DE2345853B2 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher mit von einem inneren Fluid durchströmten, von einem äußeren Fluid umströmten Röhren mit streifenförmigen, sich innerhalb und außerhalb der Röhren erstreckenden Rippen, die die Innenräume der Röhren an entgegengesetzten Seiten jeweils eine Durchströmöffnung freilassend überbrücken und deren innere und äußere quer zur Rohrlängsachse liegenden Wärmeaustauschflächen mit Abstand zueinander verlaufen, und mit einer Ein- und Auslaßöffnung an den Enden von jedem Rohr, wovon die Einlaßöffnung auf der Seite der einen Durchströmöffnungen und die Auslaßöffnung auf der Seite der 5,s anderen Durchströmöffnungen angeordnet ist.

Der vorstehend beschriebene Stand der Technik basiert auf zahlreichen, vorveröffentlichten Druckschriften, insbesondere der US-PS 34 07 876. Einzelne Merkmale zeigen auch die US-PS 19 35 332 (den co Rippenkörper beidseitig überragende Rohrenenden), GB-PS 6 99 906 (streifenförmige, sich innerhalb und außerhalb der Röhren erstreckende Rippen) und BE-PS 05 782 und CH-PS 1 81 347 (abgeflacht ausgebildete Wärmeaustauscherrohre). ''

Alle vorbekannten Wärmeaustauscher weisen einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf. Dies sind vor allem die begrenzte Wärmeübertragungsleistung, d. h.

der beschränkte Wirkungsgrad, die oft fehlende laminare Durchströmcharaktenstik, die relativ großen baulichen Abmessungen, die hohen Fertigungskosten und die in der Praxis bei einem enggewählten Rippenabstand zu geringen hydraulischen Querschnitte, welche zu einem starken Druckabfall führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden und einen verbesserten Wärmeaustauscher der einleitend genannten Art zu schaffen, bei dem das äußere und innere Fluid eine laminare Strömung erhält, an der Außenseite ein gleichgroßer und mindestens ebenso guter Wärmeübergang wie an der Innenseite erhalten werden kann und bei dem sich ein besonders geringer Durchflußwiderstand für das innere Fluid ergibt.

Vorstehende Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippenbreite kleiner ist als der Innendurchmesser der Röhren und die einen Durchströmöffnungen von den Rippen und den hinteren Wandabschnitten der Röhren und die anderen Durchströmöffnungen von den Rippen und den vorderen, auf der Anströmseite des äußeren Fluids liegenden Wandabschnitten der Röhren begrenzt sind, daß das innere FIuH zwischen den Rippen im Gegenstrom zum äußeren Fluid strömt und daß die Querschnitte der einen Durchströmöffnungen in Strömungsrichtung des inneren Fluids längs der Röhren von den Einlaßöffnungen ausgehend stetig abnehmen und die Querschnitte der anderen Durchströmöffnungen zur Auslaßöffnung hin stetig zunehmen.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weisen die Rippen gefaltete Teile auf, die in die gefalteten Teile benachbarter Rippen eingreifen und die die mittleren, zwischen den vorderen und hinteren Wandabschnitten liegenden Wandabschnitte der Röhrenbilden.

In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung wird als Aus^rührungsbeispiel ein erfindungsgemäß ausgebildeter Kühler eines Fahrzeugmotors anhand der Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene, in Uhrzeigerrichtung um 90° gedrehte perspektivische, in Richtung der Pfeile 1-1 dar F1 g. 2 gesehene. Ansicht eines, Teiles der mit Rippen versehenen Röhren eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung.

F i g. 2 einen Schnitt durch einige Röhren und Rippen eines Wärmeaustauschers,

Fig. 3 einen Zusammenbau für einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit einer besonderen Rippenfaltung und

F i ε· 4 und 5 Varianten der Rippenfaltung.

Der in den Zeichnungen dargestellte Teil eines Fahrzeugkühlers hat ein Umlaufröhrensystem 12 für das innere Fluid, welches in Richtung der Pfeile 3 strömt. Das Röhrensystem wird von einem äußeren Fluid in Richtung der weißen Pfeile 6 umströmt. Das innere Fluid tritt an den Einlaßöffnungen 7, 8 ein und an den Auslaßöffnungen 10 wieder aus. 7um Röhrensystem 12 gehört eine große Anzahl von horizontal, zick-zack-förmig ausgerichteten Röhren 11. Eine sehr große Anzahl von streifenförmigen Rippen 13 in Folienstärke aus gut wärmeleitendem Metall definieren zwischen einander enge Schlitze 14, die für das äußere und auch für das innere Fluid die gewünschte Wärmeübergangszahl sicherstellen. Die Rippen 13 verlaufen kontinuierlich quer durch die Röhren 11 hindurch, in denen sie einen Wärmeaustauschteil 15Tbilden. Gemäß der Erfindung

erhalten die Röhren in Querrichtung, d. h. im wesentlichen parallel zur Durchflußrichtung des äußeren Fluids eine Innenabmessung L, die größer is. als die Breite F der Rippen 13, so daß hintere und vordere Durchströmöffnungen 16 und 17 entstehen, die voneinander durch die Rippen 13 getrennt sind. Das innere Fluid strömt wie durch die Pfeile 3 gezeigt ist, von den Einlaßöffnungen 7 und 8 in die hinteren Durchströmöffnungen 16 und nach dem Durchgang durch die Schlitze 14 zwischen den Rippen 13 über die vorderen Durchströmöffnur.gen 17 zur Auslaßöffnung 10. Die Mittelebenen der Röhren 11 und der Rippen 13 sind so angeordnet, daß sie nicht zusammenfallen und miteinander einen Winkel bilden und der Querschnitt der hinteren Durchströmöffnungen 16 in Flußrichtung des inneren Fluids stetig kleiner wird, während zur gleichen Zeit der Querschnitt der vorderen Durchströmöffnungen J7 in entsprechendem Maße stetig zunimmt.

Da die Rippen 13 die Röhren 11 durchqueren, bedarf es eines festen abgeschlossenen Zusammenbaues von Röhren 11 und R<ppen 13. Einige Vorschlage für diesen Zusammenbau zeigen die F ί g. 3 bis 5.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Rippen, in dem Bereich, in dem sie die Röhren durchqueren, mehrfach in Falten 18 gelegt, die aneinanderliegend als Abstandshalter dienen und die gewünschte Schlitzbreite definieren und darüber hinaus auch den Teil der Röhrenwand bilden, der sich in den Schlitzen 14 zwischen den Rippen befindet. Nach dem Zusammenfügen und Verkleben der Rippen in diesem Wandbercich bilden die gefalteten Teile einen kohärenten Mittelabschnitt 19 der Röhrenwand. Die zwei durch Rippen voneinander getrennten Durchströmöffnungen 16 und 17 sind zwei trogförmige Rohrwandteile 20, 21, die mit dem Mittelabschnitt 19 der Röhre an ihren geraden Kanten 22 verbunden sind.

Die Ausführungsformen gemäß Fig.4 und 5 sind zwei weitere schematische Beispiele einer Vielzahl von Möglichkeiten, die Rippen so zu falten, daß die zwischen den Rippen liegenden Mittclabschnitte 19 der Röhrenwand entstehen. In Fig.4 hat die Rippe 13 im Bereich der Röhrenwand einen zweistufigen U-förmigen Teil 23 mit einem am weitesten vorragenden enteren Teil 24. der umgefaltet ist und einen daran anschließenden breiteren Teil 25. Die auf diese Weise gebildeten Teile benachbarter Rippen werden ineinander verschachtelt

und verklebt.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 sind die Rippen mit einem U-förmigen ausgestülpten Teil 26 versehen, der wellenartig gesickt und mit schräg verlaufenden Seitenwänden 27 versehen ist, die aufeinander geschnappt und miteinander verbunden sind. Beide Einfaltverfahren gemäß F ι g. 4 und 5 führen zu genau größenmäßig festgelegten Schlitzbreiten. In beiden Fällen werden ähnlich wie bei der Ausführungs- form gemäß F i g. 3 die Durchströmöffnungen 16,17 von Rohrwandteilen 20,21 begrenzt.

Die Arbeitsweise des erf indungsgemäßen Wärmeaustauschers wird unter der Annahme beschrieben, daß das im Umlaufröhrensystem 12 eingeschlossene innere Fluid eine aufgeheizte Flüssigkeit ist, die beim Durchlauf durch einen Fahrzeugkühler die Wärme zu dem äußeren Fluid, d. h. der Außenluft überträgt.

Das innere Fluid tritt von oben an den Einlaßöffnungen 7, 8 ein und wird dann vertikal nach unten von den Durchströmöffnungen 16 kommend horizontal über die Röhren 11 verteilt. Wenn das innere Fluid durch die Schlitze 14 des Wärmeaustauschteiles 15Γ fließt, überläuft es die Rippen 13 und überträgt diesen die Wärme, worauf dann das abgekühlte Fluid über die vorderen Durehströmöfl'nungen 17 zum Auslaß 10 strömt. Die von den Rippen 13 in den Wärmeaustauschteilen 15Γ aufgenommene Wärme gelangt über die Rippen 13, die kontinuierlich durch die Röhrenwand hindurchführen, nach außen zu den Wärmeaustauschteilen 15 V, die außerhalb der Röhren 11 liegen. In diesen Teilen 15 V, in deren Schlitzen 14 das kältere gasförmige äußere Fluid strömt, werden die Rippen 13 beblasen, um die Wärme abzuführen.

Wenn es sich beim inneren Fluid um Wasser und beim äußeren Fluid um Luft handelt, liegt das Verhältnis zwischen den beiden Wärmeübergangszahlen (Alpha-Werten) bei etwa 20: 1. Wenn das innere Fluid kondensierender Dampf und das äußere Fluid Luft ist. wird das Verhältnis zwischen den Alpha-Werten noch größer. Daher kann die Rippenoberfläche des Warme austauschteiles 15Γ in den Röhren noch erheblich kleiner als die Rippenoberfläche des Wärmeausiausehtciles 15V außerhalb der Röhren gemacht werden, bevor das Innere des Wärmeaustauschers die Warme austauschfähigkeit begrenzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

'f Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher mit von einem inneren Fluid durchströmten, von einem äußeren Fluid umströmten Röhren mit streifenförmigen, sich innerhalb und außerhalb der Röhren erstreckenden Rippen, die die Innenräume der Röhren an entgegengesetzten Seiten jeweils eine Durchströmöffnung freilassend überbrücken und deren innere und äußere quer zur ι ο Rohrlängsachse liegenden Wärmeaustauschflächen mit Abstand zueinander verlaufen, und mit einer Ein- und Auslaßöffnung an den Enden von jedem Rohr, wovon die Einlaßöffnung auf der Seite der einen DurcliStrömöffnungen und die Auslaßöffnung auf der Seite der anderen Druchströmöffnungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenbreite (F) kleiner ist als der Innendurchmesser (L)dcr Röhren (11) und die einen Durchströmöffnungen (16) von den Rippen (13) und den hinteren Wandabschnitten (20) der Röhren (11) und die anderen Durchströmöffnungen (17) von den Rippen (13) und den vorderen, auf der Anströmseite des äußeren Fluids liegenden Wandabschnitten (21) der Röhren (11) begrenzt sind, daß das innere Fluid zwischen den Rippen (13) im Gegenstrom zum äußeren Fluid strömt und daß die Querschnitte der einen Durchströmöffnungen (16) in Strömungsrichtung des inneren Fluids längs der Röhren (11) von den Einlaßöffnungen (8) ausgehend stetig abnehmen und die Querschnitte «er anderen Durchströmöffnungen (17) zur Auslaßöffnung (10) hin stetig zunehmen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (13) gefaltete Teile aufweisen, die in die gefalteten Teile benachbarter Rippen (13) eingreifen und die die mittleren, zwischen den vorderen und hinteren Wandabschnitten (20, 21) liegenden Wandabschnitte (19) der Röhren (11) bilden. 4"