DE102013226153A1 - Pipe heat exchanger and arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Rohrwärmeübertrager (1) mit einem Rohrelement (3), das eine äußere Umfangswandung (5) aufweist, wobei radial innerhalb der äußeren Umfangswandung (5) wenigstens zwei durch einen sich in radialer Richtung erstreckenden Steg (9) voneinander getrennte Kammern (7) vorgesehen sind. Dabei ist vorgesehen, dass der Steg (9) sich – in radialer Richtung gesehen – entlang einer Kurve erstreckt, deren Verlauf von dem Verlauf einer Geraden abweicht.The invention relates to a tubular heat exchanger (1) having a tubular element (3) which has an outer circumferential wall (5), wherein at least two chambers separated by a radially extending web (9) radially inside the outer circumferential wall (5) ( 7) are provided. It is provided that the web (9) extends - as seen in the radial direction - along a curve whose course deviates from the course of a straight line.
Description
Die Erfindung betrifft einen Rohrwärmeübertrager gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung mit einer Abgas emittierenden Brennkraftmaschine und einem Rohrwärmeübertrager gemäß Anspruch 9. The invention relates to a tube heat exchanger according to the preamble of claim 1 and an arrangement with an exhaust gas emitting internal combustion engine and a tube heat exchanger according to claim 9.
Stand der Technik State of the art
Rohrwärmeübertrager der hier angesprochenen Art und entsprechende Anordnungen sind bekannt. Ein solcher Rohrwärmeübertrager weist ein Rohrelement auf, das eine äußere Umfangswandung aufweist. Radial innerhalb der äußeren Umfangswandung sind wenigstens zwei durch einen Steg voneinander getrennte Kammern vorgesehen, wobei sich der Steg in radialer Richtung erstreckt. Typischerweise ist vorgesehen, dass ein erstes Medium außerhalb der äußeren Umfangswandung angeordnet ist, insbesondere die äußere Umfangswandung umströmt, und dass ein zweites Medium in den wenigstens zwei Kammern angeordnet ist, insbesondere in den wenigstens zwei Kammern strömt. Dabei wird Wärme durch die äußere Umfangswandung von dem ersten Medium auf das zweite Medium oder umgekehrt übertragen. Durch die verschiedenen an dem Bauteil wirkenden Temperaturen und gegebenenfalls durch Temperaturänderungen in den Medien entstehen Spannungen in dem Rohrwärmeübertrager, die insbesondere im Bereich des Steges kritisch sind, wo das Rohrelement am schwächsten ausgelegt ist. Schlimmstenfalls kann der Steg brechen. Pipe heat exchangers of the type discussed here and corresponding arrangements are known. Such a tube heat exchanger has a tube element which has an outer circumferential wall. Radially within the outer circumferential wall at least two chambers are provided which are separated from one another by a web, wherein the web extends in the radial direction. Typically, it is provided that a first medium is arranged outside the outer peripheral wall, in particular flows around the outer circumferential wall, and that a second medium is arranged in the at least two chambers, in particular flows into the at least two chambers. In this case, heat is transferred through the outer circumferential wall from the first medium to the second medium or vice versa. As a result of the various temperatures acting on the component and, if appropriate, due to temperature changes in the media, stresses develop in the tube heat exchanger, which are critical especially in the region of the web where the tube element is designed to be weakest. In the worst case, the bridge can break.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rohrwärmeübertrager sowie eine Anordnung zu schaffen, bei welchen die genannten Nachteile nicht auftreten. The invention is therefore based on the object to provide a tube heat exchanger and an arrangement in which the disadvantages mentioned do not occur.
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Rohrwärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass der Steg sich – in radialer Richtung gesehen – entlang einer Kurve erstreckt, deren Verlauf von dem Verlauf einer Geraden abweicht. Während sich bei den bekannten Rohrwärmeübertragern der Steg entlang einer Geraden erstreckt, sodass auf diesen in radialer Richtung wirkende Kräfte leicht zu einem Brechen des Steges führen können, verleiht der sich entlang einer vom Verlauf einer Geraden abweichenden Kurve erstreckende Steg dem Rohrelement eine erhöhte Elastizität, wobei insbesondere ein zerstörungsfreies, seitliches Ausknicken des Stegs möglich ist. Der Rohrwärmeübertrager ist damit insgesamt stabiler und langlebiger ausgebildet, wobei er auch bei thermischen Spannungen und/oder raschen Temperaturwechseln nicht zerstört wird. The object is achieved by providing a tube heat exchanger having the features of claim 1. This is characterized by the fact that the web extends - as seen in the radial direction - along a curve whose course deviates from the course of a straight line. While extending in the known tubular heat exchangers of the web along a straight line, so that these forces acting in the radial direction can easily lead to breakage of the web, which gives along a deviating from the course of a straight curve curve lends the pipe element increased elasticity, wherein In particular, a non-destructive, lateral buckling of the web is possible. The tube heat exchanger is thus designed to be more stable and durable, whereby it is not destroyed even at thermal stresses and / or rapid temperature changes.
Der Rohrwärmeübertrager und insbesondere das Rohrelement ist/sind vorzugsweise als Extrusionsprofil ausgebildet. Der Rohrwärmeübertrager und insbesondere das Rohrelement weist/weisen also einen Querschnitt auf, der sich entlang einer Längsrichtung gesehen fortsetzt, wobei die Längsrichtung schräg zu der Querschnittsfläche verläuft, insbesondere senkrecht auf dieser steht. Eine radiale Richtung ist dabei eine Richtung, die in der Querschnittsebene liegt und vorzugsweise senkrecht auf der Längsrichtung steht. Der Steg erstreckt sich also in der Querschnittsebene von radial innen nach radial außen, wobei er sich im Sinne des Extrusionsprofils in Längsrichtung fortsetzt. In der Querschnittsansicht ergibt sich die Form des Stegs, die eine Kurve beschreibt, deren Verlauf von dem Verlauf einer Geraden abweicht. The tube heat exchanger and in particular the tube element is / are preferably formed as an extrusion profile. The tube heat exchanger and in particular the tube element therefore has / have a cross-section which continues as seen along a longitudinal direction, wherein the longitudinal direction runs obliquely to the cross-sectional area, in particular is perpendicular thereto. A radial direction is a direction which lies in the cross-sectional plane and is preferably perpendicular to the longitudinal direction. The web thus extends in the cross-sectional plane from radially inward to radially outward, wherein it continues in the direction of the extrusion profile in the longitudinal direction. In the cross-sectional view results in the shape of the web, which describes a curve whose course deviates from the course of a straight line.
Es ist möglich, dass ein äußerer Querschnitt des Rohrwärmeübertragers und insbesondere des Rohrelements rund ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, dass der Rohrwärmeübertrager und insbesondere das Rohrelement als Kreiszylinder ausgebildet ist/sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass ein polygonaler, insbesondere ein sechseckiger Querschnitt vorgesehen ist. It is possible that an outer cross-section of the tube heat exchanger and in particular of the tubular element is round. In particular, it is possible that the tube heat exchanger and in particular the tube element is designed as a circular cylinder / are. Alternatively, it is also possible that a polygonal, in particular a hexagonal cross-section is provided.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers weist das Rohrelement eine Mehrzahl von Kammern auf, die durch eine Mehrzahl von Stegen voneinander getrennt sind. Dabei erstrecken sich bevorzugt alle Stege – in radialer Richtung gesehen – entlang von Kurven, deren Verlauf von dem Verlauf einer Geraden abweicht. Besonders bevorzugt sind die Kurven aller Stege identisch ausgebildet. In a preferred embodiment of the tube heat exchanger, the tube element has a plurality of chambers which are separated by a plurality of webs. In this case, preferably all webs extend - as seen in the radial direction - along curves whose course deviates from the course of a straight line. Particularly preferably, the curves of all webs are identical.
Es wird auch ein Rohrwärmeübertrager bevorzugt, der sich dadurch auszeichnet, dass sich der Steg entlang einer gekrümmten Kurve erstreckt. Alternativ ist es möglich, dass der Steg sich entlang einer Kurve erstreckt, die eine Mehrzahl von geraden Abschnitten aufweist, die wenigstens einen Winkel miteinander einschließen. Auch eine solche Ausbildung des Stegs kann die beschriebene Elastizität sicherstellen und ein zerstörungsfreies seitliches Ausknicken des Stegs ermöglichen. Eine gekrümmte Kurve für den Steg hat aber den Vorteil einer erhöhten Stabilität bei zugleich verbesserter Elastizität. It is also preferred a tube heat exchanger, which is characterized in that the web extends along a curved curve. Alternatively, it is possible for the ridge to extend along a curve having a plurality of straight sections that enclose at least one angle with each other. Such a design of the web can ensure the described elasticity and allow a non-destructive lateral buckling of the web. However, a curved curve for the web has the advantage of increased stability and at the same time improved elasticity.
Besonders bevorzugt erstreckt sich der Steg entlang einer Kurve, die einen konstanten Krümmungsradius aufweist. In diesem Fall ändert sich die Krümmung der Kurve nicht entlang von deren Verlauf. Eine solche Bogenform ist besonders stabil und elastisch. Sie ermöglicht in besonders günstiger Weise das seitliche Ausknicken des Steges, ohne dass das Rohrelement und damit der Rohrwärmeübertrager beschädigt wird. Particularly preferably, the web extends along a curve having a constant radius of curvature. In this case, the curvature of the curve does not change along its course. Such a bow shape is particularly stable and elastic. It allows in a particularly favorable manner, the lateral buckling of the web without the pipe element and thus the tube heat exchanger is damaged.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Rohrelement eine innere Umfangswandung aufweist, welche die wenigstens zwei Kammern von einer Zentralkammer trennt. Dabei erstreckt sich der wenigstens eine Steg von der inneren Umfangswandung zu der äußeren Umfangswandung. Die Zentralkammer ist quasi um die Längsachse des Rohrelements herum vorgesehen und erstreckt sich in Längsrichtung. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers ist die Zentralkammer vorgesehen, um ein drittes Medium zu führen, welches insbesondere der Rückkühlung des in den Kammern angeordneten zweiten Mediums dient. Es ist somit insbesondere möglich, das zweite Medium in den Kammern in einer ersten Arbeitsphase des Rohrwärmeübertragers durch das außerhalb der äußeren Umfangswandung angeordnete, erste Medium auf eine erste, vorzugsweise höhere Temperatur zu bringen, vorzugsweise zu erwärmen, und es in einer zweiten Arbeitsphase durch das dritte Medium auf eine zweite, vorzugsweise niedrigere Temperatur zu bringen, insbesondere zu kühlen. Auf diese Weise ist der Rohrwärmeübertrager wechselnden Temperaturen ausgesetzt, wobei sich die erhöhte Stabilität und Elastizität des Rohrelements günstig auf die Lebensdauer des Rohrwärmeübertragers auswirkt. An embodiment of the tube heat exchanger is also preferred, which is characterized in that the tube element has an inner peripheral wall which separates the at least two chambers from a central chamber. In this case, the at least one web extends from the inner circumferential wall to the outer circumferential wall. The central chamber is provided, as it were, about the longitudinal axis of the tubular element and extends in the longitudinal direction. In a preferred embodiment of the tube heat exchanger, the central chamber is provided to guide a third medium, which serves in particular the re-cooling of the second medium arranged in the chambers. It is thus possible in particular to bring the second medium in the chambers in a first working phase of the tube heat exchanger through the arranged outside the outer circumferential wall, the first medium to a first, preferably higher temperature, preferably to heat, and in a second phase of work through the bring third medium to a second, preferably lower temperature, in particular to cool. In this way, the tube heat exchanger is exposed to changing temperatures, with the increased stability and elasticity of the tubular element has a favorable effect on the life of the Rohrwärmeübertragers.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Rohrwärmeübertrager ein das Rohrelement umgreifendes Hüllelement aufweist. Das Rohrelement weist ein erstes Material mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizient auf, wobei das Hüllelement ein zweites Material mit einem zweiten Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist. Dabei ist das erste Material von dem zweiten Material verschieden. Durch die Anordnung des Hüllelements um das Rohrelement herum bilden sich in besonderer Weise Spannungen in dem Rohrwärmeübertrager aus, die durch den elastisch ausgestalteten Steg aufgenommen werden. An embodiment of the tube heat exchanger is also preferred, which is characterized in that the tube heat exchanger has a casing element encompassing the tube element. The tubular element has a first material with a first coefficient of thermal expansion, wherein the envelope element has a second material with a second thermal expansion coefficient. In this case, the first material is different from the second material. Due to the arrangement of the enveloping element around the tubular element, stresses in the tubular heat exchanger are formed in a special way, which are absorbed by the elastically configured web.
Vorzugsweise ist der erste Wärmeausdehnungskoeffizient größer als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient. Wird also der Rohrwärmeübertrager insbesondere durch das erste Medium erhitzt, dehnt sich das Rohrelement in dem Hüllelement stärker aus als das Hüllelement. Dies kann zu einer Schädigung des gesamten Rohrwärmeübertragers führen, weil es zu Spannungsüberhöhungen kommen kann, wobei die Anordnung aus dem Rohrelement in dem Hüllelement platzen oder zumindest Risse bekommen kann. Der elastisch ausgestaltete Steg reduziert dieses Risiko und schützt so den gesamten Wärmeübertrager vor Spannungsschäden. Insbesondere dehnt sich das Rohrelement dadurch, dass der Steg seitlich ausknicken kann, in dem Hüllelement in geringerem Maße aus, sodass eine Bauteilüberlastung sicher vermieden wird. Preferably, the first thermal expansion coefficient is greater than the second thermal expansion coefficient. Thus, if the tube heat exchanger is heated in particular by the first medium, the tube element in the envelope element expands more strongly than the envelope element. This can lead to damage to the entire tube heat exchanger, because it can lead to voltage increases, the arrangement of the tubular element in the sheath element burst or at least can get cracks. The elastically designed web reduces this risk and thus protects the entire heat exchanger against stress damage. In particular, as a result of the fact that the web can buckle laterally, the tubular element expands to a lesser extent in the enveloping element, so that component overload is reliably avoided.
Es wird ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, bei welchem das Rohrelement Aluminium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, wobei es vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Hierdurch ist das Rohrelement zum einen sehr leicht ausgebildet, sodass es gerade bei einer Verwendung im Kraftfahrzeugbereich dem Leichtbaugedanken Rechnung trägt. Zum anderen ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als Material besonders geeignet zum Aufbringen einer Beschichtung, die insbesondere bei der Verwendung des Rohrwärmeübertragers in einer Adsorptionskältemaschine in den Kammern des Rohrelements vorgesehen sein kann. An embodiment of the tube heat exchanger is preferred in which the tube element comprises aluminum or an aluminum alloy, wherein it preferably consists of aluminum or an aluminum alloy. As a result, the tubular element is designed to be very light, so that it contributes to lightweight construction, especially when used in the automotive sector. On the other hand, aluminum or an aluminum alloy as a material is particularly suitable for applying a coating, which can be provided in particular in the use of the tube heat exchanger in an adsorption in the chambers of the tubular element.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Hüllelement Stahl, vorzugsweise Edelstahl aufweist, wobei es bevorzugt aus Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl, besteht. In diesem Fall ist das Hüllelement sehr gut geeignet, auch größeren Temperaturen standzuhalten, was beispielsweise für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung nicht im gleichen Maße der Fall ist. An embodiment of the tubular heat exchanger is also preferred, which is characterized in that the enveloping element comprises steel, preferably stainless steel, wherein it preferably consists of steel, preferably of stainless steel. In this case, the enveloping element is very well suited to withstand even higher temperatures, which is not the case for aluminum or an aluminum alloy, for example.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers, bei dem das Rohrelement Alumium oder eine Aluminiumlegierung aufweist, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, wobei zugleich das Hüllelement Stahl, vorzugsweise Edelstahl, aufweist oder aus Stahl, vorzugsweise aus Edelstahl besteht. Diese Materialkombination ist besonders geeignet für den Fall, dass der Rohrwärmeübertrager durch das erste Medium außen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während er zugleich im Bereich der Kammern beschichtet sein soll. Dies ist insbesondere bei einer Verwendung des Rohrwärmeübertragers in einer Adsorptionskältemaschine der Fall. Dabei zeigt sich, dass Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ein besonders geeignetes Material für die in den Kammern vorzusehende Beschichtung ist, während das Hüllelement aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, hervorragend geeignet ist, auch hohen Temperaturen, beispielsweise den Abgastemperaturen einer Brennkraftmaschine, zerstörungsfrei standzuhalten. Aufgrund dieser Kombination für den Einsatz des Rohrwärmeübertragers günstiger Eigenschaften wird eine entsprechende Mischbauweise des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, wobei quasi eine funktionale Trennung des Hüllelements von dem Rohrelement insbesondere durch die Auswahl der verschiedenen Materialien verwirklicht wird. Particularly preferred is an embodiment of the Rohrwärmeübertragers in which the tubular element comprises aluminum or an aluminum alloy, preferably made of aluminum or an aluminum alloy, wherein at the same time the sheath element steel, preferably stainless steel, or consists of steel, preferably made of stainless steel. This material combination is particularly suitable for the case that the tube heat exchanger is exposed by the first medium outside high temperatures, while he should be coated in the same time in the area of the chambers. This is the case in particular when the tube heat exchanger is used in an adsorption chiller. It turns out that aluminum or an aluminum alloy is a particularly suitable material for the coating to be provided in the chambers, while the cladding made of steel, in particular stainless steel, is excellently suited to withstand high temperatures, such as the exhaust gas temperatures of an internal combustion engine, non-destructive. Due to this combination for the use of the tubular heat exchanger favorable properties, a corresponding mixing construction of the tube heat exchanger is preferred, with a quasi-functional separation of the Hüllelements is realized by the pipe element in particular by the selection of different materials.
Dabei zeigt sich, dass Aluminium oder auch eine Aluminiumlegierung einen höheren Wärmeausnehmungskoeffizient aufweist als Stahl oder Edelstahl. Daher besteht gerade bei einer solchen Kombination die Gefahr, dass sich das Rohrelement aus Aluminium durch Erwärmen stärker ausdehnt als das Hüllelement, welches als Stahlrohr oder Edelstahlrohr ausgebildet ist. Dadurch, dass der wenigstens eine Steg seitlich ausknicken kann, dehnt sich jedoch das Rohrelement aus Aluminium – in radialer Richtung gesehen – geringer aus, sodass insgesamt eine Bauteilüberlastung vermieden wird. It turns out that aluminum or an aluminum alloy has a higher coefficient of heat recovery than steel or aluminum Stainless steel. Therefore, especially in such a combination there is a risk that the tubular element made of aluminum expands more strongly by heating than the enveloping element, which is designed as a steel pipe or stainless steel pipe. Due to the fact that the at least one web can buckle laterally, however, the tubular element made of aluminum-seen in the radial direction-expands to a lesser extent, so that overall a component overload is avoided.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass ein – in radialer Richtung gemessener – Spalt zwischen einer inneren Umfangsfläche des Hüllelements und einer äußeren Umfangsfläche der äußeren Umfangswandung des Rohrelements so klein wie technisch möglich ausgebildet ist. Das Hüllelement ist bevorzugt als Rohr ausgebildet, in dem das ebenfalls rohrförmig ausgebildete Rohrelement angeordnet ist. Dabei ist es möglich, dass ein radialer Spalt zwischen der inneren Umfangsfläche des Hüllelements und der äußeren Umfangsfläche des Rohrelements verbleibt. Dies ist günstig in Hinblick auf die verschiedenen Ausdehnungseigenschaften der beiden Teile, allerdings ungünstig in Hinblick auf eine möglichst effiziente Wärmeübertragung von dem außerhalb des Hüllelements angeordneten, ersten Medium auf das in den Kammern angeordnete zweite Medium. Für eine möglichst effiziente Arbeitsweise des Rohrwärmeübertragers, mithin eine möglichst gute Wärmeübertragung, ist es von Bedeutung, dass der radiale Spalt zwischen den beiden Elementen so klein wie technisch möglich ausgebildet wird. Besonders bevorzugt verschwindet dieser radiale Spalt überall entlang des gesamten Rohrwärmeübertragers. An exemplary embodiment of the tube heat exchanger is also preferred, which is characterized in that a gap measured in the radial direction between an inner peripheral surface of the envelope element and an outer circumferential surface of the outer circumferential wall of the tubular element is made as small as technically possible. The enveloping element is preferably designed as a tube, in which the likewise tubular tube element is arranged. In this case, it is possible for a radial gap to remain between the inner circumferential surface of the enveloping element and the outer circumferential surface of the tubular element. This is favorable in view of the different expansion properties of the two parts, but unfavorable in terms of the most efficient heat transfer from the outside of the Hüllelements arranged first medium to the arranged in the chambers second medium. For the most efficient possible operation of the tube heat exchanger, thus the best possible heat transfer, it is important that the radial gap between the two elements is formed as small as technically possible. Particularly preferably, this radial gap disappears everywhere along the entire tube heat exchanger.
In diesem Zusammenhang wird ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem die äußere Umfangsfläche der äußeren Umfangswandung des Rohrelements an der inneren Umfangsfläche des Hüllelements vollflächig anliegt. Der radiale Spalt ist überall geschlossen, und die Flächen liegen unmittelbar aneinander. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Wärmeübertragung zunächst von dem ersten Medium auf das Hüllelement und dann von dem Hüllelement auf das Rohrelement möglich, sodass die Wärme des ersten Mediums schnell und verlustfrei auf das in den Kammern angeordnete, zweite Medium übertragen werden kann. Bei verschwindendem radialen Spalt besteht aber wieder das Problem, dass sich das Hüllelement insbesondere weniger ausdehnt als das Rohrelement, sodass es zu Spannungsüberhöhungen kommen kann, die zu einer Bauteilbeschädigung des Rohrwärmeübertragers führen. Dies wird jedoch wiederum dadurch vermieden, dass der Steg aufgrund seiner speziellen Form elastisch ausgebildet ist und seitlich ausknicken kann, sodass sich das Rohrelement weniger ausdehnt, als dies bei einem entlang einer Geraden verlaufenden Steg der Fall wäre, der bei Spannungsüberhöhung im Übrigen einem hohen Risiko zu brechen ausgesetzt wäre. In this connection, an embodiment is preferred in which the outer circumferential surface of the outer circumferential wall of the tubular element rests on the inner circumferential surface of the enveloping element over the entire surface. The radial gap is closed everywhere, and the surfaces are directly adjacent to each other. In this way, a particularly efficient heat transfer is first possible from the first medium to the enveloping element and then from the enveloping element to the tubular element, so that the heat of the first medium can be transferred quickly and without loss to the second medium arranged in the chambers. With vanishing radial gap, however, there is again the problem that the enveloping element expands in particular less than the tubular element, so that there may be excessively high voltages which lead to a component damage of the tubular heat exchanger. However, this is in turn avoided by the fact that the web is elastic due to its special shape and can buckle sideways, so that the tubular element expands less than would be the case with a running along a straight web, the case of excess voltage, moreover, a high risk would be exposed to break.
Daher ermöglicht insbesondere die hier vorgeschlagene Form des Steges eine Minimierung des radialen Spalts zwischen dem Rohrelement und dem Hüllelement und damit eine Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften des Rohrwärmeübertragers. Therefore, in particular, the shape of the web proposed here enables a minimization of the radial gap between the tubular element and the enveloping element and thus an improvement in the heat transfer properties of the tubular heat exchanger.
Bevorzugt wird auch eine Adsorptionskältemaschine, die einen Rohrwärmeübertrager nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei handelt es sich bei einer Adsorptionskältemaschine um eine Sorptions-Kältemaschine, die mit einem festen Sorptionsmittel arbeitet. Sie weist eine Adsorber/Desorber-Einrichtung sowie eine Verdampfer/Kondensator-Einrichtung auf, die entweder in einem gemeinsamen Behälter angeordnet oder durch ein Rohr miteinander verbunden sind. In einer Adsorptionsphase der Adsorptionskältemaschine wird ein in der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung vorliegendes, flüssiges Kältemittel dort verdampft und von der Adsorber/Desorber-Einrichtung, die eine sehr große Oberfläche aufweist, adsorbiert. Dabei arbeitet die Verdampfer/Kondensator-Einrichtung als Verdampfer, wobei sie aus der Umgebung Verdampfungswärme entnimmt und hierdurch Kälteleistung zur Verfügung stellt. Die Adsorber/Desorber-Einrichtung arbeitet zugleich als Adsorber, wobei hier Adsorptionswärme frei wird, die vorzugsweise abgeführt wird. Also preferred is an adsorption refrigeration machine having a tube heat exchanger according to one of the embodiments described above. An adsorption chiller is a sorption chiller that works with a solid sorbent. It has an adsorber / desorber device and an evaporator / condenser device, which are either arranged in a common container or connected to each other by a pipe. In an adsorption phase of the adsorption chiller, a liquid refrigerant present in the evaporator / condenser device is vaporized there and adsorbed by the adsorber / desorber device, which has a very large surface area. In this case, the evaporator / condenser device operates as an evaporator, wherein it extracts heat of evaporation from the environment and thereby provides cooling capacity available. The adsorber / desorber device also works as an adsorber, in which case adsorption heat is released, which is preferably removed.
In einer Desorptionsphase der Absorptionskältemaschine wird der Adsorber/Desorber-Einrichtung, die dann als Desorber wirkt, Wärme zugeführt, um das Kältemittel aus der Einrichtung auszutreiben und zu verdampfen. In der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung, die nun als Kondensator wirkt, wird das Kältemittel verflüssigt, wobei hier die frei werdende Kondensationswärme abgeführt wird. In a desorption phase of the absorption chiller, the adsorber / desorber device, which then acts as a desorber, is supplied with heat to drive the refrigerant out of the device and evaporate. In the evaporator / condenser device, which now acts as a condenser, the refrigerant is liquefied, in which case the released heat of condensation is dissipated.
In diesem Zusammenhang wird ein Ausführungsbeispiel der Adsorptionskältemaschine und auch ein Ausführungsbeispiel des Rohrwärmeübertragers bevorzugt, bei welchem die wenigstens zwei Kammern mit einem Adsorber/Desorber-Material beschichtet sind. Somit sind die Kammern als Adsorber/Desorber-Einrichtung ausgebildet. In der Desorptionsphase wird der Rohrwärmeübertrager durch das außerhalb der äußeren Umfangswandung und insbesondere außerhalb des Hüllelements angeordnete erste Medium erhitzt, wobei das Kältemittel aus dem Adsorber/Desorber-Material ausgetrieben wird und in die Verdampfer/Kondensator-Einrichtung strömt. Das in den Kammern angeordnete beziehungsweise strömende, zweite Medium ist dabei als Kältemittel der Adsorptionskältemaschine ausgebildet. In der Adsorptionsphase wird das aus der Verdampfer/Kondensator-Einrichtung heranströmende Kältemittel von dem Adsorber/Desorber-Material adsorbiert, wobei die freiwerdende Adsorptionswärme vorzugsweise durch ein in der Zentralkammer strömendes, drittes Medium abgeführt wird. In this connection, an embodiment of the adsorption chiller and also an embodiment of the tube heat exchanger is preferred in which the at least two chambers are coated with an adsorber / desorber material. Thus, the chambers are designed as adsorber / desorber device. In the desorption phase, the tube heat exchanger is heated by the first medium arranged outside the outer circumferential wall and in particular outside the enveloping element, the refrigerant being expelled from the adsorber / desorber material and flowing into the evaporator / condenser device. The second medium arranged or flowing in the chambers is designed as a refrigerant of the adsorption chiller. In the adsorption phase, this is removed from the evaporator / Capacitor means inflowing refrigerant adsorbed by the adsorber / desorber material, wherein the released heat of adsorption is preferably discharged through a third medium flowing in the central chamber.
Die Adsorptionskältemaschine ist dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass in der Desorptionsphase kein drittes Medium in der Zentralkammer strömt, während die äußere Umfangswandung beziehungsweise das Hüllelement von dem heißen ersten Medium umströmt wird. Die Adsorptionskältemaschine ist weiterhin bevorzugt derart ausgebildet, dass in der Adsorptionsphase vorzugsweise kein erstes Medium die äußere Umfangswandung beziehungsweise das Hüllelement umströmt, während zugleich in der Zentralkammer das dritte Medium strömt, um die Kondensationswärme abzuführen. The adsorption chiller is preferably designed such that no third medium flows in the central chamber in the desorption phase, while the outer peripheral wall or the enveloping element flows around the hot first medium. The adsorption chiller is further preferably designed such that preferably no first medium flows around the outer circumferential wall or the enveloping element in the adsorption phase, while at the same time the third medium flows in the central chamber in order to dissipate the heat of condensation.
Als zweites Medium und somit als Kältemittel wird bevorzugt Wasser oder Methanol verwendet. Als Adsorber/Desorber-Material weisen die wenigstens zwei Kammern vorzugsweise ein Material auf, welches ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Aktivkohle, Aluminiumoxid, Aluminiumphosphat, Silika-Aluminiumphosphat, Metall-Silika-Aluminiumphosphat, Mesostruktur-Silikat, einem metall-organischen Gerüst, einem mikroporösen Material, insbesondere einem mikroporösen Polymer, einem Silikagel, und einem Zeolith. Diese Materialien haben aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche die Eigenschaft, das zweite Medium, insbesondere Wasser oder Methanol, sehr gut aufzusaugen. As a second medium and thus as a refrigerant, water or methanol is preferably used. As adsorber / desorber material, the at least two chambers preferably comprise a material which is selected from a group consisting of activated carbon, aluminum oxide, aluminum phosphate, silica-aluminum phosphate, metal-silica-aluminum phosphate, mesostructured silicate, a metal-organic framework, a microporous material, especially a microporous polymer, a silica gel, and a zeolite. Due to their large inner surface, these materials have the property of absorbing the second medium, in particular water or methanol, very well.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 geschaffen wird. Diese weist eine Abgas emittierende Brennkraftmaschine und einen Rohrwärmeübertrager nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Die Anordnung ist vorzugsweise ausgebildet zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug. Sie weist einen Fluidpfad auf, der so angeordnet und ausgebildet ist, das über den Fluidpfad die äußere Umfangswandung des Rohrelements von radial außen mit Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. Alternativ ist es möglich, dass das Hüllelement von radial außen mit Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die äußere Umfangswandung des Rohrelements von radial außen mit einem Kühlmittel eines Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. Schließlich ist es alternativ möglich, dass das Hüllelement von radial außen mit dem Kühlmittel des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine beaufschlagbar ist. The object is also achieved by providing an arrangement with the features of claim 9. This has an exhaust-emitting internal combustion engine and a tube heat exchanger according to one of the embodiments described above. The arrangement is preferably designed for use in a motor vehicle. It has a fluid path which is arranged and designed such that the outer circumferential wall of the tubular element can be acted upon by exhaust gas of the internal combustion engine from the radially outer side via the fluid path. Alternatively, it is possible that the enveloping element can be acted on radially outside with exhaust gas of the internal combustion engine. Alternatively or additionally, it is possible that the outer peripheral wall of the tubular element can be acted on radially outside with a coolant of a cooling circuit of the internal combustion engine. Finally, it is alternatively possible that the enveloping element can be acted upon radially from the outside with the coolant of the cooling circuit of the internal combustion engine.
Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Anordnung, bei welchem das Rohrelement durch das Hüllelement umgriffen ist, wobei dieses von radial außen mit dem Abgas der Brennkraftmaschine und/oder mit dem Kühlmittel beaufschlagbar ist. Sowohl das Abgas als auch das Kühlmittel können als erstes Medium verwendet werden, um Wärme von dem ersten Medium auf das in den Kammern angeordnete oder dort strömende zweite Medium zu übertragen. Particularly preferred is an embodiment of the arrangement in which the tubular element is encompassed by the enveloping element, which can be acted upon radially from the outside with the exhaust gas of the internal combustion engine and / or with the coolant. Both the exhaust gas and the coolant may be used as the first medium to transfer heat from the first medium to the second medium disposed or flowing in the chambers.
Besonders bevorzugt wird dabei ein Ausführungsbeispiel der Anordnung, bei welchem das Rohrelement durch das Hüllelement umgriffen ist, wobei das Hüllelement von radial außen mit dem Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Dabei ist das Abgas sehr heiß, sodass das Rohrelement ohne das Hüllelement eventuell durch die hohe Abgastemperatur zerstört werden könnte. Daher ist hier die Anordnung des Hüllelements um das Rohrelement herum besonders günstig. Zugleich stellt das heiße Abgas eine sehr effiziente Wärmequelle zur Erwärmung des zweiten Mediums in den Kammern dar. Particularly preferred is an embodiment of the arrangement in which the tubular element is encompassed by the enveloping element, wherein the enveloping element is acted upon from the outside radially to the exhaust gas of the internal combustion engine. The exhaust gas is very hot, so that the tube element could possibly be destroyed by the high exhaust gas temperature without the envelope element. Therefore, the arrangement of the Hüllelements around the pipe element around here is particularly favorable. At the same time, the hot exhaust gas is a very efficient heat source for heating the second medium in the chambers.
Vorzugsweise ist in dem Fluidpfad eine Ventileinrichtung angeordnet, durch welche die Beaufschlagung des Hüllelements oder der äußeren Umfangswandung des Rohrelements mit dem ersten Medium, also mit dem Abgas und/oder mit dem Kühlmittel, steuerbar ist. Insbesondere ist so vorzugsweise eine Betriebsphase der Anordnung realisierbar, in welcher die Beaufschlagung mit dem ersten Medium unterbleibt, wobei eine weitere Betriebsphase realisierbar ist, in der die Beaufschlagung durchgeführt wird. Preferably, a valve device is arranged in the fluid path, by which the loading of the Hüllelements or the outer peripheral wall of the tubular element with the first medium, that is with the exhaust gas and / or with the coolant, is controllable. In particular, an operating phase of the arrangement is preferably feasible in which the application of the first medium is omitted, wherein a further operating phase can be realized, in which the application is carried out.
Es wird eine Anordnung bevorzugt, die sich durch eine Adsorptionskältemaschine auszeichnet, wobei der Rohrwärmeübertrager Teil der Absorptionskältemaschine ist. Dabei sind bevorzugt die Kammern des Rohrwärmeübertragers mit Adsorber/Desorber-Material beschichtet, wie dies bereits in Zusammenhang mit der Adsorptionskältemaschine beschrieben wurde. Über den Fluidpfad wird dann in einer Desorptionsphase der äußeren Umfangswandung des Rohrelements oder dem Hüllelement Agas oder Kühlmittel zugeführt, um das Kältemittel aus dem Adsorber/Desorber-Material auszutreiben. In einer Adsorptionsphase unterbleibt die Beaufschlagung mit Abgas oder Kühlmittel, vielmehr wird in dieser vorzugsweise das Adsorber/Desorber-Material über die Zentralkammer des Rohrelements rückgekühlt, sodass die freiwerdende Adsorptionswärme abgeführt werden kann. An arrangement is preferred which is characterized by an adsorption chiller, wherein the tube heat exchanger is part of the absorption chiller. In this case, the chambers of the tube heat exchanger are preferably coated with adsorber / desorber material, as has already been described in connection with the adsorption chiller. Agas or coolant is then supplied via the fluid path in a desorption phase to the outer circumferential wall of the tubular element or the enveloping element in order to expel the refrigerant from the adsorber / desorber material. In an adsorption phase, the admission of exhaust gas or coolant is omitted, but rather in this, preferably the adsorber / desorber material is recooled via the central chamber of the tubular element, so that the released heat of adsorption can be dissipated.
Es wird schließlich auch ein Kraftfahrzeug bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass es eine Anordnung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei stellt eine Adsorptionskältemaschine der hier beschriebenen Art eine besonders effiziente Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug dar, weil hier lediglich ohnehin abfallende Abwärme in Form des Abgases oder des Kühlmittels zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums genützt werden kann, ohne dass Antriebsleistung für einen Kompressor einer herkömmlichen Kompressionskältemaschine abgezweigt werden muss. Dabei kann bei einem mit fossilem Brennstoff betriebenen Kraftfahrzeug der Verbrauch gesenkt werden, wobei ein Elektrofahrzeug mit einer Adsorptionskältemaschine – im Vergleich zu dem gleichen Elektrofahrzeug mit einer Kompressionskältemaschine – eine höhere Reichweite aufweist. Finally, a motor vehicle is also preferred, which is characterized in that it has an arrangement according to one of the previously described embodiments. In this case, an adsorption refrigerator of the type described here represents a particularly efficient cooling device for a motor vehicle, because in this case only waste heat falling off in the form of the exhaust gas or of the coolant for the air conditioning of a vehicle interior can be used without having to divert drive power for a compressor of a conventional compression refrigeration machine. In this case, in a vehicle powered by fossil fuel consumption can be reduced, with an electric vehicle with a Adsorptionskältemaschine - compared to the same electric vehicle with a Kompressionskältemaschine - has a higher range.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines Rohrwärmeübertragers. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. The single figure shows a cross-sectional view of an embodiment of a tube heat exchanger.
Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rohrwärmeübertragers
Der Rohrwärmeübertrager
Das Rohrelement
Der Rohrwärmeübertrager
Bevorzugt ist das Hüllelement
Das Hüllelement
Aufgrund der verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohrelements
Das Hüllelement
Als drittes Medium wird vorzugsweise eine Wasser-Glykol-Mischung verwendet. As the third medium, a water-glycol mixture is preferably used.
Besonders bevorzugt sind die Kammern
In einer Adsorptionsphase wird Kältemittel von dem Adsorber/Desorber-Material in den Kammern
Dabei zeigt sich, dass das als Edelstahlrohr ausgebildete Hüllelement
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102013226153.5A DE102013226153A1 (en) | 2013-12-17 | 2013-12-17 | Pipe heat exchanger and arrangement |
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DE102013226153.5A DE102013226153A1 (en) | 2013-12-17 | 2013-12-17 | Pipe heat exchanger and arrangement |
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ID=53192397
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DE (1) | DE102013226153A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109682233A (en) * | 2018-12-28 | 2019-04-26 | 亓垚 | A kind of accurate dispersion pipeline high-efficiency heat exchanger |
-
2013
- 2013-12-17 DE DE102013226153.5A patent/DE102013226153A1/en not_active Withdrawn
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CN109682233A (en) * | 2018-12-28 | 2019-04-26 | 亓垚 | A kind of accurate dispersion pipeline high-efficiency heat exchanger |
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