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Die
Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschelement
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie einen
damit hergestellten Wärmeaustauscher.
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Wärmeaustauschelemente
dieser Art sind je nach Anwendungszweck Bestandteile von Rohr-, Platten-
oder Rippenwärmeaustauschern
und/oder als Leitblechanordnungen oder Lamellen (Wellrippen) ausgebildet.
Sie werden z.B. in Kraftfahrzeugen, Kompressoren, Wäschetrocknern,
Klima- und Kälteanlagen
oder Kältetrocknern
für Druckluftanlagen
angewendet sowie zur Kühlung
von elektronischen Bauteilen benutzt. Die Strömungskanäle derartiger Wärmeaustauschelemente
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
oder turbulente Strömungen aus,
die in den an die Wände
grenzenden Zonen zu charakteristischen Grenzschichten führen, in
denen sich die durchströmenden
Fluide im Idealfall einer laminaren Strömung 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 den Wärmeübergang
nutzbar und die erzielbaren Wärmeaustauschleistungen
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 Ausprägungen 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 Ausprägungen können allerdings zu dem Nachteil
führen,
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,
Pumpen od. dgl. benötigt
werden, um einen vorgewählten
Volumenstrom aufrecht zu erhalten.
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Praktische
Versuche haben bewiesen, daß die
mit bekannten Ausprägungen
gegenüber
der Anwendung von glatten Wänden
erzielten Vergrößerungen
der Wärmeaustauschleistungen
meistens kleiner als die durch dieselben Elemente gegenüber glatten Wände bewirkten
Zunahmen der Druckverluste sind. Das gilt weitgehend unabhängig von
der im Einzelfall vorgesehenen Form der Ausprägungen und insbesondere für rundum
geschlossene Ausprägungen
in Form von Noppen, die zwar zum Auflösen oder Verhindern von Grenzschichten
durch Wirbelbildung führen,
die dadurch bedingten Druckverluste aber nicht in vertretbaren Grenzen
halten (z. B.
DE 195
26 917 A1 ,
DE
101 27 084 A1 ).
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Es
sind daher auch bereits Wärmeaustauschelemente
bekannt, deren Noppen mit vorgewählten
Abmessungen versehen und mit vorgewählten Dichten und Teilungen angeordnet
(z. B. WO 2004/053410 A2) oder in Abhängigkeit von den Dicken der
sich bildenden Grenzschichten berechnet werden (z. B.
EP 0 679 812 B1 ,
DE 696 20 185 T2 ), um
dadurch einerseits größere Wärmeaustauschleistungen
und andererseits niedrigere Druckverluste zu erreichen. Allerdings
sind bei den zuerst genannten Wärmeaustauschelementen
die Wärmeaustauschleistungen
nicht befriedigend, insbesondere wenn das Fluid ein gasförmiges Fluid
wie z. B. Luft ist. Dagegen hängen
die Abmessungen der Noppen bei den zuletzt genannten Wärmeaustauschelementen
zu einem wesentlichen Teil von den Dicken der sich bei der Benutzung
bildenden Grenzschichten ab. Da in der Regel die Dicke der Grenzschichten nicht
genau bekannt ist, insbesondere bei den oben genannten Anwendungsarten,
ist eine Optimierung der Wärmeaustauschleistungen
und Druckverluste mit solchen Wärmeaustauschelementen
für die
Praxis kaum möglich.
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Auch
mit Hilfe von Wellungen aufweisenden Wärmeaustauschelementen (z. B.
US-PS 3 907 032 ) lassen
sich bisher keine optimalen Ergebnisse erzielen. Das gilt selbst
dann, wenn den Wellungen vergleichsweise komplizierte Formen gegeben
werden (z. B.
DE 195
03 766 A1 ,
EP
1 357 345 A2 ). Ebenfalls bekannte Wärmeaustauschelemente, bei denen
benachbarte Wände
mit unterschiedlich strukturierten Wellungen versehen sind (z. B.
DE 102 18 274 A1 ), haben
dagegen vor allem der Nachteil, daß ihre Strömungskanäle mit vergleichsweise stark
schwankenden Querschnitten versehen sind, was für eine Verkleinerung der Druckverluste
nicht dienlich ist.
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Daneben
besteht bei Wärmeaustauschelementen
der beschriebenen Art der Nachteil, daß sie aufgrund der Querschnittsformen
der Noppen und Wellungen zur Verschmutzung neigen, insbesondere wenn
sie z. B. in Kühlern
für Land-,
Forst- und Baumaschinen oder Fahrzeuge oder in Haushalts-Wäschetrocknern
eingesetzt werden und das Fluid die Prozeßluft und/oder die Kühlluft ist.
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Ausgehend
davon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, das
Wärmeaustauschelement
der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß eine Steigerung
der Wärmeaustauschleistung
bei gleichzeitiger Reduzierung der Verschmut zungsneigung erreicht
wird, insbesondere wenn es sich um den Wärmeaustausch mit gasförmigen Fluiden
handelt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und
27.
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Durch
die Erfindung werden insbesondere in Verbindung mit gasförmigen Fluiden
wie z. B. Luft erhöhte
Wärmeaustauschleistungen
erzielt, ohne daß entsprechend
erhöhte
Druckverluste in Kauf genommen werden müssen. Außerdem lassen sich die Ausprägungen so
gestalten, daß die
Verschmutzungsneigung gering ist. Die erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelemente
und damit ausgerüstete
Wärmeaustauscher
eignen sich daher besonders gut für Anwendungen in Wäschetrocknern,
Ladeluftkühlern oder
Einrichtungen zur Kühlung
von Elektronikbauteilen sowie in Kühlern für Fahrzeuge und Land-, Forst-
und Baumaschinen.
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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
an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Wärmeaustauschelements;
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2 und 3 in
je einer vergrößerten Vorderansicht
und Draufsicht Einzelheiten von erfindungsgemäßen, in Wänden des Wärmeaustauschelements nach 1 ausgebildeten,
noppenförmigen Ausprägungen;
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4 perspektivisch
ein weiteres, mit erfindungsgemäßen Ausprägungen versehenes
Wärmeaustauschelement;
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5 in
einer schematischen und perspektivischen Ansicht einen Flachrohr-Wärmeaustauscher;
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6 eine
vergrößerte Vorderansicht
eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelements
des Wärmeaustauschers
nach 5 in Form eines Flachrohrs;
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7 in
einer perspektivischen Ansicht einen Wärmeaustauscher in Plattenbauweise;
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8 eine
perspektivische, vergrößerte Darstellung
eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelements
des Wärmeaustauschers
nach 7 in Form einer Lamelle;
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9 eine
perspektivische Darstellung von erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelementen in Form
von Leitblechen;
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10 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße, mit einer inneren Trennwand
versehene Ausprägung;
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11 und 12 Schnitte
längs der
Linien XI – XI
und XII – XII
der 10;
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13 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße, schneckenförmig ausgebildete
Ausprägung;
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14 und 15 Schnitte
längs der
Linien XIV – XIV
und XV – XV
der 13;
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16 eine
perspektivische Darstellung eines weiteren Wärmeaustauschelements;
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17 bis 22 vergrößerte Draufsichten allein
auf einzelne Wände
des Wärmeaustauschelements
nach 16, wobei diese Wände mit verschiedenen Ausführungsbeispielen
von erfindungsgemäßen, wellenförmigen Ausprägungen versehen sind;
und
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23 eine
perspektivische Darstellung eines Flachrohr-Wärmeaustauschers mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten,
gewellte Wände
aufweisenden Wärmeaustauschelement
in Form einer Lamelle.
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1 bis 3 zeigen
in starker Vereinfachung ein Wärmeaustauschelement
mit drei parallel nebeneinander angeordneten, wärmeübertragenden Wänden 1,
die durch dünne,
planparallele Platten gebildet sind und infolgedessen je zwei Breitseiten 2a, 2b (2)
und vier Schmalseiten aufweisen. Eine untere Schmalseite ist jeweils
an einem die Wände 1 fest
miteinander verbindenden Steg 3 befestigt. Je zwei paarweise
einander gegenüberstehende
Breitseiten 2a, 2b der Wände 1 begrenzen einen
Strömungskanal 4 für ein Fluid.
Der Steg 3 liegt einem zu kühlenden Bauteil 5 an,
das beispielsweise eine elektronische Baugruppe eines PC od. dgl.
ist, so daß das
beschriebene Wärmeaustauschelement
einen Rippenkühlkörper bildet.
Tatsächlich
hat dieser jedoch in der Regel weit mehr als die dargestellten drei Wände 1 und
einen entsprechend verbreiterten Steg 3. Im Ausführungsbeispiel
werden die Strömungskanäle 4 in
Richtung ihrer parallel zum Steg 3 verlaufenden Längsachse
von einem gasförmigen,
der Kühlung
dienenden Fluid, insbesondere Kühlluft
durchströmt,
wobei in 1 bis 3 eingezeichnete
Pfeile gleichzeitig Strömungsachsen,
längs der
die Strömungskanäle 4 vom
Fluid durchströmt
werden können,
bzw. eine hier ausgewählte
Strömungsrichtung 6 angeben.
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Die
Strömungskanäle 4 sind
seitlich von den einander paarweise zugewandten Breitseiten 2a, 2b der
Wände 1 begrenzt,
wobei diese Breitseiten 2a, 2b bei Anwendung üblicher
Materialien (z. B. einem Metall wie Aluminium oder Kupfer, Graphit,
einem Kunststoff od. dgl.) glatt und im Ausführungsbeispiel auch eben sind.
Dadurch bilden sich beim Durchströmen des Fluids in Richtung
der Pfeile 6 Strömungen aus,
die einerseits in den den Breitseiten 2a, 2b nahen
Bereichen langsam oder gar nicht bewegte Grenzschichten und andererseits
in mittleren Bereichen der Strömungskanäle 4 vergleichsweise
schnell bewegte Kernzonen zur Folge haben. Um die dadurch reduzierte
Wärmeübertragung
zwischen den Wänden 1 und
dem Fluid zu verbessern, sind die Wände 1 mit an sich
bekannten Ausprägungen 7 versehen,
die Wirbel, insbesondere Längswirbel
in den Grenzschichten erzeugen und diese dadurch aufbrechen bzw.
auflösen
oder ganz verhindern sollen.
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Die
Ausprägungen 7,
von denen in 1 nur einige dargestellt sind,
sind im Ausführungsbeispiel jeweils
hintereinander in mehreren, hier fünf zur Strömungsrichtung 6 parallelen,
durch gestrichelte Linien angedeutete Reihen 8 angeordnet.
Dabei sind die Abstände
der Reihen 8 so gewählt,
daß zwischen
benachbarten Ausprägungen 7 jeweils
Zwischenräume 9 freibleiben.
Außerdem
sind die Ausprägungen 7 in benachbarten
Reihen 8 jeweils mit einem vorgegebenen Versatz angeordnet,
wie in 1 durch gestrichelt dargestellte Ausprägungen 7 angedeutet
ist. Allerdings ist es auch möglich,
die Ausprägungen
in benachbarten Reihen 8 ohne Versatz anzuordnen.
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Erfindungsgemäß ist wenigstens
eine der Wände 1,
insbesondere eine zwischen zwei der anderen Wände 1 angeordnete
Wand mit Ausprägungen 7 versehen,
die von ihren entgegengesetzten Breitseiten 2a, 2b abstehen
und daher quer zur Strömungsrichtung 6 in
zwei benachbarte Strömungskanäle 4 ragen,
wie 2 für
je zwei von den Breitseiten 2a abstehende Ausprägungen 7a und
je eine von der Breitseite 2b abstehende Ausprägung 7b zeigt, wobei
letztere in 3 gestrichelt dargestellt sind. Zweckmäßig weisen
alle vorhandenen Wände 1,
allenfalls mit Ausnahme der beiden äußersten Wände, sowohl die Ausprägungen 7a als
auch die Ausprägungen 7b auf.
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Die
Ausprägungen 7 sind,
wie insbesondere 2 und 3 zeigen,
noppenförmig
und in der Draufsicht kreisförmig
ausgebildet. Erfindungsgemäß sind diese
Noppen mit einer Dichte vorhanden, die zwischen 0,25 und 0,8 liegt.
Unter der Dichte wird hier das Verhältnis der von den noppenförmigen Ausprägungen 7 auf
den Wänden 1 eingenommenen Flächen zur
Gesamtfläche
der Wände 1 verstanden. Die
Flächen,
die von den Ausprägungen 7 auf
den Wänden 1 eingenommen
werden, entsprechen in 3 den von den Umrißlinien 10a bzw. 10b umgrenzten
Flächen
bzw. den Projektionen der Ausprägungen 7 auf
die jeweiligen Breitseiten 2a bzw. 2b. Dabei kann
die Dichte auf der jeweils einen Breitseite 2a eine andere
als die Dichte auf der jeweils anderen Breitseite 2b einer
der Wände 1 sein.
Außerdem
bezieht sich die Dichte hier stets auf das Verhältnis aus der Summe aller von
den Umrißlinien 10a und 10b eingenommenen
Flächen
zur Gesamtfläche
der betreffenden Wand 1. Daher ist klar, daß bei gleicher Anordnung
und gleichen Abmessungen der Ausprägungen 7a und 7b auf
beiden Breitseiten 2a und 2b die Dichte pro Breitseite
zwischen den Werten 0,125 und 0,4 liegt.
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Die
noppenförmigen
Ausprägungen 7 werden
beispielsweise dadurch hergestellt, daß unter Anwendung eines entsprechend
geformten, z. B. aus einem Stempel und einer Matrize bestehenden Drück- bzw.
Prägewerkzeugs
die die Noppen bildenden Abschnitte nach der einen oder anderen
Seite hin aus der Wand 1 herausgedrückt werden, wie 2 deutlich
zeigt. Die Ausprägungen 7 bilden
daher rundum geschlossene Flächen
ohne offene Schlitze od. dgl.. Außerdem sind die Außenkonturen der
Umrißlinien 10a, 10b vorzugsweise
kreisrund, oval oder elliptisch und die Oberflächen der gebildeten Ausprägungen vorzugsweise
längs Abschnitten von
kugel-, ellipsoid- oder eiförmigen
Flächen
erstreckt. Die Übergänge dieser
Flächen
in die Breitseiten 2a, 2b der Wände 1 sind
dabei möglichst
flach mit Winkeln von z. B. 40° oder
weniger, damit sich einerseits keine abrupten Querschnittsänderungen
für die Strömungen ergeben
und sich andererseits keine Ecken und Kanten bilden, in denen sich
bei Anwendung von gasförmigen
Fluiden in diesen angereicherte Verunreinigungen wie z. B. Fasern,
Flusen od. dgl. festsetzen können.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem ein Wärmeaustauschelement
in einem Teil von einem Fluid in Form eines flüssigen oder gasförmigen Prozeßmediums
und in einem anderen Teil von einem Fluid in Form eines Kühlmediums
wie z. B. Luft durchströmt
wird. Die beiden genannten Teile sind mit einer gemeinsam genutzten
Trennwand 12 verbunden. Das das Prozeßmedium führende Teil enthält eine
Mehrzahl von parallel angeordneten Wänden 14 mit einander
gegenüber
stehenden, senkrecht von der Trennwand 12 wegragenden Breitseiten
und je einer mit der Trennwand 12 verbundenen Schmalseite.
Analog zu 1 begrenzen die Breitseiten
der Wände 14 jeweils
einen Strömungskanal 15,
der parallel zu den Breitseiten und parallel zur Trennwand 12 vom
Prozeßmedium
durchströmt
wird (Pfeil 16). Dagegen enthält das andere Teil des Wärmeaustauschelements
nach 4 eine Mehrzahl von parallel angeordneten Wänden 17,
die entsprechend den Wänden 14 angeordnet
und mit der Trennwand 12 verbunden sind. Von den Breitseiten der
Wände 17 begrenzte
Strö mungskanäle 18 werden
im Gegenstrom (Pfeil 19) zum Prozeßmedium vom Kühlmittel
durchströmt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 4 sind sowohl die Wände 14 als auch die
Wände 17 mit nach
beiden Seiten gerichteten, noppenförmigen Ausprägungen 20 versehen.
Im Gegensatz zu den Ausprägungen 7 nach 1 bis 3 haben
die Projektionen der Ausprägungen 20 auf
die Wände 14 bzw. 17 jedoch
elliptische Umfangskonturen, wobei die langen Durchmesser der Umfangskonturen
z. B. jeweils parallel zu den Strömungsrichtungen 16 bzw. 19 verlaufen.
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Im übrigen sind
die Wände 14 und
die Ausprägungen 20 entsprechend 1 bis 3 ausgebildet.
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5 und 6 zeigen
schematisch einen Flachrohr-Wärmeaustauscher
mit einer Mehrzahl von flachovalen, parallel zueinander angeordneten Rohren 23,
die mit ihren Enden in nicht näher
dargestellte, in 5 lediglich durch eine Bodenplatte 24 angedeutete
Sammelkästen
ragen. Die Rohre 23 umschließen erste Strömungskanäle 25,
die z. B. in einer durch einen Pfeil 26 angegebenen Strömungsrichtung
von einem z. B. flüssigen
oder gasförmigen Prozeßmedium
durchströmt
werden. Dabei sind die Rohre 23 mit solchen Abständen voneinander
angeordnet, daß zwischen
ihnen Zwischenräume
vorhanden sind, die zweite Strömungskanäle 27 bilden.
Diese werden z. B. im Kreuzstrom von Kühlluft durchströmt, wie
durch einen senkrecht zu einem Pfeil 26 angeordneten Pfeil 28 angedeutet
ist.
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Wie
insbesondere 6 zeigt, sind die Rohre 23 so
angeordnet, daß ihre
flachen, breiten Wände 29a, 29b einander
paarweise gegenüberliegen
und dadurch sowohl die Strömungskanäle 25 als
auch die Strömungskanäle 27 begrenzen.
Die Wände 29 weisen
analog zu den Wänden 1, 14 und 17 der 1 bis 4 jeweils
Ausprägungen 30 auf,
wobei Ausprägungen 30a nach
innen in die Strömungskanäle 25 für das Prozeßmedium
ragen, während
Ausprägungen 30b,
von den Rohren 23 aus betrachtet, nach außen und
somit in die Strömungskanäle 27 für die Kühlluft ragen.
Dadurch tragen die Ausprägungen 30 in
beiden Strömungskanälen 25 und 27 zur
Verhinderung oder Beseitigung von störenden, die Wärmeübertragung
behindernden Grenzschichten bei, die sich ohne die Ausprägungen 30 nahe
den Wänden 29 bilden
könnten.
Die Rohre 23 sind daher hier als die eigentlichen Wärmeaustauschelemente
zu betrachten.
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Im übrigen sind
die Wände 29 und
Ausprägungen 30 entsprechend 1 bis 3 ausgebildet.
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7 und 8 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 8 in
Vergrößerung zeigt,
sind die in der Fachwelt auch als Wellrippen bezeichneten Lamellen 37 wellenförmig 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 bzw. Wände 40 zwischen
den Platten 31 angeordnet, um die Strömungskanäle 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 Wände 40 der
Lamellen 37 mit den erfindungsgemäßen, Wirbel bildenden Ausprägungen 41 versehen
(8), die beiderseits von jeder Wand 40 abstehen
und in einen zugeordneten Strömungskanal 35 ragen.
Dabei sind von der einen Breitseite der Wände 40 abstehende
Ausprägungen 41a wiederum
mit durchgezogenen Linien und von der anderen Breitseite der Wände 40 abstehende
Ausprägungen 41b mit
gestrichelten Linien dargestellt. Die Strömungsrichtung des die Kanäle 35 durchströmenden Fluids
ist in 7 durch einen Pfeil 42 angegeben.
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Die
erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelemente
werden bei diesem Ausführungsbeispiel
allein durch die Lamellen 37 gebildet.
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Die
Lamellen 36 gemäß 7 können bei Bedarf
entsprechend den Lamellen 37 ausgebildet sei. Im übrigen sind
die Wände 40 und
Ausprägungen 41 entsprechend 1 bis 6 ausgebildet.
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9 zeigt
einen Wärmeaustauscher
in Rohr/Leitblech-Bauweise, wobei die Enden eines Bündels paralleler
Rohre 52, die aus Rundrohren, Ovalrohren oder flachovalen
Rohren bestehen können,
analog zu 5 mit nicht dargestellten Sammelkästen verbunden
sind. Die Rohre 52 durchragen in an sich bekannter Weise
eine Vielzahl von auf sie aufgezogenen und durch Löten oder
sonstwie mit ihnen verbundenen Wänden 43,
die als Wärme übertragende
Rippen bzw. Leitbleche wirken und aus senkrecht zu den Rohrachsen
angeordneten, dünnen
Platten wie z. B. Aluminiumblechen bestehen. Die Leitbleche bzw.
Wände 43 stellen
hier erfindungsgemäße Wärmeaustauschelemente
dar und sind zu diesem Zweck mit entsprechend 1 bis 8 ausgebildeten
Ausprägungen 44 versehen, von
denen in 9 nur einige dargestellt sind.
Die Ausprägungen 44 sind
sowohl nach der einen als auch nach der anderen Seite aus den Wänden 43 herausgebogen
bzw. -gedrückt.
Die Wände 43 begrenzen
außerdem
Strömungskanäle 45,
die von einem Kühlmedium
wie z. B. Luft für
ein die Rohre 52 durchströmendes Prozeßmedium
durchströmt
wird. Die Richtung eines zwischen den Wänden 43 strömenden Fluids
ist durch einen Pfeil 46 angegeben.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 9 eignet sich außer für Wärmeaustauscher aus Aluminium
z. B. auch für
Kupfer/Messing-Kühler.
Abgesehen davon sind die Wände 43 und
Ausprägungen 44 entsprechend 1 bis 8 ausgebildet.
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Die
beschriebenen Ausprägungen 7, 20, 30, 41 und 44 sind
im Hinblick auf ihre Fähigkeit,
die Wärmeübertragungseigenschaften
der Wände 1, 14, 17, 29, 40 und 43 durch
die Bildung von den Oberflächen
nahen Wirbeln zu verbessern, insbesondere dann wirkungsvoll, wenn
vorgewählte
Parameter eingehalten werden. Neben der bereits genannten Dichte
sind das vor allem die Tiefe f, die in Strömungsrichtung und quer dazu
gemessene Länge
L bzw. Breite B der Ausprägungen
sowie die in Strömungsrichtung und
quer dazu gemessene Teilung t1 bzw. t2 der Ausprägungen.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
den Ausprägungen 7 eine
maximale innere Tiefe f von 0,2·H bis 0,8·H zu geben. Dabei bedeutet
in Übereinstimmung
mit
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2 das
Maß f
den Abstand des Scheitelpunkts bzw. des höchsten Punkts einer Ausprägung 7 von
der zugehörigen
Breitseite (z. B. 2a bzw. 2b), d. h. die Tiefe,
mit der eine Ausprägung 7 maximal
in den betreffenden Strömungskanal 4 od.
dgl. hineinragt. Dagegen ist das Maß H der lichte Abstand zwischen
zwei sich gegenüber
stehenden Breitseiten (z. B. 2a bzw. 2b). Erfindungsgemäß soll daher
die Tiefe f nicht absolut, sondern als Bruchteil des lichten Abstandes
H bestimmt werden.
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Im
Hinblick auf die Länge
L und Breite B der Ausprägungen 7 (3)
hat es sich ebenfalls als zweckmäßig erwiesen,
diesen keine absoluten Werte zuzuordnen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, sowohl
der Länge
L als auch der Breite B, jeweils bezogen auf die sich an den Breitseiten
(z. B. 2a, 2b) ergebenden Umrißlinien, Werte zwischen dem
3-fachen und dem 20-fachen ihrer Tiefe f zu geben. Dadurch wird
sichergestellt, daß die
Ausprägungen
im Vergleich zu ihrer Tiefe vergleichsweise lang und breit sind,
woraus bei über
die Länge
und/oder Breite gleichen Krümmungsradien
R (2) automatisch eine vergleichsweise flache, sanft
ansteigende bzw. abfallende Oberflächenkontur resultiert. Bei
elliptischer Ausbildung der Umfangskonturen der Ausprägungen sollten
die jeweils größten bzw.
kleinsten Durchmesser ebenfalls innerhalb der angegebenen Wertebereiche
liegen.
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Schließlich wird
die Teilung t1 (vgl. 3) vorzugsweise gleich dem 2,2-
bis 10-fachen der Länge
L und Teilung t2 gleich dem 1,3- bis 8-fachen der Breite B gewählt. Dadurch
ist auch die Teilung nicht absolut, sondern in Abhängigkeit
von der Länge
bzw. Breite der Ausprägungen 7 festzulegen,
d. h. eine große
Länge L
bzw. Breite B hat eine entsprechend größere Teilung t1 bzw. t2 zur
Folge.
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Abgesehen
davon ist für
den Fachmann klar, daß die
oben angegebenen Faktoren in Abhängigkeit vom
Einzelfall festzulegen sind. Dabei kann in der Regel davon ausgegangen
werden, daß zu
einem größeren (kleineren)
Absolutwert der betreffenden Ausgangsgröße eher ein entsprechend großer (kleiner)
Faktor als umgekehrt gehört.
Zu einer Tiefe f von z. B. 1 mm wird z. B. eher ein Wert B = 5·f = 5
mm als B = 20·f
= 20 mm gehören.
Außerdem
kann z. B. die Tiefe f um so größer gewählt werden,
je größer das Maß H ist.
Anhand der oben angegebenen Wertebereiche läßt sich stets eine für den Einzelfall
zweckmäßige Kombination
von Werten ermitteln, wobei um so bessere Wärmeübertragungseigenschaften erzielt werden,
je mehr der angegebenen Parameter in den genannten Bereichen liegen.
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Außerdem kann
es zweckmäßig sein,
die Dichte der Ausprägungen
in Strömungsrichtung und/oder
quer dazu an verschiedenen Stellen einer Wand unterschiedlich groß zu wählen. Vorteilhaft
ist es z. B., die Dichte in Strömungsrichtung
allmählich zunehmen
zu lassen. Dadurch kann eine allmählich zunehmende Wirbelbildung
und Wärmeübertragung erreicht
werden, um z. B. die in Strömungsrichtung unvermeidliche
Abnahme der Temperaturdifferenz beispielsweise zwischen einem Prozeßmedium
und einem Kühlmittel
dafür auszugleichen.
Dabei kann die unterschiedliche Dichte durch unterschiedliche Abmessungen
und/oder Teilungen der Ausprägungen
hergestellt werden. Schließlich
kann es in Einzelfällen
auch zweckmäßig sein,
die verschiedenen Parameter auf den beiden Seiten einer Wand unterschiedlich
zu wählen.
Zur Erzielung gleichmäßiger Wärmeübertragungsleistungen
wird jedoch im allgemeinen bevorzugt, die Ausprägungen auf beiden Wandseiten
in gleicher Weise auszubilden und mit gleicher Dichte anzuordnen.
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Zwei
besonders zweckmäßige, an
sich bekannte Formen für
die Ausprägungen
ergeben sich aus 10 bis 12 einerseits
und 13 bis 15 andererseits.
Gemäß
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10 bis 12 ist
eine Ausprägung 47 mit
einer Trennwand 48 versehen. Diese enthält eine Trennspitze 49,
die dem in Richtung von Pfeilen 50 zuströmenden Fluidstrom
zugewandt ist und diesen quer zur Strömungsrichtung umlenkt, wie
Pfeile 51a, 51b andeuten. Dagegen ist eine Ausprägung 54 gemäß 13 bis 15 mit
einem schnecken- bzw. spiralförmig
geformten, nach oben offenen Strömungskanal 55 versehen.
Dieser enthält
eine am Boden der Ausprägung 54 liegende
Eintrittsöffnung 56, die
dem in Richtung eines Pfeils 57 zuströmenden Fluidstrom zugewandt
ist, und eine im Scheitel der Einprägung 54 liegende Austrittsöffnung 58,
die in Richtung des Fluidstroms geöffnet ist. Dadurch wird der
Fluidstrom im Bereich der Ausprägung 54 auf eine
spiralförmige
Bahn umgelenkt, die eine intensive Verwirbelung erzwingt.
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Im übrigen sind
die Ausprägungen 47 und 54 zweckmäßig wie
die Ausprägungen
nach 1 bis 9 ausgebildet.
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Während die
Ausführungsbeispiele
nach 1 bis 15 auf Ausprägungen gerichtet sind, die
sich durch noppenförmige
Verformungen einer Wand ergeben, zeigen die 16 bis 23 Ausführungsbeispiele,
bei denen die Ausprägungen durch
wellenförmige
Verformungen einer Wand erhalten werden.
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16 und 17 zeigen
analog zu 1 bis 3 ein Wärmeaustauschelement
mit mehreren, parallel nebeneinander angeordneten, wärmeübertragenden
Wänden 61,
die durch dünne,
wellenförmig
verformte Platten gebildet sind. Die Wände 61 sind gemäß
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16 mit
unteren Schmalseiten durch Löten,
Kleben oder sonstwie an einer die Wände 61 fest miteinander
verbindenden Grundplatte 62 befestigt und besitzen, ausgehend
von der Grundplatte 62, eine Höhe D. Je zwei paarweise einander
gegenüber stehende
Breitseiten 63a, 63b (17) der
Wände 61 begrenzen
einen Strömungskanal 64 für ein Fluid. Die
Grundplatte 62 liegt z. B. einem zu kühlenden Elektronikbauteil an,
so daß das
Wärmeaustauschelement
einen Rippenkühlkörper bildet.
Beim Ausführungsbeispiel
werden die Strömungskanäle 64 in Richtung
ihrer parallel zur Grundplatte 62 verlaufenden Längsachse
z. B. von Kühlluft
durchströmt.
In 16 und 17 geben
eingezeichnete Pfeile gleichzeitig Strömungsachsen, längs derer
die Strömungskanäle 64 vom
Fluid durchströmt
werden können,
bzw. eine hier gewählte
Strömungsrichtung 65 an.
Im übrigen
gelten die allgemeinen Ausführungen zu 1 bis 3 entsprechend.
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Um
die durch langsam oder gar nicht bewegte Grenzschichten reduzierte
Wärmeübertragung zwischen
den Wänden 61 und
dem Fluid zu verbessern, werden die Wände 61 in an sich
bekannter Weise mit sinuskurvenartigen Wellungen versehen, wobei
diese Wellungen durch Verformung der die Wände 61 bildenden Platten
um Linien erhalten werden, die sich gemäß 16 in
Richtung ihrer Höhe
D erstrecken und daher im wesentlichen senkrecht zu derjenigen Breitseite
der Grundplatte 62 stehen, an der die Wände 61 befestigt sind.
Außerdem
zeigt insbesondere 17, daß sich die Wellungen abwechselnd
auf der einen bzw. anderen Seite einer gedachten, durch eine strichpunktierte
Linie angedeuteten Mittelebene x erstrecken,
wobei diese Mittelebene x der
Mittelebene der ursprünglichen,
unverformten, planparallelen Platte entspricht. Dadurch enthalten die
Wellungen jeweils eine erste, in der Strömungsrichtung 65 vorlaufende
Halbwelle 66 und eine zweite, in Strömungsrichtung 65 nachlaufende
Halbwelle 67, wobei jeweils die erste Halbwelle 66 auf
einer Seite und die zweite Halbwelle 67 auf der anderen Seite
der Mittelebene x angeordnet
ist und wobei beide Halbwellen 66, 67 längs einer
in der Mittelebene x liegenden
Verbindungslinie 68 aneinander grenzen bzw. miteinander
verbunden sind. Dadurch bilden analog zu 1 bis 15 die
Halbwellen 66 jeweils eine in einer Richtung aus der Mittelebene x der Wand 61 herausragende
Ausprägung,
während
die Halbwelle 67 jeweils eine in der entgegengesetzten Richtung
aus der Mittelebene x der Wand 61 herausragende
Ausprägung
darstellt. Bezogen auf die Mittelebene x hat
die Dichte der Ausprägungen 66, 67 beim
Ausführungsbeispiel
nach 17 allerdings den Wert "1",
da die Wellungen die Mittelebene x jeweils
nur im Bereich der Verbindungslinien 68 und weiterer Verbindungslinien 69 schneiden,
längs derer zwei
aufeinander folgende Wellungen miteinander verbunden sind. Wie im
Fall der 1 bis 15 bilden
die Ausprägungen
bzw. Halbwellen 66, 67 außerdem durchgehend geschlossene
Flächen
ohne offene Schlitze oder andere Unterbrechungen.
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Ein
wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Halbwellen 66 und 67 jeweils zentral-
bzw. punkt- (linien-) symmetrisch zu ihren Verbindungslinien 68 sind.
Das bedeutet in 17, daß die Halbwelle 66,
wenn sie um 180° um
die Verbindungslinie 68 gedreht wird, genau mit der Halbwelle 67 zusammenfällt. Daraus
folgt, daß sowohl
die Oberflächenkonturen
als auch die in Strömungsrichtung 65 gemessenen
Längen
beider Halbwellen 66, 67 identisch sind. Letzteres
führt in 17 außerdem dazu,
daß die
Wellungen eine in Strömungsrichtung gemessene
Periodenlänge 1 aufweisen
und jede Halbwelle 66, 67 eine Länge besitzt,
die dem Wert 1/2 entspricht.
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Weiterhin
ist es für
die Ausbildung der im Zusammenhang mit 1 bis 15 beschriebenen Wirbel
wichtig, daß die
ersten Halbwellen 66, in Strömungsrichtung 65 betrachtet,
einen vorlaufenden, bis zu je einem Maximum 70 der Halbwellen 66 hin
ansteigenden Abschnitt 71 und einen nachlaufenden, vom
jeweiligen Maximum 70 bis zur nachfolgenden Verbindungslinie 68 hin
abfallenden Abschnitt 72 aufweisen. Dabei ist der vorlaufende
Abschnitt 71 kürzer und
damit auch steiler als der nachlaufende, weniger steil abfallende
Abschnitt 72. Wegen der Zentralsymmetrie ist es bei der
zweiten Halbwelle 67 genau umgekehrt, d. h. ein vorlaufender
Abschnitt 73 ist länger und
weniger steil ansteigend im Vergleich zu einem nachlaufenden Abschnitt 74.
Wegen der Zentralsymmetrie entspricht dabei der Abschnitt 73 dem
Abschnitt 72 und der Abschnitt 74 dem Abschnitt 71.
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Schließlich gehört es zum
Erfindungsgedanken, daß die
Wellungen bei allen Wänden 61 des Wärmeaustauschelements
nach 16 zweckmäßig in gleicher
Weise ausgebildet sowie parallel und ohne Versatz, d. h. mit einem
konstanten lichten Abstand H relativ zueinander angeordnet sind,
wie 17 zeigt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Strömungskanäle 64 im
wesentlichen durchgehend dieselbe Breite entsprechend dem Maß H haben
und daher trotz der Wellungen keine wesentlichen Druckver luste zu
befürchten
sind. Das gilt insbesondere dann, wenn die durch die Halbwellen 66, 67 gebildeten
Ausprägungen
gemäß 17 eine
auf die Breitseite 63a (bzw. 63b) bezogene, analog
zu 2 bestimmte innere Tiefe f vom 0,2- bis 2-fachen
des lichten Abstands H aufweisen. Dabei entspricht die innere Tiefe
f hier gemäß 17 einer
um die halbe Wandstärke s reduzierten Amplitude A
der Wellung, d. h. es gilt f = A – 1/2·s. Wie bei den noppenförmigen Ausprägungen ist
es besonders vorteilhaft, die inneren Tiefen der Ausprägungen bzw.
Halbwellen 66, 67 nicht absolut, sondern als Bruchteile
oder auch Vielfache des lichten Wandabstands H festzulegen.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 18 unterscheidet sich von dem nach 17 nur
dadurch, daß die
Wellungen in Strömungsrichtung 65 von
einer Wand 61 zur benachbarten Wand 61 jeweils
um ein Maß z relativ zueinander versetzt
angeordnet sind. Zur Vermeidung größerer Schwankungen des lichten Abstands
H ist es jedoch zweckmäßig, daß Maß z höchstens so groß zu wählen, daß die durch
die Wirbelbildung erzielte Leistungssteigerung deutlich größer als
die durch den Versatz bedingte Zunahme der Druckverluste ist.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 16 bis 18 bringt
außerdem
den Vorteil mit sich, daß die Verschmutzungsneigung
in den Strömungskanälen 64 trotz
der Wellungen gering ist, weil die die Strömungskanäle 64 begrenzenden
Breitseiten 63a, 63b durchgehend gerundet und
glatt sind und keine störenden
Ecken und Winkel bilden. Das gilt insbesondere dann, wenn die innere
Tiefe klein und die Profillänge l groß gewählt werden kann.
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Entsprechend
gute Ergebnisse lassen sich mit den Ausführungsbeispielen nach 19 bis 21 erzielen.
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19 zeigt
Wände 76,
bei denen die ansteigenden und abfallenden, gerundet ausgebildeten Abschnitte 71 bis 74 gemäß 17 durch
ebene Wandabschnitte 77, 78, 79 und 80 ersetzt
sind, wodurch die Querschnitte der Wände 76 im wesentlichen
dreieckförmig
bzw. zickzackförmig
ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sollte allerdings
die Periodenlänge l im Verhältnis zur Amplitude A verhältnismäßig groß sein,
um in den Bereichen der größten Amplituden
keine Schmutzecken zu erhalten.
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Eine
gegenüber 19 etwas
günstigere Gestaltung
der Wellungen zeigt 20 anhand von Wänden 81.
Hier sind zwischen den ansteigenden und abfallenden Abschnitten 77 und 78,
d. h. im Bereich ihrer maximalen inneren Tiefen, zusätzliche
gerade, parallel zur Strömungsrichtung 65 angeordnete Wandabschnitte 82 eingefügt. Entsprechende Wandabschnitte 83 sind
zwischen den Abschnitten 79 und 80 der zweiten
Halbwellen 67 eingefügt,
so daß sich
wiederum Zentralsymmetrie ergibt. Außerdem ist es möglich, derartige
ebene, parallel zur Strömungsrichtung 65 angeordnete
Wandabschnitte 84 auch im Bereich von in der Mittelebene x liegenden Verbindungslinien 85 vorzusehen,
längs derer
die aus 20 ersichtlichen Halbwellen
miteinander verbunden sind. Aus 20 ist
außerdem
der Zusammenhang zwischen den Werten f = A – 1/2·s ersichtlich, worin s der Wandstärke entspricht.
Außerdem zeigt 20,
daß die
aus den Abschnitten 77, 82, 78 bzw. 79, 83, 80 bestehenden
Halbwellen hier als Ausprägungen
erscheinen, die aus einer durch die Abschnitte 84 gebildeten
Wand zur einen oder anderen Seite hin herausragen. Schließlich ergibt
sich bei diesem Ausführungsbeispiel
wegen der Wandabschnitte 84 analog zu 1 bis 15 ein
Wert für
die Dichte der Ausprägungen,
der kleiner als "1" ist.
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21 zeigt
eine noch etwas günstigere
Variante, bei der z. B. die geraden bzw. ebenen Abschnitte 77, 82 bzw. 82, 78 bzw. 79, 83 bzw. 83, 80 jeweils
durch gerundete Übergangsabschnitte 86 verbunden
sind. Hierdurch werden unter Umständen störende Schmutzwinkel in den
Strömungskanälen vollständig vermieden.
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Die
Bemessung und Anordnung der Ausprägungen bzw. Halbwellen 66, 67 nach 16 bis 22 kann
wie bei den Ausführungsbeispielen nach 1 bis 15 in
Abhängigkeit
vom Einzelfall unterschiedlich sein und/oder sich auch innerhalb
einer und derselben Wand ändern.
Neben der Amplitude A bzw. inneren Tiefe f der Wellungen kann z.
B. die Wandstärke s (17 bzw. 20)
schwanken, vorzugsweise zwischen 0,08 mm und 5 mm. Besonders vorteilhafte
Ergebnisse im Hinblick auf die Wärmeübertragungsleistung,
den Druckverlust und die Verschmutzungsneigung werden außerdem erzielt, wenn
die Periodenlänge 1 wenigstens
gleich dem 4-fachen der Amplitude A oder noch größer als dieser Wert ist. Außerdem kann
es zweckmäßig sein,
die Periodenlänge 1 und/oder
die Amplitude A in Strömungsrichtung 65 allmählich größer oder – wie im Ausführungsbeispiel
der 22 durch Periodenlängen 11, 12 und 13 und
Amplituden A1, A2 und A3 gezeigt ist -, allmählich kleiner werden zu lassen.
Dadurch ist es möglich,
in Richtung der Strömung 65 eine
allmählich
intensiver werdende Wirbelbildung und damit eine allmählich größer werdende
Wärmeübertragungsleistung
zu erzielen.
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23 zeigt
einen Flachrohr-Wärmeaustauscher
mit Flachrohren 87, wobei abweichend von 5 und 6 zusätzliche,
zwischen den Flachrohren 87 angeordnete Lamellen 88 vorhanden
sind. Die Lamellen 88 sind hier mäanderförmig gefaltet und mit Seitenwänden 89 versehen,
die durch im wesentlichen ebene, obere bzw. untere Verbindungsabschnitte 90a, 90b miteinander
verbunden sind.
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Die
Seitenwände 89 der
Lamellen 88 sind erfindungsgemäß mit Wellungen versehen, die
analog zu 16 bis 22 ausgebildet
sind. Auf eine erneute Beschreibung dieser Wellungen kann daher verzichtet
werden. Wichtig ist lediglich, daß die Seitenwände 89 unabhängig davon,
ob sie durch obere oder untere Verbindungsabschnitte 90a, 90b verbunden
sind, jeweils Strömungskanäle 91 begrenzen, durch
die z. B. ein gasförmiges
Kühlmedium
strömt, um
ein in den Flachrohren 87 strömendes, flüssiges Fluid zu kühlen. Die
Strömungsrichtungen
sind durch Pfeile 92, 93 angedeutet.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele bringen
neben den bereits genannten Vorteilen noch zwei weitere Vorteile
mit sich. Zum einen ist es im Hinblick auf die Wärmeaustauschleistung, den Druckverlust
und die Verschmutzungsneigung gleichgültig, ob die Wärmeaustauschelemente
von den Fluiden in Richtung der eingezeichneten Pfeile oder entgegengesetzt
dazu durchströmt
werden. Das gilt wegen der Zentralsymmetrie auch für die Ausführungsbeispiele
nach 16 bis 23. Außerdem können zumindest
alle indirekt wirkenden Wärmeaustauschwände ohne
große
Probleme mit den beschriebenen Ausprägungen versehen werden. Insbesondere
im Fall der 19 und 20 werden
hierfür
nur kostengünstig
herstellbare Folgewerkzeuge benötigt,
da diese keinerlei gerundete Flächen
aufweisen brauchen.
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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
verschiedenen, Wirbel bildenden Ausprägungen sowie für die Dichte
von deren Anordnung. Die Wahl dieser Parameter ist weitgehend vom
Einzelfall und der gewünschten
Wärmeaustausch-
bzw. Wärmeübertragungsleistung
abhängig.
Ferner ist klar, daß die
Erfindung auch auf andere als die in den Zeichnungen dargestellten
Wärmeaustauschelemente bzw.
mit diesen ausgerüsteten
Wärmeaustauscher angewendet
werden kann. Schließlich
versteht sich, daß die
verschiedenen Merkmale auch in einer anderen als der beschriebenen
und in der Zeichnung dargestellten Weise miteinander kombiniert
werden können.