DE102010008175B4 - Heat exchanger - Google Patents

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Abstract

Wärmeübertrager, umfassend ein kleineres Rohr (10), welches koaxial in einem größeren Rohr (20) angeordnet ist und mit diesem einen Ringraum bildet, mit Strömungszügen (3, 4) für wenigstens zwei Fluidströme, wobei der erste Strömungszug (3) im Inneren des kleineren Rohres (10) ausgebildet ist und der zweite Strömungszug (4) in dem Ringraum zwischen dem kleineren und dem größeren Rohr (10, 20) angeordnet ist, wobei mehrere koaxiale Rohre (10, 20) zu einem Rohrbündel (12) zusammengefasst sind, wobei die zweiten Strömungszüge (4) über die Rohrlänge unterschiedliche Durchströmungsquerschnittsflächen, in Strömungsrichtung gesehen, aufweisen, die durch schraubenförmige Sicken gebildet sind, die sich von der Rohrwand der inneren Rohre (10) zum äußeren Rohr (20) hin erstrecken und/oder sich von der Rohrwand der äußeren Rohre (20) zum inneren Rohr (10) hin erstrecken, sodass wenigstens zwei unterschiedlich gestaltete, aneinander anschließende Wärmeübertragerabschnitte (A, B) definiert sind, wobei der erste Wärmeübertragerabschnitt (A) kleinere und der zweite Wärmeübertragerabschnitt (B) größere Durchströmungsquerschnittsflächen aufweist.Heat exchanger, comprising a smaller tube (10) which is arranged coaxially in a larger tube (20) and forms an annular space with it, with flow lines (3, 4) for at least two fluid flows, the first flow line (3) inside the smaller pipe (10) is formed and the second flow passage (4) is arranged in the annular space between the smaller and the larger pipe (10, 20), with several coaxial pipes (10, 20) being combined to form a pipe bundle (12), wherein the second flow lines (4) over the length of the tube have different flow cross-sectional areas, seen in the direction of flow, which are formed by helical beads that extend from the tube wall of the inner tubes (10) to the outer tube (20) and / or from the tube wall of the outer tubes (20) extending towards the inner tube (10), so that at least two differently designed, adjoining heat exchanger sections (A, B) are defined, whereby ei the first heat exchanger section (A) has smaller and the second heat exchanger section (B) has larger throughflow cross-sectional areas.

Description

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 B3 ).The invention relates to a heat exchanger, comprising a smaller tube, which is arranged in a larger tube and with flow trains for at least two fluid streams, wherein a first flow train is formed in the interior of the smaller tube and a second flow train in an annular space between the smaller and the larger Pipe is arranged, (addition to DE 10 2009 041 406 B3 ).

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.A heat exchanger is out of the DE 199 44 951 A1 known. There is a so-called "internal" heat exchanger in an air conditioner in the high-pressure side and low-pressure side refrigerant are in heat exchange to achieve performance advantages of the air conditioning. The known heat exchanger was designed as a single meandering or spiral wound multi-channel pipe. The second flow trains were represented by webs running along the inner wall of the larger pipe or on the outer wall of the smaller pipe, which in the first case are supported on the inner wall of the outer pipe and abut on the outer wall of the inner pipe in the second case. There are also designs without webs, wherein the inner tube and the outer tube are formed as round tubes and the annular space formed between the two tubes is occupied as a second flow train with a heat exchange rib.

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.From the DE 196 24 030 A1 already a heat exchanger of the same type is known. This heat exchanger also has a single helical coaxial tube, which is arranged in a container. There special beads are proposed, which result in a compact heat exchanger. Spacers were provided between the inner tube and the outer tube.

Durch die DE 43 45 045 A1 wurde ein Einzelrohr für einen Wärmeübertrager mit einem als Drahtspirale ausgebildeten Einbauelement bekannt, wobei die Drahtspirale eine veränderliche Steigung aufweist und an der Innenwandung des Einzelrohres anliegt. Durch die außen anliegende Drahtwendel wird der äußeren Strömung eine tangential gerichtete Geschwindigkeitskomponente aufgezwungen, d. h. es ergibt sich eine Drallströmung, allerdings nur im wandnahen Bereich – die Kernströmung, d. h. die Strömung im Inneren des Rohres wird von der Wirkung der Drahtwendel nicht beeinflusst. Es liegt kein Koaxialrohr mit einem Ringraum zwischen einem inneren und einem äußeren Rohr vor.By the DE 43 45 045 A1 a single tube for a heat exchanger with a built-in wire spiral installation element has been known, wherein the wire spiral has a variable pitch and rests against the inner wall of the single tube. The externally applied wire helix imposes a tangentially directed velocity component on the outer flow, ie a swirl flow results, but only in the region close to the wall - the core flow, ie the flow inside the tube is not influenced by the action of the wire helix. There is no coaxial tube with an annulus between an inner and an outer tube.

Durch die DE 199 55 939 A1 wurde ein Einzelrohr für einen Wärmeübertrager bekannt, welches – zur Steigerung der Turbulenz – in das Rohrinnere gerichtete Erhebungen in Form von Sicken aufweist, die ringförmig oder wendelartig ausgebildet sind. Die Erhebungen bzw. Sicken werden von außen als Vertiefungen in die Rohrwand geprägt, vorzugsweise mit einer Rolle als Prägewerkzeug, sodass sie in den Innenraum des Rohres hineinragen und dessen Durchmesser verringern.By the DE 199 55 939 A1 a single tube for a heat exchanger was known, which - to increase the turbulence - directed into the interior of the tube surveys in the form of beads, which are annular or helical. The elevations or beads are embossed from the outside as depressions in the pipe wall, preferably with a roller embossing tool so that they protrude into the interior of the tube and reduce its diameter.

Durch die DE 94 18 641 U1 wurde ein Einzelrohr für einen Wärmeübertrager mit diversen Sickenformen bekannt. Unter anderem weist das Einzelrohr Eindellungen in Form von einfachen bis vierfachen Spiralwindungen sowie Ausdellungen in Form von Spiralsicken gleicher und entgegengesetzter Steigung auf. Die Ein- und Ausdellungen sind gruppenweise und in konstanten Abständen in Strömungsrichtung des Einzelrohrs angeordnet.By the DE 94 18 641 U1 a single tube for a heat exchanger with various bead shapes was known. Among other things, the single tube has indentations in the form of simple to fourfold spiral turns and Ausdellungen in the form of spiral beads of the same and opposite slope. The inputs and Ausdellungen are arranged in groups and at constant intervals in the flow direction of the single tube.

Durch die US 4 171 634 A wurde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (4 und 5) ein aus einem Koaxialrohr bestehender Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager bekannt, wobei das Koaxialrohr ein Glattrohr und ein tordiertes Rohr mit spiralartigen Windungen und veränderlicher Steigung umfasst. Durch die koaxiale Anordnung des glatten und des tordierten Rohres werden spiralartig verlaufende Strömungskanäle mit wachsendem Strömungsquerschnitt gebildet, wobei auch der Zwischenraum zwischen den Strömungskanälen auf deren Außenseite proportional mit dem Strömungsquerschnitt wächst. Ein weiteres Ausführungsbeispiel (6) zeigt einen Gehäuse-und-Rohr-Wärmeübertrager mit einem Bündel von tordierten Einzelrohren, d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel werden keine Koaxialrohre – wie in 4 und 5 dargestellt – verwendet. Die Herstellung eines derartig verdrehten Rohres durch Aufbringung einer Torsions- und Zugbeanspruchung ist äußerst problematisch, insbesondere im Hinblick auf Maßhaltigkeit und Wiederholbarkeit.By the US 4 171 634 A was according to a first embodiment ( 4 and 5 ) a pipe-in-tube heat exchanger consisting of a coaxial tube, the coaxial tube comprising a smooth tube and a twisted tube having spiral-like turns and variable pitch. The coaxial arrangement of the smooth and the twisted tube spiral-shaped flow channels are formed with increasing flow cross-section, wherein the gap between the flow channels on the outside thereof grows proportionally with the flow cross-section. Another embodiment ( 6 ) shows a housing-and-tube heat exchanger with a bundle of twisted single tubes, ie in this embodiment, no coaxial tubes - as in 4 and 5 shown - used. The production of such a twisted tube by applying a torsional and tensile stress is extremely problematic, especially in terms of dimensional stability and repeatability.

Die ältere Anmeldung der Anmelderin DE 10 2009 041 406 B3 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.The older application of the Applicant DE 10 2009 041 406 B3 is specially designed for the use of coaxial flat tubes that can be produced from sheet metal strips. In the second flow trains are inserted ribs. In the earlier application, in contrast to the publications cited above, the coaxial flat tubes were combined to form a tube stack in order to provide a compact heat exchanger, preferably an evaporator.

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.An object of the invention is to pick up the initially presented construction principle and further develop it for other heat transfer purposes. Another object is to improve the subject of the earlier application.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Wärmeübertrager gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1, 2 oder 7.The object is achieved with a heat exchanger according to the independent claims 1, 2 or 7.

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. Because the coaxial tubes are combined to form a tube bundle and because the second flow trains of the coaxial tubes are designed differently over the tube length and thus define at least two differently shaped heat exchanger sections, z. As a particularly production-friendly and efficient very advantageous evaporator, which can be used for example in a motor vehicle and, for example, as part of a Rankine cycle to achieve energy recovery z. B. represent from the heat energy of the exhaust gases or the hot charge air.

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.In the heat exchanger according to the invention, used as an evaporator, z. B. a first fluid, for. As the hot exhaust gas of the engine, heat withdrawn and this is a second fluid, which is the working fluid of a Rankine cycle process, for. As a refrigerant or water, heated, evaporated and superheated. The hot exhaust gas flows through the first flow train inside the smaller tubes, the working fluid flows through the second flow train in an annular space between the smaller and the larger tubes. The inventors have found that it is thermodynamically advantageous for such exhaust gas evaporators if the second flow trains of the first heat exchanger section are structured to be finer than those of the second heat exchanger section. The finely structured heat exchanger section is associated with the incoming fluid to be evaporated. In this flow section, it is advantageous to impart a high flow pressure loss to the still supercooled and therefore fluid fluid. This leads to a more homogeneous distribution of the fluid flow to a plurality of flow trains or tubes connected in parallel in the tube bundle and also to a stabilization of the evaporation process. To generate a desired high pressure loss z. B. the flow-through cross-sectional areas are made small or by special designs of Strömungszuggeometrie flow resistances such. B. deflection measures are introduced. If the fluid reaches the boiling limit, an increase in volume occurs as the proportion of vapor increases. The steam can be in the second heat exchanger section, which is coarser structured, so compared to the first heat exchanger section z. B. has larger spaces, better expand, whereby the heat exchange is improved at a reasonable pressure loss. Of course, more than two differently structured heat exchanger sections can be provided by multiple different configurations of the second flow trains, in which the rooms gradually increase. In particular, there does not have to be an abrupt transition between the sections, but rather a fluid transition in which the spaces addressed become progressively larger or generally have different geometries. It is understood that all coaxial tubes of the tube bundle are formed identically, which is why the determination of the heat exchanger sections in the heat exchanger is possible.

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.If the geometry is formed by the inner tubes, for. Example, by rolling, pressing or forming a smooth inner tube as the starting component, or a tube is used, which was subjected to a hydroforming process, the additional advantage of a structured wall surface for the internal flow trains to a generation of turbulence and thus to a Improvement of the heat transfer in the first flow train lead. The performance of the heat exchanger is thereby improved. As explained in more detail below, this design is also particularly advantageous for receiving different thermal elongations and thus to reduce component voltages.

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.It is advantageous if the fluids in the first and in the second flow train are conducted countercurrently through the heat exchanger. Through the smaller tubes, so by the first flow trains, the exhaust gas or the hot charge air of an internal combustion engine can flow. Through the second flow trains flows to be evaporated liquid. But can also be advantageous power guides in DC or Kreuzgegen- or cross-DC to z. B. to avoid overheating of the fluid to be evaporated beyond its thermal limit temperature and to use the available installation space while maintaining the predetermined pressure loss limits for the fluids in the first and in the second flow train optimal.

Zur Verbesserung des Wärmeüberganges und damit zur Steigerung der Leistungsdichte des Verdampfers können die ersten Strömungszüge zusätzlich Turbulenzeinsätze aufweisen.To improve the heat transfer and thus to increase the power density of the evaporator, the first flow trains may additionally comprise turbulence inserts.

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.In addition, it is advantageous if the smaller tubes are not connected metallically with the larger pipes over the pipe length. The smaller pipes are inserted into the larger pipes with a minimal mounting clearance and fixed in position. In operation, the inner tubes generally have higher material temperatures compared to the outer tubes. Due to the greater thermal expansion of the inner tubes in the radial direction of the manufacturing gap is closed and the desired dense current conduction is achieved. On the other hand, but this also makes the production much easier and cheaper to design because z. B. deleted a soldering process. In addition, this structural design is very beneficial For thermal stress, which are very critical especially in evaporators and often cause damage. Occurring different thermal expansions in the tube longitudinal direction, z. B. between adjacent tubes with different temperatures can be collected over the entire tube length, whereby the resulting thermal stresses are reduced. By introducing suitable structures in the tube, a flexibility in the tube longitudinal direction can also be realized as they z. B. of bellows knows.

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.To minimize the gap in operation, the inner tubes z. B. after installation with the help of a mandrel or by internal pressure plastically expanded, or the outer tubes are nestled by a plastic deformation of the inner tubes.

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.The design of the heat exchanger according to the invention as a tube bundle also offers the advantage of a high space flexibility by only the outer contour of the manifolds must be adapted to the installation space. The outer geometry of the tube bundle is thus adaptable to rugged installation spaces. The length of the entire heat exchanger is arbitrarily adjustable by different tube lengths.

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.Other features will be apparent from the dependent claims, which are to be considered as individually listed at this point. In addition, these and other features and advantages thereof will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings.

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.But also advantageous is the use of the heat exchanger according to the invention for other cooling or heating tasks. Conceivable z. As the use as intercooler, oil cooler or as an indirect coolant radiator, in which the two flow of coolant at high temperature level (integration of the heat exchanger in a high-temperature coolant circuit) or low temperature level (integration of the heat exchanger in a low-temperature coolant circuit) are flowed through. In an embodiment as intercooler or oil cooler (cooled by air or coolant), in which advantageously the charge air or the oil is passed through the second flow trains, the geometry of these flow trains z. B. to the local density, viscosity, pressure loss and performance requirements. But even a leadership of these media through the inner or through the first flow train may be advantageous.

Die 1 zeigt eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.The 1 shows an overall view of the heat exchanger according to the invention.

Die 2 zeigt ein kleineres Rohr.The 2 shows a smaller tube.

Die 3 zeigt ein kleineres Rohr koaxial angeordnet in einem größeren Rohr.The 3 shows a smaller tube coaxially arranged in a larger tube.

Die 4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 1.The 4 shows a similar representation as 1 ,

Die 5 zeigt eine Darstellung im Bereich der Rohrenden des Wärmeübertragers.The 5 shows a representation in the region of the tube ends of the heat exchanger.

Die 6 zeigt eines der kleineren Rohre an dessen Außenseite Wärmeübertragerabschnitte definiert sind.The 6 shows one of the smaller tubes on the outside of heat exchanger sections are defined.

Die 710 zeigen Rohre mit unterschiedlich gestalteten Wärmeübertragerabschnitten.The 7 - 10 show tubes with differently designed heat exchanger sections.

Die 11a, 11b und 12 zeigen ein Rohrbündel bzw. einen Wärmeübertrager mit einem Zwischensammelraum.The 11a . 11b and 12 show a tube bundle or a heat exchanger with an intermediate collecting space.

Die 13 zeigt mehrere Einzelheiten aus 12.The 13 shows several details 12 ,

Die 14 zeigt ein kleineres Rohr mit einer den zweiten Strömungszug bildenden DrahtwicklungThe 14 shows a smaller tube with a second flow train forming wire winding

Die 15 zeigt ein kleineres Rohr mit einem Einsatz.The 15 shows a smaller pipe with an insert.

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.The heat exchanger of the embodiment is an evaporator, which is included in an energy recovery system of a motor vehicle. In the evaporator are the exhaust gases of the motor vehicle engine (empty arrows) and a liquid to be evaporated, such as water (patterned arrows, 1 ) or the like, in the heat exchange. The liquid to be evaporated flows through the in the 2 and 3 visible second flow trains 4 , The first flow trains 3 that are inside the smaller tubes 10 are located, are flowed through by the exhaust gases. Like from the 5 or 12 can be recognized, are - based on their cross section - smaller tubes 10 a little longer than the larger pipes 20 so that they have a projection on both ends 7 ( 12 ). At the ends are collection boxes 30 for the exhaust gas, the tube plates 100 are attached. ( 4 or 5 ) The water can be side of the tubesheets 200 at the entrance 300 Enter, on the flow trains 4 distribute and exit at the opposite end as steam.

Die zweiten Strömungszüge 4 sind durch spiralartige Strukturen, im Folgenden schraubenförmige Strukturen genannt, 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 schraubenförmigen Strukturen enger gestaltet sind als in dem anderen Wärmeübertragerabschnitt B (7). Die schraubenförmigen 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.The second flow trains 4 are represented by spiral-like structures, hereinafter referred to as helical structures, for example in the manner of beads in the tube wall of the outer tubes or in the tube wall of the inner tubes, in which a heat exchanger section A the helical structures are made narrower than in the other heat exchanger section B (FIG. 7 ). The helical structures may be understood as having a variable pitch thread. The tighter structures, or tighter threads, are those that have a smaller pitch. Preferably, the second flow trains designed differently over the pipe length become 4 due to the different design of the tube walls of the smaller and / or larger tubes 10 . 20 shown.

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.However, it is within the scope of this invention that the design of the second flow trains 4 also by means of wound wire windings or similar additional elements 43 around the smaller pipes 10 are arranged around, can be executed, 14 , In this case, the tube walls then remain largely undeformed, so preferably just nested tubes are used.

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.As a rule, the fluid to be evaporated in a Rankine cycle process is under a high operating pressure. The exhaust gas of the internal combustion engine has an overpressure. Particularly advantageous is therefore the design of the tubes as round tubes, which allows a significant reduction in the wall thickness due to the particularly advantageous pressure-resistant geometry.

6 zeigt eine bevorzugte Ausführung, in der die zweiten Strömungszüge 4 durch schraubenförmige 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. 6 shows a preferred embodiment in which the second flow trains 4 are represented by helical structures in the tube wall of the inner tubes. These structures are similar to turns, as z. B. from trapezoidal threads are known. In the one heat exchanger section A, structures in the form of single twist windings and in the other heat exchanger section C structures in the form of interrupted single twist windings are provided in the exemplary embodiment. In the heat exchanger section B there is a continuous transition from single twist to interrupted single twist turns.

Die Strukturen können eingängig oder auch mehrgängig ausgeführt sein, wie man sie z. B. von eingängigen oder mehrgängigen Gewinden kennt, auch Überlagerungen von links- und rechtsgängigen Gewinden sind denkbar.The structures can be catchy or multi-threaded, as they are z. B. knows of catchy or multi-threaded threads, overlays of left and right hand threads are conceivable.

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.To the variety of ways to provide differently designed second flow trains 4 to show, be on the 8th directed. In the 8th an embodiment is shown in which only a portion of the tube wall of the smaller tube 10 equipped with structures with variable pitch. The bigger pipe 20 is also equipped with structures, but go over the entire tube length. There are sections of constant slope and sections of increasing slope. The structures at the smaller pipe 10 intersect with those at the larger tube 20 and form in this area z. B. a cross-spiral channel guide. In the area where the inner tube 10 has no structures, there is a simple swirl-shaped channel geometry. As this example shows, more than two heat exchanger sections can be seen here.

Wie aus den 9 und 10 ersichtlich ist, können die zweiten Strömungszüge 4 alternativ auch durch beabstandete ringförmige Stege 41, im Folgenden Sicken 41 genannt, in der Innenwand der Außenrohre oder in der Außenwand der Innenrohre gebildet werden, die in Rohrlängsrichtung fluiddurchlässig sind, wobei in dem einen Wärmeübertragerabschnitt B größere Abstände zwischen den Sicken – in Längsrichtung der Rohre gesehen – vorgesehen sind als in dem anderen Wärmeübertragerabschnitt A. Die Fluiddurchlässigkeit wird mittels Unterbrechungen 42 der Sicken 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. zwei, drei oder mehrere Unterbrechungen 42 in einer Sicke 41 ausgeführt werden (nicht dargestellt).Like from the 9 and 10 can be seen, the second flow trains 4 alternatively, by spaced annular webs 41 , in the following beads 41 are formed in the inner wall of the outer tubes or in the outer wall of the inner tubes, which are fluid-permeable in the tube longitudinal direction, in which a heat exchanger section B larger distances between the beads - seen in the longitudinal direction of the tubes - are provided as in the other heat exchanger section A. Die Fluid permeability is interrupted 42 the beads 41 shown. By shaping the shape and size of the interruptions 42 can the flow passage in the adjacent rooms 50 be made easier or more difficult, ie adapted to the desired turbulence and the pressure loss. 9a shows the design of this geometry through the inner tube. By positioning these breaks 42 a deflection of the fluid flow and thus an extension of the flow paths can be achieved. Also z. B. two, three or more interruptions 42 in a bead 41 be executed (not shown).

Wie in der 10 in einer besonders vorteilhaften Ausführung gezeigt wird, können solche ringförmigen Sicken mit Unterbrechungen 42 auch in Kombination mit schraubenförmigen 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 Sicken mit Unterbrechungen 42 im Abschnitt A. Der Abschnitt B besitzt ringförmige Sicken mit Unterbrechungen 42 in Kombination mit schraubenförmigen Strukturen. Vorteilhaft ist die Ausbildung der ringförmigen Sicken 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.Like in the 10 is shown in a particularly advantageous embodiment, such annular beads with interruptions 42 also in combination with helical structures for the design of the second flow trains 4 be provided, with the result that a plurality of differently configured heat exchanger sections A, B, C, ... can be achieved, in which the slope of the structures is made variable or remains constant. According to 10 are the annular beads intermittently 42 in section A. Section B has annular beads with breaks 42 in combination with helical structures. Advantageously, the formation of the annular beads with interruptions through the inner tube, to achieve additional advantages in terms of turbulence generation and heat transfer in the inner flow train and to allow thermal elongation.

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.As a result of thermodynamic calculations, it has been found that for the size ratio of the spaces created in the different heat exchanger sections A, B 50 between the spaces at the fluid inlet and the spaces at the fluid outlet about the ratio from 1: 3, for Example with 1: 3, 1: 5, 1:10 until I am to 1:80 or greater should be chosen, because then occur in terms of stability and pressure loss particularly favorable heat transfer performance, 9 . 9a , Advantageously, a continuous or stepwise enlargement of the flow-through cross-sectional area, adapted to the change of the material values or to the heat transfer characteristic variables such. As the density, viscosity, Reynolds or Nusseltzahlen.

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.In the case of a channel geometry, as known from the prior art and which remains constant over the entire fluid flow length, low flow velocities and thus low Reynolds numbers and thus heat transfers are established at the fluid inlet region. Due to the low flow rates, the pressure loss in this area is very low, which in particular adversely affects the stability of the evaporation. As a result of the strong volume increase of the fluid due to evaporation and overheating, very high flow velocities and pressure losses then result at the outlet region. Since the flow here is highly turbulent, the heat transfer in this area is no longer significantly increased. It is therefore desirable to increase the flow velocity at the fluid inlet to increase the heat transfer, which can be represented with only a slight increase in the pressure loss. On the steam outlet side, however, the flow rate can be significantly reduced, which is hardly disadvantageous in terms of heat transfer performance, but significantly reduces the pressure loss. Overall, the variable heat transfer performance can be maximized by a variable duct geometry without exceeding the maximum pressure drop of the evaporator on the fluid side.

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.By choosing different local flow cross-sectional areas, but also by other design measures, such. B. locally different surface structures, flow baffles, deflections or demolition edges, the locally prevailing flow rates and relevant to the heat transfer characteristics such. B. the Reynolds numbers and Nusseltzahlen and the local pressure losses are set to the target sizes.

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 etwa 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 schraubenförmigen Strukturen im Einfachdrall oder aus unterbrochenen Einfachdrallwindungen, mit ein- oder mehrzügiger Ausführung, 3, 6, 7, 8 und 9, sowie auch deren Kombinationen mit ringförmigen Sickenstrukturen, 10.Thermodynamic simulation calculations have shown that it is advantageous to design a channel geometry which is variable over the run length of the fluid or over the pipe length, at which the local pressure loss (dp / dx, measurable in unit [Pa / m]), ie the pressure loss per flowed through Length for each flow segment, approximately constant. This occurs in the exemplary application when the area ratio of the traversed trains in the heat exchanger sections at the fluid inlet and outlet corresponds approximately to a ratio of 1: 3, 1: 4, 1: 5 to 1: 8. A design of the current-carrying geometry over the pipe length constant pressure losses (pressure loss per unit length) leads to a stable evaporation process. In addition to optimizing the heat transfer performance achievable under the pressure loss limitations, this design therefore additionally leads to an improvement in the stability of the evaporation process. A further change in the area ratio to 1:10, 1:15, 1:20, 1:30, 1:40 and 1:80 can lead to further optimization, in particular if a geometry is shown in which the local Reynolds number remains constant over the flow-through length. This consideration also applies to the design of the fluid guidance geometry described above, consisting of helical structures in the single spin or of interrupted single twist windings, with single or multi-slide design, 3 . 6 . 7 . 8th and 9 , as well as their combinations with annular bead structures, 10 ,

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.It is advantageous that the coaxial tubes 10 and 20 are not connected metallically over the pipe length, so that the smaller pipes 10 due to its greater thermal expansion, caused by the high exhaust gas temperature, to the inner wall of the larger pipes 20 nestle and are not significantly impeded in their elongation.

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 Sammelkästen 30 für das Abgas, 1, die die Führung des Abgases zu den Ein- und Austrittsanschlüssen bilden.In the exemplary embodiments shown, it is provided that, as already mentioned, the length of the smaller tubes 10 is greater than the length of the larger tubes 20 . 5 , Furthermore, it is provided that at least one pipe end designed as a perforated plate second floor 200 for the larger pipes 20 and a likewise designed as a perforated plate first floor 100 for the smaller pipes 10 are arranged, which have a distance from each other, which is about half the difference in length of the tubes 10 . 20 corresponds, particularly advantageously the distance is smaller fluid inlet side and the distance steam outlet side made larger. By means of the second floor 200 become the second flow trains 4 of the tube bundle 12 summarized and by means of the first soil 100 the first flow trains 3 , Between the second floor 200 and the first floor 100 is therefore a collection room 40 for the second flow trains 4 running fluid flow, in the case shown for the liquid to be evaporated, is formed. An inlet / outlet 300 for the liquid is at the collection room 40 arranged. At the first floor 100 There are more collection boxes 30 for the exhaust, 1 , which form the guidance of the exhaust gas to the inlet and outlet ports.

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).It leads to further thermodynamic advantages when an intermediate collection space 400 for the fluid to be evaporated in the tube bundle 12 is arranged, as also from the 1 . 4 . 11a and 12 is apparent. In the exemplary embodiments shown, the intermediate collecting space is located 400 advantageously at the point where the fluid has almost completely evaporated. The intermediate collection chamber is also covered by embedded perforated plates 201 formed, which are covered by a final wall, 13 , The bigger pipes 20 own in the area of the intermediate collection room 400 Pipe wall breakthroughs 401 , In the intermediate collection room 400 can not settle vaporized liquid and z. B. be recycled into the circulation. Also, any unequal distributions of the fluid flow rates of the individual flow trains can compensate each other. In addition, the intermediate collection room fulfills 400 the function of supporting the tubes against each other or to a surrounding housing (not shown). To support and avoid vibration damage additional spacers are distributed over the pipe length 201 arranged in the form of perforated plates whose hole diameter approximately equal to the diameter of the larger tubes (not shown).

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 Fluidsammelkästen 30 und Sammelräume 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.For reasons of cost reduction, it may be useful to use a soldering process for the production of the heat exchanger to the fluid-tight connections of the smaller tubes 10 with the first floor 100 and the connection of the larger pipes 20 with the second floor 200 and the fluid-tight seal of the fluid collection boxes 30 and collection rooms 40 manufacture. At the same time by a soldering process, the corresponding connections of the pipes 20 to the intermediate collection room 400 and also the attachment of one or more perforated plates 201 be prepared for the support. Either the smaller tubes are used in this soldered version of the heat exchanger 10 not with the larger pipes 20 soldered to get the described thermal change advantages. Alternatively, but here also a solder joint between the smaller pipes 10 with the larger pipes 20 be created if z. B. a vibration problem makes this necessary.

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).The entire tube bundle is advantageously surrounded on its outer contour by an insulation to reduce heat loss from the outer flow trains to the environment. This insulation can be combined with a housing. Alternatively, for example, by foaming the spaces in the tube bundle, a thermal insulation and at the same time a support of the tubes are realized against each other (not shown).

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.The 15 shows a smaller tube 10 with an insert 101 , The use 101 is shown here only by way of example, for swirling through the first flow trains 3 thought flowing gas. It can be made of a sheet metal and be provided with wing-like exhibited elements that can be geometrically entangled and twisted. Such inserts are provided in particular in those embodiments in which the tube wall of the smaller tubes 10 is not significantly deformed or structured.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

33
erste Strömungszügefirst flow trains
44
zweite Strömungszügesecond flow trains
77
Rohrlängenunterschied (Überstand)Pipe length difference (overhang)
1010
kleinere Rohresmaller pipes
1212
Rohrbündeltube bundle
2020
größere Rohrelarger pipes
3030
Sammelkasten (Abgas)Collecting box (exhaust gas)
4040
Sammelraum (Fluid)Collecting space (fluid)
4141
Sicke (Steg)Bead (bridge)
4242
Unterbrechungeninterruptions
4343
zusätzliche Elementeadditional elements
5050
Räume bei A und BRooms at A and B
100100
erster Boden für die kleineren Rohre 10 (Abgas)first floor for the smaller pipes 10 (Gas)
101101
Einsatzcommitment
200200
zweiter Boden für die größeren Rohre 20 (Fluid)second floor for the larger pipes 20 (Fluid)
201201
Abstandshalter für die größeren Rohre 20 (Fluid)Spacer for the larger pipes 20 (Fluid)
300300
Einlass/AuslassInlet / outlet
400400
Zwischensammelraum (Fluid)Intermediate collection space (fluid)
401401
RohrwanddurchbrüchePipe wall breakthroughs
AA
WärmeübertragerabschnittWärmeübertragerabschnitt
BB
anderer Wärmeübertragerabschnittother heat exchanger section
CC
nächster Wärmeübertragerabschnittnext heat exchanger section

Claims (23)

Wärmeübertrager, umfassend ein kleineres Rohr (10), welches koaxial in einem größeren Rohr (20) angeordnet ist und mit diesem einen Ringraum bildet, mit Strömungszügen (3, 4) für wenigstens zwei Fluidströme, wobei der erste Strömungszug (3) im Inneren des kleineren Rohres (10) ausgebildet ist und der zweite Strömungszug (4) in dem Ringraum zwischen dem kleineren und dem größeren Rohr (10, 20) angeordnet ist, wobei mehrere koaxiale Rohre (10, 20) zu einem Rohrbündel (12) zusammengefasst sind, wobei die zweiten Strömungszüge (4) über die Rohrlänge unterschiedliche Durchströmungsquerschnittsflächen, in Strömungsrichtung gesehen, aufweisen, die durch schraubenförmige Sicken gebildet sind, die sich von der Rohrwand der inneren Rohre (10) zum äußeren Rohr (20) hin erstrecken und/oder sich von der Rohrwand der äußeren Rohre (20) zum inneren Rohr (10) hin erstrecken, sodass wenigstens zwei unterschiedlich gestaltete, aneinander anschließende Wärmeübertragerabschnitte (A, B) definiert sind, wobei der erste Wärmeübertragerabschnitt (A) kleinere und der zweite Wärmeübertragerabschnitt (B) größere Durchströmungsquerschnittsflächen aufweist.Heat exchanger, comprising a smaller tube ( 10 ) which is coaxial in a larger tube ( 20 ) is arranged and forms an annular space with this, with flow trains ( 3 . 4 ) for at least two fluid streams, wherein the first flow train ( 3 ) inside the smaller tube ( 10 ) is formed and the second flow train ( 4 ) in the annulus between the smaller and the larger tube ( 10 . 20 ), wherein a plurality of coaxial tubes ( 10 . 20 ) to a tube bundle ( 12 ), the second flow trains ( 4 ) have different flow cross-sectional areas, seen in the flow direction, over the tube length, which are formed by helical beads extending from the tube wall of the inner tubes ( 10 ) to the outer tube ( 20 ) and / or extending from the tube wall of the outer tubes ( 20 ) to the inner tube ( 10 ), so that at least two differently shaped, adjoining heat exchanger sections (A, B) are defined, the first heat exchanger section (A) having smaller and the second heat exchanger section (B) larger flow cross-sectional areas. Wärmeübertrager, umfassend ein kleineres Rohr (10), welches koaxial in einem größeren Rohr (20) angeordnet ist und mit diesem einen Ringraum bildet, mit Strömungszügen (3, 4) für wenigstens zwei Fluidströme, wobei der erste Strömungszug (3) im Inneren des kleineren Rohres (10) ausgebildet ist und der zweite Strömungszug (4) in dem Ringraum zwischen dem kleineren und dem größeren Rohr (10, 20) angeordnet ist, wobei mehrere koaxiale Rohre (10, 20) zu einem Rohrbündel (12) zusammengefasst sind, wobei die zweiten Strömungszüge (4) über die Rohrlänge unterschiedliche Durchströmungsquerschnittsflächen, in Strömungsrichtung gesehen, aufweisen, die durch zusätzliche im Ringraum angeordnete schraubenförmige Elemente (43) gebildet sind, sodass wenigstens zwei unterschiedlich gestaltete, aneinander anschließende Wärmeübertragerabschnitte (A, B) definiert sind, wobei der erste Wärmeübertragerabschnitt (A) kleinere und der zweite Wärmeübertragerabschnitt (B) größere Durchströmungsquerschnittsflächen aufweist.Heat exchanger, comprising a smaller tube ( 10 ) which is coaxial in a larger tube ( 20 ) is arranged and forms an annular space with this, with flow trains ( 3 . 4 ) for at least two fluid streams, wherein the first flow train ( 3 ) inside the smaller tube ( 10 ) is formed and the second flow train ( 4 ) in the annulus between the smaller and the larger tube ( 10 . 20 ), wherein a plurality of coaxial tubes ( 10 . 20 ) to a tube bundle ( 12 ), the second flow trains ( 4 ) over the tube length have different flow cross-sectional areas, viewed in the flow direction, which are provided by additional annular elements arranged in the helical elements ( 43 ) are formed, so that at least two differently shaped, adjoining heat exchanger sections (A, B) are defined, wherein the first heat exchanger section (A) has smaller and the second heat exchanger section (B) larger flow cross-sectional areas. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmigen Sicken respektive die zusätzlichen Elemente (43) im ersten der wenigstens zwei Wärmeübertragerabschnitte (A, B) enger als im zweiten Wärmeübertragerabschnitt gestaltet sind.Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the helical beads or the additional elements ( 43 ) in the first of the at least two heat exchanger sections (A, B) are designed narrower than in the second heat exchanger section. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmigen Sicken respektive die zusätzlichen Elemente (43) eingängig oder mehrgängig ausgebildet sind.Heat exchanger according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the helical beads or the additional elements ( 43 ) are designed to be catchy or more continuous. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmigen Sicken respektive die zusätzlichen Elemente (43) eine variable Steigung aufweisen.Heat exchanger according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the helical beads or the additional elements ( 43 ) have a variable slope. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmigen Sicken in dem ersten der mindestens zwei Wärmeübertragerabschnitte (A, B) durchgehend und im zweiten Wärmeübertragerabschnitt unterbrochen sind.Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the helical beads in the first of the at least two heat exchanger sections (A, B) are interrupted continuously and in the second heat exchanger section. Wärmeübertrager, umfassend ein kleineres Rohr (10), welches koaxial in einem größeren Rohr (20) angeordnet ist und mit diesem einen Ringraum bildet, mit Strömungszügen (3, 4) für wenigstens zwei Fluidströme, wobei der erste Strömungszug (3) im Inneren des kleineren Rohres (10) ausgebildet ist und der zweite Strömungszug (4) in dem Ringraum zwischen dem kleineren und dem größeren Rohr (10, 20) angeordnet ist, wobei mehrere koaxiale Rohre (10, 20) zu einem Rohrbündel (12) zusammengefasst sind, wobei die zweiten Strömungszüge (4) über die Rohrlänge ringförmige, teilumfänglich ausgebildete und in Rohrlängsrichtung fluiddurchlässige Sicken (41), die sich von der Rohrwand der inneren Rohre (10) zum äußeren Rohr (20) hin erstrecken und/oder sich von der Rohrwand der äußeren Rohre (20) zum inneren Rohr (10) hin erstrecken, aufweisen, sodass wenigstens zwei unterschiedlich gestaltete, aneinander anschließende Wärmeübertragerabschnitte (A, B) definiert sind, wobei der axiale Abstand der Sicken (41) im ersten Wärmeübertragerabschnitt (A) kleiner und im zweiten Wärmeübertragerabschnitt (B) größer ist.Heat exchanger, comprising a smaller tube ( 10 ) which is coaxial in a larger tube ( 20 ) is arranged and forms an annular space with this, with flow trains ( 3 . 4 ) for at least two fluid streams, wherein the first flow train ( 3 ) inside the smaller tube ( 10 ) is formed and the second flow train ( 4 ) in the annulus between the smaller and the larger tube ( 10 . 20 ), wherein a plurality of coaxial tubes ( 10 . 20 ) to a tube bundle ( 12 ), the second flow trains ( 4 ) over the tube length annular, partially circumferentially formed and in the tube longitudinal direction fluid-permeable beads ( 41 ) extending from the tube wall of the inner tubes ( 10 ) to the outer tube ( 20 ) and / or extending from the tube wall of the outer tubes ( 20 ) to the inner tube ( 10 ), so that at least two differently shaped, adjoining heat exchanger sections (A, B) are defined, wherein the axial spacing of the beads (FIG. 41 ) is smaller in the first heat exchanger section (A) and larger in the second heat exchanger section (B). Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Sicken (41) Unterbrechungen (42) aufweisen, die in Form und Größe unterschiedlich sind.Heat exchanger according to claim 7, characterized in that the annular beads ( 41 ) Interruptions ( 42 ), which are different in shape and size. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ausgenommen Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicken durch Walzen, Drücken, Umformen oder Innenhochdruckumformung hergestellt sind.Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, except claim 2, characterized in that the beads are made by rolling, pressing, forming or hydroforming. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die ersten Strömungszüge (3) ein heißeres Fluid beispielsweise das Abgas oder die Ladeluft einer Brennkraftmaschine strömt und durch die zweiten Strömungszüge (4) eine zu verdampfende Flüssigkeit strömt.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that by the first flow trains ( 3 ) a hotter fluid, for example, the exhaust gas or the charge air of an internal combustion engine flows and through the second flow trains ( 4 ) flows a liquid to be evaporated. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die koaxialen Rohre (10, 20) über die Rohrlänge mit einem Montagespalt ineinander geschoben sind, sodass sich die kleineren Rohre (10) aufgrund ihrer thermischen Dehnung an die Innenwand der größeren Rohre (20) schmiegen.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the coaxial tubes ( 10 . 20 ) are slid over the pipe length with a mounting gap, so that the smaller pipes ( 10 ) due to their thermal expansion to the inner wall of the larger tubes ( 20 nestle). Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der kleineren Rohre (10) größer ist als die Länge der größeren Rohre (20).Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the smaller tubes ( 10 ) is greater than the length of the larger tubes ( 20 ). Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Rohrende ein als Lochplatte gestalteter erster Boden (100) für die kleineren Rohre (10) und ein als Lochplatte gestalteter zweiter Boden (200) für die größeren Rohre (20) vorgesehen sind, die einen Abstand voneinander aufweisen, der etwa dem halben Längenunterschied der Rohre (10, 20) entspricht.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one tube end a first plate designed as a perforated plate ( 100 ) for the smaller tubes ( 10 ) and designed as a perforated plate second floor ( 200 ) for the larger pipes ( 20 ) are provided, which have a distance from each other, which is about half the difference in length of the tubes ( 10 . 20 ) corresponds. Wärmeübertrager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Boden (100) und dem zweiten Boden (200) ein Sammelraum (40) für den durch die zweiten Strömungszüge (4) laufenden Fluidstrom ausgebildet ist.Heat exchanger according to claim 13, characterized in that between the first floor ( 100 ) and the second floor ( 200 ) a collection room ( 40 ) for the second flow trains ( 4 ) running fluid flow is formed. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Boden (100) ein Einlass/Auslass für das eine Fluid und dem Sammelraum (40) ein anderer Einlass/Auslass für das zweite Fluid zugeordnet sind.Heat exchanger according to claim 14, characterized in that the first floor ( 100 ) an inlet / outlet for the one fluid and the collecting space ( 40 ) are associated with another inlet / outlet for the second fluid. Wärmeübertrager nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidvolumen des Sammelraumes (40) auf der Fluidaustrittsseite größer ist als das Fluidvolumen des Sammelraumes (40) auf der Fluideintrittsseite.Heat exchanger according to claim 14 or 15, characterized in that the fluid volume of the collecting space ( 40 ) on the fluid outlet side is greater than the fluid volume of the collecting space ( 40 ) on the fluid inlet side. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischensammelraum (400) im Rohrbündel (12) angeordnet ist.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that an intermediate collecting space ( 400 ) in the tube bundle ( 12 ) is arranged. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Rohrlänge verteilt Abstandshalter in Form von Lochplatten (201) angeordnet sein können, deren Lochdurchmesser etwa dem Durchmesser der größeren Rohre entsprechen.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that distributed over the tube length spacers in the form of perforated plates ( 201 ), whose hole diameters correspond approximately to the diameter of the larger tubes. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager eine Isolation, beispielsweise durch Ausschäumen der Zwischenräume im Rohrbündel aufweist.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger has an insulation, for example by foaming the intermediate spaces in the tube bundle. Wärmeübertrager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kleineren und die größeren Rohre (10, 20) einen etwa runden Querschnitt aufweisen.Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the smaller and the larger tubes ( 10 . 20 ) have an approximately round cross-section. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchströmungsflächenverhältnis zwischen Fluideintritt und Fluidaustritt im Bereich von 1:3 bis 1:80 oder größer liegt.Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the Durchströmungsflächenverhältnis between fluid inlet and fluid outlet in the range of 1: 3 to 1:80 or greater. Wärmeübertrager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abstände der ersten ringförmigen Sicken (41) am Fluideintritt und der letzten ringförmigen Sicken (41) am Fluidaustritt etwa das Verhältnis 1:3 bis 1:80 oder größer gewählt wird.Heat exchanger according to claim 7 or 8, characterized in that for the distances of the first annular beads ( 41 ) at the fluid inlet and the last annular beads ( 41 ) is selected at the fluid outlet about the ratio 1: 3 to 1:80 or greater. Wärmeübertrager nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die koaxialen Rohre (10, 20) sowohl schraubenförmige als auch ringförmige Sicken (41) aufweisen.Heat exchanger according to at least one of the preceding claims, characterized in that the coaxial tubes ( 10 . 20 ) both helical and annular beads ( 41 ) exhibit.
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