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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 dar, 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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Flachrohre mit pin-artigen bzw. stiftartigen Einbauten werden im Stand der Technik mit einem Verhältnis aus Eindringtiefe t zu Kanalhöhe h im Bereich von 0 < t/h < 0,5 ausgeführt und zeichnen sich somit durch eine gesteigerte Effizienz im Vergleich zu einem Flachrohr ohne passive Einbauten aus. Solche pin-artigen Einbauten sind beispielsweise durch die
US 6 675 746 B2 bekannt geworden.
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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 mit einer lichten Weite h 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 innen gerichtete Einbauten aufweisen, die als stiftartige Elemente mit einer Eindringtiefe t von zumindest einer Wand des Flachrohrs abragen, wobei für das Verhältnis t/h der Eindringtiefe t zu der lichten Weite h gilt: 0,5<t/h<0,9. Dadurch lässt sich ein besonders effizienter Wärmeübertrager mit hoher Wärmeübertragungseffizienz und mit gutem Druckabfall erzeugen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis t/h der Eindringtiefe t zu der lichten Weite h gilt: 0,67<t/h<0,75. In diesem Bereich für das Verhältnis von t/h ist die Wärmeübertragungseffizienz besonders vorteilhaft.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das stiftartige Element eine Eindringtiefe t aufweist und entlang seiner Erstreckung in Richtung der Eindringtiefe t einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Damit ist das stiftartige Element mit glatten Seitenflächen ausgebildet, die sich nicht auswölben oder einschnüren. Dies fördert den geringen Druckabfall.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das stiftartige Element einen runden, ovalen, elliptischen rechteckigen, dreieckigen, tropfenförmigen oder mehreckigen Querschnitt aufweist in einer Ebene, die senkrecht zur Richtung der Eindringtiefe ausgerichtet ist. Insbesondere die ovalen oder elliptischen stiftartigen Elemente sind sehr vorteilhaft.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch vorteilhaft, wenn zumindest ein stiftartiges Element von einer Wand des Flachrohrs abragt und beabstandet zu der gegenüberliegenden Wand angeordnet ist. Dadurch wird die Strömung in besonderer Weise beeinflusst im Gegensatz zu Elementen, die auf beiden Seiten an der Wand anliegen.
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So ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel auch vorteilhaft, wenn zumindest ein stiftartiges Element von einer Breitseite des Flachrohrs abragt und beabstandet zu der gegenüberliegenden Breitseite angeordnet ist.
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Auch vorteilhaft ist, wenn zumindest ein stiftartiges Element von einer ersten Breitseite des Flachrohrs abragt und beabstandet zu der gegenüberliegenden zweiten Breitseite angeordnet ist und dass zumindest ein stiftartiges Element von der zweiten Breitseite des Flachrohrs abragt und beabstandet zu der gegenüberliegenden ersten Breitseite angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl stiftartiger Elemente von einer ersten Breitseite des Flachrohrs abragen und beabstandet zu der gegenüberliegenden zweiten Breitseite angeordnet sind und dass eine Mehrzahl stiftartiger Elemente von der zweiten Breitseite des Flachrohrs abragen und beabstandet zu der gegenüberliegenden ersten Breitseite angeordnet sind.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, wenn die stiftartigen Elemente, die von der ersten Breitseite des Flachrohrs abragen, versetzt sind zu den stiftartigen Elementen, die von der zweiten Breitseite des Flachrohrs abragen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein stiftartiges Element oder eine Mehrzahl von stiftartigen Elementen von einer ersten Schmalseite des Flachrohrs abragt und beabstandet zu der gegenüberliegenden zweiten Schmalseite angeordnet ist und/oder dass zumindest ein stiftartiges Element oder eine Mehrzahl von stiftartigen Elementen von der zweiten Schmalseite des Flachrohrs abragt und beabstandet zu der gegenüberliegenden ersten Schmalseite angeordnet ist.
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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, perspektivische Darstellung eines Flachrohrs eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 3 eine schematische, perspektivische Darstellung stiftartigen Elements,
- 4 eine schematische, perspektivische Darstellung stiftartigen Elements,
- 5 eine schematische, perspektivische Darstellung stiftartigen Elements,
- 6 eine schematische, perspektivische Darstellung stiftartigen Elements,
- 7 eine schematische, perspektivische Darstellung stiftartigen Elements,
- 8 eine schematische Schnittdarstellung eines Flachrohrs,
- 9 eine schematische Schnittdarstellung eines Flachrohrs,
- 10 eine schematische Schnittdarstellung eines Flachrohrs,
- 11 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung,
- 12 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung,
- 13 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung,
- 14 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung, und
- 15 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung.
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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. Damit kann dann ein anderes, zweites Fluid im Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid gekühlt werden.
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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 Fluidauslass 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 die 8 und 9 zeigen eine schematische Darstellung bzw. eine Schnittdarstellung eines Flachrohrs 20, welches eine Schmalseite 21 und eine Breitseite 22 aufweist. Das Flachrohr 20 ist ein Flachrohr, weil die Schmalseite 21 eine geringere Höhe H aufweist als die Breitseite eine Breite B, d.h. B > H. Vorzugsweise ist B deutlich größer als H, insbesondere B > 5 * H. Gemäß 2 weist das Flachrohr 20 eine Innenhöhe bzw. lichte Weite h auf.
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In dem Kanal 23 des Flachrohrs 20 sind Einbauten 24 angeordnet, welche von einer Breitseite 22 oder von beiden Breitseiten 22 jeweils nach innen abragend ausgebildet sind. In 2 sind die Einbauten 24 als pin-artige bzw. stiftartige Elemente ausgebildet, deren Höhe einer Eindringtiefe t entspricht. Die Einbauten 24 sind in 2 als ovale bzw. elliptische Elemente ausgebildet, die eine gleichmäßige Kontur mit einem ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweisen. Dabei ist die lange Achse A der Einbauten 24 in Längsrichtung 25 des Flachrohrs ausgerichtet.
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Vorzugsweise können die Einbauten bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch als Elemente 30 mit einem kreisrunden Querschnitt mit einer Höhe t ausgebildet sein, siehe 3. Das Element 30 hat eine in seiner Längsrichtung, also in Richtung der Höhe t, gleichmäßige Kontur mit kreisrundem Querschnitt.
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Vorzugsweise können die Einbauten bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch als Elemente 31 mit einem ovalen oder elliptischen Querschnitt mit einer Höhe t ausgebildet sein, siehe 4. Das Element 31 hat eine in seiner Längsrichtung, also in Richtung der Höhe t, gleichmäßige Kontur mit ovalem oder elliptischen Querschnitt. Dabei ist die Längsachse des ovalen oder elliptischen Querschnitts vorzugsweise in der Hauptströmungsrichtung des Fluids durch das Flachrohr ausgerichtet, also in Längsrichtung des Flachrohrs. Alternativ kann die Längsachse des ovalen oder elliptischen Querschnitts auch in einem definierten Winkel zur Längsachse des Flachrohrs geneigt angeordnet sein.
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Vorzugsweise können die Einbauten bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch als Elemente 32 mit einem tropfenförmigen Querschnitt mit einer Höhe t ausgebildet sein, siehe 5. Das Element 32 hat eine in seiner Längsrichtung, also in Richtung der Höhe t, gleichmäßige Kontur mit tropfenförmigem Querschnitt. Dabei ist die Längsachse des tropfenförmigen Querschnitts vorzugsweise in der Hauptströmungsrichtung des Fluids durch das Flachrohr ausgerichtet, also in Längsrichtung des Flachrohrs. Alternativ kann die Längsachse des tropfenförmigen Querschnitts auch in einem definierten Winkel zur Längsachse des Flachrohrs geneigt angeordnet sein. Als tropfenförmig wird dabei ein Querschnitt angesehen, der auf einer Seite einen Bauch oder eine Rundung 35 aufweist, die auf der gegenüberliegenden Seite zu einer Spitze 36 hin ausläuft.
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Vorzugsweise können die Einbauten bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch als Elemente 33 mit einem rechteckigen Querschnitt bzw. in Quaderform mit einer Höhe t ausgebildet sein, siehe 6. Das Element 33 hat eine in seiner Längsrichtung, also in Richtung der Höhe t, gleichmäßige Kontur mit rechteckigem Querschnitt. Dabei kann eine Seitenfläche des Quaders in Längsrichtung des Flachrohrs angeordnet sein oder in einem Winkel dazu.
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Vorzugsweise können die Einbauten bei einem alternativen Ausführungsbeispiel auch als Elemente 34 mit einem dreieckigen Querschnitt mit einer Höhe t ausgebildet sein, siehe 7. Das Element 34 hat eine in seiner Längsrichtung, also in Richtung der Höhe t, gleichmäßige Kontur mit dem dreieckigen Querschnitt. Dabei kann eine Seitenfläche des Elements in Längsrichtung des Flachrohrs angeordnet sein oder in einem Winkel dazu.
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Die Verwendung von oben beschriebenen, so genannten passiven Einbauten zielt auf drei unterschiedliche Mechanismen zur Steigerung des Wärmeübergangs ab. Ein Mechanismus ist dabei die Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche. Ein weiterer Mechanismus ist die Reduktion von Wandgrenzschichten und der dritte Mechanismus ist die Generierung von instationären und turbulenten Strukturen zur Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs.
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Durch stiftartige Einbauten 24, die auch als stiftartige Elemente bezeichnet werden, die von einer Wand 22 des Flachrohrs 20 nach innen abragen, werden je nach Eindringtiefe t des stiftartigen Elements 24 diese Mechanismen unterschiedlich stark induziert. Die wärmeübertragende Oberfläche steigt mit zunehmender Eindringtiefe t und erhöht die Effizienz im Vergleich zu den Mechanismen Reduktion der Grenzschicht und Erhöhung des konvektiven Wärmeübergangs nur unwesentlich.
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Je nach Eindringtiefe t und Form der Einbauten steigt allerdings auch der Druckverlust in dem Flachrohr 20 an. Für den in der Anwendung vorliegenden typischen Betriebsbereich stellt sich ein Optimum für verschiedenste Formen der stiftartigen Einbauten und Eindringtiefen bezogen auf Wärmeübergang und Druckverlust ein. Die folgenden Darstellungen und Ergebnisse beziehen sich auf eine elliptische Form des stiftartigen Elements 24, welche sich als besonders günstig erwiesen hat.
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Die 10 stellt exemplarisch einen Schnitt eines Stücks eines Flachrohrs 20 dar, in welchem stiftartige Elemente als Einbauten 24 mit unterschiedlichen Eindringtiefen t angeordnet sind. Dabei hat das links dargestellte stiftartige Element eine Eindringtiefe t von einer halben Kanalinnenhöhe h, also t = 0,5 h. Dabei hat das rechts dargestellte stiftartige Element eine Eindringtiefe t von einer Kanalinnenhöhe h, also t = h. Die fünf dazwischen liegenden Elemente als Einbauten weisen eine schrittartige Erhöhung der Eindringtiefe t auf. Das mittlere Element 24 hat eine Eindringtiefe t = 0,75 h.
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Die 11 zeigt schematisch ein Diagramm mit einer Anordnung von stiftartigen Elementen 24, die in verschiedenen Eindringtiefen t im Verhältnis zur Kanalinnenhöhe h dargestellt sind. Dabei wächst das Verhältnis t/h von 0,5 bis 1 in Schritten von etwa 0,3 bis etwa 0,7 von links nach rechts an.
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Dabei sind auch ganz rechts zwei stiftartige Elemente nach dem Stand der Technik gezeigt, die ein t/h-Verhältnis von < 0,5 zeigen, nämlich 0,15 und 0,38.
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Die passiven Einbauten, als stiftartige Elemente, sind so gestaltet, dass der Quotient aus Eindringtiefe zu Höhe im Bereich von 0,5 < t/h < 1,0 liegt. Diese stiftartigen Einbauten zeichnen sich durch eine erhöhte Effizienz im Vergleich zum Stand der Technik aus.
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Durch das Verhältnis von t/h im Bereich von 0,5 < t/h < 1 wird direkt die Kernströmung in dem Flachrohr beeinflusst. Zusätzlich wird auch die Wandgrenzschicht oberhalb des stiftartigen Elements reduziert, also zwischen dem stiftartigen Element und der gegenüberliegenden Seitenwand. Dieser zweite Mechanismus wird für t/h ->1, also t/h gegen 1, verschwinden. Da für 0,5 < t/h < 1 gleichzeitig ein größerer freier Strömungsquerschnitt als bei Stiften mit t/h = 1 zur Verfügung steht, wird das Verhältnis aus Wärmeübergang zu Druckverlust in diesem Bereich optimiert. Stiftartige Elemente mit Eindringtiefen t von 0 < t/h < 0,5 können dagegen nicht beide Wirkweisen kombinieren und zeichnen sich daher durch eine geringere Effizienz aus.
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Die 12 und 13 zeigen jeweils ein Diagramm, in welchen der Wärmeübergang verschiedener Varianten an einzelnen Betriebspunkten einander gegenübergestellt und als Funktion des Druckabfalls dp dargestellt sind. Dabei zeigen die 12 und 13 die Effizienz der unterschiedlichen Eindringtiefen von passiven Einbauten für fünf, bzw. zwei der fünf Betriebspunkte mit steigender Reynolds-Zahl Re bei Re = 220, 550, 880 und 1400. Aufgetragen ist die Leistung alpha über dem Druckverlust dp.
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Die 14 und 15 stellen den Wärmeübergang der verschiedenen Varianten an einzelnen Betriebspunkten einander gegenüber. Die 14 ist bei Re = 1410 dargestellt. Die 15 ist bei Re = 880.
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Die geringste Effizienz liegt bei Einbauten mit t/h<0,5 vor. Mit steigender Eindringtiefe wird sowohl der konvektive Wärmeübergang im Kanal erhöht und zudem die Grenzschicht oberhalb des stiftartigen Elements 24 reduziert, wodurch die Einbringung von stiftartigen Elementen 24 mit einer Eindringtiefe t im Bereich von 0,5<t/h<0,9 am effizientesten erscheint. Für t/h>0,9 wird der lokale Strömungswiderstand oberhalb des stiftartigen Elements durch den stark reduzierten Querschnitt zu groß, wodurch die Grenzschicht nicht mehr in dem Maße reduziert wird, wie im vorherigen Fall. Daher stellt sich die höchste Effizienz im Bereich von 0,67<t/h<0,75 ein.
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Durch derart ausgeführte passive Einbauten sowie eine optimale Verteilung und Anordnung kann die Leistungsfähigkeit gesteigert werden, ohne nennenswerte Beeinflussung des kühlmittelseitigen Druckabfalls im Vergleich zum Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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