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Die
Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsbauteil
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie einen
damit hergestellten Wärmeaustauscher.
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Wärmeübertragungsbauteile
dieser Art können
z. B. aus Rohren, Platten, Leitblechen (Rippen) oder Lamellen (Wellrippen)
bestehen und in Wärmeaustauschern
für Kraftfahrzeuge,
Kompressoren, Klima- und Kälteanlagen,
elektronische Bauelemente, Kältetrockner
an Druckluftanlagen od. dgl. angewendet werden. Die Strömungskanäle derartiger
Wärmeaustauscher
werden in der Regel von glatten Wänden begrenzt, die je nach
Anwendungszweck von einem Fluid wie z. B. Luft, Wasser oder Öl durchströmt werden
und dazu dienen, Wärme
auf das jeweilige Fluid zu übertragen
bzw. von diesem aufzunehmen. Dabei bilden sich in den Strömungskanälen laminare Strömungen aus,
die in den an die Wände
grenzenden Zonen zu charakteristischen Grenzschichten führen, in
denen sich die durchströmenden
Fluide im Idealfall weitgehend im Stillstand befinden. In mittleren
Kernzonen werden die Fluide dagegen jeweils mit der größten Geschwindigkeit
durch den Strömungskanal
fortbewegt.
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Die
Ausbildung der Grenzschichten hat zur Folge, daß die vorhandenen Wandoberflächen nur unvollständig für die Wärmeübergang
nutzbar und die erzielbaren Wärme austauschleistungen
gering sind. Es ist daher bereits seit langer Zeit bekannt DE-PS
596 871), die Wände
der Strömungskanäle mit aus
der Wandoberfläche
heraustretenden, Wirbel erzeugenden Elementen zu versehen, die parallel oder
unter spitzen Winkeln zur Strömungsachse
stehen. Dadurch werden die den Wänden
nahen Teile der Fluidströme
unter Bildung örtlicher
Wirbel wiederholt aufgeteilt und die sich sonst bildenden Grenzschichten
aufgerissen bzw. zerstört.
Als Folge davon tritt eine merkliche Verbesserung der Wärmeaustauschleistung
ein.
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Die
beschriebenen, Wirbel bildenden Elemente bringen allerdings den
Nachteil mit sich, daß sie
die den Wänden
nahen Teile der Strömung überwiegend
in Richtung der Kernzonen umlenken oder die Strömungsquerschnitte reduzieren,
was zu einer Erhöhung
der längs
der Strömungskanäle auftretenden
Druckverluste führt.
Dadurch werden die die Strömungskanäle durchsetzenden
Volumenströme bei
natürlicher
Konvektion entsprechend reduziert, während bei erzwungener Konvektion
leistungsstärkere
Lüfter
od. dgl. benötigt
werden, um einen vorgewählten
Volumenstrom aufrecht zu erhalten.
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Praktische
Versuche haben bewiesen, daß die
mit bekannten, Wirbel erzeugenden Elementen gegenüber der
Anwendung von glatten Wänden
erzielten Vergrößerungen
der Wärmeaustauschleistungen
meistens kleiner als die durch dieselben Elemente gegenüber glatten
Wänden
bewirkten Zunahmen der Druckverluste sind. Das gilt insbesondere
für kiemen-
oder dachförmig
ausgebildete Elemente, die durch Schlitzen und Umbiegen oder Schlitzen
und Herausdrücken
von Wandabschnitten hergestellt werden (z. B.
DE 25 27 127 A1 ,
DE 31 31 737 C2 ,
DE 34 06 682 C2 ,
US-PS 4 615 384,
DE
37 37 217 C2 , US-PS 5 511 610,
DE 197 19 262 C2 ,
DE 103 03 680 A1 ).
Auch andere bekannte Formen, insbesondere rundum geschlossene oder
hutzenförmige
Elemente führen
zum Auflösen
oder Verhindern von Grenzschichten durch Wirbelbildung, ohne daß die dadurch bedingten
Verluste in vertretbaren Grenzen gehalten werden. Dies gilt vor
allem dann, wenn diese Elemente so ausgebildet und angeordnet sind,
daß sie zu
einer Verringerung der Strömungsquerschnitte
im Wandbereich führen
und/oder eine starke Ablenkung der Grenzschichtbereiche in Richtung
der Kernströ mung
verursachen (z.B.
DE
195 26 917 A1 ,
DE
195 31 383 A1 ,
DE
101 27 084 A1 ).
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Vor
diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung das technische
Problem zugrunde, die Wärmeübertragungsbauteile
der eingangs bezeichneten Gattung und damit hergestellte Wärmeaustauscher
so auszubilden, daß die
Wärmeaustauschleistungen
weiter gesteigert, die dadurch bewirkten Druckverluste jedoch stärker als
bisher reduziert werden.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 20
und 21.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Zunahme der Wärmeaustauschleistung
gegenüber
einem baugleichen, jedoch eine glatte Wand aufweisenden Wärmeübertragungsbauteil
insbesondere dann besonders effektiv ist, wenn gleichzeitig die
Zunahme der Druckverluste gegenüber
einem ebenfalls baugleichen, eine glatte Wand aufweisenden Wärmeübertragungsbauteil
kleiner als die Zunahme der Wärmeaustauschleistung
ist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß die
Wirbelbildung mit Hilfe von schuppenartig ausgebildeten Elementen
erzeugt wird, die vorzugsweise an einem Ende einen geringen Abstand
von der Wand und eine große
Breite, in einem davon in Richtung der Strömungsachse entfernten Bereich
dagegen eine vergleichsweise großen Abstand von der Wand, jedoch eine
kleine Breite aufweisen.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen,
in denen zahlreiche Ausführungsbeispiele
in unterschiedlichen Maßstäben dargestellt
sind, näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 perspektivisch
und schematisch einen Wärmeaustauscher
mit drei parallelen, plattenförmigen
Wärmeübertragungsbauteilen
gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragungsbauteils
nach 1 mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines einzelnen,
erfindungsgemäßen, Wirbel
erzeugenden Elementes;
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3 eine
schematische Draufsicht auf das Wirbel erzeugende Element nach 2;
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4 und 5 Seitenansichten
je eines Wärmeübertragungsbauteils
nach 1 bei verschiedener Anordnung der Wirbel erzeugenden
Elemente;
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6.1 bis 6.5 schematische
Schnitte etwa länge
der Linien A-A in 4 und 5 durch je
zwei benachbarte Wärmeübertragungsbauteile
mit fünf
verschiedenen Anordnungen der Wirbel erzeugenden Elemente nach 2 und 3;
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7.1 bis 7.3 schematische
Schnitte etwa längs
der Linien B-B in 4 und 5 durch je
zwei benachbarte Wärmeübertragungselemente mit
drei unterschiedlichen Anordnungen der Wirbel erzeugenden Elemente
nach 2 und 3;
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8 und 9 den 2 und 3 entsprechende
Ansichten eines Wärmeübertragungsbauteils
mit einem zweiten Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen, Wirbel
erzeugenden Elements;
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10.1 bis 10.3 schematische
Schnitte etwa längs
der Linien B-B in 4 und 5 durch
je zwei benachbarte Wärmeübertragungselemente
mit drei unterschiedlichen Anordnungen der Wirbel erzeugenden Elemente
nach 8 und 4;
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11 perspektivisch
und schematisch einen Wärmeaustauscher
in Plattenbauweise, wobei die erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsbauteile als Lamellen
(Wellrippen) ausgebildet sind;
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12 eine
einzelne Lamelle der Wärmeaustauschers
nach 11 in perpektivischer Darstellung;
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13.1 bis 13.3 schematische
Querschnitte durch eine der Lamellen nach 12 ähnliche
Lamelle bei unterschiedlicher Anordnung der erfindungsgemäßen, Wirbel
erzeugenden Elemente;
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14 perspektivisch
und schematisch einen Wärmeaustauscher
in Rohrbauweise, wobei die erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsbauteile als flachovale
Rohre ausgebildet sind;
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15 einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Wärmeübertragungsbauteil
nach 14;
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16 eine
der 14 entsprechende Ansicht von rohrförmigen Wärmeübertragungsbauteilen,
jedoch mit einer anderen Anordnung der Wirbel erzeugenden Elemente;
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17 einen
Querschnitt durch ein Wärmeübertragungsbauteil
nach 16;
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18 perspektivisch
und schematisch einen zur Kühlung
elektronischer Bauelemente geeigneten Wärmeaustauscher, bei dem die
Rohrübertragungsbauteile
als Platten ausgebildet sind;
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19 und 20 perspektivisch
und schematisch zwei Wärmeaustauscher
in Rohrbauweise, wobei die Wärmeübertragungsbauteile
als Leitbleche (Rippen) ausgebildet sind;
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21 und 22 je
ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragungsbauteil
in Form eines Rohrs bei unterschiedlicher Anordnung der erfindungsgemäßen, Wirbel
erzeugenden Elemente;
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23 eine
schematische Vorderansicht des Wärmeübertragungsbauteils
nach 21 bzw. 22;
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24 die
Abhängigkeit
der Wärmeaustauschleistungen
vom Volumenstrom bei verschiedenen Wärmeübertragungsbauteilen im Vergleich;
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25 die
Abhängigkeit
der Druckverluste vom Volumenstrom bei verschiedenen Wärmeübertragungsbauteilen
im Vergleich; und
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26 die
Abhängigkeit
des Verhältnisses der
Zunahme der Wärmeaustauschleistung
zur Zunahme des Druckverlusts vom Volumenstrom bei zwei verschiedenen
Wärmeübertragungsbauteilen.
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1 zeigt
in starker Vereinfachung einen Wärmeaustauscher
mit drei parallel zueinander angeordneten, rechteckigen Platten 1,
die zwischen sich paarweise zwei Strömungskanäle 2 bzw. 3 für ein Fluid
bilden. Die Platten 1 sind an ihren unteren Längsseiten
durch einen Steg 4 miteinander verbunden, der z. B. einem
nicht dargestellten, zu kühlenden
Bauteil anliegt. Im Ausführungsbeispiel
werden die beiden Strömungskanäle 2, 3 in
Richtung ihrer Längsachsen
von einem Kühlmedium,
z. B. Luft, durchströmt,
wobei in 1 eingezeichnete Pfeile gleichzeitig
Strömungsachsen 5,
längs derer
die Strömungskanäle 2, 3 vom
Fluid durchströmt
werden können,
und die hier gewählte
Strömungsrichtung angeben.
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Die
Strömungskanäle 2, 3 sind
voneinander paarweise zugewandten Innenwänden der Platten 1 begrenzt,
wobei diese Innenwände
bei Anwendung üblicher
Materialien (z. B. einem Metall wie Aluminum, einem Kunststoff od.
dgl.) glatt und im Ausführungsbeispiel
auch eben sind. Dadurch bilden sich beim Durchströmen des
Fluids in Richtung der Pfeile 5 Strömungen aus, die einerseits
in den den Innenwänden
nahen Bereichen der Strömungskanäle 2, 3 langsam
oder gar nicht bewegte Grenzschichten und andererseits in mittleren
Bereichen vergleichsweise schnell bewegte Kernzonen zur Folge haben.
Um die dadurch reduzierte Wärmeübertragung
zwischen den Platten 1 und dem Fluid zu verbessern, sind
die Platten 1 mit Elementen 6 versehen, die Wirbel,
insbesondere Längswirbel
in den Grenzschichten erzeugen und diese dadurch aufbrechen bzw.
auflösen oder
ganz verhindern.
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Die
Elemente 6, von denen in 1 nur einige
dargestellt sind, sind im Ausführungsbeispiel
jeweils hintereinander in mehreren, hier fünf zu den Strömungsachsen
parallelen, durch gestrichelte Linien angedeuteten Reihen 7 angeordnet.
Dabei sind die Abstände
der Reihen 7 so gewählt,
daß zwischen benachbarten
Elementen 6 jeweils Zwischenräume 8 frei bleiben.
In weiteren, hier vier Reihen und mit Versatz zu den Elementen 6 sind
außerdem
Elemente 9 angeordnet, die jeweils in Höhe der Lücken 8 zu liegen kommen.
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Wie
aus 1 und genauer aus 2 und 3 ersichtlich
ist, sind die Elemente 6 schuppenförmig und in der Draufsicht
z. B. halboval oder halbelliptisch ausgebildet. Sie werden dadurch
gebildet, daß die
Platten 1 z. B. durch Stanzen zunächst mit halbovalen Schnittlinien 10 versehen
werden, die an vorzugsweise senkrecht zu den Strömungsachsen 5 angeordneten
Rändern 11 enden.
Anschließend
werden die von den Schnittlinien 10 und Rändern 11 umschlossenen
Wandabschnitte längs
der Ränder 11 zur
einen oder anderen Seite der Platte 1 hin umgebogen. Dadurch
werden die Elemente 6 schräg zu den Platten 1 bzw.
deren einer oder anderen Innenwand bzw. Breitseite gestellt, während gleichzeitig dort,
wo die Elemente 6 zunächst
angeordnet waren, von den Schnittlinien 10 und den Rändern 11 umschlossene Öffnungen 12 in
den Platten 1 entstehen. Die Elemente 6 werden
daher nachfolgend auch als offene Elemente bezeichnet. Dabei bilden
die Ränder 11 gleichzeitig
schmale Übergangsbereiche,
längs derer
die Elemente 6 vorzugsweise stufenlos in die Platten 1 übergehen
bzw. mit diesen verbunden sind, während die Elemente 6 an
den den Rändern 11 gegenüber liegenden
Bereichen Spitzen bzw. Scheitelpunkte 14 aufweisen. Im übrigen bestehen
die Elemente 6, wie 2 zeigt,
zwischen den Rändern 11 und
den Spitzen 14 aus dünnen,
planparallelen Scheiben mit einer der Dicke der Platten 1 entsprechenden
Dicke.
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Wie
schematisch in 4 bis 7 angedeutet
ist, können
die Elemente 6 zur einen oder anderen Seite der Platten 1 hin
abgebogen sein. Dabei sind in 4 und 5 durchgezogen
dargestellte Elemente 6a nach oben aus der Zeichenebene
herausgebogen, während
gestrichelt dargestellte Elemente 6b nach unten in die
Zeichenebene hin eingedrückt
sind, wodurch z. B. das in 6.1 gezeigte Schnittbild
längs der
Linie A-A von 4 entsteht. Alternativ ist es
aber auch möglich,
die Elemente 6 in aufeinander folgenden Reihen 7 abwechselnd
nur nach der einen oder anderen Seite hin zu biegen (6.2). 6.3 zeigt
eine Variante, bei der alle Platten 1 nur nach einer Seite
hin umgebogene Elemente 6b aufweisen. 6.4 zeigt ein Beispiel, bei dem eine erste Platte 1a nur
zu einer Seite hin gebogene Elemente 6a und eine ihr gegenüber liegende zweite
Platte 1b nur zur entgegengesetzten Seite hin umgebogene
Elemente 6b aufweist, so daß die Elemente 6a, 6b paarweise
einander zugewandt sind und beide z. B. in den Kanal 2 nach 1 ragen. Schließlich sind
in 6.5 die Elemente 6a einer Platte 1a sämtlich vom
Kanal 2 weg nach außen
gebogen, und dasselbe gilt für
die Elemente 6b der zweiten Platte 1b, so daß hier die
Elemente 6a und 6b nicht in den Kanal 2,
sondern in Nachbarkanäle oder
zur Außenseite
des Wärmeaustauschers
hin ragen.
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7.1 bis 7.3 zeigen
Schnittbilder für Elemente 6a, 6b längs der
Linien B-B in 4 und 5. Daraus
ist ersichtlich, daß bei
den beiden dargestellten Platten 1a, 1b entweder
gemäß 7.1 nur nach unten gebogene Elemente 6a oder
nach 7.2 längs der Linien 7 (1)
abwechselnd nach oben oder unten gebogene Elemente 6a, 6b oder nach 7.3 in einer Platte 1a nur nach unten
gebogene Elemente 6b und in einer benachbarten Platte 1b nur
nach oben gebogene Elemente 6a vorhanden sind. Dabei ist
klar, daß die
aus den Elementen 6a, 6b gebildeten Muster ganz
unterschiedlich und auch anders als in 4 bis 7.3 sein können.
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Eine
Besonderheit zeigt 5 insoweit, als die Spitzen 14 der
Elemente 6 hier längs
der Linien 7 abwechselnd auf der einen oder anderen Seite
der zugehörigen
Ränder 11 angeordnet
sind. So liegen in 5 z. B. die Spitzen von Elementen 6c in
Richtung der Strömungsachsen 5 die
Spitzen von Elementen 6d dagegen hinter den zugehörigen Rändern bzw. Übergangsbereichen 11.
Eine solche Anordnung kann zweckmäßig sein, wenn es erwünscht ist,
gleiche Strömungsverhältnisse
unabhängig
davon herzustellen, ob das Fluid in der aus 1 ersichtlichen Richtung
oder in der dazu entgegengesetzten Richtung durch die Kanäle 2, 3 strömt.
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Erfindungsgemäß weisen
die Elemente 6 an den Übergangsbereichen
bzw. Rändern 11,
die vorzugsweise jeweils ein Ende der Elemente 6 bilden, vergleichsweise
geringe Abstände
h1 von Breitseiten bzw. Wänden 16, 17 (7.1) der zugehörigen
Platte 1 auf. Von dort aus nehmen die Abstände der
Elemente 6 in Richtung der Strömungsachsen 5 bis
zu den Spitzen 14 hin, die vorzugsweise an von den Rändern 11 entfernten
Enden der Elemente liegen, kontinuierlich bis zu einem Wert h2 zu.
Hat eine Dicke der sich auf den Wänden der Platten 1 bildenden Grenzschichten
den Wert s, dann hat der Maximalwert h2 vorzugsweise den Wert h2
= 0,3 · s
bis h2 = 0,9 · s.
Das Maß s
bezeichnet die Dicken der Grenzschichten, die sich unter Sollbedingungen
automatisch in den Strömungskanälen 2, 3 einstellen.
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Die
Abstände
der Platten 1 haben im Ausführungsbeispiel durchgehend
den Wert H (7.1). Die maximalen Abstände h2 der
Spitzen 14 von den Wänden 16, 17 der
Platten 1 sollten daher, bezogen auf diesen Wert, h2 =
0,05 · H
bis h2 = 0,5 · H
betragen, wobei anstelle des Wertes H auch der Wert des äquivalenten
hydraulischen Durchmessers D eingesetzt werden kann.
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In
den Übergangsbereichen 11 betragen
die minimalen Abstandswerte für
die Elemente 6 zweckmäßig h1 =
0.
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In 3 ist
außerdem
mit dem Bezugszeichen a die parallel zu den Strömungsachsen 5 und zwischen
den Rändern 11 und
Spitzen 14 gemessene Länge
der Elemente 6 angegeben. Diese Länge a beträgt vorzugsweise a = 2 · h2 bis
a = 10 · h2,
worin h2 (7.1) der maximale Abstand eines
Elements 6 von der zugehörigen Platte ist.
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Eine
Breite d der Elemente 6 ist nach 3 im Übergangsbereich
bzw. am Rand 11 am größten und
an der Spitze 14 am kleinsten. Die maximale Breite d1 am
Rand 11 beträgt
dabei vorzugsweise d1 = 0,4 · a
bis d1 = 0,8 · a,
während
die minimale Breite zweckmäßig d2 =
0 ist. Daraus folgt, daß die
Länge a der
Elemente 6 größer 0 als
ihre maximale Breite d2 und vorzugsweise mehr als doppelt so groß wie diese ist,
d.h. die Elemente 6 sind als vergleichsweise schmale und
lange Schuppen ausgebildet.
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Nach 4 und 5 haben
die Reihen 7 vorzugsweise quer zu den Strömungsachsen 5 gemessene
Abstände
t1 von t1 = 2 · d2
bis t1 = 4 · d2, d.
h. die lichten Abstände
der Elemente 6 betragen vorzugsweise 1 · d2 bis 3 · d2. In
Richtung der Strömungsachsen 5 betragen
die Abstände
t2 der Elemente 6 (4) voneinander
dagegen vorzugsweise t2 = a + 5 · h2 bis t2 = a + 15 · h2, d.
h. die Abstände t2
sind um ein Maß größer als
die Länge
a der Elemente 6, das von den maximalen Abständen h2
der Spitzen 14 von den Wänden 16, 17 abhängt. Dabei geben
die Werte t2 und t1 gleichzeitig die Teilungen der Elemente 6 in
Richtung der Strömungsachsen 5 und
quer dazu an.
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Schließlich ist
in 3 mit dem Bezugszeichen R noch der Krümmungsradius
der Schnittlinien 10 (2) bzw.
der äußeren Konturen
der Elemente 6 angegeben. Dieser Krümmungsradius R hat vorzugsweise
an jedem Ort längs
der Strömungsachsen 5 den
Wert R = 0,05 · d
bis 0,4 · d,
worin d jeweils die an demselben Ort gemessene Breite des Elements 6 angibt.
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Die
aus 1 ersichtlichen Elemente 9 haben vorzugsweise
dieselben, oben angegebenen Abmessungen und Formen. Dabei ist klar,
daß die
Elemente 6 und 9 zweckmäßig gleichförmig über die Platten 1 verteilt
angeordnet sind. Alternativ sind jedoch auch unsymmetrische Verteilungen
möglich, wobei
die Platten 1 auch mit unterschiedlich geformten und/oder
bemessenen schuppenförmigen
Elementen 6, 9 versehen sein können.
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8, 9 und 10 zeigen
den 2, 3 und 7 entsprechende
Ansichten von erfindungsgemäßen, Wirbel
erzeugenden Elementen 21, die ebenfalls schuppenförmig ausgebildet,
jedoch rundum geschlossen sind. Diese Elemente 21 entstehen
dadurch, daß in
den Platten 1 zur einen oder anderen Breitseite 16, 17 hin
unter Anwendung eines entsprechend geformten Drück- bzw. Prägewerkzeugs Ausprägungen angebracht
werden, ohne in den Platten 1 offene Schlitze oder andere Öffnungen zu
erzeugen.
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In
diesem Fall werden die Elemente 21 im wesentlichen aus
mittleren bzw. aus den Plattenoberflächen 16, 17 (10)
herausgedrückten
Deckenabschnitten 21a der Ausprägungen gebildet. Diese Deckenabschnitte 21a sind
im Gegensatz zu 1 bis 7, ausgehend
von Rändern
bzw. Übergangsabschnitten 22,
die den Rändern 11 in 2 entsprechen,
rundum durch Stirnabschnitte 21b mit den Platten 1 verbunden,
wodurch sich eine allseits geschlossene Schuppenform der Elemente 21 ergibt.
Wie 8 bis 10 zeigen, fallen diese Stirnabschnitte 21b nicht
von Umfangskonturen 21c der Deckenabschnitte 21a aus
senkrecht nach unten ab. Sie sind vielmehr schräg nach außen bis hin zu Umfangskonturen 21d geneigt,
die die Übergangsbereiche
zu den Platten 1 bilden. Mit anderen Worten sind die Umfangskonturen 21d nicht
genau in den Projektionen der Umfangskonturen 21c angeordnet,
sondern etwas größer als
diese. Die Dicken der Decken- und Stirnabschnitte 21a, 21b sind
im wesentlichen dieselben wie die Dicken der Platten 1.
Außerdem
sind die Deckenabschnitte 21a im wesentlichen wie die Elemente 6 ausgebildet,
d. h. sie bestehen aus planparallelen, ebenen, glatten Plattenabschnitten.
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Die
Umfangskonturen 21c der Elemente 21 bzw. Deckenabschnitte 21a sind
vorzugsweise genau so wie die Umfangskonturen der Elemente 6 nach 2 und 3 geformt,
d. h. z. B. halboval bzw. halbelliptisch ausgebildet. Die Deckenabschnitte 21a weisen
daher an von den Übergangsabschnitten 22 in
Richtung der Strömungsachsen 5 entfernten Enden
jeweils eine Spitze bzw. einen Scheitelpunkt 23 auf. Eine ähnliche
Form mit einer entsprechenden Spitze 24 haben zweckmäßig auch
die Umfangskonturen 21d (9). Wie
insbesondere aus 9 ersichtlich ist, ist ein Maß c, das
die Abstände
der beiden Umfangskonturen 21c und 21d voneinander
angibt, zwischen den beiden Spitzen 23, 24 am
größten, während es
von dort aus in Richtung der Ränder 22 allmählich bis
auf den Wert c = 0 abnimmt.
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Die
anhand der 1 bis 7 beschriebenen
Maße für die Elemente 6 bzw. 9 gelten
für die Elemente 21 nach 8 bis 10 in
entsprechender Weise, jedoch mit der Maßgabe, daß jeweils die Deckenabschnitte 21a diese
Werte a, h und d aufweisen. Für
das Maß c
gilt dabei, daß der
in Richtung der Strömungsachsen 5 gemessene
Abstand der beiden Spitzen 23 und 24 voneinander
einen Wert c = 0,1 · h2
bis c = 0,8 · h2
besitzt. Der Wert h2 entspricht in diesem Fall dem größten, an
der Spitze 23 gemesse nen Abstand der Deckenabschnitte 21a von
den zugehörigen
Wänden 16, 17 (10)
der Platten 1.
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Im übrigen ist
aus 10 ersichtlich, daß die Elemente 21 wie
die Elemente 6 (7) wahlweise von der einen oder
anderen Wand 16 bzw. 17 der Platten 1 abstehen
können.
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Die
beschriebenen Elemente 6, 9 und 21 bringen
den wesentlichen Vorteil mit sich, daß sie zwar einerseits vergleichsweise
flach ausgebildet sind, d. h. vergleichsweise kleine maximale Höhen h2 aufweisen,
andererseits aber dennoch eine gute Wirbelbildung ermöglichen,
ohne den Strömungswiderstand
und damit die Druckverluste in den Strömungskanälen 2, 3 wesentlich
zu vergrößern. Das
ist eine Folge davon, daß die
in der einen oder anderen Richtung auf die Elemente 6, 9 bzw. 21 auftreffenden
Fluide überwiegend
nicht senkrecht zu den Wandoberflächen 16 und 17,
sondern quer zu diesen in einer Richtung umgelenkt werden, die in 1 durch
einen Doppelpfeil 25 angedeutet ist und einerseits senkrecht
zu den Strömungsachsen 5,
andererseits parallel zu den Wänden 16, 17 verläuft. Das
ist insoweit von Bedeutung, als dadurch die umgelenkten Teilströme weit
weniger stark als bisher in die Kernzonen der Strömungen umgelenkt
werden, weshalb die durch die Elemente 6, 9, 21 bewirkte
Zunahme der Wärmeübertragung
bzw. Wärmeaustauschleistung größer als
die durch dieselben Elemente 6, 9, 21 bewirkte
Zunahme der Druckverluste ist, wie weiter unten anhand der 24 bis 26 näher erläutert ist.
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Bei
dem anhand der 1 bis 3 beschriebenen
Wärmeaustauscher
sind die Elemente 6, 9 und 21 nur in
den großflächigen,
die Strömungskanäle 2, 3 seitlich
begrenzenden Platten 1 ausgebildet. Für den Fachmann ist jedoch klar,
daß bei
Bedarf entsprechende Elemente auch in den Verbindungsstegen 4 ausgebildet
sein könnten.
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11 und 12 zeigen
einen Wärmeaustauscher
in üblicher
Plattenbauweise. Der Wärmeaustauscher
enthält
eine Vielzahl von parallel und in einem Stapel übereinander angeordneten, rechteckigen
Platten 31, die an ihren Rändern abwechselnd durch parallel
zu den langen Seiten erstreckte Profile 32 und parallel
zu den kurzen Seiten erstreckte Profile 33 auf Abstand
gehalten sind. Dadurch entstehen zwischen den Platten 31 und
Profilen 32 bzw. 33 in Längsrichtung verlaufende Strömungskanäle 34 für ein erstes
Fluid und quer dazu verlaufende Strömungskanäle 35 für ein zweites
Fluid. In den Strömungskanälen 34, 35 sind
außerdem
schematisch angedeutete, zickzackförmig bzw. wellenförmig verlaufende
Lamellen 36, 37 angeordnet, die der Verbesserung
der Wärmeübertragung
zwischen den beiden Fluiden dienen. Mit den Bezugszeichen 38 sind außerdem übliche Sammelkästen angedeutet,
mittels derer das erste Fluid, z. B. eine Flüssigkeit, auf die Strömungskanäle 34 verteilt
bzw. diesen entnommen wird. Die Platten 31, Profile 32 und 33,
Lamellen 36 und 37 und Sammelkästen 38 können in
an sich bekannter Weise z. B. durch Kleben oder Löten miteinander
verbunden sein.
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Wie 12 in
Vergrößerung zeigt,
sind die Lamellen 35 als Wellrippen ausgebildet und mit
oberen bzw. unteren, spitz zulaufenden Nocken 39 versehen,
die an zugeordneten Platten 31 anliegen. Dagegen sind zwischen
den Nocken 39 angeordnete Flanken 40 zwischen
den Platten 31 angeordnet, um die Kanäle 35 seitlich zu
begrenzen, und bis auf Randflanken beidseitig mit dem durchströmenden Fluid,
z. B. Luft, in Berührung,
um einen intensiven Wärmeübergang
zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß sind die
seitlichen, V-förmig
zueinander angeordneten Flanken 40 der Lamellen 37 mit
den erfindungsgemäßen, Wirbel
bildenden Elementen 6 versehen (12). Alternativ
können die
Lamellen 37 zusätzlich
mit den Elementen 9 oder mit den Elementen 21 versehen
sein. Die Strömungsachse
des die Kanäle 35 und 37 durchströmenden Fluids
ist in 11 durch einen Pfeil 41 angegeben, und
die Strömungsrichtung
ist so gewählt,
daß der Fluidstrom
zunächst
auf die Spitzen 14 der Elemente 6 auftrifft und
dann von diesen zu den Seiten hin abgelenkt wird.
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13 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel
für die
Lamellen 37, die hier mäanderförmig ausgebildet
sind und vergleichsweise breite, mit den Platten 31 (11)
durch Löten
od. dgl. verbundene Nocken 42 aufweisen. Zwischen den Nocken 42 sind übliche Flanken 43 vorgesehen.
Dabei sind die Elemente 6 gemäß 13.1 und 13.2 in den Flanken 43 ausgebildet und
sowohl nach der einen als auch nach der anderen Seite der Flanken 43 hin
umgebogen bzw. ausgeprägt.
Dagegen zeigen 13.3 und 13.2,
daß auch
oder nur die Nocken 42 mit den Elementen 6 versehen
sein können.
Die in den Nocken 42 ausgebildeten Elemente 6 sind
dabei stets nach innen, d. h. zu den Strömungskanälen 35 (11)
hin gebogen bzw. geformt, damit die Außenseiten der Nocken 42 als
glatte und vorzugsweise ebene Flächen
erhalten bleiben, wie es zum Verlöten bzw. Verkleben der Lamellen 37 mit
den Platten 31 erwünscht
ist.
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14 und 15 zeigen
einen Wärmeaustauscher
in Rohrform, der eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten
Rohren 51 mit flachovalen Querschnitten aufweist, deren
Enden durch Löten oder
sonstwie in Bodenplatten 52 abgedichtet befestigt sind.
Die Bodenplatten 52 dienen zu Befestigung je eines Sammelkastens 53, über welchen
den Rohren 51 in bekannter Weise ein Fluid zugeführt oder entnommen
wird, das die Rohre 51 z. B. in Richtung eines Pfeils 54 durchströmt. Die
Rohre 51 sind mit vorgewählten Abständen angeordnet, so daß Zwischenräume zwischen
ihnen von einem weiteren, z. B. Kühlzwecken dienenden Medium
durchströmt werden
können.
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Jedes
einzelne Rohr 51 bildet in 14 und 15 ein
erfindungsgemäßes Wärmeübertragungsbauteil
und ist zu diesem Zweck mit entsprechend 1 angedeuteten,
Wirbel erzeugenden Elementen 21 versehen. Diese sind im
Ausführungsbeispiel
nur an gegenüber
liegenden, im wesentlichen ebenen und planparallelen Wänden bzw.
Breitseiten 51a der Rohre 51 angebracht und so
angeordnet, daß das
in einer Strömungsrichtung
gemäß Pfeil 54 (15)
in die Rohre 51 eintretende Fluid zuerst auf die Spitzen 23 bzw.
die breiten Seiten der Stirnabschnitte 21b auftrifft. Dadurch
wird der Fluidstrom im wesentlichen seitlich, d. h. parallel zu
den Breitseiten 51a der Rohre 51 und nur zu einem
sehr geringen Teil senkrecht zu den Innenwänden der Breitseiten 51a,
d. h. in Richtung der Kernströmung
umgelenkt. Außerdem
finden hier die geschlossenen Elemente 21 Anwendung, damit
der Fluidstrom in den Rohren 51 verbleibt und nicht durch
die Öffnungen 12 (2) nach
außen
treten kann. Schließ lich
bestehen die Elemente 21, wie 15 zeigt,
vorzugsweise aus an den beiden Breitseiten 51a nach innen
gedrückten Wandabschnitten,
damit sie die Grenzschichten der die Rohre 51 durchströmenden Fluide
wirksam aufreißen
oder deren Entstehung ganz verhindern können.
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16 und 17 zeigen
einen dem Wärmeaustauscher
nach 14 und 15 entsprechenden
Wärmeaustauscher,
wobei die Bodenplatten 52 und die Sammelkäsen 53 zur
Vermeidung von Wiederholungen weggelassen wurden. Im Unterschied
zu 14 und 15 sind
die Wirbel erzeugenden Elemente 21 hier von den Wänden 51a nach außen gedrückt. Dies
dient dem Zweck, die Elemente 21 weniger mit dem ihre Rohre 51 durchströmenden Fluid,
sondern hauptsächlich
mit einem ihre Zwischenräume
durchströmenden
Fluid wechselwirken zu lassen. Dabei kann es zweckmäßig sein,
dieses Fluid in Richtung eines Pfeils 55, d. h. senkrecht
zu dem die Rohre 51 durchströmenden Fluid durch die Zwischenräume zu leiten.
Für diesen
Fall sind die Elemente 21 zweckmäßig in einer im Vergleich zu 14 um
90° in der
Ebene der Wände 51a gedrehten
Lage in die Rohre 51 eingearbeitet und so angeordnet, daß ihre den
Achsen 15 nach 3 entsprechenden Achsen 56 parallel
zum Pfeil 55 angeordnet sind. Wie in 14 und 15 sind
die Spitzen 23 dabei dem anströmenden Fluid zugewandt. Dies
ist in 17 für einen Strömungskanal 57 angedeutet, der
durch den Zwischenraum zwischen zwei Rohren 51 gebildet
ist.
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18 zeigt
einen der 1 ähnlichen Wärmeaustauscher, der beispielsweise
als Kühler
für elektronische
Bauteile verwendet werden kann und mehrere Platten 58 enthält, die
durch einen endseitigen Steg 59 miteinander verbunden sind.
Die Platten 58 begrenzen analog zu 1 Strömungskanäle und sind
zu diesem Zweck z. B. mit den Wirbel erzeugenden Elementen 6 versehen,
die entsprechend 1 bis 7 ausgebildet
und angeordnet sein können. Der
Kühlluftstrom
ist durch einen Pfeil 60 angegeben.
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19 und 20 zeigen
zwei Wärmeaustauscher
in Rohrform, wobei die Enden eines Bündels paralleler Rohre analog
zu 14 mit einem nicht dargestellten Sammel kasten
verbunden sind. Die Rohre 62 tragen in an sich bekannter
Weise eine Vielzahl von auf sie aufgezogenen und durch Löten oder
sonstwie mit ihnen verbundenen Rippen bzw. Leitblechen 63,
die aus senkrecht zu den Rohrachsen angeordneten, dünnen Platten
wie z. B. Aluminiumblechen bestehen. Die Leitbleche 63 stellen
hier erfindungsgemäße Wärmeübertragungsbauteile
dar und sind zu diesem Zweck mit den nach 1 bis 10,
vorzugsweise mit den nach 1 bis 7 ausgebildeten
Elementen 6 bzw. 21 versehen. Die Elemente 6 bzw. 21 sind
wahlweise nach der einen oder anderen Seite aus den Leitblechen 63 herausgebogen
bzw. -gedrückt.
Die Richtung eines zwischen den Leitblechen 63 strömenden Fluids
ist durch einen Pfeil 64 angegeben. Im übrigen unterscheiden sich die 19 und 20 im
wesentlichen nur dadurch, daß die
Rohre 63 in 19 aus Rundrohren bestehen,
während
in 20 Rohre 65 mit flachovalen Querschnitten
dargestellt sind. Beide Ausführungsbeispiele
eignen sich z. B. auch für
Kupfer/Messing-Kühler.
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21 bis 23 zeigen
schließlich
ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragungsbauteil
in Form eines Rundrohrs 67 bzw. 68. Beide Rohre 67, 68 sind
mit nach innen gedrückten
Elementen 21 (23) versehen, die bei den Rohren 67 auf
mit deren Achsen koaxialen Kreisen angeordnet sind, während sie
bei den Rohren 68 auf einer um die Rohrachse gelegten Spirale
liegen.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile ergeben sich insbesondere
aus 24 bis 26, in denen
drei Wärmeübertragungsbauteile
miteinander verglichen sind. Durchgezogene Linien kennzeichnen jeweils
Werte, die mit einem Wärmeübertragungsbauteil
erzielt wurden, dessen Strömungskanal von
Wänden
mit glatten Oberflächen
begrenzt war. Gestrichelte Linien geben Werte an, die mit einem Wärmeübertragungsbauteil
erzielt wurden, bei dem der Strömungskanal
von einer Wand begrenzt wurde, die Wirbel erzeugende Elemente mit
Kiemenform etwa gemäß US-PS
4 615 384 aufwiesen. Schließlich zeigen
strichpunktierte Linien die mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsbauteil
nach 1, d. h. mit den erfindungsgemäßen Elementen 6 erhaltenen
Werte. Dem Vergleich wurden Wärmeübertragungsbauteile
mit im wesentlichen gleichen Dimensionen zugrunde gelegt. Zur Ermittlung
der Wärmeaustausch leistung
wurde ein Kühlluftstrom
verwendet.
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In 24 ist
die Abhängigkeit
der Wärmeaustausch-
bzw. hier Kühlleistung
Q vom Volumenstrom in Richtung der jeweiligen Strömungsachse dargestellt.
Danach werden mit glatten Flächen
(Kurve 71) vergleichsweise geringe Kühlleistungen erhalten. Dagegen
führen
Flächen,
die erfindungsgemäße Elemente 6 aufweisen
(Kurve 72), zu besseren Werten sowohl im Vergleich zu glatten
Flächen
als auch im Vergleich zu Flächen
mit kiemenförmigen
Elementen (Kurve 73).
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Bezüglich 25 ist
im Hinblick auf die längs eines
Wärmeübertragungsbauteils
sich ergebenden, auf der Ordinate abgetragenen Druckverluste dp
beachtlich, daß Wärmeübertragungsbauteile
mit glatten Flächen
zu den kleinsten und Wärmeübertragungsbauteile
mit kiemenförmigen
Elementen zu den größten Druckverlusten
führen
(Kurven 74 bzw. 75), während die erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsbauteile
aufgrund der speziellen, schuppenförmigen Elemente 6 zwar
zu größeren Druckverlusten
im Vergleich zu glatten Flächen,
aber zu erheblich kleineren Druckverlusten im Vergleich zu Wärmeübertragungsbauteilen
mit kiemenförmigen
Elementen führen (76).
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Um
einen besseren Vergleich zu ermöglichen,
ist in 25 außerdem eine Kennlinie 77 eines Lüfters eingezeichnet,
der in üblicher
Weise zur Erzeugung einer erzwungenen Konvektion des Kühlluftstroms
verwendet und mit seiner Nennleistung betrieben wurde. Die sich
dabei in den drei Fällen
einstellenden Volumenströme
und die zugehörigen Druckverluste
sind durch Punkte 78, 79 und 80 kenntlich
gemacht, die die jeweiligen Arbeitspunkte bei Anwendung des betreffenden
Lüfters
darstellen. Werden die die zu diesen Arbeitspunkten gehörenden Wärmeaustausch-
bzw. Kühlleistungen
in 24 ermittelt (Punkte 81, 82 und 83),
dann ergibt sich, daß im
Arbeitspunkt die Kühlleistung
beim Wärmeübertragungsbauteil
mit glatter Oberfläche
am schlechtesten (Punkt 81) und beim erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsbauteil
am besten ist (Punkt 83), während das Wärmeübertragungsbauteil mit kiemenförmigen Elementen
irgendwo dazwischen liegt, allerdings mit erheblich größeren Druckver lusten
behaftet ist (Punkt 82).
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In 26 sind
zum Vergleich die mit kiemenförmigen
und erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsbauteilen
gegenüber
glatten Wärmeübertragungsbauteilen
erzielbaren Veränderungen
dargestellt. Dabei ist längs
der Ordinate das Verhältnis Q(i)/Q(glatt)
zu dp(i)/dp(glatt) und längs
der Abszisse die Reynoldszahl Re abgetragen. Eine Kurve 84 zeigt,
daß das
genannte Verhältnis
bei Anwendung kiemenförmiger
Elemente durchweg kleiner als 1 ist und insbesondere ca. 0,4 bis
0,6 beträgt.
Das bedeutet, daß der
Wert Q(i)/Q(glatt) durch kiemenartige Elemente zwar vergrößert werden
kann, durch eine verstärkte
Zunahme der Druckverluste dp(i)/dp(glatt) jedoch mehr als kompensiert
wird. Kiemenförmige Elemente
bringen daher keinen nützlichen
Vorteil mit sich, da zur Erzielung von hohen Werten für Q erheblich
stärkere
Lüfter
mit höheren
Energieverbräuchen benötigt werden.
Demgegenüber
werden mit Wirbel erzeugenden Elementen 6 gemäß der vorliegenden Erfindung
die längs
einer Kurve 85 abgetragenen Werte erhalten, die sämtlich größer als
1 sind und insbesondere 1,05 bis 1,2 betragen. Das zeigt an, daß in diesem
Fall die Wärmeaustauschleistungen gegenüber glatten
Wänden
stärker
als die zugehörigen
Druckverluste ansteigen bzw., wie auch 24 und 25 zeigen,
gegenüber
glatten Wänden
bei vergleichsweise kleinen Zunahmen der Druckverluste vergleichsweise
großen
Zunahmen an Kühlleistung
erzielt werden können.
Das bedeutet, daß die Erhöhung der
Kühl- bzw.
Wärmeaustauschleistung mit
annähernd
gleichen Lüfterleistungen
erzielbar sind. Ähnliche
Diagramme ergeben sich bei Anwendung anderer schuppenförmiger Elemente
und bei deren Vergleich mit anderen bekannten, Wirbel erzeugenden
Elementen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die
auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Das gilt vor allem für die angegebenen
Formen und/oder Größen der
die Wirbel bildenden Elemente 6, 9 und 21,
von denen nur bevorzugte Ausführungsbeispiele
beschrieben wurden, und insbesondere für deren maximale Breite d1.
Das Maß d1
hängt insbesondere
von der Zahl der pro Wärmeübertragungsbauteil
vorgesehenen Reihen von Elementen ab, wie z.B. in 1, 4 und 5 für die Reihen 7 der
Platten 1 angedeutet ist. Eine größere Anzahl von Reihen 7 bei kleinerer
Breite d1 der Elemente 6, 9 und 21 fördert die
Wirbelbildung an vielen Stellen längs der Breite der Grenzschicht
und damit den Wärmeübergang.
Prinzipiell ist es aber auch möglich,
pro Platte 1 od. dgl. weniger Reihen 7 als in 1 vorzusehen und
die maximale Breite der Elemente 6, 9, 21 z.B. bis
zu einem Viertel oder Drittel der Plattenbreite (1)
oder der Flankenhöhe
der Lamellen 37 (12) zu
vergrößern. Wichtiger
ist, den maximalen Abstand h2 im Verhältnis zur Länge a der Elemente 6, 9, 21 so
zu wählen,
daß sich
vergleichsweise kleine Umlenkwinkel für die Grenzschicht ergeben
und die Grenzschicht mehr seitlich als vertikal in Richtung der
Kernströmung
umgelenkt bzw. verwirbelt wird. Das ist unabhängig davon vorteilhaft, ob
das jeweilige Fluid beim Durchströmen der Wärmeübertragungsbauteile bzw. Wärmeaustauscher
zunächst
auf die breiten, das Maß d2
aufweisenden Seiten oder die schmalen, das Maß d1 aufweisenden Seiten der Elemente
auftrifft und dabei entweder teilweise in Richtung der Kernströmung umgelenkt
oder teilweise durch die Öffnungen 12 (2)
geleitet werden könnte.
Große
Längen
a und kleine Höhen
h2 führen in
jedem Fall zu kleinen Anströmwinkeln,
die sicherstellen, daß die
Wirbelbildung überwiegend
in den Grenzschichten stattfindet und nicht wesentlich auf die Kernströmung übergreift.
Die Wahl der Formen und Dimensionen der Elemente hängt daher
stark vom Einzelfall, der gewünschten
Funktion des Wärmeaustauschers
und der Dicke der sich bildenden Grenzschichten ab. Weiterhin ist
klar, daß die
Erfindung auch auf andere als die in den Zeichnungen dargestellten
Wärmeübertragungsbauteile
bzw. mit diesen ausgebildeten Wärmeaustauscher
angewendet werden kann. Schließlich
versteht sich, daß die verschiedenen
Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten
Kombinationen angewendet werden können.