EP1114976A2 - Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem Rippenelement - Google Patents

Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem Rippenelement Download PDF

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EP1114976A2
EP1114976A2 EP20000811044 EP00811044A EP1114976A2 EP 1114976 A2 EP1114976 A2 EP 1114976A2 EP 20000811044 EP20000811044 EP 20000811044 EP 00811044 A EP00811044 A EP 00811044A EP 1114976 A2 EP1114976 A2 EP 1114976A2
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EP
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rib
flow channel
flow
cooling
rib element
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Bernhard Dr. Bonhoff
Sacha Dr. Parneix
Bernhard Prof. Dr. Weigand
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General Electric Technology GmbH
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Alstom Power Schweiz AG
Alstom SA
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside 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
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
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    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/03045—Convection cooled combustion chamber walls provided with turbolators or means for creating turbulences to increase cooling
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    • Y10T137/2087—Means to cause rotational flow of fluid [e.g., vortex generator]
    • Y10T137/2093—Plural vortex generators

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a flow channel surrounding flow channel wall with at least one, in a through the Flow medium passing through flow channel inducing flow eddies Rib element on the side of the flow channel wall facing the flow channel is appropriate and its shape and size under one certain heat transfer coefficients and a certain one by which Overflow of the rib element with the flow medium in this connected Pressure loss are selected.
  • the turbine blades, as well as the combustion chamber walls combined with cooling channels through which in the Relative to the temperatures of the hot gases, relatively cold air is fed in is branched off, for example, from the air compressor stage for cooling purposes.
  • the cooling air flow flowing through the cooling channels cools the cooling channel walls and is warmed up by them.
  • precautions have been taken by which the thermal coupling between Coolant and cooling channel wall can be optimized. So it is known that targeted by providing ribs on the inner wall of the cooling channel turbulent flow components within that passing through the cooling channel Coolant flow can be generated, the flow components perpendicular have on the cooling channel wall.
  • the proportion of the coolant mass flow which comes into direct thermal contact with the cooling channel walls, be significantly increased, which also significantly improves the cooling effect becomes.
  • straight ribs that are arranged obliquely to the main flow direction as is found has relatively stable and pronounced secondary flow vortices, which lead to increased mixing of the boundary layer near the cooling channel wall, through the increasingly cold cooling air can reach the hot cooling channel walls.
  • the invention has for its object a device for cooling a Flow channel wall surrounding the flow channel with at least one, in one fluid flowing through the flow channel inducing rib element, that on the, facing the flow channel Side of the flow channel wall is attached and its shape and size below Given a certain heat transfer coefficient and a certain by the flow medium flowing over the rib element in it associated pressure loss are chosen to develop such that the cooling effect of the flow medium passing through the flow channel is further increased should be done without, by optimizing shape and size of the fin element existing heat transfer coefficient between the cooling channel wall and flow medium and without increasing the connected by the overflow of the rib element with the flow medium Suffering from pressure loss. Measures to increase the cooling effect are said to also with regard to their manufacture with little effort and low manufacturing costs be connected.
  • a device according to the preamble of claim 1 is such trained that the rib element while largely maintaining its original shape and / or size its facing the flow channel Has surface enlarging contours.
  • the idea according to the invention is based on the optimization of the outer rib contour with the aim of increasing the heat transfer surface between the rib and flow medium, however the heat transfer coefficient defined by the spatial shape the rib and the pressure loss caused by the rib shape should remain essentially unaffected in the flow medium.
  • FIG. 1 A side of a cooling duct wall 1 is shown in cross section in FIG. on the flow channel inner wall two rib elements 2, 3 are provided are, which each have a rectangular cross section.
  • a cooling channel delimited by four side walls, two of which are opposite Side walls are provided with rib elements, each in the direction of flow are arranged one after the other in multiple succession.
  • Figure 1a is only in Longitudinal section of a half of a cooling channel 4 shown, the rib elements provided cooling channel walls are spaced from each other by the width H (shown is only the cooling channel up to H / 2).
  • H shown is only the cooling channel up to H / 2
  • the fin height e is approximately 10% of the cooling channel height H, which at the same time also corresponds to the hydraulic diameter of the cooling channel.
  • the ratio of the distance p between two rib elements 2, 3 arranged directly adjacent in the longitudinal direction of the cooling channel and the rib height e is approximately 10.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a rib element, which has a rectangular cross section and three grooves 6 for the purpose of enlarging the surface having. In addition, the edges are rounded.
  • FIGS. 3a-d other cross-sectional shapes can also be used can be used for the rib elements, with surface enlarging Measures are not based solely on indentations in the rib elements are limited.
  • FIG. 3a shows a conventional rectangular rib, which extends over its entire length has a constant cross-section.
  • the rectangular rib shown in Figure 3b has a along its extent increasing rectangular cross-section.
  • its cross-sectional shape is semicircular and a continuous in the longitudinal direction of the ribs has increasing semicircle diameter.
  • for a surface enlargement changes all geometry parameters of the rib element like rib height, rib width, distance between two adjacent ribs in relation to their height as well as the inclination of the rib axis.
  • FIGS. 4a-d there are combinations of grooves or grooves and specific changes in cross-section shown along the longitudinal axis of the ribs.
  • Figure 4a shows one Rectangular rib with a constant rib cross-section and one worked into it Groove.
  • Figure 4b shows a rib element with a rectangular groove and with in the longitudinal direction of the ribs increasing rectangular cross-section and one semicircular incorporated recess.
  • FIG. 4c shows a triangular cross-sectional shape Ribs on both side flanks of straight recesses are provided.
  • FIG. 4d has an original semicircular design Cross section on, in which a parabolic recess is incorporated.
  • Three-dimensional depressions can also be worked into the rib elements are, as is apparent from Figures 5a - 5c.
  • Figure 5a is a rectangular rib with a rectangular shape Wells shown.
  • Figure 5b shows a semicircular in cross section trained rib with cylindrical recesses.
  • Figure 5c instructs on its surface three-dimensional cubic body, through which a special large surface area enlargement is possible.

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Abstract

Vorrichtung zur Kühlung einer einen Strömungskanal (4) umgebenden Strömungskanalwand (1) mit wenigstens einem, in ein, durch den Strömungskanal (4) hindurchtretendes Strömungsmedium, Strömungswirbel induzierenden Rippenelement (2,3), das an der, dem Strömungskanal (4) zugewandten Seite der Strömungskanalwand (4) angebracht ist und dessen Form und Größe unter Massgaben eines bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten sowie eines bestimmten, durch das Überströmen des Rippenelementes (2,3) mit dem Strömungsmedium in diesem verbundenen Druckverlust gewählt sind, wobei das Rippenelement (2,3) unter weitgehendem Beibehalten seiner ursprünglichen Form und/oder Größe, seine, dem Strömungskanal (4) zugewandte Oberfläche vergrössernde Konturen aufweist. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenelement, das an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strömungskanalwand angebracht ist und dessen Form und Größe unter Massgaben eines bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten sowie eines bestimmten, durch das Überströmen des Rippenelementes mit dem Strömungsmedium in diesem verbundenen Druckverlust gewählt sind.
Stand der Technik
Auf dem Gebiet der Gasturbinentechnik werden große Anstrengungen unternommen den Wirkungsgrad derartiger Anlagen zu steigern. Es ist bekannt, dass eine Temperaturerhöhung in den, durch die Verbrennung eines Luft-/Brennstoffgemisches innerhalb der Brennkammer entstehenden Heißgasen zugleich mit einer Steigerung des Gasturbinenwirkungsgrad verbunden ist. Eine Erhöhung der Prozesstemperatur setzt allerdings voraus, dass all jene Anlagenkomponenten, die in unmittelbarem thermischen Kontakt mit den Heißgasen treten, eine hohe Hitzeresistenz besitzen. Die Hitzeresistenz ist jedoch auch selbst bei speziell hitzebeständigen Materialien auf der Temperaturskala nach oben hin begrenzt, so dass bei Überschreiten bestimmter materialspezifischer Grenztemperaturen eine Materialaufschmelzung unvermeidbar ist. Um derartige Aufschmelzvorgänge zu vermeiden und andererseits dennoch hohe Prozesstemperaturen innerhalb des Gasturbinensystems zu gewährleisten, sind Kühlungssysteme bekannt, die jene Anlagenkomponenten gezielt kühlen, die den Heißgasen unmittelbar ausgesetzt sind. So sind beispielsweise die Turbinenschaufeln, ebenso wie die Brennkammerwände mit Kühlkanälen kombiniert, durch die im Verhältnis zu den Temperaturen der Heissgase relativ kalte Luft eingespeist wird, die beispielsweise aus der Luftverdichterstufe zu Kühlzwecken abgezweigt wird. Der durch die Kühlkanäle hindurchströmende Kühlluftstrom kühlt die Kühlkanalwände und wird selbst durch diese aufgewärmt. Um den Kühleffekt und den damit verbundenen Wärmeübergang von den Kühlkanalwänden zum Kühlmedium Luft zu verbessern, sind Vorkehrungen getroffen worden, durch die die thermische Kopplung zwischen Kühlmedium und Külkanalwand optimiert werden kann. So ist es bekannt, dass durch Vorsehen von Rippenzügen an der Innenwand des Kühlkanals gezielte turbulente Strömungsanteile innerhalb des durch den Kühlkanal hindurchtretenden Kühlmittelstromes erzeugt werden können, die Strömungskomponenten senkrecht auf die Kühlkanalwand aufweisen. Hierdurch wird der Anteil des Kühlmittelmassenstromes, der mit dem Kühlkanalwänden in unmittelbaren thermischen Kontakt tritt, entscheidend erhöht werden, wodurch auch die Kühlwirkung erheblich verbessert wird. So bildet sich durch Vorsehen entsprechender Rippenzüge entlang der Kühlkanalwand neben der, durch den Kühlkanal hindurch strömenden Hauptströmung eine sogenannte Sekundärströmung aus, deren Strömungsanteile, wie vorstehend angedeutet, weitgehend senkrecht auf und von der Kühlkanalwand gerichtete Strömungsrichtungen aufweist. Insbesondere bei geradlinig ausgeformten Rippenzüge, die schräg zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, bilden sich, wie man gefunden hat, verhältnismäßig stabile und stark ausgeprägte Sekundärströmungswirbel aus, die zu einer erhöhten Durchmischung der Kühlkanalwand nahen Grenzschicht führen, durch die vermehrt kalte Kühlluft an die heißen Kühlkanalwände gelangen kann.
Umfangreiche Studien sind im Zusammenhang mit den Rippenzügen innerhalb von Kühlkanälen und den damit verbundenen Einfluss auf den sich zwischen der Kühlwand und dem durch den Kühlkanal hindurchströmenden Kühlmedium einstellenden Wärmeübergangskoeffiezient durchgeführt worden. Insbesondere bezogen sich die Studien auf die Einflussnahme diverser, die Rippenzüge charakterisierende Parameter auf den Wärmeübergangskoeffizient sowie auch auf den, mit dem Überströmen eines Rippenzuges verbundenen Druckverlust, wie beispielsweise Rippenhöhe, Neigung der Rippenflanken oder Winkelausrichtung der geradlinig ausgebildeten Rippen relativ zur Hauptströmungsrichtung, Reynolds- oder Prandlzahl, das Aspektverhältnis des Kühlkanalquerschnittes oder die sich innerhalb der Strömung der Kühlluft ausbildenden Rotationswirbel, um nur einige Parameter zu nennen. Die meisten Optimierungsanstrengungen hinsichtlich Design und Anordnung der Rippenzügen innerhalb von Kühlkanälen beschränkten sich auf die Optimierung des Rippenquerschnittes.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenelements, das an der, dem Strömungskanal zugewandten Seiten der Strömungskanalwand angebracht ist und dessen Form und Größe unter Maßgabe eines bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten sowie eines bestimmten, durch das Überströmen des Rippenelementes mit dem Strömungsmedium in diesem verbundenen Druckverlust gewählt sind, derart weiter zu bilden, dass die Kühlwirkung des den Strömungskanal passierenden Strömungsmedium weiter gesteigert werden soll ohne dabei den, im Wege von Optimierungen durch Form und Größe des Rippenelementes bestehenden Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Kühlkanalwand und Strömungsmedium zu beeinflussen sowie ohne eine Erhöhung des durch das Überströmen des Rippenelementes mit dem Strömungsmedium verbundenen Druckverlust zu erleiden. Die Kühlwirkung erhöhenden Maßnahmen sollen auch im Hinblick ihrer Herstellung mit geringem Aufwand sowie geringen Herstellungskosten verbunden sein.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildenden Merkmale sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung nebst Figuren zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart ausgebildet, dass das Rippenelement unter weitgehendem Beibehalten seiner ursprünglichen Form und/oder Größe seine, dem Strömungskanal zugewandte Oberfläche vergrößernde Konturen aufweist.
So basiert die erfindungsgemäße Idee auf der Optimierung der äußeren Rippenkontur mit dem Ziel der Erhöhung der wärmeübertragenden Oberfläche zwischen Rippe und Strömungsmedium, gleichwohl der durch die Raumform definierte Wärmeübergangskoeffiezient der Rippe sowie der durch die Rippenform verursachte Druckverlust im Strömungsmedium im Wesentlichen unbeeinflusst bleiben soll.
So ist erkannt worden, dass durch die Oberfläche des Rippenelementes vergrößernde Maßnahmen, die weitgehend keinen Einfluss auf den Wärmeübergangskoeffizienten sowie den durch das Rippenelement verursachten Druckverlust haben, einen direkten und entscheidenden Einfluss auf eine deutliche Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen der Kühlkanalwand und dem, durch den Kühlkanal hindurchtretenden Kühlmittelstrom. Insbesondere gilt es die Erzeugung von Sekundärwirbeln, bedingt durch die sich dem Kühlmittelstrom zumindest in seinen Randbereichen entgegenstehenden Rippenelementen weitgehend unbeeinflusst zu lassen, so dass die Oberflächen vergrößernden Maßnahmen lediglich durch eine leichte Modifikation an der Rippenoberflächen hervorgerufen werden kann.
Mögliche Oberflächen vergrößernde Maßnahmen sollen unter Bezugnahme auf die nachstehenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, die jedoch nicht den, der Erfindung zugrunde liegenden allgemeinen Gedanken einschränken sollen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:
Fig. 1a, b
schematisierte Querschnittsdarstellungen zur Gegenüberstellung an sich bekannter Rechtecksrippen sowie erfindungsgemäße ausgebildeter Rechtecksrippen,
Fig. 2
schematisierte Querschnittdarstellung durch Rechtecksrippe mit Mehrfachrillen,
Fig. 3a - d
schematisierte Darstellungen verschiedener Rippengeometrien mit weitgehend gleichbleibender Querschnittsgeometrie entlang der Rippenlängsachse,
Fig. 4a - d
Rippengeometrien mit nutförmigen Ausnehmungen,
Fig. 5a - c
perspektivische Darstellung verschiedener Rippengeometrien mit dreidimensionalen Ausnehmungen sowie
Fig. 6
Rippenform mit angerauhter Oberfläche.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1a ist in Querschnittsdarstellung eine Seite einer Kühlkanalwand 1 dargestellt, an deren Strömungskanalinnenwand zwei Rippenelemente 2, 3 vorgesehen sind, die jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Typischerweise ist ein Kühlkanal durch vier Seitenwände begrenzt, von denen zwei gegenüberliegende Seitenwände mit Rippenelementen versehen sind, die jeweils in Strömungsrichtung in mehrfacher Abfolge hintereinander angeordnet sind. In Figur 1a ist lediglich im Längsschnitt eine Hälfte eines Kühlkanals 4 dargestellt, deren mit Rippenelementen versehene Kühlkanalwänden durch die Weite H voneinander beabstandet sind (dargestellt ist lediglich der Kühlkanal bis H/2). Aus strömungstechnischen Gründen und insbesondere für eine gezielte Ausbildung von sogenannten Sekundärwirbeln, schließt die Rippenlängsachse jedes einzelnen Rippenelementes mit der Hauptströmungsrichtung der, durch den Strömungskanal hindurchtretenden Kühlluft einen Winkel von etwa 45° ein.
Basierend auf Optimierungsberechnungen hinsichtlich eines gewünschten Wärmeübergangskoeffizienten sowie eines möglichst minimalen Druckverlustes, der sich bei Überströmen des Strömungsmediums über jedes einzelne Rippenelement ergibt, gelten für im Querschnitt rechteckförmig ausgebildete Rippenelemente folgende Dimensionierungsbedingungen: Die Rippenhöhe e beträgt in etwa 10% von der Kühlkanalhöhe H, die zugleich auch dem hydraulischen Durchmesser des Kühlkanals entspricht. Das Verhältnis aus dem Abstand p zweier unmittelbar in Kühlkanallängsrichtung benachbart angeordneter Rippenelemente 2, 3 und der Rippenhöhe e beträgt in etwa 10. Ausgehend von den vorstehend beschriebenen Dimensionierungen für die, im Kühlkanal angeordneten Rippenelemente sieht der erfindungsgemäße Gedanke vor, die Oberfläche jedes einzelnen Rippenelementes beispielsweise durch die in Figur 1b dargestellte Maßnahme, nämlich durch Einbringen einer Längsnut in jedes einzelne Rippenelement, gezielt zu vergrößern, wobei die strömungsdynamischen Eigenschaften jedes einzelnen Rippenelementes weitestgehend unverändert bleiben. Durch das Einbringen einer Rechtecksnut 5 innerhalb des Rippenelementes 2, 3 wird die Oberfläche des Rippenelementes deutlich vergrößert. Unter der Annahme, dass für die in Figur 1 b eingezeichneten Abstandsgrößen folgende Beziehungen gelten,
a = c = w/4
b = w/2
d = e/2 können folgende Feststellungen gemacht werden:
Der Oberflächenanteil, der durch-die Rippenelementoberflächen gebildet wird, im Verhältnis zur gesamten Wärmeübertragungsoberfläche innerhalb eines Kühlkanals beträgt, im Falle der Ausbildung eines Rippenelementes gemäß Figur 1a, 25%. Sind die Rippenelemente mit einer Nut gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1b versehen, so liegt ihr Oberflächenanteil gemessen an der gesamten Wärmeübertragungsoberfläche innerhalb eines Kühlkanals in der Größenordnung von 33%. Dies führt verglichen zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a zu einem Anstieg der gesamten Wärmeübergangsoberfläche innerhalb eines Kühlkanals um 8,3%. Unter der Annahme, dass die Oberfläche innerhalb der Nut in gleicher Weise zum Wärmeaustausch beiträgt, wie die übrige Oberfläche des Rippenelementes, beträgt die zu erwartende Zunahme des Wärmeübergangs durch die erfindungsgemäße Maßnahme 8,3%, also ebensoviel, um die die Wärmeübergangsoberfläche im Gesamtsystem zugenommen hat.
In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform eines Rippenelementes dargestellt, das über einen rechteckigen Querschnitt verfügt und drei Rillen 6 zu Zwecken der Oberflächenvergrößerung aufweist. Überdies sind die Kanten abgerundet.
Wie aus den Figuren 3a - d zu entnehmen ist, können auch andere Querschnittsformen für die Rippenelemente verwendet werden, wobei Oberflächen vergrößernde Maßnahmen nicht allein auf das Einbringen von Vertiefungen in die Rippenelemente beschränkt sind.
In Figur 3a ist eine konventionelle rechteckförmige Rippe dargestellt, die über ihre gesamte Länge einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist. Im Unterschied dazu weist die in Figur 3b dargestellte rechteckförmige Rippe einen längs ihrer Erstrekkung sich vergrößernden Rechtecksquerschnitt auf. Das gleiche gilt für die in Figur 3c dargestellte Dreiecksrippe sowie die in Figur 3d dargestellte Rippe, deren Querschnittsform halbkreisförmig ausgebildet ist und in Rippenlängsrichtung einen kontinuierlich zunehmenden Halbkreisdurchmesser aufweist. Grundsätzlich können für eine Oberflächenvergrößerung alle Geometrieparameter des Rippenelementes verändert werden, wie Rippenhöhe, Rippenbreite, Abstand zweier benachbarter Rippen im Verhältnis zu ihrer Höhe sowie die Neigung der Rippenachse.
In den Figuren 4a - d sind Kombinationen aus Rillen bzw. Nuten und gezielten Querschnittsänderungen entlang der Rippenlängsachse dargestellt. Figur 4a zeigt eine Rechtecksrippe mit konstantem Rippenquerschnitt und einer darin eingearbeiteten Nut. Figur 4b zeigt ein Rippenelement mit einer Rechtecksnut sowie mit in Rippenlängsrichtung größer werdendem Rechtecksquerschnitt und einer halbkreisförmig eingearbeiteten Ausnehmung. Figur 4c zeigt eine in Querschnittsform dreieckig ausgebildete Rippe an deren beiden Seitenflanken geradlinig ausgebildete Ausnehmungen vorgesehen sind. Figur 4d weist einen ursprünglichen halbkreisförmig ausgebildeten Querschnitt auf, in dem eine parabolische Ausnehmung eingearbeitet ist.
Auch können dreidimensionale Vertiefungen in die Rippenelemente eingearbeitet werden, wie es aus den Figuren 5a - 5c hervorgeht.
In Figur 5a ist eine rechteckförmig ausgebildete Rippe mit rechteckförmig ausgebildeten Vertiefungen dargestellt. Figur 5b zeigt eine im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildete Rippe mit zylinderförmig ausgebildeten Vertiefungen. Figur 5c weist an seiner Oberfläche dreidimensionale kubische Körper auf, durch die eine besonders große Oberflächenvergrößerung möglich ist.
Grundsätzlich können alle vorstehend beispielhaft aufgezeigten Maßnahmen zur Vergrößerung der Rippenoberfläche miteinander kombiniert werden.
Auch ist es möglich durch eine gezielte Oberflächenaufrauhung die Oberfläche des Rippenelementes zu vergrößern, um auf diese den Wärmeübergang zu steigern. Zwar verändert diese Massnahme die Form und Geometrie des Rippenzuges am aller wenigstens verglichen zu den vorstehend aufgezeigten Ausführungsbeispielen, doch ist der oberflächenvergrößernde Effekt eher begrenzt.
Bezugszeichenliste
1
Kühlkanal
2, 3
Rippenelement
4
Kühlkanalwand
5
Rechtecksnut
6
Rille

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal (4) umgebenden Strömungskanalwand (1) mit wenigstens einem, in ein, durch den Strömungskanal (4) hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenelement (2,3),
    das an der, dem Strömungskanal (4) zugewandten Seite der Strömungskanalwand (4) an gebracht ist und dessen Form und Größe unter Massgaben eines bestimmten Wärmeübergangskoeffizienten sowie eines bestimmten, durch das Überströmen des Rippenelementes (2,3) mit dem Strömungsmedium in diesem verbundenen Druckverlust gewählt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rippenelement (2,3) unter weitgehendem Beibehalten seiner ursprünglichen Form und/oder Größe seine, dem Strömungskanal (4) zugewandte Oberfläche vergrössernde Konturen aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anbruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die dem Strömungskanal (4) zugewandte Oberfläche vergrössernde Konturen derart ausgebildet sind, daß weder der Wärmeübergangskoeffizient des Rippenelementes (2,3) noch der, durch das Rippenelement (2,3) verursachte, strömungsbedingte Druckverlust wesentlich verändert wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche vergrößernde Konturen als Rillen (6) oder Nuten (5) ausgebildet sind, die in die Rippenelemente (2,3) eingearbeitet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rippenelement (2,3) einen quadratischen oder rechteckförmigen Querschnitt aufweist und als eine, seine Oberfläche vergrößernde Kontur eine Nut (5) an seiner, dem Strömungskanal (4) zugewandten Seite aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rippenelement (2,3) eine Rippenbreite w und eine Rippenhöhe e und die Nut (5) eine Nuttiefe d und eine Nutbreite b aufweisen und dass in etwa gilt: b = w/2 und d = e/2.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (6) und/oder Nuten (5) kammartig an der Oberfläche des Rippenelements (2,3) angebracht sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1',
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche vergrößernde Konturen Bohrungen oder Ausfräsungen sind, die in die Rippenelemente (2,3) eingearbeitet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Rippenelementes (2,3) eine Oberflächenrauhigkeit aufweist.
EP20000811044 1999-12-28 2000-11-07 Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem Rippenelement Withdrawn EP1114976A3 (de)

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DE1999163374 DE19963374B4 (de) 1999-12-28 1999-12-28 Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem Rippenelement

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EP1114976A2 true EP1114976A2 (de) 2001-07-11
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Application Number Title Priority Date Filing Date
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US (1) US6446710B2 (de)
EP (1) EP1114976A3 (de)
DE (1) DE19963374B4 (de)

Cited By (6)

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