EP0547363B2 - Metallisches Wärmeaustauscherrohr zur Kühlung von zähen Medien - Google Patents

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 Öl-/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 Öl. 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 A_a des Rohres zur inneren Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres beträgt: $${\text{A}}_{\text{a}}{\text{/A}}_{\text{i}}\text{> 5,0;}$$
  
• b.) für den lichten innendurchmesser des Rohres gilt die Beziehung: $${\text{d}}_{\text{i}}\text{≤}\frac{\text{150 .}\dot{\text{V}}}{\text{ν}}\text{,}$$
  
  mit Innendurchmesser d_i (mm), Volumenstrom V̇ des Fluids (m³/h), kinematische Viskosität ν (mm²/s). (Die Größen A_a und A_i sind jeweils auf 1m Rohrlänge bezogen).
• Es hat sich gezeigt, daß ein sprunghafter Anstieg der Wärmeabfuhr und damit die Aktivierung der inneren Rippenfläche eintritt, wenn der Rohrinnendurchmesser d_i an die zu begrenzende Fluidtemperatur und an den vorliegenden Fluidvolumenstrom angepaßt wird. Das erfindungsgemäße Verhältnis A_a/A_i 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 A_a zur inneren Wärmeübertragungsfläche A_i 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 d_i der Rippenrohre gegeben werden.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis A_a/A_i ≤ 8.
• Für einen üblichen Fluidvolumenstrom V̇ von etwa 0,4 m³/h gilt die Beziehung $${\text{d}}_{\text{i}}\text{≦}\frac{\text{60}}{\text{ν}}\text{.}$$

  
• Hinsichtlich der Ausbildung der inneren Rippenfläche empfiehlt es sich, wenn das Verhältnis der inneren (berippten) Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres zur inneren glatten Wärmeübertragungsfläche A_{i, glatt} des Rohres beträgt: $${\text{A}}_{\text{i}}{\text{/A}}_{\text{i, glatt}}\text{= 1,4-2,5;}$$

  

  dabei beträgt der Drallwinkel der inneren Rippen vorzugsweise $$\text{α = 15 - 30°,}$$

  

  insbesondere $$\text{α = 18 - 25°.}$$

  

  (A_i und A_{i, glatt} sind wiederum auf 1 m Rohrlänge bezogen).
• Zur Erzielung optimaler Wärmeübertragungskoeffizienten beträgt die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der inneren Wärmeübertragungsfläche A_i zur inneren (freien) Querschnittsfläche A_{i, quer} vorzugsweise $\sqrt{{\text{A}}_{\text{i}}{\text{/A}}_{\text{i, quer}}}$

  

  = 24 - 34, insbes. 26-32.
• 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. 1a / 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 α bezeichnet. Weiterhin sind eingetragen:

A_a:

äußere Wärmeübertragungsfläche des Rohres 1,

A_i :

innere (berippte) Wärmeübertragungsfläche des Rohres 1,

A_{i, quer} :

innere (freie) Querschnittsfläche des Rohres 1 und

d_i :

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:

  
• Der Volumenstrom V̇ 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 (8)

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 A_a des Rohres (1) zur inneren Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres (1) beträgt: $${\text{A}}_{\text{a}}{\text{/A}}_{\text{i}}\text{> 5,0;}$$

   

   b.) für den lichten Innendurchmesser d_i des Rohres (1) gilt die Beziehung: $${\text{d}}_{\text{i}}\text{≤}\frac{\text{150 .}\dot{\text{V}}}{\text{ν}}\text{,}$$

   

   mit Innendurchmesser d_i (mm), Volumenstrom V̇ des Fluids (4) (m³/h), kinematische Viskosität ν-(mm²/s).
2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
   daß das Verhältnis A_a/A_i ≤ 8 beträgt.
3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet.
   daß für den lichten Innendurchmesser d_i des Rohres (1) die Beziehung gilt: $${\text{d}}_{\text{i}}\text{≦}\frac{\text{60}}{\text{ν}}\text{.}$$

   
4. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der inneren (berippten) Wärmeübertragungsfläche A_i des Rohres (1) zur inneren glatten Wärmeübertragungsfläche A_{i, glatt} des Rohres (1) beträgt: $${\text{A}}_{\text{i}}{\text{/A}}_{\text{i, glatt}}\text{= 1,4 - 2,5.}$$

   
5. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
   daß der Drallwinkel der inneren Rippen (3) $$\text{α = 15 - 30° beträgt.}$$

   
6. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet,
   daß der Drallwinkel α = 18 - 25° beträgt.
7. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadratwurzel aus dem Verhältnis der inneren Wärmeübertragsfläche A_i zur inneren (freien) Querschnittsfläche A_{i, quer} beträgt: $$\sqrt{{\text{A}}_{\text{i}}{\text{/A}}_{\text{i, quer}}}\text{= 24 - 34.}$$

   
8. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß $$\sqrt{{\text{A}}_{\text{i}}{\text{/A}}_{\text{i, quer}}}\text{= 26 -32.}$$

   

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