EP1899670B1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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EP1899670B1
EP1899670B1 EP06762163.1A EP06762163A EP1899670B1 EP 1899670 B1 EP1899670 B1 EP 1899670B1 EP 06762163 A EP06762163 A EP 06762163A EP 1899670 B1 EP1899670 B1 EP 1899670B1
Authority
EP
European Patent Office
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flow
heat exchanger
variable
structural elements
winglets
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP06762163.1A
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English (en)
French (fr)
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EP1899670A1 (de
Inventor
Peter Geskes
Ulrich Maucher
Michael Schmidt
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
Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Mahle Behr GmbH and Co KG filed Critical Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication of EP1899670A1 publication Critical patent/EP1899670A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1899670B1 publication Critical patent/EP1899670B1/de
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
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    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/04—Assemblies of fins having different features, e.g. with different fin densities

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1 - known by the US 4,314,587 ,
  • V-shaped arranged structural elements are formed by non-cutting deformation of the wall of the exhaust pipes.
  • the V-shaped arranged structural elements also referred to as so-called winglets can thus economically, ie introduced at low cost in the exhaust pipes.
  • the density of the structural elements is variable, and increases in the flow direction.
  • the heat transfer coefficient on the inside of the flow channel is variable, and the heat transfer increases in the flow direction, while it is comparatively low or minimal in the inlet region of the flow.
  • the invention is based on the recognition that the heat dissipation in the inlet region of the flow channel-for example, to a cooling medium flowing around the flow channel-is greater than in the downstream region of the flow channel due to the high temperature difference prevailing there, and that a forming on the inner wall of the flow channel, in the flow direction growing temperature boundary layer in the inlet region is still relatively thin.
  • structural elements for increasing the heat transfer on the inside of the flow channel in favor of a reduced pressure drop in this area can be dispensed with in the inlet region.
  • the density of the structural elements is adapted to the conditions prevailing locally in the flow channel with respect to temperature difference and temperature boundary layer.
  • the inlet region of the flow channel initially smooth-walled ie be formed without structural elements, since - as mentioned - already in this area due to the high temperature difference and the small boundary layer thickness, a high power density is achieved.
  • structural elements with increasing density or with the heat transfer increasingly increasing effect are arranged downstream in the flow channel.
  • the structural elements are formed as swirl-generating indentations in the wall of the flow channel, as so-called winglets, as are known for exhaust gas heat exchangers according to the aforementioned prior art.
  • the arrangement and design of the winglets in the flow channel is inventively made variable: so the distance between the winglets in the flow direction can increase continuously or gradually, as well as the height of the winglets, which extends into the flow. For manufacturing reasons, it is advantageous if the distances each amount to a multiple of the smallest distance. Further, the angle included by the V-shaped winglets can be increased continuously or stepwise in the flow direction, thereby also increasing the heat transfer, but also the pressure drop.
  • the inventive arrangement of structural elements with variable density, in particular for exhaust gas heat exchanger of internal combustion engines for motor vehicles is advantageously used.
  • Exhaust heat exchangers require one hand a high power density and on the other hand a low exhaust back pressure, so that the required EGR rates (proportion of recirculated exhaust gas in the total exhaust gas flow) can be achieved to achieve the emissions regulations.
  • the reduced pressure drop resulting from the invention thus has a particularly advantageous effect when used as an exhaust gas heat exchanger.
  • intercoolers for internal combustion engines and generally in gas flow channels are also be used.
  • ribs in particular rib ribs are arranged as structural elements on the inside of the flow channel, which increase the heat transfer.
  • the rib elements have a density which is variable in the flow direction, i. H. preferably gradually increases in the flow direction, which in turn can be dispensed with in the inlet area entirely on a réelleberippung.
  • the change in density can advantageously be achieved in the case of a rib ridge by means of a variable longitudinal or transverse distribution or by a variable angle of attack for the flow. This also achieves the advantage of a reduced pressure drop.
  • further measures could be taken to increase the heat transfer, e.g.
  • the measures according to the invention are particularly advantageous in the inlet region of the respective flow channel, d. H. in the area of the flow, where there are still transient conditions with respect to the temperature difference and the thickness of the boundary layer.
  • Fig. 1 shows a pipe 1 designed as a flow channel 2, which has an inlet cross-section 3 and is flowed through by a flow medium according to the arrow P.
  • the pipe 1 is traversed by a hot exhaust gas of an internal combustion engine, not shown, and is part of a Abgäs Scriübertragers, not shown.
  • the tube 1 has a smooth inner side or inner wall 1a and an outer wall or outer wall 1b, which is cooled by a preferably liquid coolant.
  • the hot exhaust gas releases its heat via the pipe 1 to the coolant.
  • a temperature boundary layer 4 forms on the inner wall 1a, which increases in its thickness d from the inlet cross-section 3 in the direction of flow of the arrow P.
  • the temperature profile in this boundary layer 4 is represented by a temperature profile 5.
  • the temperature in the temperature boundary layer thus rises from a temperature Ta on the inner wall 1a to a temperature level Ti in the interior of the flow channel (core flow), which corresponds to the exhaust gas inlet temperature. Due to the growing temperature boundary layer 4, the heat transfer conditions in the inlet region of the tube 1 deteriorate.
  • Fig. 2 shows a diagram in which the heat transfer coefficient ⁇ is plotted as a relative size over the length I of a smooth-walled flow channel, ie from the inlet cross-section (reference numeral 3 in Fig. 1 ) in the flow direction of the flow medium.
  • the length I is plotted in millimeters.
  • Fig. 3a, 3b, 3c, 3d and 3e show a first embodiment with five different variants, namely the arrangement of structural elements with variable density.
  • Fig. 3a shows in a first variant, which does not belong to the invention a schematically illustrated flow channel 6, preferably an exhaust pipe of a Abgastownschreibers not shown, wherein the exhaust pipe 6 is traversed according to the arrow P.
  • the outside of the exhaust pipe 6 is - what is not shown, but from the above-mentioned prior art is known - preferably lapped by a liquid coolant - but is also possible air cooling.
  • the exhaust pipe 6 is formed as a stainless steel tube, consisting of two halves welded together, with a rectangular cross-section.
  • the exhaust pipe 6 has an inlet region 6a, which is smooth-walled over a length L. Downstream of the smooth-walled region 6a, a region 6b adjoins, in which are arranged V-shaped structural elements 7, so-called winglets, embossed from the tube wall.
  • the winglet pairs 7 are arranged in the section 6b at the same distance and in the same formation.
  • the transition from the smooth-walled region 6a to the winglets 7 occupied area 6b thus takes place in the form of a "step".
  • a sufficiently large heat transfer or heat transfer is achieved in the smooth-walled region 6a, since the temperature difference is still sufficiently large and the temperature boundary layer is relatively small.
  • a rectangular tube 8 is shown in longitudinal section, which also has a smooth-walled inlet region 8a and a channel height H. Downstream of this smooth-walled region 8a winglet pairs 9 are arranged with equal distances a in the flow direction, but with different heights h: projecting into the flow cross-section of the exhaust pipe 8 heights h of the winglet pairs 9 grow continuously in the flow direction P. Thus, the heat transfer in This pipe section has been successively increased. At the same time, the pressure drop increases. The transition from smooth to not smooth is thus continuous. In a preferred embodiment, a range of 0.05 ⁇ h / H ⁇ 0.4 is selected for the ratio h / H.
  • Fig. 3c are in a tube 10 winglet pairs 11 with decreasing in the flow direction P distances a 1 , a 2 , a 3 arranged.
  • the heat transfer starting from the smooth inlet region 10a, successively increased, since the density of the structural elements or winglets 11 is greater.
  • the distances a 1 , a 2 , a 3 can each be a multiple of the minimum distance a x .
  • the latter is advantageously in a range of 5 ⁇ a x ⁇ 50 mm and preferably in a range of 8 ⁇ a x ⁇ 30 mm.
  • Fig. 3d shows a fourth variant, which does not belong to the invention for the arrangement of structural elements with different density in an exhaust pipe 12, which is permeable according to the arrow P of exhaust gas.
  • the smooth-walled entry region 12a is shorter in comparison to the previous embodiments.
  • This is followed by winglet pairs 13 with equal distances in the flow direction, but with different angles ⁇ (angle with respect to flow direction P).
  • the winglets of the upstream winglet pair 12 are aligned almost parallel ( ⁇ 0), while the angle ⁇ formed by the winglets of the downstream winglet pair 13 is about 45 degrees.
  • the intervening winglet pairs 13 have corresponding intermediate values, so that the heat transfer coefficient for the Inner wall of the exhaust pipe 13 due to the increasing spreading of the winglets in the flow direction grows, continuously or in small steps.
  • the angle ⁇ is advantageously in a range of 20 ° ⁇ ⁇ 50 °
  • Fig. 3e shows another variant of the invention with an exhaust pipe 30, a smooth-walled portion 30a and adjoining rows of parallel winglets 31, which each form an angle ⁇ with the flow direction P.
  • the rows have in the flow direction P decreasing distances a 1 , a 2 , a 3 , wherein the angle ⁇ of the winglets 31 from row to row changes the sign.
  • aiien pipes is preferably left at the beginning of the pipe and at the pipe end a smooth area without structural elements, so that at a lengthening of the tube a clean separation point can be produced.
  • Fig. 4 shows a further embodiment, which does not belong to the invention, for a flow channel 14 which is according to the arrow P flows of a flow medium - this may be, for example, a liquid coolant or even charge air.
  • the outside of the flow channel 14, 14 can be cooled by a gaseous or liquid cooling medium.
  • the flow channel 14 has a smooth-walled inlet region 14a, which is adjoined in the flow direction P by a first region 14b provided with internal ribs 15 and by another ribbed region 14c thereon.
  • the regions 14b and 14c have a different fin density - in the illustrated embodiment, the rib density in the downstream region 14c is twice as large as in the upstream region 14b, since between the continuous ribs 15 further ribs 16 are arranged. Thus, an increase of the heat transfer is also achieved, in stages from 14a to 14b to 14c.
  • Fig. 5 shows as a further embodiment, which does not belong to the invention, a gas flow channel in which a Stegrippe 17 with variable longitudinal pitch t 1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 is arranged.
  • t 1 > t 2 > t 3 > t 4 > t 5 ie the heat transfer increases from t 1 to t 5 , ie in the flow direction P too.
  • Web ribs are used in particular for intercoolers and are preferably soldered to the pipes.
  • the ratio of the smallest pitch t x to the channel height H has a limit of 0.3 ⁇ t x / H.
  • Fig. 6 Also shows an embodiment, which does not belong to the invention, a gas flow channel in which a Stegrippe 18 with variable angles of attack ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 ... ⁇ x is arranged.
  • Advantageous angles of attack are in the range of 0 ⁇ ⁇ 30 °.
  • Fig. 7 shows as an embodiment, which does not belong to the invention, a gas flow channel in which a ridge rib 19 with variable transverse pitch q 1 , q 2 , q 3 ... q 6 is arranged, the heat transfer with decreasing transverse division of q 1 in the direction q 6. ie in the flow direction P increases.
  • Advantageous areas for the transverse division q are 8>q> 1 mm and preferably 5>q> 2 mm.
  • Fig. 8 shows in a gas flow channel a corrugated in the flow direction P (deep waved) inner fin 20 with variable pitch t 1 , t 2 , t 3 , t 4 - the heat transfer increases here in the direction of decreasing pitch t.
  • Advantageous ranges for the pitch t are 10 ⁇ t ⁇ 50 mm.
  • a variation of the heat transfer in the flow channel can also be achieved by further means known from the prior art, for example by arranging gills or windows in the ribs.
  • other forms of structural elements for vortex generation or to increase the heat transfer can be selected.
  • the application of the invention is not limited to exhaust gas heat exchangers, but also extends to intercoolers whose tubes are flowed through by hot charge air, and generally to gas flow channels, which may be formed as tubes of a tube heat exchanger or as slices of Scheibennzoübertragers.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 - bekannt durch die US 4,314,587 .
  • Es ist bekannt, in Strömungskanälen von Wärmeübertragern zur Erhöhung des Wärmeüberganges Strukturelemente anzuordnen, welche Wirbel und eine turbulente Strömung erzeugen. Derartige Strukturelemente sind in verschiedensten Ausführungsformen bekannt, z. B. als gewellte Innenrippen, Turbulenzeinlagen, Stegrippen oder auch als aus der Wand des Strömungskanals ausgeformte Wirbelerzeuger, welche in die Strömung hineinragen. Durch die EP 0 677 715 A1 , der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager mit Turbulenzeinlagen bekannt, welche paarweise aufgestellte, einen Winkel zur Strömungsrichtung bildende Laschen aufweisen. Der bekannte Wärmeübertrager wird insbesondere zur Kühlung von Abgas verwendet, wobei eine Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung vorgesehen ist. Die V-förmig angeordneten Laschen mit sich in Strömungsrichtung öffnendem V erzeugen einerseits eine turbulente Strömung und verhindern durch ihre Wirbelbildung eine Ablagerung von Ruß, welcher im Abgas enthalten ist.
  • Weiterentwicklungen der V-förmig angeordneten Strukturelemente wurden durch die DE 195 40 683 A1 , die DE 196 54 367 A1 sowie die DE 196 54 368 A1 der Anmelderin für Abgaswärmeübertrager bekannt. Dabei sind die V-förmig angeordneten Strukturelemente durch spanlose Umformung aus der Wandung der Abgasrohre ausgeformt. Die V-förmig angeordneten Strukturelemente, auch als so genannte Winglets bezeichnet, können somit wirtschaftlich, d. h. zu geringen Kosten in die Abgasrohre eingebracht werden.
  • Wie durch die EP 1 061 319 A1 und die DE 101 27 084 A1 der Anmelderin bekannt geworden, werden ähnliche Strukturelemente auch für andere Arten von Wärmeübertragern, z. B. luftgekühlte Kühlmittelkühler verwendet. Allen bekannten Strukturelementen ist gemeinsam, dass sie im wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Länge der betreffenden Strömungskanäle, seien es Abgasrohre oder Kühlmittelflachrohre, verteilt sind. Einerseits wird durch die Strukturelemente der gewünschte erhöhte Wärmeübergang erzielt, andererseits wird dieser Vorteil mit einem erhöhten Druckabfall auf der Abgas- bzw. Kühlmittelseite erkauft. Insbesondere bei Abgaswärmeübertragern, welche in der Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, ist ein erhöhter Druckabfall wegen des damit einhergehenden erhöhten Abgasgegendruckes nicht erwünscht. Andererseits wird insbesondere für Abgaswärmeübertrager von Kraftfahrzeugen eine erhöhte Leistungsdichte gefordert.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein Optimum zwischen Leistungsdichte und Druckabfall erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Dichte der Strukturelemente variabel, ist und in Strömungsrichtung Zu nimmt. Mit dieser konstruktiven Maßnahme wird auch die Wärmeübergangszahl auf der Innenseite des Strömungskanals variabel, und der Wärmeübergang nimmt in Strömungsrichtung zu, während er im Eintrittsbereich der Strömung vergleichsweise gering oder minimal ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Wärmeabfuhr im Eintrittsbereich des Strömungskanals - beispielsweise an ein den Strömungskanal umströmendes Kühlmedium - aufgrund der dort herrschenden hohen Temperaturdifferenz größer als im stromabwärtigen Bereich des Strömungskanals ist, und dass eine sich an der Innenwand des Strömungskanals ausbildende, in Strömungsrichtung wachsende Temperaturgrenzschicht im Eintrittsbereich noch relativ dünn ist. Insofern kann im Eintrittsbereich auf Strukturelemente zur Erhöhung des Wärmeüberganges auf der Innenseite des Strömungskanals zu Gunsten eines in diesem Bereich reduzierten Druckabfalls verzichtet werden. Die Dichte der Strukturelemente ist dabei an die lokal im Strömungskanal herrschenden Bedingungen bezüglich Temperaturdifferenz und Temperaturgrenzschicht angepasst. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Strukturelemente wird der Vorteil erreicht, dass der Druckabfall im Strömungskanal bei hoher Leistungsdichte reduziert wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Vorzugsweise kann der Eintrittsbereich des Strömungskanals zunächst glattwandig, d. h. ohne Strukturelemente ausgebildet sein, da - wie erwähnt - in diesem Bereich aufgrund der hohen Temperaturdifferenz und der geringen Grenzschichtdicke bereits eine hohe Leistungsdichte erzielt wird. Bei sinkender Temperaturdifferenz und zunehmender Grenzschichtdicke werden dann stromabwärts im Strömungskanal Strukturelemente mit zunehmender Dichte bzw. mit die Wärmeübertragung zunehmend erhöhender Wirkung angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Strukturelemente als Wirbel erzeugende Einprägungen in der Wand des Strömungskanals ausgebildet, als so genannte Winglets, wie sie für Abgaswärmeübertrager gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt sind. Die Anordnung und Ausbildung der Winglets im Strömungskanal wird erfindungsgemäß variabel gestaltet : so kann der Abstand der Winglets in Strömungsrichtung kontinuierlich oder stufenweise zunehmen, ebenso die Höhe der Winglets, die in die Strömung hineinreicht. Aus Fertigungsgründen ist es vorteilhaft, wenn die Abstände jeweils ein Vielfaches des kleinsten Abstandes betragen. Ferner kann der Winkel, den die V-förmig angeordneten Winglets einschließen, in Strömungsrichtung kontinuierlich oder stufenweise vergrößert werden, wodurch ebenfalls der Wärmeübergang, allerdings auch der Druckabfall erhöht wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Anordnung der Strukturelemente mit variabler Dichte insbesondere für Abgaswärmeübertrager von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge vorteilhaft verwendbar. Abgaswärmeübertrager erfordern einerseits eine hohe Leistungsdichte und andererseits einen geringen Abgasgegendruck, damit die benötigten AGR-Raten (Anteil des rückgeführten Abgases am Gesamtabgasstrom) zur Erreichung der Emissionsvorschriften erzielt werden können. Der aus der Erfindung resultierende reduzierte Druckabfall wirkt sich also bei Verwendung als Abgaswärmeübertrager besonders vorteilhaft aus. Darüber hinaus ist auch eine vorteilhafte Anwendung in Ladeluftkühlern für Verbrennungsmotoren und allgemein in Gasströmungskanälen gegeben.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind auf der Innenseite des Strömungskanals Rippen, insbesondere Stegrippen als Strukturelemente angeordnet, welche den Wärmeübergang erhöhen. Erfindungsgemäß weisen die Rippenelmente eine Dichte auf, weiche in Strömungsrichtung variabel ist, d. h. vorzugsweise stufenweise in Strömungsrichtung zunimmt, wobei wiederum im Eintrittsbereich gänzlich auf eine Innenberippung verzichtet werden kann. Die Änderung der Dichte kann bei einer Stegrippe vorteilhaft durch eine variable Längs- oder Querteilung oder durch einen variablen Anstellwinkel für die Strömung erreicht werden. Auch dadurch wird der Vorteil eines reduzierten Druckabfalls erreicht. Zusätzlich zur Änderung der Rippendichte könnten weitere Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeüberganges getroffen werden, z. B. die Anordnung von Kiemen oder Fenstern in den Flanken der Wellrippen, ebenfalls mit dem Ziel, den Wärmeübergang in Strömungsrichtung variabel zu gestalten. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind insbesondere im Eintrittsbereich des jeweiligen Strömungskanals vorteilhaft, d. h. in dem Bereich der Strömung, wo noch instationäre Verhältnisse bezüglich der Temperaturdifferenz und der Dicke der Grenzschicht herrschen. Diese Parameter erreichen stromabwärts einen nahezu stationären Zustand, wo eine variable Dichte der Strukturelemente keine wesentlichen Vorteile mehr bringt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    ein Temperaturprofil im Eintrittsbereich eines Strömungskanals,
    Fig. 2
    die Abhängigkeit der Wärmeübergangszahl α von der Länge des Strömungskanals,
    Fig. 3a - 3e
    die erfindungsgemäße Anordnung von Strukturelementen mit variabler Dichte in einem Strömungskanal,
    Fig. 4
    ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Innenrippen unterschiedlicher Rippendichte,
    Fig. 5
    ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Stegrippe mit variabler Längsteilung,
    Fig. 6
    ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Stegrippe mit variablem Anstellwinkel,
    Fig. 7
    ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Stegrippe mit variabler Querteilung und
    Fig. 8
    ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine gewellte Innenrippe mit variabler Wellenlänge (Teilung).
  • Fig. 1 zeigt einen als Rohr 1 ausgebildeten Strömungskanal 2, welcher einen Eintrittsquerschnitt 3 aufweist und von einem Strömungsmedium entsprechend dem Pfeil P durchströmt wird. Vorzugsweise wird das Rohr 1 von einem heißen Abgas eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors durchströmt und ist Teil eines nicht dargestellten Abgäswärmeübertragers. Das Rohr 1 weist eine glatte Innenseite bzw. Innenwandung 1a und eine Außenseite bzw. Außenwandung 1b auf, welche von einem vorzugsweise flüssigen Kühlmittel gekühlt wird. Das heiße Abgas gibt also seine Wärme über das Rohr 1 an das Kühlmittel ab Bei der Durchströmung des Strömungskanals 2 bildet sich an der Innenwand 1a eine Temperaturgrenzschicht 4 aus, welche vom Eintrittsquerschnitt 3 in Strömungsrichtung des Pfeiles P in ihrer Dicke d zunimmt. Der Temperaturverlauf in dieser Grenzschicht 4 ist durch ein Temperaturprofil 5 dargestellt. Die Temperatur in der Temperaturgrenzschicht steigt also von einer Temperatur Ta an der Innenwand 1a bis zu einem Temperaturniveau Ti im Inneren des Strömungskanals (Kernströmung), welche der Abgaseintrittstemperatur entspricht. Durch die wachsende Temperaturgrenzschicht 4 verschlechtern sich die Wärmeübergangsverhältnisse im Eintrittsbereich des Rohres 1.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei welchem die Wärmeübergangszahl α als relative Größe aufgetragen ist über der Länge I eines glattwandigen Strömungskanals, d. h. vom Eintrittsquerschnitt (Bezugszahl 3 in Fig. 1) in Strömungsrichtung des Strömungsmediums. Die Länge I ist in Millimetern aufgetragen. Die Wärmeübergangszahl α ist im Eintrittsquerschnitt, d. h. bei I = 0 mit 1 (100 %) angesetzt. Mit zunehmender Länge, d. h. in Strömungsrichtung im Strömungskanal 2 (Fig. 1) sinkt die Wärmeübergangszahl α bis auf etwa 0,8 (80 %) des Wertes am Eintrittsquerschnitt ab. Dies ist in erster Linie auf die Ausbildung der Temperaturgrenzschicht 4 gemäß Fig. 1 zurückzuführen.
  • Fig. 3a, 3b, 3c, 3d und 3e zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel mit fünf verschiedenen Varianten, nämlich die Anordnung von Strukturelementen mit variabler Dichte. Fig. 3a zeigt in einer ersten Variante, die nicht zu Erfindung gehört einen schematisch dargestellten Strömungskanal 6, vorzugsweise ein Abgasrohr eines nicht dargestellten Abgaswärmeübertragers, wobei das Abgasrohr 6 entsprechend dem Pfeil P durchströmt wird. Die Außenseite des Abgasrohres 6 wird - was nicht dargestellt, jedoch aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist - vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmittel umspült - möglich ist allerdings auch eine Luftkühlung. Das Abgasrohr 6 ist als Edelstahlrohr, bestehend aus zwei miteinander verschweißten Hälften, mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Das Abgasrohr 6 weist einen Eintrittsbereich 6a auf, der über eine Länge L glattwandig ausgebildet ist. An den glattwandigen Bereich 6a schließt sich stromabwärts ein Bereich 6b an, in welchem V-förmig angeordnete, aus der Rohrwand geprägte Strukturelemente 7, so genannte Winglets, angeordnet sind. Die Winglet-Paare 7 sind im Abschnitt 6b mit gleichem Abstand und in gleicher Ausbildung angeordnet. Der Übergang vom glattwandigen Bereich 6a auf den mit Winglets 7 belegten Bereich 6b erfolgt somit in Form einer "Stufe". Wie eingangs erwähnt, wird in dem glattwandigen Bereich 6a trotz fehlender Strukturelemente ein hinreichend großer Wärmeübergang bzw. Wärmedurchgang erzielt, da die Temperaturdifferenz noch hinreichend groß und die Temperaturgrenzschicht relativ gering ist. An der Stelle, wo diese Bedingungen nicht mehr zutreffen, sind Strukturelemente 7 angeordnet, die für eine. Verbesserung des Wärmeüberganges (Wärmeüberganszahl α) sorgen. Der glattwandige Bereich 6a - dies gilt auch für die nachfolgenden Varianten 3b, 3c, 3d, 3e-kann eine Länge von bis zu 100 mm aufweisen.
  • In einer zweiten Variante, die nicht zur Erfindung gehört gemäß Fig. 3b ist ein Rechteckrohr 8 im Längsschnitt dargestellt, welches ebenfalls einen glattwandigen Eintrittsbereich 8a und eine Kanalhöhe H aufweist. Stromabwärts dieses glattwandigen Bereiches 8a sind Winglet-Paare 9 mit in Strömungsrichtung gleichen Abständen a angeordnet, jedoch mit unterschiedlichen Höhen h: die in den Strömungsquerschnitt des Abgasrohres 8 hineinragenden Höhen h der Winglet-Paare 9 wachsen kontinuierlich in Strömungsrichtung P. Damit wird der Wärmeübergang in diesem Rohrabschnitt sukzessive gesteigert. Gleichzeitig wächst der Druckabfall. Der Übergang vom glatten zum nicht glatten Bereich ist somit kontinuierlich. in einer bevorzugten Ausführungsform ist für das Verhältnis h/H ein Bereich von 0,05 ≤ h/H ≤ 0,4 gewählt.
  • In einer erfindungsgemäßen Variante gemäß Fig. 3c sind in einem Rohr 10 Winglet-Paare 11 mit in Strömungsrichtung P abnehmenden Abständen a1, a2, a3 angeordnet. Damit wird der Wärmeübergang, ausgehend von dem glatten Eintrittsbereich 10a, sukzessive erhöht, da die Dichte der Strukturelemente bzw. Winglets 11 größer wird. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung können die Abstände a1, a2, a3 jeweils ein Vielfaches des minimalen Abstandes ax betragen. Letzterer liegt vorteilhaft in einem Bereich von 5 < ax < 50 mm und bevorzugt in einem Bereich von 8 < ax < 30 mm.
  • Fig. 3d zeigt eine vierte Variante, die nicht zur Erfindung gehört für die Anordnung von Strukturelementen mit unterschiedlicher Dichte in einem Abgasrohr 12, welches entsprechend dem Pfeil P von Abgas durchströmbar ist. Der glattwandige Eintrittsbereich 12a ist vergleichsweise zu den vorherigen Ausführungsbeispielen kürzer. Daran schließen sich Winglet-Paare 13 mit in Strömungsrichtung gleichen Abständen, jedoch mit unterschiedlichem Winkel β (Winkel gegenüber Strömungsrichtung P) an. Die Winglets des stromaufwärts gelegenen Winglet-Paares 12 sind fast parallel ausgerichtet (β ≈ 0), während der von den Winglets gebildete Winkel β des stromabwärts gelegenen Winglet-Paares 13 ca. 45 Grad beträgt. Die dazwischen liegenden Winglet-Paare 13 weisen entsprechende Zwischenwerte auf, so dass die Wärmeübergangszahl für die Innenwand des Abgasrohres 13 infolge der zunehmenden Spreizung der Winglets in Strömungsrichtung wächst, und zwar kontinuierlich bzw. in kleinen Schritten. Der Winkel β liegt vorteilhaft in einem Bereich von 20° < β < 50°
  • Fig. 3e zeigt eine andere erfindungsgemäße Variante mit einem Abgasrohr 30, einem glattwandigen Bereich 30a und daran anschließenden Reihen von parallel zueinander angeordneten Winglets 31, welche jeweils mit der Strömungsrichtung P einen Winkel β bilden. Die Reihen weisen in Strömungsrichtung P abnehmende Abstände a1, a2, a3 auf, wobei der Winkel β der Winglets 31 von Reihe zu Reihe das Vorzeichen wechselt.
  • Bei aiien Rohren ist vorzugsweise am Rohranfang und am Rohrende ein glatter Bereich ohne Strukturelemente belassen, damit bei einer Ablängung der Röhre eine saubere Trennstelle herstellbar ist.
  • Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört, für einen Strömungskanal 14, welcher entsprechend dem Pfeil P von einem Strömungsmedium angeströmt wird - hierbei kann es sich beispielsweise um ein flüssiges Kühlmittel oder auch um Ladeluft handeln. Die Außenseite des Strömungskanal, 14 kann durch ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium gekühlt werden. Der Strömungskanal 14 weist einen glattwandigen Eintrittsbereich 14a auf, an welchen sich in Strömungsrichtung P ein erster mit Innenrippen 15 versehener Bereich 14b und daran ein weiterer berippter Bereich 14c anschließt. Die Bereiche 14b und 14c weisen eine unterschiedliche Rippendichte auf - im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rippendichte im stromabwärts gelegenen Bereich 14c doppelt so groß wie im stromaufwärts gelegenen Bereich 14b, da zwischen den durchgehenden Rippen 15 weitere Rippen 16 angeordnet sind. Damit wird ebenfalls eine Erhöhung des Wärmeüberganges erreicht, und zwar in Stufen von 14a über 14b nach 14c.
  • Fig. 5 zeigt als ein weiteres Ausführungsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört, einen Gasströmungskanal, in welchem eine Stegrippe 17 mit variabler Längsteilung t1, t2, t3, t4, t5 angeordnet ist. In der zeichnerischen Darstellung ist t1 > t2 > t3 > t4 > t5, d. h. der Wärmeübergang nimmt von t1 nach t5, d. h. in Strömungsrichtung P zu. Stegrippen werden insbesondere bei Ladeluftkühlern eingesetzt und sind vorzugsweise mit den Rohren verlötet. Bei einer vorteilhaften Ausführung weist das Verhältnis der kleinsten Teilung tx zur Kanalhöhe H einen Grenzwert von 0,3 < tx/H auf.
  • Fig. 6 zeigt auch ein Ausführungsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört, einen Gasströmungskanal, in welchem eine Stegrippe 18 mit variablen Anstellwinkeln α1, α2, α3... αx angeordnet ist. Vorteilhafte Anstellwinkel liegen im Bereich von 0 < α < 30°.
  • Fig. 7 zeigt als ein Ausführungsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört, einen Gasströmungskanal, in welchem eine Stegrippe 19 mit variabler Querteilung q1, q2, q3... q6 angeordnet ist, wobei der Wärmeübergang mit kleiner werdender Querteilung von q1 in Richtung q6. d. h. in Strömungsrichtung P steigt. Vorteilhafte Bereiche für die Querteilung q sind 8 > q > 1 mm und bevorzugt 5 > q > 2mm.
  • Fig. 8 zeigt in einem Gasströmungskanal eine in Strömungsrichtung P gewellte (tiefengewellte) Innenrippe 20 mit variabler Teilung t1, t2, t3, t4 - der Wärmeübergang steigt hier in Richtung kleiner werdender Teilung t. Vorteilhafte Bereiche für die Teilung t sind 10 < t < 50 mm.
  • In Abwandlung der dargestellten Ausführungsbeispiele kann eine Variation des Wärmeüberganges im Strömungskanal auch durch weitere aus dem Stand der Technik bekannte Mittel erreicht werden, beispielsweise durch Anordnung von Kiemen oder Fenstern in den Rippen. Darüber hinaus können andere Formen von Strukturelementen zur Wirbelerzeugung bzw. zur Erhöhung des Wärmeüberganges gewählt werden. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Abgaswärmeübertrager beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Ladeluftkühler, deren Rohre von heißer Ladeluft durchströmt werden, sowie generell auf Gasströmungskanäle, welche als Rohre eines Rohrbündelwärmeübertragers oder als Scheiben eines Scheibenwärmeübertragers ausgebildet sein können.

Claims (25)

  1. Wärmeübertrager mit mindestens einem von einem Strömungsmedium von einem Eintritts- bis zu einem Austrittsquerschnitt durchströmbaren, eine Innen- und eine Außenseite aufweisenden Strömungskanal, welcher auf der Innenseite Strukturelemente zur Erhöhung des Wärmeüberganges aufweist, wobei die Strukturelemente (7, 9, 11, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 31) in Strömungsrichtung (P) variabel angeordnet und/oder ausgebildet sind, derart, dass der Strömungskanal (6, 8, 10, 12, 14, 30) auf der Innenseite einen variablen und in Strömungsrichtung (P) zunehmenden Wärmeübergang aufweist, wobei die Dichte der Strukturelemente (11; 15, 16; 19; 31) variabel und in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist, die Strukturelemente als Wirbelerzeuger, so genannte Winglets (7, 9, 11, 13, 31), ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (11, 31) in Reihen angeordnet sind und mit der Strömungsrichtung (P) einen Winkel (β) bilden, wobei der Winkel (β) für benachbarte Winglets gleiches oder entgegengesetztes Vorzeichen aufweist und die Winglets (11, 31) in Reihen quer zur Strömungsrichtung (P) angeordnet sind und dass die Reihen einen in Strömungsrichtung variablen und abnehmenden Abstand (a1, a2, a3...ax) aufweisen.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (9, 11, 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 31) einen Strömungswiderstand gegenüber dem Strömungsmedium aufweisen und derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass der Druckabfall im Strömungskanal (8, 10, 12, 14) variabel, insbesondere im Eintrittsbereich (6a, 8a, 10a, 12a, 14a, 30a) minimal ist.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (6, 8, 10, 12, 14, 30), ausgehend vom Eintrittsquerschnitt, einen glattwandigen Abschnitt (6a, 8a, 10a, 12a, 14a, 30a) ohne Strukturelemente aufweist.
  4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der glattwandige Abschnitt (6a, 8a, 10a, 12a, 14a, 30a) in Strömungsrichtung (P) eine Länge L aufweist, wobei L ≤ 100 mm ist.
  5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente als Innenberippung, Innenrippen (15, 16, 20), Stegrippen (17, 18, 19) und/oder Turbulenzeinlagen ausgebildet und insbesondere in die Strömungskanäle eingelötet sind.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (13, 31) mit der Strömungsrichtung (P) einen Winkel β bilden, welcher variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
  7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β einen Bereich von 20° < β < 50° aufweist.
  8. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (9) eine in die Strömung hineinragende Höhe (h) aufweisen, welche variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
  9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (8) eine Höhe H und das Verhältnis von h/H einen Bereich von 0,05 ≤ h/H ≤ 0,4 aufweist.
  10. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Abstand ax einen Bereich von 5 < ax < 50 mm, insbesondere einen Bereich von 8 < ax < 30 mm aufweist.
  11. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a1, a2, a3...) der Reihen ein (ganzzahliges) Vielfaches des kleinsten Abstandes ax ist.
  12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am stromaufwärtigen und am stromabwärtigen Ende eines Strömungskanals ein glatter Bereich (ohne Strukturelemente) als Trennstelle belassen ist.
  13. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 12 als Abgaswärmeübertrager, wobei die Strömungskanäle als von Abgas durchströmbare und von einem Kühlmittel umströmbare Abgasrohre (6, 8, 10, 12, 30) ausgebildet sind.
  14. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente, insbesondere die Innenrippen (15, 16) eine Rippendichte aufweisen, die in Strömungsrichtung variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
  15. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippendichte in Stufen (14b, 14c) zunimmt.
  16. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegrippe (17) eine variable Längsteilung (t1, t2, t3, t4, t5... tx) aufweist.
  17. Wärmeübertrager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Längsteilung tx einen Grenzwert tx > 0,3 H aufweist, wobei H die Kanalhöhe ist.
  18. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegrippe (18) einen variablen Anstellwinkel (α1, α2, α3... αx) aufweist, wobei der Anstellwinkel vorzugsweise im Bereich von 0 < α < 30° liegt.
  19. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegrippe (19) eine variable Querteilung (q1, q2, q3... qx) aufweist.
  20. Wärmeübertrager nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Querteilung q einen Bereich von 8 > q > 1 mm, vorzugsweise 5 > q > 2 mm aufweist.
  21. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippe (20) eine Längswellung mit variabler Teilung (t1, t2, t3, t4) aufweist.
  22. Wärmeübertrager nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung t der Innenrippe (20) einen Bereich von 10 < t < 50 mm aufweist.
  23. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle als Rohre, insbesondere als Rohre eines Rohrbündels ausgebildet sind.
  24. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle als Scheiben, insbesondere als Scheiben eines Scheibenpaketes ausgebildet sind.
  25. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 14 bis 24 als Ladeluftkühler zur Kühlung von Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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