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Radiatoren
sind hinlänglich
bekannt für
Heizzwecke in Wohnräumen
oder als Ummantelungen von technischen Anlagen wie zum Beispiel
Transformatoren, deren Aufgabe darin besteht, die Wärme eines
Kühlfluids
möglichst
effektiv an die Umgebungsluft abzugeben. Üblicherweise enthält der Radiator einen
fluiddurchströmten
Innenraum, der entweder durch den Innenraum eines geschlossenen
Radiatorgehäuses,
zum Beispiel bei einem Transformatorengehäuse gebildet sein kann oder
durch Rippen bzw. Platten wie bei herkömmlichen Gebäudeheizungen. Oft
sind strömungsdurchflutete
Kanäle
vorgesehen, die auf Konvektorplatten aufgebracht, z.B. angeschweißt oder
heißgelötet sind,
welche Kanäle
vom Fluid durchflossen sind und ihre Wärme an eine Konvektoranordnung,
z.B. -platte abgeben, die einen Heizkörper darstellt. Das Fluid ist üblicherweise
entweder das Wasser eines Heizungskreislaufs oder das Kühlöl einer
großtechnischen
Anlage, z.B. eines Transformators. Es sind jedoch auch andere z.B.
organische Substanzen enthaltende Fluide speziell für Kühl- oder
Heizkreislaufe oder Wärmepumpen
verwendbar.
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Das
Fluid strömt
in dem Inneren des Radiatorkörpers
an den inneren Oberflächen
der Rippenkanäle
oder des Gehäuses
entlang und überträgt bei dieser
weitgehend laminaren Strömung
seine Wärme
auf das in der Regel aus Metall bestehende Radiatorgehäuse, welches
die Wärme
wiederum über
Platten oder Rippen oder andere oberflächenvergrößernde Maßnahmen an die Umgebungsluft abgibt.
Neben der Konvektion kann selbstverständlich auch ein Zwangsströmungskreislauf
vorgesehen sein, der zum Beispiel durch eine Pumpe unterstützt ist.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine wirkungsvollere Wärmeübertragung
von dem Fluid an die Umgebungsluft zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch
einen Radiator gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird die
dem Fluid zugewandte Innenseite des Radiatorkörpers mit einer Profilierung
versehen, die den laminaren Strom unterbricht und gleichzeitig eine
größere Oberfläche für den Wärmeaustausch
bereitstellt. Die Profilierung sorgt damit sowohl für Turbulenzen
und in Folge für eine
längere
Verweilzeit des Fluids an den Innenwänden des Radiatorkörpers als
auch zu einer vergrößerten Wärmeübergangsfläche insgesamt.
Eine derartige vergrößerte Oberfläche kann
zum Beispiel dadurch geschaffen werden, dass ein negatives (Rillen, Furchen
oder Vertiefungen) und/oder positives Profil (in den Fluidkreislauf
hineinragende Rippen oder Erhebungen allgemeiner Art) ausgebildet
sind. Dieses Profil kann während
der Herstellung des Rohmaterials, so etwa der Radiatorplatten zum
Beispiel auf dem Wege des Walzens (z.B. in der Art einer Hammerschlag-Oberfläche) oder
des Ziehens eingebracht werden oder durch spanabhebende Bearbeitung,
zum Beispiel durch Bohren, Fräsen,
Sandstrahlen mit grobem Sand oder durch zusätzlichen Materialauftrag, etwa
durch Aufschweißen,
Aufkleben, Aufpressen oder -klemmen oder dergleichen. Anstelle oder
zusätzlich
des Profils/zum Profil kann auch ein Profilkörper auf die Innenseite des
Radiatorkörpers aufgebracht
werden, der die gleiche Wirkung erzeugt wie eine Profilierung des
dem Fluid zugewandten Teils des Radiatorkörpers selbst, nämlich eine
Verwirblung des an der Innenwand vorbeifließenden Fluids. Ein derartiger
Profilkörper
kann zum Beispiel ein perforiertes Blech sein oder nur Blechstreifen
oder dergleichen. Selbstverständlich
muss der/müssen die
Profilkörper
nicht aus Metall bestehen, sondern können auch aus anderen Materialien
gefertigt sein, jedoch zu dem Zweck, die Strömung des Fluids im Bereich
der Innenflächen
des Radiatorkörpers
zu unterbrechen und zu Verwirblungen zu führen. Selbstverständlich kann
der Profilkörper
selbst auch eine Profilierung aufweisen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das Profil an der dem Fluid zugewandten
Innenfläche
des Radiatorkörpers
wenigstens eine Profiltiefe von 200 μm, vorzugsweise mindestens 500 μm aufweist,
egal ob es jetzt als negatives, d.h. in die Wand hineinragendes
Profil oder als positives, d.h. von der Wand hervorstehendes Profil
ausgebildet ist. Das gleiche gilt für das Profil bzw. die Stärke des
Profilkörpers,
falls ein solcher vorgesehen ist. Ein derartiges Profil führt zu einer
effektiven Verwirbelung des vorbeistreichenden Fluids an der fluidzugewandten
Seite des Radiatorkörpers
und somit zu einer verbesserten Wärmeübertragung von dem Fluid in
den Radiatorkörper
und damit zu einer Verbesserung der Effektivität insgesamt.
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Gute
Ergebnisse sind allerdings bereits mit geringeren Profiltiefen zu
erzielen. Falls Profile mit einer gewissen axialen Textur vorgesehen
sind, ist es vorteilhaft, wenn die Achse geneigt zum Fluidfluss ausgebildet
ist. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn das Profil in Form von
Rippen oder einer karree- oder rhombenförmigen Vernetzung vorgesehen
ist. In diesem Fall sollten die Rippen bzw. Rinnen schräg zur Strömungsrichtung
des Fluids verlaufen, damit eine möglichst starke Verwirbelung
des Fluidstromes erzielt wird.
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Selbstverständlich kann
eine Profilierung auch durch eine geeignete Aufrauung der dem Fluid zugewandten
Innenfläche
des Radiatorkörpers
erwirkt werden. Schließlich
ist es möglich,
anstelle einer Aufrauung des Grundmaterials eine gute, wärmeleitfähige Beschichtung
auf den Metallkörper
in einer profilierten, zum Beispiel aufgerauten oder anders strukturierten
Form aufzubringen. Dies hat den Vorteil, dass als Grundelemente
für den
Radiatorkörper herkömmliche
unbehandelte Bleche verwendet werden können, und der profilierte Beschichtungsauftrag nachträglich nach
der Herstellung des Radiatorkörpers
zum Beispiel durch ein entsprechendes automatisiertes Auftragsverfahren
aufgebracht werden kann.
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Vorzugsweise
sind die nach außen
gewandten Flächen
des Radiatorkörpers
zur Abgabe der Wärme
an die Umgebungsluft in herkömmlicher
Weise vergrößert, zum
Beispiel durch einteilig mit dem Radiatorkörper ausgebildete Rippen oder
andere Kühlstrukturen,
die entweder einstückig
mit dem Radiatorkörper
ausgebildet sind oder mit diesem verbindbar zum Beispiel aufsteckbar
sind.
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Die
Erfindung ermöglicht
somit mit einem geringen technischen Aufwand eine wesentliche Verbesserung
der Wärmeabstrahlung.
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Als
Profilkörper
können
fernerhin Lochbleche verwendet werden, was insbesondere dann vorteilhaft
ist, wenn die dem Fluid zugewandte Seite in Form von Kanälen oder
Rohren ausgebildet ist, so dass die profilierten, perforierten oder
Lochbleche in entsprechender Passung in den Kanal eingeschoben,
zum Beispiel eingepresst werden können, ohne dass ein separater
Verformungsvorgang notwendig ist. Die Stärke derartiger Profilkörper beträgt vorzugsweise
mindestens 200 μm,
vorzugsweise mehr als 500 μm,
kann aber auch bis zu 3 mm je nach Größe der Anlage und Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids betragen.
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Die
oben beschriebenen, vorteilhaften Ausführungsformen sind in beliebiger
Form miteinander kombinierbar zum Zwecke einer kostengünstigen Schaffung
eines verbesserten Wärmeübergangs
in einem Radiator. Weitere Möglichkeiten
für Profilkörper sind
Siebe, Gewebe, Leisten oder andere Materialien, die sich regelmäßiger- oder
unregelmäßiger Weise
auf der inneren, d.h. dem Fluid zugewandten Innenfläche des
Radiatorkörpers
erstrecken oder in Anlage gebracht werden können. Derartige Profilkörper in
der Art von Strömungsverwirblern
oder -abweisern können
mit der Innenwand verklebt, verschweißt, verlötet oder einfach kraft- oder
formschlüssig
festgelegt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand von Ausführungsbeispielen
in der schematischen Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:
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1 einen
horizontalen Querschnitt durch ein Transformatorengehäuse,
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2 einen
Schnitt durch einen Plattenradiator mit trapezoiden Strömungskanälen,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer Innenwand eines Strömungskanals
mit Rillen,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Teils einer Innenwand eines Strömungskanals
mit kreuzweise angeordneten Rippen, und
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5 eine
perspektivische Ansicht eines Teils der Innenwand eines Strömungskanals
mit aufgesetztem Lochblech.
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1 zeigt
im horizontalen Querschnitt eine gekühlte Transformatoranlage 10 mit
einem Transformator 12, der von einem gekühlten Transformatorengehäuse 14 umgeben
ist. Zwischen dem Transformatorengehäuse 14 und dem Transformator 12 befindet sich
eine Kühlflüssigkeit 16 in
Form eines Öls.
Das Transformatorengehäuse 14 besteht
aus den Transformator 12 in einem Abstand d umgebenden
Metallplatten 18 bis 24, die an ihrer Außenseite
Kühlrippen 26 haben,
um die von der Kühlflüssigkeit 16 aufgenommene
Wärme an
die Umgebungsluft über
eine möglichst
große
Oberfläche
abgeben zu können. Statt
der Rippen 26 können
selbstverständlich
alle anderen bekannten oberflächenvergrößernden
Maßnahmen
für Radiatoren
ver wendet werden. Die gewählten
Größen für die Profile,
Anzahl und Abmessungen von Elementen, z.B. der Abstand sind nur
zur besseren Erläuterung
verwendet und können
in der Praxis erheblich von der Zeichnung abweichen.
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Die
dem Kühlfluid 16 zugewandten
Innenseiten der Radiatorplatten 18 bis 24 weisen
eine unterschiedliche Profilierung auf, auf die nachfolgend noch
detaillierter eingegangen wird.
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Auf
die der Kühlflüssigkeit 16 zugewandten Innenseite
der linken Radiatorwand 18, die in der Regel aus herkömmlichem,
lackierten Transformatorstahl besteht, ist ein Lochblech 28 aus
Metall in einer Stärke
von etwa 1 bis 2 mm aufgebracht, welches in etwa kreisrunde Perforierungen 30 aufweist.
Die Kühlflüssigkeit 16 steigt
an dem aufgrund seines Betriebs heißen Transformator 12 hoch
und sinkt an der mit dem Lochblech 28 versehenen Wand 18 herunter,
wobei aufgrund der mit dem Lochblech 28 und den darin befindlichen
Löchern 30 erzielte
Unebenheit der Oberfläche
die Strömungsgeschwindigkeit der
an sich laminaren Strömung
herabgesetzt und Verwirbelungen erzeugt werden. Hierdurch wird der Wärmeübergang
von der Kühlflüssigkeit 16 auf
die Radiatorwand 18 verbessert und somit die Wärmeabgabe über die
Rippen an die Außenwand
der Radiatorwand 18 nach außen an die Umgebungsluft. Dies
ist unabhängig
davon, ob die Außenwand
des Radiators 14 nun durch vorbeistreichende Luft oder durch
ein Kühlgebläse gekühlt wird.
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Die
beiden horizontalen, d.h. oberen und unteren Wände 20 und 24 weisen
an ihrer der Kühlflüssigkeit 16 zugewandten
Innenseite Kanäle 32 auf,
die in gleicher Weise wie das Lochblech 28 an der linken Radiatorwand
dazu führen,
dass dort eine erhöhte Oberfläche geschaffen
wird und andererseits die Strömungsgeschwindigkeit
aufgrund der Verwirbelungen an der profilierten Oberfläche herabgesetzt wird.
Aufgrund dieser Maßnahmen
wird ein verbesserter Wärmeaustausch
erzielt. Vorzugsweise sind die Kanäle 32 nicht exakt
vertikal, d.h. in Richtung der Strömung der Kühlflüssigkeit 16 ausgerichtet,
sondern etwas geneigt, so dass durch die Ablenkung des Kühlflusses
ebenfalls eine Verwirbelung und somit ein besserer Wärmeaustausch
zwischen der Kühlflüssigkeit
und den Radiatorplatten 20 und 24 erzielt wird.
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Während die
oberen und unteren Radiatorplatten 20 und 24 eine
Profilierung in Form von Vertiefungen bzw. Kanälen 32 an ihrer Innenseite
aufweisen, weist die rechte Radiatorplatte 22 an ihrer Seite
Rippen 34 auf, die sich ebenfalls vorzugsweise schräg oder quer
zum Strömungs fluss
der Kühlflüssigkeit 16 aus
der Oberfläche
heraus erstrecken. Auch durch diese positive, d.h. sich von der
Oberfläche
weg erstreckende Profilierung der Innenseite der Radiatorwand 22 wird
eine Intensivierung des Wärmeaustausches
zwischen der Kühlflüssigkeit 16 und der
Radiatorplatte 22 erzielt.
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Die
oben beschriebenen unterschiedlichen Profile werden nur zur Erläuterung
in einer Anlage 10 dargestellt. Selbstverständlich wird
in der Praxis eher nur eine der gezeigten Möglichkeiten für eine Profilierung
durchgehend verwendet werden.
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2 zeigt
im Querschnitt einen Plattenradiator 40, bestehend aus
einer Radiatorplatte 42 und einem an der Rückseite
der Radiatorplatte 42 angeschweißten oder anderweitig verbundenem
Formblech 44, das zusammen mit der Radiatorplatte 42 trapezoide
Strömungskanäle 46 bildet,
welche von einer Kühlflüssigkeit,
zum Beispiel Wasser oder Öl durchströmt werden.
Die der Kühlflüssigkeit
zugewandten Innenseite 48 sowohl der Radiatorplatte 42 als
auch des Profilblechs 44 sind mit einer quer zur Strömungsrichtung
verlaufenden Riffelung versehen, welche zu einer intensiveren Wärmeübertragung
von dem Kühlfluid
auf die Radiatorplatte 42 aufgrund der erhöhten Oberfläche und
der erhöhten
Verweilzeit des Kühlfluids
an dem die laminare Strömung
behindernden Profil führt.
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Die 3 bis 5 zeigen
mögliche
Profilierungen der Innenfläche
eines Kühlkanals
bzw. Radiatorgehäuses.
Die Pfeile geben dabei die Strömungsrichtung
des Fluids an.
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So
ist in 3 die dem Kühlfluid
zugewandte Innenwand 50 eines Radiators oder Kühlkanals
mit schräg
zur Strömungsrichtung
verlaufenden Rillen 52 versehen, die zu einer vergrößerten Oberfläche und zu
einer Störung
der Strömung
und Turbulenzen im Kühlfluid
führen,
die wiederum eine bessere Wärmeübertragung
vom Kühlfluid
auf den Radiator bewirken. Während
in 3 das Profil als negatives Profil in Form von
Rillen 52 vorgesehen ist, ist in 4 die dem
Kühlfluid
zugewandte Innenfläche 54 mit
sich kreuzenden Rippen 56, 58 versehen, die in
einem Winkel von 90° oder
kleiner verlaufen und möglichst in
einem gleichermaßen
schrägen
Winkel zu der mit Pfeil gekennzeichneten Strömungsrichtung des Fluids verlaufen.
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Auf
der in 5 gezeigten Innenwand eines Radiators ist ein
Lochblech 60 aufgesetzt, welches zum Beispiel mit der Innenseite
des Radiators verklebt oder verschweißt bzw. verlötet oder
lediglich gepresst ist. Das Lochblech 60 umfasst eine Vielzahl von
lochartigen Perforierungen 62, in denen die Innenwand des
Radiators direkt mit dem Kühlfluid
in Kontakt steht. Auch durch diesen Profilkörper in Form eines Lochbleches 60 wird
eine starke Verwirbelung des vorbeiströmenden Fluids erwirkt und damit
eine verbesserte Wärmeübertragung.
Anstelle eines Lochbleches können
selbstverständlich
auch Gitterbleche oder andere Profilstrukturen oder perforierte Strukturen
verwendet werden. Die verschiedenen Profilierungstypen bzw. Profilierungskörper können auch
innerhalb ein und derselben Anwendung in beliebiger Weise miteinander
kombiniert werden, falls dies dem Gesamteffekt einer verbesserten
Wärmeübertragung
zuträglich
ist.
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Im
Falle einer Aufrauhung der Oberfläche durch Sandstrahlen sollten
zur Erzielung eines ausreichend groben Profils Körner mit einem Durchmesser
von mehr als 200 μm,
vorzugsweise mehr als 500 μm
verwendet werden, so dass die erzielte Aufrauhung zu einem Profil
mit einer Rauhigkeit von mindestens 200 μm führt.
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Durch
die Erfindung können
sowohl ein besserer Wärmeübergang
von dem Fluid auf den Radiator, als auch vice versa von dem Radiator
auf das Fluid realisiert werden, so dass sich die Erfindung für alle Arten
von wärmeübertragenden
Maßnahmen
in Heiz-/oder Kühlkreisläufen eignet.