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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid, welches im Betrieb eines Heizfluiderzeugers einen Heizfluidtrakt durchströmt, aufweisend ein Kanalverschlusselement sowie eine Wärmeübertrageranordnung, wobei die Wärmeübertrageranordnung einen von einem Nebenströmungskanal umgebenen Hauptströmungskanal aufweist, hierbei Hauptströmungskanal und Nebenströmungskanal jeweils zumindest einen Einlass sowie zumindest einen stromabwärts des Einlasses ausgebildeten Auslass zur Durchströmung mittels des Heizfluides aufweisen, in dem Nebenströmungskanal zumindest ein im Betrieb der Vorrichtung von einem Arbeitsfluid durchströmbares Wärmeübertragerelement angeordnet und ein Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal und/oder den Nebenströmungskanal in Abhängigkeit einer Öffnungsrate des Kanalverschlusselementes regulierbar ist.
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Eine Herausforderung des modernen Kraftfahrzeugbaus besteht in dem hehren Ziel, den Kraftstoffverbrauch und mit diesem verbunden den Schadstoffausstoß eines im Kraftfahrzeug vorhandenen Verbrennungsmotors stetig zu minimieren.
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Neben Maßnahmen, wie dem Motoren-Downsizing in Kombination mit dem Einbringen von Abgasturboladern in den Abgastrakt eines Verbrennungsmotors zielen Bestrebungen auch darauf ab, die von einem Verbrennungsmotor erzeugte Abwärme zu nutzen, um eine Steigerung der Energieeffizienz zu erreichen. Eine Möglichkeit die Abwärme zu nutzen, besteht dabei darin, die im Abgas vorhandene thermische Energie rückzugewinnen.
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Hierzu wird in der
DE 10 2012 204 126 A1 ein Dampferzeuger beschrieben, welcher im Abgastrakt eines Kraftfahrzeugmotors angeordnet ist. Der Dampferzeuger weist hierbei ein Gehäuse mit einem Einlass- sowie einem Auslassbereich auf, wobei innerhalb und koaxial zum Gehäuse eine sich vom Einlass- zum Auslassbereich erstreckende, rohrförmige Durchführungsleitung angeordnet ist. Diese Durchführungsleitung ist zudem an ihren im Einlass- und Auslassbereich liegenden Endabschnitten geschlitzt, sodass das in den Dampferzeuger einströmende Abgas in einen Zwischenraum zwischen Gehäusewand und Durchführungsleitung gelangen kann. In diesem Zwischenraum ist anliegend an die Durchführungsleitung ein Spiralrohr angeordnet, das von einem zu verdampfenden Fluid durchströmt wird. Das in einer Ausführungsform zur Erhöhung der Wärmeübertragung scheibenartige Rippen aufweisende Spiralrohr dient dabei als Wärmeübertragerbaustein, über welchen die im Abgas vorhandene thermische Energie auf das zu verdampfende Fluid übertragen wird. Weiterhin ist innerhalb des Dampferzeugers, im Genauen innerhalb der Durchführungsleitung, eine Steuerklappe angeordnet, mittels welcher in Abhängigkeit der Stellung der Steuerklappe die Durchführungsleitung in einem geschlossenen oder geöffneten Zustand vorliegt. Bevorzugt ist die Steuerklappe im Einlassbereich angeordnet, wobei bei geschlossener Durchführungsleitung das Abgas durch den geschlitzten Endbereich der Durchführungsleitung in den Zwischenraum zwischen Durchführungsleitung und Gehäuse gelangt und das Spiralrohr überströmt. Liegt die Durchführungsleitung in geöffnetem Zustand vor, gelangt das Abgas unter Umgehung des Zwischenbereiches direkt vom Einlass- zum Auslassbereich, wodurch eine Wärmeübertragung vom Abgas in das zu verdampfende Fluid weitgehend vermieden wird. Nachteilig an der beschriebenen Anordnung ist insbesondere die Positionierung der Steuerklappe innerhalb des Dampferzeugers, da hierdurch die die Sperrklappe bewegende Klappenwelle eine hohe Länge aufweisen muss, um bis in das Innere der Durchführungsleitung hineinzureichen. Dies bedingt geringe Fertigungstoleranzen der Klappenwellen und deren Lagerung, was in Verbindung mit den im Abgastrakt erreichten Temperaturen zu Verzug und Fehlfunktionen der Sperrklappe führt.
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Auch durch die
DE 10 2011 056 212 A1 ist eine vergleichbar gestaltete Anordnungen zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus einem Abgas zur Erwärmung von Getriebeöl beschrieben, bei welcher die Steuerklappe innerhalb der Durchführungsleitung, jedoch im Auslassbereich angeordnet ist, und die Durchführungsleitung auch lediglich in dem Auslassbereich über Öffnungen zum Übergang des Abgases in den Zwischenbereich zwischen Durchführungsleitung und Gehäusewand verfügt. Entsprechend der
DE 10 2012 204 126 A1 wird die Durchführungsleitung ebenfalls mittels der Steuerklappe verschlossen. In dem Zwischenbereich sind zwei miteinander in Verbindung stehende, ringförmige Kammern zur Aufnahme eines Kühlmittels ausgeformt, welche zum Zwecke der Wärmeübertragung vom in den Zwischenraum geleiteten Abgas umströmt werden. Innerhalb einer der Kammern ist ein Spiralrohr angeordnet, das von dem Getriebeöl durchflossen wird. Die Wärmeenergie gelangt somit vom Abgas über das Kühlmittel in das Getriebeöl, wodurch dieses erwärmt wird. Auch in einer solchen Ausgestaltung werden bedingt durch die Anordnung der Steuerklappe innerhalb der Durchführungsleitung geringe Fertigungstoleranzen, mit einer entsprechenden Fehleranfälligkeit der Anordnung, benötigt
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Es ist weiterhin durch die
DE 10 2012 105 588 A1 eine im Wesentlichen der Funktion der
DE 10 2011 056 212 A1 entsprechende Anordnung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie bekannt, welche ebenfalls der Erwärmung von Getriebeöl dient. Hierbei findet im Gegensatz zu den durch die
DE 10 2012 204 126 A1 sowie die
DE 10 2011 056 212 A1 offenbarten Anordnungen jedoch kein Spiralrohr Anwendung. Die Anordnung zeigt voneinander getrennte, jedoch aneinander angrenzende und koaxial zueinander verlaufende, ringförmige Kammern zur Aufnahme von Kühlmittel sowie Getriebeöl auf, wobei innerhalb der Kühlmittelkammern mehrere mattenartig ausgeprägte und in Längsrichtung der Anordnung geradlinig verlaufende Rohrbündel angeordnet sind, welche von Abgas durchströmt werden, das über Öffnungen in der Durchführungsleitung in einen stirnseitigen Zwischenbereich zwischen Durchführungsleitung und Gehäuse geleitet wird. Die Rohrbündel weisen mehrere Einzelrohre auf, welche im Wesentlichen sowohl parallel zueinander als auch parallel zu der Durchführungsleitung verlaufen. Ein Mittelabschnitt der Einzelrohre weist hierbei zur Vergrößerung dessen Oberfläche eine im Wesentlichen spiralförmig ausgeprägte Wandung auf. Entsprechend der
DE 10 2011 056 212 A1 wird die durch das Abgas in das Kühlmittel abgegebene Wärmenergie in das Getriebeöl übertragen. Nachteilig bei solchen parallel zueinander sowie parallel zur Durchführungsleitung verlaufenden Einzelrohren ist die Möglichkeit, dass das die Einzelrohre durchströmende Abgas einer ungleichen Verteilung über die Einzelrohre unterliegen kann und dadurch bei einem zu verdampfenden Kühlmittel die Verdampfung teils ausbleiben kann.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass im Vergleich zum Stand der Technik die Konstruktion vereinfacht, gröbere Fertigungstoleranzen ermöglicht und hierdurch Fehlfunktionen minimiert werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid vorgesehen, wobei das Heizfluid im Betrieb eines Heizfluiderzeugers einen Heizfluidtrakt durchströmt. Hierbei weist die Vorrichtung ein Kanalverschlusselement sowie eine Wärmeübertrageranordnung auf, wobei die Wärmeübertrageranordnung zudem einen von einem Nebenströmungskanal umgebenen Hauptströmungskanal aufweist. Hauptströmungskanal und Nebenströmungskanal weisen überdies jeweils zumindest einen Einlass sowie zumindest einen stromabwärts des Einlasses ausgebildeten Auslass zur Durchströmung mittels des Heizfluides auf, wobei in dem Nebenströmungskanal zumindest ein im Betrieb der Vorrichtung von einem Arbeitsfluid durchströmbares Wärmeübertragerelement angeordnet und ein Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal und/oder den Nebenströmungskanal in Abhängigkeit einer Öffnungsrate des Kanalverschlusselementes regulierbar, also z. B. regelbar und/oder steuerbar, zumindest jedoch gezielt in der Höhe veränderlich, ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß das Kanalverschlusselement stromabwärts der Auslässe von Hauptströmungskanal sowie Nebenströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung angeordnet.
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Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung also im Heizfluidtrakt angeordnet, wobei stromaufwärts der Vorrichtung zumindest der Einlass des Hauptströmungskanals mit einem ersten Abschnitt des Heizfluidtraktes fluiddurchlässig verbunden und weiterhin die Vorrichtung stromabwärts der Verschlussvorrichtung wiederum in einem zweiten Abschnitt des Heizfluidtraktes münden kann. Denkbar ist jedoch darüber hinaus, dass das Heizfluid stromabwärts der Verschlussvorrichtung in eine Nachbehandlungsanlage oder die Umgebung abgeleitet wird. Die Länge des Hauptströmungskanals würde stromabwärts durch das Kanalverschlusselement in seiner Längsausdehnung begrenzt sein, wobei sich stromabwärts des Kanalverschlusselementes wiederum der Heizfluidtrakt anschließen würde. Denkbar ist hierbei jedoch überdies, dass der Hauptströmungskanal und der Heizfluidtrakt einteilig ausgeführt sind und der Hauptströmungskanal somit einen Abschnitt des Heizfluidtraktes bildet. Eine zweiteilige oder mehrteilige Ausführung ist weiterhin ebenso möglich.
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Die Wärmeübertrageranordnung der Vorrichtung für sich genommen weist zudem kein Kanalverschlusselement auf. Dieses ist stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung angeordnet, was zum einen den Aufbau der Wärmeübertrageranordnung vereinfacht und zum anderen in vorteilhafter Weise Kanalverschlusselemente eingesetzt werden können, welche z. B. bereits am Markt erhältlich sind und somit anfällige Speziallösungen mit hohen Fertigungstoleranzen vermieden werden können. Hierbei sollte die Wärmeübertrageranordnung der Vorrichtung zudem bevorzugt im Gegenstromprinzip arbeiten, d. h. die Strömungsrichtung von Heizfluid und Arbeitsfluid sind einander entgegengerichtet. Denkbar ist aber auch eine Ausführung im Gleichstromprinzip.
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Das Verschlusselement sollte mindestens zwei Zustände aufweisen, wobei das Verschlusselement bevorzugt zudem zwischen diesen zwei Zuständen weitere kontinuierlich oder diskret veränderbare Zwischenzustände einnehmen können sollte. Einer der mindestens zwei Zustände ließe sich hierbei durch eine maximale Öffnungsrate beschreiben, d. h. ein durch das Verschlusselement hervorgerufener Gegendruck im Hauptströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung ist minimal, das Heizfluid wird also lediglich in minimaler Weise an der Durchströmung des Hauptströmungskanals gehindert. In einem solchen Zustand würde zudem kein oder im Wesentlichen ein minimaler Volumenstromanteil des Heizfluides den Nebenströmungskanal durchströmen, wodurch der Hauptströmungskanal als Bypass des Nebenströmungskanals wirkt. Ein zweiter der mindestens zwei Zustände ließe sich entsprechend durch eine minimale Öffnungsrate des Verschlusselementes beschreiben, was bedeutet, dass in diesem Zustand der durch das Verschlusselement hervorgerufene Gegendruck im Hauptströmungskanal maximal wäre. Das Heizfluid würde somit in maximaler Weise an der Durchströmung des Hauptströmungskanals gehindert werden, wodurch kein oder ein minimaler Volumenstromanteil des Heizfluides den Hauptströmungskanal respektive ein maximaler Volumenstromanteil den Nebenströmungskanal durchströmen würde. Die notwendige Betätigung des Verschlusselementes wäre beispielsweise über ein elektrisches oder pneumatisches Stellglied realisierbar.
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Die beschriebene Öffnungsrate bestimmt sich hierbei aus dem Verhältnis der durchströmbaren Querschnittsfläche des Hauptströmungskanals zur Gesamtquerschnittsfläche des Hauptströmungskanals.
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Bei der Durchströmung des Nebenströmungskanals durch das Heizfluid wird die in dem Heizfluid vorhandene thermische Energie oder Wärme über das Wärmeübertragerelement in das Arbeitsfluid übertragen. Hierdurch sollte das Arbeitsfluid wenigstens erwärmt, bevorzugt jedoch verdampft werden. Das Arbeitsfluid sollte zudem Teil eines sich anschließenden Kreisprozesses sein, in welchem es in einem gasförmigen Zustand beispielsweise dem Antrieb eines Generators dienen könnte.
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Das Verschlusselement kann als eine Klappe, insbesondere als eine Abgasklappe, ausgebildet sein, wobei die Winkelstellung der Klappe oder der Abgasklappe deren Öffnungsrate bestimmen sollte. Hierbei könnte in einem ersten Zustand maximaler Öffnungsrate die Klappe oder Abgasklappe in einem Drehwinkel von 0 Grad oder 180 Grad zur Strömungsrichtung des Heizfluides oder entsprechend zur Längsrichtung des Hauptströmungskanals ausgerichtet sein. In einem zweiten Zustand, also in dem Zustand minimaler Öffnungsrate, läge eine Winkelstellung der Klappe oder auch Abgasklappe mit einem Drehwinkel von 90 Grad oder 270 Grad zur Strömungsrichtung des Heizfluides und/oder zur Längsrichtung des Hauptströmungskanals vor.
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Das Heizfluid kann insbesondere als ein Abgas ausgebildet sein, welches den Abgastrakt, insbesondere den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, durchströmt, wobei die Brennkraftmaschine den entsprechenden Heizfluiderzeuger darstellen würde. In diesem Fall würde der Heizfluidtrakt demzufolge dem Abgastrakt, insbesondere dem Abgastrakt der Brennkraftmaschine, wie z. B. einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges, entsprechen.
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Das Arbeitsfluid sollte als ein Fluid ausgebildet sein, welches durch die aus dem Heizfluid durch das Wärmeübertragerelement übertragene Wärme aus der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht, also verdampft werden kann. Infrage kommen für ein solches Arbeitsfluid beispielsweise Wasser, aber auch Alkohole wie Ethanol. Zudem ließen sich als Arbeitsfluid Kältemittel unterschiedlicher Ausprägung verwenden.
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In einer überaus vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Nebenströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung ausschließlich über den Einlass des Nebenströmungskanals mit dem Hauptströmungskanal der Wärmeübertrageranordnung fluiddurchlässig verbunden. Dementsprechend liegt also zwischen dem Auslass des Nebenströmungskanals und dem Hauptströmungskanal keine respektive keine unmittelbare fluiddurchlässige Verbindung vor, was gewinnbringend insbesondere dazu führt, dass der Aufbau der Wärmeübertrageranordnung vereinfacht wird und dieser somit eine verringerte Fehleranfälligkeit aufweist.
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Die fluiddurchlässige Verbindung bedeutet in diesem Zusammenhang eine stoffdurchlässige Verbindung, welche wenigstens für Fluide sowie Gase durchlässig ist. Eine Durchlässigkeit für feste Stoffe ist hierbei jedoch nicht ausgeschlossen. Ebenso ist es als selbstverständlich anzusehen, dass über diese fluiddurchlässige Verbindung ebenfalls Energie übertragen werden kann.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist auch dann als vorteilhaft anzusehen, wenn der Nebenströmungskanal über den Auslass des Nebenströmungskanals mit einem einen Einlass sowie einen Auslass aufweisenden Verschlussbypasskanal fluiddurchlässig verbunden ist. Durch eine solche Ausgestaltung wird es nutzbringend ermöglicht, dass sich das Heizfluid nicht im Nebenströmungskanal aufstaut, was in positiver Weise ein mögliches Überhitzen des Wärmeübertragerelementes und/oder des im Wärmeübertragerelement strömenden Arbeitsfluid verhindert.
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Ist zudem der Verschlussbypasskanal über den Auslass des Verschlussbypasskanals stromabwärts des Kanalverschlusselementes mit dem Heizfluidtrakt fluiddurchlässig verbunden, dann ist es möglich, dass das aus dem Nebenströmungskanal in den Verschlussbypasskanal übergeströmte Heizfluid wieder in den Heizfluidtrakt rückgeführt werden kann, wodurch gewinnbringend kein Gegendruck im Verschlussbypasskanal und/oder im Nebenströmungskanal erzeugt wird und die Ableitung des Heizfluides unter Umgehung des Kanalverschlusselementes ermöglicht wird. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn sich das Kanalverschlusselement in einem Zustand befindet, in welchem dieses nicht seine maximale Öffnungsrate aufweist und somit der Hauptströmungskanal teilweise oder vollständig verschlossen vorliegt, wodurch ein entsprechender Volumenstromanteil des Heizfluides in den Nebenströmungskanal einströmt.
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Eine äußerst gewinnbringende Ausbildung der Erfindung liegt darin begründet, dass der Hauptströmungskanal durch ein von einem Gehäuse umschlossenes Fluidrohr gebildet ist, wobei das Gehäuse das Fluidrohr orthogonal zur Längsrichtung des Fluidrohres umschließt. Hierbei ist eine entsprechend koaxiale Anordnung von Gehäuse und Fluidrohr denkbar, wobei das Fluidrohr im einfachsten Fall als ein Zylinderrohr ausgeprägt sein kann. Zweckmäßigerweise sollte das Fluidrohr nicht vollständig, sondern lediglich orthogonal zur und in Längsrichtung des Fluidrohres von dem Gehäuse umschlossen sein, sodass die den Einlass und den Auslass des Hautströmungskanals bildenden Stirnseiten des Fluidrohres nicht vom Gehäuse umschlossen sind. Eine solche Ausgestaltung bietet in erfolgversprechender Weise einen wenig fehleranfälligen Grundaufbau der Wärmeübertrageranordnung.
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Eine darüber hinaus sehr erfolgversprechende erfindungsgemäße Weiterbildung lässt sich darin sehen, dass der Einlass des Nebenströmungskanals durch zumindest eine in der Wandung des Fluidrohres ausgebildete Öffnung gebildet wird, wobei diese Öffnung in einem Bereich des Fluidrohres liegen sollte, welcher durch das Gehäuse umschlossen wird und hierdurch den Hauptströmungskanal mit dem Nebenströmungskanal fluiddurchlässig verbindet. Die Öffnung kann dabei eine beliebige Form, beispielsweise eine kreisförmige, ovale oder auch elliptische Form annehmen. Ebenso ist es denkbar, dass die Öffnung in Form eines Schlitzes vorliegt. Neben einer einzelnen Öffnung wird jedoch eine Ausführungsform mit mehreren Öffnungen bevorzugt, wobei diese in Umfangsrichtung des Fluidrohres zueinander beabstandet angeordnet sein können.
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Ist zudem der Nebenströmungskanal durch einen Fluidraum gebildet, welcher zwischen dem Fluidrohr und dem das Fluidrohr umschließende Gehäuse ausgebildet ist, so kann davon ausgegangen werden, dass darin eine äußerst wenig fehleranfällige Ausgestaltung des Nebenströmungskanals der Wärmeübertrageranordnung liegt. Hierbei sollten wenigstens die beiden Stirnbereiche des Gehäuses mit dem Fluidrohr fluidundurchlässig verbunden sein, wobei die Verbindung stoffschlüssig und auch kraft- und/oder formschlüssig ausgeführt sein kann. Die Länge des Nebenströmungskanals würde sich durch diese Ausgestaltung über die Längsausdehnung des Gehäuses, insbesondere durch die Beabstandung der Stirnbereiche des Gehäuses bestimmen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussbypasskanal als zumindest ein Überströmrohr ausgebildet ist, welches stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung am Gehäuse der Wärmeübertrageranordnung und dem Heizfluidtrakt angeordnet ist und dadurch den Nebenströmungskanal auslassseitig unter Umgehung des Kanalverschlusselementes mit dem Heizfluidtrakt verbindet, sodass das Heizfluid aus dem Nebenströmungskanal in den Heizfluidtrakt strömen kann. Dabei sollte das Überströmrohr so angeordnet sein, dass ein erstes stirnseitiges Ende des Überströmrohres stromaufwärts mit dem Gehäuse der Wärmeübertrageranordnung und ein zweites stirnseitiges Ende des Überströmrohres stromabwärts mit dem Heizfluidtrakt fluiddurchlässig verbunden ist. Das Überströmrohr könnte zudem abschnittsweise parallel zum Hauptströmungskanal und/oder zum Heizfluidtrakt verlaufen. Der Verschlussbypasskanal in Form eines außerhalb des Hauptströmungskanals und/oder des Heizfluidtraktes angeordneten Überströmrohr bietet vorteilhaft einen konstruktiv sowie fertigungstechnisch einfacher zu realisierenden Aufbau als beispielsweise ein innerhalb des Hauptströmungskanals und/oder des Heizfluidtraktes, z. B. in Form einer Rohr-in-Rohr-Ausführung, angeordneten Überströmrohrs.
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Als überaus praxisgerecht ist es weiterhin anzusehen, wenn das Wärmeübertragerelement als eine von dem Arbeitsfluid durchströmbare Rohrwendel aus einem spiralförmig verlaufenden Rohr ausgebildet ist und/oder an einer äußeren Mantelfläche des spiralförmig verlaufenden Rohres und in Längsrichtung des Rohres zumindest abschnittsweise der Mittelachse des Rohres entgegengerichtet ausgeformte Rippen angeordnet ist. Eine Ausführung des Wärmeübertragerelementes als eine Rohrwendel bietet gegenüber einer möglichen Ausführungsvariante mit mehreren geradlinig sowie im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zum Haupt- sowie Nebenströmungskanal verlaufenden Einzelrohren den Vorteil, dass sich keine Ungleichverteilung des Volumenstromes des Heizfluides einstellt. Im Falle mehrerer Einzelrohre ist es möglich, dass eine solche Ungleichverteilung zu einer lokalen Überhitzung und/oder Unterkühlung unterschiedlicher Einzelrohre führt, was eine ungleichmäßige oder gar ausbleibende Verdampfung des Arbeitsfluides und/oder einen Defekt der lokal überhitzten Einzelrohre zur Folge haben kann. Eine Ausgestaltung der Rohwendel dahingehend, dass an deren äußeren Mantelfläche Rippen ausgeformt sind, steigert den Wärmestrom aus dem Heizfluid in das Arbeitsfluid, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung erhöht werden kann. Hierbei ist es denkbar, dass die Rippen dadurch gebildet werden, dass auf das die Rippen zumindest abschnittsweise tragende Rohr ein sich in Längsrichtung des Rohres spiralförmig umwindendes Endlosband aufgebracht ist, welches der Abschnittslänge entsprechend abgelängt ist. Die Verbindung zwischen dem die Rippen bildenden Endlosband und dem Rohr kann stoffschlüssig ausgebildet sein, wobei die Erzeugung des Stoffschlusses unter Verwendung eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laserschweißverfahrens erfolgen kann.
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Ein solch beschriebenes Rohr kann in einer Ausführungsvariante beispielsweise einen Außendurchmesser von acht Millimetern mit einer Wandstärke von 0,75 Millimetern und das die Rippen bildende Endlosband eine Breite von fünf Millimetern und eine Dicke von 0,5 Millimetern aufweisen.
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Eine weitere mit Vorteil behaftete Ausgestaltung der Vorrichtung lässt sich dadurch gestalten, dass zwischen dem Fluidrohr und der Rohrwendel und/oder zwischen der Rohrwendel und dem Gehäuse ein das Fluidrohr und/oder die Rohrwendel orthogonal zur Längsrichtung des Fluidrohres umschließende, verformbare Zwischeneinlage angeordnet ist, mit welcher sich das Fluidrohr und die Rohrwendel und/oder die Rohwendel und das Gehäuse in Kontakt befinden. Denkbar ist, dass die Zwischeneinlage hierbei elastisch und/oder plastisch verformbar ist und beispielsweise als ein Gewebe, Gewirke und/oder Gestricke vorliegt. Denkbar sind dabei Filzmatten und/oder Fasermatten, wie z. B. Glasfasermatten und hierbei insbesondere Silikat-Glasfasermatten. Daraus ergibt sich, dass die Zwischeneinlage auch im Allgemeinen grundsätzlich eben und flächig ausgebildet sein kann, wobei eine solch ausgebildete Zwischeneinlage um das Fluidrohr und/oder um die innere Mantelfläche des Gehäuses umgeschlagen respektive angelegt wird, sodass sich die Zwischenlage an die jeweilige Kontur anpasst. Die Zwischeneinlage könnte jedoch ebenso hohlzylinderförmig, quasi in Form eines Flexrohres oder einer Stulpe vorliegen, sodass diese auf das Fluidrohr aufgeschoben und/oder zwischen Rohrwendel und Gehäuse zwischengeschoben werden kann. Im Gegensatz dazu kann die Zwischeneinlage jedoch ebenso als ein Vollmaterial vorliegen. Die Zwischeneinlage kann als ein Isolationselement und/oder ein Dichtelement ausgebildet sein, wodurch einerseits der Wärmefluss in die Umgebung sowie gegebenenfalls in den Hauptströmungskanal, also z. B. das Fluidrohr, minimiert werden kann. Hierfür ist es als vorteilhaft anzusehen, wenn die Zwischeneinlage mit einer Wärmestrahlung reflektierenden Schicht, wie beispielsweise einer Edelstahlfolie, kaschiert wäre. Diese Kaschierung hätte zudem den Vorteil, dass der Volumenstrom des Heizfluides aufgrund seiner Strömungsgeschwindigkeit keine Anteile der Zwischenlage mitreißen kann, was z. B. bei der Verwendung von aus Fasern bestehenden Zwischeneinlagen zu verhindern wäre, um eine stetige Reduzierung der Zwischeneinlage und somit einem Defekt vorzubeugen. Da sich die Zwischeneinlage oder die Zwischeneinlagen mit dem Fluidrohr, der Rohrwendel und dem Gehäuse in Kontakt befinden, können diese ebenfalls die Funktion eines Dichtelementes erfüllen. Dies ist insbesondere bei Ausgestaltung der Rohrwendel mit Rippen vorteilhaft, da mittels der Zwischeneinlagen erreicht werden kann, dass das Heizfluid den Nebenströmungskanal im Wesentlichen durch einen durch die Rippenzwischenräume gebildeten wendelförmigen Rippenkanal entlang der Rippen durchströmt, wodurch die Wärmeübertragung in das Arbeitsfluid erhöht werden kann. Neben den beschriebenen Funktionen ist es weiterhin möglich, dass das Zwischenelement dem Toleranzausgleich zwischen Fluidrohr und Rohrwendel und/oder Rohrwendel und Gehäuse dient.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung;
- 2 eine erste Schnittdarstellung der Vorrichtung;
- 3 eine zweite Schnittdarstellung der Vorrichtung;
- 4 eine Darstellung eines mit Rippen ausgebildeten Rohres.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Wärmerückgewinnung aus einem Heizfluid. Dieses Heizfluid durchströmt im Betrieb eines Heizfluiderzeugers den Heizfluidtrakt 2. Die Vorrichtung 1 weist das Kanalverschlusselement 3 sowie die Wärmeübertrageranordnung 4 auf, wobei diese aus dem Nebenströmungskanal 5, dem Hauptströmungskanal 6 sowie dem Wärmeübertragerelement 11 besteht. Das Wärmeübertragerelement 11 ist hierbei als Rohrwendel 22 aus dem spiralförmig verlaufenden Rohr 23 ausgebildet. Der Volumenstrom des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal 6 und/oder den Nebenströmungskanal 5 ist dabei in Abhängigkeit der Öffnungsrate des stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung 4 angeordneten Kanalverschlusselementes 3 regulierbar. Der Nebenströmungskanal 5 ist zudem ausschließlich über den Einlass 7 des Nebenströmungskanals 5 mit dem Hauptströmungskanal 6 fluiddurchlässig verbunden. Verschließt das Kanalverschlusselement 3 den Hauptströmungskanal 6, strömt das Heizfluid über den Einlass 7 in den Nebenströmungskanal 5. Das hierbei im Betrieb der Wärmeübertrageranordnung 4 in dem Wärmeübertragerelement 11 strömende Arbeitsfluid wird aufgrund des Wärmeflusses vom Heizfluid über das Wärmeübertragerelement 11 in das Arbeitsfluid erwärmt. Das Heizfluid strömt nach Durchtritt durch den Nebenströmungskanal 5 über den Verschlussbypasskanal 14 zurück in den Heizfluidtrakt 2. Bei geöffnetem Kanalverschlusselement durchströmt das Heizfluid unter Umgehung des Nebenströmungskanals 5 im Wesentlichen den Hauptströmungskanal 6 und gelangt unmittelbar wieder in den Heizfluidtrakt 2.
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2 zeigt ebenfalls eine Weiterbildung der Vorrichtung 1, wobei diese im Schnitt dargestellt ist. Hierbei zeigt die Vorrichtung 1 wiederum das Kanalverschlusselement 3 sowie die Wärmeübertrageranordnung 4. Die Wärmeübertrageranordnung 4 weist den vom Nebenströmungskanal 5 umgebenen Hauptströmungskanal 6 auf, wobei der Hauptströmungskanal 6 den Einlass 9 sowie den Auslass 10 und der Nebenströmungskanal 5 die Einlässe 7 und den Auslass 8 aufweisen. Dabei ist der Hauptströmungskanal 6 durch das von dem Gehäuse 15 umschlossenen Fluidrohr 16 gebildet, wobei das Gehäuse 15 das Fluidrohr 16 orthogonal zur Längsrichtung 17 des Fluidrohres 16 umschließt. Zudem ist dargestellt, dass der Nebenströmungskanal 5 ausschließlich über die Einlässe 7 des Nebenströmungskanals 5 mit dem Hauptströmungskanal 6 fluiddurchlässig verbunden ist, wobei die Einlässe 7 durch die in der Wandung 18 des Fluidrohres 16 ausgebildeten Öffnungen 19 gebildet werden. Im Nebenströmungskanal 5, welcher durch den Fluidraum 20 gebildet wird, der zwischen dem Fluidrohr 16 und dem Gehäuse 15 ausgebildet ist, ist zudem das Wärmeübertragerelement 11 angeordnet. Hierbei ist das Wärmeübertragerelement 11 als eine Rohrwendel 22 ausgebildet, welche spiralförmig um das Fluidrohr 16 verläuft. Zudem ist zwischen der Rohrwendel 22 und dem Gehäuse 15 die die Rohrwendel 22 orthogonal zur Längsrichtung 25 des Fluidrohrs 16 umschließende, verformbare Zwischeneinlage 27 angeordnet, mit welcher sich zudem die Rohrwendel 22 und das Gehäuse 15 in Kontakt befinden. Überdies ist stromabwärts der Auslässe 10, 8 des Hauptströmungskanals 6 sowie des Nebenströmungskanals 5 das Kanalverschlusselement 3 angeordnet, wobei dieses in dieser Weiterbildung als eine Klappe ausgebildet ist und dabei die Winkelstellung des als Klappe ausgebildeten Kanalverschlusselementes 3 deren Öffnungsrate bestimmt. Das als Klappe ausgebildete Kanalverschlusselement 3 befindet sich in seinem zweiten Zustand, also im Zustand minimaler Öffnungsrate, wobei der Hauptströmungskanal 6 quasi verschlossen ist.
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2 zeigt ebenso, dass der Nebenströmungskanal 5 über seinen Auslass 8 mit dem Einlass 12 des Verschlussbypasskanals 14 und der Verschlussbypasskanal 14 wiederum über seinen Auslass 13 stromabwärts des Kanalverschlusselements 3 mit dem Heizfluidtrakt 2 fluiddurchlässig verbunden ist. Der Verschlussbypasskanal 14 ist wie dargestellt als das Überströmrohr 21 ausgebildet. Dieses Überströmrohr 21 ist zudem stromabwärts der Wärmeübertrageranordnung 4 am Gehäuse 15 und dem Heizfluidtrakt 2 so angeordnet, dass sein erstes stirnseitiges Ende stromaufwärts mit dem Gehäuse 15 der Wärmeübertrageranordnung 4 und sein zweites stirnseitiges Ende stromabwärts mit dem Heizfluidtrakt 2 fluiddurchlässig verbunden ist. Das Überströmrohr 21 verläuft dabei in einem Abschnitt parallel zum Hauptströmungskanal 6 sowie zum Heizfluidtrakt 2.
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In 3 ist die Vorrichtung 1 im Gegensatz zu 2 mit dem als Klappe ausgebildeten Kanalverschlusselement 3 in seinem ersten Zustand mit entsprechend maximaler Öffnungsrate dargestellt. Der Durchfluss des Heizfluides durch den Hauptströmungskanal 6 ist somit maximal.
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4 beschreibt eine Weiterbildung des grundsätzlich spiralförmig ausgebildeten Rohres 23, welches die in 1 bis 3 dargestellte Rohrwendel 22 bildet. Hierbei sind an der äußeren Mantelfläche 24 des Rohres 23 und in Längsrichtung 25 des Rohres 23 der Mittelachse 28 des Rohres 23 entgegengerichtet ausgeformte Rippen 26 angeordnet. Die Rippen 26 werden dadurch gebildet, dass auf das Rohr 23 ein abgelängtes, sich in Längsrichtung 25 des Rohres 23 spiralförmig um das Rohr 23 windendes Endlosband aufgebracht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Heizfluidtrakt
- 3
- Kanalverschlusselement
- 4
- Wärmeübertrageranordnung
- 5
- Nebenströmungskanal
- 6
- Hauptströmungskanal
- 7
- Einlass
- 8
- Auslass
- 9
- Einlass
- 10
- Auslass
- 11
- Wärmeübertragerelement
- 12
- Einlass
- 13
- Auslass
- 14
- Verschlussbypasskanal
- 15
- Gehäuse
- 16
- Fluidrohr
- 17
- Längsrichtung
- 18
- Wandung
- 19
- Öffnung
- 20
- Fluidraum
- 21
- Überströmrohr
- 22
- Rohrwendel
- 23
- Rohr
- 24
- Mantelfläche
- 25
- Längsrichtung
- 26
- Rippen
- 27
- Zwischeneinlage
- 28
- Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012204126 A1 [0004, 0005, 0006]
- DE 102011056212 A1 [0005, 0006]
- DE 102012105588 A1 [0006]
