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Die Erfindung betrifft ein Zwischenblech für einen Wärmetauscher, ein Rohrpaket mit mindestens einem solchen Zwischenblech bzw. Stützboden und einen Wärmetauscher mit einem solchen Rohrpaket.
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Ein bevorzugter Anwendungsfall eines solchen Wärmetauschers ist die Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine. Ein Ausführungsbeispiel findet sich in der
DE 10 2020 103 714 A1 . Der Wärmetauscher weist eine Vielzahl von Wärmetauscher-Rohren auf, durch die ein Wärmeträgerfluid geleitet werden kann. Die Wärmetauscher-Rohre bilden zusammen ein Rohrpaket, das von einem Gehäusemantel des Wärmetauschers umgeben ist. Ein Wärmeübertragungsfluid kann durch den Raum innerhalb des Gehäusemantels geleitet werden, sodass Wärme vom Abgasstrom auf das durch den Innenraum des Wärmetauschers strömende Wärmeübertragungsfluid übertragen werden kann.
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Innerhalb des Gehäusemantels ist üblicherweise mindestens ein Zwischenblech angeordnet, mit dem der Weg beeinflusst werden kann, den das Wärmeübertragungsfluid innerhalb des Gehäusemantels nimmt. Das Ziel ist zu verhindern, dass das Wärmeübertragungsfluid auf dem kürzesten Weg vom Einlass zum Auslass strömt. Stattdessen soll ein vordefinierter Strömungsweg eingehalten werden, sodass die Wärmetauscher-Rohre möglichst gleichmäßig vom Wärmeübertragungsfluid umströmt sind.
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Die Zwischenbleche, die beim Wärmetauscher der
DE 10 2020 103 714 verwendet werden, sind gestanzte Blechteile.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Zwischenbleche und den Wärmetauscher dahingehend weiterzubilden, dass der Wärmetauscher besser montiert werden kann und die Wärmeübertragung vom Abgasstrom auf das Wärmeübertragungsfluid verbessert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Zwischenblech für einen Wärmetauscher vorgesehen, mit einem ebenen Trennkörper, einem umgebogenen Außenrand, der sich im Winkel von etwa 90° relativ zur Erstreckungsebene des Trennkörpers erstreckt, und mehreren Durchgangsöffnungen für Wärmetauscher-Rohre, wobei jede der Durchgangsöffnungen mit einem tief gezogenen Kragen versehen ist. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Zwischenblech mittels eines Tiefzieh-Prozesses herzustellen, sodass die Durchgangsöffnungen zur Aufnahme der Wärmetauscher-Rohre mit sehr hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Dabei können mit sehr wenigen Arbeitsschritten alle erforderlichen geometrischen Merkmale des Zwischenblechs hergestellt werden, insbesondere der Außenrand, der zur Befestigung innerhalb des Gehäusemantels des Wärmetauschers dient, und die Durchgangsöffnungen. Bei der Herstellung der Durchgangsöffnungen werden die Kragen gebildet, die eine sehr hohe Steifigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Ebene bewirken, in der sich der Trennköper erstreckt. Es besteht daher keinerlei Risiko, dass sich der Trennkörper beim Einschieben der Wärmetauscher-Rohre in die Durchgangsöffnungen plastisch verformt. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich bei der Herstellung der Kragen ein Radius am Übergang zum Trennkörper ausbildet, der als Einführschräge wirkt und die Montage der Wärmetauscher-Rohre erleichtert.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Kragen und der Außenrand auf derselben Seite des Trennkörpers befinden. Dies ermöglicht es, den Außenrand und die Kragen mit demselben Tiefziehschritt herzustellen.
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Vorzugsweise ist der Kragen geschlossen umlaufend ausgeführt, sodass sich eine besonders hohe Steifigkeit gegen Durchbiegen ergibt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Außenrand geschlossen umlaufend ausgeführt ist. Hierdurch ergibt sich eine hohe Festigkeit des Zwischenblechs und außerdem eine sehr große zur Verfügung stehende Fläche, um das Zwischenblech mit dem Gehäusemantel zu verbinden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Durchgangsöffnungen der Trennkörper eine Höhe aufweist, die kleiner ist als die Höhe der Durchgangsöffnungen. Die Wärmetauscher-Rohre können dementsprechend sehr nah beieinander angeordnet werden, wodurch geringe Abmessungen erhalten werden. Trotz der geringen Höhe des Trennkörpers ergibt sich aufgrund der Kragen eine sehr hohe Steifigkeit.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Tiefe der Kragen von benachbarten Durchgangsöffnungen größer ist als die Höhe des zwischen den Durchgangsöffnungen angeordneten Trennkörpers, wodurch sich eine sehr hohe Biegesteifigkeit des Trennkörpers im Bereich zwischen den Durchgangsöffnungen gegen Verformungen in einer Richtung ergibt, die senkrecht auf der Ebene des Trennkörpers steht.
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Der Trennkörper kann zwischen zwei benachbarten Durchgangsöffnungen mit mindestens einer Überströmöffnung versehen sein, die vorzugsweise langgestreckt ist, insbesondere mit einer Breite, die um mindestens den Faktor drei größer ist als ihre Höhe. Mit den Überströmöffnungen kann die Wärmeübertragung vom Abgas auf das Wärmeübertragungsfluid optimiert werden. Insbesondere kann verhindert werden, dass das Wärmeübertragungsfluid überhitzt wird und lokal zu sieden beginnt. Insbesondere sind die Überströmöffnungen in einer gezielten Strömungsberechnung ausgelegt, um je nach Anwendungsfall ein optimales Verhältnis zwischen Wärmeübertragung aus dem Abgas und der sicheren Vermeidung des Überhitzens einzustellen.
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Vorzugsweise weist das Zwischenblech eine Wandstärke im Bereich von 0,2-0,5 mm auf, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,4 mm. Aufgrund der besonderen geometrischen Form des Zwischenblechs ergibt sich trotz der sehr geringen Wandstärke eine hohe mechanische Stabilität.
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Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist auch ein Rohrpaket mit mehreren Wärmetauscher-Rohren und mindestens einem Zwischenblech der vorstehend genannten Art vorgesehen, wobei die Wärmetauscher-Rohre sich durch die Durchgangsöffnungen erstrecken und in den Kragen mit einer Presspassung aufgenommen sind. Auf diese Weise ergibt sich ein stabiles Zwischenprodukt, das dann weiterverarbeitet werden kann, beispielsweise indem die Wärmetauscher-Rohre mit den Kragen der Durchgangsöffnungen verlötet werden. Aufgrund der Presspassung liegen die Kragen eng an den Wärmetauscher-Rohren an, sodass mit einer minimalen Menge an Lotmaterial eine zuverlässige Verbindung erzielt werden kann.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch einen Wärmetauscher mit einem Rohrpaket der vorstehend erläuterten Art, wobei der Wärmetauscher einen Gehäusemantel aufweist und der Außenrand mit dem Gehäusemantel verlötet ist. Der Außenrand stellt eine ausreichend große Fläche zum Verlöten mit dem Gehäusemantel bereit, wobei er im Ausgangszustand leicht konisch ausgeführt sein kann, sodass er sich elastisch an den Gehäusemantel anlegt und dort dementsprechend ein sehr enger Lötspalt vorhanden ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Abgasanlage für eine Verbrennungkraftmaschine, die einen solchen Wärmetauscher enthält.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Ansicht einen Wärmetauscher mit Gehäusemantel und darin eingesetztem Rohrpaket;
- - 2 ein beim Wärmetauscher von 1 verwendetes Rohrpaket mit zwei Zwischenblechen;
- - 3 eine Draufsicht auf eines der beim Rohrpaket von 2 verwendeten Zwischenbleche;
- - 4 eine perspektivische Teilansicht des Zwischenblechs von 3;
- - 5 einen Schnitt entlang der Ebene V-V von 3;
- - 6 in vergrößertem Maßstab das Detail VI von 5; und
- - 7 eine geschnittene Teilansicht des Zwischenblechs von 4.
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In 1 ist schematisch ein Wärmetauscher 10 gezeigt, der einen Gehäusemantel 12 aufweist, in dem ein Einlass 14 und ein Auslass 15 vorgesehen sind.
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Innerhalb des Gehäusemantels 12 ist ein Rohrpaket 16 aufgenommen, das in 2 zu sehen ist.
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Der gezeigte Wärmetauscher 10 kann insbesondere dafür verwendet werden, Wärme von einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine zurückzugewinnen. Der Abgasstrom tritt als Wärmeträgermedium G auf der in 1 linken Seite in den Wärmetauscher ein und auf der rechten Seite mit geringerer Temperatur wieder aus. Ein Wärmeübertragungsfluid F tritt durch den Einlass 14 in den Wärmetauscher 10 ein und durch den Auslass 15 mit höherer Temperatur wieder aus.
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Das Rohrpaket 16 weist zum Zwecke der Wärmeübertragung vom Wärmeträgermedium G (also dem Abgas) auf das Wärmeübertragungsfluid F mehrere Wärmetauscher-Rohre 18 auf (im gezeigten Ausführungsbeispiel sechs Stück), die hier mittels Zwischenblechen 20 zum Rohrpaket zusammengefügt sind. Zusätzlich können stirnseitige Bleche vorgesehen sein, von denen in 1 eines mit dem Bezugszeichen 22 zu sehen ist.
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Um die Wärme des Abgasstroms zurückzugewinnen, wird dieses durch die Wärmetauscher-Rohre 18 geleitet. Die Wärmetauscher-Rohre 18 werden von einem Wärmeübertragungsfluid umspült, das durch den Einlass 14 in das Innere des Wärmetauschers 10 eintritt und am anderen Ende aus diesem austritt.
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Innerhalb der Wärmetauscher-Rohre 18 ist jeweils eine Vielzahl von Wärmeübertragungsblechen angeordnet, sodass eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeübertragung vom Wärmeträgerfluid zur Außenfläche der Wärmetauscher-Rohre 18 und von dort auf das Wärmeübertragungsfluid zur Verfügung steht.
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Die Zwischenbleche 20 dienen zum einen dazu, den Strömungsweg für das Wärmeträgerfluid innerhalb des Gehäusemantels zu definieren. Zum anderen dienen sie dazu, die Wärmetauscher-Rohre 18 mechanisch aneinander zu befestigen.
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Eines der Zwischenbleche 20 ist in den 3 bis 6 im Detail gezeigt.
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Das Zwischenblech 20 weist einen ebenen Trennkörper 22 auf, dessen Hauptfunktion darin besteht, das Wärmeübertragungsfluid gezielt durch das Gehäuse zu leiten und die Wärmeübertragung vom Wärmeträgerfluid (also dem Abgas) auf das Wärmeübertragungsfluid zu maximieren, ohne dieses dabei zu überhitzen.
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Im Trennkörper sind mehrere Durchgangsöffnungen 24 für die Wärmetauscher-Rohre 18 vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind es sechs Durchgangsöffnungen 24.
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Jede der Durchgangsöffnungen erstreckt sich über nahezu die gesamte Breite des Zwischenblechs.
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Jede Durchgangsöffnung 24 ist mit einem Kragen 26 versehen, der mittels einer abgerundeten Kante 28 von der Ebene des Trennkörpers 22 ausgeht.
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Alle Kragen 26 sind hier in Umfangsrichtung geschlossen ausgeführt und erstrecken sich auf derselben Seite des Trennkörpers 22.
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Die Höhe h des Trennkörpers 22 im Bereich zwischen benachbarten Durchgangsöffnungen 24 ist deutlich kleiner als die Höhe H der Durchgangsöffnungen. Trotz der geringen Höhe ergibt sich eine hohe mechanische Festigkeit, da die Kragen 26 eine hohe Biegesteifigkeit bei Belastungen in einer Richtung senkrecht zu der Ebene bieten, in der sich der Trennkörper 22 erstreckt.
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Wie in 6 zu sehen ist, ist die Tiefe t der Kragen 26 größer als die Höhe h der Trennkörper im Bereich zwischen benachbarten Durchgangsöffnungen 24.
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Die Überströmöffnungen 32 werden in der Regel auf der Basis einer Strömungssimulation ermittelt und dimensioniert.
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Das Zwischenblech 20 ist mit einem außenseitig umlaufenden Außenrand 30 versehen, der zur Verbindung mit dem Gehäusemantel 12 dient.
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Der Trennkörper 22 kann insbesondere im Bereich zwischen den Durchgangsöffnungen 24 mit Überströmöffnungen 32 versehen sein, die ein Überströmen des Wärmeübertragungsfluids von einer Seite des Zwischenblechs auf die andere Seite ermöglichen. Hiermit kann das Wärmeübertragungsverhalten in einer gewünschten Weise beeinflusst und das Risiko von lokalen Überhitzungen des Wärmeübertragungsfluids reduziert werden.
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In 3 sind drei Überströmöffnungen 32 in dem stegartigen Bereich des Trennkörpers 22 gezeigt, der sich zwischen der untersten und der zweituntersten Durchgangsöffnung 24 befindet. Weitere mögliche Positionen und Anordnungen von Überströmöffnungen sind an anderen Positionen im Trennkörper lediglich angedeutet.
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Die Überströmöffnungen 32 können, wie in 3 dargestellt, die Form eines Langlochs haben. Alternativ können die Überströmöffnungen mit einem runden oder einem ovalen Querschnitt ausgeführt sein, wobei Position und Abmessungen so gewählt werden, dass sich das gewünschte Strömungsverhalten ergibt. Aufgrund von lokalen Strömungsbedingungen können auch komplexere Geometrien zur gezielten Optimierung zum Einsatz kommen.
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Bei der Montage werden die Wärmetauscher-Rohre 18 in die Durchgangsöffnungen 24 eingeschoben, wobei der Radius 28 am Übergang vom Trennkörper 22 zu den Kragen 26 nach Art einer Einführschräge wirkt.
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Da die Zwischenbleche 20 vorzugsweise in einem Tiefzieh-Prozess hergestellt werden, können die Durchgangsöffnungen 24 mit sehr geringen Toleranzen hergestellt werden, sodass die Wärmetauscher-Rohre 18 mit einer leichten Presspassung innerhalb des entsprechenden Kragens 26 gehalten sind. Anschließend können die Wärmetauscher-Rohre 18 mit den Zwischenblechen 20 verlötet werden. Das so erhaltene Rohrpaket 16 kann dann mit dem Gehäusemantel 12 umgeben und in diesen eingelötet werden.
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Als Material für die Zwischenbleche 20 wird vorzugsweise nicht rostender Stahl verwendet, der eine sehr geringe Wandstärke in der Größenordnung von 0,4 mm haben kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020103714 A1 [0002]
- DE 102020103714 [0004]
