DE69403670T2

DE69403670T2 - Wärmetauscher-rohrschlange

Info

Publication number: DE69403670T2
Application number: DE69403670T
Authority: DE
Inventors: Wilson E. Jr. Ellicott City Md 21042 Bradley; Richard P. Columbia Md 21044 Merrill; George R. Sykesville Md 21784 Shriver; Robert S. Woodbine Md 21797 Weinreich
Original assignee: Evapco International Inc
Current assignee: Evapco Inc
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1994-09-16
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2014-09-17
Also published as: DE69403670D1; US5425414A; AU7730194A; EP0717832A1; CN1061436C; CN1113001A; ES2102253T3; CA2171980A1; AU695250B2; ZA947203B; CA2171980C; EP0717832B1; US5799725A; WO1995008088A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine gerippte Rohranordnung zur Verwendung in einem Wärmetauscher Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine solche Rohranordnung, die mehrere gerade Rohre mit allgemein elliptischen Querschnitten und mehrere Rückführrohre aufweist, wobei sich die geraden Rohre durch Rippenplatten erstrecken und in einer eindeutigen Geometrie ausgerichtet sind, um die Wärmeübertragung zwischen einem internen Wärmetauscherfluid, das durch die geraden Rohre fließt, und Luft, die an den Rohren vorbeifließt, auf ein Maximum zu bringen. Darüber hinaus sind die geraden Rohre und die Rückführrohre konstruiert, um miteinander verbunden zu werden unabhängig von der Winkeidrehung des elliptischen Querschnittes eines jeden speziellen geraden Rohres.

Hintergrund der Erfindung

Verdampfer oder mit gerippten Platten versehene Rohr-Wärmetauscher umfassen typischerweise ein Bündel von zahlreichen Rohrlängen in einer quadratischen oder gestaffelten Anordnung, wobei zahlreiche Plattenrippen über die Rohre geschoben sind und deren Querschnitt umgeben. Die Plattenrippen besitzen in sie eingestanzte Löcher, die auf die Geometrie der Rohranordnung abgestimmt sind. Bei dem fertigen Produkt verursacht ein Lüfter oder ein Gebläse einen Luftfluß parallel zu den Rippen und senkrecht in bezug auf die Rohre.
Gewöhnlicherweise besitzen die Rippen an jedem Loch einen angeformten Kragen, der das sich hindurcherstreckende Rohr zum sicheren und engen Sitz in der Rippe veranlaßt. Der Kragen gestattet der Rippe in gutem thermischen Kontakt mit dem Rohr zu verbleiben, wodurch eine gute Wärmeübertragung in und aus dem Rohr vorgegeben wird. Typischerweise sind die Enden der Rohre mit Rückführungsbiegungen versehen, um wenigstens eine Reihe von Rohren zu bilden. Die Enden einer jeden Reihe von Rohren sind in Einlaß- und Auslaßkopfstücke eingesetzt, um die Umschließung des Wärmetauschers zu vervollständigen.
Die Rohre, Abbiegungen und Rippen sind aus Stahl, Kupfer, Aluminium oder anderen geeigneten Metallen und Legierungen aufgebaut. Typischerweise sind bei einer Stahlkonstruktion die Rohre, Abbiegungen und Rippen in einer Rohranordnung hergestellt und sodann wird die Rohranordnung in einem heißen Tauchbad galvanisiert. Die Galvanisierung verbessert den Korrosionswiderstand des Stahles und verbindet ebenfalls thermisch und mechanisch die Rippe mit dem Rohr. Bei einer Kupfer- oder Aluminiumkonstruktion, wo eine Galvanisierung nicht verwendet wird, werden die Rohre in engem Kontakt mit den Rippen aufgeweitet. Eine solche Aufweitung wird erzielt durch Einzwängen eines überdimensionierten Domes in die einzelnen Rohre oder durch hydraulische Druckbeaufschlagung der Rohranordnung.
Zahlreiche Faktoren gehen in die Geometrie der Rohr/Rippenanordnungen ein. Die zwei wichtigsten Faktoren sind die Wirksamkeit der Wärmeübertragungsoberfläche (die Fläche in Kontakt mit dem Luftfluß) und der Widerstandsbetrag des Luftflusses durch das Rohrbündel (gemessen als Druckabfall).
Der Wärmeübertragungsprozeß in der Rohranordnung beinhaltet zahlreiche Schritte. Zunächst wird ein Kältemittel oder ein anderes Wärmetauscherfluid zum Kochen oder zur Kondensation auf der Innen-Oberfläche der Rohre durch wohlbekannte Verfahren veranlaßt. Das Kochen oder Kondensieren von Kältemittel, das durch die Rohre fließt, ist ein sehr turbulenter, aktiver und effizienter Modus der Wärmeübertragung. Ein typischer Wärmeübertragungskoeffizient kann 400 BTU/hr-ft²-Grad F (2270 W/m²-K) betragen.
Als nächstes wird die Wärme durch die Wände der Rohre geleitet. Die Rohrwand ist relativ dünn und die Leitfähigkeit der meisten Metalle ist bekanntermaßen hoch. Für ein Stahlrohr mit einer Dicke von 0,060 Zoll (1,5 mm), beträgt der Wärmeleitkoeffizient ungefähr 5200 BUT/hr-ft²-Grad F (29500 W/m²-K). Schließlich wird die Wärme durch Leitung von der Rohroberfläche zu der Luft übertragen. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften von Luft beträgt der Wärmeübertragungskoeffizient von einem bloßen Rohr zur Luft ungefähr 15 BTU/hr-ft²-Grad F (85 W/m²-K).
Der letzte Schritt in der Übertragung ist schlicht der Begrenzungsfaktor und die Gesamtrate der Wärmeübertragung kann niemals größer als der äußere Koeffizient sein. Somit muß der externe Wärmeübertragungskoeffizient verbessert werden, um den Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizienten zu verbessern.
Wie wohlbekannt ist, kann die externe Wärmeübertragung durch Vorbeibewegung der Luft an den Rohren verbessert werden. Die Luft muß turbulent genug sein, um einen Stromlinienfluß durch das Rohr zu verhindern. Das heißt, alle Luft, die durch das Rohr geht, muß in Kontakt mit einer oder mehreren Rohroberflächen so lang und so oft wie möglich gelangen, bevor sie die Rohre verläßt. Wenn Luft aufgrund der Geometrie des Rohrbündels gestattet wird, durch die Rohranordnung zu verlaufen, ohne in Kontakt mit dem Rohr (Bypass-Luft) zu kommen, so ist die aufgewendete Anstrengung (Gebläseleistung), um die Bypass-Luft zu bewegen, verschwendet.
Ein Weg zur Verbesserung der Leistung des Rohrbündels liegt in der Hinzufügung von mehr Rohren zu dem Bündel. Somit wird die Rohroberfläche erhöht und die Bypass-Luft vermindert. Zusätzliche Rohroberfläche erfordert jedoch mehr Aufwand. Ferner erfordern die Rohre einen beträchtlichen Raum in der Rohranordnung. Wenn zu viele Rohre zu dicht zusammengestapelt werden, so wird der Luftfluß bis zu dem Punkt eingeengt, wo mehr Gebläseleistung erforderlich ist. Darüber hinaus erfordert als praktische Beschränkung der Rohrdichte das dichtere Zusammenbewegen der Rohre Rückführungsbiegungen mit engen Radien. Solche Rückführungsbiegungen sind nicht leicht herstellbar und das Verschweißen solcher Rückführungsbiegungen mit den Enden der Rohre ist übertrieben schwierig.
Wie wohlbekannt, erhöht die Hinzufügung von Rippen zu der Rohranordnung in großem Umfäng die Wärmeübertragungsfläche der Rohranordnung und verbessert demgemäß den externen Wärmeübertragungsprozeß. Insbesondere befindet sich durch Erhöhung des externen Oberflächenbereiches der Rohranordnung um einen Faktor von 10, was ein typischer Wert ist, viel mehr Fläche in Kontakt mit dem Luftstrom. Obgleich das Hinzufügen von Rippen zu den Räumen zwischen den Rohren den Luft-Fließwiderstand erhöht, sind die Rippen aus sehr dünnem Material (ungefähr 0,005 bis 0,02 Zoll (0,13-0,5 mm)) und sie sind in einer Richtung allgemein parallel in bezug auf den Luftfluß ausgerichtet. Somit übertrifft der Nutzen der Rippen bei weitem den Luft-Fließwiderstand und den Aufwand an Gebläseleistung. Typischerweise liegt der Abstand zwischen den Rippen bei ungefähr 0,16 bis 0,33 Zoll (ungefähr 4,1 bis 8,4 mm).
Die Leistung der Rippe ist im besten Fall immer etwas geringer als die Leistung der Rohroberfläche, da die Rippe physikalisch (und thermisch) sich von der Kühlmittel-Innenseite des Rohres erstreckt. Die Hinzufügung einer Rippe addiert einen vierten Schritt zu dem zuvor beschriebenen Wärmeübertragungsprozeß, indem die Wärme zunächst durch das Rohr und sodann zu der Rippe verlaufen muß. Obgleich die Rippe sehr gut leitend ist, liefert das dünne Material eine begrenzte Wärmeleitung Wenn somit der Umfang der Rippe weiter von dem Rohr weg liegt, so nimmt die Wirksamkeit der Rippe ab. Die Wirksamkeit der Rippe kann jedoch etwas mit Riffelungen, Kräuselungen und Wölbungen verbessert werden. Diese Elemente verbessern die Wärmeübertragung von der Oberfläche des Metalles zu der Luft durch Erhöhung des Rippen- Oberflächenbereiches, Erhöhung der Turbulenz und Verminderung der Bypass- Luft. Diese Elemente erhöhen jedoch ebenfalls den Druckabfall der Luft, so daß ein Kompromiß zusätzlich zu diesen Elementen in Betracht gezogen werden muß.
Da die Wirksamkeit der Rippe mit erhöhter radialer Entfernung von einem Rohr abfällt, wird die Rohrgeometrie und der Abstand noch mehr von Bedeutung. Einerseits erhöht die Bewegung der Rohre enger aneinander die Wirksamkeit der Rippenoberflächen zwischen den Rohren. Andererseits erhöht die Bewegung der Rohre enger zueinander ebenfalls die Rohrdichte in dem Bündel. Wie zuvor vermerkt, erfordert eine höhere Rohrdichte eine höhere Gebläseleistung aufgrund des eingeengten Luftflusses. Innerhalb der Grenzen der Rohrkosten, der Herstellungsmöglichkeiten und der Einschrähkungen des Luftflusses gilt somit, daß je mehr Rohre vorgesehen sind, umso besser die optimale Wirksamkeit ist.
Die Anzahl der Kompromisse und Austauschmöglichkeiten beim gerippten Rohrentwurf sind zahlreich. Alle zielen auf die Maximierung der Wirksamkeit der externen Wärmeübertragung, die Minimierung des Luft-Fließwiderstandes und die Minimierung der Materialkosten.
Einige der vorliegenden Entwürfe auf dem Gebiet der Wärmetauscher Rohranordnungen sind folgende:

Rechteckförmiger Rohrabstand:

Durch Anordnung in geraden Reihen und Spalten werden zahlreiche Vorteile aus der relativen Einfachheit der Anordnung erhalten. Eine solche Anordnung gestattet jedoch einen relativ hohen Betrag an Bypass- Luft. Ein weiteres Problem entsteht dadurch, daß mit Ausnahme des luftseitigen Rohres jedes Rohr in einer Spalte direkt im "Schatten" des anderen Rohres liegt und keinen adequaten Luftfluß empfängt. Infolgedessen sind die wichtigsten Teile der Rippen, die am dichtesten zu den Rohren liegen, im "Schatten" und empfangen ebenfalls keinen adequaten Luftfluß.

Dreieckförmiger oder gestaffelter Rohrabstand:

Durch Anordnung von Rohren in einem dreieckförmigen Muster, wobei quer ausgerichtete Reihen von Rohren gestaffelt sind, können die Rohre sehr viel enger zusammenliegen, während noch ein guter offener Flächenprozentsatz für den Luftfluß durch das Rohr aufrechterhalten wird. Bei einem typischen gleichseitigen Abstand von 2,5 Zoll (63,5 mm) zwischen den Rohren, die einen Durchmesser von 1 Zoll (25,4 mm) besitzen, liegt der offene Bereich in irgendeiner Reihe der Rohranordnung bei 60% (1. Reihe % offen). Ebenfalls wird die durch die Rohranordnung verlaufende Luft gezwungen, über und um jede nachfolgende Spalte von Rohren zu streichen. Wenn eine zweite gestaffelte Reihe bei der Berechnung des offenen Bereiches herangezogen wird, dann liegt der projektierte offene Bereich (2. Reihe % offen) nominal bei nur 20%. Die Zahl des offenen Bereiches von nominal 20% ist effektiv etwas größer, da der Luftfluß nicht so linear wie die Projektion ist. Unabhängig davon vermindert das dreieckförmige Muster beträchtlich die Bypass- Luft ohne einen hohen Druckabfall hervorzurufen und obgleich die Rohre noch "abgeschottet" sind, liefert die Luftturbulenz einen besseren Luftfluß zu den "abgeschatteten" Stellen.

Elliptische Rohre:

Theoretisch bieten elliptische oder zusammengedrückte Rohre einen geringeren Widerstand für den Luftfluß. Ebenfalls können elliptische Rohre in einem Bündel dichter beabstandet werden, während noch ein hoher Prozentsatz des offenen Bereiches durch die Rohranordnung verbleibt. Rückführungsabbiegungen, die die Rohre verbinden, sind jedoch in hohem Maß durch den elliptischen Querschnitt, mit dem jede Rückführungsabbiegung verbunden werden muß, kompliziert, wie dies in der deutschen veröffentlichten Patentanmeldung Nr.34 13 999 (für Thomae) erkennbar ist, die als der nächstkommende Stand der Technik angesehen wird. Das Biegen von elliptischen Rohren ist übertrieben schwierig. Wie das Patent von Thomae zeigt, sind Rohrabbiegungen mit elliptisch geformten Enden bekannt. Verschiedene unterschiedliche Rückführungs-Abbiegungskonfigurationen sind jedoch in Abhängigkeit von der Winkelausrichtung der elliptischen Rohre und dem Winkel erforderlich, unter dem eine bestimmte Rückführungsabbiegung verlaufen muß. Darüber hinaus sind die Rückführungsabbiegungen des Patentes von Thomae extrem einschränkend bezüglich der möglichen Rohrgeometrien. Darüber hinaus ist jeder elliptische Endteil der Rückführungsrohre bei Thomae übertrieben schwierig zu bilden und gibt wenig Raum für Fehler vor.
Das US-Patent Nr. 3,780,799 offenbart eine Rohranordnung mit mehreren geraden Rohren, Rückführungsrohren und Rippen. Der zentrale Teil eines jeden geraden Rohres ist jedoch allgemein kreisförmig Die deutsche veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 34 23 746 zeigt eine Rohranordnung mit geraden Rohren mit allgemein elliptischen Mittelteilen. Die elliptischen Haupt-Querschnittsachsen der geraden Rohre sind jedoch allgemein parallel zu der Richtung des Luftflusses ausgerichtet.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die zahlreichen Probleme wie sie oben angegeben sind, durch Vorgabe einer Rohranordnung unter Verwendung elliptischer Rohre, die in mehreren gestaffelten Reihen ausgerichtet sind, wobei die Hauptachsen der Ellipsen abwechselnd von einer Reihe zu der nächsten Reihe unter einem Winkel gedreht sind, der eine maximale Wirksamkeit vorgibt.
Darüber hinaus vermeidet die vorliegende Erfindung ebenfalls das Erfordernis bei einer solchen elliptischen Rohrgeometrie nach verschiedenen unterschiedlichen Rückführungs-Abbiegungskonfigurationen und gibt eine Rohranordnung vor, die nur einen Typ von Rückführungsabbiegung erfordert. Infolgedessen ist die Konfiguration der Rückführungsabbiegung, die für die Verbindung von irgendzwei geraden Rohren verwendet wird, nicht von dem Drehwinkel der Hauptachse der Ellipse irgendeines der Rohre abhängig, noch ist sie von dem Winkel abhängig, den eine bestimmte Rückführungsabbiegung durchlaufen muß. Zahlreiche andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus den Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung hervor.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz vermerkt umfaßt die vorliegende Erfindung eine Rohranordnung zur Verwendung in einem Wärmetauscher mit einem Luftfluß in einer vorbestimmten Richtung. Die Rohranordnung umfaßt mehrere gerade Rohre, mehrere Rückführungsrohre und mehrere Rippenplatten.
Jedes gerade Rohr besitzt eine Längsachse, einen Mittelteil und zwei Endteile. Der Mittelteil besitzt einen allgemein elliptischen Querschnitt mit Haupt- und Nebenachsen. Jedes gerade Rohr ist im wesentlichen parallel in bezug auf jedes andere gerade Rohr ausgerichtet und allgemein quer bezüglich einer Linie in der Richtung des Luftflusses ausgerichtet.
Jedes Rückführungsrohr besitzt einen Gehäuseteil und zwei Endteile. Der Gehäuseteil umfaßt eine Abbiegung von ungefähr 180º. Jeder kreisförmige Endteil ist so bemessen, daß er mit einem Endteil eines geraden Rohres in Eingriff gelangt, so daß mehrere gerade Rohre miteinander verbunden werden, um wenigstens eine Reihe von geraden Rohren zu bilden. Jede Reihe von geraden Rohren besitzt erste und zweite Enden für den entsprechenden Anschluß an eine Einlaßquelle eines internen Wärmetauscherfluids und mit einem Auslaß für das interne Wärmetauscherfluid.
Die Rippenplatten sind benachbart zueinander angeordnet. Jede Rippe umfaßt eine allgemein ebene Platte eines wärmeleitenden Materials und ist in einer Ebene allgemein senkrecht in bezug auf die Längsachsen der geraden Rohre und allgemein parallel in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses ausgerichtet. Die Rippenplatte besitzt mehrere Löcher und der zentrale Teil eines geraden Rohres erstreckt sich durch jedes Loch. Jede Rippe kontaktiert sicher jedes gerade Rohr, das sich hindurcherstreckt, so daß die Wärmeübertragung dazwischen bewirkt wird.
Die vorliegende Erfindung ist besonders dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile der geraden Rohre und der Rückführungsrohre jeweils einen allgemein kreisförmigen Querschnitt besitzen und jedes gerade Rohr so ausgerichtet ist, daß die Hauptachse des elliptischen Querschnitts unter einem spitzen Winkel von ungefähr 10 bis 45 Grad in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses verläuft.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die geraden Rohre in mehreren Reihen ausgerichtet, wobei jede Reihe eine Ebene bildet, die allgemein senkrecht in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses liegt. Die Reihen wechseln sich in einer Zick-Zack-Weise ab, so daß die Hauptachse des elliptischen Querschnittes eines jeden geraden Rohres in der ersten abwechselnden Reihe in einer im Uhrzeigersinn gedrehten Position ausgerichtet ist und die Hauptachse des elliptischen Querschnittes eines jeden geraden Rohres in einer zweiten abwechselnden Reihe in einer im Gegenuhrzeigersinn gedrehten Position ausgerichtet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehende Zusammenfassung sowie die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung wird besser verständlich, wenn sie im Zusammenhang mit den angefügten Zeichnungen gelesen wird. Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung ist in den Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das gegenwärtig bevorzugt wird. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die genauen Anordnungen und dargestellten Verwirklichungen beschränkt ist. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht, die einen Wärmetauscher zeigt mit einer Rohranordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wobei ein weggebrochener Teil die Rippenstruktur der Rohranordnung zeigt;
Figur 2 eine Teil-Seitenansicht entlang der Linie 2-2 in Figur 1, wobei eine Seitenplatte entfernt ist und eine Rippenplatte gezeigt ist, wobei sich gerade Rohre durch sie erstrecken und Rückführungsrohre benachbarte gerade Rohre verbinden;
Figur 3A eine perspektivische Ansicht zum Zeigen eines Rückführungsrohres, das die geraden Rohre verbindet, wobei die geraden Rohre mit ihren Hauptachsen unter spitzen Winkeln ausgerichtet sind,
Figur 3B eine auseinandergezogene Ansicht des Rückführungsrohres und der geraden Rohre von Figur 3A;
Figur 3C einen Querschnitt entlang der Linie 3C-3C von Figur 3B, der den elliptischen Mittelteil und den kreisförmigen Endteil eines geraden Rohres zeigt;
Figur 4 eine Vorderansicht eines Teiles einer Rippenplatte, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Figur 4A eine teilweise Querschnittsansicht entlang der Linie 4A-4A in Figur 4, die den Aufbau der Rippenplatte zeigt, welche ein Loch in der Rippenplatte umgibt;
Figuren 4B und 4C Teil-Querschnittsansichten entlang der Linien 4B-4B und 4C-4C in Figur 4, die die Haupt- und Nebenwellungen der Rippenplatte entsprechend zeigen; und
Figur 5 ein Diagramm, das den Prozentsatz der offenen Fläche im Vergleich zu dem Abstand des geraden Rohres für verschiedene Geometrien zeigt, wobei der Abstand des geraden Rohres in Rohrdurchmessern ausgedrückt ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Eine bestimmte Terminologie kann bei der folgenden Beschreibung übereinkommensgemäß, aber nicht beschränkend benutzt werden. Die Worte "rechts", "links", "oben" und "unten" bezeichnen Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Worte "einwärts" und "auswärts" beziehen sich auf Richtungen zu und von dem geometrischen Zentrum hinweg von dem bezogenen Element. Die Terminologie umfaßt die oben speziell erwähnten Worte, Ableitungen davon und Worte von ähnlicher Bedeutung.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen in Einzelheiten, wobei gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um gleiche Elemente in den verschiedenen Ansichten zu bezeichnen, ist in Figur 1 ein Wärmetauscher 10 gezeigt, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Der Wärmetauscher 10 besitzt eine Rohranordnung 12, ein Gehäuse 14 und einen Lüfter bzw. Gebläse 16. Wie gezeigt, ist die Rohranordnung 12 wenigstens teilweise innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet, und das Gebläse ist angeordnet, um Luft durch das Gehäuse und über die Rohranordnung 12 zu blasen oder zu ziehen. In den Zeichnungen zeigen Pfeile 17 die Richtung des Luftflusses, der durch den Wärmetauscher gezogen wird, obgleich es sich versteht, daß sich die Luft ebenfalls in der entgegengesetzten Richtung bewegen kann. Der Wärmetauscher 10 umfaßt ebenfalls Einlaß- und Auslaßrohre 18, 20 bezüglich der Ein- und Auslaßverteiler 19, 21. Wie dies wohlbekannt ist, wird ein inneres Wärmetauscherfluid von einer Einlaßquelle durch das Einlaßrohr 19 und den Einlaßverteiler 18, durch die Rohranordnung 12 und sodann durch den Auslaßverteiler 20 und das Auslaßrohr 21 zirkuliert, so daß Wärme zwischen dem inneren Wärmetauscherfluid in der Rohranordnung 12 und Luft ausgetauscht wird, die über die Rohranordnung 12 durch das Gebläse 16 gezogen wird.
Das bei dem Wärmetauscher 10 verwendete innere Wärmetauscherfluid kann Luft, Wasser, Kühlfluid oder irgendein anderes Wärmetauscherfluid umfassen. Vorzugsweise wird ein Kühlfluid verwendet.
Die Rohranordnung 12 umfäßt mehrere gerade Rohre 22. Wie in den Figuren 3A- 3C erkennbar, besitzt jedes gerade Rohr 22 einen Längs-Mittelteil 24 und zwei Endteile 26 (nur ein Endteil 26 eines jeden Rohres 22 ist in den Figuren 3A-3C gezeigt). Wie ebenfalls erkennbar, besitzt der Mittelteil 24 eines jeden geraden Rohres 22 einen allgemein elliptischen Querschnitt mit Haupt- und Nebenachsen 56, 58. Wie ebenfalls erkennbar, besitzt jeder der zwei Endteile 26 an jedem geraden Rohr 22 einen allgemein kreisförmigen Querschnitt. Jedes gerade Rohr 22 in der Rohranordnung 12 ist so ausgerichtet, daß es allgemein parallel in bezug auf jedes andere gerade Rohr 22 ist und es ist ebenfalls so ausgerichtet, daß es allgemein quer in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses 17 ausgerichtet ist.
Die geraden Rohre 22 sind innerhalb des Gehäuses 14 so positioniert, daß das Gebläse 16 Luft über jedes gerade Rohr 22 zieht. Wie in Figur 2 ersichtlich, ist darüber hinaus jedes gerade Rohr 22 in dem Gehäuse 14 so ausgerichtet, daß die Hauptachse 56 des elliptischen Mittelteiles 24 des geraden Rohres 22 unter einem spitzen Winkel in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses 17 verläuft.
Die Rohranordnung 12 des Wärmetauschers 10 besitzt ebenfalls mehrere Rückführrohre, Rückführabbiegungen oder Biegungen 28. Wie am besten in den Figuren 2 und 3B ersichtlich, besitzt jedes Rückführrohr 28 einen Gehäuseteil 30 und zwei Endteile 32, wobei der Gehäuseteil 30 eine Rohrabbiegung von ungefähr 180 Grad umfaßt und die zwei Endteile 32 jeweils einen allgemein kreisförmigen Querschnitt besitzen. Somit können die kreisförmigen Endteile 32 eines Rückführungsrohres 28 an den kreisförmigen Endteilen irgendwelcher zwei gerader Rohre 22 angreifen, unabhängig von dem Winkel der Hauptachse 56 irgendeines geraden Rohres 22 in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses.
Wie ebenfalls in Figur 3B erkennbar, umfaßt in dem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel jeder Endteil 26 eines jeden geraden Rohres 22 eine runde Steckbuchse, die kreisförmig im Querschnitt ausgebildet ist. Um jede runde Steckbuchse zu bilden, kann ein einfaches Schmiedewerkzeug hydraulisch oder durch einen Hammer angetrieben in den Endteil 26 eingedrückt werden. Die Bildung der runden Steckbuchse ist keine genaue oder präzise Operation, da die Buchse einfach eine geringfügig überdimensionierte runde Buchse ist, in die der runde Endteil 32 eines Rückführungsrohres 28 eingepaßt werden kann. Durch jedes Verfahren der Ausformung kann eine zuverlässige Ausrichtung der geraden Rohre 22 für eine Verschweißung erzielt werden. Somit kann der runde Endteil 32 irgendeines Rückführungsrohres 28 in den runden Endteil 26 des geraden Rohres 22 eingepaßt werden, wobei das gerade Rohr 22 unter irgendeinem Winkel in bezug auf die Hauptachse 56 ausgerichtet ist. Infolgedessen kann eine Abbiegung verwendet werden, um irgendeine Verbindung zwischen den Rohren herzustellen.
Mit der runden Steckbuchse, wie sie beschrieben und gezeigt ist, an jedem Endteil 26 eines jeden geraden Rohres 22,ist das Verschweißen der Rückführungsrohre 28 mit den geraden Rohren 22 eine einfache Operation. Falls erwünscht, kann jedoch eine runde Steckbuchse stattdessen an jedem runden Endteil 32 eines jeden Rückführungsrohres 28 gebildet werden und der runde Endteil 26 irgendeines geraden Rohres 22 kann in die runde Steckbuchse eingepaßt werden, wobei der zuvor erwähnte Nutzen der allgemeinen universellen Ausrichtung weiterhin beibehalten wird. In einigen Fällen kann es ebenfalls leichter sein, runde Steckbuchsen an den Endeteilen 32 der Rückführungsrohre 28 durch Massenherstellung zu bilden.
Mehrere gerade Rohre 22 können mit den Rückführungsrohren 28 verbunden werden, um eine oder mehrere Reihen von geraden Rohren 22 zu bilden. Jede Reihe von geraden Rohren kann sodann mit einem ersten Ende an den Einlaßverteiler 18 und mit einem zweiten Ende an den Auslaßverteiler 20 angeschlossen werden, so daß das innere Wärmetauscherfluid durch die Rohranordnung 12 zirkuliert werden kann.
Wie in Figur 1 gezeigt, umfäßt die Rohranordnung 12 ebenfalls mehrere Rippen 34. Die Rippen 34 sind innerhalb des Gehäuses 14 angeordnet und in Nachbarschaft zueinander positioniert. Jede Rippe 34 umgibt die zentralen Teile 24 mehrerer gerader Rohre 22, die sich durch die Rippen 34 erstrecken und jede Rippe 34 umfaßt eine im wesentlichen ebene Platte aus wärmeleitendem Material. Solche wärmeleitenden Materialien umfassen Stahlbleche und Aluminiumbleche, obgleich ein Fachmann erkennen wird, daß irgendein anderes wärmeleitendes Material, wie beispielsweise Kupfer, verwendet werden kann. Innerhalb des Gehäuses 14 ist jede Rippe 14 so ausgerichtet, daß sie in einer Ebene liegt, die allgemein senkrecht in bezug auf die Längsachsen der geraden Rohre 22 liegt, die durch die Rippe 34 verlaufen. Infolgedessen sind die Rippen 34 ebenfalls allgemein parallel in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses 17. Somit kontaktiert die blasende Luft jede Rippe 34, bleibt aber relativ unbehindert dadurch.
Wie am besten in Figur 4A gezeigt, besitzt jede Rippenplatte mehrere Löcher 36, durch welche sich die geraden Rohre 22 erstrecken. Jedes Loch 36 entspricht in der Umgrenzung der Winkelausrichtung des Mittelteiles 24 des speziellen geraden Rohres 22, das sich durch das Loch 36 erstreckt.
Um einen Wärmeaustausch zwischen einer Rippe 34 und einem jeden sich hierdurch erstreckenden Rohr 22 zu bewirken, sollte die Rippe 34 sicher jedes gerade Rohr 22 kontaktieren. Zu diesem Zweck besitzt jedes Loch 36 einen Kragen 38 entlang des Umfanges des Loches 36 und erstreckt sich von der Rippenplatte 34 in eine Richtung allgemein senkrecht in bezug auf die Ebene der Rippenplatte. Somit gelangt jeder Kragen 38 sicher mit dem geraden Rohr 22 in Eingriff, das sich durch den Kragen 38 erstreckt, so daß der Oberflächenbereich des Eingriffs zwischen dem geraden Rohr 22 und der Rippe 34 verbessert wird und die Wärmeübertragung zwischen dem geraden Rohr 22 und der Rippe 34 in gleicher Weise verbessert wird.
Zusätzlich geben die Kragen 38 ein Maß an struktureller Steifigkeit vor, wenn die Rippe 34 auf den geraden Rohren 22 angeordnet wird. Infolgedessen halten die Kragen 38 jede Rippe 34 in Ausrichtung in bezug auf jede andere Rippe 34. Die Kragen 38 bewirken ebenfalls eine Einstellung des Abstandes zwischen benachbarten Rippen 34.
Zusätzlich zu den Kragen 38 besitzt jede Rippe 34 Abstandszungen 40, die sich von den Kragen 38 erstrecken. Wie am besten in den Figuren 4 und 4A gezeigt, erstreckt sich jede Abstandszunge 40 in einer Richtung parallel in bezug auf die Ebene der Rippenplatte und weg von dem Rippenloch 36. Jede Abstandszunge 40, die sich von einer Fläche einer ersten Rippe 34 erstreckt, kontaktiert somit positiv die gegenüberliegende Fläche der nächsten benachbarten Rippe 34. Durch den Kontakt ist die erste Rippe 34 positiv von der benachbarten Rippe 34 beabstandet und die erste Rippe 34 wird an einer Teleskopbewegung oder einer anderweitigen Bewegung in Kontakt mit der nächsten Rippe 34 gehindert. Der Abstand zwischen benachbarten Rippen 34 kann verändert werden, durch Veränderung der Höhe eines jeden Kragens 38. Vorzugsweise sollten die Kragen 38 jede Rippe 34 ungefähr 0,16 bis ungefähr 0,33 Zoll (ungefähr 4,1 bis 8,4 mm) voneinander beabstanden.
Wie nunmehr erkennbar sein sollte, muß sich jede Abstandszunge 40 nicht notwendigerweise von einem Kragen 38 erstrecken. Stattdessen kann sich eine Abstandszunge 40 direkt von dem Umfang eines Rippenloches 36 in einer Richtung allgemein senkrecht in bezug auf die Ebene der Rippenplatte erstrecken, und sodann allgemein parallel in bezug auf die Ebene der Rippenplatte und weg von dem Rippenloch 36.
Wie am besten in den Figuren 4 und 48 erkennbar, umfäßt jede Rippe 34 vorzugsweise mehrere Haupt-Riffelungen 44. Die Haupt-Riffelungen 44 besitzen eine Amplitude A&sub1; und eine Periode P&sub2;. Die Haupt-Riffelungen werden definiert durch mehrere allgemein parallele abwechselnde Hauptfaltungen oder Faltteile 46 über jede Rippe 34, wobei jede Hauptfaltung 46 in der entgegengesetzten Richtung, wie die nächste benachbarte Hauptfaltung 46, auf jeder Seite hervorsteht. Vorzugsweise geben die Hauptfaltungen 46 die Haupt-Riffelungen 44 mit einer kleinen Amplitude A&sub1; relativ zu der Periode P&sub1; vor, so daß die Haupt- Riffelungen 44 einer Welle ähneln. Vorzugsweise ist jede Hauptfaltung 46 allgemein quer in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses ausgerichtet. Infolgedessen wird eine günstige leichte Turbulenz in der Luft erzeugt, die hinter jeder Rippe 34 vorbeigeblasen wird.
Ebenfalls bevorzugt umfaßt jede Rippe 34 auch mehrere Neben-Riffelungen 48. Wie bei den Haupt-Riffelungen 44 besitzen die Neben-Riffelungen 48 eine Amplitude A&sub2; und eine Periode P&sub2;. Die Neben-Riffelungen 48 werden durch mehrere allgemein parallele abwechselnde Nebenfaltungen oder Faltteile 50 über jeder Rippe 34 definiert, wobei jede Nebenfaltung sich in der entgegengesetzten Richtung, wie die nächste benachbarte Nebenfaltung 50 auf jeder Seite erstreckt. Vorzugsweise geben die Nebenfaltungen 50 die Neben-Riffelungen 48 mit einer kleinen Amplitude A&sub2; bezüglich der Periode P&sub2; vor, so daß die Neben-Riffelungen 48 einer Welle ähneln. Vorzugsweise sind die Neben-Riffelungen 48 entlang wenigstens eines Teiles von wenigstens einem Kantenstreifen 52 der Rippe 34 ausgerichtet, wobei der Kantenstreifen 52 allgemein quer in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses ausgerichtet ist. Ebenfalls bevorzugt ist jede Nebenfaltung 50 auf dem Kantenstreifen 52 allgemein senkrecht in bezug zu dem Kantenstreifen 52 ausgerichtet. Weiter vorzugsweise sind die Neben-Riffelungen 48 entlang der Kante einer jeden Rippe 34 ausgerichtet, die direkt der blasenden Luft ausgesetzt ist und entlang der Kante einer jeden Rippe 34 gegenüber der Kante, die direkt der blasenden Luft ausgesetzt ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Rippen 34 beträgt das Verhältnis der Periode der Haupt-Riffelungen zu der Periode der Neben-Riffelungen ungefähr 4,33:1, wobei die Periode der Haupt-Riffelungen ungefähr 2 Zoll (51 mm), die Periode der Neben-Riffelungen ungefähr 0,475 Zoll (12,1 mm), die Amplitude sowohl der Haupt- als auch der Neben-Riffelungen ungefähr 0,03 Zoll (0,76 mm), der Winkel γ der Haupt-Riffelungen in bezug auf die Ebene der Rippenplatte ungefähr 3,6 Grad und der Winkel δ der Neben-Riffelungen in bezug auf die Ebene der Rippenplatte ungefähr 15 Grad beträgt.
Wie in den Figuren 4 und 4A gezeigt, umgibt vorzugsweise ein ebener Bereich 54 jedes Loch 36 in jeder Rippe 34. Die ebenen Bereiche 54 geben eine zusätzliche strukturelle Abstützung und Integrität der Rippe 34 vor und sie geben eine ebene Oberfläche vor, von der sich der Kragen 38 und/oder die Abstandszungen 40 erstrecken.
Bezugnehmend nunmehr auf Figur 2 ist es vorzuziehen, daß die Löcher 36 in jeder Rippe 34 und die geraden Rohre 22, die sich durch die Locher 36 erstrecken, beispielsweise in mehreren Reihen 41, 43, 45, 47 und 49 ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist jede Reihe 41, 43, 45, 47 und 49 von Löchern 36 so ausgerichtet, daß sie eine Hauptfaltung 46 im Mittelpunkt der Löcher 36 in jeder Reihe schneidet. In jeder Reihe sind die geraden Rohre 22 vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die die Längsachsen der geraden Rohre 22 schneidet. Ebenfalls vorzugsweise ist die Ebene allgemein senkrecht in bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses 17 ausgerichtet.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, das die bevorzugte Ausrichtung der Hauptachsen 56 der geraden Rohre 22 und den Abstand und die Ausrichtung der geraden Rohre 22 in der Rohranordnung 12 wiedergibt. Die Einzelheiten einer solchen Geometrie seien nachstehend erläutert.
Zum Zwecke der Erläuterung sei der allgemein elliptische Querschnitt des Mittelteils 24 eines jeden geraden Rohres 22, wie in Figur 2 gezeigt, unter Bezugnahme auf ein ähnliches gerades Rohr erläutert mit der Ausnahme, daß das ähnliche gerade Rohr einen Mittelteil mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt besitzt. Der Umfang des Mittelteils eines solchen gleichen Rohres mit einem kreisförmigen Querschnitt entspricht dem Umfang des elliptischen Querschnittes des Mittelteiles 24 des geraden Rohres 22. Ebenfalls für die Zwecke der Erläuterung ist der Pfeil 17 in der Richtung des Luftflusses in Figur 2 umgekehrt worden, so daß eine erste Reihe 41 durch den Luftfluß angetroffen wird. Der Prozentsatz der offenen Fläche der ersten Reihe 41 von Rohren, wie er durch die fließende Luft gesehen wird (1. Reihe % offen), entspricht:
(S - D) x 100/S,
wobei S der Abstand zwischen den Mittelpunkten benachbarter gerader Rohre und D der Durchmesser des geraden Rohres mit kreisförmigem Querschnitt ist. Entsprechend entspricht der Prozentsatz der offenen Fläche der ersten und zweiten Reihen 41 und 42, wie sie durch die fließende Luft angetroffen wird (2. Reihe % offen):
(S - D) x 100/S,
wobei S und D die zuvor beschriebenen Größen sind. Wenn S in bezug auf D variiert, so werden die erste Reihe % offen und die zweite Reihe % offen, wie folgt berechnet: TABELLE 1
Die obigen Berechnungen werden durch die Darstellung in Figur 5 wiedergegeben, wobei die Linie L1 die erste Reihe % offen und die Linie L2 die zweite Reihe % offen repräsentiert. Die y-Achse repräsentiert die offene Fläche in Prozent und die x-Achse repräsentiert den Abstand zwischen den Rohren, ausgedrückt in Rohrdurchmesser (D).
Unter erneuter Bezugnahme auf Figur 5 gibt es eine Anzahl von bevorzugten Einschrähkungen bei der Ausrichtung und dem Abstand der Rohre. Um einen verbesserten Luftfluß hinter den geraden Rohren zu haben, ist es zunächst bevorzugt, daß das Verhältnis der ersten Reihe % offen größer als 60% ist und das Verhältnis der zweiten Reihe % offen größer als 20% ist. Aus einem praktischen Grund ist es zweitens ziemlich schwierig, mit geraden Rohren und Rückführrohren zu arbeiten, die enger als ein vorbestimmter Abstand beabstandet sind, da diese schwierig zu biegen und zu schweißen sind. Somit beträgt der bevorzugte minimale Abstand der geraden Rohre ungefähr 2,125D. Drittens ist entdeckt worden, daß die Beabstandung der Rohre über 2,5D bis 2,625D hinaus ineffizient ist, da die Rohre zu weit voneinander liegen und die Gebläseleistung durch Luft verschwendet wird, die die Rohroberflächen umgeht. Viertens und allgemein sind Rohre mit kleinerem Durchmesser besser als Rohre mit großem Durchmesser, da mehr Rohre mit kleinerem Durchmesser in den gleichen Raum passen und da das interne Wärmeübertragungsfluid typischerweise in einer Kühlflüssigkeit in einem Rohr mit kleinercm Durchmesser den Rohrwänden enger benachbart ist. Die Rohre mit kleinerem Durchmesser müssen jedoch mit dem erhöhten Druck innerhalb der Rohre abgeglichen werden und auf den Einfluß des Druckes auf die Pumpen, die verwendet werden, um das interne Wärmeübertragungsfluid zu zirkulieren. Infolgedessen sind bevorzugte Geometrien gerader Rohre, Ausrichtungen und Abstände innerhalb der Rohranordnung allgemein in den Bereichen, die in Figur 5 mit X1 und X2 markiert sind, wobei erwartet wird, daß die Rohranordnung am effizientesten ist. Natürlich kann eine Rohranordnung 12 und/oder ein Wärmetauscher 10, der außerhalb der Bereiche X1 oder X2 liegt, noch eine verbesserte Leistung im Vergleich zu anderen bekannten Anordnungen aufweisen.
Wie durch die Linien L1 und L2 gezeigt, müssen runde Rohre so weit voneinander beabstandet werden, um die geeigneten offenen %-Flächen für die erste und zweite Reihe zu besitzen, die gefordert werden. Somit ist es erforderlich, einen geringeren Abstand zwischen den Rohren und größere offene Flächen zu haben. Dies kann erfolgen durch Komprimierung der runden Rohre in Ellipsen, wobei die Hauptachsen der Ellipsen allgemein in der Richtung des Luftflusses ausgerichtet sind. Somit wird die offene %-Fläche der ersten Reihe zu
(S - CD) x 100/S
und die offene %-Fläche der zweiten Reihe wird zu
(S - 2CD) x 100/S,
wobei C ein Kompressionsfaktor bezüglich des ursprünglichen Durchmessers (D) ist. Der Kompressionsfaktor C kann dezimal ausgedrückt werden, z.B. durch 0,8D oder als Prozentverhältnis, z.B. 80%D bezüglich eines Rohres mit einem
Mittelteil mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt des gleichen Umfanges. Wie in Tabelle 2 gezeigt und in Figur 5 aufgezeichnet, wird, je kleiner die Nebenachse in bezug auf den ursprünglichen Durchmesser, wird das %-Verhältnis der offenen Fläche der ersten und zweiten Reihe umso größer. TABELLE 2
Wie aus Figur 5 ersichtlich, gehen die Ellipsen mit 0,7D, 0,8D und 0,9D bis zu einem bestimmten Ausmaß durch die bevorzugten Bereiche X1 und X2.
Beim Vergleich der theoretisch vorhergesagten Resultate ist eine Rohranordnung, die mit Ellipsen von 0,8D und einem Abstand von 2,25D aufgebaut wird, überraschend nicht so leistungsfähig wie erwartet. Die thermische Leistung einer Rohranordnung unter Verwendung von elliptischen Rohren wurde getestet und hat sich nicht so sehr als eine Verbesserung im Vergleich zu einer Rohranordnung unter Verwendung von Rohren mit gänzlich rundem Querschnitten herausgestellt, wie dies trotz des verbesserten Luftflusses erwartet wurde. Augenscheinlich veranlassen trotz des größeren Luftflusses um die Rohre die Stromlinienform und die Positionen der Ellipsen die Luft zur Umgehung einiger der Rohre in der Anordnung, ohne in guten thermischen Kontakt mit den Rohren zu kommen.
In einer Anstrengung, das Problem des Luft-Bypasses zu umgehen, können die Hauptachsen der Ellipsen gedreht werden, um somit die Luft zu nachfolgenden Reihen neu auszurichten und den Bypass durch die Rohranordnung zu verhindern. Wenn jedoch der Winkel der Hauptachsen der Ellipsen in Bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses vergrößert wird, so veranlasst die größere projizierte Höhe eines jeden Rohres im Hinblick auf die Luftflußrichtung die offenen Prozentflächen der ersten und zweiten Reihe zu einer Abnahme, wie dies in Tabelle 3 gezeigt ist. Table 3
Obgleich die Verschwehkung den Prozentsatz der offenen Flächen in der ersten und zweiten Reihe vermindert, wächst noch überraschender der Druckabfall nicht auf die Größe an, die von einem ähnlichen Prozentsatz der offenen Fläche bei Anordnungen mit runden Rohren erwartet wird. Vielmehr verursachte der sich ergebende Zuwachs der Luftflußturbulenz eine unerwartete Verbesserung in der Wäremaustauschgeschwindigkeit zwischen der Luft und dem internen Wärmetauscherfluid, wie dies unten beschrieben wird.
Empirisch ist festgestellt worden, daß eine breite Vielzahl von elliptischen Kompressionen und Schwenkwinkeln in den bevorzugten Bereichen X1 und X2 der Darstellung von Figur 5 verfügbar sind. Beispielsweise ist eine Ellipse mit 0,7D und einem Schwenkwinkel von ungefähr 30 bis ungefähr 45 Grad ebenso akzeptierbar, wie es eine Ellipse mit 0,9D bei einem Winkel von ungefähr 5 bis ungefähr 10 Grad ist.
Wie in Figur 2 erkennbar, weist jede der Reihen 41, 43, 45, 47 und 49 der geraden Rohre 22 entweder eine erste oder eine zweite abwechselnde Ausrichtung auf die hier manchmal als eine Zick-Zack-"Anordnung" bezeichnet wird. Bei dieser Anordnung ist die Hauptachse des elliptischen Querschnittes jedes geraden Rohres in jeder ersten abwechselnden Reihe 41, 45 und 49 in einer im Uhrzeigersinn gedrehten Position ausgerichtet, wenn die Betrachtung entlang der Längsachse der geraden Rohre erfolgt. Die Position im Uhrzeigersinn beinhaltet einen spitzen Winkel Alpha zwischen ungefähr 10 und ungefähr 45 Grad in Bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses. Vorzugsweise ist jedes gerade Rohr in jeder abwechselnden ersten Reihe 41, 45 und 49 ungefähr unter dem gleichen gemeinsamen Winkel ausgerichtet.
In gleicher Weise ist die Hauptachse des elliptischen Querschnittes eines jeden geraden Rohres in jeder zweiten abwechselnden Reihe 43 und 47 in einer im Gegenuhrzeigersinn gedrehten Position ausgerichtet. Wie zuvor ist die Position im Gegenuhrzeigersinn eines jeden geraden Rohres 22 unter einem spitzen Winkel Beta zwischen 14 und ungefähr 45 Grad im Hinblick auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses ausgerichtet. Ebenfalls bevorzugt ist jedes gerade Rohr in jeder zweiten abwechselnden Reihe 43 und 47 ungefähr unter dem gleichen gemeinsamen Winkel ausgerichtet. Noch bevorzugter ist der gemeinsame Winkel der ersten abwechselnden Reihen 41, 45 und 49 im numerischen Wert ungefähr dem gemeinsamen Winkel der zweiten abwechselnden Reihen 43 und 47 gleich.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beträgt der Winkel der Hauptachse des elliptischen Querschnittes ungefähr 20 bis ungefähr 30 Grad, die Nebenachse der Ellipse entspricht ungefähr dem 0,8-fachen des Durchmessers eines Rohres mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem Umfang = dem Umfäng des Mittelteiles des geraden Rohres und der Abstand zwischen den Längsachsen benachbarter gerader Rohre in irgendeiner Reihe beträgt ungefähr das 2,25-fache des Durchmessers eines Rohres mit einem kreisförmigen Querschnitt mit einem Umfang entsprechend dem Umfang des Mittelteiles des geraden Rohres.
Ebenfalls bevorzugt sind die geraden Rohre 22 bei einer Betrachtung entlang ihrer Längsachsen so ausgerichtet, daß die Längsachsen sich in einem gestaffelten dreieckförmigen Muster befinden und höchst vorzugsweise in einem gleichseitigen dreieckförmigen Muster bezüglich wenigstens zweier benachbarter gerader Rohre. Infolgedessen sind die Endteile 32 eines Rückführungsrohres 28 in der Läge, die Endteile 26 von irgend zwei benachbarten geraden Rohren 22 zu verbinden unabhängig von dem Winkel von jedem geraden Rohr 22 in Bezug auf eine Linie in der Richtung des Luftflusses.
Mit der geraden Rohrgeometrie, der Ausrichtung und der Anordnung in der beschriebenen Weise gibt die Rohranordnung 12 der vorliegenden Erfindung einen zusätzlichen Nutzen durch einen "Turbulenz-Auslösungseffekt" vor. Zuvor ist gezeigt worden, daß sowohl als auch bei nicht unter einem Winkel angeordneten elliptischen Rohren die ersten durch den Luftfluß kontaktierten Reihen von Rohren mit geringerer Wirksamkeit betrieben werden als die Reihen von Rohren stromabwärts in der Richtung des Luftflusses. Somit lieferte eine Rohranordnung mit acht Reihen mehr als den doppelten Nutzen einer Rohranordnung mit vier Reihen. Durch eine empirische Analyse ist festgestellt worden, daß dieser "Effekt der ersten Reihen" durch die fehlende Turbulenz des Luftflusses hinter den ersten wenigen Reihen der Verrohrung hervorgerufen wird. Mit den geraden Rohren 22 der vorliegenden Erfindung, die in der elliptischen Geometrie unter einem Winkel positioniert und ausgerichtet sind, wird jedoch eine Turbulenz sehr viel mehr in den ersten Reihen ausgelöst und eine effiziente Wärmeübertragung in der allerersten Reihe wird bewirkt und über alle Reihen in der Rohranordnung 12 aufrechterhalten.
Mit dem Turbulenz-Auslöseeffekt und der wirksameren Wärmeübertragung der vorliegenden Erfindung kann die Anzahl der Reihen der geraden Rohre 22 vermindert werden, während noch eine ähnliche thermische Leistung im Vergleich zu bekannten Anordnungen mit geraden Rohren vom runden Querschnitt vorgegeben wird. Infolgedessen liefert die Rohranordnung 12 der vorliegenden Erfindung einen geringeren Luftwiderstand und es kann ein Gebläse mit geringerer Leistung verwendet werden, um eine höhere Wirksamkeit der Wärmeübertragung zu erziehlen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist erkennbar, daß die vorliegende Erfindung eine Wärmetauscher-Rohranordnung mit verbesserter Leistung umfaßt Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, ist sondern, daß es beabsichtigt ist, alle Modifikationen abzudecken, die innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung liegen, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Rohranordnung (12) zur Verwendung in einem Wärmetauscher (10), bei dem Luft in einer vorbestimmten Richtung (17) fließt, wobei die Rohranordnung umfaßt:

mehrere gerade Rohre (22), wobei jedes gerades Rohr eine Längsachse, L einen zentralen Teil (24) und zwei Endteile (26) besitzt, der zentrale Teil einen allgemein elliptischen Querschnitt mit Haupt- und Nebenachsen aufweist, jedes gerade Rohr allgemein parallel in bezug auf jedes andere gerade Rohr ausgerichtet ist und allgemein quer in bezug auf eine Linie in Richtung des Luftflusses ausgerichtet ist und die Luft über jedes gerades Rohr fließt;

mehrere Rückführrohre (28), wobei jedes Rückführrohr einen Gehäuseteil (30) und zwei Endteile (32) besitzt, der Gehäuseteil eine Abbiegung von ungefähr 180º aufweist, jeder Endteil in einen Endteil (26) eines geraden Rohres (22) eingreift, so daß mehrere gerade Rohre miteinander verbunden sind, um wenigstens eine Reihe von geraden Rohren zu bilden, jede Reihe von geraden Rohren erste und zweite Enden für einen entsprechenden Anschluß an eine Einlaßquelle (18) eines internen Wärmetauscherfluids und einen Auslaß (20) für das interne Wärmetauscherfluid besitzt; und

mehrere zueinander benachbarte Rippen (34), wobei jede Rippe eine allgemein ebene Platte eines wärmeleitenden Materials umfaßt, jede Rippe in einer Ebene allgemein senkrecht in bezug auf die Längsachsen der geraden Rohre und allgemein parallel in bezug auf eine Linie in Richtung des Luftflusses ausgerichtet ist, die Platte mehrere Löcher (36) besitzt, der zentrale Teil eines geraden Rohres sich durch ein entsprechendes Loch erstreckt, jede Rippe sicher jedes gerade, sich hindurcherstreckende Rohr kontaktiert, so daß eine Wärmeübertragung dazwischen bewirkt wird;

dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile (26, 32) der geraden Rohre (22) und der Rückführrohre (28) jeweils einen allgemein kreisförmigen Querschnitt besitzen und jedes gerade Rohr so ausgerichtet ist, daß die Hauptachse des elliptischen Querschnitts unter einem spitzen Winkel von ungefähr 10 bis ungefähr 45º in bezug auf eine Linie (17) in der Richtung des Luftflusses verläuft.

2. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei jeder Endteil (26, 32) eines der Rohres, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus jedem geraden Rohr (22) und jedem Rückführrohr (28) besteht, eine runde Steckbuchse umfaßt, und wobei der Endteil des anderen Rohres, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus jedem geraden Rohr und jedem Rückführrohr besteht, in die runde Steckbuchse paßt.

3. Rohranordnung nach Anspruch 2, wobei jeder Endteil (26) eines jeden geraden Rohres (22) eine runde Steckbuchse umfaßt und wobei der Endteil (32) eines jeden Rückführrohres (28) in die runde Steckbuchse paßt.

4. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei die Nebenachse ungefähr das 0,7- bis ungefähr 0,9-fäche des Durchmessers eines Rohres mit einem kreisförmigen Querschnitt beträgt, wobei der Umfang dem Umfang des zentralen Teiles (24) des geraden Rohres (22) entspricht.

5. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei die geraden Rohre (22) in einer Vielzahl von Reihen (41, 43, 45, 47, 49) ausgerichtet sind, jede Reihe von geraden Rohren so ausgerichtet ist, daß eine Ebene die Längsachse der geraden Rohre in der Reihe schneidet, die Ebene allgemein senkrecht in bezug auf eine Linie (17) in Richtung des Luftflusses ist, der Abstand zwischen den Längsachsen benachbarter gerader Rohre in jeder Reihe ungefähr das 2,0- bis 2,75-fache des Durchmessers eines Rohres beträgt, das einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Umfang besitzt, der dem Umfang des zentralen Teiles des geraden Rohrs entspricht.

6. Rohranordnung nach Anspruch 5, wobei jedes gerade Rohr (22) so ausgerichtet ist, daß die Nebenachse des elliptischen Querschnittes ungefähr das 0,7- bis ungefähr 0,9-fache des Durchmessers eines Rohres mit einem kreisförmigen Querschnitt beträgt, wobei der Umfang dem Umfang des zentralen Teiles (24) des geraden Rohres entspricht.

7. Rohranordnung nach Anspruch 6, wobei der Winkel der Hauptachse des elliptischen Querschnittes ungefähr 20 bis ungefähr 30º beträgt, wobei die Nebenachse ungefähr das 0,8-fache des Durchmessers eines Rohres mit einem kreisförmigen Querschnitt beträgt, wobei der Umfang dem Umfang des zentralen Teiles (24) des geraden Rohres (22) entspricht, und wobei der Abstand zwischen den Längsachsen von benachbarten geraden Rohren in jeder Reihe ungefähr das 2,25-fache des Durchmessers eines Rohres mit kreisförmigem Querschnitt beträgt, wobei der Umlang dem Umfang des zentralen Teiles des geraden Rohres entspricht.

8. Rohranordnung nach Anspruch 7, wobei der Winkel der Hauptachse des elliptischen Querschnittes ungefähr 25º beträgt.

9. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei die geraden Rohre (22) in einer Vielzahl von Reihen (41, 43, 45, 47, 49) ausgerichtet sind, jede Reihe von geraden Rohren so ausgerichtet ist, daß eine Ebene die Längsachse der geraden Rohre in der Reihe schneidet, die Ebene allgemein senkrecht in bezug auf eine Linie (17) in Richtung des Luftflusses ist, die Vielzahl der Reihen erste (41, 45, 49) und zweite (43, 47) abwechselnde Reihen umfaßt, so daß bei Betrachtung entlang der Längsachsen der geraden Rohre die Hauptachse des elliptischen Querschnittes eines jeden geraden Rohres in den ersten abwechselnden Reihen in einer im Uhrzeigersinn gedrehten Position ausgerichtet ist, und die Hauptachse des elliptischen Querschnittes eines jeden geraden Rohres in den zweiten abwechselnden Reihen in einer in gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Position ausgerichtet ist.

10. Rohranordnung nach Anspruch 9, wobei jedes gerade Rohr (22) in den ersten abwechselnden Reihen (41, 45, 49) ungefähr unter einem ersten gemeinsamen Winkel (α) ausgerichtet ist und wobei jedes gerade Rohr in den zweiten abwechselnden Reihen (43, 47) ungefähr unter einem zweiten gemeinsamen Winkel (β) ausgerichtet ist.

11. Rohranordnung nach Anspruch 10, wobei die numerischen Werte der ersten und zweiten Winkel (α, β) ungefähr gleich sind.

12. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei die geraden Rohre (22) bei Betrachtung entlang ihrer Längsachsen so ausgerichtet sind, daß ihre Längsachsen in einem gleichseitigen dreieckförmigen Muster in bezug auf wenigstens zwei benachbarte gerade Rohre ausgerichtet sind, wobei die Endteile (32) eines Rückführungsrohre (28) in der Lage sind, die Endteile (26) von irgendwelchen zwei benachbarten geraden Rohren zu verbinden.

13. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei jede Rippe (34) ferner eine Vielzahl von Haupt-Riffelungen (44) mit einer Haupt-Amplitude und einer Haupt-Periode und eine Vielzahl von Nebenriffelungen (48) mit einer Neben-Amplitude und einer Neben-Periode besitzt, die Haupt-Riffelungen durch eine Vielzahl von allgemein parallelen, abwechselnden Haupt- Faltungen (46) über jeder Rippe definiert sind, die Haupt-Faltungen Haupt-Riffelungen vorgeben, bei denen die Haupt-Amplitude relativ klein im Vergleich zu der Haupt-Periode ist, jede Haupt-Faltung allgemein quer in bezug auf eine Linie in Richtung des Luftflusses ausgerichtet ist, und die Neben-Riffelungen durch eine Vielzahl von allgemein parallelen, abwechselnden Neben-Faltungen (50) definiert sind, die Neben-Faltungen Neben-Riffelungen vorgeben, bei denen die Neben-Amplitude relativ klein im Vergleich zu der Neben-Periode ist, die Neben-Riffelungen entlang wenigstens eines Teiles von wenigstens einer Kante (52) der Rippe ausgerichtet sind, die Kante allgemein quer in bezug auf einer Linie (17) in Richtung des Luftflusses ausgerichtet ist und jede Neben-Faltung allgemein senkrecht in bezug auf die Kante ausgerichtet ist.

14. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei jede Rippe (34) ferner wenigstens einen Kragen (38) umfaßt, der sich um den Umfäng eines Rippenloches (36) in einer allgemein senkrechten Richtung in bezug auf die Ebene der Rippenplatte erstreckt, jeder Kragen jede Rippe ungefähr um 0,16 bis ungefähr 0,33 Zoll (ungefähr 4,1 bis 8,4 mm) voneinander beabstandet, und sich wenigstens eine Abstandszunge (40) von dem Kragen in eine Richtung allgemein parallel in bezug auf die Ebene der Rippenplatte und weg von dem Rippenloch erstreckt, die Abstandszunge auf einer ersten Rippe eine benachbarte Rippe kontaktiert und die benachbarte Rippenplatte an einer Bewegung in Kontakt mit der ersten Rippenplatte hindert.

15. Rohranordnung nach Anspruch 1, wobei die Rippenplatte (34) einen ebenen Bereich besitzt, der jedes Loch (36) umgibt.