DE1751244A1 - Waermeaustauscher fuer den Waermeuebergang zwischen einer Fluessigkeit und einem Gas oder Luft - Google Patents

Description

Diving. HAH" MJSCHKE 2 5. April 1968

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Alfa - Laval, Tup.ba / Schweden

:.^rärneaustauscher für den "armeübergang zwischen einer Flüssigheit und einem Gas oder Luft.

Die Erfindung betrifft '.'.'ärmeaustauscher für den Wärmeübergang zwischen einer Flüssigkeit und Luft oder einem Gas, z.B. einen Xraftwagenlcühler, mit einer Anzahl von Rohren für den Durchfluii einer Flüssigkeit und einer Anzahl von dünnen Blechen oder Rippen, die mit den Rohren so verbunden sind, da^ sie V.'ärne von diesen ableiten, zwischen welchen Rippen die Luft bzw. das Has geleitet wird, v/ob ei die Rippen mit Falten versehen sind, deren Köpfe und Füsse sich in einer Richtung erstrecken, die zu der Strörcungsrichtung der Luft oder des Gases im wesentlichen senkrecht ist. Die tfrfindung unterscheidet sich vor allem dadurch, daß die die Falten bildenden Rippenteile zwischen sicli einen Winkel von loo° bis 14o°, vorzugsv/eise 12o°, begrenzen und jede T'.ippe sich mit ihren Falten-

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spitzen in der einen Ebene und mit ihren Faltenfiisen in einer anderen Ebene befinden und ferner benachbarte Kopf- und Fußebenen benachbarter Rippen einen Abstand voneinander haben, der höchstens ein Drittel des Abstandes zwischen den Kopf- und Fußebenen jeder Pappe beträgt, und vorzugsweise zus ammenf al len.

Ein Wärmeaustauscher dieser Art kann Verteilungs- und Sammelbehälter für die Flüssigkeit besitzen, die übereinander angeordnet sind und zwischen denen sich vertikale Rohre erstrecken, auf welche Rohre dünne Bleche aufgeschoben sind, die als wärmeleitende Flansche oder Rippen auf den Rohren wirken. Der am meisten verwendete und bekannteste Wärmeaustauscher dieser Art ist der Kraftwagenkühler und obwohl die Erfindung nicht auf iiraftwagenktihler beschränkt ist, ist die nachfolgende Beschreibung im wesentlichen auf solche Kühler gerichtet, um das Verständnis der Beschreiung zu erleichtern. Im besonderen kommt ein gewöhnlicher Kühler von der Grosse und Art zur Betrachtung, wie er in Personenkraftwagen und kleinen Lastwagen verwendet wird.

Die Rohre eines Kühlers dieserArt werden gewöhnlich aus einem Messingblech mit einer Dicke von etwa O₁I nun hergestellt, das auf den gewünschten Querschnitt gebogen und längs der

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nebildeten Längsnaht verlötet ν/ir el. In der lie.^el haben die Rohre einen ausgeflachten Querschnitt mit Abmessungen von etv:a 15 χ 2 inn bei Abweichungen von etwa - 3o %.

Das Profil der Rohre ist immer in der Strörmngsrichtun? der Luft gerichtet. Die Breite der Fohre beträft nicht nehr als zwei mn, da sie sonst das liindurchstrüiren der Luft zu sehr verzögern wurden. Andererseits verzögern Breiten von weniger als 1,5 liiii den Durchflu- der Flüssigkeit inneriialb der Pohre. -Oic Tiefe der Pehre, gesehen von der Vorderseite des Kühlers, soll 2o ιητιΐ nicht überschreiten, da eins prüssere Tiefe schwache Seiten der Fohre zur Folp,c hat und zu Schwierigkeiten bein Verlöten führen. ))ie Pohrc sind durch Verlöten an einen oberen Verteilungsbehälter und an einen unteren Sammelbehälter für zu kühlendes Hasser befestigt.

T>ei den bisherigen Rippenbauformen, z.B. bei ebenen, geschlitzten oder gewellten Rippen, ist eine Tiefe, gesehen in der Gtrenun.qsrichtun,^ der Luft, von 4o - 5o mm bei einen Te-wöhnliehen Kühler für Personenkraftwagen und kleinen Lastwagen erforderlich und der Abstand zv;ischen den Pinnen beträft etwa 1,5 bis 2 rm, um eine ausreichende Idihlunjr des Kühlv/assers zu erzielen, l.'e^en dieser Tiefe der Rippen sind mindestens zwei, oft drei, P.cijien von P.ohren Htitcrc.lnandcr angeordnet notT'endi", v;obci ' die ^rOlire der einen P.oüie ^ev.'nlinlic¹' "e·-.cnuborlic.^crid

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Abständen zwischen den Rohren einer vorderen Reihe angeordnet sind. Es ist mehr als eine Rohrreihe erforderlich, da die Wärmeübergangskapazität der Rippen von einer solchen Grössenordnung ist, da sonst nicht die volle Rippentiefe von 4o 5o mm für den Wärmeaustausch ausgenutzt werden könnte. Da der Abstand zwischen den Rohren der gleichen Reihe nicht sehr P weit von Io mm abweichen kann, er kann zwischen 7 und 15 nun schwanken, ist die Zahl der Rohre für eine bestimmte Kühlerstirnfläche festliegend. Wenn zwei Rohrreihen verwendet werden, enthält ein Kühler mit einer Breite an seiner Stirnseite von beispielsweise 5oo mm etwa loo Rohre.

Beim Bau eines Kraftwagenkühlers sieht sich der Konstrukteur auf eine bestimmte Stirnfläche beschränkt. Innerhalb dieser Stirnfläche muß ein ausreichendes JCühlungsvermögen mit mög-, liehst geringen Kosten erzielt werden. Das Kühlungsvermögen muß auch bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten der durchströmenden Luft ausreichend sein. Bei einem Kraftwagenkühler ist die Strömungsgeschwindigkeit niedrig, wenn sich der Motor im Leerlauf befindet. Bei anderen "armeaustauschern der erwähnten Art ist dies ein normaler Zustand. Das Material der Rohre ist Messing und dasjenige der Rippen ist ein sehr dünnes Kupferblech. Diese Werkstoffe sind teuer, so daß der Materialverbrauch so gering wie möglich gehalten werden nuß. Dies kann nur dadurch geschehen, da^p> das Wärmeaustauschveririögen der Bau-

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form als solche erhöht wird. Es ist infolgedessen wichtig, daß der Ausnutzungsgrad des Metalls hoch ist, jedoch macht der für grosse Stirnflächen mangelnde Raum den absoluten Uirkunjsgrad eines ICülilers zu einem sehr wesentlichen Faktor. hs wurde versucht, den Wirkungsgrad der Rippen dadurch zu erhöhen, daß sie zwischen den Rohren mit Schlitzen versehen wurden. Andere Vorschläge bestehen darin, den Rippen eine wellige Form zu geben. Durch solche Abändsungen wurde versucht, eine erhöhte Verwirbelung der hindurchströmenden Luft herbeizuführen, damit der l-'ärmeübergang von den Rippen auf die Kühlluft wirksamer ist. Auf diese Heise war es möglich, Rippen von geringerer Titfe in der Richtung der Luftströmung zu verwenden, als es früher der Fall war, jedoch war es bisher nicht möglich, die Tiefe der Rippen so weit zu verringern, daß die Zahl der Rohrreihen auf weniger als zwei herabgesetzt werden konnte. Ferner ist die Herstellung der Rohre auch teuer, so da.C grosse liinsparungen erzielt v/erden könnten, wenn Tippen nit solchen ?/ärraeüborgangseigenschaften hergestellt werden könnten, daß sie eine so geringe Tiefe Laben können, daf¹, nur oinc einzige Rohrreihe notwendig ist*

Auf-gäbe der lirfindung ist die Herstellung von Üppen, die so ausgebildet sind, daß der Verbrauch an teurem Rippenmaterial herabgesetzt werden kann und die Zahl der Rohrreihen

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auf nur eine einzige Reihe verringert werden kann. Die Lösung dieses Problems ergibt sich aus den nachfolgenden Ansprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung in Anwendung auf einen Kraftwagenkühler als Beispiel in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und zwar zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Teil eines erfindungsgemässen Kühlers von der Seite gesehen;

Fig. 2 den gleichen Kühlerteil von oben gesehen;

Fig. 3 in vergrössertem Maßstab zwei benachbarte Pappen von der Seite des Kühlers gesehen;

Fig. 4 in einem stark vergrösserten Maßstab einen kleinen Teil einer Rippe, von der Seite gesehen;

Fig. 5 in graphischer Darstellung die Wirkung bestimmter, nachstehend näher beschriebener Bedingungen auf den ICühlwirkungsgrad;

Fig. 6 in graphischer Darstellung, wie sich der Wärmeübergang unter bestimmten Bedingungen, die nachfolgend näher erläutert v/erden, verändert;

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Fig. 7 in graphischer Darstellung die Bedeutung der Grosse eines bestimmten ICrümnungsha-lbmessers in vorliegendem Zus ammenliang ·

In der Zeichnung bezeichnet 1 die vertikal angeordneten ilohre, auf welche die Rippen Z aufgeschoben sind. Dei systematischen Versuchen, einen wirksameren und billigeren Kühler als die bisher bekannten herzustellen, wurde festgestellt, da", wenn die Hippen mit einer bestimmten Gestaltung angeordnet werden, überraschend gute Ergebnisse erhalten werden.

Hs wurden bereits luililer hergestellt, deren Rippen Falten oder T.'ellcn aufweisen, von denen sich die Köpfe und Füsse

senkrecht zur Ströiiiungsrichtung der durch den ICühler strömenden Luft erstrecken. Die die Falten bildenden Teile der Tippen begrenzen bei diesen Kühlern einen Winkel, der in der Regel grosser als 14o° war, und die Tiefe der Falten v?ar gewöhnlich wesentlich geringer als der Abstand zwischen benachbarten Hippen.

Im r.ahuen der Ll rf inching wurde jedoch festgestellt, ctß die e r.iit Falten versehen sein sollen, von denen die

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faltenbildenden Teile 3, 4 einen Winkel zwischen sich begrenzen, der kleiner als 14o° ist. Ferner soll die Tiefe der Falten derart sein, daß sie nur geringfügig von dem Abstand zwischen den Rippen abweicht. In Fig. 3 ist dieser Winkel mit Λ bezeichnet. Die graphische Darstellung der Fig. 5 zeigt die Beziehung, welche zwischen der Kühlwirkung und der Metallausnutzung einerseits und dem Winkel der Rippenfalten andererseits bei einer erfindungsgemässen Gestaltung festgestellt wurde, bei welcher die Tiefe der Palten nur geringfügig von dem Abstand zwischen den Rippen abweicht. Die obere Kurve stellt die Kühlwirkung je Grad Temperaturunterschied zwischen dem warmen Wasser und der Kühlluft für einen Kühler mit einer Stirnfläche von 3oo χ 5oo mm und einer Tiefe von 25 mm in Abhängigkeit von dem Faltenwinkcl dar, während die untere Kurve in der gleichen Heise die Kühlwirkunn je kg Metall der Wärmeabgabefläche darstellt. Das Kurvenbild zeigt, daP eine ausgezeichnete Xühlwirkung bei Faltenwinkeln erreicht wird, die 14o° überschreiten, jedoch nimmt gleichzeitig die Wirkung je k£ Metall rasch ab. Infolgedessen sind Winkel, die kleiner als 14o° sind, notwendig, wenn die Materialkosten herabgesetzt v/erden sollen. Ticherlich nimmt die Kühlwirkung bei einem Kühler von gegebener Grosse ab, wenn der Winkel kleiner als 14o° ist, jedoch nimnt die Kühlwirkunf, je kg Metall auf einen optimalen Wert zu, \:onn flor Winkel etwa loo° beträft, und fiillt dann rasch wieder nb, Vcm f'csic'its-

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punkt der Haterialkosten, scheinen günstige TJerte des Uinkels zwischen loo° und 14o° zu liegen, und die beste Kombination zwischen der ICühlwirkung und dem Ausnutzungsgrad des Hetalls wird bei einen Winkel von Ho bis 13o , vorzugsweise bei 12o°, erJialten. Die Faltenköpfe sollen sich in eiier zur Xühlluftströmung im wesentlichen senkrechten Richtung erstrecken. Hierunter ist eine Richtung zu verstehen, die mit der Luftströmungsrichtung einen liinkel zwischen 45° und 9o bildet, da festgestellt wurde, daß die Kühlwirkung bei TJinkeln kleiner als 45° abnimmt.

Die graphische Darstellung der Fig. 6 erläutert die Beziehung, welche zwischen der ICühlwiricung und dem Abstand zwischen den Rippen bei einer erfindungsgemässen Gestaltung festgestellt wurde, wenn die Tiefe der Falten 1,5 mm und der Ealtenwinkel 12o° beträgt. Die Faltenköpfe einer der Rippen Λ oder B befinden sich in der gleichen Ebene Λ- bzw. B₁, während sich die Faltenfüsse in einer libene A^ bzw. B« befinden (Fig. 3). Aus der graphischen Darstellung ergibt sich, daß, wenn der Abstand zwischen den Rippen 2 mm beträgt, d.h. wenn benachbarte Xopfebenen IJ- und Fußebenen A₂ benachbarter Rippen einen gegenseitigen Abstand von o,5 mm haben, eine starke Zunahme des Wärraeübergangskoeffizienten CN. im Vergleich zu einem grössercn Abstand erzielt wird. Der erw&nte Abstand kann auch als ein Drittel der Faltontiefo ausgedrückt werden,

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welcli letztere der Abstand zwischen der Kopfebene und der Fußebene ein- und derselben Rippe ist. Der ?.^rirleungsgrad nimmt dann rasch zu, v/enn der Abstand weiter verrinjprt wird, bis ein Schwellenwert erreicht v/ird, wenn benachbarte Kopfebenen und Fußebenen benachbarter Rippen zusammenfallen, d.h. v/enn der Abstand zwischen den Pappen gleich der Faltentiefe ist, die im vorliegenden Beispiel 1,5 mm betrag. Ifenn der Abstand zwischen den Rippen dann noch weiter verringert wird, so daß sich die Kopf- und die Fußebenen der Rippen zwischen den Kopf- und Fußebenen benachbarter Rippen befinden, sich der Wärmeübergang weiter erhöht, bis der Abstand zwischen den Kopf- und Fußebenen benachbarter Rippen wieder etwa o,5 bei oder 1/3 der Faltentiefe beträgt, obwohl diese Steigerung weniger ausgesprochen ist und insbesondere von Vorteil bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten der hindurchstrollenden ICühlp luft ist. Die beste Kühlwirkung, sogar bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten der Luft, wird bei dem erwähnt« Schwellenwert erzielt, d.h., v/enn de Kopf- und Fußebenen benachbarter . Rippen zusammenfallen.

Die vorangehend beschriebenen Untersuchungsergebnisse sind überraschend. lis wurde bisher angenommen, daß die Gestaltung der Rippen mit Falten von verhältnisnässig kleinen Kopf- und Fußwinkeln bei so dicht angeordneten Rippen, daß benachbarte Kopf- und Fußebenen benachbarter Rippen einander

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eng benachbart sind oder sogar zusammenfallen oder ihre gegenseitigen Stellungen !Wechseln, zu einem zu grossen Widerstand gegen die durchströmende Luft einerseits und andererseits zu einem geringen Kontakt zwischen den Rippenfllichen und der Luftströmung führen würde, so daß die Kühlwirkung niedrig sein würde. In Wirklichkeit ist im Gegensatz dazu die Kühlwirlamg wesentlich höher als bei den bisher bekannten Olhlerbauformen. Vermutlich hängt dies von einer sehr heftigen Verwirbelung der durchströmenden Luft ab. Die die Verwirbelung verstärkende T'irkung scheint so ςτοΓ zu sein, daß jede laminare Luftströmung und damit eine wesentlich schlechtere Kühlung vermieden wird, auch bei sehr niedrigen Luftgeschwinäifkeiten, d.h. in einen Fahrzeugkühler, irenn sich das Fahrzeug langsam bewegt oder sicii sein J'otor i:n Leerlauf befindet.

Der durch die erfindungsgemässe Verrippung erzielte hohe '..^rämeaustauschv;irkungsgrad bringt sehr wichtige Verteile mit sich, wenn ein erfindungsgemässer Kühler mit einem Kühler herkörmlicher Bauart verglichen wird und beide Kühler so bemessen werden, daß sie das gleiche Kühlvermögen ergeben, und die gleiche Stirnfläche haben, läßt sich folgendes feststellen: es ist möglich geworden, die Rippentiefe, gesehen in der Luftströmung richtung, von etwa Ί9 v\m auf 26 mm zu verringern. Infolge der A.fiu.'jorn r.it tiefen Palten der ^r.ipr-cn

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einerseits und verringerter Rippentiefe andereaeits ist es möglich, die Rippen aus einem wesentlich dünneren Blech als bisher herzustellen, ohne daß die Rippen beim Zusammenbau des Kühlers schwierig zu handhaben sind. Der Abstad zwischen den Rippen ist geringer als derjenige bei den herkömmlichen Kühlern, jedoch führen diese Faktoren zu dem Ergebnis, daß es möglich ist, das Gewicht anKupfer auf die Hälfte des ICupfergewichts des herkömmlichen Kühlers zu verringern. Am wichtigsten ist vielleicht der Uistand, daß die verringerte Tiefe zu der Möglichkeit geführt hat, die Zahl der Rohrreihen von zwei Reihen auf eine Reihe zu verringern, so daß nur halb so viele Rohre für den erfindungsgemässen Kühler notwendig sind. Dies führt wiederum, abgesehen von der möglichen Kostenverringerung für die Rohre um So %_t zu einer wesentlich leichteren Arbeit beim Zusammenbau und Verlöten des Kühlers* Ferner kann das Gewicht des Lötzinns um 5o % verringert werden.

Schließlich wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, daß ein weiterer Faktor im vorliegenden Zusammenhang von wesent-• lieber Bedeutung ist, nämlich der iiussere Krümmungshalbmesser der Rippenfalten an ihren Köpfen und an ihren Füssen. In Fig. 4 ist dieser Halbmesser mit r bezeichnet. Aus der graphischen Darstellung in Fig. 7 ist ersichtlich, daß der V'iirmeübergangskoeffizient rasch zunimmt, wenn der Krümmung-

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halbnesser abnimmt. Dies ist besonders bei Halbmessern der Fall, die !deiner als zwei Millimeter sind. Aus praktischen Gründen ist es nicht möglich, die Falten mit messerscharfen Kanten zu versehen, jedoch ergibt sich aus der gaphischen Darstellung, daß der erwähnte Halbmesser vorzugsweise o,5 mm nicht überschreiten soll. Wie erwähnt, ist es durch die Ausbildung der Rippen mit Falten der vorangehend beschriebenen Art möglich geworden, die Zahl der Rohre so herabzusetzen, daß diese in einer einzigen Reihe in einem gewöhnlichen Jiühler für Personenkraftwagen oder kleinen Lastwagen angeordnet v/erden können. Bei Kühlern für z.B. grosse Lastwagen ist dies vielleicht nicht möglich, wenn die zur Verfügung stehende Stirnfläche nicht groß genug ist, jedoch ist es unter allen Bedingungen möglich, die Zahl der Rohrreihen auf eine Zahl zu verringern, die kleiner als bisher bei einer

gegebenen Stirnfläche des Kühlers ist. *

In der vorangehenden Beschreibung der Erfindung wurde beispielsweise auf einen Wärmeaustauscher mit Rohren für den Durchfluß einer Flüssigkeit und mit auf die Rohre aufge- :

schobenen Rippen bezug genommen. Die Erfindung ist jedoch ebenso gut auf einen V/ärmeaustauscher anwendbar, der oft als Kraftwagenkühler verwendet wird und nach dem sogenannten "Mc Cord-System" gebaut ist. Bei diesem Syst« sind die Rippen nicht auf die Rohre aufgeschoben, sondern bestehen aus ver-

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tikal angeordneten "Strängen" dicht gefalteter/lünner Metallbänder Diese "Stränge" werden zwischen die Rohre eingezwängt und gewöhnlich mit diesen verlftet. Die waagrechten Teile der erwähnten "Stränge", die sich von einem Rohr zum nächsten in einem Mc Cord-Kühler erstrecken, entsprechen den Rippen des vorangehend beschriebenen Wärmeaustauschers. Diese waagrechten Teile können erfindungsgemäß mit Falten versehen und in der vorangehend beschriebenen V/eise angeordnet werden. Die Erfindung ist im Rahmender nachfolgenden Ansprüche auch auf andere Wärmeaustauscherbaufonnen anwendbar.

Patentanaruche:

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Claims (2)

17512AA P a t e ntansprüche :

1.) !viirneaustauscher, für den Wärmeübergang zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas .oder Luft, z.I>. für einen KraftwagenlcühleT, mit einer Anzahl Rohre für den Durchtritt, einer Flüssigkeit und einer Anzahl dünner Sieche oder Rippen, die mit den P.ohren so verbunden sind, daß sie ■Järne von diesen ableiten, zwischen welchen Rippen die Luft bzw. das Gas hindurchgeleitet wird und welche Rippen r.:it Falten verschen sind, deren Köpfe und Risse sich ira. wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Luft- und Gasströmung erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daA die die Falten bildenden Rippenteile (3, 4) zwischen sich einen „inkel (qC) von loo° - 14o°, vorzugsweise 12o°, begrenzen, die Faltenköpfe (S) jeder Rippe (2) sich in der einen übene befinden, während sich die Faltenfüsse (6) in einer anderen Ilbene befinden (A.. und A₂ bzw. T.. und B₂) und daß benachbarte Kopf- und Fußebenen ()}.. bzw. A₂) benachbarter Rippen (A, L) einen Abstand voneinander haben, der hähstens 1/3 des ALn Standes zwischen den Kopf- und Fu"ebencn jeder Pappe betrögt, und vorzugsweise zusamrienfallen.

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2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Köpfe und Füsse der Falten einen äusseraa Krümmungshalbmesser (r) haben, der kleiner als 2nrai ist und vorzugsweise o,5 mm beträgt.

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