DE3713813C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Wärmeübertragungselement ist aus der DE 31 31 737 A1 bekannt.

In Verbindung mit Wärmeübertragungsrippen wurden bereits die verschiedensten Leitstege aufweisenden Rippen vorge­ schlagen (z. B. in der US-PS 43 00 629). Die Leitstege einer konventionellen Rippe sind jedoch so ausgebildet, daß die vorspringende Fläche jedes Leitstegs, die in Richtung des Luftdurchgangs vorspringt, konstant gehalten wird mit Ausnahme der beiden Endseitigen des Leitstegs, an denen dieser sich aus der Oberfläche erhebt.

Da bei so aufgebauten konventionellen Wärmeübertragungs­ rippen der Widerstand gegenüber dem Luftdurchgang in Längs­ richtung des Leitstegs konstantgehalten wird, wird in dieser Richtung auch die Luftdurchgangsgeschwindigkeit im wesentlichen konstant gehalten. Konventionelle Rippen kön­ nen daher keine sehr hohen Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Wärme­ übertragungselementes, dessen Wärmeübertragungsleistung ganz wesentlich verbessert ist; ferner soll dieses Wärmeübertra­ gungselement so ausgebildet sein, daß die Leitstege einen auf ihre Längserstreckung bezogenen unterschiedlichen Luftdurchgangswiderstand haben, um dadurch die Gesamtwärmeübertragungsleistung zu steigern; außerdem soll eine Verbesserung der Steifigkeit des Leitstegs erzielbar sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Anordnung des Wärmeübertragungselementes nach der Erfindung ist also so getroffen, daß im Bereich des Luftstroms, in dem die Temperaturdifferenz zwischen dem Luftstrom und der Rippe groß ist, der Leitsteg einen niedrigen Luftdurch­ gangswiderstand bietet, wodurch in diesem Bereich die Luft­ strömungsgeschwindigkeit erhöht wird; im Bereich des Luft­ stroms, in dem die Temperaturdifferenz zwischen dem Luft­ strom und der Rippe klein ist, bietet der Leitsteg dagegen einen hohen Luftdurchgangswiderstand, wodurch in diesem Bereich die Luftströmungsgeschwindigkeit verringert wird.

Da somit in dem Bereich einer großen Temperaturdifferenz zwischen dem Luftstrom und der Rippe der Luftdurchgangs­ widerstand klein ist, ist in diesem Bereich die Luftströ­ mungsgeschwindigkeit relativ hoch, wodurch die Wärmeüber­ tragungsleistung wesentlich verbessert wird. Obwohl ande­ rerseits die Luftströmungsgeschwindigkeit in dem Bereich, in dem wegen des hohen Luftdurchgangswiderstands die Tem­ peraturdifferenz klein ist, geringer ist, hat eine solche Verringerung der Luftströmungsgeschwindigkeit keinen wesentlichen Einfluß auf die Wärmeübertragungsleistung. Infolgedessen kann die Gesamtwärmeübertragungsleistung ver­ bessert werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Wärmeübertragungs­ element gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivansicht, die schematisch einen Rippenrohr-Wärmetauscher zeigt;

Fig. 3 im Schnitt eine Teildarstellung in Richtung der Linie A-A oder C-C von Fig. 1;

Fig. 4 im Schnitt eine Teilansicht in Richtung der Linie B-B von Fig. 1;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Luftstrom­ verlaufs in einer konventionellen Wärmeüber­ tragungsrippe;

Fig. 6 ein Diagramm, das Kennlinien der Wärmeüber­ tragungsrippe von Fig. 5 zeigt;

Fig. 7 eine schematische Darstellung des Luftstrom­ verlaufs bei dem Wärmeübertragungselement nach der Erfindung;

Fig. 8 ein Diagramm, das Kennlinien des Wärmeüber­ tragungselementes gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 9 eine Darstellung eines Leitstegs des Wärmeübertragungselementes von Fig. 1, projiziert in Richtung des Luftstrom­ verlaufs;

Fig. 10 eine der Fig. 9 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 eine Schnittansicht entlang der Linie A′-A′ von Fig. 10;

Fig. 12 eine Schnittansicht entlang der Linie B′-B′ von Fig. 10;

Fig. 13 eine der Fig. 9 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 14 ein Diagramm der Änderung der Wärmeübertra­ gungsrate in bezug auf das Verhältnis zwischen dem Winkel, unter dem der zentrale Längsab­ schnitt eines Leitstegs verläuft, und dem Winkel, unter dem jede der Endseiten des Leit­ stegs in Längsrichtung verläuft.

In den Fig. 1 und 2 sind Halsansätze 1 gezeigt, die mit Wärmeübertragungsrohren 5 in Kontakt gebracht sind. Eine Grundplatte 2 für die Rippe weist einen oder mehrere Leit­ stege auf. Bei dem gezeigten Beispiel weist die Rippe zwei Leitstege zwischen drei Reihen von Wärmeübertragungsrohren 5 auf. Da jeder Leitsteg gleich ausgebildet ist, wird nur einer beschrieben. Jeder Leitsteg hat zwei Längsendseiten 3 und 3′ und zwischen diesen einen Mittenabschnitt 4. Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen Teil des Leitstegs entsprechend den Längsendseiten 3 oder 3′ desselben, in Richtung der Schnittlinie A-A oder C-C von Fig. 1. Wie Fig. 3 zeigt, ist jede Längsendseite 3 und 3′ der Leitstege 6-10 unter einem kleinen Winkel R abgewinkelt. Fig. 4 ist ein Schnitt durch einen Teil des Leitstegs entsprechend dem Längsmittenab­ schnitt 4 in Richtung der Schnittlinie B-B von Fig. 1. Die Längsmittenabschnitte 4 der Leitstege 11-15 sind jeweils unter einem großen Winkel R′ abgewinkelt. Somit weist die Wärmeübertragungsrippe die Leitstege auf, deren Profile in Luftanströmrichtung abgewinkelt sind und unterschiedliche Konfigurationen hinsichtlich des Längsmittenabschnitts 4 und der Längsendseiten 3 des Leitstegs haben.

Nachstehend wird die Funktionsweise der Rippe gemäß dieser Ausführungsform erläutert.

Zuerst sollen die Eigenschaften einer normalen konventio­ nellen Wärmeübertragungsrippe erläutert werden. Bei einer normalen Wärmeübertragungsrippe, bei der der Schnitt durch einen Leitsteg in Luftanströmrichtung über die gesamte Längserstreckung ungeachtet der Konfiguration des Leitstegs gleich ist, strömt die Luft mit einem Strömungsverlauf ent­ sprechend Fig. 5, und zwar infolge des Einflusses der Wär­ meübertragungsrohre. Wenn also der Luftstrom 16 die Rippe passiert, bewirkt das Vorhandensein der Halsansätze der Rippe ein Rückspülen, das den abstrom gerichteten Luftstrom beeinflußt, so daß zwei verschiedene Luftströmungsbereiche entstehen, nämlich ein Hauptströmungsbereich 17, in dem die Luft mit hoher Geschwindigkeit strömt, und ein Bereich 18, der von der Rückspülung beeinflußt ist und in dem die Luft langsam strömt. Infolgedessen ist die Luftströmungsge­ schwindigkeit Ua an einem Punkt, der durch einen Quer­ schnitt durch den Luftstrom z. B. entlang der Linie D-D von Fig. 5 repräsentiert ist, im Bereich 17 hoch und im Bereich 18 niedrig, wie Fig. 6 zeigt. Andererseits tendieren die Rippentemperatur Tf und die Luftstromtemperatur Ta zu den in Fig. 6 gezeigten Werten. Diese Temperaturen haben also eine Beziehung, bei der die Temperaturdifferenz Δ T (Δ T = Tf-Ta) im Bereich 17 klein und im Bereich 18 groß ist. Da die zwischen der Rippe und der Luft ausgetauschte Wärmemenge Q durch die Formel

Q α Ua ⁿ × Δ T

gegeben ist (welche man erhält, indem man die Formel

Q = ha × A × Δ T

für die durch eine Fläche A zu übertragende Wärmemenge, worin ha den Wärmeübergangskoeffizient und T die Temperaturdiffe­ renz bedeuten, mit der Formel

ha = m × Ua ⁿ ,

worin m und n konstant sind und Ua die Luftstromgeschwindigkeit ist, kombiniert), ist es wirksam, die Temperaturdifferenz Δ T und auch die Luft­ strömungsgeschwindigkeit Ua zu vergrößern, um das Produkt Q zu steigern. Da jedoch bei der konventionellen Rippe die Anordnung so getroffen ist, daß im Bereich großer Tempera­ turdifferenz Δ T die Luftströmungsgeschwindigkeit Ua klein ist, wogegen in dem Bereich mit kleiner Temperaturdifferenz Δ T die Luftströmungsgeschwindigkeit Ua groß ist, ist die resultierende ausgetauschte Wärmemenge Q klein, so daß die Rippe einen geringen Wirkungsgrad hat.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 werden die Eigen­ schaften der Wärmeübertragungsrippe gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Dabei bewirkt der Längsmitten­ teil des durch die Längsmittenabschnitte der Rippe gebil­ deten Leitstegs einen hohen Luftanströmwiderstand, während die durch die Längsendseiten gebildeten Längsendteile des Leitstegs einen niedrigen Luftanströmwiderstand bewirken. Aufgrund dieser Anordnung ergibt sich ein Strömungsverlauf der die Rippe anströmenden Luft gemäß Fig. 7. Das heißt, an dem Längsmittenteil des Leitstegs wird ein Bereich 19 gebildet, in dem die Luft langsam strömt, während an den Längsend­ teilen des Leitstegs Bereiche 17′ gebildet sind, in denen die Luftströmungsgeschwindigkeit hoch ist. Fig. 8 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie D′-D′ von Fig. 7 sowie ein Fig. 6 entsprechendes Diagramm. Wie Fig. 8 zeigt, ist die Luftströmungsgeschwindigkeit Ua im Bereich 19 niedrig, während sie in den Bereichen 17′ hoch ist. Andererseits bleibt die Beziehung zwischen der Rippentemperatur Tf und der Luftstromtemperatur Ta im wesentlichen unverändert. Infolgedessen kann die Luftströmungsgeschwindigkeit Ua in den Bereichen groß gemacht werden, in denen die Temperatur­ differenz Δ T groß ist, wodurch die Wärmeaustauschmenge

Q α Ua ⁿ × Δ T

erheblich gesteigert wird. Es sind zwar beide Werte Δ T und Ua in dem Mittenbereich 19 klein, weil die Wärmeaustauschmenge Q in diesem Bereich ursprünglich klein war, aber der Einfluß auf die Gesamtwärmeübertragungslei­ stung ist gering.

Aus dem Diagramm von Fig. 14 ist ersichtlich, daß durch die Erfindung eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertra­ gungsrate erzielt wird, wobei das Verhältnis R′/R zwi­ schen dem Winkel R′ (in Fig. 4 gezeigt), unter dem der Schnitt durch jeden Leitsteg nahe dem Längsmittenabschnitt verläuft, und dem Winkel R (in Fig. 3 gezeigt), unter dem der Schnitt durch den Leitsteg im Bereich der Längsendsei­ ten, also im Bereich der Wärmeübertragungsrohre, verläuft, größer als 1 gemacht ist, was im Gegensatz zum Stand der Technik steht, bei dem das entsprechende Verhältnis R′/R gleich 1 ist. In dem Diagramm von Fig. 14 bezeich­ net die Abszisse das Verhältnis R′/R zwischen den Win­ keln, unter denen der Schnitt durch den Längsmittenab­ schnitt jedes Leitstegs und der Schnitt durch jede der Längsendseiten des Leitstegs jeweils verläuft, während die Ordinate das Verhältnis α′/α zwischen der Wärmeübertra­ gungsrate α′ einer Wärmeübertragungsrippe mit einem Ver­ hältnis R′/R ≠1 und der Wärmeübertragungsrate α einer konventionellen Wärmeübertragungsrippe mit einem Ver­ hältnis R′/R = 1 bezeichnet. Dadurch, daß das Verhält­ nis R′/R größer als 1 gemacht ist, kann die Luftströ­ mungsgeschwindigkeit im Bereich der Wärmeübertragungsrohre gesteigert werden, wodurch die Wärmeübertragungsrate der Rippe verbessert wird.

Wie vorstehend beschrieben, kann mit der Wärmeübertragungs­ rippe gemäß dieser Ausführungsform die erzielte Wärmeaus­ tauschmenge erheblich gesteigert werden. Da ferner die Längsmittenabschnitte der Leitstege jeweils unter einem großen Winkel R′ verlaufen, kann die Steifigkeit der Leit­ stegelemente verbessert werden, wodurch wiederum die Pro­ duktivität verbessert und die Rippe dünner gemacht werden kann.

In Fig. 9 ist ein Leitsteg der Rippe gemäß der vorstehenden Ausführungsform projiziert. Jeder Leitsteg ist so ausge­ bildet, daß der vorspringende Bereich des Längsmittenab­ schnitts des Leitstegs, der aus den jeweiligen Stücken 11, 12, 13, 14 oder 15 besteht und in Luftanströmrichtung vor­ springt, größer als jeder vorspringende Bereich der Längs­ endseiten des Leitstegs ist, die jeweils aus den in die gleiche Richtung vorspringenden Stücken 6, 7, 8, 9 oder 10 bestehen.

Fig. 10 zeigt eine zweite Ausführungsform der Wärmeüber­ tragungsrippe. Dabei ist der Schnitt durch jeden Leitsteg längs einer Ebene, die zur Luftanströmrichtung senkrecht verläuft, vollständig durch ebene Flächen gebildet. Wie jedoch die Fig. 11 und 12 zeigen, die die jeweiligen Schnitte entlang den Schnittlinien A′-A′ von Fig. 10 zeigen, ist der Längsmittenabschnitt 22 des Leitstegs geneigt, während jede der Längsendseiten 21 des Leitstegs durch eine ebene Fläche gebildet ist, die mit der Fluid­ anströmrichtung parallel verläuft. Durch diese Anordnung ist die vorspringende Fläche des Längsmittenabschnitts 22 jedes Leitstegs größer als jede vorspringende Fläche der Längsendseiten 21 des Leitstegs.

Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform. Dabei ist die Konfiguration des Längsschnitts durch den Längsmittenab­ schnitt 23 jedes Leitstegs zickzackförmig, wodurch die Schnittfläche des Längsmittenabschnitts des Leitstegs we­ sentlich vergrößert wird, so daß die vorspringende Fläche dieses Abschnitts vergrößert ist. Die Längsendseiten 21 des Leitstegs sind jeweils durch eine ebene Fläche gebildet.

Mit den Ausführungsformen nach den Fig. 10-13 werden im wesentlichen die gleichen Funktionen und Auswirkungen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 9 erzielt, so daß eine erhebliche Steigerung der Wärmeübertragungsleistung ohne jede Erhöhung des Widerstands der Gesamtrippe gegen die anströmende Luft erzielbar ist.

Claims (3)

1. Wärmeübertragungselement, bestehend aus einer eine Rippe bildenden Grundplatte (2), die mittels Halsansätzen (1) auf Wärmeübertragungsrohren (5) montiert ist, und aus auf der Grundplatte (2) ausgebildeten Leitstegen (6-15), die zwischen den Wärmeübertragungsrohren (5) mit Abstand in einer Richtung quer zur Fluidströmungs­ richtung angeordnet sind, wobei die Leitstege (6-15) aus der Oberfläche der Grundplatte (2) geschnitten und erhaben sind, jeder Leitsteg einen Abschnitt (3) nahe den jeweiligen Wärmeübertragungsrohren (5) und einen zwischen diesen Abschnitten (3) liegenden Längsmitten­ abschnitt (4) aufweist und ein in Fluidströmungsrichtung geschnittener Teil jedes Leitstegs (6-15) ein Profil hat, das abgewinkelt ist in bezug auf eine gedachte Linie, die durch die Spitze des Winkels (R, R′) und parallel zur Fluidströmungsrichtung verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (R′), unter dem ein Profil im Bereich des Längsmittenabschnitts (4) verläuft, größer ist als der Winkel (R), unter dem ein Profil der Leitstegabschnitte (3, 3′) im Bereich der jeweiligen Wärmeübertragungsrohre (5) verläuft.

2. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnittprofil jedes Leitstegs (6-15) in Richtung der Fluidströmung durch eine schräge Fläche (22) im Bereich des Längsmittenabschnitts jedes Leitstegs und durch eine zur Fluidströmungsrichtung parallele ebene Fläche (21) an jeder Längsendseite des Leitstegs gebildet ist (Fig. 11, 12).

3. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsschnittprofil jedes Leitstegs durch ein Zickzackprofil (23) im Längsmittenabschnitt jedes Leitstegs und durch ebene Flächen (21) an jeder Längs­ endseite des Leitstegs gebildet ist (Fig. 13).