DE102009054988A1 - heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Ein Wärmetauscher (1), der insbesondere als Abgaswärmetauscher dient, umfasst Kühlmittelkanäle (8, 9), durch die ein auf Wasser basierendes Kühlmittel führbar ist, und Gaskanäle (10–12), die mit den Kühlmittelkanälen (8, 9) in thermischer Verbindung stehen und durch die ein zu kühlendes Gas führbar ist. Hierbei weisen die Kühlmittelkanäle (8, 9) an bezüglich einer Einbaulage oben liegenden jeweiligen Kanaloberseite (16, 18) Erhebungen (19–26) auf.A heat exchanger (1), which is used in particular as an exhaust gas heat exchanger, comprises coolant channels (8, 9) through which a water-based coolant can be guided, and gas channels (10-12) which are thermally connected to the coolant channels (8, 9) stand and through which a gas to be cooled can be passed. Here, the coolant channels (8, 9) have elevations (19-26) on respective channel tops (16, 18) which are at the top with respect to an installation position.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher für Kraftfahrzeuganwendungen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der Wärmetauscher für einen Dampfkraftprozess.The invention relates to a heat exchanger, in particular an exhaust gas heat exchanger for motor vehicle applications. Specifically, the invention relates to the field of heat exchangers for a steam power process.
In Wärmetauschern von Kraftfahrzeugkühlsystemen können Kühlwasserbeimischungen eingesetzt werden, die den Gefrierpunkt des als Wasser dienenden Kühlmittels herabsetzen. Ein Einfrieren des Kühlmittels im Parkzustand bei niedrigen Temperaturen wird somit verhindert. Andererseits weisen für einen Dampfkraftprozess geeignete Kühlmittel unter Umständen einen Gefrierpunkt auf, der oberhalb der Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs liegt. Speziell beim Betrieb mit Wasser muss auf Grund der Dichteanomalie das Einfrieren bei der Konstruktion berücksichtigt werden, da auf Grund der Ausdehnung des gefrierenden Wassers mechanische Kräfte auf den Wärmetauscher wirken. Außerdem ist während des Stillstands des Fahrzeugs das gesamte Wasser des Systems aus den angeschlossenen Komponenten und Rohrleitungen im Wärmetauscher zu sammeln, da nur hier eine Wärmequelle zur Verfügung steht, mit deren Hilfe gefrorenes Wasser wieder verflüssigt werden kann. Aus Kostengründen und Bauraumeinschränkungen sind Wärmetauscher für Fahrzeuge in der Regel mit einer großen Länge in Bezug auf den Querschnitt ausgestaltet, wobei ferner eine waagrechte Einbaulage vorgesehen ist.Cooling water admixtures which reduce the freezing point of the coolant serving as water can be used in heat exchangers of motor vehicle cooling systems. Freezing of the coolant in the park state at low temperatures is thus prevented. On the other hand, suitable for a steam power process coolant may have a freezing point, which is above the ambient temperature of the motor vehicle. Especially when operating with water, due to the density anomaly, the freezing must be taken into account in the design, as due to the expansion of the freezing water mechanical forces act on the heat exchanger. In addition, while the vehicle is at a standstill, collect all the system's water from the connected components and piping in the heat exchanger, as only here is a heat source available to help liquefy frozen water. For cost reasons and space limitations, heat exchangers for vehicles are usually designed with a large length in relation to the cross section, wherein a horizontal mounting position is also provided.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Arbeitsfluid in einem Ruhezustand, insbesondere im Stillstand eines Fahrzeugs, in dem Kanal des Wärmetauschers verteilt wird und bei einem möglichen Gefrieren des Arbeitsfluids eine Beschädigung des Wärmetauschers verhindert ist. Speziell kann dass Arbeitsfluid so in dem Kanal verteilt werden, dass gleichmäßig Luftpolster in dem Kanal gebildet sind, die eine Ausdehnung des gefrierenden Arbeitsfluids ermöglichen, wodurch eine Beschädigung von vornherein verhindert ist.The heat exchanger according to the invention with the features of
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Wärmetauschers möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements of the
Vorteilhaft ist es, dass der Wärmetauscher, der insbesondere als Abgaswärmetauscher ausgestaltet ist, zumindest einen Kühlmittelkanal, durch den ein auf Wasser basierendes Kühlmittel führbar ist, und zumindest einen Gaskanal, der mit dem Kühlmittelkanal in thermischer Verbindung steht und durch den ein Gas führbar ist, aufweist, wobei der Kühlmittelkanal an zumindest einer bezüglich einer Einbaulage oben liegenden Kanaloberseite zumindest eine Erhebung aufweist. Hierdurch kann ein kostengünstiges und umweltfreundliches Arbeitsfluid, nämlich ein auf Wasser basierendes Kühlmittel, zum Einsatz kommen, um Abgase oder andere Gase zu kühlen.It is advantageous that the heat exchanger, which is configured in particular as an exhaust gas heat exchanger, at least one coolant channel, through which a water-based coolant can be guided, and at least one gas channel, which is in thermal communication with the coolant channel and through which a gas is feasible, wherein the coolant channel has at least one elevation on at least one upper side of the channel lying above an installation position. As a result, a low-cost and environmentally friendly working fluid, namely a water-based coolant, can be used to cool exhaust gases or other gases.
Durch die an der Kanaloberseite vorgesehenen Erhebungen können sich in vorteilhafter Weise beim Rückfluss von Wasser in den Wärmetauscher Luftpolster ausbilden, die einen Raum zwischen dem Spiegel des Kühlmittels, insbesondere dem Wasserspiegel, und der Kanaloberseite bieten. Das gefrierende Kühlmittel kann sich in den Gasraum ausbreiten, wodurch die mechanische Belastung des Wärmetauschers verringert ist. Hierdurch kann das Kühlmittel im Ruhezustand in vorteilhafter Weise in dem Wärmetauscher gesammelt werden.As a result of the elevations provided on the upper side of the channel, it is advantageously possible to form air cushions in the return flow of water into the heat exchanger, which provide a space between the mirror of the coolant, in particular the water level, and the upper side of the channel. The freezing coolant can spread into the gas space, whereby the mechanical load of the heat exchanger is reduced. As a result, the coolant can be collected at rest in an advantageous manner in the heat exchanger.
Vorteilhaft ist es, dass der Kühlmittelkanal an einer bezüglich der Einbaulage unten liegenden Kanalunterseite eine Erhebung aufweist, die der an der Kanaloberseite vorgesehenen Erhebung zugeordnet ist. Im Betrieb des Wärmetauschers wird der Kühlmittelkanal von dem Kühlmittel durchströmt. Hierbei werden in dem Kühlmittelkanal vorgesehene Gase vorzugsweise mittransportiert, so dass im Betrieb Luftpolster, die sich ungünstig auf die thermische Verbindung des Kühlmittels mit den Abgasen auswirken, vermieden sind. Hierbei können die an der Kanaloberseite ausgebildeten Erhebungen einen gewissen Strömungswiderstand bilden. Ein Druckverlust längs des Wärmetauschers begünstigt eine Gleichverteilung des Fluids auf die übereinanderliegenden Kanäle, da der Druckunterschied in Folge der geodätischen Höhendifferenz und somit der Gewichtskraft geringer ins Gewicht fällt. Allerdings begünstigt eine relativ hohe Ausgestaltung der Erhebung an der Kanaloberseite die Ausbildung eines Strömungsschattens, was bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten vor allem in einem Zweiphasengebiet die Benetzung hemmt. Deshalb ist es vorteilhaft, dass zur Erzeugung eines gegebenenfalls gewünschten Druckverlust anstelle einer weiteren Vergrößerung der Erhebung an der Kanaloberseite Erhebungen an der Kanalunterseite vorgesehen werden. Somit kann die Benetzung der Wand des Kühlmittelkanals durch die Schwerekräfte unterstützt werden.It is advantageous that the coolant channel has an elevation at a bottom side of the channel lying below the installation position, which elevation is assigned to the elevation provided on the channel top side. During operation of the heat exchanger, the coolant channel is flowed through by the coolant. In this case, gases provided in the coolant channel are preferably also transported, so that air cushions which have an unfavorable effect on the thermal connection of the coolant with the exhaust gases are avoided during operation. Here, the surveys formed on the channel top side can form a certain flow resistance. A pressure loss along the heat exchanger promotes a uniform distribution of the fluid on the superimposed channels, since the pressure difference due to the geodetic height difference and thus the weight force is less significant. However, a relatively high configuration of the elevation on the upper side of the channel favors the formation of a flow shadow, which inhibits wetting at high flow velocities, especially in a two-phase region. Therefore, it is advantageous that elevations are provided on the lower side of the channel to produce an optionally desired pressure loss instead of a further enlargement of the elevation on the upper side of the channel. Thus, the wetting of the wall of the coolant channel can be supported by the gravitational forces.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Erhebung durch eine Prägung ausgestaltet ist und/oder dass die Erhebung als rippenförmige Erhebung ausgestaltet ist. Hierdurch kann die Erhebung einfach hergestellt werden. Außerdem ergibt sich eine vorteilhafte Geometrie zur Ausbildung von Luftblasen im Ruhezustand.Further, it is advantageous that the survey is designed by embossing and / or that the survey is designed as a rib-shaped survey. As a result, the survey can be easily made. In addition, there is an advantageous geometry for the formation of air bubbles at rest.
Ferner ist es vorteilhaft, dass an der Kanaloberseite mehrere benachbarte Erhebungen vorgesehen sind, zwischen denen im Ruhezustand die Ausbildung von Gasblasen ermöglicht ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass ein Verhältnis von einem Abstand der an der Kanaloberseite vorgesehenen Erhebungen zu einer Höhe der Erhebung etwa gleich zehn ist. Hierdurch kann ein gewisses Parkgefälle des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Beispielsweise kann ein Parkgefälle des Fahrzeugs maximal 10% und somit etwa 5,7° betragen. Bei solch einem Steigungswinkel von 5,7° kann bei dem Verhältnis von dem Abstand der an der Kanaloberseite vorgesehenen Erhebungen zu der Höhe der Erhebung von etwa zehn ein Luftpolster gebildet werden, das sich zumindest im Wesentlichen über die gesamte Kanaloberseite erstreckt. Hierbei kann beispielsweise ein Luftpolster geschaffen werden, das zumindest 8% des Kanalvolumens einnimmt. Hierdurch kann die Ausdehnung des Wassers beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand von etwa 8% ausgeglichen werden. Allerdings kann auch ein kleineres Luftpolster ausreichen, da sich das Eisvolumen teilweise an die Geometrie des Kühlmittelkanals anpasst. Druckerhöhungen im Gaspolster sind hierbei vernachlässigbar. Further, it is advantageous that a plurality of adjacent elevations are provided on the upper side of the channel, between which the formation of gas bubbles is made possible in the idle state. In this case, it is further advantageous that a ratio of a distance of the elevations provided on the channel top side to a height of the elevation is approximately equal to ten. In this way, a certain parking gradient of the motor vehicle can be taken into account. For example, a parking gradient of the vehicle can be a maximum of 10% and thus about 5.7 °. At such a pitch angle of 5.7 °, at the ratio of the distance of the projections provided on the channel top to the height of the elevation of about ten, an air cushion may be formed which extends at least substantially over the entire channel top. Here, for example, an air cushion can be created, which occupies at least 8% of the channel volume. As a result, the expansion of the water in the transition from the liquid to the solid state of about 8% can be compensated. However, even a smaller air cushion may suffice, since the ice volume is partially adapted to the geometry of the coolant channel. Pressure increases in the gas cushion are negligible here.
In vorteilhafter Weise ist ein Verhältnis einer Kanalhöhe zu einer Höhe der Erhebung nicht kleiner als 3,5. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise ein ausreichendes Luftpolster auch bei einer Ruhestellung des Fahrzeugs mit einem Parkgefälle gewährleistet werden und zugleich im Betrieb die Ausbildung von Luftpolstern, die eine Benetzung der Wand verhindern, vermieden werden. Hierdurch können insbesondere starke lokale Erhitzungen der Wand des Kühlmittelkanals verhindert werden, die zur lokalen Zerstörung führen können. Speziell kann bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine ausreichende Benetzung der Wand gewährleistet werden, wenn die Höhe der Erhebungen an der Kanaloberseite optimiert ist, das heißt nicht zu groß gewählt ist. Die Erzeugung eines Druckverlusts kann hierbei in vorteilhafter Weise durch Erhebungen an der Kanalunterseite erzielt werden, wobei die Benetzung der Wand durch die Schwerekräfte unterstützt ist.Advantageously, a ratio of a channel height to a height of the survey is not less than 3.5. In this way, a sufficient air cushion can be ensured even with a rest position of the vehicle with a parking slope and at the same time during operation, the formation of air cushions, which prevent wetting of the wall, can be avoided. As a result, in particular strong local heating of the wall of the coolant channel can be prevented, which can lead to local destruction. Specifically, at high flow velocities a sufficient wetting of the wall can be ensured if the height of the elevations is optimized on the channel top, that is not too large. The generation of a pressure loss can be achieved in this case by elevations on the lower side of the channel in an advantageous manner, wherein the wetting of the wall is supported by the gravitational forces.
Vorteilhaft ist es auch, dass mehrere Platten vorgesehen sind, dass mehrere Kühlmittelkanäle und mehrere Gaskanäle vorgesehen sind, die durch die Platten voneinander getrennt sind, und dass die Kühlmittelkanäle über Verbindungsstücke miteinander verbunden sind. Hierdurch ist ein kompakter Aufbau des Wärmetauschers möglich. Speziell ist es vorteilhaft, dass die Platten in der Einbaulage zumindest näherungsweise waagrecht liegend angeordnet sind und dass die Erhebungen an den Platten ausgestaltet sind. Hierdurch kann ein kompakter Wärmetauscher mit einer optimierten Anzahl an Bauteilen hergestellt werden.It is also advantageous that a plurality of plates are provided, that a plurality of coolant channels and a plurality of gas channels are provided, which are separated by the plates, and that the coolant channels are connected to each other via connecting pieces. As a result, a compact construction of the heat exchanger is possible. Specifically, it is advantageous that the plates are arranged in the installed position at least approximately horizontally and that the elevations are designed on the plates. As a result, a compact heat exchanger can be produced with an optimized number of components.
Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass die Platten in der Einbaulage zumindest näherungsweise senkrecht stehend angeordnet sind und dass Zwischenböden vorgesehen sind, an denen die Erhebungen ausgestaltet sind. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass die Zwischenböden versetzt zueinander angeordnet sind, so dass durch die Zwischenböden ein schlangenförmig ausgestalteter Kühlmittelkanal zwischen den Platten ausgestaltet ist, und dass zumindest ein Teil der Zwischenböden an ihren freien Enden jeweils eine Erhebung an der Kanaloberseite aufweist. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Luftpolster in dem schlangenförmig ausgestalteten Kühlmittelkanal gebildet werden, wenn sich der Wärmetauscher in einem Ruhezustand befindet.However, it is also advantageous that the plates are arranged in the installed position at least approximately vertically and that intermediate floors are provided, on which the elevations are designed. Here, it is also advantageous that the intermediate floors are arranged offset from one another, so that is designed by the intermediate floors a serpentine ausgestalteter coolant channel between the plates, and that at least a portion of the intermediate floors at their free ends in each case has a survey on the channel top. As a result, air cushions can advantageously be formed in the serpentine coolant channel when the heat exchanger is in an idle state.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:Preferred embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings, in which corresponding elements are provided with identical reference numerals. It shows:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Wärmetauscher
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Platten
Das Arbeitsfluid kann flüssig, zweiphasig oder gasförmig vorliegen. Hierbei ergibt sich die Anforderung einer ausreichenden Benetzung speziell der Platten
Speziell kann das Arbeitsfluid als Kühlmittel dienen. Die Kanäle
Im Betrieb des Wärmetauschers
Der Kühlmittelkanal
Die Erhebungen
Somit ist eine Kompensation der Volumenvergrößerung des auf Wasser basierenden Kühlmittels
Die Erhebungen
Ein Abstand
Die Höhe
Es ist anzumerken, dass eine Schrägstellung des Fahrzeugs auch seitlich möglich ist. Beispielsweise kann ein Fahrzeug seitlich auf einem Randstein stehen. Hierbei kommt es ebenfalls zu einer Schrägstellung des Wärmetauschers
Somit sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Kühlmittelkanäle
Durch das Luftpolster
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the described embodiments.
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Legal Events
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