DE102009057175A1 - U-shaped heat exchanger for use as cooler to cool internal combustion engine of motor vehicle, has pipes arranged in perforations, fins and/or ribs provided between pipes, and heat-conducting element arranged at tube bottoms - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Durchbrechungen aufweisenden Rohrboden und in den Durchbrechungen angeordneten Rohren, wobei zwischen den Rohren Lamellen und/oder Rippen vorgesehen sind, mittels welchen Wärmeenergie eines die Rohre durchströmenden Kühlmittels an eine Umgebung des Wärmetauschers abgebbar ist.The invention relates to a heat exchanger, in particular for a motor vehicle, with at least one openings having tube plate and arranged in the openings tubes, wherein between the tubes fins and / or ribs are provided, by means of which heat energy of the tubes flowing coolant to an environment of the heat exchanger is.
Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise aus der
Durch das Erwärmen oder das Abkühlen der Rohre und des Rohrbodens während des Betriebs des Wärmetauschers und der daraus resultierenden Wärmeausdehnung bzw. Wärmekontraktion ergeben sich Maßänderungen bei den Rohren und den Rohrböden, infolge welcher sich der Rohrboden und die Rohre ungleichmäßig verformen. Weiterhin werden durch Temperaturdifferenzen in den Bauteilen Spannungen erzeugt, welche zusammen mit der Verformung zu einer Ermüdung und zu einer Zerstörung der Verbindung zwischen dem Rohrboden und den Rohren bzw. zu einer Zerstörung der Rohre führen. Hieraus resultiert eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit bei den Wärmetauschern der eingangs genannten Art.By heating or cooling the tubes and the tubesheet during operation of the heat exchanger and the resulting thermal expansion or contraction, dimensional changes in the tubes and tubesheets result, as a result of which the tubesheet and tubes deform unevenly. Furthermore, tensions are produced by temperature differences in the components, which together with the deformation lead to fatigue and to a destruction of the connection between the tubesheet and the tubes or to a destruction of the tubes. This results in a high probability of failure in the heat exchangers of the type mentioned.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art zu minimieren.Against this background, the invention has the object to minimize the probability of failure of a heat exchanger of the type mentioned.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a heat exchanger according to the features of claim 1. The dependent claims relate to particularly expedient developments of the invention.
Erfindungsgemäß ist also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei welchem an dem Rohrboden zumindest abschnittsweise ein Wärmeleitelement angeordnet ist. Mit einem derartigen Wärmeleitelement gelingt es besonders schnell, eine Temperatur zwischen zwei unterschiedlich erhitzen Bereichen des Rohrbodens bzw. zwischen einer Temperatur der Rohre und einer Temperatur des Rohrbodens anzugleichen. Hierbei erfolgt der Wärmefluss gemäß des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, von dem Bereich mit der höheren Temperatur in den Bereich mit der geringeren Temperatur. Durch die Angleichung der Temperaturen wird die Temperaturdifferenz und dadurch auch die Verformung sowie die für den Ausfall des Wärmetauschers verantwortlichen Spannungen in den Bauteilen reduziert. Die Ausfallwahrscheinlichkeit wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmeleitelements also erheblich minimiert.According to the invention, therefore, a heat exchanger is provided in which at least partially a heat-conducting element is arranged on the tubesheet. With such a heat-conducting element, it is possible particularly quickly to equalize a temperature between two differently heated regions of the tube plate or between a temperature of the tubes and a temperature of the tube plate. Here, the heat flow takes place according to the second law of thermodynamics, from the area with the higher temperature in the area with the lower temperature. By adjusting the temperatures, the temperature difference and thereby also the deformation and the stresses responsible for the failure of the heat exchanger in the components is reduced. The probability of failure is thus considerably minimized by the use of a heat-conducting element according to the invention.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass das Wärmeleitelement als separates Bauteil ausgebildet und derart an dem Rohrboden fixiert ist, dass eine Oberfläche des Wärmeleitelements und eine Oberfläche des Rohrbodens eine wärmeleitende Kontaktfläche bilden. Hierdurch können die bisher in der Praxis verwendeten Wärmetauscher ohne aufwändige, kostenintensive und konstruktive Veränderungen weiter verwendet werden. Eine Nachrüstung der schon im Einsatz befindlichen Wärmetauscher mit den erfindungsgemäßen Wärmeleitelementen ist ebenfalls möglich.A particularly expedient development of the present invention is also achieved in that the heat-conducting element is designed as a separate component and is fixed to the tube plate such that a surface of the heat-conducting element and a surface of the tube plate form a heat-conducting contact surface. As a result, the heat exchangers previously used in practice can be used without costly, costly and constructive changes. A retrofitting of the already in use heat exchanger with the heat conducting elements according to the invention is also possible.
Eine besonders gleichmäßige und schnelle Temperaturverteilung über die gesamte Fläche des Rohrbodens erfolgt auch dadurch, dass die Oberfläche des Wärmeleitelements die gleichen Abmessungen aufweist wie die Oberfläche des Rohrbodens.A particularly uniform and rapid temperature distribution over the entire surface of the tubesheet is also achieved in that the surface of the heat-conducting element has the same dimensions as the surface of the tubesheet.
Dadurch, dass das Wärmeleitelement Durchbrechungen zur Aufnahme der Rohre aufweist, kann ein vollflächiger Kontakt zwischen der Oberfläche des Rohrbodens und der Oberfläche des Wärmeleitelements gewährleistet werden. Dadurch, dass die Innenflächen der Durchbrechungen des Wärmeleitelements die Rohre zumindest bereichsweise kontaktieren, erfolgen auch ein Wärmefluss und eine Angleichung der Temperaturen zwischen den Rohren und zwischen den Rohren und dem Rohrboden.Characterized in that the heat-conducting element has openings for receiving the tubes, a full-surface contact between the surface of the tube sheet and the surface of the heat conducting element can be ensured. Due to the fact that the inner surfaces of the openings of the heat-conducting element contact the pipes at least in some areas, there is also a heat flow and an adaptation of the temperatures between the pipes and between the pipes and the tubesheet.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmetauschers sieht vor, dass das Wärmeleitelement auf einer den Lamellen und/oder Rippen zugewandten Oberfläche des Rohrbodens angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung des Wärmeleitelements kann das Wärmeleitelement, ähnlich wie die Lamellen und/oder Rippen, Wärmeenergie zumindest teilweise an die Umgebung des Wärmetauschers abgeben.Another particularly advantageous embodiment of the heat exchanger provides that the heat-conducting element is arranged on a surface facing the fins and / or ribs of the tube plate. Such an arrangement of the heat-conducting element, the heat-conducting element, similar to the lamellae and / or ribs, at least partially release heat energy to the environment of the heat exchanger.
Dabei erweist es sich insbesondere aus Montage- und Platzgründen allerdings als besonders praxisnah, dass das Wärmeleitelement auf einer den Lamellen und/oder Rippen abgewandten Oberfläche des Rohrbodens angeordnet ist.However, it proves to be particularly practical in particular for reasons of assembly and space that the heat-conducting element is arranged on a surface of the tube bottom facing away from the lamellae and / or ribs.
In einer besonders effektiven Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass jeweils ein Wärmeleitelement auf der den Lamellen und/oder Rippen abgewandten Oberfläche und der den Lamellen und/oder Rippen zugewandten Oberfläche angeordnet ist.In a particularly effective embodiment, however, it is provided that in each case a heat-conducting element is arranged on the surface facing away from the lamellae and / or ribs and the surface facing the lamellae and / or ribs.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass das Wärmeleitelement und der Rohrboden einstückig ausgebildet sind. In diesem Fall erweist es sich aus fertigungstechnischer Sicht als besonders zweckmäßig, wenn das Wärmeleitelement und der Rohrboden das gleiche Material aufweisen.According to the invention, it is further provided that the heat-conducting element and the tubesheet are formed in one piece. In this case, it proves to be particularly from a manufacturing point of view expedient if the heat-conducting element and the tubesheet have the same material.
Eine wiederum abgewandelte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass den beiden Endbereichen der Rohre jeweils ein Rohrboden und jeweils ein Wasserkasten zugeordnet ist und ein erster Wasserkasten zwei getrennte Kammern für die Zufuhr und die Abfuhr des zu kühlenden Kühlmittels aufweist, wobei eine erste Kammer des ersten Wasserkasten durch eine in die erste Kammer mündende erste Rohrgruppe mit dem zweiten Wasserkasten und die zweite Kammer des ersten Wasserkastens durch eine in die zweite Kammer des ersten Wasserkastens mündende zweite Rohrgruppe mit dem zweiten Wasserkasten verbunden ist, wobei das Wärmeleitelement in einem Grenzbereich zwischen den beiden Rohrgruppen an zumindest einem der Rohrböden angeordnet ist. Bei einem derartigen als U-Strömer ausgebildeten Wärmetauscher sind gerade in dem Grenzbereich zwischen den Rohrgruppen die größten Temperaturdifferenzen vorhanden. Durch die partielle Anordnung des Wärmeleitelements in diesem Grenzbereich wird mit wenig Materialeinsatz eine optimale Temperaturangleichung erzielt.A further modified embodiment of the invention is characterized in that the two end regions of the tubes each have a tube plate and a respective water tank is assigned and a first water box has two separate chambers for the supply and discharge of the coolant to be cooled, wherein a first chamber of the the first water tank is connected by a first pipe group opening into the first chamber with the second water tank and the second chamber of the first water tank by a second chamber opening into the second chamber of the second water channel second pipe group with the second water tank, wherein the heat conducting element in a boundary region between the two Pipe groups is arranged on at least one of the tube sheets. In such a designed as a U-Strömer heat exchanger just in the border region between the pipe groups, the largest temperature differences are present. Due to the partial arrangement of the heat-conducting element in this boundary region optimum temperature equalization is achieved with little use of material.
Neben der geringeren Ausfallwahrscheinlichkeit ergeben sich gegenüber dem beispielsweise aus der
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe invention allows numerous embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and will be described below. This shows in
Ein erster Wasserkasten
Die
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 4012045 A1 [0002, 0015] DE 4012045 A1 [0002, 0015]
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