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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, umfassend ein kleineres Rohr, welches in einem größeren Rohr angeordnet ist und mit Strömungszügen für wenigstens zwei Fluidströme, wobei ein erster Strömungszug im Inneren des kleineren Rohres ausgebildet ist und ein zweiter Strömungszug in einem Ringraum zwischen dem kleineren und dem größeren Rohr angeordnet ist, (Zusatz zu
DE 10 2009 041 406.1 ).
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Ein Wärmeübertrager ist aus der
DE 199 44 951 A1 bekannt. Es handelt sich dort um einen so genannten „inneren” Wärmeübertrager in einer Klimaanlage, in dem hochdruckseitiges und niederdruckseitiges Kältemittel im Wärmeaustausch stehen um leistungsmäßige Vorteile der Klimaanlage zu erreichen. Der bekannte Wärmeübertrager wurde als eine einzige mäanderartig oder spiralartig gewundene Mehrkanal-Rohrleitung ausgebildet. Die zweiten Strömungszüge wurden, durch an der Innenwand des größeren Rohres oder an der Außenwand des kleineren Rohres angeordnete, in Rohrlängsrichtung entlanglaufende Stege dargestellt, die sich im ersten Fall an der Innenwand des Außenrohres abstützen und die im zweiten Fall an der Außenwand des Innenrohres anstoßen. Es gibt dort auch Ausführungen ohne Stege, wobei das Innenrohr und das Außenrohr als Rundrohre ausgebildet sind und der zwischen den beiden Rohren gebildete Ringraum als zweiter Strömungszug mit einer Wärmetauschrippe belegt ist.
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Aus der
DE 196 24 030 A1 ist bereits ein Wärmetauscher gleicher Bauart bekannt. Dieser Wärmetauscher weist ebenfalls ein einziges gewundenes Koaxialrohr auf, welches in einem Behälter angeordnet ist. Dort werden spezielle Sicken vorgeschlagen, die einen kompakten Wärmetauscher ergeben. Zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr wurden Abstandshalter vorgesehen.
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Die Anmelderin hat bereits eine Patentanmeldung für einen Wärmeübertrager eingereicht, die das Aktenzeichen
DE 10 2009 041 406.1 erhalten hat. Die ältere Anmeldung ist speziell auf den Einsatz koaxialer Flachrohre ausgerichtet, die aus Blechstreifen herstellbar sind. In den zweiten Strömungszügen befinden sich eingelegte Rippen. In der älteren Anmeldung wurden, im Unterschied zu den vorstehend genannten Veröffentlichungen, die koaxialen Flachrohre zu einem Rohrstapel zusammengefasst, um einen kompakten Wärmeübertrager, vorzugsweise einen Verdampfer, bereitzustellen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, das einleitend vorgestellte Bauprinzip aufzugreifen und für andere Wärmeübertragerzwecke weiterzuentwickeln. Eine andere Aufgabe besteht darin, den Gegenstand der älteren Anmeldung zu verbessern. Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt mit einem Wärmeübertrager, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weil die koaxialen Rohre zu einem Rohrbündel zusammengefasst sind und weil die zweiten Strömungszüge der koaxialen Rohre über die Rohrlänge unterschiedlich gestaltet sind und somit wenigstens zwei unterschiedlich gestaltete Wärmeübertragerabschnitte definieren, ergibt sich z. B. ein besonders herstellungsfreundlicher und leistungsmäßig sehr vorteilhafter Verdampfer, der beispielsweise in einem Kraftfahrzeug und beispielsweise als Bestandteil eines Rankine-Kreislaufes eingesetzt werden kann, um eine Energierückgewinnung z. B. aus der Wärmeenergie der Abgase oder der heißen Ladeluft darzustellen.
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In dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, eingesetzt als Verdampfer, wird z. B. einem ersten Fluid, z. B. dem heißen Abgas des Verbrennungsmotors, Wärme entzogen und hiermit wird ein zweites Fluid, welches das Arbeitsmittel eines Rankine-Kreisprozesses darstellt, z. B. ein Kältemittel oder Wasser, aufgeheizt, verdampft und überhitzt. Das heiße Abgas durchströmt den ersten Strömungszug im Inneren der kleineren Rohre, das Arbeitsfluid durchströmt den zweiten Strömungszug in einem Ringraum zwischen den kleineren und den größeren Rohren. Die Erfinder haben festgestellt, dass es für solche Abgasverdampfer von thermodynamischem Vorteil ist, wenn die zweiten Strömungszüge des ersten Wärmeübertragerabschnitts feiner strukturiert sind als diejenigen des zweiten Wärmeübertragerabschnitts. Der feiner strukturierte Wärmeübertragerabschnitt ist dem eintretenden zu verdampfenden Fluid zugeordnet. In diesem Strömungsabschnitt ist es vorteilhaft, dem noch unterkühlten und damit flüssigen Fluid einen hohen Strömungsdruckverlust aufzuprägen. Dies führt zu einer homogeneren Aufteilung des Fluidstromes auf mehrere im Rohrbündel parallel geschaltete Strömungszüge bzw. Rohre und auch zu einer Stabilisierung des Verdampfungsprozesses. Zur Erzeugung eines gewünschten hohen Druckverlustes können z. B. die durchströmten Querschnittsflächen klein ausgeführt werden oder durch spezielle Gestaltungen der Strömungszuggeometrie Strömungswiderstände wie z. B. Umlenkungsmaßnahmen eingeführt werden. Erreicht das Fluid die Siedegrenze, so tritt mit zunehmendem Dampfanteil eine Volumenvergrößerung ein. Der Dampf kann sich im zweiten Wärmeübertragerabschnitt, der gröber strukturiert ist, also im Vergleich zum ersten Wärmeübertragerabschnitt z. B. größere Räume besitzt, besser ausdehnen, wodurch der Wärmeaustausch bei vertretbarem Druckverlust verbessert wird. Es können selbstverständlich auch mehr als zwei unterschiedlich strukturierte Wärmeübertragerabschnitte durch mehrfache unterschiedliche Gestaltungen der zweiten Strömungszüge vorgesehen werden, in denen sich die Räume schrittweise vergrößern. Insbesondere muss es auch keinen abrupten Übergang zwischen den Abschnitten geben sondern eher einen fließenden Übergang, bei dem die angesprochenen Räume nach und nach größer werden oder allgemein gesehen unterschiedliche Geometrien aufweisen. Es versteht sich, dass sämtliche koaxialen Rohre des Rohrbündels identisch ausgebildet sind, weshalb die Bestimmung der Wärmeübertragerabschnitte im Wärmeübertrager möglich ist.
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Wird die Geometrie durch die inneren Rohre gebildet, z. B. durch Walzen, Drücken oder Umformen eines glatten inneren Rohres als Ausgangsbauteil, oder wird ein Rohr verwendet, welches einem Innenhochdruck-Umformprozess unterworfen war, so kann der zusätzliche Vorteil einer strukturierten Wandoberfläche für die inneren Strömungszüge zu einer Erzeugung von Turbulenz und damit zu einer Verbesserung des Wärmeüberganges im ersten Strömungszug führen. Die Leistung des Wärmeübertragers wird hierdurch verbessert. Wie weiter hinten näher ausgeführt wird, ist diese Gestaltung auch besonders vorteilhaft zur Aufnahme unterschiedlicher thermischer Längendehnungen und damit zum Abbau von Bauteilspannungen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Fluide im ersten und im zweiten Strömungszug im Gegenstrom durch den Wärmeübertrager geführt werden. Durch die kleineren Rohre, also durch die ersten Strömungszüge, kann das Abgas oder die heiße Ladeluft einer Brennkraftmaschine strömen. Durch die zweiten Strömungszüge strömt eine zu verdampfende Flüssigkeit. Vorteilhaft können aber auch Stromführungen im Gleichstrom oder im Kreuzgegen- oder Kreuzgleichstrom sein, um z. B. ein Überhitzen des zu verdampfenden Fluides über seine thermische Grenztemperatur hinaus zu vermeiden und den zur Verfügung stehenden Einbauraum unter Einhaltung der vorgegebenen Druckverlustgrenzen für die Fluide im ersten und im zweiten Strömungszug optimal zu nutzen.
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Zur Verbesserung des Wärmeüberganges und damit zur Steigerung der Leistungsdichte des Verdampfers können die ersten Strömungszüge zusätzlich Turbulenzeinsätze aufweisen.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn die kleineren Rohre mit den größeren Rohren über die Rohrlänge nicht metallisch verbunden sind. Die kleineren Rohre werden mit einem minimalen Montagespaltmaß in die größeren Rohre eingeschoben und in ihrer Position fixiert. Im Betrieb weisen die inneren Rohre im Vergleich zu den äußeren Rohren in der Regel höhere Materialtemperaturen auf. Infolge der größeren thermischen Dehnung der inneren Rohre in radialer Richtung wird der Fertigungsspalt geschlossen und die gewünschte dichte Stromführung wird erreicht. Zum anderen kann aber auch hierdurch die Fertigung deutlich einfacher und kostengünstiger gestaltet werden, da z. B. ein Lötprozess entfällt. Zudem ist diese konstruktive Gestaltung sehr vorteilhaft bei thermischen Beanspruchungen, die insbesondere bei Verdampfern sehr kritisch sind und oft zu Schäden führen. Auftretende unterschiedliche thermische Dehnungen in Rohrlängsrichtung, z. B. zwischen benachbarten Rohren mit unterschiedlichen Temperaturen, können über die gesamte Rohrlänge aufgefangen werden, wodurch die resultierenden thermischen Spannungen reduziert werden. Durch die Einbringung geeigneter Strukturen im Rohr kann zudem eine Flexibilität in Rohrlängsrichtung realisiert werden, wie man sie z. B. von Faltenbälgen kennt.
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Zur Minimierung des Spaltmaßes im Betrieb können die inneren Rohre z. B. nach der Montage auch mit Hilfe eines Dornes oder durch Innendruck plastisch aufgeweitet werden, oder die äußeren Rohre durch eine plastische Verformung an die inneren Rohre angeschmiegt werden.
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Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers als Rohrbündel bietet zudem den Vorteil einer hohen Bauraumflexibilität, indem nur die Außenkontur der Sammelkästen an den Einbauraum angepasst werden muss. Die Außengeometrie des Rohrbündels ist damit auch an zerklüftete Einbauräume anpassbar. Die Baulänge des gesamten Wärmeübertragers ist durch unterschiedliche Rohrlängen beliebig einstellbar.
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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.
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Vorteilhaft ist aber auch der Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers für andere Kühlungs- oder Erwärmungsaufgaben. Denkbar sind z. B. der Einsatz als Ladeluftkühler, Ölkühler oder auch als indirekter Kühlmittelkühler, bei dem die beiden Strömungszüge von Kühlmittel auf hohem Temperaturniveau (Integration des Wärmeübertragers in einen Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf) oder niedrigem Temperaturniveau (Integration des Wärmeübertragers in einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf) durchströmt werden. Bei einer Ausführung als Ladeluftkühler oder Ölkühler (gekühlt über Luft oder Kühlmittel), bei der vorteilhafterweise die Ladeluft oder das Öl durch die zweiten Strömungszüge geführt wird, kann die Geometrie dieser Strömungszüge z. B. an die lokale Dichte, Viskosität, Druckverlust- und Leistungsanforderungen angepasst werden. Aber auch eine Führung dieser Medien durch den inneren bzw. durch den ersten Strömungszug kann vorteilhaft sein.
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Die 1 zeigt eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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Die 2 zeigt ein kleineres Rohr.
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Die 3 zeigt ein kleineres Rohr koaxial angeordnet in einem größeren Rohr.
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Die 4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 1.
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Die 5 zeigt eine Darstellung im Bereich der Rohrenden des Wärmeübertragers.
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Die 6 zeigt eines der kleineren Rohre an dessen Außenseite Wärmeübertragerabschnitte definiert sind.
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Die 7–10 zeigen Rohre mit unterschiedlich gestalteten Wärmeübertragerabschnitten.
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Die 11a, 11b und 12 zeigen ein Rohrbündel bzw. einen Wärmeübertrager mit einem Zwischensammelraum.
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Die 13 zeigt mehrere Einzelheiten aus 12.
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Die 14 zeigt ein kleineres Rohr mit einer den zweiten Strömungszug bildenden Drahtwicklung
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Die 15 zeigt ein kleineres Rohr mit einem Einsatz.
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Der Wärmeübertrager des Ausführungsbeispiels stellt einen Verdampfer dar, der in einer Energierückgewinnungsanlage eines Kraftfahrzeuges enthalten ist. In dem Verdampfer stehen die Abgase des Kraftfahrzeugmotors (leere Pfeile) und eine zu verdampfende Flüssigkeit, wie Wasser (gemusterte Pfeile, 1) oder dergleichen, im Wärmeaustausch. Die zu verdampfende Flüssigkeit durchströmt die in den 2 und 3 sichtbaren zweiten Strömungszüge 4. Die ersten Strömungszüge 3, die sich im Inneren der kleineren Rohre 10 befinden, werden von den Abgasen durchströmt. Wie aus den 5 oder 12 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 (12) besitzen. An den Enden befinden sich Sammelkästen 30 für das Abgas, die an Rohrböden 100 befestigt sind. (4 oder 5) Das Wasser kann seitlich der Rohrböden 200 am Eintritt 300 eintreten, sich auf die Strömungszüge 4 verteilen und am gegenüberliegenden Ende als Dampf austreten.
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Die zweiten Strömungszüge 4 sind durch spiralartige Strukturen, beispielsweise in der Art von Sicken in der Rohrwand der äußeren Rohre oder in der Rohrwand der inneren Rohren dargestellt, wobei in dem einen Wärmeübertragerabschnitt A die spiralartigen Strukturen enger gestaltet sind als in dem anderen Wärmeübertragerabschnitt B (7). Die spiralartigen Strukturen können als ein eine variable Steigung aufweisendes Gewinde verstanden werden. Die engeren Strukturen, bzw. die engeren Gewindegänge, sind diejenigen, die eine geringere Steigung besitzen. Vorzugsweise werden die über die Rohrlänge unterschiedlich gestalteten zweiten Strömungszüge 4 durch die unterschiedliche Gestaltung der Rohrwände der kleineren und/oder der größeren Rohre 10, 20 dargestellt. Es liegt allerdings im Rahmen dieser Erfindung, dass die Gestaltung der zweiten Strömungszüge 4 auch mittels gewundener Drahtwicklungen oder dergleichen zusätzlicher Elemente 43, die um die kleineren Rohre 10 herum angeordnet sind, ausgeführt werden kann, 14. Dabei bleiben dann die Rohrwände weitgehend unverformt, vorzugsweise werden also gerade ineinander gesteckte Rohre verwendet.
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In der Regel steht das in einem Rankine-Kreisprozess zu verdampfende Fluid unter einem hohen Betriebsdruck. Auch das Abgas der Brennkraftmaschine weist einen Überdruck auf. Besonders vorteilhaft ist daher die Ausführung der Rohre als Rundrohre, was infolge der besonders vorteilhaften druckresistenten Geometrie eine deutliche Reduzierung der Wandstärken erlaubt.
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6 zeigt eine bevorzugte Ausführung, in der die zweiten Strömungszüge 4 durch spiralartige Strukturen in der Rohrwand der inneren Rohre dargestellt sind. Diese Strukturen ähneln Windungen, wie sie z. B. aus Trapezgewinden bekannt sind. In dem einen Wärmeübertragerabschnitt A sind im Ausführungsbeispiel Strukturen in Form von Einfachdrallwindungen und in dem anderen Wärmeübertragerabschnitt C Strukturen in Form von unterbrochenen Einfachdrallwindungen vorgesehen. Im Wärmeübertragerabschnitt B findet ein kontinuierlicher Übergang von Einfachdrall zu unterbrochenen Einfachdrallwindungen statt.
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Die Strukturen können eingängig oder auch mehrgängig ausgeführt sein, wie man sie z. B. von eingängigen oder mehrgängigen Spiralen oder Gewinden kennt, auch Überlagerungen von Links- und Rechtsgängigen Spiralen oder Gewinden sind denkbar.
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Um die Vielfältigkeit der Möglichkeiten zur Bereitstellung unterschiedlich gestalteter zweiter Strömungszüge 4 zu zeigen, sei auf die 8 verwiesen. In der 8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem nur ein Teilbereich der Rohrwand des kleineren Rohres 10 mit Strukturen mit veränderlicher Steigung ausgestattet ist. Das größere Rohr 20 ist ebenfalls mit Strukturen ausgestattet, die jedoch über die gesamte Rohrlänge gehen. Dort gibt es Abschnitte mit konstanter Steigung und auch Abschnitte mit zunehmender Steigung. Die Strukturen am kleineren Rohr 10 kreuzen sich mit denjenigen am größeren Rohr 20 und bilden in diesem Bereich z. B. eine kreuzdrallförmige Kanalführung. In dem Bereich, in dem das innere Rohr 10 keine Strukturen aufweist, liegt eine einfache drallförmige Kanalgeometrie vor. Wie dieses Beispiel zeigt, sind hier mehr als zwei Wärmeübertragerabschnitte erkennbar.
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Wie aus den 9 und 10 ersichtlich ist, können die zweiten Strömungszüge 4 alternativ auch durch beabstandete ringförmige Stege 41 an der Innenwand der Außenrohre oder an der Außenwand der Innenrohre gebildet werden, die in Rohrlängsrichtung fluiddurchlässig sind, wobei in dem einen Wärmeübertragerabschnitt B größere Abstände zwischen den Stegen – in Längsrichtung der Rohre gesehen – vorgesehen sind als in dem anderen Wärmeübertragerabschnitt A. Die Fluiddurchlässigkeit wird mittels Unterbrechungen 42 der Stege 41 dargestellt. Durch die Gestaltung der Form und Größe der Unterbrechungen 42 kann der Strömungsdurchtritt in die benachbarten Räume 50 erleichtert oder erschwert werden, d. h. an die gewünschte Turbulenz und den Druckverlust angepasst werden. 9a zeigt die Gestaltung dieser Geometrie durch das innere Rohr. Durch eine Positionierung dieser Unterbrechungen 42 kann eine Umlenkung der Fluidströmung und damit eine Verlängerung der Strömungswege erreicht werden. Auch können z. B. 2, 3 oder mehrere Unterbrechungen 42 in einem Steg 41 ausgeführt werden (nicht dargestellt).
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Wie in der 10 in einer besonders vorteilhaften Ausführung gezeigt wird, können solche ringförmigen Stege mit Unterbrechungen 42 auch in Kombination mit spiralförmigen Strukturen zur Gestaltung der zweiten Strömungszüge 4 vorgesehen werden, mit dem Ergebnis, dass mehrere unterschiedlich ausgestaltete Wärmeübertragerabschnitte A, B, C, ... erreicht werden, bei der die Steigung der Strukturen variabel gestaltet ist oder konstant bleibt. Gemäß 10 befinden sich die ringförmigen Stege mit Unterbrechungen 42 im Abschnitt A. Der Abschnitt B besitzt ringförmige Stege mit Unterbrechungen 42 in Kombination mit spiralförmigen Strukturen. Vorteilhaft ist die Ausbildung der ringförmigen Stege mit Unterbrechungen durch das innere Rohr, um hier zusätzliche Vorteile hinsichtlich Turbulenzerzeugung und Wärmeübergang im inneren Strömungszug sowie der Ermöglichung einer thermischen Längendehnung zu erzielen.
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Als Ergebnis von thermodynamischen Berechnungen wurde gefunden, dass für das Größenverhältnis der in den verschiedenen Wärmeübertragerabschnitten A, B geschaffenen Räume 50 zwischen den Räumen am Fluideintritt und den Räumen am Fluidaustritt etwa das Verhältnis ab 1:3, zum Beispiel mit 1:3, 1:5, 1:10 bis bin zu 1:80 oder größer gewählt werden sollte, weil dann bezüglich Stabilität und Druckverlust besonders günstige Wärmeübertragungsleistungen auftreten, 9, 9a. Vorteilhaft ist eine stetige oder stufenweise Vergrößerung der durchströmten Querschnittsfläche, angepaßt an die Änderung der Stoffwerte bzw. an für den Wärmeübergang charakteristische Größen wie z. B. die Dichte, Viskosität, Reynolds- oder Nusseltzahlen.
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Bei einer Kanalgeometrie, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und die über die gesamte Fluiddurchströmungslänge konstant bleibt, stellen sich am Fluideintrittsbereich geringe Strömungsgeschwindigkeiten und damit geringe Reynoldszahlen und damit Wärmeübergänge ein. Durch die niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ist der Druckverlust in diesem Bereich sehr gering, was insbesondere auch die Stabilität der Verdampfung negativ beeinträchtigt. Infolge der starken Volumenzunahme des Fluids durch die Verdampfung und Überhitzung ergeben sich dann am Austrittsbereich sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Druckverluste. Da hier die Strömung hochturbulent ist, wird der Wärmeübergang in diesem Bereich nicht mehr wesentlich gesteigert. Wünschenswert ist daher eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit am Fluideintritt zur Erhöhung des Wärmeüberganges, was mit einer nur geringfügigen Erhöhung des Druckverlustes darstellbar ist. Auf der Dampfaustrittsseite kann dagegen die Strömungsgeschwindigkeit deutlich reduziert werden, was im Hinblick auf die Wärmeübertragungsleistung kaum nachteilig ist, aber den Druckverlust deutlich senkt. Insgesamt kann durch eine variable Kanalführungsgeometrie hiermit die summarische Wärmeübertragungsleistung maximiert werden ohne den vorgegebenen maximalen Druckverlust des Verdampfers auf der Fluidseite zu überschreiten.
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Durch Wahl unterschiedlicher lokaler Durchströmungsquerschnittsflächen, aber auch durch weitere konstruktive Maßnahmen, wie z. B. lokal unterschiedliche Oberflächenstrukturen, Strömungsschikanen, Umlenkungen oder Abrißkanten, können die lokal herrschenden Durchströmungsgeschwindigkeiten und die für die Wärmeübertragung relevanten Kenngrößen wie z. B. die Reynoldszahlen und Nusseltzahlen sowie die lokalen Druckverluste auf die Zielgrößen eingestellt werden.
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Thermodynamische Simulationsrechnungen haben ergeben, dass eine Auslegung auf eine über die Lauflänge des Fluids bzw. über die Rohrlänge variable Kanalgeometrie vorteilhaft ist, bei welcher der lokale Druckverlust (dp/dx, meßbar in Einheit [Pa/m]), also der Druckverlust pro durchströmter Länge für jedes Strömungssegment, näherungsweise konstant ist. Dies stellt sich bei der beispielhaften Anwendung ein, wenn das Flächenverhältnis der durchströmten Züge in den Wärmeübertragerabschnitten am Fluidein- und Austritt etwas einem Verhältnis von 1:3, 1:4, 1:5 bis 1:8 entspricht. Eine Auslegung der Stromführungsgeometrie auf über der Rohrlänge konstante Druckverluste (Druckverlust pro Längeneinheit) führt zu einem stabilen Verdampfungsprozess. Zusätzlich zur Optimierung der – unter den Druckverlustbegrenzungen – erzielbaren Wärmeübertragungsleistung, führt diese Auslegung daher zusätzlich auch zu einer Verbesserung der Stabilität des Verdampfungsvorganges. Eine weitere Änderung des Flächenverhältnisses auf 1:10, 1:15, 1:20, 1:30, 1:40 bis hin zu 1:80 kann zu einer weiteren Optimierung führen, wenn insbesondere eine Geometrie dargestellt wird, bei der die lokale Reynoldszahl über die Durchströmungslänge konstant bleibt. Diese Betrachtung gilt auch für die vorne beschriebene Gestaltung der Fluidführungsgeometrie aus spiralartigen Strukturen im Einfachdrall oder aus unterbrochenen Einfachdrallwindungen, mit ein- oder mehrzügiger Ausführung, 3, 6, 7, 8 und 9, sowie auch deren Kombinationen mit ringförmigen Stegstrukturen, 10.
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Es ist von Vorteil, dass die koaxialen Rohre 10 und 20 über die Rohrlänge nicht metallisch verbunden sind, sodass sich die kleineren Rohre 10 aufgrund ihrer größeren thermischen Dehnung, verursacht durch die hohe Abgastemperatur, an die Innenwand der größeren Rohre 20 schmiegen und in ihrer Längendehnung nicht wesentlich behindert werden.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird vorgesehen, dass, wie bereits erwähnt, die Länge der kleineren Rohre 10 größer ist als die Länge der größeren Rohre 20, 5. Weiterhin wird vorgesehen, dass an wenigstens einem Rohrende ein als Lochplatte gestalteter zweiter Boden 200 für die größeren Rohre 20 und ein ebenfalls als Lochplatte gestalteter erster Boden 100 für die kleineren Rohre 10 angeordnet sind, die einen Abstand voneinander aufweisen, der etwa dem halben Längenunterschied der Rohre 10, 20 entspricht, besonders vorteilhaft ist der Abstand fluideintrittsseitig kleiner und der Abstand dampfaustrittsseitig größer ausgeführt. Mittels des zweiten Bodens 200 werden die zweiten Strömungszüge 4 des Rohrbündels 12 zusammengefasst und mittels des ersten Bodens 100 die ersten Strömungszüge 3. Zwischen dem zweiten Boden 200 und dem ersten Boden 100 ist demnach ein Sammelraum 40 für den durch die zweiten Strömungszüge 4 laufenden Fluidstrom, im gezeigten Fall für die zu verdampfende Flüssigkeit, ausgebildet. Ein Einlass/Auslass 300 für die Flüssigkeit ist am Sammelraum 40 angeordnet. Am ersten Boden 100 befinden sich weitere Sammelräume 30 für das Abgas, 1, die die Führung des Abgases zu den Ein- und Austrittsanschlüssen bilden.
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Es führt zu weiteren thermodynamischen Vorteilen, wenn ein Zwischensammelraum 400 für das zu verdampfende Fluid im Rohrbündel 12 angeordnet ist, wie ebenfalls aus den 1, 4, 11a und 12 ersichtlich ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen befindet sich der Zwischensammelraum 400 vorteilhafterweise an der Stelle, an der das Fluid fast vollständig verdampft ist. Der Zwischensammelraum wird ebenfalls durch eingebettete Lochplatten 201 gebildet, die von einer abschließenden Wand umfasst sind, 13. Die größeren Rohre 20 besitzen im Bereich des Zwischensammelraums 400 Rohrwanddurchbrüche 401. In dem Zwischensammelraum 400 kann sich noch nicht verdampfte Flüssigkeit absetzen und z. B. in den Kreislauf zurückgeführt werden. Auch können sich etwaige Ungleichverteilungen der Fluiddurchsätze der einzelnen Strömungszüge ausgleichen. Zudem erfüllt der Zwischensammelraum 400 die Funktion der Abstützung der Rohre gegeneinander bzw. zu einem umgebenden Gehäuse (nicht dargestellt). Zur Abstützung und zur Vermeidung von Vibrationsschäden sind über die Rohrlänge verteilt zusätzliche Abstandshalter 201 in Form von Lochplatten angeordnet, deren Lochdurchmesser etwa dem Durchmesser der größeren Rohre entsprechen (nicht abgebildet).
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Aus Gründen der Kostenreduzierung kann es sinnvoll sein, für die Fertigung des Wärmeübertragers einen Lötprozess einzusetzen um die fluiddichten Verbindungen der kleineren Rohre 10 mit dem ersten Boden 100 und die Verbindung der größeren Rohre 20 mit dem zweiten Boden 200 sowie die fluiddichte Abdichtung der Fluidsammelräume 30 und 40 herzustellen. Gleichzeitig können durch einen Lötprozeß die entsprechenden Verbindungen der Rohre 20 zum Zwischensammelraum 400 und auch die Befestigung einer oder mehrerer Lochplatten 201 für die Abstützung hergestellt werden. Entweder werden bei dieser gelöteten Ausführung des Wärmeübertragers die kleineren Rohre 10 nicht mit den größeren Rohren 20 verlötet um die beschriebenen Thermowechselvorteile zu erhalten. Alternativ kann hier aber auch ein Lötverbund zwischen den kleineren Rohre 10 mit den größeren Rohren 20 geschaffen werden, falls z. B. eine Vibrationsproblematik dies erforderlich macht.
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Das gesamte Rohrbündel ist an seiner Außenkontur vorteilhafterweise von einer Isolation umgeben um Wärmeverluste aus den äußeren Strömungszügen an die Umgebung zu reduzieren. Diese Isolation kann mit einem Gehäuse kombiniert werden. Alternativ kann beispielsweise durch Ausschäumen der Zwischenräume im Rohrbündel eine thermische Isolation und gleichzeitig eine Abstützung der Rohre gegeneinander realisiert werden (nicht gezeigt).
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Die 15 zeigt ein kleineres Rohr 10 mit einem Einsatz 101. Der Einsatz 101 ist, hier nur beispielhaft dargestellt, zur Verwirbelung des durch die ersten Strömungszüge 3 strömenden Abgases gedacht. Er kann aus einem Blech hergestellt und mit flügelartig ausgestellten Elementen versehen sein, die auch geometrisch verschränkt und verdrallt sein können. Derartige Einsätze sind insbesondere bei denjenigen Ausführungen vorgesehen, bei denen die Rohrwand der kleineren Rohre 10 nicht wesentlich verformt bzw. strukturiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 3
- erste Strömungszüge
- 4
- zweite Strömungszüge
- 7
- Rohrlängenunterschied (Überstand)
- 10
- kleinere Rohre
- 12
- Rohrbündel
- 20
- größere Rohre
- 30
- Sammelraum (Abgas)
- 40
- Sammelraum (Fluid)
- 41
- Stege
- 42
- Unterbrechungen
- 43
- zusätzliche Elemente
- 50
- Räume bei A und B
- 100
- erster Boden für die kleineren Rohre 10 (Abgas)
- 101
- Einsatz
- 200
- zweiter Boden für die größeren Rohre 20 (Fluid)
- 201
- Lochplatten für die größeren Rohre 20 (Fluid)
- 300
- Einlass/Auslass
- 400
- Zwischensammelraum (Fluid)
- 401
- Rohrwanddurchbrüche
- A
- Wärmeübertragerabschnitt
- B
- anderer Wärmeübertragerabschnitt
- C
- nächster Wärmeübertragerabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009041406 [0001, 0004]
- DE 19944951 A1 [0002]
- DE 19624030 A1 [0003]
