DE102014108209A1 - heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Wärmetauscher (1) umfassend Rohre (2) mit äußeren Rippen (3) und mit folgenden Merkmalen: 1. Mehrere Reihen (R1, R2) der Rohre (2) sind in Anströmrichtung (P) hintereinander angeordnet; 1.2. Die Reihen (R1, R2) verlaufen quer zur Anströmrichtung (P); 1.3. Die Rohre (2) aufeinanderfolgender Reihen (R1, R2) sind um einen Querversatz (VQ) parallel zur vorhergehenden Reihe (R1, R2) verschoben angeordnet, wobei der Querversatz (VQ) ungleich ist einem Querteilungsabstand (TQ) quer zur Anströmrichtung (P), oder 1.4. die innerhalb einer Reihe (R1, R2) benachbarte Rohre (2) sind um einen in Anströmrichtung (P) verlaufenden Längsversatz (VL) zueinander versetzt angeordnet, wobei der Längsversatz (VL) kleiner ist als ein Längsteilungsabstand (TL) der Rohre (2) aufeinanderfolgender Reihen (R1, R2); 1.5. Der Querteilungsabstand (TQ) der Rohre (2) einer Reihe (R1, R2) ist größer als die quer zur Ansichtsebene (4) der Reihe (R1, R2) gemessene mittlere Breite (B) der Rippen (3), so dass sein Spalt (5) zwischen den Rippen (3) benachbarter Rohre (2) mit dem 0,1 bis 0,5-fachen der mittleren Breite (B) vorhanden ist; 1.6. Die viereckigen Rippen (3) besitzen Winglets (6a, 6b).Heat exchanger (1) comprising tubes (2) with outer ribs (3) and having the following features: 1. Several rows (R1, R2) of the tubes (2) are arranged one behind the other in the direction of flow (P); 1.2. The rows (R1, R2) are transverse to the direction of flow (P); 1.3. The tubes (2) of successive rows (R1, R2) are displaced by a transverse offset (VQ) parallel to the previous row (R1, R2), the transverse offset (VQ) being unequal to a transverse separation distance (TQ) transverse to the direction of flow (P) , or 1.4. the tubes (2) adjacent within a row (R1, R2) are offset from one another by a longitudinal offset (VL) running in the direction of flow (P), the longitudinal offset (VL) being smaller than a longitudinal pitch (TL) of the tubes (2) successive rows (R1, R2); 1.5. The transverse pitch (TQ) of the tubes (2) of a row (R1, R2) is greater than the average width (B) of the ribs (3) measured transversely to the plane of view (4) of the row (R1, R2), so that its gap (5) is present between the ribs (3) of adjacent tubes (2) of 0.1 to 0.5 times the mean width (B); 1.6. The quadrangular ribs (3) have winglets (6a, 6b).
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention relates to a heat exchanger with the features of
Wärmetauscher mit Rippenrohren kommen in der Regel als luftgekühlte Rohrbündelwärmetauscher zum Einsatz. Um luftgekühlte Wärmetauscher effizient auszuführen, werden möglichst hohe Wärmedurchgangskoeffizienten angestrebt. Eine Maßnahme zur Steigerung der Wärmeübergangseigenschaften liegt in der Turbulenzerzeugung an den Rippen. Dabei leiten Turbulatoren den Luftstrom in einer bestimmten Weise um, um den Rippenwirkungsgrad zu verbessern. Der Rippenwirkungsgrad ist das Verhältnis des Wärmestroms, den die Rippe tatsächlich abgibt, zu dem idealen Wärmestrom, den die Rippe abgeben würde, wenn sie über ihre gesamte Länge die Rohrtemperatur besäße. Es zählen auch Rippenrohre mit gewellten Rippen zum Stand der Technik, wie beispielsweise durch die
Der k-Wert, der durch diese Maßnahme verbessert werden soll, ist der Wärmedurchgangskoeffizient als Maß für den Wärmestrom eines Fluides durch einen festen Körper, wie z. B. eine Rohrwandung, in ein zweites Fluid aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen den Fluiden. Der Wärmestrom
Der Anmelderin ist aus der eigenen Praxis bekannt, Wärmetauscherrohre in mehreren Reihen hintereinander anzuordnen. Ziel ist es, bei kleinem Bauvolumen eine hohe Wärmeleistung am Wärmetauscher zu übertragen. Hierzu können die Wärmetauscherrohre so hintereinander angeordnet sein, dass sich ein Wärmetauscherrohr in der zweiten Reihe gewissermaßen im Windschatten des Rohrs der ersten Reihe befindet. Die Rohre der aufeinanderfolgenden Reihen sind in diesem Sinne fluchtend angeordnet. Es ist auch bekannt, die Wärmetauscherrohre unmittelbar aufeinander folgender Reihen zueinander verschoben anzuordnen. Bei der verschobenen Anordnung befinden sich die Anströmflächen der nachgeschalteten Rohrreihen nicht im unmittelbaren Windschatten der Rohre der davor liegenden Rohrreihe.The applicant is known from his own practice to arrange heat exchanger tubes in several rows one behind the other. The aim is to transfer a high heat output to the heat exchanger with a small construction volume. For this purpose, the heat exchanger tubes can be arranged one behind the other so that a heat exchanger tube in the second row is effectively in the lee of the tube of the first row. The tubes of the successive rows are arranged in alignment in this sense. It is also known to arrange the heat exchanger tubes of immediately consecutive rows displaced relative to each other. In the shifted arrangement, the inflow surfaces of the downstream rows of tubes are not in the immediate lee of the tubes of the preceding row of tubes.
Um das Bauvolumen eines Wärmetauschers möglichst gering zu halten, wurden bislang möglichst viele Rohre und Rippen auf engem Raum angeordnet. Daher ist die Teilung, d. h. der Abstand, zwischen den Rohren vergleichsweise gering. Zwischen den einzelnen mit Rippen versehenen Rohren bleibt nur ein sehr geringer Spalt, so dass die Rippendichte insgesamt hoch ist. Jedoch ist dann auch der Druckverlust hoch und damit eine erhöhte elektrische Leistung für den Lüfter erforderlich.In order to keep the volume of construction of a heat exchanger as low as possible, so far as many pipes and ribs have been arranged in a small space. Therefore, the division, i. H. the distance between the tubes comparatively low. Between the individual ribbed tubes remains only a very small gap, so that the rib density is high overall. However, then the pressure loss is high and thus an increased electrical power for the fan required.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, welcher einen verbesserten k-Wert besitzt.The invention has for its object to provide a heat exchanger, which has an improved k value.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention solves this problem by a heat exchanger having the features of
Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige, nicht selbstverständigliche Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens.The subclaims relate to appropriate, not self-evident embodiments of the inventive concept.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst Rohre mit äußeren Rippen, wobei mehrere Reihen der Rohre in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die von der Strömung durchsetzte Fläche wird als Ansichtsfläche des Wärmetauschers bezeichnet. Die hintereinander angeordneten Reihen der Rohre verlaufen quer zur Anströmrichtung. Die Rohre aufeinander folgender Reihen sind um einen Querversatz parallel zur vorhergehenden Reihe verschoben, das heißt, quer zur Anströmrichtung. Der Querversatz ist ungleich einem Querteilungsabstand, der ebenfalls quer zur Anströmrichtung gemessen wird. Mit anderen Worten sind die Rohre der aufeinander folgenden Reihen nicht in Anströmrichtung fluchtend angeordnet.The heat exchanger according to the invention comprises tubes with outer ribs, wherein a plurality of rows of the tubes are arranged one behind the other in the flow direction. The surface penetrated by the flow is referred to as the viewing surface of the heat exchanger. The successively arranged rows of tubes run transversely to the direction of flow. The tubes of successive rows are offset by a transverse offset parallel to the previous row, that is, transverse to the direction of flow. The transverse offset is not equal to a transverse spacing, which is also measured transversely to the direction of flow. In other words, the tubes of the successive rows are not aligned in the direction of flow.
Alternativ sind die innerhalb einer Reihe benachbarten Rohre um einen in Anströmrichtung zu messenden Längsversatz zueinander versetzt angeordnet. Die Rohre können zueinander alternierend versetzt sein, so dass sich gewissermaßen eine zickzack-förmige Reihe ergibt. Der Längsversatz, das heißt, der Versatz in Strömungsrichtung, ist kleiner als ein Längsteilungsabstand. Der Längsteilungsabstand wird zwischen den Rohren aufeinander folgender Reihen gemessen.Alternatively, the adjacent tubes within a row are offset from each other by a longitudinal offset to be measured in the direction of flow. The tubes may be offset alternately to each other, so that in a sense results in a zigzag-shaped row. The longitudinal offset, that is, the offset in the flow direction, is smaller than a longitudinal pitch. The pitch spacing is measured between the tubes of successive rows.
Der Längsversatz ist bevorzugt halb so groß wie der Längsteilungsabstand. Dies bezieht sich auf die versetzte Anordnung der innerhalb einer Reihe benachbarten Rohre. Bei der verschobenen Anordnung, bei welcher die Rohrreihen zueinander verschoben sind, ist der Querversatz vorzugsweise halb so groß wie der Querteilungsabstand. Für die Erfindung ist der Querteilungsabstand eine wichtige Größe. Er wird nachfolgend auch kurz als Teilungsabstand bezeichnet.The longitudinal offset is preferably half the size of the longitudinal pitch. This refers to the staggered arrangement of the tubes adjacent within a row. In the shifted arrangement in which the rows of tubes to each other are shifted, the transverse offset is preferably half as large as the transverse pitch. For the invention, the transverse spacing is an important quantity. It will also be referred to below as the pitch.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass der Querteilungsabstand der Rohre einer Reihe größer ist als die quer zur Ansichtsebene dieser Reihe gemessene mittlere Breite der Rippen, so dass ein Spalt zwischen den Rippen benachbarter Rohre mit dem 0,1 bis 0,5-fachen der mittleren Breite vorhanden ist. Zusätzlich besitzen die viereckigen Rippen Winglets.In the invention, it is provided that the transverse spacing of the tubes of a row is greater than the mean width of the ribs measured transversely to the plane of view of this row, so that a gap between the ribs of adjacent tubes is 0.1 to 0.5 times the mean Width is available. In addition, the quadrangular ribs have winglets.
Diese Konstellation aus viereckigen Rippen in Kombination mit den zueinander versetzt angeordneten Rohren, der vorgesehenen mittleren Breite des Spaltes und den Winglets hat überraschender Weise enorm positive Auswirkungen auf die Wärmeübertragungsleistung
Die Vorteile der Erfindung lassen sich am besten dann erkennen, wenn als Zielsetzung eine hohe Wärmetauscherleistung bei niedriger elektrischer Leistung für die Ventilatoren vorausgesetzt wird. Das sind die typischen Anforderungen an Wärmetauscher in industriellen Anwendungen.The advantages of the invention can best be seen when the objective is a high heat exchanger performance at low electric power for the fans is assumed. These are the typical requirements for heat exchangers in industrial applications.
Die elektrische Leistung der Ventilatoren ist proportional zu dem Produkt aus Volumenstrom und Druckverlust. Wenn der Druckverlust reduziert werden kann, besteht die Möglichkeit, bei konstanter elektrischer Leistung den Volumenstrom zu erhöhen. Hiervon macht die Erfindung Gebrauch. Der erhöhte Volumenstrom führt allerdings nicht zu einer Reduzierung der mittleren Temperaturdifferenz Δϑm zwischen Luft und dem zu kühlenden Produkt, sondern – im Gegensatz zu anderen Lösungen – zu einer Verbesserung. In Kombinationen mit dem sich ebenfalls verbessernden k-Wert ist die Wärmetauscherleistung signifikant besser als bei Systemen ohne die erfindungsgemäßen Merkmale und bezogen auf dieselbe elektrische Leistung für die Ventilatoren.The electrical power of the fans is proportional to the product of volume flow and pressure loss. If the pressure loss can be reduced, it is possible to increase the flow rate with constant electrical power. The invention makes use of this. However, the increased volume flow does not lead to a reduction of the average temperature difference Δθm between air and the product to be cooled, but - in contrast to other solutions - to an improvement. In combination with the likewise improving k-value, the heat exchanger performance is significantly better than in systems without the inventive features and based on the same electrical power for the fans.
Das Ziel einer hohen Wärmetauscherleistung bei niedriger elektrischer Leistung wird durch die Kombination verschiedener Maßnahmen erreicht: Einerseits muss der Teilungsabstand zwischen einander benachbarten Rohren in einer besonderen Art und Weise verändert werden. Die Modifikation des Teilungsabstandes führt zu einer Reduzierung des Druckverlustes zwischen Eingangs- und Ausgangsseite und ermöglicht es, höhere Strömungsgeschwindigkeiten bei niedriger elektrischer Leistung zu fahren. Allein dadurch ergibt sich jedoch keine Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten. Es muss hinzukommen, dass die Rohre zueinander versetzt oder verschoben angeordnet sind. Die Erfindung sieht mindestens zwei hintereinanderliegende Reihen von Rippenrohren vor. Der Querversatz ist bevorzugt so gewählt, dass sich die Ansichtsflächen der Rohre möglichst wenig überschneiden. Dadurch liegen die der Ansichtsfläche zugewandten Stirnseiten der Wärmetauscherrohre unmittelbar im Luftstrom und erfahren eine maximale Kühlung. Die Rohre in der ersten Reihe, d. h. in der zuerst angeströmten Reihe, geben Wärme ab, so dass sich die Kühlluft bei einer angenommenen Eintrittstemperatur von 30°C über den Weg der ersten Rippe z. B. auf 45°C erhitzt. Die Temperaturdifferenz Δϑ1 im Bereich der ersten Rippe beträgt in diesem Fall 15°C. Mit dieser Eintrittstemperatur wird dann die nachfolgende Rohrreihe gekühlt. Hier erwärmt sich die Kühlluft beispielsweise von 45°C auf 55°C. Die Temperaturdifferenz Δϑ2 ist dementsprechend von 15°C auf 10°C gefallen, bezogen auf diese Rippenreihe. In einer dritten Reihe wärmt sich die Kühlluft dann beispielsweise noch einmal von 55°C auf 62°C auf. Die Temperaturdifferenz Δϑ3 beträgt lediglich 7°C. Dieses Beispiel zeigt, dass die mittlere Temperaturdifferenz Δϑm zwischen dem zu kühlenden Produkt in den Rohren und der Kühlluft maßgeblich durch die Anordnung und Gestalt der Rippenrohre beeinflusst wird. Auch die Strömungsführung des Produkts hat erheblichen Einfluss auf die mittlere Temperaturdifferenz Δϑm zwischen Produkt und Kühlluft. Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wärmetauschers ein hoher k-Wert bei hoher mittlerer Temperaturdifferenz Δϑm erreicht. Zwar fällt die auf eine einzelne Reihe bezogene Temperaturdifferenz Δϑi naturgemäß mit der Anzahl der aufeinanderfolgenden Rohrreihen ab, allerdings ist die Anordnung der Rohre mit dem Spalt zwischen den Rippen unter Berücksichtigung aller Parameter so günstig für den k-Wert und gleichzeitig für die über alle Rohrreihen gemittelte Temperaturdifferenz Δϑm, dass sich sehr große Wärmeströme bei nur geringfügiger Vergrößerung der Baugröße des Wärmetauschers ergeben. Selbst wenn das Bauvolumen nicht vergrößert wird und mithin aufgrund der vergrößerten Spaltbreite weniger Material verbaut wird, ergeben sich bessere Wärmeübertragungsleistungen als bei Systemen ohne die erfindungsgemäßen Merkmale.The goal of high heat exchanger performance at low electrical power is achieved by the combination of various measures: on the one hand, the pitch between adjacent pipes must be changed in a particular way. The modification of the pitch results in a reduction of the pressure loss between input and output sides and makes it possible to drive higher flow velocities at low electrical power. However, this alone does not improve the heat transfer coefficient. It must be added that the tubes are arranged offset or shifted to each other. The invention provides at least two rows of finned tubes one behind the other. The transverse offset is preferably selected so that the viewing surfaces of the tubes overlap as little as possible. As a result, the faces of the heat exchanger tubes facing the viewing surface lie directly in the air flow and experience maximum cooling. The tubes in the first row, d. H. in the first streamed row, give off heat, so that the cooling air at an assumed inlet temperature of 30 ° C over the path of the first rib z. B. heated to 45 ° C. The temperature difference Δθ1 in the region of the first rib is in this
Die Rippen des Wärmetauschers sind in ihrer Grundform viereckig. Sie können quadratisch oder rechteckig sein, so dass ihre einander benachbarten Seiten parallel zueinander verlaufen. Die einander benachbarten Seiten können aber auch im Winkel zueinander stehen. Die Rippen können daher auch trapezförmig sein, wobei ihre Breite in Strömungsrichtung zunimmt. Bei trapezförmigen Rippen wird im Rahmen dieser Erfindung von einer mittleren Breite der Rippen bzw. mittleren Spaltbreite gesprochen. Die Breite des Spaltes nimmt bevorzugt in Strömungsrichtung ab. Die Spaltbreite ist aber auch an der engsten Stelle größer als Null und beträgt vorzugsweise mindestens 1,0 mm.The ribs of the heat exchanger are quadrangular in their basic form. They can be square or rectangular, so that their adjacent sides are parallel to each other. The adjacent sides can also be at an angle to each other. The ribs can therefore also be trapezoidal, with their width increases in the flow direction. In trapezoidal ribs is spoken in the context of this invention of a mean width of the ribs or average gap width. The width of the gap preferably decreases in the flow direction. The gap width is also greater than zero at the narrowest point and is preferably at least 1.0 mm.
Ein weiteres wichtiges Element der Erfindung sind die Winglets. Die Winglets können mehreckig, insbesondere viereckig, zum Beispiel trapezförmig sein. Die Winglets können auch dreieckig sein. Bei den Winglets handelt es sich vorzugsweise um Ausstellungen aus dem Rippenmaterial. Diese Ausstellungen führen dazu, dass in unmittelbarer Nachbarschaft der Winglets Öffnungen in den Rippen vorhanden sind, durch welche die Kühlluft strömen kann. Die Winglets besitzen vorzugsweise eine Höhe in einem Bereich von 70% bis 100% des Rippenabstandes eines Rohres. Die Winglets stützen sich nicht unbedingt an der benachbarten Rippe eines Rippenrohres ab, sondern überbrücken diesen Abstand nur zu einem Großteil. Vorzugsweise liegt die Höhe der Winglets in einem Bereich von 80% bis 90% des Rippenabstandes. Bei diesen Werten haben sich die besten Ergebnisse gezeigt. Die Erfindung sieht sowohl Winglets vor, die materialeinheitlich einstückiger Bestandteil der Rippe sind, also auch Winglets, die als separate Bauteile mit der Rippe verbunden sind. Der Begriff ”Winglet” bedeutet daher nicht, dass zwingend auch eine Öffnung neben dem Winglet vorhanden ist, allerdings bevorzugt angeordnet sein kann. Die Winglets stehen bevorzugt senkrecht oder im Rahmen der Fertigungstoleranzen im Wesentlichen senkrecht zu den Rippen. Die Winglets können bei Bedarf aber auch von 90° abweichende Winkel mit den Rippen einschließen.Another important element of the invention are the winglets. The winglets may be polygonal, in particular quadrangular, for example trapezoidal. The winglets can also be triangular. The winglets are preferably exhibitions of the rib material. These exhibitions lead to the fact that in the immediate vicinity of the winglets openings are present in the ribs, through which the cooling air can flow. The winglets preferably have a height in a range of 70% to 100% of the rib spacing of a pipe. The winglets are not necessarily based on the adjacent rib of a finned tube, but bridge this distance only to a large extent. Preferably, the height of the winglets is in a range of 80% to 90% of the rib spacing. These values have shown the best results. The invention provides both winglets, which are integrally integral part of the rib, so also winglets, which are connected as separate components with the rib. The term "winglet" therefore does not mean that an opening adjacent to the winglet is necessarily present, but may preferably be arranged. The winglets are preferably perpendicular or within the scope of manufacturing tolerances substantially perpendicular to the ribs. If necessary, the winglets can also include angles other than 90 ° with the ribs.
Die Anordnung der Winglets hat ebenfalls Einfluss auf den k-Wert. Die Winglets befinden sich vorzugsweise im Eckbereich einer Rippe und in einem Abstand von Längsseiten und Querseiten der rechteckigen Rippen. Jede Rippe besitzt mindestens vier Winglets und insbesondere genau diese vier Winglets.The arrangement of the winglets also influences the k-value. The winglets are preferably located in the corner region of a rib and at a distance from the longitudinal sides and transverse sides of the rectangular ribs. Each rib has at least four winglets and especially these four winglets.
Die Winglets befinden sich vorzugsweise im Bereich der Diagonalen der viereckigen Rippen, insbesondere in einem Bereich von 40% bis 60% des Abstandes von einer Ecke einer Rippe zum zentralen Rohr, das die Rippe durchsetzt.The winglets are preferably in the area of the diagonal of the quadrangular ribs, in particular in a range of 40% to 60% of the distance from a corner of a rib to the central tube passing through the rib.
Die Winglets besitzen eine Basis, über welche sie mit den Rippen verbunden sind. Die Orientierung der Basis hat ebenfalls Einfluss auf den k-Wert des Wärmetauschers. Vorzugsweise steht die Basis in einem Winkel von 20° bis 50°, insbesondere 20° bis 40°, zur benachbarten Längsseite der Rippe. Insbesondere beträgt der Winkel 30°. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Längsseite der Rippe parallel zur Strömungsrichtung liegt. Bei trapezförmigen Rippen ist der Begriff ”Längsseite” gleichzusetzen mit der Strömungsrichtung bzw. Mittellängsachse der Rippen. Alle Winglets einer Rippe sind vorzugsweise zu einer einzigen Seite der Rippe ausgestellt. Die Winglets sind zum Beispiel gleichschenklige Dreiecke. Sie können für diesen Fall eine Basis besitzen, die vorzugsweise länger ist als die beiden anderen Schenkel des Dreiecks. Das Verhältnis zwischen Länge der Basis und Höhe der Winglets liegt bevorzugt in einem Bereich von 2:1 bis 5:1.The winglets have a base through which they are connected to the ribs. The orientation of the base also affects the k-value of the heat exchanger. Preferably, the base is at an angle of 20 ° to 50 °, in particular 20 ° to 40 °, to the adjacent longitudinal side of the rib. In particular, the angle is 30 °. It is assumed that the longitudinal side of the rib is parallel to the flow direction. For trapezoidal ribs, the term "longitudinal side" is to be equated with the flow direction or central longitudinal axis of the ribs. All winglets of a rib are preferably exposed to a single side of the rib. The winglets are for example isosceles triangles. You may have a base for this case, which is preferably longer than the other two legs of the triangle. The ratio between the length of the base and the height of the winglets is preferably in a range of 2: 1 to 5: 1.
Die Winglets können ebenso viereckig sein. Bei einer Trapezform ist das Winglet über die breitere Basis mit der Rippe verbunden. Seine schmalere Oberseite weist von der Rippe weg. Das Verhältnis zwischen der Länge der Basis und der Höhe der Winglets liegt hierbei in einem Bereich von 2:1 bis 8:1. Vorzugsweise beträgt es 5:1.The winglets can be square as well. In a trapezoidal shape, the winglet is connected to the rib via the wider base. Its narrower upper side points away from the rib. The ratio between the length of the base and the height of the winglets is in a range of 2: 1 to 8: 1. It is preferably 5: 1.
Zusätzlich zu den Winglets können Turbulatoren an den Rippen angeordnet sein, beispielsweise in Form von dreieckigen oder rechteckigen Ausstellungen.In addition to the winglets, turbulators may be arranged on the ribs, for example in the form of triangular or rectangular displays.
Um die Montage des Wärmetauschers zu vereinfachen, sind die Rippen bzgl. ihrer Längsachse spiegelsymmetrisch aufgebaut. Das heißt, in jedem Eckbereich der Rippe befindet sich ein Winglet. Parallel zu den Längsseiten können Turbulatoren in der gewünschten Anzahl angeordnet sein. Es ist im Abstand von jeder Längsseite wenigstens ein Turbulator vorhanden.In order to simplify the assembly of the heat exchanger, the ribs are constructed mirror-symmetrically with respect to their longitudinal axis. That is, in each corner of the rib is a winglet. Turbulators can be arranged in the desired number parallel to the longitudinal sides. There is at least one turbulator at a distance from each longitudinal side.
Neben der Form der Winglets hat auch die Form der Rippen einen Einfluss auf den k-Wert. Die rechteckigen Rippen können ein Seitenverhältnis von 1:1 bis 3:1 aufweisen. Das heißt, dass die Rippen im Extremfall quadratisch sind. Die bevorzugt längeren Längsseiten einer solchen Rippe weisen in Strömungsrichtung. Die Querseiten stehen senkrecht zur Strömungsrichtung.In addition to the shape of the winglets, the shape of the ribs also has an influence on the k value. The rectangular ribs may have an aspect ratio of 1: 1 to 3: 1. This means that the ribs are square in the extreme case. The preferably longer longitudinal sides of such a rib point in the flow direction. The transverse sides are perpendicular to the flow direction.
Die Spaltbreite des Spaltes zwischen den Rippen einer Reihe beträgt vorzugsweise 15% bis 45% der mittleren Breite der Rippen. Insbesondere beträgt die Spaltbreite 15% bis 30% der mittleren Breite der Rippen. Bei diesen Werten haben sich sehr gute k-Wertverbesserungen gezeigt. Dasselbe gilt für die trapezförmigen Rippen, bei denen eine mittlere Spaltbreite anzunehmen ist.The gap width of the gap between the ribs of one row is preferably 15% to 45% of the mean width of the ribs. In particular, the gap width is 15% to 30% of the average width of the ribs. These values have shown very good k-value improvements. The same applies to the trapezoidal ribs, in which an average gap width is assumed.
Die Rohre können im Querschnitt kreisrund sein. Die Rohre sind im Querschnitt bevorzugt elliptisch. Vorteilhaft ist die mittlere Breite der Rippen etwa doppelt so groß wie die kurze Hauptachse der Ellipse. Die Ellipse besitzt eine Breite (kurze Hauptachse) von z. B. 14 mm, so dass die Rippe eine mittlere Breite von etwa 28 mm besitzt. Der Spalt zwischen den Rippen besitzt eine Spaltbreite in einem Bereich von 4 mm bis 8 mm. Bei dieser Konfiguration haben sich Steigerungen des k-Wertes im zweistelligen Prozentbereich ergeben, was in Anbetracht der jahrzehntelangen Weiterentwicklungen auf diesem technischen Gebiet eine enorme und unerwartete Steigerung ist. Wesentlich zur Steigerung des Rippenwirkungsgrades tragen die zum Beispiel deltaförmigen Winglets als Mittel zur Turbulenzerzeugung bei. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine durch CFD-Simulationen errechnete und durch praktische Versuche belegte Steigerung des k-Wertes, wobei sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher bei geringerem Materialeinsatz kostengünstiger herstellen lässt.The tubes may be circular in cross-section. The tubes are preferably elliptical in cross section. Advantageously, the average width of the ribs is about twice as large as the short major axis of the ellipse. The ellipse has a width (short major axis) of z. B. 14 mm, so that the rib has an average width of about 28 mm. The gap between The ribs have a gap width in a range of 4 mm to 8 mm. With this configuration, k-value increases have been in the double-digit percentage range, which is a tremendous and unexpected increase in view of the decades of development in this technical field. The deltoid winglets, for example, contribute significantly to increasing the efficiency of the ribs as a means of generating turbulence. The arrangement according to the invention allows an increase in the k value calculated by CFD simulations and proven by practical tests, whereby the heat exchanger according to the invention can be produced less expensively with less use of material.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den rein schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the purely schematic drawings. It shows:
Die Rohre
Bei der Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß
Im Unterschied zur versetzten Anordnung zeigt
Der Begriff ”Reihe” bezieht sich unabhängig davon, ob es sich um eine geschobene oder versetzte Anordnung handelt, auf die Rohre
Die Erfindung sieht sowohl bei der Ausführungsform der
Während bei der geschobenen Anordnung in
Die Vorteile, die sich bei der Ausführungsform der
Die in den
Neben der verschobenen bzw. versetzten Anordnung und der vorgesehenen Spaltbreite S besitzen die Rippen
Die
In gleicher Weise entsprechen die mit den zusätzlichen Turbulatoren
Die Ausführungsform der
Die Winglets
Die Basis der Winglets
Während die in den
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher
Bei der gewählten Betrachtung ist der Spalt zwischen nebeneinander liegenden Rippenrohren 0,67 mm groß. Diese Standardausführung sieht zumeist die versetzte Anordnung der Rohre vor, da sie wärme- und strömungstechnisch betrachtet insgesamt die energetisch günstigste Variante darstellt. Neben der versetzten Anordnung soll hier die geschobene Anordnung betrachtet werden, da bei ihr die bei konstanter Anströmgeschwindigkeit höchsten Wärmedurchgangskoeffizienten, allerdings auch die höchsten Druckverluste, erreicht werden.When viewed, the gap between adjacent finned tubes is 0.67 mm. This standard design usually provides for the staggered arrangement of the tubes, since, viewed in terms of heat and flow, it represents the most energetically favorable variant overall. In addition to the staggered arrangement, the pushed arrangement should be considered, as it achieves the highest heat transfer coefficients at a constant flow velocity, but also the highest pressure losses.
Die Kurve K1 zeigt den Standard einer versetzten Anordnung mit sehr geringer Spaltbreite. Die Kurve K2 steht für die geschobene Anordnung mit geringer Spaltbreite und schließlich die Kurve K3 für die geschobene Anordnung mit erhöhter Querteilung bzw. vergrößerter Spaltbreite.The curve K1 shows the standard of a staggered arrangement with very small gap width. The curve K2 stands for the pushed arrangement with a small gap width and finally the curve K3 for the pushed arrangement with increased transverse distribution or increased gap width.
Ausgangspunkt der Betrachtung ist der Stand der Technik, welcher durch die Kurve K1 symbolisiert wird. Am Punkt I liegt bei der Strömungsgeschwindigkeit v1 ein Druckverlust Δp1 an. Im Punkt II liegt der k-Wert k1 an. Bei konstanter Strömungsgeschwingkeit v1 ist zu erkennen, dass bei der geschobenen Anordnung gemäß der strichpunktierten Linie K2 die Druckverluste sehr stark steigen, allerdings wird auch gegenüber dem Standard der k-Wert verbessert.Starting point of the consideration is the state of the art, which is symbolized by the curve K1. At point I, there is a pressure loss Δp1 at flow velocity v1. In point II is the k value k1. With constant flow velocity v1, it can be seen that the pressure losses increase very sharply in the pushed arrangement according to the dot-dash line K2, but the k value is also improved compared to the standard.
Bemerkenswert ist allerdings Linie K3 (geschobene Anordnung mit vergrößerter Spaltbreite). Bei konstanter Anströmgeschwindigkeit v1 ist zu erkennen, dass der Druckverlust Δp bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit v1 gegenüber dem Standard (Kurve K1) fällt, während gleichzeitig der k-Wert bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit v1 gegenüber dem Standard (Kurve K1') verbessert wird. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass die Strömungsgeschwindigkeit v1 wegen geringeren Druckverlusten mit geringerem Energieeinsatz erreicht werden kann und gleichzeitig mehr Wärme übertragen werden kann (höherer k-Wert). Die Variante gemäß der Kurven K3, K3' ist demzufolge zu bevorzugen.Noteworthy, however, line K3 (pushed arrangement with increased gap width). At constant inflow velocity v1, it can be seen that the pressure loss Δp at constant flow velocity v1 falls compared to the standard (curve K1), while at the same time the k value at constant flow velocity v1 is improved compared to the standard (curve K1 '). Conversely, this means that the flow velocity v1 can be achieved with lower energy input due to lower pressure losses and at the same time more heat can be transferred (higher k value). The variant according to the curves K3, K3 'is therefore to be preferred.
Da sich die aufzuwendende elektrische Energie proportional zum Volumenstrom und proportional zum Druckverlust Δp verhält, kann die eingesparte elektrische Energie dazu genutzt werden, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Hält man die elektrische Energie konstant, kann die Druckverlusteinsparung in Erhöhung der Ansichtsgeschwindigkeit bzw. Volumenstromvergrößerung investiert werden. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit von v1 auf v2 erhöht. Bei der Kurve K3 befindet man sich nun im Punkt III. Das heißt, bei einer Strömungsgeschwindigkeit v2 ist der Druckverlust Δp2 geringer als im Punkt I. Gleichzeitig ergibt sich aus dem Punkt IV auf der Kurve K3', dass der k-Wert k2 wesentlich gesteigert worden ist.Since the electrical energy to be expended is proportional to the volume flow and proportional to the pressure loss Δp, the saved electrical energy can be used to increase the flow velocity. Keeping the electrical energy constant, the pressure loss reduction can be invested in increasing the viewing speed or volume flow increase. This increases the flow velocity from v1 to v2. At curve K3 you are now in point III. That is, at a flow velocity v2, the pressure loss Δp2 is lower than at the point I. At the same time, it follows from the point IV on the curve K3 'that the k value k2 has been substantially increased.
Aus diesem Verhältnis lässt sich ablesen, dass unter der Voraussetzung gleicher elektrischer Antriebsenergie durch signifikante Reduzierung des luftseitigen Druckverlustes der Luftmassenstrom deutlich gesteigert werden kann. Unter der Annahme konstanter Wärmeabgabe bedeutet dies, dass die Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmetauscher kleiner wird, wenn der Luftmassenstrom steigt. Somit steigt allerdings auch die für den Wärmeaustausch maßgebliche treibende Temperaturdifferenz Δϑm. Diese Einsparung ermöglicht es, die Wärmetauscherfläche bei gleicher Wärmetauscherleistung zu verkleinern.From this ratio it can be seen that under the condition of the same electrical drive energy can be significantly increased by significantly reducing the air-side pressure drop of the air mass flow. Assuming constant heat output, this means that the air outlet temperature from the heat exchanger becomes smaller as the air mass flow increases. Thus, however, also increases the decisive for the heat exchange driving temperature difference Δθm. This saving makes it possible to reduce the heat exchanger surface with the same heat exchanger performance.
Insgesamt kann bei konstanter Wärmeabgabe durch Verbesserung des k-Werts und der mittleren Temperaturdifferenz Δϑm die Austauschfläche des Wärmetauschers reduziert werden. Dies ermöglicht kostengünstigere Bauweisen. Selbstverständlich kann die kostengünstige Bauweise auch dafür genutzt werden, die zum Betrieb erforderliche elektrische Leistung zu reduzieren, wenn dies das Ziel der Auslegung des Wärmetauschers sein sollte.Overall, with constant heat output by improving the k-value and the average temperature difference Δθm, the exchange surface of the heat exchanger can be reduced. This allows cheaper construction methods. Of course, the cost-effective design can also be used to reduce the power required for operation electrical power, if this should be the goal of the design of the heat exchanger.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wärmetauscherheat exchangers
- 22
- Rohrpipe
- 33
- Ripperib
- 44
- Ansichtsebeneview plane
- 55
- Spaltgap
- 6a6a
- Wingletwinglet
- 6b6b
- Wingletwinglet
- 77
- Längsseitelong side
- 88th
- Querseitetransverse side
- 99
- Eckecorner
- 1010
- Kragencollar
- 1111
- Ausstanzungpunching
- 1212
- BasisBase
- 1313
- Turbulatorenturbulators
- 1414
- Oberseitetop
- 1515
- Flankeflank
- 1616
- Ausstanzungenouts
- AA
- Abstanddistance
- A1A1
- Abstanddistance
- A2A2
- Abstanddistance
- A3A3
- Abstanddistance
- BB
- mittlere Breiteaverage width
- Ee
- Eckbereichcorner
- HH
- Höheheight
- HA1HA1
-
lange Hauptachse
1 von2 longmain axis 1 from2 - HA2HA2
-
kurze Hauptachse von
2 short main axis of2 - kk
- k-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient)k-value (heat transfer coefficient)
- LL
- Längelength
- L1L1
- Länge von HA1Length of HA1
- L2L2
- Länge von HA2Length of HA2
- L3L3
-
Länge von
12 length of12 - PP
- Anströmrichtungflow direction
- v .v.
- Volumenstromflow
- R1R1
-
Reihe
1 line 1 - R2R2
-
Reihe
2 line 2 - SS
- mittlere Spaltbreiteaverage gap width
- ΔT.DELTA.T
- Temperaturdifferenz der KühlluftTemperature difference of the cooling air
- vv
- Strömungsgeschwindigkeitflow rate
- v1v1
- Strömungsgeschwindigkeitflow rate
- v2v2
- Strömungsgeschwindigkeitflow rate
- WW
- Winkelangle
- W1W1
- Winkelangle
- ΔϑmΔθm
- mittlere Temperaturdifferenz (Kühlluft-Produkt)mean temperature difference (cooling air product)
- ΔpAp
- Druckdifferenzpressure difference
- VQVQ
- Querversatztransverse offset
- TQTQ
- QuerteilungsabstandCross pitch
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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