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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Durchlaufen eines Rankine-Zyklus sowie eine Wärmepumpe, jeweils umfassend einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
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Allgemein sind aus dem Stand der Technik verschiedene Bauarten von Wärmetauschern bekannt, darunter auch Abgas-Wärmeübertrager, wie sie zum Beispiel zur Abgaskühlung in modernen Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Solche Wärmeübertrager sind regelmäßig von aufwendiger Bauweise, um bei gegebenem Bauraum eine besonders große Übertragungsleistung zu gewährleisten.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der bei einfacher Bauweise effektiv einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Anordnung eines einfachen Wärmetauschers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in einem Abgaskanal, insbesondere für ein Abgas aus einem Verbrennungsprozess, kann auf die in dem Abgas enthaltene Abwärme nutzbringend zugegriffen werden. Dabei werden die Bauart einfach und Kosten des Wärmetauschers niedrig gehalten.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher arbeitet gemäß der Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 nach dem Kreuzstromprinzip. Das bedeutet, dass die Führung des ersten Fluids in den Tauscherrohren senkrecht zu einer Strömungsrichtung des zweiten Fluids verläuft. Besonders bevorzugt erfolgt dabei die Hauptströmungsrichtung des ersten Fluids in den Sammlergliedern in Gegenrichtung zu der Strömungsrichtung des zweiten Fluids, wodurch der Wärmetauscher insgesamt als Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist.
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Unter einem Abgas im Sinne der Erfindung ist jedes gasförmige, gegebenenfalls Partikel oder Aerosole mit sich führende Fluid gemeint, das nutzbare Wärme enthält und im Prinzip als Abfallprodukt eines technischen Vorgangs, insbesondere eines Verbrennungsvorgangs, anfällt. Beispiele hierfür sind das Abgas eines Verbrennungsmotors, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, das Abgas einer Heizungsanlage, insbesondere Brenngas-Heizungsanlage, oder das Abgas einer industriellen Anlage wie einem Lötofen, einem chemischen Reaktor oder Ähnlichem.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Tauscherrohre als gebogene Abschnitte eines Halbzeugs, besonders bevorzugt, aber nicht notwendig als Rundrohre, ausgebildet. Die Verwendung eines Halbzeugs, wie zum Beispiel Rundrohre oder auch Rechteckrohre, ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung des Wärmetauschers. Die Tauscherrohre können zum Beispiel durch Hartlöten oder Schweißen mit den Sammlergliedern verbunden sein, wozu verschiedene geeignete Fügetechniken zur Verfügung stehen.
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Bei einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform der Erfindung sind die Tauscherrohre zumindest abschnittsweise zu einem spiralförmigen Verlauf gebogen. In bevorzugter Weiterbildung können die Tauscherrohre dabei jeweils zu einer Doppelspirale gebogen sein, wobei sowohl ein Eintritt und ein Austritt der Doppelspirale jeweils in einem radial äußeren Randbereich angeordnet sind. Die Anordnung der Tauscherrohre als Spirale erlaubt eine einfache Nutzung des Querschnitts des Abgaskanals zum Wärmetausch, wobei zugleich eine gute Druckfestigkeit der Tauscherrohre gegeben ist. Insbesondere die Ausbildung als Doppelspirale ermöglicht es, die Sammlerglieder jeweils am Rand des Querschnitts des Wärmetauschers anzuordnen, so dass der besonders heiße und/oder schnellströmende zentrale Bereich des Abgases in dem Abgaskanal nicht mit einem Sammlerglied belegt ist. Dies steigert die Effektivität des Wärmetauschers zusätzlich und ermöglicht zudem einen einfachen Anschluss der Sammlerglieder an Zu- und Ableitungen. Bei einer möglichen Detailgestaltung einer solchen Ausführungsform können die Sammlerglieder auch als parallele, benachbarte Kammern eines einzelnen integrierten Sammlerelements ausgebildet sein.
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Allgemein vorteilhaft sind die Tauscherrohre aus einem bevorzugt korrosionsfesten Stahl ausgebildet, so dass auch die Verwendung in heißem und/oder korrosivem Abgas problemlos möglich ist.
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Allgemein vorteilhaft ist es im Interesse einer preiswerten Herstellung vorgesehen, dass an den Tauscherrohren keine Rippen und/oder die Oberfläche vergrößernden Mittel festgelegt sind. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann demnach zumindest seitens der Tauscherrohre ausschließlich aus einfachem Halbzeug, zum Beispiel Rundrohren, ausgebildet sein, wodurch er robust, preisgünstig und dennoch effektiv ist. Insbesondere in Fällen einer Nachrüstung des Wärmetauschers in Abgaskanälen kann hierdurch zudem ein ausreichend geringer Druckabfall in dem Abgaskanal gewährleistet werden.
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Allgemein vorteilhaft ist es vorgesehen, dass die Tauscherrohre jeweils in einer zu der Längsrichtung senkrechten Ebene angeordnet sind, wobei ein nachfolgendes Tauscherrohr zumindest teilweise Zwischenräume in der Ebene eines vorhergehenden Tauscherrohrs überdeckt. Hierdurch wird auf Grund der geometrischen Überlappung eine entsprechende oszillierende Führung und/oder Verwirbelung des Abgases in dem Abgaskanal erzeugt, wodurch die Leistung des Wärmetauschers verbessert ist. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat zumindest eines der Sammlerglieder eine Unterteilung in zumindest zwei Abschnitte, wobei eine Durchströmungsrichtung der Tauscherrohre in den Abschnitten entgegengesetzt ist. Hierdurch lässt sich in der Strömungsrichtung eine optimale Anpassung des Wärmetauschers an die veränderliche Temperatur des Abgasstromes erzielen. Insbesondere können die Anzahlen der den einzelnen Abschnitten zugeordneten Tauscherrohre unterschiedlich sein. Zum Beispiel die Anzahl der Tauscherrohre je Abschnitt in Strömungsrichtung des Abgases je nach Anforderungen zunehmen oder abnehmen, zum Beispiel in Korrelation mit einer Phasenumwandlung des ersten Fluids. Alternativ oder ergänzend können auch die Abstände der Tauscherrohre in der Strömungsrichtung auf andere Weise variieren. Bei weiteren Fortbildungen ist es auch denkbar, mehrere, jeweils in ihrer Dimension optimierte Abschnitte hintereinander anzuordnen, mittels derer zum Beispiel eine Vorwärmung, eine Verdampfung und eine Überhitzung eines in den Tauscherrohren geführten Fluids in jeweils optimierter Weise nacheinander erfolgt.
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In vorgenanntem Sinn erlaubt die Erfindung grundsätzlich auch die Kombination mehrerer, voneinander getrennter Wärmetauschersegmente, in denen verschiedene Fluide geführt werden. Die voneinander getrennten Abschnitte in den Sammlergliedern, die den unterschiedlichen Fluiden zugeordnet sind, sind entsprechend mit jeweiligen Zu- und Abflüssen für die verschiedenen Fluide auszustatten.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch die Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Nachrüstung in einem bereits bestehenden Abgaskanal gelöst. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um einen Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, einer Gebäudeheizung oder einer industriellen Anlage. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist auf Grund seiner einfachen Bauart, die auf Robustheit und geringe Baukosten optimiert ist, besonders geeignet, in bestehende Abgaskanäle eingesetzt zu werden. Bereits bestehende Abgaskanäle sind nach vorbestimmten Kriterien ausgelegt und erlauben häufig keine allzu großen Veränderungen des Druckabfalls, so dass ein einfacher und kostengünstiger Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung hier besonders gut geeignet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch eine Vorrichtung zum Durchlaufen eines Rankine-Zyklus gelöst, umfassend einen Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Besonders bevorzugt hat der Wärmetauscher dabei einen ersten Abschnitt zur Vorwärmung, einen zweiten Abschnitt zur Verdampfung und einen dritten Abschnitt zur Überhitzung eines Arbeitsmittels der Vorrichtung. Bei der Vorrichtung kann es sich zum Beispiel um einen Rankine-Zyklus handeln, der an einen Verbrennungsmotor, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gekoppelt ist, um den Gesamtwirkungsgrad durch Nutzung der Wärme des Abgases zu verbessern. Es kann sich dabei um einen Organic-Rankine-Zyklus handeln oder auch um einen Zyklus auf Wasserbasis.
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In diesem Sinne ist es allgemein vorteilhaft vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher eine Druckfestigkeit von wenigstens 50 bar, besonders bevorzugt von wenigstens 100 bar, aufweist. Die Ausbildung der Tauscherrohre aus Halbzeug, wie zum Beispiel Rundrohren, kann eine solche Druckfestigkeit auf besonders einfache und kostengünstige Weise zuverlässig bereitstellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch eine Wärmepumpe gelöst, besonders bevorzugt eine Adsorptions-Wärmepumpe, umfassend einen Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Besonders bevorzugt bildet dabei ein in dem Abgaskanal strömendes Abgas eine Wärmequelle der Wärmepumpe aus. Ein Beispiel für eine bekannte Adsorptions-Wärmepumpe, die zur Kombination m ist in der Druckschrift
WO 2007/068481 A1 beschrieben. Sie kann beispielsweise zur vollständigen oder unterstützenden Klimatisierung eines Gebäudes eingesetzt werden.
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Im Sinne der Verwendung mit einer Wärmepumpe, aber auch in allgemein vorteilhaftem Sinn kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher in einem Abgaskanal zum Beispiel eines Gasbrenners angeordnet sein, wobei die Kondensationswärme des einen hohen Anteil von Wasserdampf enthaltenen Abgases genutzt wird. Die Kondensation findet dabei auf den Oberflächen der Tauscherrohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers statt, so dass die Kondensationswärme gezielt aufgenommen und von dem ersten Fluid abgeführt und zur weiteren Nutzung verwendet werden kann.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine Draufsicht auf ein Tauscherrohr eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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2 zeigt eine Draufsicht in Längsrichtung auf einen Wärmetauscher mit Tauscherrohren gemäß 1.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Wärmetauschers aus 2.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Tauscherrohr eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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5 zeigt eine Draufsicht in Längsrichtung auf einen Wärmetauscher mit Tauscherrohren gemäß 4.
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6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Wärmetauschers aus 5.
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7 zeigt eine schematische räumliche Ansicht des Wärmetauschers aus 5.
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Das in 1 gezeigte Tauscherrohr 1 besteht aus einem Rundrohr aus einem korrosionsfesten Stahl bzw. Edelstahl, welches als Halbzeug, zum Beispiel Stangenmaterial oder quasi-endloses Rollenmaterial, erhältlich ist.
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Das Edelstahl-Rundrohr wurde mittels einer geeigneten Maschine zu einer Spirale gewickelt, wobei ein erstes Ende 1a des Tauscherrohres in einem Zentrum der Spirale angeordnet ist und ein zweites Ende 1b in einem radial äußeren Randbereich der Spirale angeordnet ist. Jedes der Enden 1a, 1b ist in einem Sammlerglied 2, 3, das sich in der Darstellung nach 1 senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt, mittels Hartverlötung fluiddicht verbunden. Die Sammlerglieder 2, 3, die sich gemäß der Enden 1a, 1b des Tauscherrohrs 1 einerseits im Zentrum der Spirale und andererseits am Rand der Spirale befinden, sind vorliegend ebenfalls als im Querschnitt kreisförmige Rohrglieder ausgebildet, die einen größeren Durchmesser als das Tauscherrohr 1 aufweisen.
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Die Sammlerglieder 2 weisen an geeigneter Position Anschlüsse zur Zuführung und Abführung eines ersten, in den Sammlergliedern 2, 3 und den Tauscherrohren 1 strömenden Fluids auf (nicht dargestellt).
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Die Spiralform der Tauscherrohre 1 ist vorliegend so gewählt, dass die Windungen der Spirale einen konstanten Abstand voneinander aufweisen. Zur weiteren Optimierung bzw. je nach Anforderungen kann der Abstand der Spiralwindungen auch kontinuierlich veränderlich sein, um zum Beispiel unterschiedlichen Strömungs- und Temperaturverhältnissen eines zweiten, die Tauscherrohre 1 umströmenden Fluids Rechnung zu tragen.
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2 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager, bei dem eine Mehrzahl von Tauscherrohren 1 nach der Bauart aus 1 senkrecht zu der Zeichnungsebene hinter einander angeordnet sind. Dabei sind die Tauscherrohre 1 jeweils abwechselnd um 180° verdreht angeordnet, so dass durch teilweise Überlappungen der Zwischenräume der Spiralen der aufeinander folgenden Tauscherrohre die Überdeckung des Strömungsquerschnitts des zweiten Fluids gemäß der Darstellung nach 2 resultiert. Hierdurch können zum Einen die Tauscherrohre 1 als Gleichteile ausgebildet werden und zum Anderen eine gute Umlenkung und Verwirbelung des zweiten Fluids erfolgen.
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Der Wärmetauscher aus 2 ist insgesamt in einem Abgaskanal 4 (gestrichelte Linie) angeordnet. Das Abgas strömt gemäß 2 senkrecht zur Zeichnungsebene bzw. in einer Längsrichtung parallel zur Erstreckung der Sammlerglieder 2, 3.
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Die Sammlerglieder 2, 3 weisen mehrere, jeweils durch Sperren 5 abgeteilte Abschnitte 2a, 2b, 3a, 3b, 3c auf; siehe Schnittansicht des Wärmetauschers nach 3. Hierdurch ist es ermöglicht, die Tauscherrohre 1 verschiedenen Strömungsgruppen zuzuordnen, welche insbesondere in entgegengesetzten Richtungen durchströmbar sind. Im vorliegenden Beispiel tritt der gesamte Volumenstrom des ersten Fluids zunächst in den ersten Abschnitt 3a des randseitigen Sammlerglieds 3 ein, wo er auf insgesamt zehn Tauscherrohre 1 verteilt wird, welche sämtlich in den ersten Abschnitt 2a des zweiten Sammlerglieds 2, das im Zentrum der Spirale angeordnet ist, münden.
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Dieser Volumenstrom wird austrittsseitig des Abschnitts 2a auf sieben Tauscherrohre 1 verteilt, die jeweils in den zweiten Abschnitt 3b des Sammlerglieds 3 münden. Von dort wird der Volumenstrom des ersten Fluids auf sechs Tauscherrohre 1 verteilt, die wiederum im zweiten Abschnitt 2b des Sammlerglieds 2 münden. Letztlich wird der Volumenstrom über fünf Tauscherrohre 1 in den austrittsseitigen, letzten Abschnitt 3c des Sammlerglieds 3 geleitet. Die Strömungsrichtung des zweiten Fluids bzw. Abgases (siehe Pfeil A in 3) verläuft dabei entgegengesetzt und parallel zu einer Hauptströmungsrichtung H des ersten Fluids in den Sammlergliedern 2, 3. Insgesamt liegt somit ein Wärmetauscher in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise vor. Der Wärmetauscher ist vorliegend besonders effektiv, da das zunächst heiße Abgas A auf die kleinste Anzahl von gruppierten Tauscherrohren 1 trifft und nachfolgend die Tauscherrohre in Richtung zunehmender Anzahl von Tauscherrohren je Gruppe umströmt. Hierdurch wird die Oberfläche der Tauscherrohre 1 schrittweise an die abnehmende Temperatur des Abgasstroms angepasst, so dass eine ausgeglichene Übertragungsleistung über die Länge des Wärmetauschers und somit eine besonders gute Effektivität des Wärmetauschers gegeben ist.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 4 bis 7 dargestellt. Dabei sind die Tauscherrohre 1 ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel aus Halbzeug in Form von Edelstahl-Rundrohren gebogen. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist die Ausformung jedoch nicht einfach spiralförmig, sondern doppelt spiralförmig. Dabei sind beide Enden 1a, 1b des Tauscherrohrs jeweils in einem radial äußeren Randbereich der Spirale angeordnet, wobei im Zentrum der spiralförmigen Anordnung eine Wendestelle 1c angeordnet ist. Die Doppelspirale kann daher so beschrieben werden, dass eine von dem ersten Anschluss 1a beginnende Spirale und eine von dem zweiten Anschluss 1b beginnende Spirale entgegengesetzt parallel zu einander verlaufen und sich in der Wendestelle 1c im Zentrum der Spirale treffen.
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Insgesamt hat eine solche Anordnung den Vorteil, dass beide Sammelglieder 2, 3 im radial äußeren Randbereich der Spirale des Tauscherrohrs 1 angeordnet sein können. Somit wird der Abgasstrom im Zentrum der Spirale weniger gestört und ein unerwünschter Wärmetausch über die Sammlerglieder 2, 3 ist verringert.
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Wie im ersten Ausführungsbeispiel sind zweckmäßig sämtliche Tauscherrohre 1 baugleich ausgeformt und abwechselnd hinter einander um 180° umgedreht angeordnet. Wie 5 verdeutlicht, ergibt sich ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Überlappung von Zwischenräumen durch die um 180° gewendeten Tauscherrohre, wodurch eine bessere Durchmischung des Abgasstroms erzielt wird.
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In 6 ist grob schematisch eine räumliche Darstellung einiger der Tauscherrohre zwischen den beiden parallelen, randseitig angeordneten Sammlergliedern 2, 3 dargestellt. Dabei sind die Tauscherrohre 1 der einen Orientierung mit durchgezogenen Linien und die Tauscherrohre 1 der um 180° gewendeten Orientierung mit gestrichelten Linien dargestellt.
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7 zeigt eine schematische Schnittansicht, bei der ähnlich wie im ersten Ausführungsbeispiel (siehe 3) verschiedene Abschnitte 3a, 3b, 3c, 2a, 2b der Sammlerglieder 2, 3 durch Unterteilungen bzw. Trennwände 5 ausgeformt sind. Vorliegend sind hierdurch vier Gruppen von Tauscherrohren G1, G2, G3, G4 definiert, die jeweils abwechselnd in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden (siehe Pfeile in 7). Dabei ist der ersten Gruppe G1 eine Anzahl von fünf Tauscherrohren, der zweiten Gruppe G2 eine Anzahl von sechs Tauscherrohren, der dritten Gruppe G3 eine Anzahl von sieben Tauscherrohren und der letzten Gruppe G4 eine Anzahl von zehn Tauscherrohren zugeordnet, was als rein schematische Verdeutlichung dienen soll. Wird zum Beispiel der Wärmetauscher nach 7 in Verbindung mit einer Vorrichtung zum Durchlaufen eines Rankine-Zyklus eingesetzt, so kann in der ersten Gruppe G1 eine Vorwärmung des in den Tauscherrohren 1 geführten Arbeitsmittels des Rankine-Zyklus erfolgen. Danach erfolgt in den Gruppen G2 und G3 eine Verdampfung, wobei mit zunehmender Phasenumwandlung auf Grund der Volumenausdehnung die Anzahl der Tauscherrohre ansteigt. In der letzten Gruppe G4 kann insbesondere eine Überhitzung des zuvor verdampfenden Arbeitsmittels des Rankine-Zyklus stattfinden.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Wärmetauscher zum Einsatz in dem Abgaskanal 4 einer Feuerungsanlage wie zum Beispiel einer Gasheizung angeordnet und an eine Wärmepumpe angeschlossen sein. Ein solcher Wärmetauscher kann zum Beispiel besonders viele Tauscherrohre 1 in einem stromabwärtigen, bereits relativ kühlen Bereich des Abgasstroms aufweisen. Hierdurch kann in dem Abgas enthaltender Wasserdampf abkondensieren, wodurch die Kondensationswärme nutzbringend auf das im Wärmetauscher geführte erste Fluid übertragen wird.
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Es ist auch denkbar, mittels desselben Wärmetauschers zwei oder mehr getrennte, insbesondere verschiedene Fluide in Wärmeaustausch mit dem Abgas zu bringen. So kann ein erstes Fluid in einem ersten Segment des Wärmetauschers im heißen Abgasstrom auf eine hohe Temperatur (z. B. etwa 200°C) erhitzt werden, um zum Beispiel einen Rankine-Zyklus zu betreiben oder einen anderen Einsatzzweck mit hohen Fluidtemperaturen. Nachfolgend kann ein weiteres Fluid auf eine gemäßigte Temperatur (z. B. etwa 80°C), insbesondere unter Ausnutzung von Kondensationswärme aus dem Abgas, erhitzt werden, wodurch zum Beispiel eine Wärmepumpe gemäß der
WO 2007/068481 angetrieben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/068481 A1 [0016]
- WO 2007/068481 [0041]
