DE102019106012A1

DE102019106012A1 - Wärmetauscheranordnung und Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102019106012A1
Application number: DE102019106012.5A
Authority: DE
Inventors: Falk Viehrig; Dirk Bertsche; Michael Kohl; Achim Utz
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung (10), insbesondere zum Kühlen und/oder Wärmen eines Wärmetauscherfluids. Die Wärmetauscheranordnung (10) weist einen Wärmetauscher (20) auf, die ein Wärmetauschergehäuse (30) umfasst. Im Wärmetauschergehäuse (30) ist mindestens ein eine Kanalkörperlängsachse (41) definierender Strömungskanal (40) angeordnet. Der Strömungskanal (40) weist eine Kanalkörperwandung (50) auf, die einen freien Strömungsquerschnitt (42) begrenzt. Wesentlich für die Erfindung ist, dass an der Kanalkörperwandung (50) eine Turbulator-Gruppierung (60) angeordnet ist, die jeweils von der Kanalkörperwandung (50) in den Strömungsquerschnitt (42) hinein ragende, in einer alternierenden Reihenfolge angeordnete, Turbulator-Anordnungen (61, 62) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere zum Kühlen und/oder Wärmen eines Wärmetauscherfluids, sowie einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Wärmetauscheranordnungen und Wärmetauscher, wie etwa Heizkörper, Kühlmittelkühler, Ölluftkühler, Gaskühler oder Ladeluftkühler, sind seit langem bekannt. Sie dienen dazu, ein durch sie hindurch geführtes Wärmetauscherfluid wahlweise zu kühlen oder zu wärmen. Als Wärmetauscherfluid kommt üblicherweise Wasser oder ein Wasser-Glykol Gemisch zum Einsatz, das sozusagen als Wärmeträger fungiert.
Bei allen Wärmetauscheranordnungen und Wärmetauschern ist es von wirtschaftlicher Bedeutung, einen relativ hohen thermischen und mechanischen Wirkungsgrad zu realisieren. Der Wirkungsgrad kann beispielsweise beeinflusst werden, indem die wärmetauscherfluidseitigen Druckverluste beim Durchströmen der Wärmetauscheranordnung oder des Wärmetauschers reduziert werden.
Bekannt ist es, zur Steigerung des Wirkungsgrads, sogenannte „passive Einbauten“ vorzusehen, die innerhalb von Strömungskanälen der Wärmetauscheranordnung und Wärmetauscher angeordnet sind, um mit dem durch die Strömungskanäle strömenden Wärmetauscherfluid strömungsbeeinflussend, insbesondere strömungsbegünstigend, zusammenzuwirken.
Derartige „passive Einbauten“ haben allerdings den Nachteil, dass sie lediglich in einem relativ engen Betriebsfenster optimal mit dem Wärmetauscherfluid zusammenwirken und eine merkliche Steigerung des Wirkungsgrads erreichen können. Außerhalb des Betriebsfensters sind die „passiven Einbauten“ sozusagen praktisch wirkungslos, insbesondere können sie sich sogar nachteilig auf die Effizient auswirken. Wünschenswert wäre es, dass Betriebsfenster beispielsweise zu vergrößern und mittels den „passiven Einbauten“ eine merkliche Steigerung des Wirkungsgrads zu erreichen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine verbesserte Wärmetauscheranordnung bereitzustellen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, die bekannten „passiven Einbauten“ zu verbessern, indem deren Gestalt und deren Verteilung innerhalb der Strömungskanäle optimiert wird.
Hierzu ist eine Wärmetauscheranordnung mit einem Wärmetauscher vorgesehen, der ein Wärmetauschergehäuse aufweist. Innerhalb des Wärmetauschergehäuses ist mindestens ein Strömungskanal, insbesondere ein Strömungskanalbündel angeordnet, das von Wärmetauscherfluid durchströmbar ist.
Zweckmäßig ist es, wenn der Strömungskanal eine Kanalkörperlängsachse definiert, entlang der das Wärmetauscherfluid strömt, sozusagen in Strömungsrichtung.
Jedenfalls begrenzt der Strömungskanal einen freien Strömungsquerschnitt, durch den das Wärmetauscherfluid strömt. Dabei weist der Strömungskanal eine Kanalkörperwandung auf, die sozusagen den Strömungskanal von der Kanalkörperlängsachse in radialer Richtung begrenzt.
Wesentlich ist nun, dass an der Kanalkörperwandung eine Turbulator-Gruppierung angeordnet ist. Sie verfügt über jeweils von der Kanalkörperwandung in den freien Strömungsquerschnitt hinein ragende, also von der Kanalkörperwandung abstehende, Turbulator-Anordnungen.
Diese sind dabei zweckmäßigerweise in einer alternierenden Reihenfolge, insbesondere am Strömungskanal oder der Kanalkörperwandung, angeordnet. Beispielsweise kann der einen Turbulator-Anordnung eine andere Turbulator-Anordnung in Richtung der Kanallängsachse folgen, insbesondere in der Strömungsrichtung oder in Richtung der Kanalkörperlängsachse oder in einer zur Kanalkörperlängsachse quer orientierten Querrichtung.
Da die Turbulator-Anordnungen in den freien Strömungsquerschnitt hinein ragen, kann die Strömung des Wärmetauscherfluids gezielt beeinflusst werden. Insbesondere bietet die Anordnung von mehreren zueinander verschiedenen, insbesondere zwei verschiedenen, Turbulator-Anordnungen den Effekt, dass das Betriebsfenster, in dem der Wirkungsgrad der Wärmetauscheranordnung beeinflusst werden kann, im Vergleich zur Verwendung lediglich einer einzigen Turbulator-Anordnungen vergrößert ist. Dadurch wird ein relativ breites Betriebsfenster zur Verfügung gestellt, so dass eine merkliche Steigerung des Wirkungsgrads erreichbar ist.
Ferner wird durch die Verwendung von mehreren zueinander verschiedenen, insbesondere zwei verschiedenen, Turbulator-Anordnungen erreicht, dass die Strömungsverhältnisse innerhalb des Strömungskanals positiv beeinflusst werden, so dass insgesamt eine insbesondere höhere Wärmeübertragung durch die Wärmetauscheranordnung und/oder einen Wärmetauscher realisierbar ist.
Ferner hat dies den Vorteil, dass über das gesamte Betriebsfenster der Wärmetauscheranordnung hinweg, insbesondere in einem Bereich von 8<Pr<40 und 10<Re<4000, (Pr=Prandtl-Zahl und Re=Reynolds-Zahl) der Wirkungsgrad, insbesondere die Leistung pro Druckabfall, verbessert ist.
Die Erfindung umfasst den weiteren Grundgedanken, einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitzustellen, der mit mindestens einem Wärmetauschergehäuse ausgerüstet ist, das über ein mehrere Strömungskanäle aufweisendes Strömungskanalbündel verfügt. Vorgesehen ist, dass Wärmetauscher dieser Art mit einem Versorgungsanschluss ausgestattet werden. Wärmetauscherfluid kann dabei durch einen Strömungseingang des Versorgungsanschlusses sozusagen in das Strömungskanalbündel hineingeführt und durch einen Strömungsausgang des Versorgungsanschlusses herausgeführt werden.
Zweckmäßigerweise weist wenigstens ein Strömungskanal des Strömungskanalbündels eine erfindungsgemäße Turbulator-Gruppierung auf.
Zweckmäßigerweise sind eine erste und eine zweite Turbulator-Anordnung vorhanden, wobei die erste Turbulator-Anordnung mehrere erste Turbulator-Körper aufweist. Die zweite Turbulator-Anordnung kann ebenfalls mehrere sogenannte zweite Turbulator-Körper aufweisen.
Zweckmäßig ist es, wenn sich der erste Turbulator-Körper von dem zweiten Turbulator-Körper unterscheidet. D. h. die jeweiligen Turbulator-Körper sind hinsichtlich ihrer körperlichen Gestalt unterschiedlich. Praktischerweise kann vorgesehen sein, dass noch eine dritte Turbulator-Anordnung oder noch weitere Turbulator-Anordnungen vorgesehen sind. Alle Turbulator-Anordnungen sind dabei zweckmäßigerweise am Strömungskanal angeordnet und ragen in den Strömungsabschnitt hinein.
Jedenfalls sind die ersten Turbulator-Körper und die zweiten Turbulator-Körper, insbesondere auch jeder weitere Turbulator-Körper einer weiteren Turbulator-Anordnung, in Richtung der Kanalkörperlängsachse oder quer dazu, insbesondere auch schräg dazu, alternierend angeordnet sind.
Diese Anordnung hat insgesamt den Vorteil, dass sich das durch die Wärmetauscheranordnung strömende Wärmetauscherfluid strömungsmechanisch beeinflussen lässt. Insbesondere kann durch die Verwendung unterschiedlicher Turbulator-Anordnung erreicht werden, dass die Strömung des Wärmetauscherfluids optimierbar ist, beispielsweise wenn das Wärmetauscherfluid unterschiedlich schnell durch den Strömungskanal strömt.
Insbesondere kann das eingangs beschriebene Betriebsfenster optimiert werden, weil die Turbulator-Anordnungen jeweils auf unterschiedliche Betriebsbereiche der Wärmetauscheranordnung ausgelegt werden können, sodass eine maximale Wirkungsgradsteigerung erzielt werden kann. Exemplarisch können gezielt die vorliegenden Wärmetransportwiderstände innerhalb der Wärmetauscheranordnung durch individuell gestaltete Turbulator-Anordnungen minimiert werden.
Mithilfe der Turbulator-Anordnungen können Steigerungen des Wirkungsgrads erreicht werden, insbesondere wenn man die geometrische Gestaltung der Turbulator-Anordnungen an die Betriebsbereiche der Wärmetauscheranordnung anpasst. Dadurch können beispielsweise turbulente Strukturen in die Strömung induziert werden.
Zur einfacheren Beschreibung ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass sich der Strömungskanal entlang von zwei imaginären planen Raumebenen erstreckt.
Dabei sind die Raumebenen zueinander orthogonal orientiert und schneiden sich in einer Schnittgerade. Ferner ist die Schnittgerade koaxial zur Kanalkörperlängsachse angeordnet.
Um eine weitere Wirkungsgradsteigerung zu erreichen, wird hierbei bevorzugt, wenn an der Kanalkörperwandung wenigstens eine Turbulator-Anordnungen angeordnet ist, deren Turbulator-Körper jeweils, insbesondere zueinander parallel, und von der Kanalkörperwandung weg und orthogonal zu einer der beiden Raumebenen orientiert in den freien Strömungsquerschnitt hinein ragen. Damit ist sozusagen eine nagelbrettartige Gestalt der Turbulator-Anordnungen festgelegt, in der Art, dass die Turbulator-Anordnungen, insbesondere parallel zueinander, im rechten Winkel zu einer der beiden Raumebenen orientiert sind. Durch diese Gestalt kann die Strömung des Wärmetauscherfluids relativ einfach beeinflusst werden, sodass sich das Betriebsfenster der Wärmetauscheranordnung relativ gut einstellen lässt.
Insbesondere kann an der Kanalkörperwandung wenigstens eine Turbulator-Anordnung angeordnet sein, deren Turbulator-Körper jeweils von der Kanalkörperwandung radial in Richtung der Kanalkörperachse orientiert in den freien Strömungsquerschnitt hinein ragen. Im Unterschied zu der vorhergehenden Gestaltung, zeichnet sich diese Gestalt dadurch aus, dass die Turbulator-Anordnung radial zur Kanalkörperachse ragt, sozusagen sternartig. Auch hierdurch kann eine relativ einfache Beeinflussung der Strömung in weiten Bereichen des Betriebsfensters des Wärmetauscherfluids erreicht werden.
Vorzugsweise kann der Strömungskanal in der Gestalt eines Flachrohres vorgesehen sein. Denkbar ist auch, dass der Strömungskanal andere Gestalten aufweist, beispielsweise als Rundrohr oder als Vieleckrohr.
Jedenfalls weist das Flachrohr an seiner Kanalkörperwandung zwei gegenüberliegende, insbesondere parallel zueinander orientierte, Großflächenwände und zwei gegenüberliegende Rundwände auf. Dabei sind an den beiden Großflächenwänden jeweils Turbulator-Anordnungen angeordnet, die in den freien Strömungsquerschnitt des Flachrohrs hinein ragen. Die Verwendung eines Flachrohrs bringt den Vorteil mit sich, dass die Wärmetauscheranordnung relativ kompakt gestaltet sein kann, beispielsweise weil sich die Flachrohre relativ eng aneinander anschmiegen lassen.
Zweckmäßigerweise können eine einzige oder mehrere Turbulator-Sickenanordnungen vorgesehen sein, die jeweils Sickenkörper aufweisen. Die Sickenkörper sind jedenfalls so außen, insbesondere von außerhalb des Strömungskanals, an den zwei gegenüberliegenden Großflächenwänden, insbesondere des Flachrohrs, angeordnet, dass sie in den freien Strömungsquerschnitt des Strömungskanals hinein ragen, um die Strömung zu beeinflussen. Dabei ragt zweckmäßigerweise ein Sickengrund, der sozusagen den unteren Teil einer Sicke bildet, mit Abstand zur Kanalkörperwandung in den Strömungsquerschnitt hinein. Die Verwendung von Sicken hat den Vorteil, dass die Herstellung entsprechender Strömungskanäle oder Flachrohre relativ einfach und daher kostengünstig zu bewerkstelligen ist. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein, insbesondere metallisches, Blechmaterial im Rahmen eines Walzverfahrens umgeformt wird.
Die ersten Turbulator-Körper sind vorzugsweise jeweils als, insbesondere stiftartige, Pinkörper gestaltet. Insbesondere sind die Pinkörper jeweils von zylindrischer oder hohlzylindrischer Gestalt. Beispielsweise ist ihr Grundkörper ein Zylinder oder ein Hohlzylinder. Zweckmäßigerweise verfügen die Pinkörper über einen runden, ovalen, tropfenförmigen oder vieleckigen Querschnitt, bezogen auf ihre Längsachse. Es versteht sich von selbst, dass auch andere, insbesondere strömungsgünstige, Pinkörper-Formen vorgesehen sein können. Ferner hat das insbesondere den Vorteil, dass sowohl der Wärmeübergang, als auch der Druckverlust innerhalb des Strömungskanals beeinflusst werden kann.
Ganz allgemein hat die geometrische Gestaltung der Turbulator-Körper den Vorteil, dass gezielt unterschiedliche Mechanismen zum Impuls- und Wärmetransport in weiten Betriebsbereichen der Wärmetauscheranordnung beeinflusst und eingestellt werden können, sodass beispielsweise der Wirkungsgrad der Wärmetauscheranordnung und/oder dessen Betriebsfenster beeinflussbar ist.
Zum optimalen Induzieren von instationären, laminaren und/oder turbulenten Strömungen eignen sich beispielsweise die vorstehend beschriebenen pinartigen Turbulator-Körper.
Es ist möglich, dass die zweiten Turbulator-Körper jeweils Flachkörper oder Kreiszylinder-Längsschnittkörper sind. Dabei weisen die Turbulator-Körper jeweils zweckmäßigerweise einen quaderartigen, teilkreiszylindrischen oder teilkreishohlzylindrischen Grundkörper auf. Diese Grundkörper können dabei, insbesondere bezüglich ihrer Längsachse, einen runden, ovalen, tropfenförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Es versteht sich von selbst, dass auch weitere Querschnitte vorgesehen sein können, insbesondere Querschnitte die relativ strömungsgünstig sind.
Derartige Flachkörper oder Kreiszylinder-Längsschnittkörper haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu den ersten Turbulator-Körpern, die insbesondere als Pinkörper gestaltet sind, eine relativ geringe Bauhöhe aufweisen. Damit ragen die Flachkörper oder Kreiszylinder-Längsschnittkörper vergleichsweise wenig weit in den freien Strömungsquerschnitt des Strömungskanals hinein. Das bringt den Vorteil mit sich, dass relativ wenig formwiderstandbedingte Induktion erfolgt, wodurch Grenzschichten reduziert werden. Hierzu können diese Turbulator-Körper sowohl nach innen oder nach außen orientiert sein, also insbesondere im Bezug zur Kanalkörperlängsachse windschief oder schief angeordnet sein.
Wie erwähnt, können die zweiten Turbulator-Körper relativ zur Kanalkörperlängsachse windschief angeordnet sein oder alternativ, eine Körper-Raumebene aufspannen, die zur Kanalkörperlängsachse echt parallel ist. Das heißt, dass die Kanalkörperlängsachse und die Körper-Raumebene keine gemeinsamen Punkte, insbesondere keinen Schnittpunkte, besitzen.
Jedenfalls können die Turbulator-Körper innerhalb der Körper-Raumebene schief zur Kanalkörperlängsachse angeordnet sein und insbesondere einen Winkel mit der Kanalkörperlängsachse von 10°, 20°, 30°, 40°, 45°, 50°, 60°, 70°, 80° einschließen. Zweckmäßigerweise können auch dazwischenliegenden Winkel oder weitere Winkel vorgesehen sein.
Die Turbulator-Körper können selbstverständlich integraler Bestandteil des Strömungskanals sein, also sozusagen einstückig mit dem Strömungskanal ausgebildet sein, so dass insgesamt ein Turbulator-Körper-Strömungskanal-Bauteil gebildet ist.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Turbulator-Körper als separate Bauteile gestaltet sind, beispielsweise als Einlegeteil. Diese können als Ersatzteil zum späteren Produkt zugelegt oder zugekauft werden.
Wenn vorstehend davon die Rede war, dass ein Strömungskanal oder ein Strömungskanalbündel vorgesehen sind, so darf der Begriff „ein“ oder „eine“ nicht als „eine einzige“ interpretiert werden.
In einem Effizienz-Diagramm kann die Wirksamkeit einer exemplarischen Turbulator-Gruppierung dargestellt werden, wobei zweckmäßigerweise ein Verhältnis aus Leistung und Druckabfall über ein zahlenmäßiges Verhältnis von ersten und zweiten Turbulator-Körpern aufgetragen. Praktischerweise kann an einer Abszisse des Diagramms ein zahlenmäßiges Verhältnis von ersten zu zweiten Turbulator-Körpern aufgetragen werden.
Dabei kann die Verwendung der Turbulator-Körper in einem Flachrohr zur Beeinflussung der Strömung führen, wobei insbesondere Pinkörper zu einer laminaren instationären oder turbulente Strömung (Strukturen) führen, denen zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung wandnahe Flachkörper nachgeschaltet sind, um eine Minimierung von Grenzschichtströmungen zu erreichen. Das hat den Vorteil, dass zur Realisierung von Wärmeübergangskoeffizienten die Eindringtiefe der wandnahen Flachkörper in den freien Strömungsquerschnitt reduziert werden kann.
An einer Ordinate des Diagramms sind verschiedene Betriebsbedingungen dargestellt, wobei ein Betriebsfenster der Wärmetauscheranordnung in einem Bereich von 8<Pr<40 und 10<Re<4000, (Pr=Prandtl-Zahl und Re=Reynolds-Zahl) zu erkennen ist. An der Ordinate kann ebenfalls die maximale Effizienz, in Abhängigkeit der Prandtl- und Reynolds-Zahl, abgelesen werden.
Was vorstehend als „Effizienz“ bezeichnet ist, wird im Diagramm anhand des Thermal Enhancement Faktors TEF exemplarisch für geringe und hohe Prandtl-Zahlen aufgetragen. Dieser Faktor vergleicht die Nusselt-Zahl eines Profils einer Turbulator-Gruppierung mit der Nusselt-Zahl eines Strömungskanals ohne Turbulator -Gruppierung.
Die Ausführung und Verteilung von Turbulator-Körpern in einem Flachrohr kann die Effizienz (Leistung pro Druckabfall) über den gesamten Betriebsbereich (8<Pr<40 und 10<Re<4000) des Wärmeübertragers steigern.
Pinkörper sind Einbauten mit einem optimalen Längen zu Breitenverhältnis von 1 < L/B < 5 und einem optimalen Verhältnis von Eindringtiefe in den freien Strömungsquerschnitt zur Kanalhöhe von 0.5 < T/H < 1. Die Pinkörper können dabei sowohl als scharfkantige Körper, als auch mit Rundungsradien versehen sein.
Wandnahe Flachkörper, sogenannte wandnahe Einbauten, sind Einbauten mit einem optimalen Verhältnis von Länge zu Breite L/B<0.5 und einem optimalen Verhältnis von Eindringtiefe in den freien Strömungsquerschnitt zur Kanalhöhe von T/H<0.3. Wandnahe Flachkörper können dabei sowohl als scharfkantige Körper, als auch mit Rundungsradien versehen sein.
Die Turbulator-Anordnungen, also die ersten und zweiten Turbulator-Körper, beeinflussen sich gegenseitig in ihrem Zusammenwirken mit der Strömung. Beispielsweise kann mittels einer thermofluiddynamisch sinnvollen Anordnung eine gezielte Strömungsbeeinflussung erreicht werden, insbesondere die Vermeidung von Bypass-Strömungen.
Grundsätzlich kann für Re>4000 der Anteil benötigter Turbulator-Körper, insbesondere der Pinkörper, für eine optimale Effizienzsteigerung gegen null gehen, weil bereits ohne Pinkörper ein erhöhter Turbulenzgrad in der Strömung vorliegt.
Insgesamt hat die Erfindung noch beispielsweise folgende Vorteile:

- Leistungssteigerung unter Beibehaltung des kühlmittelseitigen Druckverlusts im Vergleich zur Verwendung nur einer Art von Turbulator-Körpern
- Effizienzsteigerung bei Wärmeübetragern bezüglich Netzgewicht, Netzvolumen, Netztiefe und Netzdruckabfall.
- Reduzierung von CO2-Auststoß beim Betrieb von Fahrzeugen
- Reduzierung von Materialverbrauch zur Herstellung der Wärmeübertrager
- Reduzierung von Primärenergiebedarf bei der Herstellung und im Betrieb
- Reduzierung von Platzbedarf der Wärmeübertrager und damit Einsparung von Bauraum z.B. in einem Fahrzeug
- Reduzierung der Bauteile je Wärmeübertrager und damit Kostenreduzierung bei der Herstellung

Zweckmäßigerweise sind die ersten und zweiten Turbulator-Körper nicht von gleicher Höhe und/oder Größe. Insbesondere ragen die ersten und zweiten Turbulator-Körper unterschiedlich weit in den freien Strömungsquerschnitt ein. Beispielsweise ragt der zweite Turbulator-Körper nur halb, ein viertel oder ein sechstel so weit in den freien Strömungsquerschnitt hinein, wie der erste Turbulator-Körper, oder umgekehrt.
Zweckmäßig ist es, wenn die Turbulator-Anordnungen der Turbulator-Gruppierung mittels eines zahlenmäßigen Anzahlverhältnisses beschreibbar ist. Dabei ist es wünschenswert, wenn das Anzahlverhältnis die Effizienz der Turbulator-Gruppierung bei unterschiedlichen Reynolds-Zahlen widergibt, zum Beispiel für Reynolds-Zahlen 10, 100, 500, 1.000, 3.000, 5.000,
Dabei kann das Anzahlverhältnis durch den Quotient aus einer zahlenmäßigen Anzahl von zweiten Turbulator-Körpern einer zweiten Turbulator-Anordnung und einer zahlenmäßigen Anzahl von ersten Turbulator-Körpern einer ersten Turbulator-Anordnung definiert sein, oder insbesondere umgekehrt. Es wird also die Anzahl der verschiedenen Turbulator-Körper ins Verhältnis gesetzt, die an der Wärmetauscheranordnung angeordnet sind.
Dabei kann das Anzahlverhältnis dimensionslos sein. Das Anzahlverhältnis kann dabei auch unabhängig von einer Prandtl-Zahl und/oder einer Reynolds-Zahl sein. Zweckmäßig ist es aber, wenn das Anzahlverhältnis für Prandtl-Zahlen von Pr=7-25 oder Pr=25-100 betrachtet wird.
Jedenfalls ergeben sich Effizienzmaxima für ein Anzahlverhältnis von 90%/10% bis 30%/70%, insbesondere wenn man unabhängig von der Prandtl-Zahl ist. Insbesondere ergeben sich Effizienzmaxima für ein Anzahlverhältnis von 60%/40% bis 90%/10%, insbesondere für Prandtl-Zahlen von Pr=7-25. Ferner können sich Effizienzmaxima für ein Anzahlverhältnis von 30%/70% bis 50%/50% ergeben, insbesondere für Prandtl-Zahlen von Pr=25-100.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung, insbesondere zum Kühlen und/oder Wärmen eines Wärmetauscherfluids. Die Wärmetauscheranordnung weist einen Wärmetauscher auf, die ein Wärmetauschergehäuse umfasst. Im Wärmetauschergehäuse ist mindestens ein eine Kanalkörperlängsachse definierender Strömungskanal angeordnet. Der Strömungskanal weist eine Kanalkörperwandung auf, die einen freien Strömungsquerschnitt begrenzt. Wesentlich für die Erfindung ist, dass an der Kanalkörperwandung eine Turbulator-Gruppierung angeordnet ist, die jeweils von der Kanalkörperwandung in den Strömungsquerschnitt hinein ragende, in einer alternierenden Reihenfolge angeordnete, Turbulator-Anordnungen umfasst.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Figurenliste

1 eine perspektivische Teilansicht eines Strömungskanals einer Wärmetauscheranordnung,
2 eine Stirnsicht des Strömungskanals aus 1 gemäß Pfeil II,
3 eine Draufansicht des Strömungskanals aus 1 gemäß Pfeil III, wobei der Strömungskanal allerdings längs halbiert und eine Turbulator-Gruppierung zu sehen ist,
4 eine Draufansicht eines Strömungskanals, wie in 3, wobei der Strömungskanal längs halbiert und eine weitere Turbulator-Gruppierung zu sehen ist,
5 eine Draufansicht eines weiteren Strömungskanals, wie in 3, wobei der Strömungskanal längs halbiert und eine weitere Turbulator-Gruppierung zu sehen ist,
6 eine Draufansicht eines weiteren Strömungskanals, wie in 3, wobei der Strömungskanal längs halbiert und eine weitere Turbulator-Gruppierung zu sehen ist,
7 in mehreren Ansichten einen ersten Turbulator-Körper,
8 in mehreren Ansichten einen zweiten Turbulator-Körper,
9 in einer perspektivischen Ansicht eine Wärmetauscheranordnung,
10 in einer Diagramm-Darstellung die Wirksamkeit einer exemplarischen Turbulator-Gruppierung, wobei ein Verhältnis aus Leistung und Druckabfall über ein zahlenmäßiges Verhältnis von ersten und zweiten Turbulator-Körpern aufgetragen ist.

In der Zeichnung ist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Wärmetauscheranordnung, praktischerweise zum Kühlen und/oder Wärmen eines Wärmetauscherfluids, dargestellt. Sie weist einen Wärmetauscher 20 auf.
Der Wärmetauscher 20 ist exemplarisch über einen Versorgungsanschluss 91 mit Wärmetauscherfluid versorgbar, beispielsweise stammt das Wärmetauscherfluid von einem Kühlkreislauf einer Arbeitsmaschine, exemplarisch eine Verbrennungskraftmaschine.
Grundsätzlich sind derartige Wärmetauscheranordnungen 10 weit verbreitet und kommen vorzugsweise im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik zum Einsatz. Mit ihrer Hilfe wird dort beispielsweise Fluid für Heizkörper, Kühlmittelkühler oder Ölluftkühler wahlweise erwärmt oder gekühlt.
Jedenfalls verfügen die Wärmetauscheranordnungen 10 üblicherweise über einen den Versorgungsanschluss 91 bildenden Strömungseingang 92 und einen Strömungsausgang 93, wobei durch die Anschlüsse 92, 93 hindurch Fluid entweder zum Wärmetauscher 20 hin oder weg strömen kann. In der 9 ist exemplarisch ein Wärmetauscher 20 dargestellt, der über einen Strömungseingang 92 und einen Strömungsausgang 93 verfügt, wobei zwei Fluidströmungen mittels zweier Pfeile 11,12 dargestellt sind.
Wie weiterhin in 9 zu erkennen ist, verfügt der Wärmetauscher 20 über ein Wärmetauschergehäuse 30, in dem zweckmäßigerweise mehrere Strömungskanäle 40 eines Strömungskanals 90 angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass das Wärmetauscherfluid durch die Strömungskanäle 41 strömt, nachdem es zuvor durch den beschriebenen Strömungseingang 92 in den Wärmetauscher 20 eingeströmt ist. Nach dem Durchlauf durch den Wärmetauscher 20 kann das Wärmetauscherfluid durch den Strömungsausgang 93 abfließen oder abströmen.
Jeder Strömungskanal 40 verfügt weiterhin über eine Kanalkörperwandung 50 zum Führen des Wärmetauscherfluids, wobei die Kanalkörperwandung 50 sozusagen einen freien Strömungsquerschnitt 42 definiert. Die Kanalkörperwandung 50 begrenzt also den Strömungskanal 40 zu, insbesondere allen, Seiten hin.
Ferner definiert die Kanalkörperwandung 50 des Strömungskanals 40 eine Kanalkörperlängsachse 41, die darüber hinaus zugleich eine bevorzugte Strömungsrichtung 11, 12 des Wärmetauscherfluids vorgibt.
Jedenfalls ist an wenigstens einer Kanalkörperwandung 50 eines Strömungskanals 40 eine Turbulator-Gruppierung 60 angeordnet, die jeweils von der Kanalkörperwandung 50 in den freien Strömungsquerschnitt 42 hineinragt, wie beispielsweise in der 2 zu erkennen ist.
Dabei verfügt die Turbulator-Gruppierung 60 über, insbesondere zwei oder drei, mehrere Turbulator-Anordnungen 61, 62, die in einer alternierenden Reihenfolge an der Kanalkörperwandung 50 angeordnet sind.
Die Turbulator-Anordnungen 61, 62 sind dabei so im Strömungskanal 40 angeordnet, dass sie mit dem Wärmetauscherfluid strömungsbeeinflussend zusammenwirken können, also insbesondere in der Art, dass sie beispielsweise Turbulenzen in der Fluidströmung vergrößern oder verkleinern können.
Insbesondere in der 3 ist zu erkennen, dass die Turbulator-Gruppierung 60 exemplarisch eine erste und eine zweite Turbulator-Anordnung 61, 62 aufweist, wobei die erste Turbulator-Anordnung 61 mehrere erste Turbulator-Körper 70 aufweist. Ferner ist vorgesehen, dass die Turbulator-Anordnung 62 mehrere zweite Turbulator-Körper 80 aufweist.
Die Turbulator-Körper 70, 80 sind dabei zweckmäßigerweise jeweils von der Kanalkörperwandung 50 radial in Richtung der Kanalkörperwandung 41 orientiert, so dass sie in den freien Strömungskanal 42 hineinragen, allerdings zweckmäßigerweise unterschiedlich weit.
Ferner ist zu erkennen, beispielsweise in den 3 und 4, dass die ersten Turbulator-Körper 70 und die zweiten Turbulator-Körper 80 in Richtung einer gestrichelt angedeuteten Kanalkörperlängsachse 41 alternierend angeordnet sind. Den ersten Turbulator-Körpern 70 folgen sozusagen Turbulator-Körper 80, worauf wieder Turbulator-Körper 70 folgen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Turbulator-Anordnung 61 eine Reihe, insbesondere eine Vielzahl, von ersten Turbulator-Körpern 70 umfasst, die an der Kanalkörperwandung 50 angeordnet und in Richtung der Kanalkörperlängsachse 41 sozusagen hintereinander fluchtend angeordnet sind. Beispielsweise folgt der ersten Turbulator-Anordnung 61 in Richtung der Kanalkörperlängsachse 41 eine zweite Turbulator-Anordnung 62, die lediglich eine einzige Reihe von Turbulator-Körper 80 aufweist.
Denkbar ist auch, dass die ersten Turbulator-Körper 70 und die zweiten Turbulator-Körper 80 in einer bezüglich der Kanalkörperlängsachse 41 quer orientierten Querrichtung 43 alternierend angeordnet sind, so dass beispielsweise quer zur Strömungsrichtung betrachtet jeweils unterschiedliche Turbulator-Körper 70, 80 aufeinanderfolgen.
Wie gemäß 1 und 2 zu erkennen ist, kann der Strömungskanal 40 in der Gestalt eines Flachrohres 51 ausgebildet sein. Ein derartiges Flachrohr 51 weist zweckmäßigerweise eine Kanalkörperwandung 50 auf, die insbesondere zwei gegenüberliegende Großflächenwände 52 und zwei gegenüberliegende Rundwände 53 aufweist. Die Großflächenwände 52 und die Rundwände 53 sind so aneinander angeordnet, dass sie das Flachrohr 51 bilden. An den beiden Großflächenwände 52 und/oder den Rundwänden 53 sind jeweils Turbulator-Anordnungen 61, 62 vorgesehen, die in den freien Strömungskanal 42 hineinragen, um die Strömung zu beeinflussen.
Zweckmäßigerweise erstreckt sich der Strömungskanal 40, insbesondere zur einfacheren Beschreibung, entlang von zwei imaginären planen Raumebenen 13, 14. Die beiden Raumebenen 13, 14 sind zueinander orthogonal orientiert und schneiden sich in einer Schnittgeraden 15, die koaxial zur Kanalkörperlängsachse 41 angeordnet ist. Insgesamt ist damit ein Strömungskanal 40, insbesondere ein Flachrohr 51, in vier Quadranten unterteilt, wobei insbesondere die beiden Großflächenwände 52 parallel zu einer der beiden Raumebenen 13,14 ausgerichtet ist.
Wie gemäß 2 zu erkennen ist, kann an der Kanalkörperwandung 50 wenigstens eine Turbulator-Anordnung 61, 62 angeordnet sein, deren Turbulator-Körper 70, 80 jeweils von der Kanalkörperwandung 50 weg ragen. Insbesondere sind die Turbulator-Körper 70, 80 jeweils orthogonal zu einer der beiden Raumebenen 13, 14 ausgerichtet, so dass die Turbulator-Körper 70, 80 jeweils in den freien Strömungsquerschnitt 42 hineinragen, um mit dem durch den Strömungskanal 40 und/oder das Flachrohr 51 strömenden Fluid zusammenzuwirken.
Exemplarisch ragen die Turbulator-Körper 70, 80 unterschiedlich weit in den freien Strömungsquerschnitt 42 hinein, beispielsweise ragt der eine Turbulator-Körper 80 nur halb so weit in den freien Strömungsquerschnitt 42 hinein, wie der andere Turbulator-Körper 70.
Exemplarisch kann die Turbulator-Gruppierung 60 eine oder mehrere Sickenanordnung 61a, 62a umfassen. Jede Sickenanordnung 61a, 62a weist Sickenkörper 70a, 80a auf, die in ihrer Funktion den Turbulator-Körpern 70, 80 entsprechen. Die Sickenkörper 70a, 80a können so außen, insbesondere von außerhalb des Strömungskanals 40 oder des Flachrohrs 51, an der Kanalkörperwandung 50 angeordnet sein, sodass jeweils ein als Sickengrund 63a bezeichneter Teil des Sickenkörpers 70a, 80a in den freien Strömungsquerschnitt 42 hineinragt, um mit dem durch den Strömungskanal 40 oder das Flachrohrs 51 strömenden Fluid zusammenzuwirken. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise vorgesehen sein, um die Herstellung eines Strömungskanals 40 oder eines Flachrohrs 51 zu vereinfachen. Beispielsweise kann ein Ausgangsmaterial für einen Strömungskanal 40 oder ein Flachrohr 51, bei dem es sich insbesondere um ein Blech handelt, mittels einer entsprechend strukturierten Walze bearbeitet werden, wobei die Turbulator-Körper 70, 80/ Sickenkörper 70a, 80a in das Ausgangsmaterial eingebracht werden.
Jedenfalls können die ersten Turbulator-Körper 70 als Pinkörper 71 gestaltet sein, der beispielsweise eine stiftartige Gestalt hat, wie in 7 angedeutet ist.
Die Pinkörper 71 können auch eine geschwungene, hügelartige Form aufweisen, wie beispielsweise in 2 zu erkennen ist.
Zweckmäßigerweise ist jeder Pinkörper 71 von zylindrischer oder hohlzylindrischer Gestalt und weist einen runden, ovalen, tropfenförmigen oder vieleckigen Querschnitt auf. Es versteht sich von alleine, dass die Kanten des Pinkörpers 71 entweder relativ spitz winkelig gestaltet sein können, wie die Schneide eines Messers, oder abgerundet sein können.
Die zweiten Turbulator-Körper 80 sind zweckmäßigerweise als ein Flachkörper 81 oder als ein Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 gestaltet, wie in 2 und 8 angedeutet ist. Die Flachkörper 81/ Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 können prinzipiell, wie die ersten Turbulator-Körper 70, eine geschwungene, hügelartige Form aufweisen.
Bevorzugt können die Flachkörper 81/ Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 im Vergleich mit den ersten Turbulator-Körpern 70 relativ flach gestaltet sein. Die Flachkörper 81/ Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 ragen daher nicht so weit in den freien Strömungsquerschnitt 42 hinein, wie die Pinkörper 71 der ersten Turbulator-Körper 70. Zweckmäßigerweise ist jeder Flachkörper 81 / Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 von quaderartiger, teilzylindrischer oder teilhohlzylindrischer Gestalt und weist einen runden, ovalen, tropfenförmigen oder vieleckigen Querschnitt auf. Auch die die Kanten der Flachkörper 81/ Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 können entweder relativ spitz winkelig gestaltet sein, wie die Schneide eines Messers, oder abgerundet sein.
Wie beispielsweise in den 3, 4 und 6 zu erkennen ist, können die zweiten Turbulator-Körper 80 relativ zur Kanalkörperlängsachse 41 schief, insbesondere windschief angeordnet sein. Insbesondere begrenzen die zweiten Turbulator-Körper 80 mit ihrem Körper und mit der Kanalkörperlängsachse 41 jeweils einen Winkel, der in den 4 und 6 exemplarisch mit dem Bezugszeichen 83 bezeichnet ist. Der Winkel 83 ist praktisch ein spitzer Winkel, er liegt daher im Bereich zwischen 0° und 90°. Es ist auch denkbar, dass der Winkel 83 beispielsweise, gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, zwischen 90° und 180° beträgt.
2 zeigt exemplarisch eine Anordnung von Turbulator-Körpern 70, 80, die in einer zur Kanalkörperlängsachse 41 querorientierten Querrichtung 43 alternierend zueinander angeordnet sind. Die Turbulator-Körper 70, 80 ragen dabei von zwei gegenüberliegenden Kanalkörperwandungen 50 in den freien Strömungsquerschnitt 42 des Strömungskanals 40 hinein, um mit der Strömung zusammenzuwirken. Die ersten Turbulator-Körper 70 der ersten Turbulator-Anordnung 61 sind als hügelartige Pinkörper 71 gestaltet. Die zweiten Turbulator-Körper 80 der zweiten Turbulator-Anordnung 62 sind als Flachkörper 81 gestaltet. Die Flachkörper 81 ragen weniger weit von den Kanalkörperwandung in 50 in den freien Strömungskanal 42 ein, als die ersten Turbulator-Körper 70. Jedenfalls wirken die Turbulator-Körper 70, 80 so zusammen, dass insgesamt ein verbessertes Strömung Verhalten des Fluid im Strömungskanal 40 erreicht ist.
In 2, 3 ist ferner zu erkennen, dass die zweiten Turbulator-Körper 80 relativ zur Kanalkörperlängsachse 41 windschief angeordnet sind, wobei sie eine Körper-Raumebene 82 aufspannen, die zur Kanalkörperlängsachse 41 echt parallel ist. Das heißt, dass die Kanalkörperlängsachse 41 und die Körper-Raumebene 82 keine gemeinsamen Punkte, insbesondere keinen Schnittpunkte, besitzen.
In 3 ist konkret zu erkennen, dass die zweiten Turbulator-Anordnung 62 eine Vielzahl von zweiten Turbulator-Körper 80 umfasst, die als Flachkörper 81 gestaltet sind. Die Flachkörper 81 bilden dabei mit der Kanalkörperlängsachse 41 einen Winkel 83, der exemplarisch 30° beträgt. Der zweiten Turbulator-Anordnung 62 folgt die erste Turbulator-Anordnung 61, die eine einzige Reihe von ersten Turbulator-Körper 70 umfasst. Es schließen sich in Richtung 11 wieder eine Vielzahl von zweiten Turbulator-Körper 80 an.
In 4 ist konkret zu erkennen, dass die zweite Turbulator-Anordnung 62 eine Vielzahl von zweiten Turbulator-Körper 80 umfasst, nämlich drei Flachkörper 81. Sie bilden mit der Kanalkörperlängsachse 41 einen Winkel 83, der exemplarisch 40° beträgt. Der zweiten Turbulator-Anordnung 62 folgt wieder die erste Turbulator-Anordnung 61, die eine einzige Reihe von ersten Turbulator-Körper 70 umfasst. Diese Anordnung wiederholt sich entlang der Kanalkörperwandung 50 in Richtung 11 beliebig oft.
In 5 ist konkret zu erkennen, dass eine zweite Turbulator-Anordnung 62 eine Vielzahl von zweiten Turbulator-Körper 80 umfasst, die bezüglich der Strömung oder bezüglich der Kanalkörperlängsachse 41 orthogonal angeordnet sind. Exemplarisch sind drei Flachkörper 81 vorgesehen. Jedenfalls folgt der zweiten Turbulator-Anordnung 62 wieder die erste Turbulator-Anordnung 61, wobei diese eine einzige Reihe von ersten Turbulator-Körper 70 umfasst.
In der 6 ist zu erkennen, dass die zweite Turbulator-Anordnung 62 eine Vielzahl von zweiten Turbulator-Körper 80 umfasst. Sie entsprechen in ihrer Anordnung den Turbulator-Körpern 80 gemäß 4. Die sich in Richtung 11 anschließende zweite Turbulator-Anordnung 62 weist erste Turbulator-Körper 70 auf, die in diesem Fall als eine mehrreihige Anordnung von mehreren Pinkörpern 71 gestaltet ist.
In den 7 und 8 sind in Quadranten I-IV der Pinkörper 71 bzw. der Flachkörper/Kreiszylinder-Längsschnittkörper 81 dargestellt. Der Pinkörper 71 gemäß 7, Quadrant I-II ist von zylindrischer Gestalt und weist einen runden, elliptischen Querschnitt auf, was beispielsweise im Quadrant III dargestellt ist. In Quadrant IV ist exemplarisch ein Strömungsverlauf eines Fluids durch den Strömungskanal 40 dargestellt, wobei durch die Pinkörper 71 sozusagen eine turbulente Strömung im Fluid erzeugt wird. Es ist allerdings auch möglich, dass die Pinkörper 71, beispielsweise wenn sie im Querschnitt tropfenförmig gestaltet sind, statt einer turbulenten Strömung eine laminare Strömung und/oder eine Kombination aus laminarer Strömung und turbulenter Strömung im Strömungskanal 40 erzeugen.
Der Flachkörper 81 ist, gemäß 8, Quadrant I-II, von flacher Gestaltet und weist einen länglichen und quaderartigen Flachkörper auf, der im Querschnitt beispielsweise rechteckig ist. Wie der Pinkörper 71, beeinflusste der Flachkörper 81 die Strömung, die durch den Strömungskanal 40 hindurchströmt. Dies ist exemplarisch im Quadrant IV angedeutet. Auch hier kann eine turbulente Strömung im Fluid erzeugt werden, wobei ebenfalls möglich ist, dass der Flachkörper 81 statt einer turbulenten Strömung eine laminare Strömung und/oder eine Kombination aus laminarer Strömung und turbulenter Strömung im Strömungskanal 40 erzeugt wo.
In 10 ist insgesamt ein Diagramm 100 dargestellt, das die Wirksamkeit einer exemplarischen Turbulator-Gruppierung gemäß 2 aufzeigen möchte. Dabei ist ein Verhältnis aus Leistung und Druckabfall über ein zahlenmäßiges Verhältnis von ersten und zweiten Turbulator-Körpern aufgetragen.
An einer mit Bezugszeichen 101 bezeichneten Abszisse des Diagramms 100 ist ein zahlenmäßiges Verhältnis von ersten zu zweiten Turbulator-Körpern 70, 80 aufgetragen. Mit einem Pfeil 103 angedeutet ist beispielsweise ein hoher Anteil von Flachkörper 81 (Turbulator-Körper 80). Mit einem Pfeil 104 angedeutet ist beispielsweise ein hoher Anteil von Pinkörper 71 (Turbulator-Körper 70).
Dargestellt ist, dass die Verwendung der Turbulator-Körper 70, 80 in einem Flachrohr 51 zur Beeinflussung der Strömung führt. So führen Pinkörper 71 zu einer laminaren instationären oder turbulente Strömung (Strukturen), denen zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung wandnahe Flachkörper 81 nachgeschaltet sind, um eine Minimierung von Grenzschichtströmungen zu erreichen. Das hat den Vorteil, dass zur Realisierung von Wärmeübergangskoeffizienten die Eindringtiefe der wandnahen Flachkörper 81 in den freien Strömungsquerschnitt 42 reduziert werden kann.
An der mit Bezugszeichen 105 bezeichneten Ordinate des Diagramms 100 sind verschiedene Betriebsbedingungen dargestellt, wobei ein Betriebsfenster der Wärmetauscheranordnung in einem Bereich von 7<Pr<100 und 10<Re<5000, (Pr=Prandtl-Zahl und Re=Reynolds-Zahl) zu erkennen ist. An der Ordinate 105 kann ebenfalls die maximale Effizienz, in Abhängigkeit der Prandtl- und Reynolds-Zahl, abgelesen werden.
Was vorstehend als „Effizienz“ bezeichnet ist, wird im Diagramm 100 anhand des Thermal Enhancement Faktors TEF exemplarisch für geringe und hohe Prandtl-Zahlen aufgetragen. Dieser Faktor vergleicht die Nusselt-Zahl eines Profils einer Turbulator-Gruppierung 60 mit der Nusselt-Zahl eines Strömungskanals 40 ohne Turbulator-Gruppierung 60.
Mit Bezugszeichen 106 ist ein im Diagramm 100 markierter Bereich des Betriebsfensters dargestellt, der auch als „Effizienter Bereich“ bezeichnet werden könnte.
Jedenfalls ist innerhalb dieses Bereichs 106 durch die Verwendung einer Turbulator-Gruppierung 60 ein relativ effizienter Betrieb einer Wärmetauscheranordnung 10 oder eines Wärmeübertragers 10 möglich.
Zuletzt sind im Diagramm 100 verschiedene Effizienzkurven 107, 108 dargestellt. Die mit durchgezogenen Linien dargestellten ersten Effizienzkurven 107 und die mit gestrichelten Linien dargestellten zweiten Effizienzkurven 108 repräsentieren dabei jeweils die Effizienz der Turbulator-Gruppierung 60 bei unterschiedlichen Reynolds-Zahlen. Im Falle der ersten Effizienzkurven 107 ist eine Prandtl-Zahle im Bereich von 7-25 eingestellt. Im Falle der zweiten Effizienzkurven ist eine Prandtl-Zahl von 25-100 zugrunde gelegt.

Claims

Wärmetauscheranordnung (10), insbesondere zum Kühlen und/oder Wärmen eines Wärmetauscherfluids, - mit einem ein Wärmetauschergehäuse (30) aufweisenden Wärmetauscher (20), - mit mindestens einem im Wärmetauschergehäuse (30) angeordneten und eine Kanalkörperlängsachse (41) definierenden Strömungskanal (40), - wobei der Strömungskanal (40) eine einen freien Strömungsquerschnitt (42) begrenzende Kanalkörperwandung (50) zum Führen des Wärmetauscherfluids in einer durch die Kanalkörperlängsachse (41) definierten Strömungsrichtung (11, 12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, - dass an der Kanalkörperwandung (50) eine Turbulator-Gruppierung (60) angeordnet ist, die jeweils von der Kanalkörperwandung (50) in den freien Strömungsquerschnitt (42) hinein ragende Turbulator-Anordnungen (61, 62) umfasst, um mit dem durch den Strömungskanal (40) strömenden Wärmetauscherfluid strömungsbeeinflussend zusammenzuwirken.
Wärmetauscheranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Turbulator-Anordnungen (61, 62) in Richtung der Kanalkörperlängsachse (41) in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind.
Wärmetauscheranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass die Turbulator-Anordnungen (61, 62) in einer zur Kanalkörperlängsachse (41) quer orientierten Querrichtung (43) in einer alternierenden Reihenfolge angeordnet sind.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass eine erste und eine zweite Turbulator-Anordnung (61, 62) vorhanden ist, - wobei die erste Turbulator-Anordnung (61) mehrere erste Turbulator-Körper (70) aufweist, - wobei die zweite Turbulator-Anordnung (62) mehrere zweite Turbulator-Körper (80) aufweist, - wobei die ersten Turbulator-Körper (70) und die zweiten Turbulator-Körper (80) in Richtung der Kanalkörperlängsachse (41) oder quer dazu alternierend angeordnet sind.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass an der Kanalkörperwandung (50) wenigstens eine Turbulator-Anordnungen (61, 62) angeordnet ist, deren Turbulator-Körper (70, 80) jeweils von der Kanalkörperwandung (50) radial in Richtung der Kanalkörperachse (41) orientiert in den freien Strömungsquerschnitt (42) hinein ragen.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der Strömungskanal (40) ein Flachrohr (51) ist, dessen Kanalkörperwandung (50) zwei gegenüberliegende Großflächenwände (52) und zwei gegenüberliegende Rundwände (53) aufweist, wobei an den beiden Großflächenwänden (52) und/oder den Rundwänden (53) jeweils Turbulator-Anordnungen (61, 62) angeordnet sind, die in den freien Strömungsquerschnitt (42) hinein ragen.
Wärmetauscheranordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, - dass sich der Strömungskanal (40) entlang von zwei imaginären planen Raumebenen (13, 14) erstreckt, die zueinander orthogonal orientiert sind und sich in einer Schnittgerade (15) schneiden, - wobei die Schnittgerade (15) koaxial zur Kanalkörperlängsachse (41) angeordnet ist, - wobei die Großflächenwände (52) parallel zu einer Raumebene (13, 14) ausgerichtet sind und - wobei an der Kanalkörperwandung (50) wenigstens eine Turbulator-Anordnungen (61, 62) angeordnet ist, deren Turbulator-Körper (70, 80) jeweils von der Kanalkörperwandung (50), insbesondere von den Großflächenwänden (52), weg und orthogonal zu einer der beiden Raumebenen (13, 14) orientiert in den freien Strömungsquerschnitt (42) hinein ragen.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Turbulator-Gruppierung (60) mehrere Turbulator-Sickenanordnungen (61a, 62a) aufweist, die jeweils Sickenkörper (70a, 80a) umfassen, - wobei die Sickenkörper (70a, 80a) so außen, insbesondere von außerhalb des Strömungskanals (40), an der Kanalkörperwandung (50) angeordnet sind, dass jeweils ein Sickengrund (63a) eines Sickenkörpers (70a, 80a) einer Sickenanordnungen (61a, 62a) in den freien Strömungsquerschnitt (42) hinein ragt.
Wärmetauscheranordnung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, - dass die Turbulator-Sickenanordnungen (61a, 62a) an den zwei gegenüberliegenden Großflächenwänden (52) angeordnet sind.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die ersten Turbulator-Körper (70) jeweils, insbesondere stiftartige, Pinkörper (71) sind und/oder - wobei die Pinkörper (71) jeweils einen zylindrischen oder hohlzylindrischen Grundkörper und einen runden, ovalen, tropfenförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die zweiten Turbulator-Körper (80) jeweils Flachkörper (81) oder Kreiszylinder-Längsschnittkörper (81) sind und/oder - wobei die Flachkörper (81) oder Kreiszylinder-Längsschnittkörper (81) jeweils einen quaderartigen, teilzylindrischen oder teilhohlzylindrischen Grundkörper und jeweils einen runden, ovalen, tropfenförmigen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die zweiten Turbulator-Körper (80) relativ zur Kanalkörperlängsachse (41) windschief angeordnet sind oder - dass die zweiten Turbulator-Körper (80) eine Körper-Raumebene (82) aufspannen, die zur Kanalkörperlängsachse (41) echt parallel ist, also so dass die Kanalkörperlängsachse (41) und die Körper-Raumebene (82) keine gemeinsamen Punkte, insbesondere keinen Schnittpunkte, besitzen, - wobei die Turbulator-Körper (80) innerhalb der Körper-Raumebene (82) schief zur Kanalkörperlängsachse (41) angeordnet sind und insbesondere einen Winkel (83) mit der Kanalkörperlängsachse (41) von 10°, 20°, 30°, 40°, 45°, 50°, 60°, 70°, 80° einschließen.
Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, - mit mindestens einem Wärmetauschergehäuse (30) - mit einem mehrere Strömungskanäle (41) aufweisenden Strömungskanalbündel (90), - mit einem einen Strömungseingang (92) und einen Strömungsausgang (93) aufweisenden Versorgungsanschluss (91), - mit jeweils einer an einem Strömungskanal (41) angeordneten Turbulator-Gruppierung (60), die nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgeführt ist.
Wärmetauscheranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass die Turbulator-Anordnungen (61, 62) der Turbulator-Gruppierung (60) mittels eines zahlenmäßigen Anzahlverhältnis beschreibbar sind, - wobei das Anzahlverhältnis die Effizienz der Turbulator-Gruppierung (60) bei unterschiedlichen Reynolds-Zahlen und/oder Prandtl-Zahlen widergibt, - wobei das Anzahlverhältnis gebildet ist durch einen Quotient aus einer Anzahl von zweiten Turbulator-Körpern (80) einer zweiten Turbulator-Anordnung (62) und einer Anzahl von ersten Turbulator-Körpern (70) einer ersten Turbulator-Anordnung (61) und/oder - dass das Anzahlverhältnis dimensionslos ist und/oder - dass das Anzahlverhältnis unabhängig von einer Prandtl-Zahl und/oder einer Reynolds-Zahl ist und/oder - dass sich ein Effizienzmaxima für ein Anzahlverhältnis von 90%/10% bis 30/70% ergibt.