DE20010994U1

DE20010994U1 - Netz für einen Wärmeübertrager

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Publication number: DE20010994U1
Application number: DE20010994U
Authority: DE
Original assignee: Behr GmbH and Co KG; Mahle Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2010-06-22

Description

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BEHR GmbH & Co.
Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart

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Netz für einen Wärmeübertrager

Die Erfindung betrifft ein Netz für einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen Kondensator in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiges Netz, bestehend aus Flachrohren und Wellrippen, wurde durch die DE-C 30 20 424 bekannt.

Die Leistung eines Wärmeübertragers, wie er z.B. als Kühlmittelkühler oder Kondensator in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, hängt in erster Linie von seinem Netz, d. h. der Geometrie und den Werkstoffen des Rohr-Rippensystems ab. In diesem Falle ist von einem gelöteten Flachrohr/Wellrippen-System die Rede, bei welchem die Flachrohre von einem flüssigen und/oder gasförmigen Medium, also Kühlmittel oder Kältemittel durchströmt und die Wellrippen von Umgebungsluft überströmt werden. Die Luftströmung wird dabei entweder durch den Staudruck (bei fahrendem Kraftfahrzeug) oder durch einen dem Wärmetauscher zugeordneten Lüfter erzeugt. Um die Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu erhöhen, ist es bekannt, in den Wellrippen sogenannte Kiemen vorzusehen, die für eine 0 erhöhte Turbulenz und eine Umlenkung der Luft beim Überstreichen der Wellrippe sorgen. Durch die DE-C 30 20 424 wurde bekannt, daß die Kiementiefe, d. h. die von der Luft überströmte Länge einer Kieme einen Einfluß auf die "Wärmedurchgangszahlen" der Wellrippen hat, und zwar in der Weise, daß die "Wärmedurchgangszahl" ansteigt, wenn die Kiementiefe abnimmt. Die Werte für bevorzugte Kiementiefen bei dem bekannten Wärme-

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tauscher betrugen 0,9 bis 1,5 mm. Über die Anzahl der Kiemen pro Wellrippentiefe ist aus dem Stand der Technik wenig bekannt - offenbar ist die Anzahl der Kiemen bei bekannten Systemen bisher immer durch einen relativ großen Randabstand zwischen der ersten bzw. letzten Kieme und dem äußersten Wellrippenrand begrenzt. Um eine höhere Wärmeübertragerleistung zu erzielen, hat man vornehmlich die Rippendichte erhöht, was zu einem erhöhten Gewicht, erhöhtem Druckabfall und höherer Verstopfungsneigung des Wärmetauschers führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistung eines Wärmetauschernetzes der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln zu verbessern, ohne dabei den luftseitigen Druckabfall signifikant ansteigen zu lassen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Dabei hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß durch Verringerung des Randabstandes auf ein minimales Maß eine höhere Kiemenbelegung der Wellrippe erreicht werden kann, was zu einer höheren Wärmeübertragungsleistung auf der Luftseite führt, ohne daß sich der Druckabfall wesentlich erhöht. Durch diese Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Rippenfläche selbst kann auf eine höhere Rippendichte, die mit den oben genannten Nachteilen verbunden ist, verzichtet werden. Erfindungsgemäß ist diese höhere Kiemenbesetzung einer Wellrippe durch ein besonderes Verhältnis R gekennzeichnet, bei welchem die Summe aller Kiementiefen auf die Gesamttiefe der Wellrippe, in Luftströmungsrichtung gesehen, bezogen ist - dieses Verhältnis R liegt in einem Bereich von 0,8 bis 1,0 .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9: dabei ist dieses Netz besonders vorteilhaft für einen Klimakondensator in einem Kraftfahrzeug als einreihiges Rohrsystem verwendbar.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, welches im folgenden näher beschrieben wird. Es zeigen

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Fig. 1 einen Flachrohrkondensator in der Draufsicht und in einer Seitenansicht bzw. Teilschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt zweier Flachrohre mit dazwischenliegender Wellrippe,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die Wellrippe (Schnittebene A - A) mit Detail X,

Fig. 4 eine Vorderansicht der Wellrippe und

Fig. 5 ein Diagramm, in welchem die Nusselt-Zahl über der Rippendichte für verschiedene Verhältnisse R aufgetragen ist.

In Fig. 1 ist ein Flachrohrkondensator 1 dargestellt, wie er vorzugsweise in Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge verwendet wird. Dieser Kondensator 1 weist ein Netz, bestehend aus Flachrohren 2 und dazwischen angeordneten Wellrippen 3, auf, wobei die Flachrohre 2 in ein oberes Sammelrohr 4 und ein unteres Sammelrohr 5 münden und mit diesen dicht verlötet sind. Die Wellrippen 3 sind ebenfalls an ihren Scheitelpunkten mit den Flachrohren 3 verlötet. Schließlich weist der Flachrohrkondensator 1 einen Eintrittsstutzen 6 und einen Austrittsstutzen 7 auf, durch welche das Kältemittel der Klimaanlage ein- bzw. austritt. Der Kondensator kann als sogenannter Parallelstromkondensator ausgebildet sein, bei welchem alle Rohre parallel vom Kältemittel durchströmt werden, oder das Kältemittel durchströmt den Kondensator mehrflutig, d. h. zick-zack-förmig, wobei in den Sammelrohren hier nicht dargestellte Trennwände anzuordnen sind. Der gesamte Kondensator ist aus Aluminiumlegierungen hergestellt und wird als Ganzes verlötet, vorzugsweise nach dem sogenannten Nocolok-Verfahren.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Netz des Kondensators gemäß Fig. 1, nämlich eine Wellrippe 3, welche zwischen zwei Flachrohren 2 angeordnet und an ihren Wellenkämmen 3a mit der Außenfläche der Flachrohre 2 verlötet ist. Die Flachrohre haben, in Luftströmungsrichtung L gesehen, eine Tiefe A und quer zur Luftströmungsrichtung L eine Breite B. Die Mitten der Flachrohre, gekennzeichnet durch Mittellinien, haben einen Abstand von F₁ welcher als Rohrteilung bezeichnet wird. Die Tiefe der Wellrippen 3 in Luftströmungsrichtung L ist mit D gekennzeichnet, wobei aus der Zeichnung er-

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sichtlich ist, daß D gleich A ist, d. h. die Vorderkante 3b und die Hinterkante 3c der Wellrippe 3 sind mit den Flachrohren 2 bündig. Die Wellrippe 3 weist jeweils auf ihren ebenen Bereichen quer zur Luftströmungsrichtung L verlaufende, in der Tiefe gestaffelte Kiemen 8 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Rohrteilung F = 9,8 mm, die Rohrbreite B = 1,8 mm und die Tiefe der Wellrippe 3 sowie die Tiefe der Rohre 2 A = D = 16 mm.

In Fig. 3 und 4 ist die Wellrippe 3 einerseits im Schnitt, in der Schnittebene A-A (entspr. Fig. 4) und andererseits in einer Ansicht, in Luftströmungsrichtung L gesehen, dargestellt. Fig. 3 zeigt die Wellrippe 3, die eine Tiefe von D=16 mm aufweist. Auf dieser Länge von 16 mm sind 14 Kiemen 8 angeordnet, auf der vorderen Hälfte sieben und auf der hinteren Hälfte ebenfalls sieben, jeweils in entgegengesetzte Richtung geneigt, etwa unter einem Winkel von 27°. Jeweils am Anfang und am Ende des vorderen und hinteren Kiemenfeldes von jeweils sieben Kiemen 8 sind sogenannte Randkiemen 9 angeordnet, die jeweils nur die halbe Länge der Kiemen 8 aufweisen. Der vordere und hintere Bereich der Wellrippe ist als glatter, ebener Bereich 10 ausgebildet und weist jeweils eine Länge, in Luftströmungsrichtung L gesehen, von a=0,4 mm auf (vgl. Detail X). Die Kiemen 8, die aus der Ebene der 0 Wellrippe 3 ausgeschnitten und gegenüber der Luftsrömungsrichtung geneigt sind, weisen eine Länge b, die sogenannte Kiementiefe, von 0,9 mm auf. Die Summe sämtlicher Kiementiefen, d. h. die Summe der Hauptkiemen 8 und Randkiemen 9 beträgt ( 14 &khgr; 0,9 ) + ( 4 &khgr; 0,5 ) = £b = 14,6 mm. Setzt man diese Xb ins Verhältnis zur gesamten Rippentiefe D = 16 mm, so erhält man den Verhältniswert R= — = iff ⁼ 0.9125. Dieser Wert wurde bisher nicht erreicht - er stellt ein Maß für die Wärmeübertragungsfähigkeit dieser Wellrippe dar und korreliert unmittelbar mit der sogenannten Nusselt-Zahl (Nu). Die hohe Kiemenbelegung der Wellrippe, d. h. die relativ hohe Zahl von Kiemen bezogen auf die Rippentiefe resultiert auch aus dem außerordentlich gering bemessenen Randabstand am Anfang und am Ende der Wellrippe von a = 0,4 mm. Dieser geringe Randabstand, insbesondere im Anströmbereich der Wellrippe hat außerdem den thermodynamischen Vorteil, daß sich nur eine relativ geringe Grenzschichtdicke aufbauen kann bekanntlich wächst die Grenzschichtdicke mit der in Luftströmungsrichtung L zurückgelegten Strecke. In Folge geringerer Grenzschichtdicke ergibt sich

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ein besserer Wärmeübergang. Durch den besseren Wärmeübergangswert der gesamten Wellrippe ist es möglich, die Rippendichte, d. h. die Zahl der Rippen pro Dezimeter geringer zu wählen, was zu einer Gewichtserleichterung des Wärmetauschers und einer geringeren Verstopfungsneigung auf der Rippenseite führt. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Rippentiefe 70 Ri/dm, d. h. 70 Rippen auf 10 cm.

In Fig. 4 ist die Wellrippe 3 als Ansicht in Richtung der Stirnfläche des Kondensators dargestellt. Die beiderseits angeordneter Flachrohre 2 sind lediglieh durch gestrichelte Konturen angedeutet. Die Wellenkämme 3a sind also bogenförmig, etwa in Form eines Halbkreises ausgebildet und in diesem Bereich mit den Flachrohren verlötet. Die Kiemen 8 stehen beiderseits über die Rippenebene hervor. Mit C ist der Abstand zweier Wellenkämme bezeichnet. Dieses Maß ist der Rippendichte umgekehrt proportional.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm, in welchem für verschiedene Verhältnisse R die Nusselt-Zahl über der Rippendichte aufgetragen ist. Bekanntlich ist die Nusselt-Zahl maßgebend für den Wärmeübergang, hier also für den Wärmeübergang von der Rippenoberfläche an die Umgebungsluft. Man entnimmt 0 diesem Diagramm, daß die Nusselt-Zahl mit größer werdendem Verhältnis R zunimmt, d. h. für den Wert R = 0,95 ergibt sich der beste Wärmeübergang. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß sich dieser Effekt bei kleineren Rippendichten stärker auswirkt.

5 Die erfindungsgemäße Wellrippe in Verbindung mit den oben beschriebenen Flachrohren wird vorzugsweise als einreihiges System (eine Rohrreihe in Luftströmungsrichtung gesehen), für Flachrohrkondensatoren verwendet. Es ist allerdings auch möglich, diese Wellrippe als einreihiges Rippen/Rohrsystem für Kühlmittelkühler für Kraftfahrzeuge einzusetzen und ebenso als zwei- oder mehrreihiges System.

Claims

1. Netz für Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator für Kraftfahrzeuge, bestehend aus Flachrohren (2) und Wellrippen (3), die miteinander verlötet sind, wobei die Wellrippen (3) - in Luftströmungsrichtung L gesehen - eine Tiefe D aufweisen und mit quer zur Luftströmungsrichtung L angeordneten Kiemen (8) besetzt sind, die jeweils eine in Luftströmungsrichtung L überströmte Länge (Kiementiefe) b aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis R der Summe aller Kiementiefen Σb zur Tiefe D der Wellrippe (3) einen Bereich von 0,8 < R < 1,0 aufweist.

2. Netz für Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippen (3) einen vorderen und einen hinteren kiemenfreien Randbereich (10) aufweisen und daß dieser Randbereich (10) in Luftströmungsrichtung L eine Tiefe von a < 0,9 mm aufweist.

3. Netz für einen Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich (10) eine Tiefe von a < 0,5 mm aufweist.

4. Netz nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippentiefe D ≤ 16 mm ist.

5. Netz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippentiefe D = 16 mm, die Zahl der Kiemen Z = 14 und die Summen aller Kiementiefen Σb = 14,6 mm beträgt.

6. Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kiemen aus beidseitig ausgeschnittenen Hauptkiemen (8) und einseitig ausgeschnittenen Randkiemen (9) bestehen, die unter einem Winkel von 20 ≤ Θ ≤ 30° angestellt sind.

7. Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrtiefe A gleich der Wellrippentiefe D ist (A = D).

8. Wärmeübertrager, insbesondere Kondensator für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Netz nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einem Sammelbehälter (4, 5), in welchen die Flachrohre (2) münden.

9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre (2) in Sammelrohre (4, 5) münden, mit diesen dicht verlötet sind und daß der Wärmeübertrager als einreihiges System ausgebildet ist.