EP2844940A1 - Doppelwandiges wärmetauscherrohr - Google Patents

Doppelwandiges wärmetauscherrohr

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Publication number
EP2844940A1
EP2844940A1 EP13725062.7A EP13725062A EP2844940A1 EP 2844940 A1 EP2844940 A1 EP 2844940A1 EP 13725062 A EP13725062 A EP 13725062A EP 2844940 A1 EP2844940 A1 EP 2844940A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
inner tube
tube
outer tube
exchanger according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13725062.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael T. Glass
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Benteler Automobiltechnik GmbH
Original Assignee
Benteler Automobiltechnik GmbH
Benteler Automotive Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Benteler Automobiltechnik GmbH, Benteler Automotive Corp filed Critical Benteler Automobiltechnik GmbH
Publication of EP2844940A1 publication Critical patent/EP2844940A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F28D7/103—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 more than two coaxial conduits or modules of more than two coaxial conduits
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/003—Multiple wall conduits, e.g. for leak detection

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for a motor vehicle, in particular an exhaust gas heat exchanger according to the features in the preamble of patent claim 1.
  • a shell-and-tube heat exchanger is known in which a medium is introduced at one end, strikes a tube sheet and collects on the tube sheet, and then passes through heat exchanger tubes located in the tube sheet.
  • a second medium is then introduced on the outside of a shell of the heat exchanger, which flows through the heat exchanger and leaves the heat exchanger again at an exit side opposite the inlet of the second medium.
  • the disadvantage here is that, in particular, the tube plate is exposed at least locally the high temperatures of the flowing exhaust gas in the case of using such a tube bundle heat exchanger as exhaust gas heat exchanger.
  • the object of the present invention is therefore to increase its heat exchanger capacity with the same or reduced external dimensions of a heat exchanger.
  • the heat exchanger is used in particular as an exhaust gas heat exchanger to cool exhaust gas of an internal combustion engine in the motor vehicle.
  • the Use heat exchangers for example, for cooling fluids as oil cooler or as a cooling water cooler.
  • the heat exchanger itself is designed in particular as a tube bundle heat exchanger.
  • the envelope is also known in the art as a cassette or case.
  • a first channel for flowing through a first medium in the heat exchanger tubes is formed and formed a second channel between the shell and the exterior of the heat exchanger tubes.
  • a first medium flows through the heat exchanger tubes and a second medium flows around the heat exchanger tubes from the outside, so that a heat transfer between the two media is performed.
  • the heat exchanger is formed in the context of the invention, in particular as a heat exchanger, which follows the DC principle or the countercurrent principle.
  • the heat exchanger tubes are not formed as single-layer or single-shell tubes, but as double-layered heat exchanger tubes.
  • a third channel is provided, which is inventively provided that a first medium flows in the shell, thus in the space between the inner circumferential surface of the shell and the outer circumferential surface of an outer tube.
  • the double-layered heat exchanger tubes form a second channel between the outer tube and the inner tube through which a second medium flows according to the invention.
  • a heat exchange between the first medium and the second medium via the outer circumferential surface of the outer tube.
  • the invention provides that in the inner tube, a further channel is formed, wherein the first medium is also optionally or simultaneously through the inner tube conductive. Consequently, there is a further heat transfer from the first medium to the second medium via the lateral surface of the inner tube.
  • the heat exchanger performance is increased at substantially the same external dimensions or even reduced external dimensions of the entire heat exchanger.
  • the heat exchanger generated counterpressure of the flowing media affects, if at all, in a negligible manner.
  • an opening is provided in the region of the end of the outer tube, in particular in the outer lateral surface of the outer tube, so that the first medium can flow into the inner tube, can flow through the inner tube and out of the inner tube again can flow out.
  • an opening is also provided on the outflow side, in particular in the outer circumferential surface of the outer tube.
  • the opening is designed in particular as a collar, wherein the collar is directed inward in the radial direction of the outer tube and is thus oriented towards the inner tube.
  • the collar is furthermore preferably coupled to the inner tube itself, so that a positionally fixed positioning of the inner tube takes place through the collar, but at the same time also a transfer of the first medium is created, wherein the first medium can then be transferred through the transfer into the interior of the inner tube ,
  • the inner tube and the outer tube are preferably components which are plugged into one another and, in particular via the opening, very particularly preferably via the collars in the region of the opening, can be fixed in one another in a form-locking manner and optionally cohesively, in particular fluid-tight, can be coupled.
  • a corresponding opening with a collar is then also formed on the inner tube, wherein the collar of the inner tube is oriented in the radial direction to the outside.
  • the collar of the inner tube and the collar of the outer tube are then oriented towards each other and form a passage to convey a medium into the interior of the inner tube or Divisionzube- promote from the interior of the inner tube.
  • closure plugs or closure caps are arranged.
  • the caps are in particular inserted in a form-fitting manner into the inner tube or attached to the inner tube and are optionally materially coupled, in particular fluid-tight, to the inner tube.
  • the ends of the heat exchanger tube itself are designed such that between the outer tube and the inner tube, a gap is formed, wherein the gap is formed in particular radially circumferentially uniform.
  • the introduced into the heat exchanger second medium can thus flow through the gap between the inner tube and outer tube in the second channel of the heat exchanger tube and flow therethrough.
  • the second channel is thus formed between the outer circumferential surface of the inner tube and the inner circumferential surface of the outer tube.
  • the heat exchanger is designed such that the second medium introduced at the front side and / or frontally carried out of the heat exchanger.
  • Front side refers in the context of the invention, in particular to the arrangement of the shell of the heat exchanger.
  • the end of the inner tube is in particular tapered on the inflow side of the second medium.
  • the end is formed such that the tip has a progressively increasing acute profile. The end is thus flow-optimized, which is why an occurring second medium is optimally introduced into the second channel between the inner circumferential surface of the outer tube and outer circumferential surface of the inner tube.
  • the back pressure of the motor vehicle heat exchanger is not increased or negligible in this way.
  • At least the outer tube and / or the inner tube have a corrugated course, in particular, the lateral surface of the inner tube and / or the outer tube is corrugated in the longitudinal direction.
  • the waveform in each case on a infinitesimally axial longitudinal section, relative to the central longitudinal axis of the heat exchanger tube, a radially circumferentially constant Radius has.
  • the outer tube and / or the inner tube thus results in a waveform on the respective outer circumferential surface and / or inner circumferential surface.
  • the waveform Due to the waveform, on the one hand, an enlargement of the surface area of the tubes available for the heat transfer takes place. On the other hand, a turbulence in the flow is generated by the waveform itself, which also improves the heat transfer between flowing medium and shaft tube. In addition, the waveform allows for improved thermal expansion of the respective tube in the longitudinal direction.
  • the inner diameter of a wave trough of the outer tube is larger than the outer diameter of a wave crest of the inner tube.
  • the heat exchanger tubes can be formed in particular from a metallic alloy, particularly preferably from a metallic material, very particularly preferably from a corrosive exhaust-resistant metal material, in particular a stainless steel material.
  • the heat exchanger tubes are formed of a light metal, for example of aluminum, or of a brass material or the like.
  • the tubes can also be made of copper, brass or bronze.
  • the tubes, thus the inner tube and / or the outer tube are produced by means of hydroforming.
  • the first channel and the third channel with each other in a simple, but also efficient manner with each other can be coupled, it is further provided that two spaced-apart end plates are arranged on an inflow side and / or a downstream side in the shell of the heat exchanger, wherein the outer tube, the end plates in each case by cross-coupled, fluid-tight manner with the front plate.
  • the coupling takes place such that the openings in the outer circumferential surface of the outer tube between the end plates, thus in the distance of the end plates, lie, wherein the shell facing front plate additional recesses between the outer tubes, thus the heat exchanger tubes having.
  • a first medium can first be passed into the spaced space between the two end plates and distributed in this space outside the outer circumferential surface of the outer tubes. Via the openings, the first medium then enters the interior spaces of the inner tubes and via the recesses in the front plate directed towards the casing, it passes into the heat exchanger space, thus the space between the casing and the outer casing surface of the outer tube.
  • the outer face plate is fluid-tightly coupled to the heat exchanger tubes.
  • the inner end plate is then connected to the recesses for the passage of the heat exchanger tubes to these fitting, but not necessarily fluid-tight coupled.
  • the second medium is then introduced end face, thus on the outer end plate, and flows through the gap between the outer tube and the inner tube in the second channel, which is formed between the outer tube and the inner tube. There then takes place a two-sided heat exchange, once over the lateral surface of the outer tube and once over the lateral surface of the inner tube between the two media.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a heat exchanger according to the invention in a cross-sectional view
  • FIG. 2 shows a heat exchanger tube according to the invention in a perspective view
  • FIG. 3a and b a heat exchanger tube according to the invention in an end view
  • FIG. 4a to c a heat exchanger according to the invention in a perspective view with and without sheath.
  • FIG. 1 shows a cross section through a heat exchanger 1 according to the invention.
  • the heat exchanger 1 has an outer shell 2, wherein a heat exchanger tube 3 is arranged in the shell 2.
  • the present invention is not limited to the fact that only one heat exchanger tube 3 is arranged in the shell 2, it is also possible for a plurality of heat exchanger tubes 3 to be arranged in the shell 2.
  • the heat exchanger tube 3 itself is divided into an outer tube 4 and an inner tube 5, wherein the inner tube 5 each end a closure plug 6, 7 has.
  • the closure plug 7 on an inflow side 8 is tapered so that an inflowing illustrated second medium 9 hits the tip and then flows into a second channel 10, wherein the second channel 10 between the inner circumferential surface 11 of the outer tube 4 and the outer circumferential surface 12 of the inner tube 5 is formed.
  • a first channel 15 is then further formed and formed within the inner tube 5, a third channel 16.
  • the first channel 15 and the third channel 16 are fluidly coupled via an inner end plate 17 with each other, in particular via recesses 18 in the inner end plate 17.
  • An inflowing first medium 19 thus passes through an opening 20 of an inflow 21 between the inner end plate 17 and the outer end plate 22 in the third channel 16.
  • the first medium 19 then enters the first channel 15 and flows from the Inlet side 8 to the outflow side 23.
  • Shown here is the heat exchanger 1 in the DC principle. In the context of the invention, however, it is also conceivable to form the heat exchanger 1 in the countercurrent principle.
  • a plurality of openings 20 may be formed so that in the third channel 16 via not only on each side of an opening, but on several openings on each side corresponding medium can flow.
  • FIG. 2 shows the heat exchanger tube 3 according to the invention in a perspective view, in which case the outer tube 4 is shown with inner tube 5 inserted inside.
  • a fluid flows via an opening 20 of the outer tube 4 into the interior of the inner tube 5.
  • the inner tube 5 is in turn closed off via the sealing plug 7 with respect to an end-side inflow.
  • a uniform gap 24 is formed on the inflow side, so that a second medium 9 can flow between the inner tube 5 and the outer tube 4.
  • the inner tube 5 also has a radially outwardly projecting collar 27, which is positively coupled according to Figure 3b with a radially inwardly projecting collar 28 of the outer tube 4. In particular, this is also cohesively and very particularly preferably fluid-tight coupled.
  • the two collars 27, 28 then give the opening 20 for the flow of the first medium 19 into the third channel 16.
  • the second channel 10 is then formed.
  • the present invention provides according to Figure 4a and b, that in the shell. 2 of the heat exchanger 1, an inflow opening 29 or in ungeParkter flow direction outflow opening for the first medium 19 is provided.
  • the first medium 19 passes into the inflow space 21 between the inner end plate 17 and the outer end plate 22.
  • it meets the outer circumferential surface 14 of the outer tube 4 and passes through openings 20 in the inner tube 5.
  • the inner face plate 17 also recesses 18, via which the first medium 19 located in the inflow space 21 then also flows into the first channel 15 located between the casing 2 and outer casing surface 14 of the outer pipe 4.
  • the second medium 9 flows to the outer end plate 22 and via the gap 24 between the outer tube 4 and the inner tube 5 in the second channel 0 between the inner tube 5 and outer tube. 4
  • FIG. 4c also shows a perspective partial sectional view according to FIG. 4a with the inner life shown in FIG. 4b.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Abgaswärmetauscher, wobei der Wärmetauscher (1) eine äußere Hülle (2) aufweist und in der äußeren Hülle (2) Wärmetauscherrohre (3) insbesondere als Bündel angeordnet sind, der dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens usw. ein Wärmetauscherrohr (3) doppelwandig aus einem Außenrohr (4) und einem Innenrohr (5) ausgebildet ist, wobei ein erstes Medium (19) in der Hülle (2) und/oder in dem Innenrohr (5) strömt und ein zweites Medium (9) zwischen Außenrohr (4) und Innenrohr (5) strömt.

Description

Doppelwandiges Wärmetauscherrohr
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Abgaswärmetauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, insbesondere in Kraftfahrzeugen Wärmetauscher einzusetzen, um Bauteile durch ein Medium zu kühlen und/oder einem Medium gezielt Wärme zu entziehen. Beispielsweise ist es somit möglich, das Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges gezielt durch ein zweites Medium, insbesondere Luft, zu kühlen. Es ist jedoch auch möglich, Abgas eines Kraftfahrzeuges zu kühlen, um beispielsweise das gekühlte Abgas selbst wiederum dem Verbrennungsprozess zuzuführen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aus der DE 434 34 05 A1 ist beispielsweise ein Rohrbündelwärmetauscher bekannt, bei dem an einem Ende ein Medium eingeführt wird, auf einen Rohrboden trifft und an dem Rohrboden sich sammelt und sodann durch in dem Rohrboden befindliche Wärmetauscherrohre geführt wird. Im Kreuzstromprinzip wird dann außenseitig auf einer Hülle des Wärmetauschers ein zweites Medium eingeführt, welches durch den Wärmetauscher strömt und an einer dem Eingang des zweiten Mediums gegenüberliegenden Austrittsseite den Wärmetauscher wieder verlässt.
Nachteilig hierbei ist es, dass insbesondere der Rohrboden im Falle der Verwendung eines solchen Rohrbündelwärmetauschers als Abgaswärmetauscher zumindest lokal den hohen Temperaturen des strömenden Abgases ausgesetzt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei gleichen oder verringerten äußeren Abmessungen eines Wärmetauschers, dessen Wärmetauscherleistung zu erhöhen.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Abgaswärmetauscher, gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Abgaswärmetauscher, wobei der Wärmetauscher eine äußere Hülle aufweist und in der äußeren Hülle Wärmetauscherrohre, insbesondere als Bündel, angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmetauscherrohr doppelwandig aus einem Außenrohr und einem Innenrohr ausgebildet ist, wobei ein erstes Medium in der Hülle und/oder in dem Innenrohr strömt und ein zweites Medium zwischen Außenrohr und Innenrohr strömt.
Im Rahmen der Erfindung wird der Wärmetauscher insbesondere als Abgaswärmetauscher genutzt, um Abgas einer Verbrennungskraftmaschine in dem Kraftfahrzeug zu kühlen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, den Wärmetauscher beispielsweise zum Kühlen von Fluiden als Ölkühler oder aber auch als Kühlwasserkühler einzusetzen.
Der Wärmetauscher ist selbst insbesondere als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet. Dies bedeutet im Rahmen der Erfindung, dass mehrere Wärmetauscherrohre zu einem Rohrbündel zusammengefasst sind und in einer äußeren Hülle angeordnet sind. Die Hülle ist auch aus dem Stand der Technik als Kassette oder Gehäuse bekannt. Mithin ist ein erster Kanal zum Durchströmen eines ersten Mediums in den Wärmetauscherrohren ausgebildet und ein zweiter Kanal zwischen der Hülle und dem Äußeren der Wärmetauscherrohre ausgebildet. Somit strömt ein erstes Medium durch die Wärmetauscherrohre und ein zweites Medium umströmt die Wärmetauscherrohre von außen, so dass ein Wärmeübergang zwischen den beiden Medien durchgeführt wird.
Der Wärmetauscher ist dabei im Rahmen der Erfindung insbesondere als Wärmetauscher ausgebildet, der dem Gleichstromprinzip oder aber dem Gegenstromprinzip folgt. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, die Wärmetauscherrohre nicht als einlagige bzw. einschalige Rohre auszubilden, sondern als doppellagige Wärmetauscherrohre. Mithin wird zunächst ein dritter Kanal bereit gestellt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein erstes Medium in der Hülle strömt, mithin in dem Raum zwischen der Innenmantelfläche der Hülle und der Außenmantelfläche eines Außenrohres. Durch die doppellagig ausgebildeten Wärmetauscherrohre ist ein zweiter Kanal zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr ausgebildet, durch den erfindungsgemäß ein zweites Medium strömt. Somit erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen erstem Medium und zweitem Medium über die Außenmantelfläche des Außenrohres.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Innenrohr ein weiterer Kanal ausgebildet ist, wobei das erste Medium auch optional oder gleichzeitig durch das Innenrohr leitbar ist. Mithin erfolgt ein weiterer Wärmeübergang von erstem Medium zu zweitem Medium über die Mantelfläche des Innenrohres. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird die Wärmetauscherleistung bei im Wesentlichen gleichen äußeren Abmessungen oder aber sogar verringerten äußeren Abmessungen des gesamten Wärmetauschers gesteigert. Der durch den Wärme- tauscher erzeugte Gegendruck der strömenden Medien wirkt sich dabei, wenn überhaupt, in zu vernachlässigender Weise aus.
Damit das erste Medium in das Innenrohr strömen kann, ist im Bereich des Endes des Außenrohres, insbesondere in der Außenmantelfläche des Außenrohres, eine Öffnung vorgesehen, so dass das erste Medium in das Innenrohr strömen kann, durch das Innenrohr hindurchströmen kann und aus dem Innenrohr wieder herausströmen kann. Bevorzugt ist an der Ausströmseite ebenfalls eine derartige Öffnung insbesondere in der Außenmantelfläche des Außenrohres vorgesehen.
Die Öffnung ist insbesondere als Kragen ausgebildet, wobei der Kragen in radialer Richtung des Außenrohres nach innen gerichtet ist und somit zum Innenrohr hin orientiert ist. Der Kragen ist weiterhin bevorzugt mit dem Innenrohr selbst koppelbar, so dass durch den Kragen bereits eine lagefixierte Positionierung des Innenrohrs erfolgt, gleichzeitig jedoch auch eine Überleitung des ersten Mediums geschaffen wird, wobei das erste Medium dann durch die Überleitung in das Innere des Innenrohrs überführbar ist.
Bevorzugt sind im Rahmen der Erfindung das Innenrohr und das Außenrohr getrennt voneinander hergestellte Bauteile, die durch die erfindungsgemäße Bauweise dann ineinander steckbar sind und insbesondere über die Öffnung, ganz besonders bevorzugt über die Kragen im Bereich der Öffnung, ineinander steckbar formschlüssig lagefixierbar und optional stoffschlüssig, insbesondere fluiddicht, koppelbar sind.
Eine entsprechende Öffnung mit Kragen ist dann auch am Innenrohr ausbildbar, wobei der Kragen des Innenrohrs in radialer Richtung nach außen orientiert ist. Der Kragen des Innenrohrs und der Kragen des Außenrohrs sind dann aufeinander zulaufend orientiert und bilden eine Durchleitung, um ein Medium in das Innere des Innenrohrs zu befördern oder aber aus dem Inneren des Innenrohrs herauszube- fördern.
Damit der dritte Kanal innerhalb des Innenrohrs in sich geschlossen ist und nicht stirnseitig von dem zweiten Medium anströmbar ist, ist ferner vorgesehen, dass die Enden des Innenrohrs geschlossen sind. Dies kann beispielsweise durch ein Zusammendrücken der Enden erfolgen. Erfindungsgemäß ist hier jedoch vorgesehen, dass Verschlussstopfen bzw. Verschlusskappen angeordnet sind. Die Kappen sind im Rahmen der Erfindung insbesondere formschlüssig in das Innenrohr eingesteckt oder auf das Innenrohr aufgesteckt und optional stoffschlüssig, insbesondere fluiddicht, mit dem Innenrohr gekoppelt.
Weiterhin bevorzugt sind die Enden des Wärmetauscherrohres selbst derart gestaltet, dass zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr ein Spalt ausgebildet ist, wobei der Spalt insbesondere radial umlaufend gleichmäßig ausgebildet ist. Das in den Wärmetauscher eingeführte zweite Medium kann somit durch den Spalt zwischen Innenrohr und Außenrohr in den zweiten Kanal des Wärmetauscherrohrs einströmen und dort hindurchströmen. Der zweite Kanal ist mithin zwischen der Außenmantelfläche des Innenrohrs und der Innenmantelfläche des Außenrohrs ausgebildet. Bevorzugt ist der Wärmetauscher derart ausgebildet, dass das zweite Medium stirnseitig eingeführt und/oder stirnseitig aus dem Wärmetauscher ausgeführt wird. Stirnseitig bezieht sich im Rahmen der Erfindung insbesondere auf die Anordnung der Hülle des Wärmetauschers.
Damit ein strömungsoptimiertes Einströmen in die Wärmetauscherrohre stattfinden kann, ist an der Einströmseite des zweiten Mediums das Ende des Innenrohres insbesondere spitz zulaufend ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist das Ende derart ausgebildet, dass die Spitze einen progressiv zunehmenden spitzen Verlauf aufweist. Das Ende ist somit strömungsoptimiert, weshalb ein auftretendes zweites Medium optimal in den zweiten Kanal zwischen Innenmantelfläche des Außenrohrs und Außenmantelfläche des Innenrohrs eingeführt wird. Insbesondere der Gegendruck des Kraftfahrzeugwärmetauschers wird dadurch nicht oder in zu vernachlässigender Weise erhöht.
In weiterer vorteilhafter Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens das Außenrohr und/oder das Innenrohr einen gewellten Verlauf aufweisen, insbesondere ist die Mantelfläche des Innenrohres und/oder des Außenrohres in Längsrichtung gewellt. Dies bedeutet, dass die Wellenform jeweils auf einen infinitesimal axialen Längenabschnitt, bezogen auf die Mittellängsachse des Wärmetauscherrohres, einen radial umlaufend konstanten Radius aufweist. In Längsrichtung des jeweiligen Rohres, mithin des Außenrohres und/oder des Innenrohres, ergibt sich somit eine Wellenform auf der jeweiligen Außenmantelfläche und/oder Innenmantelfläche.
Durch die Wellenform erfolgt zum einen eine Vergrößerung der für den Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Oberfläche der Rohre. Zum anderen wird durch die Wellenform selbst eine Turbulenz in der Strömung erzeugt, die ebenfalls den Wärmeübergang zwischen strömendem Medium und Wellenrohr verbessert. Darüber hinaus ermöglicht die Wellenform eine verbesserte thermische Ausdehnung des jeweiligen Rohres in Längsrichtung.
Damit nunmehr die Wärmetauscherrohre insbesondere auch kostengünstig und/oder strömungsoptimiert herstellbar sind, ist es ferner vorgesehen, dass der Innendurchmesser eines Wellentals des Außenrohres größer ist als der Außendurchmesser eines Wellenberges des Innenrohres. Hierdurch ist es möglich, die beiden Rohre, mithin das Außenrohr und/oder das Innenrohr, getrennt voneinander herzustellen und im Anschluss in Längsrichtung das Innenrohr in das Außenrohr einzuführen. Das Innenrohr kann dann wiederum lagefixiert in dem Außenrohr, insbesondere durch Koppelung über die Kragen, zentrisch angeordnet werden.
Im Rahmen der Erfindung können die Wärmetauscherrohre dabei insbesondere aus einer metallischen Legierung, besonders bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, ganz besonders bevorzugt aus einem gegenüber korrosiven Abgas resistenten Metallwerkstoff, insbesondere einem Edelstahlwerkstoff, ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Wärmetauscherrohre aus einem Leichtmetall, beispielsweise aus Aluminium, oder auch aus einem Messingwerkstoff oder ähnlichem ausgebildet sind. Die Rohre können jedoch auch aus Kupfer, Messing oder Bronze ausgebildet werden. Weiterhin bevorzugt sind die Rohre, mithin das Innenrohr und/oder das Außenrohr mittels Hydroumformen hergestellt.
Damit nunmehr im Rahmen der Erfindung der erste Kanal und der dritte Kanal miteinander in einfacher, aber auch in effizienter Art und Weise miteinander gekoppelt werden können, ist ferner vorgesehen, dass an einer Einströmseite und/oder einer Abströmseite in der Hülle des Wärmetauschers zwei zueinander beabstandete Stirnbleche angeordnet sind, wobei das Außenrohr die Stirnbleche jeweils durchgreifend, fluiddicht mit dem Stirnblech gekoppelt ist. Die Koppelung erfolgt derart, dass die Öffnungen in der Außenmantelfläche des Außenrohres zwischen den Stirnblechen, mithin in dem Abstand der Stirnbleche, liegen, wobei das zur Hülle zeigende Stirnblech zusätzliche Aussparungen zwischen den Außenrohren, mithin den Wärmetauscherrohren, aufweist. Somit kann ein erstes Medium zunächst in den beabstandeten Zwischenraum zwischen den beiden Stirnplatten geleitet werden und verteilt sich in diesem Raum außerhalb der Außenmantelfläche der Außenrohre. Über die Öffnungen gelangt das erste Medium sodann in die Innenräume der Innenrohre und über die Aussparungen in dem zur Hülle hin gerichteten Stirnblech gelangt es in den Wärmetauscherraum, mithin den Raum zwischen Hülle und Außenmantelfläche des Außenrohrs. Bevorzugt ist nur das außenliegende Stirnblech fluiddicht mit den Wärmetauscherrohren gekoppelt.
Das innere Stirnblech ist dann an den Ausnehmungen zur Durchführung der Wärmetauscherrohre an diese anliegend, aber nicht zwangsläufig fluiddicht gekoppelt.
Das zweite Medium wird dann stirnseitig, mithin an der äußeren Stirnplatte, eingeführt und strömt über den Spalt zwischen Außenrohr und Innenrohr in den zweiten Kanal, welcher zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr gebildet ist. Es erfolgt sodann ein zweiseitiger Wärmeaustausch, einmal über die Mantelfläche des Außenrohrs und einmal über die Mantelfläche des Innenrohrs zwischen den zwei Medien.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einer Querschnittsansicht; Figur 2 ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherrohr in einer Perspektivansicht;
Figur 3a und b ein erfindungsgemäßes Wärmetauscherrohr in einer Stirnansicht und
Figur 4a bis c einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einer perspektivischen Ansicht mit und ohne Hülle.
In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Figur 1 zeigte einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1. Der Wärmetauscher 1 weist dabei eine äußere Hülle 2 auf, wobei in der Hülle 2 ein Wärmetauscherrohr 3 angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf begrenzt, dass in der Hülle 2 nur ein Wärmetauscherrohr 3 angeordnet ist, es können auch mehrere Wärmetauscherrohre 3 in der Hülle 2 angeordnet sein. Das Wärmetauscherrohr 3 selbst ist dabei in ein Außenrohr 4 und ein Innenrohr 5 aufgeteilt, wobei das Innenrohr 5 jeweils endseitig einen Verschlussstopfen 6, 7 aufweist. Der Verschlussstopfen 7 auf einer Einströmseite 8 ist dabei spitz zulaufend ausgebildet, so dass ein einströmendes dargestelltes zweites Medium 9 auf die Spitze trifft und anschließend in ein einen zweiten Kanal 10 strömt, wobei der zweite Kanal 10 zwischen der Innenmantelfläche 11 des Außenrohres 4 und der Außenmantelfläche 12 des Innenrohres 5 ausgebildet ist.
Zwischen der Innenmantelfläche 13 der Hülle 2 und der Außenmantelfläche 14 des Außenrohres 4 ist dann ferner ein erster Kanal 15 ausgebildet und innerhalb des Innenrohres 5 ein dritter Kanal 16 ausgebildet. Der erste Kanal 15 und der dritte Kanal 16 sind strömungstechnisch über ein inneres Stirnblech 17 miteinander gekoppelt, insbesondere über Ausnehmungen 18 in dem inneren Stirnblech 17. Ein einströmendes erstes Medium 19 gelangt somit über eine Öffnung 20 von einem Einströmraum 21 zwischen dem inneren Stirnblech 17 und dem äußeren Stirnblech 22 in den dritten Kanal 16. Über die Ausnehmungen 18 in dem inneren Stirnblech 17 gelangt das erste Medium 19 dann in den ersten Kanal 15 und strömt von der Einströmseite 8 zu der Ausströmseite 23. Hier dargestellt ist der Wärmetauscher 1 im Gleichstromprinzip. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch vorstellbar, den Wärmetauscher 1 im Gegenstromprinzip auszubilden.
Im Rahmen der Erfindung können auch mehrere Öffnungen 20 ausgebildet sein, so dass in den dritten Kanal 16 über nicht nur auf jeder Seite eine Öffnung, sondern über mehrere Öffnungen auf jeder Seite entsprechendes Medium einströmen kann.
Figur 2 zeigt das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr 3 in einer perspektivischen Ansicht, wobei hier das Außenrohr 4 mit innen eingestecktem Innenrohr 5 dargestellt ist. Ein Fluid strömt über eine Öffnung 20 des Außenrohres 4 in den Innenraum des Innenrohres 5. Das Innenrohr 5 ist wiederum über die Verschlussstopfen 7 über gegenüber einem stirnseitigen Einströmen abgeschlossen. Zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 4 ist ein gleichmäßiger Spalt 24 einströmseitig ausgebildet, so dass ein zweites Medium 9 zwischen das Innenrohr 5 und das Außenrohr 4 einströmen kann.
Figur 3a) und b) erläutern diesen Gedanken nochmals, wobei der umlaufende, gleichmäßige Spalt 24 hier in Figur 3b gut dargestellt ist. Damit zunächst jedoch die zwei Rohre, mithin Außenrohr 4 und Innenrohr 5, getrennt voneinander gefertigt werden können, ist der Außendurchmesser D25 eines Wellenberges 25 des Innenrohrs 5 kleiner als der Innendurchmesser D26 eines Wellentals 26 des Außenrohres 4. Nicht dargestellt ist in der Stirnansicht gemäß Figur 3a und b die auf das Wellental 26 des Außenrohres 4 folgenden Wellenberge 25. Diese sind jedoch in Figur 1 gezeigt. Hierdurch ist es zunächst möglich, das Innenrohr 5 getrennt von dem Außenrohr 4 herzustellen und anschließend in das Außenrohr 4 in Längsrichtung einzuschieben.
Das Innenrohr 5 weist ferner einen radial nach außen stehenden Kragen 27 auf, der formschlüssig gemäß Figur 3b mit einem radial nach innen stehenden Kragen 28 des Außenrohres 4 gekoppelt ist. Insbesondere ist dieser auch stoffschlüssig und ganz besonders bevorzugt fluiddicht koppelbar. Die beiden Kragen 27, 28 ergeben dann die Öffnung 20 zum Einströmen des ersten Mediums 19 in den dritten Kanal 16. - i n zwischen einer Außenmantelfläche 12 des Innenrohres 5 und der Innenmantelfläche 11 des Außenrohres 4 ist dann der zweite Kanal 10 ausgebildet.
Damit nunmehr das erste Medium 19 sowohl in den ersten Kanal 15 als auch in den dritten Kanal 16 einströmen kann und das zweite Medium 9 in den zweiten Kanal 10 einströmen kann, sieht die vorliegende Erfindung gemäß Figur 4a und b vor, dass in der Hülle 2 des Wärmetauschers 1 eine Einströmöffnung 29 bzw. in ungekehrter Strömungsrichtung Ausströmöffnung für das erste Medium 19 vorgesehen ist. Hierdurch gelangt das erste Medium 19 in den Einströmraum 21 zwischen dem inneren Stirnblech 17 und dem äußeren Stirnblech 22. Hier trifft es auf die Außenmantelfläche 14 des Außenrohres 4 und gelangt über Öffnungen 20 in das Innenrohr 5. Ferner sind in dem inneren Stirnblech 17 ebenfalls Ausnehmungen 18 vorgesehen, über die das in dem Einströmraum 21 befindliche erste Medium 19 dann auch in den zwischen Hülle 2 und Außenmantelfläche 14 des Außenrohres 4 befindlichen ersten Kanal 15 strömt. Das zweite Medium 9 strömt das äußere Stirnblech 22 an und über den Spalt 24 zwischen Außenrohr 4 und Innenrohr 5 in den zweiten Kanal 0 zwischen Innenrohr 5 und Außenrohr 4.
Figur 4c zeigt ferner eine perspektivische Teilschnittansicht gemäß Figur 4a mit dem in Figur 4b dargestelltem Innenleben.
Bezuqszeichen:
1 - Wärmetauscher
2- Hülle
3- Wärmetauscherrohr
4 - Außenrohr
5- Innenrohr
6- Verschlussstopfen
7- Verschlussstopfen Einströmseite
8- Einströmseite
9- zweites Medium
10- zweiter Kanal
11 - Innenmantelfläche zu 4
12- Außenmantelfläche zu 5
13- Innenmantelfläche zu 2
14- Außenmantelfläche zu 4
15- erster Kanal
16- dritter Kanal
17- inneres Stirnblech
18- Ausnehmung
19- erstes Medium
20- Öffnung
21 - Einströmraum
22- äußeres Stirnblech
23- Ausströmseite
24- Spalt
25- Wellenberg zu 5
26- Wellental zu 4
27- Kragen zu 5
28- Kragen zu 4
29- Einströmöffnung

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Abgaswärmetauscher, wobei der Wärmetauscher (1 ) eine äußere Hülle (2) aufweist und in der äußeren Hülle (2) Wärmetauscherrohre (3) insbesondere als Bündel angeordnet sind, d ad u rch g eke nnzei ch net, dass mindestens ein Wärmetauscherrohr (3) doppelwandig aus einem Außenrohr (4) und einem Innenrohr (5) ausgebildet ist, wobei ein erstes Medium (19) in der Hülle (2) und/oder in dem Innenrohr (5) strömt und ein zweites Medium (9) zwischen Außenrohr (4) und Innenrohr (5) strömt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , d ad u rch g eken nzeich net, dass im Bereich des Endes des Außenrohres (4), insbesondere in der Außenmantelfläche (12), eine Öffnung (20) vorgesehen ist, so dass das erste Medium ( 9) in das Innenrohr (5) strömen kann oder aus dem Innenrohr (5) herausströmen kann.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dad urch g eken nzeich net, dass in die Öffnung (20) als Kragen (27) ausgebildet ist, wobei der Kragen (27) mit dem Innenrohr (5) koppelbar ist, insbesondere fluiddicht koppelbar ist, so dass das Innenrohr (5) durch die Koppelung in dem Außenrohr (4) lagefixiert positioniert ist.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad u rch geken nze ich net, dass das Außenrohr (4) und das Innenrohr (5) separat voneinander hergestellte Bauteile sind und ineinander gesteckt sind, wobei das Außenrohr (4) und das Innenrohr (5) über Kragen (27) an den Öffnungen (20) formschlüssig und/oder stoffschlüssige gekoppelt sind.
5. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, d ad u rch geken nze i ch n et, dass an dem Innenrohr (5) jeweils endseitig eine Verschlusskappe und/oder ein Stopfen angeordnet sind, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig gekoppelt.
6. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Enden von Außenrohr (4) und Innenrohr (5) ein Spalt (24) ausgebildet ist, insbesondere ein radial umlaufend gleichmäßiger Spalt (24).
7. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des Innenrohres (5) spitz zulaufend ausgebildet ist, insbesondere mit einem progressiv zunehmenden spitzen Verlauf.
8. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das Außenrohr (4) und/oder das Innenrohr (5) einen gewellten Verlauf aufweisen, insbesondere ist die Mantelfläche des Innenrohres (5) und/oder des Außenrohres (4) in Längsrichtung gewellt.
9. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wellenförmige Verlauf des Außenrohres (4) und/oder das Innenrohres (5) Wellenberge (25) und Wellentäler (26) aufweisen, wobei die Wellenberge (25) und Wellentäler (26) jeweils radial umlaufend konstant ausgebildet sind.
10. Wärmetauscher nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser eines Wellenberges (25) des Innenrohres (5) kleiner ist als der Innendurchmesser eines Wellentals (26) des Außenrohres (4).
11. Wärmetauscher nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Einströmseite (8) und/oder einer Abströmseite in der Hülle (2) zwei zueinander beabstandete Stirnbleche (17, 22) angeordnet sind, wobei das Außenrohr (4) die Stirnbleche (17, 22) durchgreifend fluiddicht mit diesen gekoppelt ist, so dass die Öffnung (20) in der Außenmantelfläche (12) des Außenrohres (4) zwischen den Stirnblechen (17, 22) angeordnet ist, wobei das zur Hülle (2) zeigende Stirnblech (17) zusätzliche Ausnehmungen (18) zwischen den Wärmetauscherrohren (3) aufweist. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (5) und/oder das Außenrohr (4) durch Hydroformen hergestellt sind.
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