DE102011113788A1

DE102011113788A1 - Wärmeübertragungsanordnung

Info

Publication number: DE102011113788A1
Application number: DE102011113788A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burkhardt
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21
Also published as: CN103782124B; WO2013041315A1; US20150053382A1; BR112014006444A2; CN103782124A

Abstract

Eine Wärmeübertragungsanordnung zum Erwärmen eines Arbeitsfluids mittels eines strömenden heißen Fluids umfasst einen Fluidkanal zum Führen des strömenden heißen Fluids, ein in dem Fluidkanal angeordnetes Rohrbündel zum Führen des Arbeitsfluids, wobei das Rohrbündel mehrere parallel zueinander entlang einer Längsrichtung verlaufende Rohrleitungsabschnitte umfasst, und eine fest mit dem Fluidkanal verbundene Tragstruktur zum Halten des Rohrbündels in dem Fluidkanal. Die Rohrleitungsabschnitte sind jeweils an wenigstens einer ersten Lagerstelle unbeweglich an der Tragstruktur gelagert und an wenigstens einer in Längsrichtung davon beabstandeten zweiten Lagerstelle mit Bewegungsspielraum in wenigstens einer Richtung an der Tragstruktur gelagert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanordnung zum Erwärmen, insbesondere Verdampfen und Überhitzen, eines Arbeitsfluids mittels eines strömenden heißen Fluids, insbesondere eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors, mit einem Fluidkanal zum Führen des strömenden heißen Fluids, einem in dem Fluidkanal angeordneten Rohrbündel zum Führen des Arbeitsfluids, wobei das Rohrbündel mehrere parallel zueinander entlang einer Längsrichtung verlaufende Rohrleitungsabschnitte umfasst, und einer fest mit dem Fluidkanal verbundenen Tragstruktur zum Halten des Rohrbündels in dem Fluidkanal.
Derartige Vorrichtungen werden auch als ”Wärmeübertrager” bezeichnet und finden bei verschiedenen Arten der Nutzung von durch das heiße Fluid getragener Abwärme Verwendung. Beispielsweise können solche Wärmeübertrager zur Abgaswärmenutzung bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, indem ein Teil der thermischen Energie des heißen Abgasstroms in technisch nutzbare mechanische Energie gewandelt wird, beispielsweise im Rahmen eines geschlossenen Dampfkreislaufs. Hierdurch kann letztlich Kraftstoff gespart werden. Die parallel verlaufenden, insbesondere geradlinigen Rohrleitungsabschnitte des Rohrbündels werden von dem heißen Fluid umströmt, wobei eine effektive Wärmeübertragung auf das im Inneren der Rohrleitungsabschnitte befindliche Arbeitsfluid stattfindet. Das Rohrbündel kann im Prinzip an beliebiger Stelle in einer Abgasleitung angeordnet sein, beispielsweise in einem Schalldämpfergehäuse.
Die Befestigung des Rohrbündels in dem Fluidkanal ist insofern problematisch, als während des Betriebs stets thermische Ausdehnungen sowie mechanische Beanspruchungen auftreten, welche zu einer kritischen Materialbelastung bei den Rohrleitungsabschnitten führen können.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, mit einfachen konstruktiven Mitteln eine sichere Befestigung von Wärmeübertragern in Rohrbündelbauweise am zugehörigen Fluidkanal zu ermöglichen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Wärmeübertragungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß sind die Rohrleitungsabschnitte jeweils an wenigstens einer ersten Lagerstelle unbeweglich an der Tragstruktur gelagert und an wenigstens einer in Längsrichtung davon beabstandeten zweiten Lagerstelle mit Bewegungsspielraum in wenigstens einer Richtung an der Tragstruktur gelagert. Das Rohrbündel ist also mindestens zweifach gelagert, wobei ein Lager als Festlager und mindestens ein davon entferntes Lager als Loslager ausgebildet ist. Somit ist einerseits eine sichere Befestigung der Rohrleitungsabschnitte untereinander sowie des Rohrbündels innerhalb des Fluidkanals gewährleistet. Andererseits ermöglicht das Loslager Ausgleichsbewegungen der Rohrleitungsabschnitte infolge von thermischer Ausdehnung oder mechanischen Beanspruchungen, sodass unerwünschte Verspannungen oder Materialüberlastungen vermieden werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Bewegungsspielraum an der zweiten Lagerstelle, vorzugsweise ausschließlich, in der Längsrichtung. Somit können die während des Betriebs häufig auftretenden thermischen Ausdehnungen und Kontraktionen der Rohrleitungsabschnitte in axialer Richtung kompensiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegen alle ersten und/oder alle zweiten Lagerstellen in einer jeweiligen rechtwinklig zu der Längsrichtung verlaufenden Querebene. Alle Rohrleitungsabschnitte des Rohrbündels sind somit gleichmäßig an zwei Stellen abgestützt.
Die Tragstruktur kann ein erstes Tragelement zur Bereitstellung aller ersten Lagerstellen und ein von dem ersten Tragelement getrenntes zweites Tragelement zur Bereitstellung aller zweiten Lagerstellen umfassen. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines zwischen den beiden getrennten Tragelementen befindlichen Freiraums, welcher einem weitgehend ungehinderten Durchströmen des Rohrbündels entgegenkommt.
Vorzugsweise sind die Tragelemente flächig ausgebildet und erstrecken sich jeweils in einer rechtwinklig zu der Längsrichtung verlaufenden Querebene. Bei einer Anströmung des Rohrbündels quer zu der Längsrichtung wird dem heißen Fluidstrom somit nur ein geringer Widerstand entgegengesetzt.
Bevorzugt umfasst die Tragstruktur wenigstens eine, vorzugsweise zwei Anordnungen von gestapelten länglichen Abstandhaltern, welche jeweils quer zu der Längsrichtung angeordnet sind und in welchen Aussparungen zum Durchführen nebeneinanderliegender Rohrleitungsabschnitte vorgesehen sind. Die Abstandhalter können zwischen einzelnen Ebenen des Rohrbündels angeordnet sein und somit das Bündel insgesamt stabilisieren und halten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Mittel zum Verspannen der gestapelten Abstandhalter gegeneinander vorgesehen. Durch das Verspannen der Abstandhalter gegeneinander erfolgt eine Fixierung aller Rohrleitungsabschnitte des Rohrbündels, wobei es der Dimensionierung der Aussparungen überlassen bleibt, ob im verspannten Zustand ein Bewegungsspielraum für die Rohrleitungsabschnitte besteht, das heißt ob ein Festlager oder ein Loslager hergestellt ist.
Zum Verspannen der gestapelten Abstandhalter können zwei oberhalb und unterhalb des Rohrbündels angeordnete, die Anordnung von Abstandhaltern einschließende Spannbügel vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache Konstruktion.
Die Spannbügel können mittels einer Verschraubung aufeinander zu bewegbar sein, insbesondere mittels einer Anordnung aus Gewindestangen und Muttern. Durch Anziehen der Muttern können die Spannbügel somit aufeinander zu bewegt werden, wobei die zwischen den Spannbügeln befindlichen Abstandhalter zusammengedrückt und das Rohrbündel fixiert wird. Eine Anordnung aus Gewindestangen und zugehörigen Muttern minimiert insbesondere den Herstellungsaufwand für die Verspannung.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Spannbügel in gespanntem Zustand mittels eines starren Überbrückungselements miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt. Bei dieser Ausführungsform kann die Verschraubung entfallen.
Die Abstandshalter können weiterhin relativ zueinander durch wenigstens eine U-förmige Profilschiene fixiert sein. Eine derartige Profilschiene kann ein unerwünschtes Verrutschen der Abstandhalter vor oder während des Verspannens verhindern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind beidseits des Rohrbündels Strömungsleitwände in dem Fluidkanal angeordnet. Derartige Strömungsleitwände können die Effizienz des Wärmeübertragers verbessern, indem sie den heißen Fluidstrom gezielt zwischen den einzelnen Rohrleitungsabschnitten hindurchleiten. Vorzugsweise können die Strömungsleitwände mit Sicken versehen sein, um das seitliche Vorbeiströmen des heißen Fluids am Rohrbündel weiter zu verringern.
Die Erfindung betrifft auch eine Wärmekraftmaschine mit einer Wärmeübertragungsanordnung gemäß einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele, einer Expansionsmaschine und einem Kondensator zum Kühlen des Arbeitsfluids, wobei das Arbeitsfluid in einem Kreisprozess, insbesondere in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess, durch die Wärmeübertragungsanordnung, die Expansionsmaschine und den Kondensator geführt wird. Die Wärmeübertragungsanordnung kann somit gewissermaßen sowohl als Verdampfer als auch als Überhitzer arbeiten, wobei mit Hilfe der thermischen Energie des heißen Fluids das Arbeitsfluid erwärmt, verdampft und überhitzt wird. Die dadurch im Arbeitsfluid gespeicherte thermische Energie wird in der Expansionsmaschine in technisch nutzbare mechanische Energie gewandelt. Anschließend wird das Arbeitsfluid in dem Kondensator rekondensiert, zurückgekühlt und schließlich erneut der Wärmeübertragungsanordnung zugeführt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, in die eine Wärmeübertragungsanordnung wie vorstehend beschrieben integriert ist.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmeübertragungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine Wärmeübertragungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine Wärmeübertragungsanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß 1 umfasst ein Wärmeübertrager ein Rohrbündel 11, welches sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus 24 nebeneinander angeordneten und einzeln mit einem Arbeitsfluid gespeisten Rohrschlangen 12 zusammensetzt. Jede Rohrschlange 12 umfasst eine Vielzahl von übereinander angeordneten und parallel zueinander verlaufenden geradlinigen Rohrleitungsabschnitten 13, welche sich jeweils parallel zu einer Längsrichtung L erstrecken und mittels schräggestellter U-förmiger Bögen 14 verbunden sind. Das Rohrbündel 11 ist zur Montage in einem nicht dargestellten Fluidkanal ausgebildet, beispielsweise in einem Schalldämpfergehäuse eines Abgasstrangs. Das heiße Abgas strömt entlang einer Hauptströmungsrichtung S durch den Fluidkanal und trifft auf die Anordnung von Rohrleitungsabschnitten 13. Hierdurch erfolgt eine effektive Wärmeübertragung von dem heißen Abgas auf das in den Rohrschlangen 12 geführte Arbeitsfluid. Das Arbeitsfluid kann auf diese Weise verdampft und überhitzt werden, sodass es nachfolgend in einer Expansionsmaschine mechanische Arbeit leisten kann. Anschließend wird das Arbeitsfluid kondensiert, zurückgekühlt und erneut dem Rohrbündel 11 zugeführt.
Die Befestigung des Rohrbündels 11 in dem Fluidkanal erfolgt mittels einer Tragstruktur 15, welche zwei voneinander getrennte Halteringe 15a, 15b umfasst. Die Halteringe 15a, 15b sind flächig ausgebildet und verlaufen jeweils in einer rechtwinklig zu der Längsrichtung L verlaufenden Querebene. Auf diese Weise wird die Strömung des Abgases entlang der Hauptströmungsrichtung S nur minimal behindert. Der äußere Umfang der Halteringe 15a, 15b ist zur festen Verbindung mit dem Fluidkanal ausgebildet und speziell an die Geometrie der Kanalwand angepasst. Eine Anpassung der Tragstruktur 15 an unterschiedliche Bauformen von Fluidkanälen kann somit durch einen einfachen Austausch der Halteringe 15a, 15b erfolgen.
An jedem der Halteringe 15a, 15b sind flachseitig zwei gegenüberliegende Spannbügel 23 angeschweißt. Vor dem Verschweißen können die Spannbügel 23 mittels zweier Gewindestangen 25 und zugehöriger Mutter 37 aufeinander zu bewegt werden. Zwischen den beiden Spannbügeln 23 befindet sich jeweils eine Anordnung von gestapelten länglichen Abstandsleisten 19, welche jeweils zwischen den horizontalen Ebenen des Rohrbündels 11 hindurchgeführt sind und in welchen Aussparungen 21 zum Durchführen der nebeneinanderliegenden Rohrleitungsabschnitte 13 vorgesehen sind. U-förmige Profilschienen 29 umgreifen jeweils die Gewindestangen 25 und sorgen so für eine korrekte Ausrichtung der Abstandsleisten 19 relativ zueinander. Durch Anziehen der Muttern 27 können die Abstandsleisten 19 gegeneinander verspannt werden, wobei die Rohrleitungsabschnitte 13 in den Aussparungen 21 eingeklemmt werden.
Jeder Rohrleitungsabschnitt 13 ist somit an einer ersten Lagerstelle 17a und an einer in der Längsrichtung L davon beabstandeten zweiten Lagerstelle 17b in entsprechenden Aussparungen 21 der Abstandsleisten 19 aufgenommen und relativ zu der Tragstruktur 15 gehalten. Dabei ist das Ausmaß des Einklemmens der Rohrleitungsabschnitte 13 in den Aussparungen derart gewählt, dass jeder Rohrleitungsabschnitt 13 an der ersten Lagerstelle 17a unbeweglich gehalten ist, wohingegen an der zweiten Lagerstelle 17b ein gewisser Bewegungsspielraum in axialer Richtung, das heißt in der Längsrichtung L, besteht. Alle ersten Lagerstellen 17a liegen dabei in der durch den im Bild links gelegenen Haltering 15a definierten Querebene, während alle zweiten Lagerstellen 17b in der durch den rechts gelegenen Haltering 15b definierten Querebene liegen. Bei einer Befestigung der Tragstruktur 15 in einem Fluidkanal ist somit eine sichere Lagerung des Rohrbündels 11 an zwei beabstandeten Stellen gewährleistet, während gleichzeitig axiale Ausgleichsbewegungen der Rohrleitungsabschnitte 13 stets möglich sind.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dargestellt, welche im Prinzip wie die Anordnung gemäß 1 aufgebaut ist. Zusätzlich sind jedoch beidseits des Rohrbündels 11 Strömungsleitwände 30 vorgesehen, um den heißen Abgasstrom besser durch das Rohrbündel 11 hindurchzuführen. In den Strömungsleitwänden 30 vorgesehene Sicken 31 ragen jeweils in die Zwischenräume zwischen benachbarten Rohrschlangen 12 hinein und verringern somit ein unerwünschtes seitliches Vorbeiströmen des Abgases.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei hier anstelle der durch Gewindestangen 25 und Muttern 27 gebildeten Verschraubung die U-förmigen Profilschienen 29 selbst mit den Spannbügeln 23 und gegebenenfalls mit den Abstandsleisten 19 verschweißt werden. Die jeweilige Anordnung aus Spannbügeln 23, Abstandsleisten 19 und Profilschienen 29 wird zu diesem Zweck in einer geeigneten Spannvorrichtung vorgespannt und in gespanntem Zustand verschweißt. Die Verbindung der Profilschienen 29 mit den Abstandsleisten 19 kann dabei punktuell oder vollflächig erfolgen.
Es versteht sich, dass das Prinzip der zweifachen Lagerung mit Bewegungsmöglichkeit für eine Vielzahl verschiedener Arten der Strömungsführung anwendbar ist, wobei es insbesondere nicht darauf ankommt, ob die einzelnen geraden Rohrleitungsabschnitte 13 parallel, seriell oder in kombinierter Weise miteinander verschaltet sind.
Bezugszeichenliste

11: Rohrbündel
12: Rohrschlange
13: Rohrleitungsabschnitt
14: Bogen
15: Tragstruktur
15a, 15b: Haltering
17a: erste Lagerstelle
17b: zweite Lagerstelle
19: Abstandsleiste
21: Aussparung
23: Spannbügel
25: Gewindestange
27: Mutter
29: Profilschiene
30: Strömungsleitwand
31: Sicke
L: Längsrichtung
S: Hauptströmungsrichtung

Claims

Wärmeübertragungsanordnung zum Erwärmen, insbesondere Verdampfen und Überhitzen, eines Arbeitsfluids mittels eines strömenden heißen Fluids, insbesondere eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors, mit einem Fluidkanal zum Führen des strömenden heißen Fluids, einem in dem Fluidkanal angeordneten Rohrbündel (11) zum Führen des Arbeitsfluids, wobei das Rohrbündel mehrere parallel zueinander entlang einer Längsrichtung (L) verlaufende Rohrleitungsabschnitte (13) umfasst, und einer fest mit dem Fluidkanal verbundenen Tragstruktur (15) zum Halten des Rohrbündels (11) in dem Fluidkanal, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungsabschnitte (13) jeweils an wenigstens einer ersten Lagerstelle (17a) unbeweglich an der Tragstruktur (15) gelagert sind und an wenigstens einer in Längsrichtung (L) davon beabstandeten zweiten Lagerstelle (17b) mit Bewegungsspielraum in wenigstens einer Richtung an der Tragstruktur (15) gelagert sind.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsspielraum an der zweiten Lagerstelle (17b), vorzugsweise ausschließlich, in der Längsrichtung (L) besteht.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle ersten und/oder alle zweiten Lagerstellen (17a, 17b) in einer jeweiligen rechtwinklig zu der Längsrichtung (L) verlaufenden Querebene liegen.
Wärmeübertragungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (15) ein erstes Tragelement (15a) zur Bereitstellung aller ersten Lagerstellen (17a) und ein von dem ersten Tragelement (15a) getrenntes zweites Tragelement (15b) zur Bereitstellung aller zweiten Lagerstellen (17b) umfasst.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragelemente (15a, 15b) flächig ausgebildet sind und sich jeweils in einer rechtwinklig zu der Längsrichtung (L) verlaufenden Querebene erstrecken.
Wärmeübertragungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (15) wenigstens eine, vorzugsweise zwei Anordnungen von gestapelten länglichen Abstandhaltern (19) umfasst, welche jeweils quer zu der Längsrichtung (L) angeordnet sind und in welchen Aussparungen (21) zum Durchführen nebeneinander liegender Rohrleitungsabschnitte (13) vorgesehen sind.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (23, 25, 27, 29) zum Verspannen der gestapelten Abstandhalter (19) gegeneinander vorgesehen sind.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verspannen der gestapelten Abstandhalter (19) zwei oberhalb und unterhalb des Rohrbündels (11) angeordnete, die Anordnung von Abstandhaltern (19) einschließende Spannbügel (23) vorgesehen sind.
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbügel (23) mittels einer Verschraubung (25, 27) aufeinander zu bewegbar sind, insbesondere mittels einer Anordnung aus Gewindestangen (25) und Muttern (27).
Wärmeübertragungsanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbügel (23) in gespanntem Zustand mittels eines starren Überbrückungselements (29) miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt, sind.
Wärmeübertragungsanordnung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter (19) relativ zueinander durch wenigstens eine U-förmige Profilschiene (29) fixiert sind.
Wärmeübertragungsanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits des Rohrbündels (11) Strömungsleitwände (30) in dem Fluidkanal angeordnet sind.
Wärmekraftmaschine, mit einer Wärmeübertragungsanordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, einer Expansionsmaschine und einem Kondensator zum Kühlen des Arbeitsfluids, wobei das Arbeitsfluid in einem Kreisprozess, insbesondere in einem Clausius-Rankine-Kreisprozess, durch die Wärmeübertragungsanordnung, die Expansionsmaschine und den Kondensator geführt wird.
Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, in die eine Wärmeübertragungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 integriert ist.