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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft allgemein Verdampfer für Klimaanlagen und insbesondere
einer verbesserten Luftrippenkonstruktion, die den Austrag von Kondensat
verbessert.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Klimaanlagenverdampfer
von Kraftfahrzeugen erfahren eine Wasserkondensatbildung, da sie
kalt sind und beinahe ständig
feuchte, warme Luft über
sie geblasen wird. Wasser kondensiert an den Rohr- oder Plattenaußenflächen und
-rippen, wodurch der Luftstrom teilweise blockiert wird, der Wärmewiderstand
erhöht wird
und potenziell sogar flüssiges
Wasser in die Rohrleitungen des Systems abgestoßen werden oder "spritzen" kann. Oft ist unterstromig
des Verdampfers eine Trennwand eingebaut, um ein Vergießen von
Wasser zu blockieren, was zu beträchtlichen zusätzlichen
Kosten führt.
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In
dem Ausmaß,
in dem Kondenswasser dazu gezwungen oder angeregt werden kann, den
Verdampfer hinunter und abzufließen, verringern sich die oben
erwähnten
Probleme. Einige offensichtliche und kostengünstige Behelfe umfassen ein
derartiges Orientieren des Verdampferwärmetauschers, dass die flachen äußeren Platten-
oder Rohrflächen
vertikal (oder beinahe vertikal) mit offenen Räumen dazwischen an der Unterseite
des Wärmetauschers
orientiert sind, um einen Abwärts-Austrag
zu unterstützen
und zumindest nicht zu blockieren. Aus demselben Grund wurden auch
vertikale Vertiefungen oder Kanäle
in den äußeren Plattenflächen gebildet.
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Ein
inhärentes
Problem mit einer vertikalen Platten- oder Rohrorientierung besteht
darin, dass sie eine resultierende Luftrippenorientierung erzeugt,
die nicht förderlich
für einen
Kondensataustrag ist. Das heißt,
den zwischen die flachen Plattenflächen gelöteten gewellten Rippen wird
eine beinahe horizontale Orientierung gegeben, wenn die Platten
vertikal angeordnet sind, wodurch sie als Dämme wirken und einen Austrag
die Plattenflächen
hinunter blockieren. Es wurden zahlreiche Rippenkonstruktionen mit
durch die Rippenwellenspitzen oder -scheitel geschnittenen oder
in diese gestanzten Kerben vorgeschlagen, um dadurch für einen
Austrag durch die Rippen zu sorgen. Solche Konstruktionen wären erheblich
schwieriger zu fertigen und beseitigen auch eine wesentliche Kontaktfläche zwischen
dem Rippenscheitel und der Plattenoberfläche, wodurch der Wärmeleitungswirkungsgrad
zwischen den beiden verringert wird.
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Ferner
umfassen Rippen typischerweise auch Reihen dünner, abgewinkelter Lamellen,
die durch die Rippenwände
geschnitten und rechtwinklig zu dem Luftstrom orientiert sind, und
die die laminare Strömung
in dem Luftstrom brechen sollen, um die Wärmeübertragung zwischen der Rippenwand
und dem Luftstrom zu verbessern. Lamellen sind immer derart in Sätzen von
entgegengesetzt geneigten Paaren oder Reihen angeordnet, dass das
erste Lamellenmuster den Luftstrom in eine Richtung drehen wird
und das nächste
ihn in die andere Richtung drehen wird, für ein insgesamt wellenförmiges Strömungsmuster.
Das Ausschneiden der Lamellen lässt
unweigerlich schmale Lücken
durch die Rippenwände
zurück,
durch die Kondensat unter den richtigen Bedingungen ablaufen kann.
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Zumindest
eine Konstruktion nach dem Stand der Technik beansprucht eine Verbindung
zwischen den Lamellen und der Kondensatbehandlung. Die USPN 4 580
624 schlägt
lediglich vor sicherzustellen, dass das letzte am weitesten unterstromige
Lamellenmuster an der Rippenwand nach in nen in Richtung der Innenseite des
Wärmetauschers
anstatt in Richtung der Außenseite
geneigt ist. Es wird beansprucht, dass diese Orientierung bewirkt,
dass Kondensat an diesem unterstromigen Punkt ebenfalls nach innen
fließt,
anstatt nach außen
in den Kanal hinein geblasen zu werden. Dies ist ein etwas sonderbarer
Anspruch, insbesondere da bei dem im Wesentlichen universellen Lamellenmuster
aus entgegengesetzt geneigten Paaren oder Reihen die am weitesten
unterstromigen Lamellen ohnehin nach innen geneigt wären und
von Natur aus das bewirken würden,
was beansprucht wird. Darüber
hinaus könnte
ein sich durch die am weitesten unterstromige Lamellenreihe nach
oben bewegender schneller Luftstrom die Austragskraft überwinden
und das Wasser unabhängig
davon abstoßen,
sofern das letzte Lamellenmuster nicht sehr steil geneigt wäre. Es würde im Wesentlichen unmöglich sein,
eine Rippe zu fertigen, bei der nur die am weitesten unterstromige
Lamellenreihe steil geneigt wäre,
und ein sehr steiler Lamellenwinkel über allen Lamellen der Rippe
würde die
luftseitige Druckabnahme beträchtlich
erhöhen.
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Ein
weiterer offensichtlicher Trend bei Luftrippen von Verdampfern ist
der Einsatz von gewellten Rippen, in denen die Rippenwände parallel
(oder beinahe parallel) zueinander angeordnet sind, und zwar in
einer U-förmigen Wellung
oder in einem flachen V mit einem Scheitel mit relativ großem Radius
anstatt in einem schärfer
gescheitelten V (siehe, z. B. EP-A-1
195 569 und US-A-S 271 458). Zumindest ein Teil des Impetus für diesen
Trend ist der Wunsch nach einem dichten Rippenmuster oder Rippenabstand,
bei dem mehr Rippenwände
pro Einheitenlänge
innerhalb des verfügbaren
Volumens angeordnet werden können.
Eine breitere V-Form
würde im
Allgemeinen ein weniger dichtes Muster mit weniger Rippenwänden pro
Einheitenlänge
erzeugen, zumindest für
einen gegebenen Radius des Scheitels. Des Weiteren würde ein
mehr gerundeter Wellenscheitel mit einem weniger scharfen Radius
insofern als wünschenswert angesehen
werden, als er den einzigen Flächenbereich
der Rippe bereitstellt, der die Platten- oder Rohraußenfläche direkt
kontaktiert. Ein Wellenscheitel mit kleinerem Radius (ein schärferes "V") würde
weniger gegenseitigen Kontaktbereich bereitstellen. Während dichtere
Rippenmuster theoretisch mehr Rippe-zu-Luftstrom-Kontakt und mehr
gegenseitigen Rippe-zu-Plattenfläche-Kontakt
bereitstellen, was den Wärmeleitungswirkungsgrad
verbessern würde,
wurde dir Wirkung auf die Kondensatrückhaltung des offenbar nicht
eingehend berücksichtigt.
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Ein
Beispiel einer Rippenkonstruktion eines Verdampfers mit parallelen
Wänden
und Scheiteln mit großem
Radius oder einer U-Form, die mit den Rippenwänden verbunden sind, ist in
der USPN 4 892 143 offen gelegt. Die Konstruktion beansprucht eine
geringere Kondensatrückhaltung,
beansprucht aber, dass ein solches Ergebnis auf einen Faktor zurückzuführen ist,
der in sehr starkem Konflikt mit dem tatsächlichen Betrieb einer Verdampferrippe
dieses Typs steht, wie unten stehend weiter beschrieben. Das Patent
beansprucht, dass die an der Außenseite
des Scheitels zwischen benachbarten Rippenwänden „eingefangene" Kondensatmenge verringert
wird, indem die nicht mit Lamellen versehene Länge der Außenseite der Rippenwand verringert
und in einem kleinen Bereich gehalten wird. In der Tat stellt man
bei einer Rippe mit dieser Konstruktion fest, dass Wasserkondensat
zwischen den einander zugewandten Innenflächen der Rippenwände an der
Innenseite einer Rippenwelle stark an der Außenseite des Rippenscheitels
jedoch in keinem maßgeblichen
Umfang zurückgehalten
wird. Man könnte
aus Beobachtung angenommen haben, dass dort wo kein Kondensat zu
sehen war, dieses irgendwie ausgetragen oder entfernt wurde, wenn
es sich tatsächlich
zunächst
gar nicht gebildet hatte. In der Tat leistet die in dem Patent offen
gelegte Rippenformkonstruktion mit parallelen Rippenwänden und
U-förmigen
Scheiteln mit großem
Radius am wenigsten Leistung in Bezug auf zurückgehaltenes Kondensat. Ein
weite rer Verdampfer ist aus der
US
5 669 438 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt einen Verdampfer mit einem Rippenmuster bereit,
das für
einen verbesserten Austrag von Wasserkondensat von zwischen den
Rippenwänden
und aus dem Verdampfer sorgt, ohne die Leistung des Verdampfers
zu beeinträchtigen.
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In
der offen gelegten Ausführungsform
umfasst ein lamellierter Verdampfer eine Reihe beabstandeter Rohre,
deren gegenüberliegende
Flächen
durch eine vorbestimmte Distanz voneinander getrennt sind. Eine in
dem Raum zwischen gegenüberliegenden
Plattenflächen
angeordnete gewellte Luftrippe besteht aus einer Reihe von Wellen,
die aus einem Paar benachbarter an einem abgerundeten Scheitel verbundener
Rippenwände
gebildet sind. Jede Rippenwand ist von einer Lamelle, deren Länge durch
diesen Abschnitt der Rippenwand, der nicht von dem abgerundeten
Scheitel eingenommen ist, bestimmt wird, durchbrochen. Benachbarte Scheitel,
die mit benachbarten Paaren von Rippenwänden verbunden sind, sind durch
eine/n charakteristischen Beabstandung oder Abstand voneinander
getrennt, wobei kleinere Abstände
zu höheren
Rippendichten führen
und umgekehrt. Für
einen vorgegebenen Abstand und Rohrabstand ist zwischen den Rohrflächen ein Volumen
oder eine Zelle definiert, innerhalb dessen/der jede Welle (ein
Paar von Rippenwänden
und ein Scheitel) angeordnet ist.
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Gemäß der Erfindung
wird die Form der Welle innerhalb der Zelle in Bezug auf Radius
und relative Lamellenlänge
als eine Funktion einer Reihe von definierten Bereichen der Verhältnisse
von Rippenabstand, Lamellenlänge
und Scheitelradius zu dem Plattenabstand bestimmt und optimiert.
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Auf
der Grundlage einer Kombination von empirischen Tests und Computermodellierung
wurden optimale Bereiche jener Parameter, welche die Wellenform
bestimmen, als eine Funktion des Rohrabstands und auf Basis praktischer Überlegungen
in Bezug auf eine wünschenswerte
Wärmestromleistung,
Luftdruckabnahme durch die Rippe und Wasserrückhaltung an und in der Rippe
bestimmt. Für
einen gegebenen Rohrabstand kann der Konstrukteur eine Wellenform
(Scheitelinnenradius, Rippenabstand und Lamellenlänge) wählen, die einen
Kondensataustrag deutlich verbessern wird, ohne dabei die Verdampferleistung
auf anderen Gebieten maßgeblich
zu beeinträchtigen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise weggebrochene Ansicht der Vorderseite eines typischen
Verdampferwärmetauschers
des lamellierten Typs;
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2 ist
allgemein eine vergrößerte Ansicht
eines Querschnitts eines Verdampferwärmetauschers, die eine vollständige Rippenwellung
zeigt;
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3 ist
eine Ansicht ähnlich 2,
die eine tatsächliche
Ansicht einer bestehenden oder Basisverdampferrippe in Betrieb zeigt,
wobei zurückgehaltenes
Wasserkondensat gebildet wird;
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4 ist
eine Ansicht ähnlich 3,
die eine tatsächliche
Ansicht einer gemäß der Erfindung
konstruierten Verdampferrippe mit ihrer verringerten und verbesserten
Wasserkondensatbildung zeigt;
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5 ist
ein Graph, der einen Vergleich der Wasserrückhalteleistung für die Basisrippe
mit anderen Rippen von unterschiedlicher Form und Dichte zeigt;
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6 ist
ein Graph, der einen Vergleich der Wärmeübertragungsleistung für die Basisrippe
mit anderen Rippen von unterschiedlicher Form und Dichte zeigt;
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7 ist
ein Graph, der einen Vergleich der Luftdruckabnahmeleistung für die Basisrippe
mit anderen Rippen von unterschiedlicher Form und Dichte zeigt;
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8 ist
ein Diagramm, das die Daten aus den 5–7 in
einem einzigen Graphen festhält,
um die optimalen Rippenparameterbereiche der Erfindung anzuzeigen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme zuerst auf die 1 und 2 besteht
ein allgemein bei 10 angezeigter lamellierter Verdampfer
aus einer Reihe beabstandeter Kältemittelrohre 12,
deren gegenüberliegende
Außenflächen 14 durch
einen regelmäßigen, vorbestimmten
Abstand „c" voneinander getrennt
sind. Eine allgemein bei 16 angezeigte gewellte Luftrippe
ist in dem Raum zwischen jedem Paar von gegenüberliegenden Rohrflächen 14 angeordnet.
Die Rippe 16 umfasst eine Reihe von Wellen, die ihrerseits
jeweils aus einem Paar von benachbarten Rippenwände 18, die an einem
integrierten abgerundeten Scheitel 20 verbunden sind, bestehen.
Der innere oder Innenradius eines jeden Scheitels 20 ist
bei „r" angezeigt. Jede
Rippenwand 18 ist von einer Lamelle 22 durchbrochen,
die eine herkömmliche
Breite und einen herkömmlichen
Winkel in Bezug auf die Rippenwand 18 aufweisen würde. Die
Länge „l" einer jeden Lamelle 22 ist
im Prinzip die Länge
des Abschnitts der Rippenwand 18, der nicht von dem abgerundeten
Scheitel 20 eingenommen ist, und auch umgekehrt gilt dasselbe.
Bedeutsamerweise sind die Grundstruktur und die Fertigung der Rippe 16 gemäß der Erfin dung
herkömmlich,
ohne Öffnungen
oder Kerben um den Austrag zu begünstigen, und ohne zwischen
unterschiedlichen Lamellenwinkeln zu unterscheiden etc., was die
Fertigung beeinträchtigen
würde.
Wie bei jeder gewellten Rippe sind benachbarte Scheitel 20 durch
eine/n charakteristische/n, bei „p" angezeigte/n Beabstandung oder Abstand,
die/der in einer reziproken Beziehung zu der Dichte „n" oder Anzahl von
Rippenwellen, die pro Einheitenlänge
der Rohrfläche 14 angeordnet
sind, steht, voneinander getrennt. Die reziproke Beziehung ist als p
= 2/n angezeigt. Für
einen beliebigen vorgegebenen Abstand „p" und Rohrabstand „c" ist zwischen den Rohrflächen ein
Volumen oder eine Zelle definiert, das/die durch das punktlinierte
Rechteck in 2 angezeigt ist, definiert.
Gemäß der Erfindung
wird ein Mittel bereitgestellt, um die Form einer Welle innerhalb
dieser verfügbaren
Zelle zu optimieren.
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Als
Nächstes
Bezug nehmend auf 3 ist die Leistung einer derzeit
verwendeten, bei 16' angezeigten
herkömmlichen
oder Basisrippe veranschaulicht. Die Rippe 16' ist zwischen
denselben gegenüberliegenden,
flachen Rohrflächen 14 angeordnet
und weist alle von den gleichen Basiskonstruktionsmerkmalen wie
die Rippe 16 der Erfindung auf, weshalb sie strichnummeriert
ist. Jede Welle der Basisrippe 16' ist innerhalb der verfügbaren Zelle
derart geformt, dass sie mehr U- als V-förmig und mit einem Scheitel 20' mit großem Radius geformt
ist. Die Rippenwände 18' sind im Wesentlichen
parallel oder, in vielen Fällen,
eigentlich an sich selbst nach innen zurückgeknickt. Die Außenflächen eines
jeden Wellenscheitels 20' sind
konvex und sind daher auf Grund des Wesens von Oberflächenspannungskräften ungeachtet
der Ansprüche
des zuvor erläuterten
Patents nicht derart wirksam, dass sie einen Wasserkondensatfilm
bilden oder „einfangen". Die Innenflächen der Wellenscheitel 20' sind jedoch
konkav und bilden und halten Wasserkondensat leicht zurück. Das
zurückgehaltene
Kondensat wächst über einen
Film hinaus und wird zu einem Meniskus, der die einander zugewandten Rippenwände 18' überbrückt wie
durch die schattierten Bereiche angezeigt. Diese Zeichnung wurde
nach einer Fotografie des tatsächlichen
Betriebs des Verdampfers angefertigt. Das Ergebnis ist eine Reihe
von eingeengten offenen Bereichen „O" (Bereiche im Querschnitt, tatsächlich aber
Volumen), die durch die Rohrflächen 14', die Außenflächen von
zwei benachbarten Scheiteln 20' und den endständigen Rand des zurückgehaltenen
Wassermeniskus begrenzt sind. Diese Bereiche O sind sehr klein in
Bezug auf den potenziell offenen Bereich zwischen den Rippenwänden 18', von dem ein
Großteil
blockiert ist. Der potenzielle Einfluss auf die Leistung ist offensichtlich.
Luft, die zwischen den Rippenwänden 18' strömt, wird
eingeengt, was die Druckabnahme erhöht und das Wärmverhalten
vermindert. Selbstverständlich
kann zurückgehaltenes
Wasser zum oben erwähnten
Phänomen
des Abstoßens
oder „Spritzens" führen. Die
durch die eingeengten Bereiche O gezwungene Gebläseluft wird beschleunigt, wodurch
sie noch anfälliger
dafür wird,
Wasser von zwischen den Rippenwänden 18' heraus abzulösen. Dieses
Problem war derart ernst, dass eine Trennwand erforderlich war, die
die unterstromige Fläche
des Wärmetauschers
abdeckt, was zusätzliche
Kosten verursacht und in sich selbst eine Einengung für den Luftstrom
ist. Die unten stehende Tabelle 1 gibt die relativen Abmessungen
und Leistungsparameter für
diesen Basisfall an.
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Tabelle
1. Geometrie und Leistungsdaten zu dem Basisverdampfer
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Als
Nächstes
Bezug nehmend auf
4 ist die Leistung einer gemäß der Erfindung
hergestellten Rippe
16 veranschaulicht. Die Ansicht zeigt
den/dieselben Verdampfer
10, Rohre
12, vertikal
orientiert, und flachen Rohrflächen
14 mit
derselben Beabstandung c. Die Rippe
16 weist denselben
Abstand wie die oben beschriebene Basisrippe
16' auf. Infolgedessen
ist dieselbe Basiszelle, innerhalb der eine Welle der Rippe
16 angeordnet
ist, definiert. Es ist jedoch offensichtlich, dass innerhalb dieser
verfügbaren
Zelle die Rippe
16 stärker
V-förmig
als die Basisrippe
16' ist,
mit Rippenwänden
18,
die an einem schärferen
Scheitel
20 mit einem kleineren Radius verbunden sind.
Es ist auch sehr einleuchtend, dass der zurückgehaltene Wassermeniskus wesentlich
kleiner ist und die offenen Bereiche „O" demnach wesentlich größer sind.
Bevor die Mechanismen beschrieben werden, deren Wirksamkeit man
annimmt, gibt eine entsprechende Tabel le 2 die vergleichenden Abmessungen
und die gemessene Leistung für
die Rippe
16 an: Tabelle
2. Geometrische und Leistungsdaten zu den Testverdampfern
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Beim
Vergleich der Tabellen 1 und 2 sind einige Punkte sofort offensichtlich.
Für einen
gleichen Plattenabstand und Rippenabstand sind die Wärmeübertragungsrate
und die luftseitige Druckabnahme im Wesentlichen gleich (erstere
etwas besser, letzterer etwas schlechter), aber die Wasserrückhaltung
ist deutlich, um beinahe 30 % verbessert. Dies wird allein durch
die unterschiedliche Wellenform innerhalb des/derselben verfügbaren Volumens
oder Zelle erreicht, einen Formunterschied, der sich in dem beträchtlich
kleineren Radius und in der beträchtlich
größeren Lamellenlänge widerspiegelt.
An der Rippe ist keine größere strukturelle Veränderung
vorgenommen, das heißt,
sie weist (abgesehen von den vorhandenen Lamellenöffnungen)
keine zusätzlichen Öffnungen
oder Leerräume,
die zum Austrag von Wasser hinzugefügt sind, und keine/n besondere
Anzahl von oder Winkel für
die oder spezielle Orientierung der Lamellen 22 auf. Folglich
kann und würde eine
Fertigung der Rippe 16 gemäß der Erfindung auf herkömmliche
Weise erfolgen. Aber durch den (im Nachhinein) scheinbar einfachen
Behelf, die Rippe wie beschrieben zu formen, wird die wesentlich
verbesserte Wasserrückhalteleistung
erreicht. Nicht alle der wirksamen Mechanismen werden ganz verstanden,
aber man nimmt an, dass zumindest zwei Faktoren auf eine synergetische
oder zusammenarbeitende Weise wirksam sind. Ein Faktor ist der schärfer abgerundete
Scheitel 20, der in stärker „V-förmigen" Wänden 18 resultiert,
die wiederum dazu neigen, den Meniskus des zurückgehaltenen Wassers tiefer
in das Innere des Scheitels 20 und eigentlich tiefer in
das "V" hinein zu ziehen.
Dieser Faktor allein jedoch würde
nicht bewirken, dass das zurückgehaltene
Wasser leichter abläuft.
Der zweite Faktor ist die relativ längere Lamelle 22 (und
die relativ längere Lamellenöffnung,
die naturgemäß neben
einer längeren
Lamelle 22 liegt). Dies sorgt für einen Austragsweg, der vorteilhafterweise
auch tiefer in das "V" hinein verläuft und
mit dem Meniskus des Wasser, das kontinuierlich hineingezogen wird, überlappt.
Somit ermöglicht
die Oberflächenspannungskraft,
die das Wasser kontinuierlich in Richtung des erweiterten Austragsweg
zieht, dass ein Gleichgewicht erzielt wird, wenn Wasser kontinuierlich
von Rippe zu Rippe von oben nach unten und letztlich zwischen den
vertikal orientierten Rohren 12 hinaus abläuft. Dies
ist ein verbessertes Austragsgleichgewicht, bei dem per saldo beträchtlich
weniger Wasser zurückgehalten
wird.
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Unter
neuerlicher Bezugnahme auf 4 ist das
Ergebnis dieses verbesserten Austragsgleichgewichts offensichtlich.
Der zurückgehaltene
Wassermeniskus ist kleiner, sodass umgekehrt die offenen Bereiche
O größer sind.
Der Luftstrom wird allein auf Grund dieses Faktors weniger eingeengt
und die Luftgeschwindigkeit durch die größeren offenen Räume O geringer,
was zu weniger Abstoßen
oder "Spritzen" des bereits reduzierten
zurückgehaltenen
Kondensats führt.
(Die gesamte luftseitige Druckabnahme ist per saldo auf Grund der
längeren
Lamellen 22, die den Widerstand gegen die Luftströmung erhöhen, größer). Die
Wärmestromleistung
wird verbessert, da die Rippenwände 18 durch
zurückgehaltenes
Kondensat weniger isoliert oder „eingehüllt" werden. Weitere Vorteile eines verbesserten
Austrags von Kondensat sind weniger potenzielle/r Verdampfergeruch
und Korrosion sowie das Potenzial, zusätzliche Strukturen wie unterstromig
angeordnete Trennwände,
die in der Vergangenheit verwendet wurden, um ein Abstoßen von
Wasser zu blockieren oder zu verringern, zu beseitigen. Dies kann
eine wesentliche Kosteneinsparung darstellen.
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Selbstverständlich geht
die Erfindung weiter als die bestimmte, in Tabelle 1 offen gelegt
Ausführung, und
es wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein Konstrukteur ein ähnliches
Ergebnis bei Verdampfern mit verschiedenen Rohrbabständen erzielen
kann, und man kann es mit Rippen erzielen, die verschiedene absolute
Abmessungen aufweisen, aber in denen die relativen Abmessungen mit
einem unten stehend definierten optimalen Bereiches von Verhältnissen
zusammenhängen.
Als Nächstes
Bezug nehmend auf die 5 bis 8 ist eine
Reihe von Graphen gezeigt, die computergenerierte Darstellungen
der erwarteten Leistung eines Bereichs von Rippenformen und -geometrien
sind, dargestellt in Form von Verhältnissen von Parametern, die
normalerweise nicht derart berücksichtigt
werden. Zum Beispiel ist in den 5–7 ein
Verhältnis
von Rippenradius r zu Rippenhöhe
(Rohrabstand) c auf der unteren x-Achse gezeigt und das entsprechende
Verhältnis
von Lamellenlänge
l zu Rippenhöhe
c auf der oberen x-Achse gezeigt. Die y-Achse gibt das Verhältnis verschiedener
Leistungsmaße
zu dem Basisfall (gekennzeichnet durch den tief gestellten Index
o) an wie Wasserrückhaltung,
Wärmeübertragungsrate
und Druckabnahme. Die verschiedenen Kurven zeigen die Rippengeometrien
bei verschiedenen Rippenabständen
p, wiederum nicht in Absolutausdrücken dargestellt, sondern als
ein Verhältnis
von p relativ zu c. Diese Kurven enden an einem Punkt, der den Begrenzungsfaktor
für l als ein
Verhältnis
von c darstellt. Das heißt,
für ein
Verhältnis
größer als
1, wenn die Lamelle 22 sehr lang und im Wesentlichen so
lang wie die gesamte Rippenhöhe
wird, wäre
zu erwarten, dass die Rippenwand 18 ausknickt oder sich
aufdreht, was nicht wünschenswert
wäre. Gleicherweise
sind die Kurven nicht über
die Punkte hinaus gezeichnet, wo das Verhältnis so klein ist, dass die
Lamelle 22 wiederum zu kurz sein würde, um für einen Austrag von Kondensat
wirksam zu sein.
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Bei
der Bestimmung dessen, was eine verbesserte Leistung ist, wird in
den 5 und 7 ein Verhältnis von weniger als 1 als
besser angesehen als der Basisfall, da es gewünscht ist, die Wasserrückhaltung zu
verringern. Selbstverständlich
ist für 6 ein
Verhältnis
von größer als
eins eine Verbesserung, da es gewünscht ist, die Wärmeübertragung
zu verbessern (oder sie zumindest relativ konstant zu halten). Aus
praktischer Sicht wäre
ein hypothetischer Automobilkonstrukteur damit zufrieden, die Wärmeübertragung
konstant zu halten und die luftseitige Druckabnahme sogar bis zu
einem gewissen Ausmaß zu
erhöhen,
wenn die Wasserrückhaltung
wesentlich verringert werden könnte,
da in diesem Bereich die Wasserrückhaltung
als das wahre Problem angesehen wird. Die unten stehende Erläuterung
zeigt an, wie ein optimaler Bereich der oben beschriebenen Verhältnisse
auf der Grundlage dieser allgemeinen Richtlinien ermittelt werden
kann. Das heißt, es
wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein Konstrukteur, der
eine gegebene Rippenhöhe
c gewählt
hat, wiederum die anderen Rippenabmessungen, die das gewünschte allgemeine
Resultat ergeben, bestimmen kann. Anders ausgedrückt, der Konstrukteur kann dann,
nachdem er den verfügbaren
Raum innerhalb einer Zelle für
eine Welle bestimmt hat, die Form der Welle innerhalb der Zelle
bestimmen, von der erwartet werden kann, dass sie das gewünschte Resultat
einer wesentlich verbesserten (verringerten) Wasserrückhaltung
ergibt, ohne eine wesentlich beeinträchtigte Leistung in den Bereichen
der Wärmeübertragung
und der luftseitigen Druckabnahme.
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Unter
Bezugnahme insbesondere auf 5 gilt als
gegeben, dass ein Verdampfer als verbessert angesehen würde, wenn
das Wasserrückhalteverhältnis, m/mo,
weniger als 1 wäre.
Unter Bezugnahme auf die unterbrochene horizontale Linie, die m/mo
= 1 entspricht, sowie auf die nach oben geneigten Wasserrückhaltekurven
ist einzusehen, dass für
m/mo < 1 die Bereiche
der geometrischen Parameter die folgenden sein würden: 0 ≤ r/c ≤ 0,125 0,73 ≤ 1/c ≤ 1,01 0,25 ≤ p/c ≤ 0,50
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Diese
allgemeine Zwangsbedingung oder Bedingung sucht keine Möglichkeiten
aus dem Bereich der Rippenabmessungen heraus. Jedoch hat praktische
Erfahrung gezeigt, dass, um das Kondensat„spritzproblem" deutlich zu verbessern,
das Verhältnis
weniger als 0,75 betragen sollte. Mit Hilfe der unterbrochenen, m/mo
= 0,75 entsprechenden horizontalen Linie in 5 als die
Determinante werden die Bereiche von r/c und 1/c für m/mo ≤ 0,75 eingeengt,
was den folgende Satz von Bereichen der geometrischen Parameter
ergibt: 0 ≤ r/c ≤ 0,090 0,82 ≤ 1/c ≤ 1,01 0,25 ≤ p/c ≤ 0,50
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Diese
m/mo ≤ 0,75
entsprechenden Bereiche von r/c, 1/c und p/c sind in 5 durch
den schattierten Bereich angezeigt.
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Als
Nächstes
Bezug nehmend auf 6 ist die weitere Zwangsbedingung
der Wärmeübertragungsrate
veranschaulicht. Wie angemerkt, zeigt 6 eine Änderung
der Wärmeübertragungsrate
q mit r/c, l/c und p/c. Die Wärmeübertragungsrate
q erscheint als ein Parameter für
die Familie der Wärmeübertragungsratenkurven,
wobei die Wärmeübertragungsrate
q in Bezug auf die Wärmeübertragungsrate
qo für
den in Tabelle 1 angegebenen Basisverdampfer normalisiert ist. Durch
Einführen
der zusätzlichen
Bedingung, dass q/qo ≥ 1, werden
die Bereiche der abgeleiteten geometrischen Parameter wie folgt
weiter eingeengt: 0 ≤ r/c ≤ 0,057 0,89 ≤ l/c ≤ 1,01 0,25 ≤ p/c ≤ 0,43
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Diese
weiter eingeengten Bereiche von r/c, l/c und p/c werden in 6 durch
den schattiert Bereich angezeigt.
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Als
Nächstes
Bezug nehmend auf 7 legt die Berücksichtigung
der luftseitigen Druckabnahme eine noch weitere Begrenzung auf die
Bereiche der geometrischen Parameter, die von den oben definierten Zwangsbedingungen
für die
Wasserrückhaltung
und Wärmeübertragung
hergeleitet sind. 7 zeigt eine Schwankung der
Druckabnahme ΔP
mit r/c, l/c und p/c, die auch als Parameter für die Familie der Druckabnahmekurven
erscheint. Es ist auch anzumerken, dass die Druckabnahme ΔP mit der
Druckabnahme ΔPo für den
in Tabelle 1 angegebenen Basisverdampfer normalisiert ist. Für einen
Hochleistungsverdampfer ist es wünschens wert,
dass die Druckabnahme ΔP
kleiner als die oder gleich der Druckabnahme ΔPo in
dem Basisverdampfer sein sollte. Mit anderen Worten, ΔP/ΔPo ≤ 1. Aus praktischer
Sicht ist jedoch ein kleiner Nachteil bei der Druckabnahme in der
Größenordnung
von ca. 20 %, was weniger einschränkend für den Bereich definierter Parameterverhältnisse
ist, akzeptabel. Die bei ΔP/ΔPo = 1,20
gezogene unterbrochene horizontale Linie in 7 schließt diese
letzte Einengung ab, und die optimalen Bereiche der Parameterverhältnisse
sind bestimmt mit: 0 ≤ r/c ≤ 0,057 0,89 ≤ l/c ≤ 1,01 0,29 ≤ p/c ≤ 0,43
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Diese
letzte weitere Einengung ist ebenfalls in 7 durch
den schattierten Bereich dargestellt.
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Unter
abschließender
Bezugnahme auf 8 sind die drei oben festgehaltenen
optimalen Parameterbereiche auf den verschiedenen Achsen wieder
aufgetragen, wobei die drei Zwangsbedingungen von q/qo, m/mo und ΔP/ΔPo als Begrenzungskurven, die einen schattierten
Bereich einschließen,
dargestellt sind. Die zusätzliche
Zwangsbedingung, die auftreten würde,
wenn ΔP/ΔPo weiter
auf 1,0 oder 1,1 begrenzt würde,
ist durch die beiden zusätzlichen
unterbrochenen und beinahe vertikalen Linien in dem Graphen angezeigt.
Mit der stärker
eingeschränkten
Druckabnahme-Zwangsbedingung
würde der
akzeptable Bereich von Parameterverhältnissen offensichtlich einen
viel kleineren schattierten Bereich einschließen. Auch der Basisverdampfer ist
für Vergleichszwecke
angezeigt, und der Verdampfer, auf den in der oben stehenden Tabelle
2 Bezug genommen wird, ist als ein Datenpunkt, der innerhalb des
bevorzugten Bereichs liegt, gezeigt.
