DE4431135A1 - Rohrbündelwärmetauscher für den Wärmetausch mit einem pulsierenden Strömungsmedium - Google Patents

Description

Stand der Technik

Es ist bekannt, zur Wärmeübertragung zwischen zwei Strömungsmedien Rohrbündel­ wärmetauscher zu verwenden. Als Beispiel hierfür seien die Kondensatoren im Kraft­ werksbau, vielfältige Anwendungen in der Verfahrenstechnik oder auch einfache Heiz­ kessel angeführt.

Wie der einschlägigen Literatur wie z. B. dem VDI-Wärmeatlas zu entnehmen ist, wird beispielsweise zum Wärmeentzug aus Gasströmungen eine Vielzahl von Wärmeübert­ ragungsrohren relativ kleinen Durchmessers in einem gewissen Abstand parallel ange­ ordnet. Diese Rohre sind mit einem Mantel umgeben, der vom wärmeaufnehmenden Medium durchflossen wird, und der stirnseitig das wärmeaufnehmende Medium über Lochbleche vom wärmeabgebenden Gasstrom trennt.

Die Dimensionen und insbesondere die Abstände der Wärmeübertragungsrohre für den Gasstrom richten sich bei dieser Standardbauweise nach den Temperaturen und Stoff­ daten der beiden Wärmeträgermedien und nach den zu übertragenden Wärmemengen.

Wird eine Reduktion der Druckverluste angestrebt, so erfolgt dies bei den heute übli­ chen Anwendungen über eine Erhöhung der Anzahl an Wärmeübertragungsrohren oder eine Erhöhung des Durchmessers der Wärmetauscherrohre, d. h. es wird die Strömungs­ geschwindigkeit in den Wärmeübertragungsrohren herabgesetzt.

Weiterhin kommt u. U. eine sorgfältigere Auslegung der als Diffusor bzw. als Düse an­ zusehenden Zu- bzw. Ableitungsrohre für die Gasströmung hinzu.

Soll eine derartige Wärmetauscherbauweise bei einer stark pulsierenden Strömung zum Einsatz kommen und besteht weiterhin die Forderung nach einem möglichst geringen Druckverlust, so führt dies auf eine extrem große Bauweise. Dies liegt daran, daß die spezifische Bauweise des Rohrbündelwärmetauschers eine Vielzahl von Strömungsumlen­ kungen aufweist, an welchen bekanntlich Druckverluste entstehen. Ohne Veränderung der Bauweise kann dem nur dadurch begegnet werden, daß die Strömungsgeschwindig­ keit überall an den Strömungsumlenkungen möglichst klein gemacht wird. Für eine gegebene Wärmeübertragungsrate bedeutet dies bei unveränderten Massenströmen und Temperaturen der Strömungsmedien, daß die Forderung nach einem Rohrbündelwärme­ tauscher minimalen Druckverlustes auf einen Wärmetauscher sehr großer Abmessungen und insbesondere sehr großen Außendurchmessers führt. Denn nur über eine relativ hohe Anzahl von Wärmeübertragungsrohren bzw. durch einen relativ großen Innendurchmes­ ser der Wärmeübertragungsrohre kann beispielsweise die Gasgeschwindigkeit im Bereich des Einlaufs und des Austritts in die Wärmeübertragungsrohre gering gehalten werden. Im Gegenzug führt die Notwendigkeit geringer Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Strömungsumlenkungen und damit auch innerhalb der Wärmeübertragungsrohre bei vorgegebener Wärmeübertragungsrate zwangsläufig auf kurze Wärmeübertragungs­ rohre und auf einen großen Außendurchmesser des Rohrbündelwärmetauschers.

Besonders kritisch für die Baugröße wird die Forderung nach geringem Druckverlust bei pulsierenden Strömungen bzw. bei Strömungen mit Vorzeichenwechsel der Strömungs­ richtung, da hier die quadratische Abhängigkeit des Druckverlustes von der Strömungs­ geschwindigkeit massiv zur Geltung kommt.

Abgesehen von den Materialkosten, den Festigkeitsfragen und den Zusatzkosten auf­ grund des erforderlichen Einbauvolumens erfordert die Anwendung eines mit der For­ derung nach minimalem Druckverlust gebauten Rohrbündelwärmetauschers aufgrund seiner Baugröße auch eine aufwendigere Isolation gegenüber der Umgebung.

In diesem Zusammenhang gibt es insbesondere zahlreiche Anwendungen, wo ein möglichst schlanker Wärmetauscher, d. h. ein Wärmetauscher minimalen Außendurchmessers, er­ forderlich ist.

Dies betrifft z. B. die Anwendung eines Rohrbündelwärmetauschers zum Entzug von Wärme aus dem pulsierenden Abgas von Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart. Die Anwendung eines Rohrbündelwärmetauschers in Standardbauweise wird dort vielfach am fehlenden Einbauraum bzw. am relativ großen Außendurchmesser scheitern.

Weiterhin führt die bei der Forderung nach geringem Druckverlust resultierende Baugröße nicht nur zu einem erhöhten Wärmeverlust an die Umgebung bzw. zu einer sehr aufwen­ digen und voluminösen Isolation, sondern es ergibt sich durch eine relativ große wärme­ aktive Masse ein völlig unbefriedigendes Verhalten des Wärmetauschers beim Kaltstart und beim Lastwechsel.

Aufgabenstellung

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, einen möglichst kompakten Rohrbün­ delwärmetauscher zu entwickeln, welcher unabhängig vom Ausmaß der Pulsation der Strömung im durch die Wärmeübertragungsrohre führenden Strömungszweig einen mög­ lichst niedrigen Druckverlust bewirkt. Im Idealfall soll hierbei der Druckverlust im we­ sentlichen durch die Wandreibungsverluste der Wärmeübertragungsrohre bestimmt sein.

Für eine vorgegebene Wärmeübertragungsrate soll dieser Rohrbündelwärmetauscher ins­ besondere einen möglichst geringen Außendurchmesser aufweisen, so daß beispielsweise ein problemloser Einbau in das Abgassystem oder in das Abgasrückführsystem von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor möglich ist. Dies bedeutet, daß die Forderung nach geringem Druckverlust nicht über einen übergroßen Außendurchmesser verbunden mit einer geringen Länge der Wärmeübertragungsrohre erfüllt werden darf.

Hierbei soll der Wärmetauscher die Strömung und insbesondere die Pulsation des Strö­ mungsmediums möglichst wenig stören, wenn er als Ersatz für ein Rohrstück in das Leitungssystem einer bestehenden Anlage integriert wird.

Desweiteren besteht die Forderung, daß der Wärmetauscher durch eine möglichst kom­ pakte Bauweise geringe Material bzw. Fertigungs- und Einbaukosten verursacht und keine aufwendige Isolation zur Vermeidung von Wärmeverlusten an die Umgebung benötigt.

Speziell für die Anwendung im Kraftfahrzeug stehen in diesem Zusammenhang neben der geringen Masse und dem geringen Einbauvolumen bei möglichst geringem Außen­ durchmesser möglichst geringe Wärmeverluste an die Umgebung und eine möglichst geringe wärmeaktive Masse im Vordergrund.

Lösung

Zur Lösung obiger Aufgaben wird erfindungsgemäß ein Rohrbündelwärmetauscher zum Wärmetausch mit einem eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren durchströmen­ den Medium, insbesondere ein Rohrbündelwärmetauscher zum Entzug von Wärme aus dem pulsierenden Abgasstrom von Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart, vorgeschla­ gen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Rohrbündelwärmetauscher jeweils am Zu­ fluß und am Abfluß für dieses Strömungsmedium annähernd den gleichen Innendurch­ messer hat wie die daran angeschlossenen Zu- bzw. Abflußleitungen, daß die beiden Innendurchmesser in möglichst dichter Packung mit den Wärmeübertragungsrohren be­ legt sind, und daß durch eine divergent-konvergente Rohrführung Raum für das mit dem die Wärmeübertragungsrohre durchströmenden Medium im Wärmetausch befind­ liche Medium geschaffen wird.

Es wird also erfindungsgemäß von der bekannten Bauweise für Rohrbündelwärmetau­ scher mit parallelen Wärmeübertragungsrohren abgewichen und statt dessen eine diver­ gent-konvergente Anordnung der Wärmeübertragungsrohre gewählt. Ein Vergleich des Standard-Wärmetauschers (Fig. 1) mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher (Fig. 2) zeigt gleich eine ganze Reihe strömungsmechanischer Verbesserungen.

So ist er u. a. dadurch gekennzeichnet, daß er

• - keine Druckverluste durch die Erweiterung der Zuflußleitung 1 auf den Strömungs­ querschnitt des Abgaswärmetauschers 2,
• - reduzierte Druckverluste am Eintritt in die Wärmetauscherrohre 3,
• - reduzierte Druckverluste am Austritt aus den Wärmetauscherrohren 3 und
• - reduzierte Druckverluste beim Übergang vom Strömungsquerschnitt des Wärme­ tauschers auf die Abflußleitung 4

aufweist.

Bei der hier beschriebenen Anwendung soll das wärmeaufnehmende Medium 7 Kühl­ wasser sein und an der Zuflußleitung 5 in den Wärmetauscher 2 hineinströmen, diesen im Gegenstrom durchlaufen und am kühlwasserseitigen Austritt 6 erwärmt wieder her­ ausströmen. Es sind aber auch Anwendungen im Gleichstrom oder gar nur die statische Erwärmung des wärmeaufnehmenden Mediums, d. h. ein Erwärmen ohne Durchströmen, denkbar.

Ein Rohrbündelwärmetauscher nach Fig. 1, welcher beispielsweise in der Abgaslei­ tung eines Verbrennungsmotors einen annähernd geringen Druckverlust aufweist wie der Wärmetauscher nach Fig. 2 würde einen wesentlich größeren Außendurchmesser erfordern.

Doch selbst bei beliebig großem Außendurchmesser des Wärmetauschers und damit auch mit beliebig großem Strömungsquerschnitt der Wärmeübertragungsrohre ist nicht sicher, daß der geringe Druckverlust des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers er­ reichbar ist, da nach wie vor die Verluste in der als Stoßdiffusor ausgebildeten Einmündung der Zuflußleitung 1 in den Rohrbündelwärmetauscher erhalten bleiben. Analoges gilt natürlich auch für die Abflußleitung 4.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bezüglich Druckverlust, Baugröße und Fertigungskosten sowie bezüglich der Einbaukosten liegen auf der Hand und brau­ chen nicht näher beschrieben zu werden.

Weiterhin ist unmittelbar aus Fig. 2 ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Wärmetau­ scher nicht nur sehr kompakt ist, sondern auch relativ schlank, so daß beispielsweise ein Einbau in Kraftfahrzeuge als realisierbar erscheint. Hinzu kommt die extrem geringe Oberfläche des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, welche bei manchen Anwendungen eine Isolation überflüssig werden läßt.

Die bisherigen Ausführungen haben sich im wesentlichen auf die Minimierung des Druck­ verlustes konzentriert. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers von ganz besonderer Bedeutung liegt aber auch in der hohen Wärmeübertragungsdichte d. h. in der hohen Wärmeübergangszahl zwischen dem pulsierenden Strömungsmedium und den Wärmeübertragungsrohren.

Aufgrund der relativ hohen Strömungsgeschwindigkeit entsteht beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher bereits bei stationärem Durchströmen des Wärmetauschers mit Abgas ein sehr hoher Anteil des Druckverlustes durch Wandreibung in den Wärmeübertra­ gungsrohren, während die Druckverluste außerhalb der Wärmeübertragungsrohre rela­ tiv gering sind. An diesen hohen Druckverlust innerhalb der Wärmeübertragungsrohre ist unmittelbar auch eine hohe Wärmeübertragungsdichte gekoppelt.

Dieser Effekt wird noch dadurch verstärkt, daß speziell bei pulsierender Strömung durch den insgesamt relativ geringen Druckverlust des erfindungsgemäßen Wärmetauschers eine geringere Dämpfung der Abgasschwingungen erfolgt, so daß im zeitlichen Mittel eine hoher Betrag für die Relativgeschwindigkeit zwischen den Wänden der Wärmübert­ ragungrohre und der pulsierenden Strömung vorliegt und verbunden damit auch ein sehr guter Wärmeübergang. Die Verbesserung des Wärmeübergangs im Vergleich zur sta­ tionären Durchströmung, der je nach Pulsation mehr als das Dreifache im Vergleich zur stationären Durchströmung mit dem gleichen Nettomassenstrom betragen kann, er­ laubt bei gegebener Wärmeübertragungsrate wiederum eine Reduktion der Oberfläche der Wärmeübertragungsrohre. Erfolgt diese z. B. über eine Reduktion der Länge der Wärmetauscherrohre, so folgt hieraus wiederum ein geringerer Druckverlust und hier­ aus wieder eine geringere Dämpfung der Schwingung der Gassäule. Die stärkere Schwin­ gung der Gassäule wiederum verbessert den Wärmeübergang etc. Das synergetische Zusammenspiel dieser Wechselwirkungen und insbesondere die Bedeutung dieser Zu­ sammenhänge für eine kompakte Bauweise des Rohrbündelwärmetauschers liegen auf der Hand.

Zur Verdeutlichung diese Sachverhaltes sei hier als Beispiel ein Einzylindermotor mit Abgaswärmetauscher angeführt. Wird ein Standardrohrbündelwärmetauscher einge­ setzt so führt der hohe Druckverlust relativ schnell zum Abklingen der im Abgassy­ stem nach dem Auspufftakt vorliegenden Schwingung der Gassäule. Dies bedeutet, daß der Wärmeübergangskoeffiezient von einem sehr hohen Wert während des Öffnens des Auslaßventils relativ schnell absinkt, da die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Schwingung der Gassäule stark abklingt. Erst beim nächsten Auspufftakt wird wieder ein hoher Wärmeübergangskoeffizient erreicht.

Wird im Gegensatz hierzu der erfindungsgemäße Wärmetauscher eingesetzt, so bleibt die Gasschwingung länger bestehen bzw. die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Gassäule und der Wand der Wärmeübertragungsrohre bleibt auf einem erhöhten Niveau. Da für den Wärmeübergangskoeffizienten nicht der zeitliche Mittelwert der Gasgeschwin­ digkeit verantwortlich ist sondern lediglich das Integral über die Beträge der Momentan­ geschwindigkeiten ergibt sich hierdurch ein signifikanter Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Es kann also zusammengefaßt werden, daß der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetau­ scher für einen vorgegebenen Druckverlust eine extrem kompakte und leichte Bauweise mit geringem Wärmeverlust an die Umgebung ermöglicht, die den bisher bekannten Rohrbündelwärmetauschern speziell in pulsierenden Strömungen weit überlegen ist.

Kommt es, ausgehend von einem Standardrohrbündelwärmetauscher, nicht darauf an, das volle Potential der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rohrbündelwärmetau­ schers auszunutzen, so kann es bereits genügen nur die der gasseitigen Zuströmseite ent­ sprechende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers zu nut­ zen und das Bohrbild für die Wärmeübertragungsrohre, so zu belassen, wie es bereits heute bei Rohrbündelwärmetauschern ausgestaltet ist. Dies hat zwar einen erhöhten Druckverlust zur Folge, doch kann im Gegenzug der Fertigungsaufwand etwas reduziert werden.

Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel, wobei die kennzeichnende Nume­ rierung der einzelnen Komponenten aus Fig. 1 und Fig. 2 übernommen wurde. Hierbei wurde davon ausgegangen, daß die Zuflußleitung 1 für das pulsierende Strömungsme­ dium und die Abflußleitung 4 den gleichen Durchmesser haben. Diese Vorgabe ist natürlich nicht zwingend für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher, ebenso wie die konische Ausgestaltung der Wärmeübertragungsrohre.

Dennoch stellt speziell die konische Ausgestaltung der Wärmeübertragungsrohre eine Maßnahme dar, welche den Wärmetauscher nach Fig. 3 in seiner Leistungsfähigkeit mit dem Wärmetauscher nach Fig. 2 vergleichbar erscheinen läßt. Dies liegt an der sanf­ ten Querschnittserweiterung der Wärmeübertragungsrohre, welche eine ablösungsfreie Verzögerung der Strömung ermöglicht. Durch die Reduktion der Strömungsgeschwin­ digkeit werden zum einen die Wandreibungsverluste innerhalb der Wärmeübertragungs­ rohre reduziert zum andern aber auch die Ausströmverluste aus dem als Stoßdiffusor aus­ gebildeten Übergang am Austritt aus den Wärmeübertragungsrohren. Da die Strömung nach dem Austritt aus den Wärmeübertragungsrohren als verlustarme Düsenströmung ausgebildet ist, entstehen auch beim Übergang zum Abflußrohr nur geringe Verluste.

Auf diesem Wege wird der dynamische Druck des pulsierenden Strömungsmediums in der Phase hoher Strömungsgeschwindigkeit positiven Vorzeichens u. U. sogar weniger dissipiert als bei der Ausgestaltung nach Fig. 2. In der Phase der Strömungsumkehr wird bei der in Fig. 3 dargestellten Kontur des Wärmetauschers die nun als Diffusor wirkende Düse einen etwas erhöhten Druckverlust aufweisen. Die optimale Kontur wird hier wohl in der Praxis ein Kompromiß aus Bauaufwand bzw. Baulänge und strömungs­ mechanischer Notwendigkeit sein.

Wesentlich ist auch bei der Ausgestaltung nach Fig. 3, daß die Pulsation der Ab­ gasströmung möglichst wenig gedämpft wird, so daß beispielsweise auch während der Pausen zwischen zwei Auspuffvorgängen eine hohe Geschwindigkeit bzw. Geschwindig­ keitsschwankung innerhalb des Wärmetauschers vorliegt. Wie bereits beschrieben ist dies von maßgeblicher Bedeutung für einen optimalen Wärmeübergang und damit für eine möglichst kompakte Bauweise des Wärmetauschers.

Fig. 4 zeigt die entsprechende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit der konventionellen Ausgestaltung des Bohrbildes für die Wärmeübertragungsrohre auf der Zuströmseite. Anhand der Analogie zu den Verhältnissen in Fig. 3 wird dessen Arbeitsweise unmittelbar ersichtlich.

Diese Bauart weist insbesondere den Vorteil auf, daß ein sehr geringer Außendurchme­ ser realisierbar ist. Der Wärmetauscher nach Fig. 4 kann also auf einfachste Weise in ein bestehendes Rohrleitungssystem integriert werden. Er wird zwar im Vergleich zur Ausgestaltung nach Fig. 2 und Fig. 3 einen etwas höheren Druckverlust erzeugen, doch ist dies bei manchen Anwendungen durchaus vertretbar. Speziell durch die diffusorar­ tige Ausgestaltung des Abflusses wird auch in dieser Anwendung eine Schwingung des Strömungsmediums im Rohrsystem nur wenig gedämpft, so daß sich auch hier ein sehr guter Wärmeübergang bei extrem kompakter Bauweise ergibt.

Eine besonders elegante Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Grundprinzips ergibt sich, wenn die Zu- und Abflußleitung der pulsierenden Strömung nicht den gleichen Durchmesser aufweisen. Über die entsprechende Anpassung der Querschnitte der Wärme­ übertragungsrohre in Strömungsrichtung kann dann sehr elegant eine verlustarme Dif­ fusorströmung bzw. Düsenströmung innerhalb der Wärmeübertragungsrohre erzeugt werden, so daß das Medium direkt in die Abflußleitung strömen kann.

Zur weiteren Verbesserung der strömungsmechanischen Eigenschaften ist es vorteilhaft, daß die Strömungsquerschnitte der Wärmeübertragungsrohre zumindest an einem Ende nicht rund sondern eckig geformt sind, um einen möglichst geringen Strömungswider­ stand für das Ein- bzw. Ausströmen zu bieten. Speziell bei starker Pulsation sind hier vorteilhafterweise beide Enden der Wärmeübertragungsrohre entsprechend auszugestal­ ten.

Claims (6)

1. Rohrbündelwärmetauscher zum Wärmetausch mit einem eine Vielzahl von Wär­ meübertragungsrohren durchströmenden Medium, insbesondere Rohrbündelwärmetau­ scher zum Entzug von Wärme aus dem pulsierenden Abgasstrom von Verbrennungsmo­ toren der Kolbenbauart, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbündelwärmetauscher jeweils am Zufluß und am Abfluß für dieses Strömungsmedium annähernd den gleichen Innendurchmesser hat wie die daran angeschlossenen Zu- bzw. Abflußleitungen, daß die beiden Innendurchmesser in möglichst dichter Packung mit den Wärmeübertragungs­ rohren belegt sind, und daß durch eine divergent-konvergente Rohrführung Raum für das mit dem die Wärmeübertragungsrohre durchströmenden Medium im Wärmetausch befindliche Medium geschaffen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der divergent- konvergenten Führung der Wärmeübertragungsrohre nur eine divergente oder nur eine konvergente Führung zur Anwendung kommt, wobei nur die Wärmetauscherseite gerin­ geren Innendurchmessers in möglichst dichter Packung mit Wärmeübertragungsrohren belegt ist.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuflußleitung für das durch die Wärmeübertragungsrohre strömende Medium einen an­ dern Durchmesser hat als die Abflußleitung und daß die Wärmeübertragungsrohre auf der Seite einen vergrößerten Durchmesser aufweisen, an der auch die angeschlossene Leitung den größeren Durchmesser hat.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsquerschnitte der Wärmeübertragungsrohre zumindest an einem Ende nicht rund sondern eckig geformt sind, um einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu bieten.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausströmen aus den Wärmeübertragungsrohren eine düsenartige Strömungsführung innerhalb des Wärmetauschers oder in der Abflußleitung vorliegt.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausströmen aus den Wärmeübertragungsrohren eine diffusorartige Strömungsfüh­ rung innerhalb des Wärmetauschers oder in der Abflußleitung vorliegt.