DE19718064A1 - Turbulenzeinlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Turbulenzeinlage mit ei­ ner matrixförmigen Anordnung von in einer Hauptströmungsrich­ tung offenen Turbulenzelementen, die Turbulenzflächen aufwei­ sen, welche sich jeweils zwischen einer Anströmkante und ei­ ner davon in der Hauptströmungsrichtung beabstandeten Ab­ strömkante sowie zwischen einer zur Hauptströmungsrichtung parallelen Grundfläche und einer davon senkrecht zur Haupt­ strömungsrichtung beabstandeten Deckfläche erstrecken. Derar­ tige Turbulenzeinlagen werden insbesondere in Wärmeübertra­ gern und Abgaskatalysatorkörpern verwendet, um Turbulenzen in einem hindurchströmenden Medium zu erzeugen. So ist z. B. die Verwendung einteilig herstellbarer Turbulenzbleche in ölfüh­ renden Flachrohren von Motorölkühlern in Kraftfahrzeugen be­ kannt. Die Funktion von in Wärmeübertrager eingesetzten Tur­ bulenzeinlagen besteht darin, den Wärmefluß in das oder aus dem durchströmenden Medium zu intensivieren.

In den Patentschriften US 3.083.662 und FR 1.521.595 sind Wärmeübertrager mit derartigen Turbulenzeinlagen in Form von einteilig herstellbaren Turbulenzblechen offenbart, die als ebene Flächengebilde zum Einsetzen in Flachrohre oder als ringförmige Flächengebilde zum Einsetzen in einen Ringkanal gestaltet sind. Die Turbulenzelemente sind als U-förmige Er­ hebungen über der Blechgrundfläche mit planen Seitenflächen und einer zwischenliegenden, planen Mittenfläche gebildet, wobei die Mittenflächen das Deckflächenniveau definieren und die Seitenflächen als Turbulenzflächen dienen. Alle drei pla­ nen Flächenstücke erstrecken sich parallel zur Hauptströ­ mungsrichtung, die ihrerseits parallel zur Blechgrundfläche verläuft. Die matrixförmige Turbulenzelementanordnung ist je­ weils so gewählt, daß in der Hauptströmungsrichtung aufeinan­ derfolgende Turbulenzelemente in Querrichtung um etwa die halbe Turbulenzelementbreite versetzt sind, so daß die An­ strömkante einer Seitenfläche eines jeweils hinteren Turbu­ lenzelementes im Öffnungsbereich zwischen den beiden Seiten­ flächen eines davorliegenden Turbulenzelementes liegt. In der Hauptströmungsrichtung jeweils übernächste Turbulenzelemente sind hingegen fluchtend angeordnet. Mit dieser Turbulenzele­ mentanordnung soll die Strömung eines hindurchgeleiteten Me­ diums durch die in den offenen Durchströmungsbereich eines jeweils vorhergehenden Turbulenzelementes eingreifenden Sei­ tenflächen wiederholt geteilt und umgelenkt werden, so daß sich wellenförmige Strömungsfäden bilden. In der Offenle­ gungsschrift DE 33 47 086 A1 ist die Verwendung von derartig aufgebauten Turbulenzblechen zum Aufbau eines Katalysatorma­ trixkörpers zur Abgasreinigung beschrieben.

In der Offenlegungsschrift DE 24 21 519 A1 sind wendelförmige Turbulenzeinlagen zur Verwendung in kreisrunden Wärmeübertra­ gerrohren offenbart.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung einer Turbulenzeinlage der eingangs genannten Art zu­ grunde, mit der sich bei verhältnismäßig geringem Druckver­ lust gewünschte Strömungsturbulenzen, z. B. zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung eines Wärmeübertragers, erzeugen lassen.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Turbulenzeinlage mit den Merkmalen des Anspruchs I. Bei dieser Turbulenzeinlage ist wenigstens ein Teil der Turbu­ lenzflächen nicht als plane, sondern als gekrümmte Flächen gebildet, die zwischen Anströmkante und Abströmkante und/oder zwischen Grundfläche und Deckfläche gekrümmt verlaufen. Die turbulenzerzeugende Wirkung dieser Turbulenzeinlage beruht primär nicht auf einem eventuellen seitlichen Versatz von in der Hauptströmungsrichtung hintereinanderliegenden Turbulenz­ elementen, sondern auf dem gekrümmten Verlauf der Turbulenz­ flächen, der beim Vorbeiströmen eines Mediums die Bildung von Strömungswirbeln verursacht, mit denen z. B. bei Verwendung in einem Wärmeübertrager der Wärmeeintrag in oder der Wärme­ austrag aus dem Medium intensiviert werden kann. Dabei läßt sich die Turbulenzeinlage mit den gekrümmten Turbulenzflächen so gestalten, daß sie eine vergleichsweise hohe Wärmeübertra­ gungsleistung bei gleichzeitig relativ geringem Druckverlust ermöglicht.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Turbulenzeinlage besteht wenigstens ein Teil der Turbulenzelemente aus zwei gekrümmten Turbulenzflächen, die bezüglich einer zur Haupt­ strömungsrichtung parallelen Mittelebene des Turbulenzelemen­ tes spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Von den beiden ge­ krümmten Turbulenzflächen im Bereich zwischen denselben ge­ bildete Strömungswirbel überlagern sich dadurch mit gleich­ sinniger Strömungsrichtung, so daß sich die beiden Turbulenz­ flächen in ihrer Wirbelbildungsfunktion nicht schwächen.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Turbulenzeinlage sind wenigstens zwei in Hauptströmungsrichtung hintereinan­ derliegende Turbulenzflächen vorgesehen, bei denen die An­ strömkante der hinteren Turbulenzfläche einen von der Grund­ fläche zur Deckfläche stärker in Hauptströmungsrichtung ge­ krümmten Verlauf besitzt als die Abströmkante der vorderen Turbulenzfläche. Dies hat zur Folge, daß sich diese beiden gegenüberliegenden Kanten zwischen Grundfläche und Deckfläche nicht berühren, sondern eine durchströmbare Öffnung dazwi­ schen belassen, was zur Strömungsaufteilung beitragen kann.

Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Turbulenzeinlage ist wenigstens ein Teil der gekrümmten Turbulenzflächen in ihrem Verlauf zwischen Grundfläche und Deckfläche tordiert gestaltet. Es zeigt sich, daß diese tordierten Turbulenzflä­ chen bei Verwendung in einem Wärmeübertrager je nach Wahl der Turbulenzelementgeometrie, insbesondere des Verhältnisses zwischen der Längserstreckung in Hauptströmungsrichtung und der dazu senkrechten Quererstreckung der tordierten Turbu­ lenzflächen bei gegebener Höhe, sowohl besonders geringe Druckverluste bei dennoch bemerkenswert hoher Wärmeübertra­ gungsleistung oder besonders hohe Wärmeübertragungsleistungen bei noch mäßig geringen Druckverlusten ermöglichen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Turbulenzelementhälfte ei­ ner Turbulenzeinlage mit tordierter Turbulenzfläche,

Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf eine Turbu­ lenzeinlage mit einer matrixförmigen Anordnung von Turbulenzelementen nach Art von Fig. 1,

Fig. 3 eine Vorderansicht eines von zwei ebenen Begren­ zungsflächen begrenzten Wärmeübertrager-Strömungs­ kanals, in den die Turbulenzeinlage von Fig. 2 ein­ gesetzt ist, und

Fig. 4 eine Draufsicht auf zwei längs der Hauptströmungs­ richtung hintereinanderliegende Turbulenzelement­ hälften der Turbulenzeinlage von Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine tordiert gestaltete Turbulenzfläche 1 eines Turbulenzelementes, wobei zur Bildung einer entsprechenden, in Fig. 2 gezeigten Turbulenzeinlage mehrere solche Turbu­ lenzelemente 8 matrixförmig, d. h. über ein zweidimensionales, nicht notwendigerweise ebenes Flächengebilde hinweg verteilt angeordnet sind. Zur leichteren Orientierung ist in Fig. 1 und den anderen Figuren jeweils ein zugehöriges kartesisches Koordinatensystem angegeben. Die Hauptströmungsrichtung eines durchströmenden Mediums soll parallel zur y-Richtung liegen, speziell z. B. in die Zeichenebene hinein weisen. Die Turbu­ lenzfläche 1 erstreckt sich zum einen mit einer in y-Richtung weisenden Komponente von einer vornliegenden Anströmkante 2 bis zu einer rückwärtigen Abströmkante 3 und zum anderen mit einer in z-Richtung weisenden Komponente von einer Grundflä­ che 4 bis zu einer Deckfläche 5 in einem gleichmäßig tordier­ ten Verlauf, d. h. die Schnittlinie der Turbulenzfläche 1 mit einer jeweiligen xy-Schnittebene verdreht sich längs einer in z-Richtung weisenden Torsionsachse mit zunehmender z- Koordinate der Schnittebene. Während diese Schnittlinie auf halber Höhe der Turbulenzfläche 1 etwa parallel zur Haupt­ strömungsrichtung verläuft, endet die Turbulenzfläche 1 auf der Grundfläche 4 mit einer demgegenüber in der einen Rich­ tung gekippten Berührlinie 6 und an der Deckfläche 5 mit ei­ ner demgegenüber gegensinnig aus der y-Richtung in die xy- Ebene gekippten Berührlinie 7.

Diese geometrischen Verhältnisse werden in Verbindung mit der Fig. 2 noch deutlicher ersichtlich, in welcher beispielhaft eine Turbulenzeinlage mit einer matrixförmigen 2×4-Anordnung gleichartiger Turbulenzelemente 8 dargestellt ist. Diese Tur­ bulenzelemente 8 bestehen jeweils aus der in Fig. 1 gezeigten Hälfte und einer dazu bezüglich einer yz-Mittelebene spiegel­ symmetrischen Hälfte und damit aus zwei sich spiegelsymme­ trisch bezüglich der zwischenliegenden yz-Mittelebene gegen­ überliegenden, tordierten Turbulenzflächen 1a, 1b und einem diese beiden Turbulenzflächen 1a, 1b verbindenden, trapezför­ migen Deckflächenabschnitt 9, während in x-Richtung zwischen je zwei benachbarten Turbulenzelementen 8 trapezförmige Grundflächenabschnitte 10 verbleiben. Dabei sind in Fig. 1 die halbe Länge der kurzen Trapezseite eines jeweiligen Grundflächen-Trapezabschnitts 10 mit e und die halbe Länge von deren Basisseite mit f bezeichnet. Im gezeigten Fall sind die Grundflächen-Trapezabschnitte 10 gleich groß gewählt wie die Deckflächenabschnitte 9 der Turbulenzelemente 8. Die Tur­ bulenzelemente 8 erstrecken sich in der Hauptströmungsrich­ tung jeweils über eine vorgegebene Länge 1, und die in diesem Fall als ebenes Flächengebilde gestaltete, d. h. eine plane Grundfläche 4 besitzende Turbulenzeinlage weist eine vorgege­ bene Höhe h auf, die sich aus der Dicke d der Grundfläche 4 und der Deckfläche 5, die der Materialstärke der Turbu­ lenzeinlage entspricht, sowie dem Abstand zwischen Grundflä­ che 4 und Deckfläche 5 zusammensetzt. Die Turbulenzeinlage kann als einteiliges Turbulenzblech ausgeführt sein, das durch entsprechendes Stanzen einer Blechplatte hergestellt wird.

Die Anströmkanten 2 und Abströmkanten 3 verlaufen von der Grundfläche 4 zur Deckfläche 5 mit unterschiedlich starker Ausbauchung in Hauptströmungsrichtung. Dies ist in Fig. 4 deutlich zu erkennen, die zwei in der y-Richtung, d. h. der Hauptströmungsrichtung, hintereinanderliegende Turbulenzele­ menthälften 1c, 1d in einer Draufsicht zeigt. Wie daraus er­ sichtlich, verlaufen die Anströmkanten 2 im Vergleich zu den Abströmkanten 3 von der Grundfläche 16 zur Deckfläche 17 zu­ nächst stärker mit einer in Hauptströmungsrichtung weisenden Komponente und ab der halben Höhe symmetrisch stärker mit ei­ ner der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzten Komponente. Diese Gestaltung hat zur Folge, daß sich die Abströmkante 3 eines jeweils davorliegenden Turbulenzelementes und die An­ strömkante 2 eines dahinterliegenden Turbulenzelementes zwi­ schen Grundfläche 4 und Deckfläche 5 nicht berühren, so daß in Hauptströmungsrichtung durchströmbare Öffnungen zwischen hintereinanderliegenden Turbulenzelementen 8 gebildet sind, die zu sukzessiven Strömungsaufteilungen führen, was bereits eine gewisse Turbulenz in die laminar eingeleitete Strömung einbringt. Darüber hinaus hat die gekrümmte Gestaltung der Turbulenzflächen 1a, 1b eine wesentliche turbulenzerzeugende Wirkung. Denn durch den tordierten Verlauf dieser Turbulenz­ flächen 1a, 1b entstehen Längswirbel in der Strömung, um eine im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung verlau­ fende Achse, die in etwa der Schnittlinie der jeweiligen Tur­ bulenzfläche 1a, 1b mit der Ebene z = const. auf halber Höhe zwischen Grundfläche 4 und Deckfläche 5 entspricht.

In Fig. 3 ist dies für einen Anwendungsfall illustriert, bei dem die Turbulenzeinlage von Fig. 2 in ein nur ausschnittweise gezeigtes Flachrohr eines Flachrohr-Wärmeübertragers einge­ setzt ist, wobei die Grundfläche 4 der Turbulenzeinlage gegen die eine Rohrwand 11 und die Deckfläche 5 gegen die gegen­ überliegende Rohrwand 12 anliegen. Für das linke der beiden dort zu erkennenden Turbulenzelemente 8 sind die von den bei­ den zugehörigen, tordierten Turbulenzflächen 1a, 1b erzeugten Längswirbel 13a, 13b idealisiert angedeutet. Durch die spie­ gelsymmetrische Anordnung der beiden tordierten Turbulenzflä­ chen 1a, 1b eines jeden Turbulenzelementes 8 besitzen die beiden gebildeten Längswirbel 13a, 13b umgekehrten Drehsinn und überlagern sich daher im Bereich zwischen den beiden Tur­ bulenzflächen 1a, 1b mit gleichsinniger Strömungsrichtung. Analoges gilt für den Bereich zwischen je zwei in x-Richtung benachbarten Turbulenzelementen 8, da sich auch hier die ein­ ander benachbarten Turbulenzflächen bezüglich einer Mittel­ ebene mit x = const. spiegelsymmetrisch gegenüberliegen. Dies gewährleistet, daß die turbulenzerzeugende Wirkung einer je­ den tordierten Turbulenzfläche 1a, 1b nicht durch den Einfluß benachbarter Turbulenzflächen gestört wird.

Untersuchungen zeigen, daß sich bei Verwendung einer Turbu­ lenzeinlage nach Art der Fig. 1 und 2 in einem Wärmeüber­ trager, z. B. durch Einsetzen in Flachrohrkanäle von Motoröl­ kühlern in Kraftfahrzeugen entsprechend der in Fig. 3 gezeig­ ten Einbaulage, dessen Wärmeübertragungsleistung merklich ge­ steigert werden kann, ohne daß andererseits zu hohe Druckver­ luste auftreten. Dafür ist hauptsächlich die tordierte Turbu­ lenzflächengestalt mit dem gekrümmten Verlauf der Turbulenz­ flächen 15a, 15b in der zur Hauptströmungsrichtung senkrech­ ten Richtung in Verbindung mit dem zur Hauptströmungsrichtung schrägen Verlauf in der zur z-Richtung senkrechten Richtung mit sich stetig in Abhängigkeit vom z-Niveau veränderndem Schrägwinkel verantwortlich. Das Verhältnis der Steigerung der Wärmeübertragungsleistung zum entstehenden Druckverlust kann durch entsprechende Geometrievariationen der einzelnen Turbulenzelemente 8 in einem weiten Bereich verändert und da­ durch auf einen für den jeweiligen Anwendungsfall günstigsten Wert eingestellt werden. So nehmen beispielsweise bei sonst gleichen Abmessungen mit kürzerer Längserstreckung 1 der Tur­ bulenzelemente 8 deren Wärmeübertragungsleistung und Druck­ verlust zu, was mit einer stärker werdenden Krümmung der Tur­ bulenzflächen 1a, 1b korrespondiert.

Die obige Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbei­ spiels macht deutlich, daß die erfindungsgemäße Turbulenzein­ lage durch die gekrümmte Form der turbulenzerzeugenden Flä­ chen besonders geeignet ist, Wirbel in einer ansonsten la­ minaren Strömung zu erzeugen, mit deren Hilfe sich beispiels­ weise der Wärmeübergang in das oder aus dem Strömungsmedium bei relativ geringem Druckverlust deutlich steigern läßt. Je nach Anwendungsfall sind weitere, nicht gezeigte, gekrümmte Gestaltungen für die turbulenzerzeugenden Flächen möglich. Zudem kann die matrixförmige Turbulenzelementanordnung bei Bedarf so gewählt sein, daß in der Hauptströmungsrichtung aufeinanderfolgende Turbulenzelemente mit seitlichem Versatz angeordnet sind. Je nach Bedarf kann die Turbulenzeinlage an­ stelle der gezeigten, planen Form auch von gebogener Form sein, beispielsweise zur Verwendung in ringförmigen Strö­ mungskanälen. Als weitere Variante kann die Turbulenzeinlage verschieden gestaltete Turbulenzelemente enthalten, die au­ ßerdem nicht sämtlich Turbulenzflächen von gekrümmter Form aufzuweisen brauchen. Es versteht sich, daß die erfindungsge­ mäße Turbulenzeinlage nicht nur für Wärmeübertrager, sondern überall dort verwendbar ist, wo Turbulenzen in einer lamina­ ren Strömung mit relativ geringen Druckverlusten erzeugt wer­ den sollen.

Claims (4)

1. Turbulenzeinlage, insbesondere für einen Wärmeüber­ trager, mit

• - einer matrixförmigen Anordnung von in einer Hauptströ­ mungsrichtung offenen Turbulenzelementen (8) mit Turbu­ lenzflächen (Ia, Ib), die sich jeweils zwischen einer An­ strömkante (2) und einer davon in der Hauptströmungsrich­ tung beabstandeten Abströmkante (3) sowie zwischen einer Grundfläche (4) und einer davon senkrecht zur Hauptströ­ mungsrichtung beabstandeten Deckfläche (5) erstrecken,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - wenigstens ein Teil der Turbulenzflächen (1a, 1b) als ge­ krümmte Flächen gebildet ist, die zwischen Anströmkante (2) und Abströmkante (3) und/oder zwischen Grundfläche (4) und Deckfläche (5) gekrümmt verlaufen.

2. Turbulenzeinlage nach Anspruch 1, weiter dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Turbulenzelemente (8) zwei Turbulenzflächen (1a, 1b) beinhaltet, die bezüglich einer zur Hauptströmungsrichtung parallelen Mittelebene des Turbulenzelementes spiegelsymmetrisch angeordnet sind.

3. Turbulenzeinlage nach Anspruch 1 oder 2, weiter da­ durch gekennzeichnet, daß die matrixförmige Turbulenzelement­ anordnung wenigstens zwei in der Hauptströmungsrichtung hin­ tereinanderliegende Turbulenzflächen (1c, 1d) aufweist, wobei die Anströmkante (2) der hinteren Turbulenzfläche (1d) von der Grundfläche (4) zur Deckfläche (5) stärker in Hauptströ­ mungsrichtung gekrümmt als die Abströmkante (3) der vorderen Turbulenzfläche und dadurch von dieser beabstandet verläuft.

4. Turbulenzeinlage nach Anspruch 1 oder 2, weiter da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Turbulenz­ flächen (1a, 1b) zwischen Grundfläche (4) und Deckfläche (5) tordiert verläuft.