DE102009041406B3

DE102009041406B3 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102009041406B3
Application number: DE102009041406A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Ambros; Jochen Dr. Orso; Axel Dipl.-Math.Techn. Fezer; Harald Necker
Original assignee: THESYS GmbH
Current assignee: THESYS GmbH
Priority date: 2009-09-12
Filing date: 2009-09-12
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit koaxial angeordneten flachen Rohren (10, 20), umfassend ein kleineres flaches Rohr (10), welches in einem größeren flachen Rohr (20) angeordnet ist und mit Strömungskanälen (1; 2) für wenigstens zwei Fluide, wobei ein erster Strömungskanal (1) im Inneren des kleineren flachen Rohres (10) ausgebildet ist und ein zweiter Strömungskanal (2) den ersten Strömungskanal (1) ganz oder weitgehend umschließt.
Ein leichter und effizient arbeitender Wärmeübertrager wird gemäß der Erfindung dadurch bereitgestellt, dass die koaxial angeordneten Rohre (10; 20) einen Rohrstapel (30) bilden, wobei die koaxialen Rohre mit den Breitseiten (21) der Rohrwände der größeren flachen Rohre (20) oder mit Teilen davon aneinander anliegen.

Description

Die Erfindung betrifft Wärmeübertrager mit koaxial angeordneten flachen Rohren, die einen Rohrstapel bilden, umfassend ein kleineres flaches Rohr, welches in einem größeren flachen Rohr angeordnet ist und mit Strömungskanälen für wenigstens zwei Fluidströme, wobei ein erster Strömungskanal im Inneren des kleineren flachen Rohres ausgebildet ist und ein zweiter Strömungskanal den ersten Strömungskanal ganz oder weitgehend umschließt.
Ein Wärmeübertrager dieser Bauart ist bekannt. Bei diesem bekannten Wärmeübertrager liegen die Rohrwände der koaxial angeordneten flachen Rohre aneinander an, sodass die Wärme über die verbundenen Wände ausgetauscht wird. Diese Form des Wärmetausches könnte als nicht besonders effizient angesehen werden.
Aus der WO 2005/033603 A2 , 7, ist ein anderer Wärmeübertrager bekannt, der aus koaxial angeordneten flachen Rohren besteht, wobei ein erster Strömungskanal im Inneren des kleineren flachen Rohres und ein zweiter Strömungskanal zwischen den koaxial angeordneten Rohren ausgebildet ist. Von diesem Stand der Technik, der durch flache koaxiale Rohre gekennzeichnet ist, die naturgemäß zwei gegenüberliegende Breitseiten und zwei gegenüberliegende, die Breitseiten verbindende Schmalseiten aufweisen, geht die weiter unten beschriebene Erfindung aus. Die Rohre aus diesem Stand der Technik sind als Strangpressprofilrohre ausgebildet, weshalb solche Wärmeübertrager recht schwer zu bauen sind. Zudem bildet in der genannten Schrift ein einziges koaxiales flaches Rohr – also zwei ineinander gesteckte flache Rohre – den gesamten Wärmeübertrager. Ferner sind in den Strömungskanälen keine Turbulenz erzeugenden Strukturen vorhanden, weshalb die Wärmetauschleistung nicht das gewünschte Niveau erreichen kann.
Aus der DE 697 20 909 T2 ist ein Wärmetauscher und dessen Herstellungsverfahren bekannt. Es handelt sich um einen Ölkühler, der koaxiale Rohre besitzt. Die koaxialen Rohre werden als Flachrohre ausgebildet, die in bestimmter Weise hergestellt und verbunden sind, um die Haltbarkeit der Rohrausbildung zu verbessern. Der Ölkühler ist im Sammelkasten eines Kühlers angeordnet.
Aus der DE 10 2007 010 969 A1 ist schließlich eine Klimaanlage mit einem Wärmetauscher bekannt, in dem ein Kältemittel-Kreislauf und ein Kälteträger-Kreislauf integriert sind. Der Wärmetauscher wird ferner von Kühlluft durchströmt. Deshalb sind Wellrippen zwischen den Flachrohren angeordnet worden. Der Wärmetauscher weist auch eine Rohr-in-Rohr-Anordnung auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von kompakten, relativ leichten und leistungsfähigeren Wärmeübertragern.
Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt mit einem Wärmeübertrager, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Nach einem wesentlichen erfindungsgemäßen Aspekt ist vorgesehen, dass die koaxial angeordneten Rohre mit den Breitseiten der Rohrwände der größeren flachen Rohre oder mit Teilen davon aneinander anliegen. Da die koaxialen Rohre einen Rohrstapel bilden, wird vergleichsweise ein kompakterer Wärmeübertrager geschaffen. Die vorgeschlagene Bauweise erlaubt als Option, die zweiten Strömungskanäle über die Rohrwände der größeren koaxialen Rohre zu verbinden, um einen Fluidaustausch zu erreichen, was für gewisse Applikationen bestimmte Vorteile hat. Ferner wird dadurch, dass die Rohrwände aus einem oder aus mehreren verformten Blechstreifen bestehen, ein wesentlich leichterer und noch kompakterer Wärmeübertrager bereitgestellt, als beispielsweise Wärmeübertrager, die stranggepresste Rohre bzw. Rohrwände aufweisen. Ein wesentlicher leistungsmäßiger Vorteil im Vergleich zu Wärmeübertragern mit stranggepressten, Rohren ergibt sich dadurch, dass die Strömungskanäle der koaxialen Rohre bevorzugt mit Turbulenz erzeugenden Strukturen, Lamellen oder dergleichen ausgestattet sind. Alternativ wird die Möglichkeit bereitgestellt, die Lamellen durch punktuelle Umformungen der Rohrwände zu ersetzen, die ebenfalls für Verwirbelungen in den Fluiden sorgen können.
Die Erfindung stellt einen in höchstem Maße leistungsfähigen Wärmeübertrager zur Verfügung, der sich in bevorzugter Weise als Verdampfer in einer Abgasenergie-Rückgewinnungsanlage in Kraftfahrzeugen einsetzen lässt. Andere Wärmeübertragerapplikationen bieten sich ebenfalls an.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, die als an dieser Stelle einzeln aufgeführt zu betrachten sind. Darüber hinaus ergeben sich diese und weitere Merkmale sowie deren Vorteile aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
Die 1 zeigt Herstellungsschritte eines koaxialen flachen Rohres.
Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen vorschlagsgemäßen Wärmeübertrager, enthaltend einen Rohrstapel, gebildet aus koaxialen Rohren nach 1.
Die 3 zeigt eine Vergrößerung eines Endes des Rohrstapels.
Die 4 zeigt einen Rohrstapel.
Die 5, 6 und 7 zeigen die Herstellung verschiedener koaxialer Rohre.
Die 8 zeigt einen anderen Rohrstapel.
Die 9 zeigt Varianten der Rohrstapelbildung.
Die 10 zeigt weitere Varianten der Rohrstapelbildung.
Die 11 und 12 zeigen ein Ende des Wärmeübertragers mit einem Rohrboden.
Die 13 zeigt eine alternative Rohrbauform.
Der Wärmeübertrager des Ausführungsbeispiels stellt einen Verdampfer dar, der in einer Energierückgewinnungsanlage eines Kraftfahrzeuges enthalten ist. In dem Verdampfer stehen die Abgase des Kraftfahrzeugmotors und eine zu verdampfende Flüssigkeit, wie Wasser oder dergleichen, im Wärmeaustausch. Das zu verdampfende Wasser durchströmt die in den Schnitten sichtbaren zweiten Strömungskanäle 2, die die ersten Strömungskanäle 1 vollständig umfassen. Die ersten Strömungskanäle 1, die sich im Inneren der kleineren flachen Rohre 10 befinden, werden von den Abgasen durchströmt. Wie aus den 2 und 3 erkannt werden kann, sind die – bezogen auf ihren Querschnitt – kleineren Rohre 10 etwas länger als die größeren Rohre 20, so dass sie an den beiden Enden einen Überstand 7 besitzen, (3). An den Enden befinden sich nicht gezeigte Sammelkästen für das Abgas, die an Rohrböden 15 befestigt sind (11 und 12). Das Wasser kann seitlich der Rohrböden 15 am Eintritt 16 eintreten, über Wasserkanäle 3 in die Strömungskanäle 2 der koaxialen Rohre gelangen und am gegenüberliegenden Ende der Rohre als Dampf austreten. Die Rohrböden 15 können aus zwei Platten 15 bestehen, die flach zusammengefügt werden und in denen die Wasserkanäle 3 enthalten sind. Nur eine Platte 15 wurde in den 11 und 12 dargestellt, sodass die Wasserkanäle 3 sichtbar sind.
Die 1 zeigt eine von oben nach unten laufende Folge der Herstellungsschritte der koaxialen flachen Rohre 10, 20. Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind sowohl die kleineren 10 aus auch die größere flachen Rohre 20 aus Blechstreifen hergestellt worden. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel könnten die kleineren flachen Rohre 10 auch vom stranggepressten Typ sein. Bei den Blechstreifen handelt es sich um solche aus einem geeigneten Edelstahl. Auch die in den ersten und zweiten Strömungskanälen 1, 2 befindlichen Turbulenz erzeugenden Organe 5 (nachfolgend: Lamellen 5) bestehen aus Edelstahl und haben in der Regel unterschiedliche Geometrien. Der Rohrstapel 30 des Wärmeübertragers wird vorzugsweise gelötet, weshalb entsprechende löttechnische Erfordernisse, wie das Einlegen von Lotfolien, Entfetten etc. durchzuführen sind, worauf hier nicht besonders einzugehen ist.
Die Rohrwand der kleineren flachen Rohre 10 ist aus einem verformten Blechstreifen hergestellt worden, der an einer in 1 nicht sichtbaren Längsnaht verschweißt wurde. In diese kleineren flachen Rohre 10 wird eine Lamelle 5 eingesetzt. Dann werden im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Bildung der koaxialen Rohre 10, 20 zwei weitere Lamellen 5 um die kleineren Rohre 10 gelegt, wonach die Rohrwand der größeren Rohre 20, hier ebenfalls aus zwei Blechstreifen, gebildet wird. Die zwei Blechstreifen können auch gemeinsam mit den Lamellen 5 um die kleineren Rohre 10 gelegt werden (5 und 6). Die Breite der Blechstreifen wird so festgelegt, dass in beiden Breitseiten 21 der Rohrwand der großen flachen Rohre 20 je ein Längsspalt 22 verbleibt, was sowohl hinsichtlich der Herstellbarkeit äußerst vorteilhaft ist aber auch als funktioneller Vorteil des Wärmeübertragers zum Tragen kommen kann. Hinsichtlich der Fertigung erlauben die Längsspalte 22 gewisse Fertigungstoleranzen zuzulassen, die ansonsten nicht möglich wären. Hinsichtlich der Funktion des Wärmeübertragers gestatten die Längsspalte 22 einen Fluidaustausch in den zweiten Strömungskanälen 2, in denen, wie oben erwähnt, die Verdampfung stattfindet. Soll der Fluidaustausch nicht stattfinden, können die Längsspalte 22 mittels eines Blechstreifens 23 verschlossen werden. Die Längsspalte 22 in den äußeren Rohren des Rohrstapels 30 werden jedenfalls mittels eines Streifens verschlossen.
Eine andere vorteilhafte Alternative gemäß 7 sieht die Herstellung der Rohrwand aus einem einzigen Blechstreifen vor. Diese alternative Ausführung besitzt lediglich einen Längsspalt in einer der Breitseiten eines jeden koaxialen Rohres. Die Rohre können dann im Rohrstapel entweder so angeordnet werden, dass die Rohrspalte eine Strömungsverbindung der zweiten Strömungskanäle 2 bereitstellen, wobei jeweils zwei benachbarte Rohrspalte etwa deckungsgleich aneinander liegen oder auch so angeordnet werden, dass keine Strömungsverbindung möglich ist. Dabei wird jeweils der Längsspalt durch die Rohrwand des im Rohrstapel benachbarten koaxialen Rohres verschlossen.
In den bisher beschriebenen Ausführungen wird es als vorteilhaft angesehen, definierte Rohranlageflächen 25 in den Breitseiten der Rohrwand der größeren flachen Rohre 20 zu erzeugen. Das wird mittels zweier Längssicken 26 in den die Rohrwand der größeren Rohre 20 bildenden Blechstreifen dargestellt. Im Rohrstapel liegen dann die Längssicken 26 des einen koaxialen Rohres an ebensolchen des anderen koaxialen Rohres an und gestatten dort eine gut definierte Lötverbindung. Die Längssicken 26 stellen jedenfalls Teile der Breitseiten 21 dar. In anderen Ausführungen (8) wird auf solche Längssicken verzichtet. Dafür sind die Breitseiten 21 der größeren flachen Rohre mit einer passenden Rauhigkeit oder mit Oberflächenstrukturen versehen worden, die definierte Lötverbindungen gestatten. Es ist ersichtlich, dass die Ausführung ohne Längssicken hinsichtlich der Kompaktheit des Wärmeübertragers vorteilhafter ist, wobei allerdings die Längssicken von ihren Abmessungen her nur wenige Zehntelmillimeter betragen müssen.
Die 9 und 10 zeigen vier verschiedene Möglichkeiten der Bildung der Rohrstapel 30. Dargestellt sind lediglich die äußeren Rohrschalen der koaxialen Rohre. Die Darstellung a) zeigt jeweils Rohre mit einteiligen, äußeren Rohrschalen und ohne Fluidaustausch im Rohrstapel 30. Die Darstellung b) zeigt einen Rohrstapel 30 in dem ein Fluidaustausch zwischen Paaren von koaxialen Rohren möglich ist. Die Darstellungen c) und d) unterscheiden sich von den Darstellungen a) und b) dadurch, dass zweiteilige äußere Rohrschalen vorgesehen wurden. Gemäß Darstellung c) ist kein Fluidaustausch zwischen den Strömungskanälen 2 der Rohre des Rohstapels 30 möglich. In der Darstellung d) ist hingegen der Fluidaustausch möglich, dass heißt dort stehen sämtliche Strömungskanäle 2 der Rohre in strömungstechnischer Verbindung. In der 9 besitzen die Rohre des Rohrstapels die beschriebenen Rohranlageflächen 25 in Form von Längssicken 26 in den äußeren Rohrschalen.
Die 10 unterscheidet sich von der 9 dadurch, dass die äußeren Rohrschalen der Rohre vollflächige Anlageflächen 26 besitzen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 13 ist eine alternative Bauform des Rohres dargestellt. Es wurde auf die Längsspalte 22 und somit auf den möglichen Fluidaustausch im Rohrstapel 30 verzichtet. Die beiden äußeren Rohrschalen bilden an ihren Längsrändern eine sich überlappende Lötnaht 8. Auch diese Ausgestaltung ist hinsichtlich der Fertigungstoleranzen vorteilhaft. Die Breite der Überlappung lässt gewisse Toleranzen zu.

Claims

Wärmeübertrager mit koaxial angeordneten flachen Rohren (10, 20), die einen Rohrstapel bilden, umfassend ein kleineres flaches Rohr (10), welches in einem größeren flachen Rohr (20) angeordnet ist und mit Strömungskanälen (1, 2) für wenigstens zwei Fluide, wobei ein erster Strömungskanal (1) im Inneren des kleineren flachen Rohres (10) ausgebildet ist und ein zweiter Strömungskanal (2) den ersten Strömungskanal (1) ganz oder weitgehend umschließt, wobei die koaxialen Rohre mit den Breitseiten (21) der Rohrwände der größeren flachen Rohre (20) oder mit Teilen davon aneinander anliegen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der zweiten Strömungskanäle (2) der im Rohrstapel (30) angeordneten koaxialen Rohre strömungstechnisch verbunden sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungstechnische Verbindung der zweiten Strömungskanäle (2) über die im Rohrstapel aneinander liegenden Rohrwände erfolgt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Strömungskanäle (2) im Rohrstapel (30) strömungstechnisch voneinander getrennt sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwände mit zueinander passenden Rohranlageflächen (25) ausgestattet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Rohranlageflächen eine raue oder speziell konturierte Oberflächenstruktur aufweisen die eine gute Lötverbindung ermöglicht.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohranlageflächen (25) beispielsweise als zwei definierte Längssicken (26) der Rohrwände ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwände der koaxialen flachen Rohre (10, 20) aus Blechstreifen geformt sind.
Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das kleinere flache Rohr (10) ein stranggepresstes Rohr ist und das größere flache Rohr (20) aus wenigstens einem Blechstreifen herstellbar ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rohrwand der größeren flachen Rohre (20) aus einem oder aus zwei verformten Blechstreifen besteht.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen so dimensioniert ist, dass nach der Formung der Rohrwand ein offener Längsspalt (22) in der Rohrwand vorhanden ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die offenen Längsspalte die strömungstechnische Verbindung der zweiten Strömungskanäle im Rohrstapel gestatten.
Wärmeübertrager nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungskanälen (1, 2) wenigstens ein Turbulenz erzeugendes Organ (5) angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kleineren flachen Rohre (10) länger sind als die größeren flachen Rohre (20).
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise an beiden Rohrenden die kleineren flachen Rohre (10) einen Überstand (7) zu den größeren flachen Rohren (20) aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Rohrenden ein Rohrboden angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrboden einen Sammelkastenanschluss für die ersten Strömungskanäle (10) und einen Einlass/Auslass für die zweiten Strömungskanäle (20) aufweist.