragung von dem wärmeren Fluid zu dem kälteren Fluid in dem Wärmeübertragungsbereich stattfindet. Der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal weisen dabei in dem Wärmeübertragungsbereich zumindest zwei gemeinsame Gleichstrombereiche und einen zwischen den Gleichstrombereichen angeordneten gemeinsamen Gegenstrombereich oder zumindest zwei gemeinsame Gegenstrombereiche und einen zwischen den Gegenstrombereichen angeordneten gemeinsamen Gleichstrombereich auf. Durch das Vorsehen in dieser Weise alternierender Gegenstrombereiche und Gleichstrombereiche wird vorteilhaft eine effiziente Wärmeübertragung von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid oder umgekehrt erreicht. Der Wärmeübertragungsbereich ist dabei der gesamte Bereich des Wärmeübertragers, in dem Wärme von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid in technisch sinnvoller Weise übertragen wird, insbesondere ist dies der Bereich, in dem der erste Fluidkanal und der zweite Fluidkanal eine gemeinsame Wand aufweisen. Ein Gesamtwärmedurchgangskoeffizient ist bei der gemischten Anordnung aus alternierenden Gleichstrombereichen und Gegenstrombereichen höher als bei einer nur nach dem Gleichstromprinzip oder nur nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Anordnung der Fluidkanäle zueinander. Der Wärmeübertragerkörper kann insbesondere zylindrisch oder plattenförmig ausgebildet sein, wobei bei einer zylindrischen Ausbildung eines der beiden Fluide in einem Inneren des Zylinders geführt wird und das Andere der beiden Fluide in einem Außenbereich des Zylinders geführt wird. Der Wärmeübertragerkörper kann aber auch eine konische Form aufweisen. Ist der Wärmeübertrager plattenförmig ausgestaltet, so erfolgt eine Strömung des ersten Fluides auf der einen Seite der Platte und eine Strömung des zweiten Fluides auf der anderen Seite der Platte. Um einen Wechsel zwischen einem der Gegenstrombereiche und einem der Gleichstrombereiche zu erzielen, wird zumindest eines der Fluide in einem Wechselbereich umgelenkt. Der Wechselbereich kann innerhalb oder außerhalb des Wärmeübertragungsbereichs angeordnet sein. Ist der Wechselbereich in dem Wärmeübertragungsbereich angeordnet, so erfolgt gleichzeitig eine Wärmeübertragung nach dem Kreuzstromprinzip bzw. eine Wärmeübertragung in einer Kreuzstromanordnung. Ferner vorteilhaft wird so eine kompakte Bauweise erzielt, da durch die Windungen ein größerer Wärmeübertragungsbereich erzielt werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Fluid eine Flüssigkeit, insbesondere ein Kühlmittel ist, vorzugsweise Wasser oder ein Wasserglykolgemisch, und dass das zweite Fluid ein Gas ist, vorzugsweise ein Abgas oder Luft. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das erste Fluid ein Gas ist und das zweite Fluid eine Flüssigkeit. Vorzugsweise ist das erste Fluid ein heißes Abgas oder Brennluft aus einer Brennkammer. Ferner kann vorgesehen sein, dass beide Fluide flüssig oder beide Fluide gasförmig sind. Es versteht sich, dass der vorliegend beschriebene Wärmeübertrager von einem Gehäuse umgeben sein kann und zumindest eine erste Fluidzufuhr und zumindest eine zweite Fluidzufuhr sowie zumindest einen ersten Fluidabfluss und einen zweiten Fluidabfluss aufweist. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Fluid durch die erste Fluidzufuhr in den ersten Fluidkanal strömt und dass das erste Fluid durch den ersten Fluidabfluss aus dem ersten Fluidkanal abfließt. Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Fluid durch die zweite Fluidzufuhr in den zweiten Fluidkanal strömt und dass das zweite Fluid durch den zweiten Fluidabfluss aus dem zweiten Fluidkanal abfließt. Es kann vorgesehen sein, dass eine Vielzahl erster Fluidkanale und/oder zweiter Fluidkanäle vorgesehen sind.
-
Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal eine Fluidtrennwand angeordnet ist, wobei die Fluidtrennwand vorzugsweise eine konstante Wandstärke aufweist, insbesondere eine konstante Wandstärke in dem Wärmeübertragungsbereich. Dabei ist auch eine fertigungsbedingte Dickenschwankung von bis zu 15% der Wandstärke als konstant definiert, nicht aber eine konstruktiv, d. h. planmäßige Dickenschwankung oder Dickenänderung über den Verlauf der Fluidtrennwand. Vorzugsweise wird nur eine fertigungsbedingte Dickenschwankung von bis zu 10% der Wandstärke als konstant betrachtet. Durch die konstante Wandstärke wird vorteilhaft vermieden, dass Materialanhäufungen in der Fluidtrennwand zu Unstetigkeiten in der Wärmeleitfähigkeit der Fluidtrennwand führen. Ferner erleichtert dies vorteilhaft eine Herstellung des Wärmeübertragers. Weitere Vorteile einer konstanten Wandstärke sind geringere Lunkerbildung, geringeren Materialspannungen und damit eine höhere Lebensdauer des Wärmetauschers. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, der Wärmeübertrager kann aber auch aus anderen Materialien hergestellt sein, die sich für die Wärmeübertragung eignen, beispielsweise Kupfer oder Eisen oder deren Legierungen. Insbesondere ist der Wärmeübertrager ein Gussteil, wobei der Wärmeübertrager bevorzugt durch Stranggießen hergestellt ist. Durch die konstante Wandstärke erfolgt eine Abkühlung des Wärmeübertragers schneller und gleichmäßiger während der Herstellung. Dadurch kann vorteilhaft eine Herstellungsdauer verringert werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das erste Fluid nacheinander einen ersten der zumindest zwei Gleichstrombereiche, einen ersten Gegenstrombereich und einen zweiten der zumindest zwei Gleichstrombereiche durchströmt. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Fluid nacheinander einen ersten der zumindest zwei Gegenstrombereiche, einen ersten Gleichstrombereich und einen zweiten der zumindest zwei Gegenstrombereiche durchströmt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das erste Fluid weitere Gleichstrombereiche und Gegenstrombereiche in alternierender Reihenfolge durchströmt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Fluid geteilt wird in einen ersten Fluidteilstrom und einen zweiten Fluidteilstrom, wobei der erste Fluidteilstrom und der zweite Fluidteilstrom jeweils alternierend durch Gleichstrombereiche und Gegenstrombereiche geleitet sind. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass ein Wärmeübergang von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid erhöht wird. Besonders vorteilhaft durchströmt das erste Fluid in jedem Teilstrombereich jeweils vier Gegenstrom- und drei Gleichstrombereiche, bevor die beiden Teilströme des erste Fluids wieder zusammengeführt und einem Auslass zugeführt werden. Es versteht sich, dass auch andere Anzahlen von Gleichstrombereichen und Gegenstrombereichen vorgesehen sein können. Insbesondere können acht, zehn, zwölf, vierzehn oder sechzehn Gegenstrombereiche und eine entsprechende Zahl an Gleichstrombereichen alternierend zueinander angeordnet sein, wobei die alternierend aneinander gereihten Bereiche vorzugsweise insgesamt eine Mantelfläche eines Zylinders bilden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Gegenstrombereiche und die Gleichstrombereiche zwischen einem Bodenbereich und einem Deckenbereich des Wärmeübertragerkörpers angeordnet sind. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Gegenstromabschnitte und die Gleichstromabschnitte senkrecht zu dem Bodenbereich beziehungsweise dem Deckenbereich verlaufen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass ein Wechselbereich zwischen einem Gegenstrombereich und einem Gleichstrombereich in dem Bodenbereich und/oder dem Dachbereich angeordnet sind.
-
Es kann vorgesehen sein, dass ein Einlass und ein Auslass für das erste Fluid gemeinsam in dem Bodenbereich oder dem Deckenbereich angeordnet sind. Dadurch kann vorteilhaft ein Einbauraum für Anschlussrohrleitungen verringert werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass ein Einlass und ein Auslass für das zweite Fluid gemeinsam in dem Bodenbereich oder dem Deckenbereich angeordnet sind.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Einlass und der Auslass für das zweite Fluid eine gemeinsame Öffnung aufweisen.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der erste Fluidkanal in dem Gegenstrombereich eine erste Kontur aufweist und in dem Gleichstrombereich eine zweite Kontur aufweist, wobei die erste Kontur und die zweite Kontur vorzugsweise in dem Wärmeübertragungsbereich angeordnet sind. Als Kontur ist die dem ersten Fluid eine Richtung aufprägende Innenwandung des ersten Fluidkanals zu verstehen, insbesondere ist unter der Kontur die durchströmte Querschnittsfläche des ersten Fluidkanals zu verstehen. Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die erste Kontur und die zweite Kontur in dem Wärmeübertragungsbereich einen zueinander parallelen Verlauf aufweisen, so dass die Strömungsrichtung des ersten Fluides in der Gleichstromanordnung und die Strömungsrichtung des ersten Fluides in der Gegenstromanordnung entgegengesetzt aber parallel verlaufen. Die erste Kontur und/oder die zweite Kontur kann einen quadratischen, rechteckigen, dreieckigen, trapezförmigen, runden, elliptischen Querschnitt oder eine beliebige Kombination dieser Querschnitte aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Fluidkanal und/oder der zweite Fluidkanal einen gewundenen Verlauf aufweisen, wobei vorgesehen sein kann, dass der gewundene Verlauf mindestens eine Krümmung oder eine Kante aufweist. Es versteht sich, dass auch oder alternativ der zweite Fluidkanal Konturen aufweist, für die das oben gesagte gilt.
-
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der erste Fluidkanal zumindest einen Gegenstromkanalabschnitt und zumindest einen Gleichstromkanalabschnitt aufweist, wobei der Gegenstromabschnitt als der Abschnitt des ersten Fluidkanals definiert ist, in dem das erste Fluid zu dem zweiten Fluid in einer entgegengesetzten Richtung strömt, und wobei der Gleichstromabschnitt als der Abschnitt des ersten Fluidkanals definiert ist, in dem das erste Fluid zu dem zweiten Fluid in einer gleichen Richtung strömt. Es kann ferner vorgesehen sein, dass der Gegenstromkanalabschnitt und der Gleichstromkanalabschnitt in Fluidverbindung stehen.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen zwei benachbarten Kanalabschnitten – einem Gegenstromkanalabschnitt und einem Gleichstromkanalabschnitt – eine Stromtrennwand angeordnet ist, wobei die Stromtrennwand vorzugsweise eine Kanalrippe ist. Dadurch kann vorteilhaft eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid oder zwischen dem ersten Fluid in dem Gegenstromkanalabschnitt und dem ersten Fluid in den Gleichstromkanalabschnitt erreicht werden. Ferner ist so vorteilhaft eine einfache Modellierung der Wärmeübertragung von dem ersten Fluid auf das zweite Fluid oder von dem ersten Fluid in dem Gegenstromkanalabschnitt und dem ersten Fluid in dem Gleichstromkanalabschnitt möglich. Die Stromtrennwand kann massiv oder hohl ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Stromtrennwand eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei die Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise höher ist als die Wärmeleitfähigkeit von reinem Eisen, vorzugsweise von Messing, besonders bevorzugt von reinem Aluminium, so dass vorteilhaft ein Wärmeausgleich zwischen dem ersten Fluid in dem Gleichstromkanalabschnitt und dem ersten Fluid in dem Gegenstromkanalabschnitt oder zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid stattfinden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Stromtrennwand eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die vorzugsweise kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit von reinem Eisen, so dass möglichst wenig Wärme von dem ersten Fluid in dem Gegenstromkanalabschnitt auf das zweite Fluid in dem Gleichstromkanalabschnitt übertragen wird oder umgekehrt.
-
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der zweite Fluidkanal zumindest teilweise in der Stromtrennwand angeordnet ist. Hierdurch wird vorteilhaft eine umfassende Wärmeübertragung von dem zweiten Fluid auf das erste Fluid oder umgekehrt erreicht. Es kann auch vorgesehen sei, dass der zweite Fluidkanal nur in jeder zweiten oder dritten Stromtrennwand oder seltener zumindest teilweise angeordnet ist.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Stromtrennwand eine konstante Wandstärke aufweist, so dass Materialanhäufungen und damit unstetige Verläufe der Wärmeleitfähigkeit in der Stromtrennwand vermieden werden. Dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragers insgesamt vorteilhaft erhöht.
-
Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine zwischen dem ersten Fluidkanal und dem zweiten Fluidkanal angeordnete Fluidtrennwand vorgesehen ist, wobei die Fluidtrennwand vorteilhaft eine zylindrische Grundform aufweist und wobei die Stromtrennwand einen Teil der Fluidtrennwand ausbildet. Die Fluidtrennwand ist vorteilhaft ein Teil des Wärmeübertragerkörpers, wobei die Fluidtrennwand vorzugsweise zwischen einem Boden- und einem Deckenbereich des Wärmerübertragerkörpers angeordnet ist. Hierdurch kann der Wärmeübertrager vorteilhaft kompakt ausgebildet werden. Ferner vorteilhaft lässt sich so eine kostengünstigere Herstellung erzielen, wobei beispielsweise der Wärmeübertrager durch Tiefziehen in einem Stück gefertigt werden kann. Es versteht sich, dass der Wärmeübertrager einstückig ausgebildet sein kann. Insbesondere lassen sich so aufsetzbare Führungsstrukturen vermeiden und damit wärmetechnisch ungünstige Verbindungsmittel zur Verbindung von den aufgesetzten Führungsstrukturen mit dem Wärmeübertrager vermeiden.
-
Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Stromtrennwand ein nach außen weisender Teil der Trennwand ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Stromtrennwand ein nach innen weisender Teil der Trennwand ist. Die Stromtrennwand kann vorzugsweise eine abgerundete oder eckige Form aufweisen.
-
Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass in dem ersten Fluidkanal Überströmkanten angeordnet sind, so dass das erste Fluid in dem ersten Fluidkanal verwirbelt wird. Hierdurch wird eine höhere Wärmeübertragung durch vermeiden von Fluidschichtungen erreicht. Die Überstromkanten können Verlängerungen der Stromtrennwände sein, wobei die Überströmkanten nur einen Teilquerschnitt des ersten Fluidkanals einnehmen. Dadurch wird eine besonders einfache Herstellung des Wärmeübertragers erreicht.
-
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Überströmkanten in einem Wechselbereich zwischen einem Gegenstrombereich und einem Gleichstrombereich angeordnet sind. Es kann aber ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass die Überströmkanten in den Gegenstrombereichen oder in den Gleichstrombereichen angeordnet sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Überströmkanten nur in dem Wechselbereich vorgesehen sind. Durch die Anordnung in dem Wechselbereich wird besonders vorteilhaft eine Vermischung kalter und warmer Schichten des ersten Fluides in dem Wechselbereich erzielt, wobei so ein Wärmeübergang zwischen dem ersten Fluid und einer Wand des ersten Fluidkanals verbessert werden kann, wobei vorteilhaft in den längeren Gleichstromkanalabschnitten bzw. Gegenstromkanalabschnitten, die vorzugsweise die Gegenstromanordnung bzw. Gleichstromanordnung ausbilden, eine laminare Strömung bzw. geschichtete Strömung auftreten kann, so dass vorteilhaft geringe Reibungsverluste in dem Fluid stattfinden und eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden kann.
-
Es versteht sich, dass die über den ersten Fluidkanal getroffenen Aussagen ebenso für den zweiten Fluidkanal angewendet werden können, ohne der Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
1a zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers
-
1b zeigt eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels entlang der Linie B-B
-
1c zeigt eine schematische Ansicht eines Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels
-
2a zeigt eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers mit einer Vielzahl von Wandabschnitten gemäß 1a und 1b in zylindrischer Anordnung
-
2b zeigt einen Winkelabschnitt des zweiten Ausführungsbeispiels aus 2a
-
3a zeigt eine Innenansicht eines Wärmeübertragerkörpers eines dritten Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers
-
3b zeigt eine Schnittansicht durch die Fluidtrennwand des dritten Ausführungsbeispiels des Wärmeübertragers
-
3c zeigt ein Gehäuse des Wärmeübertragers des dritten Ausführungsbeispiels
-
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Es versteht sich, dass Bezeichnungen wie oben, unten, links, rechts und dergleichen stets nur auf die vorliegenden Figuren zu lesen sind und auch andere Richtungen und Ortsangaben durch Drehung und Spiegelungen der gezeigten Ausführungsbeispiele möglich sind.
-
1a zeigt ein schematisch dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 10, wobei eine erste Anordnung eines Strömungsverlaufsabschnitts eines ersten Fluides 12 und eines zweiten Fluides 14 an einem Wärmeübertragerkörper 11 gezeigt ist. Das in 1a gezeigte Ausführungsbeispiel kann insbesondere als schematische Seitenansicht eines sich wiederholenden Wandabschnitts eines Wärmeübertragerkörpers 11 gesehen werden, wobei der Wandabschnitt ein Teil einer gekrümmten Außenwand des vorzugsweise zylindrischen Wärmeübertragerkörpers 11 sein kann. Der dargestellte Wandabschnitt kann aber auch eine ungekrümmte Zwischenwand zweier zueinander parallel verlaufender, aneinander liegender ebener Strömungskanäle des Wärmeübertragers sein. Insbesondere ist in 1a ein zusammenhängender Wärmeübertragungsbereich des Ausführungsbeispiels gezeigt, wobei 1a einen Gleichstrombereich 25 und einen Gegenstrombereich 27 zeigt, die über einen Wechselbereich 34, in dem das erste Fluid einen Richtungswechsel um vorliegend insgesamt 180° vollzieht, in Fluidverbindung stehen.
-
1b zeigt eine Schnittansicht des in 1a dargestellten Wärmeübertragers entlang der Linie B-B.
-
Das erstes Fluid 12 strömt entlang eines ersten Strömungspfades 16 in einem ersten Fluidkanal 18 und folgt dabei einer um Strömungstrennwände 20 verlaufenden Kontur des ersten Fluidkanals 18. Der erste Strömungspfad 16 entspricht einem gemittelten Verlauf der Stromlinien des ersten Fluides 12 durch den ersten Fluidkanal 18. Es versteht sich, dass zumindest zwei Strömungstrennwände 20 oder eine Mehrzahl an Strömungstrennwänden 20 in dem ersten Fluidkanal 18 angeordnet sein können. Insbesondere kann eine Vielzahl des in 1a gezeigten Strömungsverlaufsabschnitts des ersten Fluides 12 aneinandergereiht sein. Es versteht sich, dass auch ein Einlass des ersten Fluides 12 von oben oder unten der in 1a gezeigten Anordnung erfolgen kann.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die in 1a gezeigte Anordnung nach rechts wiederholend fortgesetzt ist und nach links gespiegelt fortgesetzt ist, so dass ein erster Fluidkanal 18 nach rechts und ein weiterer erster Fluidkanal 18 nach links verläuft, das erste Fluid 12 dementsprechend nach rechts und links entlang der Strömungspfade 16 strömt. Diese Anordnung ist in 1c gezeigt. Dabei kann für das erste Fluid 12 ein gemeinsamer Einlass 60 für die beiden ersten Fluidkanäle 18 vorgesehen sein. In dem Fall, dass der Wärmeübertrager zylindrisch ausgestaltet ist, kann vorgesehen sein, dass die beiden ersten Fluidkanäle 18 auch einen gemeinsamen Auslass für das erste Fluid 12 aus dem Wärmeübertragungsbereich aufweisen.
-
Das zweite Fluid 14 strömt in 1a von oben an dem ersten Fluidkanal 18 in einem zweiten Fluidkanal 36 vorbei, wobei ein zweiter Strömungspfad 22 des zweiten Fluides 14 durch Pfeile angedeutet ist. In der dargestellten Seitenansicht ist der zweite Fluidkanal 36 hinter dem ersten Fluidkanal 18 angeordnet. Der zweite Strömungspfad 22 entspricht einer mittleren Richtung der Stromlinien des zweiten Fluides 12. Es versteht sich, dass die Strömungsrichtungen vorliegend nur beispielhaft skizziert sind.
-
Der erste Fluidkanal 18 weist einen Gleichstromkanalabschnitt 24 und einen Gegenstromkanalabschnitt 26 auf. Der Gleichstromkanalabschnitt 24 zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungspfad 16 des ersten Fluides 12 parallel zu dem Strömungspfad 22 des zweiten Fluides 14 verläuft. Der Gegenstromkanalabschnitt 26 zeichnet sich dadurch aus, dass der Strömungspfad 16 des ersten Fluides 12 entgegengesetzt zu dem Strömungspfad 22 des zweiten Fluides 14 verläuft.
-
Der erste Fluidkanal 18 und der zweite Fluidkanal 36 weisen eine gemeinsame Fluidtrennwand 28 auf. Ein Teil der Fluidtrennwand 28 ist durch die Stromtrennwand 20 beziehungsweise die Mehrzahl an Strömungstrennwänden 20 gebildet. Durch die Fluidtrennwand 28 und die Stromtrennwand 20 findet ein Wärmetransport 30 statt. Die an dem Wärmetransport 30 beteiligten Kanalabschnitte des ersten Fluidkanals 18 und des zweiten Fluidkanals 36 bilden insgesamt den Wärmeübertragungsbereich des Wärmeübertragers. Es versteht sich, dass der Wärmeübertragungsbereich auch nicht miteinander in Fluidverbindung stehende Bereiche umfassen kann.
-
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das erste Fluid 12 ein flüssiges Kühlmittel. Es kann auch vorgesehen sein, dass das erste Fluid 12 eine Flüssigkeit ist, insbesondere Wasser oder eine Wasserglykolmischung. Das zweite Fluid 14 ist ein Gas, vorzugsweise Luft oder ein Abgas eines Verbrennungsmotors. Das erste Fluid 12 weist eine niedrigere Temperatur auf als das zweite Fluid 14. Durch den Wärmetransport 30 wird vorliegend Wärme von dem ersten Fluid 12 auf das zweite Fluid 14 übertragen. Es versteht sich, dass bei einem umgekehrten Temperaturverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid ein Wärmetransport 30 auch von dem zweiten Fluid 14 zu dem ersten Fluid 12 stattfinden kann.
-
Es versteht sich, dass die Kanten der Strömungstrennwände 20 nicht nur eckig ausgebildet sein können, sondern vorzugsweise abgerundet sind, so dass ein Strömungswiderstand in dem ersten Fluidkanal 18 reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass es durch die abgerundeten Kanten und Ecken zu geringeren Toträumen der Strömung des ersten Fluides 12 und des zweiten Fluides 14 kommt, wobei eine verbesserte ganzheitliche Durchmischung des ersten Fluids 12 insbesondere bei vorliegender Turbulenz erzielt wird.
-
Ein Wärmeübergang 30 zwischen dem ersten Fluid 12 und dem im wesentlichen eine Fluidtrennwand 28 bildenden Wärmeübertragerkörpers 11 wird vorteilhaft dadurch optimiert, dass in dem ersten Fluidkanal 18 zumindest eine Überströmkante 32 angeordnet ist. Durch die Überströmkante 32 wird die Strömung des ersten Fluides 12 verwirbelt. Dadurch wird vorteilhaft eine lokale Turbulenz des ersten Fluides 12 erzielt, so dass eine Vermischung kalter und warmer Fluidschichten des ersten Fluides 12 stattfindet. Es versteht sich, dass die Strömung in dem gesamten ersten Fluidkanal 18 turbulent sein kann. Die Überströmkante 32 ist in einem Wechselbereich 34 zwischen dem Gleichstromkanalabschnitt 24 und dem Gegenstromkanalabschnitt 26 angeordnet. Eine Strömungsrichtung des ersten Fluides 12 verläuft in dem Wechselbereich 34 quer zu dem zweiten Strömungspfad 22 des zweiten Fluides 14. Über den Wechselbereich 34 stehen der Gleichstromkanalabschnitt 24 und Gegenstromkanalabschnitt 26 miteinander in Fluidverbindung.
-
Es kann vorgesehen sein, dass die Überströmkante 32 parallel zu der Strömungsrichtung des zweiten Fluides 14 angeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Strömungskante 32 quer zu der Strömungsrichtung des ersten Fluides 12 angeordnet ist. Dadurch wird ein Wirbel mit einer Achse senkrecht zu der Strömungsrichtung des ersten Fluides 12 erzeugt, so dass eine Vermischung der Schichten des ersten Fluides 12 vorteilhaft über eine gesamte Breite des ersten Fluidkanals 18 erfolgt. Es kann vorteilhaft aber auch vorgesehen sein, dass die Strömungskante 32 schräg zu der Strömungsrichtung des ersten Fluides 12 angeordnet ist. Dadurch kann die Achse des entstehenden Wirbels derart beeinflusst werden, dass eine Strömungsgeschwindigkeit zu einer der Seiten des ersten Fluidkanals 18 höher ist als zu der anderen Seite des ersten Fluidkanals 18, so dass aufgrund der entstehenden Scherkräfte in dem Fluid eine Vermischung des ersten Fluides 12 vorteilhaft quer zu der Strömungsrichtung erfolgt. Es kann eine Überströmkante 32 in dem Gleichstromkanalabschnitt 24 und/oder in dem Gegenstromkanalabschnitt 26 angeordnet sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Überströmkante 32 in einem Fortlauf der Stromtrennwand 20 des ersten Fluidkanals 18 eingebettet, wobei in 1b eine Verwirbelung 16a des ersten Fluides 12 um die Überströmkante 32 gezeigt ist.
-
In 1b ist gezeigt, dass der zweite Fluidkanal in einen äußeren Teilbereich 36a und einen inneren Teilbereich 36b unterteilbar ist, wobei der äußere Teilbereich 36a jeweils in den Strömungstrennwänden 20 des ersten Fluidkanals 18 angeordnet ist, so dass eine Wärmeübertragung vorteilhaft über eine große Fläche zwischen den beiden Fluiden stattfinden kann. Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Fluid 14 in dem äußeren Bereich 36a eine dem in dem inneren Bereich 36b strömenden zweiten Fluid 14 entgegengesetzte Strömungsrichtung aufweist.
-
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeweils eine Überströmkante 32 in einem Bodenbereich 53 und in einem Deckenbereich 51 des Wärmerübertragerkörpers 11 angeordnet.
-
In 2a ist eine Schnittansicht durch einen zylindrischen Wärmeübertragerkörper 111 und ein Gehäuse 140 eines zweiten Ausführungsbeispiels gezeigt, wobei Querschnitte des ersten Fluidkanals 118 und des zweiten Fluidkanals 136 zu erkennen sind. Das Gehäuse 140 begrenzt zusammen mit der Fluidtrennwand 128 den ersten Fluidkanal 118 in dem Wärmeübertragungsbereich. Das erste Fluid 112 und das zweite Fluid 114 sind durch die Fluidtrennwand 128 stofflich voneinander getrennt, wobei Strömungstrennwände 120 von einer im wesentlichen zylindrischen Form des Wärmeübertragers nach außen hin gerichtet aus der Fluidtrennwand 128 als Teil dieser Fluidtrennwand 128 herausragen. Die Strömungstrennwände 120 haben den Querschnitt eines gleichschenkligen Trapezes, sie können aber auch halbkreisförmig oder elliptisch ausgebildet sein. Die Strömungstrennwände 120 können aber auch Mischformen dieser genannten Formen aufweisen. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die nach außen weisende Außenseite 120a der Strömungstrennwände 120 eine Trapezform aufweisen, während die nach innen gewandte Innenseite 120b als Halbkreis oder Ellipse ausgebildet ist. Es versteht sich das auch die Außenseite 120a als Ellipse und die Innenseite 120b als Trapezform ausgebildet sein kann. Der zweite Fluidkanal 136 weist zumindest einen äußeren Teilbereich 136a auf, der in einer der Strömungstrennwände 120 angeordnet ist. Ein innerer Teilbereich 136b des zweiten Fluidkanals 136 ist lediglich über einen Zwischenbereich 128a der Fluidtrennwand 128 mit dem ersten Fluidkanal 118 in dem Wärmeübertragungsbereich verbunden.
-
Vorliegend weist das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel acht Strömungstrennwände 120 auf, die in gleichmäßigen Abständen um das Zentrum aus der im Wesentlichen zylinderförmigen Fluidtrennwand 128 nach außen ragen. Es kann aber auch eine höhere oder geringere Anzahl Strömungstrennwände 120 vorgesehen sein. Vorteilhafte Anzahlen sind Vielfache von zwei, insbesondere von vier, da diese eine vorteilhaft gleichmäßige Wärmeübertragung ermöglichen. Ein Winkel α zwischen zwei Scheitelpunkten 138 zweier benachbarter Strömungstrennwände 120 ist dann entsprechend größer oder kleiner. Es versteht sich, dass der Winkel α zwischen zwei Strömungstrennwänden 120 nicht konstant sein muss, sondern entlang einer Höhe des Wärmetauschers 110 variieren kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Winkel α, der zwischen zwei einen Gleichströmungsabschnitt 124 begrenzenden Strömungstrennwänden 120 aufgespannt ist, einen anderen Betrag aufweist, als ein weiterer Winkel α, der zwischen zwei einen Gegenströmungsabschnitt 126 begrenzenden Strömungstrennwänden 120 aufgespannt ist. Ein Gegenstrombereich 127 wird von dem Winkel α eingefasst. Demgemäß wird ein Gleichstrombereich 125 begrenzt.
-
Nicht dargestellt sind Zuflüsse und Abflüsse des ersten Fluides und des zweiten Fluides. Es kann vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt des zweiten Fluidkanals 136 über den Verlauf des zweiten Strömungspfades des zweiten Fluides 114 ändert. Es kann vorgesehen sein, dass sich der Querschnitt des zweiten Fluidkanals 136 insbesondere in einem Abflussbereich verengt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das zweite Fluid in dem inneren Teilbereich 136b in den zweiten Fluidkanal 136 einströmt und in dem äußeren Teilbereich 136a des zweiten Fluidkanals 136 ausströmt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das zweite Fluid 114 aus dem inneren Teilbereich 136b aus dem zweiten Fluidkanal 136 ausströmt und in dem äußeren Teilbereich 136a des zweiten Fluidkanals 136 einströmt. Bei den zuletzt genannten Varianten erfolgt eine Wende des zweiten Fluides 114 um 180° in einem Bodenbereich (nicht dargestellt) des Wärmeübertragerkörpers 111.
-
2b zeigt einen alternativen Winkelabschnitt des in 2a dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels, wobei das Gehäuse 140 mit den Strömungstrennwänden 120 in einem Auflagebereich 142 verstemmt ist. Das Gehäuse 140 kann mit den Strömungstrennwänden 120 in dem Auflagebereich 142 auch verklemmt, verschweißt, oder verklebt sein. Der Wärmeübertragerkörper 111 kann aber auch nur in das Gehäuse 140 eingeschoben sein, ohne dass eine fixierende Verbindung zwischen dem Gehäuse 140 und dem Wärmerübertragerkörper 111 ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann das Gehäuse 140 mit den Strömungstrennwänden 120 durch eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus einem Polymer verbunden sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse 140 anders als dargestellt oder ergänzend durch Stege oder sonstige Verbindungsmittel mit der Fluidtrennwand 128 verbunden ist. Insbesondere kann auch das Gehäuse 140 die Überströmkante 132 aufweisen.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kanten 144 der Fluidtrennwand 128, insbesondere der Stromtrennwände 120, abgerundet sind. Dadurch wird eine abgerundete Form der Fluidtrennwand erzielt. Insbesondere kann durch die abgerundeten Kanten 144 erreicht werden, dass eine Wandstärke 146 der Fluidtrennwand 128 über den gesamten Verlauf konstant ist. Dadurch können vorteilhaft Materialanhäufungen vermieden werden, die einen Wärmetransport erschweren bzw. Effizienz der Wärmeübertragung verringern.
-
3a zeigt eine Schnittansicht eines als einstückige, zylindrische Fluidtrennwand 228 der beiden Fluide 212, 214 ausgebildeten Wärmeübertragerkörpers 211 eines dritten Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers 210, in dessen Außenbereich ein erster Fluidkanal 218 vorgesehen ist und in dessen Inneren ein zweiter Fluidkanal 236 ausgebildet ist. Ein in einem in 3c gezeigten Gehäuse 240 vorgesehener Einlass 260 für das erste Fluid 212 dient als Zuleitung des ersten Fluides 212 in eine Kammer 252, die in einem Bodenbereich 250 der Fluidtrennwand 228 vorgesehen ist. Das erste Fluid 212 strömt von der Kammer 252 in dem Bodenbereich 250 entlang eines in 3a verdeckten Abschnitts des ersten Fluidkanals 218 in einen Seitenbereich, wobei in dem Seitenbereich des Wärmeübertragerkörpers 211 eine Vielzahl von entsprechend zu dem ersten Ausführungsbeispiel nacheinander angeordneten Gegenstrombereichen und Gleichstrombereichen angeordnet sind. Dabei ist eine Überströmkante 232 gezeigt, über die das erste Fluid 212 hinwegströmt. Die Strömung des ersten Fluides 212 ist durch dessen Strömungspfade 216 in 3a angedeutet. Es versteht sich, dass die Wandstärke des Wärmeübertragerkörpers 211 konstant sein kann.
-
Gemäß 3b weist der Wärmeübertrager 210 bzw. die Fluidtrennwand 228 sechzehn Strömungstrennwände 220 auf, die gleichmäßig beabstandet um eine Mittelachse 254 des Wäremübertragers 210 angeordnet sind. Die als Außentaschen ausgebildeten Strömungstrennwände 220 bilden äußere Teilbereiche 236a des zweiten Fluidkanals 236, wobei nach innen zu der Mittelachse 254 weisende Flächen 256 der Strömungstrennwände 220 gemeinsam einen als zylindrischen Innenkanal ausgebildeten inneren Teilbereich 236b des zweiten Fluidkanals 236 bilden.
-
Das zweite Fluid 214 strömt in den zweiten Fluidkanal 236 in 3a von links von einem Deckenbereich 251 kommend in den mittig um die Mittelachse 254 gelegenen zylindrischen Innenbereich 236b ein, wobei die Strömung des zweiten Fluides 214 in 3a durch Strömungspfade 217 angedeutet ist. Insbesondere weist der zweite Fluidkanal 236 einen von dem zweiten Fluid 214 angeströmten kalottenförmigen Boden 256 auf, wobei sich Ausläufer des kalottenförmigen Bodens 256 von dem inneren Teilbereich 236b in die äußeren Teilbereiche 236a, vorliegend sechszehn äußere Teilbereiche 236a, in den Strömungstrennwänden 220 erstrecken. Das zweite Fluid 214 strömt weiter von dem inneren Teilbereich 236b zu dem kalottenförmigen Boden 256, wird dort zweimal um 90°, insgesamt um 180° umgelenkt und strömt in den äußeren Teilbereichen 236a zwischen zwei Strömungstrennwänden 220 zurück zu dem Deckenbereich 251. Die Kalottenform des Bodens 256 unterstützt dabei das Umlenken des zweiten Fluides 214 in die äußeren Teilbereiche 236a. Das in dem äußeren Teilbereich 236a strömende zweite Fluid 214 steht dabei in Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid 212 in dem ersten Fluidkanal 218, während zwischen dem Teil des zweiten Fluides 214, der in dem äußeren Teilbereich 236a, und dem Teil des zweiten Fluides 214, der in dem inneren Teilbereich 236b strömt ein Wärmeaustausch durch Verwirbelung in einer Randschicht der beiden Teilströme stattfindet. Um diese Verwirbelung zu vermeiden, kann eine vorzugsweise dünne Trennwand (nicht gezeigt) in den zweiten Fluidkanal 236 eingesetzt werden.
-
In der in 3b gezeigten Schnittansicht sind zur Verdeutlichung die Strömungspfade 217 des zweiten Fluides 214 eingezeichnet, wobei das von dem Deckenbereich 251 zu dem Bodenbereich 250 strömende Fluid in dem inneren Teilbereich 236b durch mit einem Kreuz versehene Kreise angedeutet ist und wobei das von dem Bodenbereich 250 zurück zu dem Deckenbereich 251 strömende Fluid in den äußeren Teilbereichen 236a durch mit einem Punkt versehene Kreise angedeutet ist. Es versteht sich, dass die Strömungsrichtungen den zweiten Fluides auch umgekehrt verlaufen können. Dadurch kann vorteilhaft die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Fluid 212 und dem zweiten Fluid 214 erhöht werden, so dass ein besserer Wärmeübergang erzielt werden kann.
-
In 3c ist das als Zylinder ausgebildete Gehäuse 240 des Wärmeübertragers 210 gezeigt, welches in einem zusammengesetzten Zustand um den Wärmeübertragerkörper 211 angeordnet ist. Eine Mantelfläche 264 des Gehäuses 240 ist an Auflagebereichen 242 des Wärmeübertragerkörpers 211 angelegt oder verklemmt, so dass der erste Fluidkanal 218 zwischen der Fluidtrennwand 228 und dem Gehäuse 240 gebildet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse 240 mit dem Wärmeübertragerkörper 211 fluiddicht verklemmt ist. Das Gehäuse 240 weist einen Einlass 260 und einen Auslass 262 in dem Bodenbereich 250 des Wärmeübertragers 210 auf. Durch den Einlass 260 wird das erste Fluid 212 in den ersten Fluidkanal 218 eingelassen und strömt dort zunächst in die Kammer 252. Weiterhin strömt das erste Fluid 212 durch die Gleichstrombereiche 225, Gegenstrombereiche 227 und Wechselbereiche 234 bis zu dem Auslass 262. Es kann vorgesehen sein, dass die Kammer 252 mehrere Abgänge zu den Seitenbereichen für das erste Fluid 212 aufweist. Es kann auch vorgesehen sein, dass einer oder mehrere Einlässe in dem Seitenbereich vorgesehen sind, so dass das erste Fluid 212 sofort in den ersten Fluidkanal 212 in dem Seitenbereich eingelassen werden kann. Sind mehrere Einlässe 260 vorgesehen und sind eine Vielzahl von ersten Fluidkanälen 218 vorgesehen, so kann erstes Fluid 212 gleichzeitig in mehrere erste Fluidkanäle 218 eingelassen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10, 110, 210
- Wärmeübertrager
- 11, 111, 211
- Wärmeübertragerkörper
- 12, 112, 212
- erstes Fluid
- 14, 114, 214
- zweites Fluid
- 16, 216
- erster Strömungspfad
- 16a
- Verwirbelung
- 217
- zweiter Strömungspfad
- 18, 118, 218
- erster Fluidkanal
- 20, 120, 220
- Stromtrennwand
- 20a, 120a, 220a
- Außenseite der Stromtrennwand
- 20b, 120b, 220b
- Innenseite der Stromtrennwand
- 22, 122, 222
- zweiter Strömungspfad
- 24, 124
- Gleichstromkanalabschnitt
- 25, 125, 225
- Gleichstrombereich
- 26, 126
- Gegenstromkanalabschnitt
- 27, 127
- Gegenstrombereich
- 28, 128, 228
- Fluidtrennwand
- 28a
- Zwischenbereich
- 30, 130, 230
- Wärmetransport
- 32, 132, 232
- Überströmkante
- 34, 134, 234
- Wechselbereich
- 36, 136, 236
- zweiter Fluidkanal
- 36a, 136a, 236a
- äußerer Teilbereich des zweiten Fluidkanals
- 36b, 136b, 236b
- innerer Teilbereich des zweiten Fluidkanals
- 38, 138
- Scheitelpunkt
- 140, 240
- Gehäuse
- 142, 242
- Auflagebereich
- 144
- Kanten der Fluidtrennwand
- 146
- Wandstärke
- 250
- Bodenbereich
- 251
- Deckenbereich
- 252
- Kammer
- 254
- Mittelachse
- 256
- Boden
- 258
- Außenwand
- 260
- Einlass
- 262
- Auslass
- 264
- Mantelfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
