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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für Wasser oder ein Wassergemisch als Wärmeträgermedium bzw. als Kühlmittel, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei Wärmeübertragern für Wasser oder für ein Wassergemisch als Wärmeübertragermedium bzw. als Kühlmittel, wie ein Wasser-Glykol-Gemisch, ist es wichtig, eine hohe Leistungsdichte bei möglichst geringem kühlmittelseitigem Druckabfall zu erreichen. Insbesondere bei Wärmeübertragern wie beispielsweise Heizkörper, Kühlmittelkühler, Ölkühler, Gaskühler, Ladeluftkühler, welche Wasser oder ein Wassergemisch als Kühlmittel verwenden, ist es zur Einsparung von Material, für einen geringen Platzbedarf und einem möglichst geringen Gewicht der Komponenten wichtig, hohe Leistungsdichten auch im Zusammenhang mit einem geringen kühlmittelseitigen Druckabfall zu realisieren.
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Flachrohrwärmeübertrager, also Wärmeübertrager, bei welchen Flachrohre als Rohre zum Durchströmen des Kühlmittels und/oder des zu kühlenden Mediums eingesetzt werden, stellen hierfür eine geeignete Bauart da, da die Flachrohre sich durch eine hohe spezifische Oberfläche auszeichnen. Zudem werden allerdings auch passive Einbauten in den Flachrohren eingesetzt um die Leistung weiter zu steigern. Dies erhöht zwar die Leistung bzw. den Wärmeübergang, die passiven Einbauten führen jedoch auch direkt zur Erhöhung des Druckabfalls in dem Flachrohr und damit zu einer Beschränkung der realisierbaren Effizienz des Wärmeübertragers.
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Die Wärmeübertragungsfähigkeit von Flachrohren ohne solche passive Einbauten können nur durch Reduzierung des Kanalquerschnittes, insbesondere durch die Reduzierung der Kanalhöhe und der damit einhergehenden Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, gesteigert werden. Daraus resultiert jedoch ein Anstieg des Druckabfalls, der nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten in Abhängigkeit der hydraulischen Querschnittsreduzierung quadratisch ansteigt. Dadurch ist allerdings die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers oder der Austauschgrad im höchsten Maße vom Kühlmittelmassenstrom abhängig. Dies führt dazu, dass die optimale Auslegung der Flachrohre bzw. des Wärmeübertragers nur für einen sehr engen Betriebsbereich mit definiertem Kühlmittelmassenstrom erfolgen kann. Somit stehen zum Beispiel der maximal zulässige Druckabfall bei größtmöglichem Volumenstrom im Betrieb des Wärmeübertragers dem häufigsten Betriebsbereich mit oft sehr viel niedrigeren Volumenströmen entgegen. Bei diesem häufigsten Betriebsbereich soll eine möglichst hohe Leistungsdichte und eine hohe Effizienz erzielt werden, wohingegen der angesprochene maximale Druckverlust den Einsatz von spezifisch gestalteten passiven Einbauten einschränkt.
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Flachrohre mit in den Kanal der Flachrohre ragende passive Einbauten, wie Dimpel oder Winglets, weisen einen guten und gegenüber Flachrohren ohne Einbauten höheren Wärmeübergang auf. Allerdings sind diese erhöhten Leistungen durch Druckverluststeigerungen bedingt, die nicht wünschenswert sind. Wirksamere Leistungssteigerungen können mit den bekannten Arten von Einbauten in Bezug auf den Druckabfall nicht effizient über den gesamten Betriebsbereich des Flachrohrs oder des Wärmeübertragers sichergestellt werden.
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Es besteht daher ein direkter Zusammenhang zwischen der gewählten optimierten Geometrie passiver Einbauten und dem Druckabfall. Im ungünstigsten Fall kann es daher sogar dazu kommen, dass bei einer Überschreitung des maximalen Druckabfalles auf Grund einer nur begrenzten Pumpenleistung eine geometrische Ausführung mit einer bezüglich der Leistungsdichte schlechteren Variante gewählt werden muss oder sogar nur der Einsatz eines Flachrohres ohne passive Einbauten möglich ist. Dies hätte so oder so zur Folge, dass kein optimaler Wärmeübergang und damit nur eine reduzierte Effizienz des Wärmeübertragers erzielt werden würde.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, welcher gegenüber dem Stand der Technik eine gute thermische Effizienz bei geringem Druckabfall aufweist.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für einen Wärmeübergang zwischen einem Kühlmittel als ein erstes Fluid und einem zweiten Fluid, mit einem Fluideinlass für das erste Fluid und mit einem Fluidauslass für das erste Fluid und mit einem Fluideinlass für das zweite Fluid und mit einem Fluidauslass für das zweite Fluid, wobei weiterhin ein fluidführender Rohrblock mit Flachrohren vorgesehen ist, durch welche das erste Fluid strömt, welche in Fluidkommunikation einerseits mit dem Fluideinlass für das erste Fluid und andererseits mit dem Fluidauslass für das erste Fluid stehen, wobei die Flachrohre nach außen gerichtete Einbauten aufweisen, die als Auswölbungen zumindest einer Wand des Flachrohrs ausgebildet sind. Dadurch entstehen nach außen gerichtete Taschen, die den Druckabfall im Vergleich zu einem Flachrohr ohne Einbauten nur unwesentlich erhöhen. Die Wärmeübertragungseffizienz wird hingegen gesteigert, weil eine Reduzierung der thermischen Grenzschicht erfolgt. Damit ist ein solches Flachrohr gegenüber einem Flachrohr ohne Einbauten deutlich thermisch überlegen, wobei der Druckverlust nur unwesentlich gesteigert ist.
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Der Wärmeübertrager ist dabei insbesondere für Wasser oder ein Wassergemisch als Wärmeträgermedium bzw. als Kühlmittel ausgebildet. Die Einbauten sind auf das Medium Wasser bzw. Wassergemisch ausgerichtet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Auswölbungen nicht in einen Innenraum des Flachrohrs ragen. Dadurch wird der Druckabfall nicht erhöht im Vergleich zu Flachrohren mit in den Innenraum ragenden Einbauten.
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Auch ist es bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn die Flachrohre nur nach außen gerichtete Einbauten aufweisen, die als Auswölbungen ausgebildet sind. Dadurch wird der Druckabfall besonders wenig erhöht, obgleich die thermische Leistungsfähigkeit deutlich verbessert wird.
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Auch ist es bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn die Flachrohre auch nach innen gerichtete Einbauten aufweisen, die in den Innenraum des Flachrohrs ragen. Dadurch wird der Druckabfall zwar etwas stärker erhöht, die thermische Leistungsfähigkeit wird jedoch noch deutlicher erhöht.
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So ist es auch vorteilhaft, wenn die nach innen gerichtete Einbauten als Einwölbungen zumindest einer Wand des Flachrohrs ausgebildet sind. Dadurch kann unter zumindest geringer Erhöhung des Druckabfalls die thermische Leistungsfähigkeit bzw. die Wärmeübertragungseffizienz weiter gesteigert werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, wenn die Flachrohre erste und zweite breite Wände aufweisen, welche von dritten und vierten schmalen Wänden verbunden sind zur Ausbildung des Flachrohrprofils, wobei die Auswölbungen und/oder die Einwölbungen in der ersten und/oder der zweiten breiten Wand ausgebildet sind. Dadurch werden die Auswölbungen und/oder die Einwölbungen in einer oder in den beiden breiten Wänden erzeugt, um bei der Durchströmung des ersten Fluids eine gute Effizienz zu erreichen. Optional können auch die beiden Schmalseiten mit Auswölbungen und/oder mit Einwölbungen versehen sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswölbungen und/oder die Einwölbungen sich quer zur Längsrichtung des Flachrohrs im Wesentlichen über die gesamte Breite der ersten und/oder der zweiten Wand erstrecken. Dabei ist die Breite der Wand betrachtet quer zur Längsrichtung des Rohrs. Damit wird der Effekt der Auswölbung und/oder der Einwölbung über die Breite des Flachrohrs erstreckt und beeinflusst das erste Fluid auf der im Wesentlichen vollen Breite.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Auswölbungen und/oder die Einwölbungen auf der ersten und/oder auf der zweiten Wand in Längsrichtung des Flachrohrs versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch wird eine abwechselnde Beeinflussung bewirkt, die bei geringem Druckabfall eine gute thermische Effizienz zeigt.
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So ist es auch vorteilhaft, wenn die Auswölbungen und/oder die Einwölbungen als gerade, v-förmige oder w-förmige oder gebogene Strukturen ausgebildet sind, die sich quer zur Längsrichtung des Flachrohrs oder in einem vordefinierten Winkel zur Längsrichtung des Flachrohrs erstrecken. Dadurch wird ebenso eine spezifische Beeinflussung des ersten Fluids erzeugt, so dass bei niedrigem Druckabfall die thermische Effizienz gesteigert werden kann. Das jeweilige Muster der Auswölbungen und/oder Einwölbungen wird dabei auf die typischen Betriebspunkte des Wärmeübertragers abgestimmt, also auf den typischen Massenstrom des ersten Fluids.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch vorteilhaft, wenn die Auswölbungen und die Einwölbungen, die auf einer ersten Wand ausgebildet sind, sich in Längsrichtung des Flachrohrs abwechseln und/oder dass die Auswölbungen und die Einwölbungen, die auf einer zweiten Wand ausgebildet sind, sich in Längsrichtung des Flachrohrs abwechseln.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Figurenliste
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Flachrohrs,
- 3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Flachrohrs,
- 4 eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flachrohrs,
- 5 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Flachrohrs,
- 6 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Flachrohrs,
- 7 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Flachrohrs,
- 8 ein Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 9 eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines Flachrohrs,
- 10 eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines Flachrohrs, und
- 11 eine Aufsicht auf einen Abschnitt eines Flachrohrs.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager ist ein Wärmeübertrager für Wasser oder für ein Wassergemisch, insbesondere als ein erstes Fluid, wie als Kühlmittel.
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Der Wärmeübertrager 1 ist ausgebildet für einen Wärmeübergang zwischen einem Kühlmittel als ein erstes Fluid und einem zweiten Fluid. Der Wärmeübertrager ist entsprechend mit einem Fluideinlass 2 für das erste Fluid und mit einem Fluidauslass 3 für das erste Fluid ausgebildet. Das erste Fluid strömt durch den Fluideinlass 2 in den ersten Sammelkasten 4, von dort durch die Flachrohre 5 und wieder in den zweiten Sammelkasten 6 und von dort durch den Fluideinlass 3 wieder aus dem Wärmeübertrager 1 heraus.
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Zwischen den Flachrohren 5 sind beispielsweise Wellrippen vorgesehen, welche stirnseitig von Luft angeströmt werden. Entsprechend weist der Wärmeübertrager 1 auch für das zweite Fluid gemäß der Strömung des zweiten Fluids, siehe Pfeil 7, einen Fluideinlass 8 für das zweite Fluid und einen Fluidauslass 9 für das zweite Fluid auf. Das zweite Fluid strömt die Stirnseite anströmseitig durch den Rohrblock 10 zwischen den Flachrohren 5 durch und auf der gegenüberliegenden Stirnseite wieder heraus. Alternative Ausgestaltungen sind auch möglich. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung des Wärmeübertragers 1 beschränkt.
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Der in 1 gezeigte Wärmeübertrager 1 weist einen Rohrblock 10 auf, der insbesondere mit Flachrohren 5 ausgebildet ist. Flachrohre 5 sind dabei typischerweise Rohre, die flach ausgebildet sind in ihrem Querschnitt quer zur Längsrichtung des Rohrs. Entsprechend strömt das erste Fluid durch das jeweilige Flachrohr 5, wobei die Flachrohre 5 in Fluidkommunikation einerseits mit dem Fluideinlass 2 für das erste Fluid und andererseits mit dem Fluidauslass 3 für das erste Fluid stehen.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Flachrohrs 20, 30 in Längsrichtung des Flachrohrs, gemäß Pfeil 15. Das jeweilige Flachrohre 20, 30 weist dabei nach außen gerichtete Einbauten 21, 31 auf, die als Auswölbungen zumindest einer Wand 22, 23, 32, 33 des Flachrohrs 20, 30 ausgebildet sind. Dabei zeigt die 2 etwas flachere Auswölbungen, die etwa tropfenförmig bzw. halbtropfenförmig ausgebildet sind und sich in Längsrichtung 15 des Flachrohrs 20 erst langsam erweitern und dann schneller wieder enden. Die 3 zeigt halbkreisförmige Auswölbungen.
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In den 2 und 3 ist zu erkennen, dass die Auswölbungen 21, 31 jeweils auf den gegenüberliegenden breiten Seiten 22, 23, 32, 33 des Flachrohrs 20, 30 ausgebildet sind und in Längsrichtung 15 versetzt angeordnet sind. Dies bedeutet, dass zwischen zwei Auswölbungen 21, 31 auf einer oberen Wand 22, 32 eine Auswölbung 21, 31 auf der unteren Wand 23, 33 angeordnet ist.
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Dabei sind die Auswölbungen 21, 31 derart ausgebildet, dass sie nicht in einen Innenraum 24, 34 des Flachrohrs 20, 30 ragen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 und 3 ist das Flachrohr 20, 30 so ausgebildet, dass die Flachrohre 20, 30 nur nach außen gerichtete Einbauten 21, 31 aufweisen, die als Auswölbungen ausgebildet sind.
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Die 4 und 5 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Flachrohrs 40, wobei ein Abschnitt des Flachrohrs 40 in Längsrichtung des Flachrohrs 40 gemäß Pfeil 15 gezeigt ist. Das Flachrohr 40 weist dabei nach außen gerichtete Einbauten 41 auf, die als Auswölbungen zumindest einer Wand 42, 43 des Flachrohrs 40 ausgebildet sind.
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In den 4 und 5 ist zu erkennen, dass die Auswölbungen 41 jeweils auf den gegenüberliegenden breiten Seiten 42, 43 des Flachrohrs 40 ausgebildet sind und in Längsrichtung 15 versetzt angeordnet sind. Dies bedeutet, dass zwischen zwei Auswölbungen 41 auf einer oberen Wand 42 eine Auswölbung 41 auf der unteren Wand 43 angeordnet ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform ist es auch vorteilhaft, wenn die Flachrohre auch nach innen gerichtete Einbauten aufweisen, die in den Innenraum des Flachrohrs ragen.
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Die 6 und 7 zeigen jeweils einen Schnitt durch einen Abschnitt eines Flachrohrs 50, 60 in Längsrichtung des Flachrohrs, gemäß Pfeil 15. Das jeweilige Flachrohr 50, 60 weist dabei nach außen gerichtete Einbauten 51, 61 und nach innen gerichtete Einbauten 55, 65 auf, die als Auswölbungen bzw. als Einwölbungen zumindest einer Wand 52, 53, 62, 63 des Flachrohrs 50, 60 ausgebildet sind. Dabei zeigt die 6 etwas flachere Auswölbungen 51 bzw. Einwölbungen 55, die etwa tropfenförmig bzw. halbtropfenförmig ausgebildet sind und sich in Längsrichtung 15 des Flachrohrs 50 erst langsam erweitern und dann schneller wieder enden. Die 7 zeigt halbkreisförmige Auswölbungen 61 und Einwölbungen 65.
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In den 6 und 7 ist zu erkennen, dass die Auswölbungen 51, 61 bzw. Einwölbungen 55, 65 jeweils auf den gegenüberliegenden breiten Seiten 52, 53, 62, 63 des Flachrohrs 50, 60 ausgebildet sind und in Längsrichtung 15 versetzt angeordnet sind. Dies bedeutet, dass zwischen zwei Auswölbungen/Einwölbungen 51, 55, 61, 65 auf einer oberen Wand 52, 62 eine Auswölbung 51, 55, 61, 65 auf der unteren Wand 53, 63 angeordnet ist. Auch sind je Wand zwischen zwei Auswölbungen eine Einwölbung bzw. umgekehrt angeordnet.
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Dabei sind die Auswölbungen 51, 61 derart ausgebildet, dass sie nicht in einen Innenraum 54, 64 des Flachrohrs 50, 60 ragen. Weiterhin sind die Einwölbungen 55, 65 derart ausgebildet, dass sie in den Innenraum 54, 64 des Flachrohrs 50, 60 ragen.
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Dabei sind die nach innen gerichteten Einbauten als Einwölbungen 55, 65 zumindest einer Wand 52, 53, 62, 63 des Flachrohrs 50, 60 ausgebildet.
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Dabei haben die Flachrohre erste und zweite breite Wände 52, 53, 62, 63, welche von dritten und vierten schmalen Wänden verbunden sind zur Ausbildung des Flachrohrprofils, wobei die Auswölbungen und/oder die Einwölbungen in der ersten und/oder der zweiten breiten Wand 52, 53, 62, 63 ausgebildet sind. Die schmalen Wände sind in 4 als Wände 48, 49 zu erkennen. Optional können auch die schmalen Wände 48, 49 Auswölbungen und/oder Einwölbungen aufweisen. Auch ist zu erkennen, dass die Auswölbungen 51, 61 und/oder die Einwölbungen 55, 65 auf der ersten und/oder auf der zweiten Wand 52, 53, 62, 63 in Längsrichtung 15 des Flachrohrs 50, 60 versetzt zueinander angeordnet sind.
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Die 4 zeigt auch, dass sich die Auswölbungen 41 und/oder die Einwölbungen quer zur Längsrichtung 15 des Flachrohrs 40 im Wesentlichen über die gesamte Breite B der ersten und/oder der zweiten Wand 42, 43 erstrecken.
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Die 8 zeigt ein Diagramm, bei welchem die Nusseltfunktion Nu als Funktion des Druckabfalls dp aufgetragen ist. Dabei stellt die Nusseltfunktion Nu ein Maß für den Wärmeübergang dar. Man erkennt, dass die Kurve 100 die unterste Kurve mit der flachsten Steigung ist. Sie ist die Kurve für ein Rohr ohne Einbauten. Man erkennt auch, dass die Kurve 101 die mittlere Kurve mit der mittleren Steigung ist. Sie ist die Kurve für ein Rohr mit Einbauten als Auswölbungen und mit Einwölbungen. Man erkennt weiterhin, dass die Kurve 102 die obere Kurve mit der größten Steigung ist. Sie ist die Kurve für ein Rohr mit Einbauten nur als Auswölbungen.
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Die 9 bis 11 zeigen verschiedene Gestaltungen von Auswölbungen bzw. Einwölbungen. Die 9 und 11 zeigen gerade Auswölbungen 70, 71 bzw. Einwölbungen. Die 10 zeigt v-förmigen Auswölbungen 72 bzw. Einwölbungen. Alternativ können auch w-förmige oder gebogene Strukturen ausgebildet sein, die im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Flachrohrs oder in einem vordefinierten Winkel zur Längsrichtung 15 des Flachrohrs sich erstrecken. In 11 ist die Ausrichtung der Strukturen quer zur Längsrichtung 15 und in 9 sind die Strukturen in einem definierten Winkel von 40° bis 60° zur Längsrichtung angeordnet. Vorteilhaft kann auch sein, dass die Strukturen unterteilt sind oder als über die Breite des Flachrohrs durchgehende Strukturen ausgebildet sind.
