DE102004060795A1

DE102004060795A1 - Wärmetauschrippe und Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102004060795A1
Application number: DE102004060795A
Authority: DE
Inventors: Viktor Dipl.-Ing. Brost
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-29
Also published as: US20060131006A1; EP1672305A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschrippe, durch die ein gasförmiges Medium, beispielsweise Kühlluft (K), strömt, um im Wärmeaustausch mit einem anderen Medium zu stehen, wobei die Wärmetauschrippe (1) vorzugsweise aus Metall besteht und vorzugsweise aus einem endlosen Bandmaterial (5) hergestellt ist und wobei wenigstens ein Randstreifen (2) der Wärmetauschrippe (1) verstärkt ist. Die Erfindung führt zu leichten, kompakten und leistungsmäßig akzeptablen Wärmetauschern, wenn erfindungsgemäß der am Eintritt (10) des gasförmigen Medium liegende Randstreifen (2) der Wärmetauschrippe (1) eine größere Wanddicke aufweist, wobei die in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums sich erstreckende Breite (b) des Randstreifens so gewählt ist, dass die Temperaturdifferenz über die Gesamtbreite (B) der Wärmetauschrippe (1) reduziert, jedoch die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den Medien erhöht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschrippe, durch die ein gasförmiges Medium strömt, um im Wärmeaustausch mit einem anderen Medium zu stehen, wobei die Wärmetauschrippe vorzugsweise aus Metall besteht und vorzugsweise aus einem endlosen Bandmaterial hergestellt ist und wobei wenigstens ein Randstreifen der Wärmetauschrippe verstärkt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher, der Wärmetauschrippen besitzt.

Solche Wärmetauschrippen sind aus der JP-A-60-018240 aber auch aus dem jüngeren EP 1 028 303 B1 bekannt. Im bekannten Stand der Technik wurde die Verstärkung beider gegenüberliegender Randstreifen der Wärmetauschrippe über einen möglichst schmalen Abschnitt durch Umfaltung der Ränder hergestellt. Damit wurde die Stabilität der Rippen und des Wärmetauschers angehoben, denn die Dicke des Bandes ist deutlich unter 0,5 mm und von den Rippen wird, neben ihrer Hauptfunktion, nämlich einen effizienten Wärmeaustausch zu bewirken, erwartet, dass sie die Stabilität des Wärmeaustauschers erhalten. Deshalb kann die Wanddicke der Wärmetauschrippen nicht beliebig reduziert werden. In den genannten Veröffentlichungen ist auch eines von mehreren möglichen Herstellungsverfahren für die Wärmetauschrippen gezeigt und beschrieben worden. Es kann sich um Flachrippen oder um Wellrippen handeln.

Bekanntlich ist die Wärmetauschleistung bei dickeren Rippen besser als bei dünneren, was daran liegen mag, dass die pro Zeiteinheit transportierte Wärmemenge bei dünner werdenden Rippen geringer wird, da der Wärmeleitungswiderstand ansteigt.

Die Geometrie der Wärmetauschrippen, beispielsweise von Wellrippen, kann auch nicht beliebig verändert werden. Man könnte z. B. die Wellenlänge verkleinern, aber dadurch würde der Druckverlust beispielsweise der Kühlluft in unerwünschter Weise vergrößert werden. Außerdem würde natürlich ein längeres Bandmaterial benötigt werden, was der eigentlich gewollten Gewichtsreduktion entgegen stünde. Somit scheint hier ein Widerspruch vorzuliegen, denn selbstverständlich gehen die Forderungen hin zu leichteren und noch kompakteren Wärmetauschern, die jedoch möglichst höhere aber wenigstens nicht deutlich niedrigere Wärmetauschleistung besitzen sollen. Deshalb ist erfinderischer Einsatz gefragt, um solche Widersprüche aufzulösen.

Man hat auch bereits Vorschläge unterbreitet, die sich auf Wärmetauscherrohre, insbesondere Flachrohre, beziehen, deren Wanddicke abschnittsweise größer ist. Ein solcher Vorschlag ist der Anmelderin aus GB-B-2 133 525 bekannt. Die Motivation für die dort vorgeschlagene Ausbildung besteht darin, die Rohre mit verbesserter Korrosionsresistenz auszustatten.

Die Aufgabe der Erfindung zielt auf die Bereitstellung leichterer und kompakterer Wärmetauscher mit akzeptablen Leistungskennwerten.

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Abschnitt der Wärmetauschrippe, vorzugsweise der am Eintritt des gasförmigen Mediums liegende Randstreifen der Wärmetauschrippe des Wärmetauschers, in der Wanddicke erhöht ist, wobei die Breite des Abschnittes bzw. des Randstreifens so gewählt ist, dass die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den Medien erhöht ist.

Es hat sich gezeigt, dass die Breite des vorzugsweise Randstreifens etwa bei 5% bis 60 %, bevorzugt bei 10–30%, der Gesamtbreite der Wärmetauschrippe liegen sollte. Vorzugsweise wird die erhöhte Wanddicke durch Umfaltung des Randes der Wärmetauschrippe geschaffen. Jedoch kann auch Bandmaterial verwendet werden, welches unterschiedliche Wanddicken besitzt, also wenigstens eine Abstufung der Wanddicke aufweist. Im Ergebnis aufwendiger Untersuchungen wurde nämlich festgestellt, dass der Eintrittsbereich der beispielsweise Kühlluft in die Wärmetauschrippe eine relativ niedrige Temperatur aufweist und dass die Temperatur etwa ab der Mitte der Breite der Wärmetauschrippe eine vergleichsweise höhere Temperatur besitzt, da die beispielsweise Kühlluft auf ihrem Weg durch den Wärmetauscher bereits Wärme aufgenommen hat. Diese Feststellung bedeutet, dass die die Wärmetauschleistung beeinflussende Temperaturdifferenz zwischen der beispielsweise Luft und dem anderen Medium, das in den Rohren strömt, ebenfalls unterschiedlich ist. Durch die Dopplung (oder Vervielfachung) der Wanddicke vorzugsweise im Eintrittsbereich, wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Eintrittsbereich und dem in Luftströmungsrichtung liegenden entfernteren Bereich der Wärmetauschrippe verringert, aber insgesamt, das heißt über die Gesamtbreite der Wärmetauschrippe, wird die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien erhöht, womit die verbesserte Wärmetauschleistung gegenüber einer Wärmetauschrippe ohne Wandverdickung zu erklären ist. Dies kann ferner damit erklärt werden, dass die durch die Erhöhung der Wanddicke verursachte Erhöhung der Temperatur im Eintrittsbereich wertmäßig geringer ausfällt als die Absenkung der Temperatur im davon entfernt liegenden Bereich. Zur Erklärung: beispielsweise vorne, am Eintrittsbereich, 5°C höher und hinten, im Austrittsbereich, 10°C niedriger, sodass die Durchschnittstemperatur auf der beispielsweise Luftseite 5°C niedriger liegt, wodurch die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und beispielsweise Kühlflüssigkeit in den Rohren vergrößert wird.

Die Wanddicke der Wärmetauschrippe liegt etwa im Bereich von 0,04–0,12 mm, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 0,04–0,08 mm gefunden wurde. Bei wellenförmig verformten Wärmetauschrippen, sogenannten Wellrippen, wurden besonders gute Ergebnisse bei solchen mit einer Rippenhöhe zwischen 3 und 10 mm erzielt.

Durch die Verwendung extrem dünnen Bandmaterials wurde der Forderung nach Leichtbau in ausgezeichneter Weise entsprochen, wobei gleichzeitig eine besonders akzeptable Wärmetauschleistung zur Verfügung gestellt wurde. Die Wandverdickung leistet ihren Beitrag zur Stabilität der Wärmetauschrippe bzw. des Wärmetauschers, der erfindungsgemäß mit solchen Wärmetauschrippen ausgestattet ist.

Der Wärmetauscher weist Flachrohre und dazwischen angeordnete Wärmetauschrippen auf, beides vorzugsweise aus Metall und miteinander verbunden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen in zwei Ausführungsbeispielen beschrieben.

Die Figuren zeigen Folgendes:
1 Diagramm, welches den Temperaturverlauf über die Blocktiefe eines Wärmetauschers zeigt, der mit Wellrippen ausgestattet ist.
2 Wellrippe mit einem umgefalteten Rand und Schnitten über die gesamte Breite;
3 Wellrippe mit einem umgefalteten Rand und Schnitten nur im nicht umgefalteten Bereich;
Die 1 zeigt das Ergebnis umfangreicher Untersuchungen, die bei der Anmelderin durchgeführt wurden. Aufgezeichnet wurde der Temperaturverlauf an drei Wellrippen 1 über die gesamte Breite B der Wellrippen 1, die der Blocktiefe des Wärmetauschers entspricht.
Eine Wellrippe 1 mit 0,12 mm Blechdicke (durchgezogene Kurve) und ohne Verstärkung des Randes 2a wurde einer Wellrippe 1 mit 0,06 mm Blechdicke, (gestrichelte Kurve) ebenfalls ohne Verstärkung des Randes, gegenübergestellt. Dieses bedeutet eine Gewichtsreduzierung von 50%, wobei sich ein Leistungsverlust von 2,64 % einstellt. Die beiden Kurven machen deutlich, dass mit steigender Blocktiefe und steigender Temperatur die unterschiedlichen Dicken D der Wellrippen 1 dafür sorgen, dass die Temperaturdifferenz größer wird, wodurch ein Leistungsverlust zum Ausdruck kommt. Außerdem wurde eine dritte Wellrippe 1 untersucht, die mit einem Abschnitt 2 größerer Wanddicke, nämlich mit einem einfach umgefalteten Randstreifen 2a ausgebildet ist (Kurve mit Sternen). Es handelt sich um einen vorzugsweise über die gesamte Länge der Wellrippe 1 durchlaufenden Randstreifen 2a. Die vorzugsweise über die gesamte Länge gleichbleibende Breite b des Randstreifens 2a beträgt etwa 30% der Gesamtbreite B der Wellrippen 1 bzw. der Blocktiefe des Wärmetauschers. Diese Wellrippe 1 besitzt ebenfalls eine Blechdicke von 0,06 mm, aber wegen des umgefalteten Randstreifens 2a, bei gleicher Gesamtbreite B, beträgt die Gewichtsreduzierung lediglich 35% und der Leistungsverlust fällt weniger stark aus, nämlich nur 1,11%. Die Kurve mit Sternen liegt im Bereich der Breite b des Randstreifen 2a fast deckungsgleich mit der durchgezogenen Kurve, die sich bei der Wellrippe 1 mit 0,12 mm Blechdicke ohne Wand – oder Randverstärkung eingestellt hat, jedenfalls deutlich oberhalb der gestrichelten Kurve. Mit zunehmender Gesamtbreite B, bzw. Blocktiefe des Wärmetauschers, laufen die durchgezogene Kurve und die mit Sternen versehene Kurve etwas auseinander, da hier der schlechtere Wärmeübergang der dünneren Wellrippe 1 zum Tragen kommt. Dadurch ergibt sich über die gesamte Wellrippe 1 eine niedrigere durchschnittliche Temperatur, was zu einer erhöhten durchschnittlichen Temperaturdifferenz zwischen den Medien führt. Es wurde also eine Verbesserung erzielt, die sich darin ausdrückt, dass eine relativ bemerkenswerte Gewichtsreduzierung erreicht wurde, die zu geringfügigen Leistungsverlusten führt, die im Rahmen des Akzeptablen liegen und leicht durch andere Maßnahme ausgeglichen oder sogar hingenommen werden können.
Selbstverständlich könnte die Umfaltung des Randstreifens 2a auch eine mehrfache sein, sodass entsprechend günstigere Werte bezüglich der Leistung realisiert werden können. Ferner könnte das Blechband 5 anstelle der gezeigten Umfaltung auch mit unterschiedlichen Blechdicken gewalzt sein, womit sich ein identischer Kurvenverlauf einstellen würde.
Die 2 zeigt eine Wellrippe 1, die über die Gesamtbreite B mit Schnitten 3 ausgestattet ist. Zunächst wird die Umfaltung hergestellt, um danach die Schnitte 3 einzubringen, was eine entsprechende Ausbildung am nicht gezeigten Rippenwerkzeug voraussetzt. Die Schnitte 3 dienen zur gezielten Lenkung und Vermehrung der Strömungsanläufe.
Diese Ausbildung ist nicht erforderlich, wenn auf die Schnitte 3 im Randstreifen 2a verzichtet wird, wie es die 3 zeigt.
Auch wenn sich die gezeigten Ausführungen nur auf Wellrippen 1 beziehen, treten die Vorteile natürlich auch bei Flachrippen auf. Flachrippen besitzen gewöhnlich Öffnungen, durch die Wärmetauscherrohre hindurchgesteckt werden. Weitere Einzelheiten bezüglich Flachrippen können dem EP 1 028 303 B1 entnommen werden. Unter Wellrippen 1 werden alle Wärmetauschrippen verstanden, die einen irgendwie wellenförmigen Verlauf haben, z. B. rechteckig, oder wie in 2 gezeigt.

Claims

Wärmetauschrippe, durch die ein gasförmiges Medium, beispielsweise Kühlluft (K), strömt, um im Wärmeaustausch mit einem anderen Medium zu stehen, wobei die Wärmetauschrippe (1) vorzugsweise aus Metall besteht und vorzugsweise aus einem endlosen Bandmaterial (5) hergestellt ist und wobei wenigstens ein Randstreifen (2) der Wärmetauschrippe (1) verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (2) der Wärmetauschrippe (1) eine größere Wanddicke aufweist, wobei die in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums sich erstreckende Breite (b) des Abschnittes (2) so gewählt ist, dass die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen den Medien erhöht ist.
Wärmetauschrippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (2) vorzugsweise der an der Eintrittsseite (10) für das gasförmige Medium liegende Randstreifen (2a) der Wärmetauschrippe (1) ist.
Wärmetauschrippe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Bandmaterials (5) etwa im Bereich von 0,04–0,15 mm liegt, wobei die Dicke des Abschnittes bzw. des Randstreifens (2a) vorzugsweise verdoppelt ist.
Wärmetauschrippe nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstreifen (2a) durch ein – oder mehrfache Umfaltung des Randes des Bandmaterials (5) bzw. der Wärmetauschrippe (1) herstellbar ist.
Wärmetauschrippe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Wanddicke des Randstreifens (2) bzw. des Abschnittes durch den Einsatz von Bandmaterial (5) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wanddicken realisierbar ist.
Wärmetauschrippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschrippe mit Schnitten (3) versehen ist, die zur Verwirbelung des gasförmigen Mediums führen.
Wärmetauschrippe nach mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randstreifen (2a) bzw. der Abschnitt entweder mit oder ohne Schnitte (3) ausgestattet ist.
Wärmetauschrippe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung der beispielsweise Kühlluft liegende Breite (b) des Randstreifens (2a) bzw. des Abschnittes etwa 5–60%, bevorzugt aber 10–30 % der gesamten Breite (B) der Wärmetauschrippe beträgt.
Wärmetauschrippe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschrippe (1) flach ausgebildet ist.
Wärmetauschrippe nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschrippe (1) wellenförmig ausgebildet ist, wobei die Höhe der Wellen bevorzugt etwa 3–10 mm beträgt.
Wärmetauscher, bestehend aus Flachrohren und dazwischen angeordneten Wärmetauschrippen, beides vorzugsweise aus Metall und miteinander verbunden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschrippen (1) gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche ausgebildet sind.