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Die Erfindung betrifft einen Turbulenzerzeuger für einen Wärmetauscher mit einem länglichen planaren Element, in dem mehrere Gruppen von benachbarten, parallelen Längsreihen von Wel- lungen gebildet sind, sowie einen Wärmetauscher mit mehreren voneinander beabstandeten, zwischen ihnen Strömungsdurchgänge definierenden Wärmetauscherelementen, die Ein- und Auslassöffnungen in Abstand voneinander haben.
In Wärmetauschern, die aus mehreren gestapelten, Strömungswege definierenden Röhren oder Plattenpaaren gebildet sind, ist es üblich, Turbulenzerzeuger in den Röhren oder zwischen den Platten in den Plattenpaaren zu verwenden, um die Wärmeübertragung zu verbessern, insbe- sondere wenn eine Flüssigkeit, wie z.B. Öl, durch diese Strömungsdurchgänge hindurch strömt.
Diese Turbulenzerzeuger liegen gewöhnlich in Form von Einsätzen aus Streckmetall vor und sind gewellt bzw. weisen Windungen auf, um in dem Durchfluss Turbulenzen zu erzeugen und auf diese Weise die Wärmeübertragung in dem Wärmetauscher zu verbessern.
Herkömmliche Wärmetauscher verbessern zwar die Wärmeübertragung, sind jedoch mit der Schwierigkeit verbunden, dass sie auch den Strömungswiderstand bzw. den Druckabfall in dem Wärmetauscher erhöhen. In der Tat nimmt der Strömungswiderstand mehr zu als die durch den Turbulenzerzeuger gewonnene Wärmeübertragung, da nur ein Teil der Zunahme der durch den Turbulenzerzeuger erzeugten Turbulenzen wirksam wird. Die Balance wird durch unwirksame Gegenströmungen oder Wirbel gestört.
Aus der FR 2 536 524 A1 ist beispielsweise ein Wärmetauscher mit direkt aneinander gereih- ten Längsreihen von Wellungen zur Turbulenzerzeugung bekannt. Dies führt zu den vorstehend erläuterten Nachteilen eines relativ hohen Druckabfalls in den Strömungsdurchlässen sowie zu einer verringerten Effizienz beim Wärmeaustausch.
Dies gilt in entsprechender Weise auch für die Konstruktionen gemäss der CH 529 986 A und EP 203 458 A, bei denen ebenfalls direkt aneinander gereihte Längsreihen von Wellungen geof- fenbart sind, so dass sich ein vergleichsweise hoher Druckabfall ergibt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun, einen Turbulenzerzeuger sowie einen Wärmetauscher der eingangs angeführten Art zu schaffen, bei denen der verursachte Druckabfall vermindert wird, ohne dass die Wärmeübertragung in nennenswertem Umfang abnimmt.
Dies wird beim erfindungsgemässen Turbulenzerzeuger der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass die Wellungen unter Bildung von neutralen Längskanälen zwischen den Gruppen der Längsreihen von Wellungen unterbrochen sind. Hierdurch werden zwischen den Windungen lie- gende, nicht-gewundene Druckgewinnungszonen gebildet, durch welche der im Turbulenzerzeuger verursachte Druckabfall vermindert wird. Zugleich bleibt jedoch eine gute Wärmeübertragung aufrechterhalten.
Wenn die Wellungen in Form von Brücken ausgebildet sind, die in Längsrichtung ausgerichtet sind und mit ihrer Ausrichtung eine Richtung hohen Druckabfalls und quer dazu unterhalb von ihnen eine Richtung niedrigen Druckabfalls definieren, ergibt sich eine konstruktiv einfache Aus- gestaltung des Turbulenzerzeugers, bei dem der vergleichsweise geringe Druckabfall sowie die gewünschte Wärmeübertragungswirkung gewährleistet sind.
Um einen zu starken Druckabfall durch die Wellungen zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn die Reihen der Wellungen in Längsrichtung unter Bildung von Druckaufbauzonen zwischen den Wellungen in Längsrichtung unterbrochen sind.
Zur Ausbildung von neutralen Kanälen in Richtung des niedrigen Druckabfalls ist es günstig, wenn die Wellungen in Querrichtung ausgerichtet sind. Die neutralen Kanäle schaffen auch zugleich Flächen, die verwendet werden können, um den Turbulenzerzeuger aus den zu seiner Herstellung verwendeten Formen auszustossen.
Um kontinuierliche neutrale Kanäle in Richtung des niedrigeren Druckabfalls zu schaffen, ist es vorteilhaft, wenn die Druckaufbauzonen ebenfalls in Querrichtung ausgerichtet sind.
Für eine konstruktiv einfache Ausbildung von Druckaufbauzonen, die einen unerwünscht hohen
Druckabfall vermeiden, ist es günstig, wenn sich die Wellungen in jeder Reihe abwechselnd ober- halb und unterhalb einer Mittenebene erstrecken, die gegebenenfalls die Druckaufbauzonen ent- hält.
Tests haben gezeigt, dass der gewünschte Effekt eines vergleichsweise geringen Druckabfalls und einer guten Wärmeübertragung insbesondere erzielt wird, wenn die Gruppen der Längsreihen von Wellungen drei Längsreihen enthalten und ein einzelner neutraler Längskanal zwischen jeweils
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zwei benachbarten Gruppen vorgesehen ist.
Der erfindungsgemässe Wärmetauscher der eingangs angeführten Art ist durch einen Turbu- lenzerzeuger gemäss der Erfindung in zumindest einem der Strömungsdurchgänge zwischen der zugehörigen Ein- und Auslassöffnung gekennzeichnet. Hierbei ergeben sich die bereits erläuterten, vorteilhaften Effekte, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf vorstehende Ausführungen verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Aus- führungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzel- nen zeigen in der Zeichnung: Fig. 1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Wärmetauschers ; 2 eine vergrösserte perspektivische Ansicht eines Abschnittes des in dem Wärmetauscher gemäss Fig. 1 verwendeten Turbulenzerzeugers; Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Turbulenzerzeugers gemäss Fig. 2 in Richtung des Pfeils 3 in Fig. 2 ; 4 eine Schemaansicht des Turbulenzerzeugers gemäss Figuren 2 und 3 ; 5 eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Turbulenzerzeugers;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Turbulenzerzeugers gemäss Fig. 5 in Richtung des Pfeils 6 in Fig. 5 ; 7 eine Schemaansicht des in den Figuren 5 und 6 gezeigten Turbulenzerzeugers; Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbei- spiels des Turbulenzerzeugers; Fig. 9 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des Turbulenzerzeugers gemäss Fig. 8 in Richtung des Pfeils 9 in Fig. 8 ; 10 eine Schemaansicht des in den Figuren 8 und 9 gezeigten Turbulenzerzeugers; Fig. 11eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausfüh- rungsbeispiels des Turbulenzerzeugers; Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Turbu- lenzerzeugers gemäss Fig. 11 in Richtung des Pfeils 12 in Fig. 11 ; 13 eine Schemaansicht des in den Figuren 11 und 12 gezeigten Turbulenzerzeugers;
Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Turbulenzerzeugers; Fig. 15 eine seitliche Draufsicht auf den in Fig. 14 gezeigten Turbulenzerzeuger; und Fig. 16 eine Schemaansicht des in den Figuren 14 und 15 gezeigten Turbulenzerzeugers.
In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 10 gezeigt, der aus einer Vielzahl von voneinander beabstan- deten Rohrelementen oder Plattenpaaren 12 gebildet ist, die jeweils eine obere Platte 14, eine untere Platte 16 und einen dazwischen angeordneten Turbulenzerzeuger 18 aufweisen. Die Plat- ten 14,16 sind Rücken an Rücken angeordnet und haben gefalzte Umfangsränder 20. Die Platten 14,16 haben auch erhabene zentrale Abschnitte 22, die zwischen sich einen Strömungsdurchgang bilden, in dem die Turbulenzerzeuger 18 angeordnet sind. Die erhabenen zentralen Abschnitte 22 haben auch voneinander beabstandete Ein- und Auslassöffnungen 24,26 für den Durchfluss eines Fluids, wie z.B. Öl, durch die Plattenpaare.
Wenn der Wärmetauscher 10 zusammengebaut ist, fluchten alle Einlassöffnungen 24 und stehen in Verbindung miteinander zur Bildung eines Einlass- kopfstückes, und alle Auslassöffnungen 26 fluchten und stehen in Verbindung miteinander zur Bildung eines Auslasskopfstückes. Gestreckte Leitbleche 28 sind zwischen den Plattenpaaren angeordnet, damit ein anderes Fluid, wie z. B. Luft, quer durch die Plattenpaare strömen kann. Die Platten 14,16, die in Kontakt mit den Leitblechen 28 stehen, sind durch erhabene Endaugen 29 voneinander getrennt, so dass Raum für die Leitbleche 28 zwischen den zentralen Plattenabschnit- ten 22 geschaffen wird.
Die Platten 14,16 und die Leitbleche 28 können von jeder beliebigen Form sein und die ge- wünschte Konfiguration aufweisen und sind, per se, nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Ebenso können die Platten 14,16 mit nach aussen angeordneten Vertiefungen ausgebildet sein, die auf benachbarte Plattenpaare treffen, wobei dann Leitbleche 28 nicht verwendet werden würden.
Anstelle des Turbulenzerzeugers 18 gemäss Fig. 1 kann auch ein in den Figuren 2,3 und 4 gezeigter Turbulenzerzeuger 30 verwendet werden. Zudem sind in den Figuren 5,8, 11 und 14 andere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Turbulenzerzeuger gezeigt. Jedes dieser Ausfüh- rungsbeispiele könnte anstelle des Turbulenzerzeugers 18 in dem in Fig. 1 gezeigten Wärmetau- scher verwendet werden. Die in den Figuren 2,5, 8,11 und 14 gezeigten Turbulenzerzeuger sind nur Veranschaulichungen von Abschnitten bzw. Sektionen der Turbulenzerzeuger. Diese Turbu- lenzerzeuger können mit jeder beliebigen Länge oder gewünschten Breite in Abhängigkeit von dem Herstellungsverfahren erzeugt werden. Die Turbulenzerzeuger werden für gewöhnlich aus Alumi- nium mit etwa 0,25 mm Dicke gestanzt oder gewalzt.
Jedoch können für die Turbulenzerzeuger auch andere, dickere oder dünnere Materialien verwendet werden.
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Der Turbulenzerzeuger 30 ist ein planares Element mit einer Vielzahl von darin ausgebildeten Windungen 32,34. Die Windungen 32,34 sind in parallelen Reihen angeordnet. Wenn der Turbu- lenzerzeuger 30 eine längliche Form hat, sind die Windungen 32,34 in parallelen Längsreihen 36 und auch in parallelen Querreihen 38 angeordnet.
Die Windungen 32,34 sind zur Ausbildung nicht-gewundener Druckgewinnungszonen 40 zwi- schen oder stromab von den Windungen 32,34 in jeder Reihe von Windungen 36 periodisch unterbrochen. Mit anderen Worten sind die Windungen 32,34 in jeder Reihe durch Druckgewin- nungszonen 40 voneinander beabstandet, anstatt aneinander anzugrenzen, wie dies bei herkömm- lichen Turbulenzerzeugern der Fall ist.
Der Turbulenzerzeuger 30 hat eine Druckgewinnungszone 40, wie durch Pfeil 41 in Fig. 3 an- gedeutet, enthaltende zentrale Fläche, und Windungen 32,34 erstrecken sich abwechselnd ober- halb (Windungen 32) und unterhalb (Windungen 34) von der sich in Pfeilrichtung 41 erstreckenden zentralen Fläche. Die Windungen 32,34 haben die Form von Brücken, und ein hoher Druckabfall tritt in Richtung der Brücken bzw. in der Längsrichtung auf und ein niedriger Druckabfall in der Richtung, die unter den Brücken verläuft, bzw. in Querrichtung. In dem in Fig. 2 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel sind die Windungen 32,34 in der Richtung des hohen Druckabfalls durch Druckge- winnungszonen 40 unterbrochen, die zwischen bzw. stromab von den Windungen liegen. Wie insbesondere in Fig. 4 ersichtlich ist, liegen die Druckgewinnungszonen 40 in Querreihen bzw. neutralen Kanälen 40' selbst.
Wenn der Turbulenzerzeuger 30 als Turbulenzerzeuger 18 im Wärmetauscher 10 der Fig. 1 verwendet wird, strömt das Fluid in der Richtung des hohen Druckabfalls oder in einer Richtung parallel zu den Längsreihen 36 von den Einlassöffnungen 24 zu den Auslassöffnungen 26. Das Fluid strömt um und unter oder durch die Windungen 32,34. Dies bewirkt Turbulenzen und ver- mindert die Ausbildung einer Grenzschicht, die den Wärmeübertragungskoeffizienten erhöht.
Jedoch ermöglichen die Druckgewinnungszonen 40 eine Druckgewinnung, um den Strömungswi- derstand oder den Druckabfall in dem von den Einlassöffnungen 24 zu den Auslassöffnungen 26 strömenden Fluid zu reduzieren.
In dem Turbulenzerzeuger 30 sind die Windungen 32,34 in der Richtung des niedrigen Druck- abfalls bzw. in der Querrichtung ausgerichtet. Ebenso sind die Druckgewinnungszonen 40 in der Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung ausgerichtet, um neutrale Kanäle 40' zu bilden. Die Druckgewinnungszonen 40 bilden daher kontinuierliche neutrale Kanäle 40' in der Richtung des niedrigen Druckabfalls. Diese neutralen Kanäle 40' schaffen auch Flächen, die ver- wendet werden können, um den Turbulenzerzeuger aus den zu seiner Herstellung verwendeten Formen auszustossen.
Die Breite der gewundenen Längsreihen 36 ist vorzugsweise so schmal, wie es für die Werk- zeugkonstruktion und Instandhaltung noch praktisch ist. Für kraftfahrttechnische Kühlzwecke liegt die bevorzugte minimale Breite bei etwa 0,5 mm. Die maximale Breite ist üblicherweise nicht mehr als zehnmal grösser als die minimale Breite. Typischerweise liegt die maximale Breite bei etwa 5 mm. Die Längserstreckung der Druckgewinnungszonen 40 reicht von etwa 5 % des Längsab- standes (von Mittellinie zu Mittellinie) zwischen den Windungen 32,34 bis etwa 75 % des Abstan- des zwischen zwei beliebigen aufeinanderfolgenden Windungen 32,34. Ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 0,5 mm und etwa 1,25 cm bzw. zwischen etwa 40 % und 50 % des Abstandes von Mittellinie zu Mittellinie zwischen in Längsrichtung aufeinanderfolgenden Windungen 32,34.
Die Höhe der Windungen 32,34 oberhalb bzw. unterhalb der die Druckgewinnungszonen 40 enthaltenden zentralen Fläche hängt von der Dicke des für den Turbulenzerzeuger 30 verwende- ten Materials ab. Diese Höhe ist üblicherweise nicht kleiner als die Materialdicke und reicht typi- scherweise von diesem Minimum bis zu etwa dem Zehnfachen der Materialdicke, wenn Aluminium für den Turbulenzerzeuger 30 verwendet wird. Ein guter Bereich liegt zwischen 0,25 mm und 1,25 cm.
Die Längserstreckung der Windungen 32,34 ist normalerweise etwa zweimal so gross wie die Höhe der Windungen. Die Höhe reicht normalerweise von etwa dem Zweifachen der Materialdicke bis etwa dem Zwanzigfachen der Materialdicke. Ein guter Bereich liegt zwischen 0,5 mm bis etwa 2,5 cm.
In den Figuren 5,6 und 7 ist ein Turbulenzerzeuger 45 gezeigt, der bis auf folgende Punkte dem Turbulenzerzeuger 30 ähnlich ist. In dem Turbulenzerzeuger 45 sind die Windungen 32,34 in
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der Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung versetzt. D. h. die Windungen 32, die sich oberhalb der zentralen Fläche erstrecken, liegen in benachbarten Längsreihen 36, und nicht auf der gleichen in Querrichtung verlaufenden Linie, wie die Windungen 34, die sich unterhalb der zentralen Fläche erstrecken. Die Windungen 32,34 liegen in jeder zweiten Reihe von Windungen auf der gleichen Linie, könnten aber ebenso, wenn gewünscht, versetzt sein. Die Materialdicke und die Abmessungen der Windungen 32,34 und die Druckgewinnungszone 40 sind ähnlich denen, wie sie beim Turbulenzerzeuger 30 der Fig. 2 vorhanden sind.
In den Figuren 8,9 und 10 ist ein Turbulenzerzeuger 50 gezeigt, bei dem die Windungen in der Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung versetzt sind. Bei dem Turbulenzerzeu- ger 50 sind alle Druckgewinnungszonen 40 in einer gemeinsamen Referenzebene 52 (s. Fig. 9) enthalten, und alle Windungen 54 erstrecken sich in der gleichen Richtung relativ zu dieser Refe- renzebene 52. In allen anderen Aspekten ist der Turbulenzerzeuger 50 ähnlich den Turbulenzer- zeugern 30 und 45.
In den Figuren 11, 12 und 13 ist ein Turbulenzerzeuger 55 gezeigt, der dem Turbulenzerzeuger 30 der Fig. 2 am ähnlichsten ist mit der Ausnahme, dass die Windungen 32,34 ebenfalls in Rich- tung des niedrigen Druckabfalls unterbrochen sind, um weitere Druckgewinnungszonen 56 zwi- schen einigen der Reihen der Windungen 36 zu bilden. Tatsächlich erstrecken sich die Druckge- winnungszonen 56 in der Längsrichtung über die volle Länge des Turbulenzerzeugers 55, um longitudinale neutrale Kanäle 58 in Richtung des hohen Druckabfalls bzw. in Längsrichtung des Turbulenzerzeugers 55 zu bilden. Aus Herstellungsgründen ist die Breite der neutralen Kanäle 58 vorzugsweise etwa gleich der Breite der Reihen von Windungen 36.
In dem Turbulenzerzeuger 55 sind die Windungen 32,34 in der Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung ausge- richtet, könnten aber auch versetzt zueinander sein. Wenn die Windungen 32,34 in Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung ausgerichtet sind, versteht es sich, dass die Druckge- winnungszonen 40 fluchten, um neutrale Querkanäle 59 in der Richtung des niedrigen Druckabfalls zu schaffen, und die Druckgewinnungszonen 56 fluchten, um neutrale Längskanäle 58 in der Richtung des hohen Druckabfalls zu schaffen. Wenn die Windungen 32,34 versetzt sind, würden nur neutrale Längskanäle 58 gebildet werden. In allen anderen Aspekten ist der Turbulenzerzeuger 55 ähnlich den Turbulenzerzeugern 30,45 und 50.
In den Figuren 14,15 und 16 ist ein Turbulenzerzeuger 60 gezeigt, in dem die Windungen 32, 34 nur in Richtung des niedrigen Druckabfalls bzw. in Querrichtung und nur zwischen einigen Windungsreihen 36 unterbrochen sind. Diese Unterbrechungen bilden Druckgewinnungszonen 61 in Form von neutralen Längskanälen 62. In allen anderen Aspekten ist der Turbulenzerzeuger 60 den Turbulenzerzeugern 30,45, 50 und 55 ähnlich. In den Figuren 14 bis 16 ist gezeigt, wie der Turbulenzerzeuger 60 in der Mitte der Windungen 32,34 auf seine Länge geschnitten ist. Dies ist nur zu Anschauungszwecken gezeigt. In der Praxis würden die Turbulenzerzeuger normalerweise zwischen den Windungen auf ihre Länge geschnitten werden, wie dies in den Figuren 1 bis 13 der Fall ist.
Selbstverständlich können verschiedene Modifikationen an den oben beschriebenen Strukturen vorgenommen werden. Beispielsweise können anstelle von Plattenpaaren 12 als Rohrelemente, die die Turbulenzerzeuger enthaltenden Strömungsdurchgänge bilden, kontinuierlich flache oder längliche Röhren verwendet werden. In diesem Falle würden Turbulenzerzeuger 18 in Längsrich- tung in ein Ende der Rohre eingesetzt werden. Bei den Turbulenzerzeugern 18 sind in der Zeich- nung gerundete Windungen 32,34 mit unterschiedlichen Krümmungsradien gezeigt. Diese Win- dungen können jede beliebige Konfiguration annehmen, beispielsweise halbkreisförmig, sinusför- mig, trapezförmig oder sogar V-förmig sein, wenn gewünscht.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Wärme- tauscher 10 ist der Turbulenzerzeuger 18 derart orientiert, dass der Fluss in Richtung des hohen Druckabfalls bzw. in Längsrichtung erfolgt. Jedoch könnte der Turbulenzerzeuger um 90 gedreht werden, so dass der Fluss vom Einlass 24 zum Auslass 26 in der Richtung des niedrigen Druckab- falls, wenn gewünscht, erfolgt. Ausserdem versteht es sich, dass verschiedene Merkmale der Turbulenzerzeuger 30, 45, 50, 55 und 60 miteinander gemischt und aufeinander angepasst werden können bzw. eine Kombination dieser Merkmale in dem gleichen Turbulenzerzeuger verwendet werden könnte. Auch könnte irgendein vorgegebener Wärmetauscher irgendeinen Turbulenzer- zeuger, wie oben beschrieben, oder eine Kombination hiervon haben. Weitere Modifikationen am oben beschriebenen Aufbau sind für den Fachmann offensichtlich.