EP3039372A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

Wärmeübertrager

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EP3039372A1
EP3039372A1 EP14749833.1A EP14749833A EP3039372A1 EP 3039372 A1 EP3039372 A1 EP 3039372A1 EP 14749833 A EP14749833 A EP 14749833A EP 3039372 A1 EP3039372 A1 EP 3039372A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
tube
exchanger according
exhaust gas
flow
Prior art date
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EP14749833.1A
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English (en)
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EP3039372B1 (de
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Peter Geskes
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Mahle Behr GmbH and Co KG filed Critical Mahle Behr GmbH and Co KG
Publication of EP3039372A1 publication Critical patent/EP3039372A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3039372B1 publication Critical patent/EP3039372B1/de
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/29—Constructional details of the coolers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation or materials
    • F02M26/32—Liquid-cooled heat exchangers
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    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/04—Tubular elements of cross-section which is non-circular polygonal, e.g. rectangular
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    • F28F1/422—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element with outside means integral with the tubular element and inside means integral with the tubular element
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0282—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by varying the geometry of conduit ends, e.g. by using inserts or attachments for modifying the pattern of flow at the conduit inlet or outlet

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1. It further relates to an exhaust gas cooler with such a heat exchanger.
  • exhaust gas coolers are used in this context, which are thermally loaded to a high degree by the introduced combustion exhaust gases. The latter can have temperatures of up to 700 ° C. during operation of the internal combustion engine.
  • the flow guide element has a planar ground plane extending in the main flow longitudinal direction, wherein at least partially lateral boundary structures rise above the ground plane to form at least one flow path.
  • the at least one flow path has a first upstream distance of the lateral limiting structures and a downstream second distance of the lateral limiting structures, the distances being such that a pressure loss of the fluid associated with the flow path is greater than that of the upstream first Spacing assigned location to a location associated with the downstream second distance is different than a pressure loss of an imaginary flow path having substantially equally spaced boundary structures.
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved heat exchanger, which - especially in the context of exhaust gas cooling - reliably avoids the occurrence of so-called hotspots.
  • Another object of the invention is to provide a corresponding exhaust gas cooler.
  • the invention is therefore based on the basic principle of a tube heat exchanger (RWÜ), through the so-called tube space, a second stream, such as exhaust gas of an internal combustion engine, pumped or otherwise promoted.
  • the at least one tube forming the tube space extends in a limited by a fluid-tight housing so-called shell space, which is flowed through by a first stream, such as coolant, and is inventively provided with projections on its outer surface, which the the (s) flow around the first stream, so for example, the coolant to a small extent and thereby steer.
  • a first stream such as coolant
  • the housing and the outer surfaces of the at least one tube form parallel flow paths for the first material flow, which are frontally limited by a bottom in which the at least one tube is taken. Via a connection, the first material flow in the region of the bottom, preferably orthogonal to the second material flow, is introduced into the housing.
  • the elevations on the outer surfaces of the tubes are designed such that the first material flow is distributed substantially uniformly in the region of the bottom after entry into the housing and is divided substantially evenly on the flow paths.
  • the elevations on the outer surfaces of the tubes accumulate the first material flow in some areas at least slightly, thereby diverting it to other, less well-flowed and boiling areas at risk, or increase the volume flow there.
  • the first material flow is directed laterally into the exhaust gas cooler. Housing on and by the shape of a considerable extent, for example at right angles, diverted, this modification of the heat exchanger proves to be advantageous.
  • the described surveys of the pipe surfaces namely reduce the risk of the formation of so-called dead spaces or hotspots within the exhaust gas cooler, which are insufficiently flowed through by coolant and thus exposed to a particularly intense thermal load.
  • the coolant circuit is often operated with a low flow rate for the purpose of saving energy
  • the configuration of the heat exchanger according to the invention thus contributes to considerably reduce the risk of overheating phenomena such as local boiling of the refrigerant, resulting in adverse chemical reactions and to significantly increase the overall service life of the exhaust gas cooler in this way.
  • said elevations are formed by means of a suitable forming technique in a sheet comprising the outer surface, for example a thin sheet.
  • a suitable forming technique in a sheet comprising the outer surface, for example a thin sheet.
  • an established pressure forming method is recommended, in particular the stamping of the elevation into a flat region of the outer surface.
  • Suitable forming tool such as embossing machines or pressing is familiar to the skilled worker and proven under production-practical aspects.
  • this offers a variety of possible variants, ranging from a simple nub on the outer surface to the embossment of the survey by a bead of the opposite inner surface of the sheet.
  • the latter option opens up a wide range of different shaping alternatives and angles of attack to a person skilled in the art in view of the availability of various bead rolls.
  • the execution of the surveys as beads additionally not only reduces the degradation of any stress peaks in the sheet metal of the pipes due to the embossing process, but advantageously also contributes to the stiffening of the entire heat exchanger.
  • the tubes are preferably provided with winglets, which can significantly increase the turbulence of the first and / or second material flow.
  • winglets can significantly increase the turbulence of the first and / or second material flow.
  • a comparable maximization of the contact surface can be achieved by means of ribs shaped analogously in the metal sheet, for example cooling fins, which at the same time increase the mechanical strength of the heat exchanger at the price of a slight increase in weight and reduce the sound radiation of a corresponding exhaust gas cooler by suppressing surface vibrations.
  • the tubes may be materially connected to the bottom of the housing, so that the resulting atomic or molecular forces support the structural cohesion of the heat exchanger.
  • a material bond can also be achieved by means of soldering, without to exceed the liquidus temperature of the pipe or the ground, accepting the known detrimental consequences for the respective base materials.
  • the tube heat exchanger in the context of exhaust gas cooling, it may prove pragmatic to equip the tube heat exchanger according to the invention with a diffuser oriented at right angles to the connection for introducing the combustion exhaust gases to be cooled.
  • a diffuser oriented at right angles to the connection for introducing the combustion exhaust gases to be cooled.
  • each schematically 1 is a partially perspective view of the tube of a heat exchanger according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a partial perspective view of the tube of a heat exchanger according to the invention according to a second embodiment
  • Fig. 5 shows the cross section of a heat exchanger according to the invention according to a fifth embodiment
  • Fig. 6 shows the region-wise longitudinal section of an exhaust gas cooler according to the invention.
  • Figure 1 illustrates the specific nature of a tube 5 of a heat exchanger 1 according to the invention (see Fig. 6).
  • tube 5 - 10 is to be understood as meaning any substantially fluid-tight hollow body whose length is substantially greater than its diameter and which is manufactured from a comparatively inflexible material, for example in contrast to a tube.
  • the tube 5 of FIG. 1 has a rectangular cross-section and therefore an approximately parallelepipedal shape.
  • Such a design is sometimes referred to as right edge and presently formed by two narrow outer surfaces 12, 13 and two wide outer surfaces 14, 15 of sheet metal, which constitute the lateral walls of the tube 5.
  • the narrow outer surfaces 12, 13 are each provided with a convex elevation 16 orthogonal to its longitudinal axis in the form of a short transverse bead 17 of the corresponding counter surface, while the broad outer surfaces 14, 15 have elevations 16 which are analogously provided by long square beads 18 are marked.
  • Technical limitations of the forming process used in the production process require that at least the elevations 16 / beads 17, 18 recognizable from the perspective of FIG. 1 do not extend beyond the complete width of the respective outer surfaces 13, 15 but just before the two-sided edges end up.
  • the described beads 17, 18 are on the outer surface 12, 13, 14, 15 as a negative bead 17, 18, so perceived as a bead.
  • flow paths 24 are arranged, which are at least partially related to each other and / or communicating with each other, but substantially parallel.
  • FIG. 2 The alternative embodiment of Figure 2, however, is characterized by a survey 16, 19, which is not like the beads 17, 18 channel-shaped, but hump-like in the form of a nearly circular knob 16 is formed.
  • the corresponding tube 6 of FIG. 2 has a star-shaped projection of so-called winglets 19, which enlarge the wide outer surfaces 14, 15 of the tube 6 and tend to favor turbulence of the material flow 1, 4 conducted therein or therefore.
  • the tube 8 shown in cross section according to Figure 4 is provided in addition to the beads 17, 18 with further geometric optimizations in the form of ribs 20.
  • the - correspond to the embodiment of Figure 3 - pipes 7 next to conventional winglets 19 inventively embossed short elevations 16 / (cross) ribs 17 on their narrow outer surfaces 12, 13 and long elevations 16 / (cross) corrugations 18 at their wide outer surfaces 14, 15 each having a height of about 1 mm.
  • the last passed from the flow 4 tubes 10 finally have only short elevations 16 / transverse beads 17 on their narrow outer surfaces 12, 13, while the wide Outer surfaces 14, 15 are increased exclusively by winglets 19.
  • FIG. 6 illustrates the benefits of a heat exchanger 1 according to the invention in the context of an exhaust gas cooler 2, which is in fluid communication via a lateral connection 22 with a coolant circuit and a front side arranged diffuser 23 with an exhaust pipe.
  • the by the combustion exhaust gas of a - not shown in Figure 6 - internal combustion engine formed second Stoffstronn 1 1 occurs essentially over the entire width of the housing 3 in the inserted into the bottom 21 tubes 5, which correspond to the embodiment of Figure 1.
  • the lateral attachment of the terminal 22 causes a comparison in almost orthogonal entry of the formed by a suitable coolant first material flow 4 in the bounded by the housing 3 shell space of the heat exchanger 1, but formed by the downstream of the terminal 22 in the tubes 5 short and long Elevations 16 / transverse seeding 17, 18 is not insignificantly delayed.
  • the resulting slight backflow of the coolant within the input region of the housing 3 ensures a largely homogeneous volume flow along its entire width along the outer surfaces 12, 13, 14, 15 of the tubes 5, so that overheating, in particular in the regions facing away from the connection 22, in particular in a There in conventional heat exchangers occurring dead space, the housing 3 can be avoided.
  • the number of elevations 16 / beads 17, 18 decreases in the tubes 5 from top to bottom, resulting in a blocking of the flow paths 24 is increasingly reduced.
  • the mutually contacting elevations 16 / beads 17, 18 of adjacent tubes 5 can in turn be permanently connected in order to increase the rigidity of the exhaust gas cooler 2.
  • a ratio a / h between a distance a between the bottom 21 and the elevation 16 / bead 17, 18 and the height h of the bottom 21 is 0.3 ⁇ a / h ⁇ 0.7, preferably 0.4 ⁇ a / h ⁇ 0.6. This allows a particularly uniform temperature distribution can be achieved.
  • the distance a between the bottom 21 and the elevation 16 / bead 17, 18 is about 20 to 60 mm, preferably 30 to 60 mm. This ensures an optimal stowage effect of the first material stream 4, for example of the coolant, and thereby for a particularly equal distribution of the same in the region of Soil 21, which in particular so-called "hotspots", where a boiling of the first stream 4 must be feared, can be avoided.
  • a homogeneous as possible tempered flow field is to be generated, whose temperature is below the boiling temperature of the coolant 4, whereby a local boiling of the same can be avoided with the associated problems.
  • the elevations 16 / beads 17, 18 at individual or at several points in the circumferential direction of the tube 5 - 10 may be arranged.
  • the elevations 16 / beads 17, 18 need not go beyond the entire pipe width beyond, but may also only partially extend over the pipe width.
  • the beads 17, 18 and elevations 16 never completely block the flow paths 24, a part of the first material flow 4 can thus still flow along the tubes 5 - 10 despite the elevations 16 / beads 17, 18.
  • a porosity factor F that is to say a passage factor of 60% and 90% (ideal pressure drop) is sought by the elevations / beads 16, 17, 18. wherein the porosity factor F is defined as follows:
  • A_KM2 coolant-side surface attributed to one of the tubes but blocked by bumps
  • the porosity factor F thus increases in the heat exchanger 1 in the tubes 5 - 10, starting from the terminal 22 from top to bottom.
  • the porosity factor F (degree of opening) thus increases the closer the respective tube 5 - 10 or the respective row of tubes is to the hotspots).
  • the value should be between 60% and 90%, because then the pressure drop does not increase too much.
  • the tubes 5 - 10 along their longitudinal axis may have a plurality of elevations / beads 16, 17, 18 at specific spacings or characteristic combinations of transverse and longitudinal elevations / beads 16, 17, 18.
  • the elevations / beads 16, 17, 18 may be provided only on one side of each tube 5 - 10, but have a relation to the two-sided configuration doubled height.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit einem fluiddichten Gehäuse (3) zum Leiten eines ersten Stoffstroms (4), zumindest einem in dem Gehäuse (3) verlaufenden wärmedurchlässigen Rohr (5 - 10) zum Leiten eines zweiten Stoffstroms (11), wobei das Gehäuse (3) und Außenoberflächen (12, 13, 14, 15) des zumindest einen Rohrs (5 - 10) parallele Strömungspfade (24) für den ersten Stoffstrom (4) bilden, die stirnseitig durch einen Boden (21 ) begrenzt sind, einem Anschluss (22), über den der erste Stoffstrom (4) im Bereich des Bodens (21) in das Gehäuse (3) einleitbar ist. Sogenannte "hotspots" können vermieden und gleichzeitig eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden, wenn eine Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) des zumindest einen Rohrs (5 - 10) eine Erhebung (16, 17, 18) dergestalt aufweist, dass der erste Stoffstrom (4) nach Eintritt in das Gehäuse (3) im Wesentlichen gleichmäßig im Bereich des Bodens (21) verteilt und gleichmäßig auf die Strömungskanäle (24) aufgeteilt wird.

Description

Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Sie betrifft ferner einen Abgaskühler mit einem solchen Wärmetauscher.
In modernen Verbrennungskraftmaschinen wird zunehmend ein Teil des Verbrennungsabgases im Abgaskrümmer abgezweigt, als Ballastgas mit angesaugter Frischluft vermischt und in den Brennraum zurückgeführt, um die Wärmekapazität des Brenngemisches zu erhöhen und somit die Verbrennungstemperatur abzusenken. Zur Verringerung von Stickoxid- und Partikelemissionen werden in diesem Zusammenhang sogenannte Abgaskühler eingesetzt, die thermisch in hohem Maße durch die eingeleiteten Verbrennungsabgase belastet werden. Letztere können im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Temperaturen von bis zu 700°C aufweisen.
Herkömmliche Abgaskühler genügen meist dem Wirkprinzip eines Wärmeübertragers, der die vom Verbrennungsabgas aus dem Brennraum abgeführte Wärme auf ein Kühlmittel überträgt. Da die Stoffströme als solche im Abgaskühler durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt bleiben, werden entsprechende Vorrichtungen in Fachkreisen als indirekte Wärmeübertrager, Rekuperatoren oder Wärmetauscher klassifiziert. Das Ausmaß der Wärmeübertragung, in der Automobilindustrie häufig durch den Kennwert Q100 charakterisiert, ist in diesem Fall stark von der relativen geometrischen Führung von Abgas- und Kühlmittelstrom abhängig- DE 10 2008 045 845 A1 etwa geht aus von einem Strömungsleitelement zur Anordnung in einem Wärmetauscher zu einer den Wärmetausch beeinflussenden Strömungsführung eines Fluids entlang einer Hauptströmungslängsrichtung von einem Fluideintritt zu einem Fluidaustritt. Gemäß diesem Konzept weist das Strömungsleitelement eine sich in Hauptströmungslängsrichtung erstreckende flächige Grundebene auf, wobei sich über die Grundebene hinaus wenigstens teilweise seitliche Begrenzungsstrukturen zur Bildung wenigstens eines Strömungspfades erheben. Zur Beeinflussung der Strömungsführung in Hauptströmungslängsrichtung weist der wenigstens eine Strömungspfad einen strömungsaufwärtigen ersten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen und einen strömungsabwärti- gen zweiten Abstand der seitlichen Begrenzungsstrukturen auf, wobei die Abstände derart unterschiedlich sind, dass ein dem Strömungspfad zugeordneter Druckverlust des Fluids von einer dem strömungsaufwärtigen ersten Abstand zugeordneten Stelle zu einer dem strömungsabwärtigen zweiten Abstand zugeordneten Stelle anders als ein Druckverlust eines gedachten Strömungspfades mit im Wesentlichen gleich beabstandeten Begrenzungsstrukturen ist.
Bei einem Einsatz von Wärmeübertragern im Rahmen der Abgaskühlung bei einem Kraftfahrzeug, kann der von einer Kühlwasserpumpe geförderte Kühlmittelmassenstrom oftmals nicht ausreichen oder die Geometrie des Wärmeübertragers nicht optimal sein, so dass es aufgrund von nicht ausreichend durchströmten Gebieten zur lokalen Überhitzung (hotspot) des Wärmeübertragers kommen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmeübertrager bereit zu stellen, welcher - insbesondere im Rahmen der Abgaskühlung - ein Auftreten von sogenannten hotspots zuverlässig vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung eines entsprechenden Abgaskühlers. Diese Aufgaben werden durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch einen Abgaskühler mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die Erfindung fußt demnach auf dem Grundprinzip eines Rohrwärmeübertragers (RWÜ), durch dessen sogenannten Rohrraum ein zweiter Stoffstrom, beispielsweise Abgas einer Brennkraftmaschine, gepumpt oder anderweitig gefördert wird. Das zumindest eine den Rohrraum bildende Rohr verläuft dabei in einem durch ein fluiddichtes Gehäuse begrenzten sogenannten Mantelraum, der von einem ersten Stoffstrom, beispielsweise Kühlmittel, durchströmt wird, und ist erfindungsgemäß mit Erhebungen an seiner Außenoberfläche versehen, welche den das/die Rohr(e) umströmenden ersten Stoffstrom, also beispielsweise das Kühlmittel, in geringem Maße aufstauen und dadurch lenken. Selbstverständlich kann dabei rein theoretisch auch nur ein einziges Rohr vorhanden sein, wobei im Folgenden stets von Rohren gesprochen wird, dies aber in analoger Weise auch für eine Ausführungsform mit nur einem Rohr gilt. Das Gehäuse und die Außenoberflächen des zumindest einen Rohrs bilden parallele Strömungspfade für den ersten Stoffstrom, die stirnseitig durch einen Boden, in welchem das zumindest eine Rohr gefasst ist, begrenzt sind. Über einen Anschluss wird der erste Stoffstrom im Bereich des Bodens, vorzugsweise orthogonal zum zweiten Stoffstrom, in das Gehäuse eingeleitet. Die Erhebungen an den Außenoberflächen der Rohre sind dabei derart ausgebildet, dass der erste Stoffstrom nach Eintritt in das Gehäuse im Wesentlichen gleichmäßig im Bereich des Bodens verteilt und im Wesentlichen gleichmäßig auf die Strömungspfade aufgeteilt wird.
Die Erhebungen an den Außenoberflächen der Rohre stauen den ersten Stoffstrom in manchen Bereichen zumindest leicht auf und lenken ihn dadurch in andere, schlechter durchströmte und siedegefährdete Bereiche um, bzw. erhöhen dort den Volumenstrom. Insbesondere bei der Verwendung des Wärmeübertragers in einem Abgaskühler, bei welcher der erste Stoffstrom seitlich in das Ge- häuse ein- und durch dessen Formgebung in erheblichem Maße, beispielsweise rechtwinklig, umgeleitet wird, erweist sich diese Modifikation des Wärmeübertragers als vorteilhaft. Insofern reduzieren die beschriebenen Erhebungen der Rohroberflächen nämlich die Gefahr der Bildung sogenannter Toträume oder Hotspots innerhalb des Abgaskühlers, welche nur unzureichend von Kühlmittel durchströmt und somit einer besonders intensiven thermischen Belastung ausgesetzt sind. Vor allem in modernen Kraftfahrzeugen, deren Kühlmittelkreislauf zum Zwecke der Energieeinsparung oftmals mit einer nur geringen Förderleistung betrieben wird, trägt die erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmeübertragers somit dazu bei, das Risiko von Überhitzungserscheinungen wie lokalen Siedevorgängen des Kühlmittels mit der Folge nachteiliger chemischer Reaktionen beträchtlich zu verringern und auf diesem Wege die Gesamtlebensdauer des Abgaskühlers maßgeblich zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die genannten Erhebungen dabei mittels einer geeigneten Umformtechnik in einem die Außenoberfläche umfassenden Blech, beispielsweise einem Feinblech, ausgebildet. Dieser Ansatz erlaubt im Wege eines wirtschaftlichen Verfahrens die gezielte plastische Formgebung eines erfindungsgemäßen Rohres auf der Grundlage eines handelsüblichen Halbzeugs oder Walzwerkfertigprodukts, ohne dessen Masse und Zusammenhalt substanzi- ell zu beeinträchtigen. Zugleich können die eingesetzten Rohre je nach verwendeter Stahlsorte und angestrebtem Betriebspunkt etwa verzinnt, verzinkt, verkupfert, vernickelt, lackiert, emailliert oder kunststoffbeschichtet sowie mittels bekannter Fügetechniken wie Schweißen, Löten, Nieten, Falzen, Schrauben, Kleben o- der Durchsetzfügen verbunden werden.
Verfahrenstechnisch empfiehlt sich hierzu insbesondere ein etabliertes Druckumformverfahren, insbesondere das Einprägen der Erhebung in einen ebenen Bereich der Außenoberfläche. Geeignetes Umformwerkzeug wie Prägemaschinen oder Pressen ist dem Fachmann vertraut und unter fertigungspraktischen Aspekten bewährt.
Hinsichtlich der Gestalt der Erhebungen bietet sich dabei eine Vielfalt möglicher Varianten, die von einer einfachen Noppe auf der Außenoberfläche bis zur Prägung der Erhebung durch eine Sicke der gegenüber liegenden Innenoberfläche des Blechs reichen. Die letztere Option eröffnet dem Fachmann angesichts der Verfügbarkeit verschiedenster Sickenrollen eine breite Auswahl unterschiedlicher Formgebungsalternativen und Anstellwinkel. Bei fachgerechter Auslegung trägt die Ausführung der Erhebungen als Sicken zusätzlich nicht nur zum Abbau etwaiger durch den Prägeprozess bedingter Spannungsspitzen im Blech der Rohre, sondern in vorteilhafter Weise auch zur Versteifung des gesamten Wärmeübertragers bei.
Um die Außenoberfläche zusätzlich zu vergrößern und den Wärmeaustausch dadurch weiter zu begünstigen, sind die Rohre vorzugsweise mit Winglets versehen, welche die Turbulenz des ersten und/oder zweiten Stoffstroms maßgeblich erhöhen können. Eine vergleichbare Maximierung der Kontaktfläche lässt sich mittels analog im Blech ausgeformter Rippen, beispielsweise Kühlrippen, erzielen, welche um den Preis einer geringfügigen Gewichtserhöhung zugleich die mechanische Festigkeit des Wärmeübertragers erhöhen und durch die Unterdrückung von Oberflächenschwingungen die Schallabstrahlung eines entsprechenden Abgaskühlers mindern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Rohre stoffschlüssig mit dem Boden des Gehäuses verbunden sein, sodass die resultierenden atomaren oder molekularen Kräfte den strukturellen Zusammenhalt des Wärmeübertragers unterstützen. Neben der Anwendung einer der zahlreichen bekannten Schweißtechniken ist ein solcher Stoffschluss auch im Wege des Lötens zu erreichen, ohne die Liquidustemperatur von Rohr oder Boden - unter Inkaufnahme der bekannten nachteiligen Folgen für die jeweiligen Grundwerkstoffe - überschreiten zu müssen.
Schließlich kann es sich im Rahmen der Abgaskühlung als pragmatisch erweisen, den erfindungsgemäßen Rohrwärmeübertrager mit einem rechtwinklig zum An- schluss orientierten Diffusor zum Einleiten der zu kühlenden Verbrennungsabgase auszustatten. Auf diese Weise wird nicht nur der Gasdruck in der Abgasleitung auf ein gewünschtes Druckniveau eingestellt, sondern ferner - in Umkehr des Arbeitsprinzips einer Düse - der durch die Leitung zugeführte Stoffstrom beim Eintreten in den Wärmeübertrager verlangsamt und dessen Durchflussquerschnitt für das Abgas insgesamt erhöht, was sich positiv auf die Übertragungsleistung auswirkt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch Fig. 1 eine bereichsweise perspektivische Ansicht des Rohres eines erfin- dungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine bereichsweise perspektivische Ansicht des Rohres eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 einen Querschnitt des entsprechenden Rohres einer dritten Ausführungsform,
Fig. 4 einen Querschnitt des entsprechenden Rohres einer vierten Ausführungsform,
Fig. 5 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß einer fünften Ausführungsform und
Fig. 6 den bereichsweisen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Abgaskühlers.
Figur 1 illustriert die spezifische Beschaffenheit eines Rohres 5 eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 (vgl. Fig. 6). Als Rohr 5 -10 ist im vorliegenden Zusammenhang dabei jedweder im Wesentlichen fluiddichte Hohlkörper zu verstehen, dessen Länge wesentlich größer als sein Durchmesser und der - beispielsweise im Gegensatz zu einem Schlauch - aus einem vergleichsweise unflexiblen Werkstoff gefertigt ist. Das Rohr 5 der Figur 1 weist konkret einen rechteckigen Querschnitt und somit insgesamt eine annähernd quaderförmige Gestalt auf. Eine derartige Bauform wird mitunter als Rechtkant bezeichnet und vorliegend durch zwei schmale Außenoberflächen 12, 13 sowie zwei breite Außenoberflächen 14, 15 aus Blech gebildet, welche die seitlichen Wände des Rohres 5 konstituieren. Die schmalen Außenoberflächen 12, 13 sind dabei jeweils mit einer orthogonal zu ihrer Längsachse verlaufenden konvexen Erhebung 16 in Gestalt einer kurzen Quersicke 17 der entsprechenden Gegenoberfläche versehen, während die breiten Außenoberflächen 14, 15 Erhebungen 16 aufweisen, die in analoger Weise durch lange Qu- ersicken 18 geprägt sind. Technische Beschränkungen des im Rahmen der Fertigung angewandten Umformverfahrens bedingen es dabei, dass zumindest die aus der Perspektive der Figur 1 erkennbaren Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 sich nicht über die vollständige Breite der jeweiligen Außenoberflächen 13, 15 erstrecken, sondern kurz vor den beidseitigen Kanten enden. Die beschriebenen Sicken 17, 18 sind an der Außenoberfläche 12, 13, 14, 15 als negative Sicke 17, 18, also als Wulst wahrnehmbar. Zwischen den Rohren 5 - 10 bzw. zwischen einem Rohr 5 -10 und dem Gehäuse 3 sind dabei Strömungspfade 24 angeordnet, die zumindest teilweise miteinander zusammenhängen und/oder kommunizierend miteinander verbunden sind, im Wesentlichen aber parallel verlaufen.
Die alternative Ausführungsform der Figur 2 indes ist durch eine Erhebung 16, 19 gekennzeichnet, die nicht wie die Sicken 17, 18 rinnenförmig, sondern höckerartig in Form einer nahezu kreisrunden Noppe 16 ausgebildet ist. Zusätzlich besitzt das entsprechende Rohr 6 der Figur 2 sternförmig von der Noppe 16 fortweisende sogenannte Winglets 19, welche die breiten Außenoberflächen 14, 15 des Rohres 6 vergrößern und Verwirbelungen des darin oder darum geführten Stoffstroms 1 1 , 4 tendenziell begünstigen. Auch das im Querschnitt dargestellte Rohr 8 gemäß Figur 4 ist zusätzlich zu den Sicken 17, 18 mit weiteren geometrischen Optimierungen in Form von Rippen 20 versehen.
Der umfassendere Querschnitt eines im Rahmen eines Abgaskühlers 2 eingesetzten Wärmeübertragers 1 gemäß Figur 5 lässt nunmehr eine Vielzahl in zwei Schichten im Wesentlichen achsenparallel verlaufender Rohre 7, 9, 10 einer Höhe von 4 bis 5 mm erkennen, die durch ihre relative Anordnung paarweise einen Zwischenraum von 2 mm für einen ersten Stoffstrom 4 entlang ihrer Außenoberflächen bieten. Charakteristisch für diese exemplarische Ausführungsform ist die spezifische Abfolge der unterschiedlich konfigurierten Rohre 7, 9, 10 in Richtung des ersten Stoffstroms 4, welche sich durch eine abnehmende Anzahl von Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 der aufeinander folgenden Rohre 7, 9, 10 auszeichnet. So verfügen die - der Ausführungsform gemäß Figur 3 entsprechenden - Rohre 7 neben herkömmlichen Winglets 19 über erfindungsgemäß eingeprägte kurze Erhebungen 16 / (Quer-)sicken 17 an ihren schmalen Außenoberflächen 12, 13 sowie lange Erhebungen 16 / (Quer-)sicken 18 an ihren breiten Außenoberflächen 14, 15 die jeweils eine Höhe von etwa 1 mm aufweisen. Die stromabwärts folgenden Rohre 9 indes verzichten auf die seitlich ausgeformten kurzen Erhebungen 16 / Quersicken 17 der Rohre 7. Die vom Stoffstrom 4 zuletzt passierten Rohre 10 schließlich weisen lediglich kurze Erhebungen 16 / Quersicken 17 an ihren schmalen Außenoberflächen 12, 13 auf, während die breiten Außenoberflächen 14, 15 ausschließlich durch Winglets 19 vergrößert sind.
Der Längsschnitt der Figur 6 verdeutlicht den Nutzen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 im Rahmen eines Abgaskühlers 2, welcher über einen seitlichen Anschluss 22 mit einem Kühlmittelkreislauf und über einen stirnseitig angeordneten Diffusor 23 mit einer Abgasleitung in Fluidverbindung steht. Der durch das Verbrennungsabgas eines - in Figur 6 nicht gezeigten - Verbrennungsmotors gebildete zweite Stoffstronn 1 1 tritt dabei im Wesentlichen über die gesamte Breite des Gehäuses 3 in die in dessen Boden 21 eingefügten Rohre 5 ein, welche der Ausführungsform der Figur 1 entsprechen. Die seitliche Anbringung des Anschlusses 22 bedingt einen im Vergleich nahezu orthogonalen Eintritt des durch ein geeignetes Kühlmittel gebildeten ersten Stoffstroms 4 in den durch das Gehäuse 3 begrenzten Mantelraum des Wärmeübertragers 1 , der jedoch durch die stromabwärts des Anschlusses 22 in den Rohren 5 ausgeformten kurzen und langen Erhebungen 16 / Quersicken 17, 18 nicht unerheblich verzögert wird. Der resultierende geringfügige Rückstau des Kühlmittels innerhalb des Eingangsbereichs des Gehäuses 3 gewährleistet einen über dessen gesamte Breite weitgehend homogenen Volumenstrom entlang der Außenoberflächen 12, 13, 14, 15 der Rohre 5, sodass eine Überhitzung insbesondere in den dem Anschluss 22 abgewandten Bereichen, insbesondere in einem dort bei herkömmlichen Wärmetauschern vorkommenden Totraum, des Gehäuses 3 vermieden werden kann. Die Anzahl der Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 nimmt dabei bei den Rohren 5 von oben nach unten ab, wodurch sich eine Verblockung der Strömungspfade 24 zunehmend verringert. Die wechselseitig einander berührenden Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 benachbarter Rohre 5 können ihrerseits dauerhaft verbunden sein, um die Steifigkeit des Abgaskühlers 2 zu erhöhen.
Vorzugsweise liegt ein Verhältnis a/h zwischen einem Abstand a zwischen dem Boden 21 und der Erhebung 16 / Sicke 17,18 und der Höhe h des Bodens 21 bei 0,3 < a/h < 0,7 bevorzugt bei 0,4 < a/h < 0,6. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung erreicht werden.
Der Abstand a zwischen dem Boden 21 und der Erhebung 16 /Sicke 17, 18 beträgt ca. 20 bis 60 mm, bevorzugt 30 bis 60 mm. Dies sorgt für eine optimale Stauwirkung des ersten Stoffstroms 4, beispielsweise des Kühlmittels, und dadurch für eine besonders geleichmäßige Verteilung desselben im Bereich des Bodens 21 , wodurch insbesondere sogenannte "hotspots", an denen ein Sieden des ersten Stoffstromes 4 befürchtet werden muss, vermieden werden können. Dabei gilt, je näher die Erhebungen/Sicken 16, 17, 18 an dem seitlichen Ende des Anschluss 22 angeordnet sind, desto geringer ist der Abstand a zum Boden 21 und desto effektiver ist die Umlenkung des ersten Stoffstroms 4 und damit die Kühlung. In diesem Bereich stromauf der Erhebungen/Sicken 16, 17, 18 soll ein möglichst homogen temperiertes Strömungsfeld erzeugt werden, dessen Temperatur unterhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels 4 liegt, wodurch ein lokales Sieden desselben mit den damit verbundenen Problemen vermieden werden kann.
Generell können die Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 an einzelnen oder an mehreren Stellen in Umfangsrichtung des Rohres 5 - 10 angeordnet sein. Die Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 müssen darüber hinaus nicht über die gesamte Rohrbreite gehen, sondern können auch nur bereichsweise über die Rohrbreite reichen. Die Sicken 17, 18 bzw. Erhebungen 16 verblocken dabei die Strömungspfade 24 nie vollständig, ein Teil des ersten Stoffstroms 4 kann somit auch trotz der Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 immer noch an den Rohren 5 - 10 entlang strömen.
Um eine möglichst gleichmäßige Durchströmung und damit auch homogene Temperierung im Bereich der siedegefährdeten Stellen erreichen zu können, wird durch die Erhebungen/Sicken 16, 17, 18 ein Porositätsfaktor F, das heißt ein Durchgangsfaktor von 60% und 90% (idealer Druckabfall) angestrebt, wobei der Porositätsfaktor F wie folgt definiert ist:
F = (A_KM1 -A_KM2) / A_KM2 mit: A_KM1 : kühlmittelseitige Fläche, die einem der Rohre zuzurechnen ist mit Erhebungen/Sicken (als Teilfläche der gesamten Querschnittsfläche)
A_KM2: kühlmittelseitige Fläche, die einem der Rohre zuzurechnen, jedoch mit Erhebungen/Sicken verblockt ist,
(A_KM1 -A_KM2) verbleibende offene Fläche, durch die weiterhin Kühlmittel
(KM) strömen kann.
Der Porositätsfaktor F sollte im Bereich 20%, bei den von den hotspots entfernteren Rohren 5, über F ca. 80%, bei den näher zu den hotspots gelegenen Rohren 5, bis hin zu F = 100 %, bei den direkt benachbart zu den hotspots gelegenen Rohren 5 liegen, wobei 100% eine vollständige Durchgängigkeit ohne Erhebungen 16 / Sicken 17, 18 bedeutet.
Der Porositätsfaktor F nimmt somit bei dem Wärmeübertrager 1 bei den Rohren 5 - 10 ausgehend vom Anschluss 22 von oben nach unten zu. Der Porositätsfaktor F (Öffnungsgrad) nimmt also zu, je näher das jeweilige Rohr 5 - 10 bzw. die jeweilige Rohrreihe den hotspots ist). Idealerweise sollte der Wert zwischen 60% und 90% liegen, da dann der Druckabfall nicht zu stark ansteigt.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung mögen die Rohre 5 - 10 entlang ihrer Längsachse mehrere Erhebungen/Sicken 16, 17, 18 in spezifischen Abständen oder charakteristische Kombinationen von quer und längs verlaufenden Erhebungen/Sicken 16, 17, 18 aufweisen. Dabei können die Erhebungen/Sicken 16, 17, 18 auch nur an jeweils einer Seite jedes Rohres 5 - 10 vorgesehen sein, dafür aber eine gegenüber der beidseitigen Konfiguration verdoppelte Höhe besitzen.

Claims

Ansprüche
1 . Wärmeübertrager (1 ), insbesondere für einen Abgaskühler (2), mit
- einem im Wesentlichen fluiddichten Gehäuse (3) zum Leiten eines ersten Stoffstroms (4), insbesondere eines Kühlmittels, und
- zumindest einem in dem Gehäuse (3) verlaufenden wärmedurchlässigen Rohr (5 - 10) zum Leiten eines zweiten Stoffstroms (1 1 ), insbesondere eines Verbrennungsabgases,
- wobei das Gehäuse (3) und Außenoberflächen (12, 13, 14, 15) des zumindest einen Rohrs (5 - 10) parallele Strömungspfade (24) für den ersten Stoffstrom (4) bilden, die stirnseitig durch einen Boden (21 ), in welchem das wenigstens eine Rohr (5-10) gefasst ist, begrenzt sind,
- einem Anschluss (22), über den der erste Stoffstrom (4) im Bereich des Bodens (21 ) in das Gehäuse (3) einleitbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) des zumindest einen Rohrs (5 - 10) eine Erhebung (16, 17, 18) dergestalt aufweist, dass der erste Stoffstrom (4) nach Eintritt in das Gehäuse (3) im Wesentlichen gleichmäßig im Bereich des Bodens (21 ) verteilt und im Wesentlichen gleichmäßig auf die Strömungspfade (24) aufgeteilt wird.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (5 - 10) ein Blech umfasst, welches die Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) aufweist, und die Erhebung (16, 17, 18) in dem Blech geformt, insbesondere geprägt ist.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhebung (16, 17, 18) eine Noppe (16) ist.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Blech eine der Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) gegenüber liegende Innenoberfläche mit einer Sicke (17, 18) aufweist, sodass die Sicke (17, 18) der Innenoberfläche die Erhebung (16, 17, 18) der Außenoberfläche (12, 13, 14, 15) prägt.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
- dass die Sicke (17, 18) quer oder längs zu dem ersten Stoffstrom (4) verläuft, und/oder
- dass sich die Erhebungen (16, 17, 18) in Umfangsrichtung zumindest teilweise über die Außenoberfläche (12, 13, 14 15) erstrecken.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Innenoberfläche ferner mindestens ein Winglet (19) und/oder mindestens eine Rippe (20) aufweist.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rohr (5 - 10) ein rechteckiges Rohr (5) mit zwei schmalen Außenoberflächen (12, 13) und zwei breiten Außenoberflächen (14, 15) ist.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Boden (21 ) mit dem zumindest einen Rohr (5 - 10) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt ist.
9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erhebung (16, 17, 18) eine Höhe zwischen 0,5 mm und 3 mm, vorzugsweise von weniger als 1 ,5 mm, aufweist.
10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass folgendes Verhältnis gilt
0,3 < a/h < 0,7 bevorzugt 0,4 < a/h < 0,6 mit a : Abstand zwischen dem Boden (21 ) und der Erhebung (16,17,18) h: Höhe des Bodens (21 ).
1 1 . Wärmeübertrager nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand a zwischen dem Boden (21 ) und der Erhebung (16, 17, 18) ca. 20 bis 60 mm beträgt, bevorzugt 30 bis 60 mm.
12. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Porositätsfaktor F der jeweiligen Strömungspfade (24) zwischen 60% und 90% liegt, wobei der Porositätsfaktor F wie folgt definiert ist
F = (A_KM1 -A_KM2) / A_KM2 mit:
A_KM1 : kühlmittelseitige Fläche, die einem der Rohre zuzurechnen ist mit Erhebungen/Sicken (als Teilfläche der gesamten Querschnittsfläche)
A_KM2: kühlmittelseitige Fläche, die einem der Rohre zuzurechnen, jedoch mit Erhebungen/Sicken verblockt ist,
(A_KM1 -A_KM2) verbleibende offene Fläche, durch die weiterhin Kühlmittel
(KM) strömen kann.
13. Abgaskühler (2) mit
einem mit einer Kühlmittelleitung verbundenen Anschluss (22) zum Einleiten eines ersten Stoffstroms (4), insbesondere eines Kühlmittels, in den Abgaskühler (2) und
einem mit einer Abgasleitung verbundenen Diffusor (23) zum Einleiten eines zweiten Stoffstroms (1 1 ) eines Verbrennungsabgases in den Abgaskühler (2), wobei der Anschluss (22) und der Diffusor (23) so zueinander angeordnet sind, dass der erste Stoffstrom (4) im Wesentlichen rechtwinklig zu dem zweiten Stoffstrom (1 1 ) eingeleitet wird,
gekennzeichnet durch
einen Wärmeübertrager (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Übertragen von Wärme von dem zweiten Stoffstrom (1 1 ) auf den ersten Stoffstrom (4).
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