DE102013216408A1

DE102013216408A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102013216408A1
Application number: DE102013216408.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Geskes
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-19
Also published as: EP3039372B1; US20160208746A1; EP3039372A1; WO2015024802A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), insbesondere für einen Abgaskühler (2), mit einem im Wesentlichen fluiddichten Gehäuse (3) zum Leiten eines ersten Stoffstroms (4), insbesondere eines Kühlmittels, und mindestens einem teilweise in dem Gehäuse (3) verlaufendem wärmedurchlässigen Rohr (5) zum Leiten eines zweiten Stoffstroms (11), insbesondere eines Verbrennungsabgases. Eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ergibt sich, wenn eine Außenoberfläche des Rohrs (5) eine Erhebung (17, 18) dergestalt aufweist, dass sich der erste Stoffstrom (4) im Wesentlichen gleichmäßig innerhalb des Gehäuses (3) verteilt. Die Erfindung betrifft ferner einen Abgaskühler (2) mit einem solchen Wärmeübertrager (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner einen Abgaskühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
In modernen Verbrennungskraftmaschinen wird zunehmend ein Teil des Verbrennungsabgases im Abgaskrümmer abgezweigt, als Ballastgas mit angesaugter Frischluft vermischt und in den Brennraum zurückgeführt, um die Wärmekapazität des Brenngemisches zu erhöhen und somit die Verbrennungstemperatur abzusenken. Zur Verringerung von Stickoxid- und Partikelemissionen werden in diesem Zusammenhang sogenannte Abgaskühler eingesetzt, die thermisch in hohem Maße durch die eingeleiteten Verbrennungsabgase belastet werden. Letztere können im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Temperaturen von bis zu 700°C aufweisen.
Herkömmliche Abgaskühler genügen meist dem Wirkprinzip eines Wärmeübertragers, der die vom Verbrennungsabgas aus dem Brennraum abgeführte Wärme auf ein Kühlmittel überträgt. Da die Stoffströme als solche im Abgaskühler durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt bleiben, werden entsprechende Vorrichtungen in Fachkreisen als indirekte Wärmeübertrager, Rekuperatoren oder Wärmetauscher klassifiziert. Das Ausmaß der Wärmeübertragung, in der Automobilindustrie häufig durch den Kennwert Q100 charakterisiert, ist in diesem Fall stark von der relativen geometrischen Führung von Abgas- und Kühlmittelstrom abhängig.
DE 10 2008 045 845 A1 etwa geht aus von einem Strömungsleitelement zur Anordnung in einem Wärmetauscher zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt. Gemäß diesem Konzept weist das Strömungsleitelement eine sich in Hauptströmungslängsrichtung erstreckende flächige Grundebene auf, wobei sich über die Grundebene hinaus wenigstens teilweise seitliche Begrenzungsstrukturen zur Bildung wenigstens eines Strömungspfades erheben. Zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung weist der wenigstens eine Strömungspfad einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen und einen strömungsabwärtigen zweiten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen auf, wobei die Abstände derart unterschiedlich sind, dass ein dem Strömungspfad zugeordneter Druckverlust des Fluids von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten Stelle zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten Stelle anders als ein Druckverlust eines gedachten Strömungspfades mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen ist.
Bei einem Einsatz von Wärmeübertragern im Rahmen der Abgaskühlung bei einem Kraftfahrzeug, kann der von einer Kühlwasserpumpe geförderte Kühlmittelmassenstrom oftmals nicht ausreichen oder die Geometrie des Wärmeübertragers nicht optimal sein, so dass es aufgrund von nicht ausreichend durchströmten Gebieten zur lokalen Überhitzung des Wärmeübertragers kommen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmeübertrager bereit zu stellen, welcher – insbesondere im Rahmen der Abgaskühlung – einen über sein gesamtes Volumen möglichst gleichmäßigen Wärmeaustausch ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines entsprechenden Abgaskühlers.
Diese Aufgaben werden durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Abgaskühler mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Die Erfindung fußt demnach auf dem Grundprinzip eines Rohrwärmeübertragers (RWÜ), durch dessen sogenannten Rohrraum ein Wärmeträger gepumpt oder anderweitig gefördert wird. Die den Rohrraum bildenden Rohre verlaufen dabei in einem durch ein fluiddichtes Gehäuse begrenzten sogenannten Mantelraum, der von einem weiteren Medium durchströmt wird, und sind erfindungsgemäß mit Erhebungen an ihrer Außenoberfläche versehen, welche den die Rohre umströmenden Wärmeträger in geringem Maße aufstauen und dadurch lenken, um eine gleichmäßigere Temperaturverteilung sämtlicher Rohre zu begünstigen. Insbesondere bei der Verwendung des Wärmeübertragers in einem gattungsgemäßen Abgaskühler, bei welcher einer der Stoffströme seitlich in das Gehäuse ein- und durch dessen Formgebung in erheblichem Maße, beispielsweise rechtwinklig, umgeleitet wird, erweist sich diese Modifikation des Wärmeübertragers als vorteilhaft. Insofern reduzieren die beschriebenen Erhebungen der Rohroberflächen nämlich die Gefahr der Bildung sogenannter Toträume oder Hotspots innerhalb des Abgaskühlers, welche nur unzureichend von Kühlmittel durchströmt und somit einer besonders intensiven thermischen Belastung ausgesetzt sind. Vor allem in modernen Kraftfahrzeugen, deren Kühlmittelkreislauf zum Zwecke der Energieeinsparung oftmals mit einer nur geringen Förderleistung betrieben wird, trägt die erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmeübertragers somit dazu bei, das Risiko von Überhitzungserscheinungen wie lokalen Siedevorgängen des Kühlmittels mit der Folge nachteiliger chemischer Reaktionen beträchtlich zu verringern und auf diesem Wege die Gesamtlebensdauer des Abgaskühlers maßgeblich zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die genannten Erhebungen dabei mittels einer geeigneten Umformtechnik in einem die Außenoberfläche umfassenden Blech, beispielsweise einem Feinblech, ausgebildet. Dieser Ansatz erlaubt im Wege eines wirtschaftlichen Verfahrens die gezielte plastische Formgebung eines erfindungsgemäßen Rohres auf der Grundlage eines handelsüblichen Halbzeugs oder Walzwerkfertigprodukts, ohne dessen Masse und Zusammenhalt substanziell zu beeinträchtigen. Zugleich können die eingesetzten Rohre je nach verwendeter Stahlsorte und angestrebtem Betriebspunkt etwa verzinnt, verzinkt, verkupfert, vernickelt, lackiert, emailliert oder kunststoffbeschichtet sowie mittels bekannter Fügetechniken wie Schweißen, Löten, Nieten, Falzen, Schrauben, Kleben oder Durchsetzfügen verbunden werden.
Verfahrenstechnisch empfiehlt sich hierzu insbesondere ein etabliertes Druckumformverfahren, insbesondere das Einprägen der Erhebung in einen ebenen Bereich der Außenoberfläche. Geeignetes Umformwerkzeug wie Prägemaschinen oder Pressen ist dem Fachmann vertraut und unter fertigungspraktischen Aspekten bewährt.
Hinsichtlich der Gestalt der Erhebungen bietet sich dabei eine Vielfalt möglicher Varianten, die von einer einfachen Noppe auf der Außenoberfläche bis zur Prägung der Erhebung durch eine Sicke der gegenüber liegenden Innenoberfläche des Blechs reichen. Die letztere Option eröffnet dem Fachmann angesichts der Verfügbarkeit verschiedenster Sickenrollen eine breite Auswahl unterschiedlicher Formgebungsalternativen und Anstellwinkel. Bei fachgerechter Auslegung trägt die Ausführung der Erhebungen als Sicken zusätzlich nicht nur zum Abbau etwaiger durch den Prägeprozess bedingter Spannungsspitzen im Blech der Rohre, sondern in vorteilhafter Weise auch zur Versteifung des gesamten Wärmeübertragers bei.
Um die Außenoberfläche zusätzlich zu vergrößern und den Wärmeaustausch dadurch weiter zu begünstigen, sind die Rohre vorzugsweise mit Winglets versehen, welche die Turbulenz des Stoffstroms maßgeblich erhöhen können. Eine vergleichbare Maximierung der Kontaktfläche lässt sich mittels analog im Blech ausgeformter Rippen, beispielsweise Kühlrippen, erzielen, welche um den Preis einer geringfügigen Gewichtserhöhung zugleich die mechanische Festigkeit des Wärmeübertragers erhöhen und durch die Unterdrückung von Oberflächenschwingungen die Schallabstrahlung eines entsprechenden Abgaskühlers mindern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Rohre stoffschlüssig mit einem Boden des Gehäuses verbunden sein, sodass die resultierenden atomaren oder molekularen Kräfte den strukturellen Zusammenhalt des Wärmeübertragers unterstützen. Neben der Anwendung einer der zahlreichen bekannten Schweißtechniken ist ein solcher Stoffschluss auch im Wege des Lötens zu erreichen, ohne die Liquidustemperatur von Rohr oder Boden – unter Inkaufnahme der bekannten nachteiligen Folgen für die jeweiligen Grundwerkstoffe – überschreiten zu müssen.
Schließlich kann es sich im Rahmen der Abgaskühlung als pragmatisch erweisen, den erfindungsgemäßen Rohrwärmeübertrager mit einem rechtwinklig zum Stutzen orientierten Diffusor zum Einleiten der zu kühlenden Verbrennungsabgase auszustatten. Auf diese Weise wird nicht nur der Gasdruck in der Abgasleitung auf ein gewünschtes Druckniveau eingestellt, sondern ferner – in Umkehr des Arbeitsprinzips einer Düse – der durch die Leitung zugeführte Stoffstrom beim Eintreten in den Wärmeübertrager verlangsamt und dessen Durchflussquerschnitt für das Abgas insgesamt erhöht, was sich positiv auf die Übertragungsleistung auswirkt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 eine bereichsweise perspektivische Ansicht des Rohres eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine bereichsweise perspektivische Ansicht des Rohres eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 einen Querschnitt des entsprechenden Rohres einer dritten Ausführungsform,
4 einen Querschnitt des entsprechenden Rohres einer vierten Ausführungsform,
5 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einer fünften Ausführungsform und
6 den bereichsweisen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers.
1 illustriert die spezifische Beschaffenheit eines Rohres 5 eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers. Als Rohr ist im vorliegenden Zusammenhang dabei jedweder im Wesentlichen fluiddichte Hohlkörper zu verstehen, dessen Länge wesentlich größer als sein Durchmesser und der – beispielsweise im Gegensatz zu einem Schlauch – aus einem vergleichsweise unflexiblen Werkstoff gefertigt ist.
Das Rohr 5 der 1 weist konkret einen rechteckigen Querschnitt und somit insgesamt eine annähernd quaderförmige Gestalt auf. Eine derartige Bauform wird mitunter als Rechtkant bezeichnet und vorliegend durch zwei schmale Außenoberflächen 12, 13 sowie zwei breite Außenoberflächen 14, 15 aus Blech gebildet, welche die seitlichen Wände des Rohres 5 konstituieren. Die schmalen Außenoberflächen 12, 13 sind dabei jeweils mit einer orthogonal zu ihrer Längsachse verlaufenden konvexen Auswölbung in Gestalt einer kurzen Quersicke 17 der entsprechenden Gegenoberfläche versehen, während die breiten Außenoberflächen 14, 15 in analoger Weise durch lange Quersicken 18 geprägt sind. Technische Beschränkungen des im Rahmen der Fertigung angewandten Umformverfahrens bedingen es dabei, dass zumindest die aus der Perspektive der 1 erkennbaren Sicken 17, 18 sich nicht über die vollständige Breite der jeweiligen Außenoberflächen 13, 15 erstrecken, sondern kurz vor den beidseitigen Kanten enden.
Die alternative Ausführungsform der 2 indes ist durch eine Erhebung gekennzeichnet, die nicht wie die Sicken 17, 18 rinnenförmig, sondern höckerartig in Form einer nahezu kreisrunden Noppe 16 ausgebildet ist. Zusätzlich besitzt das entsprechende Rohr 6 der 2 sternförmig von der Noppe 16 fortweisende sogenannte Winglets 19, welche die breiten Außenoberflächen des Rohres 6 vergrößern und Verwirbelungen des darin geführten Stoffstroms tendenziell begünstigen.
Auch das im Querschnitt dargestellte Rohr 8 gemäß 4 ist zusätzlich zu den Sicken 17, 18 mit weiteren geometrischen Optimierungen in Form von Rippen 20 versehen.
Der umfassendere Querschnitt eines im Rahmen eines Abgaskühlers 2 eingesetzten Wärmeübertragers 1 gemäß 5 lässt nunmehr eine Vielzahl in zwei Schichten im Wesentlichen achsenparallel verlaufender Rohre 7, 9, 10 einer Höhe von 4 bis 5 mm erkennen, die durch ihre relative Anordnung paarweise einen Zwischenraum von 2 mm für einen ersten Stoffstrom 4 entlang ihrer Außenoberflächen bieten. Charakteristisch für diese exemplarische Ausführungsform ist die spezifische Abfolge der unterschiedlich konfigurierten Rohre 7, 9, 10 in Richtung des ersten Stoffstroms 4, welche sich durch eine abnehmende Anzahl von Sicken 17, 18 der aufeinander folgenden Rohre 7, 9, 10 auszeichnet. So verfügen die – der Ausführungsform gemäß 3 entsprechenden – Rohre 7 neben herkömmlichen Winglets 19 über erfindungsgemäß eingeprägte kurze Quersicken 17 an ihren schmalen Außenoberflächen sowie lange Quersicken 18 an ihren breiten Außenoberflächen, die jeweils eine Höhe von etwa 1 mm aufweisen. Die stromabwärts folgenden Rohre 9 indes verzichten auf die seitlich ausgeformten kurzen Quersicken 17 der Rohre 7. Die vom Stoffstrom 4 zuletzt passierten Rohre 10 schließlich weisen lediglich kurze Quersicken 17 an ihren schmalen Außenoberflächen auf, während die breiten Außenoberflächen ausschließlich durch Winglets 19 vergrößert sind.
Der Längsschnitt der 6 verdeutlicht den Nutzen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 im Rahmen eines Abgaskühlers 2, welcher über einen seitlichen Stutzen 22 mit einem Kühlmittelkreislauf und über einen stirnseitig angeordneten Diffusor 23 mit einer Abgasleitung in Fluidverbindung steht. Der durch das Verbrennungsabgas eines – in 6 nicht gezeigten – Verbrennungsmotors gebildete zweite Stoffstrom 11 tritt dabei im Wesentlichen über die gesamte Breite des Gehäuses 3 in die in dessen Boden eingefügten Rohre 5 ein, welche der Ausführungsform der 1 entsprechen. Die seitliche Anbringung des Stutzens 22 bedingt einen im Vergleich nahezu orthogonalen Eintritt des durch ein geeignetes Kühlmittel gebildeten ersten Stoffstroms 4 in den durch das Gehäuse 3 begrenzten Mantelraum des Wärmeübertragers 1, der jedoch durch die stromabwärts des Stutzens 22 in den Rohren 5 ausgeformten kurzen und langen Quersicken 17, 18 nicht unerheblich verzögert wird. Der resultierende geringfügige Rückstau des Kühlmittels innerhalb des Eingangsbereichs des Gehäuses 3 gewährleistet einen über dessen gesamte Breite weitgehend homogenen Volumenstrom entlang der Außenoberflächen der Rohre 5, sodass eine Überhitzung insbesondere in dem Stutzen 22 abgewandten Bereichen, insbesondere in einem dort bei herkömmlichen Wärmetauschern vorkommenden Totraum, des Gehäuses 3 vermieden werden kann. Die wechselseitig einander berührenden Sicken 17, 18 benachbarter Rohre 5 können ihrerseits dauerhaft verbunden sein, um die Steifigkeit des Abgaskühlers 2 zu erhöhen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung mögen die Rohre 5–10 entlang ihrer Längsachse mehrere Erhebungen 16, 17, 18 in spezifischen Abständen oder charakteristische Kombinationen von quer und längs verlaufenden Erhebungen 16, 17, 18 aufweisen. Dabei können die Erhebungen 16, 17, 18 auch nur an jeweils einer Seite jedes Rohres 5–10 vorgesehen sein, dafür aber eine gegenüber der beidseitigen Konfiguration verdoppelte Höhe besitzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008045845 A1 [0004]

Claims

Wärmeübertrager (1), insbesondere für einen Abgaskühler (2), mit – einem im Wesentlichen fluiddichten Gehäuse (3) zum Leiten eines ersten Stoffstroms (4), insbesondere eines Kühlmittels, und – mindestens einem teilweise in dem Gehäuse (3) verlaufenden wärmedurchlässigen Rohr (5–10) zum Leiten eines zweiten Stoffstroms (11), insbesondere eines Verbrennungsabgases, dadurch gekennzeichnet, dass eine Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) des Rohrs (5–10) eine Erhebung (16, 17, 18) dergestalt aufweist, dass der erste Stoffstrom (4) im Wesentlichen gleichmäßig durch das Gehäuse (3) strömt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (5–10) ein Blech umfasst, welches die Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) aufweist, und die Erhebung (16, 17, 18) in dem Blech geformt, insbesondere geprägt ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (16, 17, 18) eine Noppe (16) ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech eine der Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) gegenüber liegende Innenoberfläche mit einer Sicke (17, 18) aufweist, sodass die Sicke (17, 18) der Innenoberfläche die Erhebung (16, 17, 18) der Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) prägt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke (17, 18) quer oder längs zu dem ersten Stoffstrom (4) verläuft.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche ferner mindestens ein Winglet (19) und/oder mindestens eine Rippe (20) aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (5–10) ein rechteckiges Rohr (5) mit zwei schmalen Außenoberflächen (12, 13) und zwei breiten Außenoberflächen (14, 15) ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) einen Boden (21) aufweist, mit welchem das Rohr (5–10) vorzugsweise stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebung (16, 17, 18) eine Höhe zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise von weniger als 1,5 mm aufweist.
Abgaskühler (2) mit – einem mit einer Kühlmittelleitung verbundenen Stutzen (22) zum Einleiten eines ersten Stoffstroms (4) eines Kühlmittels in den Abgaskühler (2) und – einem mit einer Abgasleitung verbundenen Diffusor (23) zum Einleiten eines zweiten Stoffstroms (11) eines Verbrennungsabgases in den Abgaskühler (2), – wobei der Stutzen (22) und der Diffusor (23) so zueinander angeordnet sind, dass der erste Stoffstrom (4) im Wesentlichen rechtwinklig zu dem zweiten Stoffstrom (11) eingeleitet wird, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Übertragen von Wärme von dem zweiten Stoffstrom (11) auf den ersten Stoffstrom (4).