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TECHNISCHES
GEBIET
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Der
Erfindungsgegenstand ist ein verbesserter Heizungswärmetauscheraufbau
für ein
Heiz-, Lüftungs-
und Klimaanlagenmodul.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Heiz-,
Lüftungs-
und Klimaanlagen-(HVAC)-Module von Kraftfahrzeugen umfassen typischerweise
ein hohles Gehäuse,
das in einem Fahrzeug angeordnet ist. Ein Verdampferwärmetauscher
und ein Heizungswärmetauscher
sowie verschiedene Ventile zum Leiten eines Luftstromes sind in
dem Gehäuse
befestigt. Der Heizungswärmetauscher
ist üblicherweise
innerhalb eines unteren Quadranten des Gehäuses angeordnet und wird verwendet,
um die Luft, die in einen Fahrgastraum des Fahrzeuges strömt, zu erwärmen.
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Es
gab zahlreiche Ausführungen
für die
Gehäuse
und Heizungswärmetauscher,
um die Wirksamkeit des Heizungswärmetauschers
zu maximieren. Wie in den US-Patent-Nummern 5 927 380 und 6 045
444 veranschaulicht, weisen Heizungswärmetauscher innerhalb von HVAC-Modulen
von Kraftfahrzeugen typischerweise flache rechteckige Aufbauten auf.
Der Luftstrom über
die flachen rechteckigen Heizungswärmetauscher neigt dazu, in
bestimmten Bereichen zu stocken, wodurch die betriebsfähige Wirksamkeit
des Heizungswärmetauschers
verringert wird.
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Demgemäß wäre es wünschenswert,
einen Heizungswärmetauscher
zu entwickeln, der einen gleichförmigen
Luftstrom über
eine gesamte Außen fläche des
Heizungswärmetauschers
zulässt
und gleichzeitig einen Temperaturanstieg über den Heizungswärmetauscher
maximiert und eine Druckabnahme über
den Heizungswärmetauscher
minimiert.
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ZUSAMMENFASSUNG
UND VORTEILE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindungsgegenstand umfasst ein/e Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC)-Anordnung
oder -Modul zum Heizen, Lüften
und Kühlen
eines Fahrgastraumes eines Fahrzeuges. Das HVAC-Modul umfasst ein
hohles Gehäuse
mit einem Einlass und zumindest einem Auslass, um einen Luftstrom
in den Fahrgastraum zu leiten. Ein erster Wärmetauscher, vorzugsweise ein
Verdampferwärmetauscher,
ist in dem Gehäuse
unterstromig des Einlasses 14 und oberstromig des Auslasses
angeordnet, wobei der Verdampferwärmetauscher derart angeordnet
und aufgebaut ist, dass im Wesentlichen die gesamte in den Fahrgastraum
hinein strömende Luft
eingefangen wird. Ein zweiter Wärmetauscher, vorzugsweise
ein Heizungswärmetauscher,
ist in dem Gehäuse
zwischen dem Verdampferwärmetauscher
und dem Auslass angeordnet, wobei der Heizungswärmetauscher eine oberstromige
Fläche,
die im Allgemeinen zu dem Verdampferwärmetauscher weist, und eine
unterstromige Fläche,
die im Allgemeinen zu dem Auslass weist, aufweist. Der Heizungswärmetauscher
umfasst einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, der
relativ zu dem ersten Abschnitt derart abgewinkelt ist, dass die
oberstromige Fläche
des ersten Abschnitts zumindest teilweise zu der oberstromigen Fläche des
zweiten Abschnitts weist, um einen abgewinkelten Heizungswärmetauscher
zu definieren, der zu dem Verdampferwärmetauscher weist, worin Luft,
die über
den oberstromigen Flächen
strömt,
gleichmäßig über beide
von den ersten und zweiten Abschnitten verteilt wird, wodurch die
Wirksamkeit des Heizungswärmetauschers
erhöht
wird.
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Der
Erfindungsgegenstand umfasst auch ein Verfahren zum Optimieren eines
Luftstromes über dem
abgewinkelten Heizungswärmetauscher.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Messen einer Eintrittstemperatur
der Luft neben der oberstromigen Fläche des Heizungswärmetauschers;
Messen einer Austrittstemperatur der Luft neben der unterstromigen
Fläche
des Heizungswärmetauschers; Berechnen
einer Abweichung zwischen den Eintritts- und Austrittstemperaturen
der Luft, um einen Temperaturanstieg über den Heizungswärmetauscher
zu bestimmen; Messen eines Eintrittsdrucks der Luft neben der oberstromigen
Fläche
des Heizungswärmetauschers;
Messen eines Austrittsdrucks der Luft neben der unterstromigen Fläche des
Heizungswärmetauschers;
Berechnen einer Abweichung zwischen den Eintritts- und Austrittsdrücken der
Luft, um eine Druckabnahme über
den Heizungswärmetauscher zu
bestimmen; und Einstellen der Winkelposition des ersten Abschnitts
des Heizungswärmetauschers
relativ zu dem zweiten Abschnitt des Heizungswärmetauschers, bis der Temperaturanstieg über den
Heizungswärmetauscher
maximiert ist und die Druckabnahme über den Heizungswärmetauscher
minimiert ist, wodurch die optimalen relativen Positionen der ersten
und zweiten Abschnitte für
den abgewinkelten Heizungswärmetauscher
bestimmt sind.
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Demgemäß legt der
Erfindungsgegenstand einen verbesserten Heizungswärmetauscher
dar, der derart abgewinkelt ist, dass Luft gleichförmig über eine
gesamte Außenfläche des
Heizungswärmetauschers
strömt,
während
ein Temperaturanstieg über den
Heizungswärmetauscher
maximiert und eine Druckabnahme über
den Heizungswärmetauscher minimiert
wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf
die folgende detaillierte Beschreibung und in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen:
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1 eine
perspektivische Teil-Querschnittsansicht einer/s Heiz-, Lüftungs-
und Klimaanlagen (HVAC)-Anordnung oder -Moduls gemäß der gegenständlichen
Erfindung ist, wobei sich ein Strömungsventil in einer mittleren
Stellung befindet;
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2 eine
perspektivische Teil-Querschnittsansicht des HVAC-Moduls ist, wobei
sich das Strömungsventil
in einer Kühl-Stellung befindet;
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3A eine
perspektivische Ansicht eines Heizungswärmetauschers der gegenständlichen
Erfindung ist, der gebogene Rohre und Rippen aufweist, die sich
in einer senkrechten Richtung erstrecken, wobei die Rippen auf eine
nicht-gleichförmige Weise
mit einem Zwischenraum angeordnet sind;
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3B eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Heizungswärmetauschers ist, der gebogene
Rohre und Rippen aufweist, die sich in einer senkrechten Richtung
erstrecken, wobei die Rippen auf eine gleichförmige Weise mit einem Zwischenraum angeordnet
sind;
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4A eine
perspektivische Ansicht noch eines weiteren Heizungswärmetauschers
der gegenständlichen
Erfindung ist, der Rohre und Rippen aufweist, die sich in einer
waagrechten Rich tung erstrecken, wobei die Rippen auf eine nicht-gleichförmige Weise
mit einem Zwischenraum angeordnet sind;
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4B eine
perspektivische Ansicht noch eines weiteren Heizungswärmetauschers
ist, der Rohre und Rippen aufweist, die sich in einer waagrechten
Richtung erstrecken, wobei die Rippen auf eine gleichförmige Weise
mit einem Zwischenraum angeordnet sind.
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5 eine
seitliche Querschnittsansicht des HVAC-Moduls ist, wobei sich das
Strömungsventil
in einer Heiz-Stellung befindet;
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6 eine
schematische Seitenansicht des Heizungswärmetauschers ist;
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7 eine
schematische Seitenansicht des Heizungswärmetauschers ist, die die Geschwindigkeitskomponenten
für die
Luft veranschaulicht;
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8 ein
Graph ist, der die Beziehungen zwischen verschiedenen Geschwindigkeitskomponenten
in Bezug auf verschiedene Biegewinkel β des Heizungswärmetauschers
veranschaulicht; und
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9 ein
Graph ist, der einen Temperaturanstieg und eine Druckabnahme für verschiedene
Biegewinkel β des
Heizungswärmetauschers
veranschaulicht.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf die Figs., in denen gleiche Bezugsziffern gleiche
oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen,
ist ein/e Heiz-, Lüftungs-
und Klimaanlagen (HVAC)-Anordnung oder -Modul zum Heizen, Lüften und
Kühlen eines
Fahrgastraumes eines Fahrzeuges (nicht gezeigt) in den 1 und 2 allgemein
bei 10 veranschaulicht. Das HVAC-Modul 10 umfasst
ein hohles Gehäuse 12 mit
einem Einlass 14 und zumindest einem Auslass 16, 18, 20,
um einen Luftstrom in den Fahrgastraum zu leiten. Vorzugsweise sind
drei Auslässe 16, 18, 20 vorhanden,
um den Luftstrom in dem Fahrgastraum zu verteilen. Insbesondere
gibt es einen Windschutzscheiben- / Defrosterauslass 16,
einen oberen Fahrgastraumauslass 18 und einen unteren Fahrgastraumauslass 20.
Der obere Fahrgastraumauslass 18 verteilt Luft zu einem
oberen Kanal (nicht gezeigt), der wiederum die Luft zu Belüftungsöffnungen
für den
Fahrgast leitet, die entlang eines Armaturenbretts (nicht gezeigt)
angeordnet sind. Der untere Fahrgastraumauslass 20 verteilt
Luft zu einem unteren Kanal (nicht gezeigt), der wiederum die Luft zu
Bodenplatten- oder Fußbereichs-Belüftungsöffnungen
(nicht gezeigt) leitet. Pfeile veranschaulichen den Luftstrom durch
das Gehäuse 12 und
die Auslässe 16, 18, 20.
Der allgemeine Aufbau des Gehäuses 12 und
Position und Anzahl der Auslässe
sind dem Fachmann im Stand der HVAC-Technik gut bekannt und können von
jeder geeigneten Konstruktion sein.
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Ein
erster Wärmetauscher 22 ist
in dem Gehäuse 12 unterstromig
des Einlasses 14 und oberstromig der Auslässe 16, 18, 20 angeordnet.
Vorzugsweise ist der erste Wärmetauscher 22 ein
Verdampferwärmetauscher 22.
Der Verdampferwärmetauscher 22 ist
derart angeordnet und aufgebaut, dass im Wesentlichen die gesamte
in den Fahrgastraum hinein strömende
Luft eingefangen wird. Vorzugsweise umfasst das Gehäuse 12 einen
Befestigungsbereich 24 für den Verdampferwärmetauscher, der
neben dem Einlass 14 des Gehäuses 12 angeordnet
ist. Der Verdampferwärmetauscher 22 ist
an dem Gehäuse 12 in
dem Befestigungsbereich 24 für den Verdampferwärmetauscher 22 befestigt
und ist groß genug,
um sich vollständig über den
Einlass 14 zu erstrecken. Infolgedessen strömt Luft,
die von dem Einlass 14 in Richtung der Auslässe 16, 18, 20 strömt, durch
den Verdampferwärmetauscher 22. Der
Verdampferwärmetauscher 22 kühlt und
trocknet die durch ihn hindurch strömende Luft, wie im Stand der
HVAC-Technik bekannt. Es sollte auch einzusehen sein, dass der Verdampferwärmetauscher 22 von
jeder/m geeigneten Konstruktion oder Aufbau sein kann, ohne von
dem Umfang der gegenständlichen
Erfindung abzuweichen.
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Ein
zweiter Wärmetauscher 26 ist
ebenfalls in dem Gehäuse 12 zwischen
dem Verdampferwärmetauscher 22 und
den Auslässen 16, 18, 20 angeordnet.
Vorzugsweise ist der zweite Wärmetauscher 26 ein
Heizungswärmetauscher 26,
wobei der Heizungswärmetauscher 26 eine
oberstromige Fläche 28 aufweist,
die im Allgemeinen zu dem Verdampferwärmetauscher 22 weist,
und eine unterstromige Fläche 30,
die im Allgemeinen zu dem Auslass 16, 18, 20 weist.
Der Heizungswärmetauscher 26 umfasst gegenüberliegende
Sammelrohre 31 mit einer Vielzahl von sich zwischen den
Sammelrohren 31 entlang deren Länge erstreckenden Rippen 32 und
Rohren 33. Einlass- 35 und Auslass- 37 Öffnungen
sind in einem oder mehreren der Sammelrohr/e 31 angeordnet,
um Flüssigkeit
durch die Rohre 33 zwischen den Sammelrohren 31 zu übertragen
und dadurch die notwendige Wärmeübertragung
zwischen der Flüssigkeit
und der Luft zu ermöglichen.
Die Rippen 32, Rohre 33, Sammelrohre 31 und übrigen Abschnitte
des Heizungswärmetauschers 26 sind
auf eine dem Fachmann auf dem Gebiet der Wärmetauschertechnik bekannte
Art und Weise kon struiert und aufgebaut. Weitere Details des bevorzugten
Heizungswärmetauschers 26 werden
unten stehend in größerem Detail
erläutert.
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Das
Gehäuse 12 umfasst
ferner einen oberen Quadranten 34 und einen unteren Quadranten 36,
wobei der Verdampferwärmetauscher 22 innerhalb
der beiden Quadranten und der Heizungswärmetauscher 26 in
dem unteren Quadranten 36 angeordnet ist. Somit wird Luft,
die durch den oberen Quadranten 34 strömt, zum Lüften und Kühlen sein, und Luft, die durch
den unteren Quadranten 36 strömt, wird zum Heizen sein.
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Zumindest
ein und vorzugsweise mehr als ein Strömungsventil 38 ist
in dem Gehäuse 12 angeordnet,
um den Luftstrom zwischen den oberen 34 und unteren 36 Quadranten
zu steuern. Das Strömungsventil 38 leitet
den Luftstrom derart, dass erwärmte,
ventilierte und / oder gekühlte
Luft wie gewünscht
durch die Auslässe 16, 18, 20 verteilt
werden kann.
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Unter
Bezugnahme auch auf die 3A – 5 wird
der Heizungswärmetauscher 26 nun
in größerem Detail
erläutert.
Der Heizungswärmetauscher 26 umfasst
einen ersten Abschnitt 40 und einen zweiten Abschnitt 42,
der relativ zu dem ersten Abschnitt 40 abgewinkelt ist.
Vorzugsweise weist der abgewinkelte Heizungswärmetauscher 26 derart
zu dem Verdampferwärmetauscher 22,
dass die oberstromige Fläche 28 des
ersten Abschnitts 40 zumindest teilweise zu der oberstromigen
Fläche 28 des zweiten
Abschnitts 42 weist. Auf Grund dieses abgewinkelten Merkmals
wird Luft, die über
die oberstromigen Flächen 28 strömt, gleichmäßiger über beide von
den ersten 40 und zweiten 42 Abschnitten verteilt,
wodurch die Wirksamkeit des Heizungswärmetauschers 26 erhöht wird,
siehe 5. Mit anderen Worten, der Temperaturanstieg über den
Heizungswärmetauscher 26 ist
maximiert und die Druckabnahme über
den Heizungswärmetauscher 26 ist
minimiert.
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Jeder
der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte weist
vorzugsweise einen im Wesentlichen flachen rechtwinkeligen Aufbau
mit einem mittleren Bereich und einem Randbereich auf. Die mittleren
Bereiche stoßen
derart aneinander, dass die ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte
einen durchgehend abgewinkelten Heizungswärmetauscher 26 bilden.
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Die
in den Figuren gezeigten Heizungswärmetauscher 26 weisen
leicht unterschiedliche Aufbauten auf. Insbesondere veranschaulichen
die 3A und 3B eine
erste Ausführungsform
des Heizungswärmetauschers 26,
worin die Rippen 32 und Rohre 33 sich in einer
senkrechten Richtung erstrecken, wenn sie in dem Gehäuse 12 befestigt
sind. Die Rippen 32 und Rohre 33 sind an dem Schnittpunkt
der mittleren Bereiche abgewinkelt, um einen abgewinkelten Heizungswärmetauscher 26 zu
definieren. Die 4A und 4B veranschaulichen eine
zweite Ausführungsform
des Heizungswärmetauschers 26,
worin die Rippen 32 und Rohre 33 sich in einer
waagrechten Richtung erstrecken, wenn sie in dem Gehäuse 12 befestigt
sind. Darüber
hinaus können
die Rippen 32 auf eine gleichförmige oder nicht-gleichförmige Weise
mit einem Zwischenraum angeordnet sein. Wie am Besten in den 1, 2, 3A und 4A gezeigt,
ist die Vielzahl von Rippen 32 auf eine nicht-gleichförmige Weise
mit einem Zwischenraum angeordnet. Mit anderen Worten, die Rippen 32 sind über zumindest
einen gesamten von den mittleren und Randbereichen mit einem ungleichen
Zwischenraum angeordnet. Vorzugsweise weisen die Rippen 32 in
dem mittleren Bereich des ersten Abschnitts 40, wo die
Strömungsgeschwindigkeit
der anfallenden Luft höher
ist, eine höhere
Dichte auf. Alternativ können
die Rohre 33 in Verbindung mit den oder anstatt der Rippen 32 auf
eine nicht-gleichförmige
Weise mit einem Zwischenraum angeordnet sein. Somit sind die Rohre 33 und
/ oder Rippen 32 über
zumindest einen gesamten von den mittleren und Randbereichen mit
einem ungleichen Zwischenraum angeordnet. Wie in 3B und 4B gezeigt,
ist die Vielzahl von Rippen 32 und Rohren 33 alternativ
auf eine gleichförmige
Weise mit einem Zwischenraum angeordnet. Mit anderen Worten, sowohl
die Rippen 32 als auch die Rohre 33 sind über die
gesamten mittleren und Randbereiche in gleichem Abstand zueinander
angeordnet.
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Wie
in 5 veranschaulicht, ist der Luftstrom am meisten
in dem mittleren Bereich des ersten Abschnitts 40 konzentriert.
Somit ist die Luftgeschwindigkeit in diesem Bereich am höchsten.
Um die erhöhte
Geschwindigkeit auszunutzen, sind die Rippen 32 in diesem
Bereich konzentriert. Die übrigen
Bereiche der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte
weisen Rippen 32 auf, die mit einem weiteren Zwischenraum
voneinander angeordnet sind. Der Zwischenraum der Rippen 32 in
den ersten 40 und zweiten 42 Abschnitten steuert
die Geschwindigkeit der Luft, die durch den Heizungswärmetauscher 26 strömt. Als
solches wird die erhöhte
Geschwindigkeit der Luft, die durch den mittleren Bereich des ersten Abschnitts 40 strömt, stärker verringert
als die Geschwindigkeit der Luft, die durch die anderen Bereiche
der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte strömt. Das
kommt einer gleichförmigeren
Austrittsgeschwindigkeit der Luft gleich. Durch Ausnutzen der erhöhten lokal
begrenzten Geschwindigkeit der Luft kann der Temperaturanstieg über den
Heizungswärmetauscher 26 maximiert
werden, während
die Druckabnahme über
den Heizungswärmetauscher 26 minimiert
werden kann.
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Unter
Bezugnahme auch auf die 6 und 7 ist vorzugsweise
der erste Abschnitt 40 relativ zu dem zweiten Abschnitt 42 um
mehr als 90 Grad abgewinkelt. Der Winkel zwischen den ersten 40 und zweiten 42 Abschnitten
ist in den 5 – 7 durch
den eingeschlossenen Winkel α veranschaulicht.
Noch bevorzugter ist der erste Abschnitt 40 relativ zu
dem zweiten Abschnitt 42 um einen eingeschlossenen Winkel α von 140
Grad abgewinkelt. Insbesondere ist die unterstromige Fläche 30 des ersten
Abschnitts 40 relativ zu dem unterstromigen Abschnitt des
zweiten Abschnitts 42 um einen eingeschlossenen Winkel α von 140
Grad abgewinkelt.
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Ein
Biegewinkel β ist
in den 5 – 7 ebenfalls
veranschaulicht, wobei der Biegewinkel β den Winkel der unterstromigen
Flächen 30 der
ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte relativ zu
einer Ebene 44 zeigt. Die Ebene 44 steht im Wesentlichen
senkrecht zu einer Strömungsgeschwindigkeit
der Luft in Richtung des Heizungswärmetauschers 26, siehe 5 – 7.
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Der
Gesamt-Geschwindigkeitsvektor der Luft in Richtung des Heizungswärmetauschers 26 wird
als u∞ bezeichnet.
Wenn die Luft auf den Heizungswärmetauscher 26 trifft,
wird der Geschwindigkeitsvektor u∞ in
zwei unterschiedliche Geschwindigkeitsvektoren un und
up aufgeteilt. Der Geschwindigkeitsvektor
un der Luft ist die Normalkomponente des Geschwindigkeitsvektors
u∞ relativ
zu dem Heizungswärmetauscher 26.
Mit anderen Worten, der Geschwindigkeitsvektor un bezeichnet
die Geschwindigkeit der Luft, die zu der oberstromigen Fläche 28 des Heizungswärmetauschers 26 weist
und in der Folge durch den Heizungswärmetauscher 26 strömt, um aus
der unterstromigen Fläche 30 des
Heizungswärmetauschers 26 auszutreten.
Der Geschwindigkeitsvektor up der Luft ist
die Parallelkomponente des Geschwindigkeitsvektors u∞ relativ
zu dem Heizungswärmetauscher 26.
In anderen Worten, der Geschwindigkeitsvektor up bezeichnet
die Geschwindigkeit der Luft, die parallel entlang der oberstromigen Fläche 28 des
Heizungswärmetauschers 26 verläuft. Diese
Geschwindigkeitskomponente up definiert
insofern eine Ineffizienz des Heizungswärmetauschers 26, als
ein Teil der Gesamtgeschwindigkeit u∞ der
Luft nicht durch den Heizungswärmetauscher 26 strömt. Daher
ist es wünschenswert,
dass der Geschwindigkeitsvektor up immer
kleiner als der Geschwindigkeitsvektor un ist.
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Der
Biegewinkel des Heizungswärmetauschers 26 beeinflusst
direkt die Werte der Geschwindigkeitsvektoren un und
up. Unter Bezugnahme auf 8 sind
die Geschwindigkeitsvektoren für
up und un als Komponenten
von u∞ veranschaulicht.
Wie veranschaulicht ist der optimale Biegewinkel β, worin der Geschwindigkeitsvektor
un größer als
der Geschwindigkeitsvektor up ist, kleiner
als 45 Grad. In anderen Worten, wenn die ersten 40 und
zweiten 42 Abschnitte des Heizungswärmetauschers 26 relativ
zu der Ebene 44 um einen Biegewinkel β von mehr als 45 Grad abgewinkelt
wären,
wäre der
Geschwindigkeitsvektor up größer als
der Geschwindigkeitsvektor un, wodurch ein
ineffizienter Heizungswärmetauscher 26 erzeugt
würde.
Mit anderen Worten, wenn der erste Abschnitt 40 des Heizungswärmetauschers 26 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 des Heizungswärmetauschers 26 um
einen eingeschlossenen Winkel α von
weniger als 90 Grad abgewinkelt wäre, wäre der Geschwindigkeitsvektor
up größer als
der Geschwindigkeitsvektor un, wodurch ein
ineffizienter Heizungswärmetauscher 26 erzeugt
würde.
Unter Verwendung des Biegewinkels β ist die bevorzugte Winkelposition
der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte relativ
zu der Ebene 44 kleiner als 45 Grad.
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Der
Biegewinkel des Heizungswärmetauschers 26 beeinflusst
auch direkt die Temperaturanstiegswerte und die Druckabnahmewerte.
Unter Bezugnahme auf 9 sind die Änderung in der Temperatur und
die Änderung
in dem Druck für
verschiedene unterschiedliche Biegewinkel des Heizungswärmetauschers 26 veranschaulicht.
Wie veranschaulicht, ist der optimale Biegewinkel β, worin der Temperaturanstieg
maximiert und die Druckabnahme minimiert ist, 20 Grad. Somit würde sich,
wenn die ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte des
Heizungswärmetauschers 26 relativ
zu der Ebene 44 um einen Biegewinkel β von wesentlich mehr oder weniger
als 20 Grad abgewinkelt wären,
der Temperaturanstieg verringern und die Druckabnahme würde sich
erhöhen,
wodurch ein ineffizienter Heizungswärmetauscher 26 erzeugt
würde.
Mit anderen Worten, wenn der erste Abschnitt 40 des Heizungswärmetauschers 26 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 des Heizungswärmetauschers 26 um
einen eingeschlossenen Winkel α von
wesentlich mehr oder weniger als 140 Grad abgewinkelt wäre, würde der
Temperaturanstieg sich verringern und die Druckabnahme sich erhöhen, wodurch
ein ineffizienter Heizungswärmetauscher 26 erzeugt
würde.
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Wie
einzusehen ist, korrelieren der bevorzugte eingeschlossene Winkel α und der
oben beschriebene Biegewinkel β derart
miteinander, dass die Kombination aus eingeschlossenem Winkel α plus zwei
Mal dem Biegewinkel β 180
Grad ergibt. Zusätzlich
können
die bevorzugten eingeschlossenen Winkel α und Biegewinkel β sich in
Abhängigkeit von
dem Typ, der Konstruktion und dem Aufbau des Heizungswärmetauschers 26 ändern. Ein
Verfahren zum idealen Bestimmen des eingeschlossenen Winkels α und Biegewinkels β für einen
beliebigen Heizungswärmetauscher
ist unten stehend im Detail dargelegt.
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Wie
oben stehend erläutert,
ist der spezielle Winkel des ersten Abschnitts 40 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 wichtig für die Leistung eines beliebigen
Wärmetauschers,
der den Heizungswärmetauscher 26 der
gegenständlichen
Erfindung umfasst. Wenn der relative Winkel zwischen den Abschnitten 40, 42 nicht
optimiert ist, dann wird der Heizungswärmetauscher 26 nicht
mit voller Wirksamkeit arbeiten, d. h., der Temperaturanstieg wird
nicht maximiert und die Druckabnahme wird nicht minimiert.
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Demgemäß umfasst
die gegenständliche
Erfindung ein Verfahren zum Optimieren des Luftstroms über den
Heizungswärmetauscher 26.
Das Verfahren umfasst den Schritt des Berechnens einer Abweichung
zwischen Eintritts- und Austrittstemperaturen der Luft, um einen
Temperaturanstieg über den
Heizungswärmetauscher 26 zu
bestimmen. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Berechnens einer
Abweichung zwischen Eintritts- und Austrittsdrücken der Luft, um eine Druckabnahme über den Heizungswärmetauscher 26 zu
bestimmen. Die Winkelposition des ersten Abschnitts 40 des
Heizungswärmetauschers 26 wird
dann relativ zu dem zweiten Abschnitt 42 des Heizungswärmetauschers 26 eingestellt,
bis der Temperaturanstieg über
dem Heizungswärmetauscher 26 maximiert
ist und die Druckabnahme über
den Heizungswärmetauscher 26 minimiert
ist. Diese Einstellung der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte
bestimmt dadurch die optimalen relativen Positionen der ersten 40 und
zweiten 42 Abschnitte für
den abgewinkelten Heizungswärmetauscher 26.
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Ein
Verfahren zum Berechnen des Temperaturanstiegs über den Heizungswärmetauscher 26 umfasst
das Messen einer Eintrittstemperatur der Luft neben der oberstromigen
Fläche 28 des
Heizungswärmetauschers 26 und
das Messen einer Austrittstemperatur der Luft neben der unterstromigen
Fläche 30 des
Heizungswärmetauschers 26.
Die Austrittstemperatur wird dann von der Eintrittstemperatur subtrahiert,
um den Temperaturanstieg zu bestimmen. Die Messungen der Eintritts-
und Austrittstemperaturen können
mit einer beliebigen geeigneten Vorrichtung wie einem Temperaturfühler durchgeführt werden.
In ähnlicher
Weise umfasst ein Verfahren zum Berechnen der Druckabnahme über den Heizungswärmetauscher 26 das
Messen eines Eintrittsdrucks der Luft neben der oberstromigen Fläche 28 des
Heizungswärmetauschers 26 und
das Messen eines Austrittsdrucks der Luft neben der unterstromigen
Fläche 30 des
Heizungswärmetauschers 26.
Der Eintrittsdruck wird dann von dem Austrittsdrucks abgezogen,
um die Druckabnahme zu bestimmen. Die Messungen der Eintritts- und
Austrittsdrücke
können
auf eine beliebige bekannte Weise durchgeführt werden, wie z. B. durch
Verwendung eines Druckfühlers.
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Vorzugsweise
ist, wie oben beschrieben, der Schritt des Einstellens der Winkelposition
des ersten Abschnitts 40 relativ zu dem zweiten Abschnitt 42 ferner
definiert als Einstellen der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte,
bis der erste Abschnitt 40 relativ zu dem zweiten Abschnitt 42 um
einen eingeschlossenen Winkel α von
mehr als 90 Grad abgewinkelt ist. Bevorzugter ist der Schritt des
Einstellens der Winkelposition des ersten Abschnitts 40 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 ferner definiert als Einstellen der
ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte, bis der erste
Abschnitt 40 relativ zu dem zweiten Abschnitt 42 um
einen eingeschlossenen Winkel α von
140 Grad abgewinkelt ist. Noch weiter bevorzugt ist der Schritt des
Einstellens der Winkelposition des ersten Abschnitts 40 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 ferner definiert als Einstellen
der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte, bis die
unterstromige Fläche 30 des
ersten Abschnitts 40 relativ zu dem unterstromigen Abschnitt
des zweiten Abschnitts 42 um einen eingeschlossenen Winkel α von 140
Grad abgewinkelt ist.
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Der
Schritt des Berechnens des Temperaturanstiegs über den Heizungswärmetauscher
26 kann auch
mit Hilfe der folgenden Formel erfolgen:
wobei ΔT
a der
Temperaturanstieg der Luft über
den Heizungswärmetauscher
(
26) ist,
n&
a der Massenstrom der Luft über den
Heizungswärmetauscher
(
26) ist,
n&
c der Massenstrom der durch den Heizungswärmetauscher
(
26) strömenden
Flüssigkeit
ist,
c
a die spezifische Wärme der
Luft ist,
c
c die spezifische Wärme der
durch den Heizungswärmetauscher
(
26) strömenden
Flüssigkeit
ist und
ΔT
c die Temperaturabnahme der Flüssigkeit
ist.
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Der
Schritt des Berechnens des Temperaturanstiegs über den Heizungswärmetauscher
ist ferner definiert als Subtrahieren einer Einlasstemperatur der
Flüssigkeit
von einer Auslasstemperatur der Flüssigkeit, um die Temperaturabnahme ΔTc zu erhalten. Wie oben stehend erläutert, umfasst
/ umfassen ein oder mehrere der Sammelrohre 31 eine Einlassöffnung 35 und
/ oder eine Auslassöffnung 37,
so dass die Einlass- und Auslasstemperaturen der Flüssigkeit
gemessen werden können.
Die oben stehende Formel zum Berechnen des Temperaturanstiegs eliminiert
die Notwendigkeit eines in dem Lufströmungsweg der Luft angeordneten
Temperaturfühlers.
Der Massenstrom der Luft n&a und der Massenstrom der Flüssigkeit
n&c können einfach
bestimmt werden, und die spezifische Wärme der Luft ca und die
spezifische Wärme
der Flüssigkeit
cc sind bekannte Konstanten. Zusätzlich können die
Temperaturmessungen der Flüssigkeit
an den Einlass- 35 und den Auslass- 37 Öffnungen
einfach bestimmt werden. Somit vereinfacht die oben stehende Formel
für die
Temperatur das Verfahren zum Bestimmen des Temperaturanstiegs über den
Heizungswärmetauscher 26.
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Der
Schritt des Berechnens der Druckabnahme über den Heizungswärmetauscher
26 kann
auch mit Hilfe der folgenden Formel erfolgen:
wobei ΔP
a die
Druckabnahme der Luft über
den Heizungswärmetauscher
26 ist,
f
ein Reibungsbeiwert innerhalb des Heizungswärmetauschers
26 ist,
λ eine Tiefe
oder Dicke des Heizungswärmetauschers
26 ist,
n&
a ein
Massenstrom der Luft über
den Heizungswärmetauscher
26 ist,
β ein Biegewinkel
der ersten
40 und zweiten
42 Abschnitte relativ
zu einer Ebene
44 ist, wobei die Ebene
44 im Wesentlichen
senkrecht zu einem Luftstrom in Richtung des Heizungswärmetauschers
26 steht,
p
a eine Dichte der Luft ist,
g
c die Proportionalitätskonstante in dem Zweiten Newton'schen Bewegungsgesetz
ist,
d
h ein hydraulischer Durchmesser
der Strömungskanäle durch
den Heizungswärmetauscher
ist, und
A eine Fläche
der oberstromigen Fläche
des Heizungswärmetauschers
ist.
-
Die
oben stehende Formel zum Berechnen der Druckabnahme eliminiert die
Notwendigkeit eines in dem Lufströmungsweg der Luft angeordneten Druckfühlers. Die
Werte für
den Reibungsbeiwert f, die Tiefe oder Dicke λ des Heizungswärmetauschers 26,
den Massenstrom der Luft n&a, die Dichte der Luft pa,
den hydraulischen Durchmesser der Strömungskanäle dh und
die Fläche
A der oberstromigen Fläche 28 sind
alle bekannt. Der Reibungsbeiwert oder Reibungsfaktor f ist abhängig von
der luftseitigen Rippenanordnung in dem Heizungswärmetauscher 26. Somit
wird jeder Reibungsfaktor f für
jeden der in den 3A – 4B gezeigten
Heizungswärmetauscher 26 unterschiedlich
sein. Der Restwert ist die Bestimmung des Biegewinkels β. Wie oben
stehend erläutert
ist der Schritt des Einstellens der Winkelposition des ersten Abschnitts 40 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 ferner definiert als Einstellen
der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte, bis der
Biegewinkel β kleiner
als 45 Grad ist. Noch weiter bevorzugt ist der Schritt
des Einstellens der Winkelposition des ersten Abschnitts 40 relativ
zu dem zweiten Abschnitt 42 ferner definiert als Einstellen
der ersten 40 und zweiten 42 Abschnitte, bis der
Biegewinkel β 20
Grad ist. Jeder der Werte für
die oben stehend dargelegte Formel für den Druck ist schnell bestimmt,
so dass diese Formel das Verfahren zum Bestimmen der Druckabnahme über den
Heizungswärmetauscher 26 vereinfacht.
-
Es
ist offensichtlich, dass im Licht der oben stehenden Lehre viele
Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Die Erfindung kann auf andere Weise als im Schutzumfang der beigefügten spezifisch
beschrieben Ansprüche angewendet
werden, wobei die Bezugsziffern in den Ansprüchen lediglich der Einfachheit
dienen und in keiner Weise einschränkend zu verstehen sind.
