DE2742745C3 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zwei strömenden Medien, bestehend aus einem Körper mit mindestens einem Paar einander gegenüberliegender, gegeneinander offener ίο Halbschalen, die bei mehreren Paaren nebeneinander angeordnet sind und Kammern für einen Gasstrom bilden.

Ein Wärmetauscher dieser Art ist beispielsweise durch die DE-PS 7 39 116 und durch die DE-PS 8 86 918 bekannt. Er ermöglicht den Austausch von Wärme zwischen den beiden strömenden Medien, wobei beispielsweise ein erhitztes Gas durch die mit den Halbschalen gebildeten Kammern hindurchgeführt und eine Flüssigkeit außen an den Kammern vorbeigeführt wird. Dabei ist im Sinne eines anzustrebenden optimalen Wärmeübergangs eine möglichst großflächige Wechselwirkung zwischen den beiden Medien anzustreben, was bedeutet, daß die Flüssigkeit möglichst an der gesamten Außenfläche der Kammern vorbeizuführen ist.

Die beiden vorstehend genannten Druckschriften betreffen die Konstruktion der Kammern für die Gasführung, geben jedoch keinen Hinweis darauf, wie etwa ein Wärmetauscher aufgebaut sein muß, um bei möglichst einfachem Aufbau eine optimale Vorbeiführung der Flüssigkeit an seinen Kammern zu gewährleisten.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der bei Ausnutzung des fr*· bekannten Kammerprinzips sehr einfach zu einem kompakten Block ergänzt werden kann, in dessen Innenraum die Flüssigkeit möglichst optimal an den Kammern vorbeigeführt werden kann.

Ein Wärmetauscher eingang? genannter Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß gekennzeichnet durch je ein Abdeckelement, das mit den Halbschalen Kanäle für eine Flüssigkeit begrenzt

Durch diese Konstruktion ist es möglich, einen Wärmetauscher aus nur zwei Arten unterschiedlicher Grundelemente aufzubauen und doch eine großflächige Wechselwirkung zwischen den beiden Medien zu erzielen. Zusätzlich zu den Halbschalen sind lediglich die Abdeckelemente erforderlich, die seitlich den Außenflächen der Halbschalen gegenüberstehend anzuordnen sind. Zwischen den Abdeckelementen und den Halbschalen ist dann ein Raum für die Flüssigkeitsströmung ausgebildet, der leichi durch den Abstand der Abdeckelemente zu den Halbschalen so dimensioniert werden kann, daß bei einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit ein für den Wärmetausch optimaler Strömungsquerschnitt erreicht wird. Da ferner die nebeneinander angeordneten Kammern mit ihrer Außenseite in Richtung des Strömungsweges der Flüssigkeit einen laufend sich verändernden Abstand zu den Abdeckelementen haben, wird eine Verwirbelung der Flüssigkeit während ihres Vorbeiströmens an den Kammern erzeugt, die den Wärmetausch besonders begünstigt.

Infolge des kompakten Aufbaus kann ein Wärmetauscher nach der Erfindung auch direkt beispielsweise an eine Wärmekraftmaschine angebaut sein, ohne daß separate Verbindungsleitungen erforderlich wären. Der kompakte Aufbau führt ferner zu einem hohen Verhältnis zwischen Wärmetauschfläche und innerem Volumen, wodurch eine Erhöhung des Wärmetauschwirkungsgrades gegenüber bekannten Einrichtungen dieser Art erzielt wird.

Der Wärmetauscher kann in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens noch verbessert werden, wenn die durch die Halbschalen gebildeten Kammern eine im lotrechten Längsschnitt gewellte Form aufweisen. Dadurch wird die Wärmetauschfläche und damit ihr Verhältnis zum inneren Volumen des Wärmetauschers weiter erhöht.

Eine weitere Verbesserung des Wärmetauschs ergibt sich, wenn die sich in Längsrichtung des Wärmetauschers erstreckenden Kammern an ihren einander benachbarten Enden so miteinander verbunden sind, daß sie für ein durch sie geführtes Gas einen mäanderförmigen Strömungsweg bilden. Dadurch wird die Durchlaufzeit des Gases durch den Wärmetauscher insgesamt verlängert und außerdem ist eine gleichmäßigere Erwärmung aller Kammern gewährleistet.

Vorteilhaft können in den Abdeckelementen Innenrippen zur Versteifung und zur Strömungslenkung vorgesehen sein. Diese Innenrippen können nämlich so angeordnet werden, daß sie die Strömung der Flüssigkeit an den Außenseiten der Kammern in zwischen den Kammern gebildete Zwischenräume lenken, wodurch die möglichst großflächige Wechselwirkung zwischen den beiden Medien weiter verbessert wird.

Die Halbschalen und die Abdeckelemente weisen zweckmäßig angegossene Eintritts- und Austrittselemente für Gas und Flüssigkeit auf. Dadurch erübrigen sich besondere Eintritts- und Austrittsanschlüsse, die zusätzlich an ein eventuelles separates Gehäuse angebaut werden müßten. Dies erweist sich als besonders günstig, wenn aus wenigen Grundelementen Wärmetauscher unterschiedlicher Größe zu fertigen sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine vordere Seitenansicht in einem Teilschnitt 1-1 nach Fig.2 für einen Wärmetauscher nach der Erfindung ohne Abdeckungen, Fig.2 eine Draufsicht mit einem Schnitt II-1I nach

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F i g. 3 den Schnitt IH-IIl nach F i g. 2 mir angebauten Abdeckungen, und

Fig.4 eine Vorderansicht eines Wärmetauschers nach der Erfindung mit angebrachten Abdeckungen.

In den Figuren ist ein Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine dargestellt, an der mit Schrauben 2 ein Wärmetauscher 3 nach der Erfindung befestigt ist. Der Wärmetauscher 3 kann aus Leichtmetallguß, beispielsweise aus Aluminium, bestehen.

Der Wärmetauscher 3 besteht aus zwei Halbschalen 4 und 5, die identisch ausgebildet und zueinander symmetrisch angeordnet sind. Jede Halbschale 4 und 5 hat eine gewellte Wandung 6 im Querschnitt, die mit flachen Innenflächen 7 versehen ist, die in gegenseitiger flächiger Berührung stehen. Die Halbschalen 4 und 5 sind durch Schrauben 8 miteinander verbunden.

Durch geeignete Formgebung der Wände 6 sind zwischen den Halbschalen 4 und 5 vertikal ausgerichtete Kammern 9 gebildet, die in Längsrichtung in mehreren Reihen angeordnet sind, welche paarweise an abwechselnden Enden miteinander verbunden sind, so daß ein mäanderförmiger Strömungsweg im Wärmetauscher 3 gebildet ist Jede Kammer 9 hat einen gewtilten Längsschnitt 10, wie er in F i g. 2 dargestellt ist.

Die in Fig.2 gezeigten Pfeile verdeutlichen die Gasströmung durch den Wärmetauscher. Die beiden Halbschalen 4 und 5 bilden nach dem Zusammenbau längs einer Kante mehrere Gaseintrittskanäle 11, die auf entsprechende Abgasöffnungen eines Zylinderkopfes 1 einer Brennkraftmaschine (F i g. 2) ausgerichtet und mit diesen verbunden sind. Die Eintrittskanäle 11 sind beim Gießen der Halbschalen vorgeformt, und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier Eintrittskanäle 11 vorgesehen. In der gegenüberliegenden Kante der mit den beiden Halbschalen 4 und 5 gebildeten Anordnung ist ein einzelner Gasaustritt 12 vorgesehen.

Die Außenwände 16 und 17 der Halbschalen 4 und 5 sind mit Umfangsflanschen 13 mit etwa Rechteckform versehen, in denen Öffnungen 14 unterschiedlicher Form angeordnet sind. Ferner sind hier untrr gleichmäßigem Abstand mit Gewindebohrungen versehene Ansätze 15 vorgesehen.

Abdeckelemente 18 und 19 sind außen an den Halbschalen 4 und 5 mit Schrauben 20 befestigt, die durch die Ansätze 15 geführt sind. Jede Abdeckung 18, 19 hat Innenrippen 21 und jeweils einen Anrchlu3stutzen in Form einer ringförmigen hochstehenden Wandung, der einen Flüssigkeitseintritt 22 bzw. einen Flüssigkeitsaustritt 23 bildet.

Wie aus F i g. 3 hervorgeht, bietet der Zwischenraum 24 zwischen den Halbschalen 4, 5 und den Abdeckelementen 18,19 eine beachtliche Strömungskapazität.

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55 Der dargestellte Wärmetauscher dient zur Aufheizung von Wasser unter Ausnutzung der Abgase einer Wärmekraftmaschine, beispielsweise einer Brennkraftmaschine als Wärmequelle. Die dem Wasser zugeführte Wärmeenergie wird dann weiter ausgenutzt

Heiße Abgase werden durch die Eintrittskanäle 11 des Wärmetauschers 3 aus den Abgasöffnungen des Maschinenzylinderkopfes 1 eingeführt Die heißen Gase gelangen in die Kammern 9 und strömen durch die paarweise angeordneten Kammern parallel, so daß sie über einen mäanderförmigen Weg durch den Wärmetauscher geführt werden. Die Gase werden dann durch den Austrittskanal 2 abgeführt Der Strömungsweg der Gase ist in F i g. 2 durch Pfeile dargestellt

Während des Durchgangs durch den Wärmetauscher 3 geben die Gase ihre Wärme auf das Wasser ab, welches durch den umgebenden Zwischenraum 24 strömt. Das Wasser wird bei 22 eingeführt, strömt durch die Öffnungen 14 und wird bei 23 wieder abgeführt, nachdem es Wärme durch Wärmeaustausch mit den heißen Abgasen aufgenommen hat.

Bei seinem Durchgang durch den Wärmetauscher erfährt das Wasser eine gewisse verschlungene und turbulente Bewegung, die für einen wirksamen Wärmeaustausch vorteilhaft ist. Hierzu tragen die Innenrippen 21 an den Abdeckungen 18 und 19 bei, die zusätzlich zu einer Strömungslenkung eine Versteifung der Abdeckelemente bewirken.

Die Bestandteile des Wärmetauschers sind vorteilhaft nach dem Modulprinzip ausgebildet, so daß die Abdeckungen 18, 19 und die Halbschalen 4, 5 auseinandergebaut und durch Elemente anderer Kapazität ersetzt werden können. Durch das Modulprinzip kann die Leistung des Wärmetauschers erforderlichenfalls erhöht werden.

Durch Entfernung einer der Abdeckungen 18,19 kann ein weiteres Paar von Halbschalen 4, 5 eingesetzt und mit Schrauben 20 entsprechend größerer Länge zusammengeschraubt werden. In diesem Fall werden der Gasaustritt 12 und der Wasseraustritt 23 des bereits vorhandenen Wärmetauschers über geeignete Leitungen mit den Kammern 9 des Zusatzkörpers bzw. mit dem zusätzlichen Abdeckungselement verbunden, so daß trotz der vertauschten Funktionen des Flüssigkeitseintritts und -austritts der zusätzliche Wärmetauscher eine weitere Stufe des Wärmeaustauschs zwischen den heißen Gasen und dem Wasser ermöglicht.

Durch die Erfindung wird ein Wärmetauscher geschaffen, der besonders praktisch und leistungsfähig ist und aus nur vier Grundbestandteilen als Aluminium-Gußkörper hergestellt werden kann. Diese Konstruktion vermeidet besondere Eintritts- und Austrittsanschlüsse, da die Eintritte und die Austritte für Gas bzw. Flüssigkeit in den Halbschalen und in den Abdeckelementen vorgesehen sind.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel sowie seine Herstellungsweise können in weiten Grenzen variiert werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zwei strömenden Medien, bestehend aus einem Körper mit mindestens einem Paar einander gegenüberliegender, gegeneinander offener Halbschalen, die bei mehreren Paaren nebeneinander angeordnet sind und Kammern für einen Gasstrom bilden, gekennzeichnet durch je ein Abdeckelement (18,19), das mit den Halbschalen (4,5) Kanäle (24) für eine Flüssigkeit begrenzt

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Halbschalen (4,5) gebildeten Kammern (9) eine im lotrechten Längsschnitt gewellte Form aufweisen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in Längsrichtung des Wärmetauschers erstreckenden Kammern (9) an ihren einander benachbarten Enden so miteinander verbunden sind, daß sie für ein durch sie geführtes Gas einen mäanderförmigen Strömungsweg bilden.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Abdeckelementen (18, 19) Innenrippen (21) zur Versteifung und zur Strömungslenkung vorgesehen sind.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen (4, 5) und die Abdeckelemente (18, 19) angegossene Eintritts- und Austrittselemente (11,12, 22,23) für Gas und Flüssigkeit aufweisen.

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