EP2428757A2 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP2428757A2
EP2428757A2 EP11180277A EP11180277A EP2428757A2 EP 2428757 A2 EP2428757 A2 EP 2428757A2 EP 11180277 A EP11180277 A EP 11180277A EP 11180277 A EP11180277 A EP 11180277A EP 2428757 A2 EP2428757 A2 EP 2428757A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wall
heat exchanger
cavity
inner tube
coolant
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11180277A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Uwe Hansen
Marret Hansen
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F28D7/02—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 being helically coiled
    • F28D7/024—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 being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F28D7/0075—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids with particular circuits for the same heat exchange medium, e.g. with the same heat exchange medium flowing through sections having different heat exchange capacities or for heating or cooling the same heat exchange medium at different temperatures
    • 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
    • F28D7/10—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 being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—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 being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • F01N3/05—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of air, e.g. by mixing exhaust with air
    • F01N3/055—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of air, e.g. by mixing exhaust with air without contact between air and exhaust gases
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0061—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for phase-change applications
    • F28D2021/0064—Vaporizers, e.g. evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F28D21/0001—Recuperative heat exchangers
    • F28D21/0003—Recuperative heat exchangers the heat being recuperated from exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for heat transfer between two media.
  • Heat exchangers are often used in technology to realize a heat transfer between two media. So to be processed with heat exchangers media either heated or cooled.
  • a field of application for heat exchangers is the cooling of hot gases.
  • exhaust gases are expelled from the combustion chambers at temperatures of 1000 ° C. and more. In some cases it is desirable to cool these hot gases to temperatures of 50 ° C and less.
  • heat exchangers are typically used. In certain situations, where the space is cramped or where it is necessary for other reasons, to realize the exchange of heat on the shortest possible distance, heat exchangers of small or short design are desired.
  • thermodynamic cycle processes for energy conversion and recovery of mechanical and / or electrical energy from heat.
  • thermodynamic processes for example, so-called ORC processes (Organic Rankine Cycle).
  • ORC processes Organic Rankine Cycle
  • an organic working fluid is heated in a heat exchanger of, for example, the waste heat of a combustion process, which is contained in hot exhaust gases, and brought to a phase transition.
  • mechanical work is then performed, which can be implemented, for example, in a generator to electrical energy.
  • a heat exchanger which should be suitable to produce a high temperature gradient at shortest distance (eg cooling of hot gases from an inlet temperature of 1000 ° C and more to an outlet temperature of below 80 ° C, preferably below 50 ° C over a length of about 30 cm), is in the EP 1 672 304 A1 disclosed.
  • the heat exchanger according to the invention has an inner tube lying within a jacket tube, which is closed on one side by a bottom except for one or more passage openings in the bottom.
  • the bottom of the closed end of the inner tube is located on the outlet side of the jacket tube, in which, for example, to be cooled hot gases or other hot media flow from one of the outlet side opposite inlet side.
  • the inner tube On the Inlet side of the jacket tube, the inner tube is open at the front. It forms for a via the inlet side in the jacket tube inflowing medium a kind of pot with a bottom provided with at least one, preferably a plurality of openings.
  • At least the side wall which is in particular a circumferential side wall, is double-walled with an inner wall of the inner tube facing inner wall, one of these on the outside of the inner tube opposite outer wall and an intermediate cavity.
  • the heat exchanger also has a coolant line through which a coolant can be passed.
  • the coolant line begins at a coolant inlet, which opens into the cavity of the wall of the inner tube. From the cavity, the coolant line then continues in a transfer line, which leads into a spiral conduit, which winds from the side facing the outlet of the jacket tube towards the inlet side facing the jacket tube in the jacket tube around the inner tube. At the end of the spiral conduit is followed by a coolant outlet arranged on the side facing the inlet of the jacket tube.
  • the bottom which has one or more passage openings, nevertheless forms a barrier for the inflowing medium, so that only part of the inflowing medium can flow along this path. Another part will flow around the inner tube around the outside where it will come in contact with the spiral duct in which the cooling medium is led. This results in a turbulence of the medium to be cooled, wherein this medium in vortices partly runs against the actual main flow around the spiral conduit around.
  • the degree of this turbulence can be influenced by the design of the dimensions of the distance between the outer wall of the inner tube and the wall of the jacket tube and the diameter of the spiral conduit.
  • the second, flowing through the inner tube partial flow of the medium which can be adjusted depending on the choice of the total area of the passage openings in its proportion based on the inflowing into the heat exchanger total flow (the smaller the total opening area of the passage openings, the lower the proportion and vice versa), is cooled by the contact of the medium with the cooled by the coolant inner wall of the inner tube. There, the coolant is still at a particularly low temperature, since it flows through the cavity behind the inner wall first. Behind the passages, the two partial streams of the medium are brought together again and leave the heat exchanger together through the outlet of the jacket tube.
  • This design means that achieved on a short longitudinal extent of the heat exchanger considerable cooling, so a high efficiency can be achieved.
  • the heat exchanger according to the invention is also suitable for conversely heating a cool medium flowing into the jacket tube with the aid of a heating medium flowing into the "coolant" inlet.
  • the terms “coolant inlet” and “coolant outlet” are not limited to a coolant, but they can just as well be used for a medium which can be used for heating a medium flowing through the jacket tube, thus a "warming agent”.
  • the bottom of the inner tube can not only have one, but many passages for the medium to be cooled.
  • the bottom has a plurality of nozzle-like arranged passage openings for the medium to be cooled. This arrangement leads to an ordered, divided into small individual flows passage of the cooled Medium through the floor and also helps the mixing with the first partial flow, which does not flow through the inner tube, but on the outside of this past and along the spiral conduit, to convey and thus to achieve a homogenization of the medium in front of the outlet of the jacket tube.
  • the at least one passage opening or the passage openings are of course formed so that they connect through the inner wall and the cavity and the outer wall, the interior of the inner tube with the outside and at the same time have a wall which shields each passage opening of the cavity.
  • This is therefore chosen so that the cavity is meaningful way then in conjunction with the cavity in the side wall, so that the cavity in the bottom can be flowed through by the coolant. This then provides a total of more intensive and better cooling of the medium to be cooled, if this meets once again on the ground on a cooled wall.
  • the coolant inlet opens according to an advantageous development (see claim 4) in a section adjacent to the inlet of the jacket tube into the cavity of the double-walled side wall, whereas the transfer line in a section adjacent to the outlet of the jacket tube from the cavity of the side wall and / or the cavity Soil, if one exists, go off and transfer the spiral cable.
  • the cooling medium flows through the cavity as a whole, thus ensuring an intensive heat exchange contact with the DC flowing through the inner tube of the medium to be cooled on the one hand, but also with the partial flow of the medium to be cooled, the outside sweeps past the inner tube, guaranteed ,
  • the spiral conduit is guided at least along the entire length of the inner tube of this surrounding.
  • the individual turns of the spiral are wound tightly, but without touching. There must be a gap between the individual turns of the spiral line, so that contact can also take place there between the medium to be cooled or heated and the surface of the spiral line through which the coolant or heat medium flows, without the flow resistance being too high.
  • At least the spiral duct of the heat exchanger consists of a material with good thermal conduction properties.
  • copper is preferably used, but other materials with good thermal conductivity properties are conceivable, such as, for example, silver.
  • the heat exchanger according to the invention can be used to cool combustion gases from internal combustion engines, in particular combustion exhaust gases from motor vehicle engines.
  • a heat exchanger must on the one hand apply a high cooling capacity to the exiting at about 1000 ° C and more from the combustion chamber, hot exhaust gases to a temperature of 80 ° C and less, preferably below 50 ° C to cool.
  • the heat exchanger must also be of compact design, since the space in the exhaust system of the motor vehicle is limited.
  • the heat exchanger according to the invention is particularly well.
  • a further preferred use of the heat exchanger is therein, this for generating a phase transition of the cooling medium and operating a thermodynamic cycle process for energy conversion taking advantage of the resulting in the phase transition by expansion of the cooling medium mechanical work.
  • This can be, for example, an ORC if the cooling medium is an organic medium, for example C 3 H 3 F 5 .
  • Fig. 1 is outlined in a schematic cross-sectional view of the side of an inventive heat exchanger 1. This figure is neither true to scale nor does it reflect the actual given geometry. Rather, this is a schematic diagram for explaining the structure and the principle of action of the heat exchanger 1 according to the invention.
  • the heat exchanger 1 has a jacket tube 2 and an inner tube 3 arranged coaxially in the interior thereof.
  • the jacket tube 2 has an inlet 4 through which medium flows into the jacket tube 2 during operation of the heat exchanger 1 to be cooled. Opposite the inlet 4, the jacket tube 2 is provided with an outlet 5 for the outflow of the medium to be cooled.
  • the inner tube 3 is enclosed by a double-walled side wall 6, which has an outer wall 7, an inner wall 8 and an intermediate cavity 9. At its inlet-facing end face 10, the inner tube 3 is opened pot-like, in which case the outer wall 7 and the inner wall 8 are connected to one another for closing the cavity 9. At the opposite end face, which faces the outlet 5, the inner tube 3 is closed by a bottom 11, which closes the cavity 9, but in which passage openings 12 are arranged, the interior of the inner tube 3 to the outlet 5 out with the Connect the inside of the jacket tube 2.
  • a coolant line is divided into a coolant inlet 13, through which coolant can flow into the heat exchanger 1 and which opens into the cavity 9 in the side wall 6 of the inner tube 3 at an orifice 14 on the end face 10 of the inner tube 3.
  • a transfer line 15 which is also part of the coolant line, the coolant can drain from the cavity 14 and go into a spiral line 16, which winds at approximately the same distance from the wall of the jacket tube 2 as the outer wall 7 of the inner tube 3 around the inner tube 3, starting from the outlet 5 facing the end of the jacket tube 2 in the interior thereof towards the inlet 4 facing the end of the jacket tube 2.
  • the spiral conduit 16 is a continuous, helical spring-like winding line. At its end facing the inlet 4 of the jacket tube 2, the spiral conduit 16 then passes into a coolant outlet 17, which forms the end of the coolant conduit of the heat exchanger 1.
  • a medium to be cooled flows through the heat exchanger 1 from the inlet 4 to the outlet 5 in the manner indicated by the arrows P.
  • a first partial flow P 1 flows the area between the wall of the jacket tube 2 and the outer wall 7 of the inner tube 3 and there past the turns of the spiral conduit 16, as indicated by the corresponding arrows in the upper portion of the drawing.
  • a second partial flow P 2 flows into the interior of the inner tube 3 and leaves the inner tube 3 through the passage openings 1 2 in the bottom 11 of the inner tube 3, to the outlet 5 of the jacket tube 2 with the first partial flow P 1 back to the total flow combine. While the first partial flow P 1 is cooled by intimate contact with the cooled spiral conduits 16, which are preferably made of copper or another good thermally conductive material, and the turbulence also occurring thereby is cooled, and further by the contact with the outer wall 7 of the inner tube 3, which is cooled by the flowing through the cavity 9 through coolant, the partial flow P 2 is cooled by the contact with the inner wall 8 of the inner tube 3, which also is cooled by the coolant flowing into the cavity 9.
  • the ratio of the partial flow P 2 with respect to the partial flow P 1 is determined, which is also derived by the other geometric conditions of the heat exchanger 1.
  • the expert will choose an ideal ratio to optimize the cooling result and thus the effectiveness or efficiency of the heat exchanger 1. This will succeed him eg by means of suitable attempts.
  • the cooling medium 3 flows through the heat exchanger from the coolant inlet and the mouth in the cavity 9 through this cavity 9 in the direction of the flow of the medium to be cooled, ie in the direction of the outlet 5 until it enters the transfer line 15 and from there into the spiral 16 and then in countercurrent principle back towards the inlet 4 of the jacket tube 2 to the coolant outlet 17th
  • the heat exchanger was suitable for cooling down hot exhaust gases of internal combustion engines or comparable internal combustion engines, which could be cooled from temperatures above 1000 ° C to temperatures slightly above room temperature, to 30-40 ° C, with a heat exchanger of a very short length only 25-30 cm.
  • Another ideal use for the heat exchanger is to use it for heating a thermodynamic working fluid passed as a coolant to bring this working fluid to a phase transition, in particular from liquid to gaseous, and thereby perform mechanical work. This mechanical type can then be used, for example, to generate electrical energy or the like.
  • a particularly suitable thermodynamic working medium while a compound C 3 H 3 F 5 has been found which operation of an ORC using a heat exchanger according to the invention in a very efficient manner and with a compact design of the heat exchanger allows.

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Abstract

Mit der Erfindung wird ein Wärmetauscher zum Wärmeübertrag zwischen zwei Medien, nämlich einem zu kühlenden Medium und einem Kühlmittel, angegeben mit einem einen Einlass (4) und einen Auslass (5) für das zu kühlende Medium aufweisenden Mantelrohr (2), einem innerhalb des Mantelrohres (2) angeordneten Innenrohr (3), welches auf der dem Einlass (4) zugewandten Seite (10) stirnseitig offen ist und auf der dem Auslass (5) zugewandten Seite einen stirnseitig angeordneten Boden (11) aufweist, welcher Boden (11) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (1 2) für das zu kühlende Medium aufweist. Es ist dabei Aufgabe der Erfindung, einen solchen Wärmetauscher so auszugestalten, dass er bei kompakter Bauweise eine verbesserte Wirkung gegenüber bekannten Wärmetauschern zeigt. Dazu ist wenigstens die Seitenwand (6) des Innenrohres (3) als Doppelwand mit einer Innenwand (8) und einer diese umgebenden Außenwand (7) und einem zwischen der Innenwand (8) und der Außenwand (7) liegenden Hohlraum (9) gebildet und der Wärmetauscher (1) weist ferner eine Kühlmittelleitung auf, mit einem Kühlmittelzulauf (13), der in den Hohlraum (9) mündet, einer Überführungsleitung (15) von dem Hohlraum (9) in eine sich von der dem Auslass (1 7) des Mantelrohres (2) zugewandten Seite innerhalb des Mantelrohres (2) um das Innenrohr (2) herum windende Spiralleitung (16) und einem an der dem Einlass (4) des Mantelrohres (2) zugewandten Seite liegenden Kühlmittelablauf (17), in den die Spiralleitung (16) mündet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Wärmeübertrag zwischen zwei Medien.
  • Wärmetauscher finden in der Technik vielfach Einsatz, um zwischen zwei Medien einen Wärmeübertrag zu realisieren. So werden mit Wärmetauschern zu bearbeitende Medien entweder erwärmt oder abgekühlt.
  • Ein Einsatzbereich für Wärmetauscher ist das Abkühlen heißer Gase. So werden bspw. im Bereich von Verbrennungskraftmaschinen aus den Brennkammern Abgase bei Temperaturen von 1000° C und mehr ausgestoßen. In einigen Fällen ist es wünschenswert, diese heißen Gase auf Temperaturen von 50° C und weniger abzukühlen. Hier werden typischerweise Wärmetauscher eingesetzt. In bestimmten Situationen, in denen der Raum beengt ist oder aber in denen es aus anderen Gründen erforderlich ist, den Austausch von Wärme auf einer möglichst kurzen Strecke zu realisieren, sind Wärmetauscher von kleiner bzw. kurzer Bauart erwünscht.
  • Ein effizienter Wärmetauscher, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, ist auch für den Betrieb von thermodynamischen Kreisprozessen zur Energieumsetzung und Gewinnung von mechanischer und/oder elektrischer Energie aus Wärme erwünscht. So werden z.B. für die Gewinnung von elektrischer Energie aus Abwärme von Verbrennungsprozessen entsprechende thermodynamische Prozesse eingesetzt, z.B. sogenannte ORC Prozesse (Organic Rankine Cycle). Bei diesen wird ein organisches Arbeitsmedium in einem Wärmetauscher von z.B. der Abwärme eines Verbrennungsprozesses, die in heißen Abgasen enthalten ist, erwärmt und zu einem Phasenübergang gebracht. Durch die dabei entstehende Expansion des organischen Arbeitsmediums wird dann mechanische Arbeit verrichtet, die z.B. in einem Generator zu elektrischer Energie umgesetzt werden kann.
  • Ein Wärmetauscher, der sich eignen soll, auf kürzester Distanz einen hohen Temperaturgradienten zu erzeugen (z.B. Abkühlen von Heißgasen von einer Eintrittstemperatur von 1000° C und mehr zu einer Austrittstemperatur von unterhalb 80° C, vorzugsweise unterhalb 50° C auf einer Baulänge von etwa 30 cm), ist in der EP 1 672 304 A1 offenbart.
  • Dieser Wärmetauscher hat sich zwar bereits als gut im Wirkungsgrad herausgestellt und ist für viele Einsatzgebiete tauglich, jedoch sind nach wie vor Verbesserungsmöglichkeiten gegeben, insbesondere zur Erhöhung des Wirkungsgrades bei noch geringerer Baulänge.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der bei kompakter Bauweise eine verbesserte Wirkung gegenüber dem bekannten Wärmetauscher zeigt.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen des Wärmetauschers sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. In den Ansprüchen 9 und 10 sind bevorzugte Verwendungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers genannt, die jedoch nicht die einzig möglichen Verwendungen darstellen.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist ein innerhalb eines Mantelrohres liegendes Innenrohr auf, welches einseitig durch einen Boden bis auf eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen in dem Boden verschlossen ist. Das mit dem Boden verschlossene Ende des Innenrohres liegt auf der Auslassseite des Mantelrohres, in welches bspw. abzukühlende Heißgase oder andere heiße Medien von einer der Auslassseite gegenüberliegenden Einlassseite her einströmen. Auf der Einlassseite des Mantelrohres ist das Innenrohr stirnseitig offen. Es bildet für ein über die Einlassseite in das Mantelrohr einströmendes Medium eine Art Topf mit einem mit wenigstens einer, vorzugsweise mehreren Durchtrittsöffnungen versehenen Boden. Zumindest die Seitenwand, welche insbesondere eine umlaufende Seitenwand ist, ist doppelwandig ausgeführt mit einer dem Innern des Innenrohres zugewandten Innenwand, einer dieser auf der Außenseite des Innenrohres gegenüberliegenden Außenwand und einem dazwischen liegenden Hohlraum.
  • Der Wärmetauscher verfügt zudem über eine Kühlmittelleitung, über die ein Kühlmittel geführt werden kann. Die Kühlmittelleitung beginnt an einem Kühlmittelzulauf, der in den Hohlraum der Wand des Innenrohres mündet. Aus dem Hohlraum setzt sich die Kühlmittelleitung dann fort in einer Überführungsleitung, die in eine Spiralleitung führt, die sich ausgehend von der dem Auslass zugewandten Seite des Mantelrohres hin zu der dem Einlass zugewandten Seite des Mantelrohres in dem Mantelrohr um das Innenrohr herum windet. Am Ende der Spiralleitung schließt sich ein auf der dem Einlass des Mantelrohres zugewandten Seite angeordneter Kühlmittelablauf an. Der Wärmeübertrageffekt bei diesem Wärmetauscher ist wie folgt: In das Mantelrohr durch den Einlass einströmendes Medium trifft zunächst auf die offene Stirnseite des Innenrohres und wird in dieses einströmen. Der Boden, der zwar eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen aufweist, bildet für das einströmende Medium dennoch eine Barriere, so dass nur ein Teil des einströmenden Mediums diesen Weg entlang strömen kann. Ein anderer Teil wird außen um das Innenrohr herum strömen und dort mit der Spiralleitung, in der das Kühlmedium geführt ist, in Kontakt gelangen. Dabei kommt es zu einer Verwirbelung des abzukühlenden Mediums, wobei dieses Medium in Wirbeln teilweise auch gegen den eigentlichen Hauptstrom um die Spiralleitung herum läuft. Der Grad dieser Verwirbelung lässt sich durch die Gestaltung der Dimensionen des Abstandes zwischen der Außenwand des Innenrohres und der Wand des Mantelrohres sowie des Durchmessers der Spiralleitung beeinflussen. Durch diese Verwirbelung und auch durch die Tatsache, dass das außen an dem Innenrohr vorbei geführte Medium auch an der durch das Kühlmittel gekühlten Außenwand des Innenrohres entlang strömt, dabei aufgrund der nicht laminaren Strömung immer wieder gegen diese anprallt, ergibt sich eine besonders lange Verweildauer bzw. ein langer Migrationsweg des abzukühlenden Mediums in dem Wärmetauscher und ein inniger Kontakt mit dem Kühlmedium, so dass sich auf einer kurzen Baustrecke des Wärmetauschers ein inniger Kontakt zwischen dem diesen Weg entlang strömenden, abzukühlenden Medium und den mit dem Medium in Kontakt kommenden Elementen Innenrohr und Spiralleitung ergibt. Der zweite, durch das Innenrohr hindurchströmende Teilstrom des Mediums, der je nach Wahl der Gesamtfläche der Durchtrittsöffnungen in seinem Anteil bezogen auf den in den Wärmetauscher einströmenden Gesamtstrom eingestellt werden kann (je kleiner die gesamte Öffnungsfläche der Durchtrittsöffnungen, desto geringer der Anteil und umgekehrt), wird durch den Kontakt des Mediums mit der von dem Kühlmittel gekühlten Innenwand des Innenrohres gekühlt. Dort ist das Kühlmittel noch bei besonders niedriger Temperatur, da es den hinter der Innenwand liegenden Hohlraum zuerst durchströmt. Hinter den Durchtrittsöffnungen werden die beiden Teilströme des Mediums wieder zusammengeführt und verlassen den Wärmetauscher gemeinsam durch den Auslass des Mantelrohres.
  • Diese Bauform führt dazu, dass auf einer kurzen Längserstreckung des Wärmetauschers eine beachtliche Kühlung erreicht, also ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann.
  • Selbstverständlich eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher aber auch, um umgekehrt ein kühles, in das Mantelrohr einströmendes Medium mit Hilfe eines in den "Kühlmittel-" Zulauf einströmenden Erwärmungsmediums zu erwärmen. Insoweit sind die Begriffe "Kühlmittelzulauf" und "Kühlmittelablauf" nicht auf ein Kühlmittel beschränkt aufzufassen, sondern sie können ebenso gut für ein Medium genutzt werden, welches zum Erwärmen eines durch das Mantelrohr strömenden Mediums genutzt werden kann, mithin eines "Wärmmittels".
  • Wie bereits zuvor ausgeführt, kann der Boden des Innenrohres nicht nur über eine, sondern über viele Durchtrittsöffnungen für das zu kühlende Medium verfügen. Bevorzugt weist der Boden eine Vielzahl von duschkopfartig angeordneten Durchtrittsöffnungen für das zu kühlende Medium auf. Diese Anordnung führt zu einem geordneten, in kleine Einzelströmungen aufgeteilten Durchtritt des zu kühlenden Mediums durch den Boden und hilft darüber hinaus die Durchmischung mit dem ersten Teilstrom, der nicht durch das Innenrohr strömt, sondern außen an diesem vorbei und entlang der Spiralleitung, zu befördern und so eine Homogenisierung des Mediums vor dem Auslass des Mantelrohres zu erreichen.
  • Mit Vorteil kann neben der Seitenwand des Innenrohres auch der Boden doppelwandig ausgebildet sein mit einer Außenwand, einer Innenwand und einem sich dazwischen erstreckenden Hohlraum. Dann ist die mindestens eine Durchtrittsöffnung bzw. sind die Durchtrittsöffnungen selbstverständlich so gebildet, dass sie durch die Innenwand und den Hohlraum sowie die Außenwand hindurch das Innere des Innenrohres mit der Außenseite verbinden und zugleich über eine Wand verfügen, die jede Durchtrittsöffnung von dem Hohlraum abschirmt. Dies ist deshalb so gewählt, da der Hohlraum sinnvoller Weise dann auch mit dem Hohlraum in der Seitenwand in Verbindung steht, so dass auch der Hohlraum in dem Boden von dem Kühlmittel durchströmt werden kann. Dies sorgt dann insgesamt für eine noch intensivere und bessere Kühlung des zu kühlenden Mediums, wenn dieses auch am Boden noch einmal auf eine gekühlte Wand trifft.
  • Der Kühlmittelzulauf mündet gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung (vgl. Anspruch 4) in einem dem Einlass des Mantelrohres benachbarten Abschnitt in den Hohlraum der doppelwandigen Seitenwand, wohingegen die Überführungsleitung in einem dem Auslass des Mantelrohres benachbarten Abschnitt von dem Hohlraum der Seitenwand und/oder dem Hohlraum des Bodens, wenn ein solcher vorhanden ist, abgeht und die Spiralleitung überführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Kühlmedium den Hohlraum insgesamt durchströmt und so einen intensiven Wärmeaustauschkontakt mit dem das Innenrohr durchströmenden Gleichstrom des zu kühlenden Mediums einerseits, andererseits aber auch mit dem Teilstrom des zu kühlenden Mediums, der außen an dem Innenrohr vorbei streicht, gewährleistet.
  • Zu einer noch verbesserten hohen Wärmetauschereffizienz trägt die gemäß Anspruch 5 vorgesehene Weiterbildung bei, dass die Spiralleitung wenigstens entlang der gesamten Länge des Innenrohres dieses umgebend geführt ist. Vorzugsweise sind die einzelnen Windungen der Spiralleitung dabei eng gewickelt, ohne sich jedoch zu berühren. Zwischen den einzelnen Windungen der Spiralleitung muss ein Abstand verbleiben, damit auch dort ein Kontakt zwischen dem abzukühlenden bzw. zu erwärmenden Medium und der Oberfläche der von dem Kühlmittel bzw. Wärmmittel durchströmten Spiralleitung stattfinden kann, ohne dass es hier zu einem zu hohen Strömungswiderstand kommt.
  • Eine Ausbildung, wie sie in Anspruch 6 angegeben ist, wonach die Spiralleitung mit radialem Abstand zu der Wand des Innenrohres und zu der Wand des Mantelrohres angeordnet ist, unterstützt die gewünschte Verwirbelung des durch das Mantelrohr strömenden Mediums und die damit einhergehende erhöhte Wärmetauscheffizienz. Dabei hat sich herausgestellt, dass ein radialer Abstand der Spiralleitung zu der Wand des Innenrohres, der in etwa gleich dem radialen Abstand der Spiralleitung zu der Wand des Mantelrohres ist, besonders gute Ergebnisse zeigt (Anspruch 7).
  • Gemäß Anspruch 8 ist es schließlich von Vorteil, wenn zumindest die Spiralleitung des Wärmetauschers aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften besteht. Hierbei wird vorzugsweise Kupfer eingesetzt, jedoch sind auch andere Materialien mit guten Wärmeleiteigenschaften denkbar, wie bspw. Silber.
  • Bevorzugt kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher eingesetzt werden, um Verbrennungsabgase aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsabgasen aus Kraftfahrzeugmotoren abzukühlen. Gerade in Kraftfahrzeugmotoren bzw. im Abgassystem von Kraftfahrzeugmotoren muss ein solcher Wärmetauscher einerseits eine hohe Kühlleistung aufbringen, um die mit etwa 1000° C und mehr aus dem Verbrennungsraum austretenden, heißen Abgase auf eine Temperatur von 80° C und weniger, vorzugsweise unterhalb von 50° C abzukühlen. Der Wärmetauscher muss aber auch von kompakter Bauweise sein, da der Raum im Abgassystem des Kraftfahrzeuges beschränkt ist. Hier eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher besonders gut.
  • Eine weitere bevorzugte Verwendung des Wärmetauschers liegt darin, diesen zum Erzeugen eines Phasenüberganges des Kühlmediums und Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Energieumsetzung unter Ausnutzung der bei dem Phasenübergang durch Expansion des Kühlmediums entstehenden mechanischen Arbeit zu nutzen. Dies kann z.B. ein ORC sein, wenn das Kühlmedium ein organisches Medium, bspw. C3H3F5, ist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Figur. Dabei ist in
    • Fig. 1
    schematisch ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gezeigt.
  • In Fig. 1 ist in einer schematischen Querschnittsdarstellung von der Seite ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher 1 skizziert. Diese Figur ist weder maßstabsgerecht noch gibt sie die tatsächlichen vorgegebene Geometrie wieder. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des Aufbaus und des Wirkprinzips des erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1.
  • Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 weist ein Mantelrohr 2 und ein im Inneren desselben koaxial angeordnetes Innenrohr 3 auf. Das Mantelrohr 2 hat einen Einlass 4, durch welchen beim Betrieb des Wärmetauschers 1 zu kühlendes Medium in das Mantelrohr 2 einströmt. Dem Einlass 4 gegenüberliegend ist das Mantelrohr 2 mit einem Auslass 5 zum Abströmen des zu kühlenden Mediums versehen.
  • Das Innenrohr 3 ist mit einer doppelwandigen Seitenwand 6 umschlossen, welche eine Außenwand 7, eine Innenwand 8 und einen dazwischen liegenden Hohlraum 9 aufweist. An seiner dem Einlass zugewandten Stirnseite 10 ist das Innenrohr 3 topfartig geöffnet, wobei hier die Außenwand 7 und die Innenwand 8 zum Verschließen des Hohlraums 9 miteinander verbunden sind. An der gegenüberliegenden Stirnseite, die dem Auslass 5 zugewandt ist, ist das Innenrohr 3 durch einen Boden 11 verschlossen, der auch hier den Hohlraum 9 verschließt, in dem allerdings Durchtrittsöffnungen 12 angeordnet sind, die das Innere des Innenrohres 3 zum Auslass 5 hin mit dem Inneren des Mantelrohrs 2 verbinden.
  • Eine Kühlmittelleitung teilt sich auf in einen Kühlmittelzulauf 13, durch welchen Kühlmittel in den Wärmetauscher 1 einströmen kann und welcher in den Hohlraum 9 in der Seitenwand 6 des Innenrohrs 3 mündet und zwar an einer Mündung 14 an der Stirnseite 10 des Innenrohres 3. Über eine Überführungsleitung 15, die ebenfalls Bestandteil der Kühlmittelleitung ist, kann das Kühlmittel aus dem Hohlraum 14 ablaufen und gehen in eine Spiralleitung 16, die mit etwa gleichem Abstand zur Wand des Mantelrohres 2 wie zur Außenwand 7 des Innenrohres 3 sich um das Innenrohr 3 herum windet, ausgehend von dem dem Auslass 5 zugewandten Ende des Mantelrohres 2 im Inneren desselben hin zu dem dem Einlass 4 zugewandten Ende des Mantelrohres 2. Auch wenn dies in der skizzenhaften Fig. 1 nicht exakt so dargestellt ist, ist die Spiralleitung 16 eine durchgehende, schraubenfederartig gewundene Leitung. An Ihrem dem Einlass 4 des Mantelrohres 2 zugewandten Ende tritt die Spiralleitung 16 dann über in einen Kühlmittelablauf 17, der das Ende der Kühlmittelleitung des Wärmetauschers 1 bildet.
  • Im Betrieb durchströmt ein zu kühlendes Medium, beispielsweise ein heißes Gas, den Wärmetauscher 1 vom Einlass 4 bis zum Auslass 5 in der durch die Pfeile P angedeuteten Weise. Ein erster Teilstrom P1 strömt den Bereich zwischen der Wand des Mantelrohres 2 und der Außenwand 7 des Innenrohres 3 und dort an den Windungen der Spiralleitung 16 vorbei, wie dies durch die entsprechenden Pfeile im oberen Abschnitt der Zeichnung angedeutet ist.
  • Ein zweiter Teilstrom P2 strömt in das Innere des Innenrohres 3 hinein und verlässt das Innenrohr 3 durch die Durchtrittsöffnungen 1 2 in dem Boden 11 des Innenrohres 3, um sich am Auslass 5 des Mantelrohres 2 mit dem ersten Teilstrom P1 wieder zu dem Gesamtstrom zu vereinen. Während der erste Teilstrom P1 durch innigen Kontakt mit den gekühlten Spiralleitungen 16, die vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen gut thermisch leitenden Material bestehen, und die dabei ebenfalls auftretende Verwirbelung abgekühlt wird, sowie ferner durch den Kontakt mit der Außenwand 7 des Innenrohres 3, welche durch das durch den Hohlraum 9 hindurch strömende Kühlmittel gekühlt ist, wird der Teilstrom P2 durch den Kontakt mit der Innenwand 8 des Innenrohres 3 gekühlt, welche ebenfalls durch das in den Hohlraum 9 strömende Kühlmittel abgekühlt wird. Durch die Größe und Anzahl der Durchtrittsöffnungen 12 in dem Boden 11 wird das Verhältnis des Teilstromes P2 gegenüber dem Teilstrom P1 mitbestimmt, welches sich auch durch die sonstigen geometrischen Gegebenheiten des Wärmetauschers 1 ableitet. Hier wird der Fachmann ein ideales Verhältnis wählen, um das Kühlergebnis und damit die Effektivität bzw. Effizienz des Wärmetauschers 1 zu optimieren. Dies wird ihm z.B. anhand geeigneter Versuche gelingen.
  • Das Kühlmedium 3 durchströmt den Wärmetauscher vom Kühlmittelzulauf her und die Mündung in dem Hohlraum 9 durch diesen Hohlraum 9 in Richtung der Strömung des zu kühlenden Mediums, also in Richtung zu dem Auslass 5 bis zum Eintritt in die Überführungsleitung 15 und von dort in die Spiralleitung 16 und dann im Gegenstromprinzip zurück in Richtung Einlass 4 des Mantelrohres 2 bis zum Kühlmittelablauf 17.
  • Es hat sich gezeigt, dass mit einem wie in dem Ausführungsbeispiel gezeigt konstruierten Wärmetauscher eine gegenüber dem bekannten Stand der Technik noch verbesserte Effizienz erzielt werden konnte. Insbesondere eignete sich der Wärmetauscher zum Herabkühlen von heißen Abgasen von Verbrennungsmotoren oder vergleichbaren Verbrennungskraftmaschinen, die von Temperaturen oberhalb von 1.000° C bis auf Temperaturen etwas oberhalb von Zimmertemperatur, auf 30-40° C, abgekühlt werden konnten mit einem Wärmetauscher von einer sehr kurzen Baulänge von lediglich 25-30 cm. Ein weiterer idealer Einsatzzweck für den Wärmetauscher besteht darin, ihn zum Erhitzen eines als Kühlmittel geführten thermodynamischen Arbeitsmediums verwenden, um dieses Arbeitsmedium zu einem Phasenübergang zu bringen, insbesondere von flüssig zu gasförmig, und dadurch mechanische Arbeit verrichten zu lassen. Diese mechanische Art kann dann z.B. verwendet werden, um elektrische Energie zu generieren oder dgl. Als besonders geeignetes thermodynamisches Arbeitsmedium hat sich dabei eine Verbindung C3H3F5 erwiesen, welche einen Betrieb eines ORC mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer sehr effizienten Weise und mit kompakter Bauform des Wärmetauschers ermöglicht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmetauscher
    2
    Mantelrohr
    3
    Innenrohr
    4
    Einlass
    5
    Auslass
    6
    Seitenwand
    7
    Außenwand
    8
    Innenwand
    9
    Hohlraum
    10
    Stirnseite
    11
    Boden
    12
    Durchtrittsöffnung
    13
    Kühlmittelzulauf
    14
    Mündung
    15
    Überführungsleitung
    16
    Spiralleitung
    17
    Kühlmittelablauf
    P1
    Pfeil /Teilstrom
    P2
    Pfeil /Teilstrom

Claims (10)

  1. Wärmetauscher zum Wärmeübertrag zwischen zwei Medien, nämlich einem zu kühlenden Medium und einem Kühlmittel, mit einem einen Einlass (4) und einen Auslass (5) für das zu kühlende Medium aufweisenden Mantelrohr (2), einem innerhalb des Mantelrohres (2) angeordneten Innenrohr (3), welches auf der dem Einlass (4) zugewandten Seite (10) stirnseitig offen ist und auf der dem Auslass (5) zugewandten Seite einen stirnseitig angeordneten Boden (11) aufweist, welcher Boden (11) wenigstens eine Durchtrittsöffnung (12) für das zu kühlende Medium aufweist, wobei wenigstens die Seitenwand (6) des Innenrohres (3) als Doppelwand mit einer Innenwand (8) und einer diese umgebenden Außenwand (7) und einem zwischen der Innenwand (8) und der Außenwand (7) liegenden Hohlraum (9) gebildet ist, wobei der Wärmetauscher (1) ferner eine Kühlmittelleitung aufweist mit einem Kühlmittelzulauf (13), der in den Hohlraum (9) mündet, einer Überführungsleitung (15) von dem Hohlraum (9) in eine sich von der dem Auslass (17) des Mantelrohres (2) zugewandten Seite innerhalb des Mantelrohres (2) um das Innenrohr (2) herum windende Spiralleitung (16) und einem an der dem Einlass (4) des Mantelrohres (2) zugewandten Seite liegenden Kühlmittelablauf (17), in den die Spiralleitung (16) mündet.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (11) des Innenrohres (3) eine Vielzahl von duschkopfartig angeordneten Durchtrittsöffnungen (12) für das zu kühlende Medium aufweist.
  3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Boden (11) des Innenrohres (3) als Doppelwand gebildet ist mit einer Innenwand, einer Außenwand und einem sich dazwischen erstreckenden Hohlraum, wobei die wenigstens einen Durchtrittsöffnung (12) durch die Innenwand, den Hohlraum und die Außenwand geführt und gegenüber dem Hohlraum abgedichtet ist und wobei der Hohlraum des Bodens (11) mit dem Hohlraum (9) der Seitenwand (6) zum Durchfluss des Kühlmittels verbunden ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzulauf (13) in einem dem Einlass (4) des Mantelrohres (2) benachbarten Abschnitt in den Hohlraum (9) der doppelwandigen Seitenwand (6) mündet und dass die Überführungsleitung (15) in einem dem Auslass (5) des Mantelrohres (2) benachbarten Abschnitt von dem Hohlraum (9) der Seitenwand (6) oder dem Hohlraum des Bodens (11) abgeht.
  5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitung (16) wenigstens entlang der gesamten Länge des Innenrohres (3) dieses umgebend geführt ist.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitung (16) mit radialem Abstand zu der Seitenwand (6) des Innenrohres (3) und zu der Wand des Mantelrohres (2) angeordnet ist.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand der Spiralleitung (16) zu der Seitenwand (6) des Innenrohres (3) in etwa gleich dem radialen Abstand der Spiralleitung (16) zu der Wand des Mantelrohres (2) ist.
  8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Spiralleitung (16) aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften, vorzugsweise aus Kupfer, besteht.
  9. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Kühlen von Verbrennungsabgasen aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Verbrennungsabgasen aus Kraftfahrzeugmotoren.
  10. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Erzeugen eines Phasenüberganges des Kühlmediums und Betreiben eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Energieumsetzung unter Ausnutzung der bei dem Phasenübergang durch Expansion entstehenden mechanischen Arbeit.
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