EP1754945A2 - Rippe für einen Wärmeübertrager - Google Patents

Rippe für einen Wärmeübertrager Download PDF

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Publication number
EP1754945A2
EP1754945A2 EP20060014107 EP06014107A EP1754945A2 EP 1754945 A2 EP1754945 A2 EP 1754945A2 EP 20060014107 EP20060014107 EP 20060014107 EP 06014107 A EP06014107 A EP 06014107A EP 1754945 A2 EP1754945 A2 EP 1754945A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
channels
rib
heat exchanger
rib according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP20060014107
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Dr. Ing Knaus
Jens Supper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP1754945A2 publication Critical patent/EP1754945A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
    • F28F3/027—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements with openings, e.g. louvered corrugated fins; Assemblies of corrugated strips

Definitions

  • the invention relates to a rib for a heat exchanger according to the preamble of claim 1 and a heat exchanger according to the preamble of claim 12.
  • Heat exchangers in particular those for motor vehicles, have a block or a network which is constructed from tubes and ribs, flat tubes with corrugated ribs being used in a preferred embodiment.
  • the corrugated ribs are designed as so-called gill ribs, ie gill fields are arranged on their surface, which increase the heat transfer of the air and also effect a deflection of the air from one flow channel into the adjacent and back.
  • Such corrugated corrugated fins are known by a variety of documents, for. B. the US 3,250,325 or the US 5,271,458 ,
  • the amount of heat dissipated via the ribs on the air side as well as the pressure drop of the air flow depend on factors such as the number of gills, gill angle, gill height and rib density.
  • the known corrugated fins are preferably used for brazed flat tube systems, for. B. used in air-cooleddeffenkühlem or refrigerant condensers for motor vehicles. For intercoolers, however, so-called ribbed ribs are often used, ie ribs with offset flanks.
  • the invention provides that the rib forms adjacent flow channels with different cross sections and that at least one pressure compensation opening is provided after a certain flow length in the channel wall between two adjacent flow channels.
  • the invention is based on the following finding: the flows in adjacent channels each experience a different pressure drop due to the different flow cross sections, so that after a certain flow length a pressure difference between adjacent flow channels is formed. This pressure difference is reduced by the pressure equalization opening, whereby there is a mass exchange between the two flow channels - this leads to an increase in the fluid movement and thus to a better heat transfer. Due to the position, distances and size of the pressure equalization openings, the intensity and the location of the mass exchange can be very finely tuned to the respective requirements.
  • the pressure compensation openings can be punched out of the channel or rib wall as circular openings, for example. It can increase the mass exchange the edges of the openings are made so that they act as flow control and "capture" a larger mass flow.
  • the flow cross-section of the flow channels is formed rectangular with the same height, but different width. This results in a simple production of the rib and a favorable connection with the heat exchanger wall.
  • other cross sections are possible, for. B. trapezoidal cross sections.
  • the flow channels in the flow direction behind the pressure equalization opening are arranged with a definite offset.
  • the offset of the channels serves to equalize the mass flows in the channels of different widths; This prevents that the pressure loss in the channels with a smaller flow cross section increases too much.
  • the flow channels in the region of their inlet and / or outlet on a Drosselelemtent, which may allow a more uniform flow distribution through the channels.
  • the rib according to the invention can advantageously be used for heat exchangers with flat tubes instead of the known corrugated ribs or rib ribs. This results in an increase in performance on the air side, d. H. an increase in the heat transfer without an increase in the air-side pressure drop.
  • the performance of the heat exchanger preferably a coolant radiator or a charge air cooler can be increased.
  • FIG. 1 shows a section of a rib 1 which has flow channels 2 with a large flow cross-section A2 and respectively adjacent flow channels 3 with a small flow cross-section A3.
  • the flow cross sections are approximately rectangular and have a common same height H, but different widths B2 and B3.
  • the flow cross sections A2, A3 or the widths B2, B3 preferably behave like 2: 1 and change periodically over the entire length of the rib 1, which is shown here only as a segment.
  • the flow channels 2, 3 are flowed through in the direction of arrow P by a flow medium, preferably air.
  • Adjacent flow channels 2, 3 are each separated by a channel wall 4, wherein the channel walls 4 are connected to each other via a web 5 and thus form a meander-shaped rib 1.
  • the rib 1 is connected to a heat exchanger wall, not shown, preferably the wall of flat tubes of a heat exchanger (not shown).
  • pressure equalization openings 6 are arranged at a distance L in the air flow direction, via which a mass exchange of the air flows takes place.
  • the offset V corresponds approximately to the width B3 of the narrow channel 3.
  • Fig. 2 shows the detail of the rib 1 according to FIG. 1 as a longitudinal section through the channels 2, 3, 7, 8 - wherein the same reference numerals are used.
  • the parameters mass flow rate m ', pressure p and temperature T are shown for the incoming air flow (arrow P) and for the partial flows in the channels 2, 3, 7, 8 as boxes in the drawing and thus explain the flow conditions in front of and behind the pressure equalization openings 6.
  • the air flow enters the rib 1 with the parameters m - 0 , p 0 , T 0 , whereby in the channel 3 the parameters m - 1 , p 1 , T 1 and in the channel 2 the parameters m ' 2 , p 2 , T 2 .
  • the air flow from channel 3 thus flows into the channel 7, which has a much larger flow cross-section.
  • the air flow from channel 2 is distributed to the two channels 7, 8, wherein the flow cross-section of the channel 8 is smaller than that of the flow channel 7.
  • a greater pressure drop of the air flow is formed in comparison to the wider flow channel 7, so that the pressure p 5 in the flow channel 7 is greater than the pressure p 6 in the flow channel 8.
  • the rib pattern shown can be continued periodically in the air flow direction P and transversely to the air flow direction P. Due to the cross-flow corresponding to the dashed line X results in an acceleration of the flow and thus an improved heat transfer without the pressure drop of the flow increases.
  • the illustrated and described rib 1 can be used advantageously for heat exchangers with flat tubes, as they are known from the aforementioned prior art with Kiemenwellrippen or Stegrippen.
  • the rib 1 according to the invention occurs next to or at the location of the known gill rib or rib ridge and can also be soldered with or in the flat tubes.
  • the rib according to the invention can thus be used advantageously for air-cooled coolant radiators or intercoolers of motor vehicles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rippe (1) für Wärmeübertrager mit mindestens einer Wärmeübertragerwand, wobei die Rippe (1) mit der Wärmeübertragerwand parallel zueinander angeordnete, durch eine Kanalwand (4) getrennte Strömungskanäle (2, 3) für ein Strömungsmedium bildet.
Es wird vorgeschlagen, dass benachbarte Strömungskanäle (2, 3) unterschiedliche Strömungsquerschnitte (A2, A3) aufweisen und dass in der Kanalwand (4) zwischen benachbarten Strömungskanälen (2, 3) mindestens eine Druckausgleichsöffnung (6) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 12.
  • Wärmeübertrager, insbesondere solche für Kraftfahrzeuge weisen einen Block bzw. ein Netz auf, welches aus Rohren und Rippen aufgebaut ist, wobei bei einer bevorzugten Ausführungsform Flachrohre mit Wellrippen zum Einsatz kommen. Die Rohre bilden Wärmeübertragerwände und werden von einem zu kühlenden Medium, z. B. einem flüssigen Kühlmittel oder Ladeluft für eine Brennkraftmaschine durchströmt. Die innerhalb und/oder außerhalb der Rohre, insbesondere in oder zwischen den Flachrohren angeordneten Wellrippen oder Stegrippen bilden Strömungskanäle, welche beispielsweise von Luft durchströmbar sind. Die Wellrippen sind als so genannte Kiemenrippen ausgebildet, d. h. auf ihrer Oberfläche sind Kiemenfelder angeordnet, welche den Wärmeübergang der Luft erhöhen und auch eine Umlenkung der Luft von einem Strömungskanal in den benachbarten und zurück bewirken. Derartige mit Kiemen besetzte Wellrippen sind durch eine Vielzahl von Druckschriften bekannt, z. B. die US 3,250,325 oder die US 5,271,458 . Die luftseitig über die Rippen abgeführte Wärmemenge sowie der Druckabfall der Luftströmung sind dabei u. a. von Faktoren wie Anzahl der Kiemen, Kiemenwinkel, Kiemenhöhe und Rippendichte abhängig. Da sich die Kiemen nicht über die volle Breite der Wellrippen fertigen lassen, ergibt sich ein inhomogener Wärmeübergang mit so genannten hot spots, welche die Wärmeübertragung begrenzen. Neuere Entwicklungen zur Verbesserung von Kiemenrippen wurden durch die DE 102 35 038 A1 und die DE 102 42 188 der Anmelderin bekannt. Die bekannten Wellrippen werden vorzugsweise für gelötete Flachrohrsysteme, z. B. bei luftgekühlten Kühlmittelkühlem oder Kältemittelkondensatoren für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Bei Ladeluftkühlern kommen dagegen häufig so genannte Stegrippen zur Anwendung, d. h. Rippen mit versetzt angeordneten Flanken.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rippe für Wärmeübertrager der eingangs genannten Art bezüglich Wärmeübergang und Druckabfall zu verbessern. Darüber hinaus soll bei einem Wärmeübertrager der Wärmeübergang auf dessen Luftseite erhöht werden, ohne dass der Druckabfall ansteigt.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird einerseits durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und andererseits durch die Merkmale des Patentanspruches 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zunächst ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rippe benachbarte Strömungskanäle mit unterschiedlichen Querschnitten bildet und dass in der Kanalwand zwischen zwei benachbarten Strömungskanälen mindestens eine Druckausgleichsöffnung nach einer gewissen Strömungslänge vorgesehen ist. Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zu Grunde: die Strömungen in benachbarten Kanälen erfahren aufgrund der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte jeweils einen unterschiedlichen Druckabfall, so dass sich nach einer gewissen Strömungslänge eine Druckdifferenz zwischen benachbarten Strömungskanälen ausbildet. Diese Druckdifferenz wird durch die Druckausgleichsöffnung abgebaut, wobei es zu einem Massenaustausch zwischen beiden Strömungskanälen kommt - dies führt zu einer Erhöhung der Fluidbewegung und damit zu einem besseren Wärmeübergang. Durch die Position, Abstände und Größe der Druckausgleichsöffnungen kann die Intensität und der Ort des Massenaustausches sehr fein auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmt werden. Die Druckausgleichsöffnungen können beispielsweise als kreisförmige Öffnungen aus der Kanal- bzw. Rippenwand ausgestanzt werden. Dabei können zur Erhöhung des Massenaustausches die Ränder der Öffnungen angestellt werden, so dass sie als Strömungsleitflächen wirken und einen größeren Massenstrom "einfangen".
  • Ferner ist vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle rechteckförmig mit gleicher Höhe, jedoch unterschiedlicher Breite ausgebildet ist. Dies ergibt eine einfache Herstellung der Rippe und eine günstige Verbindung mit der Wärmeübertragerwand. Möglich sind jedoch auch andere Querschnitte, z. B. Trapezquerschnitte.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungskanäle in Strömungsrichtung hinter der Druckausgleichsöffnung, also nach erfolgtem Massenaustausch quer zur Strömungsrichtung versetzt, d. h. mit einem definitiven Versatz angeordnet sind. Der Versatz der Kanäle dient dem Ausgleich der Massenströme in den unterschiedlich breiten Kanälen; dadurch wird verhindert, dass der Druckverlust in den Kanälen mit geringerem Strömungsquerschnitt zu stark ansteigt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Strömungskanäle im Bereich ihres Ein- und/oder Austritts ein Drosselelemtent auf, wodurch unter Umständen eine gleichmäßigere Strömungsverteilung über die Kanäle ermöglicht wird.
  • Die erfindungsgemäße Rippe kann vorteilhaft für Wärmeübertrager mit Flachrohren anstelle der bekannten Wellrippen oder Stegrippen verwendet werden. Hierdurch ergibt sich eine Leistungssteigerung auf der Luftseite, d. h. eine Steigerung des Wärmeüberganges ohne eine Erhöhung des luftseitigen Druckabfalls. Damit kann die Leistung des Wärmeübertragers, vorzugsweise eines Kühlmittelkühlers oder eines Ladeluftkühlers gesteigert werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1
    ein Rippensegment mit benachbarten Strömungskanälen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten in perspektivischer Darstellung und
    Fig. 2
    die Strömungskanäle gemäß Fig. 1 einem Längsschnitt.
  • Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Rippe 1, welche Strömungskanäle 2 mit einem großen Strömungsquerschnitt A2 und jeweils benachbarte Strömungskanäle 3 mit einem kleinen Strömungsquerschnitt A3 aufweist. Die Strömungsquerschnitte sind etwa rechteckförmig ausgebildet und weisen eine gemeinsame gleiche Höhe H auf, jedoch unterschiedliche Breiten B2 und B3. Die Strömungsquerschnitte A2, A3 bzw. die Breiten B2, B3 verhalten sich vorzugsweise wie 2 : 1 und wechseln periodisch über die gesamte Länge der Rippe 1, welche hier nur als Segment dargestellt ist. Die Strömungskanäle 2, 3 werden in Richtung des Pfeiles P von einem Strömungsmedium, vorzugsweise Luft durchströmt. Benachbarte Strömungskanäle 2, 3 sind jeweils durch eine Kanalwand 4 voneinander getrennt, wobei die Kanalwände 4 jeweils über einen Steg 5 miteinander verbunden sind und somit eine mäanderförmig ausgebildete Rippe 1 bilden. Über die Stege 5 ist die Rippe 1 mit einer nicht dargestellten Wärmeübertragerwand, vorzugsweise der Wand von Flachrohren eines Wärmeübertragers (nicht dargestellt) verbunden. In den Kanalwänden 4 sind in einem Abstand L in Luftströmungsrichtung Druckausgleichsöffnungen 6 angeordnet, über welche ein Massenaustausch der Luftströme erfolgt. An die Strömungskanäle 2, 3 schließen sich insbesondere bei großer Strömungslänge L' (s. Fig. 2) in Luftströmungsrichtung Kanäle 7, 8 an, welche den gleichen Querschnitt A2 bzw. A3 wie die Kanäle 2, 3 aufweisen, jedoch versetzt zu diesen angeordnet sind. Der Versatz V entspricht etwa der Breite B3 des schmalen Kanals 3.
  • Fig. 2 zeigt den Ausschnitt der Rippe 1 gemäß Fig. 1 als Längsschnitt durch die Kanäle 2, 3, 7, 8 - wobei gleiche Bezugsziffern verwendet werden. Die Parameter Massendurchsatz m', Druck p und Temperatur T sind für den eintretenden Luftstrom (Pfeil P) und für die Teilströme in den Kanälen 2, 3, 7, 8 als Kästchen in der Zeichnung dargestellt und erläutern somit die Strömungsverhältnisse vor und hinter den Druckausgleichsöffnungen 6. Der Luftstrom tritt mit den Parametern m- 0, p0, T0 in die Rippe 1 ein, wobei sich im Kanal 3 die Parameter m- 1, p1, T1 und im Kanal 2 die Parameter m' 2, p2, T2 einstellen. Nach der Strömungsanlaufstrecke L haben sich in den Kanälen 2, 3 aufgrund der unterschiedlichen Querschnitte unterschiedliche Druckabfälle eingestellt, so dass sich p1 und p2 unterscheiden. Diese Druckdifferenz drängt einen Teilstrom, dargestellt durch eine gestrichelte Linie X, vom Kanal 2 in den benachbarten Kanal 3. In Strömungsrichtung hinter der Druckausgleichsöffnung 6 weisen die jeweiligen Teilströme im Kanal 3 die Parameter m- 3, p3, T3 bzw. im Kanal 2 m- 4, p4, T4 auf, wobei jetzt p3 < p4, d. h. der Druck p3 im Kanal 3 ist wesentlich geringer als der Druck p4 im Kanal 2. Um diesen starken Druckabfall im schmalen Kanal 3 nicht zu groß werden zu lassen, sind die anschließenden Kanäle 7, 8 versetzt zu den stromaufwärtigen Kanälen 2, 3 angeordnet. Der Luftstrom aus Kanal 3 strömt somit in den Kanal 7, der einen wesentlich größeren Strömungsquerschnitt aufweist. Der Luftstrom aus Kanal 2 verteilt sich auf die beiden Kanäle 7, 8, wobei der Strömungsquerschnitt des Kanals 8 kleiner als der des Strömungskanals 7 ist. Im schmalen Strömungskanal 8 bildet sich im Vergleich zum breiteren Strömungskanal 7 ein stärkerer Druckabfall der Luftströmung aus, so dass der Druck p5 im Strömungskanal 7 größer als der Druck p6 im Strömungskanal 8 ist. Dies führt zu einer Querströmung aus dem Kanal 7 über die Druckausgleichsöffnung 6 in den Kanal 8 entsprechend der gestrichelten Linie X. Das dargestellte Rippenmuster kann periodisch in Luftströmungsrichtung P und quer zur Luftströmungsrichtung P fortgesetzt werden. Durch die Querströmung entsprechend der gestrichelten Linie X ergibt sich eine Beschleunigung der Strömung und damit ein verbesserter Wärmeübergang, ohne dass der Druckabfall der Strömung ansteigt.
  • Die dargestellte und beschriebene Rippe 1 kann vorteilhaft für Wärmeübertrager mit Flachrohren eingesetzt werden, wie sie aus dem eingangs genannten Stand der Technik mit Kiemenwellrippen oder Stegrippen bekannt sind. Die erfindungsgemäße Rippe 1 tritt neben oder an die Stelle der bekannten Kiemenwellrippe oder Stegrippe und kann ebenso mit oder in den Flachrohren verlötet werden. Die erfindungsgemäße Rippe kann somit vorteilhaft für luftgekühlte Kühlmittelkühler oder Ladeluftkühler von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.

Claims (13)

  1. Rippe (1) für Wärmeübertrager mit mindestens einer Wärmeübertragerwand, wobei die Rippe (1) mit der Wärmeübertragerwand parallel zueinander angeordnete, durch eine Kanalwand (4) getrennte Strömungskanäle (2, 3) für ein Strömungsmedium bildet, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Strömungskanäle (2, 3) unterschiedliche Strömungsquerschnitte (A2, A3) aufweisen.
  2. Rippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kanalwand (4) zwischen benachbarten Strömungskanälen (2, 3) mindestens eine Druckausgleichsöffnung (6) angeordnet ist.
  3. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis benachbarter Strömungsquerschnitte (A2, A3) zwischen 1 : 1 und 5 : 1, insbesondere etwa 2 : 1 beträgt.
  4. Rippe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsöffnung (6) in Strömungsrichtung (P) in einem Abstand L angeordnet ist.
  5. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (2, 3) einen etwa rechteckförmigen Querschnitt (A2, A3) aufweisen.
  6. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (2, 3) gleiche Höhe (H), jedoch unterschiedliche Breiten (B2, B3) aufweisen.
  7. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (P) hinter den Druckausgleichsöffnungen (6) Kanäle (7, 8) angeordnet sind, welche gegenüber den stromaufwärtigen Kanälen (2, 3) einen Versatz (V) quer zur Strömungsrichtung (P) aufweisen.
  8. Rippe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (V) etwa der Breite (B3) des schmalen Kanals (3) entspricht.
  9. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerwand als mindestens ein von einem Fluid durchströmbares Rohr ausgebildet ist.
  10. Rippe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (2, 3, 7, 8) zwischen den Rohren angeordnet sind.
  11. Rippe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (2, 3, 7, 8) in den Rohren angeordnet sind.
  12. Wärmeübertrager mit einem Block, bestehend aus Flachrohren und zwischen den Flachrohren angeordnete Rippen, wobei die Rippen von Luft durchströmbare Kanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
  13. Verwendung des Wärmeübertragers nach Anspruch 10 als Kühlmittel- oder Ladeluftkühler.
EP20060014107 2005-07-25 2006-07-07 Rippe für einen Wärmeübertrager Withdrawn EP1754945A2 (de)

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DE10102088A1 (de) * 2000-01-28 2001-08-16 Behr Gmbh & Co Ladeluftkühler, insbesondere für Kraftfahrzeuge

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