EP1118831A2 - Finned heat transfer wall - Google Patents
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- EP1118831A2 EP1118831A2 EP00810953A EP00810953A EP1118831A2 EP 1118831 A2 EP1118831 A2 EP 1118831A2 EP 00810953 A EP00810953 A EP 00810953A EP 00810953 A EP00810953 A EP 00810953A EP 1118831 A2 EP1118831 A2 EP 1118831A2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
- F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
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- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
Definitions
- the invention relates to a device for cooling a flow channel surrounding flow channel wall with at least one, in a through the Flow medium passing through flow channel inducing flow eddies Rib train on the side of the flow channel wall facing the flow channel is attached and has a main longitudinal extension, which in an angle ⁇ ⁇ 0 to the direction of flow of that passing through the flow channel Flow medium is oriented.
- inside turbine blades or cooling channels are provided along the combustion chamber walls, through which relatively cold air is fed in compared to the temperature of the hot gases.
- relatively cold air is fed in compared to the temperature of the hot gases.
- some of the compressed air is discharged from the air compressor and into the Cooling channels fed.
- the cooling duct 1 shown in the exemplary embodiment according to FIG. 2 has a square cross section and is therefore surrounded by four cooling duct walls of equal length.
- Two opposite cooling channel walls 2, 3 are provided with rib trains 4 arranged one behind the other in the longitudinal direction of the cooling channel.
- the cooling air flow now passes axially through the cooling channel 1, then a flow profile is formed by the ribs 4 in the flow cross section of the coolant flow, which provides two secondary vortices 5, 6.
- the secondary vortices 5, 6 in turn lead to a turbulent mixing of the boundary layer directly above the inner wall of the cooling duct, which results in an improved exchange of cooling air on the inner wall of the cooling duct and a greater heat flow from the inner wall of the cooling duct to the cooling air flow.
- the invention has for its object a device for cooling a Flow channel wall surrounding the flow channel with at least one, in one fluid flowing through the flow channel inducing rib train, on the side facing the flow channel of the Flow channel wall is attached and has a main longitudinal extension, which in an angle ⁇ ⁇ 0 ° to the direction of flow of that passing through the flow channel Flow media is oriented to develop such that the cooling effect the device should be increased significantly without sacrificing manufacturing technology Expenditure compared to conventional measures significantly increase.
- the improvements should make it possible to increase the cooling capacity by to improve cooling air flow passing through a flow channel, so that a further increase in performance due to increased process temperatures within the gas turbine plant becomes possible.
- the invention is a device according to the preamble of claim 1 further developed in such a way that the rib train at least along the main longitudinal extent partially has rib pull sections, the rib pull section axes of which the main longitudinal extension includes an angle ⁇ ⁇ 0 °.
- the invention is based on the known finding that preferably at an angle to The main flow within a cooling channel ribs that run schematically Generate secondary vortex shown in Figure 2, through the cool air from the Center of the cooling channel is transported to the hot cooling channel inner walls to cool them effectively.
- the invention provides for the rib elements to be curved around them Form the longitudinal axis of the ribs so that they have, for example, a serpentine shape assume that can be carried out in many ways.
- a particularly preferred one Embodiment consists in the sinusoidal design of the rib elements, wherein the main orientation of the rib element relative to the main flow as in the known rectilinear rib elements, preferably 45 ° relative to the main flow direction, is retained.
- the ribs according to the invention there are in particular two Advantages connected, namely a largely unchanged formation of secondary vertebrae, for an active mixing of the boundary layer near the cooling channel inner wall surface leads. It is also provided by the along the ribs curved sections created a larger surface of the ribs, which increases the heat transfer surface. Provided, that due to the geometric modification of the fins, the heat transfer coefficient compared to the conventional, straight rib elements remains largely unchanged, what can be assumed, increases with the increased heat transfer surface noticeably the heat exchange between the hot cooling channel inner walls and those flowing through the cooling channel Cooling air on.
- FIG. 1 shows the top view of a cooling channel inner wall in a highly schematic manner 3 shown, on the sides facing the cooling duct curved Ribs 4 are provided.
- the rib trains 4 are curved in the illustrated case formed, for example in the manner of a sinusoidal wave train.
- FIG. 3 a - d different ribbed courses are now shown in their heat transfer properties are compared.
- Figure 3a the conventional ribbed course shown, which is often in a known manner in Cooling channels is used.
- 3b shows sinusoidal ribs
- Figure 3c shows ribs which are composed of semicircular segments
- FIG. 3d shows ribbed lines that run over semicircle segments and these over straight lines connecting rib pull sections are composed. All in the figures 3a-d shown ribs have otherwise the same rib heights and are each provided on two opposing cooling channel walls the cooling air flows.
- Figures 4a and 4b are perspective cross-sectional views through a shown square-shaped cooling channel, as it were according to the representation Figure 2, but in Figures 4a, b, the ribs 4 are according to the invention executed curved. Ribs 4 run in the exemplary embodiment according to FIG Figure 4a sinusoidal, whereas the ribs according to 4b from a series consists of semicircular sections, each over rectilinear Rib tension sections are interconnected.
Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenzug, der an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strömungskanalwand angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung aufweist, die in einem Winkel α≠0 zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal hindurchtretenden Strömungsmediums orientiert ist.The invention relates to a device for cooling a flow channel surrounding flow channel wall with at least one, in a through the Flow medium passing through flow channel inducing flow eddies Rib train on the side of the flow channel wall facing the flow channel is attached and has a main longitudinal extension, which in an angle α ≠ 0 to the direction of flow of that passing through the flow channel Flow medium is oriented.
Die Leistungssteigerung von Gasturbinenanlagen und der Wunsch nach höheren Wirkungsgraden ist eng verknüpft mit der Forderung nach höheren Prozesstemperaturen, die sich durch die Verbrennung eines Brennstoff- Luftgemisch innerhalb der Brennkammer einstellen. Der Wunsch nach höheren Prozesstemperaturen, dem man mit heutigen Verbrennungstechniken durchaus gerecht werden kann, stößt jedoch seinerseits an Materialgrenzen aufgrund der nur thermisch begrenzt belastbaren Anlagenkomponenten, die den durch die Verbrennung innerhalb der Brennkammer entstehenden Heißgasen unmittelbar ausgesetzt sind. Um einerseits die Prozesstemperaturen zu erhöhen und somit den thermodynamischen Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage zu steigern aber trotzdem unterhalb des thermischen Schmelzpunktniveaus der jeweiligen Materialien zu liegen, aus denen die einzelnen Gasturbinenanlagenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufelblätter, Brennkammerwände, etc., gefertigt sind, werden in an sich bekannter Weise jene thermisch stark belasteten Anlagenkomponenten mittels unterschiedlich ausgebildeter Kühlkanalsysteme gekühlt. Typischerweise werden im Inneren von Turbinenschaufeln oder entlang der Brennkammerwände Kühlkanäle vorgesehen, durch die, verglichen mit der Temperatur der Heissgase relativ kalte Luft eingespeist wird. Beispielsweise werden durch die, der Verdichterstufen nachgeschalteten Kühlkanalsysteme ein Teil der komprimierten Luft aus dem Luftverdichter abgeleitet und in die Kühlkanäle eingespeist.The performance increase of gas turbine plants and the desire for higher ones Efficiency is closely linked to the demand for higher process temperatures, caused by the combustion of a fuel-air mixture within the Adjust the combustion chamber. The desire for higher process temperatures, the one can do justice with today's combustion techniques, but comes across in turn, at material boundaries due to the limited thermal load Plant components caused by combustion within the combustion chamber resulting hot gases are immediately exposed. On the one hand, the process temperatures to increase and thus the thermodynamic efficiency of a To increase gas turbine plant but still below the thermal Melting point levels of the respective materials to make up the individual Gas turbine system components, such as turbine blades, Combustion chamber walls, etc., are manufactured in a manner known per se system components subject to high thermal loads by means of differently trained Cooling channel systems cooled. Typically, inside turbine blades or cooling channels are provided along the combustion chamber walls, through which relatively cold air is fed in compared to the temperature of the hot gases. For example through the cooling duct systems downstream of the compressor stages some of the compressed air is discharged from the air compressor and into the Cooling channels fed.
Um den Kühleffekt innerhalb der Kühlkanäle zu verbessern, ist es überdies bekannt,
an den Kühlkanalinnenwandseiten, über die Innenwand erhabene Rippenzüge anzubringen,
durch die der Wärmeaustausch zwischen der warmen Kühlkanalwand und
dem Kühlluftstrom entscheidend verbessert werden kann. Die dem Vorsehen von
Kühlrippen zugrunde liegende Idee besteht in der Ausbildung Kühlkanalwand naher
Wirbel, durch die der Kühlluftmassenstrom, der mit der Kühlkanalinnenwand in thermischen
Kontakt tritt, entscheidend erhöht werden kann. So bilden sich innerhalb des
Kühlluftstromes, der axial durch den Kühlkanal gerichtet ist, sogenannte Sekundärwirbel
aus, die Wirbelströmungskomponenten aufweisen, die senkrecht zu den Kühlkanalwänden
gerichtet sind. Die Ausbildung derartiger Sekundärwirbel ist in Figur 2
illustriert, in der ein perspektivischer Querschnitt durch einen an sich bekannten
Kühlkanal 1 gezeigt ist. Der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 dargestellte
Kühlkanal 1 weist einen quadratischen Querschnitt auf und ist deshalb von vier
gleich langen Kühlkanalwänden umgeben. Zwei sich gegenüberliegende Kühlkanalwände
2, 3 sind dabei mit jeweils in Kühlkanallängsrichtung hintereinander angeordneten
Rippenzügen 4 versehen. Die als geradlinig ausgebildete und einen rechteckförmigen
Querschnitt aufweisende Rippenzüge 4 verlaufen vorzugsweise schräg zur
Längserstreckung des Kühlkanals 1 und schließen mit der Kühlkanallängsachse A
einen Winkel α von etwa 45° ein. Tritt nun der Kühlluftstrom axial durch den Kühlkanal
1 hindurch, so bildet sich durch die Rippenzüge 4 im Strömungsquerschnitt des
Kühlmittelstromes ein Strömungsprofil aus, das zwei Sekundärwirbel 5, 6 vorsieht.
Die Sekundärwirbel 5, 6 führen ihrerseits zu einer turbulenten Durchmischung der
Grenzschicht unmittelbar über der Kühlkanalinnenwand, wodurch ein verbesserter
Kühlluftaustausch an der Kühlkanalinnenwand stattfindet und sich ein größerer
Wärmefluss von der heißen Kühlkanalinnenwand auf den Kühlluftstrom ergibt. Basierend
auf dieser Erkenntnis wurden viele Studien angestellt, die sich mit dem Einfluss
der Änderung von, die Rippenzüge bestimmende Parameter auf die Wärmeübergangseffizienz
beziehen, wie Änderungen von Rippenzughöhe, Rippenzugabstand,
Rippenausrichtung relativ zur Kühlkanallängsachse, Reynolds- und Prandlzahl, Kühlkanalaspektverhältnis,
etc.. Diesbezügliche Untersuchungen beschränkten sich jedoch
lediglich auf geradlinig verlaufende Rippenzüge.In order to improve the cooling effect within the cooling ducts, it is also known to attach ribs raised above the inner wall to the inside of the cooling duct wall, by means of which the heat exchange between the warm cooling duct wall and the cooling air flow can be decisively improved. The idea underlying the provision of cooling fins consists in the formation of vortices near the cooling duct wall, by means of which the cooling air mass flow, which comes into thermal contact with the cooling duct inner wall, can be decisively increased. So-called secondary vortices are formed within the cooling air flow, which is directed axially through the cooling channel, which have vortex flow components that are directed perpendicular to the cooling channel walls. The formation of such secondary vertebrae is illustrated in FIG. 2, in which a perspective cross section through a
The
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Kühlung einer, einen Strömungskanal umgebenden Strömungskanalwand mit wenigstens einem, in ein durch den Strömungskanal hindurchtretendes Strömungsmedium Strömungswirbel induzierenden Rippenzug, der an der, dem Strömungskanal zugewandten Seite der Strömungskanalwand angebracht ist und eine Hauptlängserstreckung aufweist, die in einem Winkel α≠0° zur Strömungsrichtung des durch den Strömungskanal hindurchtretenden Strömungsmedien orientiert ist, derart weiterzubilden, dass die Kühlwirkung der Vorrichtung erheblich gesteigert werden soll ohne dabei den fertigungstechnischen Aufwand verglichen mit konventionellen Maßnahmen entscheidend zu erhöhen. Durch die Verbesserungen soll es möglich sein, die Kühlleistung der durch einen Strömungskanal hindurchtretenden Kühlluftstrom zu verbessern, so dass eine weitere Leistungszunahme durch erhöhte Prozesstemperaturen innerhalb der Gasturbinenanlage möglich wird.The invention has for its object a device for cooling a Flow channel wall surrounding the flow channel with at least one, in one fluid flowing through the flow channel inducing rib train, on the side facing the flow channel of the Flow channel wall is attached and has a main longitudinal extension, which in an angle α ≠ 0 ° to the direction of flow of that passing through the flow channel Flow media is oriented to develop such that the cooling effect the device should be increased significantly without sacrificing manufacturing technology Expenditure compared to conventional measures significantly increase. The improvements should make it possible to increase the cooling capacity by to improve cooling air flow passing through a flow channel, so that a further increase in performance due to increased process temperatures within the gas turbine plant becomes possible.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.
Die im Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand
der Unteransprüche sowie der Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
zu entnehmen.The solution to the problem underlying the invention is specified in
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1
derart weitergebildet, dass der Rippenzug entlang der Hauptlängserstreckung wenigstens
teilweise Rippenzugabschnitte aufweist, deren Rippenzugabschnittsachsen mit
der Hauptlängserstreckung einen Winkel β≠0° einschließt. According to the invention is a device according to the preamble of
Die Erfindung knüpft an der bekannten Erkenntnis an, dass vorzugsweise schräg zur Hauptströmung innerhalb eines Kühlkanals verlaufende Rippenzüge die schematisch in Figur 2 dargestellten Sekundärwirbel generieren, durch die kühle Luft aus dem Zentrum des Kühlkanals an die heißen Kühlkanalinnenwände transportiert wird, um diese effektiv zu kühlen. Im Unterschied zu den bislang geradlinig verlaufenden Rippenelementen sieht die Erfindung vor, die Rippenelemente derart gekrümmt um ihre Rippenlängsachse auszubilden, so dass sie beispielsweise eine Schlangenlinienform annehmen, die in vielfacher Weise ausgeführt sein kann. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht in der sinusförmigen Ausbildung der Rippenelemente, wobei die Hauptausrichtung des Rippenelementes relativ zur Hauptströmung wie bei den bekannten geradlinig ausgebildeten Rippenelementen, vorzugsweise 45° relativ zur Hauptströmungsrichtung, erhalten bleibt.The invention is based on the known finding that preferably at an angle to The main flow within a cooling channel ribs that run schematically Generate secondary vortex shown in Figure 2, through the cool air from the Center of the cooling channel is transported to the hot cooling channel inner walls to cool them effectively. In contrast to the previously straight rib elements The invention provides for the rib elements to be curved around them Form the longitudinal axis of the ribs so that they have, for example, a serpentine shape assume that can be carried out in many ways. A particularly preferred one Embodiment consists in the sinusoidal design of the rib elements, wherein the main orientation of the rib element relative to the main flow as in the known rectilinear rib elements, preferably 45 ° relative to the main flow direction, is retained.
Auch eignen sich eine Vielzahl unmittelbar aneinandergereihter Halbkreisabschnitte für die Bildung erfindungsgemäß ausgebildeter Rippenzuggeometrien. Für weitere, mögliche Rippenzugausbildungen wird auf die Ausführungsbeispiele bezugnehmend auf die Figuren verwiesen.A large number of semicircular sections directly lined up are also suitable for the formation of ribbed geometries designed according to the invention. For further, possible rib train designs will refer to the exemplary embodiments referred to the figures.
Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung der Rippenzüge sind insbesondere zwei Vorteile verbunden, nämlich eine-weitgehend unveränderte Ausbildung von Sekundärwirbeln, die zu einer aktiven Durchmischung der Grenzschicht nahe der Kühlkanalinnenwandoberfläche führt. Ferner wird durch die entlang der Rippenzüge vorgesehenen gekrümmten Abschnitte eine größere Oberfläche der Rippenzüge geschaffen, wodurch die Wärmeübergangsoberfläche ansteigt. Unter der Voraussetzung, dass durch die geometrische Modifikation der Rippenzüge der Wärmeübergangskoeffizient verglichen mit den konventionell, geradlinig ausgebildeten Rippenelementen weitgehend unverändert bleibt, wovon man ausgehen kann, so steigt mit der erhöhten Wärmeübergangsoberfläche merklich der Wärmeaustausch zwischen den heißen Kühlkanalinnenwänden und der durch den Kühlkanal hindurchströmenden Kühlluft an. With the design of the ribs according to the invention there are in particular two Advantages connected, namely a largely unchanged formation of secondary vertebrae, for an active mixing of the boundary layer near the cooling channel inner wall surface leads. It is also provided by the along the ribs curved sections created a larger surface of the ribs, which increases the heat transfer surface. Provided, that due to the geometric modification of the fins, the heat transfer coefficient compared to the conventional, straight rib elements remains largely unchanged, what can be assumed, increases with the increased heat transfer surface noticeably the heat exchange between the hot cooling channel inner walls and those flowing through the cooling channel Cooling air on.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch. Es zeigen:
- Fig. 1
- schematisierte Draufsicht auf eine Kühlkanalinnenwand mit erfindungsgemäß ausgebildeten Rippenzügen,
- Fig. 2
- perspektivische Querschnittsdarstellung durch einen Kühlkanal mit Strömungsprofil (Stand der Technik),
- Fig. 3a -d
- unterschiedliche Ausführungsformen zu Rippenzügen,
- Fig. 4a, b
- perspektivische Querschnittsdarstellungen durch Kühlkanäle mit erfindungsgemäß ausgebildeten Rippenzügen sowie
- Fig. 5a -e
- schematisierte Darstellungen zum Verlauf weiterer Rippenzüge.
- Fig. 1
- Schematic plan view of a cooling channel inner wall with ribs designed according to the invention,
- Fig. 2
- perspective cross-sectional view through a cooling channel with flow profile (prior art),
- 3a-d
- different types of ribs,
- 4a, b
- perspective cross-sectional views through cooling channels with ribs according to the invention and
- 5a-e
- schematic representations of the course of further ribs.
In Figur 1 ist in stark schematisierter Weise die Draufsicht auf eine Kühlkanalinnenwand
3 dargestellt, an deren dem Kühlkanal zugewandten Seiten geschwungen ausgebildete
Rippenzüge 4 vorgesehen sind. Die Rippenzüge 4 sind ebenso wie im bekannten
Fall gemäß der Figur 2 schräg zur Hauptströmungsrichtung 7 ausgerichtet
und schließen mit dieser vorzugsweise einen Winkel von α = 45° ein. Relativ zu ihrer
Rippenzuglängsachse 8 sind die Rippenzüge 4 im dargestellten Fall geschwungen
ausgebildet, beispielsweise in Art eines sinusförmigen Wellenzuges.FIG. 1 shows the top view of a cooling channel inner wall in a highly
Durch den welligen Verlauf jedes einzelnen Rippenzuges wird automatisch die Oberfläche
jedes einzelnen Rippenzuges vergrößert, über die ein Wärmeaustausch von
der heißen Kanalinnenwand 3 zur Kühlluft stattfinden kann. Unter Bezugnahme auf
die Figuren 3 a - d wird gezeigt, welchen Einfluss die Form der einzelnen Rippenzüge
auf den gesamten Wärmeaustausch innerhalb des jeweiligen Kühlkanals hat. Im
folgenden wird davon ausgegangen, dass die Rippenzüge 4 in einer 45° Geometrie
relativ zur Hauptströmungsrichtung 7 ausgerichtet sind. Die Rippenzüge selbst weisen
eine Rippenhöhe von etwa 10% der Kühlkanalhöhe auf, was dem hydraulischen
Durchmesser des Kühlkanals entspricht. Ebenso beträgt das Verhältnis zwischen
Abstand zweier benachbarten Rippenzüge zu ihrer Höhe 10. Die folgenden in den
Figuren 3 a - d dargestellten, unterschiedlichen Rippenzugverläufen sollen nun in
ihren Wärmeübergangseigenschaften miteinander verglichen werden. In Figur 3a ist
der konventionelle Rippenzugverlauf dargestellt, der vielfach in bekannter Weise in
Kühlkanälen zu Einsatz kommt. Figur 3b zeigt sinusförmig ausgebildete Rippenzüge,
Figur 3c stellt Rippenzüge dar, die aus Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind
und Figur 3d zeigt Rippenzüge, die über Halbkreissegmente sowie diese über geradlinig
verbindende Rippenzugabschnitte zusammengesetzt sind. Alle in den Figuren
3a - d dargestellten Rippenzüge weisen ansonsten gleiche Rippenhöhen auf und
sind jeweils an zwei sich gegenüberliegenden Kühlkanalwänden vorgesehen, über
die Kühlluft strömt.Due to the undulating course of each individual rib line, the surface is automatically
every single fins, through which a heat exchange of
the hot duct
In der zu den Figuren 3a - b zugehörigen Tabelle T sind Rechnungsergebnisse dargestellt, die den Zusammenhang zwischen unterschiedlichen ausgebildeten Rippenzuggeometrien auf den im Inneren des Kühlkanals stattfindenden Wärmeübergangs darstellen sollen. So stellt die Spalte a den Faktor der Zunahme an Rippenoberfläche dar im Vergleich zu einer geradlinig verlaufenden Rippe gemäß Figur 3a. Die mittlere Spalte b enthält den prozentualen Faktor bezüglich der Oberflächenzunahme bezogen auf den gesamten Kühlkanal und aus der rechten Spalte c ist die prozentuale Zunahme am Wärmeübergang dargestellt verglichen mit den in Figur 3a dargestellten Rippenzügen. Die einzelnen Tabellenzeilen sind den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 b, c und d zugeordnet.Calculation results are shown in table T associated with FIGS. 3a-b, the relationship between different ribbed geometries on the heat transfer taking place inside the cooling duct should represent. Column a represents the factor of the increase in the surface of the ribs represents in comparison to a rectilinear rib according to Figure 3a. The middle Column b contains the percentage factor related to the surface increase on the entire cooling channel and from the right column c is the percentage Increase in heat transfer shown compared to that shown in Figure 3a Ribs. The individual table lines are the exemplary embodiments of the Figures 3 b, c and d assigned.
Es zeigt sich, dass der Wärmeübergang entscheidend positiv beeinflusst werden kann, indem die Oberfläche der Rippenelemente vergrößert wird. So ist im Falle der Rippenelemente gemäß der Ausbildung in Figur 3d zu sehen, dass eine Wärmeübergangszunahme von 21,4% zu verzeichnen ist, verglichen zu den geradlinig ausgebildeten Rippenelementen gemäß Figur 3a. Grundsätzlich lassen sich beliebig weitere Rippengeometrien ausgestalten, die über eine ihre Oberfläche vergrößernde Kontur verfügen. It turns out that the heat transfer can be influenced positively can by increasing the surface of the rib elements. This is the case with the Rib elements according to the design in Figure 3d see that an increase in heat transfer of 21.4% compared to those with a straight line Rib elements according to Figure 3a. Basically, any design further rib geometries that increase their surface area Contour.
In den Figuren 4a und 4b sind perspektivische Querschnittsdarstellungen durch einen
quadratisch ausgebildeten Kühlkanal dargestellt, gleichsam der Darstellung gemäß
Figur 2, jedoch sind in den Figuren 4a, b die Rippenzüge 4 erfindungsgemäß
gekrümmt ausgeführt. So verlaufen die Rippenzüge 4 im Ausführungsbeispiel gemäß
Figur 4a sinusförmig, wohingegen die Rippenzüge gemäß 4b aus einer Aneinanderreihung
von Halbkreisabschnitten besteht, die jeweils über geradlinig verlaufende
Rippenzugabschnitte miteinander verbunden sind.In Figures 4a and 4b are perspective cross-sectional views through a
shown square-shaped cooling channel, as it were according to the representation
Figure 2, but in Figures 4a, b, the
In Gegenüberstellung der beiden Rippenformen gemäß Figur 4a und b ist festzustellen,
dass im Falle der sinusförmig ausgebildeten Rippen (Figur 4a) Sekundärwirbel
5, 6 gebildet werden, die nahezu die gleiche Wirbelstärke aufweisen, wie es beispielsweise
im Kühlkanal gemäß Figur 2 der Fall ist. Es zeigt sich jedoch, dass die
Stärke der Ausbildung von Sekundärwirbeln innerhalb eines Kühlkanals bei Rippenzügen
abnimmt, deren Welligkeit und somit deren Rippenoberfläche größer wird. Aus
dem Querschnittsprofil gemäß Figur 4b kann entnommen werden, dass die Sekundärwirbelstärke
schwächer ausgebildet ist, als im Falle gemäß Figur 4a, doch sind
auch in Figur 4b Sekundärwirbel (siehe Pfeil) vorhanden, die einen erhöhten Wärmeübergang
zwischen dem Kühlmedium Luft und den heißen Kammerwänden zur
Folge haben.Contrasting the two rib shapes according to FIGS. 4a and b,
that in the case of sinusoidal ribs (Figure 4a)
Neben den dargestellten Rippenzuggeometrien sind auch beliebig weitere Rippenzuggeometrien relativ zu ihrer Rippenlängsachse denkbar, wie es aus den Figuren 5a - e zu entnehmen ist. In den einzelnen Darstellungen ist der Verlauf der Rippenzuglängsachse sitrichliert eingezeichnet. Die durchgezogene Linie stellt schematisiert den Verlauf des Rippenzuges dar. Neben den geschwungen ausgebildeten Rippenzügen der Figuren 3b - d sind gemäß den Figuren 5a, b und c auch kantig bzw. eckige Rippenzuggeometrien denkbar, die einen ähnlichen, den Wärmeübergang verbessernden Effekt zur Folge haben. Die Figuren 5d und e zeigen hingegen geschwungen bzw. gebogen verlaufende Rippenzüge relativ zu ihrer gestrichelt eingezeichneten Rippenzuglängsachse. In addition to the ribbed geometries shown, there are also any other ribbed geometries conceivable relative to their longitudinal axis of the ribs, as shown in the figures 5a - e can be seen. The course of the rib longitudinal axis is in the individual representations drawn in sitrichlated. The solid line represents schematized the course of the ribbed train. In addition to the curved ribbed trains of Figures 3b - d are also angular or angular according to Figures 5a, b and c Rib tensile geometries conceivable that have a similar heat transfer that improves heat transfer Effect. Figures 5d and e, however, show curved or curved ribs relative to their dashed lines Rib longitudinal axis.
- 11
- KühlkanalCooling channel
- 2, 32, 3
- KühlkanalwandCooling duct wall
- 44th
- RippenzugRib train
- 5, 65, 6
- SekundärwirbelSecondary vertebrae
- 77
- StrömungsrichtungFlow direction
- 88th
- RippenzuglängsachseRib longitudinal axis
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenzug (4) entlang der Hauptlängserstrekkung (8) wenigstens teilweise Rippenzugabschnitte aufweist, deren Rippenzugabschnittsachsen mit der Hauptlängserstreckung (8) einen Winkel β#0° aufweist.Device for cooling a flow channel wall (2, 3) surrounding a flow channel (1) with at least one rib swirl (4) inducing flow vortices in a flow medium flowing through the flow channel (1), on the side of the flow channel (1) facing the flow channel (1) Flow channel wall (2, 3) is attached and has a main longitudinal extension (8) which is oriented at an angle α ≠ 0 ° to the flow direction of the flow medium passing through the flow channel (1),
characterized in that the rib train (4) along the main longitudinal extension (8) at least partially has rib train sections whose rib train section axes have an angle β # 0 ° with the main longitudinal extension (8).
dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenzugabschnitte sinusförmig ausgebildet sind.Device according to claim 1,
characterized in that the rib pull sections are sinusoidal.
dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenzugabschnitte aus aneinandergereihten Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind.Device according to claim 1,
characterized in that the rib pull sections are composed of strung together semicircle segments.
dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenzugabschnitte aus Halbkreissegmenten zusammengesetzt sind, die jeweils über geradlinig verlaufende Rippenverbindungsstücke miteinander verbunden sind.Device according to claim 1,
characterized in that the rib pulling sections are composed of semicircular segments which are each connected to one another via rectilinear rib connecting pieces.
dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (1) einen rechteckförmigen oder quadratischen Strömungsquerschnitt aufweist und von vier Strömungskanalwandseiten begrenzt ist. Device according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the flow channel (1) has a rectangular or square flow cross section and is delimited by four flow channel wall sides.
dadurch gekennzeichnet, dass an zwei gegenüberliegenden Strömungskanalwandseiten (2, 3) Rippenzüge (4) vorgesehen sind, die in Strömungsrichtung jeweils einer Vielzahl hintereinander, jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind.Device according to claim 5,
characterized in that ribs (4) are provided on two opposite flow channel wall sides (2, 3), each of which is arranged one behind the other in the flow direction, each spaced apart.
dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenzug (4) über eine gesamte Strömungskanalwandseite (2, 3), die beidseitig von zwei Strömungskanalwandseiten begrenzt ist, verläuft.Apparatus according to claim 5 or 6,
characterized in that the rib train (4) extends over an entire flow channel wall side (2, 3) which is delimited on both sides by two flow channel wall sides.
dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Rippenzug (4) aus Rippenzugabschnitten besteht, die Rippenzugabschnittsachsen aufweisen , die mit der Hauptlängserstreckung einen Winkel β≠0 einschließen.Device according to one of claims 1 to 7,
characterized in that the entire rib train (4) consists of rib train sections which have rib train section axes which form an angle β ≠ 0 with the main longitudinal extent.
dadurch gekennzeichnet, dass α etwa 45° beträgt.Device according to one of claims 1 to 8,
characterized in that α is approximately 45 °.
dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenzug (4) eine Rippenhöhe aufweist, die in etwa 10 % der Länge einer Strömungskanalwandseite entspricht.Device according to one of claims 5 to 9,
characterized in that the rib train (4) has a rib height which corresponds to approximately 10% of the length of a flow channel wall side.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19963373A DE19963373A1 (en) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | Device for cooling a flow channel wall surrounding a flow channel with at least one rib train |
| DE19963373 | 1999-12-28 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EP1118831A2 true EP1118831A2 (en) | 2001-07-25 |
| EP1118831A3 EP1118831A3 (en) | 2001-12-12 |
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