DE102013211221A1 - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit einem ersten Sammelkasten (8), mit einem zweiten Sammelkasten (9) und mit einer Mehrzahl von Rohren (15, 16), wobei die Rohre (15, 16) jeweils endseitig in einem der Sammelkästen (8, 9) aufgenommen sind und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammelkasten (8) und dem zweiten Sammelkasten (9) erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren (15) vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, und zumindest ein zweites Rohr (16) vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist, wobei die erste Strömungsquerschnittsfläche wesentlich geringer ist als die zweite Strömungsquerschnittsfläche.The invention relates to a heat exchanger (1) with a first collecting box (8), with a second collecting box (9) and with a plurality of tubes (15, 16), wherein the tubes (15, 16) in each case end in one of the collecting tanks (15). 8, 9) are received and create a fluid connection between the first collecting box (8) and the second collecting box (9), wherein a first number of first tubes (15) is provided, each having a first flow cross-sectional area, and at least one second tube (16) is provided, which has a second flow cross-sectional area, wherein the first flow cross-sectional area is substantially smaller than the second flow cross-sectional area.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Sammelkasten, mit einem zweiten Sammelkasten und mit einer Mehrzahl von Rohren, wobei die Rohre jeweils endseitig in einem der Sammelkästen aufgenommen sind und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammelkasten und dem zweiten Sammelkasten erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, und zumindest ein zweites Rohr vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist.The invention relates to a heat exchanger with a first header, with a second header and with a plurality of tubes, wherein the tubes are respectively received end in one of the header boxes and produce a fluid connection between the first header and the second header, wherein a first number of first tubes is provided, each having a first flow cross-sectional area, and at least one second tube is provided, which has a second flow cross-sectional area.
Stand der TechnikState of the art
Wärmeübertrager werden in vielfältiger Weise zum Übertragen von Wärme zwischen zwei Fluiden eingesetzt. Hierbei wird ein erstes Fluid mit einem zweiten Fluid in einen Wärmeaustausch gebracht, wodurch die Temperatur des einen Fluids relativ erhöht wird und die Temperatur des anderen Fluids relativ erniedrigt wird. Regelmäßig handelt es sich bei den verwendeten Fluiden beispielsweise um Luft, Kühlflüssigkeit oder ein Kältemittel.Heat exchangers are used in a variety of ways to transfer heat between two fluids. In this case, a first fluid is brought into a heat exchange with a second fluid, whereby the temperature of the one fluid is relatively increased and the temperature of the other fluid is relatively lowered. Regularly, the fluids used are, for example, air, coolant or a refrigerant.
Es sind dabei unterschiedliche Bauformen für Wärmeübertrager bekannt. Unter anderem werden Wärmeübertrager in einer Rohr-Rippen-Bauweise eingesetzt. Hier sind eine Mehrzahl von Rohren zueinander beabstandet zwischen zwei Sammelkästen geführt. Ein zu kühlendes Medium kann dabei beispielsweise durch die Rohre strömen, während ein zu erwärmendes Medium um die Rohre strömt. Um den Wärmeübertrag zu verbessern können zwischen den Rohren zusätzlich Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Wellrippen, vorgesehen sein.There are different types of heat exchanger known. Among other things, heat exchangers are used in a tube-fin construction. Here are a plurality of tubes spaced from each other between two headers. A medium to be cooled can flow through the pipes, for example, while a medium to be heated flows around the pipes. In order to improve the heat transfer additional heat transfer elements, such as corrugated fins, may be provided between the tubes.
Eine bekannte Bauform sieht dabei einen Wärmeübertrager vor, der in einem sogenannten I-Durchströmungsprinzip durchströmt wird. Dabei strömt das Fluid von einem Sammelkasten in die Rohre und von dort in den zweiten Sammelkasten. Das Fluid wird dabei aus einem Fluidkreislauf in den ersten Sammelkasten eingeleitet und aus dem zweiten Sammelkasten ausgeleitet.A known design provides for a heat exchanger, which is flowed through in a so-called I-flow principle. The fluid flows from a collection box into the pipes and from there into the second collection box. The fluid is introduced from a fluid circuit in the first collection box and discharged from the second collection box.
Alternativ kann ein Wärmeübertrager nach dem sogenannten U-Durchströmungsprinzip durchströmt sein. Hierbei wird ein Fluid aus einem Fluidkreislauf in den ersten Sammelkasten eingeleitet. Von dort strömt es durch eine erste Anzahl der Rohre in den zweiten Sammelkasten und von dort über eine zweite Anzahl der Rohre zurück in den ersten Sammelkasten. Von dort wird das Fluid aus dem ersten Sammelkasten ausgeleitet. Der erste Sammelkasten ist dabei beispielsweise durch eine Trennwand in zwei unabhängige Bereiche unterteilt.Alternatively, a heat exchanger can be flowed through according to the so-called U-flow principle. Here, a fluid is introduced from a fluid circuit in the first collection box. From there it flows through a first number of tubes in the second collection box and from there via a second number of tubes back into the first collection box. From there, the fluid is discharged from the first collection box. The first collection box is divided, for example by a partition in two independent areas.
Die Rohre, welche die Fluidverbindung vom ersten Sammelkasten in den zweiten Sammelkasten bilden, entsprechen dabei zumeist den Rohren, welche die Fluidverbindung vom zweiten Sammelkasten in den ersten Sammelkasten bilden, in Größe, Form und Anzahl.The tubes which form the fluid connection from the first collection box into the second collection box usually correspond in size, shape and number to the tubes which form the fluid connection from the second collection box into the first collection box.
Der U-durchströmte Wärmeübertrager bietet regelmäßig die doppelte Kühlstrecke im Vergleich zu einem I-durchströmten Wärmeübertrager, gleichzeitig bietet er aber nur die halben Strömungsquerschnittsfläche. Dies ist zwar allgemein positiv für die Kühlleistung des Wärmeübertragers, jedoch zumeist negativ für den auftretenden Druckverlust.The U-flow heat exchanger regularly offers twice the cooling distance compared to a I-flow heat exchanger, but at the same time it offers only half the flow cross-sectional area. Although this is generally positive for the cooling capacity of the heat exchanger, but mostly negative for the pressure loss occurring.
Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass durch die Verwendung der gleichen Rohrdimensionen sowohl für die Fluidverbindung vom ersten in den zweiten Sammelkasten als auch für die Fluidverbindung vom zweiten in den ersten Sammelkasten Rohre der gleichen Dimensionen und oft auch in der gleichen Anzahl zum Einsatz kommen, was sich negativ auf den entstehenden Druckverlust im U-durchströmten Wärmeübertrager auswirkt.A disadvantage of the solutions in the prior art is in particular that by using the same pipe dimensions both for the fluid connection from the first to the second collection box and for the fluid connection from the second to the first collection box tubes of the same dimensions and often in the same number are used, which has a negative effect on the resulting pressure drop in the U-flow heat exchanger.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, VorteilePresentation of the invention, object, solution, advantages
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager bereitzustellen, der gegenüber den Lösungen im Stand der Technik optimiert ist. Hierzu soll insbesondere der entstehende Druckverlust innerhalb der Wärmeübertragers reduziert werden.It is the object of the present invention to provide a heat exchanger that is optimized over the solutions in the prior art. For this purpose, in particular the resulting pressure loss should be reduced within the heat exchanger.
Die Aufgabe des Wärmeübertragers wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object of the heat exchanger is achieved by a heat exchanger with the features of claim 1.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Sammelkasten, mit einem zweiten Sammelkasten und mit einer Mehrzahl von Rohren, wobei die Rohre jeweils endseitig in einem der Sammelkästen aufgenommen sind und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammelkasten und dem zweiten Sammelkasten erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, und zumindest ein zweites Rohr vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist, wobei die erste Strömungsquerschnittsfläche wesentlich geringer ist als die zweite Strömungsquerschnittsfläche.An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a first header, with a second header and with a plurality of tubes, wherein the tubes are each end in one of the header boxes and create a fluid connection between the first header and the second header, wherein a first Number of first tubes is provided, each having a first flow cross-sectional area, and at least a second tube is provided, which has a second flow cross-sectional area, wherein the first flow cross-sectional area is substantially smaller than the second flow cross-sectional area.
Der Wärmeübertrager ist nach einem U-Durchströmungsprinzip durchströmt. Das Fluid wird dabei von einem Sammelkasten über einen Teil der Rohre in den zweiten Sammelkasten geleitet, bevor es über die restlichen Rohre wieder in den ersten Sammelkasten zurückgeleitet wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Bauraumspezifikationen nur einen solchen Wärmeübertrager zulassen. Hierbei ist insbesondere die Lage der Fluidanschlüsse an nur einem Sammelkasten vorteilhaft.The heat exchanger is flowed through by a U-flow principle. The fluid is passed from a collection box over a portion of the pipes in the second collection box, before it over the remaining pipes back into the first collection box is returned. This is particularly advantageous if the space specifications allow only such a heat exchanger. In this case, in particular the position of the fluid connections to only one collecting tank is advantageous.
Die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals ist wesentlich größer als die Strömungsquerschnittsfläche der einzelnen ersten Strömungskanäle. Hierdurch kann vorteilhaft eine Rückströmung mit einem möglichst geringen Druckverlust erzeugt werden. Der zweite Strömungskanal dient dabei im Wesentlichen der Fluidrückführung in den ersten Sammelkasten. Der Wärmeübertrag wird hauptsächlich durch die ersten Strömungskanäle realisiert.The flow cross-sectional area of the second flow channel is substantially larger than the flow cross-sectional area of the individual first flow channels. As a result, a return flow can be generated with the lowest possible pressure loss. The second flow channel essentially serves to return the fluid to the first collection box. The heat transfer is realized mainly by the first flow channels.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Rohre einen Anteil an der Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers einnimmt, der größer ist als die Hälfte, wobei die Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers durch die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der ersten Rohre und des zweiten Rohrs gebildet ist.Furthermore, it is preferable if the total flow cross-sectional area of the first tubes occupies a proportion of the total cross-sectional area of the heat exchanger that is greater than half, wherein the total cross-sectional area of the heat exchanger is formed by the sum of the flow cross-sectional areas of the first tubes and the second tube.
Durch einen größere Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Strömungskanäle im Vergleich zur Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals kann insbesondere erreicht werden, dass eine möglichst grolle Strömungsquerschnittsfläche zur Abkühlung des in den Strömungskanälen strömenden Fluids zur Verfügung steht. So kann ein möglichst hoher Wärmeübertrag realisiert werden und trotzdem können die baumraumspezifischen Vorteile eines U-durchströmten Wärmeübertragers genutzt werden.By a larger overall flow cross-sectional area of the first flow channels in comparison to the flow cross-sectional area of the second flow channel, it can be achieved, in particular, that the largest possible flow cross-sectional area is available for cooling the fluid flowing in the flow channels. Thus, the highest possible heat transfer can be realized and still the tree specific advantages of a U-flow heat exchanger can be used.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Rohre im Vergleich zur Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers zwischen 50% und 90% liegt, dabei vorzugsweise zwischen 60% und 80% liegt, dabei vorzugsweise zwischen 70% und 80% liegt.It is also advantageous if the total flow cross-sectional area of the first tubes compared to the total flow cross-sectional area of the heat exchanger is between 50% and 90%, preferably between 60% and 80%, preferably between 70% and 80%.
Ein möglichst hoher Anteil der Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Strömungskanäle ist vorteilhaft um einen möglichst grollen Wärmeübertrag realisieren zu können. Gleichzeitig muss die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals groß genug sein, um nicht einen zu großen Druckverlust für das rückströmende Fluid zu erzeugen.The highest possible proportion of the total flow cross-sectional area of the first flow channels is advantageous in order to be able to realize the greatest possible heat transfer. At the same time, the flow cross-sectional area of the second flow channel must be large enough not to create too great a pressure loss for the back-flowing fluid.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Wärmeübertrager mit einem ersten Fluid durchströmbar ist, wobei die Durchströmung ausgehend vom ersten Sammelkasten durch die ersten Rohre zum zweiten Sammelkasten und vom zweiten Sammelkasten durch das zweite Rohr zum ersten Sammelkasten stattfindet.Furthermore, it may be particularly advantageous if the heat exchanger can be flowed through by a first fluid, wherein the flow takes place from the first header through the first tubes to the second header and from the second header through the second tube to the first header.
Das U-Durchströmungsprinzip ist besonders vorteilhaft, wenn Bauraumrestriktionen einen Einsatz eine U-durchströmten Wärmeübertragers vorsehen.The U-flow principle is particularly advantageous when space restrictions provide for the use of a U-flow heat exchanger.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sammelkasten einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei der erste Sammelkasten in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist und die erste Kammer mit den ersten Rohren in Fluidkommunikation steht und die zweite Kammer mit dem zweiten Rohr in Fluidkommunikation steht.A preferred embodiment is characterized in that the first header has a fluid inlet and a fluid outlet, wherein the first header is divided into a first chamber and a second chamber and the first chamber is in fluid communication with the first tubes and the second chamber is in fluid communication Tube is in fluid communication.
Eine Aufteilung des ersten Sammelkastens in zwei Kammern ist besonders vorteilhaft, um eine Durchströmung nach dem U-Durchströmungsprinzip zu ermöglichen. Eine fluiddichte Trennung der beiden Kammern voneinaner ist besonders vorteilhaft, um ungewollte Schleichströme zwischen den beiden Kammern zu unterbinden.A division of the first header tank into two chambers is particularly advantageous in order to allow a flow according to the U-flow principle. A fluid-tight separation of the two chambers voneinaner is particularly advantageous to prevent unwanted leakage currents between the two chambers.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die ersten Rohre in einer Aneinanderreihung von zwei zueinander benachbarten Rohrreihen angeordnet sind und das zweite Rohr unterhalb der beiden Rohrreihen angeordnet ist.It is also preferable if the first tubes are arranged in a juxtaposition of two mutually adjacent tube rows and the second tube is arranged below the two tube rows.
Durch eine Aneinanderreihung mehrere Rohrreihen aneinander, kann insgesamt eine größere Wärmeübertragungsfläche erzeugt werden als mit einer geringeren Anzahl an größeren Rohren. Daher kann durch eine solche Anordnung insbesondere auf einem definierten maximalen Bauraum ein größtmöglicher Wärmeübertrag realisiert werden.By juxtaposing several rows of tubes to each other, a total of a larger heat transfer surface can be generated than with a smaller number of larger pipes. Therefore, the greatest possible heat transfer can be realized by such an arrangement, in particular on a defined maximum space.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Gehäuse vorgesehen ist, welches die ersten Rohre und das zweite Rohr aufnimmt, und das seitlich von den beiden Sammelkästen begrenzt ist, wobei die ersten Rohre und das zweite Rohr von zweiten Fluid innerhalb des Gehäuses umströmbar sind, während sie von einem ersten Fluid durchströmbar sind.It is also advantageous if a housing is provided, which receives the first tubes and the second tube, and which is bounded laterally by the two header boxes, wherein the first tubes and the second tube of second fluid within the housing are flowed around while they can be traversed by a first fluid.
Durch das Vorsehen eines Gehäuses, welches mit einem Fluid, wie beispielsweise einem Kühlmittel, durchströmt werden kann, kann ein vorteilhafter Wärmübertrag zwischen einem Fluid innerhalb der Rohre und einem flüssigen Kühlmittel erreicht werden. Auf diese Weise können regelmäßig größere Wärmemengen abgeführt werden als bei einem Wärmeübertrag zwischen einem ersten Fluid und Luft für den Fall, dass die Luft dabei als Kühlmittel dient. Dies kann insbesondere dann nach gesteigert werden, wenn das flüssige Kühlmittel außerhalb des Wärmeübertragers aktiv abgekühlt wird.By providing a housing, which can be traversed by a fluid, such as a coolant, an advantageous heat transfer between a fluid within the tubes and a liquid coolant can be achieved. In this way, regularly larger amounts of heat can be dissipated than in a heat transfer between a first fluid and air in the event that the air serves as a coolant. This can be increased, in particular, when the liquid coolant outside the heat exchanger is actively cooled.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn das erste Fluid über einen Sammelkasten zu führbar und abführbar ist, wobei ein zweites Fluid im Bereich des ersten Sammelkastens in das Gehäuse zuführbar ist und im Bereich des zweiten Sammelkastens aus dem Gehäuse abführbar ist. Furthermore, it is preferable if the first fluid can be guided and discharged via a collecting box, wherein a second fluid can be fed into the housing in the region of the first collecting box and can be removed from the housing in the region of the second collecting box.
Auf diese Weise kann ein Fluid, welches die Rohre durchströmt, passend zum U-Durchströmungsprinzip des Wärmeübertragers in diesen eingeströmt und aus diesem abgeführt werden. Gleichzeitig kann das Kühlmittel strömungstechnisch optimal in den Wärmeübertrager eingebracht werden, wodurch eine möglichst große Kühlwirkung erreicht werden kann.In this way, a fluid which flows through the tubes, suitable to the U-flow principle of the heat exchanger flowed into this and be discharged therefrom. At the same time, the coolant can be optimally fluidically introduced into the heat exchanger, whereby the greatest possible cooling effect can be achieved.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zwischen den ersten Rohren und dem zweiten Rohr Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Wellrippen, vorgesehen sind und/oder dass in den ersten Rohren Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Winglets, vorgesehen sind.In an alternative embodiment of the invention, provision may be made for heat transfer elements, such as corrugated ribs, to be provided between the first tubes and the second tube, and / or for heat transfer elements, such as winglets, to be provided in the first tubes.
Durch die Wärmeübertragungselemente kann der Wärmeübertrag zwischen dem Fluid im Inneren der Rohre und dem Fluid, welches die Rohre umströmt, vergrößert werden. Dadurch kann die Kühlleistung des Wärmeübertragers insgesamt verbessert werden.By the heat transfer elements, the heat transfer between the fluid inside the tubes and the fluid flowing around the tubes can be increased. As a result, the cooling capacity of the heat exchanger can be improved overall.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn neben der Mehrzahl von ersten Rohren eine Mehrzahl von zweiten Rohren vorgesehen ist, wobei die Anzahl der zweiten Rohre wesentlich geringer ist als die Anzahl der ersten Rohre.It may also be expedient if, in addition to the plurality of first tubes, a plurality of second tubes is provided, wherein the number of second tubes is substantially smaller than the number of first tubes.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.Advantageous developments of the present invention are described in the subclaims and the following description of the figures.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:In the following the invention will be explained in detail by means of embodiments with reference to the drawings. In the drawings show:
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Die
Der dem Betrachter abgewandte Sammelkasten
Über die Fluidanschlüsse
Der Sammelkasten
Innerhalb des Wärmeübertragers
Der Fluidanschluss
Das Fluid, welches über den Fluidanschluss
Das Gehäuse
Die
Im Inneren des Gehäuses
Unterhalb der beiden Rohrreihen der ersten Strömungskanäle
Insgesamt ist die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der einzelnen ersten Strömungskanäle
Der Wärmeübertrager
Der erste Sammelkasten
Die Strömungsrichtung durch den Wärmeübertrager
Zwischen den einzelnen Rohren
Die Rohre
Durch die Rückströmstrecke, welche durch den einzelnen Strömungskanal
Der größte Teil der Abkühlung des Abgases, welches durch die Strömungskanäle
Vorteilhafterweise kann der Wärmeübertrager
Die
Zwischen den Rohren
In alternativen Ausführungsformen können insbesondere die Anzahl der gezeigten Kanäle sowie die geometrische Gestaltung der einzelnen Strömungskanäle von den in den
Der gezeigte Wärmeübertrager
Die
Claims (10)
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