EP0080742B1 - Wärmeaustauscher mit mehreren Rohrbündeln - Google Patents
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- EP0080742B1 EP0080742B1 EP19820201225 EP82201225A EP0080742B1 EP 0080742 B1 EP0080742 B1 EP 0080742B1 EP 19820201225 EP19820201225 EP 19820201225 EP 82201225 A EP82201225 A EP 82201225A EP 0080742 B1 EP0080742 B1 EP 0080742B1
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- European Patent Office
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- bundles
- heat exchanger
- heat
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/0066—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
- F28D7/0083—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium
- F28D7/0091—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to a supplementary heat exchange medium, e.g. with interleaved units or with adjacent units arranged in common flow of supplementary heat exchange medium the supplementary medium flowing in series through the units
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/0058—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for only one medium being tubes having different orientations to each other or crossing the conduit for the other heat exchange medium
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
- F28F9/02—Header boxes; End plates
- F28F9/0236—Header boxes; End plates floating elements
- F28F9/0241—Header boxes; End plates floating elements floating end plates
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
- F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
- F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
- F28D2021/0082—Charged air coolers
Definitions
- the invention relates to a heat exchanger with at least two tube bundles, the tubes of which a liquid heat transfer medium flows and a gaseous heat transfer medium flows in a cross-countercurrent, the tube ends being arranged on both sides in tube plates delimited by liquid chambers, and the liquid heat transfer medium also having the at least two tube bundles different temperature level is supplied.
- Such heat exchangers are used, for example, as charge air coolers for supercharged internal combustion engines. If these are diesel engines for ship drives, for example, sea water or river water is generally used as the liquid heat carrier - here as the coolant. In the interest of optimal energy exploitation, engine operators often insist on the additional use of existing hot water as a coolant. In such cases, the charge air cooler works with two separate circuits, usually with a hot water circuit and a cold water circuit. Such devices can also be used by the same operators to preheat the air when the engine is started; only the hot water circuit is then in operation. Different thermal expansions occur in one and the same apparatus, and special measures must be taken to control them.
- the invention defined in the characterizing part of claim 1 is based on the object of avoiding thermodynamically induced pipe tensions with simple means and with certainty in heat exchangers of the type mentioned at the outset which work with liquid heat carriers of different temperatures.
- the liquid heat transfer medium in the present case water as a coolant, is conducted in a hot water circuit and separately in a cold water circuit.
- the cold water reaches the water chamber 1 'in the direction of the arrow, flows through the tubes 2' of the bundle 2 while absorbing heat, is deflected in the water space 3 'by means of a guide device (not shown), flows through the tubes 2 "of the same bundle 2 in countercurrent with further heat absorption and leaves the cooler in the direction of the arrow over the water chamber 1 ".
- the hot water which can have a temperature between 60 and 120 ° C, is introduced on the same cooler side as the cold water and also flows through the same circuit, the flow elements here with water chamber 4 ', 4 ", pipes 5', 5" of Bundle 5 and water space 6 'are designated.
- the gaseous heat transfer medium here the hot, compressed air, acts on the cooler via the supply air line 7 and leaves it via the exhaust air line 8.
- the tube bundles 2, 5 are flowed around in a cross flow. As it passes through the cooler, the air to be cooled is passed through flow channels which are formed by ribs 9 arranged close to one another. The latter are only partially shown for the sake of clarity and can be both continuous plate fins that are traversed by all tubes of a bundle or ring plates arranged on the individual tubes.
- the cross-countercurrent flow to the cooler is expediently chosen as shown, i.e. the hot air initially flows around those pipes 5 "in which the cooling water is at the highest temperature, and as cooling continues, cooler pipes 5 '- • 2" ⁇ 2' flow around them.
- the cooler construction provides that the flow-limiting side walls 12, 13 are screwed directly to the tube sheets 10, 11 to form a box, as a result of which a separate support frame can be dispensed with.
- Supply air and exhaust air lines 7, 8 are fastened all around with the screw connections 14, which are only indicated on the end faces of the tube sheets 10, 11 and side walls 12, 13.
- the two tube bundles are subjected to different thermodynamic loads during cooler operation.
- the bundle 5 is subjected to both hot air and hot water, while the bundle 2 is flowed through by the cold water and the precooled air flows around it.
- the longitudinal strains of the two bundles thus differ greatly from one another.
- the distance from the tube sheet is determined by the width of the firmly clamped side walls, which are also subjected to thermal expansion; on the other hand, the principle should be maintained that side walls 12, 13 and air lines 7,8 on one and the same connection plate, here tube sheet 10, respectively. 11, are to be fastened.
- the invention now remedies despite maintaining the principle of rigidly clamped tube sheets.
- the tube lengths of the two bundles can be determined, taking into account the expansion that occurs later, in such a way that the sides of the tube sheets 10, 11 'and 10', 11 facing the air duct are aligned with one another during cooling operation and thus form aerodynamically smooth wall surfaces.
- the cooler consists of two identical elements (1, 10 ', 2, 11, 3 and 4, 10, 5, 11 ', 6), which are only pushed into one another and are to be screwed to the side walls 12, 13 and air lines 7, 8.
- the movable tube plates 10 ', 11' are guided gas-tight in their cutouts 15, 16.
- grooves are worked into the end faces of the tube sheets, into which sealing means, for example round cords 17, are inserted.
- the invention is not limited to the exemplary embodiment shown and described.
- a multi-flow arrangement for example three or four tube bundles connected in series on the air side, could also be implemented according to the teaching specified.
- the cross-countercurrent flow of the heat transfer medium and the equilateral coolant supply and discharge are also not mandatory.
- the apparatus could act as a preheater for a gaseous working medium instead of a cooler. To do this, only the cold water circuit needs to be out of operation.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit mindestens zwei Rohrbündeln, deren Rohre von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt sind und von einem gasförmigen Wärmeträger im Kreuzgegenstrom umströmt sind, wobei die Rohrenden beidseitig in von Flüssigkeitskammern begrenzten Rohrböden angeordnet sind, und wobei der flüssige Wärmeträger den mindestens zwei Rohrbündeln mit unterschiedlichem Temperaturniveau zugeführt wird.
- Derartige Wärmeaustauscher werden beispielsweise als Ladeluftkühler für aufgeladene Verbrennungsmotoren angewendet. Handelt es sich hierbei um Dieselmotoren für beispielsweise Schiffsantriebe, so wird als flüssiger Wärmeträger - hier als Kühlmittel-in der Regel Seewasser oder Flusswasser verwendet. Im Sinne einer optimalen Energieausbeutung bestehen Motorenbetreiber des öfteren auf der zusätzlichen Verwendung von vorhandenem Heisswasser als Kühlmittel. Der Ladeluftkühler arbeitet dann in solchen Fällen mit zwei getrennten Kreisläufen, und zwar in der Regel mit einem Heisswasserkreislauf und einem Kaltwasserkreislauf. Derartige Apparate können von denselben Betreibern auch dazu benutzt werden, beim Anfahren des Motors die Luft vorzuwärmen; dabei ist dann lediglich der Heisswasserkreislauf in Betrieb. In ein und demselben Apparat treten somit unterschiedliche Wärmedehnungen auf, zu deren Beherrschung besondere Massnahmen zu treffen sind.
- Der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 definierten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wärmetauschern der eingangs genannten Art, die mit flüssigen Wärmeträgern verschiedener Temperatur arbeiten, thermodynamisch bedingte Rohrspannungen mit einfachen Mitteln und mit Sicherheit zu vermeiden.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
- Es zeigen:
- Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Wärmeaustauscher in eingebautem Zustand;
- Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers in seinen Einzelteilen;
- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des gleichen Wärmeaustauschers in zusammengebautem Zustand.
- In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Erfindungsunwesentliche Teile wie beispielsweise die Verschraubungen und die Anschlussleitungen für die flüssigen Wärmeträger sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Wärmeträger ist mit Pfeilen bezeichnet.
- Der Wärmeaustauscher nach Fig. 1 ist ein Ladeluftkühler in seiner einfachsten Form, wie er bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren Verwendung findet. Der flüssige Wärmeträger, im vorliegenden Fall Wasser als Kühlmittel, wird in einem Heisswasserkreis und hiervon getrennt in einem Kaltwasserkreis geführt. Das Kaltwasser gelangt in Pfeilrichtung in die Wasserkammer 1', durchströmt unter Wärmeaufnahme die Rohre 2' des Bündels 2, wird im Wasserraum 3' mittels einer nicht gezeigten Leitvorrichtung umgelenkt, durchströmt die Rohre 2" des gleichen Bündels 2 im Gegenstrom unter weiterer Wärmeaufnahme und verlässt den Kühler in Pfeilrichtung über die Wasserkammer 1 ".
- Das Heisswasser, das zwischen 60 und 120°C Temperatur haben kann, wird an der gleichen Kühlerseite wie das Kaltwasser eingeführt und durchströmt auch einen gleichen Kreislauf, wobei die durchströmten Elemente hier mit Wasserkammer 4',4", Rohre 5', 5" des Bündels 5 und Wasserraum 6' bezeichnet sind.
- Der gasförmige Wärmeträger, hier die heisse, verdichtete Luft, beaufschlagt den Kühler über die Zuluftleitung 7 und verlässt ihn über die Abluftleitung 8. Die Rohrbündel 2, 5 werden hierbei im Kreuzstrom umströmt. Beim Durchgang durch den Kühler wird die abzukühlende Luft durch Strömungskanäle geleitet, die durch eng beieinander angeordnete Rippen 9 gebildet sind. Letztere sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nur teilweise dargestellt und können sowohl durchgehende Plattenrippen sein, die von allen Rohren eines Bündels durchquert sind oder auch an den einzelnen Rohren angeordnete Ringbleche.
- Zweckmässigerweise wird die Kreuzgegenstrombeaufschlagung des Kühlers wie dargestellt gewählt, d.h. die heisse Luft umströmt zunächst jene Rohre 5", in denen das Kühlwasser die höchste Temperatur aufweist, und mit fortschreitender Abkühlung werden zunehmend kältere Rohre 5' -• 2" → 2' umströmt.
- Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sieht die Kühlerkonstruktion vor, dass die strömungsbegrenzenden Seitenwände 12,13 direkt mit den Rohrböden 10, 11 zu einem Kasten verschraubt werden, wodurch auf einen gesonderten Tragrahmen verzichtet werden kann. Zuluft- und Abluftleitungen 7,8 werden ringsum mit den an den Stirnflächen der Rohrböden 10, 11 und Seitenwände 12,13 lediglich angedeuteten Verschraubungen 14 befestigt.
- Die beiden Rohrbündel werden während des Kühlerbetriebes thermodynamisch unterschiedlich belastet. Das Bündel 5 wird sowohl mit Heissluft als auch mit Heisswasser beaufschlagt, während das Bündel 2 vom Kaltwasser durchströmt und von vorgekühlter Luft umströmt wird. Die Längsdehnungen beider Bündel weichen somit stark voneinander ab.
- Einerseits ist der Rohrbodenabstand durch die Breite der fest eingespannten, ebenfalls Wärmedehnungen unterworfenen Seitenwände vorgegeben; andererseits soll das Prinzip beibehalten werden, dass Seitenwände 12, 13 und Luftleitungen 7,8 an ein und derselben Anschlussplatte, hier Rohrboden 10 resp. 11, zu befestigen sind.
- Bei starr eingespannten Rohren würde das "heisse" Rohrbündel 5 einer zu grossen Druckbelastung unterliegen, das "kalte" Rohrbündel 2 würde hingegen unzulässig stark auf Zug beansprucht werden.
- Hier schafft nun die Erfindung Abhilfe trotz Beibehaltung des Prinzips von starr eingespannten Rohrböden. Zu diesem Zweck sind die Rohrenden eines jeden Bündels 2 resp. 5 auf einer Seite in den eine tragende Funktion ausübenden Rohrböden 10 resp. 11 eingewalzt, während sie auf der anderen Seite in Rohrböden 10' resp. 11' angeordnet sind, die keinen Einfluss auf das Festigkeitsgefüge des Kühlers ausüben.
- In der Fig. 2 sind die letztgenannten "beweglichen" Rohrböden 10', 11' erkennbar, welche derart dimensioniert sind, dass ausreichend Platz für die Verschraubung der Wasserkammerdeckel 1, 3, 4, 6 vorhanden ist (Fig. 3).
- Um die Erstreckung des Kühlers in Rohrrichtung nicht über jene eines Wärmetauschers mit beidseitig starren Bündeln zu gestalten, sind in den tragenden Rohrböden 10, 11 entsprechend bemessene Aussparungen 15,16 für die Aufnahme, Führung und Lagerung der beweglichen Rohrböden 10', 11' vorgesehen (Fig. 2).
- Die Bestimmung der Rohrlängen beider Bündel kann unter Berücksichtigung der später auftretenden Dehnungen derart vorgenommen werden, dass während des Kühlerbetriebes die dem Luftkanal zugekehrten Seiten der Rohrböden 10, 11' bzw. 10', 11 miteinander fluchten und somit strömungsgünstige glatte Wandflächen bilden.
- Verzichtet man auf derart unterschiedliche Rohrlängen, was die Funktionsfähigkeit des Erfindungsgegenstandes nicht beeinträchtigt, so ist aus Fig. 2 und 3 erkennbar, dass der Kühler aus zwei gleichen Elementen (1, 10', 2, 11, 3, bzw. 4, 10, 5, 11', 6) besteht, die lediglich ineinander geschoben werden und mit den Seitenwänden 12, 13 und Luftleitungen 7, 8 zu verschrauben sind.
- Um ein Entweichen der Druckluft aus dem Kühler zu verhindern, werden die beweglichen Rohrböden 10', 11' in ihren Aussparungen 15,16 gasdicht geführt. Hierzu werden in die Stirnflächen der Rohrböden Nuten eingearbeitet, in die Dichtmittel, beispielsweise Rundschnüre 17, eingelegt werden.
- Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abweichung hierzu könnte auch eine Mehrflussanordnung, beispielsweise drei oder vier luftseitig hintereinander geschaltete Rohrbündel nach der angegebenen Lehre ausgeführt werden. Auch die Kreuzgegenstromführung der Wärmeträger und die gleichseitige Kühlmittel Zu- und Abfuhr ist nicht zwingend. Desgleichen könnte der Apparat statt als Kühler genauso gut als Vorwärmer für ein gasförmiges Arbeitsmittel wirken. Hierzu braucht nur der Kaltwasserkreis ausser Betrieb zu sein.
Claims (3)
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