EP2185884B1 - Rippe für einen wärmetauscher - Google Patents
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- EP2185884B1 EP2185884B1 EP08784947A EP08784947A EP2185884B1 EP 2185884 B1 EP2185884 B1 EP 2185884B1 EP 08784947 A EP08784947 A EP 08784947A EP 08784947 A EP08784947 A EP 08784947A EP 2185884 B1 EP2185884 B1 EP 2185884B1
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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
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- 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.
- ribs in fluid-flow channels are provided to improve the heat exchanger performance.
- Such ribs may be formed, for example, as smooth ribs, gill ribs or ribbed ribs.
- Web ribs show a particularly significant improvement in the heat exchange performance given the size, but also mean an often undesirably large pressure drop across the flow channel.
- Web ribs are used inter alia in intercoolers of motor vehicles, and mainly on the side of the charge air.
- DD 0 152 187 describes a strip-shaped tube installation element for shell and tube heat exchangers in the petrochemical industry, in which trapezoidal louvers are provided for generating turbulence.
- the louvers have a variable width in the direction of flow, the lugs being bent out of the strip by an angle of greater than 30 ° about a longer of two parallel edges of the trapezoid.
- the JP 63-025492 reveals exhibitions of a sheet produced by cutting.
- the first edge, end edges of the side walls and a second straight edge of the wall form a rectangle oriented perpendicular to the flow direction and permeable by the first fluid.
- a long side of the rectangle corresponds to the first edge and has a length which is approximately five times the length of a short side of the rectangle.
- the length of the tab surface in the flow direction is approximately eight times the length of the short sides of the rectangle.
- the leaching is preferably formed mirror-symmetrically with respect to a central plane of symmetry and further preferably, a width of the tab surface decreases with increasing distance from the first edge.
- an opposite with respect to the first edge end of the tab surface has a smallest width, wherein the smallest width is advantageously not more than a tenth, in particular about one-twelfth of the length of the first edge.
- the curvature of one of the side walls in its course also has at least one point of inflection with respect to the direction of curvature.
- the inclination of the tab surface relative to the wall surface is approximately in a preferred embodiment seven degrees. Overall, this is a hood-like leaching provided with very low pressure drop with good heat transfer of the air flowing through, as has been shown by experiments.
- the shape of the tab surface starting from the first edge has approximately the parameterization [0; 2,500], [0.805; 2,470], [1.610; 2,290], [2,420; 1,910], [3,220; 1.540], [4.030; 1,210], [4,840; 0.980], [5.640; 0.780], [6.440; 0.590], [7.240; 0.400], [8.050; 0.210].
- This parameterization is to be understood such that the first value in each case indicates the distance from the first edge and the second value in each case the distance from a central axis of symmetry to one of the two mirror-symmetrical side walls.
- This parameterization corresponds, except for a significant scaling factor, to the shape of the air intake described in the NACA RM A9L29 report.
- the rib in the flow direction on several consecutively arranged leaching resulting in particular in long ribs a meaningful arrangement for the purpose of multiple deflection of the air over the ribs. Otherwise, the air flow would be influenced only over part of the rib in an advantageous manner by the leaching.
- At least two latches are provided with different opening direction.
- the invention further relates to a heat exchanger with at least one rib according to the invention according to one of claims 1 to 12.
- FIG. 1 shown embodiment of the invention comprises a rib 1 made of a multi-bent aluminum sheet. Between two parallel wall surfaces 1a, a flow channel 2 is formed through which flows a first fluid of the heat exchanger, in this case air, in the direction of the arrow A or in the opposite direction according to the arrow A '.
- the heat exchanger is constructed such that a plurality of the ribs 1 are arranged side by side to form parallel adjacent flow channels 2.
- Above and below the ribs 1 exchanger tubes or partitions (not shown) which delimit a second fluid, surface connected to the ribs 1.
- the tab surface 4 has a first straight edge 5, which extends perpendicular to the flow direction A, A 'and parallel to the wall surface 1a.
- the wall surface 1a is a congruent to the tab surface recess with a second straight edge 6 is present.
- the tab surface 4 is connected to the wall surface 1a of the rib by way of two curved side walls 7, 8, which are arranged mirror-symmetrically with respect to each other in relation to an axis of symmetry S of the flap.
- the side walls 7, 8 of the Auslaschung are perpendicular to the wall surface 1a of the rib 1. According to the inclination of the tab surface 4, the height of the side walls 7, 8 in the flow direction A to or in the reverse, also possible flow direction A 'from.
- the rectangle 9 has an aspect ratio of 1: 5, with the long sides of the rectangle formed by the first and second straight edges 5, 6.
- the curved, mutually mirror-symmetrical side walls 7, 8 have in the flow direction A at their beginning first a smallest distance from each other, wherein the distance over the length L of the tab surface grows monotonously. Both at the beginning of their course as well as at the end of the side walls are approximately parallel to the axis of symmetry S, so that they meet at the end of their course approximately perpendicular to the first and second straight edge 5, 6 (see Fig. 2 ).
- the length L of the tab surface 4 is approximately eight times the height maximum height of the side walls 7, 8.
- the first digit of a coordinate pair [x; y] the distance in the direction of the axis of symmetry S, starting from the first edge 6, ie opposite to the flow direction A.
- the second digit y describes at this point the vertical distance of a side wall of the axis of symmetry S.
- the sidewalls 7, 8 have a maximum height of about 1.0, and the maximum width B of the tab surface 4 that extends along the first straight edge is 5.0.
- the air flowing through the flow channel 2 along the wall surface 1a can pass through the opening 9, being both swirled and exchanged with an adjacent flow channel. Due to the rising course of the tab surface and the curved diverging side walls a flow dynamic particularly favorable shape is achieved, which achieves a good heat exchange at low pressure drop.
- Fig. 3 a development of the rib according to the invention is shown, in which a plurality of louvers 3 are arranged one after the other in the flow direction. Two successive lapses are reversed in terms of their opening direction in the wall surface 1a, that is, alternately formed. As a result, a uniform and optimal turbulence of the air is achieved, especially with long flow channels 2.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Es sind Wärmetauscher bekannt, bei denen zur Verbesserung der Tauscherleistung Rippen in fluiddurchströmten Kanälen vorgesehen sind. Solche Rippen können zum Beispiel als Glattrippen, Kiemenrippen oder auch als Stegrippen ausgebildet sein. Im ersten Fall wird aufgrund der weitgehend laminaren Strömung eine nur relativ kleine Verbesserung der Tauscherleistung erreicht, wobei aber auch der durch die Rippen bedingte Druckabfall des Fluids verhältnismäßig gering ist. Stegrippen zeigen eine besonders deutliche Verbesserung der Tauscherleistung bei gegebener Baugröße, bedeuten aber auch einen oft unerwünscht großen Druckabfall über den Strömungskanal. Stegrippen kommen unter anderem in Ladeluftkühlern von Kraftfahrzeugen zum Einsatz, und zwar vorwiegend auf der Seite der Ladeluft.
-
DD 0 152 187 - Die
JP 63-025 492 - Der Forschungsbericht ("Research Memorandum") Nummer RM A9L29 des National Advisory Comittee for Aeronautics (NACA), Washington, USA, vom 23. Februar 1950 beschreibt einen versenkten Lufteinlass für Tragflächen von Flugzeugen, die in einem Geschwindigkeitsbereich von Mach 0,6 bis Mach 1,08 in ihrem Strömungsverhalten untersucht wurden.
- Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Rippe für einen Wärmetauscher anzugeben, deren Wärmeübergang bei gegebenem Druckabfall verbessert ist.
- Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die zwei spiegelsymmetrisch zueinander gekrümmt verlaufende Seitenwände der Auslaschung, die senkrecht zur Wandfläche orientiert sind und ausgehend von der ersten Kante eine der Neigung der Laschenfläche entsprechend abnehmende Höhe aufweisen, wird eine verbesserte Strömung der Luft im Bereich der Auslaschung erzielt, durch die bei gegebenem Druckabfall eine größere Wärmemenge zwischen Luft und Rippe übertragen wird.
- In einer bevorzugten Weiterbildung formen die erste Kante, endseitige Kanten der Seitenwände und eine zweite gerade Kante der Wandung ein senkrecht zur Strömungsrichtung orientiertes, von dem ersten Fluid durchströmbares Rechteck aus. Bevorzugt entspricht eine lange Seite des Rechtecks der ersten Kante und hat eine Länge, die etwa dem fünffachen der Länge einer kurzen Seite des Rechtecks entspricht. Besonders vorteilhaft beträgt die Länge der Laschenfläche in Strömungsrichtung etwa das Achtfache der Länge der kurzen Seiten des Rechtecks. Die Auslaschung ist dabei bevorzugt spiegelsymmetrisch bezüglich einer zentralen Symmetrieebene ausgebildet und weiterhin bevorzugt verringert sich eine Breite der Laschenfläche mit zunehmendem Abstand von der ersten Kante. Dabei hat ein bezüglich der ersten Kante entgegengesetztes Ende der Laschenfläche eine kleinste Breite, wobei die kleinste Breite vorteilhaft nicht mehr als ein Zehntel, insbesondere etwa ein zwölftel der Länge der ersten Kante beträgt. Die Krümmung einer der Seitenwände in ihrem Verlauf hat zudem zumindest einen Wendepunkt bezüglich der Krümmungsrichtung. Die Neigung der Laschenfläche gegenüber der Wandfläche beträgt in bevorzugter Ausgestaltung etwa sieben Grad. Insgesamt ist hierdurch eine hutzenartige Auslaschung mit besonders geringem Druckabfall bei guter Wärmeübertragung der durchströmenden Luft bereitgestellt, wie sich durch Versuche gezeigt hat.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Form der Laschenfläche ausgehend von der ersten Kante in etwa die Parametrisierung [0; 2,500], [0,805; 2,470], [1,610; 2,290], [2,420; 1,910], [3,220; 1,540], [4,030; 1,210], [4,840; 0,980], [5,640; 0,780], [6,440; 0,590], [7,240; 0,400], [8,050; 0,210]. Diese Parametrisierung ist so zu verstehen, dass der erste Wert jeweils den Abstand von der ersten Kante angibt und der zweite Wert jeweils den Abstand von einer zentralen Symmetrieachse zu einer der beiden spiegelsymmetrischen Seitenwände. Diese Parametrisierung entspricht - bis auf einen erheblichen Skalierungsfaktor- der Form des in dem Bericht RM A9L29 der NACA beschriebenen Lufteinlasses.
- Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Rippe in Strömungsrichtung mehrere nacheinander angeordnete Auslaschungen auf, was insbesondere bei langen Rippen eine sinnvolle Anordnung zum Zweck der mehrfachen Umlenkung der Luft über die Rippenstrecke ergibt. Andernfalls würde die Luftströmung nur über einen Teil der Rippe auf vorteilhafte Weise durch die Auslaschung beeinflusst.
- Weiterhin vorteilhaft sind in der Wandfläche zumindest zwei Auslaschungen mit unterschiedlicher Öffnungsrichtung vorgesehen. Durch eine solche alternierende Anordnung der Öffnungsrichtung der Auslaschungen kann der Wärmeaustausch mit der strömenden Luft besonders gleichmäßig auf beiden Seiten der Rippe erfolgen.
- Die Erfindung betrifft zudem einen Wärmetauscher mit zumindest einer erfindungsgemäßen Rippe nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
- Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
- Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt eine räumliche Darstellung eines ersten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Rippe.
- Fig. 2
- zeigt eine maßstabsgerechte Draufsicht auf eine Auslaschung ei- ner erfindungemäßen Rippe von oben.
- Fig. 3
- zeigt eine räumliche Darstellung eines zweiten Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Rippe.
- Das in
Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Rippe 1 aus einem mehrfach umgebogenen Aluminiumblech. Zwischen zwei parallelen Wandflächen 1a ist ein Strömungskanal 2 ausgebildet, durch den ein erstes Fluid des Wärmetauschers, vorliegend Luft, in Richtung des Pfeils A oder auch in der entgegengesetzten Richtung gemäß dem Pfeil A' strömt. Der Wärmetauscher ist so aufgebaut, dass mehrere der Rippen 1 unter Ausbildung paralleler benachbarter Strömungskanäle 2 nebeneinander angeordnet sind. Oberhalb und unterhalb der Rippen 1 sind Tauscherrohre oder Trennwände (nicht dargestellt), die ein zweites Fluid abgrenzen, flächig mit den Rippen 1 verbunden. - In zumindest einer der Seitenwände 1a der Rippe 1 ist eine Auslaschung 3 mit einer glatten und gegenüber der Seitenwand 1a geneigten Laschenfläche 4 angeordnet. Der Neigungswinkel beträgt etwa 7°.
- Die Laschenfläche 4 hat eine erste gerade Kante 5, die sich senkrecht zu der Strömungsrichtung A, A' und parallel zu der Wandfläche 1a erstreckt.
- In der Wandfläche 1a ist eine zu der Laschenfläche deckungsgleiche Ausnehmung mit einer zweiten geraden Kante 6 vorhanden. Die Laschenfläche 4 ist dabei über zwei gekrümmt verlaufende, zu einer Symmetrieachse S der Auslaschung zueinander spiegelsymmetrisch angeordnete Seitenwände 7, 8 mit der Wandfläche 1a der Rippe verbunden. Die Seitenwände 7, 8 der Auslaschung stehen senkrecht auf die Wandfläche 1a der Rippe 1. Entsprechend der Neigung der Laschenfläche 4 nimmt die Höhe der Seitenwände 7, 8 in Strömungsrichtung A zu bzw. in der umgekehrten, ebenfalls möglichen Strömungsrichtung A' ab. Endseitig sind dabei Kanten 7a, 8a maximaler Höhe der Seitenwände 7, 8 ausgebildet, die in einer Ebene mit der ersten geraden Kante 5 der Laschenfläche und der zweiten geraden Kante 6 der Wandfläche 1a liegen, wobei die vier Kanten 5, 6, 7a, 8a eine rechteckige, senkrecht auf die Wandfläche 1a stehende Durchbrechung bzw. Öffnung 9 ausbilden. Das Rechteck 9 hat ein Seitenverhältnis von 1:5, wobei die langen Seiten des Rechtecks durch die erste und zweite gerade Kante 5, 6 gebildet sind.
- Die gekrümmten, zueinander spiegelsymmetrischen Seitenwände 7, 8 haben in Strömungsrichtung A an ihrem Anfang zunächst einen kleinsten Abstand voneinander, wobei der Abstand über die Länge L der Laschenfläche monoton wächst. Sowohl zu Beginn ihres Verlaufs als auch zum Ende verlaufen die Seitenwände in etwa parallel zu der Symmetrieachse S, so dass sie zu Ende ihres Verlaufs etwa senkrecht auf die erste und zweite gerade Kante 5, 6 treffen (siehe
Fig. 2 ). - Entsprechend der Steigung von rund 7° beträgt die Länge L der Laschenfläche 4 in etwa das Achtfache der Höhe maximalen Höhe der Seitenwände 7, 8.
- Die Seitenwände 7, 8 ändern auf etwa der Hälfte ihres Verlaufs ihre Krümmungsrichtung, so dass die Krümmung genau eine Wendestelle aufweist. Eine Parametrisierung des Verlaufs der Seitenwände des bevorzugten Ausführungsbeispiels lautet:
- [0; 2,500], [0,805; 2,470], [1,610; 2,290], [2,420; 1,910], [3,220; 1,540], [4,030; 1,210], [4,840; 0,980], [5,640; 0,780], [6,440; 0,590], [7,240; 0,400], [8,050; 0,210].
- Dabei bedeutet die jeweils erste Ziffer eines Koordinatenpaars [x; y] den Abstand in Richtung der Symmetrieachse S ausgehend von der ersten Kante 6, also entgegen der Strömungsrichtung A. Die zweite Ziffer y beschreibt an dieser Stelle den senkrechten Abstand einer Seitenwand von der Symmetrieachse S. In diesen dimensionslosen relativen Einheiten haben die Seitenwände 7, 8 eine maximale Höhe von etwa 1,0 und die maximale Breite B der Laschenfläche 4, die entlang der ersten geraden Kante verläuft, beträgt entsprechend 5,0.
- Durch die vorstehend beschriebene hutzenartige Formgebung der Auslaschung mit einer geneigten Laschenfläche und in Strömungsrichtung ansteigenden Seitenwänden kann die durch den Strömungskanal 2 entlang der Wandfläche 1a strömende Luft durch die Öffnung 9 treten, wobei sie sowohl verwirbelt als auch mit einem benachbarten Strömungskanal ausgetauscht wird. Durch den ansteigenden Verlauf der Laschenfläche und die gebogenen divergierenden Seitenwände ist eine strömungsdynamisch besonders günstige Formgebung erreicht, die einen guten Wärmeaustausch bei geringem Druckabfall erzielt.
- In
Fig. 3 ist eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Rippe dargestellt, bei der mehrere Auslaschungen 3 in Strömungsrichtung nacheinander angeordnet sind. Zwei aufeinander folgende Auslaschungen sind dabei hinsichtlich ihrer Öffnungsrichtung in der Wandfläche 1a umgekehrt, also alternierend, ausgebildet. Hierdurch wird gerade bei langen Strömungskanälen 2 eine gleichmäßige und optimale Verwirbelung der Luft erzielt.
Claims (12)
- Rippe für einen Wärmetauscher, umfassend
einen sich in einer Strömungsrichtung (A, A') eines ersten Fluids erstreckenden Rippenkörper (1) mit einer beidseitig von dem ersten Fluid umströmten Wandfläche (1a),
wobei in der Wandfläche (1a) zumindest eine Auslaschung (3) vorgesehen ist, durch die eine von dem ersten Fluid durchströmbare Durchbrechung (9) der Wandfläche (1a) ausgebildet ist,
wobei eine erste gerade Kante (5) der Auslaschung (3) sich senkrecht zur Strömungsrichtung (A, A') erstreckt und zur Ausbildung der Durchbrechung (9) beabstandet von der Wandfläche angeordnet ist,
wobei die Auslaschung (3) eine geneigte glatte Laschenfläche (4) aufweist, die mit der ersten geraden Kante (5) abschließt, wobei
die Laschenfläche (4) mit der Wandfläche (1a) über zwei spiegelsymmetrisch zueinander gekrümmt verlaufende Seitenwände (7, 8) der Auslaschung (3) verbunden ist, die senkrecht zur Wandfläche (1a) ausgerichtet ist und die ausgehend von der ersten Kante (5) eine der Neigung der Laschenfläche (4) entsprechend abnehmende Höhe aufweisen. - Rippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kante (5), endseitige Kanten (7a, 8a) der Seitenwände und eine zweite gerade Kante (6) der Wandfläche (1a) ein senkrecht zur Strömungsrichtung (A, A') orientiertes, von dem ersten Fluid durchströmbares Rechteck (9) ausformen.
- Rippe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine lange Seite des Rechtecks (9) der ersten Kante (5) entspricht und eine Länge aufweist, die etwa dem fünffachen der Länge einer kurzen Seite (7a, 8a) des Rechtecks entspricht.
- Rippe nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Laschenfläche (4) in Strömungsrichtung (A, A') etwa dem achtfachen der Länge der kurzen Seiten (7a, 8a) des Rechtecks entspricht.
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaschung (3) spiegelsymmetrisch bezüglich einer zentralen Symmetrieachse (S) ausgebildet ist.
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Breite der Laschenfläche (4) mit zunehmendem Abstand von der ersten Kante (5) verringert.
- Rippe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein bezüglich der ersten Kante (5) entgegengesetztes Ende der Laschenfläche eine kleinste Breite aufweist, wobei die kleinste Breite nicht mehr als ein Zehntel, insbesondere etwa ein zwölftel der Länge (B) der ersten Kante (5) beträgt
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung einer der Seitenwände (7, 8) in ihrem Verlauf zumindest einen Wendepunkt bezüglich der Krümmungsrichtung aufweist
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Laschenfläche (4) gegenüber der Wandfläche (1 a) etwa sieben Grad beträgt.
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Laschenfläche (4) ausgehend von der ersten Kante (5) in etwa die Parametrisierung [0; 2,500], [0,805; 2,470], [1,610; 2,290], [2,420; 1,910], [3,220; 1,540], [4,030; 1,210], [4,840; 0,980], [5,640; 0,780], [6,440; 0,590], [7,240; 0,400], [8,050; 0,210] aufweisen, wobei der erste Wert jeweils den Abstand von der ersten Kante (5) angibt und der zweite Wert jeweils den Abstand von einer zentralen Symmetrieachse (S) zu einer Seitenwand (7, 8).
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (1) in Strömungsrichtung mehrere Auslaschungen (3) nacheinander aufweist.
- Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandfläche (1a) zumindest zwei Auslaschungen (3) mit unterschiedlicher Öffnungsrichtung vorgesehen sind.
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