WO1997000786A1 - Wärmetauscher für luftheizgeräte für insbesondere kraftfahrzeuge - Google Patents

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WO1997000786A1
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Peter Reiser
Dieter Maisenbacher
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    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
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    • F28D2021/0091—Radiators
    • F28D2021/0096—Radiators for space heating

Definitions

  • Heat exchangers for air heaters in particular
  • the invention relates to a heat exchanger for LuftHogerä ⁇ te for motor vehicles in particular according to the preamble of claim 1.
  • the invention is concerned with the problem of improving the heat transfer on the outer wall of the tube and in particular on the longitudinal ribs.
  • the shape of the longitudinal ribs according to the invention proves to be particularly advantageous in the case of a light metal tube produced by die casting if the die casting mold is divided along the tube axis.
  • An additional increase in the heat transfer can be achieved by the fact that the longitudinal turbulence, which further increases the turbulence of the flow, protrude into the spaces between the longitudinal ribs emanating from the heat exchanger tube.
  • These additional housing ribs can be designed with profiled turbulence-enhancing surfaces. In particular, the free inwardly projecting longitudinal front edges of these additional ribs can be serrated or wavy.
  • the waveform provided according to the invention in particular on the longitudinal fins of the heat exchanger tube, on the one hand increases the heat-transferring surface of the fins and, on the other hand, such a waveform increases the turbulent flow between the longitudinal fins of the fins, which promotes heat transfer from the medium flowing around it Heat exchanger tube reached.
  • the wave peaks and valleys running perpendicular to the direction of flow represent flow chicanes for the air flow along the outer wall of the heat exchanger tube.
  • the wave shape of the longitudinal ribs has the advantage of being material-saving and of producing the heat exchanger tube from light metal and in die casting a division of the die casting mold along the tube axis to be easy to manufacture.
  • the waveform can include a wide variety of large and low amplitude waveforms, and large or small wavelengths.
  • the waveform can also be a kind of fine grooving.
  • the waveform can be designed asymmetrically with respect to the longitudinal rib center plane.
  • an improvement in the heat transfer on the outer jacket of the tube in the base region of the fins is achieved by promoting a turbulent air flow in this region.
  • the change of elevations and depressions can be achieved in a very simple manner, for example by spaced knobs. The same applies in turn to the corresponding inner region of the casing housing.
  • the tube of the heat exchanger is closed in the form of a spherical cap on its outflow side and the annular space for the heating air to be guided around the tube is drawn in as follows, the air flow can be detached from the outer wall surface of the tube in the spherical region.
  • a flow disturbance point in the form of knobs provided at least there is extremely effective at the transition of the cylindrical tube into the spherical cap region.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger tube shown broken in length
  • FIG. 2 shows an axial section through a heat exchanger tube closed on the downstream side within a heat exchanger housing, showing only the closed tube end region.
  • a heat exchanger tube 2 provided with longitudinal ribs 1, the tube 2 is heated by means of a heating gas flow not described here in detail.
  • Radially outside the tube along the ribs 1 is flowed around by an air flow to be heated along the arrow B.
  • the arrow A indicates the direction of flow when entering the interior of the tube 2 for the heating gas.
  • the ribs 1 adjoin a housing jacket 3, through which an annular space filled by the longitudinal ribs 1 is created between the latter and the tube 2.
  • the longitudinal ribs 1 are corrugated with wave troughs and peaks oriented perpendicular to the air flow in order to thereby generate a turbulent air flow along these ribs and to increase their heat-transferring surfaces. The generation of a turbulent air flow increases the heat transfer to the air flow.
  • the wave valleys and peaks of the ribs 1 are designated 4 in the drawing.
  • the amplitudes of the wave valleys and peaks can be large or very small in the form of a type of reefing or grooving.
  • the wavelength can also be large or small or vary over the length of the ribs.
  • the waveforms can be designed asymmetrically with respect to the central plane of the ribs 1.
  • the wave shape of the ribs 1 creates turbulence and thus heat transfer-increasing baffles on the ribs with little material and easy manufacture of a tube made of light metal.
  • Elevations 5 and depressions 6 provided in the area between the longitudinal ribs 1 directly on the outer wall of the tube 2 further increase the turbulence within the air flow.
  • a further increase in turbulence which increases heat transfer can be achieved by housing ribs 9 projecting radially inward from the housing jacket 3 into the spaces between the longitudinal ribs 1.
  • the surfaces of these additional fins 9 can be designed to be turbulent in the same way as the longitudinal fins 1 of the heat exchanger tube 2.
  • the radial extent of the housing ribs 9 can be large or small.
  • the ribs 9 can be profiled, in particular serrated, in particular on the longitudinal end edges. With an extremely short radial extension, the housing ribs 9 can practically be reduced to knobs.
  • the tube 1 is designed with a spherical cap closure 7 on the downstream side and a housing shell 3 drawn along the spherical cap shape, a flow stumbling point in the form of protrusions 8 protruding from the outer surface of the tube is formed in the transition zone from the cylindrical region of the tube. Due to these stumbling points, the point at which the air flow lifts off the outer wall of the tube 1 shifts downstream of the spherical cap closing the tube, which contributes to improved heat transfer.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für Luftheizgeräte für insbesondere Kraftfahrzeuge, bei dem Wärme von einer mit Längs-Rippen (1) versehenen Außenwand eines von innen beheizten im wesentlichen geradlinig verlaufenden Rohres (2) an einen dieses Rohr (2) in einem zur Rohrachse koaxial verlaufenden radial außen durch einen Gehäusemantel begrenzten Ringraum umströmenden Luftstrom übertragen wird. Zur Lösung des Problems, den Wärmeübergang an der Außenwand des Rohres und dabei insbesondere an den Längsrippen zu verbessern, sind erfindungsgemäß die Längs-Rippen (1) radial gewellt mit etwa senkrecht gegen den Luftstrom ausgerichteten Wellenbergen und -tälern (4).

Description

Wärmetauscher für Luftheizgeräte für insbesondere
Kraftfahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Luftheizgerä¬ te für insbesondere Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, den Wärme¬ übergang an der Außenwand des Rohres und dabei insbesondere an den Längsrippen zu verbessern.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch eine Form der Längsrippen nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1.
Besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Form der Längsrippen bei einem im Druckguß hergestellten Rohr aus Leichtmetall, wenn die Druckgußform längs der Rohrachse ge¬ teilt ist. Eine zusätzliche Steigerung des Wärmeübergangs kann noch da¬ durch erreicht werden, daß von dem äußeren Gehäusemantel die Strömungsturbulenz noch weiter erhöhende Längsrippen in die Zwischenräume zwischen den von dem Wärmetauscher-Rohr ausge¬ henden Längsrippen hineinragen. Dabei können diese zusätzli¬ chen Gehäuse-Rippen mit profilierten turbulenzverstärkenden Oberflächen ausgebildet sein. So können insbesondere die freien nach innen ragenden Längs-Stirnkanten dieser Zusatz- Rippen gezackt oder gewellt sein.
Durch die erfindungsgemäß insbesondere an den Längsrippen des Wärmetauscher-Rohres vorgesehene Wellenform wird einer¬ seits die wärmeübertragende Oberfläche der Rippen vergrößert und andererseits wird durch eine solche Wellenform eine die Wärmeübertragung von den Rippen auf das dieses umströmende Medium begünstigende turbulente Strömung zwischen den Längs¬ rippen des Wärmetauscher-Rohres erreicht. Die senkrecht zu der Strömungsrichtung verlaufenden Wellenberge und -täler stellen Strömungsschikanen für die Luftströmung längs der Außenwand des Wärmetauscher-Rohres dar. Die Wellenform der Längsrippen hat den Vorteil, materialsparend realisierbar zu sein und bei einer Herstellung des Wärmetauscher-Rohres aus Leichtmetall und im Druckguß bei einer Teilung der Druckgu߬ form längs der Rohrachse leicht herstellbar zu sein.
Die Wellenform kann die verschiedenartigsten Wellenformen mit großer und niedriger Amplitude sowie großen oder kleinen Wellenlängen umfassen. Insbesondere kann die Wellenform auch eine Art feine Rillierung sein. Bezüglich gegenüberliegender Seiten der einzelnen Längsrippen kann die Wellenform zur Längsrippenmittelebene unsymmetrisch gestaltet sein.
Die vorstehend beschriebenen Oberflächenformen können auch bei den Zusatz-Rippen des Mantel-Gehäuses realisiert sein.
Mit der Maßnahme nach Anspruch 3 wird eine Verbesserung des Wärmeübergangs am Außenmantel des Rohres im Fußbereich der Rippen durch eine Förderung einer turbulenten Luftströmung in diesem Bereich erreicht. Der Wechsel von Erhebungen und Vertiefungen kann auf recht einfache Weise beispielsweise durch beabstandete Noppen erzielt werden. Gleiches gilt wie¬ derum auch für den entsprechenden Innenbereich des Mantel- Gehäuses.
Ist das Rohr des Wärmetauschers an seiner Abströmseite ku- gelkalottenförmig verschlossen und der Ringraum für die um das Rohr zu führende erwärmende Luft der Kalottenform fol¬ gend eingezogen, kann es zu einer Ablösung des Luftstromes von der Außenwandoberfläche des Rohres in dem Kalottenbe¬ reich kommen. Um dies zu vermeiden, ist beim Übergang des zylindrischen Rohres in den Kalottenbereich eine Strömungs¬ störstelle in Form mindestens dort vorgesehener Noppen äu¬ ßerst wirkungsvoll.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt . Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht auf ein in der Länge abgebrochen dargestelltes Wärmetauscher-Rohr,
Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein abstromseitig ge¬ schlossenes Wärmetauscher-Rohr innerhalb eines Wärmetauscher-Gehäuses mit Darstellung lediglich des geschlossenen Rohr-Endbereiches.
Im Inneren eines mit Längsrippen 1 versehenen Wärmetauscher- Rohres 2 erfolgt über eine hier nicht näher beschriebene Heizgasströmung eine Aufwärmung des Rohres 2.
Radial außen wird das Rohr längs der Rippen 1 von einem zu erhitzenden Luftstrom längs des Pfeiles B umströmt.
Der Pfeil A gibt die Strömungsrichtung beim Eintritt in das Innere des Rohres 2 für das Heizgas an.
Radial außen schließen die Rippen 1 an einen Gehäuse-Mantel 3 an, durch den zwischen diesem und dem Rohr 2 ein durch die Längsrippen 1 ausgefüllter Ringraum geschaffen ist. Die Längsrippen 1 sind gewellt mit senkrecht zur Luftströ¬ mung ausgerichteten Wellentälern und -bergen ausgebildet, um dadurch einerseits eine turbulente Luftströmung längs dieser Rippen zu erzeugen und andererseits deren wärmeübertragende Flächen zu erhöhen. Durch die Erzeugung einer turbulenten Luftströmung wird die Wärmeübertragung an die Luftströmung erhöht.
Die Wellentäler und -berge der Rippen 1 sind in der Zeich¬ nung mit 4 bezeichnet.
Die Amplituden der Wellentäler und -berge können groß oder auch in Form einer Art Riffeiung bzw. Rillierung sehr klein sein. Auch die Wellenlänge kann groß oder klein sein oder auch über die Länge der Rippen variieren. Insbesondere kön¬ nen die Wellenformen bezüglich der Mittelebene der Rippen 1 unsymmetrisch gestaltet sein.
Durch die Wellenform der Rippen 1 werden mit einem geringen Materialaufwand und einer leichten Herstellbarkeit eines aus Leichtmetall bestehenden Rohres im Druckgußverfahren turbu- lenz- und damit Wärmeübertragungserhöhende Schikanen an den Rippen geschaffen.
Für eine weitere Erhöhung der Turbulenz innerhalb der Luft¬ strömung sorgen im Bereich zwischen den Längsrippen 1 direkt an der Außenwand des Rohres 2 vorgesehene Erhebungen 5 und Vertiefungen 6. Eine weitere Wärmeübertragungserhöhende Turbulenzsteigerung läßt sich durch von dem Gehäuse-Mantel 3 nach radial innen in die Zwischenräume zwischen den Längs-Rippen 1 hineinra¬ gende Gehäuse-Rippen 9 erzielen. Die Oberflächen dieser Zu¬ satz-Rippen 9 können in gleicher Weise turbulenzgünstig aus¬ gebildet sein wie die Längs-Rippen 1 des Wärmetauscher- Rohres 2.
Die Radialerstreckung der Gehäuse-Rippen 9 kann groß oder klein sein. Insbesondere an den Längsstirnkanten können die Rippen 9 profiliert sein, wie beispielsweise gezackt. Bei extrem kurzer Radialerstreckung können die Gehäuse-Rippen 9 praktisch zu Noppen verkleinert sein.
Bei einer Ausbildung des Rohres 1 mit einem abstromseitig kugelkalottenformigen Verschluß 7 und einem der Kalottenform nachgezogenen Gehäusemantel 3 ist in der Übergangszone von dem zylindrischen Bereich des Rohres in den kalottenförmigen Bereich eine Strömungsstolperstelle in der Form aus der Rohraußenfläche herausragender Erhebungen 8 angeformt. Durch diese Stolperstellen verschiebt sich der Punkt, an dem sich die Luftströmung von der Außenwand des Rohres 1 abhebt, stromab der das Rohr verschließenden Kalottenfläche, was zu einer verbesserten Wärmeübertragung beiträgt.

Claims

Ansprüche
1. Wärmetauscher für Luftheizgeräte für insbesondere Kraftfahrzeuge, bei dem Wärme von einer mit Längs-Rippen 1 versehenen Außenwand eines von innen beheizten im wesentli¬ chen geradlinig verlaufenden Rohres 2 an einen dieses Rohr 2 in einem zur Rohrachse koaxial verlaufenden radial außen durch einen Gehäusemantel begrenzten Ringraum umströmenden Luftstrom übertragen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Längs-Rippen (1) radial gewellt sind mit etwa senk¬ recht gegen den Luftstrom ausgerichteten Wellenbergen und - tälern (4) .
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das mit Längs-Rippen (1) versehene Rohr (2) aus im Druckguß in einer längs der Rohrachse geteilten Form geform¬ tem Leichtmetall besteht.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zwischen den Längs-Rippen (1) liegende Bereich des Rohr (2) -Außenmantels in Rohrlängsrichtung gesehen Erhebun¬ gen- und Vertiefungen (5 bzw. 6) aufweist.
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in die zwischen den Längs-Rippen (1) liegenden Räume des zwischen dem Rohr (2) und dem Gehäusemantel (3) ausgebilde¬ ten Ringraumes von dem Gehäusemantel (3) ausgehende Gehäuse- Rippen (9) mit eine turbulente Strömung fördernden Oberflä¬ chen ragen.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, die Gehäuse-Rippen (9) in gleicher Weise gewellt sind wie die Längs-Rippen (1).
6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Gehäuse-Rippen (9) an ihren freien Längs-Stirnseiten in Längsrichtung gezackt oder gewellt sind.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Rohr (2) an seiner Abströmseite kugelkalottenförmig verschlossen ist und in seinem zu der Kugelkalotte überge¬ henden Bereich zwischen den einzelnen Rippen (1) mit jeweils einer aus seinem Außenmantel abstehenden noppenartigen Erhe¬ bung (8) versehen ist.
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