EP3850293A1

EP3850293A1 - Wärmeübertrager mit oberflächenelementen mit konvexen aussparungen und integrierten materialaufdickungen

Info

Publication number: EP3850293A1
Application number: EP19805232.6A
Authority: EP
Inventors: Sebastian Unger; Uwe Hampel
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2021-07-21
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: EP3850293B1; WO2020109013A1; DE102018129788B3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit wenigstens einer Trennwand und wenigstens von einer Seite der Trennwand abstehenden und die Oberfläche der Trennwand vergrößernden Oberflächenelementen, die von einem Fluid umströmbar sind. Dabei weisen die Oberflächenelemente Verstärkungswülste und zwischen den Verstärkungswülsten befindliche Flächenbereiche auf, wobei sich die Verstärkungswülste von der Trennwand ausgehend erstrecken und eine kreisrunde oder ovale Querschnittform haben. Die Verstärkungswülste erstrecken sich ausgehend von der Trennwand über mindestens einen Teil der Höhe des Oberflächenelementes. Die Oberflächenelemente weisen eine Vielzahl konvexer Aussparungen auf, wobei jede der konvexen Aussparungen in einem der Flächenbereiche zwischen zwei Verstärkungswülsten angeordnet ist und sich von einer Außenkante des Oberflächenelementes erstreckt. Der Scheitelpunkt der konvexen Aussparung liegt bei einer Höhe größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der gesamten Höhe des Oberflächenelementes, wobei die Höhe ausgehend von der Trennwand gemessen ist.

Description

Wärmeübertrager mit Oberflächenelementen mit konvexen Aussparungen und integrierten Materialaufdickungen

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit wenigstens einer Trennwand, von der auf wenigstens einer Seite abstehende Oberflächenelemente angeordnet sind, die von einem Fluid umströmbar sind.

Wärmeübertrager werden im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen zur Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes Medium eingesetzt, wobei die beiden Medien körperlich getrennt bleiben. Nach der Art der Medien, die auch als Fluide bezeichnet werden, kann man Wärmeübertrager beispielsweise in Flüssigkeits-Gas-Wärmeübertrager, Flüssig- Flüssig-Wärmeübertrager und in Gas-Gas-Wärmeübertrager unterteilen. Im Bereich der Flüssigkeits-Gas-Wärmeübertrager sind Rohrbündelwärmeübertrager mit Rippenrohren bekannt, die auch als Rippenrohrwärmeübertrager bezeichnet werden. Dabei strömt die Flüssigkeit im Inneren des Rohres und das Gas umströmt das Rohr auf der Außenseite. Die Wärmeübergangskoeffizienten von Flüssigkeiten sind hierbei um ein bis zwei Größenordnungen größer als bei Gasen. Die Oberfläche des Rohres wird daher außen durch Rippen vergrößert, wodurch ein reduzierter Wärmeübergangswiderstand auf der Gasseite dieses Wärmeübertragers vorliegt. Dadurch sind die Wärmeübergangswiderstände für beide Medien klein. Die Rippen von Rippenrohren sind im Stand der Technik häufig als voluminöse Ansätze ausgeführt, die mit der Trennwand des Wärmeübertragers verbunden sind. Große Volumen der Rippen sind mit hohen Materialkosten bei der Herstellung und einem großen Gewicht der Wärmeübertrager gekoppelt. Hohe Gewichte können nachteilig und unerwünscht sein, beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen. Ein hoher Materialverbrauch ist nachteilig mit entsprechend hohen Kosten verbunden. Eine große Wandstärke der einzelnen Rippen, im Folgenden Rippendicke genannt, führt bei gleichem Abstand der Rippen zueinander zu einer niedrigeren Anzahl von Rippen pro Rippenrohr als bei dünneren Rippen. Mit einer großen Rippendicke sind begrenzte Wärmeübertragungsoberflächen und niedrige thermische Gesamtleistungen verbunden.

Die GB 436 656 A offenbart einen Wärmeübertrager mit Rippenrohren, bei denen auf den Rippen dreidimensional ausgestaltete Lamellen angeordnet sind, die sich im Wesentlichen senkrecht zur Grundfläche der Rippen erstrecken. Die Lamellen weisen einen zapfenförmigen Querschnitt auf und nicht alle Lamellen grenzen an die Wand des Rohres, welches die Fluide voneinander trennt. Nachteilig an diesen Rippenrohren ist die Massenvergrößerung, die proportional zum Volumen der dreidimensionalen Lamellen ist, sowie eine begrenzte thermische Gesamtleistung der Wärmeübertrager. Weiterhin nachteilig sind die Lamellen vertikal zur Strömungsrichtung des die Rippen umströmenden Fluids ausgerichtet und beeinflussen die Wärmeleitung innerhalb der Rippe vom Rohr weg oder zum Rohr hin kaum.

Die CH 435 436 A offenbart ein Lamellenrohr, bestehend aus einem Kernrohr und einer Vielzahl auf dem Kernrohr angeordneten Blechlamellen mit rechteckigem Grundriss als Rippen. Die Blechlamellen weisen jeweils Sicken - also Vertiefungen - auf, die sich vom Kernrohr aus erstrecken und die Steifigkeit erhöhen. Nachteilig bei derartigen Rippen ist, dass die wärmeleitende Querschnittsfläche mit Entfernung vom Kernrohr zunimmt und damit zu einer Kühlung der Rippe führt, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen Rippe und umströmendem Medium sinkt und die Wärmeübertragungsleistung abnimmt.

Die DE 160 351 A beschreibt einen Wärmeübertrager, bei dem auf der Oberfläche eines Heiz oder Kühlkörperrohres radial weitere Rohre angeordnet sind. Zusätzlich zu den radial angeordneten Rohren können senkrecht zur Heiz- oder Kühlkörperrohrachse Rippen angeordnet werden, wobei die Rippen als separate Lage zwischen zwei Lagen radialer Rohre oder innerhalb einer Lage radialer Rohre aus Versteifungsgründen mit diesen verbunden angeordnet sein können.

Die DE 42 07 597 A1 offenbart ein Wärmeaustauschelement zur Fixierung auf einem mediumdurchströmten Rohr mit einer Vielzahl radial abstehender Wärmetauscherrippen. Die Wärmetauscherrippen erstrecken sich dabei entlang der Längsachse des Rohres in Strömungsrichtung des das Rohr durchströmenden Fluids und bilden keine Fläche senkrecht zur Durchströmrichtung des Fluids im Rohr.

In der DE 70 20 851 U ist ein Wärmetauscher, wie er bspw. als Rückwand eines Kühlschrankes ausgebildet ist, offenbart. Derartige Einwandwärmetauscher bestehen aus einer Rohrschlange zur Aufnahme des Heiz- oder Kühlmediums und einer Blechwand mit ausgedrückten Kiemenreihen und Nuten oder Sicken zur Aufnahme der Rohrabschnitte. Aus der Blechwand ausgestanzte Lappen übergreifen schellenartig die Rohrabschnitte zur Befestigung. Die Lappen können für eine größere Stabilität Sicken aufweisen. Das Blech und die ausgestanzten Lappen sind dabei entlang der Durchströmrichtung des Heiz- oder Kühlmediums durch das Rohr ausgerichtet.

Die WO 02 / 048 595 A1 beschreibt ein Kanalrohr für den Medientransport aus Kunststoff, welches den Medientransport im Rohr ohne Druckverlust ermöglicht, auch bei kurviger Verlegung des Kanalrohrs. Das Kanalrohr weist in Durchflussrichtung des Rohres eine wellenförmige Wandung auf. Dabei gibt es hohe, nach außen weisende Wellen für die notwendige Flexibilität, sowie flache, „nach innen weisende“ Wellen, die einen Zwischenbuckel mit vergrößerter Wandstärke bilden.

Die US 3 31 1 163 offenbart einen Wärmetauscher, bestehend aus einem metallischen Rohr und einer Vielzahl rechteckiger metallischer Rippen, die an der Außenseite des metallischen Rohrs fixiert sind. Die Rippen weisen parallele vertikale Prägungen zur Kompensation der lateralen thermischen Ausdehnung des Rohres und der Rippen auf. Diese Prägungen sind vertikal zur Durchströmrichtung des Fluids durch das Rohr ausgerichtet

Aufgabe der Erfindung ist es, einen massearmen Wärmeübertrager mit großer thermischer Leistung und einem homogenen Temperaturprofil entlang der Rippen bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1 . Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Wärmeübertrager enthält eine Trennwand und wenigstens von einer Seite der Trennwand abstehende und die Oberfläche der Trennwand vergrößernde Oberflächenelemente, die von einem Fluid umströmbar sind. Die Oberflächenelemente weisen Verstärkungswülste und zwischen den Verstärkungswülsten befindliche Flächenbereiche auf, wobei sich die Verstärkungswülste von der Trennwand ausgehend erstrecken und eine kreisrunde oder ovale Querschnittsform haben. Die Verstärkungswülste erstrecken sich ausgehend von der Trennwand über mindestens einen Teil der Höhe des Oberflächenelementes. Die Oberflächenelemente weisen eine Vielzahl konvexer Aussparungen auf, wobei jede der konvexen Aussparungen in einem der Flächenbereiche zwischen zwei Verstärkungswülsten angeordnet ist und sich von einer Außenkante des Oberflächenelementes erstreckt. Der Scheitelpunkt der jeweiligen Aussparung liegt bei einer Höhe größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der Höhe des Oberflächenelementes. Die Höhe ist dabei ausgehend von der Trennwand gemessen.

„Von wenigstens einer Seite der Trennwand abstehend“ bedeutet, dass sich die Oberflächenelemente in einem Winkel größer Null und kleiner oder gleich 90° von der Trennwand aus erstrecken. Die Dicke der Oberflächenelemente, auch als Wandstärke bezeichnet, ist klein gegenüber der Fläche der Oberflächenelemente, wobei die Dicke parallel zur Trennwand und senkrecht zur Fläche der Oberflächenelemente gemessen wird. Vorzugsweise erstrecken sich die Oberflächenelemente senkrecht von der Trennwand aus. Die Oberflächenelemente sind starr mit der Trennwand verbunden und in sich selbst ebenfalls starr. Die als Rippen des Wärmeübertragers dienenden Oberflächenelemente sind in dünnwandige Flächenbereiche mit entsprechend geringem Volumen und geringer Masse unterteilt. Die Dicke der Flächenbereiche entspricht dabei der Wandstärke der Oberflächenelemente. Die Unterteilung erfolgt durch Verstärkungswülste mit größeren Querschnitten zur erhöhten Wärmeleitung. Das heißt, dass die Verstärkungswülste eine größere Dicke aufweisen als die Wandstärke der Oberflächenelemente. Die Verstärkungswülste bilden damit Materialaufdickungen, die massiv ausgeführt und damit nicht hohl sind. Somit besteht das Oberflächenelement im Bereich einer Verstärkungswulst im Querschnitt vollständig aus dem Material des Oberflächenelements, welches den Querschnitt vollständig ausfüllt. Die Verstärkungswülste sind dabei so ausgerichtet, dass sie die Wärme zu der zwischen den beiden Fluiden befindlichen Trennwand hin- oder wegleiten, je nachdem wie der Temperaturgradient verläuft.

Die Höhe der Oberflächenelemente ist die Ausdehnung der Oberflächenelemente ausgehend von der Trennwand entlang der Fläche der Oberflächenelemente bis zur Außenkante der Oberflächenelemente in einem Bereich, der keine konvexe Aussparung ist Beispielsweise ist bei runden Oberflächenelementen die Höhe der Oberflächenelemente der Radius der Oberflächenelemente ausgehend von der Trennwand. Die Außenkante des Oberflächenelements ist die Seite des Oberflächenelements, die nicht an die Trennwand angrenzt.

„Konvexe Aussparung“ meint, dass die Aussparung eine konvexe Form aufweist, die ihre größte Breite an der Außenkante des Oberflächenelements hat und deren Breite entlang des Oberflächenelements in Richtung zur Trennwand hin abnimmt. Die Breite wird entlang der Oberfläche des Oberflächenelements gemessen. Dabei ist eine Aussparung das vollständige Fehlen des Materials des Oberflächenelements, d.h. die Aussparung erstreckt sich über die gesamte Dicke des Oberflächenelements und stellt nicht nur eine Abdünnung des Oberflächenelements in einem bestimmten Bereich dar.

Vorteilhaft reduzieren die konvexen Aussparungen die Fläche des Oberflächenelementes mit zunehmender Entfernung von der Trennwand, so dass sich die wärmeleitende Querschnittsfläche des Oberflächenelementes reduziert. Dadurch konzentriert sich der Wärmestrom auf eine kleinere Fläche des Oberflächenelements, wodurch eine Kühlung der Rippe wie aus dem Stand der Technik bekannt vermieden wird. Dadurch wird die Effektivität der Wärmeübertragung verbessert. Weiterhin vorteilhaft bietet die reduzierte Fläche der Oberflächenelemente einen geringen Reibungsdruckverlust des umströmenden Fluids. Darüber hinaus wird weiterhin die Masse des Oberflächenelements durch den geringeren Materialverbrauch verringert öderes wird eine Ausführung des Oberflächenelementes ohne Vergrößerung der Masse des Oberflächenelements durch die Verstärkungswülste oder durch eine größere Dicke des Oberflächenelements ermöglicht.

Die Verstärkungswülste tragen bedingt durch deren erhöhte Materialdicke lokal zur Verbesserung der Wärmeleitung bei. Im Ergebnis verbessert die Kombination aus der Vielzahl konvexer Aussparungen und dazwischenliegender Verstärkungswülste das Temperaturprofil entlang des Oberflächenelements und trägt zur Homogenisierung der Temperatur des Oberflächenelements und zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung bei.

Bei dem Wärmeübertrager kann es sich um einen Flüssigkeits-Gas-Wärmeübertrager, beispielsweise einen Wasser-Luft-Wärmeübertrager handeln. Der Wärmeübertrager, kann als ein Rippenrohrwärmeübertrager ausgebildet sein wie eingangs beschrieben, wobei die Trennwand zwischen dem ersten Fluid (z.B. Wasser) und dem zweiten Fluid (z.B. Luft) durch die Rohrwand des Rohres oder der Rohre ausgebildet ist. Die Fluide Wasser und Luft sind als reine Beispiele zu verstehen, die auch für andere flüssige und gasförmige Fluide stehen können. Die Rohrinnenseiten können in Kontakt mit einem flüssigen, ersten Fluid stehen. Der Wärmeübergangswiderstand ist an dieser Grenzfläche durch den flüssigen Aggregatzustand des ersten Fluids klein. Entsprechend bedarf es auf der Innenseite der Rohre keiner Oberflächenvergrößerung. Im Kreuzstrom wird dazu ein Gasstrom geführt, dessen Hauptströmungsrichtung senkrecht zur Rohrachse verläuft. Die Grenzflächen an den Außenseiten der Rohre, die im Kontakt mit dem gasförmigen, zweiten Fluid stehen, haben einen höheren Wärmeübergangswiderstand pro Flächeneinheit der Trennwandoberfläche. Um dennoch einen kleinen Wärmeübergangswiderstand zu erreichen, ist die Oberfläche der Trennwand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers auf wenigstens dieser Seite durch Rippen in Form der beschriebenen Oberflächenelemente vergrößert. Solche oberflächenvergrößernden Oberflächenelemente können in anderen erfindungsgemäßen Wärmeübertragern auch auf beiden Seiten der Trennwand angeordnet sein, beispielsweise in einem Gas-Gas-Wärmeübertrager.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich hauptsächlich auf einen Flüssigkeit-Gas- Wärmeübertrager mit nur einseitig auf der Gasseite vergrößerter Oberfläche. Die Ausführungen gelten mit entsprechenden Abwandlungen jedoch auch für andere Wärmeübertrager mit beidseitig vergrößerten Oberflächen der Trennwand, für die kein Ausführungsbeispiel explizit benannt ist. Die Oberflächenelemente können dabei beliebige Formen aufweisen. Üblich sind beispielsweise viereckige, runde oder ovale Formen der Oberflächenelemente. Weiterhin kann die Form des Oberflächenelements an den Querschnitt des Rohrs angepasst sein, so können Rohre mit einem kreisförmigen Querschnitt Oberflächenelemente mit einer runden Kreisform aufweisen.

In besonderen Ausführungsformen erstrecken sich die Verstärkungswülste über die gesamte Höhe des Oberflächenelementes, d.h. bis zur Außenkante des Oberflächenelements.

In weiteren Ausführungsformen verjüngen sich die Verstärkungswülste entlang der Höhe der Oberflächenelemente von der Trennwand aus.„Verjüngen“ meint, dass die Querschnittsfläche der Verstärkungswülste ausgehend von der Trennwand entlang der Höhe des Oberflächenelements bis zur Außenkante des Oberflächenelementes abnimmt. Die Querschnittsform der Verstärkungswülste bleibt dabei erhalten.

In weiteren Ausführungsformen liegt der Scheitelpunkt der konvexen Aussparungen bei 40% der gesamten Höhe des Oberflächenelementes.

In besonderen Ausführungsformen sind die konvexen Aussparungen parabelförmig ausgebildet. Bei ovalen oder runden Oberflächenelementen nimmt der wärmeleitende Querschnitt des Oberflächenelementes quadratisch mit dem Radius des Oberflächenelements zu, so dass durch parabelförmige Aussparungen die Fläche der Oberflächenelemente effektiv reduziert wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager ein Rippenrohrwärmeübertrager mit wenigstens einem Rohr zur Durchströmung eines ersten Fluids im Inneren des Rohres und mit die Oberfläche des Rohres außen vergrößernden Oberflächenelementen, die von einem zweiten Fluid im Kreuzstrom zum ersten Fluid umströmbar sind. Das Rohr bildet dabei die Trennwand des Wärmeübertragers. Die Oberflächenelemente werden bei Rippenrohrwärmeübertragern als Rippen bezeichnet. Die Oberflächenelemente bzw. Rippen sind von dem Rohr abstehend ausgebildet und weisen Verstärkungswülste auf, wobei sich die Verstärkungswülste von dem Rohr wegführend erstrecken.

Die Wärmeleitfähigkeit der Rippen von Rippenrohren ist eine Materialeigenschaft des für die Herstellung der Rippen verwendeten Materials. Für einen großen Wärmefluss wird eine große Querschnittsfläche quer zu der Wärmeleitungsrichtung benötigt. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager verwendet als Rippen Oberflächenelemente, die voneinander beabstandete Verstärkungswülste und zwischen den Verstärkungswülsten Flächenbereiche geringerer Dicke aufweisen. Diese Flächenbereiche haben wegen ihrer geringen Dicke einen hohen Wärmeleitwiderstand. Die Verstärkungswülste haben hingegen einen größeren Querschnitt und einen geringen Wärmeleitwiderstand, der auch für den Wärmetransport über größere Längen ausreichend klein ist. Die Verstärkungswülste stehen mit ihrem Querschnitt in Kontakt mit dem Rohr bzw. der Rohrwand oder sonstigen Trennwand und erstrecken sich von dem Rohr weg. Das heißt mit anderen Worten, die Verstärkungswülste sind orthogonal oder in einem Winkel zu der Rohrwand angeordnet, aber nicht parallel oder anderweitig beabstandet zu der Rohrwand.

In einer bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Verstärkungswülste orthogonal zur Oberfläche des Rohres.

Bei einem runden Rohr können sich die Verstärkungswülste radial und bei flachen Trennwänden orthogonal zur Trennwand erstrecken, sodass die Wärme auf einem kurzen Weg von der Trennwand weg oder zu der Trennwand hingeleitet wird. Beispielsweise können die Verstärkungswülste aus geometrischen oder strömungstechnischen Gründen auch anders zum Rohr hin verlaufen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser des kreisrunden Querschnitts der Verstärkungswülste an der Trennwand mindestens doppelt so groß wie die Dicke des Oberflächenelementes.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungswülste und die konvexen Aussparungen benachbarter Oberflächenelemente versetzt zueinander angeordnet unter Ausbildung eines Versatzes in einer Strömungsrichtung des zweiten Fluids zwischen den Oberflächenelementen.

Dadurch wird vorteilhaft die Ablenkung des quer zu den Verstärkungswülsten strömenden Fluids erreicht, was eine wellenförmige Fluid-Strömung erzeugt. Die wellenförmige Fluid-Strömung kann auch als eine strömungsgünstige Turbulenz betrachtet werden, wodurch eine erhöhte konvektive Wärmeübertragung von den Oberflächenelementen und Trennwänden an das umströmende Fluid oder umgekehrt erreicht wird. Die gute Wärmeleitung infolge des Vorhandenseins der Verstärkungswülste und der konvexen Aussparungen führt zu einer relativ großen Temperaturdifferenz zwischen dem Oberflächenelement und dem das Oberflächenelement umgebenden Medium. In Folge der großen Temperaturdifferenz wird auch ein großer Wärmefluss zwischen dem Oberflächenelement und dem umgebenden Medium und in der Folge eine große thermische Leistung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erreicht. Benachbarte Oberflächenelemente können an einer Trennwand befestigt sein, beispielsvreise auf einem Rohr. Es können aber auch von benachbarten Trennwänden ausgehende Oberflächenelemente einander kammartig umgreifen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohr des Rippenrohrwärmeübertragers als ein Ovalrohr ausgebildet, dessen Querschnitt aus zwei Halbkreisen und zwei die Halbkreise verbindenden Geraden gebildet ist. Die Oberflächenelemente besitzen eine ovale Form und sind in einer zu einer Längsachse des Rohres orthogonalen Ebene angeordnet Benachbarte Oberflächenelemente sind parallel zueinander entlang der Längsachse des Rohres angeordnet

An den Oberflächenbereichen der geraden Bereiche des Ovalrohres können die Verstärkungswülste nahezu senkrecht zur Strömung, parallel und in konstantem Abstand zueinander positioniert werden. Dabei ist eine maximierte konvektive Wärmeübertragung zwischen benachbarten Oberflächenelementen erreichbar. Durch die versetzten Verstärkungswülste in einander gegenüberstehenden, d.h. zu einander benachbarten, Oberflächenelementen ist eine wellenförmige Strömung ausbildbar, die die Wärmeübertragung weiter verbessert.

In einer Ausführungsform ist die Länge der Geraden des Querschnitts des Ovalrohrs mindestens einmal so groß wie der Durchmesser des Halbkreises des Querschnitts des Ovalrohrs, insbesondere 2,5-mal so groß.

An den großen geraden Bereichen des Ovalrohres und den daran angrenzenden Bereichen des Oberflächenelements kann vorteilhaft große Wärmeübertragung erreicht werden.

Die einzelnen vorgestellten Aspekte von Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers können auch anderweitig im Ermessen eines Fachmanns kombiniert werden, ohne den Rahmen der hier vorgestellten und beanspruchten Erfindung zu verlassen. Nacheinander beschriebene Merkmale dürfen nicht als untrennbare Merkmalskombination missverstanden werden, sondern sind als Aufzählung einzelner Merkmale zu verstehen.

Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert werden, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen. Dabei zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 eine Fluidströmung an dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,

Fig. 3 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Rippenrohrwärmeübertragers in Blickrichtung entlang des Rohres,

Fig. 4 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Rippenrohrwärmeübertragers in Blickrichtung quer zum Rohr und

Fig. 5 eine schematische Darstellung experimentell ermittelter Wärmestromdichten.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 , konkret einen Rippenrohrwärmeübertrager, ausschnittsweise in einer perspektivischen Ansicht. Im Zentrum des dargestellten Gegenstandes ist das ovale Rohr 2 zu erkennen. Die Wände des Rohres 2 sind Trennwände zwischen einem ersten Fluid im Inneren des Rohres 2 und einem zweiten Fluid außerhalb des Rohres 2. Durch die Trennwand bzw. die Rohrwand wird Wärme zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid ausgetauscht, ohne dass das erste und das zweite Fluid miteinander stofflich in Kontakt kommen. Außen weist das Rohr 2 oberflächenvergrößernde Rippen auf, die dem Rippenrohrwärmeübertrager seinen Namen geben. Bei dem hier dargestellten erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 sind die mit dem Rohr verbundenen Rippen als volumenarme und im Wesentlichen zweidimensionale Oberflächenelemente 3 ausgebildet.

Die Oberflächenelemente 3 weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel stiftförmige Verstärkungswülste 4 mit rundem Querschnitt auf. Diese Verstärkungswülste 4 erstrecken sich von dem Rohr 2 bis zur Außenkante 31 der Oberflächenelemente 3. Zwischen den Verstärkungswülsten 4 weist das Oberflächenelement 3 Flächenbereiche 5 auf, die eine geringere Dicke als die Verstärkungswülste 4 haben. Die Verstärkungswülste 4 sind massive Materialverdickungen des Materials des Oberflächenelements 3, die sich im dargestellten Ausführungsbeispiel über die gesamte Höhe des Oberflächenelements 3 bis zur Außenkante 31 erstrecken und sich nach außen verjüngen. Damit haben die Verstärkungswülste 4 einen großen Querschnittsdurchmesser direkt an der Grenzfläche zum Rohr 2, während der Durchmesser der Verstärkungswülste 4 an der Außenkante 31 des Oberflächenelements 3 gleich oder nur wenig größer als die Dicke der Flächenbereiche 5 ist. Die Verstärkungswülste 4 verbessern den Wärmetransport innerhalb des Oberflächenelements 3 vom Rohr 2 zur Außenkante 31 oder umgekehrt, wie dies durch die Pfeile in drei Verstärkungswülsten 4 beispielhaft dargestellt ist. Die Richtung des Wärmetransports hängt in bekannter Weise davon ab, welches der beiden Fluide im Inneren des Rohres 2 und außerhalb des Rohres 2 wärmer ist. Neben den Verstärkungswülsten 4 weist das Oberflächenelement 3 im Bereich einiger der Flächenbereiche 5 konvexe Aussparungen 6 auf, die sich von der Außenkante 31 des Oberflächenelementes 3 in Richtung auf das Rohr 2 erstrecken und dabei in ihrer Breite verringern. Die Breite einer der Aussparungen 6 wird entlang der flächigen Ausdehnung des Oberflächenelements 2 und damit senkrecht zur Dicke des Oberflächenelements 3 gemessen. Die Aussparungen 6 stellen das völlige Fehlen des Materials des Oberflächenelements 3 im Bereich der Aussparungen dar. Die Aussparungen 6 erstrecken sich nicht bis zum Rohr 2, sondern nur bis zu einer definierten Höhe innerhalb des Oberflächenelements 3, wobei die Höhe ausgehend von der äußeren Oberfläche des Rohres 2 gemessen wird. Damit liegt der Scheitelpunkt der Aussparung 6 auf dieser definierten Höhe, die größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der Höhe des Oberflächenelements 3 ist. Die Höhe des Oberflächenelements 3 ist die maximale Höhe der Außenkante 31 des Oberflächenelements 3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Aussparungen 6 parabelförmig ausgebildet und erstrecken sich bis zu einer Höhe von ca. 40% der Höhe des Oberflächenelements 3.

Die konvexen Aussparungen 6 dienen der Reduzierung der wärmeübertragenden Fläche des Oberflächenelements 3 mit der Höhe ausgehend vom Rohr 2. Damit wird eine Vergrößerung der wärmeleitenden Querschnittsfläche des Oberflächenelementes mit zunehmender Höhe vermieden. Da eine solche Vergrößerung der wärmeleitenden Querschnittsfläche vor allem in Bereichen des Oberflächenelements 3, die an runde Bereiche des Rohres 2 angrenzen, auftritt, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Aussparungen 6 hauptsächlich in diesen Bereichen ausgebildet. Andererseits tritt die Querschnittsflächenvergrößerung in Flächenbereichen 5, die an die geraden Bereiche des hier verwendeten Ovalrohres 2 angrenzen, nicht oder nur in geringem Maße auf, so dass diese Flächenbereiche 5 keine Aussparungen 6 aufweisen können. Dies ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zumindest für einige der Flächenbereiche 5 der Fall. Figur 2 zeigt ausschnittsweise den Wärmeübertrager von Figur 1 schematisch in einer seitlichen Ansicht auf das Rohr 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung von Figur 1 verwiesen. In der dargestellten Seitenansicht sind zwei, parallel zueinander angeordnete Oberflächenelemente 3 zu sehen, wobei die Verstärkungswülste 4 und im Geradbereich 21 auch die Flächenbereiche 5 gut zu erkennen sind, während die Aussparungen nicht sichtbar sind. In Figur 2 ist schematisch anhand von Stromlinien 7 die Strömung des zweiten Fluids außerhalb des Rohres 2 dargestellt. Die Verstärkungswülste 4 und die Aussparungen stören eine laminare Strömung zwischen benachbarten Oberflächenelementen 3, indem sie Turbulenzen verursachen. Die Turbulenzen verbessern den Wärmeübergang zwischen dem zweiten Fluid und dem Oberflächenelement 3. Auf der ebenen Seite des ovalen Rohres 2, d.h. im Geradbereich 21 , sind die Verstärkungswülste 4 benachbarter Oberflächenelemente 3 in der Strömungsrichtung, die in der Darstellung von unten nach oben verläuft, jeweils mit einem Versatz 8 zueinander angeordnet. Durch den Versatz 8 überlagern sich die Turbulenzen an den einzelnen Verstärkungswülsten 4 und den Aussparungen zu dem mit den Stromlinien 7 skizzierten strömungsgünstigen Wellenverlauf.

In den Figuren 3 und 4 ist ein ganz konkretes Bemessungsbeispiel des Rippenrohrwärmeübertragers von den Figuren 1 und 2 in zwei verschiedene Ansichten längs des Rohres 2 und quer dazu dargestellt. Das Rohr 2 ist hier als ein Ovalrohr ausgebildet, das der in Figur 2 dargestellten Strömung mit den Stromlinien 7 bei gleichem Querschnitt einen geringeren Widerstand entgegensetzt als ein rundes Rohr gleicher Querschnittsgröße. Das konkrete Ovalrohr hat einen Außendurchmesser 9 von 16 mm seiner halbkreisförmigen Bereiche und eine Länge 10 der geraden Seitenbereiche 21 von 18 mm. Für eine Skalierung des Rohres kann verallgemeinert werden, dass das Verhältnis von der geraden Länge 10 zu dem Durchmesser 9 größer als 1 , im vorliegenden Fall 1 ,125 beträgt. Die genaue Größe dieses Verhältnisses kann als ein Optimierungsparameter bei der Auslegung des Wärmeübertragers anhand vorgegebener Rahmenbedingungen genutzt werden. Das Oberflächenelement 3 weist eine Höhe 1 1 von 44,5 mm auf, die von der äußeren Oberfläche des Rohres 2 im Geiadbereich 21 bis zur Außenkante 31 des Oberflächenelements 3 gemessen wird. Die Aussparungen 6 weisen an der Außenkante 31 des Oberflächenelements 3 eine Breite 12 von 21 mm auf und erstrecken sich von der Außenkante 31 über eine Länge 13 von 26,5 mm in Richtung des Rohres 2. Damit liegt der Scheitelpunkt der Aussparungen 6 bei ca. 40% der Höhe 1 1 .

Die Verstärkungswülste 4 haben an der Grenzfläche zum Rohr 2 einen Durchmesser 14 von 4 mm, der sich kontinuierlich zur Außenkante 31 des Oberflächenelements 3 verringert. In Figur 4 ist zu sehen, dass die Flächenbereiche 5 eine geringe Dicke 15 von nur 1 mm haben und die Verstärkungswülste 4 mit einem maximalen Durchmesser von 4 mm einen im Vergleich mit den Flächenbereichen 5 vergrößerten Querschnitt bzw. eine viermal so große Dicke besitzen. Das Verhältnis des maximalen Durchmessers einer Verstärkungswulst zur Dicke eines Flächenbereiches kann auch ein anderes sein, wobei es jedoch größer als oder gleich 2 sein sollte.

Zwei benachbarte Oberflächenelemente 3 sind entlang des Rohres 2, d.h. entlang der Strömungsrichtung des Fluides im Inneren des Rohres 2, in einem Abstand 16 von 12 mm parallel zueinander angeordnet. In dem Ausschnitt von Figur 4 ist zu erkennen, dass das linke Oberflächenelement 3 drei Verstärkungswülste 4 in dem ebenen Oberflächenbereich, dem Geradbereich 21 , des ovalen Rohres 2 aufweist. Das rechte Oberflächenelement 3 weist hingegen in dem gleichen Ausschnitt nur zwei Verstärkungswülste 4 auf, wobei die Verstärkungswülste 4 auf den benachbarten Oberflächenelementen zueinander versetzt angeordnet sind. Dieser Versatz der Verstärkungswülste 4 und auch der Aussparungen, die in Fig. 4 nicht erkennbar sind, setzt sich über die gesamte Ausdehnung der beiden Oberflächenelemente 3 fort. So sind in Fig. 3 auch die Verstärkungswülste, Flächenbereiche und Aussparungen des Oberflächenelements, welches in Blickrichtung hinter dem vorderen Oberflächenelement angeordnet ist, zumindest teilweise in den Aussparungen 6 des vorderen Oberflächenelements 3 sichtbar. Durch den Versatz wird der in Figur 2 skizzierte Strömungsverlauf mit den Stromlinien 7 realisiert. Weiterhin führt der Versatz 8 der Aussparungen 6 und der Verstärkungswülste 4 zu großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Fluid 2 und dem Oberflächenelement 3, welches an einem jeweiligen Ort keine Aussparung aufweist. Im Ergebnis sind große Wärmestromdichten möglich.

Alle angegebenen Maße sind beispielhaft und können je nach Anwendungsfall modifiziert und optimiert werden.

Zur Veranschaulichung des Potentials des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 gegenüber einem konventionellen Wärmeübertrager ist in Fig. 5 die Wärmestromdichte, die mit Hilfe eines Rippenrohres mit 18 Oberflächenelementen für eine gegebene Anströmgeschwindigkeit des Fluides, welches das Rippenrohr und die Oberflächenelemente umströmt, erreicht wurde, dargestellt. Dabei zeigt die Kurve mit den vollen Kästchen die gemessene Wärmestromdichte für ein gefertigtes Rippenrohr mit konventionellen Oberflächenelementen, d.h. mit Oberflächenelementen ohne Verstärkungswülste und ohne Aussparungen, während die Kurve mit den leeren Kästchen die gemessene Wärmestromdichte für ein als Prototypen gefertigtes Rippenrohr mit Oberflächenelementen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die äußeren Abmessungen des Rohres sowie der Oberflächenelemente und das verwendete Material jeweils gleich waren. Wie zu sehen ist, ist eine deutliche Erhöhung der Wärmestromdichte für alle Anströmgeschwindigkeiten durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Oberflächenelemente möglich. So liegt die Wärmestromdichte um bis zu 90% höher als bei Nutzung konventioneller Oberflächenelemente.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die benachbarten Oberflächenelemente 3 auf einem Rohr 2 montiert. In anderen, nicht dargestellten Beispielen sind benachbarte Ober flächenelemente 3 auf benachbarten Rohren 2 montiert und die Rippen benachbarter Rohre greifen kammartig ineinander ein. Weitere Ausführungsbeispiele kann ein Fachmann anhand der obigen Beispiele in Anpassung an eine gegebene Aufgabenstellung herleiten.

Bezugszeichen

1 Wärmeübertrager

2 Rohr

21 Geradbereich des Rohres

3 Oberflächenelement

31 Außenkante des Oberflächenelements

4 Verstärkungswulst des Oberflächenelements

5 Flächenbereich des Oberflächenelements

6 Konvexe Aussparung des Oberflächenelements

7 Stromlinien eines Fluids zwischen benachbarten Oberflächenelementen

8 Versatz von Verstärkungswülsten

9 Durchmesser des Halbkreises im Ovalrohrquerschnitt

10 Länge des Geradbereiches im Ovalrohrquerschnitt

1 1 Höhe des Oberflächenelements

12 Breite der Aussparung an der Außenkante des Oberflächenelements

13 Tiefe der Aussparung

14 Maximaler Durchmesser der Verstärkungswulst

15 Dicke des Flächenbereichs

16 Abstand zwischen benachbarten Oberflächenelementen

Claims

Patentansprüche

1. Wärmeübertrager (1 ) mit wenigstens einer Trennwand und wenigstens von einer Seite der Trennwand abstehenden und die Oberfläche der Trennwand vergrößernden Oberflächenelementen (3), die von einem Fluid umströmbar sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Oberflächenelemente (3) Verstärkungswülste (4) und zwischen den Verstärkungswülsten (4) befindliche Flächenbereiche (5) aufweisen, wobei sich die Verstärkungswülste (4) von der Trennwand ausgehend erstrecken und eine kreisrunde oder ovale Querschnittform haben,

sich die Verstärkungswülste (4) ausgehend von der Trennwand über mindestens einen Teil der Höhe des Oberflächenelementes (3) erstrecken und

dass die Oberflächenelemente (3) eine Vielzahl konvexer Aussparungen (6) aufweisen, wobei jede der konvexen Aussparungen (6) in einem der Flächenbereiche (5) zwischen zwei Verstärkungswülsten (4) angeordnet ist und sich von einer Außenkante (31 ) des Oberflächenelementes (3) erstreckt, wobei ihr Scheitelpunkt bei einer Höhe größer als oder gleich 30% und kleiner als oder gleich 70% der gesamten Höhe des Oberflächenelementes (3) liegt, wobei die Höhe ausgehend von der Trennwand gemessen ist.

2. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungswülste (4) über die gesamte Höhe des Oberflächenelementes (3) erstrecken.

3. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungswülste (4) entlang der Höhe der Oberflächenelemente (3) von der Trennwand aus verjüngen.

4. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt der konvexen Aussparungen (6) bei 40% der gesamten Höhe des Oberflächenelementes (3) liegt.

5. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexen Aussparungen (6) parabelförmig ausgebildet sind.

6. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 ) ein Rippenrohrwärmeübertrager ist, mit wenigstens einem Rohr (2) zur Durchströmung eines ersten Fluids im Inneren des Rohres (2) und mit die Oberfläche des Rohres (2) außen vergrößernden Oberflächenelementen (3), die von einem zweiten Fluid im Kreuzstrom zum ersten Fluid umströmbar sind, wobei das Rohr (2) die Trennwand des Wärmeübertragers (1 ) bildet.

7. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verstärkungswülste (4) orthogonal zur Oberfläche des Rohres (2) erstrecken.

8. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (14) des kreisrunden Querschnitts der Verstärkungswülste (4) an der Trennwand mindestens doppelt so groß wie die Dicke (15) der Oberflächenelemente (3) ist.

9. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungswülste (4) und die konvexen Aussparungen (6) benachbarter Oberflächenelemente (3) versetzt zueinander angeordnet sind unter Ausbildung eines Versatzes (8) in einer Strömungsrichtung des zweiten Fluids zwischen den Oberflächenelementen (3).

10. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) des Rippenrohrwärmeübertragers als ein Ovalrohr ausgebildet ist, dessen Querschnitt aus zwei Halbkreisen und zwei die Halbkreise verbindenden Geraden gebildet ist, die Oberflächenelemente (3) jeweils eine ovale Form aufweisen und in einer zu einer Längsachse des Rohres orthogonalen Ebene angeordnet sind und benachbarte Oberflächenelemente (3) parallel zueinander angeordnet sind.

1 1. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (10) der Geraden des Querschnitts des Ovalrohrs mindestens einmal so groß wie der Durchmesser (9) des Halbkreises des Querschnitts des Ovalrohrs ist.