EP0547363B1 - Metallisches Wärmeaustauscherrohr zur Kühlung von zähen Medien - Google Patents

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EP0547363B1
EP0547363B1 EP92119096A EP92119096A EP0547363B1 EP 0547363 B1 EP0547363 B1 EP 0547363B1 EP 92119096 A EP92119096 A EP 92119096A EP 92119096 A EP92119096 A EP 92119096A EP 0547363 B1 EP0547363 B1 EP 0547363B1
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EP
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heat exchanger
exchanger tube
heat transfer
transfer surface
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Axel Dipl.-Ing. Kriegsmann (Fh)
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Wieland Werke AG
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Wieland Werke AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
    • F28F1/422—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element with outside means integral with the tubular element and inside means integral with the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element

Definitions

  • the invention relates to a metallic heat exchanger tube according to the preamble of claim 1.
  • the amount of oil required for the steering function is conveyed via an oil pump, which maintains an almost constant delivery rate in the oil circuit regardless of the engine speed.
  • the oil is heated.
  • the highest oil heating occurs in trailer operation when driving uphill.
  • Heat exchanger tubes are used to cool the heated oil, and air is applied to them from the outside.
  • this heat exchanger tube is a heat exchanger tube made of metal, which has integral ribs encircling the inside and outside on the inside and outside.
  • this heat exchanger tube has a heat dissipation proportional to the temperature difference of the oil / air temperature.
  • the oil temperature will continue to rise despite the heat exchanger tube.
  • a critical point is reached when the oil temperature is equal to or higher than the resistance temperature of the sealing materials used. The result is oil loss due to leaks and thus reduced functionality or failure of the power steering, not to mention the environmental impact of escaping oil.
  • An extension of the heat exchanger tube is usually impossible due to the limited space in the engine compartment of the vehicle and increases the cost of the heat exchanger.
  • the invention is therefore based on the object of designing a heat exchanger tube of the type mentioned in such a way that the heat dissipation increases disproportionately as the oil temperature rises, in order to avoid high oil temperatures and at the same time to enable high heat output in a compact size.
  • a metal heat exchanger tube is known from EP-A-114,640, in which the ratio of the outer heat transfer area A a to the inner heat transfer area A i is in the range from about 1.5 to 5.0; however, EP-A is directed to a dry expansion evaporator for which no information is given on the importance of the inside diameter d i of the finned tubes.
  • the ratio A a / A i 5-8.
  • the twist angle of the inner ribs is preferably especially (A i and A i , smooth are again related to 1 m pipe length).
  • the square root of the ratio of the inner heat transfer area A i to the inner (free) cross-sectional area A i is transverse, preferably
  • the viscous fluid 4 to be cooled flows inside the tube, air 5 outside.
  • FIG. 2 measurements were carried out on a heat exchanger tube 1 according to the invention (oil cooler A) and comparative measurements were carried out on a heat exchanger tube according to the prior art (oil cooler B).
  • the volume flow V of the fluid (oil) in the tubes was approx. 0.4 m 3 / h in each case.
  • the external air speed was constant at 5 m / s (which corresponds to a driving speed of 18 km / h). 2 clearly shows the sudden increase in performance in the oil cooler A according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In Fahrzeugen mit Servolenksystemen wird die für die Lenkfunktion notwendige Ölmenge über eine Ölpumpe gefördert, die unabhängig von der Motordrehzahl eine nahezu konstante Fördermenge im Ölkreislauf aufrecht erhält.
  • Je nach Motorbelastung und Lenkbetätigung wird das Öl erwärmt. Die höchste Ölerwärmung tritt im Anhängerbetrieb bei einer Bergfahrt auf. Zur Abkühlung des erwärmten Öles werden Wärmeaustauscherrohre verwendet, die von außen mit Luft beaufschlagt werden.
  • Bei einer bekannten Ausführung handelt es sich um ein Wärmeaustauscherrohr aus Metall, das auf der Innen- und Außenseite schraubenlinienförmig umlaufende, integrale Rippen besitzt. Dieses Wärmeaustauscherrohr hat bei zunehmender Öltemperatur und konstanter Luftgeschwindigkeit eine zur Temperaturdifferenz der ÖI-/Lufttemperatur proportionale Wärmeabfuhr. Bei extremer Lenkungsbeanspruchung wird die Öltemperatur trotz Wärmeaustauscherrohr weiter ansteigen. Ein kritischer Punkt wird dann erreicht, wenn die Öltemperatur gleich oder höher ist als die Beständigkeitstemperatur der verwendeten Dichtmaterialien. Die Folge ist Ölverlust durch undichte Stellen und damit Funktionsminderung oder Ausfall der Servolenkung, ganz abgesehen von der Umweltbelastung durch austretendes ÖI. Eine Verlängerung des Wärmeaustauscherrohres ist aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Motorraum des Fahrzeuges meist ausgeschlossen und verteuert den Wärmeaustauscher.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauscherrohr der genannten Art so zu gestalten, daß die Wärmeabfuhr bei steigender Öltemperatur überproportional zunimmt, um hohe Öltemperaturen zu vermeiden und gleichzeitig eine hohe Wärmeleistung in einer kompakten Baugröße zu ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmeaustauscherrohr mit den beiden kennzeichneten Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst:
    • a.) das Verhältnis der äußeren Wärmeübertragsfläche Aa des Rohres zur inneren Wärmeübertragungsfläche Ai des Rohres beträgt:
      Figure imgb0001
    • b.) für den lichten Innendurchmesser des Rohres gilt die Beziehung:
      Figure imgb0002
      mit Innendurchmesser di (mm), Volumenstrom V des Fluids (M 3/h), kinematische Viskosität v (mm2/s). (Die Größen Aa und Ai sind jeweils auf 1 m Rohrlänge bezogen).
  • Es hat sich gezeigt, daß ein sprunghafter Anstieg der Wärmeabfuhr und damit die Aktivierung der inneren Rippenfläche eintritt, wenn der Rohrinnendurchmesser di an die zu begrenzende Fluidtemperatur und an den vorliegenden Fluidvolumenstrom angepaßt wird. Das erfindungsgemäße Verhältnis Aa/Ai sorgt für die erforderliche Wärmeabfuhr nach außen. Zudem läßt sich durch diese überproportionale Leistungszunahme der Wärmeaustauscher kompakt und damit platzsparend bauen.
  • Aus der EP-A-114.640 ist zwar ein metallisches Wärmeaustauscherrohr bekannt, bei dem das Verhältnis der äußeren Wärmeübertragungsfläche Aa zur inneren Wärmeübertragungsfläche Ai im Bereich von etwa 1,5 bis 5,0 liegt; die EP-A ist allerdings auf einen Trockenexpansionsverdampfer gerichtet, für den keine Hinweise über die Bedeutung des lichten Innendurchmessers di der Rippenrohre gegeben werden.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis Aa/Ai = 5-8.
  • Für einen üblichen Fluidvolumenstrom V von etwa 0,4 m3/h gilt die Beziehung
  • Figure imgb0003
  • Hinsichtlich der Ausbildung der inneren Rippenfläche empfiehlt es sich, wenn das Verhältnis der inneren (berippten) Wärmeübertragungsfläche Ai des Rohres zur inneren glatten Wärmeübertragungsfläche Ai, glatt des Rohres beträgt:
    Figure imgb0004
    dabei beträgt der Drallwinkel der inneren Rippen vorzugsweise
    Figure imgb0005
    insbesondere
    Figure imgb0006
    (Ai und Ai, glatt sind wiederum auf 1 m Rohrlänge bezogen).
  • Zur Erzielung optimaler Wärmeübertragungskoeffizienten beträgt die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der inneren Wärmeübertragungsfläche Ai zur inneren (freien) Querschnittsfläche Ai, quer vorzugsweise
    Figure imgb0007
  • Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
    • Fig.1 a ein Wärmeaustauscherrohr im Teillängsschnitt,
    • Fig.1 b einen Querschnitt eines Wärmeaustauscherrohres und
    • Fig.2 den sprunghaften Leistungsanstieg eines erfindungsgemäßen Ölkühlers im Vergleich zu einem Ölkühler nach dem Stand der Technik.
  • Das metallische Wärmeaustauscherrohr 1 nach Fig. 1 / 1b ist auf der Außen- und Innenseite mit integralen Rippen 2 bzw. 3 versehen, die schraubenlinienförmig umlaufen. Der -auf die Rohrlängsachse bezogene- Drallwinkel der Innenrippen 3 ist mit a bezeichnet. Weiterhin sind eingetragen:
    • Aa: äußere Wärmeübertragungsfläche des Rohres 1,
    • Ai : innere (berippte) Wärmeübertragungsfläche des Rohres 1,
    • Ai, quer innere (freie) Querschnittsfläche des Rohres 1 und
    • di : lichter Rohrinnendurchmesser des Rohres 1.
  • Das zu kühlende, zähe Fluid 4 strömt im Rohrinneren, Luft 5 außen.
  • Die Vorteile der Erfindung werden anhand der Fig.2 erläutert: Es wurden Messungen an einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohr 1 (Ölkühler A) und Vergleichsmessungen an einem Wärmeausstauscherrohr nach dem Stand der Technik (Ölkühler B) durchgeführt.
  • In der folgenden Tabelle sind die Geometriedaten der untersuchten Rohre (Ölkühler A und B) aufgeführt:
    Figure imgb0008
  • Der Volumenstrom V des Fluids (Öl) in den Rohren betrug jeweils ca. 0,4 m3/h. Die äußere Luftgeschwindigkeit war bei den Untersuchungen konstant 5 m/s ( was einer Fahrgeschwindigkeit von 18 km/h entspricht). Fig.2 zeigt deutlich den sprunghaften Leistungsanstieg beim erfindungsgemäßen Ölkühler A.

Claims (10)

1. Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) mit auf der Außen- und Innenseite schraubenlinienförmig umlaufenden, integralen Rippen (2 bzw. 3) zur Kühlung von zähen Fluiden (4), insbesondere von Öl in Servokreisläufen von Fahrzeugen, wobei das zu kühlende Fluid (4) durch das Rohr (1) strömt und dessen Außenseite von Luft (5) gekühlt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a.) das Verhältnis der äußeren Wärmeübertragungsfläche Aa des Rohres (1) zur inneren Wärmeübertragungsfläche Ai des Rohres (1) beträgt:
Figure imgb0009
b.) für den lichten Innendurchmesser di des Rohres (1) gilt die Beziehung:
Figure imgb0010
mit Innendurchmesser di (mm), Volumenstrom V des Fluids (4) (m3/h), kinematische Viskosität v - (mm2/s).
2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Aa/Ai = 5-8 beträgt.
3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den lichten Innendurchmesser di des Rohres (1) die Beziehung gilt:
Figure imgb0011
4. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der inneren (berippten) Wärmeübertragungsfläche Ai des Rohres (1) zur inneren glatten Wärmeübertragungsfläche Ai, glatt des Rohres (1) beträgt:
Figure imgb0012
5. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drallwinkel der inneren Rippen (3)
Figure imgb0013
6. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
Figure imgb0014
7. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der inneren Wärmeübertragsfläche Ai zur inneren (freien) Querschnittsfläche Ai, quer beträgt:
Figure imgb0015
8. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
Figure imgb0016
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