DE10342241A1 - heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The The invention relates to a heat exchanger, in particular for motor vehicles, with the features of the preamble of claim 1.
Ein derartiger Wärmetauscher kann beispielsweise als integrierter Wärmetauscher mit einem Kondensator einer Klimaanlage und einem Kühlmittel-Kühler für Kraftfahrzeuge ausgebildet sein. Der Wärmetauscher weist üblicherweise eine Anzahl nebeneinander angeordneter, parallel zueinander verlaufender Flachrohre in mehreren Reihen auf. In diesen Flachrohrreihen fließen erste Fluide, im obigen Beispiel ein Kältemittel und ein Kühlmittel. Die Flachrohre sind an Sammelleitungen oder Sammelrohre angeschlossen und der Strömung eines zweiten Fluids, beispielsweise Umgebungsluft, ausgesetzt, um einen Wärmeübergang zwischen den Fluiden zu bewirken. Zwischen den einzelnen, voneinander beabstandeten Flachrohren sind Strömungswege für das zweite Fluid ausgebildet.One such heat exchanger For example, as an integrated heat exchanger with a capacitor an air conditioner and a coolant radiator for motor vehicles be educated. The heat exchanger usually indicates a number of juxtaposed, parallel to each other Flat tubes in several rows. First flow in these rows of flat tubes Fluids, in the above example a refrigerant and a coolant. The flat tubes are connected to manifolds or manifolds and the flow a second fluid, such as ambient air, exposed, for a heat transfer between the fluids. Between the individual, from each other spaced flat tubes are formed flow paths for the second fluid.
Zur
Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen
den Fluiden sind zwischen den Flachrohren an diesen befestigte Kühlrippen
angeordnet. Die Oberflächen
der Kühlflächen liegen
bei dem aus der
Ein
weiterer Wärmetauscher
mit Kühlrippen ist
beispielsweise aus der
Bei
integrierten Wärmetauschern
tritt häufig das
Problem auf, daß über eine
gemeinsame Wellrippe, das heißt über einstückig ausgebildete
Wellrippen der Einzelwärmetauscher,
Wärme von
einem Einzelwärmetauscher
auf den anderen übertritt.
Um diesen unerwünschten
Wärmeübergang
zu reduzieren, ist beispielsweise in der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art mit Kühlrippen anzugeben, die strömungsgünstig gestaltet sind und zugleich eine thermische Kopplung zwischen mehreren ersten Fluiden reduzieren.Of the Invention is based on the object, a heat exchanger of the aforementioned Type with cooling fins specify that streamlined designed are and at the same time a thermal coupling between several first Reduce fluids.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hierbei weist der Wärmetauscher von ersten Fluiden durchströmbare Flachrohre auf, die außen mit einem zweiten Fluid beaufschlagbar sind und im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids derart parallel zueinander angeordnet sind, dass für das zweite Fluid Strömungswege ausgebildet sind, in denen Kühlrippen angeordnet sind, die sich jeweils zwischen benachbarten Flachrohren erstrecken. Die Kühlrippen sind hierbei als Wellrippen ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung des zweiten Fluids mehrere Wellrippen hintereinander angeordnet sind und diese seitlich, das heißt in Strömungsrichtung der ersten Fluide, zueinander versetzt sind. Durch die Versetzung hintereinander angeordneter Wellrippen wird ein sehr hoher Anteil des den Wärmetauscher durchströmenden zweiten Fluids zur Wärmeübertragung genutzt. Bei Wellrippen mit Kiemen strömt gegebenenfalls insgesamt ein höherer Massenstrom des zweiten Fluids durch Kiemen, die im Bereich der für das zweite Fluid stromabwärts liegenden Seite einer Rippe angeordnet sind, als ohne den Versatz zwischen den Wellrippen. Dies bewirkt gegebenenfalls eine erhöhte Wärmeübertragungsleistung in diesem Bereich. Desweiteren wird eine Temperaturgrenzschicht, die sich gegebenenfalls an einer Rohrwand ausbildet, beeinflußt, so daß unter Umständen ein Wärmetransport von der Rohrwand auf das zweite Fluid oder umgekehrt erhöht wird. Durch die versetzte Anordnung der Wellrippen wird gleichzeitig ein unerwünschter Wärmeübertrag zwischen verschiedenen Rohrreihen über die Wellrippen reduziert, obwohl die Rippen aus einem gemeinsamen Band gebildet sind. Dies ist wiederum in fertigungstechnischer Sicht vorteilhaft, da mehrere hintereinander angeordnete, aus einem gemeinsamen Band gebildete, das heißt einstückige Wellrippen einfach zwischen die Rohrreihen des Wärmetauschers einsetzbar sind. Die Wellrippen einschließlich der Kiemen sind insbesondere durch Walzen aus einem Metallband herstellbar.This object is achieved by a heat exchanger having the features of claim 1. In this case, the heat exchanger of first fluids through flowable flat tubes, which are externally acted upon by a second fluid and are arranged substantially parallel to the flow direction of the second fluid in parallel to each other that for the second fluid flow paths are formed, in which cooling fins are arranged, each extending between adjacent flat tubes. The cooling fins are in this case formed as corrugated fins, wherein a plurality of corrugated fins are arranged one behind the other in the flow direction of the second fluid and these laterally, that are offset in the flow direction of the first fluid to each other. By displacing corrugated ribs arranged one behind the other, a very high proportion of the second fluid flowing through the heat exchanger is used for heat transfer. Optionally, for gilled corrugated fins, an overall higher mass flow of the second fluid flows through gills located in the region of the second fluid downstream side of a rib than without the offset between the corrugated fins. This may cause increased heat transfer performance in this area. Furthermore, a temperature boundary layer, which optionally forms on a pipe wall, influenced, so that under certain circumstances, a heat transfer from the pipe wall to the second fluid or vice versa is increased. The staggered arrangement of the corrugated fins an undesirable heat transfer between different rows of tubes is reduced via the corrugated fins, although the ribs from a ge my band are formed. This is in turn advantageous in production terms, since several successively arranged, formed from a common band, that is integral corrugated fins are easy to insert between the rows of tubes of the heat exchanger. The corrugated ribs including the gills are in particular produced by rolling from a metal strip.
Eine strömungsgünstige Gestaltung der Wellrippen wird bevorzugt dadurch erreicht, dass deren Oberflächen im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids liegen, d.h. die Flächennormalen der Wellrippen im Wesentlichen einen rechten Winkel mit der Strömungsrichtung des zweiten Fluids einschließen. Trotz dieser strömungsgünstigen Ausbildung der Wellrippen ist durch den seitlichen Versatz hintereinander angeordneter Wellrippen sichergestellt, dass nur ein geringerer Anteil des zweiten Fluids ungenutzt, d.h. ohne nennenswerte Wärmeübertragung, zwischen den Flachrohren hindurchströmt als ohne einen solchen Versatz. Dieser Vorteil tritt umso deutlicher in Erscheinung, je höher der Rippenabstand b zwischen zwei Rippen ist. Vorzugsweise sind zwei oder drei gleichartig geformte Wellrippen versetzt zueinander hintereinander angeordnet. Um eine hohe Wärmeübertragungsleistung zu gewährleisten, sind die einzelnen Wellrippen vorzugsweise direkt aneinander grenzend, d.h. ohne Abstand in Strömungsrichtung des zweiten Fluids, angeordnet. Hierdurch ist eine große Wärmetauscherfläche gegeben. Alternativ hierzu kann, um den Strömungswiderstand zu reduzieren, eine beabstandete Anordnung der in diesem Fall schmaleren Wellrippen vorgesehen sein.A aerodynamic design The corrugated ribs are preferably achieved in that their surfaces in Essentially parallel to the flow direction of the second fluid, i. the surface normals of the corrugated ribs essentially a right angle with the flow direction of the second fluid lock in. Despite this streamlined Formation of the corrugated ribs is due to the lateral offset one behind the other arranged corrugated ribs ensures that only a lesser Portion of the second fluid unused, i. without appreciable heat transfer, flows between the flat tubes than without such an offset. This Advantage is all the more evident, the higher the Rib spacing b between two ribs is. Preferably, two or three similarly shaped corrugated ribs offset from one another arranged one behind the other. For a high heat transfer performance to ensure, the individual corrugated ribs are preferably directly adjacent to one another, i.e. without distance in the flow direction of the second fluid. As a result, a large heat exchanger surface is given. Alternatively, to reduce the flow resistance, a spaced arrangement of the narrower in this case corrugated fins be provided.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Wellrippen Kiemen zur Lenkung des zweiten Fluids auf. Durch eine sich an den Kiemen ausbildende sogenannte Anlaufströmung, die in einem Bereich der Wellrippe einen hohen Temperaturgradienten aufweist, ist eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Fluid und den Wellrippen sichergestellt.To In a preferred embodiment, the corrugated fins gills to Steering of the second fluid. By training on the gills so-called start-up flow, which has a high temperature gradient in a region of the corrugated fin, is an improved heat transfer between the second fluid and the corrugated fins ensured.
Bevorzugt sind alle Kiemen eines zwischen zwei Flachrohren eingeschlossenen Rippenabschnitts einer Wellrippe in der gleichen Richtung gegenüber der Strömungsrichtung des zweiten Fluids schräg gestellt. Eine gleichartige Schrägstellung der Kiemen innerhalb eines Rippenabschnitts hat den Vorteil, daß damit gegebenenfalls die Strömung gezielt auf einen stromabwärts liegenden Rippenabschnitt lenkbar ist.Prefers are all the gills of a trapped between two flat tubes Rib section of a corrugated fin in the same direction opposite to the flow direction the second fluid obliquely posed. A similar inclination the gill within a rib section has the advantage of being so if necessary, the flow targeted to a downstream lying rib section is steerable.
Die Kiemen versetzt hintereinander angeordneter Rippenabschnitte sind vorzugsweise gegensinnig schräg gestellt, damit dem den Wärmetauscher durchströmenden zweiten Fluid ein längerer Strömungsweg vorgegeben wird. Die Kiemen zweier benachbarter Kiemenfelder können auch gleichsinnig schräg gestellt sein, wobei es dann unter Umständen vorteilhaft ist, wenn die Kiemen eines zu den beiden zueinander benachbarten Kiemenfeldern stromaufwärts beziehungsweise -abwärts angeordneten Kiemenfeldes gegensinnig zu den Kiemen der beiden zueinander benachbarten Kiemenfelder schräggestellt sind.The Gills offset successively arranged rib sections are preferably inclined in opposite directions placed so that the heat exchanger flowing through the second Fluid a longer one flow is given. The gills of two adjacent gill fields can also in the same direction at an angle it may be advantageous under certain circumstances if the gills of one of the two adjacent gill fields upstream or down arranged gill field in opposite directions to the gills of the two to each other slanted adjacent gill panels are.
Eine gleichmäßige Abdeckung des vom zweiten Fluid durchströmten Strömungsquerschnitts wird bevorzugt dadurch erreicht, daß versetzt hintereinander angeordnete Rippenabschnitte parallel zueinander verlaufen. Hierbei stehen die zueinander versetzten Rippenabschnitte bevorzugt senkrecht auf den Flachrohren. Wenn die Rippenflächen etwas (bis etwa 6 Grad) von der Parallelität abweichen, wobei sie dann im Rahmen der Erfindung noch als im Wesentlichen parallel anzusehen sind, werden dadurch die thermodynamischen Vorteile der zueinander versetzten Rippen kaum beeinträchtigt. Ebenso ist die Verwendung von sogenannten V-Rippen oder auch von beliebig abgerundeten Rippen denkbar. Die erfindungsgemäße Rippengeometrie ist insbesondere bei Kraftfahrzeug-Wärmeübertragern wie Kühlmittelkühlern, Heizkörpern, Kondensatoren und Verdampfern anwendbar.A uniform coverage of the second fluid flowed through Flow cross section is preferably achieved in that offset successively arranged rib sections parallel to each other run. Here are the mutually offset rib sections preferably perpendicular to the flat tubes. If the ribbed surfaces are slightly (until about 6 degrees) from the parallelism differ, in which case they still in the context of the invention as essentially are considered in parallel, thereby thermodynamic advantages the staggered ribs hardly affected. Likewise, the use of so-called V-ribs or of any rounded ribs conceivable. The rib geometry according to the invention is especially in automotive heat exchangers such as coolant radiators, radiators, capacitors and evaporators applicable.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kiementiefe LP im Bereich von 0,7 bis 3 mm bei einem Kiemenwinkel von 20 bis 30 Grad leistungssteigernd, weil dadurch der Strömungswinkel, d.h. die Umlenkung des zweiten Fluids von einem Kanal in den benachbarten vergrößert wird, wodurch sich wiederum ein längerer Strömungsweg für das zweite Fluid ergibt. Die Rippenhöhe für ein solches System liegt vorteilhafterweise im Bereich von 4 bis 12 mm. Die Rippendichte für dieses System liegt vorteilhafterweise im Bereich von 40 bis 85 Ri/dm, was einem Rippenabstand bzw. einer Rippenteilung von 1,18 bis 2,5 mm entspricht.To An advantageous development of the invention is the Kiementiefe LP in the range of 0.7 to 3 mm at a gill angle of 20 to 30 degrees performance enhancing, because thereby the flow angle, i. the diversion the second fluid is increased from one channel to the next, which in turn results in a longer one flow for the second fluid results. The rib height for a such system is advantageously in the range of 4 to 12 mm. The rib density for this system is advantageously in the range of 40 to 85 Ri / dm, which is a rib spacing or rib pitch of 1.18 corresponds to 2.5 mm.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:embodiments The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Here in demonstrate:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.
Die
Zwischen
zwei jeweils benachbarten Flachrohren
Aus
den Rippenabschnitten
Zwei
zwischen zwei Flachrohren
Zwei
bzw. drei benachbarte Wellrippen
Die
an den Flachrohren
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise zwei, drei oder auch mehr gleichartig geformte Wellrippen (Kühlrippen) versetzt zueinander hintereinander angeordnet, d.h. die eine Wellrippe mit strömungsleitenden Lamellen (Kiemen) kann in mehreren Ebenen versetzt zueinander liegen. Dabei kann die Anzahl der Wellrippen, die in Strömungsrichtung des zweiten Fluids betrachtet hintereinander angeordnet sind, in Abhängigkeit von der Tiefe des Wärmetauschers und/oder der Tiefe der Wellrippen gewählt werden. Dabei können bei einer Bautiefe von 12 bis 18 mm beispielsweise 2, 3 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 24 mm können beispielsweise 2, 3, 4 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 30 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 36 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 42 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 48 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 54 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 60 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Reihen Verwendung finden, bei einer Bautiefe bis 66 mm können beispielsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder mehr Reihen Verwendung finden.According to the present Invention are preferably two, three or more similar shaped corrugated fins (cooling fins) staggered one behind the other, i. the one corrugated rib with flow directing Slats (gills) can be offset in several planes. In this case, the number of corrugated fins, in the flow direction of the second fluid considered consecutively, depending on from the depth of the heat exchanger and / or the depth of the corrugated fins are selected. It can at a depth of 12 to 18 mm, for example, 2, 3 or more rows use find, with a depth up to 24 mm, for example, 2, 3, 4 or more rows are used, with a depth of up to 30 mm can For example, find 2, 3, 4, 5 or more rows use, at a depth of up to 36 mm for example 2, 3, 4, 5, 6 or more rows are used, at a depth of up to 42 mm for example 2, 3, 4, 5, 6, 7 or more rows are used, at a depth of up to 48 mm can for example 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 or more rows are used, at a depth of up to 54 mm can For example, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or more rows use For example, with a depth of up to 60 mm, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more rows are used, at a depth up to 66 mm can For example, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or more rows use Find.
Ein
Ausführungsbeispiel
für 2 Reihen
Ein
Ausführungsbeispiel
für 3 Reihen
Ein
Ausführungsbeispiel
für 4 Reihen
Ein
Ausführungsbeispiel
für 5 Reihen
Ein
Ausführungsbeispiel
für 5 Reihen
Ein
Ausführungsbeispiel
für 5 Reihen
Mehr
als zwei zueinander versetzte Reihen können vorzugsweise auf insgesamt
zwei zueinander versetzte Ebenen verteilt sein wie bei den Ausführungsformen
in den
Alternativ
kann auch nur der Bereich
Ebenso
können
die Kiemenfelder
Auch
eine Kombination von verschieden großen Kiemenfeldern
Die Anzahl der Kiemen pro Reihe liegt beispielsweise zwischen 2 und 30 Kiemen in Abhängigkeit der Anzahl der Reihen und der Tiefe des Wärmetauschers. Vorzugsweise ist die Anzahl der Kiemen pro Kiemenfeld aus fertigungstechnischen Gesichtspunkten bei ungerader Anzahl an Reihen, d.h. bei 3, 5, 7, 9 oder 11 Reihen nicht identisch. Bei gerader Anzahl an Reihen kann die Anzahl der Kiemen pro Kiemenfeld identisch sein, wobei dies nicht notwendig ist.The For example, the number of gills per row is between 2 and 30 gills depending the number of rows and the depth of the heat exchanger. Preferably is the number of gills per gill field from manufacturing Aspects with an odd number of rows, i. at 3, 5, 7, 9 or 11 rows not identical. With an even number of rows can the number of gills per gill field be identical, this being is not necessary.
Im
folgenden (
Die Simulation erfolgt unter folgenden Bedingungen: Rohrwandtemperatur = 60 °C; Lufteintrittstemperatur = 45 °C; Luftdichte = 1,097 kg/m3; Lufteintrittsgeschwindigkeit vL = 1 und 3 m/s; Rippenhöhe = 8 mm; Rippentiefe = 16 mm. Bei der Simulation wird zum einen als Basis eine Wellrippe in einer Reihe, d.h. ohne Versatz, bestehend aus einer Reihe mit zwei Kiemenfeldern, die durch einen Steg in Dachform voneinander getrennt sind, betrachtet (Stand der Technik). Desweiteren wird eine Wellrippe mit 2 Reihen und eine Wellrippe mit 3 Reihen betrachtet. Die Simulation bestimmt neben dem luftseitigen Druckabfall den Massenstrom durch die einzelnen Lamellenöffnungen sowie die Abstrahlleistung von dem Rohr zur Kühlluft.The Simulation takes place under the following conditions: pipe wall temperature = 60 ° C; Air inlet temperature = 45 ° C; Air density = 1.097 kg / m3; Air inlet velocity vL = 1 and 3 m / s; fin height = 8 mm; Rib depth = 16 mm. In the simulation, on the one hand as Base a corrugated fin in a row, i. without offset, consisting from a row with two gill fields, which pass through a jetty Roof form are separated from each other, considered (prior art). Furthermore, a corrugated fin with 2 rows and a corrugated fin considered with 3 rows. The simulation determines next to the air-side pressure drop the mass flow through the individual fin openings and the radiation power from the pipe to the cooling air.
Wie
aus
Wie
aus
Die
Zwischen
zwei jeweils benachbarten Flachrohren
Aus
den Rippenabschnitten
Zwei
zwischen zwei Flachrohren
In
dem in den
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