DE102018129788B3

DE102018129788B3 - Heat exchanger with convex recesses of the ribbed surfaces and integrated material thickening

Info

Publication number: DE102018129788B3
Application number: DE102018129788.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Unger; Uwe Hampel
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: EP3850293A1; WO2020109013A1; EP3850293B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit wenigstens einer Trennwand und wenigstens von einer Seite der Trennwand abstehenden und die Oberfläche der Trennwand vergrößernden Oberflächenelementen, die von einem Fluid umströmbar sind. Dabei weisen die Oberflächenelemente Verstärkungswülste und zwischen den Verstärkungswülsten befindliche Flächenbereiche auf, wobei sich die Verstärkungswülste von der Trennwand ausgehend erstrecken und eine kreisrunde oder ovale Querschnittform haben. Die Verstärkungswülste erstrecken sich ausgehend von der Trennwand über mindestens einen Teil der Höhe des Oberflächenelementes und verjüngen sich von der Trennwand aus entlang der Höhe der Oberflächenelemente. Die Oberflächenelemente weisen eine Vielzahl konvexer Aussparungen auf, wobei jede der konvexen Aussparungen in einem der Flächenbereiche zwischen zwei Verstärkungswülsten angeordnet ist und sich von einer Außenkante des Oberflächenelementes erstreckt. Der Scheitelpunkt der konvexen Aussparung liegt bei einer Höhe größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der gesamten Höhe des Oberflächenelementes, wobei die Höhe ausgehend von der Trennwand gemessen ist.

The invention relates to a heat exchanger with at least one partition and at least from one side of the partition projecting and the surface of the partition wall enlarging surface elements, which are flowed around by a fluid. In this case, the surface elements on Verstärkungswülste and located between the Verstärkungswülsten surface areas, wherein the Verstärkungswülste extend starting from the partition wall and have a circular or oval cross-sectional shape. The reinforcing beads extend from the dividing wall over at least part of the height of the surface element and taper from the dividing wall along the height of the surface elements. The surface elements have a plurality of convex recesses, each of the convex recesses being disposed in one of the surface areas between two reinforcing beads and extending from an outer edge of the surface element. The apex of the convex recess is at a height greater than or equal to 30% and less than or equal to 70% of the total height of the surface element, wherein the height is measured from the partition wall.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit wenigstens einer Trennwand, von der auf wenigstens einer Seite abstehende Oberflächenelemente angeordnet sind, die von einem Fluid umströmbar sind.The invention relates to a heat exchanger with at least one partition wall, from which on at least one side protruding surface elements are arranged, which are flowed around by a fluid.

Wärmeübertrager werden im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen zur Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes Medium eingesetzt, wobei die beiden Medien körperlich getrennt bleiben. Nach der Art der Medien, die auch als Fluide bezeichnet werden, kann man Wärmeübertrager beispielsweise in Flüssigkeits-Gas-Wärmeübertrager, Flüssig-Flüssig-Wärmeübertrager und in Gas-Gas-Wärmeübertrager unterteilen. Im Bereich der Flüssigkeits-Gas-Wärmeübertrager sind Rohrbündelwärmeübertrager mit Rippenrohren bekannt, die auch als Rippenrohrwärmeübertrager bezeichnet werden. Dabei strömt die Flüssigkeit im Inneren des Rohres und das Gas umströmt das Rohr auf der Außenseite. Die Wärmeübergangskoeffizienten von Flüssigkeiten sind hierbei um ein bis zwei Größenordnungen größer als bei Gasen. Die Oberfläche des Rohres wird daher außen durch Rippen vergrößert, wodurch ein reduzierter Wärmeübergangswiderstand auf der Gasseite dieses Wärmeübertragers vorliegt. Dadurch sind die Wärmeübergangswiderstände für beide Medien klein. Die Rippen von Rippenrohren sind im Stand der Technik häufig als voluminöse Ansätze ausgeführt, die mit der Trennwand des Wärmeübertragers verbunden sind. Große Volumen der Rippen sind mit hohen Materialkosten bei der Herstellung und einem großen Gewicht der Wärmeübertrager gekoppelt. Hohe Gewichte können nachteilig und unerwünscht sein, beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen. Ein hoher Materialverbrauch ist nachteilig mit entsprechend hohen Kosten verbunden. Eine große Wandstärke der einzelnen Rippen, im Folgenden Rippendicke genannt, führt bei gleichem Abstand der Rippen zueinander zu einer niedrigeren Anzahl von Rippen pro Rippenrohr als bei dünneren Rippen. Mit einer großen Rippendicke sind begrenzte Wärmeübertragungsoberflächen und niedrige thermische Gesamtleistungen verbunden.Heat exchangers are used in the prior art in various embodiments for the transfer of heat from one medium to another medium, the two media remain physically separate. According to the type of media, which are also referred to as fluids, one can subdivide heat exchangers, for example, in liquid-gas heat exchangers, liquid-liquid heat exchangers and in gas-gas heat exchangers. In the field of liquid-gas heat exchangers shell and tube heat exchangers with finned tubes are known, which are also referred to as finned tube heat exchangers. The liquid flows inside the tube and the gas flows around the tube on the outside. The heat transfer coefficients of liquids are hereby one to two orders of magnitude larger than with gases. The surface of the tube is therefore externally enlarged by ribs, whereby there is a reduced heat transfer resistance on the gas side of this heat exchanger. As a result, the heat transfer resistance for both media are small. The fins of finned tubes are often designed in the art as bulky lugs, which are connected to the partition wall of the heat exchanger. Large volumes of the ribs are coupled with high material costs in the manufacture and a large weight of the heat exchanger. High weights can be detrimental and undesirable, for example when used in vehicles. A high material consumption is disadvantageously associated with correspondingly high costs. A large wall thickness of the individual ribs, referred to below as rib thickness, leads to a lower number of ribs per rib tube with the same distance between the ribs than with thinner ribs. With a large rib thickness, limited heat transfer surfaces and low overall thermal performance are associated.

Die GB 436 656 A offenbart einen Wärmeübertrager mit Rippenrohren, bei denen auf den Rippen dreidimensional ausgestaltete Lamellen angeordnet sind, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche der Rippen erstrecken. Die Lamellen weisen einen zapfenförmigen Querschnitt auf und nicht alle Lamellen grenzen an die Wand des Rohres, welches die Fluide voneinander trennt. Nachteilig an diesen Rippenrohren ist die Massenvergrößerung, die proportional zum Volumen der dreidimensionalen Lamellen ist, sowie eine begrenzte thermische Gesamtleistung der Wärmeübertrager. Weiterhin nachteilig sind die Lamellen vertikal zur Strömungsrichtung des die Rippen umströmenden Fluids ausgerichtet und beeinflussen die Wärmeleitung innerhalb der Rippe vom Rohr weg oder zum Rohr hin kaum.The GB 436 656 A discloses a heat exchanger with finned tubes in which on the ribs three-dimensionally configured fins are arranged, which extend substantially perpendicular to the base surface of the ribs. The lamellae have a peg-shaped cross section and not all lamellae adjoin the wall of the tube, which separates the fluids from each other. A disadvantage of these finned tubes is the mass increase, which is proportional to the volume of the three-dimensional fins, as well as a limited overall thermal performance of the heat exchanger. Furthermore disadvantageous, the lamellae are aligned vertically to the flow direction of the fluid flowing around the ribs and hardly influence the heat conduction within the rib away from the tube or towards the tube.

Die CH 435 346 A offenbart ein Lamellenrohr, bestehend aus einem Kernrohr und einer Vielzahl auf dem Kernrohr angeordneten Blechlamellen mit rechteckigem Grundriss als Rippen. Die Blechlamellen weisen jeweils Sicken - also Vertiefungen - auf, die sich vom Kernrohr aus erstrecken und die Steifigkeit erhöhen. Nachteilig bei derartigen Rippen ist, dass die wärmeleitende Querschnittsfläche mit Entfernung vom Kernrohr zunimmt und damit zu einer Kühlung der Rippe führt, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen Rippe und umströmendem Medium sinkt und die Wärmeübertragungsleistung abnimmt.The CH 435 346 A discloses a lamellae tube consisting of a core tube and a plurality of laminations arranged on the core tube with a rectangular plan as ribs. The laminations each have beads - so wells - which extend from the core tube and increase the rigidity. A disadvantage of such ribs is that the heat-conducting cross-sectional area increases with distance from the core tube and thus leads to a cooling of the rib, whereby the temperature difference between rib and medium flowing around decreases and the heat transfer performance decreases.

Die DE 160 351 A beschreibt einen Wärmeübertrager, bei dem auf der Oberfläche eines Heiz- oder Kühlkörperrohres radial weitere Rohre angeordnet sind. Zusätzlich zu den radial angeordneten Rohren können senkrecht zur Heiz- oder Kühlkörperrohrachse Rippen angeordnet werden, wobei die Rippen als separate Lage zwischen zwei Lagen radialer Rohre oder innerhalb einer Lage radialer Rohre aus Versteifungsgründen mit diesen verbunden angeordnet sein können.The DE 160 351 A describes a heat exchanger in which radially further tubes are arranged on the surface of a heating or cooling body tube. In addition to the radially arranged tubes, ribs can be arranged perpendicular to the heating or Kühlkörperrohrachse, wherein the ribs can be arranged as a separate layer between two layers of radial tubes or within a layer of radial tubes connected to stiffening reasons with these.

Die DE 42 07 597 A1 offenbart ein Wärmeaustauschelement zur Fixierung auf einem mediumdurchströmten Rohr mit einer Vielzahl radial abstehender Wärmetauscherrippen. Die Wärmetauscherrippen erstrecken sich dabei entlang der Längsachse des Rohres in Strömungsrichtung des das Rohr durchströmenden Fluids und bilden keine Fläche senkrecht zur Durchströmrichtung des Fluids im Rohr.The DE 42 07 597 A1 discloses a heat exchange element for fixing on a medium-flow pipe with a plurality of radially projecting heat exchanger fins. The heat exchanger ribs extend along the longitudinal axis of the tube in the flow direction of the fluid flowing through the tube and do not form a surface perpendicular to the direction of flow of the fluid in the tube.

In der DE 70 20 851 U ist ein Wärmetauscher, wie er bspw. als Rückwand eines Kühlschrankes ausgebildet ist, offenbart. Derartige Einwandwärmetauscher bestehen aus einer Rohrschlange zur Aufnahme des Heiz- oder Kühlmediums und einer Blechwand mit ausgedrückten Kiemenreihen und Nuten oder Sicken zur Aufnahme der Rohrabschnitte. Aus der Blechwand ausgestanzte Lappen übergreifen schellenartig die Rohrabschnitte zur Befestigung. Die Lappen können für eine größere Stabilität Sicken aufweisen. Das Blech und die ausgestanzten Lappen sind dabei entlang der Durchströmrichtung des Heiz- oder Kühlmediums durch das Rohr ausgerichtet.In the DE 70 20 851 U is a heat exchanger, as it is formed, for example, as the rear wall of a refrigerator disclosed. Such Einwandwärmetauscher consist of a coil for receiving the heating or cooling medium and a sheet metal wall with expressed gill rows and grooves or beads for receiving the pipe sections. Lapps stamped out of the sheet metal wall clamp the pipe sections for attachment in a clip-like manner. The flaps can have beads for greater stability. The sheet and the punched tabs are aligned along the flow direction of the heating or cooling medium through the pipe.

Die WO 02 / 048 595 A1 beschreibt ein Kanalrohr für den Medientransport aus Kunststoff, welches den Medientransport im Rohr ohne Druckverlust ermöglicht, auch bei kurviger Verlegung des Kanalrohrs. Das Kanalrohr weist in Durchflussrichtung des Rohres eine wellenförmige Wandung auf. Dabei gibt es hohe, nach außen weisende Wellen für die notwendige Flexibilität, sowie flache, „nach innen weisende“ Wellen, die einen Zwischenbuckel mit vergrößerter Wandstärke bilden.WO 02/048 595 A1 describes a sewer pipe for the media transport of plastic, which allows the media transport in the pipe without pressure loss, even with curvy laying of the sewer pipe. The sewer pipe has a wave-shaped wall in the direction of flow of the pipe. There are high, outward facing waves for the necessary flexibility, as well as flat, "inward" waves, which form a Zwischenbuckel with increased wall thickness.

Die US 3 311 163 A offenbart einen Wärmetauscher, bestehend aus einem metallischen Rohr und einer Vielzahl rechteckiger metallischer Rippen, die an der Außenseite des metallischen Rohrs fixiert sind. Die Rippen weisen parallele vertikale Prägungen zur Kompensation der lateralen thermischen Ausdehnung des Rohres und der Rippen auf. Diese Prägungen sind vertikal zur Durchströmrichtung des Fluids durch das Rohr ausgerichtetThe US 3 311 163 A discloses a heat exchanger consisting of a metallic tube and a plurality of rectangular metallic fins fixed on the outside of the metallic tube. The ribs have parallel vertical embossments to compensate for the lateral thermal expansion of the tube and ribs. These embossments are aligned vertically to the flow direction of the fluid through the tube

Aufgabe der Erfindung ist es, einen massearmen Wärmeübertrager mit großer thermischer Leistung und einem homogenen Temperaturprofil entlang der Rippen bereitzustellen.The object of the invention is to provide a low-mass heat exchanger with high thermal performance and a homogeneous temperature profile along the ribs.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a heat exchanger according to claim 1. Advantageous developments and embodiments are specified in the dependent claims.

Der Wärmeübertrager enthält eine Trennwand und wenigstens von einer Seite der Trennwand abstehende und die Oberfläche der Trennwand vergrößernde Oberflächenelemente, die von einem Fluid umströmbar sind. Die Oberflächenelemente weisen Verstärkungswülste und zwischen den Verstärkungswülsten befindliche Flächenbereiche auf, wobei sich die Verstärkungswülste von der Trennwand ausgehend erstrecken und eine kreisrunde oder ovale Querschnittsform haben. Die Verstärkungswülste erstrecken sich ausgehend von der Trennwand über mindestens einen Teil der Höhe des Oberflächenelementes. Die Oberflächenelemente weisen eine Vielzahl konvexer Aussparungen auf, wobei jede der konvexen Aussparungen in einem der Flächenbereiche zwischen zwei Verstärkungswülsten angeordnet ist und sich von einer Außenkante des Oberflächenelementes erstreckt. Der Scheitelpunkt der jeweiligen Aussparung liegt bei einer Höhe größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der Höhe des Oberflächenelementes. Die Höhe ist dabei ausgehend von der Trennwand gemessen.The heat exchanger includes a partition wall and at least from one side of the partition wall protruding and the surface of the partition wall-increasing surface elements, which are flowed around by a fluid. The surface elements have reinforcing beads and surface areas located between the reinforcing beads, wherein the reinforcing beads extend from the separating wall and have a circular or oval cross-sectional shape. The reinforcing beads extend from the partition wall over at least part of the height of the surface element. The surface elements have a plurality of convex recesses, each of the convex recesses being disposed in one of the surface areas between two reinforcing beads and extending from an outer edge of the surface element. The apex of the respective recess is at a height greater than or equal to 30% and less than or equal to 70% of the height of the surface element. The height is measured starting from the partition wall.

„Von wenigstens einer Seite der Trennwand abstehend“ bedeutet, dass sich die Oberflächenelemente in einem Winkel größer Null und kleiner oder gleich 90° von der Trennwand aus erstrecken. Die Dicke der Oberflächenelemente, auch als Wandstärke bezeichnet, ist klein gegenüber der Fläche der Oberflächenelemente, wobei die Dicke parallel zur Trennwand und senkrecht zur Fläche der Oberflächenelemente gemessen wird. "Projecting from at least one side of the dividing wall" means that the surface elements extend at an angle greater than zero and less than or equal to 90 ° from the dividing wall. The thickness of the surface elements, also referred to as wall thickness, is small compared to the surface area of the surface elements, the thickness being measured parallel to the dividing wall and perpendicular to the surface of the surface elements.

Vorzugsweise erstrecken sich die Oberflächenelemente senkrecht von der Trennwand aus. Die Oberflächenelemente sind starr mit der Trennwand verbunden und in sich selbst ebenfalls starr.Preferably, the surface elements extend perpendicularly from the partition wall. The surface elements are rigidly connected to the partition and also rigid in itself.

Die als Rippen des Wärmeübertragers dienenden Oberflächenelemente sind in dünnwandige Flächenbereiche mit entsprechend geringem Volumen und geringer Masse unterteilt. Die Dicke der Flächenbereiche entspricht dabei der Wandstärke der Oberflächenelemente. Die Unterteilung erfolgt durch Verstärkungswülste mit größeren Querschnitten zur erhöhten Wärmeleitung. Das heißt, dass die Verstärkungswülste eine größere Dicke aufweisen als die Wandstärke der Oberflächenelemente. Die Verstärkungswülste bilden damit Materialaufdickungen, die massiv ausgeführt und damit nicht hohl sind. Somit besteht das Oberflächenelement im Bereich einer Verstärkungswulst im Querschnitt vollständig aus dem Material des Oberflächenelementes, welches den Querschnitt vollständig ausfüllt. Die Verstärkungswülste sind dabei so ausgerichtet, dass sie die Wärme zu der zwischen den beiden Fluiden befindlichen Trennwand hin- oder wegleiten, je nachdem wie der Temperaturgradient verläuft.The serving as ribs of the heat exchanger surface elements are divided into thin-walled surface areas with correspondingly low volume and low mass. The thickness of the surface areas corresponds to the wall thickness of the surface elements. The subdivision is done by Verstärkungswülste with larger cross sections for increased heat conduction. That is, the reinforcing beads have a greater thickness than the wall thickness of the surface elements. The reinforcing beads thus form material thickening, which are solid and therefore not hollow. Thus, the surface element in the region of a reinforcing bead in cross section is made entirely of the material of the surface element, which completely fills the cross section. The reinforcing beads are oriented to direct the heat toward or away from the partition wall between the two fluids, depending on how the temperature gradient passes.

Die Höhe der Oberflächenelemente ist die Ausdehnung der Oberflächenelemente ausgehend von der Trennwand entlang der Fläche der Oberflächenelemente bis zur Außenkante der Oberflächenelemente in einem Bereich, der keine konvexe Aussparung ist Beispielsweise ist bei runden Oberflächenelementen die Höhe der Oberflächenelemente der Radius der Oberflächenelemente ausgehend von der Trennwand. Die Außenkante des Oberflächenelementes ist die Seite des Oberflächenelementes, die nicht an die Trennwand angrenzt.The height of the surface elements is the extent of the surface elements starting from the partition wall along the surface of the surface elements to the outer edge of the surface elements in a region which is not a convex recess. For example, in the case of round surface elements, the height of the surface elements is the radius of the surface elements starting from the partition wall. The outer edge of the surface element is the side of the surface element that is not adjacent to the partition wall.

Dabei verjüngen sich die Verstärkungswülste entlang der Höhe der Oberflächenelemente von der Trennwand aus. „Verjüngen“ meint, dass die Querschnittsfläche der Verstärkungswülste ausgehend von der Trennwand entlang der Höhe des Oberflächenelementes bis zur Außenkante des Oberflächenelementes abnimmt. Die Querschnittsform der Verstärkungswülste bleibt dabei erhalten.The reinforcing beads taper along the height of the surface elements of the partition wall. "Tapering" means that the cross-sectional area of the reinforcing beads decreases from the dividing wall along the height of the surface element to the outer edge of the surface element. The cross-sectional shape of the reinforcing beads remains the same.

„Konvexe Aussparung“ meint, dass die Aussparung eine konvexe Form aufweist, die ihre größte Breite an der Außenkante des Oberflächenelementes hat und deren Breite entlang des Oberflächenelementes in Richtung zur Trennwand hin abnimmt. Die Breite wird entlang der Oberfläche des Oberflächenelementes gemessen. Dabei ist eine Aussparung das vollständige Fehlen des Materials des Oberflächenelementes, d.h. die Aussparung erstreckt sich über die gesamte Dicke des Oberflächenelementes und stellt nicht nur eine Abdünnung des Oberflächenelementes in einem bestimmten Bereich dar."Convex recess" means that the recess has a convex shape which has its greatest width at the outer edge of the surface element and whose width decreases along the surface element towards the partition wall. The width is measured along the surface of the surface element. In this case, a recess is the complete absence of the material of the surface element, i. the recess extends over the entire thickness of the surface element and is not only a thinning of the surface element in a certain area.

Vorteilhaft reduzieren die konvexen Aussparungen die Fläche des Oberflächenelementes mit zunehmender Entfernung von der Trennwand, so dass sich die wärmeleitende Querschnittsfläche des Oberflächenelementes reduziert. Dadurch konzentriert sich der Wärmestrom auf eine kleinere Fläche des Oberflächenelementes, wodurch eine Kühlung der Rippe wie aus dem Stand der Technik bekannt vermieden wird. Dadurch wird die Effektivität der Wärmeübertragung verbessert. Weiterhin vorteilhaft bietet die reduzierte Fläche der Oberflächenelemente einen geringen Reibungsdruckverlust des umströmenden Fluids. Darüber hinaus wird weiterhin die Masse des Oberflächenelementes durch den geringeren Materialverbrauch verringert oder es wird eine Ausführung des Oberflächenelementes ohne Vergrößerung der Masse des Oberflächenelementes durch die Verstärkungswülste oder durch eine größere Dicke des Oberflächenelementes ermöglicht.Advantageously, the convex recesses reduce the area of the surface element increasing distance from the partition, so that reduces the heat-conducting cross-sectional area of the surface element. As a result, the heat flow concentrates on a smaller area of the surface element, whereby a cooling of the rib is avoided as known from the prior art. This improves the effectiveness of heat transfer. Further advantageously, the reduced surface of the surface elements provides a low friction pressure loss of the fluid flowing around. In addition, the mass of the surface element is further reduced by the lower material consumption or it is an embodiment of the surface element without increasing the mass of the surface element by the Verstärkungswülste or by a larger thickness of the surface element allows.

Die Verstärkungswülste tragen bedingt durch deren erhöhte Materialdicke lokal zur Verbesserung der Wärmeleitung bei. Im Ergebnis verbessert die Kombination aus der Vielzahl konvexer Aussparungen und dazwischenliegender Verstärkungswülste das Temperaturprofil entlang des Oberflächenelementes und trägt zur Homogenisierung der Temperatur des Oberflächenelementes und zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung bei.Due to their increased material thickness, the reinforcing beads contribute locally to improving the heat conduction. As a result, the combination of the plurality of convex recesses and intermediate reinforcing beads improves the temperature profile along the surface member and contributes to homogenizing the temperature of the surface member and increasing the heat transfer performance.

Bei dem Wärmeübertrager kann es sich um einen Flüssigkeits-Gas-Wärmeübertrager, beispielsweise einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager handeln. Der Wärmeübertrager, kann als ein Rippenrohrwärmeübertrager ausgebildet sein wie eingangs beschrieben, wobei die Trennwand zwischen dem ersten Fluid (z.B. Wasser) und dem zweiten Fluid (z.B. Luft) durch die Rohrwand des Rohres oder der Rohre ausgebildet ist. Die Fluide Wasser und Luft sind als reine Beispiele zu verstehen, die auch für andere flüssige und gasförmige Fluide stehen können. Die Rohrinnenseiten können in Kontakt mit einem flüssigen, ersten Fluid stehen. Der Wärmeübergangswiderstand ist an dieser Grenzfläche durch den flüssigen Aggregatzustand des ersten Fluids klein. Entsprechend bedarf es auf der Innenseite der Rohre keiner Oberflächenvergrößerung. Im Kreuzstrom wird dazu ein Gasstrom geführt, dessen Hauptströmungsrichtung senkrecht zur Rohrachse verläuft. Die Grenzflächen an den Außenseiten der Rohre, die im Kontakt mit dem gasförmigen, zweiten Fluid stehen, haben einen höheren Wärmeübergangswiderstand pro Flächeneinheit der Trennwandoberfläche. Um dennoch einen kleinen Wärmeübergangswiderstand zu erreichen, ist die Oberfläche der Trennwand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers auf wenigstens dieser Seite durch Rippen in Form der beschriebenen Oberflächenelemente vergrößert. Solche oberflächenvergrößernden Oberflächenelemente können in anderen erfindungsgemäßen Wärmeübertragern auch auf beiden Seiten der Trennwand angeordnet sein, beispielsweise in einem Gas-Gas-Wärmeübertrager.The heat exchanger can be a liquid-gas heat exchanger, for example a water-air heat exchanger. The heat exchanger may be formed as a finned tube type heat exchanger as described in the opening paragraph, wherein the partition wall between the first fluid (e.g., water) and the second fluid (e.g., air) is formed through the tube wall of the tube or tubes. The fluids water and air are to be understood as pure examples, which may also stand for other liquid and gaseous fluids. The tube inner sides may be in contact with a liquid, first fluid. The heat transfer resistance is small at this interface by the liquid state of matter of the first fluid. Accordingly, it requires on the inside of the tubes no surface enlargement. In cross-flow to a gas flow is performed, the main flow direction is perpendicular to the tube axis. The interfaces on the outside of the tubes in contact with the gaseous second fluid have a higher heat transfer resistance per unit area of the partition surface. In order nevertheless to achieve a small heat transfer resistance, the surface of the partition wall of the heat exchanger according to the invention is increased on at least this side by ribs in the form of the described surface elements. Such surface-enlarging surface elements can also be arranged in other heat exchangers according to the invention on both sides of the dividing wall, for example in a gas-gas heat exchanger.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich hauptsächich auf einen Flüssigkeit-Gas-Wärmeübertrager mit nur einseitig auf der Gasseite vergrößerter Oberfläche. Die Ausführungen gelten mit entsprechenden Abwandlungen jedoch auch für andere Wärmeübertrager mit beidseitig vergrößerten Oberflächen der Trennwand, für die kein Ausführungsbeispiel explizit benannt ist.The following statements relate mainly to a liquid-gas heat exchanger with only one side of the gas side enlarged surface. However, the statements apply with appropriate modifications, but also for other heat exchangers with both sides enlarged surfaces of the partition, for which no embodiment is explicitly named.

Die Oberflächenelemente können dabei beliebige Formen aufweisen. Üblich sind beispielsweise viereckige, runde oder ovale Formen der Oberflächenelemente. Weiterhin kann die Form des Oberflächenelementes an den Querschnitt des Rohrs angepasst sein, so können Rohre mit einem kreisförmigen Querschnitt Oberflächenelemente mit einer runden Kreisform aufweisen.The surface elements can have any shape. Typical examples are square, round or oval shapes of the surface elements. Furthermore, the shape of the surface element may be adapted to the cross section of the tube, so tubes with a circular cross section may have surface elements with a circular circular shape.

In besonderen Ausführungsformen erstrecken sich die Verstärkungswülste über die gesamte Höhe des Oberflächenelementes, d.h. bis zur Außenkante des Oberflächenelementes.In particular embodiments, the reinforcing beads extend over the entire height of the surface element, i. to the outer edge of the surface element.

In weiteren Ausführungsformen liegt der Scheitelpunkt der konvexen Aussparungen bei 40% der gesamten Höhe des Oberflächenelementes.In further embodiments, the vertex of the convex recesses is 40% of the total height of the surface element.

In besonderen Ausführungsformen sind die konvexen Aussparungen parabelförmig ausgebildet. Bei ovalen oder runden Oberflächenelementen nimmt der wärmeleitende Querschnitt des Oberflächenelementes quadratisch mit dem Radius des Oberflächenelementes zu, so dass durch parabelförmige Aussparungen die Fläche der Oberflächenelemente effektiv reduziert wird.In particular embodiments, the convex recesses are parabolic. With oval or round surface elements, the heat-conducting cross section of the surface element increases quadratically with the radius of the surface element, so that the area of the surface elements is effectively reduced by parabolic recesses.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager ein Rippenrohrwärmeübertrager mit wenigstens einem Rohr zur Durchströmung eines ersten Fluids im Inneren des Rohres und mit die Oberfläche des Rohres außen vergrößernden Oberflächenelementen, die von einem zweiten Fluid im Kreuzstrom zum ersten Fluid umströmbar sind. Das Rohr bildet dabei die Trennwand des Wärmeübertragers. Die Oberflächenelemente werden bei Rippenrohrwärmetragern als Rippen bezeichnet. Die Oberflächenelemente bzw. Rippen sind von dem Rohr abstehend ausgebildet und weisen Verstärkungswülste auf, wobei sich die Verstärkungswülste von dem Rohr wegführend erstrecken.In a preferred embodiment, the heat exchanger is a finned tube heat exchanger with at least one tube for the flow of a first fluid inside the tube and with the surface of the tube outside enlarging surface elements, which are flowed around by a second fluid in the cross flow to the first fluid. The tube forms the partition wall of the heat exchanger. The surface elements are referred to as fins in finned tubular heat storage. The surface elements or ribs are formed projecting from the tube and have reinforcing beads, wherein the reinforcing beads extend away from the tube.

Die Wärmeleitfähigkeit der Rippen von Rippenrohren ist eine Materialeigenschaft des für die Herstellung der Rippen verwendeten Materials. Für einen großen Wärmefluss wird eine große Querschnittsfläche quer zu der Wärmeleitungsrichtung benötigt.The thermal conductivity of the fins of finned tubes is a material property of the material used to make the fins. For a large heat flow, a large cross-sectional area transverse to the heat conduction direction is needed.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager verwendet als Rippen Oberflächenelemente, die voneinander beabstandete Verstärkungswülste und zwischen den Verstärkungswülsten Flächenbereiche geringerer Dicke aufweisen. Diese Flächenbereiche haben wegen ihrer geringen Dicke einen hohen Wärmeleitwiderstand. Die Verstärkungswülste haben hingegen einen größeren Querschnitt und einen geringen Wärmeleitwiderstand, der auch für den Wärmetransport über größere Längen ausreichend klein ist. Die Verstärkungswülste stehen mit ihrem Querschnitt in Kontakt mit dem Rohr bzw. der Rohrwand oder sonstigen Trennwand und erstrecken sich von dem Rohr weg. Das heißt mit anderen Worten, die Verstärkungswülste sind orthogonal oder in einem Winkel zu der Rohrwand angeordnet, aber nicht parallel oder anderweitig beabstandet zu der Rohrwand. The heat exchanger according to the invention uses, as ribs, surface elements which have spaced-apart reinforcing beads and surface areas of lesser thickness between the reinforcing beads. These surface areas have a high thermal resistance because of their small thickness. The Verstärkungswülste, however, have a larger cross-section and a low thermal resistance, which is sufficiently small for the heat transfer over long lengths. The reinforcing beads are in contact with the pipe or pipe wall or other partition wall with their cross-section and extend away from the pipe. In other words, the reinforcing beads are orthogonal or at an angle to the tube wall, but not parallel or otherwise spaced from the tube wall.

In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Verstärkungswülste orthogonal zur Oberfläche des Rohres.In a preferred embodiment, the reinforcing beads extend orthogonally to the surface of the tube.

Bei einem runden Rohr können sich die Verstärkungswülste radial und bei flachen Trennwänden orthogonal zur Trennwand erstrecken, sodass die Wärme auf einem kurzen Weg von der Trennwand weg oder zu der Trennwand hingeleitet wird. Beispielsweise können die Verstärkungswülste aus geometrischen oder strömungstechnischen Gründen auch anders zum Rohr hin verlaufen.In a round tube, the reinforcing beads may extend radially and in the case of flat partitions orthogonal to the dividing wall, so that the heat is conducted away from the dividing wall or to the dividing wall in a short way. For example, the Verstärkungswülste for geometrical or aerodynamic reasons, also run differently to the pipe.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des kreisrunden Querschnitts der Verstärkungswülste an der Trennwand mindestens doppelt so groß wie die Dicke des Oberflächenel em entes.In a preferred embodiment, the diameter of the circular cross section of the reinforcing beads on the partition is at least twice as large as the thickness of the Oberflächenel em entes.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungswülste und die konvexen Aussparungen benachbarter Oberflächenelemente versetzt zueinander angeordnet unter Ausbildung eines Versatzes in einer Strömungsrichtung des zweiten Fluids zwischen den Oberflächenelementen.In a preferred embodiment, the reinforcing beads and the convex recesses of adjacent surface elements are offset from each other to form an offset in a flow direction of the second fluid between the surface elements.

Dadurch wird vorteilhaft die Ablenkung des quer zu den Verstärkungswülsten strömenden Fluids erreicht, was eine wellenförmige Fluid-Strömung erzeugt. Die wellenförmige Fluid-Strömung kann auch als eine strömungsgünstige Turbulenz betrachtet werden, wodurch eine erhöhte konvektive Wärmeübertragung von den Oberflächenelementen und Trennwänden an das umströmende Fluid oder umgekehrt erreicht wird. Die gute Wärmeleitung infolge des Vorhandenseins der Verstärkungswülste und der konvexen Aussparungen führt zu einer relativ großen Temperaturdifferenz zwischen dem Oberflächenelement und dem das Oberflächenelement umgebenden Medium. In Folge der großen Temperaturdifferenz wird auch ein großer Wärmefluss zwischen dem Oberflächenelement und dem umgebenden Medium und in der Folge eine große thermische Leistung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erreicht. Benachbarte Oberflächenelemente können an einer Trennwand befestigt sein, beispielsweise auf einem Rohr. Es können aber auch von benachbarten Trennwänden ausgehende Oberflächenelemente einander kammartig umgreifen.As a result, the deflection of the fluid flowing transversely to the reinforcing beads is advantageously achieved, which produces a wave-shaped fluid flow. The undulating fluid flow can also be considered as a streamlined turbulence, whereby an increased convective heat transfer from the surface elements and partitions to the fluid flowing around or vice versa is achieved. The good heat conduction due to the presence of the reinforcing beads and the convex recesses results in a relatively large temperature difference between the surface element and the medium surrounding the surface element. As a result of the large temperature difference, a large heat flow between the surface element and the surrounding medium and, as a result, a large thermal output of the heat exchanger according to the invention is achieved. Adjacent surface elements may be attached to a partition wall, for example on a pipe. However, surface elements emanating from adjacent partitions may also embrace one another like a comb.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohr des Rippenrohrwärmeübertragers als ein Ovalrohr ausgebildet, dessen Querschnitt aus zwei Halbkreisen und zwei die Halbkreise verbindenden Geraden gebildet ist. Die Oberflächenelemente besitzen eine ovale Form und sind in einer zu einer Längsachse des Rohres orthogonalen Ebene angeordnet Benachbarte Oberflächenelemente sind parallel zueinander entlang der Längsachse des Rohres angeordnetIn a preferred embodiment, the tube of the Rippenrohrwärmeübertragers is formed as an oval tube, the cross section of two semicircles and two semicircles connecting straight lines is formed. The surface elements have an oval shape and are arranged in a plane orthogonal to a longitudinal axis of the tube. Adjacent surface elements are arranged parallel to each other along the longitudinal axis of the tube

An den Oberflächenbereichen der geraden Bereiche des Ovalrohres können die Verstärkungswülste nahezu senkrecht zur Strömung, parallel und in konstantem Abstand zueinander positioniert werden. Dabei ist eine maximierte konvektive Wärmeübertragung zwischen benachbarten Oberflächenelementen erreichbar. Durch die versetzten Verstärkungswülste in einander gegenüberstehenden, d.h. zu einander benachbarten, Oberflächenelementen ist eine wellenförmige Strömung ausbildbar, die die Wärmeübertragung weiter verbessert.At the surface regions of the straight regions of the oval tube, the reinforcing beads can be positioned almost perpendicular to the flow, parallel and at a constant distance from each other. In this case, a maximized convective heat transfer between adjacent surface elements can be achieved. Due to the offset reinforcing beads in opposing, i. to adjacent surface elements, a wavy flow can be formed, which further improves the heat transfer.

In einer Ausführungsform ist die Länge der Geraden des Querschnitts des Ovalrohrs mindestens einmal so groß wie der Durchmesser des Halbkreises des Querschnitts des Ovalrohrs, insbesondere 2,5-mal so groß.In one embodiment, the length of the straight line of the cross section of the oval tube is at least once as large as the diameter of the semicircle of the cross section of the oval tube, in particular 2.5 times as large.

An den großen geraden Bereichen des Ovalrohres und den daran angrenzenden Bereichen des Oberflächenelementes kann vorteilhaft große Wärmeübertragung erreicht werden.At the large straight areas of the oval tube and the adjoining areas of the surface element advantageously large heat transfer can be achieved.

Die einzelnen vorgestellten Aspekte von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers können auch anderweitig im Ermessen eines Fachmanns kombiniert werden, ohne den Rahmen der hier vorgestellten und beanspruchten Erfindung zu verlassen. Nacheinander beschriebene Merkmale dürfen nicht als untrennbare Merkmalskombination missverstanden werden, sondern sind als Aufzählung einzelner Merkmale zu verstehen.The individual aspects presented embodiments of the heat exchanger according to the invention can also be combined otherwise at the discretion of a person skilled in the art, without departing from the scope of the invention presented and claimed here. Properties described one after another should not be misunderstood as an inseparable combination of features, but should be understood as an enumeration of individual features.

Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert werden, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen. Dabei zeigt:

1 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einer perspektivischen Ansicht,
2 eine Fluidströmung an dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
3 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Rippenrohrwärmeübertragers in Blickrichtung entlang des Rohres,
4 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Rippenrohrwärmeübertragers in Blickrichtung quer zum Rohr und
5 eine schematische Darstellung experimentell ermittelter Wärmestromdichten.

The present invention will be explained in more detail below with reference to figures, wherein like reference numerals in the figures denote the same or similar elements. Showing:

1 a heat exchanger according to the invention in a perspective view,
2 a fluid flow at the heat exchanger according to the invention,
3 a view of the invention Rippenrohrwärmeübertragers in the direction along the tube,
4 a view of the invention Rippenrohrwärmeübertragers in the direction transverse to the pipe and
5 a schematic representation of experimentally determined heat flux densities.

1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1, konkret einen Rippenrohrwärmeübertrager, ausschnittsweise in einer perspektivischen Ansicht. Im Zentrum des dargestellten Gegenstandes ist das ovale Rohr 2 zu erkennen. Die Wände des Rohres 2 sind Trennwände zwischen einem ersten Fluid im Inneren des Rohres 2 und einem zweien Fluid außerhalb des Rohres 2. Durch die Trennwand bzw. die Rohrwand wird Wärme zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid ausgetauscht, ohne dass das erste und das zweite Fluid miteinander stofflich in Kontakt kommen. Außen weist das Rohr 2 oberflächenvergrößernde Rippen auf, die dem Rippenrohrwärmeübertrager seinen Namen geben. Bei dem hier dargestellten erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 sind die mit dem Rohr verbundenen Rippen als volumenarme und im Wesentlichen zweidimensionale Oberflächenelemente 3 ausgebildet. 1 shows an embodiment of the heat exchanger according to the invention 1 , Specifically, a finned tube heat exchanger, fragmentary in a perspective view. At the center of the illustrated object is the oval tube 2 to recognize. The walls of the pipe 2 are partitions between a first fluid inside the tube 2 and a second fluid outside the tube 2 , Heat is exchanged between the first and the second fluid through the partition wall or the pipe wall without the first and the second fluid coming into contact with each other materially. Outside shows the tube 2 surface enlarging ribs, which give the finned tube heat exchanger its name. In the heat exchanger according to the invention shown here 1 For example, the ribs connected to the tube are low-volume and substantially two-dimensional surface elements 3 educated.

Die Oberflächenelemente 3 weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel stiftförmige Verstärkungswülste 4 mit rundem Querschnitt auf. Diese Verstärkungswülste 4 erstrecken sich von dem Rohr 2 bis zur Außenkante 31 der Oberflächenelemente 3. Zwischen den Verstärkungswülsten 4 weist das Oberflächenelement 3 Flächenbereiche 5 auf, die eine geringere Dicke als die Verstärkungswülste 4 haben. Die Verstärkungswülste 4 sind massive Materialverdickungen des Materials des Oberflächenelementes 3, die sich im dargestellten Ausführungsbeispiel über die gesamte Höhe des Oberflächenelementes 3 bis zur Außenkante 31 erstrecken und sich nach außen verjüngen. Damit haben die Verstärkungswülste 4 einen großen Querschnittsdurchmesser direkt an der Grenzfläche zum Rohr 2, während der Durchmesser der Verstärkungswülste 4 an der Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3 gleich oder nur wenig größer als die Dicke der Flächenbereiche 5 ist Die Verstärkungswülste 4 verbessern den Wärmetransport innerhalb des Oberflächenelementes 3 vom Rohr 2 zur Außenkante 31 oder umgekehrt, wie dies durch die Pfeile in drei Verstärkungswülsten 4 beispielhaft dargestellt ist. Die Richtung des Wärmetransports hängt in bekannter Weise davon ab, welches der beiden Fluide im Inneren des Rohres 2 und außerhalb des Rohres 2 wärmer ist.The surface elements 3 have pin-shaped reinforcing beads in the illustrated embodiment 4 with a round cross section. These reinforcing beads 4 extend from the pipe 2 to the outer edge 31 the surface elements 3 , Between the reinforcing beads 4 has the surface element 3 surface areas 5 which is smaller in thickness than the reinforcing beads 4 to have. The reinforcing beads 4 are massive material thickening of the material of the surface element 3 , which in the illustrated embodiment over the entire height of the surface element 3 to the outer edge 31 extend and rejuvenate to the outside. So have the reinforcing beads 4 a large cross-sectional diameter directly at the interface with the pipe 2 while the diameter of the reinforcing beads 4 at the outer edge 31 of the surface element 3 equal to or only slightly larger than the thickness of the surface areas 5 is the reinforcement beads 4 improve the heat transfer within the surface element 3 from the pipe 2 to the outer edge 31 or vice versa, as indicated by the arrows in three reinforcing beads 4 is shown by way of example. The direction of the heat transfer depends in a known manner on which of the two fluids in the interior of the tube 2 and outside the tube 2 is warmer.

Neben den Verstärkungswülsten 4 weist das Oberflächenelement 3 im Bereich einiger der Flächenbereiche 5 konvexe Aussparungen 6 auf, die sich von der Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3 in Richtung auf das Rohr 2 erstrecken und dabei in ihrer Breite verringern. Die Breite einer der Aussparungen 6 wird entlang der flächigen Ausdehnung des Oberflächenelementes 2 und damit senkrecht zur Dicke des Oberflächenelementes 3 gemessen. Die Aussparungen 6 stellen das völlige Fehlen des Materials des Oberflächenelementes 3 im Bereich der Aussparungen dar. Die Aussparungen 6 erstrecken sich nicht bis zum Rohr 2, sondern nur bis zu einer definierten Höhe innerhalb des Oberflächenelementes 3, wobei die Höhe ausgehend von der äußeren Oberfläche des Rohres 2 gemessen wird. Damit liegt der Scheitelpunkt der Aussparung 6 auf dieser definierten Höhe, die größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der Höhe des Oberflächenelementes 3 ist. Die Höhe des Oberflächenelementes 3 ist die maximale Höhe der Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen 6 parabelförmig ausgebildet und erstrecken sich bis zu einer Höhe von ca. 40% der Höhe des Oberflächenelementes 3.Next to the reinforcing beads 4 has the surface element 3 in the range of some of the surface areas 5 convex recesses 6 on, extending from the outer edge 31 of the surface element 3 towards the pipe 2 extend and thereby reduce in width. The width of one of the recesses 6 becomes along the surface extension of the surface element 2 and thus perpendicular to the thickness of the surface element 3 measured. The recesses 6 represent the complete absence of the material of the surface element 3 in the area of the recesses dar. The recesses 6 do not extend to the tube 2 but only up to a defined height within the surface element 3 , where the height starting from the outer surface of the pipe 2 is measured. This is the vertex of the recess 6 at this defined height, which is greater than or equal to 30% and less than or equal to 70% of the height of the surface element 3 is. The height of the surface element 3 is the maximum height of the outer edge 31 of the surface element 3 , In the illustrated embodiment, the recesses 6 parabolic and extend up to a height of about 40% of the height of the surface element 3 ,

Die konvexen Aussparungen 6 dienen der Reduzierung der wärmeübertragenden Fläche des Oberflächenelementes 3 mit der Höhe ausgehend vom Rohr 2. Damit wird eine Vergrößerung der wärmeleitenden Querschnittsfläche des Oberflächenelementes mit zunehmender Höhe vermieden. Da eine solche Vergrößerung der wärmeleitenden Querschnittsfläche vor allem in Bereichen des Oberflächenelementes 3, die an runde Bereiche des Rohres 2 angrenzen, auftritt, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Aussparungen 6 hauptsächlich in diesen Bereichen ausgebildet. Andererseits tritt die Querschnittsflächenvergrößerung in Flächenbereichen 5, die an die geraden Bereiche des hier verwendeten Ovalrohres 2 angrenzen, nicht oder nur in geringem Maße auf, so dass diese Flächenbereiche 5 keine Aussparungen 6 aufweisen können. Dies ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest für einige der Flächenbereiche 5 der Fall.The convex recesses 6 serve to reduce the heat transfer surface of the surface element 3 with the height starting from the pipe 2 , Thus, an increase in the heat-conducting cross-sectional area of the surface element is avoided with increasing height. Since such an increase in the heat-conducting cross-sectional area, especially in areas of the surface element 3 attached to round areas of the pipe 2 adjoin, occurs, are in the illustrated embodiment, the recesses 6 mainly trained in these areas. On the other hand, the cross-sectional area increase occurs in area areas 5 to the straight areas of the oval tube used here 2 adjoin, not or only slightly, so that these surface areas 5 no recesses 6 can have. This is at least for some of the surface areas in the illustrated embodiment 5 the case.

2 zeigt ausschnittsweise den Wärmeübertrager von 1 schematisch in einer seitlichen Ansicht auf das Rohr 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung von 1 verwiesen. In der dargestellten Seitenansicht sind zwei, parallel zueinander angeordnete Oberflächenelemente 3 zu sehen, wobei die Verstärkungswülste 4 und im Geradbereich 21 auch die Flächenbereiche 5 gut zu erkennen sind, während die Aussparungen nicht sichtbar sind. In 2 ist schematisch anhand von Stromlinien 7 die Strömung des zweiten Fluids außerhalb des Rohres 2 dargestellt. Die Verstärkungswülste 4 und die Aussparungen stören eine laminare Strömung zwischen benachbarten Oberflächenelementen 3, indem sie Turbulenzen verursachen. Die Turbulenzen verbessern den Wärmeübergang zwischen dem zweiten Fluid und dem Oberflächenelement 3. Auf der ebenen Seite des ovalen Rohres 2, d.h. im Geradbereich 21, sind die Verstärkungswülste 4 benachbarter Oberflächenelemente 3 in der Strömungsrichtung, die in der Darstellung von unten nach oben verläuft, jeweils mit einem Versatz 8 zueinander angeordnet. Durch den Versatz 8 überlagern sich die Turbulenzen an den einzelnen Verstärkungswülsten 4 und den Aussparungen zu dem mit den Stromlinien 7 skizzierten strömungsgünstigen Wellenverlauf. 2 shows a detail of the heat exchanger of 1 schematically in a side view of the tube 2 , To avoid repetition, refer to the description of 1 directed. In the side view shown are two surface elements arranged parallel to one another 3 to see, with the reinforcing beads 4 and in the straight line 21 also the surface areas 5 are clearly visible while the recesses are not visible. In 2 is schematic based on streamlines 7 the flow of the second Fluids outside the tube 2 shown. The reinforcing beads 4 and the recesses interfere with laminar flow between adjacent surface elements 3 by causing turbulence. The turbulence improves the heat transfer between the second fluid and the surface element 3 , On the flat side of the oval tube 2 ie in the straight line 21 , are the reinforcing beads 4 neighboring surface elements 3 in the flow direction, which runs in the representation from bottom to top, each with an offset 8th arranged to each other. By the offset 8th The turbulences are superimposed on the individual reinforcing beads 4 and the recesses to the with the streamlines 7 outlined streamlined waveform.

In den 3 und 4 ist ein ganz konkretes Bemessungsbeispiel des Rippenrohrwärmeübertragers von den 1 und 2 in zwei verschiedene Ansichten längs des Rohres 2 und quer dazu dargestellt. Das Rohr 2 ist hier als ein Ovalrohr ausgebildet, das der in 2 dargestellten Strömung mit den Stromlinien 7 bei gleichem Querschnitt einen geringeren Widerstand entgegensetzt als ein rundes Rohr gleicher Querschnittsgröße. Das konkrete Ovalrohr hat einen Außendurchmesser 9 von 16 mm seiner halbkreisförmigen Bereiche und eine Länge 10 der geraden Seitenbereiche 21 von 18 mm. Für eine Skalierung des Rohres kann verallgemeinert werden, dass das Verhältnis von der geraden Länge 10 zu dem Durchmesser 9 größer als 1, im vorliegenden Fall 1,125 beträgt. Die genaue Größe dieses Verhältnisses kann als ein Optimierungsparameter bei der Auslegung des Wärmeübertragers anhand vorgegebener Rahmenbedingungen genutzt werden. Das Oberflächenelement 3 weist eine Höhe 11 von 44,5 mm auf, die von der äußeren Oberfläche des Rohres 2 im Geradbereich 21 bis zur Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3 gemessen wird. Die Aussparungen 6 weisen an der Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3 eine Breite 12 von 21 mm auf und erstrecken sich von der Außenkante 31 über eine Länge 13 von 26,5 mm in Richtung des Rohres 2. Damit liegt der Scheitelpunkt der Aussparungen 6 bei ca. 40% der Höhe 11.In the 3 and 4 is a very concrete design example of the Rippenrohrwärmeübertragers of the 1 and 2 in two different views along the pipe 2 and shown across it. The pipe 2 is here designed as an oval tube, which is the in 2 illustrated flow with the streamlines 7 with the same cross-section a lower resistance opposes as a round tube of the same cross-sectional size. The concrete oval tube has an outer diameter 9 of 16 mm of its semicircular areas and a length 10 the even side areas 21 of 18 mm. For a scaling of the pipe can be generalized that the ratio of the straight length 10 to the diameter 9 greater than 1, in the present case 1,125. The exact size of this ratio can be used as an optimization parameter in the design of the heat exchanger based on given conditions. The surface element 3 has a height 11 of 44.5 mm from that of the outer surface of the pipe 2 in the straight area 21 to the outer edge 31 of the surface element 3 is measured. The recesses 6 show at the outer edge 31 of the surface element 3 a width 12 of 21 mm and extend from the outer edge 31 over a length 13 of 26.5 mm in the direction of the pipe 2 , This is the vertex of the recesses 6 at about 40% of the height 11 ,

Die Verstärkungswülste 4 haben an der Grenzfläche zum Rohr 2 einen Durchmesser 14 von 4 mm, der sich kontinuierlich zur Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3 verringert. In 4 ist zu sehen, dass die Flächenbereiche 5 eine geringe Dicke 15 von nur 1 mm haben und die Verstärkungswülste 4 mit einem maximalen Durchmesser von 4 mm einen im Vergleich mit den Flächenbereichen 5 vergrößerten Querschnitt bzw. eine viermal so große Dicke besitzen. Das Verhältnis des maximalen Durchmessers einer Verstärkungswulst zur Dicke eines Flächenbereiches kann auch ein anderes sein, wobei es jedoch größer als oder gleich 2 sein sollte.The reinforcing beads 4 have at the interface to the pipe 2 a diameter 14 of 4 mm, which is continuous to the outer edge 31 of the surface element 3 reduced. In 4 you can see that the surface areas 5 a small thickness 15 of only 1 mm and the reinforcing beads 4 with a maximum diameter of 4 mm one in comparison with the surface areas 5 have enlarged cross section or have a four times the thickness. The ratio of the maximum diameter of one reinforcing bead to the thickness of one surface area may also be different, but greater than or equal to 2 should be.

Zwei benachbarte Oberflächenelemente 3 sind entlang des Rohres 2, d.h. entlang der Strömungsrichtung des Fluides im Inneren des Rohres 2, in einem Abstand 16 von 12 mm parallel zueinander angeordnet. In dem Ausschnitt von 4 ist zu erkennen, dass das linke Oberflächenelement 3 drei Verstärkungswülste 4 in dem ebenen Oberflächenbereich, dem Geradbereich 21, des ovalen Rohres 2 aufweist Das rechte Oberflächenelement 3 weist hingegen in dem gleichen Ausschnitt nur zwei Verstärkungswülste 4 auf, wobei die Verstärkungswülste 4 auf den benachbarten Oberflächenelementen zueinander versetzt angeordnet sind. Dieser Versatz der Verstärkungswülste 4 und auch der Aussparungen, die in 4 nicht erkennbar sind, setzt sich über die gesamte Ausdehnung der beiden Oberflächenelemente 3 fort. So sind in 3 auch die Verstärkungswülste, Flächenbereiche und Aussparungen des Oberflächenelementes, welches in Blickrichtung hinter dem vorderen Oberflächenelement angeordnet ist, zumindest teilweise in den Aussparungen 6 des vorderen Oberflächenelementes 3 sichtbar. Durch den Versatz wird der in 2 skizzierte Strömungsverlauf mit den Stromlinien 7 realisiert. Weiterhin führt der Versatz 8 der Aussparungen 6 und der Verstärkungswülste 4 zu großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Fluid 2 und dem Oberflächenelement 3, welches an einem jeweiligen Ort keine Aussparung aufweist. Im Ergebnis sind große Wärmestromdichten möglich.Two adjacent surface elements 3 are along the pipe 2 , ie along the flow direction of the fluid inside the tube 2 , at a distance 16 of 12 mm arranged parallel to each other. In the section of 4 it can be seen that the left surface element 3 three reinforcing beads 4 in the flat surface area, the straight area 21 , the oval tube 2 has the right surface element 3 In contrast, in the same section only has two reinforcing beads 4 on, with the reinforcing beads 4 are arranged offset from one another on the adjacent surface elements. This offset of the reinforcing beads 4 and also the recesses that are in 4 are not recognizable, continues over the entire extent of the two surface elements 3 continued. So are in 3 Also, the Verstärkungswülste, surface areas and recesses of the surface element, which is arranged in the direction behind the front surface element, at least partially in the recesses 6 of the front surface element 3 visible, noticeable. Due to the offset, the in 2 outlined flow pattern with the streamlines 7 realized. Furthermore, the offset leads 8th the recesses 6 and the reinforcing beads 4 to large temperature differences between the fluid 2 and the surface element 3 which has no recess at a respective location. As a result, large heat flux densities are possible.

Alle angegebenen Maße sind beispielhaft und können je nach Anwendungsfall modifiziert und optimiert werden.All given dimensions are exemplary and can be modified and optimized depending on the application.

Zur Veranschaulichung des Potentials des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 gegenüber einem konventionellen Wärmeübertrager ist in 5 die Wärmestromdichte, die mit Hilfe eines Rippenrohres mit 18 Oberflächenelementen für eine gegebene Anströmgeschwindigkeit des Fluides, welches das Rippenrohr und die Oberflächenelemente umströmt, erreicht wurde, dargestellt. Dabei zeigt die Kurve mit den vollen Kästchen die gemessene Wärmestromdichte für ein gefertigtes Rippenrohr mit konventionellen Oberflächenelementen, d.h. mit Oberflächenelementen ohne Verstärkungswülste und ohne Aussparungen, während die Kurve mit den leeren Kästchen die gemessene Wärmestromdichte für ein als Prototypen gefertigtes Rippenrohr mit Oberflächenelementen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die äußeren Abmessungen des Rohres sowie der Oberflächenelemente und das verwendete Material jeweils gleich waren. Wie zu sehen ist, ist eine deutliche Erhöhung der Wärmestromdichte für alle Anströmgeschwindigkeiten durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Oberflächenelemente möglich. So liegt die Wärmestromdichte um bis zu 90% höher als bei Nutzung konventioneller Oberflächenelemente.To illustrate the potential of the heat exchanger according to the invention 1 compared to a conventional heat exchanger is in 5 the heat flux density, with the help of a finned tube with 18 Surface elements for a given flow velocity of the fluid, which flows around the finned tube and the surface elements has been achieved shown. The full box curve shows the measured heat flux density for a fabricated finned tube with conventional surface elements, ie, surface elements without reinforcing beads and no recesses, while the empty box curve shows the measured heat flux density for a prototyped finned surface fin tube according to the present invention shows, wherein the outer dimensions of the tube and the surface elements and the material used were the same. As can be seen, a significant increase in the heat flux density for all flow velocities is possible by using the surface elements according to the invention. Thus, the heat flux density is up to 90% higher than when using conventional surface elements.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die benachbarten Oberflächenelemente 3 auf einem Rohr 2 montiert. In anderen, nicht dargestellten Beispielen sind benachbarte Oberflächenelemente 3 auf benachbarten Rohren 2 montiert und die Rippen benachbarter Rohre greifen kammartig ineinander ein. Weitere Ausführungsbeispiele kann ein Fachmann anhand der obigen Beispiele in Anpassung an eine gegebene Aufgabenstellung herleiten.In the illustrated embodiments, the adjacent surface elements 3 on a pipe 2 assembled. In other examples, not shown, there are adjacent surfels 3 on neighboring pipes 2 mounted and the ribs of adjacent tubes engage in a comb-like manner. Further embodiments can be derived by a person skilled in the art from the above examples in adaptation to a given task.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: WärmeübertragerHeat exchanger
22: Rohrpipe
2121: Geradbereich des RohresStraight area of the pipe
33: Oberflächenelementinterface element
3131: Außenkante des OberflächenelementesOuter edge of the surface element
44: Verstärkungswulst des OberflächenelementesReinforcing bead of the surface element
55: Flächenbereich des OberflächenelementesSurface area of the surface element
66: Konvexe Aussparung des OberflächenelementesConvex recess of the surface element
77: Stromlinien eines Fluids zwischen benachbarten OberflächenelementenStreamlines of a fluid between adjacent surfels
88th: Versatz von VerstärkungswülstenOffset of reinforcing beads
99: Durchmesser des Halbkreises im OvalrohrquerschnittDiameter of the semicircle in the oval tube cross section
1010: Länge des Geradbereiches im OvalrohrquerschnittLength of the straight area in the oval tube cross section
1111: Höhe des OberflächenelementsHeight of the UI element
1212: Breite der Aussparung an der Außenkante des OberflächenelementesWidth of the recess on the outer edge of the surface element
1313: Tiefe der AussparungDepth of the recess
1414: Maximaler Durchmesser der VerstärkungswulstMaximum diameter of the reinforcing bead
1515: Dicke des FlächenbereichsThickness of the surface area
1616: Abstand zwischen benachbarten OberflächenelementenDistance between adjacent surface elements

Claims

Heat exchanger (1) having at least one partition and at least from one side of the partition wall and the surface of the partition increasing surface elements (3), which are flowed around by a fluid, characterized in that - the surface elements (3) Verstärkungswülste (4) and between the reinforcing beads (4) located surface areas (5), wherein the Verstärkungswülste (4) extending from the partition wall and have a circular or oval cross-sectional shape, - the Verstärkungswülste (4) starting from the partition over at least part of the height of Surface element (3) extend, - the reinforcing beads (4) taper along the height of the surface elements (3) from the dividing wall and - that the surface elements (3) have a plurality of convex recesses (6), each of the convex recesses (6 ) in one of the surface areas (5) between two Verstärkungswülsten (4) ang is arranged and extends from an outer edge (31) of the surface element (3), wherein its vertex at a height greater than or equal to 30% and less than or equal to 70% of the total height of the surface element (3), wherein the height starting measured from the partition wall.

Heat exchanger (1) after Claim 1 , characterized in that the reinforcing beads (4) extend over the entire height of the surface element (3).

Heat exchanger (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the vertex of the convex recesses (6) at 40% of the total height of the surface element (3).

Heat exchanger (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the convex recesses (6) are parabolic.

Heat exchanger (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (1) is a finned tube heat exchanger, with at least one tube (2) for the flow of a first fluid inside the tube (2) and with the surface of the tube (2 ) surface elements (3) which increase in size and can flow around a second fluid in cross flow relative to the first fluid, the tube (2) forming the partition wall of the heat exchanger (1).

Heat exchanger (1) after Claim 5 characterized in that the reinforcing beads (4) extend orthogonally to the surface of the tube (2).

Heat exchanger (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter (14) of the circular cross section of the Verstärkungswülste (4) on the partition at least twice as large as the thickness (15) of the surface elements (3).

Heat exchanger (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reinforcing beads (4) and the convex recesses (6) of adjacent surface elements (3) are offset from one another to form an offset (8) in a flow direction of the second fluid between the surface elements (3).

Heat exchanger (1) after Claim 5 and 8th , characterized in that the tube (2) of the Rippenrohrwärmeübertragers is formed as an oval tube whose cross section of two semicircles and two semicircles connecting straight lines is formed, the surface elements (3) each have an oval shape and in a to a longitudinal axis of the tube orthogonal plane are arranged and adjacent surface elements (3) are arranged parallel to each other.

Heat exchanger (1) after Claim 9 , characterized in that the length (10) of the straight line of the cross section of the oval tube is at least once as large as the diameter (9) of the semicircle of the cross section of the oval tube.