FR2619898A1

FR2619898A1 - Flat tube heat exchanger

Info

Publication number: FR2619898A1
Application number: FR8811454A
Authority: FR
Inventors: Dieter Bauer; Silvia Thoma; Gebhard Schwarz; Dietmar Zdora
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1987-09-02
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1989-03-03
Anticipated expiration: 2008-09-01
Also published as: FR2619898B1; DE8711894U1

Abstract

This heat exchanger comprises an insert 1 producing turbulence inserted into each tube of the exchanger and comprising surfaces 4 for guiding the flow fitted with passages 3 and longitudinal shaped units 2 pressing alternately against the opposite internal faces of the flat tube forming the exchanger. The ratio length:width of the passages 3 is between 1:1 and 5:1 and the longitudinal shaped units 2 are provided on the outside and along the sides of the surfaces 4.

Description

La présente invention concerne un échangeur de chaleur a tubes plats comportant un insert produisant des turbulences, disposé au centre de la section transversale de chaque tube plat et s'étendant dans la direction longitudinale de ce dernier, sous la forme d'une bande de tôle possédant un profilage longitudinal, qui possède des surfaces de guidage de l'écoulement comportant des passages en forme de fenêtres et des éléments profilés longitudinaux s'appliquant en alternance contre des faces intérieures opposées du tube plat, de manière a bloquer en position l'insert produisant des turbulences, dans le tube plat. The present invention relates to a heat exchanger with flat tubes comprising an insert producing turbulence, arranged in the center of the cross section of each flat tube and extending in the longitudinal direction of the latter, in the form of a sheet metal strip. having longitudinal profiling, which has flow guiding surfaces comprising window-shaped passages and longitudinal profiled elements which are applied alternately against opposite internal faces of the flat tube, so as to lock the insert in position producing turbulence, in the flat tube.

Dans un tel échangeur de chaleur à tubes plats connu d'après le modèle d'utilité allemand 80 26 746, en vue d'améliorer le transfert thermique dans l'insert produisant des turbulences il est prévu, dans les surfaces de guidage de l'écoulement, des moulures obliques permettant d'obtenir un fort tourbillonnement du milieu circulant dans l'échangeur de chaleur, et ce en général en association avec une résistance élevée d'écoulement de sorte qu'une puissance élevée d'entraînement en circulation par pompage est nécessaire en raison de la chute de pression. Les passages en forme de fenêtres possèdent une taille relativement grande dans la forme de réalisation décrite, de sorte que les surfaces de guidage de l'écoulement sont étroites, ce qui conditionne une faible stabilité des inserts produit sant des turbulences, qui pose des problèmes de montage. In such a flat tube heat exchanger known from the German utility model 80 26 746, in order to improve the heat transfer in the insert producing turbulence, provision is made in the guide surfaces of the flow, oblique moldings making it possible to obtain a strong swirling of the medium circulating in the heat exchanger, and this in general in association with a high flow resistance so that a high driving power in circulation by pumping is necessary due to pressure drop. The window-shaped passages have a relatively large size in the embodiment described, so that the flow guide surfaces are narrow, which causes low stability of the turbulent inserts, which poses problems of mounting.

Pour éviter des inconvénients décrits, la présente invention a pour but d'agencer les inserts décrits produisant des turbulences, de manière qu'ils soient d'un montage plus commode ou soient plus stables, moyennant une réduction simultanée de la résistance d'écoulement et le maintien d'un transfert thermique optimal. To avoid the drawbacks described, the object of the present invention is to arrange the described inserts producing turbulence, so that they are of a more convenient mounting or are more stable, by means of a simultaneous reduction in the flow resistance and maintaining optimal heat transfer.

Ce probleme est résolu conformément a l'invention grâce au fait que le rapport longueur-largeur des passages ménagés dans les surfaces de guidage de l'écoulement est compris entre 1:1 et 5:1 et que les éléments profilés longitudinaux sont prévus exterieurement et latéralement par rapport aux surfaces de guidage de l'écoulement. comportant les passages. This problem is solved in accordance with the invention thanks to the fact that the length-width ratio of the passages formed in the flow guide surfaces is between 1: 1 and 5: 1 and that the longitudinal profiled elements are provided externally and laterally with respect to the flow guide surfaces. comprising the passages.

Le fait de prevoir les éléments profilés å l'ext & rieur des surfaces de guidage de 11 écoulement réduit la résistance d'écoulement, tout en permettant d'obtenir, dans le cadre d'un tourbillonnement suffisant, un bon transfert thermique depuis le liauide caloporteur dans les tubes plats. Providing the profiled elements outside the flow guide surfaces reduces the flow resistance, while at the same time making it possible to obtain, in the context of sufficient swirling, good heat transfer from the medium. coolant in flat tubes.

On peut obtenir une bonne stabilité de forme lorsque les éléments profilés longitudinaux constituent les jonctions arrondies de deux surfaces de guidage de ltecou- lement, qui se rejoignent en aboutement sous la forme d'un toit à deux versants, de sorte que l'insert produisant les turbulences possède une section transversale plane en zigzag et que les surfaces de guidage de l'écoulement sont des surfaces obliques. Le fait de disposer obliquement les surfaces de guidage de l'écoulement dans le tube plat permet d'obtenir des éléments profilés longitudinaux qui accroissent la stabilité de forme et facilitent de ce fait le montage. Good shape stability can be obtained when the longitudinal profiled elements constitute the rounded junctions of two flow guide surfaces, which meet abutting in the form of a gable roof, so that the insert producing the turbulence has a flat zigzag cross-section and that the flow guide surfaces are oblique surfaces. The oblique arrangement of the flow guide surfaces in the flat tube makes it possible to obtain longitudinal profiled elements which increase the form stability and thereby facilitate assembly.

De façon appropriée les jonctions, qui s'appliquent contre la paroi intérieure du tube,-de deux surfaces obliques contiguës sont renforcées par un élément profilé longitudinal, ce qui facilite une insertion des inserts produisant des turbulences dans le tube plat, auquel cas de façon appropriée l'élément profilé longitudinal peut être réalisé sous la forme d'un élément arrondi enpositionrentrarr- te entre les surfaces obliques oui convergent l'une vers l'autre selon une disposition en V. Suitably the junctions, which are applied against the inner wall of the tube, - of two contiguous oblique surfaces are reinforced by a longitudinal profiled element, which facilitates insertion of the inserts producing turbulence in the flat tube, in which case suitable the longitudinal profiled element can be realized in the form of a rounded element in a staggered position between the oblique surfaces yes converging towards each other according to a V arrangement.

Pour obtenir une rigidification supplémentaire, les surfaces obliques, qui s'étendent jusqu'aux bords extérieurs, peuvent être agencées de manière å être plus etroi- tes que les surfaces obliques intérieures, en association avec un angle supérieur d'inclinaison.Cet angle supérieur d'inclinaison par rapport au plan médian du tube peut être compris entre environ 20 et 30 , tandis que les surfaces obliques intérieures font, par rapport au plan médian du tube, un angle d'inclinaison compris entre environ 0 et 5o
Dans une autre forme de réalisation, les éléments profilés longitudinaux peuvent posséder une forme en Z, auquel cas la branche médiane de l'élément profilé en Z s'étend perpendiculairement entre les faces intérieures du tube plat. Les branches, parallèles aux parois du tube plat, de l'élément profilé longitudinal en Z des inserts produisant les turbulences s'appliauent contre les parois du tube plat et peuvent y être soudées.Les extrémités des branches parallèles aux faces intérieures du tube plat peuvent alors être repliées vers l'intérieur du tube et se prolonger, au centre du tube plat, par les surfaces de guidage de l'écoulement. Grâce à ce profilage, les inserts produisant une turbulence sont particulièrement résistants à la flexion et peuvent être ainsi insérés éventuellement d'une manière entièrement automatique dans les tubes plats.To obtain additional stiffening, the oblique surfaces, which extend to the outer edges, can be arranged to be narrower than the inner oblique surfaces, in combination with a higher angle of inclination. of inclination relative to the median plane of the tube can be between approximately 20 and 30, while the internal oblique surfaces make, with respect to the median plane of the tube, an angle of inclination comprised between approximately 0 and 5o
In another embodiment, the longitudinal profiled elements may have a Z-shape, in which case the middle branch of the Z-shaped element extends perpendicularly between the inner faces of the flat tube. The branches, parallel to the walls of the flat tube, of the longitudinal Z-shaped element of the turbulence-producing inserts are applied against the walls of the flat tube and can be welded therein. The ends of the branches parallel to the inside faces of the flat tube can then be folded towards the inside of the tube and extend, in the center of the flat tube, by the flow guide surfaces. Thanks to this profiling, the inserts producing turbulence are particularly resistant to bending and can thus be optionally inserted fully automatically in the flat tubes.

Dans une autre forme de réalisation, les inserts de protection des turbulences peuvent comporter des parties de forme trapézoidale en coupe transversale, comportant des branches médianes faisant un angle supérieur à 45". Ceci facilite grandement le démoulage lors de la fabrication. Les zones de base des parties de forme trapézoidale en coupe transversale, situées pratiquement en vis à-vis, sont soudées à la paroi intérieure du tube plat, de manière à supporter des forces de traction de sorte que même dans le cas d'une pression intérieure élevée dans l'échangeur de chaleur à tubes plats, ces derniers ne s'elargissent pas. In another embodiment, the turbulence protection inserts may comprise parts of trapezoidal shape in cross section, having median branches making an angle greater than 45 ". This greatly facilitates demolding during manufacture. The basic zones parts of trapezoidal shape in cross section, located practically opposite, are welded to the inner wall of the flat tube, so as to withstand tensile forces so that even in the case of a high internal pressure in the heat exchanger with flat tubes, these do not widen.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci apres prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 représente une vue en plan partielle d'un insert produisant des turbulences
- la figure 2 represente une vue en coupe transversale, à plus grande echelle, de l'insert produisant des turbulences, représenté sur la figure 1, le long de la ligne II-II
- les figures 3 et 4 sont des représentations, correspondant aux figures 1 et 2, d'une autre forme de realisation
- la figure 5 représente une vue en coupe transversale d'un tube plat d'un échangeur de chaleur à tubes plats, avec une autre forme de réalisation des inserts produisant les turbulences ; et
- la figure 6 représente une autre variante de réa- lisation de l'insert produisant des turbulences.Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description given below after reference to the appended drawings, in which:
- Figure 1 shows a partial plan view of an insert producing turbulence
- Figure 2 shows a cross-sectional view, on a larger scale, of the insert producing turbulence, shown in Figure 1, along the line II-II
- Figures 3 and 4 are representations, corresponding to Figures 1 and 2, of another embodiment
- Figure 5 shows a cross-sectional view of a flat tube of a flat tube heat exchanger, with another embodiment of the inserts producing turbulence; and
- Figure 6 shows another alternative embodiment of the insert producing turbulence.

Dans les différents exemples de réalisation, les parties correspondantes sont désignes par les mêmes chiffres de référence. L'insert 1 produisant les tUrbulences, représenté sur les figures 1 et 2, comporte trois surfaces 4 de guidage de l'écoulement, séparées par des éléments séparés longitudinaux 2 se présentant sous la forme de moulures et interrompus par des passages 3 en forme de trous allongés. Les bords extérieurs 5 limitent des surfaces obliques 6 qui font, par rapport au plan médian 8, un angle d'inclinaison 7 relativement important compris entre environ 20 et 300. Au contraire l'angle d'inclinaison 9 des surfaces intérieures 4 de guidage de l'écoulement est égal approximativement à 5 . Les éléments profilés longitudinaux 2 sont réalisés sous la forme d'arrondis enposition rentranteentre les surfaces obliques 4 qui se rejoignent selon une disposition en V, et confèrent par conséquent, avec les surfaces obliques 6 coudes plus fortement, une bonne résistance à la flexion aux inserts 1 produisant les turbulences de sorte que ces derniers peuvent être insérés de façon sûre dans des tubes plats 10 (figure 5).Le rapport longueur-largeur des passages 3 réalisés sous la forme de trous allongés possédant des extrémités arrondies et ménagés dans les surfaces 4 de guidage de l'écoulement est compris entre environ 1:1 et 5:1 de sorte qùe le fluide caloporteur zones traversant est bien mis en tourbillons par suite du décollement fréquent des couches limites et que l'on obtient un bon transfert thermique dans le tube plat 10. Le fait de donner la forme de trous allongés aux passages 3 munis des extrémités arrondies réduit le risaue de dépôts et de salissements étant donné l'absence de tout angle pointu. La fabrication au moyen d'outils est simple grâce aux formes arrondies. In the various embodiments, the corresponding parts are designated by the same reference numbers. The insert 1 producing the turbulence, shown in FIGS. 1 and 2, has three surfaces 4 for guiding the flow, separated by separate longitudinal elements 2 in the form of moldings and interrupted by passages 3 in the form of elongated holes. The outer edges 5 limit oblique surfaces 6 which make, with respect to the median plane 8, a relatively large inclination angle 7 of between approximately 20 and 300. On the contrary, the inclination angle 9 of the internal guide surfaces 4 the flow is approximately 5. The longitudinal profiled elements 2 are produced in the form of rounding in a reentrant position between the oblique surfaces 4 which meet in a V-shaped arrangement, and consequently confer, with the oblique surfaces 6 bends more strongly, good resistance to bending of the inserts. 1 producing turbulence so that the latter can be inserted securely into flat tubes 10 (FIG. 5). The length-width ratio of the passages 3 produced in the form of elongated holes having rounded ends formed in the surfaces 4 flow guide is between about 1: 1 and 5: 1 so that the heat transfer fluid passing through zones is well in vortices due to the frequent separation of the boundary layers and that a good thermal transfer is obtained in the flat tube 10. The fact of forming elongated holes in the passages 3 provided with rounded ends reduces the risk of deposits and dirt given the absence from any sharp angle. Manufacturing using tools is simple thanks to the rounded shapes.

Sur les figures 3 et 4 on a représenté un autre exemple de réalisation d'un insert 1 produisant des turbulences, qui est un peu plus étroit et possède pratiquement seulement une section transversale simple en forme de zigzag comportant des surfaces obliques 6 plus fortement coudées au niveau des bords extérieurs 5. Les éléments profilés longitudinaux 2, qui limitent les surfaces 4 de guidage de l'écoulement, sont de simples éléments coudés, l'angle 9 d'inclinaison par rapport au plan médian 8 étant aussi égal approximativement à 5 et l'angle 7 d'inclinaison par rapport à ce plan étant égal approximativement à 26". FIGS. 3 and 4 show another embodiment of an insert 1 producing turbulence, which is a little narrower and has practically only a simple cross section in the form of a zigzag comprising oblique surfaces 6 which are more strongly bent at level of the outer edges 5. The longitudinal profiled elements 2, which limit the surfaces 4 for guiding the flow, are simple bent elements, the angle 9 of inclination relative to the median plane 8 also being approximately equal to 5 and the angle 7 of inclination relative to this plane being approximately equal to 26 ".

Le rapport longueur-largeur des passages 3 est égal approximativement à 5:1.The length-to-width ratio of passages 3 is approximately 5: 1.

Sur la figure 5, on a représenté le montage d'un insert 1 produisant des turbulences dans un tube plat 10, les éléments profilés longitudinaux intérieurs 2 possédant la forme de Z, dont les branches centrales 11 sont disposées à angle droit ou également, selon une variante, sous un angle supérieur à 45 par rapport aux faces intérieures 12 du tube plat 10. Afin d'améliorer le transfert thermique et supporter les forces de traction, les branches 13, oui sont parallèles auxdites.faces intêrieures 12, des élé ments profilés longitudinaux 2 sont soudées au tube plat 10 de sorte que ce dernier ne s'élargit pas même dans le cas de pressions internes assez élevées étant donne que les forces de traction, oui apparaissent, sont supportees par les branches médianes 11.Les extrémités des branches 13 sont repliées en direction du plan médian 8 et portent les surfaces 4 de guidage de l'écoulement. Les bords extérieurs 5 de l'insert 1 produisant les turbulences sont étagés de manière à assurer une rigidification. In Figure 5, there is shown the mounting of an insert 1 producing turbulence in a flat tube 10, the internal longitudinal profiled elements 2 having the shape of Z, whose central branches 11 are arranged at right angles or also, according to a variant, at an angle greater than 45 relative to the inner faces 12 of the flat tube 10. In order to improve the heat transfer and withstand the tensile forces, the branches 13, yes are parallel to the said inner surfaces 12, of the elements longitudinal sections 2 are welded to the flat tube 10 so that the latter does not widen even in the case of fairly high internal pressures since the tensile forces, yes appear, are supported by the middle branches 11.The ends of the branches 13 are folded in the direction of the median plane 8 and carry the surfaces 4 for guiding the flow. The outer edges 5 of the insert 1 producing the turbulence are stepped so as to ensure stiffening.

Une variante de la forme de réalisation d'un insert produisant des turbulences conformément à la figure 5 est représentée sur la figure 6. Les flancs 15 des éléments profilés longitudinaux 2 et des bords exterieurs 5 s'éten- dent, en formant un trapèze, obliquement par rapport au plan médian 8, ce oui permet d'obtenir une configuration plus commode, et ce en faisant de préférence un angle de 60 par rapport au plan médian 8. A variant of the embodiment of an insert producing turbulence in accordance with FIG. 5 is shown in FIG. 6. The sides 15 of the longitudinal profiled elements 2 and the outer edges 5 extend, forming a trapezoid, obliquely to the median plane 8, this yes makes it possible to obtain a more convenient configuration, and this preferably by making an angle of 60 relative to the median plane 8.

Afin d'avoir'une representation plus claire des formes, on a représenté les dimensions en hauteur à une échelle accrue par rapport à la largeur sur les figures 2,4,5 et 6. La largeur interne des tubes plats 10 et par conséquent également la hauteur des inserts 1 produisant les turbulences sont comprises approximativement entre 0,8 à 1,2 mm dans le cas d'une épaisseur d'environ 0,15 mm des inserts 1 produisant les turbulences, formés à partir d'une tôle. La limite inférieure de l'épaisseur est considérée comme étant egale a environ 0,1 mm. L'épaisseur optimale respective dépend des côtes intérieures du tube et du matériau utilisé pour l'insert 1 produisant les turbulences. In order to have a clearer representation of the shapes, the height dimensions are shown on an increased scale with respect to the width in FIGS. 2, 4, 5 and 6. The internal width of the flat tubes 10 and therefore also the height of the inserts 1 producing the turbulence is approximately between 0.8 to 1.2 mm in the case of a thickness of about 0.15 mm of the inserts 1 producing the turbulence, formed from a sheet. The lower thickness limit is considered to be approximately 0.1 mm. The respective optimal thickness depends on the inner ribs of the tube and the material used for the insert 1 producing the turbulence.

Claims

1. Heat exchanger with flat tubes comprising an insert (1) producing turbulence, disposed in the center of the cross section of each flat tube (10) and extending in the longitudinal direction of the latter, in the form of a sheet metal strip with longitudinal profiling, yes has flow-guiding surfaces (4) comprising window-shaped passages (3) and longitudinal profiled elements (2) which are applied alternately against opposite internal faces of the flat tube, so as to lock in position the insert (1) producing turbulence, in the flat tube (10), characterized in that the length-width ratio of the passages (3) formed in the guide surfaces (4) of the flow is between 1: 1 and 5 :: 1 and that the longitudinal profiled elements (2) are provided externally and laterally with respect to the surfaces (4) for guiding the flow, comprising the passages (3).

2. flat tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that the longitudinal profiled elements constitute the rounded junctions of two surfaces (4) for guiding the flow, which are abutting one against the other at like a gable roof, and the flow guide surfaces (4) form oblique surfaces.

3. Heat exchanger with flat tubes according to one of claims 1 or 2, characterized in that the junctions, located at the inner wall of the tube, of two oblique surfaces connecting to each other (surfaces 4 for guiding the flow) are stiffened by a longitudinal molding (2).

4. Flat tube heat exchanger according to claim 3, characterized in that the longitudinal molding (2) is produced in the form of a rounded element protruding between the oblique surfaces which converge towards one another according to a V-shaped arrangement.

5. Flat tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the oblique surfaces (6), which reach the outer edges (5), are narrow with respect to the inner oblique surfaces (surfaces 4 flow guide) and that their angle of inclination (7) is greater.

6. Flat tube heat exchanger according to claim 5, characterized in that the angle (7) of inclination relative to the median plane (8) of the tube is between approximately 20 and 300.

7. flat tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the internal oblique surfaces (guide surfaces 4 de.ltécoulement) make an angle of inclination (9) of about 5 per relative to the median plane (8) of the tube.

8. Heat exchanger with flat tubes according to claim 1, characterized in that the longitudinal profiled element (2) has a Z shape, that the middle branch (11) is arranged perpendicularly or obliquely between the inner faces (12) of the flat tube (10), that the ends of the branches (13) parallel to the internal faces (12) of the flat tube (10) are bent towards the inside of the tube (bent part 14) and extend, at the center of the flat tube, through the flow guide surfaces (4).

9. Heat exchanger with flat tubes according to claim 1, characterized in that the insert (1) producing turbulence has parts of trapezoidal shape in cross section, the bases of which are applied against the interior walls of the flat tube ( 10), and that the passages (3) are formed in the large surfaces (4) for guiding the flow, located between said base areas.

10. Flat tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 9, characterized in that

the branches (13), parallel to the inner faces (12) of the flat tube (10), longitudinal profiled elements (2) are welded to the inner faces (12) of the flat tube (10).

11. Flat tube heat exchanger according to any one of claims 3 to 10, characterized in that the spacing of the longitudinal profiled elements (2) is between 6 and 12 mm.

12. Flat tube heat exchanger according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the longitudinal profiled elements (2) have sides flanking at an angle between about 45 "and 90" and preferably equal to 60 relative to the median plane (8).

13. flat tube heat exchanger according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the passages (3) formed in the surface (4) for guiding the flow are elongated holes comprising zones of rounded ends.