WO2006136437A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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WO2006136437A1
WO2006136437A1 PCT/EP2006/006071 EP2006006071W WO2006136437A1 WO 2006136437 A1 WO2006136437 A1 WO 2006136437A1 EP 2006006071 W EP2006006071 W EP 2006006071W WO 2006136437 A1 WO2006136437 A1 WO 2006136437A1
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WO
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heat exchanger
exchanger according
flow
variable
structural elements
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PCT/EP2006/006071
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Peter Geskes
Ulrich Maucher
Michael Schmidt
Original Assignee
Behr Gmbh & Co. Kg
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Priority to EP15202230.7A priority patent/EP3048407B9/de
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Priority to US11/993,232 priority patent/US7942137B2/en
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
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    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/04—Assemblies of fins having different features, e.g. with different fin densities

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1 - known from EP 0 677 715 A1 of the Applicant.
  • V-shaped arranged structural elements are formed by non-cutting deformation of the wall of the exhaust pipes.
  • the V-shaped structure turemia also referred to as so-called winglets, can thus be economically, ie introduced at low cost in the exhaust pipes.
  • the density of the structural elements is variable, in particular in the flow direction increasing.
  • the heat transfer coefficient on the inside of the flow channel is variable, in particular, the heat transfer increases in the flow direction, while it is comparatively low or minimal in the inlet region of the flow.
  • the invention is based on the recognition that the heat dissipation in the inlet region of the flow channel-for example, to a cooling medium flowing around the flow channel-is greater than in the downstream region of the flow channel due to the high temperature difference prevailing there, and that a forming on the inner wall of the flow channel, in the flow direction growing temperature boundary layer in the inlet region is still relatively thin.
  • structural elements for increasing the heat transfer on the inside of the flow channel in favor of a reduced pressure drop in this area can be dispensed with in the inlet region.
  • the density of the structural elements is adapted to the local conditions in the flow channel conditions with respect to temperature difference and temperature boundary layer.
  • the inlet region of the flow channel initially smooth-walled, d. H. be formed without structural elements, since - as mentioned - already in this area due to the high temperature difference and the low boundary layer thickness, a high power density is achieved.
  • structural elements with increasing density or with the heat transfer increasingly increasing effect are arranged downstream in the flow channel.
  • the structural elements are formed as swirl-generating indentations in the wall of the flow channel, as so-called winglets, as are known for exhaust gas heat exchangers according to the aforementioned prior art.
  • the arrangement and design of the winglets in the flow channel can be made variable according to the invention: thus, the distance of the winglets in the flow direction can increase continuously or gradually, as well as the height of the winglets, which extends into the flow. For manufacturing reasons, it is advantageous if the distances each amount to a multiple of the smallest distance. Further, the angle included by the V-shaped winglets can be increased continuously or stepwise in the flow direction, thereby also increasing the heat transfer, but also the pressure drop.
  • the reduced pressure drop resulting from the invention thus has a particularly advantageous effect when used as an exhaust gas heat exchanger.
  • intercoolers for internal combustion engines and generally in gas flow channels there is also an advantageous application in intercoolers for internal combustion engines and generally in gas flow channels.
  • ribs in particular rib ribs are arranged as structural elements on the inside of the flow channel, which increase the heat transfer.
  • the rib elements have a density that is variable in the direction of flow, ie. H. preferably gradually increases in the flow direction, which in turn can be dispensed with in the inlet area entirely on a réelleberippung.
  • the change in density can advantageously be achieved in the case of a rib ridge by means of a variable longitudinal or transverse distribution or by a variable angle of attack for the flow. This also achieves the advantage of a reduced pressure drop.
  • further measures could be taken to increase the heat transfer, eg.
  • the measures according to the invention are particularly advantageous in the inlet region of the respective flow channel, d. H. in the area of the flow, where there are still transient conditions with respect to the temperature difference and the thickness of the boundary layer.
  • 1 shows a temperature profile in the inlet region of a flow channel
  • 2 shows the dependence of the heat transfer coefficient ⁇ on the length of the flow channel
  • 3e shows the arrangement according to the invention of structural elements with variable density in a flow channel
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the invention for a rib with a variable longitudinal pitch
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of the invention for a rib with a variable angle of attack
  • FIG. 6 shows a fourth exemplary embodiment of the invention for a rib with a variable angle of attack
  • Fig. 7 shows a fifth embodiment of the invention for a ribbed rib with variable transverse distribution
  • Fig. 8 shows a sixth embodiment of the invention for a wavy inner rib with variable wavelength (pitch).
  • FIG. 1 shows a flow channel 2 designed as a tube 1, which has an inlet cross-section 3 and through which a flow medium corresponding to the arrow P flows.
  • the pipe 1 is traversed by a hot exhaust gas of an internal combustion engine, not shown, and is part of an exhaust gas heat exchanger, not shown.
  • the tube 1 has a smooth inner side or inner wall 1a and an outer wall or outer wall 1b, which is cooled by a preferably liquid coolant.
  • the hot exhaust gas thus releases its heat via the pipe 1 to the coolant.
  • a temperature boundary layer 4 forms on the inner wall 1a, which increases in its thickness d from the inlet cross-section 3 in the flow direction of the arrow P.
  • the temperature profile in this boundary layer 4 is represented by a temperature profile 5.
  • the temperature in the temperature boundary layer thus rises from a temperature Ta on the inner wall 1a to a temperature level Ti in the interior of the flow channel (core flow), which corresponds to the exhaust gas inlet temperature. Due to the growing temperature boundary layer 4, the heat transfer conditions in the inlet region of the tube 1 deteriorate.
  • Fig. 2 shows a diagram in which the heat transfer coefficient ⁇ is plotted as a relative size over the length I of a smooth-walled flow channel, ie from the inlet cross-section (reference numeral 3 in Fig. 1) in the flow direction of the flow medium. The length I is plotted in millimeters.
  • FIG. 3 a shows, in a first variant, a schematically illustrated flow channel 6, preferably an exhaust pipe of an exhaust gas heat exchanger (not shown), wherein the exhaust pipe 6 is flowed through in accordance with the arrow P.
  • the outside of the Abgasroh- res 6 is - what is not shown, but from the above-mentioned prior art is known - preferably lapped by a liquid coolant - but is also possible air cooling.
  • the exhaust pipe 6 is formed as a stainless steel tube, consisting of two halves welded together, with a rectangular cross-section.
  • the exhaust pipe 6 has an inlet region 6a, which is smooth-walled over a length L. Downstream of the smooth-walled region 6a, a region 6b adjoins, in which are arranged V-shaped structural elements 7, so-called winglets, embossed from the tube wall.
  • the winglet pairs 7 are arranged in the section 6b at the same distance and in the same formation.
  • a rectangular tube 8 is shown in longitudinal section, which likewise has a smooth-walled inlet region 8a and a channel height H. Downstream of this smooth-walled region 8a winglet pairs 9 are arranged with equal distances a in the flow direction, but with different heights h: projecting into the flow cross-section of the exhaust pipe 8 heights h of the winglet pairs 9 grow continuously in the flow direction P. Thus, the heat transfer in This pipe section has been successively increased. At the same time, the pressure drop increases. The transition from smooth to not smooth is thus continuous. In a preferred embodiment, a range of 0.05 ⁇ h / H ⁇ 0.4 is selected for the ratio h / H.
  • winglet pairs 11 with distances ai, a 2 , a 3 decreasing in the flow direction P are arranged in a tube 10.
  • the distances ai, a 2 , a 3 can each be a multiple of the minimum distance a x .
  • the latter is advantageously in a range of 5 ⁇ a x ⁇ 50 mm and preferably in a range of 8 ⁇ a x ⁇ 30 mm.
  • Fig. 3d shows a fourth variant of the arrangement of structural elements with different density in an exhaust pipe 12, which is flowed through by exhaust gas according to the arrow P.
  • the smooth-walled entry region 12a is shorter in comparison to the previous embodiments.
  • This is followed by winglet pairs 13 with equal distances in the direction of flow, but with different angles ⁇ (angle with respect to flow direction P).
  • the winglets of the upstream winglet pair 12 are aligned almost parallel ( ⁇ ⁇ 0), while the angle ⁇ formed by the winglets ⁇ of the downstream winglet pair 13 is approximately 45 degrees.
  • the intervening winglet pairs 13 have corresponding intermediate values, so that the heat transfer coefficient for the Inner wall of the exhaust pipe 13 due to the increasing spreading of the winglets in the flow direction grows, continuously or in small steps.
  • the angle ⁇ is advantageously in a range of 20 ° ⁇ ß ⁇ 50 °.
  • FIG. 3 e shows a fifth variant with an exhaust pipe 30, a smooth-walled region 30 a and adjoining rows of winglets 31 arranged parallel to one another, which each form an angle ⁇ with the flow direction P.
  • the rows have decreasing distances ai, a 2 , 8 3 in the flow direction P, the angle ⁇ of the winglets 31 changing sign from row to row.
  • a smooth area without structural elements is preferably left at the beginning of the tube and at the tube end so that a clean separation point can be produced when the tubes are cut to length.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention for a flow channel 14, which is flown by a flow medium in accordance with the arrow P - this may be, for example, a liquid coolant or also charge air.
  • the outside of the flow channel 14 can be cooled by a gaseous or liquid cooling medium.
  • the flow channel 14 has a smooth-walled inlet region 14a, which is adjoined in the flow direction P by a first region 14b provided with internal ribs 15 and by another further ribbed region 14c.
  • the regions 14b and 14c have a different fin density - in the illustrated embodiment, the rib density in the downstream region 14c is twice as large as in the upstream region 14b, since between the continuous ribs 15 further ribs 16 are arranged.
  • an increase of the heat transfer is also achieved, in stages from 14a to 14b to 14c.
  • Fig. 5 shows as a third embodiment of the invention, a gas flow channel in which a Stegrippe 17 with variable longitudinal pitch ti, t 2) t 3 , U, t 5 is arranged.
  • ti> t 2 > t 3 >U> t ⁇ ie the heat transfer increases from ti to ts, ie in the flow direction P too.
  • Web ribs are used in particular for intercoolers and are preferably soldered to the pipes.
  • the ratio of the smallest pitch t x to the channel height H has a limit of 0.3 ⁇ t x / H.
  • Fig. 6 shows a fourth embodiment of the invention, a gas flow channel in which a rib ridge 18 with variable angles of attack ⁇ i, ci 2 , ⁇ 3 ... ⁇ x is arranged.
  • Advantageous angles of attack are in the range of 0 ⁇ ⁇ 30 °.
  • Fig. 7 shows as a fifth embodiment of the invention, a gas flow channel in which a Stegrippe 19 is arranged with variable transverse distribution qi, q2, q 3 ... q ⁇ , wherein the heat transfer with decreasing transverse distribution of qi in the direction q 6, ie in the flow direction P rises.
  • Advantageous ranges for the transverse division q are 8>q> 1 mm and preferably 5>q> 2 mm.
  • Fig. 8 shows in a gas flow channel a corrugated in the flow direction P (deep waved) inner fin 20 with variable pitch ti, t2, t 3 , U - the heat transfer increases here in the direction of decreasing pitch t.
  • Advantageous ranges for the pitch t are 10 ⁇ t ⁇ 50 mm.
  • a variation of the heat transfer in the flow channel can also be achieved by further means known from the prior art, for example by arranging gills or windows in the ribs.
  • other forms of structural elements for vortex generation or to increase the heat transfer can be selected.
  • the application of the invention is not limited to exhaust gas heat exchangers, but also extends to intercoolers whose tubes are flowed through by hot charge air, and generally to gas flow channels, which may be formed as tubes of a tube heat exchanger or as slices of Scheibennzoübertragers.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mindestens einem von einem Strömungsmedium von einem Eintritts- bis zu einem Austrittsquerschnitt durchströmbaren, eine Innen- und eine Außenseite aufweisenden Strömungskanal, welcher auf der Innenseite Strukturelemente zur Erhöhung des Wärmeüberganges aufweist. Es wird vorgeschlagen, dass die Strukturelemente (11) in Strömungsrichtung (P) variabel angeordnet und/oder ausgebildet sind, derart, dass der Strömungskanal (10) auf der Innenseite einen variablen, insbesondere einen in Strömungsrichtung (P) zunehmenden Wärmeübergang aufweist.

Description

BEHR GmbH & Co. KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 - bekannt durch die EP 0 677 715 A1 der Anmelderin.
Es ist bekannt, in Strömungskanälen von Wärmeübertragern zur Erhöhung des Wärmeüberganges Strukturelemente anzuordnen, welche Wirbel und eine turbulente Strömung erzeugen. Derartige Strukturelemente sind in verschiedensten Ausführungsformen bekannt, z. B. als gewellte Innenrippen, Turbulenzeinlagen, Stegrippen oder auch als aus der Wand des Strömungskanals ausgeformte Wirbelerzeuger, welche in die Strömung hineinragen. Durch die EP 0 677 715 A1 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager mit Turbulenzeinlagen bekannt, welche paarweise aufgestellte, einen Winkel zur Strömungsrichtung bildende Laschen aufweisen. Der bekannte Wärmeü- bertrager wird insbesondere zur Kühlung von Abgas verwendet, wobei eine Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung vorgesehen ist. Die V-förmig angeordneten Laschen mit sich in Strömungsrichtung öffnendem V erzeugen einerseits eine turbulente Strömung und verhindern durch ihre Wirbelbildung eine Ablagerung von Ruß, welcher im Abgas enthalten ist.
Weiterentwicklungen der V-förmig angeordneten Strukturelemente wurden durch die DE 195 40 683 A1 , die DE 196 54 367 A1 sowie die DE 196 54 368 A1 der Anmelderin für Abgaswärmeübertrager bekannt. Dabei sind die V-förmig angeordneten Strukturelemente durch spanlose Umformung aus der Wandung der Abgasrohre ausgeformt. Die V-förmig angeordneten Struk- turelemente, auch als so genannte Winglets bezeichnet, können somit wirtschaftlich, d. h. zu geringen Kosten in die Abgasrohre eingebracht werden.
Wie durch die EP 1 061 319 A1 und die DE 101 27 084 A1 der Anmelderin bekannt geworden, werden ähnliche Strukturelemente auch für andere Arten von Wärmeübertragern, z. B. luftgekühlte Kühlmittelkühler verwendet. Allen bekannten Strukturelementen ist gemeinsam, dass sie im Wesentlichen gleichmäßig über die gesamte Länge der betreffenden Strömungskanäle, seien es Abgasrohre oder Kühlmittelflachrohre, verteilt sind. Einerseits wird durch die Strukturelemente der gewünschte erhöhte Wärmeübergang erzielt, andererseits wird dieser Vorteil mit einem erhöhten Druckabfall auf der Abgas- bzw. Kühlmittelseite erkauft. Insbesondere bei Abgaswärmeübertragern, welche in der Abgasrückführung eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, ist ein erhöhter Druckabfall wegen des damit einhergehenden er- höhten Abgasgegendruckes nicht erwünscht. Andererseits wird insbesondere für Abgaswärmeübertrager von Kraftfahrzeugen eine erhöhte Leistungsdichte gefordert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der ein- gangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein Optimum zwischen Leistungsdichte und Druckabfall erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Dichte der Strukturelemente varia- bei, insbesondere in Strömungsrichtung zunehmend ist. Mit dieser konstruktiven Maßnahme wird auch die Wärmeübergangszahl auf der Innenseite des Strömungskanals variabel, insbesondere nimmt der Wärmeübergang in Strömungsrichtung zu, während er im Eintrittsbereich der Strömung vergleichsweise gering oder minimal ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Wärmeabfuhr im Eintrittsbereich des Strömungskanals - beispielsweise an ein den Strömungskanal umströmendes Kühlmedium - aufgrund der dort herrschenden hohen Temperaturdifferenz größer als im stromabwärtigen Bereich des Strömungskanals ist, und dass eine sich an der Innenwand des Strömungskanals ausbildende, in Strömungsrichtung wachsende Temperaturgrenzschicht im Eintrittsbereich noch relativ dünn ist. Insofern kann im Eintrittsbereich auf Strukturelemente zur Erhöhung des Wärmeüberganges auf der Innenseite des Strömungskanals zu Gunsten eines in diesem Bereich reduzierten Druckabfalls verzichtet werden. Die Dichte der Strukturelemente ist dabei an die lokal im Strömungskanal herr- sehenden Bedingungen bezüglich Temperaturdifferenz und Temperaturgrenzschicht angepasst. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Strukturelemente wird der Vorteil erreicht, dass der Druckabfall im Strömungskanal bei hoher Leistungsdichte reduziert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Vorzugsweise kann der Eintrittsbereich des Strömungskanals zunächst glattwandig, d. h. ohne Strukturelemente ausgebildet sein, da - wie erwähnt - in diesem Bereich aufgrund der hohen Temperaturdifferenz und der geringen Grenzschichtdicke bereits eine hohe Leistungsdichte erzielt wird. Bei sinkender Temperaturdifferenz und zunehmender Grenzschichtdicke werden dann stromabwärts im Strömungskanal Strukturelemente mit zunehmender Dichte bzw. mit die Wärmeübertragung zunehmend erhöhender Wirkung angeordnet. Vorteilhafterweise sind die Strukturelemente als Wirbel erzeugende Einprägungen in der Wand des Strömungskanals ausge- bildet, als so genannte Winglets, wie sie für Abgaswärmeübertrager gemäß dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt sind. Die Anordnung und Ausbildung der Winglets im Strömungskanal kann erfindungsgemäß variabel gestaltet werden: so kann der Abstand der Winglets in Strömungsrichtung kontinuierlich oder stufenweise zunehmen, ebenso die Höhe der Winglets, die in die Strömung hineinreicht. Aus Fertigungsgründen ist es vorteilhaft, wenn die Abstände jeweils ein Vielfaches des kleinsten Abstandes betragen. Ferner kann der Winkel, den die V-förmig angeordneten Winglets einschließen, in Strömungsrichtung kontinuierlich oder stufenweise vergrößert werden, wodurch ebenfalls der Wärmeübergang, allerdings auch der Druckabfall erhöht wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Anordnung der Strukturelemente mit variabler Dichte insbesondere für Abgaswärmeübertrager von Verbrennungsmotoren für Kraftfahr- zeuge vorteilhaft verwendbar. Abgaswärmeübertrager erfordern einerseits - A -
eine hohe Leistungsdichte und andererseits einen geringen Abgasgegendruck, damit die benötigten AGR-Raten (Anteil des rückgeführten Abgases am Gesamtabgasstrom) zur Erreichung der Emissionsvorschriften erzielt werden können. Der aus der Erfindung resultierende reduzierte Druckabfall wirkt sich also bei Verwendung als Abgaswärmeübertrager besonders vorteilhaft aus. Darüber hinaus ist auch eine vorteilhafte Anwendung in Ladeluftkühlern für Verbrennungsmotoren und allgemein in Gasströmungskanälen gegeben.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind auf der Innenseite des Strömungskanals Rippen, insbesondere Stegrippen als Strukturelemente angeordnet, welche den Wärmeübergang erhöhen. Erfindungsgemäß weisen die Rippenelemente eine Dichte auf, welche in Strömungsrichtung variabel ist, d. h. vorzugsweise stufenweise in Strömungsrichtung zunimmt, wobei wiederum im Eintrittsbereich gänzlich auf eine Innenberippung verzichtet werden kann. Die Änderung der Dichte kann bei einer Stegrippe vorteilhaft durch eine variable Längs- oder Querteilung oder durch einen variablen Anstellwinkel für die Strömung erreicht werden. Auch dadurch wird der Vorteil eines reduzierten Druckabfalls erreicht. Zusätzlich zur Änderung der Rippen- dichte könnten weitere Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmeüberganges getroffen werden, z. B. die Anordnung von Kiemen oder Fenstern in den Flanken der Wellrippen, ebenfalls mit dem Ziel, den Wärmeübergang in Strömungsrichtung variabel zu gestalten. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind insbesondere im Eintrittsbereich des jeweiligen Strömungskanals vorteilhaft, d. h. in dem Bereich der Strömung, wo noch instationäre Verhältnisse bezüglich der Temperaturdifferenz und der Dicke der Grenzschicht herrschen. Diese Parameter erreichen stromabwärts einen nahezu stationären Zustand, wo eine variable Dichte der Strukturelemente keine wesentlichen Vorteile mehr bringt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Temperaturprofil im Eintrittsbereich eines Strömungskanals, Fig. 2 die Abhängigkeit der Wärmeübergangszahl α von der Länge des Strömungskanals,
Fig. 3a
- 3e die erfindungsgemäße Anordnung von Strukturelementen mit variab- ler Dichte in einem Strömungskanal,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Innenrippen unterschiedlicher Rippendichte,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Stegrippe mit variabler Längsteilung, Fig. 6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Stegrippe mit variablem Anstellwinkel,
Fig. 7 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Stegrippe mit variabler Querteilung und
Fig. 8 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine gewellte Innenrippe mit variabler Wellenlänge (Teilung).
Fig. 1 zeigt einen als Rohr 1 ausgebildeten Strömungskanal 2, welcher einen Eintrittsquerschnitt 3 aufweist und von einem Strömungsmedium entsprechend dem Pfeil P durchströmt wird. Vorzugsweise wird das Rohr 1 von ei- nem heißen Abgas eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors durchströmt und ist Teil eines nicht dargestellten Abgaswärmeübertragers. Das Rohr 1 weist eine glatte Innenseite bzw. Innenwandung 1a und eine Außenseite bzw. Außenwandung 1b auf, welche von einem vorzugsweise flüssigen Kühlmittel gekühlt wird. Das heiße Abgas gibt also seine Wärme über das Rohr 1 an das Kühlmittel ab. Bei der Durchströmung des Strömungskanals 2 bildet sich an der Innenwand 1a eine Temperaturgrenzschicht 4 aus, welche vom Eintrittsquerschnitt 3 in Strömungsrichtung des Pfeiles P in ihrer Dicke d zunimmt. Der Temperaturverlauf in dieser Grenzschicht 4 ist durch ein Temperaturprofil 5 dargestellt. Die Temperatur in der Temperaturgrenzschicht steigt also von einer Temperatur Ta an der Innenwand 1a bis zu einem Temperaturniveau Ti im Inneren des Strömungskanals (Kernströmung), welche der Abgaseintrittstemperatur entspricht. Durch die wachsende Temperaturgrenzschicht 4 verschlechtern sich die Wärmeübergangsverhältnisse im Eintrittsbereich des Rohres 1. Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei welchem die Wärmeübergangszahl α als relative Größe aufgetragen ist über der Länge I eines glattwandigen Strömungskanals, d. h. vom Eintrittsquerschnitt (Bezugszahl 3 in Fig. 1) in Strömungsrichtung des Strömungsmediums. Die Länge I ist in Millimetern aufgetragen. Die Wärmeübergangszahl α ist im Eintrittsquerschnitt, d. h. bei I = O mit 1 (100 %) angesetzt. Mit zunehmender Länge, d. h. in Strömungsrichtung im Strömungskanal 2 (Fig. 1) sinkt die Wärmeübergangszahl α bis auf etwa 0,8 (80 %) des Wertes am Eintrittsquerschnitt ab. Dies ist in erster Linie auf die Ausbildung der Temperaturgrenzschicht 4 gemäß Fig. 1 zurückzuführen.
Fig. 3a, 3b, 3c, 3d und 3e zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit fünf verschiedenen Varianten, nämlich die Anordnung von Strukturelementen mit variabler Dichte. Fig. 3a zeigt in einer ersten Variante einen schematisch dargestellten Strömungskanal 6, vorzugsweise ein Abgasrohr eines nicht dargestellten Abgaswärmeübertragers, wobei das Abgasrohr 6 entsprechend dem Pfeil P durchströmt wird. Die Außenseite des Abgasroh- res 6 wird - was nicht dargestellt, jedoch aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist - vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmittel umspült - möglich ist allerdings auch eine Luftkühlung. Das Abgasrohr 6 ist als Edelstahlrohr, bestehend aus zwei miteinander verschweißten Hälften, mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Das Abgasrohr 6 weist einen Eintrittsbereich 6a auf, der über eine Länge L glattwandig ausgebildet ist. An den glattwandigen Bereich 6a schließt sich stromabwärts ein Bereich 6b an, in welchem V-förmig angeordnete, aus der Rohrwand geprägte Strukturele- mente 7, so genannte Winglets, angeordnet sind. Die Winglet-Paare 7 sind im Abschnitt 6b mit gleichem Abstand und in gleicher Ausbildung angeordnet. Der Übergang vom glattwandigen Bereich 6a auf den mit Winglets 7 belegten Bereich 6b erfolgt somit in Form einer „Stufe". Wie eingangs erwähnt, wird in dem glattwandigen Bereich 6a trotz fehlender Strukturelemen- te ein hinreichend großer Wärmeübergang bzw. Wärmedurchgang erzielt, da die Temperaturdifferenz noch hinreichend groß und die Temperaturgrenzschicht relativ gering ist. An der Stelle, wo diese Bedingungen nicht mehr zutreffen, sind Strukturelemente 7 angeordnet, die für eine Verbesserung des Wärmeüberganges (Wärmeüberganszahl α) sorgen. Der glattwandige Bereich 6a - dies gilt auch für die nachfolgenden Varianten 3b, 3c, 3d, 3e - kann eine Länge von bis zu 100 mm aufweisen.
In einer zweiten Variante gemäß Fig. 3b ist ein Rechteckrohr 8 im Längs- schnitt dargestellt, welches ebenfalls einen glattwandigen Eintrittsbereich 8a und eine Kanalhöhe H aufweist. Stromabwärts dieses glattwandigen Bereiches 8a sind Winglet-Paare 9 mit in Strömungsrichtung gleichen Abständen a angeordnet, jedoch mit unterschiedlichen Höhen h: die in den Strömungsquerschnitt des Abgasrohres 8 hineinragenden Höhen h der Winglet-Paare 9 wachsen kontinuierlich in Strömungsrichtung P. Damit wird der Wärmeübergang in diesem Rohrabschnitt sukzessive gesteigert. Gleichzeitig wächst der Druckabfall. Der Übergang vom glatten zum nicht glatten Bereich ist somit kontinuierlich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist für das Verhältnis h/H ein Bereich von 0,05 < h/H < 0,4 gewählt.
In einer dritten Variante gemäß Fig. 3c sind in einem Rohr 10 Winglet-Paare 11 mit in Strömungsrichtung P abnehmenden Abständen ai, a2, a3 angeordnet. Damit wird der Wärmeübergang, ausgehend von dem glatten Eintrittsbereich 10a, sukzessive erhöht, da die Dichte der Strukturelemente bzw. Winglets 11 größer wird. Aus Gründen einer vereinfachten Fertigung können die Abstände ai, a2, a3 jeweils ein Vielfaches des minimalen Abstandes ax betragen. Letzterer liegt vorteilhaft in einem Bereich von 5 < ax < 50 mm und bevorzugt in einem Bereich von 8 < ax < 30 mm.
Fig. 3d zeigt eine vierte Variante für die Anordnung von Strukturelementen mit unterschiedlicher Dichte in einem Abgasrohr 12, welches entsprechend dem Pfeil P von Abgas durchströmbar ist. Der glattwandige Eintrittsbereich 12a ist vergleichsweise zu den vorherigen Ausführungsbeispielen kürzer. Daran schließen sich Winglet-Paare 13 mit in Strömungsrichtung gleichen Abständen, jedoch mit unterschiedlichem Winkel ß (Winkel gegenüber Strömungsrichtung P) an. Die Winglets des stromaufwärts gelegenen Winglet- Paares 12 sind fast parallel ausgerichtet (ß « 0), während der von den Winglets gebildete Winkel ß des stromabwärts gelegenen Winglet-Paares 13 ca. 45 Grad beträgt. Die dazwischen liegenden Winglet-Paare 13 weisen entsprechende Zwischenwerte auf, so dass die Wärmeübergangszahl für die Innenwand des Abgasrohres 13 infolge der zunehmenden Spreizung der Winglets in Strömungsrichtung wächst, und zwar kontinuierlich bzw. in kleinen Schritten. Der Winkel ß liegt vorteilhaft in einem Bereich von 20° < ß < 50°.
Fig. 3e zeigt eine fünfte Variante mit einem Abgasrohr 30, einem glattwandi- gen Bereich 30a und daran anschließenden Reihen von parallel zueinander angeordneten Winglets 31 , welche jeweils mit der Strömungsrichtung P einen Winkel ß bilden. Die Reihen weisen in Strömungsrichtung P abnehmen- de Abstände ai, a2, 83 auf, wobei der Winkel ß der Winglets 31 von Reihe zu Reihe das Vorzeichen wechselt.
Bei allen Rohren ist vorzugsweise am Rohranfang und am Rohrende ein glatter Bereich ohne Strukturelemente belassen, damit bei einer Ablängung der Rohre eine saubere Trennstelle herstellbar ist.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für einen Strömungskanal 14, welcher entsprechend dem Pfeil P von einem Strömungsmedium angeströmt wird - hierbei kann es sich beispielsweise um ein flüssi- ges Kühlmittel oder auch um Ladeluft handeln. Die Außenseite des Strömungskanals 14 kann durch ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium gekühlt werden. Der Strömungskanal 14 weist einen glattwandigen Eintrittsbereich 14a auf, an welchen sich in Strömungsrichtung P ein erster mit Innenrippen 15 versehener Bereich 14b und daran ein weiterer berippter Be- reich 14c anschließt. Die Bereiche 14b und 14c weisen eine unterschiedliche Rippendichte auf - im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rippendichte im stromabwärts gelegenen Bereich 14c doppelt so groß wie im stromaufwärts gelegenen Bereich 14b, da zwischen den durchgehenden Rippen 15 weitere Rippen 16 angeordnet sind. Damit wird ebenfalls eine Erhöhung des Wärmeüberganges erreicht, und zwar in Stufen von 14a über 14b nach 14c.
Fig. 5 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Gasströmungskanal, in welchem eine Stegrippe 17 mit variabler Längsteilung t-i, t2) t3, U, t5 angeordnet ist. In der zeichnerischen Darstellung ist ti > t2 > t3 > U > tδ, d. h. der Wärmeübergang nimmt von ti nach ts, d. h. in Strömungsrichtung P zu. Stegrippen werden insbesondere bei Ladeluftkühlern eingesetzt und sind vorzugsweise mit den Rohren verlötet. Bei einer vorteilhaften Ausführung weist das Verhältnis der kleinsten Teilung tx zur Kanalhöhe H einen Grenzwert von 0,3 < tx/H auf.
Fig. 6 zeigt als viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Gasströmungskanal, in welchem eine Stegrippe 18 mit variablen Anstellwinkeln αi, ci2, α3... αx angeordnet ist. Vorteilhafte Anstellwinkel liegen im Bereich von 0 < α < 30°.
Fig. 7 zeigt als fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Gasströmungskanal, in welchem eine Stegrippe 19 mit variabler Querteilung qi, q2, q3... qβ angeordnet ist, wobei der Wärmeübergang mit kleiner werdender Querteilung von qi in Richtung q6, d. h. in Strömungsrichtung P steigt. Vor- teilhafte Bereiche für die Querteilung q sind 8 > q > 1 mm und bevorzugt 5 > q > 2 mm.
Fig. 8 zeigt in einem Gasströmungskanal eine in Strömungsrichtung P gewellte (tiefengewellte) Innenrippe 20 mit variabler Teilung ti, t2, t3, U - der Wärmeübergang steigt hier in Richtung kleiner werdender Teilung t. Vorteilhafte Bereiche für die Teilung t sind 10 < t < 50 mm.
In Abwandlung der dargestellten Ausführungsbeispiele kann eine Variation des Wärmeüberganges im Strömungskanal auch durch weitere aus dem Stand der Technik bekannte Mittel erreicht werden, beispielsweise durch Anordnung von Kiemen oder Fenstern in den Rippen. Darüber hinaus können andere Formen von Strukturelementen zur Wirbelerzeugung bzw. zur Erhöhung des Wärmeüberganges gewählt werden. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Abgaswärmeübertrager beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Ladeluftkühler, deren Rohre von heißer Ladeluft durchströmt werden, sowie generell auf Gasströmungskanäle, welche als Rohre eines Rohrbündelwärmeübertragers oder als Scheiben eines Scheibenwärmeübertragers ausgebildet sein können.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Wärmeübertrager mit mindestens einem von einem Strömungsmedium von einem Eintritts- bis zu einem Austrittsquerschnitt durchströmbaren, eine Innen- und eine Außenseite aufweisenden Strömungskanal, welcher auf der Innenseite Strukturelemente zur Erhöhung des Wärmeüberganges aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (7, 9, 11 , 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 31) in Strömungsrichtung (P) variabel angeordnet und/oder ausgebildet sind, derart, dass der Strömungskanal (6, 8, 10, 12, 14, 30) auf der Innenseite einen variablen, insbesondere einen in Strömungsrichtung (P) zunehmenden Wärmeübergang aufweist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Strukturelemente (11 ; 15, 16; 19; 31) variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (9, 11 , 13, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 31) einen Strömungswiderstand gegenüber dem Strömungsmedium aufweisen und derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass der Druckabfall im Strömungskanal (8, 10, 12, 14) variabel, insbesondere im Eintrittsbereich (6a, 8a, 10a, 12a, 14a, 30a) minimal ist.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (6, 8, 10, 12, 14, 30), ausgehend vom Eintrittsquerschnitt, einen glattwandigen Abschnitt (6a, 8a, 10a, 12a, 14a, 30a) ohne Strukturelemente aufweist.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der glattwandige Abschnitt (6a, 8a, 1Oa1 12a, 14a, 30a) in Strömungsrichtung (P) eine Länge L aufweist, wobei L < 100 mm ist.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente als Wirbelerzeuger, so genannte Winglets (7, 9, 11 , 13, 31) ausgebildet sind.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (11 , 31) in Reihen angeordnet sind und mit der Strömungsrichtung (P) einen Winkel ß bilden, wobei der Winkel ß für benachbarte Winglets gleiches oder entgegengesetztes Vorzeichen aufweist.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente als Innenberippung, Innenrippen (15, 16, 20), Stegrippen (17, 18, 19) und/oder Turbulenzeinlagen ausgebildet und insbesondere in die Strömungskanäle eingelötet sind.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (13, 31) mit der Strömungsrichtung (P) einen Winkel ß bilden, welcher variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ß einen Bereich von 20° < ß < 50° aufweist.
11.Wärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Winglets (9) eine in die Strömung hineinragende Höhe (h) aufweisen, welche variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (8) eine Höhe H und das Verhältnis von h/H einen Bereich von 0,05 ≤ h/H < 0,4 aufweist.
13. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Winglets (11, 31) in Reihen quer zur Strömungsrichtung (P) angeordnet sind und dass die Reihen einen in Strömungsrichtung variablen, insbesondere abnehmenden Abstand (a-i, a2, a3...ax) aufweisen.
14. Wärmeübertrager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der kleinste Abstand ax einen Bereich von 5 < ax < 50 mm, insbesondere einen Bereich von 8 < ax < 30 mm aufweist.
15. Wärmeübertrager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a-i, a2, a3...) der Reihen ein (ganzzahliges) Vielfaches des kleinsten Abstandes ax ist.
16. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge- kennzeichnet, dass am stromaufwärtigen und am stromabwärtigen
Ende eines Strömungskanals ein glatter Bereich (ohne Strukturelemente) als Trennstelle belassen ist.
17. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9 bis 14 als Abgaswärmeübertrager, wobei die Strömungskanäle als von Abgas durchströmbare und von einem Kühlmittel umströmbare Abgasrohre (6, 8, 10, 12, 30) ausgebildet sind.
18. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente, insbesondere die Innenrippen (15, 16) eine
Rippendichte aufweisen, die in Strömungsrichtung variabel, insbesondere in Strömungsrichtung (P) zunehmend ist.
19. Wärmeübertrager nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippendichte in Stufen (14b, 14c) zunimmt.
20. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegrippe (17) eine variable Längsteilung (ti, t2, t3i U, t5... tx) aufweist.
21. Wärmeübertrager nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Längsteilung tx einen Grenzwert tx > 0,3 H aufweist, wobei H die Kanalhöhe ist.
22. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegrippe (18) einen variablen Anstellwinkel (α-i, α2, α3... αx ) aufweist, wobei der Anstellwinkel vorzugsweise im Bereich von 0 < α < 30° liegt.
23. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegrippe (19) eine variable Querteilung (qi, q2, q3-.. qx) aufweist.
24. Wärmeübertrager nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Querteilung q einen Bereich von 8 > q > 1 mm, vorzugsweise 5 > q > 2 mm aufweist.
25. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippe (20) eine Längswellung mit variabler Teilung (ti, t2, h, U) aufweist.
26. Wärmeübertrager nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung t der Innenrippe (20) einen Bereich von 10 < t < 50 mm aufweist.
27. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle als Rohre, insbesondere als Rohres eines Rohrbündels ausgebildet sind.
28. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle als Scheiben, insbesondere als Scheiben eines Scheibenpaketes ausgebildet sind.
29. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der Ansprüche 18 bis 28 als Ladeluftkühler zur Kühlung von Verbrennungsluft für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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