EP3155343B1

EP3155343B1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP3155343B1
Application number: EP15735841.7A
Authority: EP
Inventors: Christian Wüllner
Original assignee: Kelvion GmbH
Current assignee: Kelvion Germany GmbH
Priority date: 2014-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: PL3155343T3; EP3155343A1; CN106662406A; WO2015188812A1; DE102014108209A1; CN106662406B

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Wärmetauscher mit Rippenrohren kommen in der Regel als luftgekühlte Rohrbündelwärmetauscher zum Einsatz, z. B. bei Kraftfahrzeugen ( FR 517 418 A ). Um luftgekühlte Wärmetauscher effizient auszuführen, werden möglichst hohe Wärmedurchgangskoeffizienten angestrebt. Eine Maßnahme zur Steigerung der Wärmeübergangseigenschaften liegt in der Turbulenzerzeugung der Luftströmung an den Rippen. Dabei leiten Turbulatoren den Luftstrom in einer bestimmten Weise um, um den Rippenwirkungsgrad zu verbessern ( DE 596 871 C , CH 385 258 A ). Der Rippenwirkungsgrad ist das Verhältnis des Wärmestroms, den die Rippe tatsächlich abgibt, zu dem idealen Wärmestrom, den die Rippe abgeben würde, wenn sie über ihre gesamte Länge die Rohrtemperatur besäße. Es zählen auch Rippenrohre mit gewellten Rippen zum Stand der Technik, wie beispielsweise durch die EP 2 379 977 B1 . Einen Wärmetauscher mit den Merkmalen der Präambel zeigt die Schrift DE10 2011 050 865 A1 . Der k-Wert, der durch diese Maßnahme verbessert werden soll, ist der Wärmedurchgangskoeffizient als Maß für den Wärmestrom eines Fluides durch einen festen Körper, wie z. B. eine Rohrwandung, in ein zweites Fluid aufgrund eines Temperaturunterschiedes zwischen den Fluiden. Der Wärmestrom Q̇ berechnet sich aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten k multipliziert mit der Fläche des Wärmetauschers A und der mittleren Temperaturdifferenz Δϑm der beiden Fluide, das heißt, zwischen Luft (außen) und Produkt (innen). Gleichzeitig muss bei zwangsgekühlten Anlagen elektrische Leistung aufgebracht werden, um die Kühlluft mittels Ventilatoren an den Wärmetauscherrohren und den Rippen vorbeizuführen. Die dazu notwendige elektrische Energie verhält sich proportional zu dem Produkt aus dem Volumenstrom V̇ und dem Druckverlust Δp über den Wärmetauscher: P_el ∼V̇ · Δp. Um die Leistungsaufnahme klein zu halten, werden geringe Druckverluste angestrebt, so dass ein größerer Volumenstrom transportiert werden kann. Ein hoher Volumenstrom bedeutet gleichzeitig auch, dass eine größere Menge kühlerer Luft an den Wärmetauscher herangeführt werden kann.
Der Anmelderin ist aus der eigenen Praxis bekannt, Wärmetauscherrohre in mehreren Reihen hintereinander anzuordnen. Ziel ist es, bei kleinem Bauvolumen eine hohe Wärmeleistung am Wärmetauscher zu übertragen. Hierzu können die Wärmetauscherrohre so hintereinander angeordnet sein, dass sich ein Wärmetauscherrohr in der zweiten Reihe gewissermaßen im Windschatten des Rohrs der ersten Reihe befindet. Die Rohre der aufeinanderfolgenden Reihen sind in diesem Sinne fluchtend angeordnet ( EP 578 568 A1 ). Es ist auch bekannt, die Wärmetauscherrohre unmittelbar aufeinander folgender Reihen zueinander verschoben anzuordnen. Bei der verschobenen Anordnung befinden sich die Anströmflächen der nachgeschalteten Rohrreihen nicht im unmittelbaren Windschatten der Rohre der davor liegenden Rohrreihe ( EP 0 061 873 A2 ).
Um das Bauvolumen eines Wärmetauschers möglichst gering zu halten, wurden bislang möglichst viele Rohre und Rippen auf engem Raum angeordnet. Daher ist die Teilung, d.h. der Abstand, zwischen den Rohren vergleichsweise gering. Zwischen den einzelnen mit Rippen versehenen Rohren bleibt nur ein sehr geringer Spalt, so dass die Rippendichte insgesamt hoch ist. Jedoch ist dann auch der Druckverlust hoch und damit eine erhöhte elektrische Leistung für den Lüfter erforderlich. Es ist auch bekannt, benachbarte Rohre über ihre Verriegelung mechanisch miteinander zu verbinden ( DE 0 401 752 A2 ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, welcher einen deutlich verbesserten k-Wert besitzt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige, nicht selbstverständliche Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst im Querschnitt elliptische Rohre mit äußeren Rippen, wobei mehrere Reihen der Rohre in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Rippen werden von den Rohren durchsetzt. Die Rippen umgeben die Rohre vollständig. Die Rippen besitzen einen Kragen und sind über den Kragen mit den Rohren verbunden.
Die von der Strömung durchsetzte Fläche wird als Ansichtsfläche des Wärmetauschers bezeichnet. Die hintereinander angeordneten Reihen der Rohre verlaufen quer zur Anströmrichtung. Die Rohre aufeinander folgender Reihen sind um einen Querversatz parallel zur vorhergehenden Reihe verschoben, das heißt, quer zur Anströmrichtung. Der Querversatz ist ungleich einem Querteilungsabstand, der ebenfalls quer zur Anströmrichtung gemessen wird. Mit anderen Worten sind die Rohre der aufeinander folgenden Reihen nicht in Anströmrichtung fluchtend angeordnet.
Alternativ sind die innerhalb einer Reihe benachbarten Rohre um einen in Anströmrichtung zu messenden Längsversatz zueinander versetzt angeordnet. Die Rohre können zueinander alternierend versetzt sein, so dass sich gewissermaßen eine zickzack-förmige Reihe ergibt. Der Längsversatz, das heißt, der Versatz in Strömungsrichtung, ist kleiner als ein Längsteilungsabstand. Der Längsteilungsabstand wird zwischen den Rohren aufeinander folgender Reihen gemessen.
Der Längsversatz ist bevorzugt halb so groß wie der Längsteilungsabstand. Dies bezieht sich auf die versetzte Anordnung der innerhalb einer Reihe benachbarten Rohre. Bei der verschobenen Anordnung, bei welcher die Rohrreihen zueinander verschoben sind, ist der Querversatz vorzugsweise halb so groß wie der Querteilungsabstand. Für die Erfindung ist der Querteilungsabstand eine wichtige Größe. Er wird nachfolgend auch kurz als Teilungsabstand bezeichnet.
Bei der Erfindung ist vorgesehen, dass der Querteilungsabstand der Rohre einer Reihe größer ist als die quer zur Ansichtsebene dieser Reihe gemessene mittlere Breite der Rippen, so dass ein Spalt zwischen den Rippen benachbarter Rohre mit dem 0,1 bis 0,5-fachen, insbesondere dem 0,1 - 0,2-fachen der mittleren Breite vorhanden ist. Zusätzlich besitzen die viereckigen Rippen Winglets.
Diese Konstellation aus viereckigen Rippen in Kombination mit den zueinander versetzt angeordneten Rohren, der vorgesehenen mittleren Breite des Spaltes und den Winglets hat überraschender Weise enorm positive Auswirkungen auf die Wärmeübertragungsleistung Q eines solchen Wärmeaustauschers. Es wurde eine Möglichkeit gefunden, den k-Wert zu erhöhen und gleichzeitig die mittlere Temperaturdifferenz Δϑm zu verbessern. Es gibt viele Entwicklungen, bei denen zum Beispiel durch Turbulenzerzeugung an den Rippen eine Wärmeübertragungsverbesserung bewirkt wird. In der Regel haben diese Änderungen zur Folge, dass die treibende Temperaturdifferenz Δϑm verschlechtert wird, immer unter der Maßgabe gleicher elektrischer Energie, die in das System eingebracht werden muss.
Die Vorteile der Erfindung lassen sich am besten dann erkennen, wenn als Zielsetzung eine hohe Wärmetauscherleistung bei niedriger elektrischer Leistung für die Ventilatoren vorausgesetzt wird. Das sind die typischen Anforderungen an Wärmetauscher in industriellen Anwendungen.
Die elektrische Leistung der Ventilatoren ist proportional zu dem Produkt aus Volumenstrom und Druckverlust. Wenn der Druckverlust reduziert werden kann, besteht die Möglichkeit, bei konstanter elektrischer Leistung den Volumenstrom zu erhöhen. Hiervon macht die Erfindung Gebrauch. Der erhöhte Volumenstrom führt allerdings nicht zu einer Reduzierung der mittleren Temperaturdifferenz Δϑm zwischen Luft und dem zu kühlenden Produkt, sondern - im Gegensatz zu anderen Lösungen - zu einer Verbesserung. In Kombinationen mit dem sich ebenfalls verbessernden k-Wert ist die Wärmetauscherleistung signifikant besser als bei Systemen ohne die erfindungsgemäßen Merkmale und bezogen auf dieselbe elektrische Leistung für die Ventilatoren.
Das Ziel einer hohen Wärmetauscherleistung bei niedriger elektrischer Leistung wird durch die Kombination verschiedener Maßnahmen erreicht: Einerseits muss der Teilungsabstand zwischen einander benachbarten Rohren in einer besonderen Art und Weise verändert werden. Die Modifikation des Teilungsabstandes führt zu einer Reduzierung des Druckverlustes zwischen Eingangs- und Ausgangsseite und ermöglicht es, höhere Strömungsgeschwindigkeiten bei niedriger elektrischer Leistung zu fahren. Allein dadurch ergibt sich jedoch keine Verbesserung des Wärmedurchgangskoeffizienten. Es muss hinzukommen, dass die Rohre zueinander versetzt oder verschoben angeordnet sind. Die Erfindung sieht mindestens zwei hintereinanderliegende Reihen von Rippenrohren vor. Der Querversatz ist bevorzugt so gewählt, dass sich die Ansichtsflächen der Rohre möglichst wenig überschneiden. Dadurch liegen die der Ansichtsfläche zugewandten Stirnseiten der Wärmetauscherrohre unmittelbar im Luftstrom und erfahren eine maximale Kühlung. Die Rohre in der ersten Reihe, d. h. in der zuerst angeströmten Reihe, geben Wärme ab, so dass sich die Kühlluft bei einer angenommenen Eintrittstemperatur von 30°C über den Weg der ersten Rippe z. B. auf 45°C erhitzt. Die Temperaturdifferenz Δϑ1 im Bereich der ersten Rippe beträgt in diesem Fall 15°C. Mit dieser Eintrittstemperatur wird dann die nachfolgende Rohrreihe gekühlt. Hier erwärmt sich die Kühlluft beispielsweise von 45°C auf 55°C. Die Temperaturdifferenz Δϑ2 ist dementsprechend von 15°C auf 10°C gefallen, bezogen auf diese Rippenreihe. In einer dritten Reihe wärmt sich die Kühlluft dann beispielsweise noch einmal von 55°C auf 62°C auf. Die Temperaturdifferenz Δϑ3 beträgt lediglich 7°C. Dieses Beispiel zeigt, dass die mittlere Temperaturdifferenz Δϑm zwischen dem zu kühlenden Produkt in den Rohren und der Kühlluft maßgeblich durch die Anordnung und Gestalt der Rippenrohre beeinflusst wird. Auch die Strömungsführung des Produkts hat erheblichen Einfluss auf die mittlere Temperaturdifferenz Δϑm zwischen Produkt und Kühlluft. Insgesamt wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wärmetauschers ein hoher k-Wert bei hoher mittlerer Temperaturdifferenz Δϑm erreicht. Zwar fällt die auf eine einzelne Reihe bezogene Temperaturdifferenz Δϑi naturgemäß mit der Anzahl der aufeinanderfolgenden Rohrreihen ab, allerdings ist die Anordnung der Rohre mit dem Spalt zwischen den Rippen unter Berücksichtigung aller Parameter so günstig für den k-Wert und gleichzeitig für die über alle Rohrreihen gemittelte Temperaturdifferenz Δϑm, dass sich so große Wärmeströme ergeben, dass sogar die Baugröße des Wärmetauschers reduziert werden kann. Somit kann die Effizienzsteigerung den geringeren Materialeintrag, bedingt durch die vergrößerte Spaltbreite, überkompensieren.
Die Rippen des Wärmetauschers sind in ihrer Grundform viereckig. Sie können quadratisch oder rechteckig sein, so dass ihre einander benachbarten Seiten parallel zueinander verlaufen. Die einander benachbarten Seiten können aber auch im Winkel zueinander stehen. Die Rippen können daher auch trapezförmig sein, wobei ihre Breite in Strömungsrichtung zunimmt. Bei trapezförmigen Rippen wird im Rahmen dieser Erfindung von einer mittleren Breite der Rippen bzw. mittleren Spaltbreite gesprochen. Die Breite des Spaltes nimmt bevorzugt in Strömungsrichtung ab. Die Spaltbreite ist aber auch an der engsten Stelle größer als Null und beträgt vorzugsweise mindestens 1,0 mm. Das elliptische Rohr durchsetzt eine mittige Öffnung in der Rippe. Die Längsachse des Rohres liegt im Mittelpunkt der Rippen. Die Rippen sind bevorzugt im Hinblick auf ihre Längsachse und/oder Querachse, die mit der längeren Hauptachse bzw. kürzeren Hauptachse des elliptischen Rohres zusammenfallen, spiegelsymmetrisch. Das minimiert den Fertigungsaufwand.
Ein weiteres wichtiges Element der Erfindung sind die Winglets. Die Winglets können mehreckig, insbesondere viereckig, zum Beispiel trapezförmig sein. Die Winglets können auch dreieckig sein. Bei den Winglets handelt es sich vorzugsweise um Ausstellungen aus dem Rippenmaterial. Diese Ausstellungen führen dazu, dass in unmittelbarer Nachbarschaft der Winglets Öffnungen in den Rippen vorhanden sind, durch welche die Kühlluft strömen kann. Dabei befinden sich diese Öffnungen bevorzugt auf der dem Rohr abgewandten Seite der Winglets. Die Winglets besitzen vorzugsweise eine Höhe in einem Bereich von 60 % bis 100 %, vorzugsweise von 70% bis 100 % des Rippenabstandes eines Rohres. Die Winglets stützen sich nicht unbedingt an der benachbarten Rippe eines Rippenrohres ab, sondern überbrücken diesen Abstand nur zu einem Großteil. Vorzugsweise liegt die Höhe der Winglets in einem Bereich von 60% bis 90%, insbesondere 80% bis 90% des Rippenabstandes. Die Rippenteilung liegt bevorzugt in einem Bereich von 2 mm bis 5 mm, vorzugsweise 3 mm bis 4 mm. Bei diesen Werten haben sich die besten Ergebnisse gezeigt. Die Erfindung sieht sowohl Winglets vor, die materialeinheitlich einstückiger Bestandteil der Rippe sind, also auch Winglets, die als separate Bauteile mit der Rippe verbunden sind. Der Begriff "Winglet" bedeutet daher nicht, dass zwingend auch eine Öffnung neben dem Winglet vorhanden ist, allerdings bevorzugt angeordnet sein kann. Die Winglets stehen bevorzugt senkrecht oder im Rahmen der Fertigungstoleranzen im Wesentlichen senkrecht zu den Rippen. Die Winglets können bei Bedarf aber auch von 90° abweichende Winkel mit der Rippenebene einschließen.
Die Anordnung der Winglets hat ebenfalls Einfluss auf den k-Wert. Die Winglets befinden sich im Eckbereich einer Rippe und in einem Abstand von Längsseiten und Querseiten der rechteckigen Rippen. Jede Rippe besitzt mindestens vier Winglets und insbesondere genau diese vier Winglets.
Die Winglets befinden sich vorzugsweise im Bereich der Diagonalen der viereckigen Rippen, insbesondere in einem Bereich von 40 % bis 80 %, insbesondere 40 % bis 60 % des Abstandes von einer Ecke einer Rippe zum zentralen Rohr, das die Rippe durchsetzt.
Die Winglets besitzen eine Basis, über welche sie mit den Rippen verbunden sind. Die Orientierung der Basis hat ebenfalls Einfluss auf den k-Wert des Wärmetauschers. Vorzugsweise steht die Basis in einem Winkel von 20° bis 50°, insbesondere 20° bis 45°, zur benachbarten Längsseite der Rippe. Insbesondere beträgt der Winkel 30° bis 45°. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Längsseite der Rippe parallel zur Strömungsrichtung liegt. Bei trapezförmigen Rippen ist der Begriff "Längsseite" gleichzusetzen mit der Strömungsrichtung bzw. Mittellängsachse der Rippen. Alle Winglets einer Rippe sind vorzugsweise zu einer einzigen Seite, d.h. derselben Seite der Rippe ausgestellt. Die Winglets sind zum Beispiel gleichschenklige Dreiecke. Sie können für diesen Fall eine Basis besitzen, die vorzugsweise länger ist als die beiden anderen Schenkel des Dreiecks. Das Verhältnis zwischen Länge der Basis und Höhe der Winglets liegt bevorzugt in einem Bereich von 2:1 bis 5:1.
Die Winglets können ebenso viereckig sein. Bei einer Trapezform ist das Winglet über die breitere Basis mit der Rippe verbunden. Seine schmalere Oberseite weist von der Rippe weg. Das Verhältnis zwischen der Länge der Basis und der Höhe der Winglets liegt hierbei in einem Bereich von 2:1 bis 8:1. Vorzugsweise beträgt es 5:1.
Zusätzlich zu den Winglets sind Turbulatoren an den Rippen angeordnet sein, beispielsweise in Form von dreieckigen oder rechteckigen Ausstellungen. Um die Montage des Wärmetauschers zu vereinfachen, sind die Rippen bzgl. ihrer Längsachse spiegelsymmetrisch aufgebaut. Rechteckige Rippen können zusätzlich bezüglich ihrer Längsachse spiegelsymmetrisch sein. Das heißt, in jedem Eckbereich der Rippe befindet sich ein Winglet. Parallel zu den Längsseiten können Turbulatoren in der gewünschten Anzahl angeordnet sein. Es ist im Abstand von jeder Längsseite wenigstens ein Turbulator vorhanden. Die Anzahl der Turbulatoren ist bevorzugt gerade. Die Turbulatoren sind bezüglich der Längsachse der Rippe bevorzugt spiegelsymmetrisch angeordnet, d.h. sie liegen sich paarweise gegenüber. Es sind insbesondere 2 bis 5 Paare, bevorzugt 3 Paare von Turbulatoren.
Die Turbulatoren sind bevorzugt Ausstellungen aus dem Rippenmaterial. Die Ausstellungen führen dazu, dass in unmittelbarer Nachbarschaft der Turbulatoren Öffnungen in den Rippen vorhanden sind, durch welche die Kühlluft strömen kann. Dabei befinden sich diese Öffnungen bevorzugt auf der dem Rohr abgewandten Seite der Turbulatoren. Die Turbulatoren verlaufen bevorzugt in Längsrichtung der Rippe, d.h. parallel zur Längsachse der elliptischen Öffnung. Dadurch ist der Strömungswiderstand gering. Bevorzugt sind die Turbulatoren in voneinander abweichenden Abständen von dem elliptischen Rohr angeordnet. Bevorzugt ist der Abstand eines Turbulators von dem elliptischen Rohr am kleinsten, wenn er auf der mittleren Querachse der Rippe angeordnet ist. Hier hat das Rohr seine größte Breite in Querrichtung. Der wenigstens eine weitere Turbulator, der zwischen dem mittleren Turbulator und dem Winglet angeordnet ist, besitzt sowohl einen größeren Abstand von dem elliptischen Rohr, als auch von der Längsseite des Rippe. Diese weiteren Turbulatoren folgen in ihren Abständen der Kontur des elliptischen Rohrs. Sie befinden sich in Strömungsrichtung betrachtet, d.h. mit Blickrichtung auf die Anströmseite der Rippe, zwischen zwei in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden Winglets. Die Turbulatoren bewirken, dass von dem Rohr bereits erwärmte Luftströmung nicht ungehindert quer abströmen kann, sondern entlang der elliptischen Kontur geführt wird. Abströmseitig trifft die von den Turbulatoren geleitete Strömung auf die Winglets, welche die Strömung ebenfalls in Richtung zum Rohr hin umleiten. Die Turbulatoren stehen bevorzugt senkrecht oder im Rahmen der Fertigungstoleranzen im Wesentlichen senkrecht zu den Rippen. Die Turbulatoren können bei Bedarf aber auch von 90° abweichende Winkel mit der Rippenebene einschließen.
Neben der Form der Winglets hat auch die Form der Rippen einen Einfluss auf den k-Wert. Die rechteckigen Rippen können ein Seitenverhältnis von 1 : 1 bis 3 : 1, vorzugsweise von 3:2 bis 3:1 aufweisen. Das heißt, dass die Rippen im Extremfall quadratisch sind. Die Rechteckform wird wegen der elliptischen Rohre bevorzugt. Die bevorzugt längeren Längsseiten einer solchen Rippe weisen in Strömungsrichtung. Die Querseiten stehen senkrecht zur Strömungsrichtung.
Die Spaltbreite des Spaltes zwischen den Rippen einer Reihe beträgt vorzugsweise 10% bis 45%, bevorzugt 15% bis 45% der mittleren Breite der Rippen. Insbesondere beträgt die Spaltbreite 10 % bis 30 %, vorzugsweise 15% bis 30% der mittleren Breite der Rippen. Als besonders günstig werden Werte zwischen 10% und 20% angesehen. Bei diesen Werten haben sich sehr gute k-Wertverbesserungen gezeigt, während die Druckverluste reduziert werden. Selbst bei einer geringfügigen k-Wert-Verschlechterung sind die Druckverluste deutlich geringer, so dass die Wärmeübertragerleistung insgesamt verbessert wird. Dasselbe gilt für die trapezförmigen Rippen, bei denen eine mittlere Spaltbreite anzunehmen ist.
Vorteilhaft ist die mittlere Breite der Rippen etwa doppelt so groß wie die kurze Hauptachse der Ellipse der im Querschnitt elliptischen Rohre. Eine elliptische Öffnung in der Rippe entspricht der Kontur des Rohrquerschnitts. Die Ellipse besitzt eine Breite (kurze Hauptachse) von z. B. 14 mm, so dass die Rippe eine mittlere Breite von etwa 28 mm besitzt. Der Spalt zwischen den Rippen besitzt eine Spaltbreite in einem Bereich 3 mm bis 8 mm, bevorzugt in einem Bereich von 4 mm bis 8 mm. Bei dieser Konfiguration haben sich Steigerungen des k-Wertes im zweistelligen Prozentbereich ergeben, was in Anbetracht der jahrzehntelangen Weiterentwicklungen auf diesem technischen Gebiet eine enorme und unerwartete Steigerung ist. Wesentlich zur Steigerung des Rippenwirkungsgrades tragen die zum Beispiel deltaförmigen Winglets als Mittel zur Turbulenzerzeugung bei. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine durch CFD-Simulationen errechnete und durch praktische Versuche belegte Steigerung des k-Wertes, wobei sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher bei geringerem Materialeinsatz kostengünstiger herstellen lässt.
Die Verbindung zwischen den Rippen und den Rohren wird bevorzugt durch ein Verzinken in einem Tauchbad hergestellt. Dies führt zu einer exzellenten Verbindung zwischen Rohr und Rippe, bewirkt zudem eine hervorragende Wärmeübertragung und stellt gleichzeitig einen Korrosionsschutz her. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den rein schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Figuren 1 bis 9: Schnittdarstellungen durch Teilbereiche von Wärmetauschern unterschiedlicher Ausführungsformen in der Draufsicht auf die Rippen der Wärmetauscher;
Figur 10: eine Draufsicht auf eine einzelne Rippe eines Rohres eines Wärmetauschers gemäß der Ausführungsform der Figuren 5 und 6;
Figur 11: einen Teilbereich eines mit Rippen versehenen Rohres des Wärmetauschers der Figuren 5 und 6;
Figur 12: eine perspektivische Darstellung der Rippe für ein Rohr eines Wärmetauschers der Figuren 5 und 6;
Figur 13: eine Draufsicht auf eine einzelne Rippe eines Rohrs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers der Figuren 3 und 4;
Figur 13 a: eine Draufsicht auf eine einzelne Rippe eines Rohrs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers der Figur 8
Figur 14: eine perspektivische Darstellung der Rippen gemäß der Figuren 3, 4 und 13;
Figur 15: in vergrößerter Darstellung ein trapezförmiges Winglet an der Rippe gemäß Figur 14 und
Figur 16: den Zusammenhang zwischen dem k-Wert sowie dem Δp-Wert und der Strömungsgeschwindigkeit unterschiedlicher Wärmetauscherbauarten.

Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Teilbereich eines Wärmetauschers 1. Der Wärmetauscher 1 umfasst eine Vielzahl von elliptischen Rohren 2 mit äußeren, rechteckigen Rippen 3. Die Rohre 2 durchdringen die rechteckigen Rippen 3 mittig. Mehrere der außen berippten Rohre 2 sind in hintereinanderliegenden Reihen R1, R2 angeordnet. Der Wärmetauscher 1 wird bei diesem Ausführungsbeispiel in der Bildebene von unten in Richtung des Pfeils p außenseitig von Kühlluft angeströmt. Die Kühlluft kann beispielsweise angesaugt werden. Ein nicht näher dargestellter Lüfter benötigt hierzu eine elektrische Leistung Pel. Der Lüfter erzeugt einen Volumenstrom V̇, welcher mit einer Strömungsgeschwindigkeit v durch die Ansichtsfläche 4 gefördert wird. Die Ansichtsfläche 4 ist die der Strömung zugewandte Anströmseite des Wärmetauschers 1.
Die Rohre 2 werden von einem zu kühlenden Medium oder auch Produkt durchströmt. Das Medium kann flüssig oder gasförmig sein. Das Medium gibt Wärme an das Rohr 2 und damit an die Rippen 3 ab. Die Kühlluft nimmt die Wärme auf. Dadurch steigt die Temperatur der Kühlluft von Reihe R1 um die Temperaturdifferenz Δϑ1 und über die nachgeschaltete Rohrreihe R2 von Rohren 2 um die Temperaturdifferenz Δϑ2. Insgesamt ergibt sich eine Temperaturerhöhung Δϑ der Kühlluft und eine mittlere Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und dem zu kühlenden Produkt von Δϑm sowie ein Druckverlust Δp zwischen der Eintritts- und der Austrittsseite des Wärmetauschers 1.
Bei der Ausführungsform des Wärmetauschers gemäß Figur 1 sind die Rohre 2 in Anströmungsrichtung hintereinander angeordnet. Diese Anordnung wird als versetzte Anordnung bezeichnet, weil die Rohre 2 einer Rohrreihe R1, R2 jeweils nicht auf einer geraden Linie liegen, sondern in Strömungsrichtung der Kühlluft vor- und zurückversetzt sind. Der Versatz in Richtung der Strömung der Kühlluft zwischen benachbarten Rohren ist der Längsversatz LV. Er ist halb so groß wie die Längsteilung LT der zickzack-förmig verlaufenden Reihen R1, R2.
Im Unterschied zur versetzten Anordnung zeigt Figur 2 eine geschobene Anordnung, bei welcher die einzelnen Rohre 2 einer Rohrreihe R1, R2 quer zur Anströmrichtung der Kühlluft um den Querversatz VQ verschoben sind. Der Querversatz VQ ist halb so groß wie die Querteilung TQ. Die Mittelpunkte einer Rohrreihe R1, R2 liegen bei Figur 2 auf einer gemeinsamen Achse. Diese Anordnung wird als geschobene Anordnung bezeichnet.
Der Begriff "Reihe" bezieht sich unabhängig davon, ob es sich um eine geschobene oder versetzte Anordnung handelt, auf die Rohre 2 einer zuerst angeströmten Reihe R1 bzw. die Rohre 2 einer nachfolgenden Rohrreihe R2. Der Begriff "Reihe" kann insbesondere bei der versetzten Anordnung auch bedeuten, dass die Rohre 2 nicht exakt auf einer Linie liegen, sondern gewissermaßen zickzack-förmig aufeinander folgen.
Die Erfindung sieht sowohl bei der Ausführungsform der Figur 1 als auch bei der Ausführungsform der Figur 2 vor, dass die einzelnen Rohre 2 einer Reihe R1, R2 in einem bestimmten Querteilungsabstand TQ oder kurz Teilungsabstand zueinander angeordnet sind. Der Teilungsabstand TQ ist größer als die parallel zur Ansichtsfläche 4 gemessene Breite B einer Rippe 3. Dadurch ergibt sich ein Spalt 5 mit einer Spaltbreite S, die in einem Bereich des 0,1 bis 0,5-fachen, vorzugsweise des 0,1 bis 0,2-fachen der Breite B liegt. Der Teilungsabstand TQ ergibt aus der Summe der Breite B einer Rippe 3 und der Spaltbreite S eines Spaltes 5 (TQ = B+S).
Während bei der versetzten Anordnung in Figur 1 die Rohre 2 zweier aufeinander folgender Reihen R1, R2 in Strömungsrichtung fluchtend hintereinander liegen, sind die Rohre 2 bei der Ausführungsform der Figur 2 um einen halben Teilungsabstand TQ zueinander verschoben. Dadurch befinden sich der Strömung zugewandte Stirnseiten der Rohre 2 in einer Position, in welcher sie direkt von der angesaugten Luft angeströmt werden können. Im Unterschied zu Wärmetauschern, bei denen der Spalt 5 so klein wie möglich gehalten wurde, ist die Abschattung der Stirnseite der Rohre 2 in der zweiten Reihe R2 geringer. Das hat zur Folge, dass der Druckverlust Δp1 über die erste Reihe R1 geringer ist als bei einem Wärmetauscher 1 ohne entsprechende mittlere Spaltbreite S. Selbstverständlich ist auch der gesamte Druckverlust Δp zwischen der Ein- und Austrittsseite geringer als bei einer Anordnung ohne entsprechend breitere Spalte 5.
Die Vorteile, die sich bei der Ausführungsform der Figur 2 ergeben haben, wurden auch bei der Ausführungsform der Figur 1 festgestellt. Die größere Spaltbreite S führt zu einer deutlichen Reduzierung des Druckverlustes, jedoch nur zu einer geringfügigen Reduzierung des Wärmeübergangskoeffizienten k.
Die in den Figuren 1 und 2 angeführten Bezugszeichen werden für gleiche Bauteile auch bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen verwendet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird nur auf die Unterschiede gegenüber den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 eingegangen. Die Beschreibung der Figuren 1 und 2 ist mithin übergreifend für die weiteren Ausführungsbeispiele zu verstehen.
Neben der verschobenen bzw. versetzten Anordnung und der vorgesehenen Spaltbreite S besitzen die Rippen 3 in ihrem Eckbereich E sogenannte Winglets 6a (Figur 10). Zusätzlich zu den Winglets 6a können im Bereich der Längsseiten 7 Turbulatoren 13 angeordnet sein, wie sie in den Figuren 3 und 4 zu erkennen sind. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 3 und 4 unterscheiden sich von denjenigen der Figuren 1 und 2 ausschließlich durch die zusätzlichen Turbulatoren 13 an den Rippen 3. Einzelheiten zu den Turbulatoren 13 und zu der Gestalt der Rippen 3 sind in den Figuren 13 bis 15 dargestellt.
Die Figuren 5 und 6 zeigen alternative Winglets 6b, die, anders als bei den ersten vier Ausführungsbeispielen, nicht trapezförmig sind, sondern dreieckig. Im Übrigen entspricht die versetzte bzw. geschobene Anordnung der Rippen 3 in den Figuren 5, 6 derjenigen der Figuren 1 und 2. Auf die dortige Beschreibung wird zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen.
In gleicher Weise entsprechen die mit den zusätzlichen Turbulatoren 13 versehenen Rippen 3, wie sie in den Figuren 7 und 8 dargestellt sind, im Wesentlichen der Ausführungsform der Figuren 3 und 4, mit dem Unterschied, dass die Winglets 6b in den Eckbereichen E dreieckig und nicht trapezförmig sind. Im Übrigen wird auf die Erläuterung zu den Figuren 3 und 4 bzw. 1 und 2 Bezug genommen. Stellvertretend für die Figuren 1 bis 9 bezeichnet S1 in Figur 8 die Breite eines Spalts 18 zwischen den aufeinanderfolgenden Rohrreihen R1, R2. Die Ausführungsform der Figur 9 entspricht im Wesentlichen derjenigen der Figur 6, das heißt, es gibt eine Anordnung von Rippen 3 in geschobener Anordnung. Der einzige Unterschied gegenüber der Ausführungsform der Figur 6 ist, dass die Rippen 3 trapezförmig sind. Die Bemaßung der Rippe 3 bezieht sich in diesem Fall auf die mittlere Breite B bzw. die mittlere Spaltbreite S. Die Spaltbreite S nimmt in Strömungsrichtung ab, zum Beispiel von 9 mm auf 1 mm. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der Figur 6 bzw. Figur 2 Bezug genommen.
Figur 10 zeigt in einer Einzeldarstellung eine Rippe 3 mit Winglets 6b in ihren Eckbereichen E. Alle Rohre 2 und Rippen 3 sind identisch gestaltet. Jede Rippe 3 besitzt vier Winglets 6b. Je ein Winglet 6b ist im Eckbereich E sowohl im Abstand von der Längsseite 7 als auch von einer Querseite 8 angeordnet. Das Längenverhältnis zwischen Längsseite 7 und Querseite 8 liegt in einem Bereich von 1:1 bis 1:3. Die lange Hauptachse ist mit HA1 und die kurze Hauptachse des elliptischen Rohres 2 ist mit HA2 gekennzeichnet. Die kurze Hauptachse HA2 besitzt in diesem Beispiel eine Länge L2 von zum Beispiel 16 mm bei einer Breite B der Rippe 3 von 26 mm. Die Länge L1 der langen Hauptachse HA1 beträgt 55 mm.
Die Winglets 6b sind als Ausstanzungen 11 aus der Rippe 3 selbst gebildet. Anhand der dreieckförmigen Ausstanzungen 11 ist zu erkennen, dass die Winglets 6b als gleichschenkelige Dreiecke ausgebildet sind. Die Winglets 6b sind jeweils senkrecht zu den Rippen 3 ausgestellt. Alle Winglets 6b weisen in dieselbe Richtung. In diesem Fall weisen sie aus der Bildebene heraus. Die Winglets 6b befinden sich im Eckbereich E nicht nur im Abstand von der Längsseite 7 und der Querseite 8, sondern auch im Abstand A von dem elliptischen Rohr 2. Sie befinden sich etwa in einem Bereich von 40 % bis 80 %, insbesondere 40 % bis 60 % des Abstandes A, der von der Ecke 9 zu dem Rohr 2 gemessen wird. Dieser Abstand A ist der kleinste zu messende Abstand zwischen dem Rohr 2 und der Ecke 9. Bevorzugt befinden sich die Winglets 6b in einem Winkel W in einem Bereich von 20° bis 50°, insbesondere 20° bis 45° zur Längsseite 7. Bei diesem Beispiel beträgt der Winkel 30°.
Figur 11 zeigt ein einzelnes Rohr 2 mit den darauf angeordneten Rippen 3 sowie den einzelnen Winglets 6b, die als gleichschenkelige Dreiecke ausgebildet sind. Die Winglets 6b besitzen eine Höhe H von 70 % bis 95 % des Rippenabstandes A1 und insbesondere eine Höhe H von 80 % bis 90 % des Rippenabstandes A1.
Die Basis der Winglets 6b, das heißt, diejenigen Bereiche entlang derer die Winglets 6b abgekantet und ausgestellt worden sind, besitzt jeweils eine Länge von 6 mm (Figuren 10 und 12). Die als gleichschenkeliges Dreieck ausgebildeten Winglets 6b können in diesem Fall eine Höhe H von zum Beispiel 2 mm besitzen. Es handelt sich mithin um eine symmetrische Stanzstruktur.
Figur 12 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Rippe 3 mit den besagten, als gleichschenkelige Dreiecke ausgebildeten Winglets 6b sowie mit einem Kragen 10, über welchen die Rippen 3 mit dem Rohr 2 in Kontakt stehen. Der Kragen 10 ist etwas höher als die Winglets 6b. Der Kragen 10 dient als Abstandshalter zwischen zwei benachbarten Rippen 3.
Während die in den Figuren 10 und 12 dargestellten Rippen keine zusätzlichen Turbulatoren 13 besitzen, veranschaulichen die Figuren 13 bis 15 eine alternative Ausführungsform, bei welcher nicht nur zusätzliche Turbulatoren 13 vorgesehen sind, sondern bei welchen auch die Form der Winglets geändert worden ist. Die Winglets 6a sind trapezförmig (Figur 15). Ihre Basis 12 ist breiter als ihre Oberseite 14. Das Verhältnis zwischen der Basis und Länge L3 der Basis 12 und der Höhe H liegt in einem Bereich von etwa 1:5. Das Verhältnis der Oberseite 14 zur Basis 12 liegt etwa bei 3:5, insbesondere, wenn der Winkel W1 der Flanken 15 des Winglets 6a in einem Bereich von 30° bis 60° liegt, insbesondere 45° beträgt.
Figur 13 zeigt, dass die Winglets 6a im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 10 ebenfalls aus Ausstanzungen 11 der Rippen 3 gebildet sind, so dass sich entsprechend der Größe der Winglets 6a trapezförmige Ausstanzungen 11 in den Eckbereichen E befinden. Die Turbulatoren 13 sind ebenfalls aus Ausstanzungen 16 gebildete und in Richtung der Winglets senkrecht aus der Ebene der Rippen 3 ausgestellte Elemente. Die Ausstanzungen sind nahezu quadratisch. Dementsprechend sind die Turbulatoren 13 ebenfalls quadratisch. Die Turbulatoren 13 sind wesentlich kleiner als die Winglets 6a. Ihre Höhe ist nicht größer als diejenige der Winglets 6a. Je drei Turbulatoren 13 sind im Abstand zu den Längsseiten 7 ausgebildet. Genauso wie bei den Winglets 6a sind die ausgestanzten Bereiche 11 näher an den Längsseiten 7. Die Winglets 6a bzw. Turbulatoren 13 befinden sich dadurch näher an dem Rohr als an der Längsseite 7 bzw. der Querseite 8. Der in Figur 13 eingezeichnete Abstand A2 zwischen der Querseite 8 und der Ausstanzung 11 ist größer als die Breite der Ausstanzung 11, insbesondere doppelt so groß. Der Abstand A3 ist etwa so groß wie die Länge L3 der Basis 12 der Winglets 6a.
Die Figur 13a zeigt in der Draufsicht eine Ausführungsform einer Rippe 3, die sich von derjenigen der Figur 13 durch zusätzliche konkave Ausnehmungen 19 mit dem Radius R im Eckbereich E unterscheidet. Zudem sind die Winglets 6b dreieckig.
Diese Rippe 3 besitzt eine elliptische Öffnung 17 mit einem Verhältnis L1/L2 der langen Hauptachse HA1 zur kurzen Hauptachse HA2 von 2,5 bis 2,7. Die lange Hauptachse HA1 ist in diesem Fall von 35,8 mm lang. Das Verhältnis B/L2 der Breite B der Rippe 3 zur kurzen Hauptachse HA1 beträgt 2,0 bis 2,2. Das Verhältnis L/L1 der Länge L der Rippe 3 zur langen Hauptachse HA2 beträgt 1,5 bis 1,6. Die Winglets 6b sind im 45° Winkel zu den Längsseiten 7 angeordnet. Sie beginnen in einem Abstand A2 von den Querseiten 8 und enden in einem Abstand A3 von den Längsseiten 7. Das Verhältnis A2/L beträgt 0,10 bis 0,12. Das Verhältnis A3/B beträgt 0,2 bis 0,5.
Die Turbulatoren 13 haben eine Breite B1 und eine Höhe H1. Die Höhe H1 ist an der Größe der Ausstanzungen 11 zu erkennen und beträgt in diesem Fall 2 mm. Die Ausstanzungen 11 der mittleren der sechs paarweise angeordneten Turbulatoren 13 haben einen Abstand A4 von der Längsseite 7. Die anderen Ausstanzungen 11 der Turbulatoren 13 sind jeweils in einem Abstand A5 von der Längsseite 7 angeordnet. Die Turbulatoren 13 erstrecken sich parallel zu den Längsseiten 7. Das Verhältnis A4/B beträgt 0,11 bis 0,14. Das Verhältnis A5/B beträgt 0,13 bis 0,15. Das Verhältnis B1/L beträgt 0,05 bis 0,06. Der Mittenabstand A6 benachbarter Turbulatoren 13 in Längsrichtung beträgt 0,19 bis 0,21 x L.
Figur 14 zeigt in der perspektivischen Darstellung die ausgestellten Winglets 6a sowie die jeweils drei Turbulatoren 13 entlang jeder Längsseite 7. Figur 14 zeigt ferner einen Kragen 10, über den die Rippen 3 mit dem nicht näher dargestellten Rohr in Kontakt stehen.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 besitzt hervorragende k-Werte, die auf einen synergetischen Effekt der insbesondere dreieckförmigen oder trapezförmigen Winglets 6a, 6b, des Spalts 5 zwischen einander benachbarten Rippen 3 und auf die durch das Verschieben oder Versetzen der Rohrreihen R1, R2 bzw. Rohre 2 zurückzuführen ist. Dieser Zusammenhang soll anhand der Figur 16 verdeutlicht werden.
Figur 16 zeigt auf der horizontalen Achse die Strömungsgeschwindigkeit v und auf der vertikalen Achse einerseits den Wärmeübergangskoeffizienten k bzw. den Druckverlust Δp. Die in der Bildebene unteren Kurven K1, K2, K3 stehen für drei unterschiedliche Ausführungsformen von Wärmetauschern. Zu diesen Kurven K1, K2, K3, die den jeweiligen Druckverlust Δp zeigen, korrespondieren die drei oberen Kurven K1', K2', K3' hinsichtlich der jeweiligen Wärmeübergangskoeffizienten k.
Bei der gewählten Betrachtung ist der Spalt zwischen nebeneinander liegenden Rippenrohren 0,67 mm groß. Diese Standardausführung sieht zumeist die versetzte Anordnung der Rohre vor, da sie wärme- und strömungstechnisch betrachtet insgesamt die energetisch günstigste Variante darstellt. Neben der versetzten Anordnung soll hier die geschobene Anordnung betrachtet werden, da bei ihr die bei konstanter Anströmgeschwindigkeit höchsten Wärmedurchgangskoeffizienten, allerdings auch die höchsten Druckverluste, erreicht werden.
Die Kurve K1 zeigt den Standard einer versetzten Anordnung mit sehr geringer Spaltbreite. Die Kurve K2 steht für die geschobene Anordnung mit geringer Spaltbreite und schließlich die Kurve K3 für die geschobene Anordnung mit erhöhter Querteilung bzw. vergrößerter Spaltbreite.
Ausgangspunkt der Betrachtung ist der Stand der Technik, welcher durch die Kurve K1 symbolisiert wird. Am Punkt I liegt bei der Strömungsgeschwindigkeit v1 ein Druckverlust Δp1 an. Im Punkt II liegt der k-Wert k1 an. Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit v1 ist zu erkennen, dass bei der geschobenen Anordnung gemäß der strichpunktierten Linie K2 die Druckverluste sehr stark steigen, allerdings wird auch gegenüber dem Standard der k-Wert verbessert.
Bemerkenswert ist allerdings Linie K3 (geschobene Anordnung mit vergrößerter Spaltbreite). Bei konstanter Anströmgeschwindigkeit v1 ist zu erkennen, dass der Druckverlust Δp bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit v1 gegenüber dem Standard (Kurve K1) fällt, während gleichzeitig der k-Wert bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit v1 gegenüber dem Standard (Kurve K1') verbessert wird. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass die Strömungsgeschwindigkeit v1 wegen geringeren Druckverlusten mit geringerem Energieeinsatz erreicht werden kann und gleichzeitig mehr Wärme übertragen werden kann (höherer k-Wert). Die Variante gemäß der Kurven K3, K3' ist demzufolge zu bevorzugen.
Da sich die aufzuwendende elektrische Energie proportional zum Volumenstrom und proportional zum Druckverlust Δp verhält, kann die eingesparte elektrische Energie dazu genutzt werden, die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Hält man die elektrische Energie konstant, kann die Druckverlusteinsparung in Erhöhung der Ansichtsgeschwindigkeit bzw. Volumenstromvergrößerung investiert werden. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit von v1 auf v2 erhöht. Bei der Kurve K3 befindet man sich nun im Punkt III. Das heißt, bei einer Strömungsgeschwindigkeit v2 ist der Druckverlust Δp2 geringer als im Punkt I. Gleichzeitig ergibt sich aus dem Punkt IV auf der Kurve K3', dass der k-Wert k2 wesentlich gesteigert worden ist.
Aus diesem Verhältnis lässt sich ablesen, dass unter der Voraussetzung gleicher elektrischer Antriebsenergie durch signifikante Reduzierung des luftseitigen Druckverlustes der Luftmassenstrom deutlich gesteigert werden kann. Unter der Annahme konstanter Wärmeabgabe bedeutet dies, dass die Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmetauscher kleiner wird, wenn der Luftmassenstrom steigt. Somit steigt allerdings auch die für den Wärmeaustausch maßgebliche treibende Temperaturdifferenz Δϑm. Diese Einsparung ermöglicht es, die Wärmetauscherfläche bei gleicher Wärmetauscherleistung zu verkleinern.
Insgesamt kann bei konstanter Wärmeabgabe durch Verbesserung des k-Werts und der mittleren Temperaturdifferenz Δϑm die Austauschfläche des Wärmetauschers reduziert werden. Dies ermöglicht kostengünstigere Bauweisen. Selbstverständlich kann die kostengünstige Bauweise auch dafür genutzt werden, die zum Betrieb erforderliche elektrische Leistung zu reduzieren, wenn dies das Ziel der Auslegung des Wärmetauschers sein sollte.

Bezugszeichen:

1 -: Wärmetauscher
2 -: Rohr
3 -: Rippe
4 -: Ansichtsebene
5 -: Spalt
6a -: Winglet (Trapez)
6b -: Winglet (Dreieck)
7 -: Längsseite
8 -: Querseite
9 -: Ecke
10 -: Kragen
11 -: Ausstanzung
12 -: Basis
13 -: Turbulatoren
14 -: Oberseite
15 -: Flanke
16 -: Ausstanzungen
17 -: Öffnung
18 -: Spalt
19 -: Ausnehmung

A -: Abstand
A1 -: Abstand
A2 -: Abstand
A3 -: Abstand
A4 -: Abstand
A5 -: Abstand
A6 -: Mittenabstand
B -: mittlere Breite
E -: Eckbereich
H -: Höhe
HA1 -: lange Hauptachse 1 von 2
HA2 -: kurze Hauptachse von 2
k -: k-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient)
L -: Länge
L1 -: Länge von HA1
L2 -: Länge von HA2
L3 -: Länge von 12
p -: Anströmrichtung
V̇ -: Volumenstrom

R -: Radius
R1 -: Reihe 1
R2 -: Reihe 2
S -: mittlere Spaltbreite
S1 -: Spaltbreite
ΔT -: Temperaturdifferenz der Kühlluft
v -: Strömungsgeschwindigkeit
v1 -: Strömungsgeschwindigkeit
v2 -: Strömungsgeschwindigkeit
W -: Winkel
W1 -: Winkel
Δϑm -: mittlere Temperaturdifferenz (Kühlluft - Produkt)

Δp -: Druckdifferenz
VQ -: Querversatz
TQ -: Querteilungsabstand

Claims

Wärmetauscher (1) umfassend Rohre (2) mit äußeren Rippen (3) und mit folgenden Merkmalen:
1.1. Eine Ansichtsfläche (4) des Wärmetauschers (1) ist eine von einer Strömung in Anströmrichtung (p) durchsetzte Fläche, wobei mehrere Reihen (R1, R2) der Rohre (2) in Anströmrichtung (p) hintereinander angeordnet sind;

1.2. Die Reihen (R1, R2) verlaufen quer zur Anströmrichtung (p);

1.3. Die Rohre (2) aufeinanderfolgender Reihen (R1, R2) sind um einen Querversatz (VQ) parallel zur vorhergehenden Reihe (R1, R2) verschoben angeordnet, wobei der Querversatz (VQ) ungleich ist einem Querteilungsabstand (TQ) quer zur Anströmrichtung (p), wobei der Querversatz (VQ) und der Querteilungsabstand (TQ) vom Mittelpunkt benachbarter Rohre (2) quer zur Anströmrichtung (p) gemessen werden, oder

1.4. die innerhalb einer Reihe (R1, R2) benachbarten Rohre (2) sind um einen in Anströmrichtung (p) verlaufenden Längsversatz (VL) zueinander versetzt angeordnet, wobei der Längsversatz (VL) kleiner als ein Längsteilungsabstand (TL) der Rohre (2) aufeinanderfolgender Reihen (R1, R2) ist, wobei der Längsversatz (VL) und der Längsteilungsabstand (TL) vom Mittelpunkt benachbarter Rohre (2) in Anströmrichtung (p) gemessen werden;

1.5. Die Rohre (2) durchdringen die quer zu den Rohren (2) verlaufenden Rippen (3) und sind über einen Kragen (10) an den Rippen (3) mit den Rippen (3) verbunden;

1.6. Der Querteilungsabstand (TQ) der Rohre (2) einer Reihe (R1, R2) ist größer als die quer zur Ansichtsfläche (4) der Reihe (R1, R2) gemessene mittlere Breite (B) der Rippen (3), so dass ein Spalt (5) zwischen den Rippen (3) benachbarter Rohre (2) vorhanden ist;

1.7. Die Rippen (3) sind viereckig und besitzen Winglets (6a, 6b), wobei jeweils ein Winglet (6a, 6b) im Eckbereich (E) einer Rippe (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass

1.8. die Rohre (2) einen elliptischen Querschnitt aufweisen, dass der Spalt (5) eine Breite mit dem 0,1- bis 0,5-fachen der mittleren Breite (B) der Rippen (3) aufweist und dass die Winglets (6a, 6b) in einem Abstand (A2) von Längsseiten (7) und Querseiten (8) der Rippen (3) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3) rechteckig oder quadratisch sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3) trapezförmig sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge (L) zur mittleren Breite (B) einer Rippe (3) in einem Bereich von 1:1 bis 3:1 liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge (L) zur mittleren Breite (B) einer Rippe (3) in einem Bereich von 3:2 bis 3:1 liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6a) viereckig sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6b) dreieckig sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6b) als gleichschenkelige Dreiecke ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6a, 6b) eine Höhe (H) besitzen, die 60 % bis 100 % des Rippenabstandes (A1) eines Rohres (2) beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6a, 6b) eine Höhe (H) besitzen, die 70 % bis 100 % des Rippenabstandes (A1) eines Rohres (2) beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6a, 6b) in einem Bereich von 40 % bis 80 % des Abstands (A) von der Ecke (9) einer Rippe (3) zum Rohr (2) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6) in einem Bereich von 40 % bis 60 % des Abstands (A) von der Ecke (9) einer Rippe (3) zum Rohr (2) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (6) eine Basis (12) besitzen, über welche sie mit den Rippen (3) verbunden sind und welche in einem Winkel von 20° bis 50° zur Längsseite (7) der Rippen (3) verläuft.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Spaltbereite (S) eines Spaltes (5) zwischen den Rippen (3) einer Reihe (R1, R2) 10% bis 30 % der mittleren Breite (B) der der Rippen (3) beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Spaltbereite (S) eines Spaltes (5) zwischen den Rippen (3) einer Reihe (R1, R2) 15% bis 30 % der mittleren Breite (B) der der Rippen (3) beträgt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Breite (B) der Rippe (3) dem doppelten +/-10% der Länge (L2) der kürzeren Hauptachse (HA2) der Ellipse der im Querschnitt elliptischen Rohre (2) entspricht.