WO2012110651A1

WO2012110651A1 - Rippe für einen wärmeübertrager

Info

Publication number: WO2012110651A1
Application number: PCT/EP2012/052807
Authority: WO
Inventors: Eberhard Pantow
Original assignee: Behr Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-08-23
Also published as: EP2676095A1; CN203586901U; DE102011004306A1; US20130319648A1

Abstract

Rippe (1, 1', 1") für einen Wärmeübertrager, umfassend ein in einer Längsrichtung L gewelltes, zwischen zwei Strukturen angeordnetes Rippenblech (2), und einer Mehrzahl von durch die Wellung gebildeter Rippenflanken (3, 3', 3"), wobei das Rippenblech (2) in einer Tiefenrichtung von einem insbesondere gasförmigen Fluid zur Übertragung von Wärme zwischen den Strukturen und dem gasförmigen Fluid durchströmbar ist, und wobei in dem Rippenblech (2) eine Mehrzahl von hintereinander auf den Rippenflanken (3, 3', 3") angeordneter, auf einer Neutrallinie (4, 4') verlaufender und sich im Wesentlichen quer zu der Tiefenrichtung erstreckenden Kiemen (5, 5', 5") mit einer Kiementiefe KT und einem Kiemenwinkel KW bezüglich der Tiefenrichtung vorgesehen sind. Die Rippenflanken (3, 3', 3") weisen zumindest bereichsweise einen im Wesentlichen wellenförmigen Strukturverlauf auf, wodurch sich eine auf einer wellenförmigen Neutrallinie (4, 4') verlaufende Anordnung der Kiemen (5, 5', 5") ergibt.

Description

Rippe für einen Wärmeübertrager

Die Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ,

In heutigen Wärmeübertragern, beispielsweise Kühlmitteikühlern oder Ladeluftkühlern, werden für den Wärmeübergang an die Luft oder an ein zu küh- lendes Gas vielfach Rippen mit Kiemen eingesetzt, die durch einen Walz- prozess als Wellrippen hergestellt werden. Diese Wellrippen werden mit Rohren oder Scheiben verlötet, um damit den Wärmeübergang sicherzustellen. Bekannt sind beispielsweise Wellrippen mit schräg gestellten Kiemen. Wellrippen mit schräg gestellten Kiemen werden verwendet, weil sie u.a. ei- nen schnellen und kostengünstigen Herstellprozess erlauben. Ihre Form ist stark vom Herstellprozess geprägt und sie stellen bzgl, ihrer Funktion als wärmeübertragende Rippe einen Kompromiss dar, der für die eigentliche Aufgabe des verlustarmen Wärmeübergangs Schwachsteilen enthält. Beispielsweise werden die Wellrippen in einem Walzprozess hergestellt, bei dem ein Formwalzenpaar in ein metallisches Band, z.B. Aluminium, eine Wellenstruktur einprägt, bei der jeder Auf- und Abschwung eine Rippe dar- stellt. Die Kiemen entstehen dadurch, dass die Walzen aus mehreren Scheiben bestehen bei der jede so geschliffen ist, dass beim Abwälzen zusätzlich zur Wellenstruktur auch Kiemen in das Band geschnitten werden. Dabei haben die Kiemen üblicherweise eine konstante Kiementiefe und einen konstantem Kiemenwinkel. Dies ermöglicht bei der Werkzeugerstellung die Verwendung vieler Gleichteile. Alternativ existieren Prozesse, bei denen die Kiemen in das flache Bandmaterial geschnitten werden und die Rippen erst anschließend gewellt werden. Der Kiemenwinkel beträgt üblicherweise zwischen 20° und 30°. Dies soll dazu dienen, das Verhältnis aus Druckverlust und Wärmeübergang an den lokalen Strömungszustand anzupassen.

Die DE 10 2009 021 179 A1 offenbart eine Rippe für einen Wärmeübertrager, bei der die Kiemen einen Kiemenwinkel zwischen 14° und 30° und eine Kiementiefe entweder im Bereich von 0,3 mm bis 0,6 mm oder im Bereich von 1 ,1 mm bis 1 ,8 mm aufweisen.

Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass konstante Kiemenwinkel und konstante Kiementiefen in der Praxis u.a. folgende Schwachstellen offenbaren:

- Umlenk- und Stoßverluste, insbesondere bei der ersten Kieme, bei der Umlenkung in der Mitte und bei der letzten Kieme;

- Verluste durch Ablösung: an den Umlenkungen treten in weiten Reynoldszahl-Bereichen auch Ablösungen auf die dazu führen, dass sich die nachfolgende Kieme im Ablösegebiet befindet und nicht richtig genutzt wird;

- Bei einer Gleichverteilung von Kiementiefe und Kiemenwinkel kann es bei den üblichen Rippendichten dazu kommen, dass Kiemen in Strömungsrichtung nach nur einer Kiemenlänge fluchten und dadurch kein Grenzschichtneuanlauf entsteht.

- Bei in Strömungsrichtung variierenden Kiemen entstehen ungleichmäßige Strömungsquerschnitte, die zu Druckverlusten und einer Ungleichverteilung der Massenstromdichte führen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rippe der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die beschriebenen Schwachstellen bzw. Verlustmechanismen signifikant verbessert bzw. reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rippe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Rippenflanken zumindest bereichsweise einen im Wesentlichen wellenförmigen Strukturverlauf aufweisen, wodurch sich eine auf einer wellenförmigen Neutrallinie verlaufende Anordnung der Kiemen ergibt. Die einzelnen Kiemen sind unmittelbar aufeinander folgend auf der Neutrallinie angeordnet bzw. um diese ge- formt. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Strömungsquerschnitte und eine optimale Nutzung der Kiemen. Die Wellenform ist bevorzugt so zu wählen, dass der vertikale Versatz der Kiemen durch die Wellenstruktur den Unterschied der vertikalen Anstellung der aufeinander folgenden Kiemen auf Grund unterschiedlicher Kiemenwinkel kompensiert. Somit wei- sen aufeinander folgende Kiemen bevorzugt zumindest geringfügig unterschiedliche Kiemenwinkel auf. Die Kiemen verlaufen dabei mit ihrem axialen Längsmittelpunkt auf der wellenförmigen Neutrallinie und sind bevorzugt geringfügig unterschiedlich um den Längsmittelpunkt gedreht. Je nach Anzahl der Kiemen bzw. je nach Länge der Rippenflanke können nachfolgend auch zumindest zwei Kiemen gleicher Ausrichtung vorgesehen sein. Die Rippenflanken sind zur Verbesserung der mechanischen Stabilität regelmäßig in einem Winkel zueinander angeordnet, können je nach Anforderungen aber auch parallel zueinander verlaufen. Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Neutrallinie einen kontinuierlichen Wellenverlauf mit zumindest einem Wellenabschnitt aufweist, dergestalt, dass der Wellenabschnitt parallel zur Hauptströmrichtung beginnend kontinuierlich ansteigend in einem Bogen zur maximalen Auslenkung verläuft und anschließend gemäß dem Anstieg wieder so abfällt, dass er parallel zur Hauptströmrichtung ausläuft. Sie ähnelt dabei im Wesentlichen einem Cosinus-Verlauf von 0° bis 360°. Die wellenförmige Neutrallinie unterscheidet sich hierbei deutlich von einer fertigungsbedingten Verformung der Neutralli- nie, die entweder V-förmig oder in einem kreisartigen Bogen ohne signifikante Wendepunkte verläuft.

Vorzugsweise können pro Rippenflanke mehrere aufeinander folgende Wellenabschnitte vorgesehen sein. Die letztendliche Anzahl der Wellenabschnit- te kann sich nach der Länge der Rippenflanke richten. Bei sehr tiefen Systemen kann es sinnvoll sein, die Wellenlänge so zu wählen, dass mehrere Wellenabschnitte in Strömungsrichtung entstehen. Damit kann die maximale Auslenkung der Strömung begrenzt und die Wärmeübertragermatrix an den Rohrenden besser genutzt werden.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass pro Wellenabschnitt zumindest eine erste und eine zweite Kiemengruppe vorgesehen sind, wobei die Kiemenwinkel der Kiemengruppen verschiedene Orientierungen aufweisen können. Somit kann ein Fluid beispielsweise zunächst in der einen Richtung durch das Rippenblech geleitet werden und nachfolgend in der Gegenrichtung.

Vorteilhafterweise ergibt sich durch die benachbarten Kiemen zweier Rippenflanken eine nicht fluchtende Anordnung der einzelnen Kiemen zueinan- der.

Beispielsweise kann der Kiemenwinkel zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 30° und 50°, betragen. Gegebenenfalls kann der Kiemenwinkel auch niedriger liegen, beispielsweise falls eine schwächere Auslegung nicht durch eine reduzierte Rippendichte ermöglicht wird. Dies kann beispielsweise dann Notwendig sein, wenn die Anforderung an die Innendruckfestigkeit eine Abstützung von Kühlerrohren durch eine hohe Rippendichte erfordert. Die Rippendichte in Längsrichtung beträgt allgemein bevorzugt zwischen 70 Ri/dm. und 120 Ri/dm. Unter der Einheit Ri/dm ist dabei die Anzahl der durch die Wellung gegebenen Rippenflanken je Dezimeter zu verstehen. Die Umlenkung je Rippe beträgt im Idealfall nicht mehr als 7°. Falls die Kiemenzahl sehr hoch ist, so dass je Rippe eine Umlenkung von weniger als 7° notwendig würde, um die gesamte Umlenkung bis zur Mitte des Kiemenfeldes zu erreichen, können mehrere Kiemen auch gleich ausgeführt werden, was die Komplexität des Werkzeuges reduziert, Idealerweise sind die Kie- men so angeordnet, dass der freie Strömungsquerschnitt zwischen den Kiemen 1/3 des Abstands zwischen den Rippen (reziproker Wert der Rippendichte) ausmacht. So wird eine gleichmäßige Aufteilung der Strömung auf die Kiemen erreicht. Dabei erreicht auch die Neutrallinie in der Mitte einen Versatz von ca. 1/3 des Rippenabstandes. Genauer gesagt, kann die wellen- förmige Neutrallinie im höchsten Wellenbereich einen Versatz von vorzugsweise 1/3 zu den gerade verlaufenden Abschnitten benachbarter Rippenflanken aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung wird für einen Wärmeübertrager zudem gemäß Anspruch 9 durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Rippe gelöst.

In vorteilhafter Detailgestaltung ist der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, insbesondere als elektrischer Heizkörper, flüssigkeitsbetriebener Heizkörper, Verdampfer oder Kondensator einer Fahrzeug-Klimaanlage, Ladeluftkühler oder Kühlmittelkühler. Bei Kraftfahrzeugen besteht eine besonders hohe Anforderung an die Optimierung der Wärmeübertragerleistung bei gegebenem Bauraum. Die erfindungsgemäße Rippe ist dabei insbesondere zur Verwendung mit einem Heizkörper geeignet, da sie bei gegebenem Luftstrom und gegebener Temperaturdifferenz einen besonders kleinen Druckabfall ermöglicht. Dies reduziert Geräusche und erlaubt es zum Beispiel, ein Heizungsgebläse besonders klein auszulegen. Bei einem Wärmeübertrager in Form eines elektrisch betriebenen Heizkörpers sind die Strukturen zum Beispiel als elektrische Heizstäbe, bevorzugt PTC-Heizelemente (PTC = Positive Temperature Coefficient). In möglicher alternativer Ausführung eines Heizkörpers können die Strukturen auch Flachrohre oder Rundrohre sein, in denen zum Beispiel erhitztes Kühlmittel eines Motor-Kühlkreislaufs strömt.

Weitere Vorteile_» Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rippe in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 die schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kiemenanordnung;

Fig. 3 die schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rippe.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Rippe 1 für einen Wärmeübertrager, Die Rippe 1 umfasst ein in Längsrichtung L gewelltes Rippenblech 2 mit einer Mehrzahl von durch die Wellung gebildeter Rippenflanken 3.

Auf dem Rippenblech 2 sind eine Mehrzahl von hintereinander auf den Rippenflanken 3 angeordneter, auf einer wellenförmigen Neutrallinie 4 verlaufender und sich im Wesentlichen quer zur Tiefe nrichtung erstreckenden Kiemen 5 vorgesehen. Die Rippenflanken 3 weisen zumindest bereichsweise einen im Wesentlichen wellenförmigen Strukturverlauf auf, wodurch sich die auf der wellenförmigen Neutrallinie 4 verlaufende Anordnung der Kiemen 5 ergibt. Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung einer auf einer Rippe V angeordneten Kiemenanordnung 6. Gut zu erkennen ist die wellenförmige Neutrallinie 4', welche einen kontinuierlichen Wellenverlauf mit einem Wellenabschnitt W aufweist, dergestalt, dass der Wellenabschnitt W parallel zur Hauptströmrichtung S beginnend kontinuierlich ansteigend in einem Bogen B zur maximalen Auslenkung verläuft und anschließend gemäß dem Anstieg wieder so abfällt, dass er parallel zur Hauptströmrichtung S1 ausläuft.

Die Kiemen 5' sind aufeinanderfolgend um einen axialen Längsmittelpunkt 7 auf der Neutrallinie 4' angeordnet und jeweils zur benachbarten Kieme 5' leicht versetzt angeordnet. Die Neutrallinie 4' um die die Kiemen 5' geformt werden, wird somit nicht wie bislang üblich gerade ausgeführt (siehe L1 ), sondern entlang der wellenförmigen Neutrallinie 4'. Diese Anordnung ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung der Strömungsquerschnitte 8 und eine optimale Nutzung der Kiemen 5'. Dabei ergibt sich durch die benachbarten Kiemen 5' zweier Rippenflanken 3', 3" eine nicht fluchtende Anordnung der einzelnen Kiemen 5' zueinander (siehe 9).

Die Kiemen 5' weisen einen Kiemenwinkel KW auf der bevorzugt zwischen 30° und 50° beträgt. Fig. 2 zeigt, dass die Kiemen 5' in der Tiefenrichtung als zwei aufeinander folgende Kiemengruppen 10, 1 1 von jeweils unterschiedlich gestellten Kiemen 5' vorgesehen sind, wobei der Kiemenverlauf der beiden Gruppen 10, 1 1 gleich, aber in der Richtung invertiert ist. Somit wird die Luft beispielsweise erst in die eine Richtung und nachfolgend in umgekehrter Richtung durch das Rippenblech geleitet.

Am Anfang der ersten Kiemengruppel O und am Ende der zweiten Kiemengruppe 1 1 ist jeweils eine Randkieme 5a und 5b vorgesehen. Zwischen den Kiemengruppen 10, 1 1 ist jeweils eine Dachkieme 5c vorgesehen, die für eine Überleitung zwischen den unterschiedlich gerichteten Kiemengruppen 10, 1 1 sorgt.

Die Kiemen 5' sind so angeordnet, dass der freie Strömungsquerschnitt zwi- sehen den Kiemen 5' bevorzugt 1/3 des Abstands zwischen den Rippenflanken ausmacht. Damit wird eine gleichmäßige Aufteilung der Strömung auf die Kiemen 5' erreicht. Dabei erreicht auch die Neutrallinie 4' in der Mitte M einen Versatz von ca. 1/3 des Rippenabstandes. Fig. 3 zeigt eine an einem Boden bzw. Sammler 12 angeordnete Rippe 1". Auf der Rippe 1 " sind mehrere Kiemen 5" in wellenförmigen Verlauf angeordnet. Bei der hier gezeigten Ausführungsform sind zwei Wellenabschnitte W und W" nachfolgend hintereinander angeordnet. Jeder Wellenabschnitt W und W" besteht aus zwei Kiemengruppen 13, 14 und 15, 16.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Rippe (1 , Γ, 1") für einen Wärmeübertrager, umfassend ein in einer Längsrichtung L gewelltes, zwischen zwei Strukturen angeordnetes Rippenblech 2, und einer Mehrzahl von durch die Wellung gebildeter Rippenflanken 3, 3', 3", wobei das Rippenblech 2 in einer Tiefenrichtung von einem insbesondere gasförmigen Fluid zur Übertragung von Wärme zwischen den Strukturen und dem gasförmigen Fluid durchströmbar ist, und wobei in dem Rippenblech 2 eine Mehrzahl von hintereinander auf den Rippenflanken 3, 3', 3" angeordneter, auf einer Neutrallinie 4, 4' verlaufender und sich im Wesentlichen quer zu der Tiefenrichtung erstreckenden Kiemen 5, 5', 5" mit einer Kiementiefe KT und einem Kiemenwinke] KW bezüglich der Tiefenrichtung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenflanken 3, 3', 3" zumindest bereichsweise einen im Wesentlichen wellenförmigen Strukturverlauf aufweisen, wodurch sich eine auf einer wellenförmigen Neutrallinie 4, 4' verlaufende Anordnung der Kiemen 5, 5', 5" ergibt.

2. Rippe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Neutrallinie 4, 4' einen kontinuierlichen Wellenverlauf mit zumindest einem Wellenabschnitt W, W, W" aufweist, dergestalt, dass der Wellenabschnitt W, W", W" parallel zur Hauptströmrichtung S, S1 beginnend kontinuierlich ansteigend in einem Bogen B zur maximalen Auslenkung verläuft und anschließend gemäß dem Anstieg wieder so abfällt, dass er parallel zur Hauptströmrichtung S, 81 ausläuft.

3. Rippe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass pro Rippen- flanke 3, 3', 3" mehrere aufeinanderfolgende Wellenabschnitte W, W,

W" vorgesehen sind.

4. Rippe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Wellenabschnitt W, W, W" zumindest eine erste und eine zweite Kiemengruppe 10, 1 1 , 13, 14, 15, 16 vorgesehen ist, wobei die Kiemenwinkel KW der Kiemengruppen 10, 1 1 , 13, 14, 15, 16 verschiedene Orientierungen aufweisen.

5. Rippe nach Anspruch 4, dass die Orientierungen dergestalt ausgebildet sind, dass sich durch die benachbarten Kiemen 5, 5', 5" zweier Rippenflanken 3, 3', 3" eine nicht fluchtende Anordnung der einzelnen Kiemen 5, 5', 5" zueinander ergibt.

6. Rippe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kiemenwinkel KW zwischen 20° und 60°, bevorzugt zwischen 30° und 50°, beträgt.

7. Rippe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Umlenkung je Rippenflanke 3, 3', 3" vorzugsweise 7° beträgt.

8. Rippe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmige Neutrallinie 4, 4^* im höchsten Wellenbereich einen Versatz von vorzugsweise 1/3 zu den gerade verlaufenden Abschnitten benachbarter Rippenflanken 3, 3', 3" aufweist.

9. Wärmeübertrager, umfassend eine Rippe 1 , 1', 1 " nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

10. Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager eines Kraftfahrzeuges ausge- bildet ist, insbesondere als elektrischer Heizkörper, flüssigkeits- betriebender Heizkörper, Verdampfer einer Fahrzeug-Klimaanlage, Kondensator einer Fahrzeug-Klimaanlage, Ladeluftkühler oder Kühlmittelkühler.