DE102010021334A1

DE102010021334A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102010021334A1
Application number: DE201010021334
Authority: DE
Inventors: Andreas Bonk; Werner Janzen; Uwe Wild
Original assignee: BOA Balg und Kompensatoren Technologie GmbH
Current assignee: Boa Metal Solutions De GmbH
Priority date: 2010-05-22
Filing date: 2010-05-22
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-23
Also published as: WO2011147554A2; US20130000878A1; CN102822615A; KR20130079325A; WO2011147554A3; DE102010021334B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers beschrieben, wobei mindestens eine Platte zur Wärmeabgabe zwischen zwei benachbarten Wellen des Wellkörpers eingesteckt wird, und die Wellen derart gegeneinander verpresst werden, dass die eingesteckte Platte zwischen den Wellen form- und kraftschlüssig eingespannt wird. Weiterhin ist ein solcher Wärmetauscher zur Kühlung von Fluiden beschrieben, welcher ein Rohr umfasst, welches teilweise als Wellkörper ausgebildet ist und mindestens eine zwischen zwei Wellen des Wellkörpers eingespannte Platte zur Wärmeabgabe aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zur Kühlung von Fluiden mit einem Rohr, welches teilweise als Wellkörper ausgebildet ist und einen Wärmetauscher zur Kühlung von Fluiden mit einem Rohr, welches teilweise als Wellkörper ausgebildet ist.
Derartige Wärmetauscher werden eingesetzt, um einen Wärmetausch zwischen Fluiden – Gasen oder Flüssigkeiten – vorzunehmen. Ein erstes Fluid, welches abgekühlt oder erhitzt werden soll, durchströmt ein Rohr. Dieses ist in einem das Rohr umgebenden weiteren Behälter geführt, welcher ein zweites Fluid enthält, wobei das zweite Fluid das Rohr mit dem ersten Fluid umspült und beide Fluide zueinander einen Temperaturunterschied aufweisen. Solche Wärmetauscher finden beispielsweise in Systemen zur Abgasrückführung bei Kraftfahrzeugen, zur Erwärmung der Zuluft zur Fahrgastzelle eines Fahrzeugs durch Motorabwärme oder dergleichen Verwendung, bei denen die Abluft, wie das Abgas eines Verbrennungsmotors, mit Hilfe eines Wärmetauschers gekühlt wird. Ein derartiges System beschreibt die EP 1 136 780 A2 , wobei ein erstes Rohr, welches eine erste Flüssigkeit transportiert, umgeben ist von einem zweiten Rohr, welches eine zweite Flüssigkeit mit einer unterschiedlichen Temperatur in den entstandenen Zwischenraum führt. Der Wärmetauscher weist zwei durch Wellkörper beweglich ausgebildete Anschlussstücke und ein gerade ausgebildetes Mittelteil auf. Weiterhin sind am ersten, inneren Rohr in dessen Mittelteil um dessen äußeren Umfang in axialer Richtung Rippen ausgebildet, die um den Umfang verteilt ausgebildet sind. Die Rippen sind hierbei etwas kürzer als die Länge des Mittelteils gefertigt. Durch die langgezogene Kontaktfläche der Rippen mit dem Glattrohr entsteht über die Länge des Rohres ein starkes Spannungsgefüge, wozu die unterschiedlichen Temperaturgradienten entlang des Rohres durch die unterschiedlichen Temperaturen der Fluide maßgeblich beitragen.
In diesem Zusammenhang sind auch Wärmetauscher mit Querrippen bekannt, die ringförmig um das Rohr, meist durch Schweißen, befestigt sind. Diese weisen eine kleine Wärmeaustauschfläche auf, d. h. Verbindungsfläche zwischen Rohr und Rippe, wodurch eine Vielzahl dieser Rippen auf dem Rohr angebracht werden können. Gerade hier treten bei großen Temperaturgradienten – wie sie z. B. in einem Abgasrohr zu beobachten sind – Zwangsspannungen in Umfangsrichtung in der Rohrwandung auf, die bei starker Beanspruchung die Schweißung nachteilig beeinflussen können und eine aufwendige Reparatur nach sich ziehen.
Auch sind Wärmetauscher bekannt, die anstatt eines Glattrohres mit Rippen einen oder mehrere Wellkörper als inneres, erstes Fluid führendes Element zeigen. Die Verwendung eines Weltkörpers erhöht die Funktionsweise eines Wärmetauschers nach dem Stand der Technik, da durch die Wellen die Fließgeschwindigkeit des Gases innerhalb des Rohres verlangsamt wird. Die Wellen erzeugen Seitenräume zur Hauptfließrichtung des Gases, wodurch Verwirbelungen entstehen, die eine Verlangsamung des gesamten Geschwindigkeitsprofils des Gases innerhalb des Rohres zur Folge haben. Durch die längere Verweildauer des inneren Fluids ist ein steter Wärmeaustausch mit dem zweiten Fluid außerhalb des Wellkörpers gegeben. Jedoch zeigen die bisherigen Konstruktionen eine konstruktiv komplizierte Bauweise, welche ein hohes Gewicht erreicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, der konstruktiv einfach und kostengünstig herzustellen ist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres für einen solchen Wärmetauscher vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren der Eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens eine Platte zur Wärmeabgabe zwischen zwei Wellen des Wellenkörpers eingesteckt wird, und die Wellen derart gegeneinander verpresst werden, dass die eingesteckte Platte zwischen den Wellen eingespannt wird. Weiterhin sieht die Erfindung einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art vor, bei dem mindestens eine Platte zur Wärmeabgabe zwischen zwei Wellen des Wellkörpers einsteckbar und form- und kraftschlüssig eingespannt ist.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst ein Rohr, welches teilweise als Weltkörper vorkonfektioniert ist. Eine erhöhte Wärmeabgabe lässt sich durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher erreichen, indem zusätzlich eine Platte aus Metall zwischen zwei aufeinander folgende Wellen des Wellkörpers eingespannt ist. Durch den Einsatz der Platte wird der Wärmeübertrag des inneren zum äußeren Fluid durch eine Oberflächenvergrößerung der Wärmeaustauschfläche verbessert. Für eine weitere Erhöhung der Wärmeaustauschfläche ist bevorzugt vorgesehen, dass diese zwischen Wellen und Platte durch unterschiedliche Wellenhöhen variierbar ist. Eine höhere Wellenhöhe hat zur Folge, dass die Platte nach der Verpressung einen besseren Halt erfährt und eine größere Fläche zwischen Welle und Platte eine veränderte, verbesserte Wärmeabgabe begünstigt. Über den Einsatz von mehreren Platten kann die Wärmeabgabe gezielt gesteuert werden, wobei besonders bevorzugt vorgesehen ist, dass zwei Platten von radial entgegengesetzten Seiten des Rohres zwischen zwei Wellen einsetzbar sind. Hiermit ist eine gleichmäßige Wärmeabgabe über den gesamten Umfang gewährleistet. Hierzu sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass die mindestens eine Platte eine rechteckige Form aufweist und dass die Platte an einer dem Rohr zugewandten Kante eine halbkreisförmige Aussparung passend dem Durchmesser des Wellkörpers im Wellental aufweist, wobei die Platte und/oder das Rohr aus Edelstahl gefertigt sind. Bevorzugt sind Platten vorgesehen, deren Dicke der Breite des zwischen den Wellen des Wellkörpers liegenden Wellentals nicht überschreiten. Je besser die Platte zwischen die Wellen einsteckbar ist und die Kante sich an das Rohr schmiegt, desto besser ist auch die Verpressung.
Die Herstellung des Wärmetauschers ist besonders einfach. Eine geeignete Platte, wobei die Platten vorab mit einer halbkreisförmige Aussparung passend dem Durchmesser des Rohres im Wellental versehen werden, wird zwischen zwei benachbarte Wellen des Wellkörpers eingesetzt. Hiernach werden diese Wellen mit der zwischenliegenden Platte derart zusammen verpresst, dass die eingesteckte Platte form- und kraftschlüssig zwischen den Wellen eingespannt wird. Für eine besonders feste Pressverbindung sieht die Erfindung vor, dass die Wellen durch axiales Stauchen mittels eines Werkzeuges radial gleichmäßig an die Platte verpresst werden. Somit wird keine Schweißnaht benötigt, um die Platte am Rohr zu befestigen. Es ist weiterhin bevorzugt vorgesehen, dass vor dem Verspannen die Platten von radial entgegengesetzten Seiten des Rohres zwischen zwei benachbarten Wellen eingesetzt werden, wodurch eine Verbesserung gegenüber geschweißter Variationen mit ringförmigen Rippen entsteht, indem kein ringförmiger Einsatz, sondern ein mehrteiliger, einfach bereitzustellender Einsatz verwendet wird. Durch die mehrteiligen Einsätze der Platten werden Zwangsspannungen in Umfangsrichtung durch Wärmeausdehnung vermieden. Der Wärmetauscher ist damit weniger mechanischen Belastungen ausgesetzt, die durch Temperaturgradienten entstehen, als dies bei üblichen geschweißten Wärmetauschern der Fall ist. Ein besonderer Vorteil ist die Verwendung von Luft als Wärmetauschmedium. Damit ist keine weitere Anordnung für ein zweites Fluid nötig, das als Austauschgas oder -flüssigkeit dient. Die Konstruktion im Gesamten ist kleiner und kompakter. Auch sind weitere verschiedene Materialkombinationen zwischen Rohr und Platte denkbar, so dass die Wärmeabgabe noch weiter optimierbar ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt:
1 eine schematische Gesamtübersicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2 eine seitliche Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Querschnitt;
3 eine Platte zur Wärmeabgabe in einer Vorderansicht;
4.1 einen ersten Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens in perspektivischer Darstellung;
4.2 einen zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens im Querschnitt; und
4.3 einen dritten Schritt des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens im Querschnitt.
1 und 2 zeigen eine Übersicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 in einer Gesamt- und einer seitlichen Ansicht. Der Wärmetauscher 1 umfasst ein Rohr 2 mit einem Wellkörper 3. Das Rohr 2 und Wellkörper 3 bestehen hierbei bevorzugt aus Edelstahl und sind aus einem Stück gefertigt. Der Wellkörper 3 weist Wellen 4, mit einem Wellental 4.1 und einem Wellenberg 4.2, auf. Zwischen zwei Wellen 4 verpresst ist eine Platte 5 angeordnet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 ist beispielhaft eine einzelne Platte 5 zwischen Wellen 4 eingespannt dargestellt. Es sind auch mehrere Platten einsteckbar, wobei die Platten nicht nur von einer Seite, sondern auch von zwei Seiten, die zum Rohr entgegengesetzt liegen, einsteckbar sind und damit radial in verschiedene Richtungen weisen. Dies ist je nach Platz- bzw. Wärmeabgabebedarf flexibel verwendbar.
In 3 ist eine derartige Platte 5 dargestellt. Die Platte 5 zeigt hierbei eine rechteckige Grundform, wobei an ihrer, später dem Wellkörper 3 zugewandten Kante 5.1, eine halbkreisförmige Aussparung 5.2 vorgesehen ist. Die Aussparung 5.2 zeigt einen Durchmesser D1, welcher einem Durchmesser D2 entspricht, der durch die Mittelpunkte der Radien des Wellentales 4.1 des Weltkörpers 3 gegeben ist (siehe hierzu 2). Die Platte 5 kann hierbei auch in anderen Formen ausgebildet sein, so ist neben einer Rechteckform in verschiedenen Längen und Höhen auch eine Ausformung als Halbkreis oder Dreieck möglich. Um eine optimale Passform zu gewährleisten, sollte die Platte maximale eine Dicke aufweisen, die der Breite des Wellentals 4.1 bzw. einem Abstand zwischen zwei Wellen 4 vor dem Verspannen entspricht. So ist eine form- und kraftschlüssige Verbindung nach dem Verspannen gewährleistet. In bevorzugter Weise ist die Platte 5 aus Edelstahl gefertigt, wobei zur Optimierung der Wärmeabgabe auch weitere Materialien, wie z. B. Kupfer, möglich sind.
Die Darstellungen der 4.1 bis 4.3 zeigen schrittweise das Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmtauschers 1 im Querschnitt. Beispielhaft wird gezeigt, wie zwei Platten 5 von ober- und unterhalb des Rohres 2 an den Wellkörper 3 herangeführt werden. Die Platten 5 werden senkrecht zur Verlaufsrichtung des Rohres 2 zwischen zwei Wellen 4 in ein Wellental 4.1 eingesetzt (siehe auch 4.2) und ggf. in dieser Position gehalten. Hierbei hilft die halbkreisförmige Aussparung 5.2 der Platte 5 eine mittige Position am Grund des Wellentals 4.1 zu finden. Wenn die Platte 5 senkrecht zum Rohr 2 eingesetzt ist, wird zu beiden Seiten der die Platte 5 umgebenden Wellen 4, eine Welle links 6.1 sowie eine Welle rechts 6.2 der Platte 5, ein Werkzeug (nicht dargestellt) angesetzt. Dieses Werkzeug presst daraufhin die betroffenen Wellen gleichmäßig in entgegengesetzt axialer Richtung gegeneinander, so dass die Welle links 6.1 der Platte 5 sowie die Welle rechts 6.2 der Platte 5 zueinander gedrückt werden. Die Wellen 4 werden hierbei vollständig zusammengepresst, so dass die Platte 5 form- und kraftschlüssig eingespannt wird. Hiernach wird das Werkzeug wieder von den Wellen 4 gelöst, und zu einer weiteren einsteckbaren Platte 5 bewegt, falls mehrere Platten an dem Wellkörper 3 befestigt werden sollen. Sollen zwei Platten 5 zwischen die gleichen Wellen 4 eingesetzt werden, ist es vorgesehen, die Platten 5 entgegengesetzt zueinander an das Rohr 2 heranzuführen, zu halten und gemeinsam zu verpressen.
Mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1 ist ein einfach herzustellender und kostengünstiger Wärmetauscher entstanden, der durch den Einsatz von weiteren Platten bzw. unterschiedlichen Materialpaarungen weiter optimierbar ist. Eine weitere Optimierung der Wärmeabgabe ist durch Variation der Wärmeaustauschfläche, die durch die Wellenhöhe und der darin verpressten Fläche der Platte gegeben ist, zu erreichen. Weiterhin werden durch die Verpressung der Platte Zwangsspannungen in Umfangsrichtung, wie sie bei geschweißten Wärmetauschern üblich sind, völlig vermieden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Platten einzeln eingesetzt werden, und nicht in Ringform an das Rohr befestigt werden. Der besondere Vorteil gegenüber einer Schweißung ist die erhöhte mechanische Beweglichkeit der Pressung. Die Materialien haben zueinander, im Vergleich zu einer geschweißten Lösung, gerade soviel Spiel, um Spannungen, ausgelöst durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung der Materialien, u. a. aufgrund der Temperatur, auszugleichen. Der kostengünstige Aspekt zeigt sich insbesondere darin, dass vorgeformte Wellenkörper jeglicher Bauart und Größe verwendet werden können. Das Einschieben und Verpressen von geeigneten Platten ist je nach Anforderung an den Wärmetauscher variierbar und ohne großen Aufwand in den bestehenden Produktionsprozess integrierbar. Die nicht verpressten Wellen bieten den weiteren Vorteil des Wärmetauschers, dass diese dem Wärmetauscher eine Beweglichkeit und Kompensation bieten, die durch starre Rohre nicht gegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Wärmtauscher
2: Rohr
3: Wellkörper
4: Wellen
4.1: Wellental
4.2: Wellenberg
5: Platte
5.1: Kante
5.2: Aussparung
6.1: linke Welle
6.2: rechte Welle
D1: Durchmesser Aussparung
D2: Durchmesser der Radienmittelpunkte im Wellental

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1136780 A2 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers zur Kühlung von Fluiden mit einem Rohr, welches teilweise als Weltkörper ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Platte zur Wärmeabgabe zwischen zwei Wellen des Wellenkörpers eingesteckt wird, und die Wellen derart gegeneinander verpresst werden, dass die eingesteckte Platte zwischen den Wellen eingespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen durch axiales Stauchen mittels eines Werkzeuges radial gleichmäßig gegen die Platte gepresst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verspannen zwei Platten von radial entgegengesetzten Seiten des Rohres zwischen zwei benachbarten Wellen eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten vorab mit einer halbkreisförmigen Aussparung passend dem Durchmesser der Radienmittelpunkte des Rohres im Wellental versehen werden.
Wärmetauscher zur Kühlung von Abgasen mit einem Rohr (2), welches teilweise als Wellkörper (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Platte (5) zur Wärmeabgabe zwischen zwei Wellen (4) des Wellkörpers (3) eingesteckt und zwischen den zwei Wellen (4) eingespannt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Platte (5) eine rechteckige oder halbkreisförmige Form aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (5) an einer dem Rohr (2) zugewandten Kante (5.1) eine halbkreisförmige der U-förmige Aussparung (5.2) passend dem Durchmesser (D1) des Wellkörpers (3) im Wellental (4.1) aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Platten (5) von radial entgegengesetzten Seiten des Rohres (2) zwischen zwei Wellen (4) eingesetzt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zwischen Wellen (4) und Platte (5) entstehende Wärmeaustauschfläche durch unterschiedliche Wellenhöhen variierbar ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Platte (5) und/oder das Rohr (2) aus Edelstahl gefertigt sind.