EP2622296A1 - Rohrbündel -wärmetauscher und abgaswärmerückgewinnungsvorichtung - Google Patents

Rohrbündel -wärmetauscher und abgaswärmerückgewinnungsvorichtung

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EP2622296A1
EP2622296A1 EP11773176.0A EP11773176A EP2622296A1 EP 2622296 A1 EP2622296 A1 EP 2622296A1 EP 11773176 A EP11773176 A EP 11773176A EP 2622296 A1 EP2622296 A1 EP 2622296A1
Authority
EP
European Patent Office
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pipe
tube
heat exchanger
tube bundle
bends
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11773176.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Berger
Christian Bausch
Jens Grieser
Andreas Lorenz
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SteamDrive GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP2622296A1 publication Critical patent/EP2622296A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E20/30—Technologies for a more efficient combustion or heat usage

Definitions

  • the invention relates to a shell and tube heat exchanger, in particular for forming an evaporator for an exhaust heat recovery device.
  • Heat exchangers are known in different configurations.
  • a heat exchanger can be charged with a hot exhaust gas flow in order to transfer a working medium from the liquid phase into the vapor phase, which subsequently relaxes in an expander while performing mechanical work.
  • Heat exchangers serving as evaporators may be in the form of a plate stack in which flow channels for the heating medium,
  • Heat transfer medium in the form of interruptions in the individual plates of the stacking sequence are created.
  • Typical designs provide heat exchangers according to the countercurrent or cross-countercurrent principle. For this purpose, reference is made by way of example to DE 10 2008 029 096 AI.
  • Internal combustion engines are such tube bundle heat exchangers, for example, from DE 41 41 051 AI, EP 1 321 644 Bl and DE 10 2009 011 847 AI known.
  • GB 501 202 describes a relatively densely packed shell and tube heat exchanger having tubes extending in two vertical planes, a first group of tube arcs each extending in a horizontal plane and a second group of tube arcs extending diagonally between two horizontal planes superimposed one on top of the other. The angles between the pipe bends are therefore 45 °.
  • Pipe pieces run in three juxtaposed vertical planes.
  • the invention is based on the object, a heat exchanger in
  • Evaporator an exhaust heat recovery device usable and have easy to produce, stackable tube windings.
  • Evaporator an exhaust heat recovery device usable and have easy to produce, stackable tube windings.
  • the holder of the tube bundle heat exchanger should be connected to existing components of an exhaust system with a low design effort. Furthermore, the stacking sequence of the tube windings should allow geometrically simple inlet and outlet tubes for the heat medium.
  • the heat exchanger according to the invention despite the possibility of very dense packing and thus the low space required for the
  • stackable tube windings in a serpentine design form the basis of the invention.
  • the tube windings forming a tube bundle of the heat exchanger which extend between a common inlet space and a common outlet space for the supply and removal of the heat medium, have an alternating sequence of tube pieces and tube bends.
  • the pipe bends cause a deflection of the heat medium substantially by 180 ° with respect to an associated arc axis and have the same bending radii.
  • Preference is given to a cohesive connection of separately produced pipe sections and pipe bends for the formation of the pipe windings.
  • a cohesive connection of separately produced pipe sections and pipe bends for the formation of the pipe windings.
  • Tube winding are created in one piece, the pipe bends are produced by a suitable forming process.
  • the pipe sections are arranged alternately in two mutually parallel planes, in particular vertical planes.
  • only these two levels are provided with pipe sections and no other parallel plane with pipe sections.
  • the pipe bends connect the
  • each pipe bend advantageously has a first end in the first plane and a second end in the second plane to connect two pipe sections positioned in different levels.
  • the pipe bends are in particular obliquely or diagonally on the two planes, advantageously they extend within a pipe arc plane which is approximately or exactly at an angle of 45 ° on the two planes. By approximately, for example, an angular range of 35 ° - 55 °, in particular 40 ° - 50 ° to understand. It is favorable, however, if the angle is 45 °.
  • the invention is characterized by thus formed pipe bends for connecting pipe sections of each individual pipe windings, whose
  • Arc axes for adjacent pipe bends are in angular position to each other and are designed to extend parallel pipe elbows in next but one neighborhood.
  • the angular position of the arc axes of adjacent pipe bends takes an angle in the range of 85 ° - 95 °, preferably of 90 °.
  • the tube windings are preferably designed such that each tube piece for the respective tube winding is assigned to a first tube piece group or a second tube piece group.
  • a projection direction can be defined, for which the projections of all belonging to a pipe section group of pipe sections are congruent.
  • straight pipe sections are preferably used, since these are advantageously easy to manufacture and can be handled to form pipe windings.
  • geometrically matching, stackable tube windings can thus be produced in a simple manner, which according to the invention form a zigzag pattern for a cutting plane running perpendicular to the straight pipe sections due to the alternating angular position of the arc axes of the pipe bends.
  • an improved stackability of the tube windings is achieved, resulting in a tube bundle heat exchanger with an increased proportion of parallel flow paths.
  • These parallel flow paths are then to Realization of the cross-countercurrent principle of the heat-carrying fluid flow with respect to an average flow direction applied substantially perpendicular.
  • the inlet for the heat medium is provided at the bottom in the stack and the outlet at the top in the stack, and the medium introducing the heat, in particular an exhaust gas flow, flows vertically or essentially vertically from top to bottom through the stack between the pipe sections or these flows around.
  • the pipe bends preferably have a matching geometry, wherein particularly preferably the pipe bends are formed as easy to be produced semicircular arches with a plane extending central line. Deviations from a straight design of the pipe sections and a
  • FIG. 1 a shows a top view of a tube winding of a shell-and-tube heat exchanger designed according to the invention.
  • Figure lb shows a sectional view of Figure la along the section line A-A.
  • Figure 2 shows the tube winding of Figures la and lb in a three-dimensional view.
  • Figure 3 shows a part of the sectional view of Figure lb.
  • FIG. 4 shows an enlarged view of FIG. 1b
  • Figure 5a shows a shell and tube heat exchanger with a variety of
  • FIG. 5b shows a sectional view along the line C-C from FIG. 5a.
  • FIG. 6 shows the tube bundle heat exchanger from FIGS. 4a and 4b in an enlarged, spatial view.
  • Figure 7 shows a tube bundle heat exchanger according to the invention for a
  • FIG. 8 shows a connection part for the evaporator from FIG. 7.
  • FIG. 1 a illustrates a single tube winding 1 according to the invention
  • the tube winding 1 is replaced by a alternating sequence of pipe sections 6.1 - 6.n and pipe bends 7.1 - 7.n formed. From the sectional view shown in Figure lb along the line AA in Figure la, resulting in a zigzag-shaped configuration, which results that adjacent successive pipe bends 7.1 - 7.n, that is those pipe bends 7.1 - 7.n, the same piece of pipe 6.1 - 6.n connect, stand in an angular position ⁇ to each other. The angle ⁇ is 90 °. [This is exemplified in Figure lb on the basis of the adjacent pipe sections 6.1 and 6.2 or 6.2 and 6.3.
  • the pipe sections run 6.1 - 6.n seen from bottom to top alternately in two mutually parallel vertical planes.
  • Pipe winding 1 is formed compared to a flat, serpentine winding a reduced transverse distance h of the pipe sections 6.1 - 6.n. In this direction, the main flow direction is effected by the thermal fluid, which occurs in the heat exchange with the guided in the tube winding 1 heat medium. This will be explained in more detail below.
  • Pipe pieces 6.1 - 6.n can be divided into two groups. To each of the
  • Pipe piece groups include pipe sections 6.1 - 6.n, which are within a
  • the inlet plane is parallel to the outlet plane and both planes are perpendicular to the first plane described above with the pipe sections of the pipe section group 14 and the second plane with the pipe sections of the pipe section group 15th
  • Per pipe section group 14, 15 are provided numerous, namely four or more, in particular six, eight or ten or more pipe sections respectively within the first plane and the second plane. Three, four, six, eight or more pipe sections can also be provided next to one another within the inlet plane and / or within the outlet plane.
  • FIG. 3 shows a sketch for defining the term of a bow axis 17 for a pipe bend 7.
  • the bend 7 is a flat semicircular arc, so that the bow axis 17 is defined by the normal vector through the center of the associated semicircle. Nevertheless, they are
  • Radial vectors 22.1, 22.2 which extend from a center point 21 to the circular arc section 20, can be determined for sufficiently small circular arc sections 20 along the threading line 18.
  • a vector is determined, which determines the contribution to the sheet axis 17, which is associated with the considered circular arc section 20.
  • the entire pipe bend 7 associated sheet axis 17 then results from a weighted averaging of the above contributions. The weighting takes place over the circular arc lengths of the circular arc sections 20 used for the determination.
  • Figure 4 shows an enlarged view of Figure lb. Sketched are in the transverse direction truncated pipe sections 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 with
  • the bow shafts 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 assigned to the pipe bends 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 have an alternating angular deviation from the projection direction 16.
  • the angle is in particular between 40 ° and 50 °, advantageously 45 °.
  • adjacent pipe sections 7.1, 7.2 with respect to their bow axes, for example 17.1 and 17.2, in a predetermined angular position a, thereof 90 ° to each other and pipe sections in next but one neighborhood, about 7.1, 7.3, have substantially parallel bow axes 17.1 and 17.3.
  • Certain angular deviations for a tube winding 1 are tolerable if the stackability is not impaired.
  • each bend 7, 7.1 - 7.n a bending radius R is assigned, advantageously all bending radii R of the pipe bends 7, 7.1- 7.n
  • Pipe section (7, 7.1 -7.n) is formed as a bending radius R, a weighted average of the length of all radial vectors 22.1, 22.2.
  • FIG. 5 a shows a tube bundle heat exchanger 8 in accordance with the invention
  • Top view which is designed as a stack of the tube windings 1.1 - l.n with a geometry according to the figures la, lb and 2.
  • the compact mutual contact of the tube windings 1.1 - l.n can be seen, resulting from the alternate angular position of the pipe bends 7.1, 7.n along the individual pipe windings 1.1 - l.n.
  • the pipe bends are 7.1, 7.n at an alternating angle of ⁇ 45 ° to
  • Projection direction 16 created. This corresponds to an angular position ⁇ of the arc axes 17.1, 17.n adjacent pipe bends 7.1, 7.n of 90 °.
  • Pipe sections 6.1, 6.n for each individual pipe winding 1.1 - l.n is particularly clear from the shown in Figure 6 spatial representation of a tube bundle heat exchanger 8 according to the invention.
  • FIG. 7 diagrammatically simplifies the use of a tube bundle heat exchanger 8 according to the invention for forming an evaporator
  • the shell-and-tube heat exchanger 8 has an inlet space 2 for a heat medium, which is connected to a feed line 4.
  • a preferred embodiment of the inlet space 2 is shown in the enlarged view of Figure 8. This one has
  • connection part 12 which is formed for example as a milled part.
  • This connection part 12 comprises feed channels for the heat medium on the side pointing towards the ends of the pipe sections 6.1 - 6.n. Furthermore, at the direction of the feed line 4 front side of the connection part 12 to
  • a lid 11 is provided.
  • the connecting part 12 may be formed as a pipe piece, which is not shown in detail in the figures. Notwithstanding the representation shown here, the feed line 4 can extend at least partially or in total in the direction of the longitudinal extent of the inlet space 2 or of the connection part 12, advantageously transversely to the longitudinal direction of the individual pipe sections. The same applies to the connection part 12, if this is itself designed as a piece of pipe.
  • the tube bundle heat exchanger shown is of a cylindrical or substantially cylindrical space enclosed, whose longitudinal axis is in particular parallel to the longitudinal axis of the pipe sections and through which the exhaust gas is passed.
  • FIG. 7 shows components of a holder for the individual
  • the peg-shaped projections may, for example, have a surface which is complementary to the surface of the pipe sections facing them.
  • the lateral brackets 9.1, 9.2 also have plates with holes, in particular enclose, being passed through the individual holes, the pipe sections.
  • the stacking sequence is stabilized by transverse rods 10.1-10. N, which extend through the stacking sequence of the tube windings 1.1-1. Notwithstanding the representation shown cross bars must not be provided in all spaces. For example, it may also be sufficient to provide these only in the upper region of the stack. According to a particularly favorable embodiment of the stack of

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel -Wärmetauscher mit - einer Vielzahl von einem Wärmemedium parallel durchströmten Rohrwicklungen (1), die von einem gemeinsamen Einlassraum (2) für das Wärmemedium ausgehen und in einem gemeinsamen Auslassraum (3) münden; - wobei jede Rohrwicklung eine alternierende Abfolge von abwechselnd in zwei zueinander parallelen Ebenen verlaufenden Rohrstücken (6) und diese verbindenden Rohrbögen (7) umfasst, wobei innerhalb jeder der beiden Ebenen vier oder mehr nebeneinander oder parallel zueinander angeordnete Rohrstücke verlaufen, und - wobei die Rohrbogen als Umlenkung um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse ausgebildet sind und gleiche Biegeradien aufweisen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass entlang jeder Rohrwicklung die Bogenachsen von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück angeschlossen sind, in Winkelstellung von 85° - 95° zueinander stehen und die Bogenachsen von Rohrbögen, zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück, ein Rohrbogen und ein weiteres Rohrstück angeordnet sind, parallel verlaufen.

Description

ROHRBÜNDEL -WÄRMETAUSCHER UND ABGASWÄRMERÜCKGEWINNUNGSVORICHTUNG
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere zur Ausbildung eines Verdampfers für eine Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung.
Wärmeaustauscher sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Für die Abwärmenutzung von Verbrennungskraftmaschinen kann beispielsweise ein Wärmeaustauscher mit einem heißen Abgasstrom beaufschlagt werden, um ein Arbeitsmedium von der Flüssigphase in die Dampfphase zu überführen, die nachfolgend in einem Expander unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt. Derartige dampfbetriebene Energierückgewinnungssysteme für
Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen können zur Speisung von
Nebenverbrauchern oder zur Antriebsunterstützung dienen. Weitere Anwendungen von Verdampfern in Fahrzeugen betreffen Kühl- und Klimatisierungssysteme.
Wärmetauscher, die als Verdampfer dienen, können in Form eines Plattenstapels ausgebildet sein, in dem Strömungskanäle für das heizende Medium,
beispielsweise für einen Abgasstrom, und separate Kanäle für ein
Wärmeträgermedium in Form von Unterbrechungen in den Einzelplatten der Stapelfolge angelegt sind. Typische Gestaltungen sehen Wärmeaustauscher nach dem Gegenstrom- beziehungsweise dem Kreuzgegenstromprinzip vor. Hierzu wird beispielhaft auf die DE 10 2008 029 096 AI verwiesen.
Alternative Gestaltungen von Wärmeaustauschern verwenden Rohrbündel, in denen das Wärmemedium geführt wird, wobei der Wärmeaustausch über die Mantelflächen der einzelnen Rohrwicklungen des Rohrbündels erfolgt. Für die bevorzugte Anwendung in einem Abgaswärmerückgewinnungssystem für
Verbrennungskraftmaschinen sind derartige Rohrbündel-Wärmetauscher beispielsweise aus DE 41 41 051 AI, EP 1 321 644 Bl und DE 10 2009 011 847 AI bekannt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die Patentschrift DE 102 22 974 B4 zeigt einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus einem Heißgasstrom auf ein Fluid mit schlangenförmig
verlaufenden Rohrwicklungen, deren Rohrbögen alle senkrecht verlaufen. Die Patentschrift GB 501 202 beschreibt einen relativ dicht gepackten Rohrbündel- Wärmetauscher, mit in zwei vertikalen Ebenen verlaufenden Rohren, wobei eine erste Gruppe von Rohrbögen jeweils in einer horizontalen Ebene verläuft und eine zweite Gruppe von Rohrbögen diagonal zwischen zwei übereinander angeordneten horizontalen Ebenen verläuft. Die Winkel zwischen den Rohrbögen betragen demnach 45°.
Das US-Patent 4 446 915 beschreibt eine komplexe Struktur von ineinander verschachtelten Rohrwicklungen unterschiedlicher Geometrie, wobei die
Rohrstücke in drei nebeneinander angeordneten senkrechten Ebenen verlaufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher in
Rohrbündelbauweise derart weiterzuentwickeln, dass für eine kompakte Bauform, die insbesondere die Unterbringung in bestehende Abgasführungen von
Verbrennungskraftmaschinen erlaubt, eine hohe effektive Wärmeaustauschfläche zur Verfügung steht. Dabei soll der Wärmetauscher zur Verwendung als
Verdampfer einer Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung verwendbar sein und einfach herstellbare, stapelbare Rohrwicklungen aufweisen. Neben der
erleichterten Herstellung soll die Halterung des Rohrbündel-Wärmetauscher an bestehenden Komponenten einer Abgasführung mit einem geringen konstruktiven Aufwand verbunden sein. Des Weiteren sollte die Stapelfolge der Rohrwicklungen geometrisch einfach gestaltete Einlass- und Auslassrohre für das Wärmemedium ermöglichen. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher soll trotz der Möglichkeit der sehr dichten Packung und damit des geringen notwendigen Bauraums die
Strömungsführung für das Wärmemedium optimieren, sodass die Druckverluste, welchen das Wärmemedium beim Durchtritt durch den Wärmetauscher unterliegt, möglichst gering sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dabei bilden stapelbare Rohrwicklungen in schlangenförmiger Ausführung gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen die Grundlage der Erfindung. Entsprechend weisen die ein Rohrbündel des Wärmeaustauschers bildenden Rohrwicklungen, welche sich zwischen einem gemeinsamen Einlassraum und einem gemeinsamen Auslassraum für die Zufuhr und Abfuhr des Wärmemediums erstrecken, eine alternierende Abfolge von Rohrstücken und Rohrbögen auf. Dabei bewirken die Rohrbögen eine Umlenkung des Wärmemediums im Wesentlichen um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse und weisen gleiche Biegeradien auf. Bevorzugt wird eine stoffschlüssige Verbindung separat hergestellter Rohrstücke und Rohrbögen zur Ausbildung der Rohrwicklungen. Alternativ kann eine
Rohrwicklung einstückig angelegt werden, wobei die Rohrbögen durch einen geeigneten Umformprozess hergestellt werden.
Erfindungsgemäß sind die Rohrstücke abwechselnd in zwei zueinander parallelen Ebenen, insbesondere vertikalen Ebenen, angeordnet. Insbesondere sind ausschließlich diese beiden Ebenen mit Rohrstücken und keine weitere hierzu parallele Ebene mit Rohrstücken vorgesehen. Die Rohrbögen verbinden die
Rohrstücke der verschiedenen Ebenen, sodass jeder Rohrbogen vorteilhaft ein erstes Ende in der ersten Ebene und ein zweites Ende in der zweiten Ebene aufweist, um zwei in verschiedenen Ebenen positionierte Rohrstücke zu verbinden. Die Rohrbögen stehen insbesondere schräg beziehungsweise diagonal auf den beiden Ebenen, vorteilhaft verlaufen sie innerhalb einer Rohrbogenebene, die mit annähernd oder genau mit einem Winkel von 45° auf den beiden Ebenen steht. Unter annähernd ist beispielsweise ein Winkelbereich von 35° - 55°, insbesondere 40° - 50° zu verstehen. Günstig ist jedoch, wenn der Winkel 45° beträgt.
Werden Rohrstücke mit gerader Ausrichtung und übereinstimmender Länge verwendet und jeweils in alternierender Folge mit Rohrbögen, die einen Halbkreis beschreiben, verbunden, entsteht ein Strömungsweg für das Wärmemedium, dessen wesentliche Streckenlänge quer zum Heizmedium, etwa dem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, orientierbar ist, um ein Kreuzgegenstromprinzip zu verwirklichen. Die Erfindung zeichnet sich durch solchermaßen ausgebildete Rohrbögen zur Verbindung von Rohrstücken jeder einzelnen Rohrwicklungen aus, deren
Bogenachsen für benachbarte Rohrbögen in Winkelstellung zueinander stehen und für Rohrbögen in übernächster Nachbarschaft parallel verlaufend ausgebildet sind. Erfindungsgemäß nimmt die Winkelstellung der Bogenachsen benachbarter Rohrbögen einen Winkel im Bereich von 85° - 95°, bevorzugt von 90° ein. Des Weiteren werden die Rohrwicklungen vorzugsweise so gestaltet, dass jedes Rohrstück für die jeweilige Rohrwicklung einer ersten Rohrstückgruppe oder einer zweiten Rohrstückgruppe zugeordnet ist. Dabei kann eine Projektionsrichtung festgelegt werden, für die die Projektionen aller zu einer Rohrstückgruppe gehörenden Rohrstücke deckungsgleich sind.
Ferner werden bevorzugt gerade Rohrstücke verwendet, da diese vorteilhaft einfach herstellbar und zur Ausbildung von Rohrwicklungen handhabbar sind. Des Weiteren können damit auf einfache Weise geometrische übereinstimmende, stapelbare Rohrwicklungen hergestellt werden, die erfindungsgemäß für eine senkrecht zu den geraden Rohrstücken verlaufende Schnittebene aufgrund der alternierenden Winkelstellung der Bogenachsen der Rohrbögen ein Zickzackmuster bilden. Hierdurch wird eine verbesserte Stapelbarkeit der Rohrwicklungen erreicht, was zu einem Rohrbündel-Wärmetauscher mit einem vergrößerten Anteil paralleler Strömungswege führt. Diese parallelen Strömungswege werden dann zur Realisierung des Kreuzgegenstromprinzip vom Wärme eintragenden Fluidstrom bezüglich einer gemittelten Anströmungsrichtung im Wesentlichen senkrecht beaufschlagt. Günstig ist dabei, wenn der Einlass für das Wärmemedium unten im Stapel und der Auslass oben im Stapel vorgesehen ist, und das die Wärme einleitende Medium, insbesondere ein Abgasstrom senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht von oben nach unten durch den Stapel zwischen den Rohrstücken durchströmt beziehungsweise diese umströmt.
Für eine vereinfachte Stapelbarkeit und im Hinblick auf eine kompakte Anordnung der Rohrwicklungen weisen die Rohrbögen bevorzugt eine übereinstimmende Geometrie auf, wobei besonders bevorzugt die Rohrbögen als einfach zu fertigende Halbkreisbögen mit einer eben verlaufenden Zentrallinie ausgebildet sind. Abweichungen von einer geraden Ausführung der Rohrstücke und einer
halbkreisförmigen Gestaltung der Rohrbögen bilden Ausführungsformen der Erfindung, die bezüglich der Herstellung der Rohrbündel-Wärmetauscher aufwendiger sind. Allerdings ermöglicht eine wiederum übereinstimmende jedoch verwundene Geometrie der einzelnen Rohrbögen und/oder Rohrstücke eine Verbesserung des formschlüssigen Ineinandergreifens bei der Stapelung, was die Gesamtstabilität des Rohrbündel-Wärmetauschers erhöht. Dies stellt insbesondere für Fahrzeuganwendungen, für die auf die Rohrbündel des Wärmeaustauschers ständig Vibrationen und Stöße wirken, eine Verbesserung dar, da die einzelnen Rohrwicklungen des Rohrbündels sich gegenseitig stärker abstützen und so die Halterungsstrukturen, die das Rohrbündel des Wärmeaustauschers
zusammenfassen und im zugeordneten Bauraum anbringen, konstruktiv
vereinfacht ausgeführt werden können. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur la zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete Rohrwicklung eines Rohrbündel- Wärmetauschers in Draufsicht.
Figur lb zeigt eine Schnittansicht aus Figur la entlang der Schnittlinie A-A.
Figur 2 zeigt die Rohrwicklung der Figuren la und lb in räumlicher Ansicht.
Figur 3 zeigt einen Teil der Schnittansicht aus Figur lb.
Figur 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht zu Figur lb
Figur 5a zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit einer Vielzahl von
Rohrwicklungen in Draufsicht.
Figur 5b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie C-C aus Figur 5a.
Figur 6 zeigt den Rohrbündel-Wärmetauscher aus den Figuren 4a und 4b in vergrößerter, räumlicher Ansicht.
Figur 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher für eine
Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung.
Figur 8 zeigt ein Anschlussteil für den Verdampfer aus Figur 7.
Figur la stellt eine einzelne Rohrwicklung 1 für einen erfindungsgemäß
ausgeführten Rohrbündel-Wärmetauscher dar. Die Rohrwicklung 1 wird durch eine alternierende Abfolge von Rohrstücken 6.1 - 6.n und Rohrbögen 7.1 - 7.n gebildet. Aus der in Figur lb dargestellten Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur la, ergibt sich eine zickzackförmige Gestaltung, die daraus resultiert, dass benachbart aufeinander folgende Rohrbögen 7.1 - 7.n, das heißt jene Rohrbögen 7.1 - 7.n, die an dasselbe Rohrstück 6.1 - 6.n anschließen, in einer Winkelstellung α zueinander stehen. Der Winkel α beträgt 90°. [Exemplarisch ist dies in Figur lb anhand der benachbarten Rohrstücke 6.1 und 6.2 beziehungsweise 6.2 und 6.3 ersichtlich. Zusätzlich sind die Bogenachsen von Rohrbögen 7.1 - 7.n, die übernächste Nachbar bilden, das heißt einer solchen Paarung, für die zwischen zwei Rohrbögen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück, ein Rohrbogen und ein weiteres Rohrstück angeordnet sind, parallel verlaufend angelegt. Somit verlaufen die Rohrstücke 6.1 - 6.n von unten nach oben gesehen abwechselnd in zwei parallel zueinander angeordneten vertikalen Ebenen. Für die vor- und zurückspringende Formgebung einer erfindungsgemäßen
Rohrwicklung 1 entsteht gegenüber einer ebenen, schlangenförmigen Wicklung ein verringerter Querabstand h der Rohrstücke 6.1 - 6.n. In diese Richtung erfolgt die Hauptanströmungsrichtung durch das thermische Fluid, das mit dem in der Rohrwicklung 1 geführten Wärmemedium im Wärmeaustausch tritt. Dies wird nachfolgend noch genauer erläutert.
Ein weiterer Vorteil für eine erfindungsgemäß zickzackförmig angelegte, schlangenförmige Rohrwicklung 1 ergibt sich aus einer verbesserten Stapelbarkeit. Dies wird aus Figur 2 deutlich, die die Rohrwicklung der Figuren la und lb in räumlicher Ansicht zeigt. Aus Figur lb ist ersichtlich, dass für jede einzelne
Rohrwicklung 1 aufgrund der Winkelstellung der Rohrbögen 7.1 - 7.n die
Rohrstücke 6.1 - 6.n in zwei Gruppen aufteilbar sind. Zu jeder der
Rohrstückgruppen gehören Rohrstücke 6.1 - 6.n, die innerhalb einer
gemeinsamen Ebene nebeneinander, vorliegend parallel zueinander, verlaufen. Dies ist ersichtlich aus einer Zuordnung der Rohrstücke 6.1 und 6.3 zu einer ersten Rohrstückgruppe 14, deren Rohrstücke 6.1, 6.3 in der ersten, hier senkrechten Ebene verlaufen, und der Rohrstücke 6.2 und 6.4 zu einer zweiten Rohrstückgruppe 15, deren Rohrstücke 6.2 und 6.4 in einer zweiten, hier ebenfalls senkrechten Ebene verlaufen, die parallel zu der ersten Ebene ist. Somit sind die Projektionen für eine vorbestimmte Projektionsrichtung, vorliegend die Richtung zur Bestimmung des Querabstands h, deckungsgleich. Wenn nun eine Vielzahl der gezeigten zickzackförmig angelegten schlangenförmigen Rohrwicklungen 1 nebeneinander zu einem Stapel zusammengefügt wird, sodass die Einlässe für das Wärmemedium in einer unteren horizontalen Ebene, vorliegend als Einlassebene bezeichnet, nebeneinander liegen, nämlich in der Ebene der Rohrstücke 6.1 einer jeden Rohrwicklung 1, und die Auslässe aus den letzten Rohrstücken 7.n in einer oberen horizontalen Ebene, vorliegend Auslassebene genannt, liegen, so ist die Einlassebene parallel zur Auslassebene und beide Ebenen sind senkrecht zu der zuvor beschriebenen ersten Ebene mit den Rohrstücken der Rohrstückgruppe 14 und der zweiten Ebene mit den Rohrstücken der Rohrstückgruppe 15.
Pro Rohrstückgruppe 14, 15 sind zahlreiche, nämlich vier oder mehr, insbesondere sechs, acht oder zehn oder mehr Rohrstücke jeweils innerhalb der ersten Ebene und der zweiten Ebene vorgesehen. Nebeneinander können ebenso drei, vier, sechs, acht oder mehr Rohrstücke innerhalb der Einlassebene und/oder innerhalb der Auslassebene vorgesehen sein.
Ferner zeigt Figur 3 eine Skizze zur Festlegung des Begriffs einer Bogenachse 17 für einen Rohrbogen 7. Für den einfachsten Fall ist der Rohrbogen 7 ein ebener Halbkreisbogen, sodass die Bogenachse 17 durch den Normalvektor durch den Mittelpunkt des zugeordneten Halbkreises definiert ist. Gleichwohl sind
abweichende Ausführungsformen denkbar, für die ein Rohrbogen 7 in mehrere Raumrichtungen gekrümmt ist. Für diesen Fall wird eine Bogenachse 17
ausgehend von einer Zentrallinie 18 zugeordnet, die als Auffädellinie 18 der Flächenschwerpunkte der Querschnittsflächen 19 entlang des Rohrbogens 7 definiert ist. Für hinreichend klein gewählte Kreisbogenabschnitte 20 entlang der Auffädellinie 18 können Radialvektoren 22.1, 22.2, die von einem Mittelpunkt 21 ausgehend zum Kreisbogenabschnitt 20 reichen, bestimmt werden. Zu den Radialvektoren 22.1, 22.2 senkrecht stehend, wird ein Vektor festgelegt, der den Beitrag zur Bogenachse 17 bestimmt, die dem betrachteten Kreisbogenabschnitt 20 zugeordnet ist. Die dem gesamten Rohrbogen 7 zugeordnete Bogenachse 17 ergibt sich dann aus einer gewichteten Mittelung der voranstehend genannten Beiträge. Die Gewichtung erfolgt über die Kreisbogenlängen der zur Bestimmung herangezogenen Kreisbogenabschnitte 20.
Figur 4 stellt eine vergrößerte Darstellung von Figur lb dar. Skizziert sind in Querrichtung angeschnittene Rohrstücke 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 mit
zwischenliegend angeordneten Rohrbögen 7.1, 7.2, 7.3, 7.4. Die den Rohrbögen 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zugeordneten Bogenachsen 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 weisen eine alternierende Winkelabweichung von der Projektionsrichtung 16 auf. Der Winkel beträgt insbesondere zwischen 40° und 50°, vorteilhaft 45°. Dabei stehen benachbarte Rohrstücke 7.1, 7.2 bezüglich ihrer Bogenachsen, beispielsweise 17.1 und 17.2, in einer vorgegeben Winkelstellung a, hiervon 90° zueinander und Rohrstücke in übernächster Nachbarschaft, etwa 7.1, 7.3, weisen im Wesentliche parallele Bogenachsen 17.1 und 17.3 auf. Gewisse Winkelabweichungen für eine Rohrwicklung 1 sind dann tolerierbar, wenn die Stapelbarkeit nicht beeinträchtigt ist.
Des Weiteren ist jedem Rohrbogen 7, 7.1 - 7.n ein Biegeradius R zugeordnet, wobei vorteilhafterweise alle Biegeradien R der Rohrbögen 7, 7.1- 7.n
übereinstimmen. Für den Fall eines nicht als Halbkreisbogen angelegten
Rohrstücks (7, 7.1 -7.n) wird als Biegeradius R eine gewichtete Mittelung der Länge aller Radialvektoren 22.1, 22.2 gebildet. Figur 5a zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher 8 in
Draufsicht, der als Stapel aus den Rohrwicklungen 1.1 - l.n mit einer Geometrie entsprechend der Figuren la, lb und 2 ausgebildet ist. Insbesondere aus der Schnittansicht entlang der Linie C-C, die in Figur 5b gezeigt ist, wird die kompakte wechselseitige Anlage der Rohrwicklungen 1.1 - l.n ersichtlich, die sich aus der alternierenden Winkelstellung der Rohrbögen 7.1, 7.n entlang der einzelnen Rohrwicklungen 1.1 - l.n ergibt. Für eine vorteilhafte Ausgestaltung sind die Rohrbögen 7.1, 7.n in einem alternierenden Winkel von ±45° zur
Projektionsrichtung 16 angelegt. Dies entspricht einer Winkelstellung α der Bogenachsen 17.1, 17.n benachbarter Rohrbögen 7.1, 7.n von 90°. Das formschlüssige Ineinandergreifen der Rohrwicklungen 1.1 - l.n und die kompakte Bauform mit einem verringerten Querabstand h der parallel verlaufenden
Rohrstücke 6.1, 6.n für jede einzelne der Rohrwicklungen 1.1 - l.n ergibt sich besonders deutlich aus der in Figur 6 gezeigten räumlichen Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauschers 8.
Aus Figur 7 ist schematisch vereinfacht die Verwendung eines erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauschers 8 zur Ausbildung eines Verdampfers einer
Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung gezeigt. Hierzu weist der Rohrbündel- Wärmetauscher 8 einen Einlassraum 2 für ein Wärmemedium, der in Verbindung zu einer Zuleitung 4 steht, auf. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Einlassraums 2 ist in der vergrößerten Darstellung von Figur 8 gezeigt. Diese weist ein
Anschlussteil 12 auf, das beispielsweise als Frästeil ausgebildet wird. Dieses Anschlussteil 12 umfasst auf der zu den Enden der Rohrstücke 6.1 - 6.n hinweisenden Seite Zuführungskanäle für das Wärmemedium. Ferner ist an der zur Zuleitung 4 hinweisenden Frontseite des Anschlussteils 12 zum
flüssigkeitsdichten Abschluss des Einlassraums 2 ein Deckel 11 vorgesehen.
Alternativ kann das Anschlussteil 12 als Rohrstück ausgebildet sein, was im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt ist. Abweichend von der hier gezeigten Darstellung kann die Zuleitung 4 zumindest teilweise oder insgesamt in Richtung der Längsersteckung des Einlassraumes 2 beziehungsweise des Anschlussteils 12, vorteilhaft quer zur Längsrichtung der einzelnen Rohrstücke verlaufen. Entsprechendes gilt für das Anschlussteil 12, wenn dieses selbst als Rohrstück ausgebildet ist.
Entsprechend kann der Auslassraum 3 für das Wärmemedium die
ausgangsseitigen Endstücke der Rohrstücke 6.1 - 6.n zusammenfassen. Von diesem Auslassraum 3 geht eine Abzugsleitung 5 aus, die für die dargestellte Ausgestaltung einen gegenüber der Zuleitung 4 erweiterten Querschnitt aufweist, da die Ausleitung des Wärmemediums als Gasphase erfolgt. Für den Auslassraum beziehungsweise die Abzugsleitung 5 gilt das für den Einlassraum 2 und die Zuleitung 4 gesagte. Beaufschlagt wird der Rohrbündel-Wärmetauscher 8 des Verdampfers 13 für das dargestellte Ausgestaltungsbeispiel von einem Abgasstrom. Hierzu ist in Figur 7 die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms WG eingezeichnet. Diese verläuft im Wesentlichen senkrecht zu den Rohrstücken 6.1 - 6. n der einzelnen
Rohrwicklungen 1.1 - l.n. Dabei kann aufgrund der erfindungsgemäßen
Winkelstellung benachbarter Rohrstücke 7.1 - 7.n der Abstand der Rohrstücke 6.1 - 6.n in Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms WG verringert werden. Hieraus resultiert bei einem gleichzeitig kompakten Rohrbündel-Wärmetauscher eine vorteilhaft vergrößerte Wärmetauscherfläche mit kreuzender Strömungsführung des Wärmemediums relativ zum aufheizenden Fluid, vorliegend dem Abgasstrom. Alternativ könnte der Abgasstrom jedoch auch in Richtung der Rohrstücke verlaufen, um zumindest teilweise einen Gegenstromwärmetauscher oder
Gleichstromwärmetauscher zu erreichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der gezeigte Rohrbündel-Wärmetauscher von einem zylinderförmigen oder im Wesentlichen zylinderförmigen Raum umschlossen, dessen Längsachse insbesondere parallel zu der Längsachse der Rohrstücke ist und durch welchen das Abgas geleitet wird.
Des Weiteren zeigt Figur 7 Komponenten einer Halterung für die einzelnen
Rohrwicklungen 1.1 - l.n des Rohrbündel-Wärmetauschers 8. [Exemplarisch dargestellt sind seitliche Halterungen 9.1 - 9.2, die über zapfenförmige
Vorsprünge in die Zwischenräume benachbarter Rohrstücke 6.1 - 6.n eingreifen. Die zapfenförmigen Vorsprünge können beispielsweise eine Oberfläche aufweisen, die komplementär zu der ihnen zugewandten Oberfläche der Rohrstücke ist.
Zusätzlich oder alternativ können die seitlichen Halterungen 9.1, 9.2 auch Bleche mit Bohrungen aufweisen, insbesondere umschließen, wobei durch die einzelnen Bohrungen die Rohrstücke geführt sind.
Zusätzlich wird die Stapelfolge durch Querstäbe 10.1 - 10. n stabilisiert, die durch die Stapelfolge der Rohrwicklungen 1.1 - l.n hindurchreichen. Abweichend von der gezeigten Darstellung müssen nicht in allen Zwischenräumen Querstäbe vorgesehen sein. Beispielsweise kann es auch ausreichend sein, diese nur im oberen Bereich des Stapels vorzusehen. Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform wird der Stapel der
Rohrstücke in einem axialen Festlager, beispielsweise im Bereich oder gebildet durch die Halterung 9.1 und einem axialen Loslager, beispielsweise im Bereich oder gebildet durch die Halterung 9.2 gelagert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. So können beispielsweise die Rohrwicklungen 1.1 - l.n aus einer Abfolge von Rohrstücken 6.1 - 6.n mit daran anschließenden Rohrbögen 7.1 - 7.n in der erfindungsgemäßen
Winkelstellung ausgebildet sein, wobei die Rohrstücke 6.1 - 6.n unterschiedliche Längen aufweisen, sodass nicht alle Rohrbögen 7.1 - 7.n miteinander fluchten. Auf diese Weise können am Rohrbündel einzeln vorstehende Rohrbögen 7.1 - 7.n gebildet werden, an denen zusätzliche Halterungselemente zur Stabilisierung des Rohrbündel-Wärmetauschers 8 vorgesehen sind. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen.
Bezugszeichenliste
1, 1.1 - l.n Rohrwicklung
2 Einlassraum
3 Auslassraum
4 Zuleitung
5 Abzugsleitung
6.1 - 6.n Rohrstück
7,
7.1 - 7.n Rohrbogen
8 Rohrbündel-Wärmetauscher
9.1, 9.2. seitliche Halterung
10.1, 10.2 Querstab
11 Deckel
12 Anschlussteil
13 Verdampfer
14 erste Rohrstückgruppe
15 zweite Rohrstückgruppe
16 Projektionsrichtung
17,
17.1 - 17. n Bogenachse
18 Zentrallinie
19 Querscnittsfläche
20 Kreisbogenabschnitt
21 Mittelpunkt
22.1, 22.2 Radialvektor
h Querabstand
WG Hauptströmungsrichtung eines Abgasstroms α Winkelstellung

Claims

Patentansprüche
1. Rohrbündel-Wärmetauscher mit
1.1 einer Vielzahl von einem Wärmemedium parallel durchströmten
Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n), die von einem gemeinsamen Einlassraum (2) für das Wärmemedium ausgehen und in einem gemeinsamen
Auslassraum (3) münden;
1.2 wobei jede Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) eine alternierende Abfolge von
abwechselnd in zwei zueinander parallelen Ebenen verlaufenden
Rohrstücken (6.1 - 6.n) und diese verbindenden Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n) umfasst, wobei innerhalb jeder der beiden Ebenen vier oder mehr nebeneinander oder parallel zueinander angeordnete Rohrstücke (6.1 - 6.4) verlaufen, und
1.3 wobei die Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n) als Umlenkung um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse (17, 17.1 - 17.n) ausgebildet sind und gleiche Biegeradien (R) aufweisen;
dadurch gekennzeichnet, dass
1.4 entlang jeder Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) die Bogenachsen (17, 17.1 - 17.n) von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück (6.1 - 6.n) angeschlossen sind, in Winkelstellung (a) von 85° - 95° zueinander stehen und die
Bogenachsen (17, 17.1 -17.n) von Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n), zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück (6.1 - 6.n), ein Rohrbogen (7, 7.1 - 7.n) und ein weiteres Rohrstück (6.1 - 6.n) angeordnet sind, parallel verlaufen.
2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zueinander parallelen Ebenen senkrecht auf einer
Einlassebene stehen, innerhalb von welcher Einlasse in die Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) aus dem gemeinsamen Einlassraum (2) positioniert sind, und insbesondere senkrecht auf einer zur Einlassebene parallelen Auslassebene stehen, innerhalb von welcher Auslässe aus den Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) in den gemeinsamen Auslassraum (3) positioniert sind.
3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.1 - 6.n) eine übereinstimmende Länge aufweisen.
4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.1 - 6.n) als gerade Rohrstücke (6.1 - 6.n) ausgebildet sind.
5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n) eine übereinstimmende Geometrie aufweisen.
6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (7, 7.1 -7.n) als
Halbkreisbögen mit einer eben verlaufenden Zentralline (18) ausgebildet sind.
7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) eine übereinstimmende Geometrie aufweisen und aneinander anliegend einen Wicklungsstapel bilden.
8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenachsen (17, 17.1 - 17. n) von Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n), die an dasselbe Rohrstück (6.1 - 6.n) angeschlossen sind, eine Winkelstellung (a) von 90° aufweisen.
9. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.1 - 6.n) und Rohrbögen (7, 7.1 -7.n) jeder Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) stoffschlüssig verbunden sind oder die Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) einstückig ausgebildet ist.
10. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung mit einem Verdampfer für ein
Wärmemedium, der von einem Abgasstrom einer
Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer einen Rohrbündel-Wärmetauscher gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche umfasst.
11. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch
gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms im Wesentlichen senkrecht oder parallel zu den Rohrstücken (6.1 - 6.n) des Rohrbündel-Wärmetauschers verläuft.
12. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) des Rohrbündel-Wärmetauschers aus Edelstahl gebildet sind.
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