DE19955939A1

DE19955939A1 - Wärmetauscher zur Kühlung von Abgasen und ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs für einen Wärmetauscher

Info

Publication number: DE19955939A1
Application number: DE1999155939
Authority: DE
Inventors: Gerd Lotzgeselle
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-11-20
Filing date: 1999-11-20
Publication date: 2001-05-23
Also published as: AU1393901A; WO2001038814A1

Abstract

Es wird ein Wärmetauscher zur Kühlung von Abgasen, welcher mindestens ein Rohr (1) umfaßt, das an der Innenseite seiner Rohrwand (2) mindestens eine Erhebung (4) aufweist, die in den Innenraum des Rohrs (1) ragt, vorgeschlagen. Die wenigstens eine Erhebung (4) ist durch Prägung der Rohrwand (2) von außen entstanden. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs (1) für einen Wärmetauscher beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Kühlung von Abgasen, welcher mindestens ein Rohr umfaßt, das an der Innenseite seiner Rohrwand mindestens eine Erhebung aufweist, die in den Innenraum des Rohrs ragt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs für einen Wärmetauscher.

Wärmetauscher werden zum Abkühlen und Erhitzen von Medien eingesetzt. Im Betrieb werden sie von zwei gas-, dampfförmigen oder flüssigen Medien unterschiedlicher Temperatur durchströmt. Die Medien sind dabei im Wärmetauscher durch eine feste Wand voneinander getrennt. Über die Wand wird durch Wärmeleitung die Wärme des wärmeren Mediums auf das kältere Medium übertragen.

Wärmetauscher finden beispielsweise bei Systemen zur Abgasrückführung Verwendung, bei denen mit Hilfe eines Wärmetauschers die Abluft eines Verbrennungsmotors abgekühlt wird.

Systeme zur Abgasrückführung sind in den Druckschriften US 5 617 726 und US 5 425 239 beschrieben. Bei diesen Systemen wird der gekühlte Abgasstrom in den Verbrennungsraum zurückgeführt und bedingt durch die Kühlung des Abgasstroms eine Verringerung der No_x und Rußwerte erzielt.

Bei der Verwendung von Wärmetauschern in einem System zur Abgasrückführung taucht häufig das Problem auf, daß die Abluft vor Rückführung in den Verbrennungsraum nicht ausreichend abgekühlt wurde. Aus Platzgründen kann dieses Problem oftmals nicht durch Einsatz eines größeren Wärmetauschers gelöst werden.

Bekannt ist, daß durch eine Verwirbelung der Strömung des Abgases im Wärmetauscher eine höhere Wärmeaustauschrate erreicht werden kann. Um eine Verwirbelung des Abgasstromes zu erreichen werden beispielsweise Störkanten in den Abluftkanal angebracht.

Aus der DE 195 40 683 A1 ist ein Wärmeübertrager zum Kühlen von Abgas bekannt. Bei diesem ist als Strömungskanal für das Abgas ein Bündel von Rechteckrohren vorgesehen. Die Rechteckrohre sind jeweils aus zwei Rohrschalen zusammengeschweißt und mit paarweise angeordneten, nach innen jeweils von gegenüberliegenden Wänden abragenden Laschen versehen. Diese sind schräg zur Strömungsrichtung des Abgases angeordnet und wirken als Störkanten. Bei der Herstellung des Wärmeübertragers werden zunächst die Rohrhälften mit den Laschen versehen und anschließend zusammengeschweißt. Die Laschen können dabei an die Rohrhälften angeschweißt, in vorgesehene Schlitze eingesteckt oder durch Tiefziehen und Zusammendrücken der Rohrhälften herausgeformt werden. Nachteilig bei diesem Wärmeübertrager ist, daß der große Fertigungsaufwand bei der Herstellung hohe Kosten verursacht.

In der DE 33 17 986 A1 ist ein Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärmeenergie und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers beschrieben. Der Wärmetauscher besteht aus einem schraubenlinienförmig gewellten Rohr aus korrosionsbeständigem Metall, durch welches das Abgas hindurchströmt. Dieses Rohr ist konzentrisch von einem weiteren Metallrohr umgeben. Der Raum zwischen den Rohren wird von einem Wärmetauschermedium durchströmt. Das gewellte Rohr weist eine wellenförmig ausgebildete Rohrwand auf. Die Wellenkuppen der Wellung bilden Erhebungen an der Innenseite der Rohrwand, die in den Innenraum des Rohrs ragen. Sie bewirken eine Verwirbelung der Strömung, was zu einer Erhöhung der Wärmetauschrate führt. Das in der genannten Druckschrift beschriebene Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers umfaßt mehrere Schritte. Zunächst wird ein Band aus einem korrosionsbeständigen Material längseinlaufend zum Schlitzrohr geformt. Anschließend wird die Längsnaht des Schlitzrohres verschweißt. Daraufhin wird das geschweißte Rohr schraubenlinienförmig gewellt und dieses durch eine die Wellung verschiebende Formvorrichtung geführt. Abschließend wird um das gewellte Rohr ein Metallband längseinlaufend zum Rohr geformt, längsnahtverschweißt und satt auf das Wellrohr aufgezogen. Die Herstellung des beschriebenen Wärmetauschers erweist sich als sehr aufwendig und somit kostenintensiv.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher einfach und somit kostengünstig herzustellen ist. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs für einen solchen Wärmetauscher vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfaßt mindestens ein Rohr, welches an der Innenseite seiner Rohrwand mindestens eine Erhebung aufweist, die in den Innenraum des Rohrs ragt. Die wenigstens eine Erhebung ist durch Prägung der Rohrwand von außen entstanden. Die Herstellung eines solchen Wärmetauschers erweist sich als besonders einfach und daher kostengünstig. Es ist nicht wie nach dem Stand der Technik erforderlich, in aufwendigen Verfahrensschritten Störkanten an der Innenseite der Rohrwand anzubringen oder in einem mehrstufigen Verfahren ein Wellrohr herzustellen. Die Rohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden lediglich von außen geprägt, so daß die Rohrwand an der Stelle, an welcher der Prägestempel ansetzt, sich verformt und aufgrund dessen an der Innenseite der Rohrwand eine Erhebung ausgebildet wird.

Wird der Prägevorgang wiederholt, können beliebig viele Erhebungen an unterschiedlichen Stellen je nach Bedarf erzeugt werden. Die Ausgestaltung der Erhebung ist durch die Form des verwendeten Prägestempels die Höhe der Erhebung durch den Anpreßdruck gegeben. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann auch nachträglich durch das Einbringen weiterer Prägungen in das Rohr schnell geänderten Anforderungen angepaßt werden.

In Betrieb wird das oder die Rohre des Wärmetauschers von der zu kühlenden Abluft durchströmt und von einem Kühlmedium umströmt. Der Innenraum des Rohrs stellt den Strömungskanal für die Abluft dar. Die durch die Prägung gebildete Erhebung ragt in den Innenraum und somit in den Strömungskanal und bewirkt, daß sich Turbulenzen bzw. Verwirbelungen bilden. Auf diese Weise erhöht sich der Wärmeaustausch zwischen Abluft und Kühlmedium. Aufgrund der durch die Prägung bedingten Verformung der Rohrwand erhöht sich außerdem die wärmeübertragende Fläche, was außerdem zu einer Erhöhung der Wärmetauschrate führt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verläuft die wenigstens eine Erhebung linienartig entlang der Innenseite der Rohrwand. Ein linienartiger Verlauf der Erhebung wird dadurch erreicht, daß beim Prägevorgang das Rohr in Bezug zum Prägestempel oder der Prägestempel bezüglich des Rohrs bewegt wird.

Von Vorteil ist es, wenn die Erhebung wendelartig bzw. helixartig an der Innenseite der Rohrwand verläuft. Bei dieser Ausführungsform weist die Erhebung einen spiralalartigen Verlauf auf. Zur Herstellung eines solchen Rohres wird beispielsweise das Rohr während des Prägevorgangs um seine Längsachse gedreht und zusätzlich longitudinal zu seiner Längsachse bewegt. Die Steigung des wendelartigen Verlaufs der Erhebung und somit die Anzahl der Windungen wird bei konstanter Drehgeschwindigkeit des Rohrs durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der das Rohr longitudinal zu seiner Längsachse bewegt wird. Je geringer die Steigung ist, umso mehr Windungen weist die Erhebung auf. Die Ausrichtung der Erhebung zur Strömungsrichtung der Abluft ist ebenfalls durch die Steigung vorgegeben. Die Ausrichtung der Erhebung und die Anzahl der Windungen haben einen direkten Einfluß auf das Maß der Verwirbelungen im Innenraum des Rohrs und somit auf die Wärmetauschrate.

Wird das Rohr nicht entlang seiner Längsachse bewegt sondern nur um diese gedreht, weist die Erhebung einen in sich geschlossenen kreisförmigen Verlauf vergleichbar einem Ring auf. Dieser Vorgang kann beliebig oft an unterschiedlichen Stellen des Rohr wiederholt werden. Dann weist das Rohr in festgelegten Abständen Bereiche verringerten Durchmessers, sogenannte Einschnürungen, auf. Dies läßt sich selbstverständlich auch durch die Verwendung mehrerer nebeneinander angeordneter Prägestempel in einem Verfahrensschritt erreichen.

Je nach Anwendung kann die Erhebung scharfkantig oder auch gewölbt, das heißt ohne scharfe Kanten, ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann nur ein Rohr oder eine Vielzahl von Rohren, je nach Anwendung, umfassen. Ist eine Vielzahl von Rohren vorgesehen, sind diese bevorzugt im Abstand voneinander parallel zueinander als Bündel geführt. Ein Bündel von Rohren erweist sich gegenüber einem einzigen Rohr mit großem Durchmesser als vorteilhaft, da bei einem Rohrbündel das Verhältnis von wärmeübertragender Fläche zu Volumen günstiger ist.

Zur Herstellung eines Rohrs für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird lediglich in die Rohrwand des Rohrs von außen mit mindestens einem Prägestempel wenigstens eine Prägung eingebracht.

Bevorzugt wird zur Herstellung des Rohrs ein Glattrohr, das heißt ein Rohr mit einer glatten Oberfläche verwendet. Glattrohre sind in unterschiedlichen Ausführungsformen kostengünstig erhältlich.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens eine Linienprägung in die Rohrwand eingebracht. Eine Linienprägung wird vorgenommen, indem beim Prägevorgang entweder das Rohr in Bezug zum Prägestempel oder der Prägestempel in Bezug zum Rohr bewegt wird.

Wird ein zylindrisches Rohr verwendet, kann durch Drehen des Rohrs um seine Achse beim Prägevorgang eine Prägung in die Rohrwand eingebracht werden, die einen in sich geschlossenen Verlauf der Erhebung an der Innenseite der Rohrwand erzeugt.

Wird gleichzeitig das Rohr entlang seiner Längsachse oder auch der Prägestempel entlang der Oberfläche des Rohrs geführt, erzeugt der Prägevorgang einen wendelartigen Verlauf der Erhebung entlang der Innenseite der Rohrwand. Bei einer solchen Vorgehensweise wird bevorzugt eine Rolle als Prägestempel verwendet. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten zwei Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Rohrs eines Wärmetauschers;

Fig. 2 den Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einem System zur Abgasrückführung in stark vereinfachter schematischer Darstellung.

Das in Fig. 1 dargestellte zylindrische Rohr 1 weist an der Außenseite seiner Rohrwand 2 drei langgezogene, linienartige Vertiefungen 3 mit dreieckigem Querschnitt auf, die jeweils in sich geschlossen ausgebildet sind und die Rohrwand 2 in gewissen Abständen voneinander umfassen.

Die Innenseite der Rohrwand 2 weist korrespondierend zu den Vertiefungen 3 scharfkantige Erhebungen 4 auf. Diese ragen in den Innenraum des Rohrs 1, so daß sich der Querschnitt des Rohrs 1 an diesen Stellen verengt.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einem System zur Abgasrückführung. Der Wärmetauscher umfaßt ein Rohr 1, welches über einen Zufluß 5 und einen Abfluß 6 mit einem Verbrennungsmotor 7 verbunden ist. Das Rohr 1 wird von der Abluft des Verbrennungsmotors 7 durchströmt. Entlang der Außenseite seiner Rohrwand 2 wird es von einem Kühlmedium umströmt. Der Wärmeübergang erfolgt über die Rohrwand 2, so daß das Kühlmedium von der Abluft Wärme aufnimmt und diese sich folglich abkühlt.

Die Pfeile verdeutlichen, daß die Erhebungen 4, die in den Strömungskanal der Abluft ragen, bewirken; daß die Strömung der Abluft an diesen Stellen abreißt, was zu Verwirbelungen und damit zu einer verbesserten Wärmeübertragung führt.

Claims

1. Wärmetauscher zur Kühlung von Abgasen, welcher mindestens ein Rohr umfaßt, das an der Innenseite seiner Rohrwand mindestens eine Erhebung aufweist, die in den Innenraum des Rohrs ragt, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) durch Prägung der Rohrwand (2) von außen entstanden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) entlang der Innenseite der Rohrwand (2) linienartig verläuft.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) wendelartig an der Innenseite der Rohrwand (2) verläuft.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) einen in sich geschlossenen Verlauf hat.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) scharfkantig ausgebildet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) gewölbt ausgebildet ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Erhebung (4) senkrecht von der Innenseite der Rohrwand (2) in den Innenraum des Rohrs (1) ragt.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Rohr (1) aus einem korrosionsbeständigen Metall gefertigt ist.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenzeichnet, daß dieser eine Vielzahl von Rohren (1) umfaßt.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) im Abstand voneinander parallel zueinander geführt sind.

11. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs für einen Wärmetauscher, bei dem in die Rohrwand (2) des Rohrs (1) von außen mit mindestens einem Prägestempel wenigstens eine Prägung eingebracht wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glattrohr verwendet wird.

13. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Linienprägung in die Rohrwand (2) des Rohrs (1) eingebracht wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Prägevorgang das Rohr (1) in Bezug zum mindestens einen Prägestempel bewegt wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß beim Prägevorgang der mindestens eine Prägestempel in Bezug zum Rohr (1) bewegt wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrisches Rohr verwendet wird.

17. Verfahren zur Herstellung eines Rohrs nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Prägestempel eine Rolle ist.