CN111795594B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器(1)，其包括第一流体流过的容积(6)，容积中设置具有管体(14)的管束(13)，与第一流体分离的第二流体流过这些管体。在相关联的横截面(12)中，管体(14)的所有外周(24)的总和至少对应于容积(6)的内周(17)的5.5倍，和/或在相关联的横截面(12)中，管体(14)的所有外表面(25)的总和至多对应于容积(6)的内表面(16)的64％，这实现了热交换器(1)效率的提高和/或热交换器(1)重量的减轻。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，特别是用于废气的热交换器，其具有第一流体流过的容积，容积中设置有第二流体流过的管束。
背景技术
热交换器用于第一流体和第二流体之间的热交换。在特定的应用中，希望在这种热交换器中使用管束。这种也称为管束热交换器的热交换器具有包括多个管体的管束。管束布置在由外壳限定的容积内，其中第一流体流过容积，而与第一流体流体分离的第二流体流过管体，从而在热交换器操作期间，流体之间发生热交换。
为了提高这种热交换器的效率，在已知技术中，设置进入管体中的称为小翼的元件。小翼使相关的管体内的第二流体形成湍流，从而改善第二流体与管体之间的热交换，进而改善流体之间的热交换。
为了提高此类热交换器的效率，根据现有技术，例如DE 10 2004 045 923 A1和DE10 2005 029 321 A1，优化小翼在各管体中的布置和/或设置。小翼的设置和布置的优化可能性是有限的，因为这会影响流动横截面。此外，如果小翼直接形成在相关联的管体上，则管体的壁厚和制造小翼期间造成的材料变薄同样形成对小翼的设置和布置的限制。
因此，本发明的目的是提供开头提到的类型的热交换器的改进的实施例，或者至少是其他的实施例，其优点在于热交换器的更高效率和/或更轻重量。
发明内容
本发明的目的是通过独立权利要求1的内容来解决。优选的实施方案是从属权利要求的内容。
本发明基于这样的理念，即在包括第一流体流过的容积的热交换器中设置包括多个管体的管束，管体由第二流体流过，管体的外侧表面与容积使得所有外部侧表面(也称为外表面)之和相对容积增大，以及因此管体的总外表面相对于容积增大。令人惊讶的是认识到，减少各个管体的尺寸和管体相互之间相应的设置导致管体总外表面的增加。这又改善了流体之间的传热，从而提高了热交换器的效率。此外，采用这样的管体导致管束重量的减少，从而减轻了热交换器的重量。
根据本发明的构思，热交换器有一个外壳，外壳沿长度方向、横向于长度方向的宽度方向、以及在横向于长度方向和横向于宽度方向的高度方向延伸，并且限定容积，在操作期间第一流体流过该容积。此外，热交换器具有管束，因此可以称为管束热交换器。管束具有多个管体，这些管体设置在容积中并且沿长度方向延伸。在操作中，与第一流体流体分离的第二流体流经管体，从而在热交换器运行中发生两个流体之间的热交换。热交换器沿长度方向具有多个横截面，这些横截面由宽度方向和高度方向限定。在各个横截面中容积包含内表面和内周。此外，各个管体在各横截面中具有一个外表面和外周。在沿长度方向延伸的、包含热交换器的多个横截面的至少一个部分中，优选是沿着整个管束，管体的外周之和与各相关联的横截面中的容积的内周之间的比值最少是5.5和/或在该部分中，容积的每个内表面由管体的所有外表面的总外表面覆盖64％。在各个横截面中，容积的内表面最多由管体的外表面覆盖64％，和/或在横截面中管体的外周最少是容积的内周的5.5倍。这是适合的，使得管体限定操作期间内表面的由第一流体流经的剩余横截面，从而第一流体能够优选地在长度方向上流过各个相关的横截面。
热交换器原则上可在任何用途中使用。热交换器尤其是用于废气的热交换器。借助热交换器尤其实现了废气的冷却，其中所得的热量可用于其他地方。该热交换器尤其是一种废气热交换器。
这里的第一流体可以是冷却剂，例如空气，第二流体可以是废气。各个流体优选沿长度方向流过热交换器。
有利地，热交换器没有安装到管体的外侧的翅片或相似的装置。
各个管体具有沿宽度方向的外部管体宽度和沿高度方向的外部管体高度。
原则上，各个管体可以具有任何形状，并因此具有任意管体高度和管体宽度。
优选实施方案中，管体中的至少一个，优选形成为扁平管的各个管体，其中管体宽度和管体高度彼此不同。特别是，管体宽度大于管体高度。因此，可以提高管束的总外表面，从而提高热交换器的效率。
在优选实施方案中，管束管相似地，特别是相同地形成。除了管束的经济高效的生产外，这还实现了管束的紧凑设计以及管束的外表面的扩大。
与此类似，各个内表面具有沿宽度方向的内表面宽度和沿高度方向的内表面高度。
在优选的实施方案中，至少一部分管体，优选所有管体，在该部分中的，特别优选在该部分的各个横截面中的管体高度对应于表面高度的4.80％至6.90％。特别优选的，管体高度对应于相关联的表面高度的5.00％至6.70％，进一步优选为5.20％至6.50％，特别优选5.20％。这样的管体尺寸证明增大了管体的外表面，同时减轻了管体的重量，从而一方面增加传热表面，另一方面减轻重量。
在此优选的是，在各个横截面中，在高度方向上地布置十个到十二个管体。在高度方向上彼此相邻地布置十二个管体的实施方案证明是特别有利的。
此外或可替代地，至少一部分管体，优选所有管体，在所述部分中的管体宽度，特别优选在所述部分中的各个横截面中的管体宽度对应于相关联的表面宽度的24.00％至24.90％。优选地，管体宽度为相关联的表面宽度的24.70％至24.80％，特别优选地，24.78％。这种构造还导致管束的总外表面的增加以及由此热交换表面的增加，同时减轻了重量。有利地，在宽度方向上彼此相邻地布置三个至五个，优选四个管体。
此外或可替代地，在宽度方向上连续的管体在宽度方向上具有相对彼此的宽度间距，该宽度间距在至少一部分管体，优选所有管体的区域中，对应于相关联的表面宽度的2.00％至3.00％。这意味着，至少一部分管体，优选所有管体，彼此之间具有宽度间距，该宽度间距与相关的表面宽度的比值为2.00％至3.00％。这再次导致管束传热表面的增加和管束重量的减少，同时优化了流过容积的第一流体的流动横截面，从而再次提高了热交换器的效率。宽度间距与相关表面宽度的比值特别优选地为2.10％至2.40％，特别优选地为在相关表面宽度的2.34％。
另外优选的实施方案是，其中管体相对彼此的宽度间距相同，也就是说，在宽度方向上等距布置。
还可以想到的是，在高度方向上连续的管体之间在高度方向上的高度间距对应于相关联的表面宽度的1.80％至2.30％。这意味着，在所述部分中，特别优选在各个横截面中，至少一部分管体，优选所有管体，彼此之间的高度间距对应于相关联的表面宽度的1.80％至2.30％。由此再次增加了管束的热交换表面，又减轻了管束的重量，优化，特别是增加了第一流体可以流过的横截面。在特别优选的实施方式中，高度间距对应于相关联的表面高度的1.95％至2.19％，特别优选地为表面高度的2.11％。另外优选的是，在高度方向上连续的管体彼此之间具有相同的高度间距，即等距布置。
此外或可替代地，各个管体的壁厚对应于相关联的表面宽度的0.48％至0.56％和/或与相关联的表面高度的0.43％至0.50％。以这种方式减轻了管束的重量，同时增加了第一流体可以流过的横截面和/或设置更多数量的管体，从而能够增加管束的热交换。因此提高了热交换器的效率和/或减小了热交换器的重量。
管束的管体优选以行和/或列布置。这意味着管束具有管体的多个在宽度方向上延伸并在高度方向上彼此隔开的行和/或多个在高度方向上延伸并在宽度方向上彼此隔开的列。这使在增加管束的总外表面并减轻管束重量的同时，优化了各可用横截面的使用并因此优化了容积的使用。如所提及的，各个行优选具有三至五个，优选四个管体。各个列有利地具有九到十一个，优选十二个管体。
原则上，各个管体具有平坦和/或光滑的内表面和/或外表面。
还可以想到这些实施方案，其中至少一个管体设计为包括进入管体的元件的小翼管体，这些元件影响第二流体在管体中的流动。尤其可以想到，将这种元件实现为管体本身形状。在这种情况下，给定的尺寸和比值关于变形之前的管体适用，即假定管体的相应壁是平面的时是适用的。
此外或可替代地，管体可具有向外突出的元件，即所谓的旋钮。这种旋钮也可以设计成管体的形状，如上面所述的，对给定的比值和尺寸，管体在变形之前，即假定管体的相应壁是平面的时的形状适用。
管体的旋钮可设计为使管体彼此间隔开的间隔旋钮。
原则上，容积可以具有任意表面宽度和/或表面高度。表面宽度尤其可以为50.0mm至60.0mm，尤其为52.0mm至56.0mm，例如52.7mm或55.5mm。表面高度可以为60.0mm至70.0mm，尤其为61.0mm至67.0mm，例如66.5mm或61.5mm。
如果表面宽度为55.5mm，表面高度为61.5mm，则管体管宽可以是13.5mm，13.6mm或13.75mm。管体高度可以是3.9mm、3.5mm或3.22mm。管体的宽度间距可以是1.5mm、1.42mm或1.3mm。管体的高度间距可以是1.5mm、1.42mm或1.3mm。
管体的壁厚可以为0.25mm至0.35mm，尤其为0.28mm至0.30mm。
本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求，附图以及附图的相关描述中获得。
应当理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，上述特征以及在下文中将要说明的特征不仅是在分别给出的组合中使用，还可以是以其他组合方式或者单独使用。
附图说明
附图中展示出了本发明优选的实施例，并且在下面的说明中对其进行详细说明，其中相同的附图标号表示相同或相似或功能相同的部件。
分别示意性地示出
图1热交换器的等距视图，
图2热交换器的截面图，
图3热交换器的管体的等距视图，
图4图2的另外一种实施例的视图，
图5图2的又一种实施例的视图，
图6另一个实施例中穿过管体的截面图。
具体实施方式
如图1中所示，热交换器1包括外壳2，其在长度方向3、横向于长度方向3的宽度方向4、以及横向于长度方向3和宽度方向4的高度方向5上延伸。外壳2限定了容积6，在热交换器1的操作期间，第一流体流过该容积，特别地，沿着长度方向3流过。在所示的示例中，在热交换器1的彼此背离的纵向端侧7上形成进口8和出口9，在操作期间，第一流体流过该进口和出口。此外，在操作期间，与第一流体分离的第二流体也流经热交换器1，其通过相应的供应开口10流入容积6和流出容积6，从而在热交换器1的操作期间在第一流体和第二流体之间进行热交换。第一流体可以是废气，而第二流体可以是冷却剂，从而在热交换器操作期间对废气进行冷却，进而将热交换器1配置为废气热交换器11。
图2、4和5以不同的示例性实施例分别示出穿过热交换器1的外壳2的横截面12，其中各横截面12由宽度方向4和高度方向5限定。因此，热交换器1包含有管束13，该管束由多个管体14组成，这些管体在纵向3上延伸穿过容积6。在操作期间，第一流体，特别是废气，流过管束13的管体14。在所示的示例中，管体14都是相同的，并且都设计为扁平管15。在各横截面中，容积6包括由外壳2限定的内表面16和由外壳2限定的内周17。在所示的示例中，外壳2以及容积6在横截面12上形成为矩形，从而内周17是内表面16的沿宽度方向4的表面宽度18与内表面16的沿高度方向5的表面高度19的总和的两倍。此外，内表面16对应于表面宽度18和表面高度19的乘积。
在图3中示例性地示出管体14中的一个。各个管体14具有沿宽度方向4的外宽度20，以下也称为管宽度20，和沿高度方向5的外高度21，以下也称为管高度21。此外，各个管体14具有壁厚22的壁23，壁限定了管体14在长度方向3上的可流过空间34。在所示的示例中，设计为扁平管15的管体14的管宽度20大于管高度21。因此，各个管体14在相应的横截面12中具有外周24和外表面25，其中外周24在各个管体14的矩形横截面中对应于管宽度20和管高度21之和的两倍，并且外表面25对应于管宽度20和管高度21的乘积。
根据本发明，在容积6沿长度方向3的至少一部分中，优选沿着整个管束13，在每个横截面12中，所有管体的外周24之和至少是相关联的横截面12中容积6相关联内周17的5.5倍，和/或在所述部分中，每个横截面12中的容积6的内表面16被相关联的横截面12中的所有管体14的外表面25的总和覆盖最多64％，由此，在这种情况下，管体14限制操作期间第一流体可流过的内表面16的剩余横截面。管体14的外表面25限定了管束13的用于热交换的总外表面，因此，在所述部分中，并且因此在各横截面12中，该用于热交换的总外表面被优化，特别是最大化，其中在横截面12中保留了足够的剩余横截面以优化第一流体的流动，和/或以减轻管束13的重量，从而减轻热交换器1的重量。
在所示的示例中，如先前所述，管体14都被设计为相同的扁平管15。另外，管束13包括在宽度方向4上连续并且相对彼此以宽度间距26设置的管体14，以及在高度方向5上相邻布置并且具有相对彼此的高度间距27的管体14。在所示的示例中，在宽度方向4上连续的管体14具有相同的宽度间距26，因此在宽度方向4上等距布置。因此，管束13包括在宽度方向4上延伸并且在高度方向上彼此间隔(特别地，以高度间距27间隔)的管体14的多个行28，以及在高度方向5上延伸并且在宽度方向4上彼此间隔(特别地，以宽度间距26间隔)的管体14的多个列29。在所示的示例中，在高度方向5上连续的管体14具有相同的高度间距27，并且因此在高度方向5上等距布置。
在所示的示例中，各个管体14的管高度21对应于相关联的横截面12中的表面高度19的4.80％至6.90％。可替代地或此外，各个管体14的管宽度20是相关联的横截面12中的表面宽度18的24.00％至24.90％。可替代地或此外，管体14彼此间的宽度间距26可以对应于相关联的横截面12中的表面宽度18的2.00％至3.00％。管体14彼此间的高度间距27可以为相关联的横截面12中的表面高度19的1.80％至2.30％。尤其可以想到，各个管体14的壁厚22对应于相关联的横截面12中的表面宽度18的0.48％至0.56％和/或相关联表面高度19的0.43％至0.50％。
本文中，容积6可以具有任何表面宽度18和表面高度19。表面宽度18尤其可以为50.00mm至60.00mm，例如55.5mm。表面高度19为55.0至65.0mm，例如61.5mm。在下文中，仅作为示例并且出于比较目的，假定表面宽度18为55.5mm，表面高度19为61.5mm。另外，如上所述，为了简化比较，假设各个横截面12和横截面12中各个管体14形成为矩形，即便图3所示，各个管体14可能具有圆角。
如上所述，图2，图4和图5分别示出不同的实施例中穿过热交换器1的外壳2的横截面12。优选地，各个实施例的所述部分中其余未示出的横截面12根据相关的示例性实施例所示的横截面12来构造。换句话说，各个实施例的所述部分中所有横截面12优选如示例实施例所示的横截面12来构造。
在图2所示的示例中，管体14的四列29和十行28组成总计四十个管体14。所以管束13具有四十个管体14，这些管体都具有相同的设计。各个管体14的管宽度20为表面宽度18的24.32％，由此在假定的示例中，管宽度20为13.5mm。此外，各个管体14的管高度21为表面高度19的6.34％，由此在假定的示例中为3.9mm。因此，在所述部分的各截面12中，管体14的外周24的总和是容积6的内周17的5.95倍。此外，管体14的外表面25的总和为容积6的内表面16的61.7％。此外，管体14的宽度间距26为表面宽度18的2.70％，因此尤其为1.5mm。管体14的高度间距27为表面高度19的2.44％或1.5mm。
在图4所示的示例中，管束13具有管体14的四列29和十一行28。因此，管束13具有总计四十四个管体14。各个管体14的管宽度20为表面宽度18的24.50％，由此在假定的示例中为13.6mm。此外，各个管体14的管高度21为表面高度19的5.69％，由此在假定的示例中为3.5mm。因此，管体14的外周24的总和是内周17的6.43倍。此外，内表面16的61.36％由管体14的外表面25的总和覆盖，并由此由管束13覆盖。此外，宽度间距26为表面宽度18的2.56％，在假定示例中为1.42mm。高度间距27与宽度间距26相等，在所述示例中是1.42mm，或表面高度19的2.31％。
在图5所示的示例中，管束13具有管体14的四行29和十二列28，由此具有总共四十八个管体14。各个管体14的管宽度20为表面宽度18的24.77％，由此在假定的示例中为13.75mm。各个管体14的管高度21为表面高度19的5.24％，由此在假设的示例中为3.22mm。管体14的宽度间距26对应于表面宽度18的2.34％，由此在假定的示例中为1.3mm。高度间距27对应于宽度间距26并且是表面高度19的2.11％，由此在假定的示例中同样为1.3mm。所有管体14的外周24的总和因此是内周17的6.96倍，而所有管体14的外表面25以及因此管束13覆盖内表面16的62.26％。
图6示出管体14的另一示例性实施例的截面图，该管体同样形成为扁平管15。该管体14设计成所谓的翼管30，并且内部有突出的元件31，即所谓的小翼32。在该示例中，小翼32在管体14的壁23中向内形成。管体14还有呈旋钮33形式的向外突出的元件31，其目的是用于将相邻的管体14彼此隔开。在所示示例中，向外突出的元件31也可以通过壁23的成形来形成。在图6中清楚地示出，在这种情况下管宽度20和管高度21与变形之前的管体14的状态有关，不考虑向内突出和向外突出的元件31。
在各个示例中，管体14的壁厚22对应于表面宽度18的0.48％至0.56％，或者相关联的表面高度19的0.43％至0.50％。壁厚尤其为0.28mm至0.3mm。
在所示示例中，在可用的横截面12，特别是在可用的容积6中，对管束13进行了整体优化，以增加管束13的总外表面，同时减轻了管束13的重量并优化了剩余横截面。这种优化从图2中所示的示例性实施例2进行到图4所示的示例性实施例，并且进一步进行到图5所示的示例性实施例。

Claims (18)

1.一种热交换器，
-具有外壳(2)，其沿长度方向(3)、横向于长度方向(3)的宽度方向(4)以及横向于长度方向(3)并且横向于宽度方向(4)的高度方向(5)延伸，并且限定在操作期间由第一流体流过的容积(6)，
-具有管束(13)，其包括多个管体(14)，所述管体布置在所述容积(6)中并沿长度方向(3)延伸，
-其中，在操作期间，与所述第一流体流体分离的第二流体流过所述管体(14)，
-其中，在宽度方向(4)和高度方向(5)限定的热交换器的各个横截面(12)中，所述容积(6)具有内表面(16)和内周(17)，并且各个管体(14)具有外周(24)和外表面(25)，
-其中，对于横截面(12)中的每个，在容积(6)的沿长度方向(3)延伸的至少一部段中：
·所述管体(14)的外周(24)之和与所述内周(17)的比至少为5.5，和
·所述内表面由所述管体(14)的所有外表面(25)之和至多覆盖64％，
-以这种方式，所述管体(14)限定在操作期间所述第一流体流过的所述内表面(16)的剩余横截面。
2.根据权利要求1所述的热交换器，
其特征在于，
所述管体(14)都设计为扁平管(15)。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
所述管体(14)中的至少一部分在所述至少一部段中的沿高度方向(5)的管高度(21)对应于相关联的内表面(16)沿高度方向(5)的表面高度(19)的4.80％至6.90％。
4.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
所述管体(14)中的至少一部分在所述至少一部段中的沿宽度方向(4)的管宽度(20)对应于相关联的内表面(16)沿宽度方向(4)的表面宽度(18)的24.00％至24.90％。
5.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
-在宽度方向(4)上连续的管体(14)具有沿宽度方向(4)的相对彼此的宽度间距(26)，
-所述管体(14)中的至少一部分在所述至少一部段中的相对彼此的宽度间距(26)对应于相关联的内表面(16)沿宽度方向(4)的表面宽度(18)的2.00％至3.00％。
6.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
-在高度方向(5)上连续的管体(14)具有沿高度方向(5)的相对彼此的高度间距(27)，
-所述管体(14)的至少一部分在所述至少一部段中的相对彼此的高度间距(27)对应于相关联的内表面(16)沿高度方向(5)的表面高度(19)的1.80％至2.30％。
7.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
所述管体(14)中的至少一部分在所述至少一部段中的壁厚(22)对应于相关联的内表面(16)沿宽度方向(4)的表面宽度(18)的0.48％至0.56％，和/或对应于相关联的内表面(16)沿高度方向(5)的表面高度(19)的0.43％至0.50％。
8.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
所述管束(13)包括管体(14)的沿宽度方向(4)延伸的多个行(28)，所述多个行在高度方向(5)上相互隔开；和/或包括管体(14)的沿高度方向(5)延伸的多个列(29)，所述多个列在宽度方向(4)上相互隔开。
9.根据权利要求8所述的热交换器，
其特征在于，
-各个行(28)具有3至5个管体(14)，和/或
-各个列(29)具有9至14个管体(14)。
10.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
所述管体(14)中的至少一个设计为小翼管体(30)，具有进入管体(14)的元件(31)。
11.根据权利要求1所述的热交换器，
其特征在于，
所述热交换器是用于废气的热交换器。
12.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
全部管体(14)在所述至少一部段中的沿高度方向(5)的管高度(21)对应于相关联的内表面(16)沿高度方向(5)的表面高度(19)的4.80％至6.90％。
13.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
全部管体(14)在所述至少一部段中的沿宽度方向(4)的管宽度(20)对应于相关联的内表面(16)沿宽度方向(4)的表面宽度(18)的24.00％至24.90％。
14.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
-在宽度方向(4)上连续的管体(14)具有沿宽度方向(4)的相对彼此的宽度间距(26)，
-全部管体(14)在所述至少一部段中的相对彼此的宽度间距(26)对应于相关联的内表面(16)沿宽度方向(4)的表面宽度(18)的2.00％至3.00％。
15.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
-在高度方向(5)上连续的管体(14)具有沿高度方向(5)的相对彼此的高度间距(27)，
-全部管体(14)在所述至少一部段中的相对彼此的高度间距(27)对应于相关联的内表面(16)沿高度方向(5)的表面高度(19)的1.80％至2.30％。
16.根据权利要求1或2所述的热交换器，
其特征在于，
全部管体(14)在所述至少一部段中的壁厚(22)对应于相关联的内表面(16)沿宽度方向(4)的表面宽度(18)的0.48％至0.56％，和/或对应于相关联的内表面(16)沿高度方向(5)的表面高度(19)的0.43％至0.50％。
17.根据权利要求9所述的热交换器，
其特征在于，
各个行(28)具有4个管体(14)。
18.根据权利要求9所述的热交换器，
其特征在于，
各个列(29)具有12个管体(14)。
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