DE102013209548A1 - Channel for guiding a flowing fluid - Google Patents

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Abstract

Ein Kanal zum Führen eines strömenden Fluids umfasst eine Schale und ein in der Schale angeordnetes Blechbauteil, welches einen mäanderförmigen Querschnitt aufweist, wobei wenigstens ein Schenkelabschnitt des Blechbauteils eine Trennwand zur Aufteilung des Kanals in mehrere Teilkanäle bildet. Die Schale ist in Strömungsrichtung gesehen verjüngt.A channel for guiding a flowing fluid comprises a shell and a sheet metal component arranged in the shell, which has a meandering cross section, at least one leg section of the sheet metal component forming a partition for dividing the channel into a plurality of subchannels. The shell is tapered when viewed in the direction of flow.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kanal zum Führen eines strömenden Fluids, insbesondere einen Wärmetauscherkanal, mit einer Schale und einem in der Schale angeordneten Blechbauteil, welches einen mäanderförmigen Querschnitt aufweist, wobei wenigstens ein Schenkelabschnitt des Blechbauteils eine Trennwand zur Aufteilung des Kanals in mehrere Teilkanäle bildet. The present invention relates to a channel for guiding a flowing fluid, in particular a heat exchanger channel, with a shell and a sheet metal component arranged in the shell, which has a meandering cross-section, wherein at least one leg portion of the sheet metal component forms a partition for dividing the channel into a plurality of sub-channels.

Derartige Kanäle werden beispielsweise in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen zum Führen des Abgasstroms eingesetzt. Die thermische Energie der heißen Abgase kann hierbei mittels an der Außenseite der Schale vorgesehener thermoelektrischer Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden. Das mäanderförmige Blechbauteil ermöglicht eine herstellungstechnisch besonders einfache Aufteilung eines solchen Kanals in mehrere parallele Teilkanäle. Hierdurch kann beispielsweise ein System aus Abgaskanälen und Kühlmittelkanälen geschaffen werden, welches zur Aufnahme thermoelektrischer Module geeignet ist. Die Teilkanäle sind dabei durch die Schenkelabschnitte des mäanderförmigen Blechbauteils voneinander getrennt, wobei unter dem Begriff "Schenkelabschnitt" der im Wesentlichen gerade Wandabschnitt zu verstehen ist, welcher sich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifen der Mäanderstruktur erstreckt. Such channels are used for example in exhaust systems of internal combustion engines for guiding the exhaust gas flow. The thermal energy of the hot exhaust gases can be used here by means provided on the outside of the shell thermoelectric generators for generating electrical energy. The meander-shaped sheet-metal component allows a manufacturing technology particularly simple division of such a channel into a plurality of parallel sub-channels. In this way, for example, a system of exhaust channels and coolant channels can be created, which is suitable for receiving thermoelectric modules. The sub-channels are separated from each other by the leg portions of the meander-shaped sheet metal component, wherein the term "leg portion" is to be understood as meaning the substantially straight wall portion which extends between two successive loops of the meandering structure.

Problematisch ist bei solchen Kanälen eine sich im Verlauf des Strömens aufgrund abnehmender Fluidtemperatur verschlechternde Wärmeabgabe. The problem with such channels is a deterioration in the course of the flow due to decreasing fluid temperature heat dissipation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz des Wärmeübergangs bei Wärmetauschersystemen zu verbessern. The invention has for its object to improve the efficiency of heat transfer in heat exchanger systems.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schale in Strömungsrichtung gesehen verjüngt ist. Dem strömenden Fluid steht aufgrund der Verjüngung eine immer geringere Querschnittsfläche zur Verfügung, sodass unter Erhaltung des Strömungsimpulses einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit entgegengewirkt wird. Insbesondere kann das Ausmaß und der Verlauf der Verjüngung derart gewählt sein, dass sich unter üblichen Betriebsbedingungen eine über den gesamten Strömungsverlauf gleichbleibende oder zumindest annähernd gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit ergibt. Hierdurch kann der Wärmeübergang in einem Wärmetauschersystem gesteigert werden. Besonders günstig hinsichtlich der Effizienz der Wärmeübertragung hat sich die Kombination aus mäanderförmiger Trennwandstruktur und verjüngter Gesamtform des Kanals herausgestellt. This object is achieved in that the shell is tapered seen in the flow direction. The flowing fluid is due to the taper ever smaller cross-sectional area available, so that while maintaining the flow pulse, a reduction in the flow velocity is counteracted. In particular, the extent and the course of the taper can be selected such that, under normal operating conditions, the flow velocity remains constant or at least approximately constant over the entire flow profile. As a result, the heat transfer can be increased in a heat exchanger system. Particularly favorable in terms of efficiency of heat transfer, the combination of meander-shaped partition wall structure and tapered overall shape of the channel has been found.

Die Schale kann insbesondere keilförmig sein. Alternativ könnte die Schale auch trichterförmig oder trompetenförmig sein. Prinzipiell kann die Schale in mehr als einer Längsschnittebene des Kanals verjüngt sein, wie beispielsweise im Fall einer solchen trichterförmigen oder trompetenförmigen Schale, welche bezüglich der Strömungsrichtung rotationssymmetrisch ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schale jedoch lediglich in einer Längsschnittebene des Kanals verjüngt, wie dies z.B. bei einer Schale in Keilform der Fall ist. Auch eine trompetenförmige Verjüngung der Schale kann jedoch auf lediglich eine Längsschnittebene des Kanals begrenzt sein. Gemäß einer speziellen Ausgestaltung ist der Kanal als Flachkanal ausgebildet, wobei die beiden Schmalseiten parallel zueinander verlaufen und die beiden Flachseiten sich mit fortschreitendem Strömungsweg einander annähern, insbesondere keilförmig oder trompetenförmig. The shell may in particular be wedge-shaped. Alternatively, the shell could also be funnel-shaped or trumpet-shaped. In principle, the shell may be tapered in more than one longitudinal section plane of the channel, as in the case of such a funnel-shaped or trumpet-shaped shell, which is rotationally symmetrical with respect to the flow direction. However, according to a preferred embodiment of the invention, the shell is only tapered in a longitudinal section plane of the channel, as e.g. in a shell in wedge shape is the case. However, a trumpet-shaped taper of the shell may be limited to only a longitudinal sectional plane of the channel. According to a special embodiment, the channel is formed as a flat channel, wherein the two narrow sides are parallel to each other and the two flat sides approach each other with advancing flow path, in particular wedge-shaped or trumpet-shaped.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei und vorzugsweise wenigstens fünf zueinander parallele Schenkelabschnitte des Blechbauteils jeweilige Trennwände in der Schale bilden. Durch eine Unterteilung des Kanals in eine Vielzahl von separaten Teilkanälen können die Strömungseigenschaften verbessert und die Einsatzmöglichkeiten erweitert werden. A further embodiment of the invention provides that at least two and preferably at least five mutually parallel leg sections of the sheet metal component form respective partitions in the shell. By dividing the channel into a plurality of separate sub-channels, the flow characteristics can be improved and the possible applications can be extended.

Es kann vorgesehen sein, dass sich die Schenkelabschnitte mit rechtwinklig zu diesen verlaufenden Basisabschnitten des Blechbauteils abwechseln. Eine solche rechtwinklige Mäanderstruktur aus Blech lässt sich vergleichsweise einfach herstellen. Die Basisabschnitte können hierbei der Anbringung des Blechbauteils an der Innenseite der Schale dienen. It can be provided that the leg sections alternate with base sections of the sheet-metal component that run at right angles thereto. Such a rectangular meander structure made of sheet metal can be produced comparatively easily. The base sections can in this case serve to attach the sheet metal component to the inside of the shell.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung verläuft der wenigstens eine Schenkelabschnitt in Strömungsrichtung gesehen wellenförmig. Hierdurch können die Strömungseigenschaften weiter verbessert werden. According to a development of the invention, the at least one leg section runs wavy in the flow direction. As a result, the flow properties can be further improved.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schale aus wenigstens zwei Blechen und vorzugsweise aus genau zwei Blechen zusammengesetzt ist, die in zwei einander gegenüberliegenden Randbereichen gleich oder gegensinnig abgekantet und unter Überlappung ihrer Randbereiche ineinander gesteckt sowie miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung. A further embodiment of the invention provides that the shell is composed of at least two sheets and preferably of exactly two sheets, which are folded in two opposing edge regions the same or in opposite directions and inserted into each other with overlap of their edge regions. This allows a particularly simple and inexpensive production.

Der wenigstens eine Schenkelabschnitt kann sich vollständig von einer Eintrittsöffnung des Kanals bis zu einer Austrittsöffnung des Kanals erstrecken, sodass die Teilkanäle durch die Trennwand vollständig voneinander getrennt sind. The at least one leg portion may extend completely from an entrance opening of the channel to an exit opening of the channel, so that the subchannels are completely separated from each other by the partition wall.

Weiterhin kann an einem ersten Ende der Schale ein Eintrittsflansch und an einem zweiten Ende der Schale ein Austrittsflansch angebracht, vorzugsweise angeschweißt, sein. Dies erleichtert das Integrieren des Kanals in eine bestehende Anlage, z.B. Abgasanlage. Furthermore, at one end of the shell, an inlet flange and at a second End of the shell attached to an outlet flange, preferably welded, be. This facilitates the integration of the channel in an existing system, eg exhaust system.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Schale einen rechteckigen Querschnitt aufweist, welcher vorzugsweise zwei Flachseiten und zwei Schmalseiten definiert. Ein solcher Rechteckkanal ist einfach herzustellen und ermöglicht eine günstige Anbringung von thermoelektrischen Modulen an den Flachseiten der Schale. A further embodiment provides that the shell has a rectangular cross section, which preferably defines two flat sides and two narrow sides. Such a rectangular channel is easy to manufacture and allows a convenient attachment of thermoelectric modules to the flat sides of the shell.

Das Blechbauteil ist bevorzugt aus einer Blechfolie mit einer Stärke von höchstens 0,5 mm, bevorzugt von höchstens 0,3 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,15 mm und 0,25 mm, gefertigt. Eine dünne Blechfolie kann auf relativ einfache Weise zu einer mäanderförmigen Struktur geformt werden. The sheet metal component is preferably made of a sheet metal foil having a thickness of at most 0.5 mm, preferably of at most 0.3 mm and more preferably between 0.15 mm and 0.25 mm. A thin sheet metal foil can be formed in a relatively simple manner to a meandering structure.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherkanals von vorn. 1 is a perspective view of a heat exchanger duct according to the invention from the front.

2 ist eine Teilansicht des Wärmetauscherkanals gemäß 1 schräg von der Seite. 2 is a partial view of the heat exchanger channel according to 1 diagonally from the side.

Der in 1 gezeigte Wärmetauscherkanal 11 umfasst eine Schale 13 aus Blech, welche einen abgeflachten rechteckigen Querschnitt aufweist und zum Führen eines heißen Abgasstroms entlang einer Strömungsrichtung S ausgebildet ist. An den Flachseiten 14 der Schale 13 können thermoelektrische Module angebracht werden, was in 1 jedoch nicht dargestellt ist. The in 1 shown heat exchanger channel 11 includes a shell 13 sheet metal, which has a flattened rectangular cross-section and is designed to guide a hot exhaust gas flow along a flow direction S. On the flat sides 14 the Bowl 13 thermoelectric modules can be mounted in what 1 but not shown.

Wie dargestellt, ist an dem im Bild vorderen Ende der Schale 13 ein Eintrittsflansch 15 und an dem im Bild hinteren Ende der Schale 13 ein Austrittsflansch 17 angeschweißt. Mittels des Eintrittsflansches 15 und des Austrittsflansches 17 kann der Wärmetauscherkanal 11 auf einfache Weise in eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine integriert werden. As shown, is at the front end of the shell in the picture 13 an entry flange 15 and at the back of the bowl in the picture 13 an outlet flange 17 welded. By means of the inlet flange 15 and the outlet flange 17 can the heat exchanger channel 11 be integrated in a simple way in an exhaust system of an internal combustion engine.

Im Inneren der Schale 13 ist ein mäanderförmiges Blechbauteil 19 angeordnet, welches einer Aufteilung des Wärmetauscherkanals 11 in mehrere Teilkanäle 25 – im dargestellten Beispiel in insgesamt 21 Teilkanäle 25 – dient. Das Blechbauteil 19 setzt sich aus einer wechselnden Abfolge von horizontalen Basisabschnitten 27 und vertikalen Schenkelabschnitten 29 zusammen, wodurch eine Mäanderstruktur gebildet ist. Während die Basisabschnitte 27 an der Schale 13 anliegen, bilden die Schenkelabschnitte 29 jeweils eine Trennwand zwischen zwei Teilkanälen 25. Inside the shell 13 is a meandering sheet metal component 19 arranged, which a division of the heat exchanger channel 11 into several subchannels 25 - In the example shown in total 21 subchannels 25 - serves. The sheet metal component 19 consists of an alternating sequence of horizontal base sections 27 and vertical leg sections 29 together, whereby a meander structure is formed. While the base sections 27 on the shell 13 abut, form the leg sections 29 each a partition between two sub-channels 25 ,

Das mäanderförmige Blechbauteil 19 ist aus einer zurechtgebogenen Blechfolie gefertigt, welche eine Stärke von etwa 0,4 mm aufweist. The meandering sheet metal component 19 is made of a bent sheet metal foil, which has a thickness of about 0.4 mm.

Das Anordnen des Blechbauteils 19 in der Schale 13 ermöglicht das Ausbilden einer Vielzahl von parallelen Teilkanälen 25 mit einem einzigen Bauteil, wodurch die Herstellung besonders einfach ist. Bei Bedarf könnte in den Teilkanälen 25 auch abwechselnd heißes Abgas und Kühlmittel geführt werden. Arranging the sheet metal component 19 in the bowl 13 allows the formation of a plurality of parallel sub-channels 25 with a single component, whereby the production is particularly simple. If necessary, could be in the sub-channels 25 alternately hot exhaust gas and coolant can be performed.

In der Ansicht von 2, in welcher der Eintrittsflansch und der Austrittsflansch weggelassen sind, sind auch die Schmalseiten 34 der Schale 13 zu erkennen. Zudem geht aus der Darstellung von 2 hervor, dass die Schale 13 aus zwei Z-förmigen Winkelblechen 30a, 30b zusammengesetzt ist, welche jeweils durch Abkanten der beiden Randbereiche 32, 33 je eines geraden Bleches in entgegengesetzte Richtungen gebildet sind. Die beiden abgewinkelten Bereiche 32 und 33 sind dabei unterschiedlich groß, wobei jeweils der größere Randbereich 33 je eine Schmalseite 34 der Schale 13 bildet und der kleinere Randbereich 32 zur Anlage des größeren Randbereichs 33 des jeweils anderen Blechs dient. Der Abkantwinkel beträgt zumindest annähernd 90°. In the view of 2 , in which the inlet flange and the outlet flange are omitted, are also the narrow sides 34 the Bowl 13 to recognize. In addition, goes from the presentation of 2 forth that the shell 13 from two Z-shaped angle plates 30a . 30b is composed, which in each case by folding the two edge regions 32 . 33 each of a straight plate are formed in opposite directions. The two angled areas 32 and 33 are different sizes, with each of the larger edge area 33 one narrow side each 34 the Bowl 13 forms and the smaller border area 32 to create the larger edge area 33 the other sheet is used. The bending angle is at least approximately 90 °.

In 2 ist auch erkennbar, dass sowohl die Schale 13 als auch das in der Schale 13 befindliche Blechbauteil 19 in Strömungsrichtung S gesehen verjüngt sind. Konkret weisen die Schale 13 und das Blechbauteil 19 eine Keilform auf. In 2 It is also recognizable that both the shell 13 as well as in the shell 13 located sheet metal component 19 seen in the flow direction S are tapered. Specifically, the shell 13 and the sheet metal part 19 a wedge shape on.

Die in Strömungsrichtung S verjüngte Form des Wärmetauscherkanals 11 hat zur Folge, dass einer unerwünschten Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit im Verlauf des Strömens entgegengewirkt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass unter üblichen Betriebsbedingungen eine über den gesamten Strömungsverlauf im Wesentlichen gleichbleibende Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Hierdurch kann der Wärmeübergang verbessert werden. The in the flow direction S tapered shape of the heat exchanger channel 11 As a result, an undesirable decrease in the flow velocity in the course of the flow is counteracted. In this way it can be achieved that, under normal operating conditions, there is a flow velocity which is substantially constant over the entire flow profile. As a result, the heat transfer can be improved.

Die Schenkelabschnitte 29 verlaufen in Strömungsrichtung S gesehen wellenförmig, was in 2 durch gestrichelte Linien angegeben ist. Diese Wellenform dient einem hinsichtlich des Wärmeübergangs verbesserten Strömungsverhalten. Es hat sich herausgestellt, dass sich durch eine Kombination aus Keilform und Wellenform bei dem mäanderförmigen Blechbauteil 19 besonders gute Wärmeübergangseigenschaften erzielen lassen. The leg sections 29 run wavy in the flow direction S, which is in 2 indicated by dashed lines. This waveform serves to improve flow behavior with respect to heat transfer. It has been found that by a combination of wedge shape and waveform in the meandering sheet metal component 19 achieve particularly good heat transfer properties.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11 11
Wärmetauscherkanal heat exchanger duct
13 13
Schale Bowl
14 14
Flachseite flat side
15 15
Eintrittsflansch inlet flange
17 17
Austrittsflansch outlet flange
19 19
Blechbauteil sheet metal component
25 25
Teilkanal subchannel
27 27
Basisabschnitt base section
29 29
Schenkelabschnitt leg portion
30a, 30b 30a, 30b
Winkelblech Winkelblech
32, 33 32, 33
abgekanteter Randbereich folded edge area
34 34
Schmalseite narrow side
S S
Strömungsrichtung flow direction

Claims (10)

Kanal (11) zum Führen eines strömenden Fluids, insbesondere Wärmetauscherkanal, mit einer Schale (13) und einem in der Schale (13) angeordneten Blechbauteil (19), welches einen mäanderförmigen Querschnitt aufweist, wobei wenigstens ein Schenkelabschnitt (29) des Blechbauteils (19) eine Trennwand zur Aufteilung des Kanals (11) in mehrere Teilkanäle (25) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (13) in Strömungsrichtung (S) gesehen verjüngt ist. Channel ( 11 ) for guiding a flowing fluid, in particular heat exchanger channel, with a shell ( 13 ) and one in the shell ( 13 ) arranged sheet metal component ( 19 ), which has a meandering cross-section, wherein at least one leg section ( 29 ) of the sheet metal component ( 19 ) a partition wall for splitting the channel ( 11 ) into several subchannels ( 25 ), characterized in that the shell ( 13 ) in the flow direction (S) is tapered. Kanal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (13) keilförmig ist. Channel according to claim 1, characterized in that the shell ( 13 ) is wedge-shaped. Kanal nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei und vorzugsweise wenigstens fünf zueinander parallele Schenkelabschnitte (29) des Blechbauteils (19) jeweilige Trennwände in der Schale (13) bilden. Channel according to claim 1 or 2, characterized in that at least two and preferably at least five mutually parallel leg sections ( 29 ) of the sheet metal component ( 19 ) respective partitions in the shell ( 13 ) form. Kanal nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schenkelabschnitte (29) mit rechtwinklig zu diesen verlaufenden Basisabschnitten (27) des Blechbauteils (19) abwechseln. Channel according to claim 3, characterized in that the leg sections ( 29 ) at right angles to these base sections ( 27 ) of the sheet metal component ( 19 ) alternate. Kanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Schenkelabschnitt (29) in Strömungsrichtung (S) gesehen wellenförmig verläuft. Channel according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one leg section ( 29 ) Wavy seen in the flow direction (S). Kanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (13) aus wenigstens zwei Blechen (30a, 30b) und vorzugsweise aus genau zwei Blechen (30a, 30b) zusammengesetzt ist, die in zwei einander gegenüberliegenden Randbereichen (32, 33) gleich oder gegensinnig abgekantet und unter Überlappung ihrer Randbereiche (32, 33) ineinander gesteckt sowie miteinander verbunden sind. Channel according to one of the preceding claims, characterized in that the shell ( 13 ) of at least two sheets ( 30a . 30b ) and preferably from exactly two sheets ( 30a . 30b ), which in two opposite edge regions ( 32 . 33 ) folded in the same direction or in opposite directions and overlapping their edge areas ( 32 . 33 ) are inserted into each other and connected to each other. Kanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der wenigstens eine Schenkelabschnitt (29) vollständig von einer Eintrittsöffnung des Kanals (11) bis zu einer Austrittsöffnung des Kanals (11) erstreckt. Channel according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one leg section ( 29 ) completely from an inlet opening of the channel ( 11 ) to an exit opening of the channel ( 11 ). Kanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem ersten Ende der Schale (13) ein Eintrittsflansch (15) und an einem zweiten Ende der Schale (13) ein Austrittsflansch (17) angebracht, vorzugsweise angeschweißt, ist. Channel according to one of the preceding claims, characterized in that at a first end of the shell ( 13 ) an inlet flange ( 15 ) and at a second end of the shell ( 13 ) an outlet flange ( 17 ), preferably welded, is attached. Kanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (13) einen rechteckigen Querschnitt aufweist, welcher vorzugsweise zwei Flachseiten (14) und zwei Schmalseiten (34) definiert. Channel according to one of the preceding claims, characterized in that the shell ( 13 ) has a rectangular cross section, which preferably has two flat sides ( 14 ) and two narrow sides ( 34 ) Are defined. Kanal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Blechbauteil (19) aus einer Blechfolie mit einer Stärke von höchstens 0,5 mm, bevorzugt von höchstens 0,3 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,15 mm und 0,25 mm, gefertigt ist. Channel according to one of the preceding claims, characterized in that the sheet metal component ( 19 ) is made of a metal foil with a thickness of at most 0.5 mm, preferably of at most 0.3 mm and more preferably between 0.15 mm and 0.25 mm.
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