EP1985954A2 - Wärmeübertragungsvorrichtung - Google Patents

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EP1985954A2
EP1985954A2 EP08006157A EP08006157A EP1985954A2 EP 1985954 A2 EP1985954 A2 EP 1985954A2 EP 08006157 A EP08006157 A EP 08006157A EP 08006157 A EP08006157 A EP 08006157A EP 1985954 A2 EP1985954 A2 EP 1985954A2
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EP
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cooled
fluid
channel
ribs
flow
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EP08006157A
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Hans-Jürgen Hüsges
Constantino Brunetti
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Pierburg GmbH
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Pierburg GmbH
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Publication date
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    • F28F3/048—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 ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
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    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction
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    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded

Definitions

  • the invention relates to a heat transfer device, which is composed of a plurality of housing parts, which are interconnected such that at least one of a fluid to be cooled flowed through the channel and at least one of a cooling fluid flow-through channel in heat exchanging contact with each other are arranged, of at least one
  • the housing parts ribs extend into the channel to be cooled by the fluid to be cooled, which are interrupted in the main flow direction of the fluid to be cooled.
  • Such heat exchangers are used for example as a cooler in internal combustion engines. They serve to cool exhaust gases to improve the combustion process or to cool the charge air. It is known to produce heat exchangers from a plurality of die-cast shells arranged one inside the other, with ribs extending from the die-cast shells into the channel through which the fluid to be cooled flows. The shell, from which the ribs extend into the channel through which the fluid to be cooled flows, also serves as a dividing wall between the channel through which the cooling fluid flows and through the channel through which the fluid to be cooled flows.
  • Such a heat transfer device is, for example, in the DE 20 2006 009 464 U1 disclosed.
  • the heat exchanger disclosed herein has an internal coolant channel from which ribs extend into a channel through which exhaust gas flows, for example.
  • the ribs have an elongated shape in the main flow direction of the exhaust gas, are offset in the flow direction to each other and are formed interrupted transversely to the flow direction.
  • the object thus results of providing a heat transfer device in which the heat exchange and thus the cooling capacity are further improved in comparison with known designs and thus, in particular, the cooler efficiency per unit size of the heat transfer device is increased. In particular, unbalanced flows or uneven flow resistance should be compensated.
  • the ribs have a different distance from each other in the cross section of the channel through which the fluid to be cooled can flow, at least in the area of the inlet.
  • the distances between the ribs in the cross section of the channel through which the fluid to be cooled can flow are smaller in regions of higher flow velocities than in regions of lower flow velocities.
  • the smaller distances of the ribs to each other lead to an increased flow resistance, so that the fluid flow selects the path of the lower resistance and thus creates a cross flow in the regions in the main flow direction rib-free areas in which the distance between the ribs is greater and thus a lower flow resistance is present, so that a homogenization of the fluid flow over the cross section is achieved.
  • the channel through which the fluid to be cooled is U-shaped, whereby the fluid flowing into the channel is separated from the fluid flowing out of the channel by a central wall and the spacing of the ribs in cross section at least in the region of the inlet with increasing distance from the middle wall increases.
  • U-shaped coolers it has been found that a concentration of the fluid and thus an increase in the volume flow in the region of the middle wall are followed both by the longer distance to be traveled for the fluid to be cooled in the outer circumferential region and by tendencies to overflow the middle wall. This can be counteracted by the described arrangement with larger distances in the outer region and thus reducing the flow resistance in the outer peripheral region. This increases the radiator efficiency.
  • the spacings of the central axes of the ribs in the cross section of the channel to be cooled by the fluid to be cooled at constant width of the ribs in areas of higher flow velocities are smaller than in areas of lower flow velocities, so that defined strength of the ribs are created and simultaneously influenced by different distances of the flow rate accordingly can be.
  • the width of the ribs in the cross section of the channel to be cooled by the fluid to be cooled at a constant distance of the central axes of the ribs in regions of higher flow velocities is greater than in areas of lower flow velocities.
  • the goal of equalizing the volume flow over the cross section of the heat transfer device and thus improving the cooler efficiency is reliably achieved.
  • the figure shows a plan view of an inner shell of a heat transfer device according to the invention.
  • an inner shell 1 of a heat transfer device is shown, wherein the inner shell 1 has an outer partition 2, via which a flow-through by a fluid to be cooled channel 3 is separated by a channel through which cooling fluid can flow.
  • an outer housing part is arranged around the inner shell 1 around in a known, but not shown manner, so that a coolant jacket is formed around the inner shell 1.
  • inner shell 1 is usually carried out in two parts, so that the visible here by the fluid to be cooled channel 3 is closed, for example, by a cover part and is separated by the cover part, the partitions 2 and a partition made jointly with the bottom part 4 from the cooling jacket.
  • cover part for example, by a cover part and is separated by the cover part, the partitions 2 and a partition made jointly with the bottom part 4 from the cooling jacket.
  • the inner shell 1 of the heat transfer device shown here is flowed through in a U-shape by the fluid to be cooled, so that the inner shell 1 has an inlet 5 and an outlet 6, which are separated from one another by a middle wall 7.
  • This middle wall 7 at least largely prevents overflow from the inlet 5 directly to the outlet 6 over its extension length.
  • This middle wall 7 is arranged slightly obliquely to the partition wall 2, wherein in the region of the outlet 6 by a cross-sectional reduction is a higher flow velocity than in known heat exchangers, which leads to an improved heat transfer in the outlet. This higher velocity also reduces the thickness of the insulating boundary layer, which also improves the heat transfer.
  • the pressure loss at the inlet 5 is reduced by the larger existing cross section through the inclination of the center wall 7. It finds Thus, an optimization between the increasing pressure at increasing speed and the improvement of the cooling capacity with increasing flow velocity instead.
  • ribs 8 are arranged which extend vertically from the bottom part 4 or cover part of the inner shell 1 into the channel 3. In this way, the heat transfer from the outside coolant flowing through channel can be significantly improved in the channel 3 can be traversed by the fluid to be cooled.
  • the ribs 8 have a shape interrupted in the main flow direction X-X from the inlet 5 to the outlet 6 and are thus arranged in rows one behind the other. In addition, each row of ribs 8 is offset from the row behind and behind it.
  • the fluid to be cooled in the course of the flow through the channel 3 can be distributed differently over the width of the channel 3 and is not set according to the inflow to a certain cross-sectional area compared to solid ribs.
  • the flow resistance across the width can also be selectively changed by the choice of the different distances of the ribs 8 adapted to the present inflow conditions, whereby after a relatively short inlet section an almost constant volume flow across the width of the heat transfer device can be achieved. This leads to an improved efficiency of the heat transfer device.

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Abstract

Viele Wärmeübertragungsvorrichtungen weisen aufgrund unsymmetrischer Anströmungen oder ungleichmäßiger Strömungswiderstände relativ schlechte Kühlerwirkungsgrade auf. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, bei Wärmeübertragungsvorrichtungen aus mehreren Gehäuseteilen im vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal (3) unterbrochene Rippen (8) so anzuordnen, dass über den Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals (3) ein unterschiedlicher Abstand der Rippen (8) zueinander vorhanden ist, wodurch unterschiedliche Strömungswiderstände oder ungleichmäßige Anströmungen derart ausgeglichen werden sollen, dass über die gesamte Breite gleichmäßige Volumenströme geschaffen werden. Hierdurch kann der Kühlerwirkungsgrad verbessert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren Gehäuseteilen aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Kanal in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest einem der Gehäuseteile Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken, welche in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen sind.
  • Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise als Kühler in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt. Sie dienen zur Kühlung von Abgasen zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses oder zur Kühlung der Ladeluft. Es ist bekannt, Wärmetauscher aus mehreren ineinander angeordneten Druckgussschalen herzustellen, wobei sich von den Druckgussschalen Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken. Üblicherweise dient die Schale, von der aus sich die Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken, gleichzeitig als Trennwand zwischen dem Kühlfluid durchströmten Kanal und den vom zu kühlenden Fluid durchströmten Kanal.
  • Eine derartige Wärmeübertragungsvorrichtung wird beispielsweise in der DE 20 2006 009 464 U1 offenbart. Der hierin offenbarte Wärmetauscher weist einen innen liegenden Kühlmittelkanal auf, von dem aus sich Rippen in einen beispielsweise von Abgas durchströmten Kanal erstrecken. Die Rippen weisen eine in Hauptströmungsrichtung des Abgases längliche Form auf, sind in Strömungsrichtung versetzt zueinander angeordnet und sind quer zur Strömungsrichtung unterbrochen ausgebildet. Hierdurch kann in den in Hauptströmungsrichtung gesehen nicht mit Rippen bestückten Bereichen ein Austausch des zu kühlenden Fluides quer zur Hauptströmungs-Obwohl ein derartiger Wärmetauscher insbesondere aufgrund seiner Rippenform bereits einen relativ guten Kühlungsgrad aufweist, wird dieser durch unsymmetrische Anströmungen oder ungleichmäßige Strömungswiderstände verringert.
  • Es ergibt sich somit die Aufgabe, eine Wärmeübertragungsvorrichtung bereitzustellen, bei der der Wärmeaustausch und somit die Kühlleistung im Vergleich zu bekannten Ausführungen weiter verbessert wird und somit insbesondere der Kühlerwirkungsgrad pro Größeneinheit der Wärmeübertragungsvorrichtung erhöht wird. Hierbei sollen insbesondere unsymmetrische Anströmungen oder ungleichmäßige Strömungswiderstände ausgeglichen werden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Rippen im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals zumindest im Bereich des Einlasses einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen. Durch diese unterschiedlichen Abstände der Rippen über die Breite der Wärmeübertragungsvorrichtung werden unterschiedliche Strömungswiderstände geschaffen, so dass auch bei ungleichmäßiger Einleitung des Abgases in den Abgaskühler oder anderen die Strömung konzentrierenden Gegebenheiten gegebenenfalls bereits nach kurzer Distanz ein gleichmäßiger Volumenstrom über den Querschnitt erzielt werden kann, wodurch sich insgesamt eine Homogenisierung des Abgasstroms einstellt.
  • So ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Abstände zwischen den Rippen im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner sind als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten. Die kleineren Abstände der Rippen zueinander führen zu einem erhöhten Strömungswiderstand, so dass sich der Fluidstrom den Weg des geringeren Widerstandes wählt und somit in den in Hauptströmungsrichtung rippenfreien Bereichen eine Querströmung in die Bereiche entsteht, in denen der Abstand zwischen den Rippen größer ist und somit ein geringerer Strömungswiderstand vorliegt, so dass eine Vergleichmäßigung des Fluidstromes über den Querschnitt erreicht wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal U-förmig ausgebildet, wobei das in den Kanal einströmende Fluid vom aus dem Kanal ausströmenden Fluid durch eine Mittelwand getrennt ist und der Abstand der Rippen im Querschnitt zumindest im Bereich des Einlasses mit steigendem Abstand von der Mittelwand zunimmt. Bei derartigen U-förmigen Kühlern hat sich herausgestellt, dass sowohl durch die längere für das zu kühlende Fluid zurückzulegende Strecke im außen liegenden Umfangsbereich als auch durch Tendenzen zum Überströmen der Mittelwand eine Konzentration des Fluids und somit Erhöhung des Volumenstroms im Bereich der Mittelwand folgt. Dem kann durch die beschriebene Anordnung mit größeren Abständen im äußeren Bereich und somit Verringerung der Strömungswiderstände im äußeren Umfangsbereich entgegengewirkt werden. Hierdurch steigt der Kühlerwirkungsgrad.
  • Vorzugsweise sind die Abstände der Mittelachsen der Rippen im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals bei konstanter Breite der Rippen in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten, so dass definierte Festigkeiten der Rippen geschaffen werden und gleichzeitig durch unterschiedliche Abstände der Volumenstrom entsprechend beeinflusst werden kann.
  • In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist die Breite der Rippen im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals bei konstantem Abstand der Mittelachsen der Rippen in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten größer als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten. Dies bedeutet, dass der tatsächliche Abstand zwischen den Rippenwänden mit wachsender Breite der Rippen abnimmt und somit die Abstände zur Mittelachse konstant gehalten werden können, was je nach Art der Fertigung einer derartigen Wärmeübertragungsvorrichtung vorteilhaft sein kann.
  • Durch alle bevorzugten Ausführungen wird zuverlässig das Ziel der Vergleichsmäßigung des Volumenstroms über den Querschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung und somit eine Verbesserung des Kühlerwirkungsgrades erreicht.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
  • Die Figur zeigt eine Draufsicht auf eine Innenschale einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung.
  • In der Figur ist eine Innenschale 1 einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsvorrichtung dargestellt, wobei die Innenschale 1 eine außen liegende Trennwand 2 aufweist, über welche ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal 3 von einem von Kühlfluid durchströmbaren Kanal getrennt ist. Hierzu ist in bekannter, jedoch nicht dargestellter Weise ein äußeres Gehäuseteil um die Innenschale 1 herum angeordnet, so dass ein Kühlmittelmantel um die Innenschale 1 entsteht.
  • Auch die in Innenschale 1 wird üblicherweise zweiteilig ausgeführt, so dass der hier sichtbare vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal 3 beispielsweise durch ein Deckelteil verschlossen wird und durch das Deckelteil, die Trennwände 2 und ein mit den Trennwänden gemeinsam hergestelltes Bodenteil 4 vom Kühlmantel getrennt ist. Derartige Anordnungen insbesondere bei im Druckgussverfahren hergestellten Wärmeübertragungsvorrichtungen sind allgemein bekannt.
  • Die hier dargestellte Innenschale 1 der Wärmeübertragungsvorrichtung wird vom zu kühlenden Fluid U-förmig durchströmt, so dass die Innenschale 1 einen Einlass 5 sowie einen Auslass 6 aufweist, welche durch eine Mittelwand 7 voneinander getrennt sind. Diese Mittelwand 7 verhindert zumindest weitgehend ein Überströmen vom Einlass 5 direkt zum Auslass 6 über ihre Erstreckungslänge. Diese Mittelwand 7 ist leicht schräg zur Trennwand 2 angeordnet, wobei im Bereich des Auslasses 6 durch eine Querschnittsverringerung eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt als bei bekannten Wärmetauschern, was zu einem verbesserten Wärmeübergang im Auslassbereich führt. Diese höhere Geschwindigkeit verringert auch die Dicke der isolierend wirkenden Grenzschicht, was ebenfalls eine Verbesserung des Wärmeübergangs bewirkt. Der Druckverlust am Einlass 5 wird durch den größeren vorhandenen Querschnitt durch die Schrägstellung der Mittelwand 7 reduziert. Es findet somit eine Optimierung zwischen dem bei steigender Geschwindigkeit steigenden Druckverlust und der Verbesserung der Kühlleistung bei steigender Strömungsgeschwindigkeit statt.
  • Im vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 3 sind Rippen 8 angeordnet, welche sich vom Bodenteil 4 bzw. Deckelteil der Innenschale 1 senkrecht in den Kanal 3 erstrecken. Hierdurch kann der Wärmeübergang vom außen liegenden Kühlfluid durchströmten Kanal in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal 3 deutlich verbessert werden. Die Rippen 8 weisen eine in Hauptströmungsrichtung X-X vom Einlass 5 zum Auslass 6 unterbrochene Form auf und sind somit in Reihen hintereinander angeordnet. Zusätzlich ist jede Reihe von Rippen 8 versetzt zur dahinter und davor liegenden Reihe angeordnet.
  • Hierdurch kann sich das zu kühlende Fluid im Verlauf der Durchströmung des Kanals 3 über die Breite des Kanals 3 unterschiedlich verteilen und ist im Vergleich zu durchgezogenen Rippen nicht entsprechend der Einströmung auf einen bestimmten Querschnittsbereich festgelegt. Dies wird sich erfindungsgemäß zu Nutze gemacht, in dem der Abstand zwischen den einzelnen Rippen 8 unterschiedlich groß gewählt wird.
  • Aus der Figur wird ersichtlich, dass insbesondere im Bereich des Einlasses 5 von der Mittelwand 7 aus gesehen der Abstand der Rippen 8 zueinander stetig wächst. Es sollte klar sein, dass im innen liegenden Bereich, das bedeutet nahe der Mittelwand 7, der Strömungswiderstand aufgrund der geringeren zurück zu legenden Strecke des Fluids geringer ist als im längeren außen liegenden Bereich. Des Weiteren vergrößert sich der Volumenstrom im Bereich der Mittelwand 7, da Überströmungen dieser Mittelwand 7 nicht vollständig ausgeschlossen werden können. Durch die Vergrößerung der Abstände der Rippen 8 mit wachsender Entfernung von der Mittelwand wird erreicht, dass der Strömungswiderstand im äußeren Bereich geringer ist als in der Nähe der Mittelwand 7. Dies führt zu Querströmungen des Fluids in den Bereich geringeren Widerstandes und somit zum Ausgleich der anderen beschriebenen Phänomene, die zu einer Konzentration des Volumenstromes und somit zu höheren Geschwindigkeiten im Bereich der Mittelwand 7 führen.
  • Des Weiteren ist es häufig notwendig, aufgrund eines nicht exakt zum Einlass symmetrischen Einlaufes, derartige im Eintrittsbereich vorhandene Ungleichmäßigkeiten des Volumenstroms auszugleichen. Zu diesem Zwecke kann ebenfalls, angepasst an die vorliegenden Einströmbedingungen, durch die Wahl der unterschiedlichen Abstände der Rippen 8 der Strömungswiderstand über die Breite gezielt verändert werden, wodurch nach einer relativ kurzen Einlaufstrecke ein beinahe konstanter Volumenstrom über die Breite der Wärmeübertragungsvorrichtung erreichbar ist. Dies führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad der Wärmeübertragungsvorrichtung.
  • Selbstverständlich ist es auch denkbar, bei einer nicht U-förmig durchströmten Wärmeübertragungsvorrichtung vorhandene Volumenstromdifferenzen über die Breite des Kühlers, beispielsweise durch nicht symmetrische Einströmbedingungen, auf diese Weise über genau berechnete Abstände zwischen den Rippen 8 auszugleichen, so dass die Erfindung nicht auf die vorhandene Bauform der Wärmeübertragungsvorrichtung festgelegt ist.
  • Des Weiteren sollte klar sein, dass eine derartige Veränderung des Strömungswiderstandes sowohl durch eine unterschiedlich gewählte Breite der Rippen erreichbar ist, als auch, wie in der Figur dargestellt, durch unterschiedliche Abstände der Mittelachsen der Rippen zueinander.

Claims (5)

  1. Wärmeübertragungsvorrichtung, welche aus mehreren Gehäuseteilen aufgebaut ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass zumindest ein von einem zu kühlenden Fluid durchströmbarer Kanal und zumindest ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Kanal in Wärme austauschendem Kontakt zueinander angeordnet sind, wobei sich von zumindest einem der Gehäuseteile Rippen in den vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanal erstrecken, welche in Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden Fluids unterbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals (3) zumindest im Bereich des Einlasses (5) einen unterschiedlichen Abstand zueinander aufweisen.
  2. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals (3) in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner sind als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten.
  3. Wärmeübertragungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vom zu kühlenden Fluid durchströmbare Kanal (3) U-förmig ausgebildet ist, wobei das in den Kanal (3) einströmende Fluid vom aus dem Kanal (3) ausströmenden Fluid durch eine Mittelwand (7) getrennt ist und der Abstand der Rippen (8) im Querschnitt zumindest im Bereich des Einlasses (5) mit steigendem Abstand von der Mittelwand (7) zunimmt.
  4. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände der Mittelachsen der Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals (3) bei konstanter Breite der Rippen (8) in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten kleiner sind als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten.
  5. Wärmeübertragungsvorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Rippen (8) im Querschnitt des vom zu kühlenden Fluid durchströmbaren Kanals (3) bei konstantem Abstand der Mittelachsen der Rippen (8) in Bereichen höherer Strömungsgeschwindigkeiten größer ist als in Bereichen geringerer Strömungsgeschwindigkeiten.
EP08006157A 2007-04-24 2008-03-28 Wärmeübertragungsvorrichtung Withdrawn EP1985954A3 (de)

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