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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Wärmetauscher, insbesondere Wärmetauscher für Fahrzeugabgasleitungen.
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Es ist möglich, einen Wärmetauscher in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor einzubauen, um die Wärmeenergie des Abgases zurückzugewinnen.
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Ein derartiger Wärmetauscher kann Rohre umfassen, in denen das Abgas zirkuliert, wobei diese Rohre innerhalb einer Hülle angeordnet sind, in der ein Fluid, üblicherweise ein Kühlmittel zirkuliert.
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Die Temperatur des Abgases bei Eintritt in die Rohre ist hoch und beträgt üblicherweise mehrere Hundert °C, wenn der Motor bei Volllast betrieben wird.
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Als solches besteht ein Risiko, dass das Kühlmittel zum Sieden gebracht wird, wenn es in Kontakt mit dem stromaufwärtigen Teil der Rohre zirkuliert. Wenn es siedet, ist ein Temperaturanstieg des Wärmetauschers zu beobachten, da das Kühlmittel, das verdampft wurde, den Wärmetauscher nicht mehr kühlt. Der Temperaturanstieg der Wärmetauscherwand führt zu erhöhten Wärmebelastungen bis hin zu einem Bruch des Wärmetauschers und verursacht einen deutlichen Qualitätsverlust des Kühlmittels. Um dieses Risiko zu begrenzen, muss die Kühlmittelzirkulation richtig gesteuert werden.
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In diesem Zusammenhang zielt die Erfindung darauf ab, einen Wärmetauscher vorzuschlagen, bei dem die Kühlmittelzirkulation richtig gesteuert wird.
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Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung in einem ersten Aspekt einen Wärmetauscher, der Folgendes aufweist:
- - mehrere Strömungsrohre für ein erstes Fluid;
- - eine Hülle, die ein Innenvolumen begrenzt, in dem die Rohre angeordnet sind, wobei die Hülle einen Einlass für ein zweites Fluid und einen Auslass für ein zweites Fluid aufweist, die in das Innenvolumen geöffnet sind, wobei der Einlass für das zweite Fluid und der Auslass für das zweite Fluid in Längsrichtung einen Versatz zueinander haben;
- - mindestens ein Innengitter, das innerhalb des Innenvolumens in Längsrichtung zwischen dem Einlass des zweiten Fluids und dem Auslass des zweiten Fluids angeordnet ist und das Innenvolumen in mehrere Kammern unterteilt, die in Längsrichtung nacheinander angeordnet sind, wobei das bzw. jedes Innengitter Öffnungen aufweist, in die die Rohre eingreifen, wobei das bzw. jedes Innengitter einen Außenumfangsrand aufweist, bei dem ein Abschnitt mit einer Innenfläche der Hülle einen Durchgang für das zweite Fluid begrenzt, wobei der bzw. jeder Durchgang so angeordnet ist, dass das zweite Fluid labyrinthartig von dem Einlass des zweiten Fluids über die Kammern bis zum Auslass des zweiten Fluids zirkuliert.
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Das Innengitter/die Innengitter ist bzw. sind daher so angeordnet, dass das zweite Fluid gezwungen ist, labyrinthartig von dem Einlass zu dem Auslass der Rohre des Wärmetauschers zu zirkulieren. Das zweite Fluid durchströmt somit nacheinander jede Kammer.
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Wenn es sich bei dem ersten Fluid um Fahrzeugabgase handelt und die Rohre so angeordnet sind, dass der stromaufwärtige Teil der Rohre die Kammer durchquert, in die der Einlass des zweiten Fluids ausmündet, wird der stromaufwärtige Teil der Rohre besonders gut gekühlt. Das Innengitter zwingt das zweite Fluid in Kontakt mit dem stromaufwärtigen Teil der Rohre zu zirkulieren.
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Der Wärmetauscher kann zusätzlich eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale aufweisen, die einzeln oder in jeglicher technisch möglichen Kombination herangezogen werden:
- - für das bzw. für jedes Innengitter weist die Hülle einen zur Außenseite erhöhten Bereich auf, der mit dem Abschnitt des Innengitters den Durchgang begrenzt;
- - in dem bzw. in jedem Innengitter sind Aussparungen zwischen jedem Rohr und einem Innenrand der entsprechenden Öffnung angeordnet;
- - die Rohre haben jeweils einen in Querrichtung langgestreckten Querschnitt und liegen in einer Höhenrichtung übereinander, wobei die Innenränder der Öffnungen Querstreifen tragen, die in Höhenrichtung an die Rohre stoßen;
- - der Innenrand jeder Öffnung weist zwei querverlaufende Randabschnitte auf, die einander gegenüberliegen, wobei jeder querverlaufende Randabschnitt mehrere Streifen trägt, die in Querrichtung voneinander beabstandet sind;
- - die Öffnungen eines einzelnen Innengitters sind durch durchgehende Querbänder des Innengitters getrennt, wobei die durchgehenden Querbänder jeweils zwei querverlaufende Randabschnitte der Öffnung definieren, wobei die Streifen der beiden querverlaufenden Randabschnitte versetzt sind;
- - die Streifen sind zur Innenseite der Öffnung geneigt;
- - der Umfangsrand des bzw. jedes Innengitters weist ein erstes und ein zweites durchgehendes Band auf, die sich in Querrichtung auf der einen und auf der anderen Seite der Öffnungen erstrecken, wobei das erste durchgehende Band den Abschnitt des Außenumfangsrands definiert und in Querrichtung eine Breite hat, die geringer ist als die des zweiten durchgehenden Bands;
- - der Tauscher weist mehrere Innengitter auf, die alle identisch sind, wobei zwei aufeinanderfolgende Innengitter in Längsrichtung umgekehrt zueinander ausgerichtet sind, so dass die ersten durchgehenden Bänder der beiden Gitter in Querrichtung umgekehrt zueinander gewandt sind;
- - das Innengitter, das dem Auslass des zweiten Fluids am nächsten ist, ist so ausgerichtet, dass das zweite durchgehende Band zum Auslass des zweiten Fluids gewandt ist, wobei die Hülle mindestens einen Zwischenbereich aufweist, der gegenüber einem Zwischenabschnitt des Außenumfangsrands, der zwischen dem ersten durchgehenden Band und dem zweiten durchgehenden Band angeordnet ist, zur Außenseite erhöht ist;
- - der Außenumfangsrand des bzw. jedes Innengitters trägt Außentreifen, die an die Innenfläche der Hülle anstoßen.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Abgasleitung mit einem Wärmetauscher mit den oben genannten Merkmalen, wobei es sich bei dem ersten Fluid um das Abgas und bei dem zweiten Fluid um ein Kühlmittel handelt, das dazu vorgesehen ist, einen Teil der Wärmeenergie des Abgases zurückzugewinnen.
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Die Rohre sind vorzugsweise gerade Längsrohre, wobei das erste Fluid von dem stromaufwärtigen Ende der Rohre zum dem stromabwärtigen Ende der Rohre strömt, wobei der Einlass für das zweite Fluid gegenüber dem stromaufwärtigen Ende der Rohre angeordnet ist und der Auslass für das zweite Fluid gegenüber dem stromabwärtigen Ende der Rohre angeordnet ist.
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Der Einlass für das zweite Fluid mündet in eine stromaufwärtige Kammer, die von den stromaufwärtigen Enden der Rohre durchquert wird.
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Der Auslass für das zweite Fluid mündet in eine stromabwärtige Kammer, die von den stromabwärtigen Enden der Rohre durchquert wird.
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Die stromaufwärtige und die stromabwärtige Kammer sind an zwei entgegengesetzten Längsenden der Kammerreihe angeordnet.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Abgasleitung mit den oben genannten Merkmalen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, die lediglich beispielhaft gegeben ist und sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Darin zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
- 2 eine Längsschnittansicht des Wärmetauschers von 1 entlang der Pfeile II betrachtet;
- 3 eine Schnittansicht des Wärmetauschers von 1 entlang der Pfeile III betrachtet;
- 4 eine perspektivische Explosionsansicht der Rohre und Innengitter des Wärmetauschers von 1;
- 5 eine Vergrößerung eines Teils eines Innengitters von 4;
- 6 eine vergrößerte Schnittansicht eines Ausschnitts VI von 3; und
- 7 eine querverlaufende Schnittansicht des Wärmetauschers entlang der Pfeile VII von 2 betrachtet.
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Der in 1 gezeigte Wärmetauscher 1 ist üblicherweise für den Einbau in eine Fahrzeugabgasleitung vorgesehen. Das Fahrzeug ist ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, z.B. ein Auto, ein Lastwagen oder ein Zweiradfahrzeug.
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Der Wärmetauscher 1 weist Folgendes auf:
- - mehrere Strömungsrohre 3 für ein erstes Fluid;
- - eine Hülle 5, die ein Innenvolumen 6 begrenzt, in dem die Rohre 3 angeordnet sind, wobei die Hülle 5 einen Einlass 7 für ein zweites Fluid und einen Auslass 9 für ein zweites Fluid aufweist, der in das Innenvolumen 6 ausmündet.
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Bei dem ersten Fluid handelt es sich üblicherweise um das Fahrzeugabgas.
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Bei dem zweiten Fluid handelt es sich üblicherweise um ein Kühlmittel, das dazu vorgesehen ist, einen Teil der Wärmeenergie des Abgases zurückzugewinnen.
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Die Rohre 3 sind üblicherweise gerade Längsrohre. Die Längsrichtung ist in den Figuren mit dem Pfeil L angegeben.
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Wie in den 1 bis 4 zu sehen ist, haben die Rohre 3 in Querrichtung jeweils einen langgestreckten Querschnitt und liegen in einer Höhenrichtung übereinander.
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Die Querrichtung ist in den Figuren mit einem Pfeil T angegeben. Die Höhenrichtung ist in den Figuren mit einem Pfeil E angegeben.
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„Querschnitt“ bezieht sich auf einen Schnitt senkrecht zur Längsrichtung L.
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Bei dem gezeigten Beispiel haben die Rohre 3 einen „rennbahnförmigen“ Querschnitt.
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Jedes Rohr 3 hat einen konstanten Querschnitt, d.h. er ist identisch, unabhängig davon, welche Schnittfläche im Längsverlauf betrachtet wird.
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Jedes Rohr 3 ist somit durch eine erste und eine zweite große Fläche 11, 13 begrenzt, die einander gegenüberliegen und durch einander gegenüberliegende gebogene Abschnitte 15, 17 verbunden sind. Die erste und die zweite große Fläche 11, 13 verlaufen senkrecht zur Höhenrichtung E. Sie verlaufen somit jeweils entlang Ebenen, die im Wesentlichen längs und quer verlaufen. Die zweite große Fläche 13 eines Rohrs 3 ist oberhalb und gegenüber der ersten großen Fläche 11 des Rohrs 3 angeordnet, das im Stapel unmittelbar darunter angeordnet ist.
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Die gebogenen Abschnitte 15 und 17 sind quer in entgegengesetzte Richtungen gewandt.
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Bei dem gezeigten Beispiel sind die Rohre 3 so angeordnet, dass sie in Höhenrichtung E einen einzelnen Stapel bilden. Mit anderen Worten weist der Wärmetauscher 1 in Querrichtung T nur ein Rohr 3 auf, das im Wesentlichen die gesamte Querbreite des Wärmetauschers 1 einnimmt. In der vorliegenden Beschreibung wird der Stapel auch als Rohrbündel bezeichnet.
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Jedes Rohr 3 begrenzt an einem Längsende einen Einlass 19 für ein erstes Fluid und am entgegengesetzten Längsende einen Auslass 21 für das erste Fluid. In jedem Rohr 3 ist eine Metallfolie 23 eingesetzt, die so gefaltet ist, dass Rippen gebildet sind.
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Die Hülle 5 ist rohrförmig und hat eine Mittelachse, die im Wesentlichen längs verläuft. Sie hat im Wesentlichen rechteckige Querschnitte mit vier großen Flächen 24, die insgesamt flach und über abgerundete Teilstücke miteinander verbunden sind.
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An ihren beiden Längsenden begrenzt die Hülle 5 stromaufwärtige und stromabwärtige Aussparungen 25, 27, in die Endgitter 29 eingreifen. In der vorliegenden Beschreibung sind die Begriffe „stromaufwärtig“ und „stromabwärtig“ in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluids zu verstehen.
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Die Endgitter 29 weisen Öffnungen 31 für die Aufnahme der Längsenden der Rohre 3 auf. Diese Längsenden sind gasundurchlässig innerhalb der Öffnungen 31 angebracht und durchqueren die Endgitter 29.
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Die Rohre 3 erstrecken sich somit in Längsrichtung über die gesamte Länge der Hülle 5.
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Der Einlass 7 des zweiten Fluids und der Auslass 9 des zweiten Fluid haben in Längsrichtung einen Versatz zueinander.
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Der Einlass 7 liegt in Längsrichtung nahe der stromaufwärtigen Aussparung 25 und der Auslass 9 nahe der stromabwärtigen Aussparung 27.
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Bei dem gezeigten Beispiel sind der Einlass 7 des zweiten Fluids und der Auslass 9 des zweiten Fluids in der Hülle 5 geschnittene Schlitze. Diese Schlitze sind in Höhenrichtung langgestreckt und haben eine Höhe, die im Wesentlichen der Höhe des Rohrstapels 3 entspricht.
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Vorteilhafterweise weist der Wärmetauscher 1 mindestens ein Innengitter 33 auf, das innerhalb des Innenvolumens 6 in Längsrichtung zwischen dem Einlass 7 des zweiten Fluids und dem Auslass 9 des zweiten Fluids angeordnet ist.
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Es unterteilt das Innenvolumen 6 in mehrere Kammern, die in Längsrichtung nacheinander angeordnet sind.
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Der Wärmetauscher 1 umfasst in Abhängigkeit von der Länge des Wärmetauschers 1 in Längsrichtung ein Innengitter 33 oder zwei Innengitter 33 oder wie bei dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel drei Innengitter 33 oder jegliche andere Anzahl von Innengittern 33.
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Das bzw. jedes Innengitter 33 erstreckt sich üblicherweise senkrecht zur Längsrichtung L.
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Das Innenvolumen 6 weist mindestens eine stromaufwärtige Kammer 35 auf, in die der Einlass 7 des zweiten Fluids ausmündet, sowie eine stromabwärtige Kammer 37, in die der Auslass 9 des zweiten Fluids ausmündet.
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Es kann optional eine oder mehrere Zwischenkammern 39 aufweisen, die in Längsrichtung zwischen den Kammern 35 und 37 liegen.
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Jede Kammer 35, 37, 39 erstreckt sich in Querrichtung über den gesamten Abschnitt des Innenvolumens 6. Jede Kammer 35, 37, 39 nimmt somit einen Längsabschnitt des Innenvolumens 6 ein.
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Die stromaufwärtige Kammer 35 ist zwischen dem Endgitter 29, das in die stromaufwärtige Aussparung 25 der Hülle 5 eingreift, und dem Innengitter 33 begrenzt, das stromaufwärts am weitesten angeordnet ist. Die stromabwärtige Kammer 37 ist zwischen dem Endgitter 29, das in die stromabwärtige Aussparung 27 der Hülle 5 eingreift, und dem Innengitter 33 begrenzt, das stromabwärts am weitesten angeordnet ist.
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Die bzw. jede Zwischenkammer 39 ist zwischen zwei Innengittern 33 begrenzt.
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Wie in 4 zu sehen ist, weist das bzw. jedes Innengitter 33 Öffnungen 41 auf, in die die Rohre 3 eingreifen. Das Innengitter 33 weist für jedes Rohr 3 eine Öffnung 41 auf.
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Jede Öffnung 41 hat eine geschlossene Kontur. Sie weist nahe dem äußeren Querabschnitt des entsprechenden Rohrs 3 einen Innenabschnitt auf.
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Bei dem gezeigten Beispiel sind die Öffnungen 41 des bzw. jedes Innengitters 33 alle in Querrichtung langgestreckt. Sie liegen in Höhenrichtung E übereinander. Sie sind alle identisch.
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In einem Aspekt der Erfindung, der insbesondere in 2 zu sehen ist, weist das bzw. jedes Innengitter 33 einen Außenumfangsrand 42 (4) auf, bei dem ein Abschnitt 43 mit einer Innenfläche der Hülle 5 einen Durchgang 45 für das zweite Fluid begrenzt. Der bzw. jeder Durchgang 45 ist so angeordnet, dass das zweite Fluid labyrinthartig von dem Einlass 7 des zweiten Fluids über die Kammern 35, 39, 37 zu dem Auslass 9 des zweiten Fluids zirkuliert.
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„Labyrinthartige Zirkulation“ bezieht sich hier auf die Tatsache, dass das zweite Fluid ausgehend von dem Einlass 7 mit einem Verlauf mit einer Reihe von 180°-Kehrtwendungen zirkuliert, wobei die aufeinanderfolgenden Kehrtwendungen Schlitze definieren.
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Mit anderen Worten sind die Durchgänge 45 so angeordnet, dass das zweite Fluid ausgehend von dem Einlass 7 des zweiten Fluids die stromaufwärtige Kammer 35 in Querrichtung durchströmt, dann eine Kehrtwendung macht und den Durchgang 45 durchströmt, um in die stromaufwärtige Kammer 35 der nachfolgenden Kammer zu strömen.
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Das zweite Fluid durchströmt dann in die nächste Kammer in Querrichtung und gelangt dann am Auslass 9 des zweiten Fluids, oder, wenn der Wärmetauscher mehr als zwei Kammern aufweist, führt es eine weitere 180°-Richtungsänderung aus, um in die nächste Kammer usw. bis zum Auslass 9 des zweiten Fluids zu strömen.
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Bei dem gezeigten Beispiel ist das bzw. jedes Innengitter 33 im Wesentlichen rechteckig, und der Abschnitt 34 erstreckt sich über eine vollständige Seite des Innengitters 33. Der übrige Außenumfangsrand 42 stößt an die Innenfläche der Hülle 5 an, so dass das Durchströmen des zweiten Fluids verhindert wird.
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Zu diesem Zweck weist der Außenumfangsrand 42 des bzw. jedes Innengitters 33 Außenstreifen 47 auf (4 und 5), die an die Innenfläche der Hülle 5 anstoßen (6).
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Bei dem gezeigten Beispiel weist das bzw. jedes Innengitter 33 auf jeder Seite einen Außenstreifen 47 auf.
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Der Außenstreifen 47 ist so gefaltet, dass ein Winkel von etwas mehr als 90° in Bezug auf die Ebene gebildet ist, an der die Öffnungen 41 ausgebildet sind, durch die die Rohre 3 verlaufen. Auf Höhe seiner Ecken weist der Außenumfangsrand 42 keinen gefalteten Streifen, sondern einen nicht gefalteten Streifen 49 an der Ebene der Öffnungen 41 für den Durchgang der Rohre 3 auf. Der freie Rand des nicht gefalteten Streifens 49 passt sich an die Innenfläche der Hülle 5 an und bildet einen undurchlässigen Verschluss gegenüber dem zweiten Fluid.
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Der von dem Abschnitt 43 getragene Außenstreifen 47 stößt nicht an die Innenfläche der Hülle 5 an. Im Gegensatz dazu stoßen die von den anderen Teilstücken des Außenumfangsrands getragenen Außenstreifen 47 an die Innenfläche der Hülle 5 an.
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Zusätzlich sind in dem bzw. in jedem Innengitter 33 Aussparungen 51 zwischen jedem Rohr 3 und dem Innenrand 53 der entsprechenden Öffnung 41 vorgesehen (7).
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Wie in den Zeichnungen zu sehen ist, tragen die Innenränder 53 der Öffnungen 41 Querstreifen 55, die in Höhenrichtung E an die Rohre 3 anstoßen (4 bis 6).
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Der Innenrand 53 jeder Öffnung 41 weist insbesondere zwei Querrandabschnitte 57 auf, die einander gegenüberliegen. Die Querrandabschnitte 57 sind über Endrandabschnitte 59 miteinander verbunden.
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Jeder Querrandabschnitt 57 trägt mehrere Streifen 55, die in Querrichtung voneinander beabstandet sind.
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Die Streifen 55 sind wie in 6 gezeigt zur Innenseite der Öffnung 41 geneigt. Sie bilden bezogen auf die Längsrichtung L einen Winkel β, der zwischen 2 und 6° und üblicherweise 4° beträgt.
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Die Streifen 55 sind alle in der gleichen Weise geneigt.
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Wie insbesondere in den 4 und 5 zu sehen ist, sind die Öffnungen 41 eines einzelnen Innengitters 33 durch durchgehende Querbänder 61 des Innengitters 33 voneinander getrennt.
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Jedes durchgehende Querband 61 definiert den Querrandabschnitt 57 der unmittelbar darunter liegenden Öffnung 41 und den Querrandabschnitt 57 der unmittelbar darüber liegenden Öffnung 41.
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Wie in 5 deutlicher zu sehen ist, sind die Streifen 55 dieser beiden Querrandabschnitte 57 versetzt.
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Das bedeutet, dass die von einem der beiden Querrandabschnitte 57 getragenen Streifen 55 durch Zwischenräume 63 getrennt sind. Die Streifen 55 des anderen Querrandabschnitts 57 sind gegenüber den Zwischenräumen 63 angeordnet.
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Die Aussparungen 51 entsprechen hier den Abständen 63 zwischen den Streifen 55.
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Vorteilhafterweise entspricht die Summe der Längen der Streifen 55 in Querrichtung der Hälfte der Breite des Rohrs 3 in Querrichtung.
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Der Freiwinkel β ermöglicht die Beibehaltung des Abstands zwischen den verschiedenen Rohren 3 und das Zentrieren des Rohrbündels 3 innerhalb der Hülle 5 des Wärmetauschers 1 in Höhenrichtung E.
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Zu diesem Zweck sind im Ruhezustand die freien Ränder der Streifen 55 auf jeder Seite einer einzelnen Öffnung 41 in Höhenrichtung E durch einen Abstand getrennt, der kleiner ist als die Breite des Rohrs 3. Die Dicke wird entlang der Höhenrichtung E betrachtet.
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Wenn die Rohre 3 in die Öffnungen 41 eingesetzt werden, werden die Streifen 55 elastisch umgelenkt, so dass das Rohr 3 spielfrei durchtreten kann.
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Die Außenstreifen 47 ermöglichen es ebenso, dass die Innengitter 33 durch elastische Biegung der Außenstreifen 47 in die Hülle 5 eingreifen. Der Freiwinkel der Außenstreifen 47 kann größer sein als der der Streifen 55, um gegebenenfalls größere Toleranzen zu gewährleisten.
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Die Hülle 5 weist für das bzw. jedes Innengitter 33 einen zur Außenseite erhöhten Bereich auf, der mit dem Abschnitt 43 des Innengitters 33 den Durchgang 45 begrenzt. Der höher liegende Bereich 65 ist in Richtung der Innenseite der Hülle 5 hohl. Er ist quer gegenüber dem Abschnitt 43 angeordnet. Er erstreckt sich über den Großteil der Querbreite der Hülle 5.
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Es ist somit möglich, den für das zweite Fluid verfügbaren freien Strömungsbereich durch den Durchgang 45 zu vergrößern. Dadurch wird der Gegendruck reduziert.
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Vorteilhafterweise sind alle Innengitter 33 identisch.
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Der Außenumfangsrand 42 des Innengitters 33 weist ein erstes und ein zweites durchgehendes Band 67, 69 auf, die sich in Querrichtung T auf der einen und auf der anderen Seite der Öffnungen 41 erstrecken.
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Das erste durchgehende Band 67 ist in Höhenrichtung E langgestreckt. Es grenzt an die Endrandabschnitte 59 der Öffnungen 41 an. Es liegt an einem ersten Querende der Öffnungen 41.
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Das zweite durchgehende Band 69 erstreckt sich auch in Höhenrichtung E. Es grenzt gegenüber den Öffnungen 41 an die Endrandabschnitte 59 an. Es liegt auf der anderen Querseite der Öffnungen 41.
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Das erste durchgehende Band 67 definiert den Abschnitt 43 des Außenumfangsrands 42 und hat in Querrichtung eine Breite 11. Das zweite durchgehende Band 69 hat in Querrichtung eine Breite 12. Die Querbreite I1 ist geringer als die Querbreite I2.
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Die Innengitter 33 sind darüber hinaus so angeordnet, dass zwei in Längsrichtung L aufeinanderfolgende Innengitter 33 umgekehrte Ausrichtungen haben. Die durchgehenden Bänder 67 der beiden Innengitter 33 sind in Querrichtung T zueinander umgekehrt gewandt.
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Die durch die beiden aufeinanderfolgenden Innengitter 33 begrenzten Durchgänge 45 sind quer an zwei gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers 1 angeordnet, was die labyrinthartige Zirkulation ermöglicht.
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Die entsprechenden erhöhten Bereiche 65 sind auch an zwei quer gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers 1 angeordnet.
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Das Innengitter 33, das dem Einlass 7 des zweiten Fluids am nächsten liegt, ist so ausgerichtet, dass das erste durchgehende Band 67 quer dem Einlass 7 des zweiten Fluids gegenüberliegt. Der Durchgang 45 von der stromaufwärtigen Kammer 35 zur unmittelbar stromabwärtigen Kammer liegt quer dem Einlass 7 des zweiten Fluids gegenüber. Das zweite Fluid wird gezwungen, die vollständige stromaufwärtige Kammer 35 ausgehend von dem Einlass 7 des zweiten Fluids zu durchströmen, um zum Durchgang 45 zu gelangen.
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Das Innengitter 33, das dem Auslass 9 des zweiten Fluids am nächsten liegt, ist so ausgerichtet, dass das erste durchgehende Band 67 quer gegenüber dem Auslass 9 des zweiten Fluids gewandt ist. Der Durchgang 45, über den die stromabwärtige Kammer 37 erreicht werden kann, liegt quer dem Auslass 9 des zweiten Fluids gegenüber. Das zweite Fluid, das über den Durchgang 45 in die stromabwärtige Kammer 37 dringt, wird gezwungen, die gesamte stromabwärtige Kammer 37 quer zu durchströmen, um zum Auslass 9 des zweiten Fluids zu gelangen.
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Wenn der Wärmetauscher 1 mehrere Innengitter 33 umfasst, hat die Hülle 5 auf Höhe des Innengitters 33, das dem Auslass 9 des zweiten Fluids am nächsten liegt, eine spezifische Form. Sie weist insbesondere einen Zwischenbereich 71 auf, der gegenüber einem Zwischenabschnitt 73 des Außenumfangsrands 42, der zwischen dem ersten durchgehenden Band 67 und dem zweiten durchgehenden Band 69 angeordnet ist, zur Außenseite erhöht ist.
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Die Hülle 5 weist vorzugsweise zwei Zwischenbereiche 71 auf, die zur Außenseite erhöht und in Höhenrichtung E an zwei gegenüberliegenden Seiten der Hülle 5 angeordnet sind.
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Bei dem gezeigten Beispiel sind die Zwischenabschnitte 73 des Außenumfangsrands 42 die Seiten des Innengitters 33 mit einer Querausrichtung. Diese Seiten verbinden das erste und das zweite durchgehende Band 67, 69 miteinander. Einer der Zwischenabschnitte 73 ist über dem Rohrstapel 3 und der andere darunter angeordnet.
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Der bzw. jeder erhöhte Zwischenbereich 71 erstreckt sich üblicherweise quer im Wesentlichen über die gesamte Breite der Hülle 5.
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Dadurch werden zwischen dem bzw. jeden Zwischenabschnitt 73 und dem bzw. jedem anderen erhöhten Zwischenbereich 71 Umleitungen 75 für das zweite Fluid gebildet.
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Mit anderen Worten kann das zweite Fluid gleichzeitig über den Durchgang 45 und die Umleitungen 75 bis zur stromabwärtigen Kammer 37 strömen.
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Diese Umleitungen 75 ermöglichen eine Verringerung des Gegendrucks oberhalb und unterhalb des Rohrstapels 3.
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Die Innengitter 33 werden üblicherweise aus einem dünnen Metallblech mit einer Dicke zwischen 0,2 und 0,8 mm, üblicherweise mit einer Dicke von 0,4 mm gebildet.
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Sie werden vorzugsweise durch Stanzen und Falten des dünnen Metallblechs erhalten. Diese Vorgänge ermöglichen die Bildung der Öffnungen 41 für den Durchgang der Rohre 3 und der Streifen 47 und 55 sowie der nicht gefalteten Streifen 49.
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Es wird nun der Betrieb des in den Zeichnungen gezeigten Wärmetauschers beschrieben.
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Das erste Fluid strömt innerhalb der Rohre 3. Es tritt über das stromaufwärtige Ende 19 jedes Rohrs 3 darin ein und verlässt es über das stromabwärtige Ende 21.
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Das erste Fluid wird im Wärmetauscher 1 gekühlt, so dass es am stromaufwärtigen Ende 19 eine höhere Temperatur hat als am stromabwärtigen Ende 21.
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Das zweite Fluid dringt über den Einlass 7 für das zweite Fluid in das Innenvolumen 6 ein. Aufgrund des Vorhandenseins des stromaufwärts am weitesten angeordneten Innengitters 33 wird es gezwungen, quer zwischen den Rohren 3 zu strömen. Es durchquert somit die stromaufwärtige Kammer 35 in Querrichtung bis zum Durchgang 45. Auf Höhe des Durchgangs 45 folgt es einem U-förmigen Verlauf und strömt, nachdem es in die erste Zwischenkammer 39 eingetreten ist, quer in die entgegengesetzte Richtung. Es strömt erneut quer über die gesamte Breite der Zwischenkammer 39 bis zu dem Durchgang 45, der am entgegengesetzten Querende der Zwischenkammer 39 angeordnet ist.
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Aufgrund seiner Trägheit wird das zweite Fluid, das über den Durchgang 45 in die Zwischenkammer 39 dringt, zum zweiten Innengitter 33 weggeführt. Andererseits strömt ein Teil des zweiten Fluids von der stromaufwärtigen Kammer 35 über die Aussparungen 51 zur ersten Zwischenkammer 39. Der Bereich der ersten Zwischenkammer 39, der unmittelbar entlang des am weitesten stromaufwärts angeordneten Innengitters 33 liegt, wird somit von dem aus den Aussparungen 51 stammenden zweiten Fluid durchströmt.
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Das zweite Fluid strömt von der ersten Zwischenkammer 39 über den Durchgang 45, der quer auf einer Seite des Einlasses 7 des zweiten Fluids und des Auslasses 9 des zweiten Fluids angeordnet ist, und über die Aussparungen 51 des zweiten Innengitters 33 zur zweiten Zwischenkammer 39.
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Das zweite Fluid strömt von der zweiten Zwischenkammer 39 sowohl über den Durchgang 45, der von dem dritten Innengitter 33 begrenzt wird, als auch über die Umleitungen 75 in die stromabwärtige Kammer 37. Es strömt auch durch die Aussparungen 51 des dritten Innengitters 33.
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Das zweite Fluid verlässt die stromabwärtige Kammer 37 über den Auslass 9 des zweiten Fluids.
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Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile.
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Da das zweite Fluid labyrinthartig von dem Einlass 7 des zweiten Fluids über die Kammern 35, 39, 37 zum Auslass 9 des zweiten Fluids strömt, wird der Teil der Rohre, der innerhalb der stromaufwärtigen Kammer 35 angeordnet ist, besonders gut von dem zweiten Fluid durchströmt.
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Wenn das erste Fluid sehr heiß ist, gewährleistet dies ein hervorragendes Kühlen des ersten Fluids ohne das Risiko, dass das zweite Fluid siedet.
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Die Tatsache, dass die Hülle Bereiche aufweist, die zur Außenseite erhöht sind, um den Durchgang zu begrenzen, der eine Kammer mit einer anderen verbindet, ermöglicht eine einfache Anpassung des Flüssigkeitsvolumens, das durch den Durchgang strömt. Diese Anpassung erfolgt durch die Auswahl der Tiefe des erhöhten Bereichs.
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Das Vorhandensein von Aussparungen, die zwischen jedem Rohr und dem Innenrand der entsprechenden Öffnung im Innengitter angeordnet sind, ermöglicht ein Durchströmen des Bereichs des Innenvolumens unmittelbar stromaufwärts des Innengitters mit einem ausreichenden Fluss des zweiten Fluids.
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Die von den Innenrändern der Öffnungen getragenen Querstreifen ermöglichen eine Steuerung des Abstands zwischen den Rohren in Höhenrichtung. Somit sind in den Rohren keine Vorsprünge vorgesehen, über die die Rohre aneinander stoßen. Derartige Vorsprünge werden üblicherweise dazu verwendet, die Höhe des Zwischenraums zwischen den Rohren zu steuern. Sie haben den Nachteil, dass auf Höhe der Vorsprünge kein Kontakt zwischen den Rippen und der Wand des Rohrs besteht, wodurch der Wärmefluss von den Rippen zu dem Rohr unterbrochen wird.
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Dadurch, dass die Streifen in Querrichtung voneinander beabstandet sind, ist es möglich, zwischen jedem Rohr und dem Innenrand der entsprechenden Öffnung in geeigneter Weise Aussparungen zu bilden.
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Die Menge des zweiten Fluids, das durch die Aussparungen strömt, kann somit auf einfache Weise gesteuert werden, indem der Abstand zwischen den Streifen in Querrichtung angepasst wird.
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Dadurch, dass die von einem einzelnen durchgehenden Querband getragenen Streifen versetzt sind, kann ein komplexerer Strömungsweg für das zweite Fluid geschaffen werden, das durch die Aussparungen strömt. Dadurch wird der Strom verringert, der zwischen den Rohren und dem Rand der entsprechenden Öffnung fließt.
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Da die Streifen zur Innenseite der Öffnung geneigt sind, kann das Rohrbündel in Höhenrichtung innerhalb des Körpers des Wärmetauschers zentriert und der Abstand zwischen den Rohren in Höhenrichtung beibehalten werden. Dadurch wird das Einführen der Rohre in die Öffnungen relativ bequem.
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Dadurch, dass ein erstes und ein zweites durchgehendes Band mit unterschiedlichen Querbreiten auf jeder Seite der Öffnungen vorgesehen sind, ist es möglich, unter Verwendung identischer Gitter eine labyrinthartige Strömung bereitzustellen.
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Zu diesem Zweck sind aufeinanderfolgende Gitter in entgegengesetzte Richtungen gewandt.
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Dies bedeutet zusätzlich, dass das Rohrbündel in geeigneter Weise in Bezug auf die Hülle quer zentriert ist.
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Das Risiko, dass das zweite Fluid siedet, besteht hauptsächlich in der Kammer, in die der Einlass des zweiten Fluids mündet, und in manchen Fällen in der unmittelbar stromabwärts angeordneten Kammer. Das Risiko wird in der stromabwärts am weitesten angeordneten Kammer, in die der Auslass des zweiten Fluids ausmündet, als praktisch gleich null betrachtet.
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Als solches ist es vorteilhaft, mindestens einen Zwischenbereich vorzusehen, der innerhalb der Hülle in einem rechten Winkel zu dem Innengitter, das dem Auslass am nächsten liegt, zur Außenseite erhöht ist.
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Wie oben angemerkt, wird dadurch die Bildung von Umleitungen um das Innengitter ermöglicht, wodurch der Gegendruck oberhalb und unterhalb des Rohrbündels gesenkt wird. Dies ermöglicht insbesondere Steigerungen des Durchsatzes des zweiten Fluids in den Teilen der Kammern oberhalb und unterhalb des Rohrbündels. Wie oben beschrieben, hat der Einlass für das zweite Fluid in Höhenrichtung eine Höhe, die im Wesentlichen derjenigen des Rohrbündels entspricht. Sein oberes Ende erreicht das Niveau des oberen Rohrs und sein unteres Ende das des unteren Rohrs. Es ist nicht möglich, die Rippe weiter zu verlängern, da die Hülle zwischen ihren Seitenflächen und ihrer oberen/unteren Fläche gebogen ist.
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Die Volumina der stromaufwärtigen Kammer, die oberhalb und unterhalb des Rohrbündels liegen, haben weniger Kontakt mit dem in den Einlass dringenden zweiten Fluid als die zwischen den Rohren liegenden Volumina. Der erhöhte Zwischenbereich bzw. die erhöhten Zwischenbereiche ermöglichen eine Steigerung des Durchsatzes des zweiten Fluids in diesen unterversorgten Volumina der stromabwärtigen Kammer.
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Es sind zahlreiche Varianten des oben beschriebenen Wärmetauschers möglich.
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Die Erfindung ist mit geraden Rohren beschrieben worden, die sich in Längsrichtung über die gesamte Länge des Wärmetauschers erstrecken und in dieser Reihenfolge durch die stromaufwärtige Kammer, durch jede Zwischenkammer und durch die stromabwärtige Kammer verlaufen.
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Die Rohre können jegliche andere Form oder Anordnung haben. Die Rohre können z.B. U-förmig mit zwei längsverlaufenden Teilstücken sein, die durch einen Bogen verbunden sind.
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Es ist oben beschrieben worden, dass das bzw. jedes Innengitter Außenstreifen 47 aufweist, die voneinander getrennt sind. In einer Variante weist das bzw. jedes Innengitter einen einzelnen Streifen auf, der sich in Umfangsrichtung entlang des gesamten Außenumfangsrands 42 erstreckt.
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In diesem Fall wird das Gitter durch Stanzen hergestellt.
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Alternativ wird das bzw. jedes Innengitter aus einer dickeren Metallplatte hergestellt. Die Öffnungen 41 zum Aufnehmen der Rohre werden ausgeschnitten. Das Gitter weist keinen Außenstreifen 47 oder Streifen 55 zur Trennung der Rohre auf. Die Aussparungen 51 werden durch Spanabhebung oder Verformung erhalten.
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Die Breite der Querstreifen 55 ist nicht zwangsläufig konstant. Die Streifen 55 können in Querrichtung entlang einer einzelnen Öffnung eine variable Breite haben. Die Breite der Streifen 55 kann auch von einem Gitter zu einem anderen variieren.
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Es ist oben beschrieben worden, dass alle Innengitter für eine Optimierung der Herstellungskosten identisch sind. In einer Variante unterscheiden sich die Innengitter voneinander, wodurch Anpassungen des Fluidverhaltens des Wärmetauschers möglich sind.
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Bei dem beschriebenen Beispiel sind die Gitter rechteckig. In einer Variante sind sie Ovale, in einer „Rennbahn“-Ausgestaltung oder in jeglicher geeignete Form.
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In diesem Fall hat die Hülle einen Querschnitt, der der Form des Gitters entspricht.
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Bei dem gezeigten Beispiel weist der Wärmetauscher nur ein Rohr in Querrichtung auf. In einer Variante umfasst es mehrere Rohre, die in Querrichtung nebeneinander liegen.
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In einer Variante ist der Wärmetauscher nicht für den Einbau in die Abgasleitung eines Fahrzeugs vorgesehen. Er kann in jeglichem anderen Kreislauf des Fahrzeugs oder sogar in jedem anderen Gerätetyp eingebaut werden.
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Bei dem ersten Fluid handelt es sich nicht zwangsläufig um das Fahrzeugabgas, es kann jeglicher anderen Art sein. Das erste Fluid ist ein Gas oder eine Flüssigkeit und kann jeglicher Art sein.
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Ebenso ist das zweite Fluid nicht zwangsläufig ein Kühlmittel. Das zweite Fluid ist ein Gas oder eine Flüssigkeit jeglicher Art.
