[0001] Die Erfindung betrifft eine Rippe für einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] US 2005/0045314 A1 beschreibt Rippen für einen Wärmeübertrager, bei denen ein gewelltes, zwischen Flachrohren
angeordnetes Rippenblech zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit Kiemen versehen ist.
[0003] Aus der Praxis des Wärmeübertragerbaus ist es zudem bekannt, Wellrippen mit Kiemen
zu versehen, die eine Kiementiefe von 0,9 mm bei einem Kiemenwinkel von 27° aufweisen.
[0004] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Rippe für einen Wärmeübertrager anzugeben,
die eine gute Wärmeübertragung bei geringem Druckabfall ermöglicht.
[0005] Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Rippe erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Untersuchungen haben das überraschende Ergebnis
ergeben, dass bei geeigneter Wahl des Kiemenwinkels sowohl unterhalb als auch oberhalb
der herkömmlichen Kiementiefe Bereiche für die Kiementiefe existieren, die einen besonders
großen Wärmeübergang bei geringem Druckabfall ermöglichen. Diese günstige Eigenschaft
der erfindungsgemäßen Rippe ermöglicht es zum Beispiel, im Fall eines Heizkörpers
für einen Fahrzeuginnenraum eine geringere Gebläseleistung bei gleichem Luftdurchsatz
und gleicher Lufterwärmung vorzusehen. Zudem wird bei dieser beispielhaften Anwendung
die Geräuschentwicklung durch Gebläse und Luftströmung reduziert. Weitere Vorteile
der Erfindung bestehen allgemein darin, dass eine Verbesserung ohne nennenswerte Mehrkosten
bei nahezu unverändertem Herstellungsverfahren erzielt werden kann. Der Kiemenwinkel
einer erfindungsgemäßen Rippe beträgt dabei zwischen 14° und 30°.
[0006] Bei einer bevorzugten Detailgestaltung der Erfindung beträgt der Kiemenwinkel zwischen
14° und 26°. Dieser optimierte Bereich des Kiemenwinkels kann mit sämtlichen Kiementiefen
und besonders bevorzugt mit kleinen Kiementiefen zwischen 0,3 mm und 0,6 mm, kombiniert
werden.
[0007] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Kiementiefe zur weiteren
Optimierung der Eigenschaften zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, besonders bevorzugt zwischen
0,45 mm und 0,55 mm.
[0008] Bei einer alternativen Ausführungsform beträgt die Kiementiefe zur weiteren Optimierung
zwischen 1,2 mm und 1,6 mm.
[0009] Eine Rippendichte in der Längsrichtung beträgt allgemein bevorzugt zwischen 70 Ri/dm
und 120 Ri/dm. Unter der Einheit Ri/dm ist dabei die Anzahl der durch die Wellung
gegebenen Rippenflanken je Dezimeter zu verstehen. Die Rippenflanken sind zur Verbesserung
der mechanischen Stabilität regelmäßig in einem Winkel zueinander angeordnet, können
je nach Anforderungen aber auch parallel zueinander verlaufen.
[0010] Zur einfachen Herstellung bei zugleich guter Wirkung der Kiemen ist es vorgesehen,
dass eine Länge der Kiemen KL wenigstens 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und
2,0 mm, kleiner ist als eine Rippenhöhe RH.
[0011] Besonders vorteilhaft werden erfindungsgemäße Dimensionierungen der Kiemen bei relativ
dünnen Rippenblechen eingesetzt, wobei in bevorzugter Ausgestaltung eine Materialstärke
des Rippenblechs etwa zwischen 0,06 mm und 0,1 mm beträgt.
[0012] Die erfindungsgemäße Dimensionierung der Kiemen ist besonders geeignet, wenn die
mehreren Kiemen unmittelbar aufeinander folgen. Dies bedeutet, dass zwischen aufeinander
folgender Rippen kein ebener Steg des verbleibt, so dass zwei Kiemen mittels eines
einzelnen Einschitts in das Blech voneinander getrennt sind.
[0013] Bei einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform sind eine erste Kiemengruppe und
eine zweite Kiemengruppe vorgesehen, wobei die Kiemenwinkel KW der Kiemengruppen verschiedene
Orientierungen aufweisen. Somit wird das gasförmige Fluid zunächst in der einen Richtung
durch das Rippenblech geleitet und nachfolgend in der Gegenrichtung.
[0014] Eine Rippenhöhe RH beträgt bevorzugt zwischen 3 mm und 12 mm. In besonders bevorzugter
Detailgestaltung liegt die Rippenhöhe zwischen 4 mm und 8 mm.
[0015] Zur Verwendung in üblichen Bauformen von Wärmeübertragern ist es vorgesehen, dass
eine Tiefe der Rippe in der Tiefenrichtung zwischen 15 mm und 80 mm, bevorzugt zwischen
15 mm und 45 mm, beträgt.
[0016] Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt eine Rippendichte in
der Längsrichtung nicht mehr als etwa 80 Ri/dm, wobei in bevorzugter Detailgestaltung
der Kiemenwinkel wenigstens 26° beträgt. Bei einer alternativen Ausführungsform beträgt
eine Rippendichte in der Längsrichtung wenigstens etwa 80 Ri/dm beträgt, wobei insbesondere
der Kiemenwinkel nicht mehr als etwa 26° beträgt. Insgesamt lässt sich hierdurch eine
weitere Optimierung der Leistungsfähigkeit unter Berücksichtigung der Rippendichte
erzielen, welche je nach Anwendung vorgegeben sein kann.
[0017] Die Aufgabe der Erfindung wird für einen Wärmeübertrager zudem gemäß Anspruch 13
durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Rippe gelöst.
[0018] In vorteilhafter Detailgestaltung ist der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager eines
Kraftfahrzeugs ausgebildet, insbesondere als elektrischer Heizkörper, flüssigkeitsbetriebener
Heizkörper, Verdampfer oder Kondensator einer Fahrzeug-Klimaanlage, Ladeluftkühler
oder Kühlmittelkühler. Bei Kraftfahrzeugen besteht eine besonders hohe Anforderung
an die Optimierung der Wärmeübertragerleistung bei gegebenem Bauraum. Die erfindungsgemäße
Rippe ist dabei insbesondere zur Verwendung mit einem Heizkörper geeignet, da sie
bei gegebenem Luftstrom und gegebener Temperaturdifferenz einen besonders kleinen
Druckabfall ermöglicht. Dies reduziert Geräusche und erlaubt es zum Beispiel, ein
Heizungsgebläse besonders klein auszulegen. Bei einem Wärmeübertrager in Form eines
elektrisch betriebenen Heizkörpers sind die Strukturen zum Beispiel als elektrische
Heizstäbe, bevorzugt PTC-Heizelemente (PTC = Positive Temperature Coefficient). In
möglicher alternativer Ausführung eines Heizkörpers können die Strukturen auch Flachrohre
oder Rundrohre sein, in denen zum Beispiel erhitztes Kühlmittel eines Motor-Kühlkreislaufs
strömt.
[0019] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
[0020] Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand
der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt eine ausschnittsweise Draufsicht auf einen Wärmeübertrager mit erfindungsgemäßen
Rippen.
- Fig. 2
- zeigt eine Ausschnittsvergrößerung der Rippe aus Fig. 1.
- Fig. 3
- zeigt einen Querschnitt durch die Rippe aus Fig. 1.
- Fig. 4
- zeigt eine schematische Ausschnittsdarstellung der Rippe aus Fig. 1 zur Definition
von Bemaßungen.
- Fig. 5
- zeigt eine Temperaturdifferenz als Funktion eines luftseitigen Druckabfalls unter
Variation von Rippendichte und Kiemenwinkel für eine Kiementiefe von 1,5 mm.
- Fig. 6
- zeigt eine Temperaturdifferenz als Funktion eines luftseitigen Druckabfalls unter
Variation von Rippendichte und Kiemenwinkel für eine Kiementiefe von 0,5 mm.
- Fig. 7
- zeigt ein Diagramm des Quotienten aus Leistung und luftseitigem Druckabfall als Funktion
des Kiemenwinkels für mehrere erfin- dungsgemäße Kiementiefen sowie für einen Stand
der Technik.
[0021] Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeübertrager ist ein Heizkörper für ein Kraftfahrzeug.
In bekannter Bauweise sind zwischen Strukturen in Form von parallel verlaufenden Flachrohren
1, die von einem erhitzten Kühlmittel eines Motor-Kühlkreislaufs durchströmt werden,
jeweils Rippen 2 vorgesehen, so dass insgesamt ein von einem gasförmigen Fluid wie
Luft durchströmbares Wärmeübedragernetz ausgebildet ist. Die Strömungsrichtung der
Luft verläuft in Richtung einer Tiefe des Wärmeübertragers senkrecht zur Zeichnungsebene
in Fig. 1. Die Flachrohre 1 münden jeweils in einem Boden 3 eines Sammlers.
[0022] Eine Höhenrichtung im Sinne der Erfindung verläuft in der Zeichnungsebene von Fig.
1 von links nach rechts, also senkrecht zur Richtung der Flachrohre und zur Tiefenrichtung.
Eine Längsrichtung im Sinne der Erfindung verläuft in der Zeichnungsebene von Fig.
1 von oben nach unten, also parallel zu den Flachrohren 1.
[0023] Die Rippe 2 sind in ihrem Bauprinzip auf bekannte Weise als Kiemen-Wellrippen aus
einem in der Längsrichtung gewellten Rippenblech ausgebildet, wobei die einzelnen
durch die Wellung gebildeten Rippenflanken jeweils eine Mehrzahl von Kiemen 4 aufweisen.
Die Kiemen 4 sind als aufgestellte Durchbrechung des Rippenblechs ausgeformt und in
der Tiefenrichtung hintereinander angeordnet.
[0024] Gemäß der Darstellungen nach Fig. 2 bis Fig. 4 sind die Kiemen als Serie von in Tiefenrichtung
unmittelbar aufeinander folgenden, also mittels nur je eines Einschnitts des Rippenblechs
voneinander getrennten und gewinkelten Stegen ausgeformt. Der Aufstellwinkel relativ
zu der Tiefenrichtung ist als Kiemenwinkel KW definiert. Die gesamte Länge einer Kieme,
gemessen in einer Ebene mit der Tiefenrichtung, ist als Kiementiefe KT definiert.
[0025] Die Kiemen haben gemäß Fig. 2 zudem eine Kiemenlänge KL, die etwas kleiner als eine
Rippenhöhe RH ist, damit die Umbiegung des Rippenblechs ermöglicht ist. Die Rippenhöhe
RH entspricht vorliegend auch dem freien Abstand benachbarter Flachrohre 1. Für bevorzugte
Rippenhöhen zwischen 3 mm und 12 mm beträgt die Kiemenlänge KL in optimierter Form
zwischen 0,5 mm und 2 mm weniger als die Rippenhöhe RH.
[0026] Die Anzahl der Rippenflanken je Längeneinheit in der Längsrichtng wird als Rippendichte
RD (Einheit: Ri/dm) definiert. Bevorzugt beträgt die Rippendichte RD zwischen 70 und
120 Ri/dm.
[0027] Die gesamt Länge der Rippen in der Tiefenrichtung bzw. Strömungsrichtung der Luft
wird als Rippentiefe RT definiert und beträgt je nach Anforderungen typisch zwischen
15 mm und 80 mm.
[0028] Die Schnittansicht Fig. 3 zeigt, dass die Kiemen 4 in der Tiefenrichtung als zwei
aufeinander folgende Kiemenfelder 5,6 von jeweils identischen Kiemen vorgesehen sind,
wobei der Kiemenwinkel der beiden Felder 5, 6 gleich groß, aber in der Richtung invertiert
ist. Somit wird die Luft erst in die eine Richtung und nachfolgend in umgekehrter
Richtung durch das Rippenblech geleitet.
[0029] Am Anfang des ersten Kiemenfelds 5 und am Ende des zweiten Kiemenfelde 6 ist jeweils
eine Randkieme 5a, 6a vorgesehen, die nur die halbe Höhe einer normalen Kieme 4 über
der Blechebene aufweist. Zwischen den Kiemenfeldern 5, 6 ist jeweils eine Dachkieme
7 vorgesehen, die für eine Überleitung zwischen den unterschiedlich gerichteten Kiemenfeldern
5, 6 sorgt.
[0030] Sämtliche der Riemen 4,5a, 6a, 7 haben in sämtlichen vorliegenden Ausführungsbeispielen
jeweils die gleiche Höhe über der Blechebene.
[0031] Im Sinne der vorliegenden Erfindung wurden Berechnungen und Versuche vorgenommen,
um die Dimensionierung der mehreren gleichen, hintereinander angeordneten kiesen 4
zu optimieren, wobei sich überraschende Effekte gezeigt haben.
[0032] Es war bekannt, Wellrippen der vorstehend beschriebenen Form herzustellen, die folgende
Maßzahlen aufweisen:
(Stand der Technik:) |
|
|
|
KT = 0,9 mm |
KW =27° |
RH=4,5mm |
RT = 26 mm |
D = 0,08 mm |
|
|
|
[0033] Es hat sich gezeigt, dass für kleinere Kiemenwinkel im Bereich von 14° bis 26° sowohl
für kleinere Kiementiefen als im Stand der Technik als auch für größere Kiementiefen
erhebliche Verbesserungen des Verhältnisses von Heizleistung zu luftseitigem Druckabfall
zu finden sind.
[0034] Fig. 5 zeigt die Ergebnisse von Versuchen zu unterschiedlichen Rippendichten unter
Variation des Kiemenwinkels für eine konstante Kiementiefe von 1,5 mm, also eine deutlich
größere Kiementiefe als nach dem Stand der Technik. Es wurde jeweils ein Luftmassenstrom
MS = 3 kg/min eingestellt. Messgröße ist die erzielte Temperaturdifferenz der Luft
als Funktion des Druckabfalls. Die X-förmige Markierung zeigt den Arbeitspunkt nach
dem vorstehenden der Technik.
[0035] Fig. 6 zeigt die zu Fig. 5 analogen Ergebnisse für eine Kiementiefe KT = 0,5 mm,
also eine deutliche kleinere Kiementiefe als nach dem Stand er Technik. Der eingestellte
Luftmassenstrom beträgt wiederum 3 kg/min.
[0036] Ergebnisse der durchgeführten Simulationen und Versuche sind in Fig. 7 zusammengefasst.
Aufgetragen sind der Quotient aus Temperaturdifferenz (entsprechend Wärmeleistung)
und Druckabfall ΔT/ Δp über dem Kiemenwinkel für vier verschiedene Kiementiefen: 0,5
mm, 0,9 mm (Stand der Technik für Kiemenwinkel von 27°). 1,2 mm und 1,5 mm. Der aus
dem Stand der Technik bekannte Arbeitspunkt ist wiederum als X-förmige Markeirung
eingezeichnet. Bei den Ergebnissen nach Fig. 7 sind ein Luftmassenstrom von 6 kg/min
und eine Rippenhöhe von 4,5 mm vorgegeben.
[0037] Es wird angemerkt, dass die bei den Versuchen und Simulationen eingestellten Luftmassenströme
(Fig. 5 und Fig. 6: 3 kg/min, Fig. 7: 6 kg/min) keinen relevanten Einfluss auf die
Ergebnisse haben. Dies gilt nach vorliegenden Erkenntnissen wenigstens für einen Bereich
des Luftmassenstroms von 2 kg/min bis 6 kg/min und vermutlich auch darüber hinaus.
[0038] Die Ergebnisse nach Fig. 7 zeigen, dass sowohl für kleinere Kiementiefen von 0,5
mm als auch für größere Kiementiefen von 1,2 mm oder 1,5 mm bessere Werte für ΔT/
Δp erreicht werden, wenn sich der Kiemenwinkel in einem im vergleich zum Stand der
Technik kleineren Bereich von 14° bis 26° bewegt.
[0039] Weiterhin lässt sich Fig. 7 entnehmen, dass insbesondere für die Variante der größeren
Kiementiefe auch für größere Kiemenwinkel, zum Beispiel bis zu 30°, erheblich verbesserte
Werte für ΔT/ Δp im Vergleich zum Stand der Technik erreicht werden.
[0040] Für diese überraschenden Ergebnisse kann ohne Anspruch auf Richtigkeit die Erklärung
gemutmaßt werden, dass im Fall der kleinen Kiementiefe von 0,5 mm der Anteil der durch
die Kiemen strömenden bzw. die Seite des Rippenblechs wechselnden Luft sehr gering
ist (siehe auch Fig. 8). Die Kiemen bewirken vorrangig eine Erhöhung der Rauhigkeit,
so dass es zum Aufreißen oder Ablösen einer laminaren Grenzschicht der Luftströmung
kommt. Zugleich ist durch die große Anzahl von Störungen und "Neuantäufen" der Strömung
der luftseitige Druckabfall gering, da durch die Kiemen wenig Luft strömt und die
Luft somit kaum umgelenkt wird. Die Luftverteilung über der Rippe wird dadurch sehr
homogen. Um einen mit dem Stand der Technik vergleichbaren luftseitigen Wärmeübergang
zu erzielen, kann bei der Variante der kleinen Klementiefen (0,3 mm bis 0,6 mm) die
Rippendichte geringfügig erhöht werden, etwa um 10 Ri/dm.
[0041] Für die großen Kiementiefen (1,1 mm bis 1,8 mm) wird als Erklärung des überraschenden
Effekts gemutmaßt, dass durch die große Kientiefe schon bei kleinen Kiemenwinkeln
(z.B. 22°) genügend Luft durch die Kiemen strömt (siehe auch Fig. 9). Aufgrund des
kleinen Kiemenwinkels werden die Ablösungen hinter jeder Kieme geringer als bei großen
Kiemenwinkeln (27 °, Stand der Technik). Die Luftverteilung senkrecht zur Strömungsrichtung
ist hierdurch homogener bzw. es kommt zu gleichmäßigeren Luftgeschwindigkeiten.
[0042] Die Fig. 10 und Fig. 11 zeigen Geschwindigkeitsprofile für verschiedene Rippenhöhen,
nämlich für 4.5 mm (Fig. 10) und 6 mm (Fig. 11). Deutlich erkennbar ist das weitaus
homogenere Geschwindigkeitsprofil der Varianten 1 und 2 gemäß der vorliegenden Erfindung
im Vergleich zum Stand der Technik.
[0043] Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen einer Rippe sind für verschiedene
Bauformen von Wärmeübertragern, insbesondere von Kraftfahrzeugen, einsetzbar, wie
etwa Kühlmittelkühler, Klimaanlagen-Verdampfer, Klimaanlagen-Kondensatoren, Ladeluftkühler
oder ähnliches. Besonders bevorzugt bietet sich ein Einsatz in Heizkörpern eines Kraftfahrzeugs
an, da hier durch den geringen Druckabfall bei gegebener Leistung und durch die insgesamt
homogenere Durchströmung des Netzes die erforderliche Leistung eines Lüftergebläses
verringert werden kann. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung
ist der Wärmeübertrager als elektrischer Heizkörper ausgebildet, wobei die Strukturen
1 keine Flachrohre, sondern PTC-Elemente sind, die durch elektrischen Strom erhitzt
werden.
1. Rippe für einen Wärmeübertrager, umfassend ein in einer Längsrichtung gewelltes, zwischen
zwei Strukturen (1) angeordnetes Rippenblech (2),
wobei das Rippenblech (2) in einer Tiefenrichtung von einem insbesondere gasförmigen
Fluid zur Übertragung von Wärme zwischen den Strukturen (1) und dem gasförmigen Fluid
durchströmbar ist,
und wobei in dem Rippenblech (2) eine Mehrzahl von parallel hintereinander angeordneten,
sich quer zu der Tiefenrichtung erstreckenden Kiemen (4) mit einer Kiementiefe KT
und einem Kiemenwinkel KW bezüglich der Tiefenrichtung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet,
dass der Kiemenwinkel KW zwischen 14° und 30°, insbesondere zwischen 14° und 26°, beträgt,
wobei die Kiementiefe KT entweder im Bereich von 0,3 mm bis 0,6 mm oder im Bereich
von 1,1 mm bis 1,8 mm liegt.
2. Rippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kiementiefe KT zwischen 0,4 mm und 0,6 mm, insbesondere zwischen 0,45 mm und
0,55 mm, beträgt.
3. Rippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kiementiefe KT zwischen 1,2 mm und 1,6 mm beträgt.
4. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rippendichte in der Längsrichtung zwischen 70 Ri/dm und 120 Ri/dm beträgt.
5. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge der Kiemen (4) KL wenigstens 0,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und
2,0 mm, kleiner ist als eine Rippenhöhe RH.
6. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke D des Rippenblechs (2) etwa zwischen 0,06 mm und 0,1 mm beträgt.
7. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Kiemen (4) unmittelbar aufeinander folgen.
8. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kiemengruppe (5) und eine zweite Kiemengruppe (6) vorgesehen ist, wobei
die Kiemenwinkel KW der Kiemengruppen (5, 6) verschiedene Orientierungen aufweisen.
9. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rippenhöhe RH zwischen 3 mm und 12 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 8 mm,
beträgt.
10. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Rippe RT in der Tiefenrichtung zwischen 15 mm und 80 mm, insbesondere
zwischen 15 mm und 45 mm, beträgt.
11. Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rippendichte in der Längsrichtung nicht mehr als etwa 80 Ri/dm beträgt, wobei
insbesondere der Kiemenwinkel wenigstens 26° beträgt.
12. Rippe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rippendichte in der Längsrichtung wenigstens etwa 80 Ri/dm beträgt, wobei insbesondere
der Kiemenwinkel nicht mehr als etwa 26° beträgt.
13. Wärmeübertrager, umfassend eine Rippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Wärmeübertrager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager als Wärmeübertrager eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, insbesondere
als elektrischer Heizkörper, flüssigkeitsbetriebener Heizkörper, Verdampfer einer
Fahrzeug-Klimaanlage, Kondensator einer Fahrzeug-Klimaanlage, Ladeluftkühler oder
Kühlmittelkühler.