DE202006009464U1

DE202006009464U1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE202006009464U1
Application number: DE202006009464U
Authority: DE
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2016-06-17
Also published as: US20070068663A1

Abstract

Wärmetauscher mit einem Kühlmittel durchströmten Kanal und einem von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal, die durch eine Wand voneinander getrennt sind, von welcher ausgehend sich Rippen in zumindest einen der beiden Kanäle strecken, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rippe (6) eine linienförmige Anströmkante (11) und zwei linienförmige Abströmkanten (15) aufweist, wobei die Anströmkante (11) und die zwei Abströmkanten (15) zwei stetig verlaufende Seitenwände (12) der Rippen (6) begrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Kühlmittel durchströmten Kanal und einem von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal, die durch zumindest eine Wand voneinander getrennt sind, von welcher ausgehend sich Rippen in zumindest einen der beiden Kanäle erstrecken.
Derartige Wärmetauscher sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Es existieren sowohl Wärmetauscher, bei denen die Rippen lediglich in den Kühlmittel führenden Kanal ragen als auch Wärmetauscher, deren Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal ragen und Wärmetauscher mit in beide Richtungen weisenden Rippen. Diese Rippen verbessern den Wärmeübergang zwischen den beiden Fluiden deutlich. Insbesondere vergrößern die Rippen die Verweilzeit und den Staudruck im entsprechenden Kanal im Vergleich zu Ausführungen ohne Rippen. Bei einem Wärmetauscher, der als Abgaswärmetauscher in Verbrennungskraftmaschinen benutzt wird, können solche Rippen auch verwendet werden, um eine Versottung beziehungsweise Verrußung des Abgas durchströmten Kanals weitestgehend zu verhindern.
So werden in der DE 10 2004 045 923 A1 Wärmetauscher beschrieben, deren Rippen unterschiedlich geformt sind. Sie ragen von zwei den Kanal begrenzenden Innenwänden in den das zu kühlende Fluid führenden Kanal hinein. All diese Rippen weisen eine achssymmetrische Form auf und sind zumindest über einen Abschnitt um einen Winkel zur Hauptströmungsrichtung angestellt. Sowohl der Anström- als auch der Abströmbereich dieser Rippen ist mit einem Radius ausgeführt.
Nachteilig an den genannten Ausführungen ist, dass der Fertigungsaufwand relativ hoch ist, da beide Innenwände mit Rippen ausgeführt werden müssen und zweitens ein hoher Druckverlust durch den relativ großen vorhandenen Staubereich beim Anströmen der Rippe vorhanden ist.
Ein verbesserter Wirkungsgrad wird durch den aus der US 2,892,618 bekannten Plattenwärmetauscher erreicht, dessen Rippen konkav zueinander angeordnete Seitenwände mit je einer Anströmkante und einer Abströmkante aufweisen.
Aus der GB 892 534 ist ein Wärmetauscher bekannt, der Rippen mit einer geraden Seitenwand und einer konkaven Seitenwand aufweist. Durch die linienförmige Anströmkante wird erreicht, dass bei der Anströmung der Rippe der Staubereich der Strömung, in dem die Geschwindigkeit auf Null reduziert wird, minimiert wird, so dass ein geringerer Druckverlust erzielt wird. Des Weiteren bewirken die stetig verlaufenden Seitenwände die Entstehung einer Grenzschicht, welche im Bereich der Rippe anliegt, so dass über eine verlängerte Kühlstrecke Wärme ausgetauscht werden kann.
Bei allen genannten Ausführungen entsteht jedoch eine relativ hohe Versottungsempfindlichkeit des Wärmetauschers, insbesondere bei Verwendung als Abgaswärmetauscher. Auch wird der Wirkungsgrad durch eine mangelnde Vermischung des zu kühlenden Fluids beschränkt.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung einen Wärmetauscher zu entwickeln, dessen Rippen bezüglich der Strömung optimiert sind, so dass der Wirkungsgrad des Wärmetauschers durch Erhöhung des Wärmeübergangs an den Rippen vergrößert wird, wobei gleichzeitig der Druckverlust im Wärmetauscher möglichst gering bleiben soll. Des Weiteren ist es wünschenswert eine möglichst geringe Versottung der Rippen und Homogenität des zu kühlenden Fluids zu erreichen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jede Rippe eine linienförmige Anströmkan te und zwei linienförmige Abströmkanten aufweist, wobei die Anströmkante und die zwei Abströmkanten zwei stetig verlaufende Seitenwände der Rippe begrenzen. Somit wird durch die einzelne Anströmkante der Druckverlust minimiert und durch den stetigen Verlauf der Seitenwände Grenzschichtströmungen entlang der gesamten Rippenlänge geschaffen, und ein Abreißen der Grenzschichtströmungen verhindert, so dass der Wärmeübergang verbessert wird. Durch die zwei Abströmkanten wird im Vergleich zu bekannten Ausführungen eine deutlich verbesserte intensive Durchmischung quer zur Strömungsrichtung erreicht, so dass die Homogenität des Fluidstromes erhöht wird, was wiederum einen Temperaturaustausch und -ausgleich des gesamten Massenstromes zur Folge hat. All dies erhöht den Wirkungsgrad des Wärmetauschers.
In einer bevorzugten Ausführung erstrecken sich die Rippen entlang der Hauptströmungsrichtung, wodurch der Druckverlust minimiert wird und ein Anliegen der Grenzschicht auf beiden Seiten der Rippe sichergestellt wird. Ein geringer Druckverlust ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Wärmetauscher als Abgaswärmetauscher im Niederdruckbereich einer Verbrennungskraftmaschine verwendet wird, da bei einer solchen Anwendung das vorhandene Druckgefälle sehr gering ist.
In einer weiterführenden Ausführungsform der Erfindung schließen die an die Anströmkante und die Anströmkante anschließenden Seitenwände jeder Rippe zueinander einen Winkel ein, der kleiner oder gleich 90° ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Druckverlust ausreichend klein ist und nicht gewünschte Turbulenzen und Abrisse entlang der Kühlstrecke jeder Rippe vermieden werden.
Um sicher zu stellen, dass sich hinter dem Staupunkt also hinter der Anströmkante zunächst eine Grenzschichtströmung bildet, sind die sich von der Anströmkante jeder Rippe erstreckenden Seitenwände in einem vorderen Bereich im wesentlichen keilförmig zueinander angeordnet.
In einer vorteilhaften alternativen Ausführung nimmt in einem vorderen Bereich der Winkel zwischen Tangenten an die beiden Seitenwände in Hauptströmungsrichtung stetig ab bis die Seitenwände in einem hinteren Bereich parallel zueinander verlaufen. Auch dies führt zur Erhöhung des Wirkungsgrades, da eine Ablösung der Grenzschichten über den Verlauf der Rippe auf diese Art und Weise vermieden wird und eine ausreichend lange Kühlstrecke an der Rippe zur Verfügung steht.
In einer weiterführenden Ausführungsform des Wärmetauschers sind die Rippen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in Reihen nebeneinander angeordnet, wobei die Rippen jeder Reihe zur folgenden Reihe versetzt angeordnet sind. Dies verlängert die Verweilzeit des durch den Kanal strömenden Fluids und erhöht somit wiederum den Wirkungsgrad des Wärmetauschers, da eine glatte Durchströmung des Wärmetauschers weitestgehend vermieden wird. Des Weiteren wird die Durchströmungsgeschwindigkeit durch die geringen für die Strömung zur verfügenden Querschnitte so erhöht dass eine turbulente Umströmung der Rippen sichergestellt wird, wodurch eine höhere Wandschubspannung und somit eine größere Wärmeübergangszahl α erreicht wird, wodurch eine Erhöhung der Kühlleistung durch Steigerung der Wärmekonvektion sichergestellt wird.
Vorteilhafterweise wird ein derartiger Wärmetauscher als Abgaswärmetauscher verwendet, dessen Rippen in den Abgas führenden Kanal ragen. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine Verrußung durch die entstehenden Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenzen zuverlässig vermieden wird, wobei gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad und somit eine geringe notwendige Baugröße erreicht werden, was insbesondere im Automobilbau aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums wichtig ist.
Es wird somit im Vergleich zum bekannten Stand der Technik ein Wärmetauscher geschaffen, der durch Erhöhung des Wirkungsgrades einen geringeren Bauraum benötigt und unempfindlich gegen Versottung ist. Gleichzeitig kann er kostengünstig im Druckgussverfahren hergestellt werden. Das zu kühlende Fluid verlässt den Wärmetauscher in einem gut homogenisierten Zustand.
Eine erfindungsgemäße Ausführung des Wärmetauschers ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in geschnittener Darstellung.
2 zeigt eine Kopfansicht des Wärmetauschers aus 1 in geschnittener Darstellung.
3 zeigt einen Ausschnitt des Wärmetauschers aus 1 in vergrößerter Darstellung.
Der in den Zeichnungen dargestellte Wärmetauscher, welcher vorzugsweise als Abgaswärmetauscher in Kraftfahrzeugen verwendet wird, besteht aus einem Außengehäuse 1, in dem ein Innengehäuse 2, welches im Druckgussverfahren herstellbar ist, angeordnet ist. Zwischen dem Innengehäuse 2 und dem Außengehäuse 1 entsteht nach dem Zusammenbau ein vom zu kühlenden Fluid durchströmter Kanal. Im Inneren des Innengehäuses 2 ist ein Kühlmittel durchströmter Kanal 4 angeordnet, dessen Ein- und Ausströmstutzen in den Zeichnungen nicht dargestellt sind und welche je nach Verwendung beliebig angeordnet werden können. Der Kühlmittel durchströmte Kanal 4 wird durch Wände 5 begrenzt, von denen aus sich Rippen 6 in den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal 3 erstrecken. Der vom zu kühlenden Fluid durchströmte Kanal 3 ist derartig ausgebildet, dass sein Eintritt 7 an der gleichen Kopfseite wie der Austritt 8 angeordnet ist, so dass das zu kühlende Fluid in einem hinteren Bereich 9 des Wärmetauschers um 180° umgelenkt wird. Dementsprechend sind die Rippen 6 in diesem Bereich der Hauptströmungsrichtung folgend angeordnet.
Die mittlere Rippe 10 erstreckt sich vom Eintritt 7 beziehungsweise Austritt 8 bis zu einem hinteren Bereich 9, in dem die Umlenkung ausgebildet ist und ist in ihrer Höhe so ausgestaltet, dass sie bis zum Außengehäuse 1 reicht, wodurch eine Querströmung und ein Überströmen über einen kurzen Weg vom Eintritt 7 zum Austritt 8 verhindert wird.
Wie insbesondere in 1 zu erkennen ist, sind die Rippen 6 in Hauptströmungsrichtung gesehen, jeweils in Reihen nebeneinander angeordnet, wobei mit Abschluss einer ersten Reihe jeweils eine zweite Reihe folgt, deren Rippen 6 zu den Rippen 6 der ersten Reihe versetzt angeordnet sind. Eine derartige Anordnung der Rippen 6 erhöht die Verweilzeit des Abgases im Wärmetauscher und somit dessen Wirkungs grad, da eine gerade, hindernisfreie Durchströmung. für das zu kühlende Fluid nicht mehr möglich ist.
In 3 ist eine erfindungsgemäße Querschnittsform der Rippen 6 zu erkennen. Sie weisen eine Anströmkante 7 auf, welche sich von der Wand 5 des Innengehäuses 2 linienförmig zum Ende jeder Rippe 6 in den Kanal 3 erstreckt und in der Figur lediglich als Staupunkt zu erkennen ist. Die sich an die Anströmkante 11 anschließenden Seitenwände 12 der Rippen 6 sind so ausgestaltet, dass der Winkel zwischen den beiden Tangenten zu jeder Seitenwand 12 der Rippen 6 in einem vorderen Bereich 13 stetig abnimmt, bis der eingeschlossene Winkel 0° beträgt und somit die beiden Seitenwände 12 in einem hinteren Bereich 14 parallel zueinander verlaufen. Am in Strömungsrichtung gesehenen Ende jeder Rippe 6 münden beide Seitenwände 12 an je eine Abströmkante 15, so dass zwischen einer Hinterwand 16 jeder Rippe 6 und den Seitenwänden 12 ein rechter Winkel besteht.
Des Weiteren wäre es denkbar die Rippen 6 von der Anströmkante 11 keilförmig verlaufen zu lassen und diese Keilform daran anschließend stetig in die parallele Führung der Seitenwände 12 übergehen zu lassen.
Der Wärmetauscher ist so ausgelegt, dass sich turbulente Grenzschichtströmungen an den Seitenwänden 12 ergeben, bei denen die Wandschubspannung größer ist als bei laminaren Strömungen, so dass auch die Wärmeübergangszahl α und somit der entstehende Wärmeübergang zwischen Rippe 6 und dem zu kühlenden Fluid wächst. Vor der Abströmkante 15 sind dementsprechend nicht stetige Ausführungen der Seitenwände 12 zu vermeiden, da solche zu einer Ablösung führen, die den guten Wärmeübergang in der Grenzschicht verhindern würden. Entsprechend ist auch die Länge der Rippen 6 so auszuführen, dass eine Ablösung vermieden wird. Diese wird stattdessen an den beiden Abströmkanten 15 definiert ausgeführt, welche im Vergleich zu bekannten Ausführungen den Wärmeübergang deutlich verbessern. Dies geschieht dadurch, dass zunächst der gute Wärmeaustausch in der Grenzschicht an den Rippen 15 ausgenutzt wird und anschließend durch die linienförmigen Abströmkanten ein deutlich verbesserter Fluidaustausch quer zur Hauptströmungsrichtung erreicht wird. Dieser erklärt sich aus hinter den Abströmkanten 15 also bei Ablösung an etwa treppenförmigen Profilen entstehenden Kelvin-Helmholtz Instabilitäten. Diese entstehen durch ein Aufrollen der an den Abströmkanten entstehenden Scherschichten. Hauptauslöser dieses Aufrollens ist ein starker Geschwindigkeitsgradient an der Scherschicht. Diese Kelvin-Helmholtz Instabilitäten setzen sich fort und werden makroskopisch als breite turbulente Wirbel sichtbar. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der zwei Abströmkanten im Abstand H zueinander wird dieser Effekt, der an beiden Abströmkanten, welche etwa einen rechten Winkel zu ihren angrenzenden Wänden aufweisen sollten, auftritt noch einmal deutlich verstärkt, da eine Paarung der beiden Wirbel an der oberen und der unteren Abströmkante entsteht. Aufgrund dieser Paarung entsteht ein turbulentes Gebiet hinter den Rippen dessen Ausdehnung quer zur Strömungsrichtung deutlich größer ist als die Dicke H der Rippen. auftretenden Strömungsabrissen, welche sich und zu einer ausgezeichneten Homogenisierung des Abgases im Wärmetauscher führen.
Im Vergleich zu Rippen mit nur einer Abströmkante ist die Breite des turbulenten Bereiches hinter jeder Rippe 6 deutlich größer und somit wird quer zur Strömungsrichtung eine deutlich verbesserte Durchmischung erreicht, da bei einzelnen Abströmkanten lediglich ein Todwassergebiet mit geringen Verwirbelungen und geringer Dicke entsteht. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, weil die sich an den stetigen Seitenwänden 12 bildenden Grenzschichtströmungen zwar die Kühlstrecke verlängern und somit den Wärmeübergang verbessern, jedoch einen Fluidaustausch durch Querströmungen weitestgehend verhindern.
Des Weiteren ist eine hohe kinetische Energie in der Rippengrenzschicht erwünscht, wodurch eine Ablösung der Grenzschicht verzögert wird. Die Grenzschichtströmung liegt somit länger an der Kühlrippe an, so dass sich die Kühlstrecke verlängert. Durch diese Maßnahmen wird eine Versottung beziehungsweise Verrußung der Rippen zuverlässig vermieden, so dass der Wärmetauscher über eine hohe Lebensdauer einen im Vergleich zu anderen bekannten Wärmetauschern besseren Wirkungsgrad aufweist.
Es wird deutlich, dass der übrige Aufbau des Wärmetauschers konstruktiv veränderbar ist. Sowohl die Lage des Kühlmittel führenden Kanals als auch die Lage des vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanals sind modifizierbar. Des weiteren können derartig ausgebildete Rippen in beide oder einen beliebigen der beiden durchströmten Kanäle reichen. Sowohl für eine Flüssigkeit als auch für ein Gas werden die genannten Vorteile erzielt.

Claims

Wärmetauscher mit einem Kühlmittel durchströmten Kanal und einem von einem zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal, die durch eine Wand voneinander getrennt sind, von welcher ausgehend sich Rippen in zumindest einen der beiden Kanäle strecken, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rippe (6) eine linienförmige Anströmkante (11) und zwei linienförmige Abströmkanten (15) aufweist, wobei die Anströmkante (11) und die zwei Abströmkanten (15) zwei stetig verlaufende Seitenwände (12) der Rippen (6) begrenzen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rippen (6) entlang der Hauptströmungsrichtung erstrecken.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Anströmkante (11) und die Abströmkanten (15) anschließenden Seitenwände (12) jeder Rippe (6) zueinander einen Winkel einschließen, der kleiner oder gleich 90° ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sich von der Anströmkante (11) jeder Rippe (6) erstreckenden Seitenwände (12) in einem vorderen Bereich (13) im Wesentlichen keilförmig zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorderen Bereich (13) der Winkel zwischen Tangenten an die beiden Seitenwänden (12) in Hauptströmungsrichtung stetig abnimmt, bis die Seitenwände (12) in einem hinteren Bereich (14) parallel zueinander verlaufen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (6) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in Reihen nebeneinander angeordnet sind, wobei die Rippen (6) jeder Reihe zur folgenden Reihe versetzt angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Abgaswärmetauscher verwendet wird, dessen Rippen (6) in den Abgas führenden Kanal (3) ragen.