DE102013204295A1

DE102013204295A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102013204295A1
Application number: DE102013204295.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Irmler; Frank von Lützau; Peter Geskes; Arthur Strehlau
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-18
Also published as: CN205227939U; WO2014140131A1; EP2972011A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest einem ersten Strömungskanal für das Durchleiten eines ersten Mediums und mit zumindest einem zweiten Strömungskanal zum Durchleiten eines zweiten Mediums, insbesondere zum Verdampfen eines flüssigen Arbeitsmediums als erstes Medium und mit einem Fluid, wie Abgas oder Ladeluft, als zweites Medium, zur Übertragung von Wärme von dem zweiten Medium auf das erste Medium, wobei der zumindest eine erste Strömungskanal eine umlaufende erste Begrenzungswandung aufweist und der zumindest eine zweite Strömungskanal eine umlaufende zweite Begrenzungswandung aufweist, wobei die ersten und die zweiten Strömungskanäle derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine Doppelwandung zwischen den strömungsführenden Kanälen durch die erste und die zweite Begrenzungswandung gebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, wie insbesondere einen Abgaswärmeübertrager und/oder einen Abgasverdampfer.
Stand der Technik
Die Wärmerückgewinnung aus Abgas ist ein Thema, das bei der Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren auf immer höheres Interesse stößt. Eine Möglichkeit ist die Anwendung eines so genannten Rankine-Prozesses. Für diesen Prozess werden Abgasverdampfer eingesetzt. Diese verdampfen ein Fluid unter Ausnutzung der hohen Temperatur des durchströmenden Abgases.
Bei Abgaswärmeübertragern und auch bei Abgasverdampfern beispielsweise aus Rankin-Zyklus-Anwendungen wird ein erstes Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, Ethanol etc., durch Wärmeübertragung von dem heißen Abgas erwärmt und beispielsweise verdampft. Der entstehende überhitzte Dampf wird anschließend in einem Expander entspannt. Die dabei anfallende mechanische Leistung wird dabei dem Antriebsmotor wieder zurückgeführt.
Damit können Kraftstoffverbrauchsreduktionen von ca. 5 bis 7% erreicht werden.
Bei einer Abgasrückführung wird weiterhin auch zumindest ein Teil des Abgases dem Antriebsmotor wieder zurückgeführt.
In Rankine-Zyklus-Anwendungen, auch Waste-Heat-Recovery(WHR)-Anwendungen werden unterschiedliche Wärmequellen genutzt und miteinander gekoppelt. Hierzu zählen beispielsweise Abgas-Rückführkühler, Ladeluftkühler und/oder Hauptabgaskühler in der Abgasanlage etc. Bei organischen Arbeitsmedien sind besonders Leckagen in den Komponenten ungünstig, die ein Zuführen des zu verdampfenden Mediums in den Brennraum des Motors verursachen würden. Solche Komponenten sind insbesondere der Abgasverdampfer und der indirekte Ladeluftkühler. Der Abgasverdampfer kühlt das heiße Abgas ab, das im Fluidstrom nach dem Motor abgezweigt wird, um dieses gekühlte Abgas wieder dem Motor zuzuführen, um damit Stickoxidemissionen abzusenken. Auch der indirekte Ladeluftkühler kühlt die verdichtete Verbrennungsluft ab, die dann zum Motor geleitet wird.
Wenn einer der beiden Komponenten undicht wird, tritt eine unerwünschte Menge des Arbeitsmediums aus dem Rankine-Zyklus aus und wird dem Verbrennungsmotor zugeführt. Dabei kann es beispielsweise bei Ethanol als Arbeitsmedium zu einer vorzeitigen Zündung vor dem Einlass kommen. Was für den Verbrennungsmotor ungünstig ist. Bei Kältemittel als Arbeitsmedium kann eine unerwünschte Reaktion mit unerwünschten Reaktionsprodukten erfolgen.
Die Entstehung einer Leckage kann aber aufgrund der hohen thermischen und mechanischen Belastung der Wärmeübertrager nie gänzlich ausgeschlossen werden.
Bei Verdampfern ist die Festigkeit wesentlich, da das Arbeitsmedium meist bei Arbeitsdrücken über dem Umgebungsdruck betrieben werden und damit die Verdampfer mit ihrer Struktur die auftretenden Drückkräfte aufnehmen müssen. Auch thermische Spannungen aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Arbeitsmedien müssen aufgenommen werden können.
Die DE 10 12010 031 561 A1 offenbart einen Abgasverdampfer, bei welchem benachbarte Kanäle für das Abgas und für das Arbeitsmedium durch eine einzige Trennwand getrennt sind und um den Kanal für das Arbeitsmedium ein Leckagekanal herum geführt ist, der stellenweise in die Umgebung austritt. Bei einer Leckage zu Rand hin wird das Arbeitsmedium in den Leckagekanal geführt und von dort in die Umgebung und es gelangt nicht in den Abgaskanal und somit nicht in den Verbrennungsmotor. Kollabiert allerdings die einzige Trennwand beispielsweise bei einer Leckage in dieser Trennwand, so gelangt dennoch das Arbeitsmedium in den Abgastrakt.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, welcher auch bei Leckage zumindest weitestgehend verhindert, dass das Arbeitsmedium in den Verbrennungsmotor gelangen kann.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest einem ersten Strömungskanal für das Durchleiten eines ersten Mediums und mit zumindest einem zweiten Strömungskanal zum Durchleiten eines zweiten Mediums, insbesondere zum Verdampfen eines flüssigen Arbeitsmediums als erstes Medium und mit einem Fluid, wie Abgas oder Ladeluft, als zweites Medium, zur Übertragung von Wärme von dem zweiten Medium auf das erste Medium, wobei der zumindest eine erste Strömungskanal eine umlaufende erste Begrenzungswandung aufweist und der zumindest eine zweite Strömungskanal eine umlaufende zweite Begrenzungswandung aufweist, wobei die ersten und die zweiten Strömungskanäle derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine Doppelwandung zwischen den strömungsführenden Kanälen durch die erste und die zweite Begrenzungswandung gebildet ist. Durch die doppelwandige Ausbildung der Trennwand zwischen zwei Strömungskanälen bzw. zwischen den Strömungspfaden kann eine Abführung eines Fluids erfolgen, falls dies durch ein Leck einmal austreten sollte.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn die zwei eine Doppelwandung bildenden Begrenzungswandungen flächig aneinander anliegen. Dadurch wird ein besserer Wärmeübertrag zwischen den beiden benachbarten Strömungskanälen erreicht.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die zwei eine Doppelwandung bildenden Begrenzungswandungen nur punktuell oder bereichsweise aber nicht vollflächig miteinander verbunden, wie bevorzugt verlötet, sind. Dadurch wird eine mechanisch feste Verbindung gebildet, wobei dennoch ein Kanal verbleibt, um ein austretendes Fluid ableiten zu können.
Auch ist e vorteilhaft, wenn zwischen den beiden eine Doppelwandung bildenden Begrenzungswandungen ein profiliertes Element, wie Blech, vorgesehen ist, welches mit den beiden Begrenzungswandungen in thermischen Kontakt steht. So kann ein guter thermischer Kontakt bei gleichzeitiger Ausbildung eines Leckagekanals erreicht werden.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn ein Strömungskanal durch zwei Scheiben gebildet ist, die jeweils zumindest einen hochstehenden Rand aufweisen und sich an den Rändern berühren und abgedichtet miteinander verbunden sind und einen Kanal zischen sich bilden. Dadurch kann eine vereinfachte Herstellung durchgeführt werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn ein Strömungskanal mittels eines Rahmens und zwei darauf angeordneten und abgedichtet verbundenen Abdeckscheiben gebildet ist. So kann ebenso eine einfache Gestaltung erreicht werden.
Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn zumindest dem das Arbeitsmedium führenden Strömungskanal ein Leckagekanal als eine fluidleitende Verbindung zugeordnet ist, welcher zur Umgebung offen ist. Dadurch kann neben der Abführung von Leckagen zwischen den Wandungen der doppelwandigen Trennwand auch an den Endbereichen oder um den Fluidkanal herum ein Leckagestrom zur Umgebung abgeführt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Leckagekanal an einem Randbereich und/oder Endbereich des Strömungskanals ausgebildet ist. So kann an einem Endbereich, an welchem der Strömungskanal abgeschlossen wird, ein Leckagekanal günstig vorgesehen werden. Dieser wird vorteilhafter Weise dort vorgesehen, wo der Strömungskanal abgeschlossen wird. So kann bei einer Leckage das austretende Fluid abgeführt werden.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Leckagekanal an einem Sammelbereich einer Mehrzahl von Strömungskanälen angeordnet ist. So kann bei einer Leckage im Bereich eines Sammlers oder eines Fluidzuführung oder einer Fluidabführung ein Fluid aus einer Leckage abgeführt werden, bevor es in den Strömungskanal für das zweite Fluid, wie Abgas oder Ladeluft, gelangt.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Strömungskanal durch einen Einsatz oder Rahmen begrenzt ist und der Leckagekanal durch eine Aussparung in dem Einsatz oder dem Rahmen gebildet ist. Dadurch wird durch den Abschluss des Strömungskanals gleichzeitig auch der Leckagekanal gebildet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Aussparung eine Nut ist, welche die Höhe des Einsatzes oder des Rahmens einnimmt oder eine Höhe einnimmt, die geringer ist als die Höhe des Einsatzes oder des Rahmens. Dadurch kann bei der Fertigung des Rahmens oder eines Abschlusselements oder eines Einsatzes der Leckagekanal mit eingearbeitet werden, wie beispielsweise durch Prägen oder Stanzen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Aussparung durch zwei benachbart angeordnete Einsätze oder Rahmenelemente gebildet wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine schematische Darstellung von Strömungskanälen,
2 eine schematische Darstellung von Strömungskanälen,
3 eine Ansicht eines Pakets von Strömungskanälen eines Wärmeübertragers, und
4 eine Ansicht eines Pakets von Strömungskanälen eines Wärmeübertragers.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung dreier Strömungskanäle 2, 3, 4 eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Jeder Strömungskanal ist im Schnitt dargestellt und weist eine umlaufende Wandung 5, 6, 7, wie Begrenzungswandung auf, die den Strömungspfad für das Fluid definiert. Dabei sind die Kanäle vorteilhaft als Flachrohr ausgebildet.
Wie in 1 zu erkennen ist, sind die Strömungskanäle 2, 3, 4 aufeinander gestapelt und die jeweilige Trennwand 8, 9 zwischen zwei Strömungskanälen 2, 3 bzw. 3, 4 ist doppelwandig ausgebildet, weil jeweils zwei benachbarte Wandungen 5, 6 bzw. 6, 7 benachbart zueinander angeordnet sind.
Dabei sind die Fluidkanäle 2, 4 für Abgas bzw. Ladeluft vorgesehen und der Fluidkanal 3 für das Arbeitsmedium. Dieser Fluidkanal 3 weist weiterhin einen Leckagekanal 10 auf, der durch einen doppelt vorgesehene Wand 11, 12 definiert wird.
So wird eine doppelwandige Ausführung der Trennwand 8, 9 erreicht, so dass das Arbeitsmedium als erstes Fluid und das Abgas bzw. Ladeluft als zweites Fluid separat in je einem Strömungskanal 2, 3, 4 geführt wird. Bei der Gestaltung des Fiuidkanals für das Arbeitsmedium ist die Gestaltung vorzugsweise durch eine Doppelscheibe realisiert, zwischen der das erste Fluid in eingebrachten Kanälen geleitet wird. Diese Kanäle können in die Scheiben geprägt sein. Die beiden Scheiben werden miteinander verlötet.
Alternativ kann der Strömungskanal auch aus zwei Abdeckscheiben, einem umlaufenden Rahmen und gegebenenfalls einer Turbulenzeinlage gebildet sein.
An dem Fluidkanal für das erste Fluid ist eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für das erste Fluid als Arbeitsmedium vorgesehen. Das zweite Fluid, wie beispielsweise Abgas oder die Ladeluft, wird vorzugsweise in Rohren geführt, die auch Prägungen als Winglets oder Rippen enthalten können. Alternativ kann auch hier ein Strömungskanal gebildet werden, der aus zwei Abdeckscheiben, einen Rahmen und gegebenenfalls einer Turbulenzeinlage gebildet wird.
Die Strömungskanäle, beispielsweise als Doppelscheiben und/oder Rohre und/oder Rahmen mit Abdeckscheiben werden abwechselnd aufeinander gestapelt und miteinander verlötet.
Die gasführenden Kanäle der zweiten Strömungskanäle werden an ihren Stirnseiten jeweils über einen Einsatz oder einen Rahmen, wie Rohrboden, abgedichtet, an welchem ein Diffusor eingebacht werden kann.
Die Zuführung und die Abführung des ersten Fluids, des Arbeitsmediums, erfolgt über einen Verteil- und Sammelkanal, der in 1 jedoch nicht zu erkennen ist. Dieser Kanal liegt vorteilhaft an einem Seitenbereich des Stapels des Wärmeübertragers, der außerhalb der Strömungskanäle, wie der gebildeten Rohre liegt. Bei einem Ausführungsbeispiel sind diese Verteil- und Sammelkanäle mittig der Längserstreckung des Wärmeübertragers angeordnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Verteil- und Sammelkanäle auch an einer anderen Stelle des Wärmeübertragers angeordnet sein.
Die Doppelwand als Trennwand ist nicht vollflächig miteinander verlötet oder anderweitig verbunden, so dass zwischen den beiden Wandungen ein Kanal als Leckagekanal verbleibt.
Wird nun eine Verbindung zwischen den Doppelscheiben bzw. der Doppelwand oder eine Doppelscheibe undicht, tritt das Fluid nach außen aus und nicht zum Gas hin.
Bei einer Leckage im Ein- und Austrittsbereich 13, 14 des zweiten Fluids, wie des Abgases oder der Ladeluft, wird auf der Seite des ersten Fluids ein Leckagekanal 10 vorgesehen.
Zur Vermeidung der Vermischung eines austretenden ersten Fluids mit dem zweiten Fluid wird der Rahmen 11, 12 an der Vorderkante, also am Eintrittsbereich 13 und auch an der Gasaustrittsseite 14 so ausgeführt, dass ein Leckagekanal 10 gebildet wird.
Dabei kann optional der Leckagekanal über ein Distanzstück mit anderen Leckagekanälen verbunden sein. Dadurch kann eine gemeinsame Abführung gebildet werden, wie vorteilhaft zentral an der Oberseite des Wärmeübertragers.
Der Leckagekanal kann durch einen doppelten Steg 11, 12 bzw. Rahmen gebildet werden, so dass zwischen den Stegen 11, 12 das erste oder das zweite Fluid abgeführt werden kann.
Alternativ kann bei einem Versagen der Grundwerkstoffe der Abdeckscheiben eine Leckage von Arbeitsmedienseite zur Ladeluft- bzw. Abgasseite, also vom ersten Fluid zum zweiten Fluid, vermieden werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Fluidkanal 2, 3, 4 aus separaten Abdeckblechen 5, 6, 7 mit dazwischen angeordneten Rahmen aufgebaut ist. Diese Kanäle 2, 3, 4 beider benachbarter Abdeckscheiben 5, 6, 7 werden nicht flächig miteinander verlötet sondern nur an einigen wenigen Punkten zur Fixierung und im Eintritts- und Austrittsbereich der Ladeluft/Abgas verlötet. Damit wird gewährleistet, dass bei einem Versagen der Abdeckscheiben 5, 6, 7 selbst, das Fluid jeweils zuerst an die Umgebung abgeleitet wird und eine Leckage detektiert werden kann, bevor es zu einer Leckage in den jeweiligen anderen Strömungskanal kommt.
Damit wird weiterhin auch erreicht, dass benachbarte Scheibenpaare in gutem thermischem Kontakt stehen, um eine ausreichende Leistung bzw. Wärmeübertragung erzielen zu können.
Alternativ kann anstelle des rein thermischen Kontaktes aufgrund der Berührung der Wände ohne Verlötung der beiden benachbarten Abdeckscheiben des jeweiligen Fluides, der thermische Kontakt durch Einlage eines profilierten Bleches 20 erreicht werden, siehe 2.
Dieses profilierte Blech 20 kann ähnlich wie eine Turbulenzeinlage oder Wellrippe mit einer sehr geringen Höhe ausgebildet werden. So kann beispielsweise eine Höhe von 0,5 mm bei einer Materialstärke von 0,1 mm erreicht werden.
Das profilierte Blech 20 kann auf der Oberseite partiell bzw. punktuell mit einem Abdeckblech des ersten Fluidkanales und/oder des zweiten Strömungskanals verbunden, wie verlötet sein.
Günstig ist die partielle oder punktuelle Verbindung des profilierten Blechs 20 sowohl mit der einen als auch mit der anderen Abdeckscheibe, zwischen welchen das profilierte Blech angeordnet ist.
So wird ein guter thermischer Kontakt sichergestellt, um eine ausreichende Leistung zu erzielen und gleichzeitig ergibt sich dadurch auch ein Leckagekanal hin zur Umgebung.
Die 3 zeigt schematisch einen Stapel 30 von Strömungskanälen, wobei eine obere Abdeckscheibe nicht dargestellt ist. Man erkennt im Endbereich 32 des ersten Strömungskanals 33 einen Leckagekanal 31, welcher sich über die Breite der Strömungskanäle entlang zieht. In der Mitte ist eine Einschnürung 34 des Leckagekanals 31 vorgesehen, welche den Kanal teilt.
Um sicherzustellen, dass es bei einer Leckage in den arbeitsmedienseitigen Sammel- oder Verteilkanälen 41 nicht zu einer Leckage in den Ladeluft bzw. Abgaskanal kommt, weisen die Verbindungselemente 42 zwischen den Strömungskanälen 40 ebenfalls Leckagekanäle 43 auf, die in die Umgebung führen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 12010031561 A1 [0010]

Claims

Wärmeübertrager mit zumindest einem ersten Strömungskanal für das Durchleiten eines ersten Mediums und mit zumindest einem zweiten Strömungskanal zum Durchleiten eines zweiten Mediums, insbesondere zum Verdampfen eines flüssigen Arbeitsmediums als erstes Medium und mit einem Fluid, wie Abgas oder Ladeluft, als zweites Medium, zur Übertragung von Wärme von dem zweiten Medium auf das erste Medium, wobei der zumindest eine erste Strömungskanal eine umlaufende erste Begrenzungswandung aufweist und der zumindest eine zweite Strömungskanal eine umlaufende zweite Begrenzungswandung aufweist, wobei die ersten und die zweiten Strömungskanäle derart benachbart zueinander angeordnet sind, dass eine Doppelwandung zwischen den strömungsführenden Kanälen durch die erste und die zweite Begrenzungswandung gebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei eine Doppelwandung bildenden Begrenzungswandungen flächig aneinander anliegen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei eine Doppelwandung bildenden Begrenzungswandungen nur punktuell oder bereichsweise aber nicht vollflächig miteinander verbunden, wie bevorzugt verlötet, sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungskanal durch zwei Scheiben gebildet ist, die jeweils zumindest einen hochstehenden Rand aufweisen und sich an den Rändern berühren und abgedichtet miteinander verbunden sind und einen Kanal zischen sich bilden.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden eine Doppelwandung bildenden Begrenzungswandungen ein profiliertes Element, wie Blech, vorgesehen ist, welches mit den beiden Begrenzungswandungen in thermischen Kontakt steht.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungskanal mittels eines Rahmens und zwei darauf angeordneten und abgedichtet verbundenen Abdeckscheiben gebildet ist.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest dem das Arbeitsmedium führenden Fluidkanal ein Leckagekanal als eine fluidleitende Verbindung zugeordnet ist, welcher zur Umgebung offen ist.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagekanal an einem Randbereich und/oder Endbereich des Strömungskanals ausgebildet ist.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leckagekanal an einem Sammelbereich einer Mehrzahl von Strömungskanälen angeordnet ist.
Wärmeübertrager nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal durch einen Einsatz oder Rahmen begrenzt ist und der Leckagekanal durch eine Aussparung in dem Einsatz oder dem Rahmen gebildet ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung eine Nut ist, welche die Höhe des Einsatzes oder des Rahmens einnimmt oder eine Höhe einnimmt, die geringer ist als die Höhe des Einsatzes oder des Rahmens.
Wärmeübertrager nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung durch zwei benachbart angeordnete Einsätze oder Rahmenelemente gebildet wird.