DE102012204151A1 - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrager, wie insbesondere Abgasverdampfer, mit einem Gehäuse mit einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt für ein erstes Medium, wie insbesondere Abgas, mit in dem Gehäuse quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids angeordneten Rohren, die von einem zweiten Medium durchströmbar sind und einlassseitig und auslassseitig in einem Rohrboden mit ihren Enden angeordnet und fluiddicht verbunden sind, wobei mit dem jeweiligen Rohrboden jeweils eine Struktur verbunden ist, mittels welcher Gruppen von Rohren derart miteinander verbunden sind, dass ein Auslass zumindest eines Rohrs mit einem Einlass zumindest eines anderen Rohrs fluidverbunden ist.The invention relates to a heat exchanger, in particular exhaust gas evaporator, with a housing having a fluid inlet and a fluid outlet for a first medium, such as exhaust gas, arranged in the housing transversely to the flow direction of the first fluid tubes, which can be traversed by a second medium and the inlet side and arranged on the outlet side in a tubesheet with their ends and are fluid-tightly connected to the respective tubesheet, respectively a structure by means of which groups of tubes are interconnected such that an outlet of at least one tube is fluidly connected to an inlet of at least one other tube ,
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, wie insbesondere einen Abgasverdampfer, mit einem Gehäuse mit einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt für ein erstes Medium, wie insbesondere Abgas, mit in dem Gehäuse quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids angeordneten Rohren, die von einem zweiten Medium durchströmbar sind und einlassseitig und auslassseitig in einem Rohrboden mit ihren Enden angeordnet und fluiddicht verbunden sind.The invention relates to a heat exchanger, in particular an exhaust gas evaporator, with a housing having a fluid inlet and a fluid outlet for a first medium, such as in particular exhaust gas, arranged in the housing transversely to the flow direction of the first fluid tubes, which are flowed through by a second medium and inlet side and outlet side are arranged in a tube sheet with their ends and connected fluid-tight.
Stand der TechnikState of the art
Bei Kraftfahrzeugen ist ein allgemeiner Trend, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Ein nicht unerheblicher Anteil des Energieinhalts des Kraftstoffs wird bei der Verbrennung im Verbrennungsmotor in das heiße Abgas übertragen, welches oftmals ungenutzt das Fahrzeug verlässt und somit wird ein nicht unerheblicher Anteil des Energieinhalts nicht genutzt.In motor vehicles is a general trend to reduce fuel consumption. A not inconsiderable proportion of the energy content of the fuel is transmitted during combustion in the internal combustion engine in the hot exhaust, which often unused leaves the vehicle and thus a significant proportion of the energy content is not used.
Zur weiteren Absenkung des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen, wie bei Nutzfahrzeugen oder Personenkraftwagen, ist es daher zweckmäßig, einen Teil des Energieinhalts des heißen Abgases für den Antrieb des Kraftfahrzeugs wieder zurückzugewinnen.To further reduce the fuel consumption of vehicles, such as in commercial vehicles or passenger cars, it is therefore expedient to recover part of the energy content of the hot exhaust gas for driving the motor vehicle again.
Zu dieser Energierückgewinnung sind derzeit verschiedenen Methoden in der Erprobung. So gibt es Ansätze, den Energieinhalt elektrisch mittels Thermoelementen zurückzugewinnen. Dies ist derzeit jedoch noch auf geringe Leistungen beschränkt, so dass nur etwa 1 kW bei Personenkraftwagen damit erzielt wird.Various methods are currently being tested for this energy recovery. So there are approaches to recover the energy content electrically by means of thermocouples. However, this is currently limited to low power, so that only about 1 kW in passenger cars is achieved.
Diese Rückgewinnung kann thermisch erfolgen, d. h. die Energie des Abgases wird zur Beheizung des Fahrgastinnenraumes oder zur Beheizung des Motors und/oder Getriebes verwendet.This recovery can be thermal, d. H. the energy of the exhaust gas is used to heat the passenger compartment or to heat the engine and / or transmission.
In einer seit einiger Zeit diskutierten Variante wird dem Abgas zwar auch thermische Energie entnommen, aber die Energie wird in mechanischer Form dem Motor zurückgeführt. Das Verfahren basiert auf einem Dampfkraftprozeß, bei dem ein bestimmtes geeignetes Medium in einem Verdampfer verdampft und überhitzt wird und ein einem Expander oder in einer Turbine entspannt wird, so dass mechanische Energie erzeugt wird.In a variant that has been discussed for some time now, although thermal energy is also extracted from the exhaust gas, the energy is returned to the engine in mechanical form. The method is based on a steam power process in which a particular suitable medium in an evaporator is vaporized and superheated and expanded on an expander or in a turbine to generate mechanical energy.
Die Verdampfung des Mediums erfolgt mittels einer Beheizung über das heiße Abgas. Zur Erreichung eines möglichst hoher Wirkungsgrade ist es dabei zweckmäßig, wenn das Medium auf einen höheren Druck gebracht werden kann. Bei Wasser als Medium können dabei etwa 40–50 bar erreichbar sein. Bei der Verwendung von organischen Kältemitteln sind Drücke bis etwa 30 bar vorteilhaft.The evaporation of the medium takes place by means of a heating via the hot exhaust gas. To achieve the highest possible efficiencies, it is expedient if the medium can be brought to a higher pressure. In the case of water as the medium, about 40-50 bar can be achieved. When using organic refrigerants pressures up to about 30 bar are advantageous.
Das zu verdampfende Medium wird in einem so genannten Verdampfer in einem ersten Schritt auf Siedetemperatur aufgeheizt, dann verdampft und anschließend überhitzt. Dies kann in einem Fahrzeug an zwei verschiedenen Orten passieren. Zum Ersten kann in einem Verdampfer, der anstelle des Abgaskühlers oder zusätzlich zu diesem eingesetzt wird, Wärme aus dem Abgas entzogen werden, um das zu verdampfende Fluid zu verdampfen. Zum Zweiten kann auch der Hauptabgasstrom als Wärmequelle genutzt werden, um in einem sogenannten Hauptabgasverdampfer ebenfalls ein Fluid zu verdampfen.The medium to be evaporated is heated in a so-called evaporator in a first step to boiling temperature, then evaporated and then superheated. This can happen in a vehicle in two different locations. First, in an evaporator used in place of or in addition to the exhaust gas cooler, heat may be extracted from the exhaust gas to vaporize the fluid to be evaporated. Second, the main exhaust gas flow can also be used as a heat source in order to evaporate a fluid in a so-called main exhaust gas evaporator.
Aus der Klimatechnik für Fahrzeuge sind sogenannte Scheibenverdampfer gemäß der
Verdampfer, die aus Scheiben und Rippen bestehen, habe eine hohe Leistungsdichte, die es ermöglicht, auch für Fahrzeuge sehr kompakte Hochleistungsverdampfer bereitzustellen. Nachteilig ist aber, dass solche Verdampfer relativ teuer sind in der Herstellung.Evaporators, which consist of discs and ribs, have a high power density, which makes it possible to provide even for vehicles very compact high-performance evaporator. The disadvantage, however, is that such evaporators are relatively expensive to manufacture.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, VorteilePresentation of the invention, object, solution, advantages
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, welcher gegenüber dem Stand der Technik einfach und dennoch kostengünstig herzustellen ist und eine gute Leistungsdichte aufweist.It is the object of the invention to provide a heat exchanger, which is simple and yet inexpensive to manufacture compared to the prior art and has a good power density.
Diese Aufgabe wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1.This object is achieved with the features of claim 1.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel offenbart einen Wärmeübertrager, wie insbesondere Abgasverdampfer, mit einem Gehäuse mit einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt für ein erstes Medium, wie insbesondere Abgas, mit in dem Gehäuse quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids angeordneten Rohren, die von einem zweiten Medium durchströmbar sind und einlassseitig und auslassseitig in einem Rohrboden mit ihren Enden angeordnet und fluiddicht verbunden sind, wobei mit dem jeweiligen Rohrboden jeweils eine Struktur verbunden ist, mittels welcher Gruppen von Rohren derart miteinander verbunden sind, dass ein Auslass zumindest eines Rohrs mit einem Einlass zumindest eines anderen Rohrs fluidverbunden ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der jeweilige Auslass von einer Gruppe von Rohren mit einem jeweiligen Einlass von einer Gruppe von Rohren verbunden ist.A preferred embodiment discloses a heat exchanger, such as in particular exhaust gas evaporator, with a housing having a fluid inlet and a fluid outlet for a first medium, such as exhaust gas, arranged in the housing transversely to the flow direction of the first fluid tubes, which are flowed through by a second medium and arranged on the inlet side and outlet side in a tube plate with their ends and are connected fluid-tight, wherein with the respective tubesheet in each case a structure is connected by means of which groups of tubes with each other are connected, that an outlet of at least one tube is fluidly connected to an inlet of at least one other tube. It is particularly advantageous if the respective outlet from a group of tubes is connected to a respective inlet of a group of tubes.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Struktur aus einer Umlenkplatte und einer Abdeckplatte besteht, wobei die Umlenkplatte Öffnungen aufweist, die die Auslässe der einen Rohre mit den Einlässen des anderen Rohre verbindet, und wobei die Abdeckplatte die Umlenkplatte fluiddicht abdeckt. So ist die Umlenkplatte mit dem Rohrboden verbunden und weist Öffnungen auf, innerhalb welcher ein- und Auslässe einer vorgebbaren Anzahl von Rohren in Fluidverbindung sind.It when the structure consists of a baffle plate and a cover plate, wherein the baffle plate has openings which connects the outlets of a tube with the inlets of the other tubes, and wherein the cover plate covers the baffle plate fluid-tight. Thus, the baffle plate is connected to the tubesheet and has openings within which inlets and outlets of a predeterminable number of tubes are in fluid communication.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umlenkplatte auf den jeweiligen Rohrboden aufgesetzt und mit diesem verbunden ist, wobei die Abdeckplatte auf die jeweilige Umlenkplatte aufgesetzt und mit dieser verbunden ist.It when the baffle plate is placed on the respective tube sheet and connected thereto, wherein the cover plate is placed on the respective baffle plate and connected thereto is particularly advantageous.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Umlenkplatte mit dem jeweiligen Rohrboden einteilig ausgebildet ist, wobei die Abdeckplatte auf die jeweilige Umlenkplatte aufgesetzt und mit dieser verbunden ist.It is also expedient if the baffle plate is integrally formed with the respective tubesheet, wherein the cover plate is placed on the respective baffle plate and connected thereto.
Auch ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn die Umlenkplatte mit der jeweiligen Abdeckplatte einteilig ausgebildet ist, wobei die Umlenkplatte und die Abdeckplatte auf den jeweiligen Rohrboden aufgesetzt und mit diesem verbunden sind.It is also advantageous in another embodiment, when the baffle plate is integrally formed with the respective cover plate, wherein the baffle plate and the cover plate are placed on the respective tube sheet and connected thereto.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rohre in Reihen angeordnet sind, wobei die Umlenkplatte Fluid zwischen Rohren unterschiedlicher Reihen umlenkt. Dies bedeutet, dass die Umlenkplatte Fluid aus einem ersten Rohr oder aus einer Gruppe von ersten Rohren in ein zweites Rohr oder in eine Gruppe von zweiten Rohren umlenkt, wobei die ersten Rohre und die zweiten Rohre bevorzugt in einer unterschiedlichen Reihe von Rohren angeordnet sind.It is particularly advantageous if the tubes are arranged in rows, wherein the deflecting plate deflects fluid between tubes of different rows. This means that the baffle deflects fluid from a first tube or from a group of first tubes into a second tube or into a group of second tubes, wherein the first tubes and the second tubes are preferably arranged in a different row of tubes.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rohre in Reihen angeordnet sind, wobei die Umlenkplatte Fluid zwischen Rohren einer Reihen umlenkt. Dies bedeutet, dass die Umlenkplatte Fluid aus einem ersten Rohr oder aus einer Gruppe von ersten Rohren in ein zweites Rohr oder in eine Gruppe von zweiten Rohren umlenkt, wobei die ersten Rohre und die zweiten Rohre bevorzugt in einer gleichen Reihe von Rohren angeordnet sind.It when the tubes are arranged in rows, wherein the baffle deflects fluid between tubes of a series is particularly advantageous. This means that the baffle deflects fluid from a first tube or from a group of first tubes into a second tube or into a group of second tubes, wherein the first tubes and the second tubes are preferably arranged in a same row of tubes.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Reihen von Rohren in Segmenten angeordnet sind, wobei die Umlenkplatte Fluid von einem Segment in ein anderes Segment umlenkt.It is also advantageous if the rows of tubes are arranged in segments, wherein the deflecting plate deflects fluid from one segment to another segment.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn zumindest in einem Segment eine Mehrzahl von Rohren parallel geschaltet sind.Furthermore, it is expedient if at least in one segment a plurality of tubes are connected in parallel.
Auch ist es vorteilhaft, wenn zumindest in einem Segment eine Mehrzahl von parallel geschalteten Rohren in Serie miteinander verschaltet sind.It is also advantageous if at least in one segment, a plurality of parallel-connected tubes are connected in series with each other.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.Further advantageous embodiments are described by the following description of the figures and by the subclaims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail on the basis of at least one embodiment with reference to the drawings. Show it:
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Preferred embodiment of the invention
Die
Der Wärmeübertrager ist zum Einlass des zweiten Fluid mit einem Einlassstutzen
Anschließend wird das Fluid an den gegenüberliegenden Enden dieser Rohre in eine weitere Anzahl anderer Rohre umgelenkt. Diese werden von dem zweiten Fluid wiederum durchströmt.Subsequently, the fluid is deflected at the opposite ends of these tubes in a further number of other tubes. These are again flowed through by the second fluid.
Zur Umleitung des Fluids ist mit dem jeweiligen Rohrboden
Die Struktur
Die Umlenkplatte
Die Rohre
Als Material für die Rohre und Rohrböden kann Aluminium aber besonders bevorzugt Edelstahl eingesetzt werden. Auch kann der gesamte Wärmeübertrager aus Aluminium oder Edelstahl bestehen.As the material for the tubes and tube sheets aluminum but most preferably stainless steel can be used. Also, the entire heat exchanger made of aluminum or stainless steel.
Die Umlenkplatte
Alternativ zu der getrennten Ausbildung von Rohrboden
Dabei ist das gemeinsame Teil
Dabei kann der Rohrboden auch so gestaltet, wie beispielsweise gefräst sein, dass der so multifunktional abgeänderte Rohrboden auch zusätzlich die Aufgabe der Fluidverteilung übernimmt und als Kombination von Bodenplatte und Umlenkplatte fungiert. Dann wird nur eine Abdeckplatte aufgesetzt und mit dem Boden verbunden. Entsprechend kann das Teil
Weiterhin können der Rohrboden und/oder die Umlenkplatte und/oder die Abdeckplatte auch als ein Gußteil ausgebildet sein, das eine entsprechende Struktur mit vertieften integrierten Öffnungen zur Verteilung des Mediums aufweist.Furthermore, the tubesheet and / or the baffle plate and / or the cover plate may also be formed as a casting, which has a corresponding structure with recessed integrated openings for distribution of the medium.
Die Verbindung der zwei bzw. drei Elemente Rohrboden, Umlenkplatte und Abdeckplatzte erfolgt vorteilhaft über eine Verschweißung, Verlötung oder Verschraubung, wobei auch eine Kombination der Verbindungsmöglichkeiten eingesetzt werden kann. Dazu kann die obere Platte auch Löcher besitzen, um an bestimmten Punkten über die Fläche verteilt, per Schweißverfahren die Platten miteinander zu verbinden.The connection of the two or three elements tube plate, baffle and Abdeckplatzte advantageously takes place via a welding, soldering or screwing, whereby a combination of the connection options can be used. For this purpose, the top plate can also have holes to distribute at certain points over the surface to connect by welding the plates together.
Insbesondere um eine gute Lötverbindung zu erzielen, können die 3 Platten mittels Nieten oder Heftschweißpunkten zueinander fixiert und aneinander gepresst werden, alternativ über Schweißpunkte, Prägungen oder auch Verschraubungen. In particular, in order to achieve a good solder joint, the 3 plates can be fixed to each other by means of rivets or tack welds and pressed together, alternatively on welds, embossing or screwing.
Die Umlenkplatte enthält Öffnungen als Strukturen, um von mindestens einem Rohr das Medium zu sammeln und auf mindestens ein anderes Rohr wieder zu verteilen. Vorzugsweise wird aus bis zu 4 oder mehr Rohren das zu verdampfende Fluid in der Öffnungen gesammelt und dann auf bis zu 4 oder mehr andere Rohre wieder aufgeteilt. Bei jeder Sammlung und Verteilung des Fluides werden thermische Instabilitäten die zur ungleichmäßigen Massenstromverteilung in den Rohren führen, und damit zu unterschiedlichen Temperaturen und oder Dampfgehalten, weitestgehend ausgeglichen. Damit können Instabilitätseffekte, die zu erheblichen Leistungseinbußen führen, kompensiert werden.The baffle contains openings as structures to collect the medium from at least one tube and redistribute it to at least one other tube. Preferably, from up to four or more tubes, the fluid to be vaporized is collected in the ports and then re-divided into up to four or more other tubes. With each collection and distribution of the fluid thermal instabilities leading to the uneven mass flow distribution in the tubes, and thus to different temperatures and or vapor levels, largely balanced. This can compensate for instability effects that lead to significant performance losses.
Das ist auch ein wesentlicher Vorteil der 2 Sandwichböden gegenüber der Lösung mit Rohrbögen und nur einem Sandwichboden. Damit finden die Vermischungsprozesse in beiden Böden statt.This is also a significant advantage of the 2 sandwich floors compared to the solution with pipe bends and only one sandwich floor. Thus, the mixing processes take place in both soils.
Die
Die Verteilerplatten
Im Ausführungsbeispiel der
Wie in
So wird das erste Segment in alternierenden Durchströmungen durchströmt und das Fluid tritt vom Bereich
Anschließen erfolgt die entsprechende Durchströmung des zweiten Segments
Die
Die
Die Durchströmung des Wärmeübertragers der
Die
Weiterhin sind jeweils drei Rohre zu einem Durchgang
In den Segmenten
Die
In den Segmenten
Bei Durchgang
Anschließend durchströmt das Fluid das nächste Rohr und wird im vorderen Umlenkbereich in der gleichen Reihe der Rohre in ein weiteres Rohr durch die Öffnung
In den Segmenten
Die
In den Segmenten
Bei Durchgang
In den Segmenten
Die Gestaltung der Umlenkplatte ist in den Figuren rechteckig vorgesehen. Sie kann auch rund sein, so dass sie in eine runde, zylindrische Aussparung in einem Gehäuse oder in einem Schalldämpfer eingebaut werden kann.The design of the baffle is provided rectangular in the figures. It can also be round, so that it can be installed in a round, cylindrical recess in a housing or in a silencer.
Zur Leistungssteigerung können auf die Rohre gasseitige Rippen aufgefädelt Sein, siehe die Rippen
Die Rippen weisen Rohrdurchzüge mit sogenannten Kragen auf, durch die der Abstand zwischen den Rippen sichergestellt wird. Alternativ kann der Rippenabstand auch durch Ausstellen von Abstandshaltern in der Rippe sichergestellt werden. Die Rippendichte kann dabei zwischen 30 Ri/dm und 80 Ri/dm liegen. Die Rippen können gestanzt sein und aufgeschnittene und aufgestellte Kiemen besitzen oder auch nur eingeprägte Strukturen, wie Winglets, Dimpel oder Ausbeulungen, zur Leistungssteigerung. Insbesondere ist es zielführend solche Strukturen in die Rippen einzuprägen, die die Strömung gezielt auf die Rohre leitet und damit eine höhere Wärmeübertragung auf der Primärfläche erzielt werden kann.The ribs have pipe passages with so-called collar, through which the distance between the ribs is ensured. Alternatively, the rib spacing can also be ensured by exhibiting spacers in the rib. The rib density can be between 30 Ri / dm and 80 Ri / dm. The ribs can be punched and have cut and erect gills or even embossed structures, such as winglets, dimples or bulges, to increase performance. In particular, it is expedient to impress such structures in the ribs, which directs the flow targeted to the tubes and thus a higher heat transfer can be achieved on the primary surface.
Die Rippendicke beträgt dabei 0.1 mm bis 0.5 mm bzw. vorzugsweise zwischen 0.25 und 0.4 mm, was für Edelstahl als Rippenmaterial vorteilhaft ist.The rib thickness is 0.1 mm to 0.5 mm or preferably between 0.25 and 0.4 mm, which is advantageous for stainless steel as a ribbed material.
Weiterhin können in dem Verbund der Platten oben und/oder unten Schlitze eingebracht werden, so dass eine unterschiedliche thermische Ausdehnung aufgrund unterschiedlicher Temperaturen vom Gaseintritt bis zum Gasaustritt ermöglicht wird und nicht zu Schäden führt. Bevorzugt liegt der Rohrdurchmesser der Rohre im Bereich von 3–20 mm, idealerweise im Bereich von 5–15 mm und vorzugsweise im Bereich von 6–10 mm.Furthermore, slots can be introduced in the composite of the plates above and / or below, so that a different thermal expansion due to different temperatures from the gas inlet to the gas outlet is made possible and does not lead to damage. Preferably, the tube diameter of the tubes is in the range of 3-20 mm, ideally in the range of 5-15 mm, and preferably in the range of 6-10 mm.
In die Rohre können turbulenzerzeugende Strukturen eingebacht werden, z. B. Drallerzeuger, um den Wärmeübergang besonders im Bereich, wo das Fluid Überhitzt zu fördern.In the tubes turbulence generating structures can be conceived, for. As swirl generator to promote the heat transfer, especially in the area where the fluid overheats.
Das Rohr kann auch als Drallrohr ausgeführt werden, dann aber bevorzugt ohne äußere Rippen. Insbesondere sind auch Rohre mit sehr tief ausgeprägten Rillen verwendbar, die ähnlich einem Faltenbalg bei größeren Rohrleitungsdurchmessern ausgebildet sind, um den Wärmeübergang auf der Gasseite zu erhöhen und gleichzeitig die thermische Differenzdehnung zwischen den Rohren aufnehmen können. Grundsätzlich können unterschiedliche Leistungsklassen erreicht werden, wenn ein Verdampfer in Abgasströmungsrichtung aus einzelnen Modulen besteht. The tube can also be designed as a spiral tube, but then preferably without outer ribs. In particular, pipes with very deep grooves are used, which are similar to a bellows with larger pipe diameters formed in order to increase the heat transfer on the gas side and at the same time can absorb the thermal expansion difference between the tubes. In principle, different performance classes can be achieved if an evaporator in the exhaust gas flow direction consists of individual modules.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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