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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.
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The invention relates to a turbulence generator for a heat exchanger with an elongated planar element in which a plurality of groups of adjacent, parallel longitudinal rows of corrugations are formed, and to a heat exchanger with a plurality of heat exchanger elements which are spaced apart from one another and define flow passages between them and which have inlet and outlet openings in Distance from each other.
In heat exchangers formed from multiple stacked tubes or plate pairs defining flow paths, it is common to use turbulence generators in the tubes or between the plates in the plate pairs to improve heat transfer, especially when a liquid such as e.g. Oil flowing through these flow passages.
These turbulence generators are usually in the form of expanded metal inserts and are corrugated or have windings in order to generate turbulence in the flow and in this way to improve the heat transfer in the heat exchanger.
Conventional heat exchangers improve the heat transfer, but are associated with the difficulty that they also increase the flow resistance or the pressure drop in the heat exchanger. Indeed, the flow resistance increases more than the heat transfer obtained by the turbulence generator, since only part of the increase in the turbulence generated by the turbulence generator takes effect. The balance is disturbed by ineffective counter currents or eddies.
FR 2 536 524 A1, for example, discloses a heat exchanger with longitudinal rows of corrugations for generating turbulence which are arranged directly next to one another. This leads to the above-mentioned disadvantages of a relatively high pressure drop in the flow passages and to a reduced efficiency in the heat exchange.
This also applies in a corresponding manner to the constructions according to CH 529 986 A and EP 203 458 A, in which longitudinal rows of corrugations which are also arranged directly next to one another are disclosed, so that there is a comparatively high pressure drop.
The aim of the present invention is now to create a turbulence generator and a heat exchanger of the type mentioned at the beginning, in which the pressure drop caused is reduced without the heat transfer decreasing to any appreciable extent.
This is achieved in the inventive turbulence generator of the type mentioned at the outset in that the corrugations are interrupted with the formation of neutral longitudinal channels between the groups of the longitudinal rows of corrugations. In this way, non-winding pressure gain zones lying between the windings are formed, by means of which the pressure drop caused in the turbulence generator is reduced. At the same time, however, good heat transfer is maintained.
If the corrugations are designed in the form of bridges, which are aligned in the longitudinal direction and, with their alignment, define a direction of high pressure drop and, transversely to it, a direction of low pressure drop below them, the result is a structurally simple configuration of the turbulence generator, in which the comparative low pressure drop and the desired heat transfer effect are guaranteed.
In order to avoid an excessive drop in pressure through the corrugations, it is advantageous if the rows of corrugations in the longitudinal direction are interrupted to form pressure build-up zones between the corrugations in the longitudinal direction.
To form neutral channels in the direction of the low pressure drop, it is advantageous if the corrugations are aligned in the transverse direction. The neutral channels also create areas that can be used to eject the turbulence generator from the molds used to manufacture it.
In order to create continuous neutral channels in the direction of the lower pressure drop, it is advantageous if the pressure build-up zones are also aligned in the transverse direction.
For a structurally simple formation of pressure build-up zones that have an undesirably high
To avoid a drop in pressure, it is expedient if the corrugations in each row alternately extend above and below a central plane, which may contain the pressure build-up zones.
Tests have shown that the desired effect of a comparatively low pressure drop and good heat transfer is achieved in particular if the groups of the longitudinal rows of corrugations contain three longitudinal rows and a single neutral longitudinal channel between them
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two adjacent groups is provided.
The inventive heat exchanger of the type mentioned at the outset is characterized by a turbulence generator according to the invention in at least one of the flow passages between the associated inlet and outlet openings. This results in the advantageous effects already explained, so that reference is made to the above statements in order to avoid repetition.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments illustrated in the drawing, to which, however, it should not be limited. In detail, the drawing shows: FIG. 1 a perspective exploded view of a heat exchanger; 2 is an enlarged perspective view of a portion of the turbulence generator used in the heat exchanger according to FIG. 1; FIG. 3 shows a plan view of a section of the turbulence generator according to FIG. 2 in the direction of arrow 3 in FIG. 2; 4 shows a schematic view of the turbulence generator according to FIGS. 2 and 3; 5 is a perspective view of another embodiment of the turbulence generator;
FIG. 6 shows a plan view of a section of the turbulence generator according to FIG. 5 in the direction of arrow 6 in FIG. 5; 7 is a schematic view of the turbulence generator shown in FIGS. 5 and 6; 8 shows a perspective view of a further exemplary embodiment of the turbulence generator; FIG. 9 shows a plan view of a section of the turbulence generator according to FIG. 8 in the direction of arrow 9 in FIG. 8; 10 is a schematic view of the turbulence generator shown in FIGS. 8 and 9; 11 shows a perspective view of a further exemplary embodiment of the turbulence generator; FIG. 12 shows a plan view of a section of a turbulence generator according to FIG. 11 in the direction of arrow 12 in FIG. 11; Figure 13 is a schematic view of the turbulence generator shown in Figures 11 and 12;
14 shows a perspective view of a further exemplary embodiment of the turbulence generator; Fig. 15 is a side plan view of the turbulence generator shown in Fig. 14; and FIG. 16 is a schematic view of the turbulence generator shown in FIGS. 14 and 15.
1 shows a heat exchanger 10 which is formed from a multiplicity of spaced-apart pipe elements or plate pairs 12, each of which has an upper plate 14, a lower plate 16 and a turbulence generator 18 arranged between them. The plates 14, 16 are arranged back to back and have folded peripheral edges 20. The plates 14, 16 also have raised central sections 22, which form a flow passage between them, in which the turbulence generators 18 are arranged. The raised central portions 22 also have spaced apart inlet and outlet openings 24, 26 for the flow of a fluid, e.g. Oil, through the plate pairs.
When the heat exchanger 10 is assembled, all of the inlet openings 24 are aligned and in communication with one another to form an inlet header, and all outlet openings 26 are aligned and in communication with one another to form an outlet header. Elongated baffles 28 are arranged between the pairs of plates so that another fluid, such as. B. air can flow across the plate pairs. The plates 14, 16, which are in contact with the guide plates 28, are separated from one another by raised end eyes 29, so that space for the guide plates 28 is created between the central plate sections 22.
The plates 14, 16 and the baffles 28 can be of any shape and have the desired configuration and, per se, are not part of the present invention. Likewise, the plates 14, 16 can be formed with recesses arranged on the outside which meet adjacent pairs of plates, in which case baffles 28 would not be used.
Instead of the turbulence generator 18 according to FIG. 1, a turbulence generator 30 shown in FIGS. 2, 3 and 4 can also be used. In addition, FIGS. 5, 8, 11 and 14 show other preferred exemplary embodiments of the turbulence generator. Each of these exemplary embodiments could be used instead of the turbulence generator 18 in the heat exchanger shown in FIG. 1. The turbulence generators shown in FIGS. 2, 5, 8, 11 and 14 are only illustrations of sections or sections of the turbulence generators. These turbulence generators can be of any length or width desired depending on the manufacturing process. The turbulence generators are usually punched or rolled from aluminum with a thickness of approximately 0.25 mm.
However, other, thicker or thinner materials can be used for the turbulence generators.
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The turbulence generator 30 is a planar element with a plurality of turns 32, 34 formed therein. The turns 32, 34 are arranged in parallel rows. If the turbulence generator 30 has an elongated shape, the windings 32, 34 are arranged in parallel longitudinal rows 36 and also in parallel transverse rows 38.
The windings 32, 34 are periodically interrupted in each row of windings 36 to form non-winding pressure gain zones 40 between or downstream of the windings 32, 34. In other words, the turns 32, 34 in each row are spaced apart from one another by pressure gain zones 40 instead of adjoining one another, as is the case with conventional turbulence generators.
The turbulence generator 30 has a central area containing a pressure-gain zone 40, as indicated by arrow 41 in FIG. 3, and windings 32, 34 alternately extend above (windings 32) and below (windings 34) from that in the direction of the arrow 41 extending central area. The turns 32, 34 are in the form of bridges and a high pressure drop occurs in the direction of the bridges or in the longitudinal direction and a low pressure drop in the direction which runs under the bridges or in the transverse direction. In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the windings 32, 34 are interrupted in the direction of the high pressure drop by pressure gain zones 40 which are located between or downstream of the windings. As can be seen in particular in FIG. 4, the pressure gain zones 40 lie in transverse rows or neutral channels 40 'themselves.
When the turbulence generator 30 is used as the turbulence generator 18 in the heat exchanger 10 of FIG. 1, the fluid flows in the direction of the high pressure drop or in a direction parallel to the longitudinal rows 36 from the inlet openings 24 to the outlet openings 26. The fluid flows around and below or through the turns 32,34. This causes turbulence and reduces the formation of a boundary layer, which increases the heat transfer coefficient.
However, the pressure gain zones 40 allow pressure to be gained to reduce the flow resistance or pressure drop in the fluid flowing from the inlet openings 24 to the outlet openings 26.
In the turbulence generator 30, the windings 32, 34 are aligned in the direction of the low pressure drop or in the transverse direction. Likewise, the pressure gain zones 40 are aligned in the direction of the low pressure drop or in the transverse direction in order to form neutral channels 40 ′. The pressure gain zones 40 therefore form continuous neutral channels 40 'in the direction of the low pressure drop. These neutral channels 40 'also create surfaces that can be used to eject the turbulence generator from the molds used to manufacture it.
The width of the serpentine rows 36 is preferably as narrow as is still practical for tool design and maintenance. The preferred minimum width for automotive cooling purposes is about 0.5 mm. The maximum width is usually no more than ten times the minimum width. The maximum width is typically about 5 mm. The longitudinal extent of the pressure gain zones 40 ranges from about 5% of the longitudinal distance (from center line to center line) between the turns 32, 34 to about 75% of the distance between any two successive turns 32, 34. A preferred range is between 0.5 mm and approximately 1.25 cm or between approximately 40% and 50% of the distance from the center line to the center line between successive turns 32, 34 in the longitudinal direction.
The height of the turns 32, 34 above or below the central area containing the pressure gain zones 40 depends on the thickness of the material used for the turbulence generator 30. This height is usually not less than the material thickness and typically ranges from this minimum to about ten times the material thickness when aluminum is used for the turbulence generator 30. A good range is between 0.25 mm and 1.25 cm.
The length of the turns 32, 34 is normally about twice the height of the turns. The height usually ranges from about two times the material thickness to about twenty times the material thickness. A good range is between 0.5 mm to about 2.5 cm.
FIGS. 5, 6 and 7 show a turbulence generator 45 which is similar to the turbulence generator 30 except for the following points. In the turbulence generator 45, the turns 32, 34 in
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the direction of the low pressure drop or in the transverse direction. I.e. turns 32, which extend above the central surface, lie in adjacent longitudinal rows 36 and not on the same transverse line as turns 34, which extend below the central surface. The turns 32, 34 are in the same line in every other row of turns, but could also be staggered if desired. The material thickness and the dimensions of the windings 32, 34 and the pressure gain zone 40 are similar to those that are present in the turbulence generator 30 of FIG. 2.
FIGS. 8, 9 and 10 show a turbulence generator 50 in which the windings are offset in the direction of the low pressure drop or in the transverse direction. In turbulence generator 50, all pressure gain zones 40 are contained in a common reference plane 52 (see FIG. 9), and all windings 54 extend in the same direction relative to this reference plane 52. In all other aspects, turbulence generator 50 is similar to turbulence generators 30 and 45.
FIGS. 11, 12 and 13 show a turbulence generator 55 which is most similar to the turbulence generator 30 of FIG. 2, with the exception that the windings 32, 34 are also interrupted in the direction of the low pressure drop by additional pressure generation zones 56 to form between some of the rows of turns 36. In fact, the pressure gain zones 56 extend in the longitudinal direction over the full length of the turbulence generator 55 in order to form longitudinal neutral channels 58 in the direction of the high pressure drop or in the longitudinal direction of the turbulence generator 55. For manufacturing reasons, the width of the neutral channels 58 is preferably approximately equal to the width of the rows of turns 36.
In the turbulence generator 55, the windings 32, 34 are aligned in the direction of the low pressure drop or in the transverse direction, but could also be offset from one another. If the windings 32, 34 are oriented in the direction of the low pressure drop or in the transverse direction, it is understood that the pressure-gain zones 40 are aligned to create neutral transverse channels 59 in the direction of the low pressure drop, and the pressure-gain zones 56 are aligned to create neutral longitudinal channels 58 in the direction of the high pressure drop. If the turns 32, 34 were offset, only neutral longitudinal channels 58 would be formed. In all other aspects, the turbulence generator 55 is similar to the turbulence generators 30, 45 and 50.
FIGS. 14, 15 and 16 show a turbulence generator 60 in which the windings 32, 34 are interrupted only in the direction of the low pressure drop or in the transverse direction and only between a few rows 36 of windings. These interruptions form pressure gain zones 61 in the form of neutral longitudinal channels 62. In all other aspects, the turbulence generator 60 is similar to the turbulence generators 30, 45, 50 and 55. FIGS. 14 to 16 show how the turbulence generator 60 is cut to its length in the middle of the turns 32, 34. This is shown for illustrative purposes only. In practice, the turbulence generators would normally be cut to length between the turns, as is the case in Figures 1-13.
Of course, various modifications can be made to the structures described above. For example, instead of pairs of plates 12, flat or elongated tubes can be used continuously as tubular elements that form the flow passages containing turbulence generators. In this case, turbulence generators 18 would be inserted in the longitudinal direction in one end of the pipes. In the case of the turbulence generators 18, rounded turns 32, 34 with different radii of curvature are shown in the drawing. These windings can take on any configuration, for example semicircular, sinusoidal, trapezoidal or even V-shaped, if desired.
In the heat exchanger 10 shown in FIG. 1, the turbulence generator 18 is oriented such that the flow takes place in the direction of the high pressure drop or in the longitudinal direction. However, the turbulence generator could be rotated 90 so that the flow from inlet 24 to outlet 26 is in the direction of the low pressure drop if desired. Furthermore, it goes without saying that different features of the turbulence generators 30, 45, 50, 55 and 60 can be mixed with one another and adapted to one another, or a combination of these features could be used in the same turbulence generator. Any given heat exchanger could also have any turbulence generator, as described above, or a combination thereof. Further modifications to the structure described above are obvious to the person skilled in the art.