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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 9 und einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.
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Verbrennungsmotoren werden in verschiedenen technischen Anwendungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie eingesetzt. In Kraftfahrzeugen, insbesondere in Lastkraftwagen, werden Verbrennungsmotoren eingesetzt, um das Kraftfahrzeug fortzubewegen. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren kann durch den Einsatz von Systemen zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses erhöht werden. Das System wandelt dabei Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie um. Das System umfasst einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, z. B. Wasser oder ein organisches Kältemittel wie R245fa, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampferwärmeübertrager zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmedium, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums und einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium. Durch den Einsatz derartiger Systeme in einem Verbrennungsmotor kann bei einem Verbrennungsmotor mit einem derartigen System als Bestandteil des Verbrennungsmotors der Gesamtwirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht werden.
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In dem Verdampferwärmeübertrager wird das Arbeitsmedium durch Abwärme des Verbrennungsmotors verdampft und anschließend wird das verdampfte Arbeitsmedium der Expansionsmaschine zugeleitet, in welcher das gasförmige Arbeitsmedium expandiert und mechanische Arbeitet leistet mittels der Expansionsmaschine. In dem Verdampferwärmeübertrager wird beispielsweise durch einen ersten Strömungskanal das Arbeitsmedium und durch einen zweiten Abgasströmungskanal Abgas des Verbrennungsmotors geleitet. Dadurch wird die Wärme von dem Abgas mit einer Temperatur im Bereich zwischen 400° und 600°C auf das Arbeitsmedium in dem Verdampferwärmeübertrager übertragen und dadurch wird das Arbeitsmedium von dem flüssigen Aggregatzustand in den dampfförmigen Aggregatzustand überführt.
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Die
WO 2009/089885 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Medium, mit in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten Scheibenpaaren, wobei zwischen den zwei Scheiben zumindest eines Scheibenpaares ein von einem ersten Medium durchströmbarer erster Strömungsraum und zwischen zwei zueinander benachbarten Scheibenpaaren ein von einem zweiten Medium durchströmbarer zweiter Strömungsraum ausgebildet ist, wobei der erste Strömungsraum einen ersten Strömungspfad mit einer nacheinander in entgegengesetzten Richtungen durchströmbaren Strömungspfadabschnitten für das erste Medium aufweist, welche durch eine zwischen den zumindest zwei Scheiben des zumindest einen Scheibenpaares angeordneter Trennwand voneinander getrennt sind.
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Bei einer Ausführung des Verdampferwärmeübertragers in einer Platten-Sandwichstruktur sind zwischen den Scheibenpaaren Distanzstücke angeordnet. Dabei treten im Betrieb eines Systems zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors an dem Verdampferwärmeübertrager hohe Temperaturänderungen auf. Beim Einsatz in einem Verbrennungsmotor eines Lastkraftwagens werden dabei an die Lebensdauer des Verdampferwärmeübertragers hohe Anforderungen gestellt. Der Verdampferwärmeübertrager muss dabei eine Lebensdauer von mehr als 10 Jahren bzw. einer Laufleistung des Lastkraftwagens von mehr als 1 Million Kilometern Stand halten. Dabei treten an dem Verdampferwärmeübertrager hohe Temperaturen auf, weil das Abgas mit hohen Temperaturen im Bereich von 600 bis 800°C in den Verdampferwärmeübertrager eingeleitet wird, sodass an dem Verdampferwärmeübertrager Temperaturen im Bereich von bis zu 500 bis 800°C auftreten. Dadurch ist der Verdampferwärmeübertrager hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Zwischen den Scheibenpaaren sind Distanzstücke angeordnet. Dabei sind die Distanzstücke und die Scheibenpaare jeweils miteinander verlötet, sodass dadurch zwischen den Distanzstücken und den Scheibenpaaren hohe Spannungen (an den Scheibenpaaren/Distanzstücken) auftreten, wobei jeweils zwei Distanzstücke an einer Seite eines Scheibenpaares angeordnet sind. Diese großen Scherspannungen führen zu Undichtigkeiten und damit zu einer begrenzten Lebensdauer des Verdampferwärmeübertragers.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Wärmeübertrager, ein System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses und einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses zur Verfügung zu stellen, bei dem der Wärmeübertrager den hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen auch über einen längeren Zeitraum, z. B. 10 Jahre oder eine Million km Laufleistung bei einem Lastkraftwagen, Stand hält.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager, umfassend übereinander gestapelte Scheibenpaare, wobei zwischen den beiden Scheiben eines Scheibenpaares ein erster Strömungsraum zum Durchleiten eines ersten Fluides ausgebildet ist, einen zweiten Strömungsraum zum Durchleiten eines zweiten Fluides, wobei der zweite Strömungsraum zwischen zwei benachbarten Scheibenpaaren ausgebildet ist, eine Einlassöffnung zum Einleiten des ersten Fluides, eine Auslassöffnung zum Ausleiten des ersten Fluides, wobei die Scheiben wenigstens eine Dehnungsöffnung, insbesondere wenigstens einen Dehnungsschlitz, zur Reduzierung von Spannungen in den Scheiben aufweisen.
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Die Scheiben, zum Beispiel eine oder beide Scheiben, eines Scheibenpaares sind mit wenigstens einer Dehnungsöffnung versehen. Die wenigstens eine Dehnungsöffnung weist einen beliebigen Querschnitt auf, beispielsweise ist dieser kreisförmig, rechteckförmig, quadratisch oder ellipsenförmig. Insbesondere ist die Dehnungsöffnung schlitzförmig als ein Dehnungsschlitz ausgebildet. Durch die Dehnungsöffnungen in den Scheiben können in vorteilhafter Weise Spannung in den Scheiben, resultierend aus den hohen thermischen Belastungen des Wärmeübertragers, stark reduziert werden, sodass zwischen den Scheiben und den Distanzstücken des Wärmeübertrags nur sehr geringe Scherspannungen auftreten. Spannungen zwischen den Scheiben können an den Dehnungsöffnungen abgebaut werden, weil an den Dehnungsöffnungen ein Raum zur Aufnahme von thermisch bedingten Größenänderungen der Scheiben vorhanden ist.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung weisen die Scheiben eine Einlass-Durchgangsöffnung auf und zwischen den Scheibenpaaren ist an den Einlass-Durchgangsöffnungen je ein Distanzstück mit einer Durchgangsöffnung ausgebildet, so dass sich an den Einlass-Durchgangsöffnungen und den Durchgangsöffnungen der Distanzstücke ein Einlasskanal zum Einleiten des ersten Fluides in den ersten Strömungsraum ausbildet.
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In einer zusätzlichen Variante weisen die Scheiben eine Auslass-Durchgangsöffnung auf und ist zwischen den Scheibenpaaren an den Auslass-Durchgangsöffnungen je ein Distanzstück mit einer Durchgangsöffnung ausgebildet, so dass sich an den Auslass-Durchgangsöffnungen und den Durchgangsöffnungen der Distanzstücke ein Auslasskanal zum Ausleiten des ersten Fluides aus dem ersten Strömungsraum ausbildet.
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Zweckmäßig ist die wenigstens eine Dehnungsöffnung an den Scheiben zwischen der Einlass-Durchgangsöffnung und der Auslass-Durchgangsöffnung ausgebildet. Zwischen der Einlass-Durchgangsöffnung und der Auslass-Durchgangsöffnung sind jeweils zwischen den Scheibenpaaren die Distanzstücke angeordnet. Thermisch bedingte Größenänderungen oder Formänderungen der Scheiben sind hier besonders kritisch, weil bei einer Größenänderung oder einer Verformung der Scheiben zwischen den Distanzstücken in einem unterschiedlichen Umfang an den Distanzstücken große Scherspannungen aufzunehmen sind. Wird beispielsweise ein Scheibenpaar wesentlich stärker erwärmt als ein darunterliegendes Scheibenpaar, dehnt sich das stärker erwärmte Scheibenpaar wesentlich stärker aus, sodass dadurch an den Distanzstücken unterschiedliche Größenänderungen der Scheibenpaare auftreten und somit an den Distanzstücken große Scherspannungen aufzunehmen sind. Aufgrund der Ausbildung der wenigstens einen Dehnungsöffnung zwischen der Einlass-Durchgangsöffnung und der Auslass-Durchgangsöffnung können derartige Formänderungen von Scheiben aufgenommen werden, sodass dadurch die auftretenden Scherspannungen an den Distanzstücken, das heißt zwischen den Scheiben und den Distanzstücken, wesentlich reduziert werden können.
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In einer ergänzenden Ausgestaltung ist je Scheibe eine Dehnungsöffnung im Bereich der Einlass-Durchgangsöffnung und eine Dehnungsöffnung im Bereich der Auslass-Durchgangsöffnung ausgebildet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Dehnungsöffnung im Bereich der Einlass-Durchgangsöffnung zwischen dem ersten Strömungsraum und der Einlass-Durchgangsöffnung ausgebildet und/oder die Dehnungsöffnung ist im Bereich der Auslass-Durchgangsöffnung zwischen dem ersten Strömungsraum und der Auslass-Durchgangsöffnung ausgebildet.
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In einer zusätzlichen Variante sind zwischen den Scheibenpaaren an dem zweiten Strömungsraum Rippen, insbesondere Wellrippen, und/oder wenigstens ein Rohr angeordnet und/oder der erste Strömungsraum ist als ein, vorzugsweise mäanderförmiger, Strömungskanal ausgebildet.
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In einer ergänzenden Ausführungsform sind die Komponenten des Wärmeübertragers, insbesondere die Scheiben, die Distanzstücke und/oder die Rippen, miteinander verlötet und/oder die Komponenten des Wärmeübertragers, insbesondere die Scheiben, die Distanzstücke und/oder die Rippen, bestehen wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Edelstahl. Der Wärmeübertrager als Verdampferwärmeübertrager ist dabei hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt und bei einem Durchleiten von Abgas durch den Verdampferwärmeübertrager auch hohen chemischen Beanspruchungen ausgesetzt, sodass für eine Langlebigkeit des Verdampferwärmeübertrags eine Ausbildung, insbesondere vollständige Ausbildung, des Verdampferwärmeübertragers aus Edelstahl erforderlich ist.
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Erfindungsgemäßes System zur Nutzung von Abwärme eines Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen Verdampferwärmeübertrager zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums mit wenigstens einem ersten Strömungsraum zum Durchleiten des Arbeitsmediums und wenigstens einem zweiten Strömungsraum zum Durchleiten eines Fluides, z. B. Ladeluft oder Abgas, zur Übertragung von Wärme von dem Fluid auf das Arbeitsmedium, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei der Verdampferwärmeübertrager als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Wärmeübertrager ausgebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Expansionsmaschine eine Turbine oder eine Hubkolbenmaschine.
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Zweckmäßig weist der Wärmeübertrager eine Platten-Sandwichstruktur auf und/oder ist als ein Plattenwärmeübertrager ausgebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Rekuperator, mittels dem Wärme aus dem Arbeitsmedium nach dem Durchströmen der Expansionsmaschine an das Arbeitsmedium vor dem Verdampfer übertragbar ist.
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In einer zusätzlichen Variante besteht der Verdampferwärmeübertrage wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Edelstahl, da das Arbeitsmedium mit einem hohen Druck, z. B. im Bereich zwischen 40 bis 80 bar, und das Abgas mit einer hohen Temperatur, z. B. im Bereich ca. 600°C, durch den Verdampferwärmeübertrager geleitet wird.
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Erfindungsgemäße Verbrennungsmotor, insbesondere Hubkolbenverbrennungsmotor, mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses, das System umfassend einen Kreislauf mit Leitungen mit einem Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, eine Pumpe zum Fördern des Arbeitsmediums, einen von der Abwärme des Verbrennungsmotors erwärmbaren Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator zum Verflüssigen des dampfförmigen Arbeitsmediums, vorzugsweise einen Auffang- und Ausgleichsbehälter für das flüssige Arbeitsmedium, wobei der Verdampferwärmeübertrager als ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebener Wärmeübertrager ausgebildet ist und/oder das durch den zweiten Strömungskanal geleitete Fluid Ladeluft ist, so dass der Verdampferwärmeübertrager ein Ladeluftkühler ist oder das Fluid Abgas ist, so dass der Verdampferwärmeübertrager vorzugsweise ein Abgasrückführkühler ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist von dem System als Bestandteil des Verbrennungsmotors die Abwärme des Abgashauptstromes des Verbrennungsmotors und/oder die Abwärme der Abgasrückführung und/oder die Abwärme der komprimierten Ladeluft und/oder die Wärme eines Kühlmittels des Verbrennungsmotors nutzbar. Von dem System wird somit die Abwärme des Verbrennungsmotors in mechanische Energie umgewandelt und dadurch der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in vorteilhafter Weise erhöht.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das System einen Generator. Der Generator ist von der Expansionsmaschine antreibbar, so dass das System damit elektrische Energie oder elektrischen Strom zur Verfügung stellen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird als Arbeitsmedium des Systems Wasser als Reinstoff, R245fa, Ethanol (Reinstoff oder Gemisch von Ethanol mit Wasser); Methanol (Reinstoff oder Gemisch von Methanol und Wasser) längerkettige Alkohole C5 bis C10, längerkettige Kohlenwasserstoffe C5 (Pentan) bis C8 (Oktan), Pyridin (Reinstoff oder Gemisch von Pyridin mit Wasser), Methylpyridin (Reinstoff oder Gemisch von Methylpyridin mit Wasser), Trifluorethanol (Reinstoff oder Gemisch von Trifluorethanol mit Wasser), Hexafluorbenzol, eine Wasser/Ammoniaklösung und/oder ein Wasser-Ammoniak-Gemisch eingesetzt.
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors,
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2 einen Ansicht eines Verdampferwärmeübertragers in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 eine Ansicht des Verdampferwärmeübertragers in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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4 eine Ansicht des Verdampferwärmeübertragers in einem dritten Ausführungsbeispiel,
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5 eine Draufsicht einer Scheibe des Verdampferwärmeübertragers und
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6 eine perspektivische Ansicht des Verdampferwärmeübertragers.
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Ein Verbrennungsmotor 8 als Hubkolbenverbrennungsmotor 9 dient zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges, insbesondere Lastkraftwagens, und umfasst ein System 1 zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors 8 mittels des Clausius-Rankine-Kreisprozesses. Der Verbrennungsmotor 8 weist einen Abgasturbolader 17 auf. Der Abgasturbolader 17 verdichtet Frischluft 16 in eine Ladeluftleitung 13 und ein in die Ladeluftleitung 13 eingebauter Ladeluftkühler 14 kühlt die Ladeluft vor der Zuführung zu dem Verbrennungsmotor 8 ab. Durch eine Abgasleitung 10 wird ein Teil des Abgases vom Verbrennungsmotor 8 abgeleitet und anschließend in einem Verdampferwärmeübertrager 4 bzw. Wärmeübertrager 12 als Abgasrückführkühler abgekühlt sowie mit einer Abgasrückführleitung 15 der dem Verbrennungsmotor 8 mit der Ladeluftleitung 13 zugeführten Frischluft beigemischt. Ein anderer Teil des Abgases wird in den Abgasturbolader 17 eingeleitet, um den Abgasturbolader 17 anzutreiben und anschließend als Abgas 18 an die Umgebung abgegeben. Das System 1 weist Leitungen 2 mit einem Arbeitsmedium auf. In dem Kreislauf mit dem Arbeitsmedium ist eine Expansionsmaschine 5, ein Kondensator 6, ein Auffang- und Ausgleichsbehälter 7 sowie eine Pumpe 3 integriert. Von der Pumpe 3 wird das flüssige Arbeitsmedium auf ein höheres Druckniveau in dem Kreislauf angehoben und anschließend verdampft das flüssige Arbeitsmedium in dem Verdampferwärmeübertrager 4 und leistet anschließend in der Expansionsmaschine 5 mechanische Arbeit, indem das gasförmige Arbeitsmedium expandiert und darauffolgend einen geringen Druck aufweist. In dem Kondensator 6 wird das gasförmige Arbeitsmedium verflüssigt und anschließend wieder dem Auffang- und Ausgleichsbehälter 7 zugeführt.
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In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Verdampferwärmeübertragers 4 bzw. Wärmeübertragers 12 dargestellt. Der Verdampferwärmeübertrager 4 weist eine Einlassöffnung 32 zum Einleiten des Arbeitsmediums und eine Auslassöffnung 33 zum Ausleiten des Arbeitsmediums aus dem Verdampferwärmeübertrager 4 auf. Ein in 2 nicht dargestellter erster Strömungsraum 19 bildet sich zwischen einer Vielzahl von Scheibenpaaren 29 aus. Die Scheibenpaaren 29 weisen jeweils eine obere Scheibe 30 und eine untere Scheibe 31 auf. Zwischen den Scheibenpaaren 29 sind jeweils Distanzstücke 37 angeordnet. Dabei ist in die untere Scheibe 30 eine mäanderförmiger Strömungskanal 20 (5) eingearbeitet, so dass sich zwischen der oberen und unteren Scheibe 30, 31 der mäanderförmige Strömungskanal 20 ausbildet, durch welchen das Arbeitsmedium von der Einlassöffnung 32 zu der Auslassöffnung 33 geleitet wird. Die obere und entere Scheibe 30, 31 ist dabei mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, nämlich einer Lötverbindung (nicht dargestellt), miteinander verbunden. Die obere und untere Scheibe 30, 31 weist ferner eine Durchlassöffnung 36 jeweils an der Ein- und Auslassöffnung 32, 33 auf (eine Einlass-Durchlassöffnung 36 an der Einlassöffnung 32 und eine Auslass-Durchlassöffnung 36 an der Auslassöffnung 33) und an den Durchlassöffnungen 36 liegen zwischen den Scheibenpaaren 29 die Distanzstücke 37 mit Durchlassöffnungen 25 (4), so dass dadurch das Arbeitsmedium auch durch die Scheibenpaare 29 zu darunter oder darüber liegenden Scheibenpaaren 29 an den Distanzstücken 39 strömen kann (analog 4). Auch die Distanzstücke 37 weisen somit jeweils die Durchlassöffnung 25 (analog 4) auf. Zwischen den Scheibenpaaren 29 sind vier im Querschnitt rechteckförmige Rohre 28 angeordnet. Die im Querschnitt rechteckförmigen Rohre 28 bilden einen zweiten Strömungsraum 21 zum Durchleiten von Abgas oder Ladeluft, damit von dem Abgas oder der Ladeluft Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen wird und dadurch das Arbeitsmedium in dem Verdampferwärmeübertrager 4 verdampft.
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Ein Boden 27 weist im Querschnitt rechteckförmige Diffusoröffnungen 38 auf. Der Boden 27 ist an den Diffusoröffnungen 38 mit den Rohren 28 stoffschlüssig verbunden, d. h. ist an diese angelötet. An dem Boden 27 ist ein in 2 nur strichliert dargestellter Gasdiffusor 26 angeordnet, welcher eine Einlassöffnung 11 zum Einleiten des Abgases oder der Ladeluft aufweist. In 2 ist der Boden 27 als Explosionsdarstellung noch nicht an den Rohren 28 befestigt. An dem anderen Ende der Rohre 28, welcher in 2 weiter hinten dargestellt sind, ist ebenfalls in analoger Weise ein zweiter Boden 27 mit dem Gasdiffusor 26 angeordnet (nicht dargestellt). Die obere und untere Scheibe 30, 31 sind mittels der stoffschlüssigen Verbindung d. h. der Lötverbindung (nicht dargestellt) miteinander verbunden.
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In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Verdampferwärmeübertragers 4 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 beschrieben. Zwischen den Scheibenpaaren 29 ist anstelle von vier im Querschnitt rechteckförmigen Rohren 28 nur eine im Querschnitt rechteckförmiges Rohr 28 angeordnet und innerhalb des Rohres 28 ist eine Rippe 34 bzw. Rippenstruktur 34 angeordnet. An den Rohren 28 wird in analoger Weise zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Boden 27 mit Diffusoröffnungen 38 sowie ein Gasdiffusor 26 befestigt (nicht dargestellt). Dies gilt für die beidseitigen Enden der Rohre 28 gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3. Dabei weist der Verdampferwärmeübertrager 4 sowohl im ersten als auch im zweiten Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von übereinander angeordneten Scheibenpaare 29 sowie dazwischen angeordneten Rohren 28 auf. Dies ist in 2 und 3 nur teilweise dargestellt.
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In den 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Verdampferwärmeübertragers 4 dargestellt. In analoger Weise zu dem zweiten Ausführungsführungsbeispiel gemäß 3 sind eine Vielzahl von Scheibenpaaren 29 mit einer oberen und unteren Scheibe 30, 31 miteinander verbunden und übereinander angeordnet. Dabei ist die obere Scheibe 30 mittelbar mit einem umlaufenden Rahmen 35 mit der unteren Scheibe 31 mit der Lötverbindung verbunden. Dadurch bildet sich zwischen der oberen und unteren Scheibe 30, 31 jeweils ein erster Strömungsraum 19 aus. Zwischen den Scheibenpaaren 29 ist jeweils das Distanzstück 37 mit der Durchlassöffnung 25 angeordnet, so dass das Arbeitsmedium in eine Vielzahl an Strömungsräumen 19 zwischen den Scheiben 30, 31 der übereinander angeordneten Scheibenpaaren 29 ein- und ausgeleitet werden kann aufgrund der Durchlassöffnungen 36 in der oberen und unteren Scheiben 30, 31. Zwischen der unteren Scheibe 31 und der oberen Scheibe 30 von zwei unterschiedlichen Scheibenpaaren 29 ist die Rippe 34 angeordnet und durch den Rahmen 35 zwischen dieser oberen Scheibe 30 und der unteren Scheibe 31 bildet sich jeweils ein zweiter Strömungsraum 21 für das Fluid zwischen zwei Scheibenpaaren 29 aus. Am gasseitigen Rand der Scheibenpaaren 29 ist jeweils ein Gasdiffusor 26 (nicht dargestellt) angeordnet. Der Gasdiffusor 38 ist dabei fluiddicht an die beiden Enden der übereinander gestapelten Scheibenpaaren 29 unmittelbar angelötet.
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Die Komponenten des Verdampferwärmeübertragers 4, z. B. die Scheibenpaaren 29, die Rippen 34, der Gasdiffusor 26 oder das Distanzstück 37, z. B. aus Edelstahl oder Aluminium, sind mit der stoffschlüssigen Verbindung insbesondere der Lötverbindung oder einer Klebeverbindung, miteinander verbunden.
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In 5 ist eine Ansicht der Scheibe 30, 31 des Verdampferwärmeübertragers 4 gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die obere und untere Scheibe 30, 31 weist zwei Durchlassöffnungen 36 zum Durchleiten des Arbeitsmediums auf. Dabei ist in die Scheibe 30, 31 ein Strömungskanal 20 als erster Strömungsraum 19 eingearbeitet, welcher die beiden Durchlassöffnungen 36 miteinander verbindet. Dadurch kann das Arbeitsmedium von der oberen (Einlass)Durchlassöffnung 36 durch den Strömungskanal 20 zu der unteren (Auslass-)Durchlassöffnung 36 gemäß 5 strömen. Zwischen zwei Scheibenpaaren (2 und 3) sind jeweils an den Durchlassöffnungen 36 Distanzstücke 37 mit Durchlassöffnungen 25 angeordnet. Dabei können im Betrieb des Verdampferwärmeübertragers 4 an den Scheibenpaaren 29 unterschiedliche Temperaturänderungen auftreten. Beispielsweise kann ein Scheibenpaar 29 wesentlich stärker erwärmt werden, als ein darunterliegendes Scheibenpaar 29. Dadurch dehnen sich die Scheiben 30, 31 des stärker erwärmten Scheibenpaares 29 wesentlich stärker aus, sodass dadurch an den Distanzstücken 37 Scherspannungen aufzunehmen sind, weil das Scheibenpaar 29, welches stärker erwärmt wird, sich stärker ausdehnt als das Scheibenpaar 29, welches nur geringfügig oder nicht erwärmt wird. Derartige Scherspannungen können zu Schäden an der Lötverbindung zwischen den Scheiben 30, 31 und den Distanzstücken 37 führen. Aus diesem Grund sind zwischen den beiden Durchlassöffnungen 36 zwei Dehnungsöffnungen 22, jeweils als Dehnungsschlitz 26 ausgebildet, vorhanden. Aufgrund der beiden Dehnungsschlitze 23 können sich die Scheiben 30, 31 bei Temperaturänderungen leicht verformen, sodass dadurch in den Scheiben 30, 31 zwischen den Durchlassöffnungen 36 nur geringe Spannungen auftreten und dadurch auch zwischen den Scheiben 30, 31 und den Distanzstücken 37 nur geringe Scherspannungen an den Lötverbindungen auftreten. Dabei sind die Dehnungsschlitze 23 jeweils zwischen den Durchlassöffnungen 36 und dem Strömungskanal 20 ausgebildet. Zwischen den Dehnungsöffnungen 22 und den Durchlassöffnungen 36 sowie zwischen den Dehnungsöffnungen 22 und dem Strömungskanal 20 sind ausreichende Lötverbindungen vorhanden, sodass der Verdampferwärmeübertrager 4 auch weiterhin hohen mechanischen Belastungen, insbesondere aufgrund von Vibrationen, Stand halt. Die Dehnungsschlitze 23 weisen dabei eine Breite im Bereich von 1 bis 10 mm, vorzugsweise zwischen 2 und 5 mm auf und eine Länge im Bereich von 2 bis 30 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 30 mm.
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Bei dem Wärmeübertrager 4 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in 4 weist die untere Scheibe 31 keinen mäanderförmigen Strömungskanal 20 auf, jedoch sind die Scheiben 30, 31 jeweils mit den beiden Dehnungsschlitzen 23 wie in 5 versehen.
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In 6 ist eine perspektivische Ansicht des Verdampferwärmeübertragers 4 als Wärmeübertrager 12 dargestellt. An den beiden Durchlassöffnungen 36 der obersten Scheibe 30 ist jeweils eine Buchse 24 angeordnet. An der Buchse 24 ist eine Einlassöffnung 32 für das Arbeitsmedium und eine Auslassöffnung 33 für das Arbeitsmedium vorhanden. Das Abgas wird durch den zweiten Strömungsraum 21 geleitet, welcher zwischen den Scheibenpaaren 29 auftritt. Somit wird das Abgas durch einen Eintritt 39 eingeleitet und durch einen Austritt 30 aus dem Wärmeübertrager 12 abgeleitet. Vorzugsweise kann dabei der Verdampferwärmeübertrager 4, insbesondere der Wärmeübertrager 12, auch ein nicht dargestelltes Gehäuse aufweisen und innerhalb des von dem Gehäuse eingeschlossenen Innenraumes sind die übereinander gestapelten Scheibenpaare 29 angeordnet. Das Gehäuse weise dabei die Einlassöffnung 11 für das zweite Fluid, nämlich Abgas, und eine Auslassöffnung auf. Das Gehäuse kann dabei auch als der Gasdiffuser 26 ausgebildet sein.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 12 wesentliche Vorteile verbunden. Beim Einsatz des Wärmeübertrags 12 als Verdampferwärmeübertrager 4 in dem System 1 treten hohe thermische Beanspruchungen aufgrund von Temperaturänderungen an dem Verdampferwärmeübertrager 4 auf. Aufgrund der Dehnungsöffnungen 22 in den Scheiben 30, 31 werden die auftretenden thermischen Spannungen wesentlich reduziert, sodass dadurch die Lebensdauer des Verdampferwärmeübertragers 4 wesentlich erhöht wird, weil von den Lötverbindungen zwischen den Scheiben 30, 31 und den Distanzstücken 37 wesentlich geringere Scherspannungen bzw. Kräfte aufgenommen werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- System
- 2
- Leitung
- 3
- Pumpe
- 4
- Verdampferwämeübertrager
- 5
- Expansionsmaschine
- 6
- Kondensator
- 7
- Auffang- und Ausgleichsbehälter
- 8
- Verbrennungsmotor
- 9
- Hubkolbenverbrennungsmotor
- 10
- Abgasleitung
- 11
- Einlassöffnung für das zweite Fluid, Abgas
- 12
- Wärmeübertrager
- 13
- Ladeluftleitung
- 14
- Ladeluftkühler
- 15
- Abgasrückführleitung
- 16
- Frischluft
- 17
- Abgasturbolader
- 18
- Abgas
- 19
- Erster Strömungsraum
- 20
- Strömungskanal
- 21
- Zweiter Strömungsraum
- 22
- Dehnungsöffnung
- 23
- Dehnungsschlitz
- 24
- Buchse
- 25
- Durchlassöffnung in Distanzstück
- 26
- Gasdiffusor
- 27
- Boden
- 28
- Rohr
- 29
- Scheibenpaar
- 30
- Obere Scheibe
- 31
- Untere Scheibe
- 32
- Einlassöffnung für das erste Fluid, Arbeitsmedium
- 33
- Auslassöffnung für das erste Fluid, Arbeitsmedium
- 34
- Rippe
- 35
- Rahmen
- 36
- Durchlassöffnung
- 37
- Distanzstück
- 38
- Diffusoröffnung
- 39
- Eintritt Abgas
- 40
- Austritt Abgas
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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